Analyse von Kältesystemen
Werkzeug für die Simulation innovativer Kühltechnologien

Mit diesem Forschungsprojekt wird ein Simulationswerkzeug zur Bewertung konventioneller und innovativer Gebäudekühltechnologien entwickelt. In einer zweiten Projektphase wird das Werkzeug auf luftgestützte Systeme und solare Kühlung mit Photovoltaik-Modulen in Kombination mit elektrischen Kältemaschinen erweitert. Damit können unterschiedliche Systeme zur Klimatisierung von Gebäuden hinsichtlich Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit verglichen werden. Die Software eignet sich sowohl für schnelle und vereinfachte Bewertungen von Kühlsystemen für Energieberater und Architekten als auch für detaillierte, vergleichende und dynamische Berechnungen für Fachplaner.

Für die Kühlung von Gebäuden sind grundsätzlich eine Vielzahl von Technologien und Systemen verwendbar. Bei der Planung dieser Kühlsysteme sind Simulations- und Planungswerkzeuge hilfreich, um das vielfältige Angebot an konventionellen und innovativen Kühltechnologien abbilden und vergleichen zu können. Aber insbesondere zu thermisch angetriebenen Kältemaschinen fehlten bislang geeignete Werkzeuge. Mit thermisch angetriebenen Prozessen sind sowohl mit solarer Wärme angetriebene Kältemaschinen (Solare Kühlung) gemeint als auch jene, die durch Abwärme angetrieben werden, beispielsweise mit Abwärme von Blockheizkraftwerken (KWKK). Daneben gibt es weitere energieeffiziente Kühltechnologien wie die aktive und passive Kühlung mit Elektro-Wärmepumpen. Letztere ist besonders umweltschonend, wenn der benötigte Strom mit Hilfe von PV-Anlagen erzeugt wird.

Forschungsfokus

Das neue Simulations-und Auslegungswerkzeug soll detaillierte Gebäudesimulationen und realistische Anlagensimulationen verbinden und dabei auch dynamische Vorgänge abbilden können. Damit soll eine integrale Planung von Architekten und TGA-Planern unterstützt werden.
Mit dem Forschungsprojekt soll eine hierfür geeignete Software entwickelt und evaluiert werden. In der Projektphase 1 (Coolplan) standen auf flüssigen Wärmeträgern basierende Systeme im Vordergrund. In der zweiten Projektphase (Coolplan Air) wird ein besonderer Fokus auf luftgestützte Kühltechnologien gelegt. Zusätzlich werden hier die Kälteanlagen im laufenden Betrieb vermessen, um komplette Systeme auf Basis der Messdaten zu validieren.

Meilensteine und Erfolge

Im Forschungsprojekt Coolplan wurden verschiedene marktrelevante und energieeffiziente Anlagenkomponenten zur Kühlung von Gebäuden an Testständen detailliert vermessen. Beispiele für vermessene Gerätetypen sind umkehrbare Sole-/Wasser-und Luft-/Wasser-Wärmepumpen, ein Kaltwassersatz sowie Adsorptions- und Absorptionskältemaschinen. Von den getesteten Geräten wurden mathematische Simulationsmodelle entwickelt, mit Messdaten validiert und an die Anforderungen des Projekts angepasst. Auch das instationäre Teillastverhalten wurde dabei abgebildet. Damit lässt sich das dynamische Anlagenverhalten betrachten, was für die Planung interessant ist.

Die Simulationsmodelle wurden bereits in marktverfügbare Simulationsprodukte integriert. Hierzu zählen, zusätzlich zu den oben genannten, Modelle für BHKW mit konstanter als auch variabler Drehzahl sowie Modelle für Hybridkühler und Kühlturm.

Anschließend wurde die Software für komplette Systeme zur solaren Kühlung und für die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung validiert. Hierbei wurden die bereits zuvor einzeln validierten Komponentenmodelle zu einem System verschaltet und mit den notwendigen Hydrauliken und Regelungsalgorithmen ausgestattet. Mit der so entstandenen Software können nun vielfältige innovative Kühltechnologien simuliert werden.

Anwendung

Die Software richtet sich überwiegend an Handwerker und Planer, die mit der Auslegung eines Kühlsystems befasst sind. Im Vordergrund steht die gekoppelte Simulation von Anlage und Gebäude, um die Energieeffizienz beurteilen und die Anlagen geeignet dimensionieren zu können. Auch die Einbindung von Klimadaten für den gewählten Standort und eine Wirtschaftlichkeitsanalyse sind erfolgt.

Somit wurde die Möglichkeit der Simulation moderner, umweltfreundlicher Methoden zur Kühlung von Gebäuden, wie z. B. das solare Kühlen oder das Kühlen mit Hilfe einer umkehrbaren Wärmepumpe in ein Softwareprodukt integriert. Dies vereinfacht es Fachplanern, Energieberatern und Architekten, Systeme zur solaren Kühlung, zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung und zur aktiven wie passiven Kühlung mittels reversibler Wärmepumpen zu bewerten. Damit und durch die Möglichkeit der Übernahme von Projekten aus bzw. in eine weit verbreitete Energieberatersoftware können diese Kühlmethoden von einem breiten Kreis von Anwendern hinsichtlich ihrer Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit mit konventionellen Kühlsystemen verglichen werden. Durch die Implementierung von Building Information Modeling (BIM) eignet sich diese Software besonders zur integralen Planung von Gebäuden und Anlagen. Durch die Integration in eine Software zur Gebäudesimulation ist es auch möglich, den Einfluss von Maßnahmen zum Sonnenschutz, wie zum Beispiel das Anbringen von Verschattung mit zu evaluieren. Mit den in Coolplan Air entwickelten mathematischen Modellen von luftgestützten Kühlsystemen sowie solarer Kühlung mittels PV-Strom betriebener Kompressionskältemaschinen wird die Software dann nochmals erweitert werden. Zusätzlich wird die Gebäude-Simulation um die Simulation der Luftfeuchte ergänzt und die Kälteübergabe in den Räumen genauer betrachtet werden.