Das Projekt KUEHA

Besonders in urbanen Gebieten kommt es in den Sommermonaten zu zunehmenden thermischen Belastungen. Hier verursachen verschiedene anthropogene Einflussfaktoren (Bild 1) spezielle klimatische Verhältnisse. Diese unterscheiden sich von denen des Umlandes vor allem durch deutlich höhere Temperatur- und Strahlungsbelastungen.

Die Aktivierung verschiedenster thermischer Speichermassen im urbanen Raum führen dazu, dass die Oberflächentemperaturen nicht dem Temperaturniveau des Tag- und Nachtwechsel im Umland folgen, sondern stetig ansteigen. Vor diesem Hintergrund kann auch der zunehmende Wärmeschutz von Gebäuden die sich in deren Inneren einstellende thermische Situation verschärfen. Die damit einhergehende Belastung für den Menschen führt zu einer signifikanten Erhöhung der Mortalitätsraten. Für zwei Bundesländer hat das Robert-Koch-Institut ein Monitoring zu hitzebedingten Sterbefällen im Sommer 2018 analysiert. In Bild 2 ist die Mortalität je 100.000 Einwohner nach Altersgruppen dargestellt.

In [3] wird darauf verwiesen, dass in Deutschland elf der extremen Hitzeperioden seit 1950, erst nach der Jahrtausendwende aufgetreten sind. Für die Sommer 2003, 2006 und 2015 wird die Anzahl hitzebedingter Sterbefälle mit jeweils über 6.000 angegeben. In [4] wird die Übersterblichkeit im Jahr 2003 hinsichtlich ihrer geografischen Verteilung und ihres Zusammenhangs mit der sommerlicher Hitzeperiode untersucht. Die Autoren ermitteln für Europa eine Übersterblichkeit von 70.000 zusätzlichen Sterbefällen während der Sommermonate.

Insbesondere im Gebäudebestand sind die Möglichkeiten zur Nachrüstung von Systemen zur Raumkühlung vor allem wegen der daraus resultierenden hohen Investitions- und Betriebskosten stark eingeschränkt. Demgegenüber kann mit der Nutzung der vorhandenen Heizungsanlage eine vergleichsweise kostengünstige und ökologische Lösung zur Raumkühlung realisiert werden. Diesbezüglich haben theoretische Voruntersuchungen [5], [6] gezeigt, dass auch mit Freien Heizflächen eine deutliche Verbesserung der thermischen Behaglichkeit erreicht werden kann. Mit dem Projekt KUEHA soll der Nachweis erbracht werden, dass sich die theoretischen Erkenntnisse auf praktische Anwendungsfälle übertragen lassen. Weiterhin werden die Untersuchungen auf die gesamte Kette, von der Kältebereitstellung über die Verteilung bis zur Übergabe erweitert und dabei auch regelungstechnische Problemstellungen sowie Aspekte der thermischen Behaglichkeit betrachtet. Das Projekt wird gefördert durch das BMWi aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages (Förderkennzeichen: 03ET1461AF).

Untersuchungsschwerpunkte

Schwerpunkte der Projektbearbeitung liegen in den messtechnischen Untersuchungen und im Sammeln praktischer Erfahrungen bei mehreren Feldtestobjekten. Ergänzend werden Labor-, numerische und messtechnische Untersuchungen durchgeführt. Bild 3 gibt einen Überblick über die im Projekt untersuchten Problemstellungen.

Laboruntersuchungen

Für die Laboruntersuchen steht ein Klimaraum mit den Abmessungen von 4 m x 5 m x 3 m zu Verfügung. Der Klimaraum besteht aus 18 Seitenwandelementen sowie zehn Decken- und Boden-elementen. Jedes Element besitzt bis zu drei wasserdurchströmte Kapillarrohrmatten, die oberflächennah auf der Innenraumseite angebracht sind. Insgesamt sind 73 Teilflächen im Bereich von 10 bis 50 °C temperierbar. Zudem lässt sich die Luft des Raumes auf eine Lufttemperatur zwischen 10 und 35 °C und auf eine relative Luftfeuchtigkeit von 20 bis 90 % konditionieren. Dabei ist die Strömungsführung variabel einstellbar [7]. In diesem Projekt werden im Klimaraum vor allem physikalische Effekte der Kühlung über Freie Heizflächen ohne äußere Einflüsse untersucht.

Felduntersuchungen

Bei den messtechnischen Untersuchungen werden zum einen die Übergabeseite, die Wärmeübergabe bzw. -aufnahme im Raum und zum anderen verschiedene Kältebereitstellungstechnologien untersucht. Zu den verschiedenen Kältebereitstellungsmöglichkeiten zählen:

Um die Leistungsfähigkeit der Kühlungen mit Freien Heizflächen bewerten zu können, werden neben dem ungekühlten Vergleichsfall verschiedene marktübliche Systeme untersucht. Dazu zählen:

Numerische Untersuchung

Die numerischen Untersuchen erfolgen u.a. unter der Nutzung der bidirektional gekoppelten Anlagen- und Gebäudesimulation „TRNSYS-TUD“ [7]. In den Bildern 4 und 5 sind beispielsweise die Anlagen- und Gebäudemodelle zweier Feldtestobjekte dargestellt. Der Schwerpunkt der Untersuchungen mit dem Modell der Pilot- und Demonstrationsanlage ist die Betrachtung der Wärmeübergabe in den Raum.

Ergebnisse

Heizflächendurchströmung

Freie Heizflächen weisen verschiedene Anschlussmöglichkeiten auf, wobei die wärmeübertragenden Platten wasserseitig immer von oben nach unten durchströmt werden. Es konnte bereits in [5], [6] mit CFD-Simulationen nachgewiesen werden, dass sich im Kühlfall bei einer solchen Durchströmung eine Kurzschlussströmung einstellen kann, bei der nur ein kleiner Teil der Heizkörperoberfläche zur Raumkühlung aktiviert wird. Die bisherigen praktischen Untersuchungen zeigen, dass sich bei mehrlagigen, parallel durchströmten Heizflächen eine solche Kurzschlussströmung nur bei kleinen Masseströmen einstellt (Bild 6a). Dies lässt sich durch eine Umkehr der Durchflussrichtung vermeiden (Bild 6c). An einer zentralen Stelle im Heizungsnetz kann mit geringem Aufwand eine Installation zur Strömungsumkehr nachgerüstet werden. Üblicherweise erfolgt jedoch die hydraulische Bemessung des Verteilnetzes so, dass die Heizflächen mit einem zur Auslegungsleistung korrespondierenden Massestrom versorgt werden. Für diesen Fall stellte sich bei den praktischen Untersuchungen eine vollständige Durchströmung der Heizfläche ein (Bild 6b). Gänzlich unproblematisch verhalten sich seriell durchströmte Heizflächen. Bei diesen Heizflächen wird zunächst die vordere und danach die hintere Platte durchströmt. Dabei konnte auch bei kleinen Masseströmen keine Kurzschlussströmung beobachtet werden (Bild 6d).

Heizflächenumströmung

Während sich an Freien Heizflächen im Heizfall eine luftseitige Auftriebsströmung einstellt, bei der sich diffuse Strömungsverläufe in den Raum ergeben, stellt sich im Kühlfall ein definiter Strömungsverlauf ein, bei dem die vom Heizkörper erzeugte Kaltluftströmung zunächst auf den Fußboden fällt und auf diesem entlang in Richtung der Aufenthaltszone strömt. Bild 7 zeigt beispielhaft eine gemessene vertikale Luftgeschwindigkeitsverteilung in verschiedenen Entfernungen zur gekühlten Heizfläche.

Um die Ausbildung des Kaltluftsees untersuchen zu können, wurde im Klimaraum die Raumlufttemperatur nur mit Hilfe der temperierbaren Wand- und Deckenelemente eingestellt und auf die Möglichkeit der Luftkonditionierung über die Lüftungsanlage verzichtet, da ansonsten keine störungsfreie Untersuchung des Kaltluftsees möglich ist.

Bild 8 zeigt die gemessene horizontale Temperaturverteilung in Bodennähe bei verschiedenen Vorlauftemperaturen der Freien Heizfläche. Mit steigender Entfernung zur Freien Heizfläche nimmt die Temperaturdifferenz zur Raumtemperatur im Bezugspunkt ab. Die gemessene Temperaturverteilung zeigt einen deutlichen Einfluss der Vorlauftemperatur.

Bild 9 zeigt die vertikale Temperaturverteilung im Raum. In beiden Versuchen ist die vertikale Ausbreitung des Kaltluftsees zu erkennen. Die Kühlung über Freie Heizflächen wirkt sich somit auf den kompletten Raum aus. Die Gesamtwärmeabgabe ist erhöht und funktionell von der Vorlauftemperatur abhängig.

Temperierungseffekt

Im Kühlfall haben Freie Heizflächen eine vergleichsweise geringe Leistung, da die Differenz zwischen der mittleren Oberflächentemperatur der Heizfläche und der Lufttemperatur deutlich kleiner als im Heizbetrieb ist. Daher kann beim Kühlen über Freie Heizflächen die Gewährleistung der thermischen Behaglichkeit nicht für alle Betriebssituationen erwartet werden. Die theoretischen Untersuchungen aus [5], [6] haben gezeigt, dass sich bei der Kühlung über Freie Heizflächen dennoch eine deutliche Verbesserung der thermischen Behaglichkeit gegenüber dem ungekühlten Vergleichsfall einstellt. Dieser Effekt wird als Temperierung bezeichnet. Um diesen Effekt optimal nutzen zu können, ist bei der Kühlung über Freie Heizflächen während einer Kühlperiode ein durchgängiger Kühlbetrieb anzustreben. Dadurch können Wärmebelastungen kontinuierlich abgeführt und das Aufheizen der Gebäudemasse reduziert werden. Praktischen Erfahrungen zeigen, dass eine zu starke Auskühlung der Räume während einer Kühlperiode nicht zu erwarten ist. Dies liegt am Selbstregelungseffekt. Dieser resultiert aus dem hohen Temperaturniveau des Kühlmediums. Mit sinkender Raumtemperatur wird die Temperaturdifferenz zur gekühlten Heizfläche sehr klein und limitiert dadurch deren Leistung.

In einem Feldtestobjekt konnten zwei benachbarte und identisch ausgestattete Büroräume einem mehrwöchigen Monitoring unterzogen werden. Dabei wurde einer der beiden Büroräume über zwei Freie Heizflächen gekühlt, während der andere Büroraum nicht gekühlt wurde. Beide Büroräume waren während des Untersuchungszeitraumes ungenutzt. Während des Versuchszeitraumes stellte sich im ungekühlten Büroraum eine deutlich niedrigere Raumtemperatur ein. Wegen der nahezu identischen Randbedingungen kann die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Räumen als Temperaturabsenkpotential interpretiert werden. Während des Versuchszeitraumes war die Ansteuerung zur Vorlauftemperaturregelung noch nicht installiert. Zur Vermeidung von Tauwasserbildung wurde die Vorlauftemperatur im Handbetrieb auf ein vergleichsweise hohes Niveau eingestellt, so dass dadurch die Kühlwirkung der Heizflächen deutlich begrenzt wurde. In Bild 10 ist die gemessene Reduzierung der Raumtemperatur über der Untertemperatur des Kühlmediums aufgetragen. Diese Zuordnung ermöglicht die Extrapolation der möglichen Temperaturabsenkung bei niedrigeren Untertemperaturen.

In einem weiteren Feldtestobjekt wurden über zwei Kühlperioden hinweg Vergleichsuntersuchungen durchgeführt. Beispielhaft sind in Bild 11 die Mittelwerte der Raumtemperaturen (im Zeitraum 10:00 bis 14:00 Uhr) über der maximalen Außentemperatur des jeweiligen Tages aufgetragen. Da die Räume einen großen Glasflächenanteil aufweisen und die Fenster nach Osten ausgerichtet sind, treten im Zeitraum 10:00 bis 14:00 Uhr die höchsten thermischen Belastungen auf. Für den gekühlten und ungekühlten Vergleichsfall wurden nur Zeiträume mit maximalen Wärmebelastungen ausgewählt. Obwohl die Versuchsdurchführung zu der vorangestellten Betrachtung von zwei Vergleichsräume abweicht, entspricht das Absenkpotential einem extrapolierten Wert von mehr als 3 K.

Die Bild 11 zugrundeliegende Versuchsdurchführung ist eine zeitliche Abfolge verschiedener Szenarien. Dabei erfordert die zeitliche Abarbeitung des Versuchsprogrammes und die aus dem Witterungsverlauf resultierenden Unwägbarkeiten, eine eingeschränkte Berücksichtigung auf die Einschwingperioden. Dies hat zur Folge, dass die Raumtemperaturen während einer Messperiode ohne Kühlung von der vorangegangenen Kühlperiode beeinflusst werden und ihrerseits die Raumtemperaturen einer sich anschließenden Kühlperiode beeinflussen. Daraus lässt sich die Schlussfolgerung ableiten, dass tendenziell für den ungekühlten Fall zu niedrige und für den gekühlten Fall zu hohe Raumtemperaturen ermittelt wurden. Simulationsrechnungen bieten diesbezüglich den Vorteil, dass solche Szenarien unter exakt gleichen Randbedingungen und voneinander entkoppelt gerechnet werden können. Das parametrierte Nutzerverhalten und die inneren Wärmequellen sind an die realen Verhältnisse angelehnt. Als Wetterdatensatz wurde das örtliche Testreferenzjahr mit Extremsommer berücksichtigt. Bild 12 zeigt als Ergebnis von Jahressimulationen mit einer Zeitschrittweite von 3 min die Auswertung der Hauptkühlperiode. Die dargestellten Raumtemperaturverläufe ergeben sich aus einer für jeden Zeitschritt durchgeführten Mittelwertbildung über alle Büroräume. Zusätzlich sind die Obergrenzen der Behaglichkeitskategorien für die Büronutzung nach DIN EN ISO 7730 gekennzeichnet.

Aus dem Vergleich der Raumtemperaturverläufe lässt sich ableiten, dass ohne Kühlung das Niveau der Raumtemperaturen steigt. Während der gesamten Kühlperiode ist die Obergrenze der Behaglichkeitskategorie C überschritten. Mit einer Kühlung über Freie Heizflächen stellt sich während der gesamten Kühlperiode ein konstantes Niveau der Raumtemperaturen bei ca. 25 °C ein, welches durch Schwankungen im Bereich ± 3 K überlagert wird. Dabei werden die Minimal- und Maximalwerte nur kurzzeitig erreicht. Die Obergrenze der Behaglichkeitskategorie C wird ebenfalls nur kurzzeitig überschritten. Des Weiteren entspricht zu Beginn der Kühlperiode das Temperaturabsenkpotential der messtechnisch ermittelten Größenordnung, und mit dem durchgängigen Kühlbetrieb können die thermisch wirksamen Speichermassen des Gebäudes besser zur Aufnahme und Abgabe von Wärmebelastungen genutzt werden. Dies führt zu einer größeren Amplitude der Raumtemperaturschwankungen im Tag-/Nachtwechsel und dämpft den Anstieg der Raumtemperatur bei länger anhaltenden Wärmebelastungen.

Messtechnisch wurde auch der Einfluss eines gekühlten Raumes auf den darunterliegenden Raum untersucht. In Bild 13 sind die obere und untere Halbraumstrahlungstemperaturen zeitlich über einen Tag aufgetragen. Normalerweise ist die Temperatur der Decke höher als die am Boden, hier ist jedoch der Einfluss des Kaltluftsees des darüberliegenden Raumes zu sehen. Die obere Halbraumstrahlungstemperatur ist kühler als die Raumtemperatur und hat somit einen kühlenden Einfluss auf den Raum.

Kältebereitstellung

Wird die Heizungsanlage auch für den Kühlbetrieb genutzt, darf dabei die Taupunkttemperatur der Umgebungsluft nicht unterschritten werden. Andererseits lässt sich die Kühlleistung maximieren, wenn die Temperatur des umlaufenden Kühlmediums möglichst in der Nähe der Taupunkttemperatur liegt. Im Rahmen des Projektes KUEHA wurde daher eine taupunkttemperaturgeführte Regelung der Vorlauftemperatur erprobt. Als Führungsgröße wird dabei der mit einem Offset beaufschlagte Maximalwert gemessener Taupunkttemperaturen verwendet. Der Offset wurde im Feldtest auf Werte von 0 bis 1 K parametriert, ohne dass eine Tauwasserbildung beobachtet werden konnte. Zusätzlich können an kritischen Stellen Tauwasserfühler installiert werden, deren Signal bei einer Tauwasserbildung zum Absperren des Heizkreises oder zum Ausschalten der Heizkreispumpe führt. Bild 14 zeigt die Häufigkeiten der in einer Feldtestanlage für den Kühlbetrieb ermittelten Taupunkttemperaturen. Die Vorlauftemperaturen liegen auf einem Temperaturniveau, welches auch Sole-/Wasser- oder Wasser-/Wasser-Wärmepumpen für den Heizbetrieb als Wärmequelle nutzen. Hierbei kann für den sommerlichen Kühlbetrieb der Wärmequellenkreislauf direkt als Wärmesenke genutzt werden, ohne dass die Wärmepumpe als Kältemaschine betrieben wird. Dies hat bei günstigen geologischen Bedingungen zusätzlich den Vorteil, dass die Wärmequelle für den Heizbetrieb besser regeneriert werden kann. Adsorptionskältemaschinen, welche im Sommer beispielsweise mit der Abwärme eines BHKW angetrieben werden können, sind ebenfalls gut für den Einsatz in diesem Temperaturbereich geeignet.

 

Ausblick

Neben der weiteren Bearbeitung der bisherigen Untersuchungsschwerpunkte wird ein weiteres Feldtestobjekt, in welchem Grundwasser als Wärmesenke genutzt wird, in die Analyse einbezogen. Die praktischen Untersuchungen werden auf die Optimierung des Anlagenbetriebes ausgedehnt. Perspektivisch soll eine den Heiz- und Kühlbetrieb einschließende Gesamtsystemoptimierung in den Vordergrund rücken. Mit Hilfe der bidirektional gekoppelten Anlagen- und Gebäudesimulation erfolgt eine systematische Untersuchung des Temperaturabsenkpotentials unter Berücksichtigung verschiedener Dämmstandards und Auslegungsgrößen der Heizflächen.

Literaturverzeichnis

[1]  DWD - Deutscher Wetterdienst, „Die Städtische Wärmeinsel,“ [Online]. Available: https://www.dwd.de/DE/klimaumwelt/klimaforschung/klimawirk/stadtpl/projekt_waermeinseln/projekt_waermeinseln_node.html. [Zugriff am 25 08 2020]. [2]  Robert Koch-Institut, „Epidemiologisches Bulletin Nr. 23,“ ISSN (Online) 2569-5266, 6. Juni 2019. [3]  M. an der Heiden, S. Muthers, H. Niemann, U. Buchholz, L. Grabenhenrich und A. Matzarakis, „Schätzung hitzebedingter Todesfälle in Deutschland zwischen 2001 und 2015,“ Bundesgesundheitsblatt - Gesundheitsforschung - Gesundheitsschutz Ausgabe 5/2019, 2019. [4]  J.-M. Robine, S. L. Cheung, S. Le Roy, H. van Oyen und F. Herrmann, „Report on excess mortality in Europe during summer 2003 (EU Community Action Programme for Public Health, Grant Agreement 2005114),“ 2007. [5]  W. Richter, „Handbuch der thermischen Behaglichkeit - Sommerlicher Kühlbetrieb,“ ISBN 978-3-88261-068-0, 2007. [6]  P. Seidel, R. Gritzki, J. Haupt und M. Rösler, „Sommerliche Raumkühlung im Wohnungsbau mittels kombinierter Heiz-/Kühlsysteme und gleitend nicht normierter Raumtemperaturen (Temperierungseffekt),“ Forschungsbericht BMWi 0327483A, TU Dresden, 2013. [7]  J. Seifert, B. Oschatz, L. Schinke, A. Buchheim, S. Paulick, M. Beyer und B. Mailach, „Instationäre, gekopplete, energetische und wärmephysiologische Bewertung von Regelungsstrategien für HLK-Systeme,“ VDE-Verlag, Berlin, 2016. [8]  A. Perschk, „Gebäude- und Anlagensimulation - Ein „Dresdner Modell“,“ Gesundheitsingenieur, August. Nr.4 2010. [9]  A. Kremonke, „Wärmeabgabe teilbeheizter Fußböden,“ Dissertation, TU Dresden, Institut für Thermodynamik und TGA, Dresden, 2000. [10] M. Arendt, L. Haupt, A. Kremonke, A. Perschk und C. Felsmann, „EnOB: KUEHA - Erprobung und Demonstration einer neuartigen Systemlösung zur sommerlichen Raumkühlung unter besonderer Berücksichtigung von Energieeffizienz und Praxistauglichkeit,“ zweiter Zwischenbericht, Förderkennzeichen 03ET1461A, 2019.