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Einrichtungen/Labore

Labor für Wärme- und Feuchtetransport <<

 

Laborleiter:
Prof. Dr. Andreas Beck
Telefon +49 (0)711 8926 2677
andreas.beck@hft-stuttgart.de

 

Einrichtungen:

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PIV: Sichtbarmachung und Auswertung von Luftströmungen

Ansprechpartner:
Dr. Volker Fux
Telefon +49 (0)711 8926 2543
volker.fux@hft-stuttgart.de

Bei hinterlüfteten, beidseitig verglasten Doppelfassaden haben die Strömungsverhältnisse innerhalb des Fassadensystems den entscheidenden Einfluss auf das thermische Verhalten. Die Strömungssituation und der damit verbundene Wärmeübergang im Fassadensystem kann sich jedoch vor allem bei starker asymmetrischer Erwärmung von innerer und äußerer Verglasung sehr komplex gestalten. Eine wärmetechnische Beurteilung eines Gesamtfassadensystems ist daher in der Regel problematisch. Auch Strömungssimulationsrechnungen gestalten sich vor allem im Fall des thermischen Auftriebs infolge Eigenkonvektion schwierig, da mitunter erhebliche numerische Probleme auftreten, die die realen Gegebenheiten u.U. nicht exakt wiedergeben.

An der HFT-Stuttgart wurde daher eine Messmethodik realisiert, mit der die Strömungsformen innerhalb eines Fassadensystems visualisiert und über Bildverarbeitungssoftware analysiert werden können.

Der Experimentalaufbau besteht im Wesentlichen aus zwei sich gegenüberstehenden unterschiedlich beheizbaren bzw. kühlbaren Platten (Abmessung: 2m x 0.5m). Durch verschieben der Platten kann der Luftspalt beliebig variiert werden. Über eine Abzugshaube mit Regelbaren Ventilator lassen sich unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten im Spalt einstellen wodurch die thermischen und strömungstechnischen Gegebenheiten für freie sowie erzwungene Konvektion eines Doppelfassadensystems nachgebildet werden können.

Die Sichtbarmachung der Strömung erfolgt mittels kleiner Partikel (Heliumblasen bzw. Ölspray) die der Strömung zugegeben werden. Für den Fall der Visualisierung mit Heliumblasen wird über einen speziellen Heliumblasen-Generator eine hinreichend große Menge von ca. 1 - 5mm großen Seifenblasen produziert, die so mit einem Helium-Luft-Gemisch gefüllt werden, dass die Gewichtskraft der Blasenhülle durch den Auftrieb des Heliums gerade kompensiert wird. Ist das richtige Helium-Luft-Gemisch eingestellt, werden die Blasen in den Luftspalt des Versuchsstandes eingeblasen und folgen den dort herrschenden Strömungsverhältnissen.

Die Bewegungen der Partikel werden mit einer hochauflösenden Kamera verfolgt. Dabei ist es notwendig den Fassadenspalt über die Fassadenhöhe und –breite mit einer Schnittbild-Optik auszuleuchten. Eine Komplettausleuchtung des Spalts würde dazu führen, dass über völlig unabhängige Geschwindigkeiten und Strömungsrichtungen integriert oder gemittelt würde.

Als Lichtquelle dient eine 150 W Kaltlichtlampe deren Licht in eine Faseroptik geleitet wird. Die Faseroptik wird am Lichtaustritt linienförmig aufgeweitet und das austretende Licht über eine Zylinderlinse parallelisiert. Mit dieser Ausstattung läßt sich somit eine Linienlichtquelle erzeugen, die sich über einen Bereich von ca. 2m etwa 5cm in der Tiefe aufweitet. Alternativ kann als Lichtquelle auch ein 10W Laser verwendet werden. Der hiermit erzeugte Lichtstrahl wird über ein optisches System linienförmig aufgeweitet.

Ausgewertet werden die Strömungsverhältnisse im Fassadensystem mit Hilfe der Particle Image Velocimetry (PIV). Hierbei werden die aufgenommenen Partikel über eine digitale Bildverarbeitung ausgewertet und vektorisiert. Alle Bildverarbeitungsschritte werden in graphisch editierbaren Bearbeitungsfenstern vorgenommen (Region of Interest). Durch diese ROI-Technik und einer flexiblen Zwischenspeichermöglichkeit lassen sich auch komplexe Funktionsabläufe schnell austesten. Ein leistungsfähiger Makro-Interpreter erlaubt mit C-ähnlicher Syntax die Automatisierung oft wiederholter Untersuchungen und Berechnungen. So lassen sich z.B. Unterschiede zwischen den Einzelaufnahmen von längeren Bildsequenzen miteinander korrelieren und statistisch zu Mittelwerten weiterverarbeiten.

Neben der thermischen Analyse von bisher nur im Außenteststand untersuchten hinterlüfteten Photovoltaikelementen lassen sich mit dem Aufbau vor allem Doppelfassaden mit strömungsrelevanten Einbauten wie Sonnenschutzelemente- Jalousien etc. untersuchen. Solche Fassadensysteme werden heute bereits vielfältig im Verwaltungsbau eingesetzt, ohne dass gesicherte Erkenntnisse über das energetische Verhalten bekannt sind.

 

Thermographie

Die Thermografie nutzt die Tatsache, dass alle Gegenstände Wärmestrahlung aussenden. Mit Hilfe der Thermokamera wird diese - im Normalfall unsichtbare - Wärmestrahlung erfasst und als sichtbares Bild dargestellt. Diese Bilder nennt man Thermogramme. Dank bekannter physikalischer Zusammenhänge kann aus der erfassten Wärmestrahlung auf die Temperaturverteilung an der Oberfläche des betrachteten Gegenstandes geschlossen werden.

Durch die flächenmäßige Darstellung der Temperaturverteilung ist es möglich, den Einflussbereich von Wärmebrücken, d.h. Zonen erhöhten Wärmeverlustes, und Undichtigkeiten festzustellen.

An Außenoberflächen von beheizten Gebäuden gilt:

  • helle Farben weisen auf warme, schlecht "isolierte" Flächen hin

  • dunke Farben weisen auf kalte, gut "isolierte" Flächen hin

Anwendungsgebiete für die Thermografie im Bausektor:

Im Wesentlichen gibt es folgende Anwendungsgebiete für die Thermografie im Bausektor:

  • Wärmetechnische Bestandsaufnahme:

Untersuchungen zur flächigen Analyse der Wärmeverluste durch Bauteile wie Wände, Fenster, Dächer u.a.

zerstörungsfreie Analyse eines Wandaufbaus (z.B. Sichtbarmachen von verputztem Fachwerk)

Durch eine gesamtheitliche Betrachtung eines Gebäudes (Thermografie und Energiediagnose) wird
gewährleistet, daß Sanierungsmaßnahmen sich nicht zu Fehlinvestitionen entwickeln.

  • Ausführungskontrolle
  • Bauschaden-Untersuchungen

Was ist wichtig für eine Thermografie?

Damit die Thermografie eines Hauses den wärmetechnischen Zustand der Bauteile richtig zeigt, müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein:

  • Außentemperaturen unter +5°C ohne Sonneneinstrahlung. Die Sonneneinstrahlung verfälscht die Aussagen des Thermogramms, da hierdurch Wände und Dächer aufgeheizt werden.
  • Das Gebäude sollte in der Nacht gleichmäßig beheizt sein. Alle Fenster sollten 2 - 3 Stunden vorher geschlossen werden.
  • Hinterlüftete Fassadenflächen werden von innen untersucht, ebenso die ziegelgedeckten und damit ebenfalls hinterlüfteten Dachflächen.
  • Die Fassaden sollten zugänglich und sichtbar sein. Auch mit einer Thermokamera kann man nicht durch Büsche und Bäume hindurchsehen

 

Prüfung der Luftdichtigkeit eines Gebäudes mit der Blowerdoor

Durch die Blowerdoor-Messung wird die Qualität der Luftdichtigkeit des Gebäudes bestimmt und dokumentiert.

Bei allen Gebäuden, besonders aber bei Holzbauten gibt es konstruktionsbedingt Bauteilfugen und -anschlüsse, die als potentielle Undichtigkeiten angesehen werden können. Auch Mauerwerkswände werden erst "luftdicht", wenn sie ohne Unterbrechung verputzt sind. Fenster- und Türanschlüsse, Schornsteine, Elektro- und vor allem Sanitärinstallationen sind ohne dauerhafte Abdichtungen eine oft unterschätzte Leckagequelle.

Diese Leckagen verschlechtern den Dämmwert der Gebäudehülle besonders bei wind- oder temperaturbedingten Druckdifferenzen zwischen Innen- und Außenluft. Gleichzeitig erhöhen sie den Luftwechsel des Raumes und führen damit zu einer Erhöhung

- des Tauwasserrisikos in den Außenwänden und
- des Heizenergiebedarfes, d.h. der Heizkosten

Das Meßverfahren "Drucktest" mit der Blowerdoor
Das Ergebnis der Bemühungen um eine luftdichte Gebäudehülle läßt sich meßtechnisch überprüfen. Am weitesten verbreitet ist international die Luftdichtigkeitsmessung durch einen Drucktest bei stationärem Differenzdruck (DC-Pressurization, nach ISO 9972). Hierbei wird ein regelbarer Ventilator in den Rahmen einer Außentür oder eines Fensters gesetzt und durch den Aufbau eines Unter- oder Überdruckes im Gebäude eine definierte Druckdifferenz zwischen innen und außen erzeugt.

Mit dieser Differenzdruckmessung ist es möglich die folgende Kontrollmöglichkeiten durchzuführen:

  • Überprüfung der Gebäudedichtheit
  • Analyse von konstruktiven Schwachstellen im bestehenden Gebäude
  • Arbeiten während der Bauphase

Ablauf einer Messung mit der Blowerdoor
Für diese Messung wird ein Gebläse (Blowerdoor) luftdicht in eine Eingangs- oder Balkontür eingebaut, so daß im Gebäude eine Druckdifferenz zur Außenluft erzeugt werden kann. Bei verschiedenen Antriebsspannungen des Ventilators wird sowohl der Unter-, als auch der Überdruck des Volumenstrom am Gebläse in Abhängigkeit vom Differenzdruck gemessen. Da der Massenstrom am Gebläse gleich groß ist, wie die durch Gebäudelecks strömende Luftmenge, erhält man so ein Maß für den Luftdurchlässigkeit des Gebäudes. Bezieht man den durch Ausgleichsrechnung erhaltenen Volumenstrom bei 50 Pa Druckdifferenz auf das belüftete Gebäudevolumen, so erhält man die Luftdurchlässigkeit n50 (Einheit: 1/h). Anstatt durch das Gebäudevolumen kann auch durch die Gebäudehüllfläche dividiert werden. Das so gewonnene flächenbezogenene Ergebnis (in m³/m²*h) gibt unabhängig vom Oberflächen-Volumen-Verhältnis (A/V) Auskunft über die Qualität der Luftdichtigkeitsschicht.

Mit einer luftdichten Gebäudehülle
- läßt sich die Behaglichkeit sichern
- werden Feuchteschäden verhindert
- bleiben Schadstoffe ausgesperrt und
- verringern sich die Energieverluste

Typische Leckagen:
Fensteranschlüsse, Dachdurchbrüche, Abluftöffnungen, Schornsteine, Dachanschlüsse im Giebel und der Traufe, Dachluken, Holzbalkendecken, Außenwandecken und Öffnungen für Rolladengurte.