EP1597522A2 - Energieeffiziente vorrichtung und verfahren zur thermischen kond itionierung von räumen - Google Patents

Energieeffiziente vorrichtung und verfahren zur thermischen kond itionierung von räumen

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EP1597522A2
EP1597522A2 EP04707877A EP04707877A EP1597522A2 EP 1597522 A2 EP1597522 A2 EP 1597522A2 EP 04707877 A EP04707877 A EP 04707877A EP 04707877 A EP04707877 A EP 04707877A EP 1597522 A2 EP1597522 A2 EP 1597522A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
cooling
room
latent
air
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04707877A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Fischer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gritzki Ralf
Kaiser Jens
Original Assignee
Gritzki Ralf
Kaiser Jens
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10305432A external-priority patent/DE10305432A1/de
Application filed by Gritzki Ralf, Kaiser Jens filed Critical Gritzki Ralf
Publication of EP1597522A2 publication Critical patent/EP1597522A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater
    • F24F5/0007—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater cooling apparatus specially adapted for use in air-conditioning
    • F24F5/0017—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater cooling apparatus specially adapted for use in air-conditioning using cold storage bodies, e.g. ice
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D3/00—Hot-water central heating systems
    • F24D3/12—Tube and panel arrangements for ceiling, wall, or underfloor heating
    • F24D3/14—Tube and panel arrangements for ceiling, wall, or underfloor heating incorporated in a ceiling, wall or floor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater
    • F24F5/0089—Systems using radiation from walls or panels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/54—Free-cooling systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a device which is optimized with regard to the energy consumption and the time profile of the thermal loads to be dissipated, and to an optimized method for the thermal conditioning of rooms. Furthermore, a method for designing the system components is described.
  • a room conditioning system for permanent living rooms or similar.
  • This comfort zone and the limits of safe air composition were determined in scientific studies and are named as a function of different parameters (activity level of the person, use of space, etc.) in various standards, guidelines and ordinances (e.g. [1] - [4]).
  • Design features that enable the integration of low-priced environmental energies have been taken into account in heating and air conditioning systems that are common today.
  • One of these features is the use of large heat transfer surfaces in order to manage with low system over or under temperatures (e.g. combined heating and cooling ceilings). This makes it possible, for example, to utilize the thermal level of groundwater or surface water to cool the room, or to effectively use condensing heating technology or heat pump technology. System temperatures close to the ambient temperature result in low distribution losses and a large self-regulating effect.
  • Another characteristic of the use of renewable energies in building technology is the use of storage to compensate for a time discrepancy between energy supply and demand.
  • thermal component activation plastic pipes are usually laid in large-area, heat-energy-storage-capable components, after rare suggestions also in several different layers.
  • Cold water flows through the pipe system in summer (usually in the temperature range of around 16 ° C - 21 ° C) and cools down the components.
  • the goal is to use the stored negative heat to cool rooms. Cooling primarily means the removal of sensitive heat from the room. The energy transfer between the room and the component takes place via the known physical effects of convection and radiation.
  • the pipes laid in the components can be used for heating. Due to the inertia of the system with regard to the quick reaction to changing room temperature requirements, it can only be used effectively for a so-called basic heating. Very great demands are made on the planning and control of this system in the event that it is also to be used in the transition period. These times are characterized by the fact that the demand for heating rooms can be changed to cooling during the course of the day. Losses can hardly be avoided due to the stored energy if these requirements are to be met with the pipe systems installed in the components.
  • Air-guiding systems are also known, which can be classified under the generic term thermal component activation.
  • Special system pipes are installed in solid components, which are provided with ribs on the air side to improve heat transfer.
  • the heat transfer from the room to the incoming air flows in cooling, two effects are achieved - room cooling and supply air heating.
  • the basic features and operating principles described above remain unchanged.
  • Usage unit ⁇ forecast-dependent loading of the storage o Difficulty in recording consumption for individual areas of use o Inaccessibility of the system once installed
  • This method is often used because, in addition to a possible inexpensive energy supply and distribution, the manufacturing costs are also relatively low.
  • Latent-storing materials are substances or mixtures of substances that undergo a phase change at a certain temperature or within a desired narrow temperature range - generally between liquid and solid, but also between ordered and disordered lattice structures (OD transitions) - and thereby absorb energy or give off, this amount of energy is significantly greater than that which is necessary for a slight temperature increase or cooling outside the phase change range.
  • OD transitions ordered and disordered lattice structures
  • paraffins are becoming the focus of attention due to advances in their handling.
  • the basic principle described below consists in combining the availability and size of the preferably temporary / changeable, preferably regenerative energy sources with a rapidly controllable heat transfer system and with an enclosure construction that is optimized with regard to thermal storage capacity.
  • the application of the basic principle applies to all rooms with periodic heat loads.
  • a method for designing the system components is also described.
  • the object of the invention is achieved by a device for energy-efficient thermal conditioning of rooms in that
  • Combined cooling / heating ceilings are advantageously used as surface systems, the surface systems preferably being heat-insulated with a thermal insulation layer on the side facing away from the room. It is economically advantageous to design the latent storage devices so that they are parameterized differently in terms of layer thickness, melting enthalpy and melting point in accordance with the local heat development in the room.
  • a device for providing cold water based on the principles of adiabatic, non-adiabatic or free cooling and combinations thereof for cooling the rooms via the surface system are additionally provided.
  • geothermal probes or geothermal heat exchangers are provided for the provision of cold water from well water and surface water to use the thermal conditions in the ground.
  • a ventilation system is preferably fitted in such a way that the latent storage is designed as a large-area air inlet for the room due to a continuous fine perforation. It is recommended to influence the charge of the latent storage via integrated media lines.
  • the method according to the invention for energy-efficient thermal conditioning of rooms provides that for cooling rooms a) a heat transport medium is cooled and then b) is guided over a surface system with heat absorption, specifically so that c) the room and the latent storage contained therein outside the period of use , ie primarily at night, directly by radiation and indirectly by convection via the fluid air, and that d) the loads occurring at the time of their creation (day) are primarily dissipated and that e) a peak load amount is absorbed by the latent storage within the period of use becomes.
  • the method is advantageously further developed in that the heat transport medium in method step a) is cooled by adiabatic, non-adiabatic or free cooling or a combination thereof.
  • the method according to the invention for energy-efficient thermal conditioning of rooms provides that for heating rooms a) a heat transport medium is heated and then b) is passed over a surface system with heat dissipation and that c) at the same time heat is taken up from latent stores directly by radiation and indirectly by convection via the fluid air.
  • An advantageous embodiment of the invention consists in that the heat transport medium is heated in process step a) by solar collectors.
  • the object of the invention is achieved by a method for parameterizing systems with latent storage materials in that the devices according to the invention are also parameterized using the method.
  • the method consists in that a combination of building simulation program and three-dimensional flow simulation program is carried out in such a way that a) a building simulation program runs through a settling phase with a length of time greater than 1 day and b) in a subsequent simulation phase an automated data exchange between a building simulation program and a three-dimensional one Flow simulation program takes place and that c) during the data exchange, time-dependent conditions on the edges of the calculation areas for temperatures, heat flows or combinations thereof are exchanged, in particular the exchange of thermal boundary conditions of the 1st, 2nd or 3rd type and that d) the time step size used for the data exchange results from the conditions for a stable explicit calculation or from an algorithm-related or programmatically possible time step size, which also results in a repeated iteration on and thus comparison of the balanced amounts on the boundaries of the calculation areas allowed.
  • Fig. 1 Schematic representation of the system components
  • Fig. 2 Schematic representation of a detail of the proposed calculation method - exchange process between building simulation and flow simulation program - simple before sequential processing of the sub-programs without repeated iteration and adjustment of the balanced quantities
  • Fig. 3 Room configuration of the model room used.
  • Fig. 4 Input data for the calculation example - outside air temperature curve.
  • Fig. 5 Input data for the calculation example - curve for the internal loads and the outside air rate
  • the document PCT / DE02 / 03377 describes a combination of cooling tower and heat recovery systems, which allows the energy-efficient cooling tower process for providing cold water for surface cooling systems to be extended to a significantly larger range of outside air conditions. This makes it possible to limit room temperatures in normally used offices by utilizing the storage capacity of the room enclosure construction to the maximum permissible values, even in the case of a design.
  • a so-called open cooling tower (example of the principle of adiabatic evaporative cooling) is particularly suitable in relation to a desired high coefficient of performance. This is characterized in that the cold water to be cooled is sprayed directly into an air flow generated by a fan and the temperature of a part of this cold water is reduced by the evaporation. If the cold water is then used directly in surface cooling systems, special separating measures must be used to retain dirt and dust particles or other foreign bodies. These measures can include, for example, calming sections (sludge tanks) and / or periodically backwashable filters. In addition to measures to stabilize hardness or desalination, facilities for disinfecting the water must be available.
  • the room temperature can be kept at the top of the comfort zone at any time, thus minimizing energy consumption
  • the necessary mass of latent storage material in the enclosure construction can be reduced to the size necessary to compensate for a peak cooling load that cannot be covered by the kuUturm / heat recovery system due to unfavorable outside air conditions.
  • the mean phase change temperature or the range of the phase change is chosen so that it lies in the upper range of the desired comfort zone and thus optimally takes into account the basic idea of being a power reserve for peak loads.
  • the parameters of layer thickness, thermal conductivity and melting enthalpy, as far as they are freely selectable, must be coordinated with one another with the aim of optimal storage utilization.
  • Surface cooling systems are primarily to be understood as conventional suspended or integrated cooling ceiling constructions. These generally consist of pipelines or pipe mats / Kapillarroh ⁇ natten laid over a large area. A meandering or spiral type of installation is often used for pipes. In the case of capillary tube mats, the tubes are usually guided at short intervals between a distribution and collection tube of the same material. Plastic, composite material or copper are predominantly used as pipe materials. It is important to have good heat conductivity Connection of the pipes / tubes to the surface of the cooling ceiling element, which absorbs thermal energy from the room. Pipe or pipe mat systems that are plastered or already inserted in the ceiling construction during the manufacturing process are also used.
  • a small partial heat transfer coefficient to the room is generally desired as a design feature in order to keep the necessary over and under temperatures as low as possible. This means, among other things, that the systems integrated and plastered in must be installed close to the surface.
  • heat-conducting fins, heat-conducting fins, heat-conducting sheets or foils which completely or partially enclose the pipe, are used in particular in the case of a pipe integrated in solid components or in pipe mats.
  • Profile films are also used for capillary tube mats to fix the water-carrying tubes.
  • Fig. 1, Fig. 1.1 - Fig. 1.6 illustrate the basic system structure.
  • Reference numeral 1 denotes the space to be conditioned. A selection of possible
  • Fig. 1.1 Example of a suspended surface cooling / heating system as a suspended ceiling
  • Fig. 1 / reference numeral 4 illustrates a necessary filter / separator / water treatment and / or water sterilization system - especially necessary with open cooling towers - and the reference numerals 5 and 6 in Fig. 1.5 and 1.6 facilities for the production of cold water based on the evaporative cooling ( adiabatic and non-adiabatic evaporative cooling including a possible operating mode free cooling).
  • Position 5.2 represents the system expansion according to PCT / DE02 / 03377.
  • a downstream heat exchanger is provided in order to cool the incoming outside air from the cooling tower with the help of the cooler and humid exhaust air emerging and thereby lower the cooling limit temperature.
  • all types of cold water supply are possible which have a limited / variable availability or whose peak power is to be reduced.
  • the use of groundwater is representative of this.
  • the permissible withdrawal quantity may be limited due to local conditions and official requirements and may not correspond to that required to cover a peak load.
  • chillers to produce cold water, the nominal output of which is to be reduced.
  • the large-format cooling surfaces can be used for heating by heating water with the right temperature flowing through the pipe runs.
  • surface temperatures are required to cover the thermal load, which do not impair thermal comfort.
  • the latent storage materials in the wall layer (s) close to the surface do not have a significant influence on the temporal course of the room temperature or on the energy requirement under normal winter temperature conditions with the adjustment to the cooling situation (average melting range at approx. 24 ° C to 25 ° C) Maintaining thermal comfort (only minor effects due to the low thermal conductivity).
  • thermodynamic state of the indoor air is roughly incorporated into the calculation using so-called node, gradient and / or multi-zone models, whereby the air exchange between zones or within the building is also taken into account with simplified approaches
  • the state of the indoor air flow field can be exactly determined by the time-varying local variables • temperature • speed
  • the results of the building simulation are automatically transferred to the flow simulation program as a boundary condition and, in return, calculated heat flows at the wall - indoor air boundary (2nd type thermal boundary conditions) of the three-dimensional flow simulation are forwarded to the building simulation program ,
  • the transfer of this data can also be carried out using separate software that controls and compares this data exchange.
  • the time step size used for the data exchange results either from the exact condition for a stable, explicit calculation or from an algorithm-related or programmatically possible time step size, which allows repeated iteration and thus adjustment of the balanced quantities on the borders of both simulation areas.
  • a simple exchange of the results is Values (temperatures, heat flows) at the boundaries of the calculation areas make sense, that is, without repeated iteration and adjustment of the balanced quantities.
  • the time step size for data exchange is at least in the single-digit minute range (eg [9], [11]). Since the resolution of the local and temporal dimensions can be different in the two sub-programs, the exchange is then carried out for sizes averaged over the dimension.
  • Fig. 2 symbolically represented the exchange process in a simple sequential processing.
  • the framed numbers 1-5 and the arrows illustrate the course of the exchange process.
  • the exchange variables for example the temperatures on the inner surface
  • the simulation is advanced until the simulation time ⁇ 2.
  • the data determined to describe the convective heat transfer (for example heat flows) are then transferred back to the building simulation program, where the simulation is also carried out up to time ⁇ 2.
  • the determined state then serves, among other things, to initialize the flow simulation code.
  • the coupling of the building simulation with a three-dimensional flow simulation program only makes sense if an exact replication of the geometry and an exact calculation of the long- and short-wave radiation heat exchange take place by methods of balancing on solid surfaces or by methods of radiation tracking.
  • FIG. 3 shows the room geometry and Table 1 the selected wall structure.
  • Fig. 1 with items 5.1 and 5.2 shows the assumed system structure for cold water supply according to PCT / DE02 / 03377.
  • the open cooling tower is designed for the following parameters (see Fig. 6):
  • limit enthalpy hi 39.7 kJ / kg
  • Area III includes the outside air conditions where cold water flow temperatures of up to 19 ° C can be reached.
  • the active cooling ceiling area takes up 85% of the entire ceiling.
  • the actually required cooling ceiling surface temperature is calculated as follows.
  • the room temperature setpoint is determined according to [1] depending on the outside temperature. Up to 26 ° C outside air temperature, the room temperature should not exceed 25 ° C. Up to 32 ° C, a linear increase to 27 ° C is possible, which is continued accordingly at even higher outside air temperatures. Furthermore, a simple, idealized control of the average ceiling temperature with a P range of 1 K is used. If night cooling is necessary, the target room temperature is fixed at 22 ° C.
  • the system runtimes are determined as follows
  • the latent storage materials are distributed from a room height of 0.8 m and with the exception of the door on the wall surfaces of the inner walls. A value of 1.5 cm is selected for the layer thickness.
  • the enthalpy of fusion is 40,000 J / kg and is released in a temperature range of ⁇ 1.5 K around the mean melting temperature of 24.5 ° C in accordance with the idealized distribution shown in FIG. 8.
  • FIGS. 11 and 12 Another important advantage is clear when considering FIGS. 11 and 12.
  • the area-specific heat flows emitted by the chilled ceilings are shown there during the day.
  • a possibly additionally installed mechanical ventilation system to ensure the hygienic air exchange does not affect the essential statements regarding the function of the overall system.
  • Fig. 13 allows the conclusion that there are still power reserves in the variants with a chilled ceiling.
  • the energetic expenditure in the nightly cooling phase and in normal operation are calculated differently (compare Fig. 12 and 14) - namely more precisely. 15.1 and 15.2 illustrate the more precise determination of the real situation by using the coupled calculation.
  • 16.1, 16.2 and 16.3 show results of comparative coupled simulation calculations with regard to the problem of local reinforcement of the latent storage layer.
  • the PCM layer was reinforced to 2.5 cm.
  • the area of the gain is illustrated in Fig. 16.1 by the encirclement. 16.2 and 16.3 show this area enlarged.
  • a local reinforcement achieves a lower surface temperature with the same energetic load.
  • the disadvantage of using a surface cooling and heating system in the floor is the low convective heat transfer coefficient when cooling. This can be overcome if a system plate according to FIG. 18 is used in combination with a ventilation system.
  • the system disk (FIG. 18 / reference number 8) contains latent-storing material.
  • the discharge takes place either via an integrated pipe system (Fig. 18 / reference number 9), which also ensures heating and thus heating of the room in winter, or via nightly cooling by other cooling surfaces in the room (through radiation and convention) or by means of flowing through outside air.
  • An essential construction material is a porosity, which allows a large contact area of the supply air (Fig. 18 / reference number 7) supplied via a pressure-tight double floor or a duct system (Fig.
  • the supply air is reconditioned and the stored negative energy can be supplied to the room under optimal conditions (e.g. low speeds). Good filtering of the supply air in upstream system components is essential. An arrangement of the system plate in the ceiling or wall area is also possible.
  • Gritzki, Ralf Determination of the effectiveness of user-related window ventilation using numerical methods Dissertation, TU Dresden 2001

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur energieeffizienten thermischen Konditionierung von Räumen, welche dadurch gekennzeichnet, dass Flächensysteme zur Wärmeübertragung vorgesehen sind und Latentspeicher im Raum angeordnet und/oder als Teil der oberflächennahen Raumbegrenzung ausgebildet sind, wobei die Latentspeicher nicht stoffschlüssig mit den Flächensystemen zur Wärmeübertragung verbunden sind und die Wärmeübertragung zwischen Latentspeicher und Flächensystem nur direkt über Strahlung und indirekt durch Konvektion über das Fluid Luft erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Parametrisierung von Systemen mit latentspeichernden Materialien.

Description

Energiee ßziente Vorrichtung und Verfahren zur thermischen Konditionierung von Räumen
Die Erfindung betrifft eine bezüglich des Energieverbrauchs und des zeitlichen Verlaufs der abzuführenden thermischen Lasten optimierte Vorrichtung und ein optimiertes Verfahren zur thermischen Konditionierung von Räumen. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Auslegung der Systemkomponenten beschrieben.
Mit der effizienten thermischen Konditionierung von Räumen beschäftigt sich eine Vielzahl von Veröffentlichungen und Patenten.
Grundsätzlich besteht für ein Raumkonditionierungssystem für Daueraufenthaltsräume o.Ä. die Aufgabe, die physikalischen Größen Lufttemperatur, mittlere Strahlungstemperatur, Luftgeschwindigkeit, Luftfeuchte sowie die Belastung der Raumluft mit Geruchs- und Schadstoffen an jedem Ort im Daueraufenthaltsbereich in einem behaglichen bzw. in einem gesundheitlich unbedenklichen und geruchsneutralen Bereich zu halten. Dieser Behaglichkeitsbereich und die Grenzen unbedenklicher Luftzusammensetzung wurden in wissenschaftlichen Untersuchungen ermittelt und sind als Funktion unterschiedlicher Parameter (Aktivitätsstufe des Menschen, Raumnutzung usw.) in verschiedenen Normen, Richtlinien und Verordnungen benannt (z.B. [1] - [4]).
Es gibt eine Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren, um thermische und stoffliche Lasten in Räumen abzuführen. Jede dieser Vorrichtungen und Verfahren ist unter verschiedenen Gesichtspunkten bewertbar. Einzelne Bewertungskriterien können der Platzbedarf für Aiüagen- technik, die Schwankungsbreite der oben angeführten physikalischen Größen innerhalb der Daueraufenthaltszone oder das optische Erscheinungsbild sein. Üblicherweise werden aber Entscheidungen für ein System bei in etwa gleichen Leistungsparametern auf der Basis wirtschaftlicher Überlegungen getroffen. Die Wirtschaftlichkeit eines Systems wird dabei aus den bekannten Größen Investitionskosten, verbrauchsgebundene Kosten, betriebsgebundene Kosten und sonstige Kosten bestimmt, wobei sich die Wichtung einzelner Einflussgrößen entsprechend den aktuellen Randbedingungen ändern kann.
Signifikante Veränderungen der sommerlichen Außentemperaturen und hohe innere Lasten werden den Wunsch nach einer sommerlichen Raumklimatisierung bei vielen Nutzern und Immobilienbesitzern verstärken. Der Entwicklung im Bereich der Heiz-ungstechnik folgend, wird diese Klimatisierung in naher Zukunft auch stärker nach den primärenergetischen Aufwendungen bewertet werden. Trotzdem werden bei Investitionsentscheidungen immer wirtschaftliche Aspekte im Mittelpunkt stehen.
Schon länger werden bei heute üblichen Heiz- und Klimatisierungssystemen Gestaltungsmerkmale berücksichtigt, die die Einbindung von primärenergetisch günstigen Umweltenergien ermöglichen. Eines dieser Merkmale ist die Verwendung großer Wäraieübertragungsflä- chen, um mit geringen Systemüber- bzw. -Untertemperaturen auszukommen (z.B. kombinierte Heiz- und Kühldecken). Dadurch ist es beispielsweise möglich, das thermische Niveau von Grund- oder Oberflächenwasser zur Raumkühlung auszunutzen bzw. eine Brennwertheiztechnik oder die Wärmepumpentechnologie effektiv einzusetzen. Systemtemperaturen nahe der Umgebungstemperatur bewirken gleichzeitig geringe Verteilungsverluste und einen großen Selbstregeleffekt. Ein anderes Merkmal beim Einsatz von regenerativen Energien in der Gebäudetechnik ist die Verwendung von Speichern zum Ausgleich einer zeitlichen Diskrepanz zwischen Energieangebot und -nachfrage.
Ein Beispiel für eine Kombination dieser beiden Merkmale ist die sogenannte thermische Bauteilaktivierung. Hierbei werden in großflächigen, wärmeenergiespeicherfähigen Bauteilen üblicherweise Kunststoffrohre verlegt, nach seltenen Vorschlägen auch in mehreren verschiedenen Schichten. Durch das Rohrsystem fließt im Sommer kaltes Wasser (normalerweise im Temperaturbereich von etwa 16 °C - 21 °C) und kühlt dabei die Bauteile aus. Ziel ist es, die gespeicherte negative Wärme zur Kühlung von Räumen zu nutzen. Kühlung bedeutet dabei vorrangig die Abfuhr von sensibler Wärme aus dem Raum. Die Energieübertragung zwischen Raum und Bauteil erfolgt über die bekannten physikalischen Effekte Konvektion und Strahlung. Die Ausnutzung des Speichereffekts in den aktivierten Bauteilen, d.h. die gewollte Verschiebung zwischen dem Zeitpunkt des Kühllastanfalls und der Bereitstellung von (in diesem Fall) Energiesenken zu deren Kompensation, ermöglicht es dabei, kosten- und umweltschonende Methoden zur Bereitstellung von Kaltwasser zu wählen. So ist es in den Nachtstunden mit dem Betrieb von herkömmlichen offenen oder geschlossenen Kühltürmen möglich, Kaltwasser in dem gewünschten Vorlauftemperaturbereich zu erzeugen. Bei üblichen Konstrukti- ons- und Nutzungsparametern von Wohn- und Gesellschaftsbauten können damit aber nicht über die gesamte tägliche Betriebszeit - vor allem unter hochsommerlichen Bedingungen - thermisch behagliche Raumzustände gesichert werden, sodass dafür zusätzliche technische Einrichtungen vorgesehen oder andere Maßnahmen ergriffen werden müssen. Auch der Einsatz von Kältemaschinen vermag durch die Verwendung der Bauteilaktivierung wirtschaftlicher gestaltet werden, weil die Ausnutzung der Speicherfähigkeit der Bauteile letztendlich zu einer Verkleinerung der notwendigen Spitzenleistung führt.
In der Heizperiode können die in den Bauteilen verlegten Rohre zur Beheizung verwendet werden. Auf Grund der Trägheit des Systems bezüglich der schnellen Reaktion auf veränderte Raumtemperaturforderungen ist es hier effektiv nur für eine sogenannten Grundheizung nutzbar. Sehr große Anforderungen werden an die Planung und Regelung bei diesem System für den Fall gestellt, dass es auch in der Übergangszeit eingesetzt werden soll. Diese Zeiten sind dadurch gekennzeichnet, dass im Tagesverlauf die Forderung nach einer Beheizung von Räumen in eine Forderung nach Kühlung wechseln kann. Durch die eingespeicherten Energien sind Verluste dann kaum zu vermeiden, wenn diese Anforderungen mit den in den Bauteilen verlegten Rohrsystemen erfüllt werden sollen.
Bekannt sind auch luftführende Systeme, die unter dem Oberbegriff thermische Bauteilaktivierung einzuordnen sind. Dabei werden spezielle Systemrohre in Massivbauteilen verlegt, die zur Verbesserung des Wärmedurchgangs mit Rippen auf der Luftseite versehen sind. Durch die Wärmeübertragung vom Raum an die durchströmende Zuluft werden im Kühlfall dabei zwei Effekte erzielt - eine Raumauskühlung und eine Zulufterwärmung. Oben beschriebene Grundmerkmale und Wirkprinzipien bleiben dabei bestehen.
Trotz einer Reihe von weiteren Nachteilen beim Einsatz der thermischen Bauteilaktivierung, wie
• geringe Einflussnahme auf die Entladung der in den Bauteilen gespeicherten Energien zur
Nutzungseinheit hin © prognoseabhängige Ladung des Speichers o erschwerte Verbrauchserfassung für einzelne Nutzungsbereiche o Unzugänglichkeit des einmal verlegten Systems,
wird dieses Verfahren häufig eingesetzt, weil neben einer möglichen kostengünstigen Energiebereitstellung und Energieverteilung auch die Herstellungskosten verhältnismäßig gering sind.
Der schon angeführte Grundgedanke bei der Speicherung von Umweltenergie - eine bestehende Zeitverschiebung zwischen kostengünstiger Erzeugung und dem Bedarf in Überein- Stimmung zu bringen bzw. Spitzenlasten auszugleichen und damit die Nennleistung der Erzeugerseite zu minimieren - wird auch in einer Reihe von Patentschriften verwendet.
In den OfFenlegungsschriften DE 197 49 764 AI, DE 197 16 288 AI und WO 99/24760 AI wird dargelegt, wie durch die Anordnung von Kammern gefüllt mit Latentspeichermaterial (eine oft verwendete Abkürzung dafür ist PCM - Phase change materiaϊ) die abzuführenden Lasten über den Verlauf eines Tages und über längere Perioden minimiert werden können. Zusätzlich werden verschiedene Systemkonzepte vorgestellt, zum Beispiel der Einsatz von latentspeichernden Heiz- und Kühldecken bzw. Kühldecken eingebettet in eine Isolierschicht und eine latentspeichernde Schicht in Verbindung mit verschiedenen umweltschonenden Varianten der Energiebereitstellung. Im Sommer wird beispielhaft der Einsatz von Kühltürmen in Verbindung mit Kältemaschinen vorgeschlagen.
In der Offenlegungsschrift DE 100 63 777 AI werden unter anderem verschiedene Kombinationen von Kühldeckenelementen und thermospeichernden Bauelementen (auch unter der Berücksichtigung von latentspeichernden Materialien) beschrieben, die eine Effektivitätssteigerung bei der Beheizung und Klimatisierung bezwecken sollen. Zum Teil wird diese Aussage bezweifelt [5].
Die Anordnung von latentspeichernden Materialien im Raum mit einer auf die Nutzung ange- passten Phasenwechseltemperatur wird oft empfohlen. Dabei versteht man unter latentspeichernden Materialien Stoffe oder Stoffgemische, die bei einer bestimmten Temperatur oder innerhalb eines gewünschten engen Temperaturbereichs einen Phasenwechsel vollziehen - im Allgemeinen zwischen flüssig und fest, aber auch zwischen geordneten und ungeordneten Gitterstrukturen (OD-Übergänge) - und dabei Energie aufnehmen oder abgeben, wobei dieser Energiebetrag signifikant größer ist als der, der für eine geringe Temperaturerhöhung oder Abkühlung außerhalb des Phasenwechselbereiches notwendig ist. Neben Salzlösungen und Salzhydraten rücken Paraffine durch Fortschritte bei deren Handling in den Mittelpunkt des Interesses. Durch die Vorzüge nicht korrosiv nicht toxisch ökologisch unbedenklich recycelbar thermisch stabil, lange Lebensdauer • vergleichsweise geringe Volumenänderung
• Schmelzpunkt einstellbar
• nicht wasserschädlich
• keine oder nur geringe Unterkühlungserscheinungen
sind sie gut für die Verwendung in Daueraufenthaltsräumen geeignet. Die Probleme der Volumenänderung während des Phasenwechsels und die Bewahrung der flüssigen Phase werden durch die Auswahl geeigneter Verkapselungs- bzw. Bindungstechniken beherrschbar (Stichworte Mikroverkapselung, Ausnutzung von Kapillarkräften, Verwendung eines porösen Trägermaterials usw.). Die geringe Wärmeleitfähigkeit ist eines der größten Hemmnisse bei der Verwendung von Paraffinen und ist unbedingt beim Einsatz dieser Stoffe zu berücksichtigen. Dieser Nachteil kann durch die Wahl des Trägermaterials und die Art der Verkapselung positiv beeinflusst werden, indem dafür Materialien mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit genutzt werden und dadurch ein höherer äquivalenter Wärmeleitkoeffϊzient erreicht wird.
Es sind eine Reihe von Veröffentlichungen bekannt, die den Einsatz von Latentspeichern auf der Basis von Paraffinen oder Gemischen aus Paraffinen, Salzhydraten oder Salzlösungen als eine selbstständige Schicht innerhalb einer Wand- oder Bauelementkonstruktion, als Beimengung innerhalb einer Putzschicht und/oder als Bestandteil von Bauplatten vorschlagen. Dabei wird für den Sommerfall oftmals der Nutzungszusammenhang - Speicherung von Wärme am Tag und Entspeicherung durch kühlere Nachtluft (freie Lüftung, Zwangslüftung) - hergestellt ([6], [7]). Es sind auch Anwendungen bekannt, bei denen Latentspeicher auf Paraffinbasis oder auf Basis der oben angeführten Gemische in Decken- oder Zwischendeckenkonstruktio- nen integriert werden, die am Tag Wärme aus dem Raum aufnehmen (passiv) und die in den Nachtstunden durch gezielte Zwangslüftung entladen werden. Zusammenfassend sind für die Gesamtheit dieser Lösungen folgende Nachteile festzustellen: o Eine Fensterlüftung ist unter sommerlichen Bedingungen nur in den seltensten Fällen in der Lage, den für eine Entspeicherung notwendigen Luftwechsel und die damit zusammenhängenden Bedingungen wie Luftgeschwindigkeit und Effektivität der Lüftung zu sichern. Auch die Gebäudedurchströmung ist zu beachten (Zu- und Abluftzonen).
• Eine Vielzahl von offenen Fenstern und Lüftungsöff ungen bei der freien Lüftung ist aus der Sicht des Gebäude- und Objektschutzes als kritisch anzusehen.
• Ein großer Luftwechsel führt zu einer erhöhten Verschmutzung der Räume. • Das Temperaturniveau der Außenluft kann gerade in der Hochsommerphase auch in den Nachtstunden so hoch sein, dass eine Auskühlung nicht mehr möglich ist.
• Eine Zwangslüftung zieht einen erhöhten Energieaufwand zum Lufttransport nach sich. Damit werden wieder andere Systemvorschläge interessant. Eine Kühlung der Außenluft ist dabei oftmals notwendig (vgl. vorherigen Anstrich).
Es besteht nun die Aufgabe, eine optimale und einfache Kombination von energieeffizienter Erzeugung und Speicherung zu finden, die keinen der Nachteile der oben beschriebenen Systeme aufweist.
Das im Weiteren beispielhaft detaillierter beschriebene Grundprinzip besteht darin, die in ihrer Verfügbarkeit und Größe zeitlich begrenzt/veränderlich vorhandenen, vorzugsweise regenerativen Energiequellen mit einem schnell regelbaren Wärmeübertragungssystem und mit einer bezüglich der thermischen Speicherfähigkeit optimierten Umschließungskonstruktion bestmöglich zusammenzuführen. Die Anwendung des Grundprinzips ist bei allen Räumlichkeiten mit periodisch auftretenden Wärmelasten gegeben. Im Umkehrschluss ist es mit Hilfe der Erfindung möglich, die benötigte Spitzenleistung einer Energiequelle zur thermischen Konditionierung von Räumen durch die Kombination - schnell regelbares Wärmeübertragungssystem/hinsichtlich der Speicherfähigkeit optimierte Umschließungskonstruktion - signifikant zu verringern. Außerdem wird ein Verfahren zur Auslegung der Systemkomponenten beschrieben.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung zur energieeffizienten thermischen Konditionierung von Räumen dadurch gelöst, dass
• Flächensysteme zur Wärmeübertragung vorgesehen sind und o Latentspeicher im Raum angeordnet und/oder als Teil der oberflachennahen Raumbegrenzung ausgebildet sind, wobei o die Latentspeicher nicht stoffschlüssig mit den Flächensystemen zur Wärmeübertragung verbunden sind und die Wärmeübertragung zwischen Latentspeicher und Flächensystem nur direkt über Strahlung und indirekt durch Konvektion über das Fluid Luft erfolgt.
Vorteilhaft werden als Flächensysteme kombinierte Kühl-/Heizdecken eingesetzt, wobei die Flächensysteme zur raumabgewandten Seite hin bevorzugt mit einer Wärmedämmschicht wärmeisoliert sind. Wirtschaftlich günstig ist es dabei, die Latentspeicher so auszubilden, dass diese entsprechend der örtlichen Wärmeentwicklung im Raum unterschiedlich bezüglich Schichtdicke, Schmelzenthalpie und Schmelzpunkt parametrisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Kaltwasser, beruhend auf den Prinzipien der adiäbaten, nichtadiabaten oder freien Kühlung sowie Kombinationen davon zur Kühlung der Räume über das Flächensystem vorgesehen.
Alternativ sind Erdwärmesonden oder Erdwärmetauscher für die Bereitstellung von Kaltwasser durch Brunnenwasser und Oberflächenwasser zur Nutzung der thermischen Verhältnisse im Erdreich vorgesehen.
Ein Lüftungssystem wird bevorzugt derart eingepasst, dass der Latentspeicher durch eine durchgängige feine Perforation als großflächiger Lufteintritt für den Raum ausgebildet ist. Empfehlenswert ist hierbei die Ladungsbeeinflussung des Latentspeichers über integrierte Medienleitungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur energieeffϊzienten thermischen Konditionierung von Räumen sieht vor, dass zur Kühlung von Räumen a) ein Wärmetransportmedium gekühlt und anschließend b) über ein Flächensystem unter Wärmeaufnahme geführt wird und zwar so, dass c) der Raum und die darin enthaltenen Latentspeicher außerhalb der Nutzungszeit, d.h. vorrangig nachts, direkt über Strahlung und indirekt durch Konvektion über das Fluid Luft ausgekühlt werden, und dass dabei weiterhin d) vorrangig die anfallenden Lasten zum Zeitpunkt ihrer Entstehung (am Tag) abgeführt werden und dass e) ein Spitzenlastbetrag innerhalb der Nutzungszeit durch die Latentspeicher aufgenommen wird.
Das Verfahren wird vorteilhaft dadurch weitergebildet, dass das Wärmetransportmedium in Verfahrensschritt a) durch adiabate, nichtadiabate oder freie Kühlung oder eine Kombination daraus gekühlt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur energieeffizienten thermischen Konditionierung von Räumen sieht vor, dass zur Heizung von Räumen a) ein Wärmetransportmedium erwärmt wird und anschließend b) über ein Flächensystem unter Wärmeabgabe geführt wird und dass c) gleichzeitig Wärme von Latentspeichern direkt über Strahlung und indirekt durch Konvektion über das Fluid Luft aufgenommen wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Wärmetransportmedium in Verfahrensschritt a) durch Solarkollektoren erwärmt wird.
Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Parametrisierung von Systemen mit latentspeichernden Materialien dadurch gelöst, dass auch die erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit dem Verfahren parametriert werden. Das Verfahren besteht darin, dass eine Kombination aus Gebäudesimulationsprogramm und dreidimensionalen Strö- mungssimulationsprogramm derart erfolgt dass a) mit einem Gebäudesimulationsprogramm eine Einschwingphase mit einer Zeitdauer größer 1 Tag durchlaufen wird und b) in einer daran anschließenden Simulationsphase ein automatisierter Datenaustausch zwischen einem Gebäudesimulationsprogramm und einem dreidimensionalen Strö- mungssimulationsprogramm stattfindet und das c) bei dem Datenaustausch zeitabhängige Bedingungen auf den Rändern der Berechnungsgebiete für Temperaturen, Wärmeströme oder Kombinationen daraus ausgetauscht werden, insbesondere der Austausch der thermische Randbedingungen 1., 2. oder 3. Art und dass d)die verwendete Zeitschrittweite für den Datenaustausch sich aus den Bedingungen für eine stabile explizite Berechnung ergibt oder aus einer algorithmusbedingten oder programmtechnisch möglichen Zeitschrittweite ergibt, die auch eine wiederholte Iteration und damit Abgleichung der bilanzierten Größen auf den Grenzen der Berechnungsgebiete erlaubt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Abbildungen dargestellten Konstruktionsmerkmale, Auslegungsdaten und Berechnungsergebnisse näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen
Fig. 1, Fig. 1.1 - Fig. 1.6 Prinzipdarstellung der Systemkomponenten Fig.2 Prinzipdarstellung eines Details des vorgeschlagenen Berechnungsverfahrens - Austauschvorgang zwischen Gebäudesimulations- und Strömungssimulationsprogramm - einfa- ehe sequentielle Abarbeitung der Teilprogra me ohne wiederholte Iteration und Angleichung der bilanzierten Größen
Fig. 3 Raumkonfiguration des verwendeten Modellraums Fig. 4 Eingangsdaten zum Berechnungsbeispiel - Außenlufttemperaturverlauf Fig. 5 Eingangsdaten zum Berechnungsbeispiel - Verlauf der inneren Lasten und der Außen- luftrate
Fig. 6 Eingangsdaten zum Berechnungsbeispiel - Auslegungsdaten Kühlturm und Bereiche von Außenluftzuständen
Fig. 7 Eingangsdaten zum Berechnungsbeispiel - Minimale Oberflächentemperaturen der Kühldeckenflächen
Fig. 8 Eingangsdaten zum Berechnungsbeispiel - Verlauf der Schmelzenthalpie Fig.9 Ergebnisse des Berechnungsbeispiels - Mittlere Raumtemperaturen Sommer Fig. 10 Ergebnisse des Berechnungsbeispiels - Mittlere Raumtemperaturen Sommer_heiß Fig. 11 Ergebnisse des Berechnungsbeispiels - Wärmestromdichten Kühldecke Sommer Fig. 12 Ergebnisse des Berechnungsbeispiels - Wärmestromdichten Kühldecke Sommer_heiß Fig. 13 Ergebnisse des Berechnungsbeispiels - Mittlere Raumtemperaturen Sommerjheiß - gekoppelte Berechnung
Fig. 14 Ergebnisse des Berechnungsbeispiels - Wärmestromdichte Kühldecke Sommerjheiß - gekoppelte Berechnung
Fig. 15.1 und Fig. 15.2 Ergebnisse des Berechnungsbeispiels
Vergleich des Beladungszustandes der latentspeichernden Schicht für die der Außenwand gegenüberliegenden Innenwand, berechnet mit der Programmvariante „Gebäudesimulationsprogramm" (ungekoppelt - Ergebnisse in Fig. 15.1) - und der Programmvariante „Datenaustausch zwischen Gebäudesimulationsprogra mteil und 3D-Strömungssimulations- programmteil" (gekoppelt — Ergebnisse in Fig. 15.2) - Simulationszeitpunkt jeweils 23 Uhr. 100 % bedeuten dabei vollständig flüssige Phase der latentspeichernden Schicht. Der vollkommen schwarze Bereich ist der Raumbereich ohne PCM in irgendeiner Schicht. Fig. 16.1s Fig. 16.2 und Fig. 16.3 Ergebnisse des Berechnungsbeispiels Vergleich der berechneten Oberflächentemperaturen um 19 Uhr zwischen Rechnungen mit und ohne örtliche Verstärkung der latentspeichernden Schicht in begrenzten Bereichen - hier von 1,5 cm Dicke auf 2,5 cm in Fensternähe - bei ansonsten gleichen Randbedingungen. Dabei zeigt Fig. 16.1 den Modellraum mit Kennzeichnung des verstärkten Bereiches. In Fig.16.2 und Fig. 16.3 sind Oberflächentemperaturen ohne und mit örtlicher Verstärkung für diesen Bereich ausgewertet. Fig. 17.1 und Fig. 17.2 Ergebnisse des Berechnungsbeispiels
Berechnungsfall Winter - Auswertung der Behaglichkeitskriterien PPD-Index (Fig. 17.1) und Sfrahlungstemperaturasyinmetrie (Fig. 17.2) für 10 Uhr in der Ebene 1,1m über dem Fußboden.
Fig. 18, Fig. 18.-1 und Fig. 18.Z Prinzipdarstellungen zur Integration eines Lüftungssystems mit Verwendung von PCM's.
Systemaufbau und Sommerfall
In der Schrift PCT/DE02/03377 wird eine Kombination aus Kühlturm und Wärmerückgewinnungssystemen beschrieben, die es erlaubt, den energieeffizienten Kühlturmprozess zur Bereitstellung von Kaltwasser für Flächenkühlsysteme auf einen signifikant größeren Esreich von Außenluftzuständen auszudehnen. Dadurch ist es möglich, Raumtemperaturen in normal genutzten Büroräumen durch Ausnutzung der Speicherfähigkeit der Raumumschließungskon- struktion auch im Auslegungsfall auf maximal zulässige Werte zu begrenzen.
Besonders geeignet in Bezug auf eine gewünschte hohe Leistungszahl ist dabei die Verwendung eines sogenannten offenen Kühlturms (Beispiel für das Prinzip der adiabaten Verdunstungskühlung). Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass das zu kühlende Kaltwasser direkt in einem durch einen Ventilator erzeugten Luftstrom versprüht wird und sich durch die Verdunstung eines Teils dieses Kaltwassers dessen Temperatur verringert. Bei einer sich anschließenden direkten Nutzung des Kaltwassers in Flächenkühlsystemen sind unbedingt besondere Ab- scheidemaßnahmen zur Anwendung zu bringen, um eingetragene Schmutz- und Staubpartikel oder andere Fremdkörper zurückzuhalten. Diese Maßnahmen können beispielsweise Beruhi- gungsstrecken (Abschlammbehälter) und/oder periodisch rückspülbare Filter umfassen. Des Weiteren müssen neben Maßnahmen zur Härtestabilisierung bzw. Entsalzung Einrichtungen zur Desinfektion des Wassers vorhanden sein. Gründe dafür sind zum einen die Vermeidung der Ausbreitung von bakteriell belastetem Wasserdampf in die nähere Umgebung des Kühl- tu ms und zum anderen die Verhinderung eines biologischen Belages innerhalb des Systems. Geschlossene Kü ltürme (Beispiel für das Prinzip der nichtadiabaten Verdunstungskühlung) mit der zum Teil vorgesehenen Möglichkeit Betriebsart freie Kühlung (d.h. Betrieb ohne Benetzung des Wärmetauschers, in dem das Kaltwasser zirkuliert) sind bezüglich der angeführten Verschmutzungsproblematik unempfindlich, aber auf Grund vergleichsweise höherer Herstellkosten sowie konstruktiver Randbedingungen uninteressanter. Die gesamte Bandbreite des Behaglichkeitsfeldes muss bei alleiniger Anwendung des Systems KüMturrn/Wärmerückgewinnung sowohl zum Beginn der Raumnutzung infolge der notwendigen nächtlichen Auskühlungsphase als auch im Verlaufe des Tages ausgeschöpft werden. Leistungsreserven stehen kaum zur Verfügung. Bei überdurchschnittlich belasteten Räumen sind Einschränkungen des thermischen Komforts unter Umständen unvermeidbar.
Durch Kombination des Systems Kü rarmAVärmerückgewinnung/Flächenl ihlsystem mit latentspeichernden Materialien in der Raumumschließungskonstruktion können dagegen bei normal und höher belasteten Räumen Komfortbedingungen bezüglich der thermischen Behaglichkeit gesichert werden. Gleichzeitig werden primärenergetisch sehr günstige Werte erreicht. Das wird auch möglich, weil der größte Teil der benötigten Kühlenergie aktiv zum Zeitpunkt des Bedarfs bereitgestellt werden kann. Dadurch
• können Speicherverluste infolge ungenauer Nutzungsprognose weiter verringert werden
• kann die Raumtemperatur jeder Zeit am oberen Punkt des Komfortbereichs gehalten und somit der Energieverbrauch minimiert werden
• ist eine Nutzung der gesamten Speichermasse großformatiger Bauteile nicht notwendig. Durch eine entsprechende Dämmung können Energieverbräuche exakter den Nutzungseinheiten zugeordnet werden. Auch die Verwendung einer Schalldämmschicht zwischen Nutzungseinheiten wirkt sich nicht negativ auf die Leistungsparameter aus.
• kann die notwendige Masse an latentspeicherndem Material in der Umschließungskonstruktion auf die Größe reduziert werden, die zur Kompensation einer durch das System KüUturm/Wärmerückgewinnung nicht abdeckbaren Spitzenkühllast infolge ungünstiger Außenluftzustände notwendig ist.
Eine Nachtauskühlung über entsprechend temperierte Kühlflächen sichert eine wesentlich effektivere Auskühlung der latentspeichernden Schicht als durch eine wie auch immer geartete Lüftung mit unkonditionierter Außenluft bzw. macht diese im Hochsommer überhaupt erst möglich. Dieser Vorteil ergibt sich aus den möglichen Systemtemperaturen und dem höheren äquivalenten Wärmeübergangskoeffizient infolge Strahlung. Die Abgeschlossenheit des Raumes kann dabei gewährleistet bleiben. Eine erhöhte Verschmutzung des Nutzungsbereiches ist ausgeschlossen. Besonders eignen sich Latentspeichermaterialien auf Paraffinbasis (Vorteile vgl. weiter oben). Diese werden in der der Nutzungseinheit zugewandten Wandoberfläche integriert. Es bieten sich zum Beispiel Beimengungen in Putz- oder anderen Trägerschichten an. Möglich sind auch Systemplatten mit einem Anteil an latentspeichernden Material. Idealerweise bilden die latentspeichernden Schichten die innere Raumbegrenzung aus. Aus technischen oder technologischen Gründen ist es u.U. notwendig, mit einer anderen Schicht/Systemplatte den inneren Wandabschluss zu bilden. Gründe dafür können zum Beispiel die Verhinderung von Diffusion und Verdunstung der flüssigen Phase oder die Erlangung einer Brandschutzklassifikation sein.
Bei der Bemessung der latentspeichernden Schicht(en) muss beachtet werden, dass ein Teil der Wandflächen üblicherweise durch eine Möblierung verstellt ist.
Die mittlere Phasenwechseltemperatur bzw. der Bereich des Phasenwechsels wird dabei so gewählt, dass diese/dieser im oberen Bereich des angestrebten Behaglichkeitsfeldes liegt und somit dem Grundgedanken, eine Leistungsreserve für Spitzenlasten zu sein, optimal Rechnung trägt. Bei üblichen Nutzungsprofilen für Daueraufenthaltsräume und auf Basis der in z.Zt. geltenden Gesetzen, Normen und Richtlinien ([1] - [4]) festgelegten Grenzwerte für die thermische Behaglichkeit im Kühlfall ist das der Temperaturbereich zwischen ca. 24 °C und 25 °C. Die Parameter Schichtdicke, Wärmeleitkoeffizient und Schmelzenthalpie müssen, soweit sie jeweils frei wählbar sind, mit dem Ziel einer optimalen Speicherausnutzung aufeinander abgestimmt werden.
Es ist weiterhin sinnvoll, den Anteil des latentspeichernden Materials in der Umschließungskonstruktion entsprechend einer örtlich stärker zu erwartenden Last zu variieren. So kann zum Beispiel in Bereichen von Außenwänden und -fenstern mit größeren Schichtdicken und/oder höheren Schmelzenthalpien gearbeitet werden, um dort die zu erwartende erhöhte solare Strahlungslast aufnehmen zu können.
Unter Flächenkühlsystemen sind vorrangig herkömmliche abgehängte oder in Decken integrierte Kühldeckenkonstruktionen zu verstehen. Diese bestehen im Allgemeinen aus über eine große Fläche verlegte Rohrleitungen oder Rohrmatten/Kapillarrohπnatten. Häufig verwendet werden bei Rohrleitungen eine mäanderformige oder spiralförmige Verlegeart. Bei den Kapillarrohrmatten werden die Röhrchen üblicherweise in kleinen Abständen zwischen einen Verteil- und Sammelrohr gleichen Materials geführt. Als Rohrmaterialien finden überwiegend Kunststoff, Verbundmaterial oder Kupfer Verwendung. Wichtig ist eine gut wärmeleitende Verbindung der Rohre/Röhrchen zur Oberfläche des Kühldeckenelementes, das Wärmeenergie aus dem Raum aufnimmt. Zum Einsatz kommen aber auch eingeputzte oder schon beim Herstellungsprozess in die Deckenkonstruktion eingelegte Rohr- bzw. Rohrmattensysteme. Allgemein erwünscht ist als Konstruktionsmerkmal ein kleiner Teilwärmedurchgangskoeffizient zum Raum hin, um notwendige Über- respektive Untertemperaturen möglichst gering zu halten. Das bedingt u.a. auch bei den bauteilintegrierten und eingeputzten Systemen einen Einbau nahe der Oberfläche. Zur Verbesserung der Wärmeabgabe der verwendeten Rohrregister werden speziell beim in Massivbauteil integriertem Rohr bzw. bei Rohrmatten Wärmeleitrippen, Wärmeleitlamellen, Wärmeleitbleche oder Folien eingesetzt, die das Rohr voll- oder teilweise umschließen. Profilfolien werden bei den Kapillarrohrmatten auch angewendet, um die wasserführenden Röhrchen zu fixieren.
Des Weiteren wird eine Wärmedämmschicht über der Kühldecke bzw. über dem bauteilintegrierten Rohrsystem vorgeschlagen. Eine dadurch verhinderte Energieeinspeicherung in zugeordneten Massivbauteilen ist nicht notwendig und wird als negativ bewertet. Verluste können auf diese Weise minimiert werden.
Wie weiter oben bei den Ausführungen zur Bauteilaktivierung angeführt, ist auch der Einsatz von luftführenden Leitungen an Stelle von wasserführenden denkbar.
Fig. 1, Fig. 1.1 —Fig. 1.6 verdeutlichen den prinzipiellen Systemaufbau.
Bezugszeichen 1 bezeichnet den zu konditionierenden Raum. Eine Auswahl von möglichen
Flächenküh -heizsystemen ist in Fig. 1.1 bis Fig. 1.3 dargestellt. Dabei bedeuten:
Fig. 1.1 - Beispiel für abgehängtes Flächenkühl-/-heizsystem als Abhangdecke
2.1.1 - Massivbauteil - beispielhaft Stahlbetondecke
2.1.2 - Wärmedämmschicht(en) (optional)
2.1.3 - Luftschicht (Zwischenraum Decke - Abhangdecke)
2.1.4 - Rohrsystem als Bestandteil eines Zwischendeckenelementes/einer Zwischendecke zur Heizung bzw. Kühlung von Räumen.
Fig. 1.2 - Beispiel für ein eingeputztes FlächenkühlV-heizsystem
2.2.1 - Massivbauteil - beispielhaft Stahlbetondecke
2.2.2 - Wärmedämmschicht (optional)
2.2.4 - eingeputztes Rohrsystem/Rohi-mattensystem/Kapillarrohrmatte Der verwendet Putz kann hinsichtlich verschiedener Eigenschaften (beispielhaft: Wärmeleitvermögen, Wärmespeichervermögen) optimiert sein. Fig. 1.3 - Beispiel für in Massivbauteile integriertes Flächenkühl-/-heizsystem
2.3.1 - Massivbauteil - beispielhaft Stahlbetondecke
2.3.2 - Wärmedämmschicht (optional) 2.3.4 - integriertes Rohrsystem
Fig. 1.4/Bezugszeichen 3.1 repräsentiert den Innen- oder Außenwandbereich, Bezugszeichen 3.2 die Schicht mit oder aus latentspeicherndem Material. Latentspeicherndes Material kann auch oberflächennah auf anderen Objekten im Raum angeordnet sein. Fig. 1 /Bezugszeichen 4 verdeutlicht ein notwendiges Filter-/Abscheide-/Wasseraufbereitungs- und/oder Wasserentkeimungssystem - speziell notwendig bei offenen Kühltürmen - und die Bezugszeichen 5 und 6 in Fig. 1.5 und 1.6 Einrichtungen zur Erzeugung von Kaltwasser auf Basis der Verdunstungskühlung (adiabate und nichtadiabate Verdunstungskühlung einschließlich einer möglichen Betriebsweise freie Kühlung). Position 5.2 repräsentiert die Systemerweiterung entsprechend PCT/DE02/03377. Hierbei wird ein nachgeschalteter Wärmeübertrager vorgesehen, um mit Hilfe der austretenden kühleren und feuchteren Fortluft aus dem Kühlturm die eintretende Außenluft abzukühlen und dabei die Kühlgrenztemperatur abzusenken. Entsprechend dem eingangs erläuterten Grundprinzip der Erfindung kommen an Stelle der Positionen 5 und 6 alle Arten der Bereitstellung von Kaltwasser in Frage, die eine zeitlich beschränkte/veränderliche Verfügbarkeit aufweisen oder deren notwendige Spitzenleistung verringert werden sollen. Stellvertretend dafür sei die Nutzung von Grundwasser genannt. Die zulässige Entnahmemenge kann zum Beispiel auf Grund von örtlichen Verhältnissen und behördlichen Auflagen beschränkt sein und nicht mit der zur Deckung einer Spitzenlast notwendigen übereinstimmen. Ein anderes Beispiel ist der Einsatz von Kältemaschinen zur Erzeugung von Kaltwasser, deren Nennleistung verringert werden soll.
Winterfall
Für den Winterfall können die großformatigen Kühlflächen zum Heizen genutzt werden, indem entsprechend temperiertes Heizwasser durch die Rohrschlagen fließt. Die schon genannten positiven Effekte großer Wärmeübertragungsflächen - geringe Systemtemperaturen und die sich daraus ergebenden Vorteile - kommen hier natürlich auch voll zur Geltung. Infolge des heutigen hohen Wärmedämmstandards neuer Gebäude sind im Auslegungsfall Oberflächentemperaturen zur Deckung der Wärmelast notwendig, die eine thermische Behaglichkeit nicht beeinträchtigen. Die latentspeichernden Materialien in der/den oberflächennahen Wandschicht(en) haben bei üblichen winterlichen Temperaturverhältnissen mit der Abstimmung auf den Kühlfall (mittlerer Schmelzbereich bei ca. 24 °C bis 25 °C) keinen signifikanten Einfluss auf den zeitlichen Raumtemperaturverlauf bzw. auf den Energiebedarf zur Aufrechterhaltung der thermischen Behaglichkeit (nur geringe Effekte durch den geringen Wärmeleitkoeffizienten). Eine wesentliche Erweiterung des Schmelzbereiches auf den relevanten winterlichen Raumtemperaturbereich (20 °C - 22 °C) macht nur Sinn, wenn eine ganztägig konstante Raumtemperatur gehalten werden soll. Dann kann mit der Wahl von latentspeichernden Materialien mit einem Schmelzpunkt/Schmelztemperaturbereich am oberen Rand des winterlichen Behaglichkeitsfeldes eine Speicherung der anfallenden inneren Lasten und somit eine Verringerung des Heizenergiebedarfs erfolgen. Sind Nachtabsenkungen vorgesehen, also ein intermittierender Betrieb, dann zeigen vergleichende Untersuchungen mit üblichen Absenkzeiten ein schlechteres energetisches Verhalten von Varianten mit latentspeichernden Materialien, die einen auf den Winterfall abgestimmten Schmelztemperaturbereich besitzen.
Wesentlich anders können die Verhältnisse bewertet werden, wenn zur Heizenergiebereitstellung auch Solarkollektoren herangezogen werden. Hier kann sich auf Grund eines insgesamt geringeren Energiepreises die Verwendung von latentspeichernden Materialien im relevanten winterlichen Raumtemperaturbereich (20 °C - 22 °C) bei unterschiedlichen Betriebsregimen infolge des verstärkten Speichereffektes wirtschaftlich positiv auswirken.
Beschreibung geeigneter Simulationsmittel
Eine exakte Auslegung aller Komponenten ist eine wesentliche Voraussetzung für die optimale Funktion und Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems. Dies lässt sich nur mit ausgereiften dynamischen Simulationsmitteln bewerkstelligen.
Die häufig für einfachere Untersuchungen verwendeten Gebäudesimulationsalgorithmen sind u.a. dadurch gekennzeichnet, dass
© durch ein- oder mehrdimensionale, vorrangig instationäre numerische Lösungsverfahren der Wärmetransport innerhalb der Raumumschließungskonstruktion von Gebäuden nachgebildet wird • die wesentlichen Wärmeübertragungsvorgänge an den Raumbegrenzungsflächen erfasst werden (lang- und kurzwelliger Strahlungsaustausch, konvektiver Wärmeübergang, Wärmeleitung bei erdreichberührenden Bauteilen) • der thermodynamische Raumluftzustand näherungsweise mit sogenannten Knoten-, Gradienten und/oder Mehrzonenmodellen in die Berechnung einfließt, wobei auch der Luftaustausch zwischen Zonen bzw. innerhalb des Gebäudes mit vereinfachenden Ansätzen berücksichtig wird
• instationäre Belastungen, die sich aus der fiktiven Nutzung des Gebäudes ergeben (innere, nutzungsbedingte Wärmequellen, betätigter Sonnenschutz usw.) verarbeitet werden
• das Wirken haustechnischer Anlagen mehr oder weniger detailliert nachempfunden wird
• zeitabhängige Wetterabläufe in die Berechnung einfließen.
Diese üblicherweise verwendeten Gebäudesimulationsmodelle ohne Einbeziehung einer Raumströmungssimulation und eine u.U. nur näherungsweise nachgebildete Raumgeometrie können die realen Verhältnisse nur unzureichend wiedergeben. Das ist darin begründet, dass die Erwärmung und Auskühlung von latentspeichernden Materialien in den oberflächennahen Wandschichten von den örtlichen Lufttemperaturen und örtlichen konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten (wesentlich bestimmt durch die lokalen Geschwindigkeiten und Lufttemperaturen) abhängen. Zu deren Eigenschaften gehört es auch, dass diese ein stark zeitabhängiges Verhalten zeigen. Mit den oftmals eingesetzten, an ausgewählten Konfigurationen experimentell bestätigten Gleichungen zur Berechnung von konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten in Verbindung mit den Modellen zur Beschreibung des thermodynamischen Raum- luftzustandes können diese Merkmale nicht ausreichend genau abgebildet werden. Zur Verringerung des Einflusses ungenau bestimmbarer konvektiver Wärmeübergänge an der Grenze Wandoberfläche/Raumluft wird öfters (z.B. [10]) vorgeschlagen, mit einer Vielzahl von speziellen, situations- und systembezogenen Gleichungen zur Berechnung des Wärmeüberganges zu arbeiten. Trotz einer realistischeren Bestimmung der tatsächlichen energetischen Verhältnisse bleiben letztendlich eine Vielzahl von Nachteilen erhalten: o erhöhter Eingabeaufwand o Abschätzung der Raumströmungssituation im Vorfeld der Berechnung o größere Unsicherheiten bei komplizierteren lokalen Situationen.
Somit kann auch diese Vorgehensweise nicht vollständig befriedigen.
Der Zustand des Raumluftströmungsfeldes lässt sich exakt durch die zeitveränderlichen örtlichen Größen • Temperatur • Geschwindigkeit
• Druck
• Konzentration von einzelnen Bestandteilen des Fluidgemisches Luft
erfassen. Die mathematische Beschreibung der einzelnen Feldgrößen gelingt üblicherweise durch eine Bilanzierung aller zu- und abströmenden Flüsse an ortsfesten Kontrollvolumina (Eulersche Betrachtungsweise). Mit Hilfe von Methoden der numerischen Strömungsmechanik können dann mit einem dreidimensionalen Strömungssimulationsprogramm die das Strömungsfeld beschreibenden Größen zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort mit einer sehr großen Genauigkeit berechnet werden. Diese werden auch benötigt, um
• die stark zeit- und ortsveränderlichen konvektiven Wärmeübergange an der Grenzfläche RaumumscUießungskonstruktion/Raumluft korrekt bestimmen zu können
• die komplexen Vorgänge bei einer natürlichen (freien) Lüftung nachzubilden
• exakte stationäre und instationäre Behaglichkeitsgrößen darzustellen
• kompliziertere thermische Raumsituationen wie größere Lufttemperaturschichtungen, Kurzschlussströmungen usw. zu erfassen
(vgl. dazu [11]).
Für eine optimale Dimensionierung des Gesamtsystems Energiebereitstellung/Flächenheiz- und -kühlsystem /latentspeichernde Schichten ist aus den oben angeführten Gründen eine Kopplung der Berechnungsmethoden Gebäudesimulation/Strömungssimulation notwendig. Dabei wird vorzugsweise folgende Vorgehensweise praktiziert. In kurzen Zeitabständen werden die Ergebnisse der Gebäudesimulation (innere Wandoberflächentemperaturen = thermische Randbedingung 1. Art) als Randbedingung an das Strömungssimulationsprogramm automatisiert übergeben und im Gegenzug berechnete Wärmeströme an der Grenze Wand - Raumluft (thermische Randbedingungen 2. Art) der dreidimensionalen Strömungssimulation an das Gebäudesimulationsprogramm weitergeleitet. Die Übergabe dieser Daten kann auch unter Verwendung einer separaten Software vollzogen werden, die diesen Datenaustausch kontrolliert und abgleicht. Die verwendete Zeitschrittweite für den Datenaustausch ergibt sich entweder aus der exakten Bedingung für eine stabile explizite Berechnung oder aus einer algorithmusbedingten oder programmtechnisch möglichen Zeitschrittweite, die eine wiederholte Iteration und damit Angleichung der bilanzierten Größen auf den Grenzen beider Simulationsgebiete erlaubt. Bei geringeren Anforderungen an die Genauigkeit bzw. bei höheren Anforderungen an die Rechengeschwindigkeit ist dabei ein einfacher Austausch der Ergeb- nisse (Temperaturen, Wärmeströme) an den Grenzen der Berechnungsgebiete sinnvoll, d.h. ohne wiederholte Iteration und Angleichung der bilanzierten Größen. Es liegt dann nur eine einfache sequentielle Abarbeitung der Berechnungsalgorithmen vor. Die Zeitschrittweite für den Datenaustausch liegt aber zumindest im einstelligen Minutenbereich (z.B. [9], [11]). Da die Auflösung der örtlichen und zeitlichen Dimensionen in den beiden Teilprogrammen unterschiedlich sein kann, wird der Austausch dann für über die Dimension gemittelte Größen vollzogen.
Fig. 2 stellte symbolisch den Austauschvorgang bei einer einfachen sequentiellen Abarbeitung dar. Die eingerahmten Ziffern 1 - 5 und die Pfeile verdeutlichen den Ablauf des Austauschvorganges. Zum Zeitpunkt τl werden die Austauschgrößen (zum Beispiel die Temperaturen auf der inneren Oberfläche) vom Gebäudesimulationsprogramm an das 3D- Strömungssimulationsprogramm übergeben. Dort wird die Simulation bis zum Simulationszeitpunkt τ2 vorangetrieben. Die ermittelten Daten zur Beschreibung des konvektiven Wärmeübergangs (zum Beispiel Wärmeströme) werden dann zurück an das Gebäudesimulationsprogramm übertragen, wo ebenfalls die Simulation bis zum Zeitpunkt τ2 vollzogen wird.
Zur Erreichung eines geeigneten Ausgangszustandes wird das Gebäudesimulationsprogramm in einer sogenannten Einschwingphase (Zeitperiode = mehrere Tage) ohne Austausch von Daten mit dem Strömungssimulationscode betrieben. Der dabei ermittelte Zustand dient dann unter anderem zur Initialisierung des Strömungssimulationscodes.
Die Kopplung der Gebäudesimulation mit einem dreidimensionalen Strömungssimulationsprogramm ist nur dann sinnvoll, wenn eine exakte Nachbildung der Geometrie sowie eine genaue Berechnung des lang- und kurzwelligen Strahlungswärmeaustausches durch Methoden der Bilanzierung auf festen Oberflächen bzw. mit Methoden der Strahlungsverfolgung stattfinden.
Beispiel
Eingangsdaten und Erläuterungen
Die Funktionsweise der Erfindung soll an einem Beispiel demonstriert werden. Untersucht wird eine repräsentative Bürosituation kombiniert mit typischen Außenwetterbe- dingungen für einen durchschnittlichen Sommertag (Berechnungsfall Sommer), für einen heißen Sommertag (Berechnungsfall Sommer eiß) und einen durchschnittlichen Wintertag (Berechnungsfall Winter). Der Winterfall dient nur dem Nachweis, dass mit einer Heizdecke auch behagliche Raumzustände erreicht werden können. Fig. 3 zeigt die Raumgeometrie und Tabelle 1 den gewählten Wandaufbau.
Die Fig. 4 und 5 zeigen die festgelegten Außenlufttemperaturverläufe für die einzelnen Berechnungsfälle, den Verlauf der angenommenen inneren Lasten sowie den festgelegten Außenluftwechsel. Die inneren Lasten ergeben sich aus einer durchschnittlichen Büronutzung mit 2 Personen einschließlich Computertechnik und Beleuchtung. Es wird eine Betriebszeit des Büros von 8 bis 18 Uhr angenommen. Ein einfacher Außenluftwechsel am Vormittag, ein 0,5facher am Nachmittag (jeweils über Fenster) während der Büronutzungszeiten und ein 0,2facher infolge Undichtigkeiten außerhalb dieser Zeiten werden bei den Simulationen Sommer und Sommer _heiß berücksichtigt. Für den Berechnungsfall Winter gilt ein konstanter 0,lfacher Raumluftwechsel mit einer Stoßlüftung (Luftwechsel = 2h"1) um 9 Uhr und 13 Uhr.
Fig. 1 mit Pos. 5.1 und 5.2 zeigt den angenommenen Systemaufbau zur Kaltwasserbereitstellung entsprechend PCT/DE02/03377. Der offene Kühlturm wird für folgende Parameter ausgelegt (vgl. Fig. 6):
Kaltwasservorlauftemperatur tκw,v = 16 °C
(Auslegungsfall)
Kaltwasserrücklauftemperatur tκw.R = 20 °C
(Auslegungsfall)
FeuchtkugeltemperturAusieguπgsfaiι tF = 14 °C
- als Näherung Grenzenthalpie hi = 39,7 kJ/kg Durch einen dem Kühlturm nachgeschalteten Wärmeübertrager mit einer angenommenen Rückwärmezahl von 0,7 können bei Außenluftzuständen im Bereich II die gleichen Kaltwasserdaten wie im Bereich I erreicht werden. Der Bereich III umfasst die Außenluftzustände, bei denen Kaltwasservorlauftemperaturen von bis zu 19 °C erreicht werden können. Durch eine Erhöhung des Luftmassestroms durch den Kühlturm wird hier die Spreizung des Kaltwassers auf 3 K begrenzt, um einer zu hohen mittleren Oberflächentemperatur eines Flächenkühlsys- tems vorzubeugen.
Verläufe für die absoluten Feuchten in den Monaten Juli entsprechend [8] ergeben mit den schon in Fig. 3 gezeigten Werten für die mittlere Außenlufttemperatur folgende Betriebsbereiche entsprechend Fig. 6 für das System
Sommer: Nachtauskühlung Bereich I und II
Tagbetrieb Bereich II und III
Sommer ieiß: Nachtauskühlung Bereich III
Tagbetrieb Bereich III
Mit diesen Vorraussetzungen und der Simulation eines Flächenkühlsystems mit kleinem Teilwärmedurchgangskoeffizienten zum Raum hin werden minimale Oberflächentemperaturen der aktiven Kühldeckenflächen entsprechend Fig. 7 zugelassen.
Die aktive Kühldeckenfläche nimmt 85 % der gesamten Decke ein. Die tatsächlich notwendige Kühldeckenoberflächentemperatur wird wie folgt berechnet. Der Raumtemperatursollwert wird entsprechend [1] in Abhängigkeit der Außentemperatur ermittelt. Bis 26 °C Außenlufttemperatur soll die Raumtemperatur nicht über 25 ° C steigen. Bis 32 °C ist ein linearer Anstieg auf 27 °C möglich, der bei noch höheren Außenlufttemperaturen entsprechend fortgesetzt wird. Weiterhin wird ein einfache, idealisierte Regelung der mittleren Deckentemperatur mit einem P-Bereich von 1 K verwendet. Bei der notwendigen Nachtauskühlung wird die Raumsolltemperatur auf 22 °C fixiert. Die Anlagenlaufzeiten werden wie folgt festgelegt
Sommer. Nachtauskühlung 4 bis 7 Uhr
Normaler Betrieb 7 bis 20 Uhr Aus 20 bis 4 Uhr Sommer Jeiß Nachtauskühlung 0 bis 7 Uhr
Normaler Betrieb 7 bis 20 Uhr Aus 20 bis 0 Uhr
Die latentspeichernden Materialien werden ab einer Raumhöhe von 0,8 m und mit Ausnahme der Tür auf den Wandoberflächen der Innenwände verteilt. Für die Schichtdicke wird ein Wert von 1,5 cm gewählt. Die Schmelzenthalpie beträgt 40.000 J/kg und wird in einem Temperaturbereich von ± 1,5 K um die mittlere Schmelztemperatur von 24,5 °C entsprechend der in Fig. 8 gezeigten idealisierten Verteilung frei.
Fig. 9 und Fig. 10 zeigen zunächst Ergebnisse von Simulationsrechnungen ohne Einbeziehung einer Strömungssimulation. Diese wurden mit einer modifizierten Variante des in [9] beschriebenen Programms berechnet. Die Wärmeleitung innerhalb der Umschließungskonstruktion wird mit Hilfe eines expliziten Finite-Differenzen- Verfahrens berechnet. Der Pha- senwechselvorgang der PCMs kann dadurch thermodynamisch exakt nachgebildet werden. Andere Schmelzenthalpieverteilungen als die idealisierte und in Fig. 8 dargestellte können problemlos in dem verwendeten Algorithmus übernommen werden.
Die Bezeichnungen in den Legenden der Auswertungsdiagramme stehen dabei für folgende Berechnungsfälle
ts24p5rs40000dtl ,5dl ,5 - mittlere Schmelztemperatur = 24,5 °C (rs_p
Schmelzenthalpie = 40.000 J/kg (rs Schmelztemperaturbereich = 24,5 °C ± 1,5 K (dt_) Dicke der latentspeichernden Schicht = 1,5 cm (d_J ohne_Kd_2fach_LW - ohne Kühldecke, 2facher nächtlicher Luftwechsel ohne_Kd_4fach_LW - entsprechend ohne_PCM - Konfiguration und Fahrweise der Kühldecke wie Variante ts24p5rs40000dtl,5dl,5 aber ohne PCMs in den Umschließungs- flächen
Auswertung allgemein Aus den Abbildungen Fig. 9 und 10 können zusammenfassend die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden:
• Die Verwendung von latentspeichernden Materialien in Kombination mit einer nächtlichen Auskühlung durch Fensterlüftung sichert keine akzeptablen thermischen Raumzustände.
• Die Kombination von KüUturm/Wärmerückgewinnung/PCM ist in der Lage, unter allen Bedingungen komfortable thermische Raumtemperaturen zu sichern.
• Eine Nachtauskühlung kann entsprechend den Außentemperaturverhältnissen zeitlich beschränkt werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil wird bei der Betrachtung der Fig. 11 und 12 deutlich. Dort sind die von den Kühldecken abgegebenen flächenspezifischen Wärmeströme im Tagesverlauf dargestellt.
• Der größte Teil der Kühlenergie wird am Tag zum Zeitpunkt des Bedarfs bereitgestellt. Speicherverluste werden minimiert.
Deutlich ist auch zu erkennen, dass im Vergleich zur Variante ohne PCMs
• die notwendige Spitzenkühlleistung verringert
• das Maximum der Kühlleistung zeitlich verlagert
• in der Nacht mehr Wärmeenergie dem Raum entzogen wird.
Dadurch ergeben sich primärenergetisch günstige Verhältnisse. Trotzdem wird der größte Teil der Lasten am Tag abgeführt.
Ein eventuell zusätzlich installiertes mechanisches Lüftungssystem zur Sicherung des hygienischen Luftwechsels berührt nicht die wesentlichen Aussagen zur Funktion des Gesamtsystems.
Prinzipiell sind auch andere Kombinationen bezüglich der räumlichen Anordnung denkbar (Wechsel der Anordnung Wand-, Decken- und Fußbodenflächen).
Die aufgezeigten Effekte lassen natürlich auch den Schluss zu, dass die gleichzeitige Verwendung von latentspeichernden oberflächennahen Wandschichten und einer thermischen Bauteilaktivierung die weiter oben beschriebenen Schwachpunkte des Systems thermische Bauteilaktivierung - Leistungsabfall über den Tagesverlauf und großer Schwankungsbereich der Raumtemperatur - merklich verringern können. Latentspeichernde Materialien stellen damit eine sinnvolle Erweiterung des Systems thermische Bauteilaktivierung dar.
Auswertung gekoppelte Berechnung
Die Abbildungen Fig. 13 und Fig. 14 zeigen Ergebnisse der gleichen Berechnungssituation wie in Fig. 10 und Fig. 12 abgebildet. Sichtbare Unterschiede zwischen den Darstellungen sind Ergebnisse von Berechnungen mit einem Simulationsprogramm, bei dem, wie weiter oben beschrieben, ein Austausch von Ergebnissen = Randbedingungen zwischen den Teilpro- grammen Gebäudesimulation und 3D-Strömungssimulation stattfindet. Die Zeitschrittweite für den Datenaustausch beträgt 1 Minute. Deutlich wird, dass bei Grenzfällen (z.B. Auswertung der mittleren Raumtemperaturen) andere Schlussfolgerungen gezogen werden können. Fig. 13 lässt den Schluss zu, dass noch Leistungsreserven bei den Varianten mit Kühldecke vorhanden sind. Auch die energetischen Aufwendungen in der nächtlichen Auskühlphase und im normalen Betrieb werden anders berechnet (Vergleich Fig. 12 und 14) - nämlich exakter. Die genauere Bestimmung der realen Situation durch Verwendung der gekoppelten Berechnung verdeutlichen Fig. 15.1 und Fig. 15.2. Hier werden die mit den unterschiedlichen Programmvarianten bestimmten Ladungszustände des Paraffinspeichers (latentspeichernde Schicht) jeweils um 23 Uhr für die der Außenwand gegenüberliegenden Innenwand verglichen. Dabei bedeuten 0 % = vollständig feste Phase und 100 % = vollständig flüssige Phase. Die Unterschiede betragen in diesem Fall bis zu 10 %.
Fig. 16.1, Fig. 16.2 und Fig. 16.3 zeigen Ergebnisse von vergleichenden gekoppelten Simulationsrechnungen bezüglich der Problematik örtliche Verstärkung der latentspeichernden Schicht. Im fensternahen Bereich wurde dabei die PCM-Schicht auf 2,5 cm verstärkt. Der Bereich der Verstärkung wird in Fig. 16.1 durch die Einkreisung verdeutlicht. Fig. 16.2 und 16.3 zeigen diesen Bereich vergrößert. Durch eine örtliche Verstärkung wird bei gleicher energetischer Belastung eine geringere Oberflächentemperatur erreicht.
Zum Nachweis der Anwendbarkeit einer Heizdecke bei den angeführten geometrischen und äußeren Randbedingungen sind die Behaglichkeitskriterien PPD-Index und Strahlungstemperaturasymmetrie in Fig. 17.1 und Fig. 17.2 dargestellt. Die Anforderungen entsprechend gängigen Normen und Richtlinien ([1] - [4]) werden erfüllt. Weiterführende Beschreibung
Der Nachteil beim Einsatz eines Flächenkühl- und -heizsystems im Fußboden ist der im Kühlfall geringe konvektive Wärmeübergangskoeffizient. Dieser kann überwunden werden, wenn eine Systemplatte entsprechend Fig. 18 in Kombination mit einem Lüftungssystem genutzt wird. In der Systemplatte (Fig. 18/Bezugszeichen 8) ist latentspeicherndes Material enthalten. Die Entladung erfolgt entweder über ein integriertes Rohrsystem (Fig. 18/Bezugszeichen 9), was im Winter auch die Erwärmung und damit die Beheizung des Raumes sichert, oder über eine nächtliche Auskühlung durch andere Kühlflächen im Raum (durch Strahlung und Konvention) oder mittels durchströmende Außenluft. Wesentliches Konstruktionsmaterial ist eine Porosität, die eine große Kontaktfläche der über einen druckdichten Doppelboden oder ein Kanalsystem (Fig. 18/Bezugszeichen 7) zugeführten Zuluft (Fig. 18/BezugszeichenlO) mit dem latentspeichernden Material und damit einen guten Wärmeübergang ermöglicht. Die Zuluft wird dabei nachkonditioniert und die eingespeicherte negative Energie kann dem Raum unter optimalen Bedingungen (z.B. geringe Geschwindigkeiten) zugeführt werden. Notwendig ist unbedingt eine gute Filterung der Zuluft in vorgelagerten Systembestandteilen. Ein Anordnung der Systemplatte im Decken oder Wandbereich ist auch möglich.
Formelzeichen und Indizes
Deutsches Alphabet Formelzeichen Bedeutung
Cp massespezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck d Dicke einer Schicht h massespezifische Enthalpie k Wärmedurchgangskoeffizient t Temperatur x absoluter Feuchtegehalt der trockenen Luft Fc Abminderungsfaktor von Sonnenschutzvorrichtungen
Griechisches Alphabet Formelzeichen Bedeutung
Δ Änderung, Differenz θ Strahlungstemperatur λ Wärmeleitkoeffizient P Dichte φ Rückwärmezahl
Tiefgestellte Indizes
Index Bedeutung
f Fenster sy Halbraum-Strahlungstemperatur in y-Richtung
F Feuchtkugel
KW Kaltwasser
L Luft
R Rücklauf
V Vorlauf
Bezugszeichenliste
ti Grenztemperatur 1
Außenlufttemperatur, ab der gekühlt werden soll t-2 Grenztemperatur 2
Außenlufttemperatur, bis zu der die max. Raumtemperatur des zu kühlenden Raumes eingehalten werden soll hi Auslegungsfeuchtkugeltemperatur des Kühlturms - als ausreichende Näherung mit einer Linie h = konst. beschrieben h2 Austrittsenthalpie der Sprühluft aus dem Kühlturm für den Auslegungsfall h3 Eintrittsfeuchtkugeltemperatur der Sprühluft in den Kühlturm, bis zu der Kaltwasser mit ausreichend geringer Vorlauftemperatur erzeugt werden kann - als ausreichende Näherung mit einer Linie h = konst. beschrieben
1-4 Austrittsenthalpie der Sprühluft aus dem KüMturm für h
Pi Punkt [hi; t(h2, Austrittsfeuchte der Sprühluft)]
P2 Punkt [t ; h = hi+Δh]; Δh=cPι • Φ • (t2 - t(h2, Austrittsfeuchte aus dem Kühlturm))
P3 Kaltwasserrücklauftemperatur im Auslegungsfall
P4 Kaltwasservorlauftemperatur im Auslegungsfall
V5 Punkt [h3; t(h4, Austrittsfeuchte der Sprühluft)] P6 Punkt [t2; h = h3+Δh]; Δh^^- Φ - (t2 - UTH, Austrittsfeuchte aus dem Kühlturm))
P Kaltwasserrücklauftemperatur für den Betriebsfall h3; I14
P8 Kaltwasservorlauftemperatur für den Betriebsfall h3, rn
1 Raum
2 Flächensystem
2.1.1 Massivbauteil - beispielhaft Stahlbetondecke
2.1.2 Wärmedämmschicht(en) (optional)
2.1.3 Luftschicht (Zwischenraum Decke - Abhangdecke)
2.1.4 Rohrsystem als Bestandteil eines Zwischendeckenelementes/einer Zwischendecke zur Heizung bzw. Kühlung von Räumen.
2.2.1 Massivbauteil - beispielhaft Stahlbetondecke
2.2.2 Wärmedämmschicht (optional)
2.2.4 eingeputztes Rohrsystem Ro-hrmattensystem/Kapillarrohrmatte
2.3.1 Massivbauteil - beispielhaft Stahlbetondecke
2.3.2 Wärmedämmschicht (optional) 2.3.4 integriertes Rohrsystem
3.1 Innen- oder Außenwandbereich
3.2 Schicht(en) mit oder aus latentspeicherndem Material/Latentspeicher
4 Filter-/ Abscheide-/Wasseraufbereiτungs- und/oder Wasserentkeimungssystem
5.1, 6 Einrichtungen zur Erzeugung von Kaltwasser auf Basis der adiabaten oder nichtadi- abaten Verdunstungskühlung einschließlich einer möglichen Betriebsweise_/re/e
Kühlung 5.2 Wärmeübertrager
7 Doppelboden oder Kanalsystem
8 Systemplatte mit oder aus latentspeicherndem Material und mit luftdurchlässigen Eigenschaften (porös)
9 integriertes Rohrsystem
10 Zuluft
Zitierte Nichtpatentliteratur
[1] Norm DIN 1946
Teil 2: Raumlufttechnik - Gesundheitstechnische Anforderungen Beuth Verlag, Januar 1994
[2] DIN EN ISO 7730
Gemäßigtes Umgebungsklima - Ermittlung des PMN und des PPD und Beschreibung der Bedingungen für thermische Behaglichkeit Deutsche Fassung EΝ ISO 7730, September 1995
[3] Entwurf DIΝ EΝ ISO 7730
Ergonomie des Umgebungsklimas - Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMN- und des PPD-Indexes und der lokalen thermischen Behaglichkeit Deutsche Fassung prEΝ ISO 7730, Oktober 2003
[4] Arbeitsstättenverordnung auf daraufhin erlassene Arbeitsstättenrichtlinien
[5] Glück 2002
Glück, Bernd: Kühlung mittels raumintegriertem Latentwärmespeicher
Teil 1 und Teil 2, Heizung Lüftung/Klima Haustechnik, Springer NDI Verlag, Heft 11 und 12/2002
[6] BESTE Informationsdienst 2002
BIΝE - Informationen und Ideen zu Energie & Umwelt Projektinfo 06/02, Fachinformationszentrum Karlsruhe
[7] Schossig, Henning, Raicu 2001
Schossig, P.; Henning, H.-M.; Raicu, A.:
Mikroverkapselte Phasenwechselmaterialien in Wandverbundsystemen 11. Symposium Thermische Solarenergie 09. bis 11. Mai 2001 Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.V., Regensburg 2001
[8] Norm DIN 4710
Statistiken meteorologischer Daten von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in
Deutschland einschließlich Beiblatt 1, Beuth Verlag, Januar 2003 [9] Fischer 1997
Fischer, Volker: Gekoppelte numerische Simulation von Raumluftströmung, Raumumschließungskonstruktion und Heizungsanlage Dissertation, TU Dresden 1997
[10] Morrison 2000
Ian Beausoleil-Morrison : THE ADAPATIVE COUPLING OF HEAT AND AIR FLOW MODELLING WITHIN DYNAMIC WHOLE-BUILDING SIMULATION Dissertation, Energy Systems Research Unit, Department of Mechanical Engineering, University of Strathclyde Glasgow 2000
[11] Gritzki 2001
Gritzki, Ralf: Bestimmung der Effektivität nutzerbedingter Fensterlüftung mit Hilfe numerischer Verfahren Dissertation, TU Dresden 2001

Claims

Patentansprüche
1.
Vorrichtung zur energieeffizienten thermischen Konditionierung von Räumen, dadurch gekennzeichnet, dass
• Flächensysteme (2) zur Wärmeübertragung vorgesehen sind und
• Latentspeicher (3.2) im Raum angeordnet und/oder als Teil der oberflächennahen Raumbegrenzung ausgebildet sind, wobei
• die Latentspeicher (3.2) nicht stoffschlüssig mit den Flächensystemen (2) zur Wärmeübertragung verbunden sind und die Wärmeübertragung zwischen Latentspeicher (3.2) und Flächensystem (2) nur direkt über Strahlung und indirekt durch Konvektion über das Fluid Luft erfolgt.
2.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Flächensysteme (2) kombinierte Kühl-/Heizdecken eingesetzt werden.
3.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächensysteme (2) zur raumabgewandten Seite hin mit einer Wärmedämmschicht (2.1.2,
2.2.2, 2.
3.2) wärmeisoliert sind.
4.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Latentspeicher (3.2) entsprechend der örtlichen Wärmeentwicklung im Raum unterschiedlich bezüglich Schichtdicke, Schmelzenthalpie und Schmelzpunkt parametrisiert werden.
5.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Kaltwasser, beruhend auf den Prinzipien der adiabaten, nichtadiabaten oder freien Kühlung sowie Kombinationen davon zur Kühlung der Räume über das Flächensystem (2) vorgesehen ist.
6.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass
Erdwärmesonden oder Erdwärmetauscher für die Bereitstellung von Kaltwasser durch Brunnenwasser und Oberflächenwasser zur Nutzung der thermischen Verhältnisse im Erdreich vorgesehen sind.
7.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lüftungssystem derart eingepasst ist, dass der Latentspeicher (8) durch eine durchgängige feine Perforation als großflächiger Lufteintritt für den Raum ausgebildet ist.
8
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsbeeinflussung des Latentspeichers über integrierte Medienleitungen (9) erfolgt.
9.
Verfahren zur energieeffizienten thermischen Konditionierung von Räumen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung von Räumen a) ein Wärmetransportmedium gekühlt und anschließend b) über ein Flächensystem (2) unter Wärmeaufnahme geführt wird und zwar so, dass c) der Raum und die darin enthaltenen Latentspeicher (3.2) außerhalb der Nutzungszeit, d.h. vorrangig nachts, direkt über Strahlung und indirekt durch Konvektion über das Fluid Luft ausgekühlt werden, und dass dabei weiterhin d) vorrangig die anfallenden Lasten zum Zeitpunkt ihrer Entstehung (am Tag) abgeführt werden und dass e) ein Spitzenlastbetrag innerhalb der Nutzungszeit durch die Latentspeicher (3.2) aufgenommen wird.
10.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportmedium in Verfahrensschritt a) durch adiabate, nichtadiabate oder freie
Kühlung oder eine Kombination daraus gekühlt wird.
11.
Verfahren zur energieeffizienten thermischen Konditionierung von Räumen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Heizung von Räumen a) ein Wärmefransportmedium erwärmt wird und anschließend b) über ein Flächensystem (2) unter Wärmeabgabe geführt wird und dass c) gleichzeitig die abgegebene Wärme von Latentspeichern (3.2) direkt über Strahlung und indirekt durch Konvektion über das Fluid Luft aufgenommen wird.
12.
Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportmedium in Verfahrensschritt a) durch Solarkollektoren erwärmt wird.
13.
Verfahren zur Parametrisierung von Systemen mit latentspeichernden Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination aus Gebäudesimulationsprogramm und dreidimensionalen Strömungssimulationsprogramm derart erfolgt dass a) mit einem Gebäudesimulationsprogramm eine Einschwingphase mit einer Zeitdauer größer 1 Tag durchlaufen wird und b) in einer daran anschließenden Simulationsphase ein automatisierter Datenaustausch zwischen einem Gebäudesimulationsprogramm und einem dreidimensionalen Strömungssimulationsprogramm stattfindet und das c) bei dem Datenaustausch zeitabhängige Bedingungen auf den Rändern der Berechnungsgebiete für Temperaturen, Wärmeströme oder Kombinationen daraus ausgetauscht werden, insbesondere der Austausch der thermische Randbedingungen 1., 2. oder 3. Art und dass d) die verwendete Zeitschrittweite für den Datenaustausch sich aus den Bedingungen für eine stabile explizite Berechnung ergibt oder aus einer algorithmusbedingten o- der programmtechnisch möglichen Zeitschrittweite ergibt, die auch eine wiederholte Iteration und damit Abgleichung der bilanzierten Größen auf den Grenzen der Berechnungsgebiete erlaubt.
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DE10351691 2003-11-05
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