Heiz-Kühl-System

Ablaufschema der Potenzialanalyse (© Fraunhofer IBP)

Matthias Pazold, Sabine Giglmeier, Matthias Winkler, Zhenming Peng


Potenzialanalyse des Einsatzes bestehender Heizsysteme zur Raumkühlung

Einsatzmöglichkeiten und Grenzen


Mit einer am Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP durchgeführten Analyse wurde untersucht, inwieweit vorhandene Heizsysteme zur Vermeidung von sommerlicher Überhitzung beitragen können. Das Potenzial von ursprünglich reinen Heiz-Übergabesystemen zum Kühlen kann mit einer hygrothermischen Gebäudesimulation untersucht werden.

Mit den steigenden Sommertemperaturen wird die Kühlung von Gebäuden auch in den gemäßigten mittel- und nordeuropäischen Klimazonen immer beliebter. Neben der Neuinstallation von Klimaanlagen in Bestandsgebäuden ist zudem die Möglichkeit, eine vorhandene Wärmepumpe auch zum Kühlen einzusetzen, interessant, sofern diese einen reversiblen Betrieb erlaubt.

Für die sommerliche Kühlung kann somit das gleiche System verwendet werden, das bereits zum Heizen installiert ist. Gekühlte Heizkörper ermöglichen theoretisch vergleichsweise schnelle Reaktionszeiten und kostenintensive Neuinstallationen entfallen. Das System weist jedoch potenzielle Schwächen auf: Gekühlte Oberflächen erhöhen das Risiko von Kondensation und Schimmelbildung erheblich. Dem Risiko entgegenwirkende höhere Oberflächentemperaturen verringern jedoch die Kühlleistung und Reaktionszeit des Systems.

Für eine Abschätzung, inwiefern diese Technologie zur Vermeidung sommerlicher Überhitzung geeignet ist, wird am Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP eine entsprechende Potenzialanalyse durchgeführt (Abb. 1).

Dabei werden die Möglichkeiten von Labormessungen mit hygrothermischen Gebäudesimulationen kombiniert:

  • In einem Testraum wird ein Radiator aufgebaut, gekühlt und seine raumklimatische Wirkung und weitere Parameter werden ermittelt.
  • Dieser Aufbau wird dann in der hygrothermischen Gebäudesimulationssoftware WUFI® Plus als Modell entwickelt und anhand der Messungen validiert.

Mit diesem Modell wird anschließend eine Parameterstudie durchgeführt, um die Einsatzmöglichkeiten und Grenzen des Kühlsystems in Abhängigkeit von unterschiedlichen Baustandards, klimatischen Bedingungen und des Nutzerverhaltens zu bestimmen. Neben der Kühlung über einen Radiator wird auch eine gekühlte Fußbodenheizung untersucht.


Laboruntersuchungen

Testraum

Am Standort Stuttgart betreibt das Fraunhofer IBP einen eigenen Klimasimulator, dessen Lufttemperatur zwischen -15 und +55 °C eingestellt und somit jedes erforderliche Außenklima abgebildet werden kann. Der innerhalb des Klimasimulators befindliche Testraum verfügt unter anderem über mehr als 170 Thermoelemente, Sensoren zur Grenzschichtvermessung, Wärmestrommesser, Feuchte- und Widerstandssensoren.

Zwei der Wände des Testraums können mithilfe von Heizmatten auf der Außenseite als »Innenwände« betrachtet werden – während auf die beiden anderen »Außenwände« direkt die im Klimasimulator eingestellten Bedingungen einwirken. Alle Wände sowie der Fußboden verfügen über eigene Regelkreise und sind je nach Bedarf beheizbar.

Für die Studie wird innerhalb dieser genau definierten, überwachten Umgebung ein Radiator mit einer Breite von 0,72 m und einer Höhe von 1,00 m installiert und kontrolliert gekühlt (Abb. 2).


Ablauf

Ziel dieses Labortests ist es, Reaktionszeiten, Kühlleistung und Kondensationsraten zu messen. Das Klima außerhalb des Testraums wird auf 28 °C und 68% relative Luftfeuchtigkeit geregelt. Diese Werte stellen sich auch vor Versuchsbeginn und zwischen den einzelnen Kühlphasen im Testraum ein und bilden somit für jede Kühlphase gleiche Anfangsbedingungen. Es werden vier Kühlphasen mit unterschiedlichen Kühldauern von vier, acht, 24 und 67 Stunden durchlaufen.

Nach jeder Phase wird das kondensierte Wasser am und unter dem Radiator gesammelt und gewogen. Die Abkühlzeiten und die Solltemperaturen des durch den Radiator gepumpten Wassers im Vorlauf werden aufgezeichnet. Zusätzlich werden die Auswirkungen auf die raumklimatischen Bedingungen innerhalb des Testraums (Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit) und die Oberflächentemperaturen an den Sensorpositionen erfasst. Die gesammelten Messdaten werden dann zur Validierung des hygrothermischen Berechnungs- bzw. Simulationsmodells verwendet.


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