Bachelorarbeit Maximilian Szymula

 

Simulative Untersuchung der Dimensionierung von Rotationsenthalpieübertragern in Bezug auf Effizienz und Wirtschaftlichkeit

rückgewonnene Wärme QERG in Abhängigkeit des Durchmessers DR Urheberrecht: EBC rückgewonnene Wärme QERG in Abhängigkeit des Durchmessers DR

Um den Primärenergiebedarf von raumlufttechnischen (RLT-) Anlagen zu reduzieren, werden Komponenten der Energierückgewinnung eingesetzt. Eine besonders effiziente Möglichkeit thermische Energie der Abluft zur Konditionierung der Außenluft rückzugewinnen, sind Rotationsenthalpieübertrager. Die hohe Effizienz von Rotationsenthalpieübertragern, verglichen mit ihren Alternativen, ist darauf zurückzuführen, dass sie durch sorptive Beschichtung nicht nur thermische Energie transferieren, sondern auch die Luft be- und entfeuchten.

Zur kosten- und zeiteffizienten Untersuchung der betriebsbezogenen energetischen und kostenspezifischen Einsparpotentiale, einer RLT-Anlage mit einem Rotationsenthalpieübertrager, wurden Simulationen eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde, mittels der Modellierungssprache Modelica, ein dynamisches Modell eines Rotationsenthalpieübertragers entwickelt. Innerhalb des Modells werden sämtliche Zustandsgrößen mit Real-Konnektoren übergeben, um Diskontinuitäten der Medienmodelle der Modelica-Bibliothek zu vermeiden. Weitergehend besitzt das Modell eine frei einstellbare Anzahl von axialen und tangentialen Diskretisierungsschritten, damit die Modellgüte und Rechenzeit für die Untersuchung gegeneinander abgewogen werden können. Um die Drehzahl zu modellieren, werden während der Simulation die Randbedingungen der finiten Kontrollvolumina je halber Umdrehung, zwischen Abluft- und Außenluftzustand, umgeschaltet. Anstatt mittels einer if-Bedingung die Randbedingungen umzuschalten, wurde ein Ansatz entwickelt, mit Hilfe dessen im Vergleich 30 % an Rechenzeit eingespart wird.

Für einen der Realität möglichst genau nachempfundenen Betrieb wird das Rad durch eine Drehzahlregelung geregelt. Die Regelung regelt die Temperatur und absolute Feuchte der Zuluft auf Basis eines Sollwertfeldes, sodass die Sollwerte nicht überschritten werden. Dementsprechend wird das Rad gedrosselt, bevor der Rotationsenthalpieübertrager einen negativen Einfluss auf die Zuluft ausübt.

Zur Optimierung der Dimensionierung eines Rotationsenthalpieübertragers wurde eine Parametervariation von Raddurchmesser und -tiefe durchgeführt. Für die simulative Untersuchung der RLT-Anlage über ein Testreferenzjahr wurde für ein kühl-gemäßigtes Klima die Stadt Köln ausgewählt. Entsprechend dem Belegungsprofil wird über das Jahr der Luftmassenstrom zwischen 0,2 bis 0,8 kg/s variiert.

Im Rahmen des Fallbeispiel erweist sich eine Dimensionierung mit einem Durchmesser von 0,8 m und einer Tiefe von 0,25 m als optimal, um Kosten und Primärenergieverbrauch der Anlage zu reduzieren. Durch die Untersuchung hat sich herausgestellt, dass Räder, welche größer als die optimale Dimensionierung sind, günstiger ausfallen müssen, um eine rentable Alternative darzustellen. Als Konsequenz daraus, dass mehr Material eine höhere Investition bedingt, erweisen sich größere Ausführungen gegenüber der optimalen Dimensionierung wirtschaftlich gesehen als ungeeignet.

Abschließend wurde die hohe Effizienz von RLT-Anlagen mit Rotationsenthalpieübertragern, in Bezug auf die Deckung des Bedarfs, nachgewiesen. Durch Verwendung eines Rotationsenthalpieübertragers werden im Fallbeispiel circa 86,5 % des Wärme- und 97,05 % des Wasserbedarfs der RLT-Anlage gedeckt. Daher können insbesondere Heizer und Dampfbefeuchter durch Einsatz des Rotationsenthalpieübertragers leistungsschwächer und damit günstiger angeschafft werden.