SI/502163

Schlussbericht

Dieses Projekt befasst sich mit der Kühlung bestehender Bürogebäude, deren Kühlbedarf in den nächsten Jahrzehnten vor allem im städtischen Umfeldaufgrund von Wärmeinseleffekten deutlich zunehmen wird. Forschungsgegenstand ist ein mit CoolShift bezeichnetes Konzept zur Kühlung von Gebäuden, welches Lastverschiebung ermöglicht. Dabei wird die tagsüber anfallende Wärme in der Gebäudemasse bzw. in einem geeigneten Speicher zwischengespeichert. In der Nacht wird die gespeicherte Wärme mittels Kühlsegeln oder Kapillarrohrmatten der Gebäudemasse entzogen und über photovoltaisch-thermische (PVT) Kollektoren oder unverglaste Kollektoren an die Umgebung abgegeben. Bei Bedarf kann durch eine Wärmepumpe die Kühlleistung gesteigert werden. Dieselben Kollektoren dienen in der Heizperiode als Wärmequelle für den Verdampfer der Wärmepumpe. Projektziele waren die Entwicklung des CoolShift Konzepts im Detail, die Eignungsprüfung und Messung von auf dem Markt verfügbaren Kollektoren für die Anwendung, die Erarbeitung von Planungs- und Berechnungsmodelle und ein Simulationsvergleich des Konzepts im Rahmen einer Fallstudie, um die Robustheit gegenüber Änderungen der klimatischen Randbedingungen sowie deren Wirtschaftlichkeit zu untersuchen. Sechs Kollektoren unterschiedlicher Bauart, darunter zwei PVT-Kollektoren, wurden im Kühlbetrieb messtechnisch charakterisiert. Zu den standardmässigen Messungen am Tag wurden auch Nachtmessungen miteinbezogen. Zwei Modellgleichungen für die Kühlleistung wurden an die Messdaten angepasst, zum einen das Modell der Kollektorprüfnorm ISO 9806:2017, und zum anderen eine modifizierte Form davon, welche den Strahlungsaustausch mit der Umgebung besser abbildet. Die Kühlleistung durch Wärmeabstrahlung an die Umgebung ist bei den gemessenen Absorbern/Kollektoren im Bereich von 100 W/m². Grössere Kühlleistungen sind durch Konvektion zu erreichen. Absorber mit vergrösserter Oberfläche (Wärmeleitlamellen oder Kapillarrohre) erreichen bei gleichen Bedingungen konvektive Kälteleistungen von mehr als 400 W/m². Der Strahlungsanteil ist am Wärmetransport bei den vorherrschenden klimatischen Verhältnissen wesentlich kleiner als der konvektive Anteil. Ein halbempirisches und ein analytisches Kühlsegel-Rechenmodell wurden entwickelt, welche die explizite Darstellung der Wärmetransportanteile Strahlung und Konvektion ermöglichen. Ein Raummodell wurde erstellt, und um ein Modell für Kapillarrohrmatten erweitert, mit welchem die Zeitentwicklung der Temperaturen und der abgeführten Wärmemengen im Kühlbetrieb berechnet werden können. Auf der Modellgrundlage wurde das praktisch nutzbare Simulationsprogramm CoolShift für Excel entwickelt. Ein Vergleich der Auslegungen verschiedener Kühlsegel-Hersteller bei einer gegebenen Aufgabe zeigte grosse Dimensionierungsunterschiede, was auf einen Bedarf nach einem genaueren Berechnungsverfahren hinweist. Die Kältespeicherung mittels eines technischen Speichers anstelle des Baukörpers wurde untersucht und die nötigen Speichervolumen für eine gegebene Kälteenergie für verschiedene Speichermedien abgeschätzt. Eine Lösung mit technischem Speicher ist grundsätzlich möglich, das Volumen ist im Bereich von 20 – 40 m3 Wasser beim simulierten Gebäude, je nach gefahrenen Temperaturhysteresen von 10 – 5 K. Die Realisierung solch grosser Speicher ist aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse im Bestandsbau kaum möglich. Die Varianten-Simulation des Fallbeispiels eines sanierten Bürogebäudes zeigte, dass mit CoolShift Endenergie eingespart werden kann. CoolShift ist gegenüber herkömmlichen Kühlsystemen effizienter und benötigt weniger elektrische Energie, weil die Wärme bei Nacht an eine kühlere Umgebung abgegeben wird. Beim Referenzsystem mit reversibler Aussenluftwärmepumpe ist hingegen der Komfort besser, da weniger Überhitzungsstunden anfallen. Die Aktivierung der Gebäudemasse ist mit den Kapillarrohrmatten bedeutend effektiver als mit Kühlsegeln. Dem gegenüber steht die allgemeine Zurückhaltung bei der Anwendung von Kapillarrohmatten aufgrund der Verschlammungsproblematik der feinen Rohre. Wirtschaftlich betrachtet ist CoolShift mit den heutigen Preisen der PVT-Kollektoren teurer als eine konventionelle Anlage mit Berücksichtigung der Gesamtkosten über einen Zeitraum von 30 Jahren. Die Betrachtung würde sich bei niedrigeren Preisen der PVT-Kollektoren ändern.