Masterarbeit Tobias Gülker

 

Modellierung und Implementierung von Feuchterückgewinnungssystemen in ein Planungstool zur energetischen und wirtschaftlichen Bewertung raumlufttechnischer Anlagen

heatmap Urheberrecht: EBC Primärenergetischer Vergleich eines membranbasierten Enthalpieübertragers und eines Plattenwärmeübertragers in einer RLT-Anlage in Abhängigkeit von der Außenluft

Ziel des deutschen Klimaschutzplans ist der ressourcenschonende Energieeinsatz für Gebäude und entsprechende Technologien zu fördern. 60 % des Energiebedarfs von Nichtwohngebäuden wird für die Konditionierung der Raumtemperatur und -feuchte benötigt. Die Konditionierung auf thermische Behaglichkeit wird häufig mit Hilfe von raumlufttechnischen (RLT-) Anlagen realisiert. Der Energiebedarf von RLT-Anlagen kann durch die Nutzung von Enthalpierückgewinnungssystemen gesenkt werden. Enthalpierückgewinnungssysteme übertragen Wärme und Feuchte zwischen Abluft- und Zuluftstrom und reduzieren dadurch die Energiebereitstellung. Im industriellen Maßstab werden membranbasierte Enthalpieübertrager und Rotationsenthalpieübertrager eingesetzt.

Die Abschätzung des resultierenden Energiebedarfs einer RLT-Anlage über den jahreszeitlichen Verlauf ist bei der Auslegung einer RLT-Anlage während der Planungsphase vorteilhaft. Ein Planungstool erleichtert die umfangreichen Berechnungen der Komponenten. Im dem am Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik entwickelten Planungstools bleiben Enthalpieübertrager bislang unberücksichtigt. Daher werden diese modelliert und in das Planungstool integriert. Die Modellierung erfolgt nach einer Methode über einen konstanten Wirkungsgrad, der Effectiveness-NTU-Methode und anhand von Kennfelddaten. Die Implementierung ist auf Vollklimaanlagen limitiert, da andernfalls eine nicht beabsichtigte iterative Berechnung notwendig ist.

Mit Hilfe des Planungstools wird anschließend eine Parameterstudie durchgeführt, die den Einsatz von membranbasierten Enthalpieübertragern und von Rotationsenthalpieübertragern mit Wärmeübertragern vergleicht. In der Parameterstudie werden die internen Wärmelasten, die Außenlufttemperatur und der Feuchtebereich bei gleichbleibenden Bedingungen thermischer Behaglichkeit variiert. Zusätzlich werden jahreszeitliche Klimadaten der Städte Aachen, Chicago und Bangkok betrachtet.

In der untersuchten Parameterstudie erweist sich der Einsatz eines Enthalpieübertragers besonders in kalten und trockenen als auch in heißen und feuchten Außenluftzuständen als vorteilhaft. In Bangkok resultierten daraus die größten primärenergetischen und wirtschaftlichen Einsparungen. Enthalpieübertrager sind den konkurrierenden Plattenwärmeübertragern insbesondere dann überlegen, wenn entfeuchtet und Kälte zurückgewonnen wird.

Die Parameterstudie zeigt, dass alle modellierten Methoden Trends erwartungsgemäß abbilden. Allerdings vereinfacht die Methode des konstanten Wirkungsgrades Transportprozesse stark. Die Ergebnisse der NTU-Methode weichen bis zu 10 % von der Kennfeld-Methode ab. Die NTU-Methode hat allerdings im Vergleich eine 40-fach bis 60-fach kürzere Rechenzeit. Dadurch entsteht ein Zielkonflikt zwischen Genauigkeit und Laufzeit.

Im Hinblick auf anknüpfende Arbeiten bleiben bislang negative interne Lasten unberücksichtigt. Zudem kann die Regelungslogik der Enthalpieübertrager und die Einschalttemperatur des Vorerhitzers in Kombination mit einem Enthalpieübertrager optimiert werden. Darüber hinaus sollte der Gültigkeitsbereich der NTU-Methode vergrößert werden. Zusätzlich könnte die Implementierung auf nicht Vollklimaanlagen ausgeweitet werden.