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Kurztitel: SPEE
Ausführende Stelle: Technische Universität Dresden - Fakultät Maschinenwesen - Institut für Energietechnik - Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung
Förderinitiative: Energieoptimiertes Bauen (EnOB)
Laufzeit: 01/2016 bis 06/2018
Bewilligte Summe: 406.436 €
Förderkennzeichen: 03ET1361A
Themen: Modellierung & Simulation, Heizen, Lüften, Kühlen, Gebäudebetrieb & Gebäudeautomation
Innovation: Mit einer Kombination von numerischen Simulationen und messtechnischen Untersuchungen wurde der Einfluss unterschiedlicher Sensorpositionen im Raum auf den Energiebedarf heiz-, kühl- und raumlufttechnischer Anlagen bestimmt.
Schlagworte:

Quintessenz

  • Sensorposition im Raum beeinflusst Energiebedarf von geregelten Heiz-, Kühl- und RLT-Anlagen sowie die thermische Behaglichkeit und Raumluftqualität
  • Der Einfluss wird über eine Kombination aus Gebäude-, Anlagen-, Strömungssimulationen und messtechnischen Untersuchungen bestimmt
  • Stationäre und instationäre Situationen wurden für eine Vielzahl von Heiz- und Kühlsystemen in unterschiedlichen Büroräumen untersucht und bewertet
  • Einzelne Tage sowie komplette Heiz- und Kühlperioden berücksichtigt
  • Dies erlaubt allgemeingültige Handlungsempfehlungen für verschiedene Anlagentopologien, Raumgeometrien und Raumsituationen
  • Handlungsempfehlungen betreffen sowohl die Anordnung der Sensoren im Raum als auch die Kompensation regelungstechnisch nicht optimaler Platzierungen

Sensoren sind heutzutage preiswert. Deshalb werden sie in der Mess- und Regelungstechnik sowie in der Gebäudeautomation für immer mehr Zwecke eingesetzt. Die Positionierung der Sensoren erfolgt in den Räumen zumeist aus praktischen Überlegungen (Optik, Kombination mit Anzeige- und Bedienelementen) oder basierend auf Erfahrungswerten. Verlässliche Empfehlungen zur Positionierung der Sensoren fehlen aber bislang. Obwohl schon länger vermutet wird, dass die Platzierung der Sensoren einen deutlichen Einfluss auf Energiebedarf und Raumkomfort hat.

In diesem Forschungsprojekt untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler anhand typischer Raumsituationen, wie sich unterschiedliche Sensorpositionen auf den Energiebedarf, die thermische Behaglichkeit und auf die Raumluftqualität auswirken. Die Untersuchungen erfolgten für eine sehr große Anzahl typischer Heiz- und Kühlsysteme. Dies gilt sowohl für stark instationäre Situationen, wie veränderliche thermische oder solare Lasten, als auch für komplette Heiz- und Kühlperioden.

Forschungsfokus

Die Forschenden führten Experimente in einer Klimakammer am Forschungsinstitut ILK Dresden durch. Außerdem untersuchten sie  gekoppelte Gebäude, Anlagen und Raumluftströmungssimulationen an der TU Dresden. Sowohl für die Klimakammer als Referenzraum als auch für weitere typische Bürosituationen wurde dann der Einfluss von mehr als 20 Sensorvariationen auf den Energiebedarf der jeweiligen zur Raumkonditionierung genutzten Systeme untersucht. Die Simulationsmodelle kalibrierten die Expertinnen und Experten hierbei mit den experimentellen Daten der Klimakammer.

In den Abbildungen 1 und 2 sind hierzu beispielhaft ausgewählte Resultate der Simulationen für ein Mehrpersonenbüro mit Fußbodenheizung dargestellt. Zusätzlich wurden Systemvergleiche hinsichtlich stark instationärer Einflüsse, beispielsweise infolge von nutzerbedingten Lastwechseln, Sollwertänderungen oder solarer Wärmegewinne durchgeführt.

Mit Hilfe der Simulation konnten die Forschenden identische Situationen in Büroräumen vergleichen. Diese unterscheiden sich nur durch unterschiedliche Merkmale der Sensorik und Regelung. Auf diese Weise ist es sehr gut möglich, den Einfluss der Art, der Position der Sensoren sowie der Nutzereinflüsse auf die Raumklimabedingungen und den Energiebedarf umfassend zu bestimmen. Mit der Anwendung des gekoppelten Programmsystems ist die Informationskette „Sensor – Anlage – Raumumfassungskonstruktion – Raumluftströmung“ geschlossen. Bei den Untersuchungen berücksichtigten die Forschenden zusätzlich die thermischen Eigenschaften und das individuelle Nutzerverhalten der beteiligten Personen. Im Ergebnis stehen neben den Energiebedarfswerten auch umfangreiche Kenngrößen bezüglich der thermischen Behaglichkeit und der Luftqualität (z.B. CO2-Konzentration, Luftaustauschwirkungsgrad und lokaler Luftaustauschindex) zur Verfügung.

Sensorposition beeinflusst Energiebedarf und Raumkomfort: Zu sehen ist die Klimakammer des Forschungsinstituts ILK Dresden im 3D-CAD-Modell mit RLT-Anlage

Klimakammer des Forschungsinstituts ILK Dresden im 3D-CAD-Modell mit RLT-Anlage

© ILK Dresden gGmbH
Sensorposition beeinflusst Energiebedarf und Raumkomfort: Die Untersuchung erfolgt mit einer Kombination von Experimenten in einer Klimakammer und gekoppelter Simulation von Gebäude, Anlagen und Raumluftströmungen. Zu sehen ist ein Modell eines simulierten Büroraums mit zwei Personen, verschiedenen Lüftungssystemen und ausgewählten Sensorpositionen

Die Untersuchung erfolgt mit einer Kombination von Experimenten in einer Klimakammer und gekoppelter Simulation von Gebäude, Anlagen und Raumluftströmungen. Im Bild ein Modell eines simulierten Büroraums mit zwei Personen, verschiedenen Lüftungssystemen und ausgewählten Sensorpositionen S1 bis S5.

© TU Dresden
Sensorposition beeinflusst Energiebedarf und Raumkomfort: Zu sehen ist ein Foto der Klimakammer mit RLT-Anlage

Klimakammer der ILK Dresden gGmbH, Foto der Klimakammer mit RLT-Anlage

© ILK Dresden gGmbH
Sensorposition beeinflusst Energiebedarf und Raumkomfort: Zu sehen ist der Sensorarray zur Temperaturmessung in der Klimakammer des ILK Dresden gGmbH

Sensorarray zur Temperaturmessung in der Klimakammer des ILK Dresden gGmbH

© ILK Dresden gGmbH
Sensorposition beeinflusst Energiebedarf und Raumkomfort: Zu sehen ist die Geschwindigkeitsbestimmung mittels Particle Image Velocimetry (PIV) in der Klimakammer

Geschwindigkeitsbestimmung mittels Particle Image Velocimetry (PIV) in der Klimakammer

© ILK Dresden gGmbH
Sensorposition beeinflusst Energiebedarf und Raumkomfort: Zu sehen ist die Nachbildung der Klimakammer mittels gekoppelter Gebäude-, Anlagen und Raumluftströmungssimulation (innere Oberflächentemperaturen)

Nachbildung der Klimakammer mittels gekoppelter Gebäude-, Anlagen und Raumluftströmungssimulation (innere Oberflächentemperaturen)

© TU Dresden

Erfolge

In dem Forschungsvorhaben konnten wichtige Grundlagen und Aussagen sowohl für stationäre, moderat instationäre als auch stark instationäre Situationen erarbeitet werden.

Ein wichtiger Zwischenschritt war hier die Validierung der numerischen Simulation anhand von Messungen in der Klimakammer. Im Zuge dieser Untersuchungen ist es gelungen, eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und den numerischen Daten, sowohl für moderat als auch für stark instationäre Zustände sicherzustellen.

Im Rahmen des Projektes wurden insgesamt 6585 gekoppelte instationäre Gebäude-, Anlagen- und Raumluftströmungssimulationen durchgeführt. Dies beinhaltet Untersuchungen instationärer Effekte und Untersuchungen zu den Typ-Tagvarianten. Unter Berücksichtigung der jeweils simulierten 48h-Echtzeit-Perioden umfassen alle Simulationen etwa 36 Jahre simulierter Echtzeit und bieten damit einen durchaus repräsentativen Einblick in das Gebäudeverhalten.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen letztlich, dass sich die regelungsbedingten Unterschiede der Tagesenergiebedarfswerte auch in den Jahres-Energiebedarfswerten widerspiegeln (s.  Abb. 3 und Abb. 4). Hier sind die Heiz- bzw. Kühlenergiebedarfswerte für unterschiedliche Systeme und Bürotypen zusammengefasst. Es zeigt sich, dass das die Berücksichtigung aller Einflussgrößen, wie der Gebäudehülle, der nutzungsbedingten inneren thermischen Lasten sowie der lokalen Einhaltung der Kenngrößen der thermischen Behaglichkeit zu deutlichen Unterschieden in den Energiebedarfswerten infolge variierender Regelungsstrategien führen.

Für Heizungssysteme mit Heizkörpern liegen die ermittelten Heizwärmebedarfe für die gesamte Heizperiode zwischen 60 % und 190 %, jeweils bezogen auf die Referenzvariante, in der die „mittlere Operative Temperatur in der Aufenthaltszone“ (bezeichnet mit BM) geregelt wird. Bei den luftbasierten Systemen im Kühlfall liegen die Kühlenergiebedarfswerte der Varianten zwischen 95 % und 105 % bei Mischlüftung und zwischen 90 % und 120 % bei Quelllüftung, ebenfalls wieder bezogen auf BM. Bei Einsatz von Kühldecken variiert der Kühlenergiebedarf je nach Art der Regelung zwischen 95 % und 103 % und die Energiebedarfswerte der Betonkernaktivierung zwischen 70 % und 150 %, wieder bezogen auf BM. Im Falle der Flächenheizung schwanken die Energiebedarfswerte der Varianten für die gesamte Heizperiode zwischen 60 % und ca. 180 %, wobei die Unterschiede zwischen den einzelnen Regelungsvariationen hier am deutlichsten ausfallen.

Ursachen der zum Teil erheblichen Unterschiede zwischen den einzelnen Regelungsvarianten sind die sehr hohe Systemträgheit und damit Schwierigkeitsgrade der Regelstrecke sowie die Beachtung von Sollwert-Offsets. Mit diesen soll versucht werden sowohl räumliche als auch zeitliche Mittel- und Grenzwerte der Operativen Temperaturen im Aufenthaltsbereich einzuhalten. Darüber hinaus werden die relativen Abweichungen mit sinkendem Energiebedarf größer, was sich insbesondere auf die Heizsysteme bei schwerer Bauweise auswirkt. Sämtliche Ergebnisse aus Messungen und Simulationen wurden in allgemeingültige Handlungsempfehlungen für den TGA-Planer überführt.

Abb.1a

© TU Dresden

Abb.1a+1b: Oberflächentemperaturen (links) und Vertikalschnitte der operativen Temperatur (rechts) für eine Variante mit Glasfassade um 14 Uhr an einem kalten Wintertag – Fußbodenheizung und Mischlüftung über vier Drallluftdurchlässe in der Decke, Mehrpersonenbüro, Volumen ca. 300 m³

© TU Dresden

Abb.2a

© TU Dresden

Abb.2a und 2b: Zugluftrisiko DR in 0,1 m Höhe (links) und vertikaler Lufttemperaturgradient gemäß DIN EN ISO 7730, ΔϑL,v (rechts) ) für eine Variante mit Glasfassade um 14 Uhr an einem kalten Wintertag – Fußbodenheizung und Mischlüftung über vier Drallluftdurchlässe in der Decke, Mehrpersonenbüro, Volumen ca. 300 m³

© TU Dresden

Anwendung

Mit den Empfehlungen zur Sensorpositionierung beziehungsweise zur Sensornutzung wird es Planern und Installateuren erleichtert, die für den Energiebedarf optimale Position oder Art der Sensoren im Raum bei Sicherung der thermischen Behaglichkeit zu wählen. Außerdem werden Konsequenzen und Kompensationsmöglichkeiten aufgezeigt, falls eine optimale Sensorpositionierung nicht möglich ist. Hier einige Handlungsempfehlungen:

  • Wenn im Raum ein lokal ungleichmäßiges Strömungs- und Temperaturfeld vorliegt, ist die Wahl der Sensorposition von großer Bedeutung.
  • Für den Fall eines eher homogenen Strömungs- und Temperaturfeldes ist die Wahl der Sensorposition von geringer Bedeutung.
  • Nur wenn Sensorposition, Regelung und Anlagenkonzept gut aufeinander abgestimmt sind, beispielsweise durch die Berücksichtigung lokal auftretender Bereiche mit abweichendem Mikroklima, lässt sich die thermische Behaglichkeit mit einem Minimum an Energie sicherstellen.
  • Mit zunehmender Aktivität der Nutzer, also häufigerem Nutzereingriff in die Regelung werden Unterschiede zwischen der aus Sicht der thermischen Behaglichkeit optimalen Regelung nach der Operativen Temperatur im Aufenthaltsbereich (BM) und weiteren Sensorpositionen geringer

Abb.3: Mehrpersonenbüro (ca. 300 m³) mit drei Heizkörpern und Fenster-ALD, Altbau ¬ Energiebedarf in der Heizperiode in Abhängigkeit unterschiedlicher Regelungsvariationen (BM ¬ FR) in %, jeweils bezogen auf Regelung nach mittlerer Operativer Temperatur im Aufenthaltsbereich (BM, erster Balken)

© TU Dresden

Abb.4: Ergebnisse für den Energiebedarf während der Kühlperiode, Nutzung flächenbasierter Systeme (DeckenKühlung und Thermisch Aktive Bauteile) und Regelung nach jeweils unterschiedlichen Sensoren (BM ¬ FV) – Typ-Tagverfahren, ausgewählte Varianten, sowohl für Zwei- als auch für Mehrpersonenbüros mit unterschiedlicher Bauschwere (QL: Quelllüftung, ALD: Außenluftdurchlasselement)

© TU Dresden

Letzte Aktualisierung: 12. März 2021

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