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Solarthermische Kollektorfassaden - Systematische Bewertung des primärenergetischen Ertragspotentials bei hybrider Nutzung der Wärmeträgerfluide Luft und Solarflüssigkeit sowie Entwicklung einer Simulationssoftware zur energetischen Planung von solaraktiven Gebäudefassaden

Shahbazfar, Reza :
Solarthermische Kollektorfassaden - Systematische Bewertung des primärenergetischen Ertragspotentials bei hybrider Nutzung der Wärmeträgerfluide Luft und Solarflüssigkeit sowie Entwicklung einer Simulationssoftware zur energetischen Planung von solaraktiven Gebäudefassaden.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Dissertation Reza Shahbazfar 2016.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Solarthermische Kollektorfassaden - Systematische Bewertung des primärenergetischen Ertragspotentials bei hybrider Nutzung der Wärmeträgerfluide Luft und Solarflüssigkeit sowie Entwicklung einer Simulationssoftware zur energetischen Planung von solaraktiven Gebäudefassaden
Language: German
Abstract:

In solarthermischen Anlagen kommen heute vorwiegend Luft oder eine frostgeschützte Flüssigkeit als Energietransportmittel zum Einsatz. Verschiedene Bestrebungen bestehen gegenwärtig darin, diese Wärmeträgerfluide gleichzeitig zu verwenden, um so eine Effektivitätssteigerung zu erzielen. In dieser Arbeit wird diese Fragestellung in Zusammenhang mit einer solarthermischen Kollektorfassade aufgegriffen. Unter Berücksichtigung diverser Einflussfaktoren wird das primärenergetische Potential durch den Einsatz und die Kombination der Wärmeträgermedien Luft und Flüssigkeit sehr detailliert untersucht. Insbesondere werden mechanische Strömungsleistungen, unter Einbeziehung reibungsbedingter Verluste oder thermische Auftriebskräfte betrachtet. Daneben werden der prozessdynamische elektrische Wirkungsgrad der Strömungsarbeitsmaschinen und Wärmepumpen in die Untersuchungen eingebunden. Für die Durchführung der Arbeit werden zunächst zahlreiche detaillierte physikalische und mathematische Modelle entwickelt, profund validiert und in ein vom Autor entwickeltes Simulationsprogramm implementiert. Darüber hinaus liefern experimentelle Untersuchungen Erkenntnisse, die zur Validierung der entwickelten Modelle genutzt werden. Die durchgeführten Studien zeigen, dass aus energetischer Sicht beide Wärmeträgermedien ihre spezifischen Vor- und Nachteile aufweisen. Dabei sind die erforderlichen Systemtemperaturen, die Transparenz der Sekundärfassade und die notwendige mechanische Strömungsleistung als Einflussgrößen hervorzuheben. Insbesondere diese Faktoren können, in abhängig von ihrem Betrag, den primärenergetischen Vorteil von einem Wärmeträgermedium zum anderen verschieben. Allerdings zeigen die Erkenntnisse dieser Arbeit, dass eine fortwährende kombinierte Nutzung beider Fluide Luft und Flüssigkeit in der untersuchten Fassadenkonstruktion die primärenergetische Bilanz nicht wesentlichen positiv beeinflusst. Gemäß dem weiteren Ziel der Arbeit entsteht ein neuartiges serverbasiertes Computerwerkzeug zur Simulation solaraktiver Gebäudefassaden, das mit spezifischen Weiterentwicklungen, künftig ein hilfreiches, einfach zu bedienendes und ansprechendes Werkzeug für Planer und andere Interessenten zu sein vermag. Individuelle architektonische Entwürfe der Gebäudefassade ließen sich hinsichtlich der solarthermischen Nutzung durch die Eingabe weniger Parameter der Sekundärfassade, dem Standort und einiger Gebäudedaten einfach quantifizieren und vergleichen. Neben der Beantwortung der zentralen Forschungsfrage und der Entwicklung des Planungswerkzeugs, verschafft sich die Arbeit Zutritt zu weiteren Forschungs- und Entwicklungsfeldern: Es wird ein neuartiger virtueller Kollektortest entwickelt. Dieser Test identifiziert und beschreibt das energetische Verhalten der untersuchten solarthermischen Gebäudefassade. Dadurch werden unterschiedliche Kollektorfassaden anhand weniger Parameter schon im Rahmen des Planungsprozesses vergleichbar gemacht. Ein darüber hinaus entwickeltes Verfahren ermöglicht es für Untersuchungen von solarthermischen Anlagen, die geringe Dynamik der Wetterdaten der Testreferenzjahre des Deutschen Wetterdienstes DWD zu erhöhen. Dabei wird unter Berücksichtigung des Bewölkungsgrades über eine arithmetische oder stochastische Methode die so- lare Bestrahlungsstärke variiert. Weiterhin wird eine Regelungsstrategie für den Betrieb der Kollektorfassade entwickelt und in durchgeführte Simulation implementiert. Diese gibt die Temperartureinschaltbedingungen unter der Verwendung des Matched Flow – Prinzips vor und stellt fortwährend eine primärenergetische Bilanz auf. Sobald sich diese negativ entwickelt, werden die elektrischen Leistungen der Strömungsarbeitsmaschinen reduziert oder diese ausgeschaltet. Die gewonnenen Erkenntnisse und entstandenen Werkzeuge dieser Arbeit sind hinsichtlich der energetischen Planung von aktiven Gebäudefassaden von Bedeutung. Ebenso sind sie Ausgangspunkt für Weiterentwicklungen, wie zum Beispiel die Übertragung der Regelungsstrategie auf reale Anlagen oder der Ausbau des Simulationsprogramms für weitere individuelle Anforderungen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Most current solar thermal heating systems predominantly use a frost-free liquid or air as means of energy transportation. At the moment, various attempts are being made to use these heat transfer fluids simultaneously in order to improve the efficiency. In this study, this issue is taken up in connection with a solar thermal collector facade. Taking into account various influencing factors, the primary energy potential is investigated in great detail by using and combining the air and liquid heat transfer media. In particular, mechanical flow rates taking into account losses due to flow losses or thermal buoyancy have been examined. In addition, the dynamic electrical efficiency of pumps and fans as well as heat pumps have been included in the investigation. To perform the investigation, numerous detailed physical and mathematical models have first been developed, validated in depth and implemented in a simulation program developed by the author. Furthermore, experimental studies provide insights that can be used to validate the models that have been developed. The study carried out shows that, in terms of energy, both heat transfer media have their specific advantages and disadvantages. In this context, the required system temperatures, the transparency of the secondary facade and the required mechanical flow rates have to be stressed as influencing factors. It is these factors in particular that may shift the primary energy advantage from one heat transfer medium to another. However, the results of this study show that a combination of the two fluids (air and liquid) in the set-up investigated here does not have any significant positive influence on the primary energy balance. In accordance with the objective of this work, a novel, server-based computer tool has been created to simulate solar-active building facades, which in the future – with specific further developments – can be a useful, easy-to-use and attractive tool for planners and others. Individual architectural designs for building facades could be easily quantified and compared with respect to their solar-thermal use by entering just a few parameters. In addition to answering the central research question and to developing the planning tool, this work affords access to further fields of research and development: A virtual collector test identifying and describing the energy behavior of the investigated solar thermal building facades has been developed, making different collector facades comparable on the basis of just a few parameters. With respect to the investigation of solar energy systems, an additionally developed method allows for the increase in the low dynamics of the weather data for the test reference years of the German Meteorological Service (DWD), varying the solar irradiance by means of an arithmetic or a stochastic method, taking into account the degree of sky cover. Furthermore, a control strategy for operating the collector facade has been developed and implemented in the simulation performed. This control strategy defines the temperature activation conditions using the matched-flow principle and continuously creates a primary energy balance. As soon as the latter shows a negative development, the electrical power of the pump and fan is reduced or these machines are switched off. The insights gained and the tools developed in this thesis are of importance for the energy planning of active building facades. They are also the starting point for further developments, such as transferring the control strategy to actual systems or expand- ing the simulation program for further individual requirements.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Solar, Simulation, Software, Fassade, Solarthermie, Wärmepumpe, Regenerative Energie
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
solar, simulation, software, facade, thermal, heat pump, renewable energyEnglish
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 000 Allgemeines, Wissenschaft
000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 690 Hausbau, Bauhandwerk
Divisions: 15 Fachbereich Architektur > Fachgruppe F: Gebäudetechnik > Entwerfen und Energieeffizientes Bauen
15 Fachbereich Architektur > Fachgruppe D: Gebäudeplanung
15 Fachbereich Architektur > Fachgruppe F: Gebäudetechnik
15 Fachbereich Architektur > Fachgruppe F: Gebäudetechnik > Entwerfen und nachhaltiges Bauen
Date Deposited: 22 Dec 2016 08:32
Last Modified: 22 Dec 2016 08:32
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-58772
Referees: Tichelmann, Prof. Dr. Karsten U. and Mahdavi, Prof. Dr. Ardeshir
Refereed: 2 November 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5877
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