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Kurztitel: SPEE
Förderkennzeichen: 03ET1361A
Status: Laufend
Laufzeit: 01/2016 bis 12/2017
Themen: Modellierung & Simulation, Heizen, Lüften, Kühlen, Gebäudebetrieb & Gebäudeautomation
Standort: Helmholtzstraße 10, 01069 Dresden
Innovation: Mit einer Kombination von numerischen Simulationen und messtechnischen Untersuchungen wird der Einfluss unterschiedlicher Sensorpositionen im Raum auf Energiebedarf, thermische Behaglichkeit und Luftqualität bestimmt.
Schlagworte:

Quintessenz

  • Sensorposition im Raum beeinflusst Energiebedarf von geregelten RLT-Anlagen sowie die thermische Behaglichkeit und Luftqualität.
  • Der Einfluss wird über eine Kombination von numerischen Simulationen und messtechnischen Untersuchungen bestimmt.
  • Stationäre und instationäre Situationen können für unterschiedliche Räume untersucht und bewertet werden.
  • Dies erlaubt allgemeingültige Handlungsempfehlungen für verschiedene Anlagentopologien, Raumgeometrien und Raumsituationen.

Welchen Einfluss hat die Anordnung von Sensoren auf den Energiebedarf von Heizungs- und raumlufttechnischen Anlagen? Und wie lässt sich dieser Einfluss unter verschiedenen Nutzungsbedingungen quantifizieren? In diesem Forschungsprojekt sollen diese Fragen auf Basis gekoppelter Anlagen- und Strömungssimulationen und in Verbindung mit Experimenten in einer Klimakammer geklärt werden.

Projektkontext

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 rein praktischen Überlegungen oder basierend auf Erfahrungswerten. Verlässliche und genaue 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. Mit diesem Forschungsprojekt sollte untersucht werden, wie sich – mit Blick auf typische Raumsituationen – unterschiedliche Sensorpositionen auf den Energiebedarf, die thermische Behaglichkeit und auf die Luftqualität auswirken.

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

© ILK Dresden gGmbH

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

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

© ILK Dresden gGmbH

Sensorarray zur Temperaturmessung in der Klimakammer des ILK Dresden gGmbH

© ILK Dresden gGmbH

Geschwindigkeitsbestimmung mittels Particle Image Velocimetry (PIV) in der Klimakammer

© ILK Dresden gGmbH

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

© TU Dresden

Forschungsfokus

Die Untersuchung erfolgt mit einer Kombination von Experimenten in einer Klimakammer am Forschungsinstitut ILK Dresden und gekoppelten Simulationen von Gebäude, Anlagen und Raumluftströmungen an der TU Dresden. Für die Klimakammer als Referenzraum und für weitere typische Bürosituationen wird der Einfluss der Sensorpositionierung auf den Energiebedarf der heiz- und raumlufttechnischen Anlagen untersucht. Die Simulationsmodelle werden hierbei mit experimentellen Daten kalibriert. So ist es möglich, den Einfluss der Sensorposition auf die Raumklimabedingungen und den Energiebedarf zu bestimmen. Denn per Simulation werden identische Situationen in Büroräumen verglichen, die sich allein durch die Position des Sensors unterscheiden. Mit der Anwendung einer gekoppelten Simulation ist die Informationskette „Sensor – Anlage – Raumumfassungskonstruktion – Raumluftströmung“ geschlossen. Auch Personen werden modellhaft in der Analyse berücksichtigt.

Gemessene Temperaturen (unten) und berechnete Temperaturen (oben) bei einem Abklingversuch mit freier Konvektion

© ILK Dresden und TU Dresden

Vergleich der Energiesparmöglichkeiten verschiedener Lüftungs-, Heiz- und Kühlkonzepte durch Variation der Sensorposition für eine 24h-Periode und ein 2-Personenbüro

© TU Dresden

Büroraum mit acht Personen, verschiedenen Lüftungssystemen und untersuchten Sensorpositionen

© TU Dresden

Erfolge

Mit den messtechnischen Untersuchungen in Kombination mit den numerischen Simulationen wurden wichtige Fakten zum Einfluss der Positionierung von Temperatursensoren für stationäre und moderat instationäre Situationen zusammengestragen und erste Empfehlungen zur möglichst optimalen Platzierung der Sensoren erarbeitet.

Ein wichtiger Zwischenschritt war die Validierung der numerischen Simulation anhand von Messungen in der Klimakammer. Dies ist für die weiteren Untersuchungen notwendig, weil nur ausgewählte Fälle in Messung und Simulation gleichermaßen nachgebildet werden. Die überwiegend auf Basis numerischer Simulation durchgeführten Untersuchungen des Verhaltens verschiedener anlagentechnischer, bauphysikalischer und geometrischer Variationen von Büroräumen aus energetischer Sicht und aus Sicht der thermischen Behaglichkeit ermöglichten darüber hinaus einen umfassenden Systemvergleich und die Ausarbeitung weiterer, allgemeingültiger Handlungsempfehlungen.

Die ersten Ergebnisse zeigen, dass die Sensorpositionierung unter bestimmten Bedingungen ein großes Potenzial für Energieeinsparungen bereithält. Im nächsten Schritt werden stark instationäre Situationen untersucht, beispielsweise ausgelöst durch intermittierende Nutzung, Änderungen der Nutzeranforderungen oder Wechsel der Lastsituation infolge variabler Wärmegewinne- und Verluste.

Unterschiede des Tagesenergiebedarfs für drei ausgewählte Untersuchungskonfigurationen in Abhängigkeit unterschiedlicher Sensorpositionen unter Wahrung der thermischen Behaglichkeit

© TU Dresden

Oberflächentemperaturen für einen ausgewählten Heizfall des Mehrpersonenbüros

© TU Dresden

Anwendung

Mit den Empfehlungen zur Sensorpositionierung soll es Planern und Installateuren erleichtert werden, die für den Energiebedarf optimale Position der Sensoren im Raum bei Sicherung der thermischen Behaglichkeit zu wählen. Außerdem werden Konsequenzen und Kompensationsmöglichkeiten aufgezeigt, falls eine optimale Sensorpositionierung nicht möglich ist.

Informationen hierzu im weiteren Projektverlauf.

Letzte Aktualisierung: 11. April 2017

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