Innovative Lüftungstechnik in Schulen

Transkript

1 Innovative Lüftungstechnik in Schulen Hybride Lüftung Symposium am Fraunhofer-Institut für Bauphysik am 17. Mai 2010

2 Automatisierte Fensterlüftung Fassadengestaltung und Regelungskonzept Simone Steiger und Runa T. Hellwig Symposium Innovative Lüftungstechnik für Schulen Hybride Lüftung Auf Wissen bauen Inhalt Freilandversuchseinrichtung Grundlegende Fensterlüftungsversuche im Winter Automatisierung der Fensterlüftung Regelung der Raumparameter Besuche von realen Schülern im Testgebäude

3 Freilandversuchseinrichtung Schulhaus Messeinrichtungen und Dummies

4 Untersuchte Anordnungen der Öffnungen in der Fassade Schwingflügel 2 Reihen Kippfenster 1 Reihe Kippfenster Variation Öffnung von 7 bis 90% (4 46 cm Kettenlänge) Öffnungsweite 50% oder 100% Winterversuche Wichtigste Zielgrößen: Luftqualität und thermische Behaglichkeit gekennzeichnet durch Luftwechsel Raumlufttemperatur Zugluftrate neben dem Fenster

5 Luftwechsel bei Schwingflügeln Luftwechsel bei Kippflügeln

6 Zugluftrate bei Schwingflügeln Zugluftrate bei Kippflügeln

7 Raumlufttemperatur bei Schwingflügeln Raumlufttemperatur bei Kippflügeln

8 Winterversuche Potentielle Einflussgrößen auf die Zielgrößen Variante: Öffnungsweite und/oder Kombination von Kippflügeln Außentemperatur Windgeschwindigkeit Windrichtung Statistisches Verfahren zur Messdatenauswertung (Entscheidungsbaumverfahren) Schwingflügel Einfluss auf Luftwechsel

9 2 Reihen Kippflügel Einfluss auf Luftwechsel 1 Reihe Kippflügel Einfluss auf Luftwechsel

10 Wichtigste Einflussgrößen auf freie Lüftung Schwingflügel Zielgröße Variante Einflussgröße T T a WG WR Luftwechsel 1 2 Raumlufttemperatur 1 2 Zugluftrate 1 2 (2) gut geeignet zur automatisierten Fensterlüftung Wichtigste Einflussgrößen auf freie Lüftung 2 Reihen Kippflügel Zielgröße Variante T Einflussgröße T a WG WR Luftwechsel 1 2 besser geeignet zur automatisierten Fensterlüftung Raumlufttemperatur Zugluftrate 1 Reihe Kippfenster Zielgröße Variante T Einflussgröße T a WG WR Luftwechsel 2 1 Raumlufttemperatur 2 1 Zugluftrate 1 2

11 Regelungsversuche Herausforderungen bei der Automatisierung der Fensterlüftung: Variable Lasten im Raum Zwei Regelgrößen (Raumtemperatur, Luftqualität) Störgrößen (Außentemperatur, Windgeschwindigkeit, Windrichtung) Variable Eigenschaften der Raumluftströmung: Zuluftmengen Zulufttemperatur Heizung mit mathematischen Modellen schwer zu beschreiben Fuzzy - Control Vorteile Fuzzy-Control: empirische Methodik effektive Nachbildung menschlichen Verhaltens relativ aufwandsarm tendenziell robust Positive Ergebnisse in der Literatur: Regelung Raumtemperatur bei freier Lüftung Marjanovic and Eftekhari: Design and Simulation of a Fuzzy Controller for Naturally Ventilated Buildings. Building Services Engineering, Vol. 25, Nr. 1 (2004), S Regelung CO 2 -Konzentration bei freier Lüftung Dounis et al.: Indoor Air-Quality Control by a Fuzzy-Reasoning Machine in Naturally Ventilated Buildings. Applied Energy, Vol. 54, Nr. 1 (1996), S

12 Fuzzy - Control Marjanovic and Eftekhari: Design and simulatin of a fuzzy controller for naturally ventilatet buildings. Building Serv. Eng. Res. Technol. 25, 1 (2004), S Beispiel Fuzzifizierung ok noch akzeptabel zu hoch ppm CO 2 zu kalt ok zu warm C

13 Beispiel Regeln Außentemperatur Innentemperatur Kohlendioxid Lüftung Kalt Kalt Kalt Kalt Leicht kalt Leicht kalt Leicht kalt Kalt Kalt OK und Warm OK und Warm Kalt Kalt Kalt OK und Akzept. Warm OK und Akzept Hoch OK Akzept. Hoch Schließen Minimal Minimal Wenig Schließen Minimal Wenig Leicht warm Leicht warm Leicht warm Leicht warm Warm Warm OK Akzept. Hoch Wenig Viel Maximal Maximal Maximal Regelungsversuche mit Dummies - Schwingflügel

14 Regelungsversuche mit Dummies - Schwingflügel Heizung: PI-Regler

15 Regelungsversuche mit Dummies - Schwingflügel Heizung: PI-Regler

16 Regelungsversuche mit Dummies - Schwingflügel Mindestlüftung nur nach Ta ohne CO2- Regelung Regelungsversuche mit Dummies - Schwingflügel Mindestlüftung nur nach Ta Heizung: Fuzzy-Regler

17 Regelungsversuche mit Dummies - Kippflügel Regelungsversuche mit Dummies - Kippflügel Heizung: PI-Regler

18 Regelungsversuche mit Personen Regelungsversuche mit Personen

19 Regelungsversuche mit Personen

20 Regelungsversuche mit Personen Regelungsversuche mit Personen

21 Schülerbesuche Unterricht im Testgebäude mit Schülern der Kollegstufe des Gymnasiums Tegernsee am und

22 Bewertungen Schulbesuch Sommer Bewertungen Schulbesuch Winter

23 Zusammenfassung Automatisch unterstützte Fensterlüftung ist geeignet, die Innenraumluftqualität beträchtlich zu verbessern und gleichzeitig thermisch behagliche Verhältnisse bereitzustellen Eine geeignete Wahl und Anordnung der Lüftungsöffnungen in der Fassade ist erforderlich. Schwingflügel sind am besten geeignet Es ist ausreichend jedes zweite Element zu automatisieren. Die Heizungsregelung kann aber muss nicht in den Regelalgorithmus integriert werden. Wichtiger ist die Position des Temperaturfühlers. Fuzzy control ist ein geeigneter Regelalgorithmus.