Dissertation
Thermoaktive Bauteilsysteme - Ein neuer simulationstechnischer Berechnungsansatz
Abstract
Thermoaktive Bauteilsysteme sind Bauteile, die als Teil der Raumumschließungsflächen über ein integriertes Rohrsystem mit einem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagt werden können und so die Beheizung oder Kühlung des Raumes ermöglichen. Die Konstruktionenvielfalt reicht nach diesem Verständnis von Heiz, bzw. Kühldecken über Geschoßtrenndecken mit kern-integrierten Rohren bis hin zu den Fußbodenheizungen. Die darin enthaltenen extrem trägen Systeme werden bewußt eingesetzt, um Energieangebot und Raumenergiebedarf unter dem Aspekt der rationellen Energieanwendung zeitlich zu entkoppeln, z. B. aktive Bauteilkühlung in der Nacht, passive Raumkühlung über das kühle Bauteil am Tage. Gebäude- und Anlagenkonzepte, die träge reagierende thermoaktive Bauteilsysteme vorsehen, setzen im kompetenten und verantwortungsvollen Planungsprozeß den Einsatz moderner Gebäudesimulationswerkzeuge voraus, um fundierte Aussagen über Behaglichkeit und Energiebedarf treffen zu können. Die thermoaktiven Bauteilsysteme werden innerhalb dieser Werkzeuge durch Berechnungskomponenten repräsentiert, die auf mathematisch-physikalischen Modellen basieren und zur Lösung des bauteilimmanenten mehrdimensionalen instationären Wärmeleitungsproblems dienen. Bisher standen hierfür zwei unterschiedliche prinzipielle Vorgehensweisen zur Lösung zur Verfügung, die der physikalischen Modellbildung entstammen und Grenzen bzgl. abbildbarer Geometrie oder Rechengeschwindigkeit setzen. Die vorliegende Arbeit dokumentiert eine neue Herangehensweise, die als experimentelle Modellbildung bezeichnet wird. Über den Weg der Systemidentifikation können aus experimentell ermittelten Datenreihen die Parameter für ein kompaktes Black-Box-Modell bestimmt werden, das das Eingangs-Ausgangsverhalten des zugehörigen beliebig aufgebauten thermoaktiven Bauteils mit hinreichender Genauigkeit widergibt. Die Meßdatenreihen lassen sich über hochgenaue Berechnungen generieren, die auf Grund ihrer Detailtreue für den unmittelbaren Einsatz in der Gebäudesimulation ungeeignet wären. Die Anwendung der Systemidentifikation auf das zweidimensionale Wärmeleitungsproblem und der Nachweis ihrer Eignung wird an Hand von sechs sehr unterschiedlichen Aufbauten thermoaktiver Bauteilsysteme durchgeführt und bestätigt sehr geringe Temperatur- und Energiebilanzfehler. Vergleiche zwischen via Systemidentifikation ermittelten Black-Box-Modellen und physikalischen Modellen für zwei Fußbodenkonstruktionen zeigen, daß erstgenannte auch als Referenz für Genauigkeitsabschätzungen herangezogen werden können. Die Praktikabilität des neuen Modellierungsansatzes wird an Fallstudien demonstriert, die Ganzjahressimulationen unter Bauteil- und Betriebsvariationen an einem exemplarischen Büroraum betreffen. Dazu erfolgt die Integration des Black-Box-Modells in das kommerzielle Gebäude- und Anlagensimulationsprogramm CARNOT. Die akzeptablen Rechenzeiten für ein Einzonen-Gebäudemodell in Verbindung mit den hohen Genauigkeiten bescheinigen die Eignung der neuen Modellierungsweise.
Structural building components with embedded coils used for cooling or heating purposes are referred to as 'thermally activated components' (TAC). Following this general description, they include cooling ceilings, floor heating and ceilings with heating or cooling coils embedded in their massive, structural layer. The thermally most inert ones amongst these systems are used specifically to uncouple the daily courses of energy demand and energy provision. This is the basis for systems supporting energy efficiency, e.g. by actively cooling the buildings components at nights, to use them for passive room cooling during days. The design process of building concepts featuring these thermally slowly reacting, activated building components requires extra competence and care. This implies the application of state-of-the-art simulation techniques to obtain reliable predictions of thermal comfort conditions and energy efficiency. Most of the building simulation tools commonly used in this context apply mathematical and physical models to describe the immanent multidimensional and instationary heat conduction problems involved. Until now, two different approaches to solving the problem have been known, both of which have limitations regarding geometry and calculation speed. The thesis presented here describes a new approach, applying an experimental modelling technique. Based on experimental data taken from arbitrary TAC designs, a system identification process is used to create a numerical description of the component under investigation. The resulting black box model accurately describes the thermal behaviour of the corresponding TAC design. The experimental data the model is based on may be generated by using finite volume simulation tools, which are highly accurate, but due to computational expenses are unsuitable for implementation in building simulation software packages. The new approachs applicability on two-dimensional heat conduction problems, and the accuracy of the results obtained, is demonstrated on six different TAC designs. Only very small errors in temperature and energy conservation are found. The black box models are even accurate enough, to make them suitable as a reference for other modelling techniques. The practicability of the new approach is demonstrated in case studies, simulating the thermal behaviour of a typical office room over a full year period and for variations of TAC designs and operational conditions. The case studies on this single-zone building model are carried out by implementing the black box model in CARNOT, a commercially available software for simulating buildings and HVAC systems. The new approach proves to be suitable for practical application by delivering highly accurate results at very reasonable expenses of computing time.
Citation
@phdthesis{urn:nbn:de:hebis:34-1292,
author={Wimmer, Andreas},
title={Thermoaktive Bauteilsysteme - Ein neuer simulationstechnischer Berechnungsansatz},
school={Kassel, Universität, FB 06, Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung},
month={09},
year={2004}
}
0500 Oax
0501 Text $btxt$2rdacontent
0502 Computermedien $bc$2rdacarrier
1100 2004$n2004
1500 1/ger
2050 ##0##urn:nbn:de:hebis:34-1292
3000 Wimmer, Andreas
4000 Thermoaktive Bauteilsysteme - Ein neuer simulationstechnischer Berechnungsansatz / Wimmer, Andreas
4030
4060 Online-Ressource
4085 ##0##=u http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-1292=x R
4204 \$dDissertation
4170
5550 {{Modellierung}}
5550 {{Systemidentifikation}}
5550 {{Haustechnik}}
5550 {{Strahlungsheizung}}
5550 {{Flächenkühlung}}
7136 ##0##urn:nbn:de:hebis:34-1292
<resource xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-2.2 http://schema.datacite.org/meta/kernel-2.2/metadata.xsd"> 2006-04-12T12:01:14Z 2004 2006-04-12T12:01:14Z 2004-09-29 urn:nbn:de:hebis:34-1292 http://hdl.handle.net/123456789/1292 4710662 bytes application/pdf ger Urheberrechtlich geschützt https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ Bauteilaktivierung Betonkernaktivierung Gebäudesimulation concret core activation building simulation 720 Thermoaktive Bauteilsysteme - Ein neuer simulationstechnischer Berechnungsansatz Dissertation Thermoaktive Bauteilsysteme sind Bauteile, die als Teil der Raumumschließungsflächen über ein integriertes Rohrsystem mit einem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagt werden können und so die Beheizung oder Kühlung des Raumes ermöglichen. Die Konstruktionenvielfalt reicht nach diesem Verständnis von Heiz, bzw. Kühldecken über Geschoßtrenndecken mit kern-integrierten Rohren bis hin zu den Fußbodenheizungen. Die darin enthaltenen extrem trägen Systeme werden bewußt eingesetzt, um Energieangebot und Raumenergiebedarf unter dem Aspekt der rationellen Energieanwendung zeitlich zu entkoppeln, z. B. aktive Bauteilkühlung in der Nacht, passive Raumkühlung über das kühle Bauteil am Tage. Gebäude- und Anlagenkonzepte, die träge reagierende thermoaktive Bauteilsysteme vorsehen, setzen im kompetenten und verantwortungsvollen Planungsprozeß den Einsatz moderner Gebäudesimulationswerkzeuge voraus, um fundierte Aussagen über Behaglichkeit und Energiebedarf treffen zu können. Die thermoaktiven Bauteilsysteme werden innerhalb dieser Werkzeuge durch Berechnungskomponenten repräsentiert, die auf mathematisch-physikalischen Modellen basieren und zur Lösung des bauteilimmanenten mehrdimensionalen instationären Wärmeleitungsproblems dienen. Bisher standen hierfür zwei unterschiedliche prinzipielle Vorgehensweisen zur Lösung zur Verfügung, die der physikalischen Modellbildung entstammen und Grenzen bzgl. abbildbarer Geometrie oder Rechengeschwindigkeit setzen. Die vorliegende Arbeit dokumentiert eine neue Herangehensweise, die als experimentelle Modellbildung bezeichnet wird. Über den Weg der Systemidentifikation können aus experimentell ermittelten Datenreihen die Parameter für ein kompaktes Black-Box-Modell bestimmt werden, das das Eingangs-Ausgangsverhalten des zugehörigen beliebig aufgebauten thermoaktiven Bauteils mit hinreichender Genauigkeit widergibt. Die Meßdatenreihen lassen sich über hochgenaue Berechnungen generieren, die auf Grund ihrer Detailtreue für den unmittelbaren Einsatz in der Gebäudesimulation ungeeignet wären. Die Anwendung der Systemidentifikation auf das zweidimensionale Wärmeleitungsproblem und der Nachweis ihrer Eignung wird an Hand von sechs sehr unterschiedlichen Aufbauten thermoaktiver Bauteilsysteme durchgeführt und bestätigt sehr geringe Temperatur- und Energiebilanzfehler. Vergleiche zwischen via Systemidentifikation ermittelten Black-Box-Modellen und physikalischen Modellen für zwei Fußbodenkonstruktionen zeigen, daß erstgenannte auch als Referenz für Genauigkeitsabschätzungen herangezogen werden können. Die Praktikabilität des neuen Modellierungsansatzes wird an Fallstudien demonstriert, die Ganzjahressimulationen unter Bauteil- und Betriebsvariationen an einem exemplarischen Büroraum betreffen. Dazu erfolgt die Integration des Black-Box-Modells in das kommerzielle Gebäude- und Anlagensimulationsprogramm CARNOT. Die akzeptablen Rechenzeiten für ein Einzonen-Gebäudemodell in Verbindung mit den hohen Genauigkeiten bescheinigen die Eignung der neuen Modellierungsweise. Structural building components with embedded coils used for cooling or heating purposes are referred to as 'thermally activated components' (TAC). Following this general description, they include cooling ceilings, floor heating and ceilings with heating or cooling coils embedded in their massive, structural layer. The thermally most inert ones amongst these systems are used specifically to uncouple the daily courses of energy demand and energy provision. This is the basis for systems supporting energy efficiency, e.g. by actively cooling the buildings components at nights, to use them for passive room cooling during days. The design process of building concepts featuring these thermally slowly reacting, activated building components requires extra competence and care. This implies the application of state-of-the-art simulation techniques to obtain reliable predictions of thermal comfort conditions and energy efficiency. Most of the building simulation tools commonly used in this context apply mathematical and physical models to describe the immanent multidimensional and instationary heat conduction problems involved. Until now, two different approaches to solving the problem have been known, both of which have limitations regarding geometry and calculation speed. The thesis presented here describes a new approach, applying an experimental modelling technique. Based on experimental data taken from arbitrary TAC designs, a system identification process is used to create a numerical description of the component under investigation. The resulting black box model accurately describes the thermal behaviour of the corresponding TAC design. The experimental data the model is based on may be generated by using finite volume simulation tools, which are highly accurate, but due to computational expenses are unsuitable for implementation in building simulation software packages. The new approachs applicability on two-dimensional heat conduction problems, and the accuracy of the results obtained, is demonstrated on six different TAC designs. Only very small errors in temperature and energy conservation are found. The black box models are even accurate enough, to make them suitable as a reference for other modelling techniques. The practicability of the new approach is demonstrated in case studies, simulating the thermal behaviour of a typical office room over a full year period and for variations of TAC designs and operational conditions. The case studies on this single-zone building model are carried out by implementing the black box model in CARNOT, a commercially available software for simulating buildings and HVAC systems. The new approach proves to be suitable for practical application by delivering highly accurate results at very reasonable expenses of computing time. open access Wimmer, Andreas Kassel, Universität, FB 06, Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung Hausladen, Gerhard (Univ. Prof. Dr.-Ing.) Hauser, Gerd (Univ. Prof. Dr.-Ing.) Modellierung Systemidentifikation Haustechnik Strahlungsheizung Flächenkühlung 2004-07-21 </resource>
The following license files are associated with this item:
:Urheberrechtlich geschützt