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Entwicklung einer Regelung für Flächenheizsysteme zur Minderung der Pumpenergie, zur bedarfsgerechteren Beheizung und zur einfacheren Systemintegration verschiedener Heizflächen

Projektnummer

F20-12-1-084; 10.08.18.7-13.25

Laufzeit / Status

07.2013 - 12.2015 / abgeschlossen

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Projektdetails

Beteiligte

Antragsteller

Technische Universität Berlin

Fakultät für Prozesswissenschaften

Institut für Energietechnik

Fachgebiet für Gebäudeenergiesysteme

Hermann-Rietschel-Institut

Marchstraße 4

D-10587 Berlin

Forscher

Technische Universität BerlinFachgebiet für Gebäudeenergiesysteme

Hermann-Rietschel-Institut 

Prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel

Michael Klemke, M.Sc.,

Bahar Saeb Gilani, M.Sc.

Cluster

Energieeffizienz und erneuerbare Energien im Gebäude- und Quartiersbereich

Projektbeschreibung

In Anbetracht steigenden Hilfsenergiebedarfes zur Wärmeverteilung in Gebäuden wurde das Projekt mit dem Kurztitel "Instationärer Betrieb von Flächenheizungen" initiiert. Die Projektidee beruht auf der intermittierenden Zufuhr von Wärme. Der Heizwassermassenstrom und damit der elektrische Energiebedarf kann mit steigender Vorlauftemperatur und zunehmender Temperaturspreizung über die Flächenheizung reduziert werden. Zusätzlich kann die Aufheizzeit nach dem Absenken der Raumtemperatur verkürzt werden.

Durchführung

Ein dünnschichtiges auf Kapillarrohrmatten basierendes und ein konventionelles auf Heizspiralen basierendes Fußbodenheizsystem wurde am thermischen Prüfstand des Institutes aufgebaut und untersucht. Zur Gewährleistung realistischer Randbedingungen wurden im Prüfraum zwei Büroarbeitsplätze errichtet und mittels einer an den Prüfraum angrenzenden Klimakammer Transmissions- und Lüftungswärmeverluste erzeugt. Für einen instationären Betrieb der Flächen-heizsysteme wurden im Experiment geeignete Vorlauftemperaturen im Bereich von 40 bis 55 °C und normierte Massenströme zwischen 0,55 und 1 (bezogen auf maximal förderbaren Massenstrom) identifiziert. Das Heizkreiswasser wird von einer frequenzgeregelten Pumpe gefördert. Eine Rücklaufbeimischung findet nicht statt. Der Druckverlust der Heizsysteme ist bei der Variation des Betriebspunkts in den genannten Grenzen näherungsweise nur vom geförderten Massenstrom abhängig.

Die Regelung der Wärmezufuhr erfolgt mittels einer Zweipunktregelung. Führungsgröße der Regelung ist die operative Raumtemperatur im Prüfraum, die in Kopfhöhe zwischen der an die Klimakammer grenzenden Außenwand und den beiden Büroar-beitsplätzen gemessen wird. Im Rahmen von Messungen bei stationärer, ungeregelter Wärmezufuhr wurde eine Referenzbasis für alle folgenden Messungen geschaffen. Ferner wurden der Transmissionswärmeverlustkoeffizient der Außenwand und die Wärmeleitkoeffizienten der Heizestriche und des Teppichbodenbelages messtechnisch ermittelt.

Mittels thermografischer Aufnahmen wurde die Temperatur entlang der Estrichoberfläche bei einer Vorlauftemperatur von 35 °C untersucht. Beim dünnschichtigen System erreicht der Estrich nach etwa 15 Minuten und beim konventionellen System nach etwa 120 Minuten eine homogene Temperatur.

In einer dynamischen, thermischen Simulation in der objektorientierten Programmiersprache Modelica wurden beide Flächenheizsysteme und der Prüfraum untersucht. Die Modelle wurden mit experimentellen Daten validiert und für die Variation konstruktiver Parameter genutzt.

Zur Bewertung der Einsparung elektrischer Energie wird der spezifische Energiebedarf betrachtet. Dieser entspricht dem Verhältnis aus zugeführter elektrischer und thermischer Energie und erlaubt innerhalb eines Systems den direkten Vergleich verschiedener Betriebspunkte. Zur Bewertung der Reaktionszeit der Systeme nach einer Temperaturabsenkung wurden experimentelle Aufheizmessungen durchgeführt. Hierfür wurde der Prüfraum auf ca. 16 °C abgekühlt. Anschließend wurde die Zeit gemessen, die benötigt wurde, um die operative Temperatur im Prüfraum von 18 auf 22 °C anzuheben.

Zur Bewertung der Reaktionsfähigkeit der Systeme bei instationären äußeren Bedingungen wurden Ganzjahressimulationen basierend auf dem Wetterdatensatz nach TRY 2011 Region 4 durchgeführt.

Ergebnisse

Die nach DIN EN 1264 maximal zulässige Oberflächentemperatur von 29 °C wird beim instationären Betrieb des dünnschichtigen Systems zeitweise überschritten. Erste Probandenversuche führten zur Erkenntnis, dass die veränderliche Fußbodentemperatur subjektiv nicht wahrgenommen wird und keine negativen Auswirkungen auf das thermische Empfinden auftreten.

Eine Reduktion des spezifischen Energiebedarfes ist bei beiden untersuchten Systemen erreichbar. Bei einer Erhöhung der Vorlauftemperatur von 35 auf 50 °C und einer Senkung des Massenstroms um den Faktor 0,7 ist eine Reduktion des spezifischen Energiebedarfes von knapp 88 % beim dünnschichtigen und von ca. 86 % beim konventionellen System erreichbar.

Die Reaktionszeit des dünnschichtigen Systems ist erwartungsgemäß kürzer. Bei einer Erhöhung der Vorlauftemperatur von 35 auf 55 °C kann die Aufheizzeit des Prüfraumes von 18 auf 22 °C beim dünnschichtigen System um den Faktor 4,6 und beim konventionellen System um den Faktor 2,6 reduziert werden.

Grundsätzlich empfehlenswert ist eine Erhöhung der Vorlauftemperaturen in bestehenden und zu errichtenden dünnschichtigen oder konventionellen Flächenheizungen, um den Energiebedarf der Zirkulationspumpe zu reduzieren. Besonders empfohlen wird die Anwendung der instationären Regelung zum Ersatz von Vorlauftemperaturregelungen, die auf einer Rücklaufbeimischung basieren.

Schlagwörter

Flächenheizsystem, instationärer Betrieb, dynamische Simulation, experimentelle Validierung, Kapillarrohr

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