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

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1 Berechnung von energetischen Kennwerten für Fassadensystem nach dem Prinzip Fassadenladen Das (THN-ieg) ist am Verbundvorhaben Fassadenladen - Hochtechnologie mit biogenen Werkstoffen Ein universeller Baukasten als Neuinterpretation des Fensterladens beteiligt FABIOW. Dieses Verbundvorhaben FabioW zielt auf die Entwicklung einer neuartigen und marktfähigen Baukomponente, um die Durchlässigkeit von verglasten Gebäudeöffnungen, wechselnden Witterungsbedingungen und Nutzerwünschen anpassen zu können. Der angestrebte Fassadenladen soll mit zusätzlichen Leistungsmerkmalen und unter Verwendung zukunftsweisender thermoplastischer Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen eine innovative Weiterentwicklung des tradierten Fensterladens darstellen. Aufgabe der THN-ieg ist die Mitwirkung bei der Festlegung der Lösungsstrategie, insbesondere unter Berücksichtigung der Optimierung der Kennwerte für den Energieund Lichtdurchgang und für Lüftung. Hierzu gehört auch die Berechnung und Bewertung der energie-, licht- und strömungstechnischen Eigenschaften durch Computersimulation typischer Anwendungsfälle. Diese Arbeit beschränkt ich auf die energetischen Kennwerte (Wärme- und Energiedurchgang), d.h. U-Werte und g-werte und deren Auswirkungen auf den Energiebedarf und das Raumklima. Aufgaben - Grundlagen (Energiedurchgang durch Fassaden, phys. Vorgänge und Kennwerte) - Analyse von Berechnungsverfahren o VDI o Rechenverfahren WINDOW (LBNL) - Aufbau eines Raummodels mit TRNSYS 17 - Anwendung auf Lösungen nach dem Prinzip Fassadenladen o Berechnungsverfahren für U- und g-werte o Beurteilung der Auswirkung der energetischen Kennwerte durch Simulation typischer Fassaden und Raumsituationen mit TRNSYS 17 - Dokumentation Beginn: Betreuer: sofort Prof. Wolfram Stephan, Dipl. Ing. M. Franz 1

2 Berechnung von lichttechnischen Kennwerten für Fassadensystem nach dem Prinzip Fassadenladen Das (THN-ieg) ist am Verbundvorhaben Fassadenladen - Hochtechnologie mit biogenen Werkstoffen Ein universeller Baukasten als Neuinterpretation des Fensterladens beteiligt FABIOW. Dieses Verbundvorhaben FabioW zielt auf die Entwicklung einer neuartigen und marktfähigen Baukomponente, um die Durchlässigkeit von verglasten Gebäudeöffnungen, wechselnden Witterungsbedingungen und Nutzerwünschen anpassen zu können. Der angestrebte Fassadenladen soll mit zusätzlichen Leistungsmerkmalen und unter Verwendung zukunftsweisender thermoplastischer Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen eine innovative Weiterentwicklung des tradierten Fensterladens darstellen. Aufgabe der THN-ieg ist die Mitwirkung bei der Festlegung der Lösungsstrategie, insbesondere unter Berücksichtigung der Optimierung der Kennwerte für den Energieund Lichtdurchgang und für Lüftung. Hierzu gehört auch die Berechnung und Bewertung der energie-, licht- und strömungstechnischen Eigenschaften durch Computersimulation typischer Anwendungsfälle. Diese Arbeit beschränkt ich auf die lichttechnischen Kennwerte (Lichtdurchgang T_L, Tageslichtquotienten, Farbeindruck, visueller Komfort) und deren Auswirkungen auf den Energiebedarf für Kunstlicht. Aufgaben - Grundlagen (Lichtdurchgang durch Fassaden, phys. Vorgänge und Kennwerte) - Analyse von Berechnungsverfahren o VDI o Rechenverfahren WINDOW (LBNL) o RELUX - Anwendung auf Lösungen nach dem Prinzip Fassadenladen o Berechnungsverfahren für Lichtdurchgang und Tageslichtverhältnisse o Beurteilung der Auswirkung der lichttechnischen Kennwerte durch Simulation typischer Fassaden und Raumsituationen mit TRNSYS 17 (oder RELUX) - Dokumentation Beginn: Betreuer: sofort Prof. Wolfram Stephan, Dipl. Ing. M. Franz 2

3 Berechnung von lüftungstechnischen Kennwerten für Fassadensystem nach dem Prinzip Fassadenladen Das (THN-ieg) ist am Verbundvorhaben Fassadenladen - Hochtechnologie mit biogenen Werkstoffen Ein universeller Baukasten als Neuinterpretation des Fensterladens beteiligt FABIOW. Dieses Verbundvorhaben FabioW zielt auf die Entwicklung einer neuartigen und marktfähigen Baukomponente, um die Durchlässigkeit von verglasten Gebäudeöffnungen, wechselnden Witterungsbedingungen und Nutzerwünschen anpassen zu können. Der angestrebte Fassadenladen soll mit zusätzlichen Leistungsmerkmalen und unter Verwendung zukunftsweisender thermoplastischer Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen eine innovative Weiterentwicklung des tradierten Fensterladens darstellen. Aufgabe der THN-ieg ist die Mitwirkung bei der Festlegung der Lösungsstrategie, insbesondere unter Berücksichtigung der Optimierung der Kennwerte für den Energieund Lichtdurchgang und für Lüftung. Hierzu gehört auch die Berechnung und Bewertung der energie-, licht- und strömungstechnischen Eigenschaften durch Computersimulation typischer Anwendungsfälle. Diese Arbeit beschränkt ich auf die lüftungstechnischen Kennwerte (Strömungswiderstände, eff. Öffnungsflächen, natürlicher Luftwechsel in Räumen) und deren Auswirkungen auf den Energiebedarf und das Raumklima. Hierzu soll ein CFD-Modell in ANSYS und ein Raummodell in TRNSYS 17 (einschl. TRNFLOW) erstellt und getestet werden. Aufgaben - Grundlagen (Luftdurchgang durch Fassaden, phys. Vorgänge und Kennwerte) - Analyse von Berechnungsverfahren o TRNFLOW o - Aufbau eines CFD-Modells in ANSYS (Bestimmung von Strömungswiderständen) - Aufbau eines Raummodels mit TRNSYS 17 / TRNFLOW - Anwendung auf Lösungen nach dem Prinzip Fassadenladen o Berechnungsverfahren für Strömungswiderstände und natürlicher Raumlüftung o Beurteilung der Auswirkung der energetischen Kennwerte durch Simulation typischer Fassaden und Raumsituationen mit TRNSYS 17 - Dokumentation Beginn: Betreuer: sofort Prof. Wolfram Stephan, Dipl. Ing. M. Franz 3

4 Messung von CO 2 -Werten in Räumen Die Schadstoffbelastung von Räumen mit Personenbelegung wird über den CO 2 -Wert ausgedrückt. Durch die Zufuhr von Außenluft kann die Stoffbelastung und auch die CO 2 in Grenzen gehalten werden. Max. CO 2 -Werte werden z.b. in der DIN angegeben (ppm CO 2 über Außenluft). Bei der Messung von CO 2 Werten in Aufenthaltsräumen (z.b. in der Stadtbibliothek Nürnberg-Luitpoldhaus) treten immer wieder Phänomene auf, die eine Auswertung erschweren. Insbesondere - CO 2 -Werte in nicht genutzten Räumen unterhalb des Wertes für die Außenluft - Genauigkeit und Drift der Sensoren - Selbstkalibrierung der Sensoren - Ungleichmäßige Verteilung von CO 2 in Räumen Zur Klärung der Ursachen für Phänomene soll neben den Sensoren für CO 2 auch die CO2 Verteilung in Räumen (belegt und nicht belegt, belüftet und nicht belüftet) untersucht werden. Neben den Messwerten aus Monitoringprojekten (mehrjährige Aufzeichnungen der Gebäudeleittechnik) sollen im Klimalabor eigene Messungen durchgeführt werden. Aufgaben: - Marktstudie über CO 2 -Sensoren - Kalibrierung von CO 2 -Sensoren - Messungen mit den CO 2 -Sensoren des Instituts für Energie und Gebäudes - Auswertung der Monitoringdaten (Luitpoldhaus) - Messreihen im Klimalabor - Analyse des Phänomens zu geringer CO 2 -Messwerte in nicht genutzten belüfteten Räumen Beginn: sofort Kesslerplatz 12; Nürnberg Tel.: wolfram.stephan@th-nuernberg.de 4

5 Fassadenbegrünung für Mehrfamilienwohngebäude Technische, Bauphysikalische und wirtschaftliche Untersuchung Hintergrund: Das Umweltreferates Nürnberg und der Vereins Grünclusiv betreibt derzeit ein Pilotprojekt zur Bewirtschaftung von (Regen-)wasser für Vertikalbegrünungen. Dafür soll in Gebieten mit hohem Versiegelungsgrad und einer daraus resultierenden Überlastung des Kanals das Regenwasser aufgefangen und in Vertikalbegrünungen von den Pflanzen 'verdunstet' werden. So könnte das Nützliche mit dem Schönen und Klimaverbessernden verbunden werden - auch in Bereichen, wo keine Bäume gepflanzt werden können. Vertikalbegrünungssysteme funktionieren im Prinzip wie eine hinterlüftete Fassade. Auf eine nichtrostende, thermisch beständige (meistens Aluminium) Unterkonstruktion, die in der tragenden Wand verankert wird, bringen die verschiedenen Hersteller unterschiedliche - meist vorgefertigte - vlieskaschierte, aus Alugitter oder aus Kunststoff geformte und mit Substrat gefüllte Paneele oder Kassetten an. In diesen ist ein Bewässerungssystem integriert. Je nach Exposition und Bedarf werden die Module unterschiedlich bepflanzt. Ziel der Arbeit ist, die Erfahrungen aus einem Pilotprojekt auf die Planung von Fassadenbegrünungssystemen für ein neu zu errichtendes Mehrfamilienhaus zu übertragen. Auf der Basis einer Literaturstudie sollen folgende Themen bearbeitet werden: - Integration in die Fassade - Be- und Entwässerung (Technische Lösungsalternativen, Auslegung) - Nutzung von Regenwasser - Auswirkungen auf die Temperaturen und Feuchteverhältnisse an der Fassade und im Innenraum - Wirtschaftlichkeit - Die Arbeiten werden in enger Abstimmung mit dem Verein GRÜNCLUSIV durchgeführt. Beginn: sofort Betreuer: Prof. Dr. Wolfram Stephan, Dipl.-Ing. Daniela Bock Kesslerplatz 12; Nürnberg Tel.: wolfram.stephan@th-nuernberg.de 5

6 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 Beginn: sofort M.Eng. Julian Buderus 6

7 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 (ieg) bereits Analyse- und Simulationsprogramme zur Verfügung. Diese sind auf der Basis von EES und MATLAB erstellt. Der Einsatz dieser Kennlinien (Polynome) im Simulationsprogramm KälteSIM 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 Integration in KälteSIM Simulation typischer leistungsgeregelter Kälteanlagen Bewertung der Kälteanlagen mit verschiedenen Verdichterbauarten nach VDMA Beginn: Sofort Kesslerplatz 12; Nürnberg Tel.: wolfram.stephan@th-nuernberg.de 7

8 Erweiterung eines Rechenmodells für Kälteanlagen zur Bestimmung von Jahresarbeitszahlen (Jahressimulation) Am sind Rechenprogramme für Kälteanalgen auf der Basis von EES (Engineering Equation Solver) erstellt worden. Diese erlauben die Beurteilung von Kältesystemen für einzelne Betriebspunkte. In aller Regel schwanken die Betriebsbedingungen (Außentemperatur und geforderte Kälteleistung). Daher werden oftmals Jahresmittelwerte der Leistungszahlen (SEER) angegeben. Die Berechnungsprogramme für Kompressionskälteanalgen (KälteSIM) und für Kälteanlagen mit freier Kühlung (FKSIM) sollen auf eine Jahressimulation erweitert werden. Arbeitsinhalte: Literaturrecherche Grundlagen der Kältetechnik Literaturstudie Kennzahlen von Kälteanlagen Lastprofile für Kälteanlagen Erweiterung von KälteSIM und FKSIM Simulation typischer Fälle Bewertung der Ergebnisse Beginn: Sofort Ende: Kesslerplatz 12; Nürnberg Tel.:

9 Gebäudetechnik ready for smart grid Neue Steuerstrategien zur Optimierung beim Einsatz regenerativer Energien im Bereich der Wohngebäude und Privathaushalte Immer mehr intelligente Komponenten stehen für Wohngebäude zur Verfügung und leisten einen wichtigen Beitrag zu einer dezentralen und nachhaltigen Energieversorgung. Für den optimalen Einsatz dieser Komponenten fehlt es derzeit jedoch an einfach einsetzbaren Algorithmen, die sich mühelos in bestehenden Energiemanagement-Systemen implementieren lasse. Im Forschungsprojekt wird untersucht, wie sich in Wohngebäuden und Privathaushalten die regenerative Energieerzeugung unterstützen und der allgemeine Energieverbrauch senken lässt. Dies wird durch die Entwicklung von Modellen zur Lastprognose sowie zur Steuerung von Wärmepumpensystemen mit thermischen Speichern realisiert. Diese Steuerstrategien zur Optimierung von regenerativen Energien sollen in Energiemanagementsysteme implementiert und in realitätsnahen Emulationsprüfständen erprobt werden. Das Projekt basiert auf einer Vielzahl von heute bereits verfügbaren intelligenten Einzelkomponente, diese sind lt. Herstellerangaben bereits ready for smart grid wobei erst ein intelligenter Betrieb auf der Basis von Optimierungs- und Steueralgorithmen die Einzelkomponenten zu einem intelligenten Gesamtsystem verbindet. Ziel ist es, durch die Entwicklung von realitätsnahen Modellen die regenerative Energieerzeugung zu unterstützen und den Energieverbrauch in Wohngebäuden zu senken. Arbeitsinhalte: Marktstudie über Heizsysteme und Analyse von Lastprofilen für Gebäude Im ersten Arbeitsschritt soll der Stand der Technik im Detail erfasst und bewertet werden. Aus einer Marktstudie über Wärmepumpen, thermische Speicher, BHKW Systeme soll eine Klassifizierung der Flexibilität zum intelligenten Lastmanagement erfolgen. Aus Monitoringprojekten und von Anlagen, die mit intelligenten Messeinrichtungen (Smart Meter) ausgestattet sind sowie von Energieversorgern werden Lastprofile für Erzeuger (PV + Wind) und Strom- und Wärmeverbraucher in Wohngebäuden zusammengetragen und analysiert. Erweiterung der Methoden zur Lastprognose unter Berücksichtigung der Wetterbedingungen und Wetterprognosen Modelle zur Simulation und Lastprognose sollen für typische kleine Wohngebäude mit typischen Heizsystemen erstellt und verifiziert werden. Detaillierte Simulationsberechnungen für Gebäude und haustechnische Anlagen werden auf der Basis von TRNSYS 17 durchgeführt. Typische Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes werden berücksichtigt. Beginn: Sofort Tel.: wolfram.stephan@th-nuernberg.de 9