Fassaden, Fenster, Tageslicht

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Seminarraum mit bauwerksintegrierter Photovoltaik (BIPV) – teiltransparente PV-Module mit winkelselektiver Transmission (PV-Shade®).

Die Beschaffenheit von Fenstern und Fassaden hat große Auswirkungen auf die energetischen Eigenschaften von Gebäuden. Sie bieten Schutz vor klimatischen Einflüssen, regeln die Zufuhr von Tageslicht und Frischluft, schützen vor Kälte, Überhitzung und Blendung und ermöglichen die solare Strom- und Wärmegewinnung. Um strenger werdende energetische Bauvorschriften zu erfüllen, müssen neue, innovative, aber kosteneffiziente Produkte auf den Markt gebracht und deren optimaler Einsatz sichergestellt werden.

Das Fraunhofer ISE entwickelt gemeinsam mit Herstellern Prototypen neuer Fassadenkomponenten. Zudem prüfen, bewerten und optimieren wir Fassaden und Fenster im Auftrag von Planern, Architekten und Bauherren. Unsere Prüfergebnisse sind aufgrund der Akkreditierung nach DIN EN ISO/IEC 17025 international anerkannt. Präzise Einzelmessungen können wir mit Hilfe von Simulationswerkzeugen analysieren und verallgemeinern. Komplexe Simulations- und Optimierungswerkzeuge sind erforderlich, um zwischen verschiedenen Funktionsmöglichkeiten abzuwägen. Die Senkung der Energiekosten sowie die Optimierung des Nutzerkomforts stehen dabei im Mittelpunkt unserer Forschungs- und Entwicklungsarbeit.

Tageslicht, visueller und thermischer Komfort 

Das Fraunhofer ISE forscht und entwickelt Lösungen zur optimalen Nutzung von Tageslicht mit dem Ziel, Energiekosten zu reduzieren und visuellen und thermischen Komfort zu steigern. Zu den besonderen Kompetenzen des Fraunhofer ISE gehören photogoniometrische Messungen, mit deren Hilfe man hochaufgelöste „Bi-directional Scattering Distribution Functions BSDF“ erzeugen kann. Wir verfügen über umfangreiche Erfahrung im Bereich der Sonnenschutzsysteme und Tageslichtnutzung. Zudem sind wir spezialisiert auf die mathematische und physikalische Modellierung thermischer und optischer Prozesse in sonnenbestrahlten Fassaden sowie auf die Analyse ihrer Effekte auf die energetischen Eigenschaften des Gebäudes.

Multifunktionale Komponenten und Regelungsstrategien

Durch die Kombination einer verbesserten Auslegung von Komponenten und Regelungsstrategien optimieren wir die Funktionalitäten von Fassadensystemen. Wir setzen numerische und experimentelle Verfahren ein, um die verschiedene Designalternativen (Geometrie, Oberflächeneigenschaften etc.) von Komponenten zu vergleichen und zu bewerten.

Im Rahmen der Gebäudeautomation bildet die Raumautomation ein eigenes Themenfeld.  Durch die kombinierte Regelung von Sonnenschutzeinrichtungen, Beleuchtung und HLK-Anlagen mit innovativen Regelungsalgorithmen und Raumbediengeräten, erzielen wir optimale Komfortbedingungen für Nutzer neuer und sanierter Gebäude unter Einhaltung einer hohen Energieeffizienz. Wir arbeiten zudem an weiteren Automatisierungen der Raumfunktionen und erproben diese auf Testständen. 

Tageslichtlabor auf dem Dach des Fraunhofer ISE
© Fraunhofer ISE
Tageslichtlabor auf dem Dach des Fraunhofer ISE.

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

  • Optische und thermische Charakterisierung von Fenster- und Fassadentechnologien
  • Bewertung des Tageslichtpotenzials, des Blendverhaltens und der energetischen Eigenschaften von schaltbaren / komplexen Fenstersystemen
  • Berechnung der Tageslichtversorgung, Blendrisikos (DGP) und Außenblick laut EN 17037, anhand regionaler Einstrahlungsdaten, Gebäudegeometrien und Gebäudeumgebungen
  • Studien zu Nutzerpräferenzen und visuellem Komfort in drehbaren Tageslicht-Testeinrichtungen
  • Beratung zur Auswahl von Komponenten für Tageslichtsysteme: Verglasungen, Lichtumlenkungselemente, Blendschutz- und Sonnenschutzsysteme
  • Optimierung von thermischen und visuellen Eigenschaften von Komponenten durch neue Fertigungstechniken
  • Entwicklung von Beschichtungen
  • Komponentenentwicklung gemäß den Anforderungen der Norm EN 17037 (Tageslicht, Blendung, Außenblick)
  • Software für die Herstellung anwendungsoptimierter Produkte
  • Entwicklung von Steuerungssystemen (nutzeradaptiv, Wireless/Internet-of-Things)
  • Innovative Regelungs- und Überwachungsverfahren
  • Entwicklung von Raumbediengeräten
  • Optimierung und Unterstützung der realen Bauprozesse

Auf Grundlage von BSDF Datensätzen erstellen wir Simulationswerkzeuge wie »Energy Plus« und »Radiance« sowie unsere eigene OpenSource Software »Fener« (https://github.com/bbuenoun/Fener). Sie wurde speziell für die Darstellung der Tageslichtversorgung und Sonnenschutzwirkung komplexer Fenstersysteme entwickelt.

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema:#

FuE-Infrastruktur

TestLab Solar Façades

FuE-Infrastruktur

Zentrum für Optik und Oberflächenforschung

Forschungsprojekt

RenoZEB

Fördern von energetischen Sanierungslösungen für Nullenergiegebäude und Wohngebiete

Unsere Simulationswerkzeuge#

Fener#

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»Fener« ist eine web-basierte Simulationsplattform (fener-webport.ise.fraunhofer.de/), die hochentwickelte Simulationsmethoden zum Verhalten von Wärme, Tageslicht und Blendung in Büroräumen mit komplexen Fenstersystemen (CFS) bietet. Der Zugang zu »Fener« erlaubt unseren Kunden die schnelle und kostengünstige Bewertung von verschiedenen Gestaltungsmöglichkeiten.

»Fener« nutzt eine Drei-Phasen-Methode zur Prognose der solaren Bestrahlungsstärke und der Beleuchtungsstärke in Büroräumen. Diese Methode teilt den Lichttransport zwischen Außen und Innen in drei Phasen ein: Strahlungstransport im Außenraum, Transmission durch ein Fenstersystem mit Hilfe eines BSDF-Datensatzes und Strahlungstransport im Innenraum. Die Komponenten des Transports im Innen- und Außenraum werden in einer Vorab-Berechnungs-Phase durch Backward-Raytracing ermittelt und in einer Matrix gespeichert.

Außerdem ermöglicht »Fener« eine thermische Darstellung des Fenstersystems auf der Basis von winkelabhängigen Gesamtenergiedurchlassgrad-Kennzahlen, die analytisch abgeleitet oder durch kalorimetrische Messung gewonnen werden. Ein Wärmebilanz-Verfahren wird eingesetzt, um den stündlichen Energiebedarf der Büroräume zu berechnen.

EnergyPlus#

»EnergyPlus« ist ein weit verbreitetes Energieanalyse- und Wärmelastsimulationsprogramm. Basierend auf einer bauphysikalischen Nutzerbeschreibung eines Gebäudes berechnet »EnergyPlus« die zur Einhaltung des Regelsollwerts benötigte Heiz- und Kühllast.

»EnergyPlus« benutzt BSDF-Datensätze zur Darstellung der Fenstersysteme. Der Wärmetransport im System wird anhand der Schichtmodelle gemäß ISO15099 ermittelt.

Radiance#

»Radiance« ist eine Familie von Rechenprogrammen für die Analyse und Visualisierung von Beleuchtung in der Entwurfsphase.

Die Daten in den Eingabedateien definieren die Raumgeometrie, Materialien, Leuchtmittel, Zeit, Datum und Himmelszustände (für Tageslichtberechnungen). Die berechneten Werte beinhalten die spektrale Strahldichte (d.h. Leuchtdichte und Lichtfarbe), Bestrahlungsstärke (Beleuchtungsstärke und Lichtfarbe) und Blendkennzahlen. Die Simulationsergebnisse können als Farbabbildungen, numerische Werte oder Konturdiagramme dargestellt werden.

Radiance-basiertes Photon-Mapping#

Charakteristisch für Tageslichtumlenkungsbauteile ist ihr komplexes Transmissions- und Reflexionsverhalten. Zumeist ist diese Komplexität auf die stark gerichtete Lichtstreuung und die dadurch verursachten Kaustiken zurückzuführen.

Photon-Mapping ist eine Forward-Raytracing-Methode, die den Standard-Backward-Raytracer von »Radiance« ergänzt und zum Ergebnis des bidirektional gerichteten Lichttransports führt. Photon Mapping ist besonders dazu geeignet, den Zusammenhang zwischen Raumausleuchtung und visuellem Nutzerkomfort von hochreflektierenden Tageslichtumlenkungssystemen zu bewerten.