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

Brunner, Tobias

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

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

Ingenieurwissenschaften - Bauingenieurwesen

Zusammenfassung

Inhaltsangabe: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 verlegt 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 anfallenden Lasten in der Gebäudemasse zu speichern. Die Einsatzmöglichkeit für den Heizbetrieb hängt aufgrund der niedrigen möglichen Wärmeabgabe der Bauteile eng mit der Wärmedämmung des Gebäudes zusammen, hier sind jedoch in Zukunft weitere Verbesserungen 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 Schwankungen 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, schnelles System abdek-ken läßt.
Durch die niedrigen Heiz- bzw. hohen Kühlmedientemperaturen eignen sich thermisch aktive Bauteilsysteme besonders für den Einsatz von […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

ID 1768

Bendel, Tobias: Untersuchung geeigneter Regelungsstrategien für thermisch aktive Decken in

Bürogebäuden mit Hilfe der Computersimulation und dem Ziel der Nutzung von Umweltenergie

/ Tobias Bendel - Hamburg: Diplomarbeiten Agentur, 1999

Zugl.: Köln, Fachhochschule, Diplom, 1999

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Dipl. Kfm. Dipl. Hdl. Björn Bedey, Dipl. Wi.-Ing. Martin Haschke & Guido Meyer GbR

Diplomarbeiten Agentur, http://www.diplom.de, Hamburg 2000

Printed in Germany

Inhalt Seite 3

1 Inhalt

Inhalt ...3

Häufig verwendete Formelzeichen ...4

Einleitung...5

3.1 Aktueller Stand in der Literatur ...6

Aufgabe...10

Methode ...11

5.1 Untersuchungsobjekt...11

5.2 Zu untersuchende Varianten ...16

5.3 Neue Regelungsstrategie...21

5.4 Das Simulationsprogramm TRNSYS ...24

5.5 Grundlagen der Rechenverfahren des Simulationsprogramms TRNSYS ...26

5.6 Der Heizfall...35

5.7 Der Kühlfall ...37

5.8 Langzeitbewertung thermischer Behaglichkeit...38

5.9 Erforderliche Pumpenantriebsleistung...39

Diskussion der Ergebnisse ...41

6.1 Überprüfung der Raumtemperatur zum Zeitpunkt maximaler Kühllast...41

6.2 Gebäudekonstanten...43

6.3 Vergleich zwischen 6 und 9 cm Betonunterdeckung...44

6.4 Auswertung Modell Hauser ...46

6.5 Getaktete Pumpenlaufzeiten (Varia01 und Varia01a) ...53

6.6 Systemlaufzeit außerhalb der Nutzungszeit (Varia02) ...58

6.7 Regelung der Vorlauftemperatur nach neuer Regelungsstrategie (Varia08)...63

6.8 Regelung nach einer mittleren Temperatur (Varia09) ...65

6.9 Deckung des Kühlkältebedarfes allein über Grundwassernutzung (Varia07)...68

6.10

Einfluß durch Entfernen der Trittschalldämmung (Varia03)...71

6.11

System mit jahreszeitlich konstanter Vorlauftemperatur (Varia04) ...74

6.12

Systemverhalten unter extremen Wetterbedingungen ...76

Zusammenfassung und Ausblick ...80

7.1 Weitere Fragestellungen ...80

Literatur...83

Anhang...85

Der Anhang mit Bildern ist nicht in der gedruckten Version aufgenommen, sondern liegt in Absprache mit

den Prüfern und dem Prüfungsausschußvorsitzenden nur auf der beiliegenden CD Rom im Format Micro-

soft

Word

97 und Microsoft

Excel

97 vor.

Formelzeichen Seite 4

2 Häufig verwendete Formelzeichen

fsky

Anteil der äußeren Oberfläche, die mit dem Himmel in direktem Strahlungsaustausch steht

conv,s,o

konvektiver Wärmeübergangskoeffizient an der äußeren Oberfläche

c,s,i

spezifischer konvektiver Wärmestrom von der inneren Oberfläche an die Luft innerhalb der Zone

c,s,o

spezifischer konvektiver Wärmestrom an die äußere Oberfläche

c,s,o

spezifischer konvektiver Wärmestrom in die Oberfläche

comb,s,o

spezifischer kombinierter konvektiver und radiativer Wärmestrom in die Oberfläche

r,s,i

spezifischer Strahlungswärmeaustausch mit allen anderen Oberflächen in der Zone

r,s,o

spezifischer radiativer Wärmestrom in die Oberfläche

r,s,o

spezifischer Strahlungswärmeaustausch mit Oberflächen außerhalb der Zone

s,i

spezifische Wärmeleitung an die innere Oberfläche

s,o

spezifische Wärmeleitung von der äußeren Oberfläche in die Wand

s,i

Strahlungswärme, die an der inneren Oberfläche absorbiert wird

s,o

Strahlungswärme, die an der äußeren Oberfläche absorbiert wird

a,s

Lufttemperatur außen

Lufttemperatur innerhalb der Zone

s,i

Oberflächentemperatur innen

s,o

Oberflächentemperatur außen

Tsky

fiktive Himmelstemperatur für den langwelligen Strahlungsaustausch

s,o

Emissionskoeffizient der äußeren Oberfläche

Lufttemperatur

Vollbenutzungsstunden

empfundene Temperatur

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 Formelzei-

chen für die übrigen Temperaturen als

mit Index geschrieben werden.

Einleitung Seite 5

3 Einleitung

Thermisch aktive Decken können als Sonderfall der bekannten Flächenheiz und kühlsy-

steme 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 verlegt

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 anfallenden

Lasten in der Gebäudemasse zu speichern. Die Einsatzmöglichkeit für den Heizbetrieb

hängt aufgrund der niedrigen möglichen Wärmeabgabe der Bauteile eng mit der Wärme-

dämmung des Gebäudes zusammen, hier sind jedoch in Zukunft weitere Verbesserungen

zu erwarten.

Die zwischengespeicherte Energie kann in Zeiten außerhalb der Betriebszeit unter Ausnut-

zung 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 Maßnah-

men 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 Sola-

renergienutzung, Erdwärmespeicher, Grundwassernutzung, Wärmepumpentechnik, etc.,

aber auch für die Nutzung von Prozeßwärme.

Einleitung Seite 6

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 Sonnenschutzmaß-

nahmen und Wärmeschutz verstärkt, so daß das Gebäude vom Außenklima weiter entkop-

pelt wurde. Danach besann man sich auf die Speichermassen des Gebäudes und nutzte die-

se, um anfallende Lastspitzen zu puffern. Dafür mußten sämtliche Verkleidungen der Be-

tonteile, 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 Gren-

zen 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 sy-

stems" zitiert in [24]) hat nachgewiesen, daß eine Änderung der empfundenen Temperatur

von 0,5 K/h als thermisch stationäre Bedingung empfunden wird.

Einleitung Seite 7

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 Umschlie-

ssungsflächen von 1,5 bis 5,5 W/(m²K) nicht in der gleichen Zeitspanne von der Gebäu-

demasse 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 Kühllei-

stung 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.

Einleitung Seite 8

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 MEIER-

HANS 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 La-

sten aktiv abgeführt werden müssen. Die genaue Größe hängt von Faktoren wie Wärme-

dämmung, 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 Möglich-

keiten auszuschöpfen, bevor mit einer leistungsstarken und energieintensiven Anlagen-

technik Mängel in Bauplanung und -ausführung ausgeglichen werden. Hierzu zählen ins-

besondere der bauliche Wärmeschutz auf sinnvollem Niveau, die Anbringung eines lei-

stungsfähigen Sonnenschutzes und im Sinne der Nutzbarmachung von Speicherwirkungen

die Anbindung der Gebäudemassen an die Raumluft durch Entfernen von Verkleidungen,

abgehängten Decken, etc.

Der dann verbleibende Energiebedarf kann dort, wo es sinnvoll ist, zunächst durch den

Einsatz von Umweltenergie gedeckt werden. WEBER unterteilt die Nutzungsmöglichkei-

ten von Umweltenergie in Gebäuden in [23] in die drei Gruppen Wärmeschutz, Passive

System und Aktive Systeme.

Einleitung Seite 9

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 konven-

tionell 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. re-

gionalen 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.

Aufgabe Seite 10

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 nö-

tig. Anschließend ist das verwendete Gebäude-, Nutzungs- und Anlagenmodell im Simula-

tionsprogramm 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 untersu-

chende 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.

Methode Seite 11

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.

Lichte Abmessungen:

Raumlänge

5,50 m

Raumbreite

3,60 m

Raumhöhe

2,80 m

Fensterhöhe

1,65 m

Fensterbreite

3,03 m

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 5-2 - Aufbau der thermisch aktiven Decke

HAUSER rechnet nach Vorgabe von VELTA mit einer Betonunterdeckung von 6 cm. Üb-

lich ist es jedoch, die Rohre in der Mitte der Decke, d.h. in diesem Falle 9 cm tief zu verle-

gen. 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.

180

150

Methode Seite 12

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 gekom-

men, daß diese Einflüsse ausreichend eliminiert sind, wenn sich der betrachtete Gebäude-

teil 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 sicher-

gestellt, daß keine Wärmeleitung zwischen den Räumen stattfindet. Der betrachtete Ge-

bäudeteil 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. Feuch-

tigkeit, Sonneneinstrahlung, etc. für jede Stunde des Jahres, insgesamt also 8760 Datensät-

ze. 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.

Methode Seite 13

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 Untersu-

chungszeitraum 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 ange-

nommen, 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 5-3 Tagesprofil der inneren Wärmequellen

Innere Lasten - Montag bis Freitag

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Stunde am Tag [h]

ner

e La

[

²]

innere Lasten,

konvektiv [W/m²]

innere Lasten,

radiativ [W/m²]

Methode Seite 14

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 sensi-

blen 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:

Fenster und Türen geschlossen

0...0,5 h

-1

Fenster gekippt, kein Rolladen

0,3...1,5 h

-1

Fenster halb offen

5...10 h

-1

Fenster ganz offen

10...15 h

-1

Fenster und Türen gegenüberliegend offen (,,Durchzug")

bis 40 h

-1

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

10 h

-1

in Abhängigkeit von Nut-

zungszeit und empfundener Temperatur verwendet:

Außerhalb der Nutzung beträgt

L,min

= 0,3 h

-1

, während der Nutzung

= 0,8 h

-1

, bei

Überschreitung einer empfundenen Temperatur von 24°C

= 5,0 h

-1

, bei Überschreitung

einer empfundenen Temperatur von 26°C

= 10 h

-1

Da es sich um eine natürliche Lüftung handelt, wird vorausgesetzt, daß die Fenster außer-

halb 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

Methode Seite 15

eine solcher zusäzlicher Vergleich jedoch nicht abzuleiten. Daher wurde auch hier darauf

verzichtet.

Sonnenschutz:

Die Fenster sind mit einem außenliegenden idealem, das heißt verzögerungslosem Sonnen-

schutz mit einem Abminderungsfaktor z = 0,5 ausgestattet.

Der Sonnenschutz ist nur während der Nutzung in Betrieb und wird automatisch bei Auf-

treffen direkter Sonnenstrahlung auf die Fassadenseite oder bei Überschreitung einer emp-

fundenen 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 grö-

ßerer 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 Simu-

lationsvariante 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.

Methode Seite 16

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.

Regelstrategie

Kurzbeschreibung

Das System ist während und außerhalb der Nutzung betriebsbereit

Das System ist nur während der Nutzung betriebsbereit

Das System ist außerhalb der Nutzung von 18 6 Uhr betriebsbereit

Das System ist außerhalb der Nutzung von 22 6 Uhr betriebsbereit

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 be-

triebsbereit.

Sofern die empfundene Raumtemperatur größer als 23°C ist, wird ein Kaltwassermassen-

strom von 108,3 kg/h umgewälzt.

Die Vorlauftemperatur entspricht der Taupunkttemperatur der Raumluft.

Heizbetrieb: Das System ist während und außerhalb der Nutzungszeit des Gebäudes be-

triebsbereit.

Sofern die empfundene Raumtemperatur kleiner ist als 22°C, wird ein Heizwassermassen-

strom umgewälzt.

Methode Seite 17

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

gelt.

Abbildung 5-4

Die Heizkurve wurde aus den von HAUSER verwendeten Angaben errechnet. Die Rech-

nung 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 Dek-

kensystem außer Betrieb.

Kühlbetrieb: Das System ist während und außerhalb der Nutzungszeit des Gebäudes be-

triebsbereit.

Sofern die empfundene Raumtemperatur größer als 23°C ist, wird ein Kaltwassermassen-

strom 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 Lei-

stung 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 ge-

zeigt hat, daß die Temperaturspreizung zwischen Vorlauf und Rücklauf bei einem Massen-

strom 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.

- 15

- 10

- 5

Außentemperatur a [°C]

lauf

rat

[°

]

Methode Seite 18

5.2.3

Getaktete Pumpenlaufzeite (VARIA01)

Um die Laufzeit der Pumpen auf ein Minimum zu reduzieren, kann die folgende Überle-

gung angestellt werden. Nach Gleichung 5-1 hängt der Wärmestrom von den veränderli-

chen Größen Massenstrom und Temperaturdifferenz ab.

* c

Gleichung 5-1

Vergrößert sich die Temperaturdifferenz, wird bei sonst gleichen Bedingungen der Wär-

mestrom 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

Methode Seite 19

5.2.5

Entfernen der Trittschalldämmung (VARIA03)

Neben den in erster Linie anlagentechnischen Varianten soll eine gebäudetechnische Vari-

ante 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 Flä-

che 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 hochwärmege-

dämmten 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 Au-

ßentemperaturen 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.

Methode Seite 20

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

über einen idealisierten Grundwasserwärmetauscher mit

Kühlkreis

= 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

Vorlauftemperatur über 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 Refe-

renztemperatur geregelt.

5.2.11

Mittlere Wassertemperatur über neue Heizkurve bzw. Referenztemperatur

(VARIA08)

Nach Vorgabe von VELTA wird die mittlere Wassertemperatur

(Gleichung 5-2) im

Heizfall nach einer Heizkurve und im Kühlfall nach der in Gleichung 5-5 beschriebenen

Referenztemperatur geregelt.

Gleichung 5-2

Methode Seite 21

5.3 Neue Regelungsstrategie

Aus den in den ersten Rechnungen gewonnen Ergebnissen ist zu sehen, daß die Randbe-

dingungen für den Einsatz von Umweltenergie noch nicht optimal geeignet sind. Es wer-

den daher die nachfolgend beschriebenen Änderungen am Massenstrom und den Vorlauf-

temperaturen 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 mbar

entspr. 56.000 Pa

Innendurchmesser des Rohres d

= 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.

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

men.

Methode Seite 22

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

= 20°C/20°C und einer Steigung von 0,4

linear angesetzt. Der Verlauf ist in Abbildung 5-5 wiedergegeben.

Abbildung 5-5 Neue Heizkurve

5.3.3

Neue Vorlauftemperatur im Kühlfall

Die Vorlauftemperatur im Kühlfall wird für alle weiteren Berechnungen wie folgt be-

stimmt. Gleichung 5-3 beschreibt den Einfluß der Außentemperatur, Gleichung 5-4 den

Einfluß der Raumtemperaturabweichung vom Sollwert auf die Vorlauftemperatur.

(

)

Soll

Raum

Aus

ref

max

Gleichung 5-3

(

)

parallel

Aus

aus

ref

)

(

Gleichung 5-4

Mit

Neigung der Heizkurve (hier wie im Heizfall 0,4)

max

Verstärkungsfaktor (0

max

9, hier 4)

Raum

Raumtemperatur

Raum,soll

Sollwert für die Raumtemperatur

Aus

Außentemperatur

parallel

Parallelverschiebung der Heizkurve

ref

Referenztemperatur, entspricht hier der mittleren Temperatur nach

Gleichung 5-2

Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der

Außentemperatur - Heizfall

-30

-20

-10

Außentemperatur [°C]

orl

fte

r [

°C

]

Details

Seiten
Erscheinungsform: Originalausgabe
Jahr: 1999
ISBN (eBook): 9783832417680
ISBN (Paperback): 9783838617688
Dateigröße: 1 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Technische Hochschule Köln, ehem. Fachhochschule Köln – Unbekannt
Note: 1,3
Schlagworte: bauteiltemperierung decken betonkernaktivierung bauteilkühlung

Autor

Tobias Brunner (Autor:in)

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

Zusammenfassung

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Details

Autor

Tobias Brunner (Autor:in)