Projekt Energie

Thermografie, Teil 1

Die immer strengeren Anforderungen an den energiesparenden, baulichen Wärmeschutz macht es nicht nur erforderlich, nach den jeweils am besten geeigneten Baustoffen, Konstruktionen und technischen Verfahren zu suchen, sondern ebenso nach sehr präzisen Instrumenten und Techniken zur Messung, Berechnung und Diagnose, die eine den Kriterien eines energiesparenden Bauens entsprechende Gebäudeplanung ermöglichen. Die Thermografie ist ein bildgebendes Verfahren, das es gestattet, sehr schnell und ohne Eingriffe in die Gebäudestruktur den thermischen Zustand eines Objekts zu bewerten. Besonders hilfreich ist sie bei der energetischen Diagnostik im Bauwesen, d.h. der Beurteilung von Bausubstanz und wärmetechnischen Eigenschaften von Gebäudehüllen, die ggf. gedämmt werden sollen. Das Verfahren beruht auf einer berührungslosen Messung der Temperatur eines Gebäudes mithilfe einer Wärmebildkamera, die anhand der gemessenen Infrarotstrahlung elektronisch ein farbiges Wärmebild des Gebäudes – ein Thermogramm – erstellt. Es stellt die Verteilung der Oberflächentemperatur des gemessenen Objekts dar.

In diesem ersten, den theoretischen Grundlagen gewidmeten Beitrag, werden zunächst die wichtigsten Fachbegriffe und physikalischen Grundlagen erläutert, die bei der Infrarot-Thermografie berücksichtigt werden müssen. Anwendungsbezogene Beispiele sowie eine Erläuterung des Verfahrens unter Einsatz einer Wärmebildkamera werden im Beitrag „Thermografie, Teil 2“ besprochen.

Das uns umgebende elektromagnetische Wellenspektrum bildet die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Länge (es kann ebenso nach Frequenz und der Energie einzelner Photonen dargestellt werden). Das Spektrum wird (willkürlich festgelegt) in verschiedene Bereiche unterteilt, die man als Wellenlängenbereiche bezeichnet (Abb. 1). In allen diesen Bereichen unterliegt die Strahlung denselben Grundgesetzen; einziger Unterschied ist hierbei die Länge der Wellen.

Einsatz von Phasenwechselmaterialien zum Beheizen von Räumen

Den Gegenstand vorliegender Überlegungen bildet eine Erörterung der Möglichkeiten für den Einsatz einer nach dem Prinzip einer Kompressions-Wärmepumpe arbeitenden Luft-Wasser-Wärmepumpe (LWWP) mit einer unteren, ein erstarrendes Phasenwechselmaterial (PCM; phase change material) nutzenden Wärmequelle zum Beheizen von Räumen. Beispiele für derartige Lösungen wurden bereits in der Fachliteratur [1] beschrieben. Zur Veranschaulichung soll angenommen werden, dass der zum Beheizen des Raums erforderliche Wärmebedarf Q ̇ = 2kW beträgt. Abbildung 1 stellt den schematischen Aufbau des aus den folgenden Bestandteilen bestehenden Heizungssystems vor: Erdwärmetauscher, PCM-Speicher sowie Luft-Wasser-Wärmepumpe (LWWP), die dem direkten Beheizen des Raums dient. Um die Arbeit der Wärmepumpe zu stabilisieren, wurde ein Behälter mit dem PCM im Wärmedurchfluss vom Erdwärmetauscher hin zur Wärmepumpe vorgesehen; das PCM wiederum durchläuft die typischen Phasenwechselzustände, d.h. es schmilzt bei Wärmespeicherung und erstarrt bei Wärmefreisetzung.

Die Fachliteratur, sowohl der sich mit dem Gegenstand wissenschaftlich-theoretisch wie auch praktisch-technisch auseinandersetzend, gibt es zahlreiche Beiträge über unterschiedliche Typen von Wärmepumpen, die nach dem Prinzip von Kompressions-Wärmepumpen arbeiten, vgl. die Literaturangaben unter [2 und 3]. Wärmepumpen funktionieren in einem linksläufigen Kreisprozess, bei dem Wärme von einer Quelle niedriger Temperatur zu einer Quelle höherer Temperatur abgeführt wird. Ein sehr wichtiges Maß für die Energieeffizienz einer Wärmepumpe ist die Leistungszahl, auch Heizzahl oder COP-Wert (Coefficient Of Performance) genannt. Der COP-Wert gibt das Verhältnis der abgegebenen Heizleistung der Wärmepumpe zur aufgewendeten elektrischen Leistung des Verdichters an. Je geringer der Temperaturunterschied zwischen den beiden Wärmequellen im Kreisprozess (d.h. Luft, Wasser oder Erdwärme einerseits sowie Wärmeverbraucher andererseits) ist, desto höher fällt der COP-Wert aus. Daher gelten sog. Niedrigenergieverbraucher wie Fußbodenheizungen als wirtschaftlich günstigste Lösungen eines solchen Heizsystems.

Energieeffizienz / Untersuchungen zur thermischen Behaglichkeit in Gebäuden, Teil 2

Der regelmäßig mit der thermischen Behaglichkeit im Rahmen einer Beurteilung des Raumklimas in Gebäuden in Verbindung gebrachte Parameter ist die Temperatur. Einer der hierbei am häufigsten verwendeten und noch am ehesten aussagekräftigen Indikatoren ist – neben der Lufttemperatur – das bioklimatische Maß der operativen Temperatur (auch Empfindungstemperatur genannt). Hierbei handelt es sich um die gefühlte, d.h. unmittelbar vom Menschen wahrgenommene Umgebungstemperatur. Sie entspricht dem arithmetischen Mittel zwischen der gemessenen Raumlufttemperatur und der Strahlungstemperatur der Umgebungsflächen, insoweit der Unterschied zwischen diesen beiden Größen nicht entweder 4 °C oder eine Luftgeschwindigkeit (Zugluft) von 0,2 m/s überschreitet. Andernfalls müssen zur Ermittlung der operativen Temperatur die entsprechenden weiteren Faktoren hinzugezogen werden.

Für unterschiedlich genutzte Wohn- und andere Räume, wie vor allem Schlaf- und Wohnzimmer, Küche etc. in Wohngebäuden, die mit aktiven Heizungs- und Kühlsystemen ausgestattet sind, werden laut DIN EN 16798-1 [1] folgende Mindest- und Höchstwerte für die operative Raumtemperatur in Abhängigkeit von Aktivitätsgrad und Wärmeleitwiderstand der Bekleidung bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % empfohlen:

  • Mindestwert für Heizung (im Winter) von 20 °C ( ̴ 1,2 MET;  ̴ 1,0 clo)
  • Höchstwert für Kühlung (im Sommer) vom 26 °C ( ̴ 1,2 MET;  ̴ 0,5 clo)

Die o.g. Werte gelten für Raumtypen, die im Rahmen der vorgelegten Klassifikation des thermischen Raumklimas sowie der Behaglichkeit der Kategorie II zugeordnet wurden; an sie werden diesem Ansatz zufolge ein normales Maß an Erwartungen hinsichtlich der thermischen Behaglichkeit gesetzt.

Energieeffizienz /Untersuchungen zur thermischen Behaglichkeit in Gebäuden, Teil 1

Einführung

Untersuchungen zur thermischen Behaglichkeit bilden einen der grundlegenden Bestandteile zur Beurteilung des Raumklimas in Gebäuden, sowohl in der Heizperiode, als auch in der Sommersaison. Besonders wichtig ist sie für Gebäudestandards, die auf eine hohe Energieeffizienz ausgerichtet sind. Die thermische Behaglichkeit nimmt Einfluss auf Wohlbefinden und Lebensqualität des Menschen, seine Gesundheit, seine Arbeitsproduktivität sowie die Qualität von Erholung und Schlaf. Daher zählt es zu den wichtigsten Aufgaben eines Bauingenieurs, bereits bei der technischen Gebäudeplanung alle Aspekte dieser thermischen Behaglichkeit sowie des Raumklimas im Allgemeinen zu berücksichtigen; schließlich verbringen die Menschen hier einen Großteil ihrer Zeit. Dies bezieht sich nicht nur auf den Einsatz einer entsprechenden Heiz- und Kühl- bzw. Klimatechnik, sondern ebenso auf die Gestaltung der Gebäudehülle selbst sowie die Auswahl der hierzu jeweils geeigneten Baustoffe. Unter Berücksichtigung der Folgen des Klimawandels, und damit u.a. immer länger andauernder wie zunehmend beschwerlicherer Hitzewellen, kommt der Auswahl geeigneter Systeme zur passiven Kühlung von Gebäuden eine immer größere Bedeutung zu. Obwohl aktive Kühlsysteme noch immer zu den am häufigsten eingesetzten Anlagen zählen, die einer Überhitzung von Gebäuden vorbeugen, sollte die Notwendigkeit, natürliche Ressourcen rational einzusetzen sowie den jeweiligen Energiebedarf ebenso rational und sparsam zu gestalten dahin führen, auch bei der Kühlung von Gebäuden zum Beispiel die Wärmekapazitäten von Wänden oder des Erdbodens zu nutzen. Insoweit man im Falle des Einsatzes von Kühl- und Klimaanlagen relativ leicht die erforderlichen Parameter des erwünschten Mikroklimas in den einzelnen Räumen erreichen kann, so ist dies im Falle passiver, auf der Speicherung von Wärme in bestimmten Materialien beruhender Systeme, ein wesentlich komplexerer Vorgang, da hierbei vor allem zeitlich versetzte Prozesse der Entnahme, Speicherung und anschließenden Abgabe der Wärme berücksichtigt werden müssen. Die regelmäßige Kontrolle der raumklimatischen Bedingungen ist in diesem Falle besonders wichtig, können damit doch laufend – je nach Bedarf – weitere passive Systeme (wie eine verstärkte Lüftung in der Nacht und am frühen Morgen oder auch eine Montage von Jalousien) eingesetzt werden, die einer Überhitzung der Räume vorbeugen können.

 

Heat storage in PCM materials

Heat storage in PCM materials (Phase Change Material), based on the use of phase transformations: solidification and melting is quite well known in literature in the field of energy. Examples of analysis of such phenomena are presented in enclosed material and discussed in the literature cited therein. Devices in which heat is stored and released are called heat accumulators. The aim of a heat accumulator is to store energy in the heat mode during the period of its surplus, and then release it during the period of its shortage. The PCM material that stores and releases energy is selected according to its type and external geometry. The PCM material used in heat accumulators has the ability to store a relatively large amount of heat per unit mass of material compared to other methods of heat accumulation. Thanks to the use of heat accumulators, the rational energy management allows to reduce its consumption, and thus ultimately leads to fuel savings. The second significant benefit, resulting directly from lower fuel consumption, is a reduction in the emission of harmful combustion products to the natural environment. Choosing the optimal construction and size of a heat accumulator is one of the main tasks for heat accumulator designers. The very important parameter for a heat accumulator is the ratio of the volume to the external surface area. Through that surface the heat is supplied or extracted to the heat transfer mediator. This presentation discusses the different shapes of PCM materials due to the effective heat transfer conditions. Water was used as the representative PCM material for the solidification test.  It’s also a useful test material due to the possibility of its multiply use without destroying the test stand. Water also allows to observe all important elements of the solidification process.

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Energieeffizienz / Untersuchungen der Luftdichtheit von Gebäuden

(Bild: 1/3)

Einleitung
Eine entsprechende Luftdichtheit von Gebäuden sicherzustellen ist aus Perspektive der Energieeffizienz von außerordentlicher Bedeutung. Besonders wichtig ist sie bei Gebäuden mit geringem Energiebedarf, vor allem für Passivhäuser, bei denen der Energiebedarf in der Heizsaison einen Wert von 15 kWh/m2 nicht überschreitet, wie ebenso für Nullenergiehäuser, die mit auf dem Verfahren der Rekuperation beruhenden Klimaanlagen (unter Einsatz von Luftvorwärmern, etc.) ausgestattet sind. Ist ein Gebäude nicht luftdicht, führt dies zu unkontrollierter Infiltration (Eindringen kalter Außenluft) wie auch Exfiltration (Entweichen warmer Innenraumluft) durch Undichtheiten wie Spalten, Ritzen und Fugen (Abb. 1). Schätzungen zufolge geht mit diesem Luftvolumenstrom in den o.g. Haustypen ein bis zu 30-40% höherer Energiebedarf (Heizenergie) einher [1]. Hierbei berücksichtigen sollte man ebenso Folgen wie Kondenswasserbildung an (kälteren) Trennwänden, einen geringeren Wärmekomfort wie ebenso Beeinträchtigungen der Raumakustik und schließlich die hiermit verbundenen wirtschaftlichen Folgen und damit finanziellen Mehrbelastungen.

Beispiele für typische Orte an Gebäuden, an denen es zu In- und Exfiltration kommt:

  • Fenster und Türen;
  • Türschwellen;
  • Übergangsbereiche/Anschluss zwischen Mauerwerk und Dachstuhl, Decken, Fußböden und Fundamenten (Gebäudehülle);
  • Übergangsbereiche/Anschluss zwischen Mauerwerk und Bodenplatte;
  • Übergangsbereiche von Installationsleitungen;
  • Steckdosen, Verbindungsstücke, Abzweigdosen.

Messung der Luftdichtheit
Messungen der Luftdichtheit werden in der Regel noch während des Baus am geschlossenen Rohbau vorgenommen, wie ebenso nach Fertigstellung der Bauleistungen zur Überprüfung der Messergebnisse. Nur selten werden Messungen an bereits genutzten Gebäuden durchgeführt. Sie dienen vor allem der nachträglichen Qualitätskontrolle bereits ausgeführter Bauleistungen sowie einer Überprüfung der Energieeffizienz des betreffenden Gebäudes.

Zum Erstarrungsvorgang walzenförmiger Phasenwechselmaterialien (PCM-Speicher)

(Bild: 1/2)

Die Speicherung von Wärme unter Ausnutzung des Phasenwechsels zählt zu den in der Energiewirtschaft am häufigsten eingesetzten Verfahren zur Wärmespeicherung. In der Fachliteratur gibt es hierzu bereits zahlreiche Beiträge, die sich dem Thema sowohl theoretisch wie auch praktisch zuwenden. Eine Auswahl beispielhafter Beiträge zum Forschungsgegenstand bilden die im Literaturverzeichnis unter [1-6] erwähnten Arbeiten. Sie wendet sich hauptsächlich Erstarrungsvorgängen walzenförmiger Phasenwechselmaterialien (PCM) zu.

Das Phasenwechselmaterial wird in flüssigem Aggregatzustand in einen walzenförmigen Behälter mit dem Radius R (Abb.1a oder 1b) gefüllt. Die Wand dieses Behälters besteht aus einem sehr gut wärmeleitfähigen Material. Diese Walze kann extern (Abb. 1a) oder intern (Abb. 1b) so abgekühlt werden, dass die kühlende Oberfläche bei einer konstanten Temperatur von TW gehalten wird, die wiederum niedriger ist als die Erstarrungstemperatur des PCM in flüssigem Aggregatzustand (Liquidustemperatur) TF (TW < TF). Der Wärmefluss q erfolgt hierbei hin zur Kühlflüssigkeit. Das erstarrte PCM weist eine konstante Dichte ps, eine konstante spezifische Wärmekapazität cs sowie einen konstanten Wärmeübergangskoeffizienten λS auf. Die Erstarrungswärme des PCM (latente Wärme) beträgt L. Die Erstarrungsfront bildet eine zylindrische, walzenförmige Oberfläche mit der Wärmestrahlung δ, die sich binnen einer Zeit t von der kalten, das flüssige PCM umgebenden Oberfläche mit dem Radius R hin zur Achse der Walze (Abb. 1a) oder von der zylindrischen Oberfläche mit dem Radius R nach außen hin (Abb. 1b) ausdehnt.

Experimental study of the influence of thermal mass on thermal comfort and cooling energy demand in residential buildings

(Bild: 1/2)

Central Europe is one of the regions with the highest increase in extreme heat waves. Moreover, people living in temperate climates are more vulnerable to the negative effects of such events than people living in warmer climates. Building designers have for many years focused mainly on optimisation in order to reduce year-round energy consumption, which in climatic conditions in most European countries depends mainly on heating energy. Saving heating energy will remain a priority, but it will become increasingly important to protect inhabitants from the negative effects of high summer temperatures. As a result, it will be necessary to adapt existing buildings to unprecedented high summer temperatures; mainly looking for new energy-efficient methods of protecting buildings against overheating and adapting solutions used in warmer climates to temperate climate conditions, whereas buildings designed and constructed now will exist until the end of the 21st century. One of the passive measures of preventing overheating is heat storing using thermal mass of building partitions

Speicherung von Wärme unter Ausnutzung des Phasenwechsels

Speicherung von Wärme unter Ausnutzung des Phasenwechsels (Bild: 1/2)

Über die Speicherung von Wärme wird in der Energiewirtschaft naturgemäß ausführlich diskutiert. Zu den häufigsten Methoden der Wärmespeicherung zählen die Nutzung der Wärmekapazität, der Wärme des Phasenübergangs, der Wärme fotochemischer Reaktionen sowie die Erzeugung von Kraftstoffen. Die vorliegende Studie konzentriert sich auf die Speicherung der Wärme unter Nutzung von Prozessen des Schmelzens und Erstarrens, die jeweils einen Sonderfall der real auftretenden Phasenwechselprozesse bilden.

Das hier untersuchte System zur Speicherung und Freisetzung von Wärme umfasst ein erstarrendes Phasenwechselmaterial (PCM), einen Behälter sowie ein Medium, das zur Übertragung der Wärme nach außen dient. In Abbildung 1 wurde beispielhaft dieser Prozess der Speicherung und Freisetzung von Wärme dargestellt. In einem wärmegedämmten Behälter befindet sich nun ein PCM, dass die Wärme beim Schmelzen speichert und beim Erstarren wieder freisetzt. Das an der Speicherung bzw. Freisetzung der Wärme beteiligte Speichermedium durchströmt einen bzw. mehrere Kanäle, die im PCM eingetaucht sind. Der Erstarrungsprozess setzt ein, wenn das PCM seine Erstarrungstemperatur erreicht hat. In dieser Prozessphase spielen die thermophysikalischen Eigenschaften des PCM, seine geometrische Form sowie die Bedingungen der Wärmeabnahme eine wichtige Rolle.

Aufwindkraftwerk

Aufwindkraftwerk

Ein Aufwindkraftwerk ist ein gutes Beispiel dafür, wie man die Umwandlung von Wärme in kinetische Energie der durchströmenden Luft (als einer der Grundsätze der Thermodynamik) veranschaulichen kann. Anlagen wie Aufwindkraftwerke sind allgemein und weithin bekannt; in der Fachliteratur liegen hierzu zahlreiche Arbeiten vor, wie zum Beispiel der unter [1] angegebene Artikel.

Optimale Bedingungen für ein solches Aufwindkraftwerk können sichergestellt werden, wenn zur Speicherung der erzeugten Wärme Phasenwechselmaterialien (PCM) verwendet werden, die eben jene Wärme mittels des bei einem Überangebot von Wärme (d.h. bei hoher Sonneneinstrahlung oder unter Nutzung anderer Energiequellen) einsetzenden Phasenwechsels (Schmelze) speichern sowie diese bei entsprechendem Bedarf wieder freisetzen. Diese einzelnen Vorgänge bei der Umwandlung von Strahlungsenergie (Sonneneinstrahlung) in kinetische Energie der diese Anlage durchströmenden Luft – als veranschaulichendes Beispiel der Grundgesetze der Thermodynamik – auf eine verständliche und transparente Art und Weise darstellen zu können, zählt mithin zu den wichtigen Aufgaben im Rahmen der technischen Ausbildung von SuS bzw. Studierenden an den Ober- und Hochschulen. Ebenso wichtig ist es, im Rahmen dieser Ausbildung künftiger Ingenieure und Techniklehrer darüber hinaus Lösungen aufzuzeigen, wie mit der Speicherung und Freisetzung dieser Wärme ein ständiger Betrieb derartiger Anlagen sichergestellt werden kann.

Zum Wärmeaustausch von Gebäuden und ihrer Umgebung

Wärmeaustausch von Gebäuden und ihrer Umgebung (Bild: 1/2)

Bei der Wärmeübertragung handelt es sich um einen komplexen Vorgang, wobei sich Temperaturfelder über die Zeit (t) verändern. Man spricht dann davon, dass die Wärmeübertragung nicht konstant (bzw. nicht stationär) über einen bestimmten Zeitraum erfolgt. Zudem verändert sich der Wärmeaustausch auch im Raum (x, y, z). In der Praxis kann man zur Vereinfachung der Aufgabenstellung die komplizierten mathematischen Be-rechnungen der Wärmeübertragung innerhalb eines Mauerwerks (bzw. anderer Tragelemente eines Gebäudes) als stationären Austausch annehmen, d.h. die Wärmeübertragung erfolgt zeitlich konstant (nachstehend entsprechende Überlegungen).

Zur Wärmespeicherung in Mauerwerk sowie Trennwänden, Decken und Fußböden von Gebäuden

Zur Wärmespeicherung in Mauerwerk sowie Trennwänden, Decken und Fußböden von Gebäuden (Bild: 1/2)

Eine mögliche Form der Speicherung von Wärmeenergie besteht in der Nutzung der Wärmekapazität jener Baustoffe, aus denen ein Gebäude bzw. Bauwerk errichtet wurde, d.h. vor allem der Außen-und tragenden Innen-sowie Trennwände, Decken, Fußböden, etc. Hierbei handelt es sich um eine sensible Art der Wärmespeicherung, einhergehend mit Temperaturänderungen des Speichermediums während der Speicherung und Abgabe von Wärme. Die Wärmekapazität der o.g. flächigen Bauteile und Tragelemente bzw. der einzelnen Baustoffe, aus denen sie errichtet wurden, bildet für den Bauingenieur eine wichtige bauphysikalischeGrößeaus Sicht des Wärmeschutzes sowie der Energieeffizienz von Gebäuden. Orientiert er sich hierbei lediglich am Wärmeübergangskoeffizienten, ist dies unzureichend, da er keinerlei Angaben dazu trifft, ob und inwieweit aus diesen Baustoffen auch Wärme zurückgewonnen werden kann.

Erdwärmeübertrager

Erdwärmeübertrager

Kennzeichnend für Erdwärmeübertrager ist ihre hohe Effizienz beider Speicherung von Wärme, was hier verbunden ist mit der hohen Wärmekapazität des Erdbodens selbst. Ein solcher Erdwärmetauscher verringert die Temperaturschwankungen der zur (Vor-)Beheizung bzw. Kühlung des Gebäudes genutzten Luft im Verhältnis zur direkt der Atmosphäre entnommenen und entsprechend im Boden gespeicherten Luft.Abb.1stellt schematisch einen solchen Erwärmeübertrager für ein Wohnhaus dar. Hierbei handelt es sich um ein Rohsystem (am verbreitetesten werden Rohre aus Kunststoff verwendet), das im Erdboden in einer Tiefe von 1,5-3m verlegt wird, mit einem Lufteinlass oberhalb des Geländes. Der Erdwärmetauscher wird zur Vorbeheizung (im Winter) oder zur Kühlung (im Sommer) der im Gebäude zirkulierenden Luft eingesetzt. Sehr oft wird ein solches System mit mechanischen Lüftungsanlagen im Gebäude sowie einem Rekuperator (indirekter Wärmetauscher) verbunden, in dem in der Heizperiode ein weiterer Luftaustausch sowie eine Wärmegewinnung aus der Abluft erfolgen. Im Sommer wird anstelle des indirekten (Platten-)Wärmetauschers ein sog. Bypass in Betrieb genommen, um dem Gebäude maximal gekühlte Luft zuzuführen.