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

Diplomarbeit von Tobias Brunner

Einleitung:

Thermisch aktive Decken können als Sonderfall der bekannten Flächenheiz- und -kühlsysteme wie Fußbodenheizung und Kühldecke verstanden werden. Hauptkomponente sind wie dort in Decken, Böden oder Wänden eingebaute, wasserführende Rohrregister. Der Unterschied besteht jedoch darin, daß die Rohre nicht dicht unter der Oberfläche verlegt werden, sondern zwischen oberer und unterer Bewehrung in der Betonschicht. Dadurch wird die speichernde Masse des Gebäudes relativ gleichmäßig temperiert. Durch diese Speicherwirkung ist es möglich, tages- und jahreszeitlich auftretende Lastspitzen sowohl im Kühl- als auch zunehmend im Heizbetrieb zu dämpfen und einen Teil der anfallenden Lasten in der Gebäudemasse zu speichern. Die Einsatzmöglichkeit für den Heizbetrieb hängt aufgrund der niedrigen möglichen Wärmeabgabe der Bauteile eng mit der Wärmedämmung des Gebäudes zusammen, hier sind jedoch in Zukunft weitere Verbesserungen zu erwarten.

Die zwischengespeicherte Energie kann in Zeiten außerhalb der Betriebszeit unter Ausnutzung der energetisch günstigen Nachttemperaturen abgeführt werden.

Durch diese Dämpfung und Vergleichmäßigung der Lasten können gebäudetechnische Anlagen kleiner und energetisch günstiger ausgelegt werden.

Die Thermisch aktive Decke ist ein System zur Temperierung von Gebäuden mit relativ niedrigen Heiz- und Kühllasten und relativ konstanten inneren Lasten. Plötzliche Schwankungen von inneren und äußeren Klimaeinflüssen können nur sehr langsam ausgeglichen werden.

Das Problem der schwankenden äußerlichen Einflüsse läßt sich durch bauliche Maßnahmen weitgehend beheben. Hierzu zählen insbesondere ein guter Wärmeschutz sowie ein flexibler und schneller außenliegender Sonnenschutz.

Ob sich ein Gebäude für den Einsatz eines thermisch aktiven Bauteilsystems eignet, ist bereits im Vorfeld der Planung mit allen Beteiligten zu klären.

Es ist mit thermisch aktiven Bauteilen nicht möglich, einen definierten Raumzustand exakt einzuhalten, wohl jedoch eine gewisse Bandbreite, die im Normalfall den Anforderungen der meisten Benutzer über einen weiten Zeitraum des Jahres genügt. Auch bei höheren Anforderungen muß nicht auf den Einsatz der Bauteile verzichtet werden, da sich dann eine Grundlast durch das Bauteilsystem und die Spitzenlast durch ein zusätzliches, schnelles System abdek-ken läßt.

Durch die niedrigen Heiz- bzw. hohen Kühlmedientemperaturen eignen sich thermisch aktive Bauteilsysteme besonders für den Einsatz von Umweltenergie wie thermische Solarenergienutzung, Erdwärmespeicher, Grundwassernutzung, Wärmepumpentechnik, etc., aber auch für die Nutzung von Prozeßwärme.

Problemstellung:

Anhand eines von Prof. Dr.-Ing. Gerd HAUSER (Uni Kassel) vorgestellten Raummodells sollen verschiedene Regelungsstrategien für thermisch aktive Decken ("Betonkernaktivie-rung") im Hinblick auf eine optimale Nutzung von Umweltenergiequellen untersucht werden.

Hierzu ist zunächst eine umfangreiche Einarbeitung in das Programmpaket TRNSYS nötig. Anschließend ist das verwendete Gebäude-, Nutzungs- und Anlagenmodell im Simulationsprogramm TRNSYS abzubilden.

Anschließend soll das abgebildete Modell anhand der von HAUSER mit dem Simulationsprogramm HAUSER berechneten Ergebnisse validiert werden. Zu berücksichtigen ist hierbei, daß es aufgrund von verschiedenen Randbedingungen und Rechenalgorithmen der Programme voraussichtlich nicht zu einer exakten Übereinstimmung der Ergebnisse kommen wird. Ein Vergleich der beiden Simulationsprogramme ist nicht Thema der Arbeit.

Langzeitbewertung thermischer Behaglichkeit (vgl. DIN EN ISO 7730) In der DIN EN ISO 7730 werden Bereiche für die empfehlenswerten Werte von PMV und PPD angegeben. Sollen diese Bereiche nun über einen langen Zeitraum exakt eingehalten werden, so führt dies zu einem unangemessen hohen anlagentechnischem Aufwand mit entsprechend hohem Energieverbrauch. Es ist also ein Toleranzband zu definieren, um das die optimalen Werte für die thermische Behaglichkeit überschritten werden dürfen. Hierbei ist sowohl die Überschreitungsweite als auch die Überschreitungshäufigkeit zu berücksichtigen. Die Bewertung der einzelnen Regelungsstrategien wurde u.a. anhand dieser Behaglichkeitswerte vorgenommen.

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