In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines Gebäudeenergiemodells (BEM) und eines Schemas für die mittlere Strahlungstemperatur ($T_mrt$) vorgestellt, das in das Doppel-Canyon basierte städtische Bestandsschichtsschema (DCEP) integriert ist. Das erweiterte DCEP-BEM Modell zielt darauf ab, eine Verbindung zwischen anthropogener Wärme und dem Stadtklima herzustellen, indem Gebäude in Straßenschluchten einbezogen werden, um die Energieflüsse auf städtischen Oberflächen, die Auswirkungen der anthropogenen Wärme auf die Atmosphäre, die Innenraumlufttemperatur und die Abwärme von Klimaanlagen zu untersuchen. Das DCEP-BEM wird mit dem mesoskaligen Klimamodell COSMO-CLM (COnsortium for Small-scale MOdelling in CLimate Mode, im Folgenden CCLM) gekoppelt und zur Simulation des Winters und Sommers 2018 in Berlin. Die Auswertung der Wintersimulationen zeigt, dass CCLM/DCEP-BEM den mittleren Tagesverlauf der gemessenen turbulenten Wärmeströme gut reproduziert und die simulierte 2-m-Lufttemperatur und den städtischen Wärmeinseleffekt (UHI) verbessert. Im Sommer bildet das CCLM/DCEP-BEM die Innenraumlufttemperatur richtig ab und verbessert die Ergebnisse für die 2-m-Lufttemperatur und die UHI leicht. Außerdem wird das CCLM/DCEP-BEM angewendet, um die Abwärmeemissionen von Klimaanlagen im Sommer zu untersuchen. Die Abwärmeemissionen der Klimaanlagen erhöhen die Lufttemperatur in Oberflächennähe erheblich. Der Anstieg ist in der Nacht und in hochurbanisierten Gebieten stärker ausgeprägt. Es werden zwei Standorte für die AC-Außengeräte betrachtet: entweder an der Wand eines Gebäudes (VerAC) oder auf dem Dach eines Gebäudes (HorAC). Die Auswirkung von HorAC ist im Vergleich zu VerAC insgesamt geringer, was darauf hindeutet, dass HorAC einen kleineren Einfluss auf die oberflächennahe Lufttemperatur und den UHI hat. Ein Schema für $T_mrt$ wird für das CCLM/DCEP-BEM entwickelt und umfassend validiert. Es wird gezeigt, dass dieses Schema eine zuverlässige Darstellung von $T_mrt$ bietet. / This work presents the development of a building energy model (BEM) and a mean radiant temperature ($T_mrt$) scheme integrated in the urban canopy scheme Double Canyon Effect Parametrization (DCEP). The extended DCEP-BEM model aims to establish a link between anthropogenic heat emissions and urban climate by including the interior of buildings in urban street canyons to investigate the energy fluxes on urban surfaces, the effects of anthropogenic heat on the atmosphere, the evolution of indoor air temperature, and waste heat from air conditioning (AC) systems. DCEP-BEM is coupled with the mesoscale climate model COSMO-CLM (COnsortium for Small-scale MOdelling in CLimate Mode, hereafter CCLM) and applied to simulate the winter and summer 2018 of Berlin. The evaluation for winter simulations indicates that CCLM/DCEP-BEM reproduces well the average diurnal characteristics of the measured turbulent heat fluxes and considerably improves the simulated 2-m air temperature and urban heat island (UHI). In summer, CCLM/DCEP-BEM accurately reproduces the indoor air temperature, and slightly improves the performance of the 2-m air temperature and the UHI effect. Furthermore, CCLM/DCEP-BEM is applied to explore the waste heat emissions from AC systems in summer. AC waste heat emissions considerably increase the near-surface sensible heat flux and air temperature. The increase is more pronounced during the night and in highly urbanised areas. Two locations for the AC outdoor units are considered: either on the wall of a building (VerAC) or on the rooftop of a building (HorAC). The effect of HorAC is overall smaller compared to VerAC, indicating that HorAC has a smaller impact on the near-surface air temperature and the UHI effect. A $T_mrt$ scheme is developed for CCLM/DCEP-BEM and extensively evaluated. It is shown that this scheme provides a reliable representation of $T_mrt$.

Es ist ein politisch erklärtes Ziel, den Ausstoß von klimaschädlichen Treibhausgasen weltweit zu verringern. Eine wesentliche Stellschraube im Gebiet des Bauwesens stellt hierbei die Einsparung von Energien zur Raumkonditionierung dar. Diese wird unter anderem über das Lüftungskonzept beeinflusst. Die Belüftung von Gebäuden ist zwingend notwendig, um die Emissionen der Baustoffe und die der Menschen, beispielsweise ihren CO2-Ausstoß über die Atmung, abzuführen und der Schimmelbildung vorzubeugen. Erfolgt die Belüftung über öffenbare Fenster – natürliche Lüftung – wird so allerdings energetisch aufwändig temperierte Raumluft mit untemperierter Außenluft ausgetauscht. Daraus können Wärmeverluste und thermisches Unbehagen resultieren. Energieeffiziente Technologien sind ventilatorgestützte Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung. Doch nicht für alle Gebäudekonzepte und Nutzer stellen diese Lüftungskonzepte einen hohen Nutzerkomfort dar. Korrelationen zwischen Gebäuden mit ventilatorgestützten Lüftungsystemen und dem Sick-Building-Syndrom sind in der Literatur beschrieben, während hier für natürliche Lüftungskonzepte keine Korrelation besteht. Stattdessen wird in Nutzerbefragungen der natürlichen Lüftung eine hohe Akzeptanz zugeschrieben. Mit elektrisch angetriebenen Fenstern kann die natürliche Lüftung nutzerunabhängig gesteuert und so Wärmeverluste und thermisches Unbehagen kontrolliert werden. Bisher sind die Auslegungen solcher kontrollierten natürlichen Lüftungskonzepte noch sehr planungsintensiv. Das Ziel der Arbeit ist es, für Büro- und Verwaltungsgebäude Öffnungs- und Schließsignale einer kontrollierten natürlichen Lüftung zu geben. Diese zeichnen sich darüber aus, dass sie ein gesundes Raumklima, eine hohe Nutzerbehaglichkeit und Energieeffizienz über den Jahresverlauf schaffen und auf ihre Robustheit gegenüber Änderungen von Gebäuderandbedingungen überprüft sind. Für das Ziel wird ein über CO2- und Temperatursensoren gesteuertes Fenstersystem mittels dynamisch thermischer Gebäudesimulationen in vier Varianten von Schließsignalen auf thermische Behaglichkeit und Energiebedarf untersucht. Die Grundlage dazu stellt die bezüglich Entwurf, Konstruktion und Nutzung allgemeingültige Entwicklung eines Büroraums dar. Der Büroraum wird im Simulationsmodell abgebildet und in Realität errichtet. Die Kombination von Simulationsmodell und realem, als experimentellem Teststand ausgeführtem Büroraum ermöglicht verifizierte Ergebnisse. So werden vier Berechnungsmodelle für Luftvolumenströme von Fenstern über den Teststand verifiziert. Dazu dienen Luftwechselmessungen nach der Konstantinjektionsmethode an 173 Fensteröffnungen für fünf Außentemperatur- und elf Windgeschwindigkeitsbereiche. Das Berechnungsmodell nach DIN EN 16798-7 zeigt sich als realitätsnah. Da dieses Berechnungsmodell nicht im Gebäudesimulationsprogramm implementiert ist, wird eine Methode zur Implementierung entwickelt. Über das entwickelte Simulationsmodell zeigt sich, dass eine kombinierte CO2- und temperaturgesteuerte kontrollierte natürliche Lüftung nur zweimal im Jahr ihre Grenzwerte zur Fensteröffnung und -schließung variieren muss, um ganzjährig eine hohe Energieeffizienz und Nutzerbehaglichkeit zu schaffen. Die Schließsignale des sensorgesteuerten Fenstersystems werden in eine Zeitsteuerung überführt. Es zeigt sich, dass für die kühlen Monate jede Öffnung mit identischer Dauer angesetzt werden darf. In wärmeren Monaten muss die Öffnungsdauer in Abhängigkeit der Außentemperatur angepasst werden, so dass eine Zeitsteuerung mit einer Außentemperaturmessung gekoppelt werden muss. Die Ergebnisse zeigen, dass über eine Variation der Schließsignale einer kontrollierten natürlichen Lüftung die Energieeffizienz und die thermische Behaglichkeit wesentlich gesteigert werden und dass selbst bei geringen Windgeschwindigkeiten und Temperaturdifferenzen die Raumluftqualität stets gewährleistet ist. Für nahezu alle Standorte in Deutschland kann die kontrollierte natürliche Lüftung so den Kühlbedarf der untersuchten Büroräume eliminieren, ohne in einer sommerlichen Überhitzung der Räume zu resultieren. Die entwickelten und bezüglich Raumluftqualität und thermischer Behaglichkeit charakterisierten Sensor- und Zeitsteuerungen tragen dazu bei, die kontrollierte natürliche Lüftung als wartungsarme, technikreduzierte Alternative zu der ventilatorgestützten Lüftung zu etablieren.:1 Einleitung 2 Natürliche Lüftung 3 Kontrollmöglichkeiten der natürlichen Lüftung 4 Entwicklung der Untersuchungsmodelle 5 Voruntersuchungen 6 Sensorsteuerung für den Basisraum 7 Zeitsteuerung für den Basisraum 8 Übertragung auf unterschiedliche Gebäuderandbedingungen 9 Diskussion und Empfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur 12 Abbildungsnachweis 13 Bezeichnungen 14 Anhang / It is a politically declared goal to reduce the emission of climate-damaging greenhouse gases worldwide. To support this goal by the building industry a key driver is the saving of energy for room conditioning. Among other factors, this is influenced by the ventilation concept. Also the ventilation of buildings is absolutely necessary in order to remove the emissions of the building materials and those of the people, for example their CO2 emissions through breathing as well as to prevent mould. However, if ventilation is carried out via openable windows - natural ventilation - then energetically expensive tempered room air is exchanged with cold outside air. This could result in heat loss and thermal discomfort. Mechanical ventilation systems with heat recovery are energy-efficient technologies. However, these ventilation concepts do not represent a high level of user comfort for all building concepts and users. Correlations between buildings with mechanical ventilation systems and sick building syndrome are described in the literature, while there is no such correlation for natural ventilation concepts. Instead, a high level of acceptance is attributed to it in user surveys. With electrically driven and controlled windows, natural ventilation can be controlled independently from the user, thus minimizing heat loss and thermal discomfort. So far, the design of such controlled natural ventilation concepts is still very planning-intensive. The aim of this work is to provide opening and closing signals for controlled natural ventilation in office buildings. These are characterized for their capability to create a high indoor air quality, high user comfort and high energy efficiency over the course of the year and are tested for their robustness against changes in building characteristics. To achieve this goal, a window system controlled by CO2 and temperature sensors is examined for its impact on thermal comfort and energy demand by means of building simulation tools with four variants of closing signals. As a basis for this examination an office room is utilized that conforms to the current standards in terms of design, construction and use. The office space is transferred to a simulation model and constructed in reality. The combination of the simulation model and the real office space, which is designed as an experimental test rig, enables verified results. Thus, four calculation models for air flow volumes of windows are verified via the test rig. Air exchange measurements according to the constant injection method on 173 window openings for five outdoor temperature and eleven wind speed ranges are used for this purpose. The calculation model according to DIN EN 16798-7 proves to be close to reality. Since this calculation model is not implemented in the building simulation program, a method for its implementation is developed. Using the developed simulation model, it is shown that a combined CO2- and temperature-controlled natural ventilation creates a high energy efficiency and user comfort throughout the year by varying its limit values for window opening and closing only twice a year. The closing signals of the sensor controlled window system are transferred to a time control system. It turns out that for the cold months, each opening could be set to the same opening time. In warmer months, the opening time must be adjusted depending on the outside temperature. Thus, a time control should be coupled with an outside air temperature measurement. The results show that by varying the closing signals of a controlled natural ventilation system, the energy efficiency and thermal comfort is significantly increased and that a high indoor air quality is always guaranteed even at low wind speeds and low temperature differences. For almost all locations in Germany, controlled natural ventilation can thus eliminate the cooling requirements in the office spaces studied without overheating in the summer. The developed sensor and time control systems are characterized by high indoor air quality and good thermal comfort. Thus, these systems are a contribution to promote controlled natural ventilation as a low-maintenance and technically reduced alternative to mechanical ventilation.:1 Einleitung 2 Natürliche Lüftung 3 Kontrollmöglichkeiten der natürlichen Lüftung 4 Entwicklung der Untersuchungsmodelle 5 Voruntersuchungen 6 Sensorsteuerung für den Basisraum 7 Zeitsteuerung für den Basisraum 8 Übertragung auf unterschiedliche Gebäuderandbedingungen 9 Diskussion und Empfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur 12 Abbildungsnachweis 13 Bezeichnungen 14 Anhang