Am Institut für Energie und Gebäude (ieg) ist folgende Arbeit zu vergeben:

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1 Modellierung Kälteanlagen mit MODELICA auf Basis der Programmbibliothek TIL- Suite und der Stoffwertdatenbank CoolProp Wärmepumpen und Kälteanlagen sind zentrale Komponenten von Energieversorgungskonzepten. Mit Hilfe von Simulationsberechnungen können für diese Systeme die optimalen Dimensionierungen der Einzelkomponenten und die optimale Betriebsweise gefunden werden. MODELICA DyMOLA ist eine neue objekt- und gleichungsbasierte Simulationsumgebung. Von der TU-Braunschweig existieren Lösungen für die Modellierung von Kälteanlagen. Diese sind in der Programmbibliothek TIL Suite verfügbar. Von der Univ. Liege gibt es die Stoffwertdatenbank CoolProp. Am Institut für Energie- und Gebäude (ieg) der THN werden seit mehreren Jahren Modelle für Kältemaschinen auf der Basis von EES (Engineering Equation Solver) eingesetzt. Aufgabe der Arbeit ist es, Kälteanlagen auf der Basis von Modelica zu simulieren und zu optimieren. Die Erfahrungen über die Leistungsfähigkeit und Handhabung sollen dokumentiert werden. Ein Vergleich der Ergebnisse mit den vorhandenen EES Modellen ist angestrebt. Aufgaben: Grundlagen: Funktionsweise und Kennzahlen von Kältekreisläufen Funktion von Verdampfern, Verflüssigern, Kompressoren und Expansionsventilen Modellierung von Verdampfern, Verflüssigern, Kompressoren und Expansionsventilen MODELLICA-DYMOLA TIL-SUIT und RefProp Modellierung / Optimierung mit MODELICA: Modell für eine Kältemaschine Wasser/Luft - Schraubenkompressor Parametrierung Variation der Komponenten Optimierung der Komponenten Variation der Randbedingungen (Leistungsbedarf und Wetter) Vergleich mit EES Modellen Bewertung der Ergebnisse Prof. Wolfram Stephan M. Eng. Julian Buderus 1

2 Weiterentwicklung des Gebäudekonzeptes EMEO Quelle Aufgabenstellung: Systembeschreibung ( Erstellen einer Musterplanung Energiegewinnung Speicher Wärmeerzeugung Wärmeverteilung und Übergabe Beurteilung und Optimierung durch Simulation Die Bearbeitung erfolgt in Zusammenarbeit mit der Firma EMEO, Herr Geyer. Prof. Wolfram Stephan Günther Geyer / Str.-Nr.: 230/21607 Rosenstraße 4 / Eckental Telefon: / Telefax: gg@emeo.de / 2

3 Monitoring und Betriebsoptimierung für eine Kälteanlage in einem Rechenzentrum Für den Betrieb von Rechenzentren ist eine energieeffiziente Kälteerzeugung von großer Bedeutung. Dies wird durch den Einsatz von energieeffizienten Komponenten (Verdichter, Verflüssiger, Verdampfer, Kühltürme, ) erreicht. Wichtig ist auch die energetische Flexibilität der Kälteerzeugung, d.h. eine hohe energetische Güte im Teillastbetrieb. Unter diesen Gesichtspunkten ist die Kälteerzeugung eines Rechenzentrums geplant und optimiert worden. Diese Anlage soll im September 2014 installiert und der Probebetrieb im November 2014 abgeschlossen sein. Bei der Planung und Optimierung sind Rechenmodelle für die Kältemaschine und den Freikühlturm erstellt und eingesetzt worden. Die in der Planung und Optimierung ermittelten Leistungs- und Energiedaten sollen durch ein Monitoring überprüft und weitere Optimierungsvorschläge erarbeitet werden. Grundlagen mechanischer Kälteerzeugung, freie Kühlung Dokumentation des Planungskonzepts Berechnungsmodell Kältemaschine und Freikühlturm Überprüfung der Planungs- und Prognosewerte Monitoringkonzept für die Kälteerzeugung im Rechenzentrum Auswertung der Monitoringdaten Vergleich mit den Prognosewerten Optimierungsvorschläge für den Anlagenbetrieb Validierung der Berechnungsmodelle Die Bearbeitung erfolgt in Zusammenarbeit mit den Firmen Combitherm und Güntner. Prof. Wolfram Stephan, M. Eng. Julian Buderus 3

4 Berechnung und Auslegung von Verflüssigern und Verdampfer in Mikrochannel Bauweise In Fahrzeugklimaanlagen werden für luftgekühlte Verflüssiger und Verdampfer bisher häufig berippte Rundrohrwärmetauscher (Cu_Al) eingesetzt. Flachrohr, Mini- und Mikrochannelwärmetauscher sind kostengünstiger, kompakter und leistungsstärker als Rundrohrwärmetauscher. Entscheidend sind die kältemittelseitige Durchströmung, die Verschaltung und die verbesserte luftseitigen Wärmetauscheroberflächengeometrien. Für berippte Rundrohrwärmetauscher liegen Berechnungsmodelle vor, die zur Dimensionierung eingesetzt werden. Eine Berechnung von Mikrochannnel- Wärmetauscher erfordert eine erhebliche Erweiterung dieser Algorithmen. Die bisherigen Berechnungsmodelle sind auf der Basis von EES(Engineering Equation Solver) erstellt worden. Ziel ist die Leistungsberechnung zu erweitern, so dass diese bei unterschiedlichen Strömungskanälen (innere Abmessungen) Verschaltung der Kanalreihen Anordnung und Art der Rippen erfolgen kann. Grundlagen der Kältetechnik, Berechnungsansätze für Verdampfer und Verflüssiger Literaturstudie über Bauformen von Verdampfern und Verflüssigern Dokumentation des Berechnungsansatzes für Rundrohr-Wärmetauscher Erarbeitung eines erweiterten Berechnungsansatzes für Mikrochannelwärmetauscher Variation von: - der Form und Länge der Strömungskanälen (innere Abmessungen) - der Verschaltung der Kanalreihen - der Anordnung und der Art der Rippen Vergleich mit Messwerten (Plausibilitätsprüfung) Dokumentation Die Bearbeitung erfolgt in Zusammenarbeit mit der Firma AURORA, Mudau (Odw.) Prof. Wolfram Stephan, M. Eng. Julian Buderus 4

5 Am Kompetenzzentrum Analytik, Nano- und Materialtechnik (KAM) und am Institut für Energie und Gebäude (ieg) ist folgende Arbeit zu vergeben: Entwicklungstendenzen in der Gebäudetechnik Technische Fortschritte, geänderte gesetzliche Anforderungen und Änderung der Nutzeransprüche haben auch in der Gebäudetechnik zu einer stetigen Veränderung des Marktes geführt. Komponenten und Systemhersteller müssen sich stetig auf diese Veränderungen einstellen und mit neuen Produkten rechtzeitig ihre Marktposition absichern und verbessern. Eine Strategieentwicklung für die Zukunft erfordert eine Analyse der Vergangenheit. Es ist daher notwendig, die Entwicklung der vergangenen 15 Jahre zu analysieren, bevor die zukünftigen Trends analysiert werden. Hinzu kommt, dass sich die Gebäudetechnik auch regional unterschiedlich entwickelt hat. Neben den unterschiedlichen Ländern müssen oftmals auch innerhalb eines Landes Regionen unterschiedlich betrachtet werden. Innerhalb der Gebäudetechnik wird u.a. in Wohn-, Büro- und Industriebau unterschieden. Die Gebäudetechnik umfasst die Gewerke Heizung, Klima, Kälte, Lüftung, Elektro und Sanitär. In einer ersten Abschlussarbeit sollen beispielhaft die Entwicklungstrends in der Vergangenheit erfasst und für die Zukunft prognostiziert werden. Rahmenbedingungen: Gewerk: Heizung (Erzeugung, Verteilung, Übergabe Gebäudeart: Einzel und Mehrfamilienwohnhäuser Region: Zentraleuropa, Schwerpunkt Deutschland Umfang: technische Entwicklungen, Gesetzliche Anforderungen, Nutzeransprüche und gesamtgesellschaftliche Veränderungen. Grundlagen: Marktforschung, Statistiken Definition: Mustermehr- und Mustereinfamilienhaus Klärung des Bearbeitungsumfangs in Zusammenarbeit mit der Herstellerfirma Bewertung (Vergangenheit und Zukunft) der technischen Entwicklungen, Gesetzliche Anforderungen, Nutzeransprüche und gesamtgesellschaftliche Veränderungen übergreifende Entwicklungen Die Bearbeitung erfolgt in Zusammenarbeit mit einem Hersteller von gebäudetechnischen Komponenten. Prof. Wolfram Stephan; KAM Dr. Jens Helbig 5

6 Verdichter in der Kältetechnik - Leistungsregelung und Simulationsgrundlagen In der Kältetechnik kommen heutzutage hauptsächlich elektrisch betriebene Kompressionskältemaschinen zum Einsatz. Hauptkomponente einer solchen Anlage ist der Verdichter, der das gasförmige Kältemittel komprimiert. Zur Kompression des Kältemittels werden verschiedene Verdichtertypen (bspw. Kolben-, Schrauben- oder Scrollverdichter) eingesetzt. Zur Anpassung der Kälteerzeugung an den aktuellen Kältebedarf existieren diverse Leistungsregelungen der Verdichter, die sich hinsichtlich Effizienz und Regelbarkeit unterscheiden. Hersteller geben die Leistung von Verdichtern in der Regel nach DIN 4600 an. Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung einer Übersicht gängiger Verdichtertypen und deren Möglichkeiten zur Leistungsregelung. Anhand von Literaturwerten und Herstellerdaten eine Bewertung hinsichtlich Energieeffizienz (COP) und Regelbarkeit (min./max. Leistung) erfolgen. Desweiteren soll untersucht werden, wie sich verschiedene Leistungsklassen eines Verdichters auf den COP auswirken. Für typische Verdichter sollen Kennlinien (Polynome) bestimmt werden, die den volumetrischen und isentropen Wirkungsgradverlauf beschreiben. Hierzu stehen am Institut für Energie und Gebäude (ieg) bereits Analyse- und Simulationsprogramme zur Verfügung. Diese sind auf der Basis von EES und MATLAB erstellt. Der Einsatz dieser Kennlinien (Polynome) in Simulationsprogrammen soll für typische leistungsgeregelte Kälteanlagen gezeigt werden. Arbeitsinhalte: Literaturrecherche Grundlagen der Kältetechnik, Kompressoren Auswertung von Literatur- bzw. Herstellerdaten Vergleich der Verdichter- und Regelungsarten Vergleich der Leistungsklassen der einzelnen Verdichtertypen Leistungsangaben nach DIN 4600 Kennlinien typischer Kompressoren Simulation typischer leistungsgeregelter Kälteanlagen Prof. Wolfram Stephan, M. Eng. Julian Buderus 6

7 Energetische Optimierung der Betriebsweise von Schachtschmelzöfen In Schachtschmelzöfen wird Aluminium für Druckgussgießereien eingeschmolzen und auch warmgehalten. In der Firma Pressmetall Gunzenhausen (PMG) werden derzeit 5 Schachtschmelzöfen betrieben. Diese Schachtschmelzöfen stellen einen der größten Energieverbraucher des Unternehmens dar. Die Öfen werden max. befüllt und das Aluminium wird auf C erwärmt. Es soll überprüft werden, welche Energieeinsparung durch eine Optimierung des Füllgrades der Öfen erreicht werden kann. Insbesondere wird überlegt, ob es energetisch sinnvoll ist, zu Zeiten wo kein Aufschmelzbetrieb stattfindet, die Öfen nur zum Teil (30%?) zu füllen. Vergleichbare Schmelzbetriebe haben mit dieser Maßnahme bereits Energieeinsparungen erzielt. Grundlagen Gießereitechnik und Energieprozesstechnik, Technologien von Schmelzöfen Energiebilanzen an Schmelzöfen (stationär und instationär) Energetische Kennwerte und Prozesskennwerte für Schmelzöfen Analyse der Ist Prozesse bei PMG Vorschlag für energetisch optimierte Prozesse (Insbesondere Füllgrade der Öfen) Bewertung der optimierten Prozesse Umsetzung der Prozesse (Auswertung der neuen Energie- und Prozesskennwerte) Erarbeitung einer Empfehlung für den optimalen Betrieb der Schmelzöfen Die Bearbeitung findet in Zusammenarbeit mit der Firma Pressmetall Gunzenhausen, Herr Rusam, statt. Prof. Wolfram Stephan, M. Eng. Julian Buderus 7

8 Verbesserung der klimatischen Verhältnisse in einer Halle mit Aluminiumdruckgussmaschinen In Gießereien mit Aluminiumdruckgussmaschinen entsteht an den Maschinen und den Warmhalteöfen Abwärme, die das Raumklima belastet. Die Firma Pressmetall Gunzenhausen möchte die Arbeitsbedingungen für die Mitarbeiter verbessern. Es sollen daher Maßnahmen zur Kühlung der Gießerei erarbeitet und bewertet werden. Dabei sollen sowohl Maßnahmen zur freien Kühlung (z.b. über Außenluft oder den Einsatz von Kühltürmen) als auch der Einsatz von mechanischer Kühlung bewertet werden. Durch die hohen Wärmemengen, die an den Schmelzöfen anfallen, bietet sich auch der Einsatz von Absorptionskälteanlagen an. Zur Bewertung sollen Methoden der Thermischen Gebäudesimulation (TRNSYS17) eingesetzt werden Grundlagen Gießereitechnik und Energieprozesstechnik, Aluminiumdruckgussmaschinen Energieströme und Energiebilanzen an Aluminiumdruckgussmaschinen und in Gießereien (Hallen) Modellierung der Energieströme (TRNSYS17) Kühllastberechnung und Berechnung der Hallentemperaturen Maßnahmen zur Verbesserung des Hallenklimas (Konzeption und Dimensionierung) - Lüftung (Außenluft) - Lüftung + Kühlung durch Kühltürmen (nass und trocken) - Lüftung + Kühlung durch Kompressionskälteanlagen - Lüftung + Kühlung durch Absorptionskälteanlagen - sonstige Maßnahmen Bewertung des Raumkomforts und des Energieeinsatzes Bewertung des baulichen Aufwands Bewertung der Investition- und Betriebskosten Zusammenfassung und Empfehlung Die Bearbeitung findet in Zusammenarbeit mit der Firma Pressmetall Gunzenhausen, Herr Rusam, statt. Prof. Wolfram Stephan, M. Eng. Julian Buderus 8

9 Prozessorientierte Bewertung der Material-und Energieflüsse für einen Aluminiumgießereibetrieb Aluminiumgießereibetriebe haben einen relativ hohen Energiebedarf (Gas + Strom). Die Produktion gliedert sich in die Prozesse Schmelzen, Druckguß und Nachbearbeitung. Erst die Kenntnis der Prozesse und der Einflussparameter erlaubt eine gezielte Optimierung. Auch der Energieverbrauch ist stark durch die Prozessabläufe geprägt. Für die Firma Pressmetall Gunzenhausen soll daher eine Energiestromanalyse angefertigt werden. Dabei soll insbesondere herausgearbeitet werden, welcher Prozessschritt welchen Einfluss hat. Dabei sollen neben den Potentialen durch Verbesserung der technischen Anlagen auch die Verbesserungen durch geänderte Prozessschritte herausgearbeitet werden. In der Firma PMG ist bereits ein umfassendes Energiedatenerfassungssystem installiert. Die Firma ist nach ISO zertifiziert. Diese Messwerte und die vorhandene Prozessanalysen sind die Grundlage für die angestrebte umfassende Energiestromanalyse. Grundlagen Gießereitechnik und Energieprozesstechnik, Aluminiumdruckguss maschinen Grundlagen des Energiemanagements Aufnahme der Prozess- und Energiedaten (vorhandene Daten) Aufnahme neuer Prozess- und Energiedaten Analyse und Bewertung Identifikation der Haupteinflussparameter Technische und organisatorische Potentiale Zusammenfassung und Empfehlung Die Bearbeitung findet in Zusammenarbeit mit der Firma Pressmetall Gunzenhausen, Herr Mooshammer, Herr Rusam, statt. Prof. Wolfram Stephan 9

10 Auswertung von Monitoringdaten für ein saniertes Schulgebäude Betriebsoptimierung und Abgleich der Nutzungsrandbedingungen für Energiebedarfsprognosen nach DIN Das Schulgebäude des Gymnasiums Marktoberdorf wurde in den Jahren saniert. Die Sanierungsarbeiten sind abgeschlossen und Prozessdaten, erfasst über die Gebäudeleittechnik, liegen für den Zeitraum vor. Für das Gebäude sind im Jahre 2010 Energiebedarfsprognosen auf der Basis der DINEN erstellt worden. Diese Energiebedarfswerte und die Raumkomfortbedingungen sollen durch einen Contractor über 15 Jahre garantiert werden. Durch Auswertung der Prozessdaten, d.h. durch ein Monitoring, sollen der Raumkomfort bewertet und die Annahmen über die Nutzungsrandbedingungen (DIN 18599) sollen überprüft werden. Einarbeitung in das Projekt NAERCO Dokumentation des Messkonzepts Festlegung eines Monitoringkonzepts (grafische und statistische Auswertung) Datenanalyse mit MONISOFT und ORIGIN (grafische Darstellung) Datenanalyse mit Hilfe statistischer Methoden Beurteilung der Komfortbedingungen Analyse der tatsächlichen Nutzungsrandbedingungen Abgleich mit den Berechnungen des Energiebedarf nach DIN Prof. Wolfram Stephan 10