Prädiktive Wärmeflussregelung solaroptimierter Wohngebäude mit neuartigen Verschattungs- und Speichersystemen

  • Das moderne Wohngebäude zeichnet sich durch einen niedrigen Heizwärmebedarf aus. Mit Zunahme der Sensitivität des Wohngebäudes bezüglich der Solarstrahlung aufgrund neuartiger Systeme wie transparenter Wärmedämmung, Phasenwechselmaterialien oder großer Fensterflächen, erweitert sich der herkömmliche Regelungsansatz zur Einhaltung des behaglichen Raumklimas. Das thermische Gebäudeverhalten definiert sich weitaus komplexer. Es kommen neben der notwendigen Heizung weitere Aktoren (Sonnenschutzeinrichtung, Lüftung) ins Spiel. Die Zunahme der realisierbaren, solaren Erträge bewirken im Winter fossile Energieeinsparungen. Im Sommer sind jedoch ohne geeignete Maßnahmen Überhitzungen die Folge. Mit Hilfe moderner und vernetzter Regelungstechnik können Wirtschaftlichkeit des Systems und Komfort optimiert werden. Hierzu wurden bewährte Simulationswerkzeuge erweitert. Moderne Komponenten wie Phasenwechselmaterialien, transparente Wärmedämmung und Verschattungssysteme auf Basis einer schaltenden Schicht im Glasverbund erfahren eine Modellbildung. Umfangreiche Validierungen zu den Teilmodellen und zum Gesamtmodell zeigen, dass eine realitätsnahe Abbildung erreicht wird. Grundlage dieser Validierungssequenzen waren Feldtestmessungen an bewohnten Gebäuden, sowie Ergebnisse von Systemtestständen. Die Aussagesicherheit des gesamten Gebäudemodells wurde durch eine sogenannte "Cross-Validation" mit anderen etablierten Simulationsprogrammen hergestellt. Mit der Schaffung der realitätsnahen Abbildung eines solaroptimierten Wohngebäudes, welches an eine heizungsunterstützende, solarthermische Anlage gekoppelt ist, wurde die Grundlage zur Entwicklung einer prädiktiven Wärmeflussregelung in Wohngebäuden mit erweitertem thermischen Verhalten gelegt. Eine Untersuchung zum dynamischen Verhalten auf periodische Anregung von Einflussgrößen, zeigt die dominanten Zeitkonstanten des Gebäudesystems auf. Einfallende Solarstrahlung durch Fenster wirkt sich am schnellsten auf die empfundene Raumtemperatur aus. Dies hat Auswirkung auf die prädiktive Regelung. Während im Winter die Solarstrahlung zur Heizungsunterstützung herangezogen werden soll, gilt es, im Sommer die Bewohner vor Überhitzung zu schützen. Damit die Regelung in der Heizperiode an sonnigen Tagen nicht unnötig vorheizt (d. h. frühzeitig abgeschalten wird, da der zukünftige Heizbedarf von der Sonne gedeckt werden kann) und damit Überhitzungen(vor allem im Sommer) vermieden werden können, wurde für das untersuchte Gebäudemodell ein Prognosehorizont für den Prädiktor bestimmt. Mit dem modellbasierten Regelungskonzept wurde ein übergreifendes Wärmemanagementsystem entwickelt, welches mit der Information einer lokalen Wettervorhersage den thermischen Zustand des Gebäudes vorhersagt. Aufgrund des im Regler implementierten, reduzierten Modells, berücksichtigt die Prädiktion die besonderen Eigenschaften der eingesetzten Fassadenkomponenten. Umfangreiche, simulationsgestützte Untersuchungen bewerten das Regelungskonzept. Als Referenzsystem dient ein Gebäude mit herkömmlichem Regelungskonzept.

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Metadaten
Author:Werner Hube
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-17506
Advisor:Lothar Litz
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2004
Year of Publication:2004
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2004/04/30
Tag:Phasenwechselmaterial; Transparente Wärmedämmung; solares Bauen; thermisches Gebäudeverhalten
GND-Keyword:Gebäudetechnik; Simulation; prädiktive Regelung
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $