Untersuchung und Optimierung eines solargestützten Heiz- und Klimatisierungssystems für ein Einfamilienhaus
©2006
Diplomarbeit
92 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Problemstellung:
Der Trend zu einer energieeinsparenden Bauweise hat zu einer verbesserten Wärmedämmung und Abdichtung von Gebäuden geführt, um vor allem in den kälteren Jahreszeiten den Wärmeverlust zu senken und Energie bei der Heizung einzusparen.
Diese Bauweise bewirkt allerdings auch, dass im Sommer selbst im mitteleuropäischen Klima die Temperaturen in den Gebäuden durch die Sonneneinstrahlung, vor allem bei großen Glasflächen, relativ hoch werden, da nur schwierig Wärme abgeführt werden kann, wenn angenehmere, kühlere Temperaturen erwünscht sind. Zudem bewirkt die hohe Dichtigkeit der Gebäude, dass der Luftaustausch mit der Umgebung fast versiegt. Dies kann zu einer unerwünschten Anreicherung von Gerüchen oder auch Schadstoffen führen. Eine kontrollierte Lüftung kann den dadurch auftretenden hygienischen und bauphysikalischen Problemen Abhilfe schaffen. Wird diese zusätzlich mit einer Wärmerückgewinnung ausgestattet, so können auch die Wärmeverluste im Winter minimiert werden. Das Problem der unzureichenden Wärmeabfuhr im Sommer kann dagegen eine Klimaanlage beheben. Allerdings haben konventionelle Klimaanlagen einen hohen Stromverbrauch, der bei aktuellen Kraftwerkswirkungsgraden zu einem höheren Primärenergiebedarf führt.
Eine Klimaanlage hat die Aufgabe, Temperatur und Feuchte innerhalb vorgeschriebener Grenzen konstant zu halten. Dazu sollte sie alle vier thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen, kühlen, heizen, ent- und befeuchten, beherrschen. Zur Luftentfeuchtung gibt es prinzipiell zwei Arten, die sich in den Anforderungen an den Klimatisierungsprozess stark unterscheiden. Einerseits kann die Luft durch eine Abkühlung und die damit verbundene Taupunktsunterschreitung auf den gewünschten Feuchtegehalt gebracht werden, andererseits kann der Wasserdampf auch durch Sorption mittels hygroskopischer Stoffe entfernt werden. Je nach Anlagentyp und -standort kann man daher auch verschiedene Energieformen nutzen.
Gang der Untersuchung:
Ziel der Anlage, die in dieser Arbeit behandelt wird, ist es, zu zeigen, in wie weit die sorptionsgestützte Klimatisierung eines Einfamilienhauses auch durch den Einsatz von Solarenergie und der Ausnutzung der Erde als Wärmesenke zur Kühlung im Sommer zu realisieren ist.
Zur sorptionsgestützten Entfeuchtung muss Wärme zur Regeneration des Sorptionsmediums bereitgestellt werden. Die Kühlung dient hier nur dazu, die Temperatur der Luft einzustellen. Dies hat den Vorteil, dass die […]
Der Trend zu einer energieeinsparenden Bauweise hat zu einer verbesserten Wärmedämmung und Abdichtung von Gebäuden geführt, um vor allem in den kälteren Jahreszeiten den Wärmeverlust zu senken und Energie bei der Heizung einzusparen.
Diese Bauweise bewirkt allerdings auch, dass im Sommer selbst im mitteleuropäischen Klima die Temperaturen in den Gebäuden durch die Sonneneinstrahlung, vor allem bei großen Glasflächen, relativ hoch werden, da nur schwierig Wärme abgeführt werden kann, wenn angenehmere, kühlere Temperaturen erwünscht sind. Zudem bewirkt die hohe Dichtigkeit der Gebäude, dass der Luftaustausch mit der Umgebung fast versiegt. Dies kann zu einer unerwünschten Anreicherung von Gerüchen oder auch Schadstoffen führen. Eine kontrollierte Lüftung kann den dadurch auftretenden hygienischen und bauphysikalischen Problemen Abhilfe schaffen. Wird diese zusätzlich mit einer Wärmerückgewinnung ausgestattet, so können auch die Wärmeverluste im Winter minimiert werden. Das Problem der unzureichenden Wärmeabfuhr im Sommer kann dagegen eine Klimaanlage beheben. Allerdings haben konventionelle Klimaanlagen einen hohen Stromverbrauch, der bei aktuellen Kraftwerkswirkungsgraden zu einem höheren Primärenergiebedarf führt.
Eine Klimaanlage hat die Aufgabe, Temperatur und Feuchte innerhalb vorgeschriebener Grenzen konstant zu halten. Dazu sollte sie alle vier thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen, kühlen, heizen, ent- und befeuchten, beherrschen. Zur Luftentfeuchtung gibt es prinzipiell zwei Arten, die sich in den Anforderungen an den Klimatisierungsprozess stark unterscheiden. Einerseits kann die Luft durch eine Abkühlung und die damit verbundene Taupunktsunterschreitung auf den gewünschten Feuchtegehalt gebracht werden, andererseits kann der Wasserdampf auch durch Sorption mittels hygroskopischer Stoffe entfernt werden. Je nach Anlagentyp und -standort kann man daher auch verschiedene Energieformen nutzen.
Gang der Untersuchung:
Ziel der Anlage, die in dieser Arbeit behandelt wird, ist es, zu zeigen, in wie weit die sorptionsgestützte Klimatisierung eines Einfamilienhauses auch durch den Einsatz von Solarenergie und der Ausnutzung der Erde als Wärmesenke zur Kühlung im Sommer zu realisieren ist.
Zur sorptionsgestützten Entfeuchtung muss Wärme zur Regeneration des Sorptionsmediums bereitgestellt werden. Die Kühlung dient hier nur dazu, die Temperatur der Luft einzustellen. Dies hat den Vorteil, dass die […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
Andreas Joos
Untersuchung und Optimierung eines solargestützten Heiz- und
Klimatisierungssystems für ein Einfamilienhaus
ISBN: 978-3-8366-0802-2
Druck Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2008
Zugl. Technische Universität Hamburg-Harburg, Hamburg-Harburg, Deutschland,
Diplomarbeit, 2006
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http://www.diplomica.de, Hamburg 2008
Printed in Germany
Herr cand.-Ing. Andreas Joos
Matrikelnummer: 22042
Aufgabenstellung für eine Diplomarbeit
Thema:
Untersuchung und Optimierung eines solargestützten Heiz- und
Klimatisierungssystems für ein Einfamilienhaus
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens am Institut für Thermofluiddynamik (Arbeits-
gruppe Technische Thermodynamik) ist ein System zur Klimatisierung eines Einfamilien-
hauses entwickelt worden. Dabei wird Luft in einem sorptiongestützten Gerät zur kontrol-
lierten Lüftung entfeuchtet und konditioniert, während eine Fussbodenkühlung den Großteil
der sensiblen Lasten aus den Räumen abführt. Zur Entfeuchtung im Lüftungsgerät wird Wär-
me benötigt, die von Solarkollektoren zur Verfügung gestellt wird. Als Wärmesenke dient
eine Erdkältesonde. Auf dieser Art und Weise wird eine besonders umweltschonende Kli-
matisierung bewerkstelligt.
Ziel der Arbeit ist es, das System energetisch zu bewerten und zu optimieren. Dazu sind
folgende Aufgaben durchzuführen:
· Beschreibung des System
· Messtechnische Begleitung: Grafische Auswertung der Messergebnisse
· Simulation der Anlage mit Dymola/Modelica, Weiterentwicklung der vorhandenen Si-
mulationsmodelle
· Validierung/Verifizierung der Simulation anhand von Messdaten
· Anhand des Vergleichs der Simulation mit den Messdaten soll das System optimiert
werden, z.B. bezüglich der Steuerung
· Primärenergetische Bewertung und Vergleich mit einem konventionellen System (z.B.
ein rein elektrisches System)
Hamburg-Harburg, den 21.03.2006
Prof. Dr.-Ing. G. Schmitz
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
iii
Tabellenverzeichnis
vii
Quellcodeverzeichnis
ix
Formelzeichen und Indizes
xi
1
Einleitung
1
2
Überblick Klimaanlagen
3
3
Systembeschreibung
7
4
Modellierung und Simulation
13
4.1
Sorptionsrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.2
Wärmerückgewinner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
4.3
Regenerationslufterhitzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
4.4
Zuluftkühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
4.5
Regelung des Zuluftzustandes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
4.6
Vergleich mit einer konventionellen Klimaanlage . . . . . . . . . . . . . .
43
5
Messdatenerfassung und Steuerung der Anlage
49
6
Messergebnisse
53
6.1
Zuluft-Ventilator
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
6.2
Ventilatoren am Zuluftkühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
6.3
ZLK und RLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
6.4
Entfeuchtungstest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
6.5
Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
7
Zusammenfassung und Ausblick
71
Literaturverzeichnis
75
A Basis Modelle
77
A.1 Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
A.2 Kontrollvolumina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
i
Inhaltsverzeichnis
B Messstellen
83
B.1 Eingänge
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
B.2 Ausgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
B.3 Hersteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
ii
Abbildungsverzeichnis
1.1
Einfamilienhaus in Westerrönfeld, in das die Pilotanlage eingebaut ist . . .
2
2.1
Skizze eines konventionellen Klimatisierungsprozesses . . . . . . . . . . .
3
2.2
Skizze eines sorptionsgestützen Klimatisierungsprozesses . . . . . . . . . .
4
2.3
Vergleich der Klimatisierungsprozesse im h,x-Diagramm . . . . . . . . . .
5
3.1
Schaltbild der Wärme- und Kälteversorgung der Anlage . . . . . . . . . . .
8
3.2
Funktionsschaubild des Lüftungsgerätes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.3
Lüftungsgerät in der Einbauphase
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.4
h,x-Diagramm des Prozesses im Lüftungsgerät
. . . . . . . . . . . . . . .
10
4.1
Fotos des Sorptionsrotors SECO 600 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.2
Stofftransport zwischen dem Luftstrom und der Rotormatrix . . . . . . . .
15
4.3
Wärmetransport zwischen dem Luftstrom und der Rotormatrix . . . . . . .
15
4.4
Aufteilung des Rotors in Volumenelemente . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
4.5
Aufbau des Rotors in Dymola
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
4.6
Benutzer-Interface des Rotors zur Eingabe von Parametern in Dymola . . .
18
4.7
Einfluss des Diskretisierungsgrads in tangentialer Richtung auf die Genau-
igkeit der Simulation (
n = 10) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
4.8
Einfluss des Diskretisierungsgrads in tangentialer Richtung auf die Rechen-
zeit (
n = 10, u = 5 rpm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
4.9
Vergleich des Modells mit dem Modell aus [Cas05
. . . . . . . . . . . . .
23
4.10 Rechenzeiten beim Vergleich des Modells mit dem Modell aus [Cas05 . . .
24
4.11 Austrittstemperatur und -feuchte der Prozessluft in Abhängigkeit der Rotor-
drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
4.12 Beispiel für ein Dymola Modell des Rotors mit Messdaten . . . . . . . . .
26
4.13 Variation der Lewis-Zahl, links Auswirkungen auf Prozesslufttemperatur,
rechts auf die Prozessluftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
4.14 Variation der Nu-Zahl, links Auswirkungen auf Prozesslufttemperatur, rechts
auf die Prozessluftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
4.15 Variation der Prozeßlufttemperatur, links Auswirkungen auf Prozesslufttem-
peratur, rechts auf die Prozessluftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
4.16 Variation der Prozeßluftfeuchte, links Auswirkungen auf Prozesslufttempe-
ratur, rechts auf die Prozessluftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
4.17 Variation der Regenerationslufttemperatur, links Auswirkungen auf Prozess-
lufttemperatur, rechts auf die Prozessluftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . .
28
4.18 Variation der Regenerationsluftfeuchte, links Auswirkungen auf Prozessluft-
temperatur, rechts auf die Prozessluftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
iii
Abbildungsverzeichnis
4.19 Variation der Regenerationslufttemperatur bei Nu = 0.5, links Auswirkungen
auf Prozesslufttemperatur, rechts auf die Prozessluftfeuchte . . . . . . . . .
29
4.20 Variation der Regenerationslufttemperatur bei Nu = 1, links Auswirkungen
auf Prozesslufttemperatur, rechts auf die Prozessluftfeuchte . . . . . . . . .
29
4.21 Variation der Regenerationslufttemperatur bei Nu = 1.5, links Auswirkungen
auf Prozesslufttemperatur, rechts auf die Prozessluftfeuchte . . . . . . . . .
29
4.22 Vergleich mit Messdaten bei Nu = 1, Offset Regenerationslufttemperatur =
- 2 K, Offset Regenerationsluftfeuchte = - 1 g/kg (Daten vom 27.6.2006) . .
30
4.23 Vergleich mit Messdaten bei Nu = 1, Offset Regenerationslufttemperatur =
- 2 K, Offset Regenerationsluftfeuchte = - 1 g/kg (Daten vom 20.7.2006) . .
30
4.24 Dymola-Modell des Wärmerückgewinners . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
4.25 In Simulink eingebundenes Dymola-Modell des Wärmerückgewinners . . .
33
4.26 Anpassung des WRG-Modells an Messdaten vom 20.7.2006 . . . . . . . .
34
4.27 Validierung des WRG-Modells mit Messdaten vom 13.7.2006 . . . . . . .
35
4.28 Dymola-Modell des Regenerationslufterhitzers
. . . . . . . . . . . . . . .
36
4.29 Dymola-Modell des Zuluftkühlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
4.30 Simulink-Modell eines PI-Reglers mit anti windup Schaltung . . . . . . . .
39
4.31 Summenverteilung der absoluten Feuchte in verschiedenen Temperaturbe-
reichen Februar bis Juli 2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
4.32 Simulink-Modell des Stufenreglers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
4.33 Vergleich der Steurungs- bzw. Regelungsstrategien . . . . . . . . . . . . .
44
4.34 Simulink-Modell des Lüftungsgerätes mit Feuchte-Regelung über den RLE .
45
4.35 Simulink-Modell einer konventionellen Klimaanlage
. . . . . . . . . . . .
46
4.36 Vergleich des Primärenergiebedarfs einer konventionellen Anlage mit dem
einer sorptionsgestützen Anlage auf Grund der Messdaten vom 11. Mai bis
10. September 2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
5.1
Screenshots des LabView Messdatenerfassungs- und Steuerungsprogramms,
Anlagenschema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
5.2
Screenshots des LabView Messdatenerfassungs- und Steuerungsprogramms,
Lüftungsgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
5.3
Struktur des LabView Messdatenerfassungs- und Steuerungsprogramms . .
52
6.1
Schema des Lüftungsgerätes mit zwei Lüftern . . . . . . . . . . . . . . . .
54
6.2
Schema des Lüftungsgerätes mit drei Lüftern . . . . . . . . . . . . . . . .
54
6.3
Lage der Druckmesstellen am Lüftungsgerät . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
6.4
Kennlinien der Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
6.5
Foto vom Einbau der zusätzlichen Lüfter auf dem Zuluftkühler . . . . . . .
58
6.6
Luft- und wasserseitige Temperaturdifferenz über den ZLK am 20.7.2006 .
59
6.7
absolute Feuchte der Außen- und Zuluft am 20.7.2006
. . . . . . . . . . .
62
6.8
Temperaturen im Vor- und Rücklauf des Brennwertkessels am 20.7.2006 . .
63
6.9
gemessene Volumen- und Wärmeströme durch den Zuluftkühler . . . . . .
65
6.10 Temperaturen am Zukuftkühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
6.11 Temperaturen auf der Zuluftseite während Zuschaltens des Kaltwassersatzes
66
6.12 wasserseitige Temperaturen im ZLK während Zuschaltens des Kaltwasser-
satzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
iv
Abbildungsverzeichnis
6.13 Verhalten der Raumtemperatur bezgl. der Fußbodenkühlung . . . . . . . .
67
6.14 Volumenströme durch den Zuluftkühler und die Fussbodenkühlung . . . . .
68
6.15 Temperaturen im Vor- und Rücklauf der Erdkältesonde bei verschiedenen
Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
6.16 Abgeführte Wärmeströme im Zuluftkühler und in der Fussbodenkühlung . .
68
6.17 Temperaturen Erdkältesonde und Kaltwassersatze 4.7.2006 . . . . . . . . .
69
7.1
Zulufttemperaturen bei
Wasser ZLK
15
C und 18
C
. . . . . . . . . . . . .
72
v
Tabellenverzeichnis
3.1
Verwendete Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
4.1
Modellstruktur des Sorptionsmittelmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
4.2
Parametrisierung des Rotors nach [RKM91 . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
4.3
Eintrittsbedingungen der Prozess- und Regenerationsluft . . . . . . . . . .
23
4.4
Reglerparameter der verschiedenen PI-Reglers . . . . . . . . . . . . . . . .
42
4.5
Vergleich der Steuerungs- bzw. Regelungsstrategien . . . . . . . . . . . . .
43
4.6
Wirkungsgrade für die Leistungs/Primärenergieberechung
. . . . . . . . .
44
6.1
Druckdifferenzen zur Umgebung in mm Wassersäule . . . . . . . . . . . .
56
6.2
Druckdifferenzen über Messstellen in mm Wassersäule . . . . . . . . . . .
56
6.3
geschätzte Volumenströme bei verschiedenen Lüfterkonfigurationen in m
3
/h
56
6.4
Vergleich der Ergebnisse aus Tab. 6.1 / 6.2 (
p in mm Wassersäule) . . . .
57
6.5
Leckageströme im Lüftungsgerät in m
3
/h
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
6.6
Vergleich der gemittelten luftseitigen
T mit und ohne ZLK-Lüfter . . . .
59
6.7
Dichte, Wärmekapazität von Wasser und Luft und Verdampfungsenthalpie
von Wasser bei 20
C und 1 bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
6.8
Vergleich der Auslegungsdaten des Zuluftkühlers mit den Betriebsdaten . .
60
6.9
Vergleich der Auslegungsdaten des Regenerationslufterhitzers mit den Be-
triebsdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
6.10 Vergleich der Wärmemengen am BWK und RLE während des Entfeuch-
tungstests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
6.11 Mittelwerte der Raum-, Fußboden- und Außentemperatur vom 19.7. bis 31.7.
67
vii
Quellcodeverzeichnis
A.1 Quellcode der Schnittstelle
HeatFlowCon
. . . . . . . . . . . . . . . . .
77
A.2 Quellcode des Modells
WaterCV
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
A.3 Quellcode des Records
WaterVar
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
A.4 Quellcode des Teilmodells
BaseCV
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
A.5 Quellcode des Modells
WaterProp
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
A.6 Quellcode des Teilmodells
Balances
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
ix
Formelzeichen und Indizes
Formelzeichen
Symbol
Einheit
Beschreibung
a
in m
2
/s
Temperaturleitfähigkeit
A
in m
2
Fläche
c
p
in J/kg K
spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck
D
in m
2
/s
Diffusionskoeffizient
D
h
in m
hydraulischer Durchmesser
E
in kW h
Energie
u
in rpm
Rotordrehzahl
H
in W
Enthalpiestrom
h
s
in J/kg
spezifische Sorptionsenthalpie
h
V
in J/kg
spezifische Verdampfungsenthalpie
k
in W/m
2
Wärmedurchgangskoeffizient
K
p
-
statische Verstärkung eines Reglers
L
in m
Länge
Le
-
Lewis-Zahl
M
in kg
Masse
M
in kg/s
Massenstrom
m
-
Diskretisierungsgrad in tangentialer Richtung
n
-
Diskretisierungsgrad in axialer Richtung
N u
-
Nusselt-Zahl
p
in Pa o. bar
Druck
P r
-
Prandtl-Zahl
q
in kg/kg
Beladung des Sorptionsmittels mit Wasser
Q
in kW h
Wärmemenge
Q
in W
Wärmestrom
R
in m
Radius
Re
-
Reynolds-Zahl
R
i
in J/kg K
spezielle Gaskonstante des Stoffes
i
Sc
-
Schmidt-Zahl
Sh
-
Sherwood-Zahl
t
in s
Zeit
T
in K
absolute Temperatur
T
I
in 1/s
Integrationszeitkonstante eines Reglers
U
in J
Innere Energie
xi
Formelzeichen und Indizes
Symbol
Einheit
Beschreibung
v
in m/s
Geschwindigkeit
V
in m
3
o. in L
Volumen
V
in m
3
/h
Volumenstrom
x
in g
Wasser
/kg
tr. Luft
Beladung der Luft mit Wasser
Griechische Symbole
Symbol
Einheit
Beschreibung
in W/m
2
K
Wärmeübergangskoeffizient
in m/s
Stoffübergangskoeeffizient
in m
Wanddicke
-
Wirkungsgrad
in
C
Celsius-Temperatur
in W/m K
Wärmeleitfähigkeit
in kg/m
3
Dichte
-
Massenanteil des Sorptionsmittels am Trägermaterial
Indices
Index
Beschreibung
eq
Im Gleichgewicht befindlich
i
Index für axiale Diskretisierung / i-te Komponente allgemein
j
Index für tangentiale Diskretisierung
k
konvektiv
L
Luft
SM
Sorptionsmittel
w
Wasser
Dimensionslose Größe
Eingangsgröße
Ausgangsgröße
xii
Abkürzungen
Abkürzung
Bedeutung
AB
Abluft
AU
Außenluft
BWK
Brennwertkessel
FO
Fortluft
RL
Raumluft
RLE
Regenerationslufterhitzer
SECO
Bezeichnung des Sorptionsrotors der Firma Klingenburg
SGL 400
SorptionsGestütztes Lüftungsgerät
SR
Sorptionsrotor
TR
Rücklauftemperatur
TV
Vorlauftemperatur
Vp
Volumenstrom
Qp
Wärmestrom
WRG
Wärmerückgewinner
ZLK
Zuluftkühler
ZU
Zuluft
xiii
Kapitel 1
Einleitung
Der Trend zu einer energieeinsparenden Bauweise hat zu einer verbesserten Wärmedäm-
mung und Abdichtung von Gebäuden geführt, um vor allem in den kälteren Jahreszeiten den
Wärmeverlust zu senken und Energie bei der Heizung einzusparen.
Diese Bauweise bewirkt allerdings auch, dass im Sommer selbst im mitteleuropäischen
Klima die Temperaturen in den Gebäuden durch die Sonneneinstrahlung, vor allem bei
großen Glasflächen, relativ hoch werden, da nur schwierig Wärme abgeführt werden kann,
wenn angenehmere, kühlere Temperaturen erwünscht sind. Zudem bewirkt die hohe Dich-
tigkeit der Gebäude, dass der Luftaustausch mit der Umgebung fast versiegt. Dies kann
zu einer unerwünschten Anreicherung von Gerüchen oder auch Schadstoffen führen. Eine
kontrollierte Lüftung kann den dadurch auftretenden hygienischen und bauphysikalischen
Problemen Abhilfe schaffen. Wird diese zusätzlich mit einer Wärmerückgewinnung ausge-
stattet, so können auch die Wärmeverluste im Winter minimiert werden. Das Problem der
unzureichenden Wärmeabfuhr im Sommer kann dagegen eine Klimaanlage beheben. Aller-
dings haben konventionelle Klimaanlagen einen hohen Stromverbrauch, der bei aktuellen
Kraftwerkswirkungsgraden zu einem höheren Primärenergiebedarf führt.
Eine Klimaanlage hat die Aufgabe, Temperatur und Feuchte innerhalb vorgeschriebener
Grenzen konstant zu halten. Dazu sollte sie alle vier thermodynamischen Luftbehandlungs-
funktionen, kühlen, heizen, ent- und befeuchten, beherrschen. Zur Luftentfeuchtung gibt es
prinzipiell zwei Arten, die sich in den Anforderungen an den Klimatisierungsprozess stark
unterscheiden. Einerseits kann die Luft durch eine Abkühlung und die damit verbundene
Taupunktsunterschreitung auf den gewünschten Feuchtegehalt gebracht werden, andererseits
kann der Wasserdampf auch durch Sorption mittels hygroskopischer Stoffe entfernt werden
[RSS03]. Je nach Anlagentyp und -standort kann man daher auch verschiedene Energiefor-
men nutzen.
Ziel der Anlage, die in dieser Arbeit behandelt wird, ist es, zu zeigen, in wie weit die
sorptionsgestützte Klimatisierung eines Einfamilienhauses auch durch den Einsatz von So-
larenergie und der Ausnutzung der Erde als Wärmesenke zur Kühlung im Sommer zu reali-
sieren ist. Zur sorptionsgestützten Entfeuchtung muss Wärme zur Regeneration des Sorpti-
onsmediums bereitgestellt werden. Die Kühlung dient hier nur dazu, die Temperatur der Luft
einzustellen. Dies hat den Vorteil, dass die niederwertige Energieform Niedertemperaturwär-
me genutzt werden kann und die Temperatur des Erdreichs zur Kühlung ausreicht, statt über
den Umweg des elektrischen Stroms reine Exergie
1
einsetzen zu müssen. Die Anlage wurde
im Rahmen eines Forschungsprojektes von der Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) und
1
Exergie ist der Anteil, der Energie der sich zu 100 % in Arbeit umwandeln lässt
1
Kapitel 1 Einleitung
der Deutschen Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW) in Zusammenarbeit mit
dem Heiztechnikunternehmen Vaillant aufgebaut.
Abbildung 1.1: Einfamilienhaus in Westerrönfeld, in das die Pilotanlage eingebaut ist
Ziel der Arbeit ist es, die Anlage in einer Klimaperiode zu untersuchen, verschiedene Re-
gelungstrategien der einzelnen Anlagenkomponenten durch Simulation vorzubereiten und
am Gerät zu testen. Außerdem sollen Messdaten gesammelt werden, um die Anlage energe-
tisch bewerten zu können.
Zur Messdatenerfassung und Steuerung der Anlage wird ein mit der graphischen Entwick-
lungsumgebung LabVIEW
2
entworfenes Programm benutzt und weiterentwickelt.
Als Simulationstools werden Matlab/Simulink
3
und Modelica
4
/Dymola
5
verwendet. Mo-
delica/Dymola bietet den Vorteil einer akausalen physikalischen Modellierung und die Mög-
lichkeit des Exports von Modellen nach Simulink. Letzteres ist dagegen gut zur Simulation
und Optimierung von Reglern geeignet. Matlab wird hauptsächlich zum post-processing der
Mess- und Simulationsdaten genutzt.
2
http://www.ni.com/labview/
3
http://www.mathworks.de
4
http://www.modelica.org
5
http://www.dynasim.se
2
Kapitel 2
Überblick Klimaanlagen
Das Ziel einer Klimatisierung im Sommer ist es, die Luft kühl und trocken zur Verfügung
zu stellen. Im Folgenden wird das Konzept des konventionellen Klimatisierungsprozesses
erläutert und einer sorptionsgestützten Klimatisierung gegenüber gestellt.
In einer konventionellen Klimaanlage wird dies durch den in Abbildung 2.1 dargestellten
Prozess erreicht. Zuerst durchströmt die Luft einen Oberflächenkühler, der mit einem Kühl-
medium (Wasser oder Kältemittel) versorgt wird. Die Kühleroberfläche muss eine Tempe-
ratur aufweisen, die unter dem Taupunkt der Luft liegt, die gewünscht wird. Dieser Schritt
ist im h,x-Diagramm (Abb. 2.3) zwischen den Punkten 1 und 2
dargestellt. Der Punkt ZP
(meist als ziehender Punkt bezeichnet) liegt auf der Sättigungslinie bei der Kühlertempera-
tur. Er gibt die Richtung der Zustandsänderung bei der Kühlung und der dabei auftretenden
Kondensation an der Wand an. Es können daher nur Zustände erreicht werden, die auf der
Geraden durch 1 und ZP liegen. Der Abstand zwischen 2
, also dem Austrittszustand aus
dem Kühler, und dem ziehenden Punkt ist von Prozess- und Apparategrößen, wie der Luft-
geschwindigkeit und der zur Verfügung stehenden Kühlerfläche abhängig. Da die Luft nach
der Entfeuchtung in der Regel zu kalt ist, um sie einem Raum zuzuführen, wird sie anschlie-
ßend von 2
nach 4 auf die gewünschte Zulufttemperatur erwärmt.
1
4
2´
AU
ZU
Nacherhitzer
Kühler
Abbildung 2.1: Skizze eines konventionellen Klimatisierungsprozesses
Bei diesem Prozess fällt bei genauerer Betrachtung auf, dass die Enthalpiedifferenz, die
bei einer reinen Kühlung von 1 nach 2
abgeführt werden müsste nur etwa die Hälfte der
Enthalpiedifferenz des Kühlungs-und Entfeuchtungsprozesses (1 2
) beträgt.
Ein beispielhaftes Schaltbild einer sorptionsgestützen Klimaanlage ist in Abbildung 2.2
gezeigt. Diese besteht aus einem Sorptionsrotor (SR), einem Wärmetauscher zur Wärme-
rückgewinnung (WRG), einem Luftkühler (ZLK) und einem Lufterhitzer (RLE). Auch die-
ser Prozess ist in Abbildung 2.3 dargestellt. Bei dieser Herangehensweise werden Kühlung
und Entfeuchtung in zwei getrennten Schritten durchgeführt. Im Sorptionsrotor erfolgt die
Entfeuchtung, die mit einer Erwärmung der Luft einher geht, die durch das Freiwerden der
Sorptionswärme (1 2). Die physikalischen Prozesse zu den Vorgängen im Sorptionsrotor
3
Kapitel 2 Überblick Klimaanlagen
1
4
2
AU
ZU
8
7
6
5
3
FO
AB
RLE
ZLK
WRG
SR
Abbildung 2.2: Skizze eines sorptionsgestützen Klimatisierungsprozesses
sind in Kapitel 4.1.1 beschrieben. Im darauf folgenden Wärmerückgewinner wird die aus
den Räumen strömende Luft dazu genutzt, die warme, entfeuchtete Luft abzukühlen (2
3). Der Zuluftkühler hat nunmehr nur noch die Aufgabe die Luft auf eine akzeptable Zuluft-
temperatur zu bringen (3 4). Um diesen Prozess kontinuierlich betreiben zu können, muss
das im Sorptionsrad gespeicherte Wasser wieder desorbiert und abtransportiert werden. Dies
geschieht hier mittels der Abluft. Nachdem sie von der Zuluft vorgewärmt worden ist (5
6), wird sie im Regenerationslufterhitzer bis
7
erhitzt, so dass sie im Schritt von 7 nach 8
im Rotor genügend Energie besitzt und das Wasser aufnehmen kann.
Im Vergleich der beiden Prozess zeigt sich, dass beim sorptionsgestützen Prozess Luft so-
wohl gekühlt, als auch erhitzt werden muss. Allerdings kann die Kühlung auf einem höheren
Temperaturniveau stattfinden, als beim konventionellen Prozess. Gelingt es, die Kühlung und
Erwärmung sinnvoll mittels Primärenergie bzw. regenerativer Energie zu leisten, so sind, wie
in [Cas05] beschrieben, Primärenergieeinsparungen im Vergleich zu konventionellen Syste-
men bis zu 50 % möglich.
4
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0
10
20
30
40
50
60
h,x-Diagramm
Wasserdampfgehalt x in g/kg
Lufttemperatur in
°
C
spez. Enthalpie h in J/kg
10%
20%
30%
40%
50%
60%
80%
100%
20
30
40
50
60
Relative Feuchte
1
2
3
4
5
6
7
8
2
ZP
2
Abbildung 2.3: Vergleich der Klimatisierungsprozesse im h,x-Diagramm
5
Kapitel 3
Systembeschreibung
Die Demonstrationanlage, die in dieser Arbeit betrachtet wird, ist in einem Einfamilienhaus
in der Nähe von Rendsburg, Schleswig-Holstein, installiert. Sie besteht aus einer konventio-
nellen Heizungsanlage der Firma Vaillant, die um einen Kaltwasserkreislauf und eine sorp-
tionsgestützte Lüftungsanlage erweitert ist. Ein Schema der Anlage ist in Abbildung 3.1 zu
sehen. Der Warmwasserkreislauf setzt sich aus dem Brennwertgerät, Solarkollektoren und
einem Warmwasserspeicher zusammen. Für die Kaltwasserversorgung stehen ein Kaltwas-
sersatz und eine Erdkältesonde zur Verfügung (vgl. Tabelle 3.1).
Tabelle 3.1: Verwendete Komponenten
Komponente
Bezeichnung
Charakteristik
Solarkollektoren
Vaillant auroTHERM
16 Module à 0.6 m
2
Kombispeicher
Vaillant auroSTOR VPS SC 700
Speicherinhalt: 670 L gesamt,
180 L TWW, 490 L Puffer
Brennwertgerät
Vaillant ecoTEC VC136/2 E
Normnutzungsgrad
bei
40/30
C: 109 %
Erdkältesonde
Stüwa-Haka-Geodur PE 100/PN 16
100 m Tiefe
Kaltwassersatz
Armec NRW27
Kühlleistung: 6 kW
Lüftungsgerät
SGL 400
Nennvolumenstrom: 400 m
3
/h
Im Winterbetrieb heizt der Warmwasserkreis über die Fußbodenheizung die Räume. Das
Lüftungsgerät sorgt für den nötigen Luftaustausch und überträgt Wärme und Feuchtigkeit
zwischen den ein- und austretenden Luftströmen, um einem Energieverlust durch den Luft-
austausch entgegenzuwirken. Im Sommerbetrieb wird die Fußbodenheizung zu einer Fuß-
bodenkühlung umfunktioniert, um die Wärme aus dem Gebäude abzuführen. Aufgabe des
Lüftungsgerätes ist es nun, die Zuluft zu den Räumen kühl und trocken zur Verfügung zu
stellen. Die Solarkollektoren bzw. der Brennwertkessel werden zusätzlich während des gan-
zen Jahres zur Trinkwassererwärmung eingesetzt.
Im Folgenden sollen die einzelnen Komponenten des Systems näher erläutert werden. Wie
in Abildung 3.1 zu sehen ist, besteht der Kombispeicher aus zwei ineianderverschachtelten
Tanks. Der innere, oben im Speicher angebrachte Tank dient der Trinkwassererwärmung. Der
Zulauf kommt von der Wasserversorgung des Hauses, der Ablauf speist das Trinkwassernetz.
In diesen Behälter ist eine Heizschlange integriert, die von heißem Wasser aus dem Brenn-
7
Kapitel 3 Systembeschreibung
Abbildung 3.1: Schaltbild der Wärme- und Kälteversorgung der Anlage
8
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2006
- ISBN (eBook)
- 9783836608022
- DOI
- 10.3239/9783836608022
- Dateigröße
- 2.8 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Technische Universität Hamburg-Harburg – Ingenieurwissenschaften, Institut für Thermofluiddynamik
- Erscheinungsdatum
- 2008 (Januar)
- Note
- 1,0
- Schlagworte
- einfamilienhaus sonnenheizung klimaanlage erdwärmeaustauscher klimatisierung sorption simulation modelica solargestützt klimatisierungssystem
