Einfluss von Atrien auf die Energieeffizienz von Gebäuden
Unkonditionierte, verglaste Atrien sind häufiges Gestaltungselement von modernen Bürogebäuden. Sie haben das Potential die Energieeffizienz, die thermische Behaglichkeit, die Rentabilität und den CO2-Ausstoß eines Gebäudes nachhaltig zu beeinflussen. In der vorliegenden Arbeit wird beschrieben, welchen Einfluss ein Atrium auf ein Gebäude hat und wie ein Atrium optimal ausgeführt werden sollte. Die Betrachtungen erfolgen am Beispiel des Energieforums Berlin, das mitsamt seinem Atrium in mehreren Forschungsprojekten intensiv untersucht wurde. Für diese Arbeit wurde das Gebäude in einem Simulationsprogramm modelliert und es wurden anhand dessen Parameterstudien durchgeführt. Für die Abbildung des thermischen Verhaltens des nicht-isothermen Durchströmungsgebietes eines Atriums in einem dynamischen Gebäudesimulationsprogramm kommen aufwendige Berechnungsmethoden zum Einsatz, die es ermöglichen den natürlichen Luftwechsel in der geforderten Genauigkeit darzustellen. Hierbei wird auf vorangegangene Arbeiten am selben Objekt aufgebaut. Das Simulationsmodell wurde auf der Basis von Messwerten kalibriert, so dass das thermische Verhalten des Atriums mit der notwendigen Genauigkeit wiedergegeben wird. Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass der Fassade des Atriums sowie der Betriebsführung eine Schlüsselrolle zukommt, wenn ein Atrium optimal gestaltet werden soll. So sollte der g-Wert der Atriumverglasung im Bereich von 0,34 oder darunter liegen und 0,59 nicht überschreiten. Der U-Wert sollte im Bereich von 1,0 W/(m²K) liegen. Es wurde ein Auslegungskriterium für die Größe der Lüftungsöffnungen entwickelt, das sich an der Größe der transparenten Fassadenfläche des Atriums orientiert. Die aerodynamisch wirksame Fläche der Lüftungsöffnungen sollte in Abhängigkeit vom g-Wert der Verglasung mindestens 5 % – 7 % der transparenten Fläche der Atriumfassade betragen. Durch die optimale Integration eines Atriums in ein Gebäude kann der Heizwärmebedarf der angrenzenden Räume im Vergleich zu einem Referenzgebäude um rund 90 % gesenkt werden. Der Kühlenergiebedarf steigt dabei minimal. Bei Betrachtung einer 50-jährigen Nutzungsdauer ergibt sich durch den reduzierten Heizwärmebedarf mit einem Atrium eine Senkung der CO2-Emissionen des Gebäudes um ca. 50 %. Der durch den Bau des Atriums bedingte CO2-Ausstoß wird durch die einhergehenden Einsparungen nach 6 Jahren kompensiert. Die ökonomische Rentabilität eines Atriums ist stark abhängig von den finanziellen Randbedingungen Energiepreisentwicklung und Kapitalkosten. Bei konservativer Annahme der aktuell bestehenden Randbedingungen (Energiepreissteigerung 3 % p.a., Zinsen 2 % p.a.) ist ein Atrium unter Annahme einer 50-jährigen Nutzungsdauer 10 % günstiger als das Referenzgebäude ohne Atrium. Bei einer ungünstigen Entwicklung der Randbedingungen hin zu höheren Kapitalkosten (6 %) und einer geringeren Energiepreissteigerung (1 %) kann ein Gebäude mit Atrium deutlich teurer ausfallen als das Referenzgebäude ohne Atrium.
Unconditioned, glazed atria are common design elements of modern office buildings. They have the potential to influence the energy efficiency, thermal comfort, profitability and CO2 emissions of a building in the long term. This paper describes the influence of an atrium on a building and how an atrium should be optimally designed. The considerations are based on the example of the Energy Forum Berlin, which, together with its atrium, has been intensively studied in several research projects. For this work, the building was modeled in a simulation program and parameter studies were carried out based on it. For the representation of the thermal behavior of the non-isothermal flow area of an atrium in a dynamic building simulation program, complex calculation methods are used, which make it possible to represent the natural air exchange with the required accuracy. This is based on previous work on the same object. The simulation model was calibrated on the basis of measured values, so that the thermal behavior of the atrium is reproduced with the necessary accuracy. As a result, it was shown that the facade of the atrium as well as the operational management play a key role if an atrium is to be optimally designed. For example, the g-value of the atrium glazing should be in the range of 0.34 or below and should not exceed 0.59. The U-value should be in the range of 1.0 W/(m²K). A design criterion for the size of the vents was developed based on the size of the transparent facade area of the atrium. The aerodynamically effective area of the ventilation openings should be at least 5 % - 7 % of the transparent area of the atrium façade, depending on the g-value of the glazing. By optimally integrating an atrium into a building, the heating energy demand of the adjacent rooms can be reduced by about 90 % compared to a reference building. The cooling energy demand increases minimally. Considering a 50-year service life, the reduced heating energy demand with an atrium results in a reduction of the CO2 emissions of the building by about 50 %. The CO2 emissions caused by the construction of the atrium are compensated for by the associated savings after 6 years. The economic profitability of an atrium is strongly dependent on the financial boundary conditions of energy price development and capital costs. With a conservative assumption of the currently existing boundary conditions (energy price increase 3% p.a., interest 2% p.a.), an atrium is 10% cheaper than the reference building without an atrium, assuming a 50-year service life. In case of an unfavorable development of the boundary conditions towards higher capital costs (6 %) and a lower energy price increase (1 %), a building with atrium can turn out to be significantly more expensive than the reference building without atrium. As a result, it could be shown that the facade of the atrium as well as the operational management play a key role if an atrium is to be optimally designed. For example, the g-value of the atrium glazing should be in the range of 0.34 or below and should not exceed 0.59. The U-value should be in the range of 1.0 W/(m²K). A design criterion for the size of the vents was developed based on the size of the transparent facade area of the atrium. The aerodynamically effective area of the ventilation openings should be at least 5 % - 7 % of the transparent area of the atrium façade, depending on the g-value of the glazing. By optimally integrating an atrium into a building, the heating energy demand of the adjacent rooms can be reduced by about 90 % compared to a reference building. The cooling energy demand increases minimally. Considering a 50-year service life, the reduced heating energy demand with an atrium results in a reduction of the CO2 emissions of the building by about 50 %. The CO2 emissions caused by the construction of the atrium are compensated for by the associated savings after 6 years.
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