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„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung
Dr.-Ing. habil. J. Seifert
Berlin, den 01.07.2014
2
1. Grundlagen
2. Ergebnisse aus aktuellen Studien
3. Normungstätigkeit EN / ISO
4. Fazit
Inhalt des Vortrages
Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
1. Grundlagen
3 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Warum heizt bzw. kühlt man Gebäude?
4 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Thermische Behaglichkeit: Definition: Ist als der Zustand definiert, bei dem der Körper die geringsten thermoregulatorischen Auf- wendungen vornehmen muss, um eine konstante Körperkerntemperatur aufrecht zu erhalten .
lebensnotwendige Wärmeabgabe muss unspürbar und anstrebungslos
erfolgen
- globale thermische Behaglichkeitskriterien – PMV / PPD Index - lokale thermische Behaglichkeitskriterien - Zugluftrisiko, max.
Oberflächentemperaturen, Strahlungsasymmetrie , Lufttemperaturgradient
Einflussfaktoren auf die thermische Behaglichkeit
5 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Um die thermische Behaglichkeit im Raum zu sicheren, müssen globale und lokale Kriterien erfüllt sein.
Vereinfachtes Verfahren - Operative Raumtemperatur (Empfindungstemperatur)
ϑop = a ϑL + (1-a) ϑS
Beispiel: HK: a=0,5; ϑL=23°C; ϑS=19°C --- ϑop=21°C
FBH: a=0,5; ϑL=20°C; ϑS=24°C --- ϑop=22°C
6 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Gebäude-/ Raumtyp
Kategorie
Operative Temperatur in °C
Maximale mittlere Luftgeschwindigkeit in m/s
Sommer Winter Sommer Winter
Büro o. ä.
A 24,5 1,0 22,0 1,0 0,12 0,10
B 24,5 1,5
22,0 2,0
0,19
0,16
C 24,5 2,5
22,0 3,0
0,24 0,21
Angaben nach DIN ISO 7730:
7
2. Ergebnisse aktueller Forschungsarbeiten
Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Gebäude: WSVO82 / 95 / EnEV04 Innere Randbedingungen: zeitabhängige Gewinne zeitabhängiger Luftwechsel Äußere Randbedingungen: Wetter TRY-04 (Potsdam) Systeme Nasssystem / System mit geringer Überdeckung
statistisches Einfamilienhaus (mittlere deutsche Verhältnisse, AN=160m²)
Repräsentatives Einfamilienhaus
8 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Wärmeschutzniveau
Vorlauftemperatur in °C
System mit geringer Überdeckung Nasssystem
DIN EN 1264 (Typ A) EnEV 04 30,9 36,3
WSVO95 34,2 43,1
WSVO82 38,6 51,3
Auslegungsvorlauftemperaturen für unterschiedliche Gebäudetypen
Auslegung:
Auswertung:
Wärmeübergabe
Wärmeverteilung
Wärmeerzeugung
9 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Systemvergleich bei unterschiedlichen Gebäudetypen
WSVO82
WF
in kWh
∆WF
in %
QF
in kWh
∆QF
in %
QRL,u
in kWh
QRaum QRL,b
in kWh
QHF
in kWh Durchgängiger Betrieb
Nasssystem 8542 - 21150 - 120 1542 18581 System mit geringer ÜD
7972 7,2 20706 2,2 100 1302 18559
Intermittierender Betrieb – feste Anheizzeit Nasssystem 8013 - 20733 - 111 1257 18805 System mit geringer ÜD
7547 6,2 20126 3,0 95 1075 18499
Intermittierender Betrieb – optimiertes Anheizen Nasssystem 8279 - 20838- - 113 1329 18732 System mit geringer ÜD
7647 8,3 20200 3,2 95 1108 18470
Energetische Kenndaten für die betrachteten Systeme (WSVO82)
10 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 50
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Sum
men
häuf
igkeit
in %
Abweichung vom Sollwert in K
Nasssystem System mit geringer Überdeckung
Abweichung vom Sollwert der operativen Raumtemperatur während der Nutzungszeit für die betrachteten Fußbodenheizungssysteme (Intermittierender Betrieb / Zone 1 / WSVO82; „Basisprofil“)
11 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2416
18
20
22
24
26
Oper
ative
Raum
tem
pera
tur i
n °C
Zeit in h
Nutzungszeit (Sollwert) Nasssystem System mit geringer Überdeckung
Tagesverlauf der operativen Raumtemperatur für die betrachteten Fußbodenheizungssysteme (Intermittierender Betrieb / Zone 1 / WSVO82; repräsentativer Wintertag - 1. Januar; „Basisprofil“)
12 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
WF
in kWh
∆WF
in %
QF
in kWh
∆QF
in %
QRL,u
in kWh
QRaum QRL,b
in kWh
QHF
in kWh Durchgängiger Betrieb
Nasssystem 2806 - 6926 - 88 748 5859 System mit geringer ÜD
2724 3,0 6789 2,0 89 761 5767
Intermittierender Betrieb – feste Anheizzeit Nasssystem 2731 - 6844 - 81 636 5937 System mit geringer ÜD
2602 5,0 6675 2,5 82 607 5841
Intermittierender Betrieb – optimiertes Anheizen Nasssystem 2700 - 6713 - 78 612 5820 System mit geringer ÜD
2578 4,7 6585 1,9 82 614 5729
EnEV04
Energetische Kenndaten für die betrachteten Systeme (EnEV04)
13 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 50
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Sum
men
häuf
igkeit
in %
Abweichung vom Sollwert in K
Nasssystem System mit geringer Überdeckung
Abweichung vom Sollwert der operativen Raumtemperatur während der Nutzungszeit für die betrachteten Fußbodenheizungssysteme (Intermittierender Betrieb / Zone 1 / EnEV04; „Basisprofil“)
14 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2416
18
20
22
24
26
Oper
ative
Raum
tem
pera
tur i
n °C
Zeit in h
Nutzungszeit (Sollwert) Nasssystem System mit geringer Überdeckung
Tagesverlauf der operativen Raumtemperatur für die betrachteten Fußbodenheizungssysteme (Intermittierender Betrieb / Zone 1 / EnEV04; repräsentativer Wintertag - 1. Januar; „Basisprofil“)
15 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Sommerlicher Kühlfall
Strahlungs - Kühldecke
Oberflächentemp. Max. Strahlungsasymmetrie Zugluftrisiko
Konvektions – Kühldecke (Außenjalousie; mittelschwere Bauweise; 30 % Fensterflächenanteil)
- Vergleich von Kühldeckensystemen (100 % Deckenbelegung)-
Quelle: Richter2007
16 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Strahlungs – Kühldecke mit 100 % Deckenbelegung
vert. Lufttemp.-Differenz Max. Strahlungsasymmetrie Zugluftrisiko
Kühlfußboden (Außenjalousie; mittelschwere Bauweise; 30 % Fensterflächenanteil)
- Vergleich von Kühldecke und Kühlfußboden -
Quelle: Richter2007
3. Normungstätigkeit EN / ISO-Ebene
17 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Aktueller Stand – EN Normung:
DIN V 18599 sowie aktuelle EN 15316-2.1 haben Berechnungsverfahren die auf Teilnutzungsgraden beruhen
))(4(1
BCLceh, ηηη
η++−
=
- Lufttemperaturgradient (ηL) - Regelungstechnik (ηC) - Verluste an angrenzende Bauteile (ηB)
Nachteil:
keine Kopplung zur thermischen Behaglichkeit / keine Berücksichtigung von Produktkennwerten
18 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Mandat 480 – Struktur der EN 15316 - Reihe
EN 15316-1 Heating and dhw - General + energy perfor. expression
EN 15316-2 Heating + cooling -
Emission
EN 15316-3 Heating, cooling +
dhw system - Distribution
EN 15316-4 EN 15316-5 Heating and dhw system - Storage
EN 15316-4-1 Heating + dhw - Combustion sys.
EN 15316-4-2 Heating -
Heat pump
EN 15316-4-3 Thermal solar and
PV systems
EN 15316-4-4 Heating - Building int. Cogenerations
EN 15316-4-5 District heating
and cooling
EN 15316-4-8 Heating - air
heaters and stoves
19 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
prEN 15316 –Heating and Cooling Emission:
roomouthydimradembctrstriniinc θθθθθθθθθ ∆+∆+∆+∆+∆+∆+∆+= int,int,
Übergang zu einem temperaturbasierten Berechnungsgang:
int;incem;ls em,out
int;ini e;comb
Q Q ∆θ
= ⋅ θ −θ
e;comb e;avgθ = θ
e;comb e;avg e;solθ = θ + ∆θ
Heizfall:
Kühlfall:
residential buildings: ∆θe;sol = 8 K office buildings: ∆θe;sol = 12 K
Möglichkeit der Einbindung von
Produktkennwerten
20 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Standardwerte für die Regelung
∆θctr, 1 ∆θctr, 2
Unregulated, with central supply temperature regulation 2,5 2,5
Master room space ore one pipe heating 2 1,8
Room temperature control (electromechanical / electronic) 1,8 1,6
P-controller (before 1988) 1,4 1,4
P-controller 1,2 0,7
PI-controller 1,2 0,7
PI-controller (with optimization function, e.g. presence management, adaptive controller) 0,9 0,5
- Unterscheidung zwischen zertifizierten und nicht zertifizierten Produktkennwerten
- Reglerkennwerte sind für alle Systeme gleich
21 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Standardwerte für Flächenheizsysteme h ≤ 4m:
∆θstr ∆θemb,1 ∆θemb,2
Floor heating
- wet system
- dry system
- system with low cover
0
0
0
0,7
0,4
0,2
Wall heating 0,4 0,7
Ceiling heating 0,7 0,7
Heating systems combined with mechanical ventilation 0,0 0,0
Integrated heating surface without minimum insulation in accordance with DIN EN 1264 1,4
Integrated heating surface with minimum insulation in accordance with DIN EN 1264 0,5
Integrated heating surface with 100% better insulation than required by DIN EN 1264 0,1
- zusätzliche Aufnahme von Kombinationen mit Lüftungssystemen
22 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Standardwerte für den Kühlfall
∆θstr ∆θemb
Floor cooling system -0,7 -0,7
Wall cooling -0,4 -0,7
Ceiling cooling 0,0 -0,2
Air cooling mixing case 0,0 0,0
Air cooling displacement case -0,7 0,0
Radiators assisted with fan -0,4 -0,4
- Abbildung der Hauptsysteme da weitere Normen aus der Lüftungstechnik den Kühlfall mit abbilden (z.B. EN 13779)
23 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Aktueller Stand – ISO Normung:
- Ergänzung und Überführung der EN 1264 Normungsreihe in die
ISO 11855
- ISO 11855 - 6: Control – wird vollständig überarbeitet
- ISO 18566 - … Design, test methods, control and operation of radiant heating and cooling panel systems
5. Fazit
• Behaglichkeitskenngrößen können mit den aktuellen Normen nicht in der Praxis im Planungs- und energetischen Bewertungsprozess berücksichtigt werden da Rechengang auf Basis von Teilnutzungsgraden beruht
• Entwicklung eines Berechnungsverfahrens auf Basis von Temperaturdifferenzen – erstmalig direkte Verknüpfung zur thermischen Behaglichkeit über die Operative Temperatur
• Wesentlicher Vorteil des neuen Berechnungsverfahrens ist die Öffnung für produktspezifische Kennwerte
4. Fazit
24 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Konsequenz: Produktnormung muss diese Kennwerte zur Verfügung stellen
25 Dr.-Ing. habil. J. Seifert
„Effizienz und Behaglichkeit mit der Flächenheizung / -kühlung“
Literatur:
Thermische Behaglichkeit
Anlagenregelung