Projekt 12751/01

Planungshilfe für Kühl- und RLT-Anlagen

Projektdurchführung

ForschungsgesellschaftHeizung-Lüftung-Klimatechnik Stuttgart mbH
Pfaffenwaldring 6a
70569 Stuttgart

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im genannten Vorhaben sollen die Grundlagen für eine detaillierte Betrachtungsweise thermisch-akivierter Systeme mit Simulationsprogrammen geschaffen werden. Dazu bedarf es eines Gesamtmodells, das neben dem Gebäude und der Nutzung alle relevanten Einflüsse an den Komponenten der Raumklimatechnik sowie der Wärme- und Kälteerzeugung umfasst. Bei der bedarfsgerechten Übergabe von Wärme bzw. Kälte an den Raum vernachlässigen existierende Simulationsmodelle, gerade im Bereich der Bauteilaktivierung, wesentliche Einflussfaktoren und können daher nur zur Betrachtung von Teilbereichen herangezogen werden. Dies hat zur Folge, dass der Einfluss auf den Energieaufwand, der gerade bei dynamischen Heiz- und Kühlsystemen kontrovers diskutiert wird, seither nicht aufgezeigt werden konnte. Ein Schwerpunkt des Vorhabens ist daher, die vorhandenen Modelle im Bereich der Nutzenübergabe entsprechend zu ergänzen und in einem Gesamtmodell zusammenzufassen. Damit ist es im Hinblick auf die Betriebsoptimierung möglich, die Teilsysteme optimal aufeinander abzustimmen und einen energieeffizienten Betrieb zu ermöglichen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenVoraussetzung für die Entwicklung innovativer Konzepte ist eine integrale Betrachtungsweise aller relevanten Teilsysteme in einem Gesamtsystem. Dazu gehört das Gebäude (Speichermasse, Wärmeschutz usw.), die Nutzung (Anwesenheit, innere Lasten usw.), die jeweiligen Komponenten der Raumklimatechnik (Heiz-, Kühldecken, Raumregler, Luftdurchlässe usw.) sowie die regenerative Wärme- und Kälteerzeugung. Erst wenn die verschiedenen Teilmodelle in ein Gesamtmodell eingefügt sind, lassen sich verschiedene Lösungskonzepte hinsichtlich ihrer energetischen Eigenschaften und Behaglichkeit vergleichend gegenüberstellen. Dazu werden geeignete Simulationsmodelle eingesetzt, welche die besonderen Eigenschaften thermisch aktivierter Flächen in hochgedämmten Bürogebäuden berücksichtigen. Im Bauvorhaben des Kooperationspartners besteht die Möglichkeit, das entwickelte Simulationsmodell auf seine Praxistauglichkeit zu prüfen. Nach erfolgreicher Kalibrierung werden verschiedene Optimierungsstrategien zur Regelung, Betriebsführung am Rechner entwickelt und nach deren Umsetzung in der realen An-lage messtechnisch ausgewertet. Damit ist es möglich, die verschiedenen Teilsysteme optimal aufeinander abzustimmen und eine energieeffiziente Betriebsweise der gesamten Anlage mit hoher Nutzerakzeptanz zu gewährleisten. Die einzelnen Teilschritte werden dokumentiert und in den zugehörigen Berichten an den Fördermittelgeber zusammengefasst.


Ergebnisse und Diskussion

Das neu entwickelte Rechenmodell einer Heiz- und Kühldecke ermöglicht es, die Thermikströmung an Fenstern sowie den Einflussbereich von Luftauslässen auf den konvektiven Wärmeübergang zu quantifizieren. Aufbauend auf den Teilmodellen zur Nutzenübergabe wird ein Gesamtmodell erstellt, auf dessen Basis vielfältige Optimierungsrechnungen durchgeführt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass gerade bei der Nutzenübergabe von aktivierten Bauteilen ein erhebliches Einsparpotenzial besteht, das je nach An-wendungsfall, über ein schnelles Zusatzsystem und eine geeignete Speicherstrategie erschlossen werden kann. Ein besonderer Augenmerk gilt hier der thermischen Behaglichkeit, die sich vor allem im Winter durch Sollwertüberschreitungen beim Auftreten von hohen Fremdwärmeanteilen bemerkbar machen. Im Bereich der regenerativen Wärmeerzeugung liegt der Betrachtungsschwerpunkt auf den Systemkomponenten zur Verteilung, der Wärmepumpe und dem Sondenfeld. Gut erkennbar ist der Einfluss un-terschiedlicher Systemtemperaturen von Teilkomponenten sowie die sich ändernde Speichertemperatur im Erdreich, was sich vor allem auf die erforderliche Verdichterleistung für den Temperaturhub an der Wärmepumpe auswirkt.
Sowohl die durchgeführten Parameterstudien als auch die gemessenen Verbräuche zeigen, dass eine Systemkombination aus Bauteilaktivierung und schnellreagierendem Zusatzheizsystem deutliche Vorteile gegenüber traditionellen Methoden aufweisen, wenn ein Großteil der benötigten Wärme der Umgebung entnommen und die regenerative Quelle auch zum Kühlen genutzt werden kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die wesentlichen Erkenntnisse werden aufbereitet und in Vorlesungen an der Universität Stuttgart sowie in Workshops an Studierende und Fachplaner weitergegeben [Tre05b], [Bau04d], [Sch04]. In direktem Zusammenhang mit dem Forschungsvorhaben sind 6 Studien- und Diplomarbeiten entstanden, die im Literaturverzeichnis separat aufgeführt sind [Ger02], [Lan02], [Bur03], [Ank03], [Aro05]. Besonders erwähnenswert ist die Studienarbeit von Herrn Burkard, die 2003 mit dem Albert-Tichelmann-Preis ausge-zeichnet wurde [Bur02]. Neben der reinen Lehre wurde eine Vielzahl von Vorträgen bei unterschiedlichen Veranstaltungen gehalten [Nie01], [Nie02], [Oes02a], [Oes02b], [Tre02], [Bau03], [Mös03], [Bau04a], [Bau04b],[Mös04], [Tre04], [Nie05], [Tre05a]. Zusätzlich sind am Lehrstuhl für Heiz- und Raumlufttechnik und vom Projektpartner mehrere Publikationen zu diesem Thema erschienen [Nie02], [BNK01], [Tre02], [BT02], [Bau03], [Bau04c], [Bur04]. Zu den Fachzeitschriften gehören unter anderem HLH als Zeitschrift des VDI-Verlags, CCI Infosystem Gebäudetechnik als Fachzeitung zu den Themen der technischen Gebäudeausrüstung und Energieanwendung, DBA das Deutsches Architekten Blatt, Xia intelligente Archi-tektur als Zeitschrift für Architekten und Technik und ein aktueller Beitrag zur Bauteiltemperierung in dem Buch Bürogebäude der Zukunft[VT05].


Fazit

Mit zeitlicher Verzögerung konnten die Ziele des Vorhabens erreicht werden. Damit ist es gelungen, wesentliche Erkenntnisse zum Betriebsverhalten von bauteilaktivierten Systemen zu ermitteln und in der eingeführten Bewertungssystematik über Aufwandszahlen bereitzustellen [VDI2067-20].