Messkonzepte des IBP Prüfstands 13 · PDF fileFraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht ESB 003/2012 HOKI Abschlußbericht MuFuDaPs 2 Inhalt 1 Einleitung 4 1.1 Hintergrund

Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP

Forschung, Entwicklung,

Demonstration und Beratung auf

den Gebieten der Bauphysik

Zulassung neuer Baustoffe,

Bauteile und Bauarten

Bauaufsichtlich anerkannte Stelle für

Prüfung, Überwachung und Zertifizierung

Institutsleitung

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Sedlbauer

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IBP-Bericht ESB 003/2012 HOKI

Errichtung einer Versuchseinrichtung für energeti-sche, feuchtetechnische und strahlungsphysikali-sche Untersuchungen an neuartigen Dachsyste-men und transparenten Außenkonstruktionen. Kalorimetrischer Fassaden- und Dachprüfstand

Das Vorhaben wurde gefördert vom Bundesministe-

rium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) im

Rahmen des Forschungsschwerpunktes Energieopti-

miertes Bauen

Förderkennzeichen: 0327240F

Der Bericht umfasst

79 Seiten Text

1 Tabelle

56 Abbildungen

Dipl.-Ing. Matthias Kersken

Dipl.-Ing. Georg Haag

Dipl.-Ing. Herbert Sinnesbichler

Valley, 17. September 2012

Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht ESB 003/2012 HOKI

Abschlußbericht MuFuDaPs 2

Inhalt

1 Einleitung 4

1.1 Hintergrund und Notwendigkeit des Prüfstands 4

1.2 Funktionsprinzip eines Kalorimeters 5

1.3 Übersicht über den Kalorimetrischen Dachprüfstand 6

1.4 Bestehende Prüfstände 8

1.4.1 Passys-Zellen 8

1.4.2 Testzellen FH Rosenheim 10

1.4.3 The Cube 10

1.4.4 Sonnenprüfstand im IBP 11

1.4.5 Weitere g-Wert Testeinrichtungen 11

2 Messkonzepte des IBP Prüfstands 13

2.1 Wärmedurchlasswiderstand 15

2.2 Wärmedurchgangskoeffizient 16

2.3 Gesamtenergiedurchlassgrad 19

2.4 Transmissionskennwerte 23

2.5 Luftdichtheit 24

2.6 Leuchtdichte und Blendung 25

3 Beschreibung des Prüfstands 26

3.1 Umschließungsflächen 26

3.2 Konditionierungseinrichtungen 27

3.3 Hydraulische Versorgung der Messabsorber sowie des

Adiabatabsorbers 29

3.4 Öffenbare Frontklappe 32

3.4.1 Prüflingsaufnahme 33

3.4.2 Rechnerische Bewertung der Wärmebrücken im Bereich

der Prüflingsbefestigung 37

3.5 Bewegungsmechanismus der Prüfbox 38

3.6 Raumportal 39

3.7 Druckluftversorung 40

3.8 Installierte Messsensorik 42

3.8.1 Temperatursensorik 42

3.8.2 Solare Einstrahlung 45

3.8.3 Beleuchtungsstärke 46

3.8.4 Leuchtdichte 47

3.8.5 Luftfeuchte 48

3.8.6 Wärmeströme 48

3.8.7 Thermische Leistung der Messabsorber und des

Luftwärmetauschers 49

3.8.8 Elektrische Leistung 50



3.9 Energiebilanz der Prüfkammer 51

3.10 Verwendetes Mess- und Regelsystem 51

3.10.1 Anforderungen an das MSR-Systems 51

3.10.2 Hardware 52

3.10.3 Konzept der MSR-Software 53

3.10.4 Webbasierte Messdatenerfassung IMEDASTM 56

4 Inbetriebnahme und Voruntersuchungen 64

4.1 Verhalten Wandaufbau 64

4.2 Luftdichtheit 64

4.3 Gleichmäßigkeit der Lufttemperatur 65

4.4 Gleichmäßigkeit der Luftgeschwindigkeit 66

4.5 Einfluss der Ungenauigkeit der Sonnennachführung auf

das Messergebnis 66

4.6 Ungenauigkeit auf Grund der eingestellten

Prüflingsnachführung 67

4.7 Genauigkeit der Temperaturnachführung 69

5 Kalibrierungen 71

5.1 Kalibrierkörper 1 (opak) 71

5.1.1 Spezifikationen 71

5.1.2 Einstellen der Wärmeübergangswiderstände 71

5.2 Kalibrierkörper 2 (opak) 73


5.2.2 Analyse der verbleibenden Wärmebrücken 73

5.2.3 Sprungantwortanalyse 74

5.3 Kalibriekörper 3 (transparent) 74


5.3.2 Bestimmung der Messunsicherheit 75

5.4 Erster Membran-Prüfling 76

6 Zusammenfassung & Ausblick 77

7 Literaturquellen 79



1 Einleitung

Dieser Teil des Projekt-Berichts beschreibt den Kalorimetrischen Fassaden- und

Dachprüfstand des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP. Der 2 .Teil des Pro-

jekt-Berichts beschreibt den im Rahmen desselben Projekts errichteten flexiblen

Dachprüfstand.

1.1 Hintergrund und Notwendigkeit des Prüfstands

In den letzten Jahren ist ein steigender Trend zu neuen, ausgefallenen und

komplexen Fassadensystemen im Gebäudebereich festzustellen. Aufgrund der

höheren transparenten Anteile der Fassadenkonstruktionen bekommt auch die

korrekte Bewertung der energetischen Eigenschaften der transparenten Syste-

me einen immer wichtigeren Stellenwert bezüglich des energetischen Ver-

haltens der Gebäude. In Deutschland entfallen etwa 41 % des gesamten Pri-

märenergieverbrauchs auf den Gebäudesektor [1]. Der Energieverbrauch eines

Gebäudes wird durch die Eigenschaften der Fassade wesentlich beeinflusst.

Insbesondere Gebäude mit hohen Glasanteilen haben i.d.R. hohe Energiever-

bräuche zur Beheizung und Kühlung. Das genaue Verständnis der bauphysikali-

schen Vorgänge ist ein wichtiger Baustein zur energetischen Verbesserung die-

ser hoch-transparenten Gebäudehüllen. Energieeffiziente Gebäude sind einer

der zentralen Bausteine um die von der Deutschen Bundesregierung für 2050

verabschiedeten Klimaschutzziele zu erreichen.

Zur rechnerischen Bewertung der weit verbreiteten Mehrscheiben-Wärme-

schutz- bzw. Sonnenschutzverglasungen liegen ausreichend validierte Berech-

nungsverfahren in Form von nationalen Normen und anderen, internationalen

Standards vor. Auch gibt es mehrere Prüfeinrichtungen die den Gesamtener-

giedurchlassgrad anhand kleiner, homogener Verglasungsproben ermitteln

können. Die rechnerische Ermittlung des Gesamtenergiedurchlassgrads für

komplette Fassadenkonstruktionen inklusive der Abstandshalter der Verglasun-

gen und aller Rahmenprofile ist ebenfalls normativ geregelt. Die Wärmetrans-

mission durch eine komplette Fassadenkonstruktion kann ohne den Einfluss

durch solare Strahlung auch messtechnisch erfasst werden, z.B. mit dem Heiz-

kasten-Verfahren. Möglichkeiten komplette Fassaden unter solarer Einstrahlung

zu prüfen sind sehr selten, vor allem wenn Bauteile in Originalgröße vermessen

werden sollen. Dasselbe gilt für stark inhomogene Bauteile wie gekrümmte

Verglasungen, inhomogen bedruckte Gebäudehüllen, Lichtkuppeln und Memb-

rankissen-Konstruktionen.

Das Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP und die Fraunhofer-Allianz Bau wer-

den sich weiterhin intensiv mit Membrankonstruktionen beschäftigen. Bei der

Erschließung dieses Themas wird sehr schnell deutlich, dass es wenig wissen-

schaftlich belegte Erkenntnisse zum energetischen Verhalten von Membran-

konstruktionen, vor allem von transparenten ETFE-Membrankonstruktionen

gibt [2]. Die damit verbundenen Planungsunsicherheiten reduzieren die Konkur-

renzfähigkeit der gesamten Branche auch international. Nachdem ein wesentli-



cher Teil der weltweit vorhandenen Membranbaufirmen im süddeutschen

Raum ansässig ist, ist diese Problematik vornehmlich nicht nur thematisch son-

dern auch geografisch im direkten Umfeld des IBP mit seinen beiden Standor-

ten in Stuttgart und Holzkirchen angesiedelt.

1.2 Funktionsprinzip eines Kalorimeters

Bei dem kalorimetrischen Messprinzip wird in der Regel der gesamte Prüfling

bewertet während bei klassischen Messungen, v.a. bei situ Messungen, die re-

levante Größe direkt am Prüfling aber nur lokal an einzelnen, repräsentativen

Sensorpositionen erfasst wird. Soll die interessierende Messgröße direkt am

Prüfling gemessen werden, muss auch der Sensor selbst direkt am Prüfling be-

festigt werden. Bei transparenten oder transluzenten Prüflingen stellt sich hier

in der Regel das Problem, dass die strahlungsphysikalischen Eigenschaften des

Sensors vollkommen anders sind als die des Prüflings, wodurch die Messergeb-

nisse dieses Sensors maßgeblich beeinflusst werden. So wird sich ein opaker

Temperaturfühler der auf eine Verglasung aufgeklebt ist bei Sonneneinstrah-

lung wesentlich stärker aufheizen als das Glas selbst. Die Kalorimetrie ermög-

licht ein zuverlässiges Erfassen von Zwischenschicht-Effekten wie z.B. Mehr-

fachreflektionen zwischen den verschiedenen Schichten eines mehrlagig be-

druckten Glasaufbaus oder zwischen Verglasung und den schräg stehenden

Lamellen eines Sonnenschutzes. Auch sind bei einer kalorimetrischen Messung

die gewonnenen Messwerte nicht nur lokal an bestimmten Positionen gültig

sondern sie sind repräsentativ für den gesamten Prüfling. Sie stellen eine ge-

samtheitliche, messtechnische Bewertung dar. Diese Eigenschaft erlaubt es be-

liebig inhomogene Prüflinge zu vermessen. Beispiele hierfür sind inhomogen

bedruckte Verglasungen oder Bauteile die über ihre Fläche variierende Dicken,

aufweisen, wie es bei Membrankissen der Fall ist. Die Umsetzung der kalorimet-

rischen Messung, wie beim Prüfstand des IBP durchgeführt, erlaubt nicht nur

eine flächige Messung, sondern erfasst den gesamten Prüfling. Durch die Aus-

bildung der entsprechenden Einbausituation kann zudem festgelegt werden ob

der umlaufende Rahmen eines Prüflings Teil der Messaufgabe sein soll oder ob

er nicht in die Bewertung eingehen soll.

Die thermische Speicherkapazität der Prüfeinrichtung stellt in dem vorliegenden

Fall eine besondere Herausforderung dar. Die meisten Mess- und Auswertever-

fahren gehen von stationären Randbedingungen aus. Das bedeutet, dass die

Daten eines Prüflings erst ab dem Zeitpunkt ausgewertet werden ab dem sich

an ihm energetisch stationäre Bedingungen eingestellt haben. Bei einem Kalo-

rimeter muss jedoch zusätzlich die gesamte Prüfeinrichtung eine homogene

Temperatur erreichen, damit sich die Energieströme durch den Prüfling nicht

mit dem Energie Anteil vermischen, der bei der Temperaturänderung des Kalo-

rimeters ein- bzw. ausgespeichert wird. Gerade unter in situ Randbedingungen,

die die Länge eines Prüfzyklus auf die Sonnenscheindauer beschränken, ist dies

eine Einschränkung, zumal auch über einen Tagesgang die Prüfbedingungen

nicht konstant sind. Auch ist für eine kalorimetrische Messung eine Kombina-

tion mehrerer, teils unterschiedlicher Sensoren erforderlich. Die Messunsicher-



heit wird maßgeblich von den schlechtesten aller dieser Sensoren bestimmt.

Dies resultiert aus dem Gesetz der Fehlerfortpflanzung nach Gauss [3].

In diesem Bericht werden neben der generellen Vorstellung des Prüfstands der-

artige Probleme und mögliche Lösungen diskutiert.

1.3 Übersicht über den Kalorimetrischen Dachprüfstand

Der kalorimetrische Fassaden- und Dachprüfstand des Fraunhofer-Instituts für

Bauphysik IBP besteht im Wesentlichen aus der Messbox die um 90 ° neigbar

und um annähernd 360 ° drehbar ist. Im Kellerraum unter der Messbox ist so-

wohl die Versorgungs-, wie auch die Mess-, Steuer- und Regeltechnik unterge-

bracht.

Die Messbox, die in Bild 1 dargestellt ist, besitzt an ihrer Frontseite einen ab

klappbaren Rahmen in den die Prüflinge montiert werden. Die restlichen fünf

Umschließungsflächen der Box sind stark gedämmt und mittels eines wasser-

führenden Absorbers adiabat ausgebildet (Adiabatabsorber). Adiabat bedeutet,

dass es keine Wärmeströme aus der Prüfkammer durch das Bauteil nach außen

gibt. Dies wird dadurch erreicht, dass an dem Adiabatabsorber im Inneren der

Dämmebene der Umschließungsflächen dieselbe Temperatur eingestellt wird

wie in der Prüfkammer. An den Innenflächen der Messbox befinden sich die

fünf Messabsorber, die zusammen mit der Luftkonditionierung die Prüfkammer

heizen oder kühlen können. Dabei werden die aufgewendeten Energiemengen

messtechnisch erfasst.

Innerhalb der Prüfkammer gibt es einen dreidimensionalen Roboter, ein

„Raumportal“, der mit seinem Messkopf in der Lage ist, nahezu jede beliebige

Position in der Prüfkammer und am Prüfling anzufahren. Eine schematische

Darstellung dieses Raumportals findet sich in Bild 2.

Die im Kellerraum unter der Messbox untergebrachte Versorgungstechnik be-

steht im Wesentlichen aus den Antriebskomponenten die das Drehen und Nei-

gen der Messbox erlauben, der hydraulischen Versorgung der verschiedenen

Absorber der Prüfbox inklusive ihrer magneto-induktiven Durchflussmesser und

den Schaltschränken der Mess-, Steuerung- und Regelungstechnik (MSR-Tech-

nik). Abbildungen dieser Versorgungstechnik im Keller sind in Bild 3 zu finden.



Bild 1: Messbox des kalorimetrischen Fassaden und Dachprüfstands mit einem pneu-matisch gestützten, zweilagigen ETFE-Membrankissen in der Prüflingsöffnung.

Bild 2: Schematische Darstellung des dreidimensionalen Roboters, des „Raumportals“, mit dem schwarzen Messkopf in der Mitte.



Bild 3: Mess-, Steuer-, Regelungstechnik der Messbox im Kellerraum.

1.4 Bestehende Prüfstände

Im Vorfeld der Planungen sowie bei der Ausarbeitung der Prüfkonzepte wurde

eine umfangreiche Recherche zu weiteren bereits verfügbaren in situ Prüfstän-

den durchgeführt.

1.4.1 Passys-Zellen

Bei den sogenannten Passys-Zellen handelt es sich um umgebaute Überseecon-

tainer die an einer Schmalseite eine Prüflingsöffnung aufweisen, und die mit

einem Heiz- und Kühlsystem ausgestattet sind. Die Leistung dieser Heiz- und

Kühlsysteme wird zusammen mit anderen Innen- und Außenklimadaten mess-

technisch erfasst.



Bild 4: Konstruktionsschema der PASSYS-Zellen aus [4].

Bild 5: Versorgungsschema der PASSYS-Zellen aus [4].

Bild 6: „The PASSYS test site of JRC at Ispra, Italy“ aus [5].



1.4.2 Testzellen FH Rosenheim

Die Fachhochschule Rosenheim verfügt über eine 3-fach Testzelle die der Sonne

nachgeführt werden kann. Sie dient zur Bewertung der Energieeffizienz, des

Tageslichteintrags und der Blendeigenschaften von Fassadenprüflingen und der

Bewertung des Komforts im dahinterliegenden Raum [6]. Diese 3-fach Testzelle

der FH Rosenheim ist in Bild 7 dargestellt.

Bild 7: Fassadenprüfstand der FH Rosenheim. Quelle: [6].

1.4.3 The Cube

Die Universität Aalborg in Dänemark verfügt über eine Testeinrichtung für

Glasdoppelfassaden (siehe Bild 8), die im Rahmen des IEA ANNEX 34 zur detail-

lierten Untersuchung des Verhaltens von Glasdoppelfassaden errichtet wurde.

Ihre maximale Prüflingsgröße ist mit 3,6 x 5,5 m² deutlich größer als die des Ka-

lorimetrischen Fassaden- und Dachprüfstands, allerdings ist sie weder dreh- und

kippbar, noch sind die Umschließungsflächen konditioniert. Die eingebrachten

Kühl- und Heizenergiemengen werden zur Beurteilung der energetischen Ei-

genschaften erfasst [7].

Bild 8: „The Cube“ Testeinrichtung für Glasdoppelfassaden der Universtät Aalborg. Quelle: [7].



1.4.4 Sonnenprüfstand im IBP

Seit Beginn der 1980’er Jahre bis 2010 wurde am Fraunhofer-Institut für Bau-

physik IBP in Holzkirchen, der in Bild 9 dargestellte Sonnenprüfstand betrieben.

Dieser Prüfstand verfügte ebenfalls über eine dreh- und neigbare Prüfbox, die

allerdings deutlich kleiner dimensioniert war, eine kalorimetrische Wärmemen-

generfassung war allerdings nicht vorhanden. Stattdessen wurden die solare

Strahlung neben der Prüfbox, in der Prüfbox und zusätzlich die Strahlungsrefle-

xion des Prüflings erfasst. Diese Methode ermöglicht eine rechnerische Ab-

schätzung des g-Werts. Allerding muss hier der einwärts gerichtete Anteil des

Sekundären Wärmestroms abgeschätzt werden. Der Sekundäre Wärmestrom

ist der Energieanteil, der durch die absorptionsbedingte Erwärmung einer Ver-

glasung an den Innenraum abgegeben wird. Dieser Prüfstand wurde im Jahr

2010 demontiert, da der neue kalorimetrische Fassaden- und Dachprüfstand

sämtliche Messaufgaben effizienter durchführen kann.

Bild 9: Ehemaliger Sonnenprüfstand auf dem Freilandversuchsgelände des IBP in Holz-kirchen.

1.4.5 Weitere g-Wert Testeinrichtungen

Der Forschungsbericht REGES [8] beschäftigt sich mit drei g-Wert Messeinrich-

tungen in Süddeutschland, die hier kurz vorgestellt werden.

Das ift Rosenheim verfügt über eine Labor g-Wert Messeinrichtung die eben-falls nach dem kalorimetrischen Messprinzip arbeitet. Die maximale Prüffläche hat eine Größe von 1,5 x 1,5 m². Sowohl der Höhen- wie auch der seitlich Einfallswinkel lassen sich variieren. Die Solarstrahlung wird durch einen Son-nensimulator nachgebildet.

Der g-Wert Messstand des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE ist mit einer maximalen Probengröße von 1,0 x 1,0 m² etwas kleiner. Hier wird keine Kalorimetrie durchgeführt sondern der mittlere Bereich des ge-



kühlten Absorbers ist mit Wärmeflussscheiben belegt, die den Energiestrom in der Mitte des Prüflings erfassen („Middle-of-Glazing“). Der Höhenwinkel des Sonnensimulators kann hier eingestellt werden.

Die Apparatur des ZAE Bayern ist ähnlich wie der Kalorimetrische Fassaden- und Dachprüfstand des IBP ein in situ Prüfstand der der Sonne nachgeführt werden kann. Allerdings ist er mit einer Prüffläche von 1,0 x 1,3 m² wesent-lich kleiner. Genau wie bei der Apparatur des ISE wird hier eine „Middle-of-Glazing“ Messung mit Hilfe von Wärmeflussscheiben durchgeführt.



2 Messkonzepte des IBP Prüfstands

Für jede Messung muss die Prüfbox bzw. der Prüfling in die entsprechende Aus-

richtung gebracht werden. Je nach Messaufgabe werden unterschiedliche Posi-

tionen benötigt.

Der Prüfling kann der Sonne heliostatisch nachgeführt werden, um während

der gesamten Messdauer einen rechtwinkligen Einfall der solaren Strahlung auf

den Prüfling sicher zu stellen.

Die heliostatische Nachführung kann um einen festen vertikalen und/oder hori-

zontalen Vorhaltewinkel verschoben werden, um Randbedingungen mit einem

definierten, nicht senkrechten solaren Einfallswinkel bereit zu stellen.

Auch kann der Prüfling nur der Sonne nachgedreht aber nicht gekippt werden

um einen möglichst gleichmäßigen solaren Einfallswinkel über die Testdauer zu

erreichen. Da die Neigung des Prüflings, die für Wärmetransportvorgänge oft

wesentlich ist, wird sie in diesem Fall konstant gehalten.

Als letzte Möglichkeit kann der Prüfling in einer festen Position gehalten wer-

den, um z.B. eine reale Fassade zu simulieren. Auch bei Nachtmessungen, bei

denen keine solare Strahlung vorhanden ist, ist ein nachführen der Prüfbox

überflüssig. Der Membranprüfling muss hier in demselben Neigungswinkel ge-

prüft werden in dem der Einbau am realen Objekt geplant ist. Dies ist relevant,

da der Neigungswinkel des Prüflings sowohl Einfluss auf die inneren und äuße-

ren Wärmeübergangswiderstände als auch auf die Wärmedurchlasswiderstände

von Luftschichten hat.

Auch bezüglich der Art des eigentlichen Messvorgangs müssen drei Kategorien unterschieden werden. Die klassischste Kategorie der Messmethoden ist das Anbringen von Sensoren direkt am Prüfling für eine punktuelle Messung. Dadurch befinden sich die messenden Sensoren direkt am Ort des gemessenen physikalischen Werts. Bei diesem Verfahren setzt sich die Messunsicherheit nur aus den Unsicherheiten der einzelnen Sensoren und der Messwert-Aufnehmer zusammen. Dieses punk-tuelle Verfahren hat zwei Nachteile. Zum einen sind die ermittelten Messwerte nur für die Sensorposition gültig. Eine flächige Betrachtung ist nur durch Inter- bzw. Extrapolation mehrerer Messstellen möglich. Zum andern wird der Sensor, speziell bei nicht-opaken Prüflingen, durch die auftreffende Solarstrahlung an-ders beeinflusst als der Prüfling selbst, da der Sensor andere strahlungsphysika-lische Eigenschaften und i.d.R. einen anderen Wärmedurchlasswiderstand bzw. thermische Speicherkapazität aufweist. Aus diesem Grund können die Daten der in Bild 10 beispielhaft dargestellten Wärmeflussscheibe nur während der strahlungslosen Nachtstunden verwendet werden. Eine Vielzahl von Sensoren wird dadurch auch die Gesamteigenschaften des Prüflings verändern. Die zweite Möglichkeit einen Messvorgang bei diesem in situ Kalorimeter durchzuführen, ist das Abscannen eines vorbestimmten Rasters durch den Messkopf des Raumportals. Dieses Verfahren weist einige Vorteile gegenüber der punktuellen Messung auf. Zum einen können zahlreiche Messstellen mit nur einem Sensor erfasst werden, was vor allem beim Einsatz kostenintensiver Sensorik die Messung deutlich günstiger gestaltet. Zum anderen kann so eine Vielzahl von Messstellen erfasst werden, ohne dabei eine große Zahl von Senso-ren verbauen zu müssen, die dann ihrerseits wieder unter Umständen die Ge-



samteigenschaften des Prüflings verändern können, wie einen Absatz weiter oben beschrieben ist. Auch können hier zahlreiche berührungslose Sensoren wie z.B. IR-Thermometer, Pyranometer oder Ultraschall Entfernungsmesser ein-gesetzt werden, die den Prüfling überhaupt nicht beeinflussen. Der Nachteil des sequenziellen Abrasterns ist die Tatsache, dass die Messdaten zeitlich zwar sehr eng zusammen liegen, aber nicht zeitlich parallel vorliegen. Die dritte Möglichkeit ist die kalorimetrische Messung deren Prinzip bereits in Abschnitt 1.2 beschrieben wurde. In Bild 11 ist einer der seitlichen Absorber während des Einbaus dargestellt. Der Vorteil dieses kalorimetrischen Messprin-zips ist die Möglichkeit alle Energietransporte durch den gesamten Prüfling oh-ne eine Beeinflussung des Prüflings zu erfassen. Hierbei werden alle Energie-ströme in die Prüfbox hinein und aus ihr heraus erfasst, abgesehen von dem Energiedurchgang durch die Fassade. Das bedeutet, dass die Energiebilanz der Prüfkammer ermittelt werden muss. Die Energiebilanz ist die Summe aller Ener-gieströme in die Prüfkammer hinein und aus der Prüfkammer hinaus. Die Idee hinter einer Energiebilanz ist, dass innerhalb eines Betrachtungszeitraums alle Energieströme die in die Prüfkammer hinein gehen sie auch wieder verlassen müssen, wenn am Ende des Betrachtungszeitraums dieselben Temperaturen in der Kammer herrschen wie an dessen Beginn (Annahme von vernachlässigba-ren Speichereffekten). Mathematisch ausgedrückt bedeutet dies, dass die Summe aller Energieströme innerhalbe der Betrachtungsperiode gleich null sein muss. Dieses Vorgehen ist detailliert in Gleichung (9) (Abschnitt 3.9) formuliert. Wenn alle Energieströme außer einem bekannt sind, kann der verbleibende Unbekannte dadurch ermittelt werden, dass die Energiebilanz der Prüfkammer nach dem Energiedurchgang durch den Prüfling aufgelöst wird.

Bild 10:

Beispielhafter punktueller Messaufbau für die Ermittlung eines Wärmedurch-

lasswiderstands einer Verglasung in der Nacht nach ISO 9869 [9], bestehend

aus einer Wärmeflussscheibe und zwei Oberflächentemperaturfühlern.



Bild 11: Seitlicher Kupfer-Absorber zur kalorimetrischen Messung vor dem Einbau im nicht-lackierten Zustand.

2.1 Wärmedurchlasswiderstand

Der Wärmedurchlasswiderstand, auch als R-Wert bezeichnet, ist der Wider-

stand, den ein Bauteil dem Wärmestrom bei einer Temperaturdifferenz von

1 Kelvin auf einer Fläche von 1 m² zwischen seinen Oberflächen entgegensetzt.

Mathematisch betrachtet ist der Wärmedurchlasswiderstand der Quotient aus

der Temperaturdifferenz und der Wärmestromdichte [10], wie Gleichung (1)

entnommen werden kann. Der entscheidende Unterschied zum Wärmedurch-

gangskoeffizienten (U-Wert) ist die Einbeziehung der beiden äußeren Wärme-

übergangswiderstände beim U-Wert. ISO 9869 [9] beschreibt die nötigen Mess-

stellen und Verfahren zur messtechnischen Ermittlung des U-Werts. Dieses Ver-

fahren kann mit der Verwendung von Oberflächentemperatur- anstatt von

Lufttemperaturfühlern auch für den R-Wert angewendet werden.

Zur Ermittlung des R-Werts werden die innen- und die außenseitigen Oberflä-

chentemperaturen des Prüflings erfasst und durch den ermittelten Wärmestrom

dividiert. Der R-Wert betrachtet den Wärmedurchgang auf Grund einer Tempe-

raturdifferenz, also die Transmission. Einflüsse solarer Einstrahlung werden hier

nicht berücksichtigt. Aus diesem Grund sollte eine R-Wert-Messung unter in si-

tu Bedingungen ausschließlich nachts durchgeführt werden. Ohne solare Strah-

lung kann die Ermittlung des resultierenden Wärmestroms sowohl kalori-

metrisch als auch mit Hilfe von aufgeklebten Wärmeflussscheiben durchgeführt

werden. Die Neigung des Prüflings während dieser nächtlichen Messung sollte



möglichst der Neigung der zu erwartenden Einbau- bzw. g-Wert-Prüfsituation

entsprechen, da die Neigung des Prüflings den Wärmedurchlasswiderstand von

zwischenliegenden Luftschichten verändert. Die benötigten Messstellen sind

schematisch in Bild 12 dargestellt. Beim Heizkastenverfahren wird üblicherweise

eine Temperaturdifferenz von 20 K verwendet [11]. Da gängige Norm-Messun-

gen von U- und R-Werten bei dieser Temperaturdifferenz ermittelt werden,

wird zur Verbesserung der Vergleichbarkeit auch am kalorimetrischen Fassa-

den- und Dachprüfstand diese Temperaturdifferenz für die entsprechenden

Messungen angesetzt. Bei der in Gleichung (1) errechneten Temperaturdiffe-

renz sind sowohl die innere als auch die äußere Temperatur mit einer Messun-

sicherheit belegt. Bei geringer werdender Temperaturdifferenz bleiben die

Messunsicherheiten immer gleich groß. Wird die Temperaturdifferenz zu ge-

ring, kommt das Ergebnis folglich maßgeblich durch die Messunsicherheit zu

Stande.

Wärmedurchlasswiderstand (R-Wert) [(m²K)/W]:

( )

(1)

Wärmestromdichte [W/m²]

Innere Oberflächentemperatur [°C]

Äußere Oberflächentemperatur [°C]

Bild 12: Schematische Darstellung der verwendeten Messstellen für die R-Wert Messung eines Membrankissens. Diese Sensorik ist orange dargestellt und besteht aus 2 Oberflächentemperaturen (Kreis) und einer Wärmeflussscheibe (Quadrat).

2.2 Wärmedurchgangskoeffizient

Der Wärmedurchgangskoeffizient, auch oft als U-Wert bezeichnet, ist eine flä-chenbezogene Kennzahl, die angibt, wie viel thermische Energie im stationären Zustand bei einer bestimmten Lufttemperaturdifferenz durch das Bauteil wan-



dert. Physikalisch betrachtet ist der Wärmedurchlasswiderstand der Quotient aus der Wärmestromdichte und der Temperaturdifferenz [10] wie Gleichung (2) entnommen werden kann. Bei dem Wärmedurchgangskoeffizienten werden die beiden Wärmeübergangswiderstände einbezogen; also wird das Verhalten des Bauteils als Trennung zwischen zwei Luftzuständen beschrieben. Diese Luftzustände sind häufig die Raumluft und die Außenluft. ISO 9869 [9] be-schreibt die nötigen Messstellen und Verfahren zur messtechnischen Ermittlung des U-Werts. Zu dessen Ermittlung werden die Innen- und die Außenlufttemperaturen in bzw. an der Prüfkammer erfasst und durch die ermittelte Wärmestromdichte dividiert. Der U-Wert betrachtet lediglich den Wärmedurchgang auf Grund ei-ner Temperaturdifferenz, also die Transmissionswärme, Einflüsse solarer Ein-strahlung werden nicht berücksichtigt. Aus diesem Grund können U-Wert-Mes-sungen ausschließlich Nachts durchgeführt werden. Ohne solare Strahlung kann die Ermittlung der resultierenden Wärmestromdichte sowohl kalorimet-risch als auch mit Hilfe von Wärmeflussscheiben am Prüfling durchgeführt wer-den. Die Neigung des Prüflings während dieser nächtlichen Messung sollte möglichst der Neigung der zu erwartenden Einbausituation entsprechen, da die Neigung des Prüflings sowohl den Wärmedurchlasswiderstand von zwischen-liegenden Luftschichten als auch die äußeren Wärmeübergangswiderstände verändert. Die benötigten Messstellen sind schematisch in Bild 13 dargestellt. Für den U-Wert wird die innere und die äußere Ambienttemperatur nach ISO 9869 Annex A [9] benötigt, diese setzt sich nach Gleichung (3) aus der Luft- und der Strahlungstemperatur zusammen. Hierbei wird von einer kom-plett homogenen Strahlungstemperatur aller inneren Oberflächen ausgegan-gen. Die Strahlungstemperatur des Himmels kann nach Gleichung (4) aus der gemessenen atmosphärischen Gegenstrahlung errechnet werden.

Wärmedurchgangkoeffizient (U-Wert). [W/(m²K)]:

( ) (2)

Wärmestromdichte [W/m²]

Innere Ambienttemperatur [°C]

Äußere Ambienttemperatur [°C]



Innere Umgebungstemperatur nach [9]. [°C]:

(3)

E Langwelliger, hemisphärischer Emissionsgrad zu den

Messabsorbern.

[-]

Abs Langwelliger Emissionskoeffizient der Messabsorber [-]

hr Radiativer Wärmeübergangskoeffizient

nach ISO 6946 [12]

[W/(m²K)]

hc Konvektiver Wärmeübergangskoeffizient

nach ISO 6946 [12]

[W/(m²K)]

Mittlere Strahlungstemperatur aller Messabsorber [°C]

Mittlere Lufttemperatur in der Prüfbox [°C]

Äußere Umgebungstemperatur. [°C]; Himmel und Umgebung als schwarzer Strahler.

(

√

)

(4)

Abs Langwelliger Emissionskoeffizient der Messabsorber [-]

hr Radiativer Wärmeübergangskoeffizient

nach ISO 6946 [12]

[W/(m²K)]

hc Konvektiver Wärmeübergangskoeffizient

nach ISO 6946 [12]

[W/(m²K)]

IATG Atmosphärische Gegenstrahlung [W/m²]

Außenlufttemperatur [°C]



Bild 13: Schematische Darstellung der verwendeten Messstellen für die U-Wert Mes-sung eines Membrankissens. Diese Sensorik ist orange dargestellt, und besteht aus 2 Lufttemperaturen (Kugeln) und einer Wärmeflussscheibe (Quadrat).

2.3 Gesamtenergiedurchlassgrad

Der Gesamtenergiedurchlassgrad, oft auch als g-Wert (engl. SHGC) bezeichnet,

gibt an, welcher Anteil solarer Strahlungsenergie durch transparente und

transluzente Bauteile dringt. Er berücksichtigt sowohl die direkte Strahlungs-

transmission als auch das Aufheizen des bestrahlten Bauteils durch Strahlungs-

absorption, den Sekundären Wärmestrom qi [13]. Ein Beispiel für die Ermittlung

des g-Werts für eine Doppelverglasung ist in Gleichung (5) dargestellt. Bei der

kalorimetrischen g-Wert Bestimmung sind hierbei zwei physikalische Größen zu

ermitteln. Zum einen wird die außen, in der Ausrichtung des Prüflings, vorhan-

dene solare Solarstrahlung benötigt, die mittels eines außen an der Prüfbox be-

festigten Pyranometers (siehe Abschnitt 3.8.2) erfasst wird. Zum anderen wird

die in die in die Prüfbox eindringende Energiemenge benötigt. Diese Energie-

menge muss mittels des in Abschnitt 1.2 dargestellten kalorimetrischen Mess-

verfahrens ermittelt werden.

Der g-Wert enthält allerdings keine Transmissionswärmeströme auf Grund der

Differenz zwischen Raum- und Außenlufttemperatur. Die Transmission muss al-

so zusätzlich berücksichtigt werden. Gleichung (6) beschreibt die Ermittlung des

gesamten Wärmestroms durch ein transparentes Bauteil nach [14]. Wenn keine

Temperaturdifferenz zwischen der Innen- und der Außenluft vorliegt kann auf

die Berücksichtigung des Transmissionswärmestroms verzichtet werden. Für die

g-Wert Messungen am Kalorimetrischen Fassaden- und Dachprüfstand des IBP

sind zwei unterschiedliche Vorgehensweisen vorgesehen.

Als erste Möglichkeit kann die Temperatur der Prüfbox der Veränderung der

Außenluft nachgeregelt werden. Hierdurch entsteht der Vorteil, dass keine

Transmissionswärmeströme durch den Prüfling auftreten, die rechnerisch be-

rücksichtigt werden müssen. Der Nachteil dieses Temperatur-Nachfahrens ist



die Aktivierung der thermischen Speichermassen in der Prüfkammer und im

Prüfling. Mit Hilfe von dynamischen Auswerteverfahren können die Energie-

ströme der thermischen Speichermassen der Prüfkammer rechnerisch berück-

sichtigt werden. Die hierfür erforderlichen Parameter können mit Hilfe von

Sprungantwortversuchen identifiziert werden. Wenn solche Sprungantwortver-

suche für jeden Prüfling durchgeführt werden, kann auch die thermische Spei-

cherfähigkeit der Prüflinge selbst berücksichtigt werden. Die zweite Möglichkeit

ist das Konstanthalten der Prüfkammertemperatur. Hierbei kann der Einfluss

von thermischen Speichermassen vernachlässigt werden. In diesem Fall muss

aber der Transmissionswärmestrom rechnerisch korrigiert werden. Hierzu ist für

jeden Prüfling auch der U- bzw. der R-Wert zu ermitteln.

Ist die geeignete Prüfkammertemperatur festgelegt, muss der Einfallswinkel der

Sonnenstrahlung gewählt werden. Eine große Stärke des Kalorimetrischen Fas-

saden- und Dachprüfstands ist die Möglichkeit, Fassaden ihrer bzw. in allen ih-

ren geplanten Ausrichtungen und Neigungen zu vermessen und somit einen

realen Tagesverlaufs des g-Werts zu erhalten. Der so ermittelte g-Wert ist aller-

dings nur für die aktuelle Jahreszeit gültig, da sich der Sonnenstand mit der

Jahreszeit verändert.

Oft wird allerdings der normative g-Wert gefordert. Der normative g-Wert er-

laubt einen Vergleich mit anderen Produkten bzw. Lösungen die mit eben die-

sem normativen g-Wert gekennzeichnet sind. Auch für die Verwendung in sta-

tionären Rechenmodellen muss der normative g-Wert verwendet werden, da

diese Rechenverfahren für ihn ausgelegt sind. Zu diesem Zweck kann die Prüf-

box der Sonne heliostatisch nachgeführt werden, so dass sich stets ein norma-

ler Einfallswinkel auf den Prüfling ergibt. Der g-Wert ist für eben diesen norma-

len Strahlungseinfall definiert [13], [15]. Andererseits wird bei der heliosta-

tischen Nachführung der Neigungswinkel des Prüflings, der v.a. bei Folienkissen

einen großen Einfluss auf das Ergebnis hat, kontinuierlich verändert. Als Lösung

hierfür kann eine konstante Neigung so gewählt werden, dass zumindest der

über den Messzeitraum gemittelte Einfallswinkel normal ist.

Es ist offensichtlich, dass eine Vielzahl von möglichen g-Werten ermittelt wer-

den kann. Um diese unterschiedlichen Kennwerte und die für sie benötigten

Solarstrahlungsarten klar zuordnen zu können, soll an dieser Stelle eine syste-

matische Nomenklatur für g-Werte und Solarstrahlungen eingeführt werden.

Hierfür wird ein vielgliedriger Index verwendet, der die Ermittlungsart, die Nei-

gung, der Azimut und die Strahlungsart beschreibt.



Gleichung zu Ermittlung des Gesamtenergiedurchlassgrads einer Doppelvergla-

sung nach DIN EN 410 [13] [-]

(5)

Direkter Strahlungstransmissionsgrad [-]

Direkter Strahlungsabsorptionsgrad der äußeren Scheibe [-]

Direkter Strahlungsabsorptionsgrad der inneren Scheibe [-]

Innerer Wärmeübergangskoeffizient [W/(m²K)]

Äußerer Wärmeübergangskoeffizient [W/(m²K)]

Wärmedurchlasskoeffizient zwischen der äußeren Ober-

fläche und der innersten Oberfläche der Doppelvergla-

sung

[W/(m²K)]

Gleichung zu Ermittlung des Gesamtwärmestroms durch ein transparentes Bau-

teil nach [14] [W]

( ) (6)

U Wärmedurchgangskoeffizient des transparenten Bauteils [W/(m²K)]

Raumlufttemperatur [°C]

Außenlufttemperatur [°C]

g Gesamtenergietransmissionskoeffizient des transparenten

Bauteils

[-]

I Sonneneinstrahlungsintensität [W/m²]



g Gesamtenergiedurchlassgrad [-]

I Solare Strahlungsleistung [W/m²]

1) Index: Ermittlungsart

m gemessen

r errechnet

2) Index: Neigungswinkelbezug

hor bezogen auf die Horizontale

vert bezogen auf die Vertikale

xx Angabe der Winkelabweichung von der Horizontalen

hel heliostatisch, der Sonne nachgeführt;

wenn der 3. Index, der Azimut, ebenfalls heliostatisch ist, wird nur 1x

„hel“ angegeben.

3) Index: Rotationswinkel

hel heliostatisch, der Sonne nachgeführt;

wenn der 2. Index, die Prüflingsneigung, ebenfalls heliostatisch ist, wird

nur 1x „hel“ angegeben.

xxx Rotatinswinkel

4) Strahlungsart

ges Gesamtstrahlung oft auch „Totalstrahlung“

Summe aus direkter und diffuser Solarstrahlung die auf eine Fläche mit

bestimmter Neigung fällt.

Es wird von dem Begriff Totalstrahlung abgewichen, da gtot bereits an-

derweitig besetzt ist.

glob Gesamtstrahlung auf die Horizontale.

dir Direktstrahlungsanteil auf eine Fläche mit bestimmter Neigung.

diff Diffusstrahlungsanteil auf eine Fläche mit bestimmter Neigung.

norm Strahlungseinfall auf eine Fläche normal zum Strahlungseinfall.

Ausführliche Voruntersuchungen werden zeigen, welche Zusammenstellung

der oben diskutierten Parameter die Optimale für eine g-Wert Messung ist.

Die für g-Wert Messung benötigte Sensorik ist in Bild 14 schematisch darge-

stellt. Wie bereits erwähnt, ist der g-Wert für einen normalen Strahlungseinfall,

also für reine Direktstrahlung definiert. Die real vorhandene Sonnenstrahlung

besteht aber auch an einem klaren Tag aus einer Mischung aus direkter und

diffuser Strahlung [16]. Bei einer 2-Scheiben Wärmeschutzverglasung mit ei-

nem normativen, senkrechten g-Wert von 0,47 liegt der voraussichtlich ge-

messene g-Wert für die gesamt Solarstrahlungssumme aus dem direkten und

dem diffusen Anteil bei etwa 0,46 (Diese Werte sind WINDOW 6.0 [17] errech-

net). Um trotzdem den g-Wert für rein direkte Solarstrahlung zu erhalten, wer-

den folgende Schritte durchgeführt:

Messen des g-Werts an einem bedeckten Tag (gm,hel,diff-Wert für Diffusstrah-lung).

Messen des g-Werts an einem klaren Tag (gm,hel,ges-Wert).



Bestimmen des Verhältnisses zwischen Direkt- und Diffusstrahlung für den klaren Tag mit Hilfe der Daten der ca. 100 m entfernten Institutswettersta-tion.

Ermitteln des gr,hel,dir-Werts für ausschließlich direkte Strahlung nach Glei-chung (7). Hier liegt die Vereinfachung zu Grunde, dass das Verhältnis von Direkt- und Diffusstrahlung an der geneigten Oberfläche des Prüflings dasselbe ist, wie an der horizontalen Sensorik der Instituts-Wetterstation. Angesichtes des Boden-reflexionsgrads, der z.B. durch Schnee verändert werden kann, sind hier Ab-weichungen zu erwarten. Auch die nicht vollständig isotrope Verteilung der Diffusstrahlung über die Himmelhemisphäre verursacht Abweichungen deren Größenordnung noch bestimmt werden muss.

Rechnerische Ermittlung des g-Werts [-] für ausschließlich direkte Strahlung aus

den Messwerten bei diffuser und globaler Strahlung.

( ) (7)

Bild 14: Schematische Darstellung der verwendeten Messstellen für die g-Wert Messung eines Membrankissens. Diese Sensorik ist orange dargestellt und besteht aus 2 Lufttemperaturen (Kugel), den Messabsorbern (Innenflächen) und einem Py-ranometer (kegelig).

2.4 Transmissionskennwerte

Transmissionskennwerte geben an, wie hoch der Anteil an elektromagnetischer

Strahlung ist, der direkt durch den Prüfling dringt. In der Bauphysik werden vor

allem zwei Spektralbereiche betrachtet: der langwellige Infrarotbereich (Wär-

mestrahlung) und die solare Strahlung, bei der wiederum die drei Unter-

gruppen des sichtbaren Lichts, der ultravioletten Strahlung und des nahen Inf-

rarotbereichs von Interesse sind. Der Prüfstand ist momentan mit Sensorik für



den gesamten solaren Spektralbereich (Abschnitt 3.8.2) und den des sichtbaren

Lichts (Abschnitt 3.8.3) ausgestattet. Bei der Messung der Transmission wird

der Quotient aus der Strahlungsleistung in der Prüfbox zu der außen verfügba-

ren gebildet. Die hierfür benötigte Sensorik ist schematisch in Bild 15 darge-

stellt. Der Sensor im Inneren der Prüfkammer ist auf dem Messkopf des Raum-

portals (Abschnitt 3.6) montiert. So ist es möglich, nicht nur die Transmission

an einer einzigen, vorher festgelegten Stelle des Prüflings zu messen, sondern

auch mehrere Positionen abzuscannen. So kann durch das Abfahren eines Ras-

ters eine flächenaufgelöste Darstellung des Verlaufs der Transmissionseigen-

schaften des Prüflings ermittelt werden.

Bild 15: Schematische Darstellung der verwendeten Messstellen für die Messung der di-rekten Transmissionskennwerte eines Membrankissens. Diese Sensorik ist oran-ge dargestellt und besteht aus 2 Pyranometern oder Photometern (kegelig).

2.5 Luftdichtheit

Zur Ermittlung des Infiltrationsluftwechsels durch einen Prüfling wird eine Tra-

cergas-Messung in der Prüfkammer durchgeführt. Bei einer Tracergas-Messung

wird kontinuierlich eine definierte Menge eines gut nachweisbaren Gases (das

Tracer-Gas) in den zu prüfenden Raum eingebracht. Der (Infiltrations-) Luft-

wechsel verdünnt die Tracergas-Konzentration im Raum. Durch die Ermittlung

des Gleichgewichtszustands für die gemessene Gaskonzentration kann der

Luftwechsel in dem geprüften Raum ermittelt werden. Zur Ermittlung des Luft-

wechsels durch den Prüfling muss von dem gemessenen Gesamtluftwechsel der

bekannte Luftwechsel, der aus der Prüfkammer selbst resultiert, subtrahiert

werden. Diese Analyse des Luftwechsels wird für mehrere Anströmrichtungen

des Winds auf den Prüfling durchgeführt, da hier starke Abhängigkeiten zu er-

warten sind.



2.6 Leuchtdichte und Blendung

Um messtechnische Aussagen zum Einfluss einer Fassade auf das Raumklima

ableiten zu können, ist i.d.R. ein entsprechend realitätsnaher Raum hinter der

zu bewertenden Fassade nötig. Solche Untersuchungen können demnach am

Kalorimetrischen Fassaden- und Dachprüfstand des IBP nur eingeschränkt

durchgeführt werden. Eine der wenigen raumklimatischen Charakteristiken, die

vom Raum selbst nicht direkt beeinflusst werden, ist die lichttechnische Ab-

strahleigenschaft der Fassade, also des von der Fassadenfläche ausgehende

Lichtstroms, der sich als Blendung des Nutzers negativ äußern kann. Physika-

lisch wird diese Nutzerblendung durch die Leuchtdichte [18] der Fassade und

deren Verteilung über die Fassadenfläche [19] repräsentiert. Der benötige Ab-

stand des Leuchtdichtesensors zur Fassade entspricht der Entfernung eines Ar-

beitsplatzes bzw. Schreibtisches von der Fassade. Der Messkopf des Raumpor-

tals kann maximal etwa 1,3 m von der Fassade entfernt werden. Dieser Ab-

stand von 1,3 m entspricht der Entfernung eines Nutzers von einer Gebäude-

fassade, dessen Arbeitsplatz direkt an der Fassade angeordnet ist. Die Fassa-

denleuchtdichte kann mit einem entsprechenden Leuchtdichtesensor erfasst

werden. Für die flächenaufgelöste Leuchtdichte wird eine Leuchtdichtekamera

verwendet. Details über die verwendete Sensorik können Abschnitt 3.8.4 ent-

nommen werden. Wird die flächenauflösende Leuchtdichte der gesamten Fas-

saden von der Position eines potentiellen Nutzers aus aufgenommen, können

an den entstehenden Falschfarbendarstellungen des Prüflings Schwachstellen,

z.B. des Sonnenschutzes erkannt werden. Für Arbeitsplatze mit Blickrichtung

auf die Fassade kann mit Hilfe dieser Aufnahmen auch die Blendungs-Wahr-

scheinlichkeit DGP (Daylight Glare Probability) nach [19] errechnet werden, die

auch psychologische Elemente der Blendung berücksichtig.



3 Beschreibung des Prüfstands

3.1 Umschließungsflächen

Aufgrund der Geometrie des Prüfstandes beträgt das Verhältnis von Umschlie-

ßungsflächen und Größe des Prüflings etwa eins zu sieben. Folglich steht den

Wärmeströmen durch die Umschließungsflächen mindestens siebenmal so viel

Übertragungsfläche zur Verfügung wie den zu messenden Energieströmen

durch den Prüfling. Diese Wärmeströme durch die Umschließungsflächen sind

bei der Verwendung eines kalorimetrischen Messprinzips, wie es in Ab-

schnitt 1.2 beschrieben ist, unerwünscht da sie nicht von den Wärmeströmen

durch den Prüfling zu separieren sind. Um diese Wärmeströme zu minimieren,

sind im Inneren der Umschließungsflächen wasserführende Adiabatabsorber

platziert, wie dem schematischen Aufbau in Bild 16 entnommen werden kann.

Der Aufbau beginnt auf der rechten Seite der Darstellung mit der Hüll- und

Tragkonstruktion. Weiter zum Prüfkammer-Inneren befindet sich die Dämm-

ebene mit ihrem mittig angeordneten Adiabatabsorber. Die innerste Ebene der

Konstruktion wird von den Messabsorbern gebildet, die in Abschnitt 3.2 detail-

liert beschrieben sind. Eine Einschränkung des umgesetzten Adiabatsystems ist

die Tatsache, dass alle fünf Adiabatabsorber nur mit einer einzigen Vorlauftem-

peratur angesteuert werden können. Diese Absorber dienen dem Zweck die

Wärmeströme zwischen den Messabsorbern und der Adiabatebene durch eine

entsprechende Temperatureinstellung auf null zu regeln. Hierfür sind zwei Re-

gelszenarien denkbar. Die Adiabatabsorber können auf den Mittelwert der Vor-

und der Rücklauftemperaturen aller Messabsorber eigestellt werden. Hierdurch

wird die Entstehung einer Temperaturdifferenz zwischen dem Prüfkammer-In-

neren und dem Inneren der Umschließungsflächen-Konstruktion vermieden.

Ohne Temperaturdifferenz entstehen keine Wärmeströme. Alternativ sind zwi-

schen der Mess- und der Adiabatabsorber-Ebene Wärmeflussscheiben in der

Dämmung installiert. Damit können die Adiabatabsorber so geregelt werden,

dass der mittlere Wärmestrom durch diese Wärmeflussscheiben gleich null

wird. Welche der beiden beschriebenen Regelstrategien für die Adiabatabsor-

ber zielführend ist, wird in Voruntersuchungen geklärt.



Bild 16: Schematischer Aufbau der Umschließungsflächen der Prüfbox bestehend aus der Hüll- und Tragkonstruktion, den Dämmebenen und den Adiabat- und Messabsorbern.

3.2 Konditionierungseinrichtungen

Prüfkammerseitig tauscht der Prüfling über zwei Mechanismen Energie aus.

Dies ist zum einen der konvektive Wärmeaustausch mit der Prüfkammerluft,

der vor allem durch die Lufttemperatur in der Prüfkammer bestimmt wird. Der

zweite Mechanismus ist der langwellige Strahlungsaustausch mit den Oberflä-

chen der Messabsorber. Dieser Strahlungsaustausch hängt vor allem von den

Oberflächentemperaturen der Messabsorber ab. Um den Wärmeaustausch

durch diese beiden Mechanismen bestimmen zu können, werden sowohl die

Luft- als auch die Oberflächentemperaturen in der Prüfkammer kontrolliert.

Alle fünf Messabsorber werden zusammen mit dem Luft-Wärmetauscher mit

derselben, einstellbaren Vorlauftemperatur versorgt. Die thermische Leistung

der Absorber, und damit deren Temperatur, werden für jeden Absorberkreis

einzeln über ein Drosselventil geregelt. Die sich real einstellenden Temperatur-

spreizungen zwischen Vor- und Rücklauftemperaturen in den Heiz-/Kühlflächen

müssen in Vorversuchen ermittelt werden. Es gilt jedoch, dass die Oberflächen-

temperaturen der Messabsorber möglichst gleichmäßig sein sollten, damit der

Austausch der Wärmestrahlung so gleichmäßig wie möglich ist. Die Gleichmä-

Prü

fkam

mer

Au

ßen

Messabsorber

Dämmung (2x 16 cm)

Adiabatabsorber Tragstruktur



ßigkeit der Absorbertemperaturen ist nicht nur von der Höhe der Gesamtsprei-

zung abhängig, sondern ebenfalls vom Konstruktionsprinzip der Absorber.

Werden die Absorber nach dem normalen Tichelmann-Prinzip [20] ausgebildet,

herrscht an einer Seite die Vorlauf- und an der entgegengesetzten Seite die

Rücklauftemperatur, was dem maximal möglichen Temperaturunterschied ent-

spricht. Das normale Tichelmann-Prinzip befördert den Wärmeträger, wie einen

Kamm, in parallelen Leitungen vom Vor- zum Rücklauf, wie links in Bild 17 zu

erkennen ist. An einer Seite des Absorbers entspricht die Absorber-Oberflä-

chentemperatur der Vorlauftemperatur, an der gegenüberliegenden Seite der

Rücklauftemperatur. Daraus resultiert das erwähnte, starke Temperaturgefälle

zwischen Vor- und Rücklaufseite. Hieraus würde ein ungleichmäßiger, langwel-

liger Strahlungsaustausch der Messabsorber mit dem Prüfling resultieren. Eine

Mäanderverlegung wie oft bei Fußbodenheizungen eingesetzt, löst das Prob-

lem der großen Temperaturspreizung im Absorber. Wegen der vielen benötig-

ten Bogensegmente ist diese Verlegungsmethode mit starren Kupferrohren je-

doch sehr aufwendig auszuführen. Als Lösung dieses Problems sind alle Absor-

ber des Prüfstands nach einem doppelten Tichelmann-Prinzip aufgebaut um ei-

ne möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung über ihr Fläche zu gewähr-

leisten. Bei dem doppelten Tichelmann-Prinzip werden quasi zwei Register-

„Kämme“ ineinander geschoben und thermisch verbunden, wodurch eine

gleichmäßige Temperaturverteilung im Absorber bei der ausschließlichen Ver-

wendung gerader Rohe gewährleistet ist. Rechts in Bild 17 ist das doppelte Ti-

chelmann-Prinzip skizziert.

Bild 17: Links: Schematische Zeichnung der normalen Tichelmann-Leitungsführung für einen Solarkollektor [21]. Rechts: Schematische Zeichnung des doppelten Tichelmann-Prinzips.

Die zweite Temperatur in der Prüfkammer, die aktiv geregelt werden kann, ist

die Lufttemperatur. Wie in Bild 18 erkannt werden kann, befindet sich hinter

dem Rückwand-Messabsorber ein Wasser-Luft-Wärmetauscher mit Heiz- und

Kühlfunktion und ein Querstromlüfter. Bei einem Querstromlüfter bzw. Quer-

stromventilator handelt es sich um eine Ventilator-Bauweise die sich durch ei-

nen flachen Aufbau und eine großes Luftvolumen bei einer kleinen elektrischen

Leistungsaufnahme auszeichnet. Die Luft wird an der Vorderkante des Boden-

Messabsorbers angesaugt, strömt hinter den Messabsorbern von Boden, Rück-



wand und Decke bis sie an der Vorderkante des Decken-Messabsorbers wieder

austritt. Der Motor des Querstromlüfters ist mit einer wasserführenden Kühllei-

tung umwickelt, die von demselben hydraulischen Kreis gespeist wird wie der

Luft-Wärmetauscher. Die elektrische Leistungsaufnahme des Motors wird mess-

technisch erfasst. Durch diese Kombination aus der Erfassung des Wärmeein-

trags und der lokalen Wiederabführung muss die Abwärme des Lüfter Motors

nicht in die Prüfkammer mit ihrer thermischen Speicherfähigkeit eingebracht,

sondern kann direkt mit der erfassten Leistung des hydraulischen Luft-Wärme-

tauscher-Kreises verrechnet werden. Die thermische Leistung der hydraulischen

Kreise wird einzeln für jeden der fünf Messabsorber, den Luft-Wärmetauscher

und alle Adiabatabsorber zusammen erfasst.

Bild 18: Schematische Darstellung der Komponenten der Prüfkammer-Lufttemperatur-Regelung bestehend aus den Kanälen zur Luftführung mit Ein- und Auslässen, dem Querstromlüfter und dem Heiz- und Kühlregister (Luftabsorber).

3.3 Hydraulische Versorgung der Messabsorber sowie des Adiabatabsorbers

Bild 19 zeigt das anlagentechnische Schema der Versorgungtechnik des Prüf-

stands. Die Adiabatabsorber bilden einen einzelnen Regelkreis in dem aus-

schließlich die Vorlauftemperatur aller fünf Absorber zusammen mittels einer

Rücklaufbeimischung eingestellt werden kann.

Parallel an die Medienversorgung ist der zweite Kreis für die Messabsorber (in-

klusive des Luftwärmetauschers) angeschlossen, deren gemeinsame Vorlauf-

temperatur ebenfalls über eine Rücklaufbeimischung eingestellt werden kann.

Der Messabsorberkreis weist zwei zusätzliche Stellgliedgruppen auf. Der Leis-

tung der einzelnen Messabsorber kann durch die Begrenzung der Durch-

flussmenge geregelt werden. Diese Einflussnahme auf die Leistung der einzel-

nen Absorber ist erforderlich um die mit unterschiedlicher Solarstrahlungsinten-

sität beaufschlagten Messabsorber auf eine identische Oberflächentemperatur

regeln zu können.

Querstromlüfter

Heiz- und Kühlregister



Des Weiteren können die einzelnen Messabsorber zwischen dem Beginn des

Absorbers und der Temperaturmessstelle automatisiert abgesperrt werden. In

diesem Fall wird zwischen den Absperrungen und den Temperaturmessstellen

ein Bypass-Ventil geöffnet, so dass der Wärmeträger nahezu direkt von der

Vor- zur Rücklauftemperatur-Messstelle strömt (siehe Bild 20). Tritt während

dieser hydraulischen Konfiguration ein signifikanter Temperaturunterschied

zwischen den beiden Messstellen auf, kann auf eine aufgetretene Drift in ei-

nem der beiden PT100-Tauchfühler geschlossen werden. In diesem Fall wird der

gemessene Fehler bei der anschließenden Versuchsdurchführung korrigiert. Der

Luftwärmetauscher verfügt über die gleichen Regelmöglichkeiten wie die fünf

Messabsorber. Direkt am Luftwärmetauscher ist zusätzlich ein Ultraschall-

Verdunster eingebaut, der es ermöglicht, die Luft innerhalb der Prüfkammer zu

befeuchten. Eine Entfeuchtung kann durch das Einblasen getrockneter Luft in

die Prüfkammer erfolgen, wie in Abschnitt 3.7 beschrieben.

Je nach Heiz- oder Kühlbedarf, werden der Adiabat- und der Messkreis entwe-

der dem Wärme- oder dem Kältespeicher zugeschaltet. Der Wärmespeicher

verwendet als Wärmequelle einen integrierten elektrischen Heizstab mit einer

Leistung von 6 kW. Die Leistung des Heizstabes wird mittels eines Phasenan-

schnittdimmers durch das MSR-System (siehe Abschnitt 3.10) konstant auf die

gewünschte Temperatur geregelt. Der Kältespeicher wird von einer Kompressi-

onskältemaschine versorgt, die mittels des integrierten 2-Punkt-Reglers eine

Minimaltemperatur von 4 °C mit einer Genauigkeit von ±2 K halten kann. Die

Abwärme der Kältemaschine wird über Erdsonden abgeführt.



Bild 19: Hydraulisches Schema der Versorgungstechnik des kalorimetrischen Fassaden- und Dachprüfstands.



Bild 20: Schematische Darstellung der Kurzschlusskalibrierung der Messabsorber: Links: Messbetrieb. Rechts: Kalibrierbetrieb.

3.4 Öffenbare Frontklappe

Für den Einbau der Prüflinge müssen innerhalb der Prüfkammer bestimmte Ar-

beiten, wie z.B. das in Abschnitt 3.4.1 geschriebene Hinterdämmen des Adap-

terrahmens, durchgeführt werden. Um hierfür den Zutritt zum inneren der

Prüfkammer zu ermöglich, kann der Frontrahmen der Prüfbox ca. 60 cm nach

vorne gefahren werden. Wenn ein leichter Prüfling eingebaut werden soll, kann

die Frontklappe alternativ auch, wie in Bild 21 dargestellt, vollständig herunter-

geklappt werden. So müssen z.B. die Abdichtungsarbeiten nicht auf einer Leiter

im inneren der Prüfkammer durchgeführt werden, sondern die um die Adap-

terplatte umlaufende Fuge kann auf dem Boden stehend erreicht werden.

Bild 21: Abgeklappte Frontklappe.

dT

T=T



3.4.1 Prüflingsaufnahme

Der Frontrahmen der Prüfbox, in dem sich die Prüflingsaufnahme befindet,

kann aufgeklappt werden. Dies wurde beim Einbau des ersten Membranprüf-

lings bereits genutzt (Bild 22). Die eigentliche Prüflingsaufnahme besteht aus ei-

nem zweidimensionalen System beweglicher Montageschienen die an den Prüf-

ling angepasst werden.

Bild 22: Einbau des ersten Membranprüflings am 25.01.2012 in die Prüflingsaufnahme des Frontrahmens.

Der schematische Montageablauf ist in Bild 23 dargestellt. Um die Größe der

Prüflingsöffnung des Frontrahmens (A) an den zwingend zumindest etwas klei-

neren Prüfling (B) anzupassen, wird umlaufend um den Prüfling eine Adapter-

platte (C) installiert. Diese überbrückt den Luftspalt zwischen Prüfling und

Frontrahmen. Auf den festen, horizontalen Tragprofilen werden die vertikalen

Adapterprofile montiert (D), die eine feste Länge haben. Diese vertikalen Adap-

terprofile sind so befestigt, dass ihr horizontaler Abstand verändert werden

kann. Dieser Abstand wird so eingestellt, dass er ein wenig breiter ist als der

Prüfling (E). Anschließend werden die horizontalen Adapterprofile angebracht

(F) und mittels der Längenadapter zwischen die vertikalen Profile eingepasst

(G). Schließlich wird der vertikale Abstand der horizontalen Adapterprofile so

eingestellt, dass er, wie der Abstand vertikaler Adapterprofile, ein wenig größer

ist als der Prüfling (H). Über das Verschrauben der Adapterplatte an die Adap-

terprofile wird abschließend die Kombination aus Adapterplatte und Prüfling

statisch tragend mit der Prüfkammer verbunden.

In dem in Bild 24 dargestellten Fall eines Membrankissens ist die Adapter-Platte

so schmal, dass sie vollständig von Adapterprofilen verdeckt wird.



Prüflings-Öffnung

A

Prüfling

B

Prüfling

C

Adapter-Platte

(umlaufend)

VertikaleAdapterprofile

D

Tragprofil

Tragprofil



Bild 23: Ablaufskizze der Prüflingmontage.

E F

HorizontaleAdapterprofile

Längen-Adapter

G H



Bild 24: Prüflingsaufnahme am Frontrahmen. A=Horizontales Tragprofil, B=Vertikales Adapterprofil, C=Horizontales Adap-terprofil, D=Horizontaler Längenadapter.

In Bild 25 können zwei Montagedetails von Prüflingen erkannt werden. Um die

Luftdichtheit der Prüfkammer zu gewährleisten, muss schließlich noch die Fuge

zwischen Adapterplatte und Frontrahmen abgedichtet werden. Die verhältnis-

mäßig dünne Adapterplatte gehört nicht mehr zum Prüfling und hat im Ver-

gleich zur restlichen Prüfkammer eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit. Um die

unerwünschten Wärmeströme durch die Adapterplatte zu minimieren, wird

diese innenseitig mit einem hochdämmenden und flexiblen Material wie z.B.

Mineralwolle oder PU-Dämmschaum hinterfüttert.

A

B

C D



Bild 25: Montagedetails eines Membran-Prüflings (links) und einer Pfosten-Riegel-Fas-sade als Prüfling (rechts) in die Prüflingsaufnahme des Kalorimetrischen Fassa-den und Dachprüfstands inklusive der Adapterteile und Verschraubungen.

3.4.2 Rechnerische Bewertung der Wärmebrücken im Bereich der Prüflingsbefesti-

gung

Im Gegensatz zu den in Abschnitt 3.1 beschriebenen Umschließungsflächen

wird der bewegliche Frontrahmen nicht mit Adiabatabsorbern ausgestattet.

Dies führt dazu, dass sich auf Grund von Temperaturunterschieden Wärme-

ströme durch die Frontklappe ausbilden. In Bild 26 sind die berechneten, zwei-

dimensionalen Wärmestromdichten durch den Frontrahmen der Prüfbox darge-

stellt. Der längenbezogene Wärmebrückenverlustkoeffizient beträgt

0,37 W/mK. Somit ergibt sich für die gesamte umlaufende Länge der Front-

klappe von 12 m ein Wärmebrückenkoeffizient von 4,4 W/K. Dieser Koeffizient

berücksichtigt nicht die dreidimensionalen Wärmebrücken in den vier Ecken des

Frontrahmens. Der Kennwert dieser Wärmebrücke wird im Rahmen der Kalib-

rierversuche mit dem 2. Kalibrierkörper wie in Abschnitt 5.2.2 beschrieben

überprüft. Ist der genaue Wärmebrückenverlustkoeffizient bekannt, kann der

Einfluss dieser Wärmebrücken unter Berücksichtigung der Temperaturdifferenz

zwischen Außen- und Prüfkammerluft korrigiert werden.

Prüfkörperaufnahme

Halfenschiene

EPDM-Platte



Bild 26: Wärmestromdichte der Wärmebrücke des nicht adiabat gestalteten Frontrah-mens der Prüfbox. Berechnung mit FLIXO Professional.

3.5 Bewegungsmechanismus der Prüfbox

Die Prüfbox ist um 360 ° dreh- und von 0 ° - 90 ° neigbar. Zur Gewährleistung

der Drehbarkeit ist die neigbare Prüfbox auf einer mit einem Zahnkranz ausge-

statteten Plattform montiert, deren elektrischer Antrieb im darunterliegenden

Keller angebracht ist. Über zwei Gelenke und zwei Hydraulikzylinder, die die

Kippbarkeit gewährleisten, ist die Prüfbox mit dieser Plattform verbunden. Bild

27 zeigt den Prüfstand in geneigtem Zustand.

Bild 27: Kalorimetrischen Fassaden- und Dachprüfstand in geneigtem Zustand.

Prüfling

Frontrahmen

Adiabate Umschließungsfläche



Um die elektrischen, hydraulischen und pneumatischen Versorgungsleitungen

aus der Technikzentrale im Keller in die bewegliche Prüfbox hinein zu führen,

wurde eine kreisförmige Leitungsdurchführung entwickelt. Dieses System be-

steht aus einer Schablone (Bild 28, links) an der Rückwand der Prüfkammer, die

die hydraulischen Leitungen in einem inneren Ring fixiert und einem äußeren

Kranz der für die elektrischen Leitungen reserviert ist. Alle Leitungen sind aus-

schließlich an dieser Schablone befestigt. So können sie sich beim zurückneigen

der Prüfkammer in die Durchführung zum Keller hineinschieben und wieder

herausziehen. Die Runde Form des kompakten Leitungsbündels ermöglicht wei-

terhin, die ungehinderte Drehbewegung. Im Keller hängen alle Leitungen aus

der Deckendurchführung in einer großen Schlaufe durch bis zu ihren An-

schlussstellen, die sich ebenfalls wieder an der Kellerdecke befinden (siehe Bild

28, rechts).

Bild 28: Links: Fixierungs-Schablone am Austritt der Leitungen aus der Prüfbox während der Montage. Rechts: Frei hängende Leitungs-Schlaufen zwischen der Deckendurchführung und den Anschlussstellen an der Kellerdecke.

3.6 Raumportal

Das Raumportal, dessen Einbau in Bild 29 festgehalten ist, ist ein Roboter, der

in der Lage ist, seinen Messkopf in alle drei Richtungen zu bewegen und damit

nahezu jede Position in der Prüfkammer zu erreichen. Bei dem Messkopf han-

delt es sich um eine Montageplattform für Sensoren die je nach Messaufgabe

mit unterschiedlichen Arten und Anzahlen von Messfühler bestückt werden

kann. Ein direkt am Messkopf montierter Klemmkasten erlaubt ein schnelles

und unkompliziertes elektrisches Einbinden der benötigten Sensoren in die

Messwerterfassung. Aktuell gibt es zwei mögliche Betriebsweisen für Bewe-

gungen des Raumportals.



Zum einen kann der Messkopf durch die manuelle Eingabe dreidimensionaler

Koordinaten an eine bestimmte Position gefahren werden und dort fest ver-

bleiben. Von dieser angefahrenen, singulären Position können anschließend

fortlaufend Messwerte aufgenommen werden.

Zum anderen ist es darüber hinaus möglich mehrere, manuell hintereinander

angefahrene Koordinaten abzuspeichern. Diese abgespeicherten Koordinaten

können dazu verwendet werden, eine Bahnkurve zu programmieren, die der

Messkopf kontinuierlich abfährt.

Zukünftig wird für den Messkopf eine Funktion ergänzt, welche die Möglichkeit

bietet, automatisch eine Sperrzone zu definieren in die der Messkopf nicht ein-

fahren darf, da es sonst zu einer Kollision mit dem Prüfling kommen würde.

Hierzu wird der Messkopf an die Rückwand der Prüfbox zurückgefahren und

mit Hilfe eines berührungslosen Entfernungsmessers automatisch, Punkt für

Punkt die Entfernung zum Prüfling zu erfasst. Dabei wird das Scanraster manu-

ell so eng festgelegt, dass es kleiner ist als das kleinste in die Prüfkammer hin-

einstehende Bauteil (wie z.B. ein Fassaden-Pfosten). Die Umsetzung dieser

Funktionalität erfolgt im Rahmen weiterer Projekte.

Bild 29: Raumportal des Kalorimetrischen Fassaden- und Dachprüfstands während des Einbaus in die Prüfkammer.

3.7 Druckluftversorung

Der kalorimetrische Fassaden- und Dachprüfstand ist an das Druckluftnetz des

Freilandversuchgeländes am IBP angeschlossen. Die Druckluft am Prüfstand

wird für die drei folgenden Anwendungsfälle benötigt:

Am oberen Ende der Prüfbox befindet sich ein Pneumatik-Zylinder der

beim Öffnen der Frontklappe den oberen Teil der Frontklappe nach au-



ßen drückt und dabei eine Seilwinde abwickelt, damit sich die Front-

klappe. wie in Abschnitt 3.4 beschrieben, öffnen kann.

Das Innere der Prüfkammer kann mit Druckluft gespült werden, indem

sie in den Querstromlüfter vor dem Luftwärmetauscher eingeblasen

wird. Die eingeblasene Druckluft vermischt sich mit der Luft im Inneren

der Prüfkammer und verdrängt einen Teil von ihr. Da Druckluft eine

sehr niedrige Taupunkttemperatur besitzt, also sehr trocken ist, wird

durch das Einblasen von Druckluft das Innere der Prüfkammer getrock-

net. In Kombination mit dem vorhandenen Ultraschallbefeuchter kann

somit eine vordefinierte Luftfeuche in der Prüfbox eingestellt werden.

Die Untersuchung leichter Membrankonstruktionen ist eine zentrale Aufgabe

dieses Prüfstands. Membran-Bauteile sind häufig Kissenkonstruktionen die

durch einen im Inneren herrschenden Überdruck pneumatisch aufgeblasen

werden. Um solche Membrankissen untersuchen zu können, ist es erforderlich,

eine entsprechende Druckluftversorgung bereit zu stellen. Der Prüfstand stellt

an der rechten Seite der Prüfkammer zwei separat regelbare Druckluftversor-

gungen zur Verfügung, die in Bild 30 abgebildet sind. Somit können dreilagige

Kissenkonstruktionen mit unterschiedlichen Positionen der Mittellage unter-

sucht werden. Um Überdruckschäden vorzubeugen, und durch einen geringe-

ren Durchfluss die Regelung einfacher zu gestalten, sind auch diese Druckluft-

stränge mit Druckminderer ausgestattet. Für jede Kissenkammer kann über ein

grafisches Interface der Minimal- und Maximaldruck separat eingestellt werden,

der dann über einen 2-Punkt Regler gehalten wird. Der typische Überdruck in-

nerhalb mehrlagiger Membrankissen liegt im Bereich zwischen 200 und

1800 Pa.

Bild 30: Druckluftversorgung für die Membrankissen. Aktuell ist ein zweilagiges Kissen installiert, das nur eine der beiden verfügbaren Druckluftversorgungen benö-tigt.



3.8 Installierte Messsensorik

3.8.1 Temperatursensorik

In dem kalorimetrischen Fassaden- und Dachprüfstand werden ausschließlich

100 Ω-Platin-Widerstandsthermometer (PT100) in verschiedenen Bauformen

mit Vierleitertechnik und der Genauigkeitsklasse 1/3 B nach [22] eingesetzt.

Diese Temperaturfühler weisen ohne Betrachtung der Messdatenerfassung bei

0 °C eine Genauigkeit von ±0,10 K auf. Durch die hausinterne Kalibrierung

kann, mit Hilfe einer Korrekturfunktion, die Messunsicherheit auf 0,04 K redu-

ziert werden.

Tauchfühler, wie in Bild 31 abgebildet, dienen zur Erfassung von Fluidtempera-

turen, also z.B. für Vor- und Rücklauf- sowie Speichertemperaturen. In einem

Rohr der technischen Gebäudeausrüstung herrscht im Normalfall eine laminare

Strömung. Bei einer laminaren Strömung vermischen sich die Wasseranteile des

Fluids die an der Rohrwandung entlangströmen nicht mit denen im Zentrum

der Rohrleitung. Dadurch stellt sich auf Grund des Temperaturunterschieds zwi-

schen Fluid und Rohrumgebung ein Temperaturgefälle innerhalb des Rohrquer-

schnitts ein, da nur die Fluidanteile an der Rohrwandung Energie mit der

Rohrumgebung austauschen. Die in Bild 31 als Fotografie und in Bild 32 sche-

matisch dargestellte Wirbelkammer hat die Funktion das laminare Strömungs-

bild in der Rohrleitung vor dem Tauchfühler zu durchbrechen. Die dadurch ent-

stehende turbulente Durchmischung des Fluids führt zu einer einheitlichen

Temperatur im gesamten Rohrquerschnitt.

Bild 31: PT100-Tauchfühler in der Wirbelkammer und geöffneter Fühlerdämmung.



Bild 32: Schematische Skizze der Funktionsweise einer Wirbelkammer für die Installation von Tauch-Temperaturfühlern.

Flachband Oberflächentemperaturfühler kommen dort zum Einsatz, wo die

Oberflächentemperatur mit robuster Sensorik erfasst werden muss. Der Nach-

teil dieser Flachbandfühler ist ihre größere thermische Trägheit mit der sie auf

Temperaturänderungen reagieren. Robuste Oberflächenfühler werden vor al-

lem für Fußböden, wo evtl. auf sie getreten wird, eingesetzt und im Fall dieses

Messstands, für Oberflächenfühler die nicht oder nur schwer ersetzt werden

können. Das sind die Fühler, die im Inneren von Bauteilen verbaut sind, und die

auf den Oberflächen der Messabsorber verklebt sind. Die in Bild 33 dargestell-

ten Flachbandtemperaturfühler sind nach dem Fixieren mit Zweikomponenten

Klebstoff mit einem langzeitstabilen Klebeband abgedeckt und mit der Farbe

der Messabsorber lackiert.

Bild 33: Flachbandtemperaturfühler auf einem Messabsorber, lackiert in der Farbe des Absorbers.

Rohsensoren mit Kupferlackdraht kommen dort zum Einsatz, wo die verhält-

nismäßig dicken Leitungen mit PVC-Isolierung unerwünscht sind. Dies ist vor al-

lem bei der Messung der Oberflächentemperatur transparenter Bauteile der



Fall. Bild 34 zeigt einen PT100-Rohsensor mit Kupferlackdraht, aufgeklebt auf

eine Verglasung.

Zur Erfassung der Verteilung der Lufttemperaturen ist in der Prüfkammer, in

das Raumportal (siehe Abschnitt 3.6) ein Netz von 13 Temperatursensoren so

eingespannt, dass seine Ebene mit Hilfe des Raumportals, zum Prüfling hin und

von ihm weg, bewegt werden kann. Auch hierfür wurden Sensoren mit Kup-

ferlackdrähten eingesetzt, um Kabelbündel quer durch die Prüfkammer zu ver-

meiden. Diese Kabelbündel würden von auftreffender Solarstrahlung aufge-

heizt werden und die Messung des resultierenden Wärmeeintrags somit verzö-

gern.

Bild 34: PT100-Rohsensor mit Kupferlackdraht, aufgeklebt auf eine Verglasung.

Ist das Vorhandensein dickerer Leitungen nicht kritisch, werden die links in Bild

35 dargestellten Keramikfühler zur Messung der Lufttemperatur verwendet, da

diese durch besonders kurze Ansprechzeiten charakterisiert sind. In der Regel

werden diese Fühler auch im Innenraum mit einem Strahlungsschutz versehen,

um eine Aufheizung des Fühlers durch direkt auftreffende Solarstrahlung zu

verhindern. Die in der Prüfbox eingebauten keramischen Temperaturfühler be-

finden sich alle in den Luftkanälen hinter den Messabsorbern, so dass sie ohne-

hin nicht von der Sonne erwärmt werden können. Lediglich der Temperatur-

fühler der direkt an der Prüfbox die Außenlufttemperatur erfasst, ist mit einer

zwangsventilierten Lamellenschutzhütte versehen, wie rechts in Bild 35 darge-

stellt.



Bild 35: Links: Keramik Lufttemperaturfühler mit Strahlungsschutz. Rechts: Zwei ventilierte Lamellenschutzhütten als Strahlungsschutz für den Au-ßeneinsatz.

Zusätzlich zur Außenlufttemperatur ist auch die Strahlungstemperatur des für

den Prüfling sichtbaren Halbraums erforderlich. Die Strahlungstemperatur, also

langwellige Gegenstrahlung der Umgebung, wird mit Hilfe eines Pyrgeometers

erfasst. In Bild 36 ist das Pyrgeometer an der Frontklappe des Prüfstands darge-

stellt, dessen Blickwinkel identisch mit dem des Prüflings ist. Das verwendete

Pyrgeometer weist eine Messunsicherheit von 21 W/m² auf, was bei einer

Strahlungstemperatur von 20 °C in Anlehnung an Gleichung (2) einer maxima-

len Unsicherheit von 3,2 K entspricht.

3.8.2 Solare Einstrahlung

Für die Ermittlung des g-Werts ist die solare Bestrahlungsstärke auf den Prüf-

ling, wie in Abschnitt 2.3 erläutert, eine der beiden zentralen Eingangsgrößen,

wie auch für die in Abschnitt 2.4 beschriebene Ermittlung der direkten Trans-

missionskennwerte. Die Stärke der solaren Gesamteinstrahlung wird mit Hilfe

des in Bild 36 dargestellten Pyranometers erfasst. Das verwendete Pyranometer

weißt eine Messunsicherheit von 24 W/m² auf.



Bild 36: Messgeräte für solare Strahlung an der Frontklappe des kalorimetrischen Fassa-den- und Dachprüfstands. Oben das Photometer, mittig das Pyranometer und unten das Pyrgeometer.

3.8.3 Beleuchtungsstärke

Die andere Strahlungsgröße, die neben der Solarstrahlung interessant ist, ist ihr

sichtbarer Anteil, der mit Photometern erfasst werden kann. Ein solches Gerät

ist ebenfalls an der Frontklappe des Prüfstands angebracht und in Bild 36 dar-

gestellt. Sein innenliegendes, nicht wettergeschütztes Gegenstück zeigt Bild 37.

Beide Messfühler weisen eine Messunsicherheit von 4,5 % auf.

Bild 37: Beleuchtungsstärke-Photometerkopf für Innenanwendungen.



3.8.4 Leuchtdichte

In Bild 38 ist die zur Messung der Fassadenleuchtdichte des Prüflings verwen-

dete Sensorik dargestellt. Dabei handelt es sich um einen Photometerkopf mit

Leuchtdichtevorsatz. Die V()-Anpassungsgüte nach DIN 5032 Teil 6 [23] be-

trägt f1<3% (Klasse A) und die kosinuskorrigierte räumliche Bewertung

f2<1,5%.

Bild 38: Photometerkopf zur Bestimmung der Fassadenleuchtdichte.

Zur Bestimmung der flächenauflösenden Leuchtdichte an der Fassade wird eine

Leuchtdichtekamera verwendet. Die Kamera besitzt einen CCD-Detektor mit

einer Auflösung von 2448x2048 Bildpunkten. Der messbare Leuchtdichtebe-

reich liegt zwischen 0.04 und 200.000 cd/m². Das Messsystem wird zur Bewer-

tung der Blendsituation an Fassadenlösungen und Membrankonstruktionen an

verschiedenen Prüfständen im Rahmen von Forschungsprojekten verwendet.

Bild 39: Leuchtdichtekamera (links) und Falschfarbendarstellung einer Fassaden-Leucht-dichteverteilung (rechts).



3.8.5 Luftfeuchte

In Bild 40 ist ein kapazitiver Feuchtesensor dargestellt. Dessen Genauigkeit (bei

23 °C) wird vom Hersteller mit: ±1,0 %rF angegeben. Aus der Messung von re-

lativer Luftfeuchte und Lufttemperatur (dry-bulb) können die absolute Luft-

feuchte und die Taupunkttemperatur der Luft berechnet werden.

Bild 40: Kapazitiver Feuchtesensor.

3.8.6 Wärmeströme

Bild 41 zeigt einen Wärmestromsensor. Diese Wärmeflussmessplatte wird

werkseitig bei einer Temperatur von 25 °C kalibriert. Der Fehler dieser Kalibrie-

rung ist kleiner als 5 %. Diese Sensoren können eingesetzt werden um den

Wärmestrom durch ein homogenes Bauteil unter Ausschluss von Randeffekten

zu ermitteln. Diese Messergebnisse sind bei transparenten Bauteilen nur zu Zei-

ten ohne Solarstrahlung gültig, da die Wärmeflussscheibe ein grundsätzlich an-

deres Absorptionsverhalten als z.B. die transparente Verglasung aufweist.

Bild 41: Wärmeflussmessplatte.



3.8.7 Thermische Leistung der Messabsorber und des Luftwärmetauschers

In Bild 42 sind die sechs Durchflussmesser der fünf Messabsorber und des Luft-

wärmetauschers abgebildet.

Bild 42: Die sechs magneto-induktiven Durchflussmesser der Messabsorber in der Tech-nikzentrale.

Die Massenströme der Heiz- und Kühlkreise werden mit Hilfe von magneto-in-

duktiven Durchflussmessern in Kombination mit hochgenauen PT100-Tauch-

fühlern ermittelt. Die Tauchfühler zur Bestimmung der Vor- und Rücklauftem-

peraturen besitzen eine Genauigkeit von ±0,04 K. Die Grundgenauigkeit des

magneto-induktiven Durchflussmessers liegt bei ±0,5 % vom jeweiligen Mess-

wert. Die für dieses Messverfahren erforderliche Sensorik ist in Bild 43 darge-

stellt.

Bild 43: Magneto-induktiver Durchflussmesser Bestimmung der Massenströme in den Heiz- und Kühlkreisen.

In allen Messkreisen kommt als Wärmeträger ein Wasser-Glycol-Gemisch mit

einem Glycolanteil von etwa 20 % zum Einsatz. Durch Messung des Wärme-

träger-Volumenstroms Vx und der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und



Rücklauf ΔTx kann die thermische Leistung für den entsprechenden Absorber

„x“ rechnerisch nach Gleichung (8) ermittelt werden. Gleichung (8) setzt vo-

raus, dass die spezifische Wärmekapazität des Wärmeträgers des Prüfstands in

allen Absorbern identisch und konstant ist. Da der gesamt Prüfstand als ein ein-

zelner hydraulischer Kreis ausgebildet ist, ist diese Annahme einer homogenen

spezifischen Wärmekapazität gerechtfertigt. Der tatsächliche Wert der Wärme-

kapazität des Wärmeträgers wird in regelmäßigen Abständen im chemisch-

technischen Labor des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP ermittelt. Die

zweite Annahme einer konstanten Wärmekapazität ist kritischer zu hinterfra-

gen, da das verwendete Wasser-Glykol-Gemisch eine größere Temperaturab-

hängigkeit als reines Wasser aufweist. Je nach Glykol-Konzentration und Medi-

entemperatur kann die Wärmekapazität zwischen 4,22 und 2,27 kJ/kgK liegen.

Die Glykol-Konzentration während eines Versuchs ist konstant, die Temperatur

aber nicht. Aus diesem Grund wird in Gleichung (8) die Wärmekapazität c

durch die temperaturabhängige Wärmekapazität c(T) ersetzt. Aus den im Labor

ermittelten Stützstellen wird die Funktion der temperaturabhängigen Wärme-

kapazität mit Hilfe eines Newton-Approximations-Polynoms entwickelt. Werden

alle fünf Messabsorber und als sechster Absorber der Luftwärmetauscher mit

seiner elektrischen Leistungsaufnahme nach Gleichung (9) (Abschnitt 3.9) auf-

summiert. erhält man alle relevanten Energieströme in der Prüfbox.

Ermittlung der aktuellen thermischen Leistung Pth des Absorbers „x“. [W]

( ) ( ) [

] (8)

ΔTx Temperaturdifferenz zwischen dem Vor- und dem Rück-

lauf des Absorbers „x“.

[K]

Vx Volumenstrom des Wärmeträgers im Absorber „x“. [m³/h]

(T) Temperaturabhängige Dichte des Wärmeträgers. [kg/m³]

( ) Spezifische, temperaturabhängige Wärmekapazität des

Wärmeträgers.

[kJ/(kgK)]

3.8.8 Elektrische Leistung

Elektrische Leistungsmesser erlauben die Messung der Leistungsaufnahme eines

elektrischen Verbrauchers. In dem Kalorimetrischen Fassaden und Dachprüf-

stand kommen elektrische Leistungsmessklemmen des Herstellers Beckhoff

(siehe Abschnitt 3.10) zum Einsatz. Diese dienen dazu, die Leistungsaufnahme

der elektrischen Verbraucher in der Prüfkammer, wie z.B. des Querstromlüfters,

der Antriebe des Raumportals und der LED-Beleuchtung zu erfassen. Die im

Prüfstand genutzten Leistungsmesser haben in jedem Leistungsbereich eine

Genauigkeit von 2,2 W bzw. 6,6 W für den dreiphasigen Querstromlüfter.



3.9 Energiebilanz der Prüfkammer

Aufsummierung aller für die Messung relevanten Energieströme.

∑ ∑

(9)

Pth,x Thermische Leistung des Messabsorbers X [W]

Pelp,Y Elektrische Leistung des Verbrauchers Y in der Prüfkam-

mer [W]

n Anzahl der elektrischen Verbraucher innerhalb der Prüf-

kammer [-]

Pkorr(?) Korrektur-Energiestrom, deren Höhe und deren Einfluss-

faktoren im Rahmen der Kalibriermessungen ermittelt

werden. (Siehe Abschnitt 5.2.2)

[W]

PFass Energiestrom durch die Fassade. [W]

3.10 Verwendetes Mess- und Regelsystem

3.10.1 Anforderungen an das MSR-Systems

Die Versuchseinrichtung benötigt zur Steuerung, Regelung und Überwachung

ihrer vielen versorgungstechnischen, hydraulischen und elektrischen Kompo-

nenten ein leistungsfähiges und flexibles Steuerungssystem. Anlagen ähnlicher

Komplexität werden im industriellen Umfeld meist über sogenannte „Speicher-

Programmierbare Steuerungen“ (kurz SPS) kontrolliert. Diese Systeme zeichnen

sich durch hohe Betriebssicherheit, gute Skalierbarkeit, hohe Flexibilität in der

Programmierung, Echtzeitfähigkeit, sowie durch die Verfügbarkeit verschie-

denster Signal-Ein- und Ausgangs-Baugruppen im Hardwarebereich aus. Daher

empfahl sich auch hier der Einsatz eines solchen Systems.

Neben der reinen Steuerungsaufgabe fordert der Betrieb der Versuchseinrich-

tung ein hochpräzises Mess-System, welches die vorhandenen physikalischen

und technischen Zustände erfasst, miteinander zur Laufzeit verrechnet, und

schließlich die erfassten und berechneten Werte in eine Datenbank zur späte-

ren Analyse speichert. Außerdem sollte solch ein System einfach erweiterbar

sein, damit es flexibel auf sich ändernde Messtechnik-Anforderungen angepasst

werden kann.

Als dritte Funktionalität ist die Möglichkeit der Kommunikation mit gängigen

Feldbus-Systemen aus dem Bereich der Gebäudeautomation gefordert. Viele

komplexere Fassaden- und Dachbauteile verfügen mittlerweile selbst über ak-

tive Komponenten wie beispielsweise Verschattungssysteme. Diese aktiven

Komponenten werden wiederum über eingebaute Feldbus-Schnittstellen ge-

steuert. Um mit diesen aktiven Prüflingen während eines Versuches kommuni-

zieren zu können, sollte die zentrale Steuerung deshalb mit den gängigsten



Schnittstellen aus diesem Bereich ausgestattet sein. Diese werden benötigt, um

aktive Prüflinge während der Versuche steuern zu können. Dadurch lassen sich

automatisierte Versuchsabläufe des Prüfstandes im Kontext mit unterschiedli-

chen Betriebszuständen des Prüflings realisieren. Ein Beispiel für solch einen

Prüfablauf wäre eine Elektrochrom-Scheibe, deren optische Durchlässigkeit und

damit deren Eigenschaften (z.B. g-Wert) über ein KNX-Interface von der zent-

ralen Steuerung während des Versuchsablaufs automatisch geändert werden

kann.

3.10.2 Hardware

Nach einer gründlichen Marktrecherche fiel die Entscheidung für die Beschaf-

fung eines Mess-, Steuer- und Regelsystems aus drei Gründen auf ein Produkt

der Firma Beckhoff:

Die Besonderheit dieses frei programmierbaren Systems ist zum einen

das umfangreiche Lieferprogramm kostengünstiger Ein- und Ausgänge

in Form flexibel anreihbarer Klemmengehäuse. In Bild 44 ist links bei-

spielhaft eine solche Klemme dargestellt. Jede dieser „Klemmen“ ver-

fügt über eigene Elektronik zur analogen und digitalen Signalverar-

beitung. Die Kommunikation der Klemmen untereinander erfolgt über

den sogenannten EtherCAT-Bus. Dies ist ein echtzeitfähiger, schneller

Feld-Bus auf Basis des Ethernet-Standards. Über gewöhnliche Ethernet

Kabel und Verteiler können weitere Andock-Bausteine, sogenannte

Bus-Koppler, mit einem zentralen Steuerungs-PC verbunden werden.

An diese Bus-Koppler können dann wiederum, je nach Bedarf, beliebige

Ein- und Ausgänge angesteckt werden um neue Funktionen wie z.B.

bestimmte Messkanäle zu ergänzen. In Bild 44 ist rechts eine solche

Bus-Koppler-Klemmen-Kombination dargestellt.

Es sind Klemmen für elektrische Leistungs-Anwendungen wie z.B. elekt-

rische Leistungsmesser, Motorantriebe, Servo-Verstärker oder Leistungs-

schalter verfügbar.

Es sind Kommunikationsklemmen für fast alle gängigen Feldbus-Sys-

teme (KNX, LON, DALI, M-BUS, ...) lieferbar, was das Abdecken der in

Abschnitt 3.10.1 beschriebenen dritten Funktionalität ermöglicht. Ne-

ben den klassischen SPS-Signalen bietet das Lieferprogramm speziell

entwickelte, hochgenaue Messeingänge, die in ihrer Präzision einem

Datenlogger wissenschaftlichen Standards entsprechen. Für alle ge-

nannten Hardware-Komponenten steht eine umfangreiche Sammlung

von fertigen Funktions-Bibliotheken, sowie eine leistungsfähige Ent-

wicklungs-Software zur Verfügung.



Bild 44: Links: Einzelne Beckhoff-Messklemme mit Buskontakten. Rechts: Beckhoff Bus-Koppler mit rechts angedockten Ein- und Ausgangs-klemmen.

3.10.3 Konzept der MSR-Software

Das Mess- Steuer- und Regelsystem des Kalorimetrischen Fassaden- und Dach-

prüfstands ist konzeptionell in vier Ebenen unterteilt, von denen im Rahmen

dieses Forschungsvorhabens die unteren drei umgesetzt sind. Hierbei handelt es

sich konkret um die Hardware-, die Grundfunktions- und die Sequenzebene.

Die Aufgaben und Funktionen der einzelnen Ebenen beschreiben sich wie folgt:

Hardware-Ebene

Hier wird die Hardware der Signalverarbeitungsebene angesprochen, also alle

elektrischen Signale und Zustände werden erfasst, sowie Stell- und Steuersig-

nale an die Leistungsbaugruppen werden ausgegeben. Hier wird ebenfalls die

Kommunikation des SPS-internen EtherCAT Bus-Systems, sowie die Kommuni-

kation über die Feldbusse der Gebäudeautomation gesteuert. Auch die An-

kopplung der ImedasTM-Datenbank über die ODBC-Schnittstelle des Betriebssys-

tems wird in dieser Ebene abgewickelt. Diese Ebene steht direkt mit dem Pro-

zess in Kontakt.

Grundfunktions-Ebene

In der Grundfunktions-Ebene werden die auf der Hardware-Ebene erfassten

Signale weiterverarbeitet, also statistisch ausgewertet, gemittelt, skaliert, ggf.

justiert und schließlich verdichtet. Aus den elektrischen Ausgabewerten der



Sensoren werden die gemessenen physikalischen Werte wie Temperaturen,

Wärme- und Volumenströme mit Hilfe der Skalier-Faktoren (Sensitivität) und

ggf. der Korrekturpolynome (Kalibrierdaten) ermittelt. Diese bearbeiteten Sig-

nale werden in der lokalen Datenbank gespeichert. Gleichzeitig sind viele dieser

Messwerte, Eingangs-Istwerte der vorhandenen Steuerungen und Regelkreise.

Durch die, mit dieser Methode, erreichte Datengleichheit werden Abweichun-

gen zwischen den Istwerten der Steuerung/Regelung und der Messung vermie-

den.

Neben der bereits beschriebenen Signalverarbeitung und Datenspeicherung be-

finden sich in dieser Ebene viele Basis-Steuerfunktionen, wie beispielsweise die

Steuerung der Messkopfposition des Raumportals, die Positions- und Kippwin-

kelsteuerung der Prüfkammer oder die Steuerung der Frontrahmen-Öffnung.

Ebenso sind hier alle Regelkreise des Prüfstands angesiedelt. Beispiele dafür

sind die Regelkreise für die Prüfkammer-Lufttemperatur, für die Regelung des

Wärmestroms über die Adiabatabsorber auf null, die Regelung der Speicher-

temperatur für die Kalt- und Warmwasser-Puffer oder das Sicherstellen des kor-

rekten Überdruckbereiches in pneumatisch gestützten Membran-Prüflingen.

Die in den Regelkreisen bestimmten Ausgangs-Stellwerte werden über entspre-

chende Ausgangssignal-Klemmen an die Leistungs-Aktoren (z.B. elektrische

Dimmer) und damit an den Prozess weitergegeben.

In dieser Funktionsebene werden auch Berechnungen durchgeführt, beispiels-

weise die Ermittlung des räumlichen Mittelwerts von Oberflächentemperaturen,

die Berechnung der Taupunkttemperatur in der Prüfkammer, des Abstands des

Raumportal-Messkopfes zum Prüfling, und die aktuelle thermische Leistung in

den hydraulischen Kreisen.

Sperr- und Überwachungsfunktionen sind ebenfalls hier angesiedelt. Dies be-

trifft zum Beispiel die Überwachung zur Verhinderung des Einfahrens des

Raumportals in den Sperrbereich in denen sich Teile des Prüflings befinden, das

automatische Verfahren des Versuchsstandes bei Sturm in eine Sicherheitsposi-

tion oder die permanente Überwachung aller Not-Aus Schalter. Stör- und Feh-

lermeldungen werden hier verwaltet, entsprechende Log-Daten in die Daten-

bank geschrieben und der automatische Nachrichtenversand des sogenannten

Alarm-Handlers an den Prüfstands-Verantwortlichen via SMS oder Email wird

ausgeführt.

Sequenz-Ebene

Die Sequenzebene nutzt die, in der darunter liegenden Ebene laufenden

Grundfunktionen, um darauf aufbauend bestimmte, vordefinierte Abläufe,

auch Sequenzen genannt, durchzuführen. Eine solche Sequenz könnte bei-

spielsweise die Durchführung einer g-Wert Messung sein. Diese soll im Folgen-

den als Beispiel dienen:

Um eine g-Wert Messung korrekt durchführen zu können, müssen einerseits

bestimmte Vorbedingungen erfüllt sein. Andererseits müssen gleichzeitig meh-



rere Regelkreise während der Durchführung stabil und eingeschwungen gehal-

ten werden. Da sich einige dieser Regelkreise gegenseitig beeinflussen, können

sie nur iterativ, hintereinander geregelt werden.

Als Vorbedingung einer g-Wert Messung müssen vom System bestimmte Vor-

bereitungen getroffen werden, wie etwa das Laden des Kaltwasserspeichers

mit kaltem Wasser, um ausreichend Puffer für einen mehrstündigen Kühlpro-

zess zu Verfügung zu haben. Daneben sind die Einhaltung weitere Randbedin-

gungen wie die Einhaltung bestimmter Wettersituationen (ausreichend Son-

nenschein, kein Niederschlag, minimale Außenlufttemperatur nicht unterschrit-

ten, maximale erlaubte Windgeschwindigkeit nicht überschritten) nötig. Ferner

wird die Uhrzeit eingelesen, um zu überprüfen, ob noch genügend Zeit zur

Durchführung einer mehrstündigen g-Wert Messung ist. Danach erfolgen Si-

cherheits-Checks, z.B. ob der Frontrahmen geschlossen und verriegelt ist, oder

ob die Kammerabstützungen heruntergeklappt sind. Im Falle eine Störung oder

von nicht vorhandenen Vorbedingungen wird der Prüfstands-Verantwortliche

informiert und eine Störung protokolliert. In einem solchen Fall geht der Prüf-

stand in eine Wartestellung.

Sind alle Vorbedingungen erfüllt, so kann die eigentliche Messung beginnen.

Dazu muss der Prüfstand aber zuerst in einen stationären Zustand gebracht

werden. Während des Messzyklus wird z.B. die Lufttemperatur in der Kammer

exakt der Außenluft-Temperatur nachgeregelt. Zu diesem Zweck sind die ein-

gebauten Absorber und der Luft-Wärmetauscher so zu regeln, dass die einge-

strahlte Sonnenenergie komplett abgeführt, und gleichzeitig gemessen wird.

Parallel wird eine vordefinierte Zeit überwacht, über die bestimmte Randbedin-

gungen stationär sein müssen. Gleichzeitig müssen die Vorlauftemperatur und

die Drosselventile des adiabaten Absorber so eingestellt sein, dass möglichst

kein Wärmestrom über die Umhüllungsflächen der Prüfkammer fließt. Sämtli-

che Energie-Ein- und Austräge der Prüfkammer, wie beispielsweise die elektri-

sche Leistung des eingebauten Querstromlüfters, werden permanent erfasst, da

sie in die Berechnung der Energiebilanz der Prüfkammer und somit in die Er-

mittlung des g-Werts mit eingehen. Während des gesamten Messzyklus wird

die Prüfkammer z.B. der Sonne nachgeführt, und gleichzeitig überwacht, ob

der Windwächter anspricht, oder ob die Solarstrahlung zu niedrig ist um einen

erfolgreichen Messzyklus durchzuführen. Sobald alle Regelkreise ausreichend

lange stationär sind, wird die eigentliche g-Wert Messung ausgelöst, das Er-

gebnis berechnet, und ausgegeben. Abschließend wird die Prüfkammer wieder

in die Ausgangsposition zurückgefahren, und alle Steuerungs- und Regelungs-

prozesse beendet. Weitere Beispiele für Sequenzen könnten die U-Wert Mes-

sung, eine Bemusterung, oder das automatische Abfahren von Raum-Positio-

nen in der Prüfkammer durch den Messkopf mit Hilfe des Raumportals sein.

Leit-Ebene

Die Leit-Ebene wiederum kombiniert vordefinierte Sequenzen, um mit der zu-

sätzlichen Hilfe einer automatischen Zeit- und Ereignissteuerung komplette Ver-

suchsabläufe automatisch zu starten, und durchzuführen. Dies ist jedoch noch



nicht Teil der Umsetzung. Es sind weiterreichende Erfahrungen mit einem der-

art komplexen Versuchsstand notwendig um erfolgreich eine vollständige Au-

tomatisierung der Testabläufe und Abfolgen implementieren zu können. Der

einfachste, hier denkbare Fall, ist ein Zeitplan in dem der Nutzer des Prüfstands

die Abfolge der einzelnen Messsequenzen festlegt. Eine sinnvolle Erweiterung

dieses einfachen Zeitplans ist ein automatisches Nachholen ausgefallener Se-

quenzen. In der endgültigen Umsetzung soll der Nutzer dem Prüfstand nach

Einbau des Prüflings nur noch eine Liste mit den durchzuführenden Mess-Se-

quenzen und deren Häufigkeit übergeben, und die Leit-Ebene ermittelt an

Hand der Tageszeit, der Online-Wettervorhersage, und der erforderlichen Ein-

schwingzeiten welche Messung als nächstes optimal durchgeführt werden

kann. Diese Ebene wird ggf. mit einem Wettervorhersagedienst verbunden

sein.

3.10.4 Webbasierte Messdatenerfassung IMEDASTM

Messdatenerfassung IMEDASTM

ImedasTM ist ein im IBP entwickeltes, und für die Belange der bauphysikalischen

Forschung optimiertes Software-System für die Bereiche Mess-, Steuerungs-

und Regeltechnik (MSR). Es handelt sich um ein servergestütztes System, das al-

le Projektinformationen bündelt, und sie den am MSR-Projekt Beteiligten, über

entsprechende Funktions-Module, zur Verfügung stellt. Die Bearbeitung erfolgt

über normale Webbrowser. Im Einzelnen besteht ImedasTM aus folgenden Mo-

dulen:

Planungswerkzeug (Prüfstands-Konfiguration)

Mess- und Kommunikationsprogramm

Visualisierung mit und ohne integrierte Mensch-Maschine-Schnittstelle

Zentrale Datenbank für Mess- und Zustandswerte

Dokumentations- und Informationssystem

Benutzer- und Projektverwaltung

Alle beschriebenen Software-Module laufen auf einem zentralen Server, ausge-

nommen die Messprogramme, diese sind auf eigenen Messrechnern installiert.

Jedes dieser Module ist über den Startbildschirm (siehe Bild 45) erreichbar.



Bild 45: Startseite des ImedasTM-Softwaresystems.

Entgegen kommerziell erhältlicher Software-Systeme erlaubt ImedasTM einen

ganzheitlichen Ansatz, um das Thema MSR-Technik zu bearbeiten. Durch die

Entwicklung im eigenen Haus, besteht zudem das Knowhow auf neue Anfor-

derungen flexibel zu reagieren. Eine typische, nicht alltägliche Möglichkeit, bie-

tet das anschließend beschriebene Planungswerkzeug.

IMEDASTM -Planungswerkzeug

Bei der Planung eines Prüfstandes sind viele Vorbereitungen und Definitionen

notwendig. ImedasTM unterstützt hierbei durch entsprechende Software-Werk-

zeuge. Mit diesen ist es möglich, die Kanallisten aller später zu messenden oder

zu steuernden Größen zu definieren. Weitere Funktionen sind Module zur Kos-

tenkalkulation, zur Verteilerplanung oder die Sensordatenbank. Damit unter-

stützt ImedasTM den Planungsprozess eines MSR-Systems bereits im Vorfeld. Das

nachfolgende Bild 46 zeigt als Beispiel für das Planungsmodul den Ausschnitt

einer Kanalliste.

Bild 46:

Beispielhafte Darstellung einer ImedasTM Kanalliste.



IMEDASTM -Datenbank und Datenkommunikation

Die ImedasTM-Datenbank ist die zentrale Instanz für alle laufenden MSR-

Prozesse. Alle Daten die das Messsystem erfasst, werden anschließend über ei-

ne Netzwerkverbindung in die Datenbank geschrieben.

Alle Ausgangs-Stellwerte und sonstigen Prozessdaten der Beckhoff-Steuerung

werden ebenfalls parallel zu den gemessenen Werten in die Datenbank ge-

schrieben, ggf. ebenso die Zustandswerte der über Feldbus (z.B. LON) gesteuer-

ten Behänge und anderer Aktoren und Sensoren der Prüflinge. Dies ist ohne

Mehraufwand möglich, da die Daten aller Art im Speicher der Beckhoff-Steue-

rung in demselben Format vorliegen. Dies erlaubt sowohl lesenden, als auch

schreibenden Zugriff auf alle, von der Steuerung unterstützen Feldbus-Systeme.

Hierdurch wird eine messtechnische Überprüfung ggf. vorhandener, aktiver

Komponenten von Prüflingen und deren interner Sensorik ermöglicht.

Datenbank-Auswertemaske und Benutzerverwaltung

Das meist genutzte Interface des ImedasTM-Systems ist die Auswertemaske der

Datenbank. Über diese erhält man Zugriff auf die Datenbestände des Gesamt-

projekts. Vergleiche mit anderen Messungen oder kombinierte Auswertungen,

z.B. mit Daten aus der institutseigenen Wetterstation, sind möglich. Nur im Sys-

tem angemeldete Benutzer erhalten Zugriff auf die für sie freigeschalteten Teile

der Datenbank. Zugangskonten können ausschließlich von den ImedasTM-

Administratoren eingerichtet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Zu-

griff auf sensible Messergebnisse nicht ohne die entsprechenden Nutzer-Rechte

möglich ist.

Diese Auswertemaske bietet zahlreiche Abfrage- und Einstellmöglichkeiten. So

kann eine beliebige Anzahl von Datenkanälen gleichzeitig über frei definierbare

Zeiträume in beliebiger Zeitrasterung ausgeben lassen. Ausgabeformen sind

entweder verschieden farbige Messkurven oder ASCII-Datensätze. Exportfunk-

tionen erlauben die Weiterverarbeitung der Grafiken in Berichten, oder - im Fal-

le der ASCII-Datensätze - in Spezialprogrammen zur wissenschaftlichen Aus-

wertung. Bild 47 zeigt ein berechnetes Kurvenfenster der Datenbankmaske. Mit

Hilfe der Maus kann der Nutzer die Grafik auf der Zeitachse vor und zurück

schieben, sowie hinein- und herauszoomen. Solche Kurvenfenster-Konfigurati-

onen können auch abgespeichert, und wieder verwendet werden. Ebenso ist es

möglich, sie über eine Exportfunktion an weitere Nutzer der Datenbank weiter

zu geben.



Bild 47:

Datenbankmaske zur Erzeugung von Grafiken und Export der Messdaten in

Form von ASCII-Datensätzen.

Visualisierung mit integrierter Mensch-Maschine-Schnittstelle

Laufende Prozesse und Messungen lassen sich mit Hilfe der ImedasTM-internen

Visualisierung veranschaulichen. Auf dem Imedas-Datenbankserver läuft ein

Webserver, der diese Seiten an den Browser des Benutzers ausliefert. Über je-

den Java-fähigen1 Webbrowser kann die Visualisierung aufgerufen werden. So-

mit ist es möglich, bequem vom Arbeitsplatz aus, oder auch auf Reisen, über

das Internet die aktuellen Zustände der laufenden Versuche zu überprüfen, und

auf alle alten Messdaten zuzugreifen. Notwendig sind hier wiederum entspre-

chende Zugriffsrechte auf die Projekt-Visualisierung.

Es handelt sich bei den Prozessbild-Darstellungen um einfache HTML-Seiten mit

eingebettetem Java®-Applet. Dieses Applet ist Teil des ImedasTM-Systems und

erlaubt eine Datenkommunikation in beide Richtungen - vom und zum Imedas-

Webserver. Mit Hilfe von Hintergrundgrafiken lässt sich die jeweilige Versuchs-

umgebung grafisch veranschaulichen. Im Vordergrund der Darstellung sind Da-

tenfelder im Kontext dazu angeordnet. Jeder Wert läuft über die zentrale Da-

1 Java ist Markenzeichen von Sun Microsystems. Javaapplets erlauben es, interaktive Inhalte auf einer ansonsten stati-

schen HTML-Seite darzustellen und mit dieser zu interagieren. Alle heute gängigen Webbrowser unterstützen Java.



tenbank. Von dort holt sich das Applet die aktuellen Mess- und Zustandswerte,

bei Bedarf auch von anderen Messprojekten, wie der Wetterstation, und gibt

sie anschließend aus. Die Bedienung des Prüfstands und die Konfiguration von

Messzyklen erfolgt über eine gesonderte grafische Oberfläche, die direkt in die

Beckhoff-Steuerung eingreift.

Im Umfeld von Industriesteuerungen bedeutet der Begriff „Mensch-Maschine-

Schnittstelle, dass über spezielle Visualisierungsmasken die laufenden Prozesse

nicht nur beobachtet, sondern auch Änderungen an den dahinter liegenden

Prozessen vorgenommen werden können. Auch viele der Visualisierungsseiten

in VERU verfügen über diese Möglichkeit. Um Vorgabewerte tatsächlich zu än-

dern, bedarf es aus Sicherheitsgründen aber nochmals gesonderter Rechte.

Veränderungen von Sollwerten werden vom Applet direkt an die Datenbank,

und nicht an die SPS gesendet. Durch diesen Umweg erreicht man, dass jede

Einstellungsänderung mitprotokolliert wird und für spätere Auswertungen zur

Verfügung steht. Diese geänderten Konfigurationen werden in der Konfigurati-

ons-Datenbank des Prüfstands abgelegt. Die Steuerung holt sich dann alle rele-

vanten Eingangswerte im Poll-Betrieb2 von der Datenbank ab und nimmt intern

die nötigen Veränderungen vor. In einem Rückkanal wird die Veränderung an-

schließend wieder an das Prozessbild zur Kontrolle ausgegeben. Damit kann die

Wirksamkeit einer Einstellungsänderung vom Nutzer sofort kontrolliert werden.

Nachfolgende Grafik zeigt zwei Visualisierungsseiten des VERU-Prüfstandes.

Das „VERU“ ist eine „Versuchseinrichtung für Energetische und Raumklimati-

sche Untersuchungen“, die sich auf dem Freiland Versuchsgelände des Fraun-

hofer-Instituts für Bauphysik IBP in Holzkirchen befindet. Details dieser Ver-

suchseinrichtung können dem Abschlussbericht des vom BMWi geförderten

Vorhabens „Weiterentwicklung und Evaluierung von Technologien und von

Bewertungsmethoden zur Steigerung der Gesamtenergieeffizienz von Gebäu-

den“ (Förderkennzeichen: 0327240B) entnommen werden. Dieser Bericht ist

auf der Instituts-Webseite (http://www.ibp.fraunhofer.de) verfügbar.

2 Pooling bedeutet die zyklische, zeitgesteuerte Abfrage der Werte eines Prozessabbildes.

http://www.ibp.fraunhofer.de/



Bild 48:

Beispielhafte Online-Visualisierungsseiten zur Kontrolle der Versuchsrandbedin-

gungen.

Interaktives Hilfesystem

Zu allen Modulen des Systems gibt es umfangreiche Hilfetexte. Über den But-

ton „Dokumentation“ in der Hauptnavigation des Systems erreicht man das

umfangreiche Hilfesystem. In nachfolgender Grafik ist ein Ausschnitt aus der

Dokumentation der Datenbankmaske dargestellt. Alle Hilfeseiten sind sowohl

online über Browser als auch offline als PDF-Datei verfügbar.

Bild 49:

Online-Hilfe zur Dokumentation der einzelnen Datenbankmasken.

IMEDASTM –Messprogramm

Bei diesem Modul handelt es sich um ein frei definierbares Mess- und Kommu-

nikationsprogramm. Im Gegensatz zu den anderen Modulen des Systems läuft

es nicht auf dem Server, sondern auf einem eigenen Messrechner. An diesen

sind alle Mess- und Steuergeräte (SPS) angeschlossen. Es vereint mehrere Funk-

tionen in sich. Seine wichtigste Aufgabe ist die Steuerung der angeschlossenen

Datalogger. Von dort kommen die erfassten Messdaten. Laufend werden diese



an die Datenbank geschickt, wobei eine lokale Kopie für den Fall angelegt wird,

dass die Datenübertragung fehlerhaft ist. Spezielle Protokolle, die den Datenbe-

stand zwischen dem Datenbankserver und dem Messprogramm laufend abglei-

chen, stellen eine fehlerfreie Datenübertragung sicher. Obwohl der Name

„Messprogramm“ verwendet wird, ist es für viele weitere Funktionen zustän-

dig. Neben der Protokollierung, der Fehlerüberwachung und den - die Sensorik

betreffenden - Fehlermeldungen, kommuniziert es auch mit den angeschlosse-

nen SPS-Steuerungen auf die bereits beschriebene Art. Es ist somit neben der

Datenbank der entscheidende Kommunikationsknoten im System.

Gesamtüberblick über Signalflüsse und Nutzer-Rollen

Um die Gesamtzusammenhänge im ImedasTM-System nochmals deutlich zu ma-

chen, zeigt folgende Grafik alle Komponenten des Systems sowie die erforderli-

chen Benutzer-Rollen. Wie zu sehen ist, gibt es Anwender, die unterschiedliche

Aufgaben (Rollen) erfüllen:

Überprüfung der Prozesse über die Visualisierung

Verändern der Werte über spezielle HMI-Prozessbilder

Auswertung mit der Datenbank.

Der OPC-Server für die Feldbusse verfügt, wie bereits beschrieben, über eigene

HMI-Oberflächen. Dieses System läuft im Gegensatz zum Imedassystem (wel-

ches komplett auf Linux basiert) unter MS-Windows. Es wird deutlich, dass fast

der gesamte Datenfluss über den Imedasserver und dort über die Mess- und

Prozessdatenbank strömt. Zusätzlich zu dieser Datenbank für die Mess- und Zu-

standswerte existiert noch eine weitere so genannte „Konfigurationsdaten-

bank“. Auf diese wird von den Benutzern mit Hilfe des Planungswerkzeugs

während der Planungsphase eines neuen Prüfstandprojekts zugegriffen. Aus

Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung dieser Nutzer-Rolle

verzichtet. Sobald das System in Betrieb geht, holen sich die ImedasTM-Messpro-

gramme, aber auch die Steuerungen, ihre Konfigurationseinstellungen dort ab.

Die beteiligten Gerätschaften sind jeweils nur einmal symbolisch dargestellt.



Mess- / Prozess-

Datenbank

Konfigurations-

DatenbankImedas

Datenbank-

und Webserver

Etagen-

Messrechner

(Imedas-Messprg.)

Steuerrechner

Gebäudeleittechnik

(OPC-Server)Etagen-SPS-en

LON-Interface

Datalogger

Signalflüsse und Nutzer-Rollen im IMEDAS-Systems

schreiben

Etagen-

Messrechner

(Imedas-Messprg.)

schreiben

lesenschr

eibe

nlese

n (g

eplant

)

HMI-Visualisierung

am Arbeitsplatz

lese

n

schre

iben

Visualisierung

am Arbeitsplatz

beobachtet

Versuche

steuert

Versuche

lesen

Datenbank Auswertemaske

am Arbeitsplatz

Wertet aus

lese

n

schr

eibe

n

Steuert und

überwacht

Feldbus-

Systeme

Bild 50:

Signalflussschema ImedasTM-System.

Bild 51:

Messdatenerfassung im Keller des Prüfstands.



4 Inbetriebnahme und Voruntersuchungen

Im Rahmen der Inbetriebnahme des Prüfstands wird zunächst die korrekte

Funktion aller Stellglieder (Antriebe, Ventile, Pumpen…) sowie der installierten

Messtechnik überprüft. Insbesondere die Kontrolle, ob die einzelnen, miteinan-

der interagierenden Regler richtig abgestimmt sind, so dass keine chaotischen

Schwingungen entstehen, ist ein wesentlicher Bestandteil der Inbetriebnahme.

Solche Schwingungen können z.B. dann entstehen, wenn nach einer sprung-

haften Sollwertänderung mehrere, sich gegenseitig beeinflussende Regler pa-

rallel arbeiten, sich dadurch gegenseitig stören, und somit keinen stabilen Zu-

stand erreichen. Um dies zu umgehen, werden die einzelnen Regler sequenziell

hintereinander abgearbeitet. Hierdurch wird der momentan aktive Regelkreis

nicht durch Stellwertänderungen der übrigen Regler gestört, was aber zu einer

höheren Regelträgheit des Prüfstands führt.

Nachdem die Reglerabstimmung erfolgreich durchgeführt ist, kann überprüft

werden, mit welcher Präzision die eingestellten Sollwerte eingehalten werden

können. Die voraussichtlich kritischsten Sollgrößen, die im Fortgang des

4. Kapitels detailliert beschrieben sind, wurden vorab identifiziert und werden

im Rahmen der Inbetriebnahme ausführlich betrachtet.

4.1 Verhalten Wandaufbau

Die freistehende Prüfbox hat ein ungünstiges Verhältnis von Prüflingsfläche zur

Fläche der übrigen Umschließungsflächen. Selbst bei einem Prüfling maximal

möglicher Größe beträgt das Verhältnis zwischen Prüflingsfläche und restlicher

Umschließungsfläche 1 zu 7. Wenn keine geeigneten Maßnahmen ergriffen

werden, kann alleine die Messunsicherheit auf Grund ungewollter Energie-

ströme durch die Umschließungsflächen die ungefähr siebenfache Größenord-

nung erreichen wie das Messergebnis. Um diesem Effekt entgegen zu wirken,

ist die 32 cm starke Dämmung der Umschließungsflächen in der Mitte durch

einen Adiabatabsorber ergänzt. Diese Maßnahmen sind detailliert in Ab-

schnitt 3.1 beschrieben. Dieser Adiabatabsorber hat den Zweck die Wärme-

ströme durch die Umschließungsflächen gegen Null zu regeln. Dies kann

dadurch erreicht werden, dass die Solltemperatur des wasserführenden Adiaba-

tabsorber der Ist-Temperatur der Messabsorber bzw. der Prüfkammerluft nach-

geführt wird. Dies schließt ein Temperaturgefälle zwischen dem Prüfkammerin-

neren und dem Adiabatabsorber aus, wodurch keine Wärmestrom fliesen. Die

Qualität dieser Regelung wird im Rahmen der Inbetriebnahme untersucht und

ggf. verbessert.

4.2 Luftdichtheit

Bei dem isothermen kalorimetrischen Messprinzip wird in der Regel die Tempe-

ratur des Mediums im Inneren der Messkammer, im vorliegenden Fall die Prüf-

kammerluft und deren Umschließungsflächen, konstant gehalten und die Ener-

giemenge erfasst, die zur Aufrechterhaltung dieser Temperaturkonstanz erfor-

derlich ist. Dieses Verfahren setzt ein abgeschlossenes System voraus. Die Prüf-



kammerluft darf sich also nicht mit der Außenluft austauschen. Dies ist in der

Realität nicht vollständig zu unterbinden, da, wie auch an einem Gebäude,

Öffnungen und Durchlässe (z.B. für Messkabel, Versorgungsleitungen…) vor-

handen sind. Der Einfluss der Undichtheit der Prüfbox ist daher als Messunsi-

cherheit zu berücksichtigen. Hierfür wird zunächst die Luftdichtheit der ge-

schlossenen Prüfbox ermittelt. Bei Gebäuden geschieht dies üblicherweise mit-

tels des Differenzdruckverfahrens (Blower-Door Messung). Auf Grund der Ge-

ometrie des Prüfstands ist der Einsatz eines Differenzdruckgebläses hier nicht

möglich. Daher wird zur Ermittlung des Infiltrationsluftwechsels eine Tracergas-

Messung in der Prüfkammer durchgeführt. Bei einer Tracergas-Messung wird

kontinuierlich eine definierte Menge eines gut nachweisbaren Gases (das Tra-

cer-Gas) in den zu prüfenden Raum eingebracht. Der (Infiltrations-) Luftwechsel

verdünnt die Tracergas-Konzentration im Raum. Durch die Ermittlung des

Gleichgewichtszustands für die gemessene Gaskonzentration kann der Luft-

wechsel in dem geprüften Raum ermittelt werden. Während der Tracergas-

Messung wird die Kammer in verschiedene Himmelsrichtungen gedreht und ein

Zusammenhang des gemessenen Luftwechsels mit den aktuell vorherrschenden

Windgeschwindigkeiten und Anström-Windrichtungen der Prüfkammer ermit-

telt. Aus Langzeitmessreihen über mehrere Monate kann der maximale Infiltra-

tions-Luftvolumenstrom ermittelt werden. Ist dies geschehen, kann nach Glei-

chung (10) die der Messunsicherheit entsprechende Energiemenge ermittelt

werden. Wenn eine ausreichende Datenbasis vorhanden ist, kann auch ein em-

pirischer Zusammenhang zwischen der Windgeschwindigkeit, der Anströmrich-

tung der Prüfkammer und der Prüfkammer-Luftdruckdifferenz abgeleitet wer-

den, um den Energieeintrag durch die Luftundichtheit mathematisch zu korri-

gieren, anstatt ihn als Messunsicherheit zu berücksichtigen.

Ermittlung der aus der Prüfkammer-Undichtheit resultierenden Energiemenge [Wh].

( ) (10)

(Δp * ?) Infiltrations-Luftvolumenstrom der Prüfkammer;

Abhängigkeiten noch ungeklärt.

[m³/(hPa)]

Δp Druckdifferenz zwischen Außen- und Prüfkam-

merluft.

[Pa]

ΔTLuft Temperaturdifferenz zwischen Außen- und In-

nenluft.

[K]

cp,aa 0,34 Wärmekapazität der Luft nach [24]. [(Wh)/(m³K)]

4.3 Gleichmäßigkeit der Lufttemperatur

Üblicherweise wird der Prüfling vereinfachend als ein einzelnes monolithisches

und eindimensionales Objekt betrachtet, d.h. es wird ein einzelner Kennwert

für den gesamten Prüfling ermittelt. Diese Betrachtung setzt voraus, dass alle

Bereiche der Prüflingsoberfläche die gleichen Randbedingungen aufweisen.

Dies betrifft unter anderem die Lufttemperatur im Inneren der Prüfkammer.



Wegen der geringeren Dichte warmer Luft gibt es im Inneren der Prüfkammer

einer Tendenz zur Bildung einer Temperaturschichtung der Prüfkammerluft. Um

diese Schichtung zu durchbrechen, verfügt die Prüfkammer über einen großen

Querstromlüfter, der die Prüfkammerluft durchmischt. Die Vollständigkeit die-

ser Durchmischung wird im Rahmen der Inbetriebnahme überprüft.

DIN EN 12567 [11] fordert eine Genauigkeit der Hot-Box-Temperatur von

± 2 K. Diese Anforderung soll ebenfalls für die Temperaturunterschiede in der

Prüfkammer als Kriterium dienen.

4.4 Gleichmäßigkeit der Luftgeschwindigkeit

Dieselben Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Prüfkammer-Lufttempe-

ratur (vgl. Abschnitt 4.3) gelten auch für die Luftgeschwindigkeit vor der innen-

seitigen Prüflingsoberfläche. Zur Beurteilung der Luftgeschwindigkeiten und der

Laminarität bzw. des Turbulenzgrades der Prüflings-Grenzschicht wird mit Hilfe

eines am Raumportal befindlichen Thermoanemometers die Luftge-

schwindigkeit mit hoher Frequenz in einem 10 cm Raster an der Prüflingsober-

fläche erfasst. Eine gleichmäßige Luftgeschwindigkeit ist die Voraussetzung für

einen örtlich einheitlichen, inneren Wärmeübergangswiderstand. Die Einstel-

lung des gewünschten, inneren Wärmeübergangswiderstands über die Lüfter-

leistung wird in Abschnitt 5.1.2 beschrieben.

Die äußeren Randbedingungen, wie z.B. die Windgeschwindigkeit und der dar-

aus resultierende äußere Wärmeübergangswiderstand können nicht beeinflusst

werden. Hier können lediglich die Randbedingungen aufgezeichnet werden.

Sind ausreichend, mindestens neun, Oberflächentemperaturfühler an der Prüf-

lingsoberfläche angebracht, kann auch ein mittlerer, äußerer Wärmeüber-

gangswiderstand messtechnisch ermittelt werden.

4.5 Einfluss der Ungenauigkeit der Sonnennachführung auf das Messergebnis

Bei der Messung des g-Werts soll der Direktstrahlungsanteil senkrecht oder al-

ternativ mit einem bestimmten Vorhaltewinkel auf den Prüfling treffen.

Erste Voruntersuchungen haben gezeigt, dass die Sonnennachführung der

Prüfkammer mit einer Genauigkeit von 1,1 ° realisiert ist. In Bild 52 sind links

die winkelabhängigen g-Werte für eine Einfach-, eine Doppel- und eine 3-fach-

Verglasung dargestellt. Diese g-Werte sind mit der WINDOW 6 Software [17]

ermittelt. Wie man rechts in Bild 52 erkennen kann, kann eine Winkelabwei-

chung von 1,0 ° bei flachen Einfallswinkeln eine Abweichung des g-Werts von

bis zu 0,03 erreichen. Bei nahezu senkrechten Einfallswinkeln, für die der

g-Wert eigentlich definiert ist, ist kaum ein Einfluss festzustellen.



Bild 52:

Links: g-Wert für eine Einfach-, eine Doppel- und eine 3-Scheiben-Wärme-

schutzverglasung in Abhängigkeit vom solaren Einfallswinkel.

Rechts: Absolute Abweichung vom Ziel-g-Wert bei 1 ° Abweichung der Son-

nennachführung (durchgezogene Linie und die entsprechenden prozentualen

Fehler (gepunktet).

4.6 Ungenauigkeit auf Grund der eingestellten Prüflingsnachführung

Die gewählte Neigung der Kammer und damit des Prüflings ist getrennt von

den Ungenauigkeiten der Nachführung zu betrachten. Durch unterschiedliche

Neigungen werden die Wärmeübergangswiderstände am und im Prüfling ver-

ändert. Auch hier gibt es zahlreiche Möglichkeiten dies bei der Versuchsdurch-

führung zu berücksichtigen. Zum einen kann die Kammer so gekippt und

nachgeführt werden, dass ihre Neigung immer der Sonnenhöhe entspricht. Der

Prüfling wird heliostatisch nachgeführt, woraus ein senkrechter Einfallswinkel

der Solarstrahlung resultiert. Auch das Einstellen auf einen festen, schrägen

Neigungswinkel kann sinnvoll sein. Man kann z.B. die Neigung des Prüflings

derart wählen, dass im betrachteten Messzyklus ein im Mittel senkrechter Ein-

fallswinkel erreicht wird. Dieser feste Neigungswinkel ist zum einen von der

Jahreszeit der Untersuchung abhängig, zum anderen von dem Zeitraum des

Tages der für die Auswertung herangezogen wird. Beispielhaft ist in Bild 53 das

Sonnenstandsdiagramm des 15. April dargestellt. Die entsprechenden Rechen-

werte für die Sonnenhöhe über dem Horizont finden sich in Tabelle 1. In der

Voruntersuchung werden zwei Auswertungszeiträume betrachtet. Von 8 bis

18 Uhr mit einer mittleren Sonnenhöhe von 38,0 ° und von 10 bis 16 Uhr mit

einer mittleren Sonnenhöhe von 45,6 °. Diese Werte sind unterschiedlich für

jeden Tag des Jahres. Stellt man die Neigung des Prüflings auf 38,0 ° bzw.

45,6 ° ein, so ergibt sich die stündliche Abweichung vom senkrechten Einfalls-

winkel gemäß Tabelle 1. Es ist zu erkennen, dass die Winkelabweichung nie-

mals größer wird als 24,1 ° bzw. 12,3 °. In Bild 52 kann man erkennen, dass

diese Abweichungen der Einfallswinkel so gut wie keinen Einfluss auf den

g-Wert haben. Bei einer 2-Fach-Verglasung, bei der der g-Wert am stärksten

0 20 40 60 80 1000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

/ / Abweichung des g-Werts [-]

/ / Fehler in [%]

g-W

ert

[-]

Einfallswinkel [°]

Einfachverglasung

Doppelverglasung

3-Scheiben Wärmeschutzverglasung

0 20 40 60 80 1000.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

Abw

eig

ung g

-Wert

[-]

Einfallswinkel [°]

0 %

2 %

4 %

6 %

8 %

10 %

Fehle

r g-W

ert



vom Einfallswinkel abhängt, bedeutet selbst eine Abweichung von 24,1 ° ledig-

lich eine g-Wert Abweichung kleiner 0,01. Dieser Einfluss kann somit vernach-

lässigt werden.

Tabelle 1: Entwicklung der mittleren Sonnenhöhen am 15. April für zwei verschiedene Uhrzeiten (MEZ) und der zugehörigen Abweichung vom senkrechten Einfalls-winkel.

Mittel Winkel

[°]

Abweichung zur

Senkrechten

[°]

Uhrzeit

Abweichung zur

Senkrechten

[°]

Winkel

[°] Mittel

0

-

5:00

-

0

2,2 6:00 2,2

9,4 7:00 9,4

38,0 °

19,4 18,6 8:00 19,4

29,1 8,9 9:00 29,1

38,0 0,0 10:00 7,6 38,0

45,6 °

45,4 7,5 11:00 0,2 45,4

50,0 12,0 12:00 4,4 50,0

47,9 9,9 13:00 2,3 47,9

41,6 3,6 14:00 4,0 41,6

33,3 4,7 15:00 12,3 33,3

23,9 14,1 16:00

-

23,9

13,9 24,1 17:00 13,9

4,4 -

18:00 4,4

0 19:00 0



Bild 53:

Sonnenstandsdiagramm für den Standort München am 15. April. Zeitangaben

in MESZ. Quelle: [25].

4.7 Genauigkeit der Temperaturnachführung

Für eine ideale g-Wert Messung sollte die Lufttemperatur in der Prüfkammer

exakt der Außenlufttemperatur entsprechen. Die Temperatur innerhalb der

Prüfkammer wird also dem Tagesgang der Außenlufttemperatur an der Prüfbox

folgend erhöht und wieder abgesenkt. Auf diese Weise kommt der gemessene

Energiestrom durch den Prüfling nur durch die solare Einstrahlung und nicht

durch Wärmetransmission zu Stande. Problematisch an dieser Temperaturnach-

führung ist die thermische Speichermasse der Prüfbox. Die Energie, die zur

Temperaturänderung der Luft in der Prüfkammer und der Prüfkammer sowie

deren Einbauten (z.B. Raumportal) selbst aufgewendet wird, ist unter dynami-

schen Bedingungen nur sehr schwer vom solaren Energieeintrag zu separieren.

Eine Möglichkeit hierzu ist die Berücksichtigung dieser Energiemenge im Rah-

men der Analyse durch eine Differenzialgleichung deren Parameter durch

Sprungantwortversuche ermittelt werden.

Eine andere Möglichkeit ist es die Temperatur im Innenraum der Prüfbox kon-

stant zu halten und den resultierenden Transmissionswärmestrom mittels der

Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Prüfkammerluft zu berücksichtigen.

Hierfür ist zusätzlich zur g-Wert Messung eine nächtliche Messung des Wärme-

durchgangskoeffizienten (siehe Abschnitt 2.2) erforderlich. Wegen der voraus-

sichtlich starken Abhängigkeit der Wärmetransmission vom Neigungswinkel des

Prüflings, vor allem bei Membrankissen, sollte die Ermittlung des U-Werts für



alle betrachteten Neigungswinkel erfolgen.

Eine weitere Frage ist, wie lange die Prüfkammer braucht, um eine einheitliche,

stationäre Temperatur zu erreichen. Diese Information zu erlangen ist einer der

primären Aspekte der Inbetriebnahmeversuche. Für die Messungen mit festen

Innenraumtemperaturen werden vorerst zwei unterschiedlich lange Ein-

schwingzeiten untersucht. Zum einen eine Nacht und zum anderen zwei Näch-

te mit dem dazwischenliegenden Tag. Die Solltemperatur der Prüfkammer soll-

te hierbei immer so nah wie möglich an der Außenlufttemperatur liegen, die

für den Messtag aus der Wettervorhersage gewonnen werden kann. Ob im

weiteren Betrieb des Kalorimeters die Solltemperatur für jeden einzelnen Tag

angepasst werden kann, bzw. sollte, hängt von der benötigten Einstellzeit für

eine neue Prüfkammertemperatur ab.



5 Kalibrierungen

5.1 Kalibrierkörper 1 (opak)

5.1.1 Spezifikationen

Bei dem 1. Kalibrierkörper handelt es sich um eine 3,5 cm dicke, homogene

Sperrholzplatte mit einem relativ geringen Wärmedurchlasswiderstand. Dieser

Prüfling wird luftdicht in die Prüflingsaufnahme des Prüfstands eingebaut. Der

rechnerische R-Wert dieser Platte beträgt 0,23 m²K/W.

Für die Kalibrierung wird dieser Prüfling sowohl innenseitig mit neun Wärme-

flussscheiben als auch innen- wie außenseitig mit neun Oberflächentemperatur-

fühlern ausgestattet. Die Prüfkammer verfügt, als Teil der Basisausstattung, zu-

sätzlich über ein im Raumportal gespanntes Netz von 13 Lufttemperatursenso-

ren. Eine Übersicht über diese Messstellen findet sich in Bild 54.

Bild 54: Übersicht über die 9 Messstellen an dem 1. Kalibrierkörper (rot umrandet) zu-sammen mit den 13 Messstellen des Lufttemperaturnetzes.

5.1.2 Einstellen der Wärmeübergangswiderstände

Die geringe thermische Speicherfähigkeit dieses Kalibrierkörpers und die An-

nahme von quasistationären Temperaturrandbedingungen am Prüfling erlaubt

die vereinfachende Annahme, dass der an der Prüflingsinnenseite gemessene

Wärmestrom, dem Wärmestrom durch den gesamten Prüfling entspricht. Die

Sensorik an der Prüflings-Innenseite (Wärmestrom und Oberflächentemperatur)

ermöglicht zusammen mit dem Lufttemperaturnetz im Inneren der Prüfkammer



die Ermittlung des inneren Wärmeübergangswiderstands Rs,i an den neun

Messstellen nach Gleichung (11) . Nun wird der Einfluss der Drehzahl des Quer-

stromlüfter auf den inneren Wärmeübergangswiderstand untersucht und die

Drehzahl festgelegt die für den vorgeschlagenen inneren Wärmeübergangswi-

derstand von 8,0 W/m²K [8] erforderlich ist.

Zusätzlich wird der Einfluss weiterer Störgrößen wie der Prüfkammerneigung

und der Temperaturdifferenz zwischen Prüflingsoberfläche und Prüfkammer-

lufttemperatur gemessen und analysiert. Diese Betrachtungen des Wärmeüber-

gangs werden mit dem verhältnismäßig stark wärmeleitenden 1. Kalibriekörper

durchgeführt, da hier die absoluten Wärmeströme relativ hoch, und die

Messunsicherheit des Systems somit gering ist.

Ermittlung des inneren Wärmeübergangswiderstands Rs,i am Prüfling. [m²K/W]

(11)

Oberflächentemperatur an der Innenoberfläche des Prüf-

lings. [°C]

q Wärmestromdichte an der Innenoberfläche des Prüflings. [W/m²]

Prüfkammer-Umgebungstemperatur nach Gleichung (12). [°C]

Ermittlung der Prüfkammer-Umgebungstemperatur nach [11]. [°C]

( ( )

(

)

)

( ( )

(

)

)

(12)


lings. [°C]

Mittelwert der Messstellen des Lufttemperatur-Messnet-

zes. [°C]

Mittelwert der Oberflächentemperaturen aller Messstellen

der fünf Messabsorber als vereinfachte Strahlungstempe-

ratur in der Prüfbox ohne Berücksichtigung von Sichtfak-

toren.

[°C]

Fc Konvektiver Anteil des Wärmeübergangs nach Glei-

chung (13). [-]

Stephan-Bolzmann-Konstante: = 5,67*10-8 [W/(m²K4)]

Abs

Langwelliger Emissionsgrad der Messabsorber: Abs=0,93.

Gemessen an der akkreditierten Prüfstelle für Feuchte,

Mörtel, Strahlung und Emissionen.

[-]

P Langwelliger Emissionsgrad des Prüflings [-]



Ermittlung des konvektiven Anteils des Wärmeübergangs Fc aus den Versuchs-daten des 1. Kalibrierkörpers nach [11]. [-]

( ( )

(

)

) | |

| |

(13)

q Wärmestromdichte an der Innenoberfläche des Prüflings. [W/m²]


lings. [°C]

Mittelwert der Oberflächentemperaturen aller Messstellen

der fünf Messabsorber als vereinfachte Strahlungstempe-

ratur in der Prüfbox ohne Berücksichtigung von Sichtfak-

toren.

[°C]

Abs

Langwelliger Emissionsgrad der Messabsorber: Abs=0,93.

Gemessen an der akkreditierten Prüfstelle für Feuchte,

Mörtel, Strahlung und Emissionen.

[-]

P Langwelliger Emissionsgrad des Prüflings [-]

Stephan-Bolzmann-Konstante: = 5,67*10-8 [W/(m²K4)]

Mittelwert der Messstellen des Lufttemperatur-Messnet-

zes. [°C]

5.2 Kalibrierkörper 2 (opak)


Für den zweiten Kalibrierkörper wird die Sperrholzplatte des ersten Kalibriekör-

pers (Abschnitt 5.1.1) innenseitig um eine 32 cm dicke Dämmschicht aus luft-

dicht verklebten Hartschaumplatten ergänzt. Hierfür wird EPS mit einer Wär-

meleitgruppe 035 verwendet. Der rechnerische R-Wert des zweiten Kalibrier-

körpers liegt bei 4,80 m²K/W. Die Öffnung der Prüfbox ist somit sehr gut ge-

dämmt. Die sehr geringen Wärmeströme die durch diesen Kalibrierkörper hin-

durch noch auftreten sind sehr gering und können somit mit einer sehr gerin-

gen, absoluten Unsicherheit abgeschätzt werden. Unter diesen Randbedingun-

gen können Versuche durchgeführt werden, die Eigenschaften der Prüfbox an

anderen Stellen als die Prüflingsöffnung betreffen. Dies sind zum Beispiel die

Analyse verbleibender Wärmebrücken an der Prüfbox in Abschnitt 5.2.2 und

die Bewertung der thermischen Speicherfähigkeit der Prüfbox in Ab-

schnitt 5.2.3.

5.2.2 Analyse der verbleibenden Wärmebrücken

Auf Grund des adiabaten Aufbaus der Umschließungsflächen (siehe Ab-

schnitt 3.1 sowie 4.1) treten hier theoretisch keine Wärmeströme auf. Der hohe

Wärmedurchlasswiderstand des 2. Kalibrierkörpers lässt durch die Prüflingsöff-



nung hindurch nur sehr geringe Wärmeströme zu, die zudem von den neun

Wärmeflussscheiben erfasst werden. Die verbleibende unbekannte Schwach-

stelle ist die Frontklappe. Zwar wurden in der Planungsphase zweidimensionale

Wärmebrückenberechnungen durchgeführt, um auch dieses Detail so Wärme-

brückenfrei wir möglich zu gestalten, ein zusätzliches adiabates, zwischen der

Dämmung liegendes Adiabatabsorber wird jedoch nicht eingebaut. Der verblei-

bende Wärmedurchgang durch den Frontrahmen Fr muss rechnerisch berück-

sichtigt werden. Die Wärmebrücke des Frontrahmens besteht zwar aus vier

längenbezogenen Wärmebrücken an den Kanten des Frontrahmens und vier

punktförmigen an den Ecken, bei genauer Betrachtung sind diese acht

Schwachstellen jedoch in ihrem Wärmedurchlasswiderstand und ihrer geomet-

rischen Ausprägung stets gleich, so dass sie zu der einzelnen, punktförmigen

Wärmebrücke Fr zusammengefasst werden können. Alle weiteren uner-

wünschten energetischen Einflüssen werden durch den in Abschnitt 3.9 disku-

tierten Korrekturterm Pkorr berücksichtigt.

5.2.3 Sprungantwortanalyse

In Abschnitt 4.7 wurden zwei verschiedene Möglichkeiten der Solltemperatur-

Festlegung für die Prüfkammer diskutiert. Ist die Temperatur in der Kammer

nicht konstant, müssen die in der Prüfkammer aktivierten thermischen Spei-

chermassen in der Auswertung berücksichtigt werden. Die unbekannten Para-

meter dieser mathematischen Speicher-Funktion sind abhängig von der thermi-

schen Speichercharakteristik des Inneren der Prüfbox und von der des Prüflings.

Die geringe Wärmeleitung und die geringe Masse des 2. Kalibriekörpers auf der

Innenseite lassen es zu, den Einfluss dieses Kalibriekörpers auf die thermische

Speichermasse zu vernachlässigen. Wird die Temperatur im Inneren der Prüfbox

sprunghaft verändert, erlaubt die Kenntnis der auftretenden Dynamiken bezüg-

lich der realen Temperaturänderung und des Energieverbrauchs die Identifizie-

rung dieser unbekannten Parameter.

5.3 Kalibriekörper 3 (transparent)


Der 3. Kalibriekörper dient zur Überprüfung der g-Wert Messung. Er besteht

aus einer 2-Scheiben-Wärmeschutzverglasung die von einer Pfosten-Riegel-

Konstruktion eingerahmt ist. Der UcW-Wert diese Verglasungs-Rahmen-Kombi-

nation wird nach DIN EN 13947 [26] errechnet. Dieser UcW-Wert enthält feste

Wärmeübergangswiderstände von 0,17 m²K/W. Soll das Messergebnis mit die-

sem Berechnung verglichen werden, müssen die in der Messung ermittelten

Wärmeübergangswiederstände durch diese genormten 0,17 m²K/W ersetzt

werden. In Bild 55 ist der transparente, 3. Kalibriekörper schematisch darge-

stellt.



Bild 55: Transparenter Kalibrierkörper eingebaut in den Kalorimetrischen Fassaden- und Dachprüfstand.

5.3.2 Bestimmung der Messunsicherheit

Zur Abschätzung von Messunsicherheiten werden mehrere Messungen des

g-Werts (Abschnitt 2.3) und der direkten Transmissionsgrade (im solaren und

sichtbaren Spektralbereich) durchgeführt. Da für alle Messungen derselbe Prüf-

ling verwendet wird, sollte theoretisch bei jedem Messdurchlauf dasselbe, be-

kannte Resultat erzielt werden. In der Praxis werden sich jedoch Unterschiede

zwischen den einzelnen Messungen zeigen. Auch Abweichungen zu den be-

kannten Laborkennwerten des Referenz-Prüflings sind zu erwarten. Wird bei

diesen Messungen ein konstanter Offset zwischen den gemessenen in situ Wer-

ten und den bekannten Laborwerten erkenntlich, fließt dieser Offset als Korrek-

tur-Term in die Prüfauswertung ein. Über die Auswertung der Standardabwei-

chung zwischen den einzelnen Messzyklen kann ein statistischer Vertrauensbe-

reich für die Messergebnisse der Prüfeinrichtung gewonnen werden. Das in

Gleichung (14) ermittelte 95 %-Konfidenzintervall entspricht der zweifachen,

erweiterten Messunsicherheit. Das selbe Vorgehen wird für die U-Wert Mes-

sung (Abschnitt 2.2) angewendet.



Ermittlung des 95 %-Konfidenzintervalls gemessenen g-Werts aus den Ergeb-nissen der einzelnen Messzyklen nach [27]. [-]

√

∑( )

(14)

n Anzahl der Wiederholungen der g-Wert Messung [-]

gi Messergebnis des g-Werts bei der i’ten Messung [-]

Arithmetischer Mittelwert der Ergebnisse aller durchge-

führten g-Wert Messungen. [-]

5.4 Erster Membran-Prüfling

Der erste pneumatische Membrankissen-Prüfling der in dem Kalorimetrischen

Fassaden- und Dachprüfstand vermessen wird, ist ein unbedrucktes, 2-lagiges

ETFE-Folienkissen. Dieser Prüfling wurde als erster installiert, um während der

technischen Abnahme sowohl die g-Wert Funktionalität, als auch die Funktion

der Kissen-Druckhaltung überprüfen zu können. In Bild 56 ist der eingebaute

Membranprüfling dargestellt. Dieser Prüfling dient dazu erste Erfahrungen bei

der Vermessung von Membrankissen zu erlangen. Ein besonderes Augenmerk

wird hierbei u.a. auf dem Einfluss der Prüflings-Neigung auf das wärmetechni-

sche Verhalten liegen.

Bild 56: 1. Membran-Prüfling im eingebauten Zustand.



6 Zusammenfassung & Ausblick

Die korrekte Bewertung des energetischen Verhaltens komplexer, transparenter

Gebäudehüllen ist in Zeiten des Energiewandels und gleichzeitig immer ausge-

fallenerer Fassadenlösungen ein wichtiger Faktor. Das Fraunhofer-Institut für

Bauphysik IBP hat einen in situ Prüfstand errichtet, mit dessen Hilfe es möglich

ist, die unterschiedlichen Mechanismen des Energiedurchgangs durch nahezu

beliebige Bauteile in Originalgröße und unter realen Witterungsbedingungen zu

ermitteln.

Zu diesem Zweck wurde eine Prüfbox errichtet, die derart rotiert und geneigt

werden kann, dass ihre Prüflingsaufnahme der Sonne nachgeführt werden

kann. In der Mitte des Wandaufbaus der Prüfbox befindet sich ein wasser-

durchströmter Absorber, der derart geregelt wird, dass kein Wärmestrom zwi-

schen dem Inneren der Prüfbox und ihrer Umgebung zu Stande kommt. Die In-

nenoberflächen der Prüfkammer sind ebenfalls mit wasserführenden Absorbern

belegt, die sämtliche, in die Prüfkammer eindringende Energie umgehend den

Energiemengenzählern zuführen. So kann die Temperatur in der Prüfkammer

konstant gehalten werden, während die hierfür nötigen Energieströme bekannt

sind.

Im Rahmen dieses Berichts wird ein Konzept für die Kalibrierung dieses Prüf-

stands vorgestellt. Ziel dieses Kalibrierungsprozesses ist es, die Vergleichbarkeit

der am Prüfstand ermittelten Kennwerte mit Labormesswerten zu gewährleis-

ten. Um dies zu erreichen wird eine detaillierte Analyse der tatsächlichen Fähig-

keiten des Prüfstands, wie auch eine sorgfältige Betrachtung der Abweichung

der Messergebnisse von den Werten bekannter Referenznormale durchgeführt.

Hierfür wird der Prüfstand mit opaken und transparenten Prüflingen, den Refe-

renznormalen, ausgestattet, deren Laborkennwerte mit hoher Genauigkeit be-

kannt sind. Nach Abschluss der Kalibrierungen wird diese Analyse wiederholt,

um die Gesamt-Messunsicherheit des Prüfstands zu erhalten.

Weiterhin ist es geplant, den Prüfstand in die flexible Akkreditierung des Fraun-

hofer-Instituts für Bauphysik IBP zu integrieren. Hierfür müssen ein detailliertes

Konzept zur Qualitätssicherung, eine exakte Arbeitsanweisung inklusive der er-

forderlichen Vor- und Nachkalibrierungen und exakte Prüfling-Einbaurichtlinien

erarbeitet werden.

Wenn die Eigenschaften des Prüfstands und die Anforderungen an den Prüf-

vorgang hinreichend genau bekannt sind, soll die Leitebene der Steuerungs-

software umgesetzt werden. Diese Leitebene ermöglicht einen vollautomati-

schen Betrieb des Prüfstands nach dem Einbau des Prüflings. Basierend auf der

aktuellen Wetterlage und der vorliegenden Wetterprognosen wird der Prüf-

stand selbstständig entscheiden welche der angeforderten Messungen aus dem

Messprogramm als nächstes durchgeführt werden soll und ob die Messung wit-

terungsbedingt voraussichtlich erfolgreich zu Ende geführt werden kann.



In Zukunft sollen mit Hilfe der Messdaten des Kalorimetrischen Fassaden- und

Dachprüfstands detaillierte und leistungsfähige Rechenmodelle für Membran-

kissen entwickelt und validiert werden. Dies ist für die Material-extensive Bran-

che des Membranbaus wichtig, um reguläre bauaufsichtliche Zulassungen er-

reichen zu können. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts ist für die Bau-

genehmigung jeder Membrankonstruktion ein aufwendiges Verfahren für eine

Zustimmung im Einzelfall notwendig. Auch die Überprüfung anderer schwieri-

ger Fassadenlösungen auf die Einhaltung der zugesicherten Kennwerte ist eine

Aufgabe, die dieser Prüfstand in Zukunft mit übernehmen wird.



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stuttgart.de/mirror/sonne.exe. Stand 5.Juli.2012

[26] DIN EN 13947:2007-07: Wärmetechnisches Verhalten von Vorhangfassaden - Berechnung

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[27] DIN V ENV 13005:1999-06: Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen; Deutsche

Fassung ENV 13005:1999.

http://cgi.stadtklima-stuttgart.de/mirror/sonne.exe

http://cgi.stadtklima-stuttgart.de/mirror/sonne.exe

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Messkonzepte des IBP Prüfstands 13 · PDF fileFraunhofer-Institut für Bauphysik IBP IBP-Bericht ESB 003/2012 HOKI Abschlußbericht MuFuDaPs 2 Inhalt 1 Einleitung 4 1.1 Hintergrund