Projekt Energie

CHARACTERISTICS OF PHASE-CHANGE MATERIALS AND THEIR ROLE IN THE PROCESS OF HEAT ACCUMULATION

(Bild: 1/2)

Phase change materials (PCM materials) - these are materials that absorb, store and release large amounts of energy in the form of latent heat, in a strictly defined temperature range, called the phase transition range, during which the material changes phase.

Currently, several hundred phase change materials are known, usually water and salt solutions, paraffins, fatty acids and alcohols, sugars, salt hydrates [1].

Phase change materials are generally bad heat conductors, which makes the heat transfer between the PCM material and the mediating thermodynamic medium much more difficult.

Change-phase materials, depending on the temperature range in which the phase transitions used for the energy accumulation process take place, can be divided into three groups [2,3]: low temperature PCM, medium temperature PCM and high temperature PCM.

Effect of thermal mass, night ventilation and window shading on summer thermal comfort of buildings in a temperate climate

(Bild: 1/2)

Night ventilation and external blinds are the most commonly used passive methods to protect buildings from overheating during high summer temperatures. Another recommended measure is high thermal inertia of buildings. The aim of the study was to compare the effectiveness of night ventilation, external blinds and thermal mass on the summer thermal performance of a building in a temperate climate. Increasing the thermal mass of the room from light to very heavy without night ventilation resulted in a reduction of the average peak temperature by 3.7 K in a day and 1.2 K by night. The activation of night ventilation in a light room resulted in a reduction of the average value of the peak temperature by 1.5 K during the day and 5.9 K at night. Increase of thermal mass from light to heavy and night ventilation from 0.6 to 10 ACH led to decrease of average peak temperature by 4.7 K in a day and 4.6 K by night. The simultaneous increase of thermal mass, activation of night ventilation and closing of external blinds resulted in lowering the average peak temperature by 7.4 K in a day and 6.3 K by night. The analysis of the test results indicates that the high thermal mass and the closing of the external blinds reduces the diurnal variations of the indoor temperature, while the activation of night ventilation increases it significantly, especially for lightweight construction.

Sommerakademie Energiespeicherung und Energieeffizienz mit Studenten BTU C-S- und Universität Zielona Góra

Am 23.-26. August 2021 fand die deutsch-polnische Sommerakademie Energiespeicherung und Energieeffizienz im Rahmen des Projektes „Die Kooperation der Wissenschaftspartner in der Ausbildung und beim Wissenstransfer im Bereich der Energiespeichertechnologien und der Energieeffizienz in der Region SNB" statt, an der die Studenten der BTU Cottbus-Senftenberg und der Universität Zielona Góra (Fakultät Bauingenieurwesen, Architektur und Umwelttechnik) teilnahmen.

Aufgrund der Einschränkungen durch die Coronavirus-Pandemie konnte die Akademie für die Studenten beider Universitäten nicht an einem Ort organisiert werden. Sie wurde auf beiden Seiten der Grenze stattgefunden, aber die Studenten absolvierten zur gleichen Zeit dasselbe Programm und hatten bei Bedarf die Möglichkeit, online Kontakt aufzunehmen.

Geplant war die Akademie für 12 Studenten (6 UZ-Studenten und 6 BTU-C-S-Studenten). 14 Personen nahmen jedoch daran teil.

Projektmitarbeiter von CEBra e.V., BTU C-S und UZ haben gemeinsam ein sehr breites und interessantes Ausbildungsangebot im Bereich Energiespeicherung und Energieeffizienz erarbeitet, dass das vor allem auf die Praxis ausgerichtet ist. Im Rahmen der 4-tägigen Ausbildung konnten die Studenten neben Vorlesungen selbstständig thematische Experimente durchführen. In den ersten beiden Tagen wurden die von deutscher Seite vorbereiteten Themen zur Erneuerbaren Energien: Windkraft, Photovoltaik, Solarthermie Energie, Energiespeicherung umgesetzt und in den nächsten beiden Tagen - vorbereitet von polnischer Seite zu den Themen Wärmespeicherung und Energieeffizienz.

Das Programm der Akademie umfasste folgende Themen:

  1. Erneuerbare Energien und ein Überblick über verschiedene Energiespeichertechnologien.
  2. Vorstellung chemischer und elektrochemischer Energiespeicher.
  3. Durchführung eigener Versuche im Bereich: Windenergie, Solarenergie, Wärmeenergie, Photovoltaik und Energiespeicherung sowie Auswertung der erzielten Ergebnisse.
  4. Prozesse der Wärmespeicherung und -abgabe unter Verwendung von Phasenwechselmaterialien (PCM).
  5. Darstellung der Erstarrung von PCM-Materialien in verschiedenen geometrischen Systemen und Versuchsdurchführung mit Diskussion und Diskussion der Ergebnisse.
  6. Sonnenkamin - künstliche Arbeitsbedingungen.
  7. Energieeffizienz. Wärmebild und Luftdichtheit der thermischen Gebäudehülle. Durchführung von Experimenten mit Diskussion und Auswerung der Ergebnisse.
  8. Die Nutzung von Sonnenstrahlung zur Wärmespeicherung in PCM-Materialien. Durchführung eines Experiments in diesem Bereich mit Diskussion und Auswertung der erzielten Ergebnisse.

Die Sommerakademie wurde unter anderem von Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Krautz, Dr.-Ing. Anna Staszczuk, Prof. hab. Dr.-Ing. Zygmunt Lipnicki und Dr. Iwona Napierała, Ing. Steffen Swat und Ing. Piotr Grabas durchgeführt. Am Ende der Akademie erhielten die Studenten Zertifikate, die die erworbenen Kenntnisse bestätigten und kleine Geschenke.

In allen Unterrichtseinheiten zeigten die Studenten ein großes Interesse an den vorgestellten Themen und Mitwirkung bei der Durchführung von Experimenten. Sie betonten, dass ihnen die Akademie viel Wissen zu sehr aktuellen und wichtigen Themen vermittelt habe. Für uns – die Organisatoren des gesamten Projektes, sowie Wissenschaftler und Pädagogen – ist dies die beste Belohnung für all die Mühe, die in die Vorbereitung gesteckt wurde.

Ähnliche mehrtägige Schulungen werden in regelmäßigen Abständen im Rahmen des zweiten Projektes "Energiespeicher der Zukunft in der Region Spree-Neiße-Bober". Wir laden alle Studenten ein, an diesen grenzüberschreitenden Ausbildungsangeboten teilzunehmen!

An experimental and theoretical study of the solidification process of phase change materials in a horizontal annular enclosure

The main purpose of this description is to examine experimentally and theoretically the process of heat accumulation and heat release for PCM (phase change materials) in an annular space.

The theoretical part of this work provides a solution of the problem of liquid solidification in an annular space under the influence of free convection. Here a simplified quasi-steady-state model for solidification has been applied. The new simplified model describes the solidification phenomenon with an imposed boundary condition on the solidification interface by applying a heat transfer coefficient. From the developed model, the influence of various dimensionless parameters on the phase change problem can be seen clearly.

Measurements and observation of the thickness of the solidified layer were performed in a newly built apparatus. In addition, this work is also concerned with the role of the contact layer in the solidification process. Results are showing the thickness of the solidification layer depending on time and the distribution of the local heat transfer coefficient on the surface of the solidification front. The obtained experimental and numerical results show good agreement.

Zum Einfluss des Erdbodens auf Kühlung und Beheizung von Innenräumen

Experimentelle Untersuchung zur Beheizung modellhafter Räume in Wohngebäuden wurden u.a. in den Studien unter [1, 2, 3] vorgestellt. Gegenstand vorliegenden Beitrags bildet eine theoretische Analyse des Einflusses, den der Erdboden, auf dem ein Gebäude errichtet wurde, auf die in den Innenräumen herrschenden klimatischen Bedingungen nimmt. Er kann einerseits Wärme abgeben (Abb. 1 a), und andererseits Wärme zuführen (Abb. 1 b). Die in diesem Betrag dargelegte Analyse einer nicht-stationären Beheizung oder Kühlung des Erdbodens gestattet ein besseres Verständnis von Vorgängen der Wärmespeicherung im Erdboden.

Die Innenraumluft eines Gebäudes mit einer konstanten Lufttemperatur Tp erwärmt oder kühlt über den Fußboden mit der Lufttemperatur Ts die sich unterhalb des Gebäudes befindliche Bodenschicht. Vorliegender Beitrag konzentriert sich auf Vorgänge der Kühlung von Innenräumen (vgl. Abb. 1 a).

Erstarrungsvorgänge kugelförmiger Phasenwechselmaterialien

Eine der zahlreichen Möglichkeiten, unter Verwendung von Phasenwechselmaterialien (PCM) Wärme zu speichern oder abzugeben, besteht darin, in Wärmespeichern Kugeln einzusetzen, die mit einem PCM befüllt sind. Beim Phasenübergang vom festen in den flüssigen Zustand (Schmelzen) speichert das PCM Wärme, die es beim Erstarren wieder abgibt. Die in Wärmespeichern eingesetzten PCM in Kugelform können dabei relativ geringe Durchmesser aufweisen, bei einer gleichzeitig hohen Anzahl von Kugeln. Ein solcher Aufbau von Wärmespeichern trägt zu einer Verbesserung der Energieeffizienz der o.g. Phasenwechsel bei. 

Abbildung 1 zeigt eine einzelne Kugel, in der es zum Erstarren eines PCM kommt. Phasenwechselprozesse im Inneren einer Kugel wurden sowohl theoretisch wie auch experimentell von vielen Autoren untersucht; vgl. hierzu u.a. die unter [1, 2, 3] angegebenen Beiträge.

Pufferwärmespeicher in Plattenform; 1

Im letzten Beitrag (Pufferwärmespeicher in Plattenform) wurde das Problem der Entladung eines plattenförmigen Pufferwärmespeichers erörtert. Ein ähnlich gelagertes Problem kann bei der Aufladung eines Pufferspeichers in Form einer dünnen Platte beobachtet werden, wobei die Richtung des Wärmestroms entgegengesetzt verläuft. Der vorliegende Beitrag widmet sich daher der Beschreibung des Wärmeaustausches zwischen einem solchen plattenförmigen Pufferspeicher (s. Abb. 1) der Dicke , der Höhe  sowie der Breite  und einer Kühlflüssigkeit in umgekehrter Richtung. Auch hierbei soll vorausgesetzt werden, dass die Platte aus einem Baustoff der Dichte  gefertigt wurde sowie die spezifische Wärmekapazität  und einen bestimmten Wärmeleitkoeffizienten  aufweist. Die flache äußere Oberfläche der Platte  wird von einer durchfließenden Flüssigkeit mit der Temperatur  und dem Wärmeübergangskoeffizient  aufgeheizt, alle anderen Außenflächen der Platte sind wärmeisoliert. Der Platte mit der Anfangstemperatur  wird ein Wärmestrom zugeführt. Wiederum kommt es in der Platte zu einer unbestimmten Wärmediffusion, deren Untersuchung zur Ausweisung eines Temperaturfelds innerhalb der Platte führt, wobei die Koordinate  senkrecht zur Fläche  verläuft, die anfangs eine adiabatische Zustandsänderung beschreibt, sowie der entsprechenden Zeit . Die Lösung der diese Diffusionsvorgänge beschreibenden Fourier-Gleichung erfüllt beide Grenzbedingungen, d.h. Ausgangs- sowie Rand- bzw. Rahmenbedingungen. Dieser unbestimmten Wärmediffusion widmen sich ausführlich die im Literaturverzeichnis genannten Fachbeiträge [1, 2, 3].

Vorliegender Beitrag widmet sich nunmehr vor allem der Aufladung des Wärmespeichers, also der Aufheizung der Platte bis zu einer entsprechenden hohen Temperatur. Bei der Dimensionierung des Wärmespeichers finden die gespeicherte Wärmemenge, der Wärmestrom sowie die für die Entladung des Speichers benötigte Zeit entsprechend Berücksichtigung.

Pufferwärmespeicher in Plattenform

Vorliegender Beitrag widmet sich einer Beschreibung des Wärmeaustauschs zwischen einem Pufferspeicher in Form einer dünnen Platte (Abb. 1) der Dicke , der Höhe  und der Breite  sowie einer Kühlflüssigkeit. Hierbei wurde die Platte aus einem Baustoff der Dichte  gefertigt, er weist die spezifische Wärmekapazität  sowie einen bestimmten Wärmeleitkoeffizienten  auf. Die flache äußere Oberfläche der Platte  wird von einer durchfließenden Flüssigkeit mit der Temperatur  und dem Wärmeübergangskoeffizient  gekühlt, alle anderen Außenflächen der Platte sind wärmeisoliert. Der Kühlflüssigkeit wird ein Wärmestrom zugeführt. Somit kommt es in der Platte zu einer unbestimmten Wärmediffusion, deren Untersuchung zur Ausweisung eines Temperaturfelds innerhalb der Platte führt, wobei die Koordinate  senkrecht zur Fläche  verläuft, die anfangs eine adiabatische Zustandsänderung beschreibt, sowie der entsprechenden Zeit . Die Lösung der diese Diffusionsvorgänge beschreibenden Fourier-Gleichung erfüllt beide Grenzbedingungen, d.h. Ausgangs- sowie Rand- bzw. Rahmenbedingungen. Der Problematik der unbestimmten Wärmediffusion widmen sich die im Literaturverzeichnis genannten Beiträge [1, 2].

Vorliegender Beitrag konzentriert sich hauptsächlich auf die Entladung eines zuvor beladenen Wärmespeichers, d.h. einer bis zu einer entsprechend hohen Temperatur geheizten Platte. Bei der Dimensionierung des Wärmespeichers finden die gespeicherte Wärmemenge, der Wärmestrom sowie die für die Entladung des Speichers benötigte Zeit Berücksichtigung.

Prozessor-kühlung mithilfe von Wärmepumpen

Im Beitrag wird ein anwendungsbezogenes Beispiel für den Einsatz einer Kompressionswärmepumpe zur Kühlung elektronischer Bauteile (hier eines Prozessors) mit interner Wärmequelle vorgestellt. Ein sehr wichtiges Bauteil einer Kompressionswärmepumpe ist der Verdampfer (s. Abb. 1), in den das Kältemittel in flüssiger Form eingeleitet wird, wo es verdampft und damit die Intensität des Kühlvorgangs erhöht. Die Abbildung zeigt einen gekühlten Prozessor mit der Höhe H, in dem schematisch die externen Wärmequellen dargestellt wurden. Die Außenfläche des Prozessors umgibt das flüssige Kältemittel mit der Dicke h, aus der Gas verdampft. Abgebildet sind ebenso der Temperaturverlauf im Inneren des Prozessors und in der Flüssigkeitsschicht sowie die Kontakttemperatur Tc zwischen der Oberfläche des Prozessors sowie der Flüssigkeitsschicht. Hierbei ist Ts die Temperatur, bei der die Flüssigkeit verdampft.

Wärmepumpen

Einleitung:

  1. Derzeit stellen fossile Energieträger und ihre Verbrennung weltweit noch immer die wichtigste Energiequelle dar.
  2. In der Natur, d.h. im Wasser, im Erdboden und in der Luft gibt es enorme Energiemengen, die in sog. Niederenergie-Wärmequellen gespeichert sind; deren Nutzung ist jedoch schwierig, da die Temperatur dieser Energiequellen sehr gering ist.
  3. Thermische Energie beschreibt einen Prozess, in dem die Übertragung von Energie aufgrund von Temperaturunterschieden erfolgt.
  4. Die Übertragung von Energie von einer Energiequelle geringerer Temperatur zu einer Energiequelle höherer Temperatur ist daher dann möglich, wenn dem System Energie von außen zugeführt wird.
  5. Wärmepumpen bilden eine der zahlreichen Möglichkeiten, die in der Umgebung gespeicherte Wärme relativ geringer Temperatur zu nutzen.

Hinweis: Die Präsentation enthält eine Animation des Diagramms. Starten Sie daher bitte die Diashow.

Sustainable building engineering

This material presents basic information about sustainable building engineering: the definition, basic objectives, main assumptions, actions to be taken by all major entities in the building engineering sector for sustainable development.

Building engineering plays an important role in the concept of sustainable development from the point of view of its environmental sustainability outcome. It is increasingly expected to subordinate structural, material, technological and installation solutions to sustainable development principles. According to these principles, newly designed buildings should minimise the consumption of energy and natural resources throughout their life cycle, so that the burden on the external environment is minimised.

The material presents the LCA technique, i.e. life cycle assessment, which is used to examine the environmental aspects and potential impacts during the entire life cycle of the product, from the acquisition or production of raw material from natural resources through production, use, to final disposal.

Thinking in terms of the product life cycle, the construction process or the entire facility is an important element supporting the decision making process when selecting specific material, technological, constructional solutions.

The ecological aspect is another important issue, besides the economic one, durability, usability, which should be taken into account when designing energy efficient buildings.

Energy efficiency. Intelligent buildings – Part 1

This material presents a short history of the creation of smart buildings, the various definitions and the shaping of these buildings taking into account environmental, economic and ergonomic aspects.

The idea of intelligent buildings was launched in the 70’s and the first intelligent building in the next decade. It was then that the idea of intelligent buildings was adopted for public and residential buildings. In 1983, the first intelligent building was built in the USA. There are many definitions of an intelligent building. According to one of them, an INTELLIGENT BUILDING is a building that manages resources, services and their interrelationships in an integrated way to meet the changing needs of its users, while minimizing costs and continuously respecting the environment throughout its life cycle. An important role in creating and managing smart buildings is played by the building management system - BMS.

Energy efficiency. Intelligent buildings – Part 2

This material presents a research report carried out by Buildings Performance Institute Europe.  
Its aim was to answer the question: Is Europe ready for the smart revolution? The study took into account factors such as: the energy performance of a building, the ability to keep it warm/cool,
a healthy living and working environment, the share of RES energy in total energy consumption, photovoltaic energy for the market, efficient heating and cooling, smart meter deployment, a dynamic energy market, household internet connection, demand response, the development of building energy storage and the identification of the electric vehicle market. The indicators adopted for assessing the individual characteristics made it possible to create a map of Europe showing smart-readiness on a five-stage scale from Slow-starters to Smart-ready.

University of Zielona Góra research laboratory on energy efficiency in buildings / On-line platform

Research laboratory on energy efficiency in buildingsis equipped with renewable energy sources (RES), control and measurement equipment, monitoring basic parameters of building operation, BMS (Building Management System) and meteorological station. The BMS system includes an on-line platform with access for scientific and technical staff, thanks to which it is possible to observe the development of particular internal and external parameters. Through this platform, it is possible to remotely adjust selected parameters as part of scientific research. The platform also contains a visualization of the solar chimney and shows measurements from sensors installed inside.

Downloads

Konzept für ein Geothermiekraftwerk

Gegenstand dieses Fachbeitrags bildet ein Konzept, wie Erdwärme zum Antrieb eines Turbinengenerators in einem Geothermiekraftwerk genutzt werden kann. Beispiele für die Nutzung von Erdwärme werden in den Arbeiten [1, 2, 3] beschrieben. Ähnlich wie im Betrag [2] beschrieben, werden im Rahmen des vorliegend beschriebenen Ansatzes zwei Wärmequellen zum Betrieb eines geothermischen Niedertemperatur-Kraftwerks eingesetzt: eine obere Wärmequelle (Tiefbohrung, I) sowie eine untere Wärmequelle (Flachbohrung, II) (vgl. Abb. 1). Das der Bohrung I entnommene Heißwasser dient hauptsächlich zu Heizzwecken und wird in geringerem Maße ebenso zur Stromerzeugung genutzt; hierzu findet eigens ein Wegeventil Anwendung. Das Wegeventil kann ebenso die Funktion eines Regel-Wegeventils übernehmen.

The application of materials with high thermal mass or PCMs for heat storage in buildings

Building materials with a high thermal mass or phase change materials (PCMs) can be used for heat storage in buildings e.g. to prevent their overheating in summer as well as energy saving for cooling. In presentation the results of experimental studies carried out in 3 terraced rooms with windows facing south located at the Centre for Sustainable Building and Energy (CSBE) in The Science and Technology Park in Nowy Kisielin was shown. The rooms were designed to be identical, except for the walls and roof, which were made of PCM (Room E),  reinforced concrete (Room B), light timber-framed system (Room D – reference). The main aim of the study was to compare the influence of PCM and reinforced concrete on the summer thermal performance of a room in an existing building without additional night ventilation in temperate climate. In addition, it aimed to test whether this effect depends on duration and severity of the heat waves. Results and conclusions were included in presentation entitled: “The impact of wall and roof material on summer thermal performance of building in a temperate climate”.

ZUR NUTZUNG VON MIT PCM GEFÜLLTEN PLATTEN BEI DER WÄRMESPEICHERUNG / ERSTARRUNGSVORGÄNGE IN CSM-PLATTEN

CSM-Platte des Herstellers Rubitherm

Mit einem PCM (phase change material) gefüllte sowie an den Innenwänden eines Raums montierte Kompaktspeicher in Plattenform eignen sich gut für einen sparsamen und effektiven Umgang mit der zur Verfügung stehenden Heizwärme. Eine mit einem PCM gefüllte Platte trägt aufgrund einer vorherbestimmten und konstanten Phasenwechseltemperatur (Erstarren und Schmelzen des PCM) zu einer Stabilisierung des Innenraumtemperatur bei. Das flüssige PCM, hier in einen Kompaktspeicher in Form einer flachen Platte gefüllt, gibt – nachdem es zuvor von der durchfließenden Wärme geschmolzen wurde – beim Erstarren wieder Wärme in denselben Raum ab. Foto zeigt eine solche CSM-Platte des Herstellers Rubitherm vor.

Zum Einsatz von Kompressionswärmepumpen zur Aufladung von (Phasenwechselmaterialien nutzenden) Latentwärmespeichern

Im Rahmen der Kombination einer KWP (Kompressionswärmepumpe) mit einem Wärmespeicher kann die Ladungstemperatur eines Wärmespeichers je nach Wärmebedarf reguliert werden. Die Ladungstemperatur ist vorrangig von der Art des eingesetzten  PCM (Phasenwechselmaterial) sowie den Parametern des KWP abhängig. Die wichtigsten Eigenschaften der gewählten PCM können auf der Internetseite https://www.rubitherm.eu/ eingesehen werden. Entscheidend für die Geschwindigkeit der Auf- und Entladung eines Wärmespeichers ist – wie bereits in den vorangegangen Studien hierzu gezeigt wurde – vor allem seine Geometrie (wie das Verhältnis zwischen Höhe oder Länge und Durchmesser sowie eine stehende bzw. liegende Anordnung). Die aus einem PCM hergestellten Bauteile eines Wärmespeichers wiederum können je nach Bedarf flach, walzenförmig, ringförmig oder in Kugelform etc. gestaltet sein. Abbildung 1 stellt konzeptionell die Kombination eines KWP-gestützten Heizungssystems mit einem Latentwärmespeicher sowie die einzelnen Be- und Entladungsprozesse dar.

Das System besteht aus einer unteren Wärmequelle, die im hier gewählten Falle der Erdboden (Erdwärme) ist, einer Kompressionswärmepumpe, einem (Latent-)Wärmespeicher sowie einer oberen Wärmequelle, an die die erzeugte Wärme abschließend abgegeben wird. Die KWP (sie setzt den Wärmestrom in Gang) lässt die Erdwärme der Temperatur zum Latentwärmespeicher strömen, woraufhin das PCM der Temperatur schmilzt. Dieser Vorgang beschreibt den Beladungsprozess des Wärmespeichers. In Abhängigkeit von den eingestellten Parametern der Wärmepumpe werden der erwünschte Wärmestrom sowie die erwünschte Temperatur erzielt.

Thermografie, Teil 2

(Bild: 1/2)

Mithilfe der Thermografie können im Bauwesen sowie im Rahmen der Wärmeversorgung von Gebäuden u.a.:

  • der Zustand der Wärmedämmung von Gebäuden (wie undichte Stellen und Risse in der Gebäudehülle und Fehler bei der Bauausführung) sowie
  • der Zustand der Isolierung von Fenstern und Türen (u.a. ob diese richtig eingesetzt und die Rahmen fachgerecht isoliert wurden und dicht sind) bewertet werden,  
  • Risse und Ungleichmäßigkeiten der eingesetzten Baustoffe sowie
  • sonstige Mängel der eingesetzten Baustoffe entdeckt werden,
  • technische Mängel bei Anschlüssen und Übergängen der einzelnen Bauteile festgestellt werden,
  • Wärme- bzw. Kältebrücken lokalisiert werden,
  • der bautechnische Zustand der Gebäudehülle vor und nach den Dämmmaßnahmen verglichen werden (Dokumentation von Schäden, Reparaturen, Isolierungen, etc.),
  • die Qualität der Bauleistungen kontrolliert werden,
  • feuchte Stellen an den Anschlüssen und Übergängen, Leckagen in der Gebäudehülle sowie von möglichem Pilzbefall betroffene Flächen entdeckt werden,
  • Stellen festgestellt werden, an denen Wärme aus der Heizungsanlage austritt,
  • Risse im Wärme- und Wasserleitungsnetz festgestellt werden,
  • Leckagen und undichte Stellen an den Rohrleitungen und Luftfilteranlagen entdeckt werden,
  • mangelhafte und nicht inventarisierte Bauteile der Heizungsanlage sowie
  • Mängel der Fußboden-, Wand- und/oder Deckenheizung festgestellt werden,
  • Standorte und Leistung von Heizwiderständen ausgewiesen werden,
  • eine umfassende Diagnose von Lüftungs- und Klimaanlagen vorgenommen werden,
  • der bautechnische Zustand von Schornsteinen und
  • der bautechnische Zustand von Wärmetauschern bewertet werden.

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.

Downloads

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).