Einleitung
Bereits heute sind die Auswirkungen 1,0 °C globaler Erderwärmung in Form von extremem Wetter, steigenden Meeresspiegeln, abschmelzen des arktischen Eises und anderer Veränderungen sichtbar, so die aktuelle Zusammenfassung des Sonderberichts des Intergovernmental Panel on Climate Change (ipcc) vom 08.10.2018. Sollte eine Begrenzung auf 1,5 °C bis zum Jahre 2100 angepeilt werden, so wäre hierzu eine Reduktionen des menschenverursachten CO2 Ausstoßes von 45 % bis 2030 erforderlich. Vor diesem Hintergrund sind auch energetische Sanierungen am Gebäudebestand politisch gewollt und dringend nötig, um den Energiebedarf und den damit einhergehenden CO2 Ausstoß langfristig zu senken.
Das Unternehmen --- möchte sich dieser Aufgabe stellen und besitzt eine in den 70er Jahren gebaute, sanierungsbedürftige Industriehalle. In einer vorangegangen Bachelorarbeit wurde bereits der Luftbedarf der Halle geprüft und zwei vielversprechende Varianten zur Reduzierung herausgearbeitet. Bei der ersten Variante wird die Bestandsanlage durch Neugeräte ausgetauscht und die Halle weiterhin im Mischluftprinzip belüftet und beheizt. Die zweite Variante sieht eine verringerte, im Schichtlüftungsprinzip eingebrachte Luft vor, bei der mit Dunkelstrahlern geheizt wird.
Im Rahmen dieser Masterarbeit werden beide Varianten in TRNsys simuliert um deren voraussichtliche Energieverbräuche sowie die zu erreichenden Komfortbedingungen in der Halle zu ermitteln. Außerdem werden weitere Sanierungsmaßnahmen am Bauwerk untersucht und in einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bewertet. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Konzept zu entwickeln, das in der Gesamtbetrachtung wirtschaftlich und energetisch effizient umsetzbar ist.
Hierzu erfolgt im ersten Abschnitt eine Analyse der Einflüsse auf Gebäude. Hieran anschließend wird das Simulationsprogramm TRNsys beschrieben und die Grundlagen des Gebäudemodells wiedergegeben. TRNsys besitzt kein Schichtenmodell und kann keine Thermikströme in hohen Räumen ermitteln. Daher wurde alternativ nach den Gleichungen TOGARIs und DORENBURGs ein Tool entwickelt, das die Schichtungen berechnet und an TRNsys übermittelt. Im Anschluss erfolgt die Beschreibung der durchgeführten Simulationen samt Auswertung und abschließend eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nach VDI 2067.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Einflüsse auf Gebäude
2.1 Wärmeströme
2.2 Lüftungswärmeverluste
2.2.1 Begriffsdefinition
2.2.2 Entwicklung der Normung
2.2.3 Außenluftvolumenströme durch die Gebäudehülle
2.2.4 Außenluftvolumenstrom durch große Öffnungen
2.3 Transmissionswärmeverluste
2.3.1 Begriffsdefinition
2.3.2 U-Wertberechnung Wand
2.3.3 U-Wertberechnung Fenster
2.3.4 U-Wertberechnung für an das Erdreich angrenzende Bauteile
2.4 Strahlung
2.4.1 Begriffsdefinition
2.4.2 Belastung durch lichtundurchlässige (opake) Konstruktionen
2.4.3 Belastung durch lichtdurchlässige (transparente) Konstruktionen
2.4.4 Strahlungsaustausch mit der Atmosphäre
2.4.5 Strahlungsaustausch im Raum
2.5 Innere Wärmequellen und Wärmesenken
3 TRNSYS
3.1 Geschichte TRNsys
3.2 Aufbau TRNsys
3.3 Grundlage Gebäudemodelle
3.4 Temperaturschichtung und Thermikströme
3.4.1 Einführung
3.4.2 TOGARIs thermisches Schichtenmodell
3.4.3 DORENBURGs Thermikströme
4 Modellierung
4.1 Hallenbeschreibung
4.2 Erstellung eines Simulationsmodelles
4.3 Erstellung einer Baustoff-Bauteil Datenbank
4.4 Modellierung des Gebäudes
4.5 Modellierung der Anlagentechnik
4.6 Festlegen der thermischen Randbedingungen
4.7 Verknüpfung Exceltool mit TRNsys
5 Simulation
5.1 Varianten
5.2 Auswertung
6 Wirtschaftlichkeit
6.1 Annahmen
6.2 Auswertung
6.3 Sanierungsfahrplan
7 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Ziel der Masterarbeit ist die energetische und wirtschaftliche Überprüfung verschiedener Klimatisierungskonzepte für eine sanierungsbedürftige Industriehalle. Dabei werden Simulationsmethoden genutzt, um voraussichtliche Energieverbräuche sowie die erreichbaren Komfortbedingungen zu ermitteln und ein umsetzbares Sanierungskonzept zu entwickeln.
- Thermische Simulation komplexer Industriehallen mittels TRNSYS
- Entwicklung eines Schichtenmodells zur Berücksichtigung von Thermikströmen
- Vergleich zwischen Mischluft- und Schichtlüftungsprinzip
- Wirtschaftlichkeitsanalyse nach VDI 2067
- Einfluss von Sanierungsmaßnahmen (Dämmung, Sonnenschutz, Anlagentechnik)
Auszug aus dem Buch
3.4.2 TOGARIs thermisches Schichtenmodell
TOGARI [3] beschreibt ein temperaturbasiertes Schichtenmodell, in dem ein einzelner Raum in mehrere horizontale Schichten mit jeweils einheitlicher Temperatur unterteilt wird. Jede Schicht besteht aus einer Kernzelle (core cell) mit mehreren Wandzellen (wall cell). Die Luft der Kernzelle strömt temperaturabhängig in die Wandzelle (1) und kühlt (erhitzt) sich durch den Wandkontakt ab (3). In der Wandzelle wird sie nun, von dichteunterschieden getrieben, in die Wandzelle darunter (darüber) abströmen und sich verteilen. Da nun in der Kernzelle ein Luftmangel herrscht, muss dieser aus der darunterliegenden (darüberliegenden) Zelle ausgeglichen werden (2). Der beschriebene Vorgang wird in Abbildung 8 gezeigt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Motivation für energetische Sanierungen im Bestand aufgrund globaler Erwärmung und Vorstellung der Zielsetzung für die Industriehalle.
2 Einflüsse auf Gebäude: Analyse der theoretischen Grundlagen für Heiz- und Kühllastberechnungen, Infiltration und Strahlungseinflüsse.
3 TRNSYS: Beschreibung der Simulationssoftware, ihrer Funktionsweise und der Notwendigkeit einer ergänzenden Modellierung für Schichtungen.
4 Modellierung: Detailreiche Erläuterung der Umsetzung des Hallenmodells, inklusive Geometrie, Materialeigenschaften und Anlagentechnik.
5 Simulation: Auflistung der verschiedenen untersuchten Sanierungsszenarien und deren Einfluss auf Energieverbrauch und Komfort.
6 Wirtschaftlichkeit: Bewertung der monetären Auswirkungen der Sanierungsschritte nach VDI 2067.
7 Zusammenfassung: Synthese der Ergebnisse und Handlungsempfehlungen zur Sanierung.
Schlüsselwörter
Industriehalle, Gebäudesimulation, TRNSYS, Schichtlüftung, Mischlüftung, Thermikmodell, Energieeffizienz, CO2-Reduktion, Infiltration, Heizlast, Anlagentechnik, Sanierungskonzept, Wirtschaftlichkeitsbetrachtung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der technischen und wirtschaftlichen Bewertung von Klimatisierungskonzepten für eine sanierungsbedürftige Industriehalle.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die zentralen Felder umfassen die Gebäude- und Anlagensimulation, thermodynamische Modellierung von Schichtungen, energetische Sanierung und Wirtschaftlichkeitsberechnungen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Entwicklung eines energetisch und wirtschaftlich effizienten Sanierungskonzepts für eine bestehende Industriehalle.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es werden dynamische Gebäudesimulationen mit TRNSYS in Kombination mit einem eigenentwickelten Excel-Tool zur Berechnung thermischer Schichtungen durchgeführt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Modellierung der baulichen und anlagentechnischen Gegebenheiten, die Durchführung verschiedener Simulationsvarianten sowie die wirtschaftliche Bewertung der Maßnahmen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Untersuchung?
Schlüsselbegriffe sind Energieeffizienz, Schichtlüftung, Gebäudesimulation, industrielle Klimatisierung und thermodynamische Modellierung.
Wie unterscheidet sich das entwickelte Modell von Standard-TRNSYS-Modellen?
TRNSYS besitzt standardmäßig kein Schichtenmodell für hohe Hallen; daher wurde ein Tool basierend auf den Gleichungen von TOGARI und DORENBURG integriert, um Temperaturschichtungen abzubilden.
Welches Fazit zieht der Autor zur Wirtschaftlichkeit?
Der Autor stellt fest, dass ein Anlagentausch ohne weitere Maßnahmen am ineffizientesten ist, während die Kombination aus Dunkelstrahlern, verschatteten Dachkuppeln und optimierter Steuerung die besten Einsparungspotenziale bietet.
- Quote paper
- Robert Kühn (Author), 2018, Technische und wirtschaftliche Überprüfung verschiedener Klimatisierungskonzepte für eine Produktionshalle mittels Gebäudesimulation, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/491548
