Forschung für unsere Zukunft

Die Energie von morgen heute verstehen.

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Naturally cooling

Die letzten Jahre sind durch eine rasante Steigerung des Kühlenergiebedarfs der Gebäude gekenn-zeichnet. Konventionelle – meist aktive und energie-intensive – Lösungen (d.h. mit fossilen Energie-trägern betriebene Vollklimatisierungssysteme) sind in der Regel nicht nachhaltig. Dennoch werden mögliche Alternativen (vor allem passive Kühlungsmethoden) nicht im ausreichenden Maß erforscht und umgesetzt. Vor allem fehlt es in diesem Bereich an neuartigen und innovativen Grundlagen-entwicklungen, besonders im Hinblick auf entscheidende Durchbrüche in der Regeltechnik. Konventionelle (air-conditioning) Systeme arbeiten in der Regel verschwenderisch. Sie können allerdings mehr oder wendiger konstante Innenraumbedingungen (d.h. Innenraumlufttemperaturen und relative Luftfeuchtigkeitwerte) trotz Schwankungen der außenklimatischen Bedingungen herbeiführen. Passive Systeme sind zwar effizient, aber regeltechnisch eher nicht-trivial. Sie arbeiten mit natürlichen Kräften (Wind- und Strahlungsverhältnisse, Tag-Nacht-Temperaturschwankungen, Trägheit der thermischen Masse der aktivierbaren Bauteile, usw.). Die kombinierte Wirkung dieser Kräfte auf das Innenklima ist nicht-linear. Zudem erfordert die optimale Regelung von passiven Systemen auch optimale Nutzer-Interventionen. Aus diesen Gründen ist die Gesamtperformance einer passiven Kühlungsstrategie davon abhängig, wie gut die diversen beteiligten Subsysteme (z.B. für Beschattung, Beleuchtung, Tageslichtnutzung, und Lüftung) aufeinander und auf das Gebäude (und dessen Umgebung) abgestimmt sind und wie sie integrativ und unter Einbeziehung aktiver Nutzer geregelt werden. In diesem Kontext zielt das Forschungsvorhaben auf der konzeptionellen Ausformulierung und proof of concept basierten Validierung einer innovativen (integrierten und intelligenten) modellbasierten (simulationsgestützten) Strategie zur effektiven passiven Raumkühlung in Gebäuden. Der wissenschaftliche Innovationskern des modellbasierten Ansatzes kann wie folgt zusammengefasst werden: Konventionelle Regelung ist aus systemischer Sicht feedback-orientiert. Regelaktionen – ob von Nutzern oder von der zentralen Regelung – "reagieren" in der Regel auf einen bereits eingetroffenen Zustand. Dieser Ansatz ist jedoch weder für die integrierte Regelung von multiplen Systemen in komplexen Gebäuden, noch für die effizienten Regelung von passiv-technischen Gebäudesystemen geeignet. In diesem letzteren Fall wäre eine proaktive ("feed forward") Regelstrategie erforderlich. Dabei wird eine Kontrollentscheidung erst nach vorausschauender vergleichender Abschätzung der (energetisch und innenklimatisch relevanten) Konsequenzen von mehreren alternativen Regel-optionen getroffen. Regeltechnisch reagiert die Gebäuderegelung nicht auf vergangene Zustände, sondern setzt auf die Voraussage von künftigen alternativen Systemzuständen. Die simulations-basierte Regelmethode versucht nicht, den Wert eines Performance-Indikators (z.B. Vorzugswerte der Innenraumlufttemperatur) direkt auf einen Regelsystemsstatus abzubilden. Stattdessen adopt-iert sie einen "wenn-dann" Ansatz. Um diesen Ansatz zu realisieren, müssen zunächst die Regel-optionen parametrisiert werden. Auf diese Art und Weise kann ein so genannter "Regeloptionsraum" konstruiert werden. Folglich werden regelmäßig multiple Simulationen durchgeführt, wonach der Regelstatusraum auf einen entsprechenden Gebäude-Performanceraum abgebildet werden kann. Da-durch können für künftige Zeitintervalle die raumklimatischen und energetischen Konsequenzen von verschiedenen Regeloptionen (d.h. verschieden Kombinationen der Positionen der bei der passiven Raumkühlung beteiligten Systeme) mittels Simulation vorausgesagt werden. Die Simulations-ergebnisse können dann als Entscheidungsmatrizen geordnet werden. Somit wird es möglich, eine Rangordnung der Regeloptionen in Hinblick auf die vorgegebenen Regelziele vorzunehmen und daraus die energetisch und innenklimatisch optimale Option auszuwählen.

Steckbrief

Projektnummer
817575
Koordinator
Technische Universität Wien Institut für Architekturwissenschaften
Projektleitung
Georg Franck, georg.franck@tuwien.ac.at
Förderprogramm
Neue Energien 2020
Dauer
10.2008 - 03.2011
Budget
284.335 €