Titelaufnahme

Titel
Untersuchung und Optimierung des Einflusses von Latentspeichermaterial auf das thermische und energetische Verhalten von Gebäuden / Jingfang Hu
VerfasserHu , Jingfang
Begutachter / BegutachterinDreyer, Jürgen ; Kolbitsch, Andreas
Erschienen2007
Umfang126 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2007
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Latentspeichermaterial / thermisches Verhalten /energetisches Verhalten /Gebäudesimulation / Phasenwechseltemperatur /Heizwärmebedarf /Kühlbedarf /Energieeinsparung
Schlagwörter (EN)Phase change material /thermal behaviour /energy behaviour /buildingsimulation /phase change temperature /heat requirement /cooling requirement /energy saving
Schlagwörter (GND)Gebäude / Temperaturabhängigkeit / Energiebedarf / Latentwärmespeicher
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-18207 Persistent Identifier (URN)
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Untersuchung und Optimierung des Einflusses von Latentspeichermaterial auf das thermische und energetische Verhalten von Gebäuden [3.78 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Einsatz von Phase Change Material, nachfolgend als PCM bezeichnet, in Gebäuden zu untersuchen. Im Rahmen der Arbeit wird ein Simulationsprogramm für die Planung und Optimierung des Einsatzes von PCM im Gebäude entwickelt.

Dieses Programm ermöglicht es, das thermische Verhalten und den Energiebedarf eines Gebäudes unter Einsatz von Latentspeichermaterial zu bestimmen. Auf Grund der Komplexität des Wärmetransportprozesses im Latentspeichermaterial während des Phasenwechsels werden Vereinfachungen getroffen. Statt einem Temperaturbereich des Phasenwechsels wird anhand des Entalpieverlaufes eine Phasenwechseltemperatur angenommen. Zur Lösung der Differentialgleichungen des Wärmetransports wird ein numerisches Verfahren - Finite-Volumen-Verfahren - verwendet. Für die Programmierung des Simulations-Modells wird die Plattform SIMULINK aus MATLAB gewählt. Experimentelle Untersuchungen werden am Messobjekt mit und ohne Einsatz von PCM durchgeführt, um einerseits die temperaturstabilisierende Wirkung durch den Einsatz von PCM festzustellen, und andererseits als Grundlage, um das entwickelte Rechenprogramm zu validieren. Die Ergebnisse aus der Messung und der Berechnung lassen den Schluss zu, dass das entwickelte Programm das thermische Verhalten eines Raumes genau beschreibt. Mit dem entwickelten Rechenmodell wird die PCM-Anwendung im Gebäude optimiert. Anhand eines Raummodells werden wichtige Einflussparameter untersucht, wie die Einsatzmenge und Phasenwechseltemperatur von PCM, die Luftwechselrate eines Raumes und die Lüftungsgeschwindigkeit der Hinterlüftung der PCM-Schicht. Es stellt sich dabei heraus, dass sich unter gewissen Umständen durch die vermehrte Einsatzmenge von PCM und durch die Erhöhung der Luftwechselrate eines Raumes bzw. der Lüftungsgeschwindigkeit der Hinterlüftung der PCM-Schicht der temperaturstabilisierende Effekt nicht weiter verbesserte. Alle diese Parameter hängen mit dem Phasenzustand von PCM zusammen. Die optimale Ausnutzung der PCM entscheidet den optimalen Wert der untersuchten Einflussparameter.

Für einen Raum in einem Passivhaus in Wien werden mit dem entwickelten Simulationsprogramm Untersuchungen durchgeführt, um das thermische Verhalten ohne bzw. mit Einsatz von PCM zu ermitteln. Es wird durch Variieren der Einflussparameter die maximal erzielbare temperaturstabilisierende Wirkung im Sommer durch PCM-Einsatz untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz von PCM mit intelligenter Lüftung für den Raum sowie für die PCM-Schicht eine Klimaanlage ersetzbar wird.

Zum Schluss wird das Potenzial der Energieeinsparung im Gebäude durch den Einsatz von PCM untersucht. Es wird für zwei Modelle, eines aus Leichtbauweise und eines aus Massivbauweise unter Einsatz verschiedener PCM der Energiebedarf für Heizung und Kühlung ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz von PCM der Wärmebedarf nicht nur für die Kühlung im Sommer, sondern auch im Winter reduziert wird.

Zusammenfassung (Englisch)

The goal of this work is to investigate the using of Phase Change Material in buildings. For this purpose a simulation program has been developed, for design and optimization of the usage of PCM in buildings. With this program it is possible to calculate the dynamic thermal behaviour and the energy consumption in buildings.

For developing the construction model the existing heat transport theory for and between building elements have been considered. Due to the complication of the heat transport process of the PCM during the phase change period an approximation has been used. A melt temperature was used instead of an area of temperatures. For solving the differential equation of heat transport a numeric method the finite volume method has been used. The simulation model was programmed at the Simulink platform in SIMULINK.

The experimentally measurements has been carried out with a test box for with and without application of PCM, firstly for investigation the temperature stabilization effect of PCM and secondly for validation the developed simulation program. In considering the results from the measurement and from the simulation is to conclude, that the developed program can exactly describe the dynamic thermal behaviour of buildings.

On the basis of the developed simulation model the application of PCM in buildings has been optimized. The important influence parameters were investigated, such as quantity and melt temperature of used PCM, air exchange rat of the room and the speed of the ventilation for PCM layer.

The results of the implemented numeric investigation showed, that under some certain circumstances there was no further improvement of the temperature stabilization effect to achieve, through increase the air change rate, speed of the ventilation for PCM, and also through the increase of the quantity of the used PCM. The results showed that all the investigated influence parameters depended on the physical state such as solid or liquid state of the PCM. The optimal physical state of PCM decided the optimal value of the investigated influence parameters. With the developed simulation program the investigation for a room in a passive house in Vienna has been implemented, for investigation the thermal behaviour in with and without application of PCM. The maximal achieved temperature stabilization effect in summer with application of PCM was calculated under variation of the mentioned influence parameters. The results indicated that under application of PCM with the intelligent ventilation for room and for PCM layer an air conditioner could be substituted.