Untersuchung und Optimierung eines solargestützten Heiz- und Klimatisierungssystems für ein Einfamilienhaus

Diplomarbeit von Andreas Joos

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 niederwertige Energieform Niedertemperaturwärme genutzt werden kann und die Temperatur des Erdreichs zur Kühlung ausreicht, statt über den Umweg des elektrischen Stroms reine Exergie einsetzen zu müssen. Die Anlage wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes von der Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) und der Deutschen Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW) in Zusammenarbeit mit dem Heiztechnikunternehmen Vaillant aufgebaut.

Ziel der Arbeit ist es, die Anlage in einer Klimaperiode zu untersuchen, verschiedene Regelungstrategien der einzelnen Anlagenkomponenten durch Simulation vorzubereiten und am Gerät zu testen. Außerdem sollen Messdaten gesammelt werden, um die Anlage energetisch bewerten zu können.

Zur Messdatenerfassung und Steuerung der Anlage wird ein mit der graphischen Entwicklungsumgebung LabVIEW2 entworfenes Programm benutzt und weiterentwickelt.

Als Simulationstools werden Matlab/Simulink3 und Modelica4/Dymola5 verwendet. Modelica/Dymola bietet den Vorteil einer akausalen physikalischen Modellierung und die Möglichkeit 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.

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
B	Messstellen	83
B.1	Eingänge	83
B.2	Ausgänge	84
B.3	Hersteller	84

Textprobe:

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 konventionellen Heizungsanlage der Firma Vaillant, die um einen Kaltwasserkreislauf und eine sorptionsgestützte 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 Kaltwassersatz und eine Erdkältesonde zur Verfügung (vgl. Tabelle 3.1).

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 Luftaustausch entgegenzuwirken. Im Sommerbetrieb wird die Fußbodenheizung zu einer Fußbodenkühlung 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 ganzen Jahres zur Trinkwassererwärmung eingesetzt.

Im Folgenden sollen die einzelnen Komponenten des Systems näher erläutert werden. Wie in Abbildung 3.1 zu sehen ist, besteht der Kombispeicher aus zwei ineinanderverschachtelten 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 Brennwertgerät durchflossen werden kann. Der zweite, große Tank umschließt den ersten völlig. Er dient als Pufferspeicher für die Solarkollektoren. Das in letzterem erwärmte Wasser wird durch eine Rohrwendel im großen Tank geführt. Sinn dieser Verschaltung ist, dass bei Sonneneinstrahlung viel Wärme dem großen Tank zugeführt werden kann, der diese speichert und an das Trinkwasser abgibt. Sollte die Solarenergie nicht für eine ausreichenende Trinkwassertemperatur sorgen, so kann der kleine Tank mit dem Brennwertgerät aufgeheizt werden, ohne dass dabei der gesamte Inhalt des großen Tanks auch auf die Temperatur gebracht werden muss. Bei ausreichend hoher Temperatur durch Solareintrag kann zusätzlich der Heizungsrücklauf unten in den großen Tank eingebracht werden und dafür wärmeres Wasser aus der Mitte des Behälters dem Brennwertgerät zugeführt werden, um die Eintrittstemperatur in den Kessel anzuheben. Die verschiedenen Stromführungen werden durch zwei Drei-Wege-Ventile, die im Hydraulikblock angeordnet sind, realisiert. Der Hydraulikblock ist ein Standardmodul der Firma Vaillant, das eine optimale und flexible Zusammenschaltung von Solarkollektoren, Wasserspeicher und einem beliebigen Heizgerät ermöglicht.

Wird die Anlage dagegen auf Kühlen eingestellt, so werden die Drei-Wege-Ventile am Heizkreis (R1) so gestellt, dass dieser vom kalten Wasser aus der Erdkältesonde bzw. dem Kaltwassersatz durchströmt wird. Primär ist vorgesehen, dass die Wärmeabfuhr über die Erdkältesonde erfolgt. Diese besteht aus einem Doppel-U-Rohr, das vor dem Gebäude 100m senkrecht in den Boden eingebracht ist. Die Rohre sind unterirdisch bis in den Keller verlegt, so dass auch ohne Frostschutzmittelzusatz im Wasser ein Einfrieren der Leitungen vermieden wird. Der Kaltwassersatz dient primär Forschungszwecken und als Option für den Fall, dass die Leistung der Sonde den Kühlbedarf längerfristig nicht deckt. Zusätzlich wird die Pumpe benutzt, um die Wasserzirkulation durch das Lüftungsgerät und die Sonde aufrecht zu erhalten.

In Abbildung 3.2 ist ein Schema eines Lüftungsgerätes zu sehen, das an der TUHH entworfen wurde. Zwei Ventilatoren saugen die Luft von Außen bzw. die Abluft aus dem Gebäude in das Gerät hinein. An den Einlässen sind Filter angebracht, um Verunreinigungen der innen liegenden Komponenten und Strömungswege zu vermeiden. Des weiteren besteht das Gerät aus einem mit Lithiumchlorid (LiCl) getränkten Sorptionsrotor (SR), einem Wärmerückgewinner (WRG), einem Regenerationslufterhitzer (RLE) und einem Nachkühler (NK). Die beiden zuletzt genannten Wärmeübertrager können mit Warmbzw. Kaltwasser aus dem Heiz- bzw. Külkreislauf gespeist werden.

Im Sommer dient diese Schaltung zur Trocknung und Kühlung der Umgebungsluft, bevor sie den Räumen zugeführt wird. Im folgenden wird dieser Prozess einmal beispielhaft durchlaufen. Die Zustände beziehen sich sowohl auf die Abbildung 3.2 als auch auf das h,x-Diagramm (Abbildung 3.4). Die warme, feuchte Außenluft (Zustand 1) wird vom Ventilator angesogen und durchströmt den Filter und anschließend den Sorptionsrotor. In diesem findet nun ein Sorptionprozess statt, d.h. Wasser geht von der Gas- in die Flüssigphase über und lagert sich an das Sorbens, hier LiCl, an. Bei diesen Prozessen wird Wärme frei. Dadurch erwärmt sich die Luft während des Durchströmens des Rotors (Zustand 2). Bevor die Luft nun den Räumen zugeführt wird, muss sie auf eine niedrigere Temperatur gekühlt werden. Dies geschieht erst im Wärmerückgewinner mittels der aus dem Gebäude strömenden Abluft (Zustand 3) und schliesslich mit Kaltwasser im Nachkühler (Zustand 4).

Die Abluft tritt in diesem Beispiel mit dem Zustand 5 in das Lüftungsgerät ein. Zuerst wird sie im gerade erwähnten Wärmerückgewinner auf den Zustand 6 erwärmt. Anschliessend muss sie im Regenerationslufterhitzer nochmals erwärmt werden (Zustand 7), damit ihre Temperatur hoch genug ist, so dass der Wasserdampfpartialdruck an der Sorbensoberfläche höher ist als der in der Kernströmung. Der Sorptionsvorgang kehrt sich um und somit wird der Rotor regeneriert (Zustand 8).

Im Winter ist es dagegen nicht notwendig die Luft zu entfeuchten und zu kühlen. Vielmehr ist es sinnvoll, die Wärme und Feuchtigkeit der Abluft nicht nach Außen strömen zu lassen, sondern möglichst viel davon auf die eintretende Außenluft zu übertragen, um Energieverluste durch den Luftaustausch zu minimieren. Um dies zu realisieren wird der SECO mit einer höheren Drehzahl betrieben. Dies bewirkt, dass sich die vormals unabhängigen Zustandsänderungen von eins nach zwei und von sieben nach acht bei höheren Drehzahlen wie eine Mischung von Luftströmen im Zustand eins und sieben verhalten. Damit ist gemeint, dass sich Austrittstemperaturen und -feuchten der Ströme durch den indirekten Wärme- und Stofftransport über den Umweg des SECO ergeben, die denen ähnlich sind, die bei einer direkten Mischung enstehen würden. Allerdings hat dies den mit dem Vorteil, dass sich die Ströme real zum Großteil nicht mischen und dadurch beispielsweise unerwünschte Geruchsstoffe aus der Abluft weiter nach außen transportiert werden und nicht wieder wie bei einer Umluftanlage in die Räume zurückgelangen. Man spricht in diesem Fall nicht mehr von einem Sorptionsrad, sondern von einem Enthalpierad.