Ziel der Arbeit ist es zu untersuchen, ob es möglich ist, ein Gebäude regenerativ mit einem System zu kühlen, welches über langwellige Abstrahlung die Atmosphäre als Wärmesenke nutzt. Durch langwellige Abstrahlung gegen den Himmel entsteht auf einer Strahlungsoberfläche eine negative Energiebilanz, welche einen Wärmefluss in Richtung der Atmosphäre zur Folge hat. Der aus dem Strahlungsaustausch mit der Atmosphäre resultierende Wärmestrom ist von der Temperatur der Strahlungsoberfläche bzw. von der emittierten Strahlung dieser Fläche (Quelle) und von der emittierten Strahlung des Himmels (Senke) abhängig. Die Größe dieses Wärmestroms ist für den Strahlungs- und Energiehaushalt einer dem Himmel gegenüberliegenden Oberfläche sehr wichtig. Deshalb beschäftigt sich ein Großteil der vorliegenden Arbeit mit der Theorie und Berechnung der Atmosphärischen Gegenstrahlung.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Zielsetzung der Arbeit
1.2. Allgemeines zur Atmosphärische Gegenstrahlung
1.3. Absorption der Terrestrischen Strahlung in der Atmosphäre
1.4. Entstehung der Atmosphärischen Gegenstrahlung
2. Theorie des Langwelligen Strahlungsaustauschs
2.1. Theorie des Klaren Himmels
2.2. Strahlungsaustausch in den Wolken
2.3. Atmosphärische Gegenstrahlung
2.4. Der Himmel als Schwarzer Strahler
3. Empirische Gleichungen zur Atmosphärischen Gegenstrahlung
3.1. Verschiedene Definitionen zur Berechnung
3.1.1. Definition einer effektiven Himmelstemperatur
3.1.2. Definition eines Emissionsgrades des Himmels
3.2. Berechnung der atmosphärischen Gegenstrahlung
3.3. Atmosphärische Gegenstrahlung des klaren Himmels
3.3.1. Vergleich der Modelle zum klaren Himmel
3.3.2. Extremwerte der Atmosphärischen Gegenstrahlung bei klarem Himmel
3.3.3. Zusammenstellung der Himmelsmodelle zum klaren Himmel
3.4. Zusammenhang zwischen Lufttemperatur und Himmelstemperatur
3.5. Atmosphärische Gegenstrahlung des Bewölkten Himmels
3.6. Auswahl eines Modells zur Atmosphärischen Gegenstrahlung
3.7. Himmelsmodell Ceres
4. Vergleich der Regionen
4.1. Auswahl der Klimadaten und Regionen
4.1.1. Verfügbare Stationen
4.1.2. Ausgewählte Stationen
4.2. Lufttemperaturen und Bedeckungsgrad der verschiedenen Stationen
4.3. Himmelstemperaturen der verschiedenen Stationen (gesamtes Jahr)
4.4. Nettostrahlung bei 18°C Oberflächentemperatur
5. Simulation Teich – Speicher
5.1. Wärmeströme Teich
5.1.1. Berechnung des latenten Wärmestroms aufgrund von Verdunstung
5.1.2. Solarstrahlung
5.1.3. Konvektiver Wärmeübergang
5.2. Wärmelast vom Speicher
5.3. Simulation des Speichers
5.4. Beurteilung der Leistungsfähigkeit des Systems
5.5. Komponenten des Systems
5.5.1. Regelung des Sonnenschutzes
5.5.2. Regelung des Massenstroms zwischen Teich und Speicher
5.6. Variantenvergleich
5.6.1. Basisvariante
5.6.2. Einfluss des Absorptionsgrad des Beckenbodens
5.6.3. Einfluss des Schwellenwertes des Sonnenschutzes
5.6.4. Entwicklung eines verbesserten Sonnenschutzes
5.6.5. Einfluss einer Schattenwand südlich des Teichs
5.6.6. Mögliche Last mit einer Schattenwand
5.6.7. Emissivität der Wand
5.6.8. Zusammenstellung der bisherigen Ergebnisse
5.6.9. Teich mit dämmenden Schwimmkörpern
5.6.10. Gewähltes System für weitere Untersuchungen
5.6.11. Leistung bei anderen Systemtemperaturen
5.6.12. Lastverläufe des gewählten Systems
5.7. Systemleistung in anderen Regionen
6. Simulation Teich – Speicher – TABS
6.1. Simulation des Thermoaktiven Bauteilsystems
6.2. Erweiterter Algorithmus zum Handrechenverfahren
6.3. Geometrischen und physikalischen Daten
6.4. Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten am Boden und der Decke
6.5. Simulation des Raumes
6.5.1. Geometrie des Raumes
6.5.2. Wärmelasten des Raumes
6.6. Simulationsergebnisse
6.6.1. Beurteilungskriterium der Raumtemperatur
6.6.2. Beurteilungskriterium für die Leistungsfähigkeit des Systems
6.6.3. Vorgehensweise bei der Simulation
6.7. Ergebnisse der Simulation
6.7.1. Relative Teichfläche
6.7.2. Jahressummen der Nettostrahlung
6.7.3. Jahressummen der absorbierten Solarstrahlung
6.7.4. Jahressummen des Wärmestroms aufgrund von Verdunstung
6.7.5. Jahressummen des Wärmestroms aufgrund von Konvektion
6.8. Last- und Temperaturverläufe
7. Realisierte Projekte
8.1. Unterteilung der Sky-Cooling-Systeme
8.2. Automotive Centre of Excellence
8.3. General Services Administration Port of Entry
8.4. Crenshaw Boulevard Employment Development Department
8.5. Residential Roof Cooling, Florida Solar Energy Center
8.6. Night Sky Radiation Cooling Strategies with Hybrid PV-T Systems
8. Zusammenfassung und Fazit
Zielsetzung und Themen der Arbeit
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Möglichkeiten einer regenerativen Gebäudekühlung durch die Nutzung der Atmosphäre als Wärmesenke mittels langwelliger Abstrahlung. Die zentrale Forschungsfrage beschäftigt sich dabei mit der energetischen Effizienz und technischen Umsetzbarkeit eines entsprechenden Systems, bestehend aus Teich, Speicher und thermoaktiven Bauteilsystemen.
- Theorie und Berechnung der atmosphärischen Gegenstrahlung
- Vergleich verschiedener empirischer Himmelsmodelle
- Simulation eines Teich-Speicher-Systems zur Gebäudekühlung
- Analyse der Leistungsfähigkeit unter Berücksichtigung verschiedener Klimaregionen
Auszug aus dem Buch
1.1. Zielsetzung der Arbeit
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Möglichkeit der Gebäudekühlung mit der Atmosphäre als Wärmesenke. Durch langwellige Abstrahlung gegen den Himmel entsteht auf einer Strahlungsoberfläche eine negative Energiebilanz, welche einen Wärmefluss in Richtung der Atmosphäre zur Folge hat. Daher resultiert der Titel der Arbeit. Der aus dem Strahlungsaustausch mit der Atmosphäre resultierende Wärmestrom ist von der Temperatur der Strahlungsoberfläche bzw. von der emittierten Strahlung dieser Fläche (Quelle) und von der emittierten Strahlung des Himmels (Senke) abhängig. Die vom Himmel auf die Erdoberfläche einstrahlende Langwellige Strahlung wird Atmosphärische Gegenstrahlung genannt. Die Größe dieses Wärmestroms ist für den Strahlungs- und Energiehaushalt einer dem Himmel gegenüberliegenden Oberfläche sehr wichtig. Deshalb beschäftigt sich ein Großteil der vorliegenden Arbeit mit der Theorie und Berechnung der Atmosphärischen Gegenstrahlung. Ziel der Arbeit ist es zu untersuchen, ob es möglich ist ein Gebäude regenerativ mit einem System zu kühlen, welches über langwellige Abstrahlung den Atmosphäre als Wärmesenke nutzt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung definiert die Zielsetzung der Arbeit und erläutert die physikalischen Grundlagen der atmosphärischen Gegenstrahlung sowie deren Bedeutung für die Energiebilanz an der Erdoberfläche.
2. Theorie des Langwelligen Strahlungsaustauschs: In diesem Kapitel wird der physikalische Hintergrund des langwelligen Strahlungsaustauschs zwischen Erde, Atmosphäre und Weltraum beleuchtet und die Modellierung des Himmels als Strahlungsquelle diskutiert.
3. Empirische Gleichungen zur Atmosphärischen Gegenstrahlung: Hier werden diverse empirische Berechnungsmodelle zur atmosphärischen Gegenstrahlung unter klaren und bewölkten Bedingungen vorgestellt, verglichen und deren Einflussfaktoren analysiert.
4. Vergleich der Regionen: Dieses Kapitel analysiert das Kühlpotential durch langwellige Abstrahlung an verschiedenen europäischen Standorten basierend auf standardisierten Wetterdaten.
5. Simulation Teich – Speicher: Hier wird ein konkretes Systemmodell, bestehend aus einem offenen Teich und einem Speicher, hinsichtlich seiner thermischen Leistungsfähigkeit unter variablen Randbedingungen simuliert und bewertet.
6. Simulation Teich – Speicher – TABS: In diesem Kapitel wird die vorangegangene Systembetrachtung um eine aktive Übergabeeinheit (thermoaktives Bauteilsystem) für ein Bürogebäude erweitert und die Effizienz des Gesamtsystems durch Simulationsläufe bestimmt.
7. Realisierte Projekte: Das Kapitel bietet einen Überblick über bereits umgesetzte Sky-Cooling-Anwendungen weltweit und analysiert deren technische Realisierung.
8. Zusammenfassung und Fazit: Der abschließende Teil fasst die zentralen Erkenntnisse der Arbeit zusammen und bewertet die Eignung der untersuchten Systeme für die regenerative Gebäudeklimatisierung.
Schlüsselwörter
Atmosphärische Gegenstrahlung, Gebäudekühlung, Langwellige Abstrahlung, Himmelstemperatur, Strahlungsaustausch, Regenerative Kühlung, Teich-Speicher-System, Thermisch Aktive Bauteilsysteme, TABS, Simulation, Nettostrahlung, Klimadaten, Wärmeübergang, Energiebilanz, Gebäudetechnik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Potenzial und die technische Realisierbarkeit einer regenerativen Gebäudekühlung, bei der die Atmosphäre als natürliche Wärmesenke für langwellige Strahlung genutzt wird.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die zentralen Themen umfassen die physikalischen Grundlagen der atmosphärischen Gegenstrahlung, den Vergleich empirischer Berechnungsmodelle, die standortspezifische Potenzialanalyse in Europa sowie die dynamische Simulation von Kühlkreisläufen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist es zu klären, ob und unter welchen Randbedingungen Gebäude regenerativ gekühlt werden können, indem man Wärme über Strahlungsaustausch an den nächtlichen Himmel abführt.
Welche wissenschaftliche Methodik wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer theoretischen Herleitung der Strahlungsprozesse sowie einer umfangreichen computergestützten Simulation der Wärmeströme unter Verwendung von IWEC-Wetterdaten für zahlreiche europäische Standorte.
Was ist der Kerninhalt des Hauptteils?
Der Hauptteil behandelt die detaillierte Modellierung von Komponenten wie Teichen, Speichern und thermoaktiven Bauteilsystemen (TABS) sowie deren systemische Kopplung zur Bereitstellung einer bedarfsgerechten Kühlleistung.
Welche Keywords charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind insbesondere die atmosphärische Gegenstrahlung, die langwellige Abstrahlung, die Himmelstemperatur sowie die Simulation technischer Systeme zur regenerativen Kühlung von Bürogebäuden.
Welche Rolle spielen die untersuchten Klimaregionen für die Systemleistung?
Die Klimadaten beeinflussen durch Faktoren wie Lufttemperatur, Feuchte und Bewölkungsgrad maßgeblich die erreichbare Nettostrahlung, was wiederum direkte Auswirkungen auf die notwendige Größe der Teichflächen hat.
Warum wird in der Arbeit auch ein thermoaktives Bauteilsystem (TABS) simuliert?
Das TABS dient als effizientes Übergabesystem, das durch seine thermische Trägheit Lastspitzen ausgleichen kann und somit eine Nutzung regenerativer Kältequellen auf einem technisch sinnvollen Temperaturniveau ermöglicht.
- Quote paper
- Sebastian Buchner (Author), 2007, Sky Cooling/Gebäudekühlung. Atmosphäre als Wärmesenke, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/418351
