Heizkörperbewertung Therm X2 mittels Simulation

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1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Thermodynamik und Technische Gebäudeausrüstung Heizkörperbewertung Therm X2 mittels Simulation Abschlussbericht Projektleiter : Bearbeiter: Auftraggeber: Prof. Dr.-Ing. habil. W. Richter Dipl.-Ing. C. Degenhardt Dr.-Ing. R. Gritzki Dr.-Ing. A. Perschk Dr.-Ing. M. Rösler Dr.-Ing. J. Seifert KERMI GmbH, Plattling Dresden, 11. Oktober 2006

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3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einführende Bemerkungen und Aufgabenstellung 1 2 Modellparameter, Randbedingungen und programmtechnische Realisierung Grundsätzliche Herangehensweise Modellparameter und Randbedingungen Erstellung der Modelle von Heizkörper und Raum Modellierung von PI- und P-Regler TRNSYS ParallelNS Stationäre Berechnung ohne innere Lasten 9 4 Nachbildung eines Wiederaufheizvorganges Randbedingungen und Herangehensweise Auswertung der Berechnungen Modellerweiterungen für einen größeren Heizkörper Berechnungen mit veränderter Lüftung Dynamische Untersuchung eines Tagesganges 22 6 Stationäre Untersuchung mit inneren Lasten 23 7 Zusammenfassung 27 Literatur 28 I

4 1 Einführende Bemerkungen und Aufgabenstellung Die Bewertung von Heizkörpern mittels Simulation beruht auf der Nachbildung aller den tatsächlichen Prozess beschreibenden Phänomene mit angemessener Genauigkeit. Hier besteht ein Unterschied zu Experimenten, wo die Phänomene immer real und vollständig ablaufen und nur durch die Messmethode bestimmt wird, welcher Anteil der Realität mit welcher Genauigkeit abgebildet wird. Umso wichtiger ist es, die Modellauswahl bei einer Simulation sehr sorgfältig vorzunehmen. Besonders günstig erweist es sich, vergleichende Berechnungen durchzuführen, die sich in zu untersuchenden Eigenschaften unterscheiden, grundsätzlich aber von gleichen Voraussetzungen, Randbedingungen und Modellannahmen ausgehen. Diese Vorgehensweise wurde gewählt, um eine Bewertung des Heizkörpers Therm X2 im Vergleich zu einem Standardheizkörper vorzunehmen. Daraus ergibt sich folgende Aufgabenstellung: Modellierung des Therm X2 und des vergleichbaren Standardheizkörpers in einem Modellraum, Durchführung von stationären und instationären Simulationen und Bewertung hinsichtlich der Strömungs- und Temperaturverläufe im Raum und der integralen energetischen Daten. In diesem Bericht werden die Ergebnisse der stationären und instationären Berechnungen dargestellt, die auf Basis des erarbeiteten Modelles erreicht wurden. Bei der Bewertung der erzielten Ergebnisse sollten die Modellspezifikationen und die gewählten Randbedingungen immer im Blick bleiben. 1

5 2 Modellparameter, Randbedingungen und programmtechnische Realisierung 2 Modellparameter, Randbedingungen und programmtechnische Realisierung 2.1 Grundsätzliche Herangehensweise Die Berechnungen werden als gekoppelte Simulation der Disziplinen thermische Gebäudesimulation, Anlagensimulation und numerische Berechnung der Raumluftströmung durchgeführt. Auf diese Weise wird ein hohes Maße an Realitätsnähe und eine Einbeziehung von Wechselwirkungen der thermischen Phänomene Strahlung, Konvektion und Leitung sowie der beteiligten Anlagentechnik erreicht. Die Simulationen werden entweder unter Annahme stationärer oder instationärer Randbedingungen immer instationär ausgeführt. Damit entscheiden die Randbedingungen wesentlich darüber, ob die Berechnungen zu einem stationären Zustand hin erfolgen (stationäre Berechnung) oder ob der instationäre Verlauf nachgebildet wird (instationäre Berechnung). Die hauptsächlich zum Einsatz kommenden Programme sind TRNSYS, siehe Abschnitt 2.5 und PARALLELNS, siehe Abschnitt 2.6, die über die pubilc domain Software PVM (Parallel Virtual Machine) [1] gekoppelt sind. 2.2 Modellparameter und Randbedingungen - Modellierung des Therm X2 und des vergleichbaren Standardheizkörpers in einem leeren Modellraum mit 4,0m x 5,0m Grundfläche und 2,5m Höhe - Modellierung einer Außenwand (4,0m x 2,5m) mit 18% Fensterflächenanteil - Gestaltung des Fensters mit Fensterlaibung und Fensterbrett sowie Öffnungen, mit denen eine Lüftung über einen Kippflügel nachgebildet werden kann (siehe auch Abschnitt 4.4) 2

6 2.3 Erstellung der Modelle von Heizkörper und Raum - Ausrichtung der Außenwand nach Süden - Randbedingungsspezifikation für einen Raum, der von gleichartigen Räumen umgeben ist - Wärmeschutzniveau entsprechend Niedrigenergiehaus - Nachbildung des Heizkörpertyps 12 mit profilierter Oberfläche, vereinfachtem Konvektionsblech und einheitlicher mittlerer Oberflächentemperatur pro Platte - Modellierung eines Konvektionsbleches bezüglich der hinteren Heizkörperplatte mit Teilnahme an Strahlungsaustausch und Konvektion, aber ohne Wärmeleitungsanbindung an den Heizkörper - Heizkörpergröße: Baulänge 700mm (bzw. 1200mm), Bauhöhe 600mm anhand der Wärmebedarfsberechnung (Außentemperatur 14 C) und nach erfolgter Abstimmung mit dem Auftraggeber (siehe auch Abschnitt 4.3) - Ausführung von stationären und instationären Simulationen, Außentemperatur 5 C (oder Außentemperaturverlauf), mit und ohne Luftwechsel, mit ohne innere Lasten (siehe auch Abschnitte 4.1 und 6) - Ausführung von stationären Simulationen für PI- und P-Regler und instionären Simulationen mit P-Regler (siehe auch Abschnitt 4.1) - Regelung auf 22 C Empfindungstemperatur 2.3 Erstellung der Modelle von Heizkörper und Raum Die geometrischen Modellierungen erfolgten mit dem am Institut für Thermodynamik und TGA entwickelten Programm TN, einem Programm zur grafischen Eingabe von 3

7 2 Modellparameter, Randbedingungen und programmtechnische Realisierung Gebäuden und Anlagen. Der Raum wurde entsprechend der vereinbarten und im vorangegangenen Abschnitt zusammengefassten Bedingungen modelliert und mit einem Heizkörper versehen, siehe Abbildung 2.1. Abb. 2.1: Modellraum mit Heizkörper unter dem Fenster Das Heizkörpermodell besteht aus zwei profilierten Platten und einem Konvektionsblech. Das Konvektionsblech ist der raumabgewandten Heizkörperplatte zugeordnet, besitzt aber keinen Kontakt mit ihr. Um eine günstige Vernetzung zu ermöglichen, ist das Konvektionsblech leicht zur Mitte hin verschoben worden, siehe Abbildungen 2.2 und

8 2.3 Erstellung der Modelle von Heizkörper und Raum Abb. 2.2: Modell des Heizkörpers Therm X2/Standard, Typ 12, Ansicht von der Rückseite aus Abb. 2.3: Modell des Heizkörpers Therm X2/Standard, Typ 12, Ansicht von der Vorderseite aus 5

9 2 Modellparameter, Randbedingungen und programmtechnische Realisierung 2.4 Modellierung von PI- und P-Regler Die Modellierung des PI- Reglers erfolgte anhand der zur Verfügung stehenden Modelle in TRNSYS. Die Parameter wurden zunächst für die Ausführung von stationären Simulationen eingestellt. Für den stationären Fall ergibt sich als einziger Unterschied zwischen dem PI- und dem P-Regler die bleibende Regelabweichung des P-Reglers, wenn man davon ausgeht, dass der P-Regler unter Auslegungsbedingungen kalibriert ist. Diese Annahme wurde für das umgesetzte Modell des P-Reglers unterstellt. Unter den für den stationären Fall verwendeten Randbedingungen von -5 C ergibt sich somit eine bleibende Regelabweichung vom Sollwert von ca. +0.5K, die in den Simulationen verwendet wurde. 2.5 TRNSYS Das Programm TRNSYS R [7] ( A Transient System Simulation Program ) wurde in den siebziger Jahren an der Universität von Wisconsin, Madison (USA) entwickelt. Es besitzt eine offene und modulare Struktur. Die Module des Programms werden TYPE genannt. Kommerziell mit dem Programm vertriebene Module nennt man Standard- TYPEs. Sie beschreiben einzelne Komponenten thermischer Systeme (z.b. Warmwasserspeicher, Wärmeübertrager), Gebäude, mathematische Berechnungsverfahren, Dateneingaben und -ausgaben sowie Regelalgorithmen. Diese Standard-TYPEs wurden in ihrer Entwicklungsphase von verschiedenen Forschungsinstituten getestet und validiert und sind daher zuverlässig einzusetzen. Darüber hinaus gibt es eine große Anzahl von Nicht-Standard-TYPEs, die im Rahmen verschiedenster Arbeiten entstanden sind. Grundlage jedes TYPEs ist dabei die mathematische Beschreibung physikalischer Vorgänge, ein auf Messwerten basierendes Kennlinienmodell oder eine Kombination beider Möglichkeiten. Am Institut für Thermodynamik und Technische Gebäudeausrüstung der TU Dresden kommt gegenwärtig eine umfassend erweiterte Pro- 6

10 2.6 ParallelNS grammversion von TRNSYS R auf Basis der Version 14.2 zum Einsatz. Das derzeit am Institut für Thermodynamik und TGA eingesetzte Programmpaket von TRNSYS R wurde speziell im Rahmen des IEA TASK 22 [2] stark erweitert und umfassend validiert. So sind mit dieser Version erheblich kleinere Schrittweiten im Vergleich zum Standard TRNSYS R möglich, was den Anwendungsbereich des Programmes stark vergrößert. Für nähere Informationen sei hier auf die Arbeiten von [5] und [6] verwiesen. 2.6 ParallelNS Der Strömungssimulationscode PARALLELNS ist eine Gemeinschaftsentwicklung des Institutes für Angewandte und Numerische Mathematik der Universität Göttingen, des Institutes für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden und des Institutes für Thermodynamik und TGA der TU Dresden. Als reiner Forschungscode unterliegt es keinerlei Restriktionen oder Lizenzbeschränkungen und ist als vollständiger Quelltext verfügbar. Neben zahlreichen mathematischen Untersuchungen (siehe z.b. [4]) erfolgte eine umfangreiche Optimierung des Programms hinsichtlich seiner Anwendung bei der Simulation und Untersuchung von Raumluftströmungen. Die eingesetzte Diskretisierung ist eine spezielle Finite Elemente Methode (FEM) für konvektionsdominate Probleme. Das bedeutet, das konventionelle Konzept der FEM wurde um Stabilisierungsmechanismen bereichert. Das Berechnungsprogramm bietet zudem die Möglichkeit, mittels nichtüberlappender Gebietszerlegung eine Parallelisierung vorzunehmen. Dieses Konzept wurde neben seiner ursprünglichen Anwendung innerhalb der Strömungssimulation bereits im Rahmen mehrerer Projekte benutzt, um eine Ankopplung der thermischen und aerodynamischen Einflüsse der Gebäude- oder Raumhülle vorzunehmen. Damit werden besonders realitätsnahe Untersuchungen möglich, die auch detailliert Aufschlüsse 7

11 2 Modellparameter, Randbedingungen und programmtechnische Realisierung über energetische Auswirkungen von konvektiven Vorgängen geben können. Die kritische Schnittstelle beim Austausch von Wärmeübergangsdaten zwischen verschiedenen Programmsystemen liegt in der korrekten Wiedergabe der tatsächlich auftretenden Wärme- und Stoffübergangsparameter. Zu diesem Zwecke werden spezielle Grenzschichtberechnungen eingesetzt, um die Strömungs- und Wärmeübergangsvorgänge zwischen Strömung und fester Wand mit sehr guter Genauigkeit zu beschreiben, siehe z.b. [3] 8

12 3 Stationäre Berechnung ohne innere Lasten Folgende Ergebnisse der stationären Simulation ohne innere Lasten und Luftwechsel n =0.0h 1 wurden erzielt 1 : Variante Regler Q k A Q s A Q k B Q s B Q ges Q kal Faktor - [W] [W] [W] [W] [W] [W] [%] Standard PI X2 PI , Standard P X2 P Tabelle 3.1: Ergebnisse der numerischen Berechnungen Die Ergebnisse weisen einen deutlichen Unterschied im Heizwärmebedarf zwischen Standardheizkörper und Therm X2 aus. Bei den dargestellten Daten belaufen sich die Unterschiede auf 9-10%. Andere Berechnungsvarianten zeigten etwas geringere Werte jedoch immer bei ca. 5-10%. Die Vorteile des Therm X2 beruhen zum Großteil darauf, dass der hohe Strahlungsanteil der vorderen Platte raumwirksam wird. In der Tabelle sind die Werte für die vordere Platte mit A und für die hintere (an der Außenwand befindliche) mit B indiziert. Hier ist ein detaillierter Vergleich der einzelnen Werte möglich. Betrachtet man die allgemeine Situation im Raum, ist nur ein geringer Unterschied zwischen den Varianten mit Standardheizkörper oder mit Therm X2 erkennbar, siehe Abbildungen 3.1 und 3.2. Die energetischen Konsequenzen sind aber ausweisbar. Die Darstellungen werden hier für die Berechnungen mit PI-Regler gezeigt, gelten aber analog auch für den P-Regler. 1 Der Index k steht für den konvektiv übertragenen Wärmestrom, wohingegen s den Strahlungswärmestrom repräsentiert. Desweiteren wird der Index A für die raumzugewandte Seite des Heizkörpers verwendet. B stellt in diesem Sinne die Kenngrößen der raumabgewandten Heizfläche dar. 9

13 3 Stationäre Berechnung ohne innere Lasten Abb. 3.1: Geschwindigkeitsvektoren, eingefärbt mit der Lufttemperatur bei der Berechnung mit Standardheizkörper Abb. 3.2: Geschwindigkeitsvektoren, eingefärbt mit der Lufttemperatur bei der Berechnung mit Therm X2 Vergleicht man jedoch das vertikale Lufttemperaturprofil, sind geringe Unterschiede erkennbar, siehe Abbildungen 3.3 und

14 Die Diskussion für die Varianten mit P-Regler fällt analog aus, nur auf etwas höherem Temperaturniveau. Abb. 3.3: Vertikale Profile der Lufttemperatur bei der Berechnung mit Standardheizkörper Abb. 3.4: Vertikale Profile der Lufttemperatur bei der Berechnung mit Therm X2 11

15 4 Nachbildung eines Wiederaufheizvorganges 4 Nachbildung eines Wiederaufheizvorganges 4.1 Randbedingungen und Herangehensweise Im vorangegangen Abschnitt richtete sich der Fokus der Untersuchungen auf die energetische Effizienz der einzelnen Heizkörper. Im folgenden Abschnitt sollen eher die dynamischen Gesichtspunkte in den Vordergrund gestellt werden. Betrachtet man z.b. den Betrieb einer heizungstechnischen Anlage über eine 24h-Periode, so treten neben den Zeiten mit konstantem Anlagenbetrieb auch dynamische Perioden auf. Zu nennen sind hier z.b. Absenk- und Aufheizphasen. Um das dynamische Verhalten des Standardheizkörpers sowie des Therm X2 einschätzen zu können, wurden in Ergänzung zu den Randbedingungen im stationären Fall folgende Spezifikationen vereinbart: - Ausführung von instationären Simulationen bei konstanter Außentemperatur 5 C, Luftwechsel 0.1/h, keine inneren Lasten - Modellierung eines P-Reglers - Regelung auf 22 C Empfindungstemperatur Nach berechneter Einschwingphase startet die gekoppelte Berechnung einschließlich Raumluftströmung. Danach erfolgt eine Sollwertabsenkung über 8h und anschließend die Wiederaufheizung. Für ausgewählte Untersuchungen, die im weiteren Textverlauf speziell gekennzeichnet sind, wurde auf die Kopplung mit der Raumluftströmung verzichtet. 4.2 Auswertung der Berechnungen Die folgenden Abbildungen 4.1 und 4.2 zeigen den Verlauf der Empfindungs- und Lufttemperatur der vollständig gekoppelten Berechnung einschließlich Raumluftströmung. 12

16 4.2 Auswertung der Berechnungen In der linken Hälfte der Abbildungen, bis zur 200. Stunde, ist der korrekt eingeschwungene Zustand aus der Einschwingphase ohne Raumluftströmung dargestellt. Danach schließt sich unmittelbar die gekoppelte Berechnung an. Abb. 4.1: Verlauf der Empfindungstemperatur in einer Wiederaufheizungsphase für Standardheizkörper und Therm X2 am Sensorpunkt in Raummitte, 0.6m über dem Fußboden Die Unterschiede in den dargestellten Kurven sind so gering, dass die Frage aufkommen könnte, ob in den Berechnungen die korrekte Schaltung des Therm X2 beachtet wurde. Um diese Bedenken auszuräumen ist, in den Abbildungen 4.3 und 4.4 die Oberflächentemperatur der Heizkörperplatten dargestellt. Der typische Unterschied der Temperaturen ist in den genannten Abbildungen deutlich erkennbar. Betrachtet man wiederum die Abbildung 4.1 ist zunächst verwunderlich, warum die normgerecht ausgelegten Heizkörper die Aufheizung nicht bewältigen, denn der Sollwert wird nach der Wiederaufheizung weder vom Standardheizkörper noch vom Therm X2 erreicht. Dazu muss man beachten, dass einerseits die Auslegung bei 20 C erfolgte und sich andererseits durch die Fensterlüftung über den Kippflügel ein spezielles Strömungs- und Temperaturfeld einstellt. Die kalte Frischluft (Luftwechsel 0,1/h) kommt 13

17 4 Nachbildung eines Wiederaufheizvorganges Abb. 4.2: Verlauf der Lufttemperatur in einer Wiederaufheizungsphase für Standardheizkörper und Therm X2 am Sensorpunkt in Raummitte, 0.6m über dem Fußboden Abb. 4.3: Verlauf der mittleren Oberflächentemperatur für die vordere, raumzugewandte Heizkörperplatte über das leicht gekippte Fenster (Modellierung über Fensterschlitze) in den Raum. Durch den relativ schmalen Heizkörper erfolgt jedoch keine komplette Vermischung und die kühle Luft sammelt sich im Fußbodenbereich, auch der Bereich des Sensors 14

18 4.2 Auswertung der Berechnungen Abb. 4.4: Verlauf der mittleren Oberflächentemperatur für die hintere, raumabgewandte Heizkörperplatte in 0,6m Höhe ist betroffen, siehe dazu die Abbildungen 4.5 bis 4.8. Abb. 4.5: Vektordarstellung des Strömungsfeldes bei der Wiederaufheizung mittels Standardheizkörper Im oberen Teil des Raumes hingegen sammelt sich die warme Luft. Aus dieser Schicht 15

19 4 Nachbildung eines Wiederaufheizvorganges Abb. 4.6: Vektordarstellung des Strömungsfeldes bei der Wiederaufheizung mittels Therm X2 Abb. 4.7: Lufttemperaturprofile über der Höhe bei der Wiederaufheizung mittels Standardheizkörper entweicht, wie bei einem gekippten Fenster und der gesetzten Außentemperatur notwendig, die Abluft. Die Summe der Effekte bewirkt, dass beide Heizkörper die Aufheizung unzureichend bewältigen. Die typischen Unterschiede zwischen Standardheizkörper und Therm X2 sind in den Abbildungen 4.7 und 4.8 durchaus erkennbar, sie 16

20 4.2 Auswertung der Berechnungen Abb. 4.8: Lufttemperaturprofile über der Höhe bei der Wiederaufheizung mittels Therm X2 wirken sich aber auf den Verlauf der Aufheizung kaum aus. 17

21 4 Nachbildung eines Wiederaufheizvorganges 4.3 Modellerweiterungen für einen größeren Heizkörper Unter Beachtung der Angaben im Beiblatt 1 der DIN EN wurde das Heizkörpermodell im Sinne einer Aufheizreserve vergrößert. Mit Hilfe der Wiederaufheizfaktoren aus Tabelle 10c des oben genannten Beiblattes ergibt sich bei einem Luftwechsel von 0.1/h, einer Wiederaufheizzeit von 1h, einem angenommenen Innentemperaturabfall von 3K und mittelschwerer Bauweise ein Heizkörper der Baulänge Dieser wurde analog dem Heizkörper der Baulänge 700 modelliert und in den vorhandenen Modellraum als Standardheizkörper und Therm X2 eingearbeitet. An der Bauhöhe und der Positionierung unter dem Fenster ist keine Veränderung vorgenommmen worden. Die Abbildungen 4.9 und 4.10 zeigen das Modell des vergrößerten Heizkörpers in der Variante Therm X2 sowie die Positionierung im Raum. Abb. 4.9: Modell des Heizkörpers Therm X2, Typ 12, BL 1200 Die Testrechnungen zeigten, dass der vergrößerte Heizkörper die Aufheizung problem- 18

22 4.4 Berechnungen mit veränderter Lüftung Abb. 4.10: Raummodell mit Heizkörper BL 1200 und Oberflächentemperaturen los bewältigt, wesentliche Unterschiede zwischen dem Standardheizkörper und dem Therm X2 waren jedoch auch hier nicht auszuweisen. Um den Einfluss der Lüftung über das Kippfenster auszuschließen wurden die Berechnungen eingestellt und eine neue Lüftungsmethode eingeführt. 4.4 Berechnungen mit veränderter Lüftung Da die in den vorangegangenen Abschnitten dargelegten Untersuchungen die Frage offenlassen, ob die Lüftung über das Kippfenster die Ergebnisse wesentlich beeinflusst, sind sämtliche Berechnungen zur Wiederaufheizung mit gleichem Luftwechsel aber veränderter Luftführung als vollständig gekoppelte Berechnung wiederholt worden. Statt dem Kippflügel wurde das Fenster mit einem schlitzförmigen Außenluftdurchlass ausgestattet, der zwischen Fenster und Fensterbrett angeordnet ist. Die Abluft entweicht über den Türschlitz. In den Abbildungen 4.11 und 4.12 ist der Verlauf der 19

23 4 Nachbildung eines Wiederaufheizvorganges Empfindungstemperatur für den Heizkörper der Baulänge 700 (Abk. KHK) sowie den Heizkörper der Baulänge 1200 (Abk. GHK) dargestellt. Abb. 4.11: Verlauf der Empfindungstemperatur am Sensorpunkt in einer Wiederaufheizungsphase für Standardheizkörper und Therm X2, BL 700, Lüftung über ALD Zunächst kann festgestellt werden, dass bei dieser Lüftungsart alle Heizkörper die Wiederaufheizung bewältigen. Bei dem Heizkörper der BL 700, der über keine Aufheizreserve verfügt, vergehen allerdings mehrere Stunden bis zum Erreichen des Sollwertes. Beim Heizkörper der BL 1200 wird der Sollwert bereits nach einer Stunde wieder erreicht. Die Untersuchungen bestätigen die Aussagen der vorangegangenen Abschnitte. Es sind keine nennenswerten Unterschiede im dynamischen Verhalten zwischen Standardheizkörper und Therm X2 feststellbar. Diese Aussage gilt jedoch nur unter Beachtung der gewählten Randbedingungen, der Modellierung und des zugrunde gelegten Heizkörpertyps 12. Speziell ist zu beachten, dass mit einer mittleren Temperatur pro Heizkörperplatte gearbeitet wird und das Konvektionsblech keine Wärmeleitungsanbindung an die Heizkörperplatte hat, vgl. dazu Abschnitt

24 4.4 Berechnungen mit veränderter Lüftung Abb. 4.12: Verlauf der Empfindungstemperatur am Sensorpunkt in einer Wiederaufheizungsphase für Standardheizkörper und Therm X2, BL 1200, Lüftung über ALD Weitere Untersuchungen zu Modellparametern und Kenngrößen der Simulation haben gezeigt, dass mit dem eingesetzten Modell keine anderen Resultate zu erzielen sind. Hierfür sind Erweiterungen notwendig, die den Rahmen der vereinbarten Aufgabenstellung sprengen. 21

25 5 Dynamische Untersuchung eines Tagesganges 5 Dynamische Untersuchung eines Tagesganges Die Ergebnisse der dynamischen Untersuchung eines Tagesganges unterscheiden sich nur unwesentlich von der Ergebnissen zur Wiederaufheizung. Deshalb wird an dieser Stelle nur kurz darauf eingegangen. Die Untersuchungen wurden mit Gebäudeund Anlagensimulation durchgeführt. Der Tagesgang beinhaltet eine morgendliche und abendliche Lüftungsphase von 20min und 4,6fachem Luftwechsel sowie eine Phase mit inneren Lasten von 200W für eine Stunde am Nachmittag. Aufgrund der Ergebnisse ist die anvisierte gekoppelte Berechnung eines Tagesganges nicht in Angriff genommen worden. Die Abbildung 5.1 zeigt den Verlauf der Empfindungstemperatur für eine 24h-Periode, von 0-24Uhr. Abb. 5.1: Darstellung der Empfindungstemperatur für einen Tagesgang Wie bereits oben erwähnt sind die bei dieser Untersuchung festgestellten Unterschiede zwischen Therm X2 und Standardheizkörper gering. Obwohl das Überschwingen der Empfindungstemperatur nach den modellierten Lüftungsphasen beim Therm X2 geringer ausfällt, ist beim Erreichen des Sollwertes kein Unterschied zum Standardheizkörper feststellbar. 22

26 6 Stationäre Untersuchung mit inneren Lasten In diesem Abschnitt wird die energetische Effizienz wieder in den Mittelpunkt der Betrachtungen gestellt. In Analogie zu den stationären Untersuchungen eines leeren Raumes ohne innere Lasten ist jetzt der Raum permanent mit einer inneren Last von 120W beaufschlagt. Bevor die vollständig gekoppelten Berechnungen mit Raumluftströmung durchgeführt wurden, ist zunächst eine Gebäude- und Anlagensimulation erfolgt. Hier sollte vorab untersucht werden, ob ein Einsparpotential des Therm X2 gegenüber dem Standardheizkörper erkennbar ist. Da der zeitliche Aufwand für derartige Berechnungen deutlich geringer ist als mit Kopplung zur Raumluftströmung, konnten mehrere Varianten bezüglich der Außentemperatur berechnet werden. - Außentemperaturen ϑ a : 10 C, 5 C, 0 C, 2.5 C - Luftwechsel n =0.0h 1 - Heizkörpertyp 12, Baulänge Innere Lasten 120W, modelliert als gleichmäßig im Raum wirkende Quelle, zu 50% über Konvektion, zu 50% über Strahlung - Untersuchungsmethode: ohne Raumluftströmung Die Ergebnisse bezüglich des Wärmebedarfs werden in Abbildung 6.1 dargestellt. Die prozentuale Einsparung des Therm X2 gegenüber dem Standardheizkörper lässt sich deutlich ausweisen, liegt aber bei dieser Untersuchungsmethode nur bei 1-2%. Mit zunehmender Außentemperatur wird der Vorteil des Therm X2 größer. Für die Außentemperatur von 5 C wurde eine vollständig gekoppelte Berechnung durchgeführt. Das Ergebnis ist ebenfalls in Abbildung 6.1 zu finden. Durch die detaillierte Bewertung unter Einbeziehung der Raumluftströmung ist die ausgewiesene Einsparung des Therm X2 gegenüber dem Standardheizkörper deutlich größer. Eine 23

27 6 Stationäre Untersuchung mit inneren Lasten Abb. 6.1: Prozentuale Einsparung des Therm X2 gegenüber dem Standardheizkörper für verschiedene Außentemperaturen simple Parallelverschiebung der eingetragenen Kurve trifft jedoch nicht die tatsächlichen Verhältnisse. Die Unterschiede zwischen den Berechnungsmethoden basieren im Wesentlichen darauf, dass bei Beachtung der Raumluftströmung ein Temperaturprofil im Raum aufgebaut wird, vom Standardheizkörper stärker als vom Therm X2. Wird jedoch der Anteil der Heizkörperleistung an der Deckung des Gesamtwärmebedarfs geringer, etwa bei steigender Außentemperatur, tritt der oben beschriebene Effekt in den Hintergrund. Tabelle 6 zeigt ausgewählte Daten der vollständig gekoppelten Berechnung für eine Außentemperatur von 5 C 2. Die Abbildungen 6.2 und 6.3 zeigen den Verlauf der Berechnungen anhand der Wärmeströme und der kalorischen Bilanz (WHK). 2 Der Index k steht wiederum für den konvektiv übertragenen Wärmestrom, wohingegen s den Strahlungswärmestrom repräsentiert. Desweiteren wird der Index A für die raumzugewandte Seite des Heizkörpers verwendet. B stellt in diesem Sinne die Kenngrößen der raumabgewandten Heizfläche dar. 24

28 Variante Regler Q k A Q s A Q k B Q s B Q ges Q kal Faktor - [W] [W] [W] [W] [W] [W] [%] Standard P 11,78 29,52 14,47 25,68 81,46 83,45 X2 P 17,98 44,56 5,31 8,97 76,82 78,31-6,12 Tabelle 6.1: Ausgewählte Ergebnisse der numerischen Berechnungen mit Raumluftströmung - Variante mit inneren Lasten von 120W Abb. 6.2: Wärmeströme und kalorische Bilanz beim Standardheizkörper Die angegebenen Ergebnisse lassen sich jedoch nur erzielen, wenn die innere Last zu höchstens 50% über Konvektion und mindestens 50% über Strahlung raumwirksam wird. Berechnungen mit inneren Lasten, die zu 100% konvektiv eingebracht wurden haben gezeigt, dass der energetische Vorteil des Therm X2 in einem solchen Fall nahezu verschwindet. Die Erklärung dafür liefert der auch schon oben angegebene Aufbau eines vertikalen Temperaturprofiles im Raum. Wenn dies bereits durch das Vorhandensein innerer Lasten geschieht, hat der Standardheizkörper, zumindest in der vorliegenden Modellierung, kaum einen energetischen Nachteil gegenüber dem Therm X2. 25

29 6 Stationäre Untersuchung mit inneren Lasten Abb. 6.3: Wärmeströme und kalorische Bilanz beim Therm X2 Weitere, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Untersuchungen mit einem gröberen Heizkörpermodell bestätigen die obigen Aussagen zur hohen Sensitivität der Resultate gegenüber Parameter- oder Modelländerungen, die das Verhältnis der Wärmeabgabe zwischen Konvektion und Strahlung betreffen. 26

30 7 Zusammenfassung Die stationären Berechnungen mit und ohne innere Lasten weisen unter den angenommenen Randbedingungen deutliche energetische Vorteile des Therm X2 gegenüber dem Standardheizkörper aus. Sie liegen in der Größenordnung von 5-10%. Dabei ist die größere Einsparung ohne Vorhandensein innerer Lasten zu verzeichnen. Bei der Untersuchung dynamischer Vorgänge im Tagesverlauf bei denen die volle Leistung des installierten Heizkörpers unter Beachtung der äußeren Bedingungen gefordert wird, konnten mit Hilfe der vorgenommen Untersuchungen keine wesentlichen Vorteile des Therm X2 gegenüber dem Standardheizkörper festgestellt werden. In diesem Fall, etwa einer Wiederaufheizungsphase, ist die im Reglerpunkt feststellbare Wirkung von verstärkter Konvektion (Standardheizkörper) oder verstärkter Strahlungswirkung (Therm X2) äquivalent. Es ist unbedingt anzumerken, dass diese Aussage natürlich nur für den in den Untersuchungen modellierten Heizkörpertyp 12 und die gewählte Modellspezifikation gilt. Bei Vorhandensein eines Konvektionsbleches an der vorderen Platte können sich die Verhältnisse verschieben. Die Ergebnisse der vergleichenden stationären Berechnungen mit inneren Lasten von 120W sind deutlich davon abhängig, in welchem Verhältnis zwischen Konvektion und Strahlung die inneren Lasten eingebracht werden. Je niedriger der Anteil durch Konvektion ist, desto deutlicher treten die energetischen Vorteile des Term X2 zu Tage. Umgekehrt lässt eine Modellierung der inneren Lasten als reine konvektive Quelle die Vorteile des Therm X2 nahezu verschwinden. Die Berechnungen haben ebenfalls gezeigt, dass das erzeugte Modell deutliche Grenzen hat. Die Arbeit mit einer mittleren Temperatur pro Heizkörperplatte sowie die nicht modellierte Anbindung des Konvektionsbleches an die Heizkörperplatte können ein Grund dafür sein, dass die instationären Untersuchungen kaum Vorteile des Therm X2 gegenüber dem Standardheizkörper ausweisen. 27

31 Literatur Literatur [1] Computer Based Learning Unit, University of Leeds: A Beginner s Guide to PVM Parallel Virtual Machine [2] FELSMANN, F.; GRITZKI, R.; LE, H.-T.: Verbundprojekt: Building Energy Analysis Tools, Solarbau, TK2: Deutsche Mitarbeit in der IEA-SHC-Task22-Teilprojekt: Simulationsprogramme für NEH / Institut für Thermodynamik und TGA, TU Dresden Forschungsbericht [3] GRITZKI, R.: Bestimmung der Effektivitaet nutzerbedingter Fensterlüftung mit Hilfe numerischer Simulationsverfahren, TU Dresden, Dissertation, 2001 [4] OTTO, F.-C.: A non-overlapping domain decomposition method for elliptic equations, Mathematisch Naturwissenschaftliche Fakultäten, Georg August-Universität Göttingen, Dissertation, April 1999 [5] PERSCHK, A.: Gebäude-Anlagen-Simulation unter der Berücksichtigung der hygrischen Prozesse in den Gebäudewänden, Fakultät für Maschinenwesen, TU Dresden, Dissertation, 2001 [6] SEIFERT, J.: Zum Einfluss von Luftströmungen auf die thermischen und aerodynamischen Verhältnisse in und an Gebäuden, TU Dresden, Dissertation, 2005 [7] Transsolar Energietechnik GmbH. Stuttgart: TRNSYS - a transient system simulation program Version 14.2, Dokumentation 28