Dissertation
Simulation, Validierung und Optimierung eines innovativen Kühlsystems bestehend aus PCM-Kühldecken und PINC-Anlage
Abstract
Das Integrieren von passiver infrarot Nachtkühlung (PINC) als volatile erneuerbare Energiequelle in wassergeführte Bürokühlsysteme durch Anwendung von deckenintegrierten aktiv regenerierbaren Phasenwechselmaterialien (PCM-Kühldecken) als dezentraler Kältespeicher im Raum zur Lastenverschiebung stellt ein innovatives Low-Ex Kühlsystem dar, das zwei Hauptprobleme aufweist. Diese Probleme sind einerseits die dynamische Wechselwirkung zwischen Erzeugung und Speicherung wegen der volatilen Kältequelle und der schwankenden Kühllasten und andererseits die indirekte Komfortsteuerung durch die nächtliche Regeneration der PCM-Masse im Raum. Die beiden Hürden wurden durch die Entwicklung einer Regenerationsstrategie und der passenden Auslegung der Teilsysteme im Rahmen der vorliegenden Arbeit überwunden. Dafür wurde das untersuchte Kühlsystem in TRNSYS modelliert und anhand der Monitoringdaten eines realistischen Gebäudes (Energy Efficiency Center EEC in Würzburg) validiert. Die Arbeit geht ausführlich auf die Modellierung der wichtigsten Komponenten (PCM-Kühldecken und PINC-Anlage) und deren Validierung ein, und liefert gut bis sehr gute anwendbare Modelle für die Optimierung des innovativen untersuchten Kühlsystems und für die Weiterverwendung in ähnlichen Kühlsystemen.
Die Optimierung des untersuchten innovativen Kühlsystems (PCM-Kühldecken + Wasserkalt-speicher + PINC) wurde in zwei Schritten ausgeführt, um die Komplexität der dynamischen Wechselwirkung zwischen den Systemkomponenten zu reduzieren. Im ersten Schritt wurde die Regenerationsstrategie der PCM-Kühldecken mit idealer Kältequelle (idealer Kältema-schine) untersucht und die beste für die Optimierung des Gesamtkühlsystems in dem zweiten Schritt angesetzt. Der erste Schritt zeigt, dass eine tägliche Regeneration mit festgelegten Stunden nicht notwendig ist. Eine Regeneration nach Durchschmelzung von der angesetzten PCM-Masse im Raum war am effizientesten, weist geringe Abhängigkeit von der Vorlauftem-peratur und eignet sich deswegen für volatile erneuerbare Energiequelle (wie PINC-Anlage). Weiterhin weist diese Strategie bessere Ausnutzung des angesetzten Schmelzpeaks vom PCM. Das untersuchte Kühlsystem erweist sich in dem zweiten Schritt als energieeffizientes System im Vergleich zu konventionellen Kühlsystemen bestehend aus konventionellen Kühl-decken ohne PCM und konventioneller Kältemaschine und könnte einen strategischen Schritt auf dem Weg der Energiewende sein. Es empfiehlt sich in dem Sinn eine wirtschaftliche Analyse für das innovative System noch zu machen, um diese Technologie auf dem Markt einführen zu können. Weiterhin könnte das innovative Kühlsystem in unterschiedlichen Dämmstandards und Wetterlage untersucht werden, da im Rahmen der Arbeit aus einem Referenzklima Würzburg und dem Dämmstandard der validierten Gebäudemodell vom EEC ausgegangen wurde.
Die Arbeit adressiert weiterhin den funktionalen Unterschied zweier Aufbauarten von PCM-Kühldecken anhand Labormessungen, die auch zur Bestimmung der Simulationsmodelle beider Arten verwendet wurden. Die beiden Arten unterscheiden sich voneinander in der Po-sitionierung der PCM-Platte in dem Querschnitt der PCM-Kühldecken. Während die PCM-Platten bei der eine oberhalb des Wasserrohrsystems liegt, ist die Platten bei der andere oberhalb des Rohrsystems. Die Aufbauart mit Platten oberhalb des Rohrsystems wurde für die Optimierung ausgewählt, da sie besseren Komfort mit geringfügiger Erhöhung des Kältebedarfs im Vergleich mit der anderen Aufbauart aufweist. Die ausführliche Beschreibung der beiden Aufbauarten mit den einzelnen Wärmewiderständen ermöglicht eine zukünftige strukturelle Entwicklung für Mischform aus beiden Aufbauarten mit besseren Eigenschaften.
Die Optimierung des untersuchten innovativen Kühlsystems (PCM-Kühldecken + Wasserkalt-speicher + PINC) wurde in zwei Schritten ausgeführt, um die Komplexität der dynamischen Wechselwirkung zwischen den Systemkomponenten zu reduzieren. Im ersten Schritt wurde die Regenerationsstrategie der PCM-Kühldecken mit idealer Kältequelle (idealer Kältema-schine) untersucht und die beste für die Optimierung des Gesamtkühlsystems in dem zweiten Schritt angesetzt. Der erste Schritt zeigt, dass eine tägliche Regeneration mit festgelegten Stunden nicht notwendig ist. Eine Regeneration nach Durchschmelzung von der angesetzten PCM-Masse im Raum war am effizientesten, weist geringe Abhängigkeit von der Vorlauftem-peratur und eignet sich deswegen für volatile erneuerbare Energiequelle (wie PINC-Anlage). Weiterhin weist diese Strategie bessere Ausnutzung des angesetzten Schmelzpeaks vom PCM. Das untersuchte Kühlsystem erweist sich in dem zweiten Schritt als energieeffizientes System im Vergleich zu konventionellen Kühlsystemen bestehend aus konventionellen Kühl-decken ohne PCM und konventioneller Kältemaschine und könnte einen strategischen Schritt auf dem Weg der Energiewende sein. Es empfiehlt sich in dem Sinn eine wirtschaftliche Analyse für das innovative System noch zu machen, um diese Technologie auf dem Markt einführen zu können. Weiterhin könnte das innovative Kühlsystem in unterschiedlichen Dämmstandards und Wetterlage untersucht werden, da im Rahmen der Arbeit aus einem Referenzklima Würzburg und dem Dämmstandard der validierten Gebäudemodell vom EEC ausgegangen wurde.
Die Arbeit adressiert weiterhin den funktionalen Unterschied zweier Aufbauarten von PCM-Kühldecken anhand Labormessungen, die auch zur Bestimmung der Simulationsmodelle beider Arten verwendet wurden. Die beiden Arten unterscheiden sich voneinander in der Po-sitionierung der PCM-Platte in dem Querschnitt der PCM-Kühldecken. Während die PCM-Platten bei der eine oberhalb des Wasserrohrsystems liegt, ist die Platten bei der andere oberhalb des Rohrsystems. Die Aufbauart mit Platten oberhalb des Rohrsystems wurde für die Optimierung ausgewählt, da sie besseren Komfort mit geringfügiger Erhöhung des Kältebedarfs im Vergleich mit der anderen Aufbauart aufweist. Die ausführliche Beschreibung der beiden Aufbauarten mit den einzelnen Wärmewiderständen ermöglicht eine zukünftige strukturelle Entwicklung für Mischform aus beiden Aufbauarten mit besseren Eigenschaften.
The integration of passive infrared night cooling (PINC) as a volatile renewable energy source in water-based office cooling systems through the use of ceiling-integrated, actively regenera-ble phase change materials (PCM cooling ceilings) as decentralized cold storage in the room to shift loads represents an innovative low-ex cooling system, which has two main problems. These problems are on the one hand the dynamic interaction between generation and storage due to the volatile cold source and the fluctuating cooling loads and on the other hand the indirect comfort control through the nightly regeneration of the PCM mass in the room. The two hurdles were overcome by developing a regeneration strategy and the appropriate design of the subsystems within the scope of the present work. For this purpose, the studied cooling system was modeled in TRNSYS and validated using the monitoring data of a real scale buildng (Energy Efficiency Center EEC in Würzburg). The thesis deals in detail with the modeling of the most important components (PCM cooling ceilings and PINC system) and their validation, and provides good to very good applicable models for the optimization of the studied innovative cooling system and for further use in similar cooling systems.
The optimization of the examined innovative cooling system (PCM cooling ceilings + water cold storage + PINC) was carried out in two steps in order to reduce the complexity of the dynamic interaction between the system components. In the first step, the regeneration strat-egy of the PCM cooling ceilings with an ideal cold source (ideal water chiller) was studied and the best for optimizing the innovative cooling system was applied in the second step. The first step shows that a daily regeneration with fixed hours is not necessary. A regeneration after fully melting of the PCM mass in the room was most efficient, has little dependency on the flow temperature and is therefore suitable for volatile renewable energy sources (such as PINC systems). Furthermore, this strategy shows better utilization of the melting peak of the PCM. In the second step, the studied cooling system was more energy-efficient compared to conventional cooling systems consisting of conventional cooling ceilings without PCM and a conventional water chiller and could be a strategic step on the way to the energy transition in Germany. In this sense, it is advisable to carry out an economic analysis for the innovative system in order to be able to introduce this technology on the market. Furthermore, the inno-vative cooling system could be examined in different insulation standards and weather condi-tions, since the work was based on a reference climate of Würzburg and the insulation stand-ard of the validated building model from the EEC.
The work also addresses the functional difference between two types of PCM cooling ceilings based on laboratory measurements that were also used to determine the simulation models of both types. The two types differ from one another in the positioning of the PCM plate in the cross-section of the PCM cooling ceiling. While the PCM plates is above the water pipe system in the first one, the plate is above the pipe system in the second one. The type with plates above the pipe system was chosen for the optimization, as it offers better comfort with a slight increase in the cooling requirement compared to the other type. The detailed description of the two types with the individual thermal resistances enables a future structural development for a mixed form of both types of construction with better properties.
The optimization of the examined innovative cooling system (PCM cooling ceilings + water cold storage + PINC) was carried out in two steps in order to reduce the complexity of the dynamic interaction between the system components. In the first step, the regeneration strat-egy of the PCM cooling ceilings with an ideal cold source (ideal water chiller) was studied and the best for optimizing the innovative cooling system was applied in the second step. The first step shows that a daily regeneration with fixed hours is not necessary. A regeneration after fully melting of the PCM mass in the room was most efficient, has little dependency on the flow temperature and is therefore suitable for volatile renewable energy sources (such as PINC systems). Furthermore, this strategy shows better utilization of the melting peak of the PCM. In the second step, the studied cooling system was more energy-efficient compared to conventional cooling systems consisting of conventional cooling ceilings without PCM and a conventional water chiller and could be a strategic step on the way to the energy transition in Germany. In this sense, it is advisable to carry out an economic analysis for the innovative system in order to be able to introduce this technology on the market. Furthermore, the inno-vative cooling system could be examined in different insulation standards and weather condi-tions, since the work was based on a reference climate of Würzburg and the insulation stand-ard of the validated building model from the EEC.
The work also addresses the functional difference between two types of PCM cooling ceilings based on laboratory measurements that were also used to determine the simulation models of both types. The two types differ from one another in the positioning of the PCM plate in the cross-section of the PCM cooling ceiling. While the PCM plates is above the water pipe system in the first one, the plate is above the pipe system in the second one. The type with plates above the pipe system was chosen for the optimization, as it offers better comfort with a slight increase in the cooling requirement compared to the other type. The detailed description of the two types with the individual thermal resistances enables a future structural development for a mixed form of both types of construction with better properties.
Sponsorship
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung, ZAE Bayern in WürzburgCitation
@phdthesis{doi:10.17170/kobra-202010061892,
author={Yasin, Modar},
title={Simulation, Validierung und Optimierung eines innovativen Kühlsystems bestehend aus PCM-Kühldecken und PINC-Anlage},
school={Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung, Fachgebiet Bauphysik},
year={2020}
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Diese Probleme sind einerseits die dynamische Wechselwirkung zwischen Erzeugung und Speicherung wegen der volatilen Kältequelle und der schwankenden Kühllasten und andererseits die indirekte Komfortsteuerung durch die nächtliche Regeneration der PCM-Masse im Raum. Die beiden Hürden wurden durch die Entwicklung einer Regenerationsstrategie und der passenden Auslegung der Teilsysteme im Rahmen der vorliegenden Arbeit überwunden. Dafür wurde das untersuchte Kühlsystem in TRNSYS modelliert und anhand der Monitoringdaten eines realistischen Gebäudes (Energy Efficiency Center EEC in Würzburg) validiert. Die Arbeit geht ausführlich auf die Modellierung der wichtigsten Komponenten (PCM-Kühldecken und PINC-Anlage) und deren Validierung ein, und liefert gut bis sehr gute anwendbare Modelle für die Optimierung des innovativen untersuchten Kühlsystems und für die Weiterverwendung in ähnlichen Kühlsystemen. Die Optimierung des untersuchten innovativen Kühlsystems (PCM-Kühldecken + Wasserkalt-speicher + PINC) wurde in zwei Schritten ausgeführt, um die Komplexität der dynamischen Wechselwirkung zwischen den Systemkomponenten zu reduzieren. Im ersten Schritt wurde die Regenerationsstrategie der PCM-Kühldecken mit idealer Kältequelle (idealer Kältema-schine) untersucht und die beste für die Optimierung des Gesamtkühlsystems in dem zweiten Schritt angesetzt. Der erste Schritt zeigt, dass eine tägliche Regeneration mit festgelegten Stunden nicht notwendig ist. Eine Regeneration nach Durchschmelzung von der angesetzten PCM-Masse im Raum war am effizientesten, weist geringe Abhängigkeit von der Vorlauftem-peratur und eignet sich deswegen für volatile erneuerbare Energiequelle (wie PINC-Anlage). Weiterhin weist diese Strategie bessere Ausnutzung des angesetzten Schmelzpeaks vom PCM. Das untersuchte Kühlsystem erweist sich in dem zweiten Schritt als energieeffizientes System im Vergleich zu konventionellen Kühlsystemen bestehend aus konventionellen Kühl-decken ohne PCM und konventioneller Kältemaschine und könnte einen strategischen Schritt auf dem Weg der Energiewende sein. Es empfiehlt sich in dem Sinn eine wirtschaftliche Analyse für das innovative System noch zu machen, um diese Technologie auf dem Markt einführen zu können. Weiterhin könnte das innovative Kühlsystem in unterschiedlichen Dämmstandards und Wetterlage untersucht werden, da im Rahmen der Arbeit aus einem Referenzklima Würzburg und dem Dämmstandard der validierten Gebäudemodell vom EEC ausgegangen wurde. Die Arbeit adressiert weiterhin den funktionalen Unterschied zweier Aufbauarten von PCM-Kühldecken anhand Labormessungen, die auch zur Bestimmung der Simulationsmodelle beider Arten verwendet wurden. Die beiden Arten unterscheiden sich voneinander in der Po-sitionierung der PCM-Platte in dem Querschnitt der PCM-Kühldecken. Während die PCM-Platten bei der eine oberhalb des Wasserrohrsystems liegt, ist die Platten bei der andere oberhalb des Rohrsystems. Die Aufbauart mit Platten oberhalb des Rohrsystems wurde für die Optimierung ausgewählt, da sie besseren Komfort mit geringfügiger Erhöhung des Kältebedarfs im Vergleich mit der anderen Aufbauart aufweist. Die ausführliche Beschreibung der beiden Aufbauarten mit den einzelnen Wärmewiderständen ermöglicht eine zukünftige strukturelle Entwicklung für Mischform aus beiden Aufbauarten mit besseren Eigenschaften. The integration of passive infrared night cooling (PINC) as a volatile renewable energy source in water-based office cooling systems through the use of ceiling-integrated, actively regenera-ble phase change materials (PCM cooling ceilings) as decentralized cold storage in the room to shift loads represents an innovative low-ex cooling system, which has two main problems. These problems are on the one hand the dynamic interaction between generation and storage due to the volatile cold source and the fluctuating cooling loads and on the other hand the indirect comfort control through the nightly regeneration of the PCM mass in the room. The two hurdles were overcome by developing a regeneration strategy and the appropriate design of the subsystems within the scope of the present work. For this purpose, the studied cooling system was modeled in TRNSYS and validated using the monitoring data of a real scale buildng (Energy Efficiency Center EEC in Würzburg). The thesis deals in detail with the modeling of the most important components (PCM cooling ceilings and PINC system) and their validation, and provides good to very good applicable models for the optimization of the studied innovative cooling system and for further use in similar cooling systems. The optimization of the examined innovative cooling system (PCM cooling ceilings + water cold storage + PINC) was carried out in two steps in order to reduce the complexity of the dynamic interaction between the system components. In the first step, the regeneration strat-egy of the PCM cooling ceilings with an ideal cold source (ideal water chiller) was studied and the best for optimizing the innovative cooling system was applied in the second step. The first step shows that a daily regeneration with fixed hours is not necessary. A regeneration after fully melting of the PCM mass in the room was most efficient, has little dependency on the flow temperature and is therefore suitable for volatile renewable energy sources (such as PINC systems). Furthermore, this strategy shows better utilization of the melting peak of the PCM. In the second step, the studied cooling system was more energy-efficient compared to conventional cooling systems consisting of conventional cooling ceilings without PCM and a conventional water chiller and could be a strategic step on the way to the energy transition in Germany. In this sense, it is advisable to carry out an economic analysis for the innovative system in order to be able to introduce this technology on the market. Furthermore, the inno-vative cooling system could be examined in different insulation standards and weather condi-tions, since the work was based on a reference climate of Würzburg and the insulation stand-ard of the validated building model from the EEC. The work also addresses the functional difference between two types of PCM cooling ceilings based on laboratory measurements that were also used to determine the simulation models of both types. The two types differ from one another in the positioning of the PCM plate in the cross-section of the PCM cooling ceiling. While the PCM plates is above the water pipe system in the first one, the plate is above the pipe system in the second one. The type with plates above the pipe system was chosen for the optimization, as it offers better comfort with a slight increase in the cooling requirement compared to the other type. The detailed description of the two types with the individual thermal resistances enables a future structural development for a mixed form of both types of construction with better properties. open access Yasin, Modar 2020-09-10 XVII, 202 Seiten Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung, Fachgebiet Bauphysik Maas, Anton (Prof. Dr.) Weinläder, Helmut (Dr.) FKZ: 03ET1245A Phasenübergangswerkstoff Kühldecke Kühlung Nacht Kühlsystem Lastverteilung <Energietechnik> Modellierung Validierung false </resource>
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