PCMexpress: Planungs- und Simulationsprogramm für den Einsatz von Phasenwechselmaterialien (PCM)
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- Ralf Schwarz
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1 PCMexpress: Planungs- und Simulationsprogramm für den Einsatz von Phasenwechselmaterialien (PCM) Dipl.-Math. Bernhard Gatzka Dr.-Ing. Gerhard Valentin Dr. Valentin EnergieSoftware GmbH Stralauer Platz 34, Berlin Tel.: 49(0) , Fax: Internet: Entstehungsgeschichte PCMexpress ist entstanden aus dem Forschungsvorhaben Entwicklung eines benutzerfreundlichen Planung- und Simulationsprogramms, welches wir in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für solare Energietechnik (ISE) in Freiburg durchgeführt haben. Dieses Vorhaben war eingebettet in das Verbundprojekt Aktive PCM-Speichersysteme für Gebäude PCM-Aktiv des Verbundvorhabens LowEx. Wir danken dem BMWi, das uns die Ausführung der Arbeiten ermöglichte und unter den FKZ S und F-K förderte sowie dem Projektträger Jülich für die Begleitung. Zielsetzung PCMexpress ist ein Planungs- und Simulationsprogramms für Gebäude mit Phasenwechselmaterialien (PCM). Dieses soll Architekten und Planer bei der Planung unterstützen, indem es diesen eine gesicherte Entscheidungsfindung für die Dimensionierung des Systems ermöglicht und somit die Markteinführung von PCM beschleunigt. Hierzu muss es auf benutzfreundliche Art und Weise und mit vertretbarem Aufwand den Anwendern ermöglichen, das PCM-System zu definieren. Dieses umfasst den Einsatz von PCM bei den Wandaufbauten genauso wie Veränderungen an der zugehörigen Haustechnik. Hierbei soll insbesondere der Low-Exergie-Ansatz in Form von aktivierten Bauteilen (Flächenheizung, Kühlflächen) und energiesparenden Kühltechniken unterstützt werden. Der Einsatz von PCM lässt sich je nach Gegebenheiten durch erhöhten Komfort (Privathäuser mit Wellness-Ansprüchen) oder durch eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung (Bürogebäude) begründen.
2 Beide Strategien werden vom Programm durch eine entsprechende Nutzerführung, vordefinierten Nutzungsprofilen sowie mit angepassten Ergebnispräsentationen unterstützt. Einsatz von PCM Durch den Einsatz von PCM kann die Überhitzung eines Raumes für einen Tag abgemildert oder verhindert werden. Um das dann geschmolzene PCM wieder einsatzbereit zu machen, muss es spätestens bis zum nächsten Morgen regeneriert, d.h. unter die Erstarrungstemperatur gekühlt werden. Wenn dies gelingt, hat man eine Verschiebung der Kühllast von den hohen Tagestemperaturen in die Nachtzeiten erreicht. Die Bereitstellung der Kühllast kann so auch zeitlich in die Länge gezogen werden. Die Kälteerzeuger können somit in ihrer Spitzenleistung kleiner ausgelegt werden. Es können dann aber auch natürliche Kühlsysteme wie Erdkollektoren/ -sonden oder Rückkühlwerke eingesetzt werden. Für die Regenerierung des PCM stehen verschiedene Möglichkeiten zur Auswahl. Manuelle Fensterlüftung durch die Nutzer, automatisierte Sommernachtlüftung im Falle einer vorhandenen Lüftungsanlage oder Kühlung der PCM-Schichten durch in die Schichten eingebrachte mit Kühlwasser versorgte Matten (Flächenaktivierung). Leistungsumfang des Simulationsprogramms Um die Vorzüge der PCM erkennen zu können, benötigt man ein Modell, welches die oben genannten Effekte abbildet. Besondere Anforderungen ergeben sich hieraus an die Berechnung der PCM-Schichten, der Flächenaktivierungen und der Regelung der Kühlsysteme. Hierzu verfügt PCMexpress über einen Rechenkern, der die Wechselwirkung zwischen Anlagentechnik und Gebäude dynamisch in Minutenschrittweite simuliert. Der Rechenkern basiert auf folgendem Komponentenmodell: PCM-System 1..n Raumverbund Heiztechnik Kältetechnik Raumlufttechnik Meteodaten inkl. Strahlungsprozessor 1..3 Raum
3 Meteorologische Daten: Dem Programm stehen ausgewählte Meteodatensätze für ganz Europa zur Verfügung. Diese beinhalten Temperaturen und Einstrahlung in stündlicher Auflösung. Für die Umrechnung auf die Wände und Dachflächen ist ein Strahlungsprozessor integriert. Kältetechnik: Kälte wird über Kühlflächen, gekühlte Zuluft oder dezentrale Splitgeräte eingebracht. Für die zentrale Kälteversorgung kann zwischen Kompressionskälte, Erdsonden, Erdkollektoren sowie trockenen oder nassen Rückkühlwerken unterschieden werden. Bei der Simulation wird die Wechselwirkung zwischen Raumzustand und den aktuellen Betriebsbedingungen der Kälteversorgung berücksichtigt. Für alle Versorger kann eine maximal verfügbare Kälteleistung vorgegeben werden. Erdsonden und -kollektoren benutzen parametrierbare Jahresverteilungen für die Erdreichtemperaturen. Für die Rückkühlwerke werden die aktuellen meteorologischen Randbedingungen ausgewertet. Für jeden Zeitschritt wird die verfügbare Vorlauftemperatur zur Versorgung der Kühlflächen bestimmt. Raumlufttechnik: Im Falle einer maschinellen Lüftung, wird für jeden Raum ein Luftwechsel über ein Profil definiert. Die summierten Luftwechsel definieren den Luftwechsel für das RLT- Gerät. Dieses kann bestehen aus einem vorgeschalteten Erdwärmetauscher, einer Wärmerückgewinnung, einem Heiz- und einem Kühlregister. Die Anlagenteile sind einzeln wähl- und parametrierbar. Die Zuluft wird gemäß den Vorgaben zu den Solltemperaturen im Heiz- und Kühlfall geregelt und die benötigten Energiemengen bilanziert. Entfeuchtung wird nicht gerechnet. Raum- und außentemperaturabhängig kann eine dem Profil übergeordnete Sommernachtlüftung aktiviert werden. Heizung: Geheizt werden kann mit Heizkörpern, Zuluft und Flächenheizungen. Die Heizperiode, der Heizsollwert und die maximale Heizleistung sind einstellbar. Die Versorgungstemperatur der Flächenheizungen werden über eine Heizkurve ermittelt. Raumverbund: Für die Komfortbetrachtung reicht es aus, einzelne kritische Räume des Gebäudes zu betrachten und für diese die Temperaturverhältnisse mit und ohne Einsatz von PCM darzustellen.
4 Für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung müssen alle mit PCM ausgestatteten Räumlichkeiten erfasst werden. Hierzu können mehrere Raumverbünde definiert werden. Um die mehrfache Eingabe baugleicher Verbünde zu vermeiden, können diese mit Wichtungsfaktoren versehen werden. Bis zu drei Räume können zu einem Verbund zusammengefasst werden. Zwischen diesen Räumen findet ein Wärmeaustausch über die Wände statt. Hauptergebnis ist neben der Bewertung, ob die Räume ausreichend gekühlt wurden, die für die Wirtschaftlichkeitsrechnung benötigten Jahresenergieverbräuche für Heizen und Kühlen. Wandaufbauten: Die Wände werden in ihrem Aufbau aus einzelnen Schichten frei definiert. Einzelne Schichten können thermisch zum Heizen und/oder Kühlen aktiviert werden, indem sog. Flächenaktivierungen in den Aufbau übernommen werden. Sie werden dann automatisch an das Heiz- und/oder Kühlsystem angeschlossen. Fenster: Jeder Wand kann eine bestimmte Fensterfläche zugewiesen werden. Der Fenstertyp kann gewählt werden. Es kann eine außenliegende einstrahlungsabhängige Verschattung mit einem für jede Wand einstellbaren Verschattungsfaktor vorgegeben werden. Knotenmodell: Zur Berechnung der Raumverbünde werden sämtliche Schichten der Wandaufbauten eines Raumverbundes, die Raumluft und das Mobiliar als kapazitäts- und temperaturbehaftete Knoten in einem Knoten-Kanten-Modell abgebildet. Die Kanten stehen für die Energieflüsse (Wärmeübergang) zwischen den Knoten. Energiequellen und Senken wie z.b. die Einstrahlung durch die Fenster und auf die Außenwand, Heiz- und Kühlflächen, Luftwechsel, innere Wärmelasten und Außenwände wirken über externe Kanten auf die entsprechenden Knoten ein. Über diese externen Kanten werden zu- und abgeführt Energien erfasst und die Gesamtenergiebilanz überwacht. Phasenwechselmaterialien: Für die PCM-Schichten werden temperaturabhängige Kennlinien für die Kapazität verwendet, wie sie für PCM-Stoffe mit dem RAL-Gütezeichen vorliegen. Es wird je eine Kennlinie für Aufheizen und Abkühlen vorgegeben. Es wird die Aufheizkurve zur Simulation verwendet, d.h. die Unterkühlung der PCM wird nicht berücksichtigt.
5 Profile: Für die Räume können die inneren Lasten und die Luftwechsel vorgegeben werden. Hierzu werden stündliche Nutzerprofile für Büronutzung oder Wohngebäude mitgeliefert. Wirtschaftlichkeitsberechnung: Die Algorithmen der Wirtschaftlichkeitsberechnung basieren auf den Vorgaben der VDI Die Wirtschaftlichkeitsberechnung ist vergleichend. Ziel der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist, die Mehrkosten bei den Investitionen eines PCM- Systems gegenüber dem konventionellen System durch geringere Betriebs- und verbrauchsgebundene Kosten zu rechtfertigen. Die Investitionskosten werden vom Anwender vorgegeben. Betriebskosten lassen sich über einen prozentualen Ansatz aus den Investitionen ermitteln. Die Preissteigerungsraten für Energien, Kosten und Investitionen sowie der Kapitalzins werden vom Anwender vorgegeben.. Die verbrauchsbezogenen Kosten werden über die Heiz- und Kühlenergie der Jahressimulation ermittelt. Bei den Investitionen müssen die Unterschiede bei der technischen Ausstattung vom Nutzer eingegeben werden. Dies betrifft Unterschiede in den Wandaufbauten, den Flächenaktivierungen und der Haustechnik insgesamt. Mit diesen Vorgaben werden für die Investitionen des PCM-Systems der Kapitalwert, die Eigenkapitalrendite und ggf. die Amortisationszeit berechnet. Bedienoberfläche: Das Programm PCMexpress dient als Marketinginstrument und zeigt die Auswirkungen auf den Komfort oder die Wirtschaftlichkeit bei der Verwendung von PCM auf. Es soll die Entscheidung für den Einsatz von PCM begründen. Als Marketing-Tool verfügt das Programm über eine benutzerfreundliche intuitive Oberfläche. Das Programm führt den Nutzer für den Planungsvorgang durch die einzelnen Arbeitsschritte in Form eines Assistenten: Die Willkommensseite gibt einen Überblick über alle Seiten des Assistenten. Die Startseite dient der Projektverwaltung. Auf der Seite Simulationsdaten wird das Betrachtungsziel Komfort oder Wirtschaftlichkeitsberechnung abgefragt. Die Nutzerführung und die Ergebnispräsentation hängen von dieser Entscheidung ab.
6 Bei der Haustechnikseite können sämtliche Parameter für das PCM-System und das konventionelle System unterschiedlich belegt werden. Typisch wäre der Ersatz von Kompressionskälte durch Rückkühlwerke, das Weglassen von Kühlregistern in RLT-Anlagen, der Einsatz von Erdwärmetauschern, Sommernachtkühlung. Die Angaben zur Lüftung, Heiz- und Kältetechnik werden jeweils auf einer eigenen Karte abgefragt. Für die Parametrierung der Raumverbünde werden diese in einer Baumdarstellung visualisiert. Der Baum zeigt die Räume mit einem Symbol, welches die Lage der Räume zueinander beschreibt, und darunter die Wandaufbauten für Boden, Wände und Decke. Der Eingabebereich passt sich den selektierten Baumknoten an. Bei den Räumen werden die Raumgeometrie sowie die inneren Gewinne und der Luftwechsel abgefragt. Bei den Wänden wählt man einen Wandaufbau und definiert die Fenster. Für das PCM-System können die Wandaufbauten eigenständig definiert werden, d.h. die Wandaufbauten können sich in Baustoffen und Flächenaktivierung unterscheiden. Die nächste Seite dient der Simulation. Nach dem Start werden Zwischenergebnisse eingeblendet, die eine Bewertung der Raumtemperaturen ermöglicht. Ein Abbruch ist jederzeit möglich. Für die schnelle Variation von Wandaufbauten werden Mechanismen zum Suchen und Ersetzen der PCM- Materialien angeboten, z.b. eine Verstärkung des PCM-Putzes in allen Räumen. Sofern Wirtschaftlichkeit als Betrachtungsziel ausgewählt wurde, folgt die Seite Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mit deren Ergebnissen. Die Eingabe der benötigten Parameter erfolgt in einem separaten Dialog. Auf der Seite der Ergebnispräsentation werden die Projektberichte und aussagekräftige Grafiken immer als Vergleich der beiden Systeme -angeboten: o Raumtemperaturen über der Außentemperatur aufgetragen o Häufigkeitsverteilung der Raumtemperaturen o Tagesverläufe mit größten PCM-Effekten o Heiz- und Kühlenergien o plakative Bewertungen zur Wirtschaftlichkeitsberechnung. o Bericht zur Kundenpräsentation mit zentralen Eingaben und Ergebnissen sowie ein Bericht zur sachlichen Dokumentation aller Vorgaben und Ergebnisse. Die letzte Seite dient der Pflege der editierbaren Datenbanken zu Konstruktionen und Baustoffen, Fenstern sowie vordefinierter Nutzungsarten und deren Profile. Für die Seiten sind am Ende des Beitrags Screenshots angefügt.
7 Validierung Die Validierung des Programms wurde zusammen mit dem Fraunhofer Institut für solare Energietechnik (ISE) durchgeführt. Dieses führte zusammen mit den Projektpartnern an ausgewählten Projekten Messungen durch. Die Ergebnisse von PCMexpress wurden an den Messergebnissen und Simulationsergebnissen, die mit anderen Gebäudesimulationsprogrammen ermittelt wurden, validiert. Programmdownload PCMexpress steht ab voraussichtlich April 2008 als kostenfreie Einführungsversion zum Download auf unseren Webseiten unter Standardsoftware zur Verfügung: Screenshots der einzelnen Seiten: Willkomen-Seite
8 Startseite Seite mit allgemeinen Angaben zur Simulation
9 Haustechnik-Seite: Registerkarte Lüftung Haustechnik-Seite: Registerkarte Heiztechnik
10 Haustechnik-Seite: Registerkarte Kältetechnik Seite zu den Raumparametern
11 Seite mit Darstellung der Zwischenergebnisse während der Simulation Seite zur Ergebnisauswahl
12 Seite zur Wirtschaftlichkeitsberechnung Seite zur Bibliothekspflege
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