PROJEKT „TexTemp“

TexTemp: Entwicklung und Erprobung von textilen Temperiersystemen für die kosteneffiziente Klimatisierung von Räumen

Motivation

Neue, intelligente Lösungen für die Raumkonditionierung sind essentiell, um die in der „Energieeffizienzstrategie“ der Bundesregierung geforderte Reduktion des Primärenergieeinsatzes zur Beheizung und Kühlung von Gebäuden zu erreichen. Eine Möglichkeit stellt in diesem Zusammenhang die funktionale Kombination von Raumtextilien und Heiz-/Kühlflächen zu „thermoaktiven Raumtextilien“ dar. Im Rahmen des Projektes wurden die aus den Voruntersuchungen der beteiligten Projektpartner hervorgegangenen Erkenntnisse auf Basis thermoaktiver Textilien in textile Temperiersysteme überführt.

Ausgewählte Ergebnisse

Im Zuge der Voruntersuchungen (DFG Forschungsprojekt FE 1179/2) wurden die vom Projektpartner ITM aufwändig hergestellten Muster im institutseigenen Klimaraum integriert und hinsichtlich ihrer erreichbaren Heiz- und Kühlleistungen sowie der auftretenden Druckabfälle vermessen, siehe Abbildung 1. Hier wurden z. B. 16 Lamellenstücke (0,12 m x 1,5 m) in Form eines typischen Vorhanges für Büroräume aneinandergereiht. Die Lamellen bestehen aus je sechs wasserführenden Kanälen (Gesamtfläche: 5,8 m²).

Abbildung 1

Abbildung 1: Außenansicht des Klimaraumes für die Funktionsmuster (rechts) und Installation eines Funktionsmusters aus 16 Lamellen für Messungen im Klimaraum (links)

Die Leistungsmessungen lehnen sich für den Heizfall an die DIN EN 442, Teil 2 und für den Kühlfall an die DIN EN 16430, Teil 3 an. In beiden Fällen wurden unterschiedliche Wassermasseströme und Vorlauftemperaturen berücksichtigt, siehe auch Abbildung 2. Zusätzlich wurde der Klimaraum über die thermoaktiven Wände (inkl. Boden u. Decke) auf eine Raumlufttemperatur von 20 °C (in Raummitte u. 0,75 m Höhe) im Heizfall und auf 28 °C im Kühlfall temperiert.

Abbildung 2

Abbildung 2: Thermografie-Aufnahmen des Funktionsmusters im Betrieb für den Heizfall (rechts) und den Kühlfall mit Kompensation thermischer solarer Lasten vorm Fenster (links)

Das Funktionsmuster erreichte während der Messungen Heizleistungen, die ausreichen, um ein durchschnittliches Büro (ca. 20 m²) zu heizen, vergleichbar mit einem Plattenheizkörper vom Typ 10. Im sommerlichen Kühlfall wird eine Raumklimatisierung möglich, die durch die direkte Abfuhr solarer Wärmegewinne noch gesteigert werden kann.
Zur detaillierten numerischen Untersuchung der Funktionsmuster stand eine virtuelle Prüfkabine, basierend auf dem entwickelten Programmpaket zur gekoppelten Gebäude-, Anlagen- und Strömungssimulation zur Verfügung. Auf diese Weise ließen sich die realen Versuche detailliert nachbilden. Das betraf auf Seiten der Gebäudesimulation die Wärmeleitung der in TRNSYS-TUD modellierten Kabinenwände, den langwelligen Strahlungsaustausch zwischen den thermoaktiven Wänden und dem textilen Temperiersystem sowie die komplette integrierte Regelungstechnik, siehe Abbildung 3.

Abbildung 3

Abbildung 3: Ausgewählte Resultate zu Simulationen der Leistungsmessungen im Klimaraum an der TU Dresden als Verifikation zur Simulation der Einsatzszenarien (rechts Heiz-, links Kühlfall)

In Tabelle 1 sind die gemessenen und die numerisch ermittelten Leistungsparameter der textilen Temperiersysteme für ausgewählte Fälle zusammengefasst. Beim Vergleich der Daten zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Messungen und Simulationen. Lediglich in niedrigen Wassermassestrombereichen kommt es zu Abweichungen.

Tabelle 1: Ausgewählte Resultate zu Simulationen der Leistungsmessungen im Klimaraum an der TU Dresden als Verifikation zur Simulation der Einsatzszenarien, links Messungen, rechts Simulationen

Auf Basis der in den diesen Untersuchungen ermittelten Leistungsparameter wurde die Adaption der geplanten Funktionsmuster auf reale Büroraum-Geometrien mit Hilfe gekoppelter Gebäude-, Anlagen- und Strömungssimulation durchgeführt. Im Ergebnis dieses Arbeitspaketes werden die Vor- und Nachteile sowie die möglichen Einsatzbereiche und -grenzen der untersuchten temperierbaren Raumtextilien als Heiz- und Kühlsystem im realen Betrieb herausgearbeitet. Es wurde bereits eine Vielzahl unterschiedlichster Einflussgrößen, wie die baulichen Raumgegebenheiten, die Lüftungssituationen, die Art und Anordnung der Textilien in den Räumen, sowie das Nutzerverhalten berücksichtigt. Abbildung 4 zeigt beispielhaft die Raum-Geometrien sowie die Anordnung von Lamellen für ausgewählte Büros. Zusätzlich befinden sich in den Darstellungen auch die Positionen der für die Beurteilung der Varianten im Zeitbereich verfügbaren Sensoren (blaue Kugeln) und der modellierten Zu- und Abluftöffnungen (Zahlen). Die untersuchten geometrischen Variationen erstrecken sich von unterschiedlichen Zweipersonenbüros (Grundfläche 4 m x 5 m bzw. 5 m x 6 m) bis hin zu Mehrpersonenbüros mit einer Grundfläche von 11 m x 12 m.

Abbildung 4

Abbildung 4: Geometrische Details und Positionen unterschiedlicher Zuluftöffnungen eines Mehrpersonenbüros mit textilen Temperiersytemen als Raumteiler (rechts) und eines Zweipersonenbüros mit Lamellen vor dem Fenster (links)

Es wurden instationäre Simulationen zur Ermittlung der Heiz- und Kühlleistungen textiler Temperiersysteme unterschiedlicher Größe an unterschiedlichen Raumpositionen und bei variierenden Zuluft-Systemen und Wärmedämmstandards durchgeführt. Für die dabei als rechnerisch besonders aufwändig einzuschätzenden gekoppelten Simulationen zur Untersuchung lokaler Effekte der thermischen Behaglichkeit erfolgte neben der ungekoppelten Einschwingphase innerhalb der Gebäude- und Anlagensimulation (14 Tage simulierte Zeit) die Modellierung einer zweitägigen vollständig gekoppelten Phase unter Einbeziehung der Raumluftströmung. Innerhalb der gekoppelten Simulationen wurden alle relevanten Einflussgrößen, von der geometrisch hoch aufgelösten Strahlungswärmeübertragung über die nutzerspezifischen thermischen Quellen bis hin zur Regelung der Leistungsparameter der textilen Temperiersyteme berücksichtigt und entsprechend abgebildet. Für die Beurteilung der Einsatzmöglichkeiten der Textilien stehen im Heizfall drei repräsentative Außentemperaturverläufe und im Kühlfall zwei Temperaturverläufe zur Verfügung. Auf diese Weise lassen sich Aussagen bezüglich der Dynamik und Effektivität der textilen Temperiersysteme sowohl im Teil- als auch im Volllastbereich treffen. Als Resultate dieser Simulationen stehen Tagesverläufe ausgewählter Größen, wie Leistungsdaten und Über-, Unterschreitungshäufigkeiten der Solltemperaturen und des PMV sowie Feldgrößen strömungstechnischer Details zu ausgewählten Zeitpunkten zur Verfügung.
Nachfolgend seien beispielhaft einige Resultate der Simulationsergebnisse vorgestellt. Abbildung 5 zeigt die inneren Oberflächentemperaturen für zwei geometrische Varianten moderner Büros (Dämmstandard EnEV 09) um 14 Uhr. Auf der linken Seite handelt es sich um einen Kühlfall an einem heißen Sommertag für eine Variante eines Mehrpersonenbüros mit textilem Raumteiler und Außenluftdurchlasselement (ALD) unterm Fenster. Auf der rechten Seite handelt es sich um einen Heizfall für ein Zweipersonenbüro mit raumhohen Lamellen neben und ALD unter dem Fenster an einem sehr kalten Wintertag. In den Darstellungen sind deutlich die textilen Temperiersytemen und die Wandtemperatur­verteilungen erkennbar.

Abbildung 5

Abbildung 5: Innere Oberflächentemperaturen zweier Büroräume mit textilen Temperiersytemen um 14 Uhr – rechts Mehrpersonenbüro, Kühlfall (Raumteiler), links Zweipersonenbüro, Heizfall (Lamellen neben dem Fenster)

Zusätzlich sind in Tabelle 2 die Energiebedarfswerte und die dazugehörigen Kenngrößen der thermischen Behaglichkeit für unterschiedliche Anordnungen textiler Temperiersysteme zusammengefasst. Die Resultate zeigen nochmals deutlich, dass die Systeme in der Lage sind, den Heizwärmebedarf des Raumes ohne Einbußen der thermischen Behaglichkeit zu decken.

Tabelle 2: Energiebedarf und Behaglichkeit Heizperiode, Zweipersonenbüro

Es zeigt sich anhand der PMV-Werte nahe Null, dass es mit den textilen Temperiersytemen sehr gut möglich ist, thermisch behagliche Zustände, sowohl unter sommerlichen als auch unter winterlichen Bedingungen zu erzielen.