Konstruktionsaspekte von Hybridwasser

Datum: 13. Februar 2023

Autoren: Matyas Gutai, Shwu-Ting Lee, Bumpei Magori, Yu Morishita, Abolfazl Ganji Kheybari und Joshua Spencer

Quelle:Journal of Facade Design and Engineering, 8(2), 127–152.

DOI:https://doi.org/10.7480/jfde.2020.2.4784

Wassergefüllte Gebäudehüllen sind Hybridkonstruktionen mit einer festen und einer flüssigen Komponente, typischerweise eine mit Wasser gefüllte Glas- oder Stahlhülle. Das Papier stellt die Herausforderungen bei der Entwicklung einer wassergefüllten Fassadenstruktur vor und bewertet die Möglichkeit, diese als tragfähiges Bausystem im Gebäudemaßstab zu nutzen. Wassergefülltes Glas (WFG) wurde in der Vergangenheit erforscht und als eigenständiges Fensterelement eines herkömmlichen Gebäudes vorgestellt, bei dem Energieeinsparungen durch die Nutzung der Absorption der Wasserschicht für das Energiemanagement der Gebäudehülle erzielt werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Effizienz von WFG weiter verbessert werden könnte, wenn das System als einheitliche Gebäudehülle aufgebaut wird, in der die Flüssigkeit zwischen Paneelen und Gebäudeteilen fließen kann. Der Artikel stellt zwei experimentelle „Wasserhaus“-Gebäude mit diesen Entwurfsparametern vor, die vom Autor entworfen und gebaut wurden. Die Bedeutung dieser Gebäude besteht darin, dass zum ersten Mal eine zusammenhängende wassergefüllte Hülle gebaut wird. Die Diskussion stellt zwei Baumethoden für wassergefüllte Fassaden vor, bewertet ihre Machbarkeit für unterschiedliche Klimazonen, stellt die Design-Konstruktionsaspekte der Technologie vor und bietet einen Vergleich mit bestehenden Baumethoden.

Eine Fluid-Solid-Gebäudehülle sorgt für erhebliche Einsparungen sowohl bei der Betriebsenergie als auch bei der Rohenergie, indem sie die Kühllast senkt, absorbierte Wärme wiederverwendet, thermische Unterschiede zwischen Teilen der Hülle und dem Rest des Gebäudes ausgleicht und gleichzeitig zusätzliche Konstruktionselemente (z. B. Außenbeschattung) herstellt. veraltet.

Baumaterialien haben einen erheblichen Einfluss auf den ökologischen Fußabdruck der gebauten Umwelt. Dies gilt insbesondere für Gebäudehüllen, die eine wesentliche Rolle für die Energieeffizienz und den thermischen Komfort eines Gebäudes spielen. Insbesondere Gebäudehüllen mit hohen Fenster-zu-Wand-Verhältnissen (WWR) sind ein gutes Beispiel, da Glasfassaden energieintensive Materialien verwenden (Adalberth, 1997) und den betrieblichen Energiebedarf erhöhen (Gasparella, Pernigotto, Cappelletti, Romagnoni & Baggio, 2011). Innovationen bei Glashüllen haben ein großes Potenzial für positive Veränderungen der Umweltauswirkungen von Gebäuden, insbesondere wenn sie in der Lage sind, sowohl die graue als auch die betriebliche Energie zu senken. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn für Nullenergiegebäude im Vergleich zu Niedrigenergiegebäuden eine höhere Ökobilanz (LCA) gemeldet wird (Ramesh, Prakash & Shukla, 2010), was hauptsächlich auf die erhöhte graue Energiekomponente (d. h. zusätzliche PV) zurückzuführen ist oder Sonnenkollektoren) der ersteren im Vergleich zu den letzteren. Dies impliziert, dass ein Bedarf an Innovationen besteht, die die Energieleistung verbessern können, ohne die graue Energie zu erhöhen.

Im Hinblick auf das Energiemanagement von Gebäudehüllen lässt sich der aktuelle Forschungsstand zu optisch klaren Fenstern in vier Gruppen einteilen. Die erste Kategorie befasst sich mit der solaren Gewinnung (SHGC) durch Beschichtung, dynamische oder aktive Verglasung. Zu den Lösungen hierfür gehören Low-E-Beschichtung (Cui & Mizutani, 2016), elektrochrome Verglasung oder EC (DeForest et al., 2015), Verglasung mit suspendierten Partikeln oder SPD (Ghosh, Norton & Duffy, 2016) und polymerdisperse Flüssigkristalle oder PDLC (Hemaida, Ghosh, Sundaram & Mallick, 2020). Die zweite Kategorie besteht darin, den Wärmewiderstand (U-Wert) der Gebäudehülle zu verbessern, beispielsweise durch mehrschichtige Verglasungen (Arici, Karabay & Kan, 2015). Der dritte Ansatz besteht darin, den Kühlbedarf durch Verschattung zu reduzieren (Tao, Jiang, Li & Zheng, 2020). Die letzte Lösung schließlich besteht in der Nutzung eines flüssigen Mediums, d , & Henriquez, 2009). Eine Alternative zur Umluft ist die Verwendung einer „Umwälzwasserkammer“, die den Vorteil hat, Sonnenenergie einzufangen und diese potenzielle Energielast in eine erneuerbare Energiequelle umzuwandeln (Chow, Li & Lin, 2010).

Seitdem das Fluid-Glas-System eingeführt wurde (Gutai, 2010) und vom Autor patentiert wurde (P 11 00 156, 2011; 6250530, 2012; EP2689192A2, 2012), wurde die Technologie von verschiedenen Forschungsgruppen erforscht. Eine wichtige Entwicklung bestand darin, eine Korrelation zwischen der Intensität des gepumpten Wasserflusses im Hohlraum und den Eigenschaften des Fensters (U-Wert und SHGC) herzustellen, was auch zeigte, dass diese Werte an äußere Bedingungen angepasst werden können (Sierra & Hernández, 2017). Bezüglich des Energieverbrauchs wurde ein Vergleich von Standardfenstern mit WFG in Hongkong vorgestellt (Chow, Li & Lin, 2011a). Ein anderer Ansatz wurde für einen Fall in Madrid gezeigt, wo WFG eine stabile Wassertemperatur hatte, um den Energiebedarf für Heizung und Kühlung zu senken (Gil-Lopez & Gimenez-Molina, 2013). Zu den weiteren Forschungsarbeiten gehörten Energiesimulationen für den jährlichen Energiebedarf in feuchten Klimazonen (Li & Chow, 2011), Analysen zum Einfluss des Sonnenwinkels (Chow, Li & Lin, 2011b), die Bewertung von Sammlern (Chow & Lyu, 2017) und die Leistung in verschiedenen Klimazonen in China (Lyu, Chow & Wang, 2018).

Diese Forschungsprojekte präsentieren die Technologie als ein Fenster, das in einer herkömmlichen Gebäudehülle platziert ist. Darüber hinaus entwarf und baute der Autor experimentelle Gebäude mit den Titeln Water House 1.0 oder WH01 (Gutai, 2015) und Water House 2.0 oder WH02 („Experimental – Future Projects – 2017 | World Architecture Festival“, 2017), die sich mit dem Thema befassen Potenzial verbundener Gebäudehüllen, bei denen das Wasser zwischen Paneelen und Gebäudeteilen fließen kann. Die Bedeutung dieses Ansatzes liegt in der verbesserten thermischen, energetischen und strukturellen Leistung, die sich aus dem Wasserfluss ergibt, wie im Buch Trans-structures (Gutai , 2015). Die Hybridstruktur von WFG senkt den Energieverbrauch, ohne die graue Energie zu erhöhen, da die Wasserfüllung selbst im Vergleich zu anderen Baumaterialien nur geringe Auswirkungen auf die Umwelt hat. Die beiden Gebäude weisen außerdem zwei unterschiedliche Bauweisen auf: Structure Insulated Panel (SIP) und Rahmen +Füllsystem. Die Ergebnisse dieser strukturellen Entwicklungen stehen im Mittelpunkt dieser Arbeit, da sie für die Entwicklung eines integrierten WFG-Konstruktionssystems, das über die Einschränkungen eines einzelnen Fensters hinausgeht, von wesentlicher Bedeutung sind.

Der Artikel stellt einen experimentellen Forschungsansatz für das Problem der Entwicklung kontinuierlicher hybrider wassergefüllter Gebäudehüllen durch Design und Konstruktion vor. Diese Gebäude werden in Kapitel 3 vorgestellt. Die strukturellen Herausforderungen dieser Technologie werden durch Tests bewertet, die in Kapitel 4 und 5 vorgestellt werden.

Die Bedeutung dieser Untersuchung ist zweifach. Erstens verbessert die Weiterentwicklung der Technologie von einem Fenster zu einer durchgehenden Hülle ihre Leistung: geringerer Energieverbrauch (54 – 72 % Einsparungen im Vergleich zu Doppelverglasung und 34 – 61 % im Vergleich zu Dreifachverglasung) (Gutai & Kheybari, 2020), geringerer Energiebedarf aufgrund geringerer Temperaturunterschiede innerhalb des Gebäudes (Wasserfluss würde Energiegewinne innerhalb des Gebäudes verteilen) (Gutai & Kheybari, 2021) und verbessertem thermischen Komfort (Wasser im WFG kann für eine bessere mittlere Strahlungstemperatur /MRT/ erwärmt/gekühlt werden). Zweitens sind die Tests und Analysen des Systems wichtig, da diese besondere Art von Hülle zum ersten Mal gebaut wurde, was Auswirkungen auf den Materialverbrauch, die Herstellung, den Zusammenbau und die Integration verschiedener Funktionen (z. B. Heizung, Kühlung, Sonnenabsorption) hatte usw.) in einem Konstruktionssystem. Die Neuheit von WH01 und WH02 ist in Tabelle 1 und Tabelle 2 dargestellt, die die strukturelle und energetische Entwicklung wassergefüllter Hüllenprojekte darstellen.

Die beiden Prototypenhäuser dienten als Versuchsgebäude, um die kritischen Aspekte für die Realisierbarkeit der WFG-Technologie zu identifizieren, zu lösen und zu testen. Die Forschung identifizierte sechs kritische Bereiche, die im Laufe einer fünfjährigen Forschung untersucht wurden. Tabelle 3 zeigt diese Bereiche und die beteiligten Methoden.

WFG kann als einzelne Fenstereinheit oder als zusammenhängende Gebäudehülle gebaut werden. Beim ersten Typ handelt es sich grundsätzlich um eine wärmeabsorbierende Heiz-/Kühleinheit, die von der Wasseraufnahme profitiert, wie in Abb. 2 dargestellt. Diese Lösung wird als „Fluid-Glas“ oder „Wasser-Glas“ bezeichnet und arbeitet mit einer Pumpe und stabil fließen. Der zweite Typ heißt Wasserhauskonstruktion und besteht aus einer Reihe miteinander verbundener Paneele, wie in Abb. 1 und Abb. 3 dargestellt. Die Paneele sind in einem geschlossenen Kreislauf verbunden, der typischerweise aus zwei Paneelen besteht gegenüberliegende Wandflächen und Boden + Decken-/Dachpaneel dazwischen (wie in Abb. 3 gezeigt).

Beide Optionen nehmen Wärme auf, die zu einem Wärmespeicher transportiert werden kann, wie in Abb. 3 dargestellt. Eine Pumpe benötigt weniger Energie als das Kühlen oder Heizen des Raums, was zu direkten Energieeinsparungen führt. Darüber hinaus kann beim Wasserhausbau die Energie innerhalb der Hülle verteilt werden, was die Energieeinsparung durch den Energieaustausch zwischen überhitzten und kalten Bereichen eines Gebäudes (z. B. Nord-Süd-Fassade, untere obere Gebäudeteile) weiter erhöht.

3.1 WASSERHAUS 1.0 PAVILLON

Der erste Wasserhausbau wurde in Kecskemét, Ungarn, gebaut. Der Pavillon bestand aus 4 wassergefüllten Glasplatten (WFG) und 13 wassergefüllten Stahlplatten (WFS), wie in Abb. 4 dargestellt. Die WFS-Platte hatte eine 20 cm dicke Isolierung und die WFG hatte eine äußere Argonschicht. Rohrleitungen und Kabel wurden in Wartungsspalten zwischen Wandpaneelen und Boden verlegt (siehe Abb. 20), um sie vor den Auswirkungen des kalten Klimas (Köppen-Geiger D – Heizung dominiert) zu schützen. Die solare Absorption von Wasser wurde genutzt, um den Energieverbrauch für Kühlung und Heizung zu senken. Dieser Ansatz wurde in unserer vorherigen Veröffentlichung (Gutai & Kheybari, 2020) mit 61 % Einsparungen im Vergleich zur Doppelverglasung validiert. Diese Präferenz entschied sich für die Verwendung von Low-E-Beschichtungen, die die Menge der eingefangenen Energie maximieren würden. Die Optionen bestanden darin, es nur auf der Ebene Nr. 2 oder Nr. 3 oder auf beiden zu platzieren (Nr. 1, Nr. 4, Nr. 5 und Nr. 6 waren nicht realisierbar). Durch die Platzierung auf Platz 2 wurde die Absorption sowohl externer als auch interner Gewinne maximiert, was ein Best-Case-Szenario darstellte.

Die absorbierte Energie wurde in einen saisonalen Wärmespeicher gepumpt. Die Absorption erfolgte in den WFG-Platten und im Boden. Durch die Absorption wurde Energie gespart und eine Überhitzung vermieden, was wahrscheinlich auf den hohen WWR (40 %), die Südausrichtung und die Low-E-Beschichtung zurückzuführen war. Diese Bedingungen sollten normalerweise vermieden werden, aber für Wasserhäuser wurden sie zu einem Vorteil, da sie die Menge der aufgenommenen Energie erhöhten. Dies zeigte das Potenzial und die Machbarkeit des Water House-Systems für verglaste Gebäude.

Der saisonale Speicher für das Gebäude war ein Wassertank. Die Größe des Tanks wurde unter Berücksichtigung der thermischen Belastung eines einwöchigen Zeitraums im Sommer dimensioniert und teilweise unter der Erde platziert, um den Wärmeverlust zu minimieren. Die aufgenommene Wärme wurde für die spätere Nutzung während der Heizperiode gespeichert.

Wie Abb. 4 zeigt, wurde der Wasserfluss in drei Wasserkreisläufen aus verbundenen Paneelen ausgelegt. Panels in verschiedenen Schleifen wurden nicht verbunden. Jede Schleife bestand aus einem Dach, einem Boden und zwei Wandpaneelen (eines im Norden und eines im Süden). Die Ost- und Westfassaden umfassten die Tür (ohne Wasser) und WFG/WFS-Paneele, die einzeln mit direkten Vor- und Rücklaufleitungen gekühlt/geheizt wurden. Der Wasserfluss wurde durch eine Pumpe im Pavillon verbessert, die die Flüssigkeit in den Kreisläufen und zwischen Speichereinheit und Gebäude bewegte, wenn die Innentemperatur außerhalb der Komfortzone lag. Zum Heizen und Kühlen bei Spitzenlasten wurde eine reversible Wärmepumpe betrieben. Das Gerät wurde im Gebäude platziert und mit der Pumpe installiert (die Kühleinheit wurde draußen platziert).

WFS-Paneele waren von außen isoliert, was ihre Sonnenabsorption begrenzte. Diese Oberflächen waren wichtig für die MRT-Regulierung (thermischer Komfort). WFS-Einheiten vervollständigten außerdem Kreisläufe und vergrößerten die Fläche thermisch aktiver Oberflächen (Moe, 2010), wodurch das Heizen/Kühlen effektiver wurde.

Abb. 5 zeigt das fertiggestellte und im Bau befindliche Gebäude. Die WFS-Paneele wurden als Structure Insulated Panel (SIP)-System mit einer Außenschicht (tragender Kern und Wärmedämmung) und einer nach innen gerichteten Wasserschicht konzipiert. Dies war notwendig, da für den Anschluss der Wasserpaneele Rohre erforderlich waren, die auch nach dem Bau zugänglich bleiben mussten. Durch die nach innen gerichtete Platzierung dieser Rohrverbindungen wurde der Zugang zu ihrem „Wartungsspalt“ ermöglicht und ein Eindringen in die tragende Struktur vermieden. Das Gebäude verfügte über keine Beschattung, um sicherzustellen, dass es keine Beeinträchtigung der energetischen Ergebnisse gab. (Die Forschung ging davon aus, dass reale Anwendungen eine Art interne Beschattung nutzen würden, um Blendung zu vermeiden, was die Absorption in der Wasserschicht weiter verbessern würde).

3.2 WASSERHAUS 2.0 PAVILLON

Das zweite Wasserhaus wurde in Taichung, Taiwan, für ein feuchtes tropisches Klima gebaut. Da der Wärmebedarf minimal ist, werden die WFG-Paneele mit Doppelverglasung und einer Wasserschicht gebaut. Die WFS-Paneele sind ohne äußere Isolierung, um die Sonnenabsorption zu maximieren. Dies war ein wesentlicher Unterschied zu WH01, da die gesamte Gebäudehülle zur Aufnahme der externen Wärmelast genutzt werden konnte. Darüber hinaus war ein auf Absorption basierendes Energiemodell auch für das Klima wirksamer, da die Hauptlast der Kühlung auf die Strahlung zurückzuführen war, da der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Umgebungstemperatur relativ gering ist (Qahtan et al., 2014).

Abb. 6 zeigt das Konstruktionssystem für das Gebäude, das aus einem Stahlrahmen und Füllplatten bestand. Ähnlich wie bei WH01 wurden die Panels in Schleifen verbunden. Abhängig von der Sonnenlast und der Umgebungstemperatur erfolgte der Wasserfluss entweder automatisch oder wurde mit einer Pumpe verstärkt. Abb. 7 zeigt die Anordnung der Schleifen. Die Schleifen bestanden aus zwei Wänden (Nord und Süd) und Boden- und Dachplatten dazwischen.

Diese Absorptionskühlung wurde durch das Design noch weiter verbessert; Das Norddach hat aufgrund seiner Neigung und der Ausrichtung des Pavillons keinen direkten Solargewinn. Da die Sonneneinstrahlung in Taichung zu jeder Jahreszeit relativ hoch ist, unterstützte diese Geometrie den automatisierten/gepumpten Wasserfluss zwischen den beiden Seiten und sorgte für einen Kühleffekt, da die Nordwand/das Norddach Wärme nach außen abstrahlte. Die Südseite wurde zum See hin mit Glaspaneelen ohne Verschattung gestaltet (wie in Abb. 8 dargestellt), was für dieses Klima unüblich ist. Die Innentemperatur wurde überwacht und die Pumpe verstärkte den Wasserfluss, wenn Kühlung erforderlich war. Das mechanische System gleicht die Strömung mit einem Ausdehnungspuffer im Wärmespeicher aus.

Für die Struktur des Pavillons wurde ein Vorhangfassadensystem verwendet, das aus strukturellen „Rahmen- und Füllungs“-WFG/WFS-Paneelen bestand. Der Stahlbaurahmen wurde vorgefertigt und vor Ort montiert. Nach Fertigstellung des Rahmens wurden die Füllplatten eingebaut. Die Glasfassade war fest und die natürliche Belüftung erfolgte durch Lüftungsöffnungen unter den Glasscheiben und oben (durch die Decke).

Wie Abb. 9 zeigt, war die Vorhangfassadenbauweise für die Montage von Vorteil, da es einfacher war, einen Spalt zwischen den Paneelen herzustellen. Dies stellte eine Herausforderung für die SIP-Methode dar, da die WFG-Paneele in WH01 auf Stahlkanälen platziert werden mussten, was zu Wärmebrücken führte, da die Dicke der Isolierung innerhalb des Spalts begrenzt war. Beim Vorhangfassadensystem wurden die Paneele direkt an einem Stahlkonstruktionsrahmen befestigt und konnten freier positioniert werden. Auch hinsichtlich der Belastungen erwies sich diese Lösung als idealer, da sich die Struktur- und Wasserschichten überlappten und die Platten von oben und unten abgestützt werden konnten, wie in Abb. 9 dargestellt.

4.1 STRUKTURELLE HERAUSFORDERUNGEN

4.1.1 Reaktion zwischen Wasser und Glas

Aufgrund seiner ästhetischen und thermischen Eigenschaften ist es für Glas von entscheidender Bedeutung, die Transparenz aufrechtzuerhalten. Glaskorrosion und Verschmutzung können sowohl auf den Außen- als auch auf den Innenflächen von WFG auftreten, insbesondere weil der Innenhohlraum nicht versiegelt, sondern an ein Wassersystem angeschlossen ist.

Die erste Gefahr besteht in der möglichen Ansammlung von Verschmutzungen auf der Glasoberfläche. Dies kann intern (durch verschmutztes Wasser) oder extern (an der Oberfläche der Hülle) verursacht werden. Ersteres ist wichtiger, da die Platte nicht von innen gereinigt werden kann. Darüber hinaus hätte jede Verschmutzung auch Auswirkungen auf den Wasserfluss, da der Abstandshalter und die Ventile ein potenzielles Angriffsziel für Verunreinigungen darstellen. Dies gilt insbesondere für die unteren Verbindungsstellen und den Abstandhalterbereich, wo die Verschmutzung in Zeiten ohne Wasserfluss dazu neigt, sich zu verlagern, was normalerweise in Zeiten ohne Sonneneinstrahlung und ohne angenehme Umgebungstemperatur der Fall wäre. Die Wassereinfüllung muss isoliert und gegen physikalische oder biologische Kontamination konditioniert werden.

Ein weiteres mögliches Problem ist Glaskorrosion, die in der geschlossenen Umgebung des Panels verstärkt werden kann. Statische wässrige Korrosion tritt typischerweise beim Einfüllen von Flüssigkeiten (z. B. beim Bau) oder beim Entfernen von Flüssigkeiten (z. B. Reparaturen, teilweiser Austausch, Systemausfälle) aufgrund der erhöhten Luftfeuchtigkeit innerhalb der Platte auf. Innenliegende Glasoberflächen sind ständig dynamischer wässriger Korrosion ausgesetzt, da das Glas in ständigem Kontakt mit Wasser steht. Für die Alkaliextraktion und die Bildung von Si-O-Bindungen sind pH-Werte über 9,0 erforderlich, daher ist die Kontrolle des pH-Werts unerlässlich. (Douglas & El-Shamy, 1967; El-Shamy, Morsi, Taki-Eldin & Ahmed, 1975)

4.1.2 Wasserverschmutzung

Aufgrund der Sichtbarkeit und Nachhaltigkeit ist die Wasserverschmutzung ein wichtiger Aspekt des Bauwerks. Da „Wasserhaus“-Gebäude einen großen Anteil an Wasser enthalten, ist es wichtig, eine Reinigungsmethode in Betracht zu ziehen, die eine Wasserverschmutzung vermeidet und material- und energieeffizient arbeitet, da niedrige graue Energie und Recyclingfähigkeit wesentliche Vorteile der Technologie sind.

Die wichtigsten Schadstoffe sind Krankheitserreger (z. B. Viren, Würmer und Bakterien), sauerstoffintensive Abfälle, wasserlösliche Schadstoffe und Nährstoffe (die das Wachstum von Algen und Pflanzen fördern). Zusätzliche Wärmespeicher und Rohrleitungen erschweren die Wasserhaltung.

4.1.3 Wasserleckage

Angesichts des hydrostatischen Drucks des Systems, der Einzelheiten des Verteilerrohrs mit Verbindungsventilen und der Entlüftungsventile stellt ein Wasserleck eine erhebliche Gefahr dar.

Der statische Druck der Paneele ergibt sich aus dem Gewicht und dem Druck der Wasserfüllung, der proportional zur Höhe und Breite der Paneele ist. Zusätzlicher Druck entsteht durch den Betrieb (Wasserpumpe) und dynamische äußere Lasten (z. B. Winddruck). Der Druck in den Paneelen spielt eine wichtige Rolle bei der Abdichtung, da die Materialien zur Wasserspeicherung große Ausdehnungen nicht aufnehmen können. Daher kann eine Undichtigkeit durch die Verformung des Glases verursacht werden.

Der zweite wichtige Faktor ist die Detaillierung des Kopfteils und der Verbindung zwischen den Glasschichten. Das Material des Sammelrohrs muss dem Wasserdruck standhalten, Korrosion und chemischen Einflüssen standhalten, eine durchgehende Strukturoberfläche zur Abdichtung bieten und die Ventile des Panels integrieren, ohne die Integrität des Gehäuses zu beeinträchtigen. Die Ventile des Systems sind aus zwei Gründen ein wichtiges Detail. Das erste Problem ist die Herstellung, da die bestehenden Glasproduktionstechniken für lineare und kontinuierliche Plattenkanten entwickelt wurden. Das zweite Problem ist der Anschluss der Ventile. Pfosten und Riegel werden bei Vorhangfassaden auf die Mindestgröße beschränkt und der Abstand zwischen den Glasscheiben liegt normalerweise zwischen 10 und 40 mm. Dieser begrenzte Platz stellt eine große Herausforderung für die Paneelmontage dar, insbesondere im Hinblick auf Wasserdichtigkeit und Verbindungen.

Die dritte Schwierigkeit bei der Wassereindämmung ist die Position und Funktionsweise der Entlüftungsventile, da diese Einheiten oben auf der Platte platziert werden müssen. Dies stellt eine Herausforderung dar, da die Entlüftungsventile während des Baus betriebsbereit sein müssen, da das Einfüllen von Wasser der letzte Schritt der Montage ist. Eine weitere Schwierigkeit könnte die Geometrie der Glasebenen sein, da eine Luftentfernung erforderlich ist. Die Hauptschwierigkeit dieser Ventile liegt jedoch in ihrer Zugänglichkeit und geringen Größe, was auf ein mechanisches Schließsystem statt auf ein automatisches schließen lässt.

4.1.4 Wasserdruck

Die Schätzung des Wasserdrucks für Flüssigglasstrukturen ist für den sicheren Betrieb und die Transparenz von entscheidender Bedeutung. Der tatsächliche Druck in der Glasscheibe ist eine Summe aus statischen und dynamischen Belastungen. Ersteres entsteht durch den hydrostatischen Druck und letzteres entweder durch externe Lasten (z. B. Wind) oder interne Lasten (z. B. Pumpe). Der Wasserdruck verändert die Belastung der Glasscheibe, da er dem Winddruck entgegenwirkt und den Windsog erhöht. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Gewicht des Wassers. Unter Berücksichtigung des Gleichgewichts zwischen Wärmeaufnahmekapazität und hydrostatischem Druck liegt die ideale Dicke für die Wasserschicht zwischen 15 und 20 mm (Chow & Lyu, 2017). Das sind etwa 15 bis 20 kg/m², was 25 bis 33 % oder 18 bis 25 % entspricht % Erhöhung für Doppel- bzw. Dreifachverglasung. Diese Erhöhung spielt eine wichtige Rolle für die Stabilität des Glases, da sie gegenüber seitlichen Kräften vorteilhaft ist, auf Kosten erhöhter vertikaler Belastungen.

Auch der hydrostatische Druck ist für die Sicht von Bedeutung. Die maximale Durchbiegung des Glases sollte unter 0,3 % gehalten werden, um eine Beeinträchtigung der Transparenz zu vermeiden. Angesichts der typischen Höhe von Vorhangfassadenanwendungen ist dies ein großer Nachteil. Das WFG-Design sollte dieser Einschränkung Rechnung tragen, indem es entweder ein ideales Breiten-Höhen-Verhältnis für die Paneele festlegt oder Geometrien vorschlägt, die bei gleicher Höhe in kritischen Bereichen geringere Breiten aufweisen.

4.1.5 Konstruktion

Obwohl WFG-Fenster und Vorhangfassaden anderen Glaskonstruktionsmethoden ähneln, gibt es einige wichtige Unterschiede, insbesondere das Problem des eingebetteten Wassernetzes und des Montageprozesses einschließlich der Flüssigkeitsfüllung.

Die Problematik von Wärmebrücken ergibt sich aus den eingesetzten Gelenkventilen zur Wasserzirkulation. Für die Positionierung der Ventile gibt es drei Möglichkeiten (dargestellt in Abb. 10):

Im Hinblick auf mögliche Wärmebrücken mussten folgende Aspekte berücksichtigt werden:

Basierend auf diesen Kriterien ist die erste die wünschenswerteste Option. Der wichtigste Risikofaktor ist das Einfrieren, das höchstwahrscheinlich auftreten kann, wenn das Wassernetz draußen liegt. Die zweite Sorge betrifft den Energieverlust des Rohrleitungsnetzes, was wiederum die erste Option vorzuziehen macht. Die erste Option hat auch eine bessere ästhetische Wirkung. Schließlich ist es auch besser für den Wasserfluss, da die Flüssigkeit vertikal in das Glas eintritt. Allerdings geht diese Lösung mit einem höheren U-Wert einher, da die Fugen den Rahmen durchdringen.

Der zweite Faktor ist die Größe des eingebetteten Wassernetzes. Die Rohre selbst können in die Konstruktion integriert werden (z. B. in Riegeln zur Erreichung der Gelenkventile). Die Schwierigkeit liegt im verfügbaren Platz zum Fügen, der durch die Größe der Strukturelemente, typischerweise 40–80 mm, begrenzt ist.

Die letzte Herausforderung besteht in der Konstruktion und Wartung, insbesondere unter Berücksichtigung der eingebetteten Verbindungsventile und der Lösung des Füllprozesses (einschließlich ausreichender Luftfreisetzung während des Prozesses).

4.1.6 Isolierung, Klima, Energie und Rentabilität

Die Isolierfähigkeit von WFG und die Anzahl der Glasschichten hängen vom Klima ab, ähnlich wie bei anderen Glaskonstruktionen: WH01 und WH02 verwenden dreifache oder doppelte Glasschichten für kontinentales und heiß-feuchtes Klima. Dies ist ein logischer Ansatz, wenn man bedenkt, dass WFG im Vergleich zu Standardglas einen ebenso großen U-Wert-Bereich aufweist, wie in Tabelle 4 und Tabelle 5 gezeigt. Allerdings wird WFG auch als Kühl-Heiz-Gerät verwendet und seine Effizienz wird ohne externe Isolierung beeinträchtigt. Dies macht den dreischichtigen WFG ideal, da die Außenisolierung die Heiz-/Kühlleistung im Innenbereich aufrechterhalten kann. Auch zur Absorption ist die innere Wasserschicht einer äußeren vorzuziehen (Sierra & Hernández, 2017). Schließlich kann eine dritte Glasschicht den U-Wert verbessern und so weitere Energieeinsparungen ermöglichen. Unsere Berechnungen zum wirtschaftlichen Wert von Energieeinsparungen haben gezeigt, dass das System erhebliche Energieeinsparungen von bis zu 3-13 US-Dollar/m2a ermöglicht, was selbst für die Dreifachverglasungsoption einen wettbewerbsfähigen Return-on-Investment (ROI) bietet. insbesondere für große Gebäude (Gutai & Kheybari, 2020). Auch wegen der thermischen Belastung der Glasscheiben, die bei Wärmeaufnahme auftreten kann, ist die dritte Schicht ideal.

Neben der Isolierung spielen Beschichtungen, insbesondere Low-E-Beschichtungen, eine große Rolle für die Leistungsfähigkeit von WFG. Genau wie bei der Isolierung ist das Klima ein wichtiger Faktor bei der Auswahl und Anzahl von Low-E-Beschichtungen. Wie oben für WH01 dargestellt, profitieren Klimazonen mit Heizbedarf von Low-E entweder auf der Oberfläche Nr. 2 oder Nr. 3, wodurch die Absorption sowohl im Sommer als auch im Winter maximiert würde.

Schließlich sollte für jedes Klimaszenario die Präferenz für Absorption oder Isolierung berücksichtigt werden. WFG verfügt über einen breiten U-Wert-Bereich (U = 2,9 – 6,34). Die wichtigsten Optionen sind unten in Tabelle 4 aufgeführt. Dadurch besteht die Möglichkeit, WFG-Platten auf Dämm- oder Absorptionsbasis zu konstruieren. WFG kann auf bestimmte Klimazonen zugeschnitten werden, was relevant ist, da in tropischen Klimazonen die Absorption einen stärkeren Einfluss auf den Energieverbrauch hat als die Isolierung (Bui et al., 2017).

4.2 MÖGLICHE LÖSUNGEN UND KONSTRUKTIONSMETHODEN FÜR WASSERFESTGEBÄUDEHÜLLEN

4.2.1 Glasbeschichtung und Wasseraufbereitung

Die Prototypentests und die Gebäude haben gezeigt, dass das Risiko von Verschmutzung und Korrosion durch die Kontrolle des chemischen Zustands des Wassers wirksam angegangen werden kann. Um einen stabilen Wasserzustand aufrechtzuerhalten, musste das Wasser in einem geschlossenen Kreislauf gehalten werden. Der einfachste Weg, dies zu erreichen, bestand darin, einen geschlossenen Kreislauf aus verbundenen Paneelen mit einem Minimum an Wasserleitungen einzurichten, der über einen Wärmetauscher mit dem Rest des mechanischen Systems verbunden ist. Zusätzlich zum Wärmetauscher erfordert der geschlossene Kreislauf eine Pumpe für den induzierten Durchfluss und einen Filter, um mögliche Verunreinigungen in der Flüssigkeit aufzufangen. Bei den hier vorgestellten Wasserhäusern wurden diese zwischen der Pumpe und den Paneelen platziert, idealerweise kurz vor dem Wassereinlassventil.

Glaskorrosion und Glasabbau sind in der Regel ein langsamer Prozess, und obwohl L. Robinet feststellte, dass der Zersetzungsprozess durch den Einfluss von Schadstoffen relativ schnell (Jahrzehnte) ablaufen kann, ist dies immer noch ein langer Zeitraum, um ihn als besorgniserregend zu betrachten. Der ermittelte Zeitraum ist auch größer als die Lebensdauer von Glasfassaden (Robinet, Coupry, Eremin & Hall, 2006). Allerdings erfolgt die Bildung des Silica-Films viel schneller und ist aufgrund seiner Auswirkung auf die Transparenz ein wichtigeres Thema. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Prozess zu vermeiden oder zu verlangsamen. Die Verwendung von hydrolytischem Glas (Typ I.) mit hoher Wasserbeständigkeit (z. B. Borosilikatglas) kann das Risiko einer Verwitterung verringern. Auf die Glasoberfläche aufgebrachte Beschichtungen könnten ebenfalls ausreichenden Schutz bieten, wie das von K. Kamitani entwickelte Sol-Gel (Kamitani & Teranishi, 2003) oder die wasserabweisende Glasbeschichtung von A. Matsuda (Matsuda, Matsuno, Katayama, & Tsuno, 1989)

Darüber hinaus können die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Wassers die Wasserkorrosion beeinflussen. RB Ellestad und II Ostroushko stellten den Zusammenhang zwischen Temperatur und Glaskorrosion fest (US 2 516 109, 1950; Ostroushko, Filipova & Ignateva, 1962). RW Douglas ging davon aus, dass die Korrosionsrate unabhängig vom pH-Wert von 1 bis 9,8 ist (Douglas & El-Shamy, 1967) und El-Shamy wies darauf hin, dass eine höhere pH-Rate zu einer erhöhten SiO2-Freisetzungsrate führt (El-Shamy et al., 1975). . Sanders et al. stellte ein Modellprofil für Korrosion vor, um verschiedene Arten binärer Gläser zu vergleichen, und diskutierte die Auswirkungen der Korrosionstemperatur auf die Oberflächengelbildung (Sanders & Hench, 1973). Schließlich haben A. Tournié et al. stellte die „Gelbildung“ während der Korrosion in Frage und wies auf die Wirkung von Basen- und Säureangriffen mit siedendem NaOH hin, die als Auflösung ohne strukturelle Veränderungen gekennzeichnet ist (Tournié, Ricciardi & Colomban, 2008). Basierend auf den durchgeführten Untersuchungen kann festgestellt werden, dass Glaskorrosion wirksam vermieden werden kann, wenn das Wasser auf einer idealen (Raum-)Temperatur und einem idealen pH-Wert (unter 9,8) gehalten wird, um Witterungseinflüsse und Verschmutzung zu minimieren. Diese Strategie funktionierte auch effektiv für WH01 und WH02.

4.2.2 Wasserverschmutzung

Wasserverschmutzung ist aufgrund ihrer ästhetischen Auswirkungen und der möglichen Verstopfung der Rohre ein wichtiger Aspekt. Die Dicke der Wasserschicht in WFG liegt zwischen 15 und 20 mm, was die Fugenklappe einschränkt und die Verschmutzung zu einem erheblichen Faktor macht. Da sich das Wasser in einem geschlossenen Kreislauf befindet, sind die Hauptbelastungsfaktoren biologische Verunreinigungen und nicht lösbare Schadstoffe. Letzteres kann durch einen Filtermechanismus, der zwischen der Platte und der Pumpe platziert wird, wirksam behoben werden. Je nach Wärmelast arbeiten WFG-Panels mit induzierter oder automatischer Strömung. Der automatische Durchfluss ist viel langsamer und kann durch den Filter selbst blockiert werden, was bedeutet, dass Filter und Pumpe parallel zum geschlossenen Kreislauf als alternativer Weg installiert werden müssen, der nur aktiv ist, wenn die Pumpe eingeschaltet ist, wie in gezeigt Abb. 11. Aufgrund der notwendigen Filterung muss die Pumpe regelmäßig eingeschaltet werden, auch wenn die Wärmebelastung dies nicht erfordert.

Die wirksamste Lösung gegen biologische Kontamination ist die UV-Filterung, da sie keine negativen Auswirkungen auf Wasserleitungen, Glas oder Abdichtungen hat. UV ist wirksam gegen alle im Wasser vorkommenden Krankheitserreger: Viren und Bakterien, insbesondere Legionellen (Hijnen, Beerendonk & Medema, 2006). Z. Liu betonte auch die Bedeutung des Filters, der idealerweise in der Nähe der unmittelbaren Wasserquelle platziert werden sollte (Liu et al., 1995). Dies deutet auf ein verteiltes Filtersystem anstelle eines zentralen (dh in einem Wassertank) hin, was bei Water House-Projekten der Fall war.

4.2.3 Wasserdichtigkeit und Abstandhalter

Der konstante Wasserdruck in der Platte würde eine doppelte Dichtungslösung für die Platte erfordern, die bei Isolierglas vorherrschend ist. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass sie sich an aktuelle Fertigungstechniken anpassen lässt und den Druck effektiver bewältigen kann, da Primärdichtstoffe ein geringes Ausdehnungsvermögen haben. Das verwendete Material und die Technik des primären Dichtmittels hängen auch vom Abstandhalter ab.

Abstandshalter für die Wasserschicht könnten Rohre oder Rahmen sein. Ersteres hat den Vorteil, dass es sich leicht biegen, schneiden oder verkanten lässt, was für die Wassereindämmung wichtig ist, wenn eine durchgehende Strukturoberfläche unerlässlich ist. Rahmen haben jedoch den Vorteil, dass sie eine stabile und ebene Oberfläche für die Wasserabdichtung bieten, was bei Flüssigglas angesichts des auftretenden Wasserdrucks wichtiger ist. Abstandshalter können aus Stahl oder Aluminium bestehen. Die hier vorgestellten Fallstudienprojekte basieren auf Letzterem, da Glas-Aluminium-Verbindungen branchenüblich sind und das Material darüber hinaus den Vorteil hat, korrosionsbeständig zu sein.

Der sekundäre Dichtstoff ist für die Integrität der Glasdecke von entscheidender Bedeutung. Seine Hauptfunktion besteht darin, das Eindringen von Feuchtigkeit in die Struktur zu verhindern. Bei Flüssigglasscheiben muss das sekundäre Dichtmittel auch in der Lage sein, das primäre Dichtmittel vor einer Verformung des Glases zu schützen. Dies erfordert eine größere Dicke als üblich, was bedeutet, dass sowohl Primär- als auch Sekundärdichtungen dem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Dies hat sowohl ästhetische als auch strukturelle Auswirkungen, da die Dichtungen sichtbar werden und UV-Strahlung ausgesetzt werden können.

4.2.4 Glasdicke

Für die Berechnung der Glasdicke des Bauwerks ist die Ermittlung konstanter und dynamischer Querlasten auf die Glashülle unerlässlich. Die Forschung verwendete zwei Testreihen, um zwei Variablen zu bestimmen: den Einfluss des hydrostatischen Drucks (Einfluss der Höhe) und der Wasserdicke (Einfluss des Wasservolumens).

Der Wasserdruck wurde mit einem Lastmodell simuliert, bei dem das Wassergewicht als gleichmäßige Last verwendet wurde und ein gleichmäßiger Druck in der Platte angenommen wurde. Dieses Modell wurde in der Glastik-Software simuliert, wobei eine bestimmte Windlast verwendet wurde, die dem Wasserdruck entsprach. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt. 13 - 14. Die Simulation wurde mit den in Abb. 12 gezeigten Prototypentests validiert. Es wurde Verbundglas mit einer Dicke von 8, 10 und 12 mm getestet. Die für WH02 verwendeten Platten hatten eine Größe von 820 x 1800 mm. Die Verformung betrug etwa 6 mm, wie in Abb. 13 dargestellt. Dies war sowohl hinsichtlich der Struktur als auch der Sichtbarkeit akzeptabel (maximal 0,3 %).

Die zweite Reihe von Labortests wurde durchgeführt, um den Einfluss der Wasserdicke zu bestimmen. WFG wurde horizontal gegen vertikale Last in der Mitte der Glasebene platziert, wie in Abb. 15 gezeigt. Diese Installation hatte den Vorteil, dass der Wasserdruck als Variable eliminiert wurde. Es wurden zwei Prototypen getestet, mit und ohne Wasser. Die Platten hatten unterschiedliche Wasserdicken, wie in Tabelle 5 gezeigt. Die Ergebnisse sind in Abb. 15 dargestellt. Sie zeigen eine geringere Durchbiegung für die Außenebene im gefüllten Zustand, aber eine höhere Durchbiegung auf der Innenseite der Platte. Dies deutet darauf hin, dass die Last im WFG durch die flüssige Füllung besser verteilt wird. Insgesamt zeigte die Durchbiegungsrate im gefüllten Zustand keinen signifikanten Anstieg, was darauf hindeutet, dass weder der Wasserdruck noch die Fülldicke die Lebensfähigkeit des WFG kritisch beeinträchtigen würden. Die Lastablenkungsrate ist bei BG aufgrund seiner größeren Größe und Wasserdicke viel höher, was den Querschnitt und die Festigkeit des Abstandhalters erhöht.

4.2.5 Konstruktion: Rahmen, Detaillierung, Füllung, Luftablass

Die erste Herausforderung beim Bau ist die Detaillierung der Fluidpaneele, da Wasserleitungen und Verbindungsventile in die Struktur der Vorhangfassade eingebettet werden müssen. Es gibt zwei Arten von Rohrnetzen: eines für den automatischen Durchfluss und eines für die Pumpe. Letzterer verfügt über Vor- und Rücklaufleitungen, die separat an jede Schleife angeschlossen werden. Diese Rohre können in Pfosten und Riegeln oder einfach unter/über dem Paneel in einer Lücke platziert werden, wie in Abb. 1 und Abb. 20 gezeigt. Dieser Ansatz wurde für beide Wasserhausprojekte für WFG-Paneele verwendet. Im Fall von WFS waren die Details anders, um den spezifischen Klima- und Isolierungsanforderungen Ungarns und Taiwans gerecht zu werden. Für WH01 wurden die Paneele als SIP-System gebaut und die Wasserschicht am Strukturkern befestigt. Im Fall von WH02 benötigten die undurchsichtigen Paneele keine Isolierung und die Wasserstahlpaneele hatten eine ähnliche Dicke wie die Glaseinheiten. Die tragende Struktur war ein Stahlrahmen, der wie in den Abbildungen gezeigt zwischen den Platteneinheiten platziert wurde. 18 und 19.

Wie in den Abschnitten (Abb. 19) gezeigt, ist aus struktureller Sicht die Rahmen- und Füllungslösung idealer, da die Lasten entlang der Mittelachse des Strukturrahmens gehalten wurden und die Wartungslücken zwischen den Paneelen problemlos erreicht werden konnten. Im Fall von WH01 war dies nicht möglich, da die Isolierung im Vordergrund stand und die Wasserschicht als zusätzliche Schicht auf der Innenseite der tragenden Platten angebracht wurde. Diese Lösung war aus struktureller Sicht nicht ideal, aber für eine ordnungsgemäße Isolierung des Wartungsspalts erforderlich, der den Zugang zu den flexiblen Verbindungen zwischen den Paneelen und den Verteilerrohren ermöglichte, die jeden Kreis mit dem mechanischen Hauptsystem verbinden. Diese Lücken sind zwischen den Platten in Abb. 1 (unten) und Abb. 20 (oben) sichtbar.

Die Abschnitte in Abb. 19 und die Details in Abb. 1 zeigen auch, dass die SIP-Strukturmethode eine bessere Wärmedämmung bietet, da der Stahlabstandshalter, der den Spalt zwischen den Paneelen herstellt, sowohl von innen als auch von außen isoliert werden kann, was die SIP-Optionen zu einem macht effektivere Bauweise für WFG in heizungsdominierten Klimazonen.

Die zweite Herausforderung beim Bau ist der Füllprozess und die Luftableitung aus den Paneelen. Die Lösung hierfür hängt wiederum von der Position der Tragstruktur ab, da die Flüssigkeitsfüllung erfolgt, wenn die Struktur bereits zusammengebaut ist. Bei einer typischen Vorhangfassadenkonstruktion liegen die Riegel und Pfosten hinter der Glasfläche, so dass die Entlüftungsklappe nur von außen zugänglich ist. Bei der SIP-Option können die Ventile wahlweise nach innen oder außen ausgerichtet werden, da zwischen Glas und Dach/Decke ein Spalt besteht. Idealerweise ist die zweite Option vorzuziehen, wie in Abb. 20 dargestellt.

4.2.6 Energie und Klima

Die Bestimmung der Wirtschaftlichkeit einer Flüssigglasstruktur ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere unter Berücksichtigung unterschiedlicher Klimazonen. Basierend auf der Überwachung von WH01 und WH02 und Prototypentests führten die Autoren eine globale Simulation für WFG-Fassaden für 13 Städte in allen Köppen-Geiger-Klimaregionen durch (Gutai & Kheybari, 2020). Die Forschung kam zu dem Schluss, dass das System in jeder Klimaregion mit Ausnahme des Polarklimas lebensfähig ist. Die Forschung bewertete jedes Klima und überlegte, ob Absorption oder Isolierung Vorrang haben sollte, da dies sowohl von der Temperatur als auch von der Strahlung abhängt. Die Studie teilte die Städte je nach verwendetem Energiemodell in vier Klimagruppen ein: Absorptions-, Zwischen-, Hybrid- und Isolierungsmodell. Der erste Fall liegt vor, wenn die Energieeinsparungen nur auf der Absorption basieren (fast kein Heizbedarf).

Der zweite Fall liegt vor, wenn ein Wärmebedarf besteht und der Verlust des U-Werts den Energieverbrauch für die Heizung erhöht, die verbesserte Absorption aber insgesamt immer noch zu mehr Energieeinsparungen führt. Drittens ist die Energiebilanz nur dann positiv, wenn der Solargewinn gespeichert und während der Heizperiode wiederverwendet wird. Die vierte Gruppe sind isolierungsbasierte Regionen, bei denen es sich um heizdominierte Gebiete handelt. Die Simulation lieferte zwei wichtige Ergebnisse: 1) WFG ist sowohl unter heißen als auch unter kalten Bedingungen lebensfähig und; 2) Die Energieeffizienz von Glasgebäuden kann allein durch eine Verbesserung der Absorption gesteigert werden, auch wenn dies auf Kosten eines höheren U-Werts geht. Die Energieeinsparungen lagen je nach Klima zwischen 54 – 72 % im Vergleich zu Doppelverglasung und 34 – 61 % im Vergleich zu Dreifachverglasung, wie in Abb. 22 dargestellt.

Als entwickelte Konstruktionssysteme informierten WH01 und WH02 das Simulationsmodell hinsichtlich des strukturellen Aufbaus und testeten das mechanische System. Im Fall von WH01 nutzte das Gebäude einen Wärmespeicher und eine reversible Wärmepumpe, um das Wasser lokal zu erwärmen oder zu kühlen und die Wassertemperatur auf einem Komfortniveau zu halten. Abb. 21 zeigt WH02, das das gleiche System hatte, aber hauptsächlich zur Kühlung eingesetzt wurde.

Bezüglich Energieverbrauch und Klima ist zu beachten, dass die Wirkung einer Außendämmung (dritte Glasscheibe und eine Argonschicht) davon abhängt, ob das Wasser gekühlt/erwärmt oder nur zur Absorption genutzt wird. Im letzteren Fall können 2 Glasschichten mit Wasser ausreichend sein. Diese Art von Wasserglas wurde in früheren Forschungsprojekten analysiert und für WH02 verwendet. Der Hauptgrund für diese Lösung war, dass das Gebäude aufgrund des Klimas der Stadt Taichung die meiste Zeit des Jahres keine Heizung benötigt.

Wenn jedoch geheizt werden muss, ist eine Außendämmung ideal. Dies war bei WH01 der Fall. Dies verbesserte die Energiebilanz der Hülle und schützte die Wasserfüllung bis zu einem gewissen Grad vor dem Einfrieren, indem sie aufgrund ihrer Isolierfähigkeit die Innentemperatur auf einem höheren Niveau als die Außentemperatur hielt.

Ein ähnliches Problem trat bei der Gestaltung der Glasbeschichtung auf. Bei Klimazonen mit überwiegender Heizlast kann eine Low-E-Schicht die Aufnahme der Wasserschicht erhöhen. Dies wurde mit WH01 getestet und rechtfertigte auch den Einsatz einer zweiten Glasscheibe, die gleichzeitig als Schutz für die Außenbeschichtung fungierte.

Die Eigenschaften des WFG und des Standardglases, die als Basisfall in der Simulation verwendet wurden, sind in Tabelle 5 dargestellt. Insgesamt zeigte das System in jeder bewohnten Klimaregion (jedem Klima außer Polar) erhebliche Energieeinsparungen, wie in Abb. 22 dargestellt.

Die experimentellen Gebäude zeigten, dass ein „Wasserhaus“-Konstruktionssystem eine praktikable Lösung ist und die potenziellen Probleme beim Bau der WFG-Hülle durch Folgendes wirksam angegangen werden können:

Die beiden Gebäude untersuchten unterschiedliche Montageoptionen: WH01 verwendete Structure Insulated Panel (SIP) und WH02 verwendete eine Rahmen- und Füllplattenmethode. Nach dem Bau wurde ihre Leistung analysiert und es können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:

Beide Konstruktionsoptionen haben ihre Vorzüge und könnten an jedem Standort implementiert werden. Allerdings bietet SIP aufgrund ihrer Vor-/Nachteile bei der Isolierung mehr Vorteile in kälteren Klimazonen und Rahmen + Füllung für heiße Klimazonen.

Auswirkungen von WFG im Bauwesen

Die WFG-Technologie wird hier anhand von zwei Gebäuden vorgestellt, die die ersten Beispiele für verbundene Wassergebäudehüllen sind. Der wichtigste Unterschied zwischen einer solchen Hybridhülle und Massivkonstruktionen besteht darin, dass Energie erfasst und innerhalb der Hülle zwischen Gebäudeteilen mit unterschiedlicher Exposition (z. B. Nord- und Südfassade oder untere und höhere Stockwerke) verteilt werden kann. Dieses Potenzial ist ein besonderes Merkmal dieser Montagemethode (genannt „Wasserhaus“-Konstruktion), die WH01 und WH02 von massiven Gebäuden oder anderen Wasserglas-Forschungen unterscheidet, die sich auf ein einzelnes Fenster konzentrieren. Die Bedeutung des Wasserhausbaus ist:

Vorschläge für zukünftige Forschung:

Die aktuellen Erkenntnisse legen mehrere wichtige Forschungsfragen nahe. Die Überwachungsergebnisse des geschlossenen Wasserkreislaufs in Wasserhäusern legen nahe, dass der autonome Wasserfluss eine wichtigere Rolle für den thermischen Komfort und die Energieeinsparungen von Wasserhausprojekten spielen kann. Dies wurde mit WH02 getestet. Dies sollte durch zukünftige Forschungsbemühungen ermittelt werden. Es besteht Bedarf an weiteren Untersuchungen zu verschiedenen Optionen für Beschichtungen und Glasscheiben weltweit mit Energiesimulation; Insbesondere in Bezug auf Maßstab, WWR und Klima würde es dabei helfen, je nach Funktion und Standort des Gebäudes effektive Betriebsszenarien für Wasserhäuser zu entwickeln.

Dieses Forschungsprojekt war eine Zusammenarbeit von Loughborough, Tokio, und der Feng Chia University und wurde vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie in Taiwan unterstützt (MOST ID 106-2218-E-035-003). Die Autoren bedanken sich für die kontinuierliche Unterstützung der am Bauprozess beteiligten Unternehmen: Jüllich Glas in Ungarn und Hesung Ltd in Taiwan für ihre großzügige und kontinuierliche Unterstützung.

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