Dissertation
Auf Basis umfangreicher Messdatensätze experimentell und numerisch validierte Regeln zur optimierten Auslegung von Luft-Erdwärmetauschern
Abstract
Ein Luft-Erdwärmetauscher (L-EWT) kommt wegen seines niedrigen Energiebedarfs und möglicher guter Aufwandszahlen als umweltfreundliche Versorgungskomponente für Gebäude in Betracht. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass ein L-EWT die Umgebungsluft je nach Jahreszeit vorwärmen oder auch kühlen kann. Dem zufolge sind L-EWT zur Energieeinsparung nicht nur für den Wohnhausbau interessant, sondern auch dort, wo immer noch große Mengen an fossiler Energie für die Raumkühlung benötigt werden, im Büro- und Produktionsgebäudesektor. Der Einsatzbereich eines L-EWT liegt zwischen Volumenströmen von 100 m3/h und mehreren 100.000 m3/h. Aus dieser Bandbreite und den instationären Randbedingungen entstehen erhebliche Schwierigkeiten, allgemeingültige Aussagen über das zu erwartende thermische Systemverhalten aus der Vielzahl möglicher Konstruktionsvarianten zu treffen. Hauptziel dieser Arbeit ist es, auf Basis umfangreicher, mehrjähriger Messungen an einer eigens konzipierten Testanlage und eines speziell angepassten numerischen Rechenmodells, Kennzahlen zu entwickeln, die es ermöglichen, die Betriebseigenschaften eines L-EWT im Planungsalltag zu bestimmen und ein technisch, ökologisch wie ökonomisch effizientes System zu identifizieren. Es werden die Kennzahlen elewt (Aufwandszahl), QV (Netto-Volumenleistung), ME (Meterertrag), sowie die Kombination aus v (Strömungsgeschwindigkeit) und VL (Metervolumenstrom) definiert, die zu wichtigen Informationen führen, mit denen die Qualität von Systemvarianten in der Planungsphase bewertet werden können. Weiterführende Erkenntnisse über die genauere Abschätzung von Bodenkennwerten werden dargestellt. Die hygienische Situation der durch den L-EWT transportierten Luft wird für die warme Jahreszeit, aufgrund auftretender Tauwasserbildung, beschrieben. Aus diesem Grund werden alle relevanten lufthygienischen Parameter in mehreren aufwendigen Messkampagnen erfasst und auf pathogene Wirkungen überprüft. Es wird über Sensitivitätsanalysen gezeigt, welche Fehler bei Annahme falscher Randbedingungen eintreten. Weiterhin werden in dieser Arbeit wesentliche, grundsätzliche Erkenntnisse aufbereitet, die sich aus der Betriebsbeobachtung und der Auswertung der umfangreich vorliegenden Messdaten mehrerer Anlagen ergeben haben und für die praktische Umsetzung und die Betriebsführung bedeutend sind. Hinweise zu Materialeigenschaften und zur Systemwirtschaftlichkeit sind detailliert aufgeführt.
An earth to air heat exchanger (german abbreviation: L-EWT) comes into consideration as an environment-friendly supply component for buildings due to its low energy demand and possible low input-coefficients. Thereby it is especially advantageous, that a L-EWT can preheat or cool down the ambient air depending upon the season. As a result a L-EWT is not only interesting respective to energy savings for residential houses in winter but also for office buildings and factories, because of the necessity to cool the rooms down in the summertime. Nowadays this still happens mostly with environment polluting air-conditionings. The operating range of an earth to air heat exchanger lies between volume flows of 100 m3/h and several 100.000 m3/h. Because of this large bandwidth and the transient boundary conditions considerable difficulties emerge to find general valid statements about the expected thermal system behavior due to the multitude of possible construction variants. The main objective of this thesis is, on basis of extensive data measurements over some years at a special configurated test facility and a validated numerical computer-programm, to deter-mine key figures which enables to value a L-EWT technically and economically. The indices elewt (input-coefficient), QV (net volume power), ME (meter yield), as well as the combination out of v (current speed) and VL (meter volume flow) are defined, that lead to important informations, with which the quality can be valued by system variants in the planning phase. Further cognitions of the more exact estimation of the thermal ground parameters are represented. The hygienic situation of the air transported by the L-EWT is described, because of the development of condensate in the summer. For this reason all relevant air hygienic parameters are collected in several costly measurement campaigns and are examined on pathogene effects. It is shown by sensitivity analyses, which failures occur in assumption of wrong boundary conditions. Further essential, basic conlusions will prepare in this work, that resulted from the system monitoring and the analysis of the extensively existing measurement data of several units. References to material characteristics and to the system economics are listed detailed.
Citation
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Dem zufolge sind L-EWT zur Energieeinsparung nicht nur für den Wohnhausbau interessant, sondern auch dort, wo immer noch große Mengen an fossiler Energie für die Raumkühlung benötigt werden, im Büro- und Produktionsgebäudesektor. Der Einsatzbereich eines L-EWT liegt zwischen Volumenströmen von 100 m3/h und mehreren 100.000 m3/h. Aus dieser Bandbreite und den instationären Randbedingungen entstehen erhebliche Schwierigkeiten, allgemeingültige Aussagen über das zu erwartende thermische Systemverhalten aus der Vielzahl möglicher Konstruktionsvarianten zu treffen. Hauptziel dieser Arbeit ist es, auf Basis umfangreicher, mehrjähriger Messungen an einer eigens konzipierten Testanlage und eines speziell angepassten numerischen Rechenmodells, Kennzahlen zu entwickeln, die es ermöglichen, die Betriebseigenschaften eines L-EWT im Planungsalltag zu bestimmen und ein technisch, ökologisch wie ökonomisch effizientes System zu identifizieren. Es werden die Kennzahlen elewt (Aufwandszahl), QV (Netto-Volumenleistung), ME (Meterertrag), sowie die Kombination aus v (Strömungsgeschwindigkeit) und VL (Metervolumenstrom) definiert, die zu wichtigen Informationen führen, mit denen die Qualität von Systemvarianten in der Planungsphase bewertet werden können. Weiterführende Erkenntnisse über die genauere Abschätzung von Bodenkennwerten werden dargestellt. Die hygienische Situation der durch den L-EWT transportierten Luft wird für die warme Jahreszeit, aufgrund auftretender Tauwasserbildung, beschrieben. Aus diesem Grund werden alle relevanten lufthygienischen Parameter in mehreren aufwendigen Messkampagnen erfasst und auf pathogene Wirkungen überprüft. Es wird über Sensitivitätsanalysen gezeigt, welche Fehler bei Annahme falscher Randbedingungen eintreten. Weiterhin werden in dieser Arbeit wesentliche, grundsätzliche Erkenntnisse aufbereitet, die sich aus der Betriebsbeobachtung und der Auswertung der umfangreich vorliegenden Messdaten mehrerer Anlagen ergeben haben und für die praktische Umsetzung und die Betriebsführung bedeutend sind. Hinweise zu Materialeigenschaften und zur Systemwirtschaftlichkeit sind detailliert aufgeführt. An earth to air heat exchanger (german abbreviation: L-EWT) comes into consideration as an environment-friendly supply component for buildings due to its low energy demand and possible low input-coefficients. Thereby it is especially advantageous, that a L-EWT can preheat or cool down the ambient air depending upon the season. As a result a L-EWT is not only interesting respective to energy savings for residential houses in winter but also for office buildings and factories, because of the necessity to cool the rooms down in the summertime. Nowadays this still happens mostly with environment polluting air-conditionings. The operating range of an earth to air heat exchanger lies between volume flows of 100 m3/h and several 100.000 m3/h. Because of this large bandwidth and the transient boundary conditions considerable difficulties emerge to find general valid statements about the expected thermal system behavior due to the multitude of possible construction variants. The main objective of this thesis is, on basis of extensive data measurements over some years at a special configurated test facility and a validated numerical computer-programm, to deter-mine key figures which enables to value a L-EWT technically and economically. The indices elewt (input-coefficient), QV (net volume power), ME (meter yield), as well as the combination out of v (current speed) and VL (meter volume flow) are defined, that lead to important informations, with which the quality can be valued by system variants in the planning phase. Further cognitions of the more exact estimation of the thermal ground parameters are represented. The hygienic situation of the air transported by the L-EWT is described, because of the development of condensate in the summer. For this reason all relevant air hygienic parameters are collected in several costly measurement campaigns and are examined on pathogene effects. It is shown by sensitivity analyses, which failures occur in assumption of wrong boundary conditions. Further essential, basic conlusions will prepare in this work, that resulted from the system monitoring and the analysis of the extensively existing measurement data of several units. References to material characteristics and to the system economics are listed detailed. open access Dibowski, Hans-Gerd Kassel, Universität, FB 12, Architektur Hauser, Gerd (Prof. Dr.-Ing.) Hausladen, Gerhard (Prof. Dr.-Ing.) Energietechnik 2003-06-18 </resource>
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