ENTHALPIE-SENSORIK ZUR STEIGERUNG DER ENERGIEEFFIZIENZ IN GEBÄUDEN THILO SAUTER DONAU-UNIVERSITÄT KREMS ZENTRUM FÜR INTEGRIERTE SENSORSYSTEME

ENTHALPIE-SENSORIK ZUR STEIGERUNG DER ENERGIEEFFIZIENZ IN GEBÄUDEN THILO SAUTER DONAU-UNIVERSITÄT KREMS ZENTRUM FÜR INTEGRIERTE SENSORSYSTEME

Inhalt Motivation Überwachung von HLK-Anlagen Projekt e.sense Systemkonzept Kostengünstige Strömungssensoren Auf Leiterplattenbasis Auf Basis von Thermosäulen Optimale Platzierung der Sensoren Ausblick

Energieeffizienz in Gebäuden ~35% des Energieverbrauchs in einem Gebäude werden für Heizung, Lüftung, Klimaanlagen (HLK) verwendet 1-6% Einsparungspotential durch Optimierung von HLK-Systemen Gebäuderichtlinie der EU Regelmäßige oder kontinuierliche Überprüfung der Effizienz der Anlage Anpassung und Optimierung wenn nötig Aber HLK-Anlagen werden üblicherweise eingebaut eingeschaltet und vergessen

Der Kunde zahlt eh

Fehlende Mess-Ausrüstung

e.sense Systemkonzept Enthalpie-Sensorik zur Steigerung der Energieeffizienz in Gebäuden Verteiltes Messsystem Sensoren an strategischen Punkten Zeitsynchrone Datenerfassung Drahtloses Netzwerk zu Gateway oder Datenkonzentrator Verbindung zu Gebäudemanagement Robuste, kostengünstige Sensoren Messung von turbulenten Strömungen Einfache Installation und Wartung

e.sense Projektkonsortium Donau-Universität Krems, Zentrum für integrierte Sensorsysteme Sensorentwurf, Simulation, Charakterisierung Projektkoordination Fachhochschule Burgenland, Pinkafeld Fluiddynamik, Strömungsmodellierung Attophotonics Biosciences GmbH Folientechnologie, Fertigung von Sensoren Reder Domotic GmbH Embedded Systems, Sensornetzwerk

Kalorimetrischer Strömungssensor Einfache Funktionsweise Temperatursensoren symmetrisch um einen Heizer angeordnet Strömung verzerrt Symmetrie des Temperaturfelds Temperaturdifferenz ist ein Maß für die Strömung

Excess Temperature [K] Kalorimetrischer Strömungssensor 8 6 CP mode.1 m/s 1 m/s 1 m/s 1 m/s Flow 4 2-3 -2-1 1 2 3 Distance x [µm]

Typische Charakteristik Beispiel Silizium- Dünnschichtsensor Unterschiedliche Betriebsarten des Heizers möglich In der einfachsten Form sind Geschwindigkeiten bis 1 m/s messbar Sehr schnell (1 ms) Zu teuer und fragil T [K], T / T max 1 1.1 max. excess temperatures 9.73 8.47 7.36 13.5 23.3 8.83 2.64 27.5 8.99 1.76 CP CT modified CT T/ T max.1.1.1 1 1 1 1 Velocity [m/s] 5. 8.6

Idee: Leiterplatte als Sensor Gleiches Sensorprinzip Kostengünstige Herstellung durch Massentechnologie Robuster Aufbau, beliebige Länge Kupfer-Leiterbahnen als Temperatursensoren Vergleichbarer Temperaturkoeffizient zu Platin Kupferleiterbahn auch als Heizer Flexibles PCB (1 µm) als Trägermaterial Kleine Widerstandswerte (wenige Ohm)

Kann das funktionieren? Finite-Elemente-Simulation

Experimentelle Verifikation Eigens konstruierter Windkanal Schaltung als Messbrücke

Messergebnisse Sensor zeigt das erwartete Verhalten Sinnvoller Messbereich nur bis,8 m/s Starker Kühleffekt bei höheren Geschwindigkeiten Messbereich sollte bis 5 m/s gehen

Verbessertes Design Variationen der geometrischen Parameter Unterschiedliche Abstände zwischen Heizer und Temperatursensoren Perforation zwischen Leiterbahnen um Wärmeleitung zu reduzieren Dünnere Kupferschicht (5 µm)

Modifizierte Betriebsart Geregelter Betrieb des Heizers Konstante Temperaturdifferenz zwischen Bereich um den Heizer und Umgebung Heizspannung wird nachgeregelt Größerer Messbereich Ausreichend für HLK-Anwendungen

Thermosäulen als Sensoren Gleicher Aufbau mit Heizer und Temperatursensoren Basierend auf Seebeck-Effekt Temperaturabhängige Kontaktspannung zwischen Metallen Gedruckte Dickschichtstrukturen Seebeck-Koeffizient von Ag/Ni = 23,5 µv/k Ag und Ni leicht verarbeitbar Herstellung mit Siebdruck 1 µm PET Foliensubstrat Strukturbreite 1 µm, Dicke 5 µm Skalierbare Sensorlänge

Simulationsergebnisse Ähnliches Verhalten wie PCB-basierte Sensoren Ähnlich begrenzter Messbereich Geregelte Heizleistung vergrößert Messbereich Konstante Temperaturdifferenz zwischen inneren und äußeren Kontakten

Technologische Machbarkeit Herstellung von Labormustern Charakterisierung eines einzelnen Ag/Ni Thermopaars Grundsätzliche Machbarbeit konnte gezeigt werden

Wohin mit den Sensoren? Strömungen in Lüftungskanälen sind turbulent Analytische Berechnung ist unmöglich Platzierung ist wesentlich, um auf Massenstrom schließen zu können Sensoren sollten an Kanalgröße angepasst werden können Unterschiedliche Länge und Form Integration/Mittelwertbildung über den Kanalquerschnitt Simulations-basierte Charakterisierung von Strömungen in standardisierten Kanalelementen Richtlinien für Sensorplatzierung Positionsabhängige Kalibrationskurven für Sensoren

y/d = ) x/d (y/d = ) x/d (y/d ) x/d (y/d = ) x/d (y/d = ) x/d (y/d = ) x/d (y/d = ) u1.5 b y 1 SKE-EWT.5 y + 1 SKE-EWT-CC b3.5 b b6.5 b3 b9 Strömungssimulationen y + 1 RKE-EWT y + 1 RKE-EWT-CC.25.25.25.25 y + 1 KW-SST -.25 y + 1 KW-SST-CC d1 EXP -.25 (Sudo et al., 21) -.25 d5 d2 d1 -.25 b9 b6 1 1.5 2 b3 -.5.5 1 1.5 2.5.5 u2 b6 d1 -.5.5 1 1.5 2.5.5 u1 b9 d2 -.5.5 1 1.5 2.5 d1 d5 b3 -.5.5 1 1.5 2 y + 1 SKE-EWT.5 y + 1 SKE-EWT-CC.5 d2 d1 b.25.25.25 y + 1 RKE-EWT.25 y + 1 RKE-EWT-CC u1 u2 u2 u1.5.5 -.5 -.5 1 1.5 2.5.5 1 1.5 1.5 2.5.5 1 1.5 1.5 2 d2 -.25 -.25 -.25.5.5 Strömungen sind turbulent aber stationär.25 -.25 -.25 Simulationsmodelle bilden Realität gut ab b W/W d5 a.25.5.5.25 b3 W/W d1 a -.5.5 1 1.5 2.25 -.5.5 1 1.5 2.5.25 -.5.5 1 1.5 2 b6 W/W a y + 1 KW-SST y + 1 KW-SST-CC EXP (Sudo -.25 et al., 21) y + 1 SKE-EWT y + 1 SKE-EWT-CC -.5 y + 1 RKE-EWT.5 1 1.5 2.5.25 -.25 b9 W/W a y + 1 RKE-EWT-CC y + 1 KW-SST y + 1 KW-SST-CC EXP (Sudo et al., 21)

PIV Experimente Laboratory Hall Inside Laser Cabin Fan Mass flow rate Seeding Source Compressed Air Mass flow rate seeding air flow Control valve scale-down models Seeding Injection Honeycomb

Ausblick Optimierung von (H)LK-Systemen Verteilte Datenerfassung Sensoren in den Lüftungskanälen Robust, leicht zu installieren und warten Kostengünstige Sensoren Kalorimetrisches Prinzip Basierend auf Leiterplattentechnologie Thermosäulen realisiert mit Siebdruck Aktuelle und zukünftige Arbeiten Weiterentwicklung der Sensoren Modellierung der Strömungskanäle, Parameterstudien Experimente in realen HLK-Anlagen

Thilo Sauter Zentrum für integrierte Sensorsysteme Donau-Universität Krems Thilo.sauter@donau-uni.ac.at