4.7 Raumtemperatursensoren im digitalen Zwilling

In dieser Bachelorarbeit wurde der Einfluss der Position eines Temperatursensors auf die Heizungsregelung untersucht. Dies ist wichtig, um den Energieverbrauch und die Behaglichkeit in Innenräumen zu optimieren. Um in dieser Fragestellung weiter zu kommen, wurden neu implementierte Funktionalität im Simulationstool IDA ICE von der Firma EQUA AB genutzt.

Studentin: Kategorie: Betreuer: Dauer: Sara Willi Bachelorarbeit A. Witzig, S. Weber 2020

Temperatursensoren in Heizsystemen messen oft eine Kombination aus Lufttemperatur und Strahlung. In der digitalen Planung die Regelung des thermischen Komforts in Gebäuden deshalb anspruchsvoll. In dieser Arbeit werden Innenräume anhand von detaillierter physikalischer Simulation untersucht. Die durch die Sensoren gemessene Temperatur und die für die Regelung relevanten Informationen werden in einen Zusammenhang gebracht. Weiter sollen die Erkenntnisse in die Gebäudeplanung und den Betrieb einfliessen. Dafür kann es sinnvoll sein, einen digitalen Zwilling des Gebäudes zu erstellen. Dieser digitale Zwilling, welcher eine numerische Abbildung eines realen Objektes darstellt, enthält Modelle, mit welchen physikalische Prozesse abgebildet werden können. So kann beispielsweise die Temperaturverteilung in einem Raum aufgrund einer Lüftungsanlage graphisch dargestellt und die Regeltechnik verbessert werden. Die theoretischen Grundlagen zu diesem Thema wurden bereits vor über 20 Jahren aufbereitet. Es wurde aufgezeigt, dass die Position des Temperatursensors einen massgeblichen Einfluss auf den Energieverbrauch haben kann. [1], [2]. Im digitalen Entwurf werden diese Zusammenhänge aber heute immer noch nur selten eingesetzt. Oft gehen vereinfachte Modelle von einer homogen durchmischten Lufttemperatur aus und Temperatursensoren werden nur ungenau abgebildet. Ziel dieser Arbeit ist es, das Wissen in einer für die Baubranche nützlichen Form aufzuarbeiten und dabei die Prozesse und Werkzeuge zu verwenden, die heute für eine breite Nutzergruppe verfügbar sind. Dazu werden verschiedene neu implementierte Softwarefeatures von IDA ICE verwendet, um sie nach ihrer Eignung für die Abbildung der thermischen Behaglichkeit und des Energieverbrauches im digitalen Zwilling zu beurteilen.

Abb. Temperaturverteilung in einem Hotelzimmer mit Lüftung. Oben: Gitter, Unten: Temperaturverteilung in Vertikal-Schnitt. IDA ICE bietet sowohl eine 3D-Lösung mit Finiten Volumen (unter Nutzung von OpenFoam), als auch ein numerisch effizientes Schichtenmodell mit eingebetteten Luftströmungen [3].

Literatur:

[1] B. Magnum und J. Hill, «Thermal Analysis, Human Comfort, Indoor Environments», National Bureau of Standards (U.S.), Washington, D. C., 1977.

[2] P. Riederer, D. Marchio, J. Visier, A. Husaunndee und R. Lahrech, «Room thermal modelling adapted to the test of HVAC control systems,» Elsevier, Building and Environment, ISSN: 0360-1323, 2002.

[3] L. Eriksson, G. Grozmann, P. Grozmann, P. Sahlin, M. Vorre and L. Årenius, «CFD-free, Efficient, Micro Indoor Climate Prediction in Buildings, IBPSA Proceedings, UK, 2012.