Untersuchung geeigneter Regelungsstrategien für thermisch aktive Decken in Bürogebäuden mit Hilfe der Computersimulation und dem Ziel der Nutzung von Umweltenergie

Inhalt

2 Häufig verwendete Formelzeichen¹

3 Einleitung
3.1 Aktueller Stand in der Literatur

4 Aufgabe

5 Methode
5.1 Untersuchungsobjekt
5.2 Zu untersuchende Varianten
5.3 Neue Regelungsstrategie
5.4 Das Simulationsprogramm TRNSYS
5.5 Grundlagen der Rechenverfahren des Simulationsprogramms TRNSYS
5.6 Der Heizfall
5.7 Der Kühlfall
5.8 Langzeitbewertung thermischer Behaglichkeit
5.9 Erforderliche Pumpenantriebsleistung

6 Diskussion der Ergebnisse
6.1 Überprüfung der Raumtemperatur zum Zeitpunkt maximaler Kühllast
6.2 Gebäudekonstanten
6.3 Vergleich zwischen 6 und 9 cm Betonunterdeckung
6.4 Auswertung Modell Hauser
6.5 Getaktete Pumpenlaufzeiten (Varia01 und Varia01a)
6.6 Systemlaufzeit außerhalb der Nutzungszeit (Varia02)
6.7 Regelung der Vorlauftemperatur nach neuer Regelungsstrategie (Varia08)
6.8 Regelung nach einer mittleren Temperatur (Varia09)
6.9 Deckung des Kühlkältebedarfes allein über Grundwassernutzung (Varia07)
6.10 Einfluß durch Entfernen der Trittschalldämmung (Varia03)
6.11 System mit jahreszeitlich konstanter Vorlauftemperatur (Varia04)
6.12 Systemverhalten unter extremen Wetterbedingungen

7 Zusammenfassung und Ausblick
7.1 Weitere Fragestellungen

8 Literatur

9 Anhang

Vorwort

Ich bedanke mich bei allen, die mir während der Bearbeitung des Themas mit Tipps und Ratschlägen geholfen haben, die Arbeit auf Fehler und Unklarheiten hin durchgesehen haben, oder einfach nur bei der Darlegung von Problemen zugehört haben.

Ich versichere, daß ich diese Diplomarbeit mit Ausnahme der in Abschnitt 8 genannten Literatur selbständig und ohne fremde Hilfe angefertigt habe.

Essen, den 21.03.1999

2 Häufig verwendete Formelzeichen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten²

3 Einleitung

Thermisch aktive Decken können als Sonderfall der bekannten Flächenheiz- und - kühlsysteme wie Fußbodenheizung und Kühldecke verstanden werden. Hauptkomponente sind wie dort in Decken, Böden oder Wänden eingebaute, wasserführende Rohrregister. Der Unterschied besteht jedoch darin, daß die Rohre nicht dicht unter der Oberfläche ver- legt werden, sondern zwischen oberer und unterer Bewehrung in der Betonschicht. Dadurch wird die speichernde Masse des Gebäudes relativ gleichmäßig temperiert. Durch diese Speicherwirkung ist es möglich, tages- und jahreszeitlich auftretende Lastspitzen sowohl im Kühl- als auch zunehmend im Heizbetrieb zu dämpfen und einen Teil der anfal- lenden Lasten in der Gebäudemasse zu speichern. Die Einsatzmöglichkeit für den Heizbe- trieb hängt aufgrund der niedrigen möglichen Wärmeabgabe der Bauteile eng mit der Wärmedämmung des Gebäudes zusammen, hier sind jedoch in Zukunft weitere Verbesse- rungen zu erwarten.

Die zwischengespeicherte Energie kann in Zeiten außerhalb der Betriebszeit unter Ausnutzung der energetisch günstigen Nachttemperaturen abgeführt werden.

Durch diese Dämpfung und Vergleichmäßigung der Lasten können gebäudetechnische Anlagen kleiner und energetisch günstiger ausgelegt werden.

Die Thermisch aktive Decke ist ein System zur Temperierung von Gebäuden mit relativ niedrigen Heiz- und Kühllasten und relativ konstanten inneren Lasten. Plötzliche Schwan- kungen von inneren und äußeren Klimaeinflüssen können nur sehr langsam ausgeglichen werden.

Das Problem der schwankenden äußerlichen Einflüsse läßt sich durch bauliche Maßnahmen weitgehend beheben. Hierzu zählen insbesondere ein guter Wärmeschutz sowie ein flexibler und schneller außenliegender Sonnenschutz.

Ob sich ein Gebäude für den Einsatz eines thermisch aktiven Bauteilsystems eignet, ist bereits im Vorfeld der Planung mit allen Beteiligten zu klären.

Es ist mit thermisch aktiven Bauteilen nicht möglich, einen definierten Raumzustand exakt einzuhalten, wohl jedoch eine gewisse Bandbreite, die im Normalfall den Anforderungen der meisten Benutzer über einen weiten Zeitraum des Jahres genügt. Auch bei höheren Anforderungen muß nicht auf den Einsatz der Bauteile verzichtet werden, da sich dann eine Grundlast durch das Bauteilsystem und die Spitzenlast durch ein zusätzliches, schnel- les System abdecken läßt.

Durch die niedrigen Heiz- bzw. hohen Kühlmedientemperaturen eignen sich thermisch aktive Bauteilsysteme besonders für den Einsatz von Umweltenergie wie thermische Solarenergienutzung, Erdwärmespeicher, Grundwassernutzung, Wärmepumpentechnik, etc., aber auch für die Nutzung von Prozeßwärme.

3.1 Aktueller Stand in der Literatur

3.1.1 Allgemeines

Ungefähr Mitte der 80er Jahre begannen die Schweizer in verschiedenen Kantonen restrik- tive Energieeinsparungsgesetze zu erlassen. Es könne nicht länger hingenommen werden, daß neue Gebäude mit immer mehr Glaskonstruktionen gebaut würden, die nur noch durch den konzentrierten und energieintensiven Einsatz von Gebäudetechnik und hohen Luft- wechselraten thermisch beherrschbar seien. MEIERHANS schildert hierzu in[17] die Entwicklung von einer rein restriktiven zu einer zielorientierten Gesetzgebung. Zum Bei- spiel dürfen nur noch 80% der notwendigen Heiz- und Kühlenergie durch herkömmliche Energieträger gedeckt werden, die restlichen 20% müssen entweder durch den Einsatz re- generativer Energien oder durch Einsparungen im Bereich der Gebäudewärmeverluste, also zum Beispiel durch Unterschreiten der Mindestanforderungen an den baulichen Wär- meschutz erbracht werden.

Mit der Vorgabe, daß für die elektrischen Antriebe einer Klimaanlage nur noch 5 W je Quadratmeter beheizter Fläche verbraucht werden dürfen, konnte man keine Klimaanlagen im herkömmlichen Sinne mit 10-fachem Luftwechsel mehr bauen. Also mußte auch hier nach neuen Möglichkeiten gesucht werden.

Als Kontrast zu den bisherigen Power-Klimaanlagen bemühte man sich nun, Gebäude zu bauen, die ganz ohne Klimaanlage auskamen. Dazu wurden zunächst Sonnenschutzmaßnahmen und Wärmeschutz verstärkt, so daß das Gebäude vom Außenklima weiter entkoppelt wurde. Danach besann man sich auf die Speichermassen des Gebäudes und nutzte diese, um anfallende Lastspitzen zu puffern. Dafür mußten sämtliche Verkleidungen der Betonteile, wie zum Beispiel abgehängte Decken, entfernt werden.

3.1.2 Einsatzmöglichkeiten / -grenzen

Will man einen bestimmten Raumluftzustand zu jeder Tages- und Jahreszeit sicherstellen, ist das System der thermisch aktiven Bauteile allenfalls noch zur Deckung einer Grundlast einsetzbar.

Allerdings ist es in fast allen Anwendungsfällen für Bürogebäude nicht erforderlich, einen definierten Raumluftzustand exakt einzuhalten. Der Mensch fühlt sich in gewissen Grenzen von Temperatur und relativer Lufteuchte wohl. Entschärft wird die Problematik auch durch eine geringe Änderungsgeschwindigkeit der empfundenen Temperatur. HENSEN (Thesis: „On the thermal interaction of building structure and heating and ventilation systems“ zitiert in [24] ) hat nachgewiesen, daß eine Änderung der empfundenen Temperatur von 0,5 K/h als thermisch stationäre Bedingung empfunden wird.

Die Einsatzmöglichkeiten von thermisch aktiven Bauteilen hängen also entscheidend von der Festlegung angemessener Rahmenbedingungen ab. MEIERHANS hat mit dem Kunst- haus Bregenz bewiesen, daß bei Festlegung geeigneter Sollwerte mit entsprechenden Bandbreiten sogar ein Gebäude mit so sensiblem Inventar wie Kunstgegenständen voll- ständig ohne herkömmliche Klimatechnik auskommen. Das Einsparpotential bezifferte er im Rahmen des VELTA Symposiums „Betonkernaktivierung“ am 9.2.1999 in Essen auf rund 63% gegenüber einem herkömmlichen System einer Nur-Luft-Klimaanlage.

Ein weiteres großes Bauvorhaben mit hohen Anforderungen an die Gebäudetechnik, das mit aktiven Bauteilen ausgestattet wird, ist das Krankenhaus Bern (z.Zt. in der Planung). Hier ist geplant, 24 Operationssäle mit thermisch aktiven Bauteilen auszustatten. Diese Beispiele sollen zeigen, daß die Einsatzmöglichkeiten durchaus nicht nur auf Bürogebäude beschränkt sind.

3.1.3 Auslegung und Dimensionierung von thermisch aktiven Bauteilen

Zwischen den inneren Wärmequellen und den aktiven Bauteilen erfolgt der Energieaus- tausch durch die beiden Mechanismen Strahlung und Konvektion. Während der Strah- lungsaustausch direkt zwischen Wärmequelle und Bauteil stattfindet, findet der konvektive Austausch über den Umweg der Erwärmung der Raumluft statt. Daraus folgt, daß der kon- vektive Anteil der Last direkt die Raumlufttemperatur beeinflußt. Durch die mit rd. 1 kJ/(kgK) praktisch vernachlässigbar geringe Wärmespeicherkapazität der Luft, führen schon kleine Wärmeströme zu einem Anstieg der Raumlufttemperatur, der aufgrund der niedrigen konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Luft und den Umschlies- sungsflächen von 1,5 bis 5,5 W/(m²K) nicht in der gleichen Zeitspanne von der Gebäude- masse wieder ausgeglichen werden kann.

Durch diesen Temperatursprung wird ein Teil des möglichen Temperaturanstieges im Ta- gesgang und damit auch die nutzbare Speicherwirkung des Bauteils eingeschränkt.

KOSCHENZ stellt in[16] ein Auslegungsdiagramm vor, das in Abhängigkeit vom zulässi- gen Lufttemperaturanstieg, der Bauteildicke und dem konvektiven Lastanteil einen maxi- mal möglichen Wärmefluß je Bauteilseite im Kühlbetrieb während 8 Stunden angibt. Die- ses Modell wurde anhand von Simulationsrechnungen validiert und liefert akzeptable Re- sultate.

OLESEN[8] führt eine Überschlagsrechnung anhand der Speicherfähigkeit einer Decke durch. Nimmt man an, daß die Decke die folgenden Daten aufweist (Dichte = 2400 kg/m³, Wärmekapazität c = 0,88 kJ/(kgK)), so ergibt sich eine Wärmespeicherfähigkeit von 164 Wh/(m²K). Bei einer Last von 30 W/m² ließe sich mit dieser Decke also pro Kel- vin Temperaturdifferenz gegenüber der Raumluft eine für ca. 5,5 h ausreichende Kühlleis- tung vorhalten.

Diese Werte sind in der Praxis allerdings kaum zu erreichen, da es sich hierbei um einen exponential verlaufenden Ausgleichsvorgang mit extrem langen Laufzeiten handelt.

Bei der Dimensionierung der thermisch aktiven Bauteile ist zu berücksichtigen, daß ein Teil der während der Nutzungszeit angefallenen und in der Gebäudemasse gespeicherten Wärme bereits durch normale Gebäudeverluste wieder aus der Speichermasse entfernt werden. KOSCHENZ beziffert diese Verluste in[16] in Übereinstimmung mit MEIERHANS auf ca. 40% bei einer Bauteilkühlung von 0 bis 6 Uhr und normaler Büronutzung. Das heißt, daß von dem Bauteilsystem lediglich noch 60% der tagsüber angefallenen Lasten aktiv abgeführt werden müssen. Die genaue Größe hängt von Faktoren wie Wärmedämmung, Nutzung und Höhe der Lasten ab.

3.1.4 Ausgeführte Bauten

Obwohl das primäre Einsatzgebiet für die Bauteilkonditionierung das Büro- oder Verwal- tungsgebäude schwerer Bauart ist, finden sich bereits vereinzelt auch andere Bauten, die sich bei vernünftiger Festlegung der Randbedingungen und ggf. auch durch unkonventio- nelle Konzepte erfolgreich durch aktive Bauteile konditionieren lassen. MEIERHANS stellte hierzu auf dem VELTA Symposium in Essen einen Bürobau in Leichtbauweise in der Nachbarschaft des Kunsthauses in Bregenz vor. Das Prinzip der Massenkopplung im Gebäude verlangt nach einem schweren Gebäude, so daß ein Bürobau in Leichtbauweise für eine Konditionierung mittels aktiver Bauteile eigentlich ausscheiden müßte. Durch Einbindung des Untergrundes als Wärmespeicher gelang es hier jedoch, auch dieses Ge- bäude zu konditionieren.

Einen Überblick über ausgeführte Bauten liefert Tabelle 9-7.

3.1.5 Nutzung von Umweltenergie

Die wirtschaftliche Energienutzung in Gebäuden jeder Art stellt hohe Anforderungen so- wohl an bau-, wie auch an haustechnische Bereiche, die gegenseitige Wechselwirkungen ausüben. Es ist sinnvoll, zunächst bautechnische Maßnahmen zu ergreifen und Möglichkei- ten auszuschöpfen, bevor mit einer leistungsstarken und energieintensiven Anlagentechnik Mängel in Bauplanung und -ausführung ausgeglichen werden. Hierzu zählen insbesondere der bauliche Wärmeschutz auf sinnvollem Niveau, die Anbringung eines leistungsfähigen Sonnenschutzes und im Sinne der Nutzbarmachung von Speicherwirkungen die Anbin- dung der Gebäudemassen an die Raumluft durch Entfernen von Verkleidungen, abgehäng- ten Decken, etc.

Der dann verbleibende Energiebedarf kann dort, wo es sinnvoll ist, zunächst durch den Einsatz von Umweltenergie gedeckt werden. WEBER unterteilt die Nutzungsmöglichkeiten von Umweltenergie in Gebäuden in [23] in die drei Gruppen Wärmeschutz, Passive System und Aktive Systeme.

Unter Passiven Systemen werden Gewinne im Gebäudeumfeld, direkte Energiegewinne, und passive Bauteile genannt.

Als aktive System nennt WEBER Kollektor-Systeme, Wärmepumpen-Systeme und Photo- voltaische-Systeme. Ergänzt werden muß diese Aufzählung aus der Erfahrung der bereits ausgeführten Bauten mit thermisch aktiven Bauteilen um die Nutzung der kühlen Nachtluft durch Rückkühler, wie von MEIERHANS unter anderem in[17] vorgestellt.

Die im Rahmen dieser Arbeit beispielhaft untersuchte Nutzung von Grundwasser als Ener- gieträger bewertet WEBER in[23] als „nahezu ideale Wärmequelle für Wärmepumpen“ bedingt dadurch, daß Grundwasser jahreszeitlich konstant eine Temperatur von ca. 10°C aufweist. Eingeschränkt wird die Nutzbarkeit jedoch durch die Dichte der Bebauung und der begrenzten Verfügbarkeit.

Durch die Nutzung von Umweltenergie in Gebäuden kann eine Reduzierung der konventi- onell gewonnenen Energie aus Öl, Gas und Kernenergie und damit eine Reduzierung von Umweltbelastungen erreicht werden. Inwieweit eine Nutzung unter wirtschaftlichen Ge- sichtspunkten sinnvoll ist, hängt von der Differenz zwischen Gestehungspreis für her- kömmliche und Umweltenergieträger ab. Diese wird von verschiedenen Faktoren u.a. regi- onalen Besonderheiten, beeinflusst, und kann und soll daher hier nicht weiter untersucht werden. Berücksichtigt werden müßten bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zudem Faktoren wie Umweltbelastung durch Produktion und Recycling für Anlagenteile, Trans- portwege, etc. Diese Art von Ökobilanzen ist schwierig zu erstellen und daher derzeit auch kaum verfügbar.

Tendenziell dürfte sich das Gewicht bei Berücksichtigung der oben genannten Faktoren jedoch zu Gunsten der Umweltenergie auch bei höheren Erschließungskosten verschieben.

4 Aufgabe

Anhand eines von HAUSER in[1] und[2] vorgestellten Raummodells sollen verschiedene Regelungsstrategien im Hinblick auf eine optimale Nutzung von Umweltenergiequellen untersucht werden.

Hierzu ist zunächst eine umfangreiche Einarbeitung in das Programmpaket TRNSYS nötig. Anschließend ist das verwendete Gebäude-, Nutzungs- und Anlagenmodell im Simulationsprogramm TRNSYS abzubilden.

Anschließend soll das abgebildete Modell anhand der von HAUSER mit dem Simulations- programm HAUSER berechneten und in[1] vorgestellten Ergebnisse validiert werden. Zu berücksichtigen ist hierbei, daß es aufgrund von verschiedenen Randbedingungen und Re- chenalgorithmen der Programme voraussichtlich nicht zu einer exakten Übereinstimmung der Ergebnisse kommen wird. Ein Vergleich der beiden Simulationsprogramme ist nicht Thema der Arbeit. Tendenzen der Vergleichbarkeit verschiedener Simulationsprogramme finden sich in[18].

Mögliche Gründe für Abweichungen werden zusammen mit den Ergebnissen dargestellt.

Nachdem das Modell hinreichend validiert wurde, werden die im Abschnitt „Zu untersuchende Varianten“ dargestellten Regelungsstrategien untersucht.

Besonderer Wert soll auf die sinnvolle Einbindung von Umweltenergien, wie Grund- und Brunnenwasser, Außenluft und Solarenergie gelegt werden. Hierbei sollen nicht spezielle Systeme der Energieversorgung simuliert werden, sondern vielmehr die grundsätzlichen Rahmenbedingungen für die Einbeziehung von Umweltenergien überprüft werden. Dazu sind zunächst im Abschnitt „Nutzung von Umweltenergie“ notwendige Randbedingungen für die Einsatzmöglichkeit der verschiedenen Energieformen zu definieren.

Die Simulationsumgebung ist so zu erstellen, daß weitere Diplomarbeiten darauf aufbauen können.

5 Methode

5.1 Untersuchungsobjekt

Anhand einer von HAUSER in[1] vorgestellten Untersuchung soll zunächst das mit TRNSYS nachgebildete Gebäudemodell validiert werden.

5.1.1 Gebäudemodell

Mit Hilfe des Gebäudemodells wird das dynamische thermische Verhalten eines Gebäudes unter instationären Bedingungen beschrieben.

Die Untersuchung wird anhand des von HAUSER in[2] definierten Zentralraummoduls eines 2-hüftigen Bürogebäudes durchgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5-1 - Betrachteter Gebäudeteil

Eine Ausschnittsvergrößerung der thermisch aktiven Bauteile zeigt die Abbildung 5-2. Der Rohrdurchmesser beträgt 20 mm. Der Flur ist nicht konditioniert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5-2 - Aufbau der thermisch aktiven Decke

HAUSER rechnet nach Vorgabe von VELTA mit einer Betonunterdeckung von 6 cm. Üblich ist es jedoch, die Rohre in der Mitte der Decke, d.h. in diesem Falle 9 cm tief zu verlegen. Die Auswirkung der Rohrtiefe wird anhand der unter 5.2.2 beschriebenen Simulation (Modell HAUSER mit Deckenheiz- und Kühlsystem) überprüft.

Alle weiteren Variationen werden nur noch mit einer Rohrtiefe von 9 cm gerechnet.

Die verwendeten Abmessungen, Schichten, Schichtdicken und Stoffdaten sind im Anhang wiedergegeben.

Das Gebäude ist sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung als soweit ausge- dehnt zu betrachten, daß Einflüsse, die aus der besonderen Lage im Gebäude, z.B. Eck- oder Dachgeschoßraum resultieren, im betrachteten Gebäudeteil nicht mehr festzustellen sind.

HAUSER hat hierzu in[2] Untersuchungen durchgeführt und ist zu dem Schluß gekommen, daß diese Einflüsse ausreichend eliminiert sind, wenn sich der betrachtete Gebäudeteil mindestens zwei Räume von Dach-, Eck- und Ergeschoßräumen entfernt befindet. In TRNSYS wird dieses Gebäudeverhalten abgebildet, indem die Innenwände für die Wärmespeicherung zur Hälfte berücksichtigt werden und die Nachbarräume immer auf der gleichen Raumtemperatur gehalten werden wie der jeweilige Raum. Dadurch wird sichergestellt, daß keine Wärmeleitung zwischen den Räumen stattfindet. Der betrachtete Gebäudeteil ist damit bis auf die Außenwände adiabat abgeschlossen.

5.1.2 Wettermodell

Der Deutsche Wetterdienst in Offenbach hat Sammlungen von Wetterdaten für 12 Gebiete Deutschlands, sogenannte Testreferenzjahre (TRY), erstellt. Weitere TRY befinden sich z.Zt. in der Bearbeitung.

Ein TRY ist eine Zusammenstellung relevanter Wetterdaten, u.a. Temperatur, rel. Feuchtigkeit, Sonneneinstrahlung, etc. für jede Stunde des Jahres, insgesamt also 8760 Datensätze. Dabei ist zu berücksichtigen, daß ein TRY nicht den tatsächlichen, sondern lediglich einen charakteristischen Wetterverlauf einer Region wiedergibt.

Die in den Richtlinien DIN 4701 „Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfes von Ge- bäuden“ und VDI 2078 „Richtlinie zur Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume“ hinterlegten Wetterdaten sind mit denen des TRY nicht direkt zu vergleichen. Beide stellen lediglich Werte für die Beherrschung von Extremfällen zur Verfügung.

Um das Verhalten des Gebäudemodells bei extremen Außenbedingungen untersuchen zu können, wurden auf der Basis des für die Simulationen verwendeten TRY 05 (Würzburg) eine künstliche Schönwetterperiode und eine künstliche Schlechtwetterperiode aus den jeweiligen Extremwerten des TRY modelliert. Die Verläufe von Außentemperatur und Strahlungsdaten lassen sich aus den in Abbildung 9-2 gezeigten Kurven ablesen. Analog dazu wurde eine künstliche Schönwetterperiode von 5 Tagen modelliert. Die entsprechen- den Kurven finden sich in Abbildung 9-3.

Anm.: Da TRNSYS nicht mit relativen Luftfeuchtigkeiten von 100% rechnen kann, diese jedoch in den vom Deutschen Wetterdienst (DWD) vertriebenen Wetterdaten vorkommen, sind rel. Luftfeuchtigkeiten von 100% auf 99% geändert worden. Die modifizierte Datei heißt TRY05tb.

Anm.: Um zu Beginn des Simulationszeitraums mit einem eingeschwungenem Gebäude rechnen zu können, wurden in die Wetterdatendatei TRY05tb am Anfang der Datei die letzten 336 Stunden (2 Wochen) zusätzlich eingefügt. Der Simulationszeitraum für ein Jahr beträgt dann 9096 Stunden, die Stunde 1 am 01.01. entspricht der Stunde 337. Die Datei wird unter dem Namen TRY05_l gespeichert.

5.1.3 Nutzungsmodell

Mit Hilfe des Nutzungsmodells wird in Zeitschritten (hier Stunden) über den Untersuchungszeitraum die thermische Raumbelastung durch Personen, Beleuchtung, Maschinen, etc., der geforderte Heiz- und Kühlbetrieb sowie die Lüftungsanforderungen beschrieben. Auf die Möglichkeit, die Belastung durch Personen, Beleuchtung und Maschinen getrennt zu erfassen, wurde analog zu HAUSER verzichtet.

Nutzung des Gebäudes:

Montag bis Freitag von 8-17 Uhr, 12-13 Uhr Mittagspause. Keine Nutzung des Gebäudes am Wochenende. Es wird eine durchgängige Benutzung des Gebäudes über ein Jahr angenommen, d.h. Urlaubszeiten, etc. werden nicht berücksichtigt.

Sollwert der Lufttemperatur:

während der Nutzung für den Heizfall: 23°C

Anm.: HAUSER rechnet mit einem Sollwert der empfundenen Temperatur von 22°C. Da das TRNSYS-Gebäudemodell jedoch keine direkte Vorgabe einer operativen Temperatur als Sollwert zuläßt, wird der Sollwert der Lufttemperatur um 1 K erhöht angegeben. Ob diese Temperaturerhöhung von 1 K ausreicht, ist anhand der Simulationsergebnisse noch zu prüfen.

Interne Wärmequellen

Während der Nutzung : 550 W, entspricht 27,8 W/m²

In der Mittagspause : 350 W, entspricht 17,7 W/m²,

jeweils 50% konvektiv, 50% radiativ

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5-3 Tagesprofil der inneren Wärmequellen

Die angenommenen Wärmequellen entsprechen in etwa 2 Personen, 2 PC, 1 Drucker und Beleuchtung. Eine helligkeitsgeführte Beleuchtungsregelung wird hier nicht betrachtet. Bei der Bewertung der Ergebnisse ist zu berücksichtigen, daß zwar die Gesamtwärmeab- gabe des Menschen ab ca. 18°C bis ca. 32°C Lufttemperatur nahezu konstant rund 118 W [21] beträgt, der sensible Anteil, der den direkten Einfluß auf die Lufttemperatur ausübt, mit steigender Raumtemperatur jedoch sinkt. Einen Überblick über die Anteile der sensib- len und latenten Wärmeabgabe gibt Abbildung 9-1. Die Belastung mit 100 W sensiblen Anteil ist sehr hoch angesetzt, übliche Werte liegen bei etwa 85 W bei 23°C Lufttempera- tur.

Feuchteproduktion der inneren Lasten

Während der Nutzung 100 g/h; das entspricht nach[21] der Wasserdampfabgabe zweier normal gekleideter sitzender Männer bei leichter Beschäftigung, ruhiger Luft mit einer relativen Luftfeuchtigkeit zwischen 30 und 70 % sowie einer Lufttemperatur von 23°C.

Lüftung

Es wird von einer rein natürlichen Lüftung durch Schrägstellen bzw. Öffnung der Fenster ausgegangen. In[21] finden sich hierzu die folgenden Angaben:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle[5] -[1] - Anzusetzende Luftwechselraten

In Anlehnung daran und an das von HAUSER in[1] definierte Lüftungsmodell werden hier die folgenden Luftwechselzahlen mit L,min L 10 h-[1] in Abhängigkeit von Nutzungszeit und empfundener Temperatur verwendet:

Außerhalb der Nutzung beträgt L,min = 0,3 h-[1], während der Nutzung L = 0,8 h-[1], bei Überschreitung einer empfundenen Temperatur von 24°C L = 5,0 h-[1], bei Überschreitung einer empfundenen Temperatur von 26°C L = 10 h-[1].

Da es sich um eine natürliche Lüftung handelt, wird vorausgesetzt, daß die Fenster außerhalb der Nutzungszeit geschlossen sind.

Ein dem System angemessenes Lüftungsverhalten würde bei Außentemperaturen die höher als die Innentemperaturen sind, die Fenster geschlossen lassen, um nicht zusätzliche Lasten in den Raum einzubringen. Aus den von HAUSER beschriebenen Randbedingungen ist eine solcher zusäzlicher Vergleich jedoch nicht abzuleiten. Daher wurde auch hier darauf verzichtet.

Sonnenschutz:

Die Fenster sind mit einem außenliegenden idealem, das heißt verzögerungslosem Sonnenschutz mit einem Abminderungsfaktor z = 0,5 ausgestattet.

Der Sonnenschutz ist nur während der Nutzung in Betrieb und wird automatisch bei Auftreffen direkter Sonnenstrahlung auf die Fassadenseite oder bei Überschreitung einer empfundenen Temperatur von 23°C in dem zugehörigen Büroraum eingeschaltet.

5.1.4 Anlagenmodell

Als Heizsystem wird für die Referenzfälle ein ideales, das heißt trägheitsloses konvektives Heizsystem mit unbegrenzter Heizleistung und exakter Zonenregelung zugrundegelegt. Durch die unbegrenzt zur Verfügung stehende Heizleistung wird sichergestellt, daß die Simulationsergebnisse nicht durch systembedingte Eigenarten wie z.B. im Extremfall größerer Wärmebedarf als vorhandene Heizleistung beeinflusst werden.

Außerhalb der Gebäudenutzungszeit wird ein Absinken der Raumlufttemperatur unter 15°C durch Stützbetrieb verhindert.

Die Betriebsbereitschaftszeit des Heizsystems beträgt für die Referenzfälle 8760 h/a.

Für die Kühlung kommt das unter 5.1.1 beschriebene Bauteil zum Einsatz. Je nach Simulationsvariante wird es mit einem konstanten Volumenstrom mit konstanter oder variabler Vorlauftemperatur beschickt. Die regelungstechnische Beschreibung findet sich bei den Varianten. Das wärmetechnische Modell sowie die grundlegenden Rechenverfahren des Modells sind unter 5.5.2 beschrieben.

Die Anlage zur Bereitstellung des Kühlwassers ist ebenfalls idealisiert betrachtet, d.h. auch diese Anlage ist in der Lage, jede gewünschte Kühlwassertemperatur verzögerungslos be- reitzustellen.

5.2 Zu untersuchende Varianten

Um die Ergebnisse der Simulationsrechnungen besser vergleichen und einordnen zu kön- nen, werden die von HAUSER in[1] berechneten Varianten hier nochmals gerechnet und dargestellt.

Hausers Regelstrategien A und B sind die ersten beiden der hier betrachteten Varianten.

Die beiden Räume des Zentralraumsystems werden mit getrennten Regelkreisen betrieben. Die Zuordnung zwischen den Simulationsdateien inkl. benötigter Hilfsdateien und den nachfolgend beschriebenen Varianten läßt sich aus Tabelle 9-8 im Anhang ablesen.

Zur besseren Übersicht werden die für die Berechnungen verwendeten Kurzbezeichnungen der Varianten bereits hier in Klammern bei der Beschreibung angegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 5-2 Kurzbeschreibung der Regelungsstrategien

5.2.1 Variante HAUSER mit Deckenheiz- und Kühlsystem (VARIA00)

Die Thermisch aktive Decke wird sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen gemäß der nachfolgend beschriebenen Regelstrategien benutzt.

Kühlbetrieb: Das System ist während und außerhalb der Nutzungszeit des Gebäudes betriebsbereit.

Sofern die empfundene Raumtemperatur größer als 23°C ist, wird ein Kaltwassermassenstrom von 108,3 kg/h umgewälzt.

Die Vorlauftemperatur entspricht der Taupunkttemperatur der Raumluft.

Heizbetrieb: Das System ist während und außerhalb der Nutzungszeit des Gebäudes betriebsbereit.

Sofern die empfundene Raumtemperatur kleiner ist als 22°C, wird ein Heizwassermassenstrom umgewälzt.

Die Vorlauftemperatur wird entsprechend der in Abbildung 5-4 gezeigten Heizkurve gere- gelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5-4

Die Heizkurve wurde aus den von HAUSER verwendeten Angaben errechnet. Die Rechnung ist im Anhang dargestellt.

Betrachtet werden die Regelstrategien A und B.

5.2.2 Variante HAUSER mit Deckenkühlsystem und idealer Heizung (VARIA00odh)

Die Thermisch aktive Decke wird nur zum Kühlen gemäß den nachfolgend beschriebenen Regelstrategien benutzt. Unterhalb einer empfundenen Temperatur von 23°C ist das Deckensystem außer Betrieb.

Kühlbetrieb: Das System ist während und außerhalb der Nutzungszeit des Gebäudes betriebsbereit.

Sofern die empfundene Raumtemperatur größer als 23°C ist, wird ein Kaltwassermassenstrom von 108,3 kg/h umgewälzt.

Die Vorlauftemperatur entspricht dann der Taupunkttempemperatur der Raumluft.

Als Heizsystem kommt das unter 5.1.4 beschriebene ideale Heizsystem unbegrenzter Leistung mit einem Sollwert der Raumlufttemperatur von 23°C zum Einsatz.

Betrachtet werden die Regelstrategien A und B.

Anm.: Da sich bereits aus der Auswertung der von HAUSER gerechneten Varianten gezeigt hat, daß die Temperaturspreizung zwischen Vorlauf und Rücklauf bei einem Massenstrom von 108,3 kg/h sehr hoch wird, sind alle folgenden Varianten mit dem unter 5.3.1 berechneten neuen Massenstron von 350 kg/h gerechnet worden.

5.2.3 Getaktete Pumpenlaufzeite (VARIA01)

Um die Laufzeit der Pumpen auf ein Minimum zu reduzieren, kann die folgende Überlegung angestellt werden. Nach Gleichung 5-1 hängt der Wärmestrom von den veränderlichen Größen Massenstrom und Temperaturdifferenz ab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Vergrößert sich die Temperaturdifferenz, wird bei sonst gleichen Bedingungen der Wärmestrom ebenfalls größer.

Läßt man nun also die Pumpen während der Betriebszeit im Kühlfall nicht kontinuierlich laufen, sondern schaltet sie in gewissen Zeitabständen aus, so erhöht sich in dieser Zeit die Temperatur des Betons. Bedingt durch die Speicherfähigkeit der Bauteile steigt die emp- fundene Temperatur nicht im gleichen Maße an, so daß bei genügend kurzer Ausschaltzeit nicht mit einem unzulässigen Ansteigen der empfundenen Temperatur zu rechnen ist.

Für das hier untersuchte Gebäudemodell sollen Taktzeiten von 1/2 Stunde (VARIA01) und 1 Stunde (VARIA01a) untersucht werden.

Betrachtet werden Regelstrategie A und B.

5.2.4 Variante02 - Betriebszeit nur außerhalb der Nutzung (VARIA02)

OLESEN stellt in[8] dar, daß sich je 1 Kelvin Temperaturdifferenz zwischen Bauteiltem- peratur und Raumluft eine bestimmte Wärmemenge im Bauteil speichern lassen.

Es liegt nahe, diese Ladefunktion in die Zeit außerhalb der eigentliche Gebäudenutzungs- zeit zu verlagern. Dadurch können zum einen billigere Stromtarife ausgenutzt werden, zum anderen kann auch die praktisch unbegrenzt und kostenlos zur Verfügung stehende kühle Nachtluft als Energiesenke herangezogen werden. Desweiteren trägt eine Ladung bzw. Entladung der Speichermassen außerhalb der Nutzungszeit durch die Vergleichmäßigung des Anforderungsprofils zu einer Verkleinerung einer Heizungs- bzw. Kälteanlage bei. Mögliche Einsparungen sollen in dieser Variante untersucht werden.

Dazu werden zwei unterschiedliche Betriebszeiten als neue Regelstrategien definiert.

Regelstrategie C : Betriebsbereitschaft von 18 bis 6 Uhr

Regelstrategie D : Betriebsbereitschaft von 22 bis 6 Uhr

5.2.5 Entfernen der Trittschalldämmung (VARIA03)

Neben den in erster Linie anlagentechnischen Varianten soll eine gebäudetechnische Variante untersucht werden. Entfernt man die Trittschalldämmung, die gleichzeitig auch eine Wärmedämmung ist, aus der Decke, so stehen als konditionierte Wärmeaustauschfläche mit der Raumluft sowohl der Fußboden als auch die Decke zur Verfügung. Die aktive Fläche wird dadurch annähernd verdoppelt.

Betrachtet werden die Regelungsstrategien C und D.

5.2.6 Nahezu ungeregelte Vorlauftemperatur (VARIA04)

Zur Gegenüberstellung der Systeme und zur Bewertung des von der Firma Geilinger in [11] vorgestellten Gebäudesystems „Batiso“, dessen Prinzip auf einer hochwärmegedämm- ten Fassade und dadurch weitestgehend isothermen Gebäudezustand beruht.

Das regelungstechnisch einfachste Modell stellt ein thermisch aktives System mit einer Vorlauftemperatur zwischen 20 und 22°C dar. Mit diesem Modell wollte der Schweizer Generalunternehmer Geilinger ganze Gebäude als Komplettpakete mit Betonkernaktivie- rung versehen. Grundidee hierbei ist ein Gebäude, welches über das ganze Jahr bestmög- lich von allen äußeren Wärmeeinflüssen abgeschirmt ist, es wird daher auch isothermes Gebäude genannt. Das Wasser im aktiven System wird das ganze Jahr mit einer annähernd konstanten Vorlauftemperatur von 20 - 22°C durch die Decke gepumpt. Dadurch kommt das System fast ganz ohne regelungstechnischen Aufwand aus, da die aktiven Bauteile zum selbstregelnden System werden. Fällt die Raumtemperatur unter die Deckentempera- tur, wird die Decke zur Heizdecke, steigt sie darüber, wird sie zur Kühldecke. Eine Über- hitzung bzw. Unterkühlung des Raumes ist nicht möglich.

5.2.7 Systemverhalten unter extrem kalten Wetterbedingungen (VARIA05)

Bei der Planung von Systemen mit aktiven Bauteilen ist oft die Frage nach dem Verhalten bei extremen Wetterbedingungen zu finden.

Um dieses zu untersuchen, wurden auf der Basis des hier verwendeten Testreferenzjahres 5 je eine künstliche Kalt- und Warmwetterperiode konstruiert. Im Falle extrem kalter Außentemperaturen wurde hierzu der kälteste Tag des Jahres fünfmal einandergereiht. Die Außenlufttemperatur beträgt an diesem Tag im Mittel -13,2°C, im Extremfall -16,9°C.

Die Verläufe der Klimadaten lassen sich aus Abbildung 9-2 entnehmen.

Betrachtet werden die Regelungsstrategien A, B, C und D.

5.2.8 Systemverhalten unter extrem warmen Wetterbedingungen (VARIA06)

Diese Variante entspricht der vorherigen mit extrem hohen Außenlufttemperaturen. Der Tagesmittelwert beträgt 23,4°C, die höchste Temperatur 30,0°C.

Die Verläufe der Klimadaten sind in Abbildung 9-3 zu sehen. Betrachtet werden die Regelungsstrategien A, B, C und D.

5.2.9 Grundwassernutzung (VARIA07)

Die Vorlauftemperatur im Heizbetrieb wird nach der Heizkurve aus Abbildung 5-4 ermit- telt.. Im Kühlbetrieb wird VL über einen idealisierten Grundwasserwärmetauscher mit mKühlkreis = 350 kg/h, Grundwasser = 10°C gemäß[20] jahreszeitlich konstant, bestimmt. Es wird ein beliebig großer Wärmetauscher angenommen, der in der Lage ist, eine Vorlauf- temperatur von 11°C für den Kühlbetrieb bereitzustellen. Zur Berücksichtigung von Ver- teilungsverlusten bis zum Eintritt in die Thermisch aktive Decke wird eine Differenz von +2 K zugegeben, so daß die Vorlauftemperatur für diese Variante im Kühlfall 13°C be- trägt. Damit ist besonderes Augenmerk auf Kondensation an der Decke zu richten.

Betrachtet werden die Regelstrategien C und D.

5.2.10 Vorlauftemperaturüber neue Heizkurve bzw. Referenztemperatur (VARIA08)

Nach Vorgabe von VELTA wird die Vorlauftemperatur im Heizfall nach der in Abbildung 5-5 gezeigten Heizkurve und im Kühlfall nach der in Gleichung 5-5 beschriebenen Referenztemperatur geregelt.

5.2.11 Mittlere Wassertemperaturüber neue Heizkurve bzw. Referenztemperatur (VARIA08)

Nach Vorgabe von VELTA wird die mittlere Wassertemperatur m (Gleichung 5-2) im Heizfall nach einer Heizkurve und im Kühlfall nach der in Gleichung 5-5 beschriebenen Referenztemperatur geregelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

5.3 Neue Regelungsstrategie

Aus den in den ersten Rechnungen gewonnen Ergebnissen ist zu sehen, daß die Randbedingungen für den Einsatz von Umweltenergie noch nicht optimal geeignet sind. Es werden daher die nachfolgend beschriebenen Änderungen am Massenstrom und den Vorlauftemperaturen vorgenommen.

5.3.1 Neuer Massenstrom

Aus den vorgenannten Überlegungen folgt, daß der Massenstrom von 108 kg/h für eine Temperaturspreizung von ca. 5 K und damit für eine optimale Grundwassernutzung nicht groß genug ist.

Zur Ermittlung des maximalen Massenstromes werden folgende Daten verwendet:

Rohrlänge je Zone : 140 m

Maximal zulässiger Druckverlust : 560 mbar³ entspr. 56.000 Pa

Innendurchmesser des Rohres di = 16 mm

Längenbezogen ergibt sich ein zulässiger Druckverlust von 400 Pa/m.

Damit kann man nach dem vom BURKHARDT[22] berechneten Arbeitsblatt F4 für PVC und PE Rohr mit einer Rauhigkeit k=0,0070 mm und einer Wassertemperatur von 40°C einen maximalen Volumenstrom von 0,101 l/s bei einer Geschwindigkeit von 0,5 m/s able- sen.

Umgerechnet ergibt dies einen Volumenstrom von 363 l/h und einen Massenstrom von 365 kg/h bei einer Dichte von Wasser bei 40°C von 996 kg/m³. Dies deckt sich in etwa mit den von VELTA in den Auslegungsunterlagen für ein PEX Rohr 20 x 2,3 mm angegebenen maximalen Massenstrom von 350 kg/h bei einer Geschwindigkeit von 0,55 m/s.

5.3.2 Neue Vorlauftemperatur im Heizfall

Für die weiteren Berechnungen wird nach Vorgabe von VELTA eine Heizkurve für das Vivaldi System mit einem Startpunkt bei AL/RL = 20°C/20°C und einer Steigung von 0,4 linear angesetzt. Der Verlauf ist in Abbildung 5-5 wiedergegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5-5 - Neue Heizkurve

5.3.3 Neue Vorlauftemperatur im Kühlfall

Die Vorlauftemperatur im Kühlfall wird für alle weiteren Berechnungen wie folgt bestimmt. Gleichung 5-3 beschreibt den Einfluß der Außentemperatur, Gleichung 5-4 den Einfluß der Raumtemperaturabweichung vom Sollwert auf die Vorlauftemperatur.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit den gewählten Werten H = 0,4, Hmax = 4 und Kparallel = 0 folgt aus Gleichung 5-3 und Gleichung 5-4 die Referenztemperatur

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Begrenzt wird dieser Wert nach unten von der Taupunkttemperatur der Luft und einem Sicherheitszuschlag Ktau, d.h tref ttau + Ktau . Hier wird Ktau = 0 gewählt, so daß die minimale Vorlauftemperatur im Kühlfall der Taupunkttemperatur der Luft entspricht.

5.4 Das Simulationsprogramm TRNSYS

5.4.1 Allgemein

Das Programm TRNSYS (Transient System Simulation Program) wurde in den siebziger Jahren am Solar Energy Laboratory (SEL) der Universität von Wisconsin, USA entwickelt und liegt derzeit in der Version 14.2 für Windows 95/98 und Windows NT vor. Die Unix und DOS Versionen werden nicht weiterentwickelt. Geschrieben wurde das Programm mit dem Ziel, kleinere Solaranlagen mit wenig Programmierarbeit dynamisch simulieren zu können. Inzwischen ist das Programm von verschiedenen Seiten stark erweitert worden, so daß sich eine Vielzahl gebäudetechnischer Anlagen simulieren läßt.

Eine große Stärke des Programms ist sein modularer Aufbau und die Verfügbarkeit des Quellcodes. Mit Hilfe eines Fortran Compilers ist es möglich, bestehende Module (Types) anzupassen oder selbst neue zu programmieren, die dann nahtlos in die Simulation eingebunden werden können.

Die Module stellen die mathematisch/programmtechnische Beschreibung der Anlagen- komponenten dar. Um eine Anlage zu simulieren, werden Ein- und Ausgaben der Module wie in der Realität miteinander verbunden und zu einem sog. Deck-File zusammengestellt. Aus der Abbildung 5-6 läßt sich der vereinfachte Aufbau einer TRNSYS Simulationsum- gebung ablesen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5-6 Vereinfachter Aufbau einer TRNSYS Simulationsumgebung

5.4.2 Hilfsprogramm PRESIM

Presim ist ein CAD ähnliches Hilfsprogramm welches die Erstellung der Deck-Files erheblich erleichtert. Per Drag´n Drop werden die Anlagenkomponenten zusammengesetzt und über komfortable Menüs parametriert. Ist die Anlage abgebildet, wird ein Compiler aufgerufen, der die grafische Darstellung in das TRNSYS Deck-File umsetzt. Dieses kann auch nachträglich von Hand nachbearbeitet werden.

Ein weiterer großer Vorteil des Programms ist die grafische Dokumentation der simulierten Anlage.

5.4.3 Hilfsprogramm PREBID

Das Hilfsprogramm PREBID dient der nutzergeführten Eingabe der Gebäudedaten, da eine ungeführte Erstellung der Gebäudebeschreibung äußerst fehleranfällig ist. Zudem besteht die Möglichkeit, mehrfach benutzte Bauteile in einer Datei, sog. Library, zu speichern und bei Bedarf wieder abzurufen.

Die Gebäudebeschreibung enthält alle Daten, die ein Gebäudemodell in einer TRNSYS Simulation eindeutig kennzeichnen. Hierzu gehören u.a. Bauteilbeschreibung, Nutzungszeiten, Nutzungsart, idealisierte Heizung / Kühlung, usw.

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¹ Der Anhang mit Bildern ist nicht in der gedruckten Version aufgenommen, sondern liegt in Absprache mit den Prüfern und dem Prüfungsausschußvorsitzenden nur auf einer CD Rom im Format Microsoft Word 97 und Microsoft Excel 97 vor.

² Hinweis zur Schreibweise : Die Formelzeichen für Temperaturen, die innerhalb der TRNSYS Umgebung verwendet werden, sind analog zum TRNSYS Handbuch als T mit Index geschrieben, während Formelzeichen für die übrigen Temperaturen als mit Index geschrieben werden.

³ Der Wert von 560 mbar ist aus dem Auslegungsprogramm VELTA G.O.L.D Version 2.2 (R697) entnom- men.