Untersuchungen zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes Wojciech Kozak , Alf Perschk, Markus Rösler TU Dresden,

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1 Untersuchungen zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes Wojciech Kozak , Alf Perschk, Markus Rösler TU Dresden, Institut für Energietechnik Sehr geehrte Damen und Herren, ich stelle Ihnen einen Verdunstungskühler vor. BauSim 2010, Wien, September 2010

2 5. Conclusions and outlook
Outline 1. Introduction 2. Building simulation 3. Assessment criteria 4. Results In folgenden 15 Minuten erzähle ich Ihnen was wir simuliert haben und was daraus gekommen ist. 5. Conclusions and outlook

3 joint research project with Indian Institute of Technology in Roorkee
1. Introduction joint research project with Indian Institute of Technology in Roorkee sponsored by German Research Foundation (DFG) aims to assess potential of evaporative cooling as source of cooling energy during summer application in low-energy buildings (Germany) as well as in more traditional and simpler constructions (India) Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit Indian Institute of Technology bearbeitet und von DFG gefördert. Das Ziel ist Anwendungsbereich von sommerlichen Verdunstungskühlung in Deutschland und Indien zu untersuchen. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

4 thermal behaviour of building modelled with TRNSYS - TUD
2. Building simulation thermal behaviour of building modelled with TRNSYS - TUD focus on typical one room office in low-energy building (EnEV04) weather data of hot summer in Dresden (TRY04) air change rate of 1,0 h-1 Im Rahmen des Projekts haben wir einen Büroraum simuliert. Er ist nach EnEV04 und in schwerer Bauweise ausgeführt was Deutsche und Indische Verhältnisse nachahmen soll. Der Raum wird einem Klima nach Testreferenzjagr 4 ausgesetzt. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

5 Vent.3 - Longer run time of EC Vent.2 - Night cooling added
2. Building simulation Vent.3 - Longer run time of EC Vent.2 - Night cooling added Vent.1 - EC in work time In das nach Süden gerichtete Fenster wurde ein Gerät eingebaut. Der Gerät besteht aus einem Verdunstungskühler, Mischkammer, Lüfter und Klappen die das Mischungsverhältnis von Außenlulft und gekühlten Luft regeln um im Raum 24,5°C zu halten. Es wurden drei Lüftungsarten untersucht: Im ersten wird der Verdunstungskühler nur dann betrieben wenn sich die Leute im Büroraum aufhalten. Im zweiten fall geht in der Nacht eine zusätzliche Lüftung mit Außenluft an, solange 20°C nicht unterschritten werden. Im dritten Fall haben wir Nachtlüftung und ganztägige Temperierung mit Hilfe von Verdunstungskühler. Zusätzlich werden verschiedene Stufen der Fensterverschattung untersucht. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

6 € 3. Assessment criteria Comfort: - operative temperature
- Predicted Mean Vote - Predicted Percentage of Dissatisfied represented by means of distributions and aggregated frequencies Energy and ressources consumption - electricity - water represented by electricity consumption thorought the summer CO2 € In dem untersuchten Raum bewerten wir den thermischen Komfort und Energieverbrauch des Geräts – dieses stammt vor allem aus Elektroenergieverbrauch von Ventilator und Umwälzpumpe des Wassers Das beeinflusst direkt den CO2 Ausstoß und Betrieskosten. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

7 Example for operative temperature
3. Assessment criteria Example for operative temperature Aus einer Simulation oder Messung bekommt man üblicherweise zeitliche Verläufe der Temperatur und anderer Größen. Es ist schwer aufgrund davon den thermischen Komfort im Raum zu bewerten. Wir haben uns da was überlegt. Deswegen zeige ich jetzt die Komfort-Auswertung am Beispiel von einer Woche von operativen Raumtemperatur. Wir schauen uns einen Temperaturbereich an, zum Beispiel zwischen 35 und 35,5°C Wir schauen uns wie lange sich Temperatur in diesen Bereich befindet. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

8 Example for operative temperature
3. Assessment criteria Example for operative temperature °C Diese Zeit summieren wir uns stellen graphisch als ein Balken dar. h Σ(35,0°C < t < 35,5°C) = BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

9 Example for operative temperature
3. Assessment criteria Example for operative temperature °C Dann bauen wir unseren Graphen um. Wir wissen jetzt für wie viele Stunden im ausgewerteten Zeitraum die Temperatur im Bereich zwischen 35 und 35,5,°C blieb. Wir gewinnen also eine Distribution der Temperatur. h BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

10 Example for operative temperature
3. Assessment criteria Example for operative temperature Für eine Woche und eine Stunde sieht sie so aus. Wir sehen hier alle auftretende Temperaturbereiche abgebildet. Wir bauen unseren Graph aber weiter um und erzeugen daraus eine schwarze Linie. Diese Linie wird erzeugt indem die Balken von der rechten seite aufsummiert und durch dem gesamten Auswertungszeit geteilt werden. Diese Linie sagt uns zum Beispiel, dass zu 75% der Zeit, die Temperatur von 35,5°C nicht überschritten wird. Die Temperatur kommt nie über 36,5°C und nie unter 34°C BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

11 Statistical analysis of operative temperature
3. Assessment criteria Statistical analysis of operative temperature Ideal cooling t < 26°C Ideal heating t > 20°C Auf diesen schwarzen Linie konzentrieren wir und und denken wie sie aussehen würde wenn eine ideale Kühlung gäbe. Es würde natürlich keine Temperaturen über gewissen Grenze, z.B. 26°C geben. Ideale Heizung würde die Linie nicht ändern, weil keine Temperaturen unter 20°C auftreten. Das ist unserer Werkzeug zum Auswertung vom thermischen Komfort. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

12 the building‘s behaviour
3. Assessment criteria factors influencing the building‘s behaviour shading 0% 67% 84% ventilation only with people night cooling around-the-clock construction light (EnEV04) heavy interesting issues Mit diesen Werkzeug wollen wir Einfluss der Verschattung, Lüftungsstrategie und Bauweise untersuchen. Wir wollen auch schauen wie viel bring uns eigentlich der Verdunstungskühler Wie viel Energie er verbraucht Ob er besser werden kann Und natürlich ob er keine Probleme mit den Feuchtehaushalt der Konstruktion verursacht. potential of evaporative cooler energy consumption problems with humidity ? room for improvement ? BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

13 Potential of evaporative cooling – operative temperature
4. Results Potential of evaporative cooling – operative temperature S H A D I N G 84% 67% % Cooling potential = 1521 K.h Wir kommen also zurück zu der Kurve der operativen Temperatur für einen Raum der mit Außenluft belüftet wurde. Die rote Kurve zeigt Temperaturen für gleichen Raum der mit der Luft aus Verdunstungskühler belüftet wurde. Das Unterschied zwischen diesen zwei Kurven ist der Kühlpotential des Verdunstungskühlers. Dieses Potential wird variieren abhängig von der Verschattung – und wird kleiner bei stärkeren Verschattung. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

14 Potential of evaporative cooling – operative temperature
4. Results Potential of evaporative cooling – operative temperature Wen man die Lüftung intensiviert, wird der Kühlpotential ebenso kleiner. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

15 Potential of evaporative cooling (EC) – in K.h
4. Results Potential of evaporative cooling (EC) – in K.h type of ventilation shading only when people are in people plus night cooling around-the-clock 0% 2396 1486 1623 67% 1521 135 150 84% 574 4 14 In der Tabelle kann man diese Effekte gut beurteilen. Man sieht, dass die Werte mit steigender Verschattung immer fallen. Bei der Lüftungsstrategie, gibt es ähnliche Tendenz, aber längere Lüftung am Tag, hat offensichtlich etwa anderen Effekt auf Kühlpotential. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

16 Influence of shading – EC and vent. only when people are in
4. Results Influence of shading – EC and vent. only when people are in Wenn der Kühlpotential bekannt ist, können wir Komfortindizien in Raum anschauen. Wir haben Predicted Percentage of Dissatisfied aus der Norm DIN EN ISO 7730 berechnet. Diese Norm unterteilt die Raumklima in Klassen. In der besten Klasse A, überschreitet PPD nicht den Wert von 10% In der „normalen“ Klasse B soll PPD nicht 20% überschreiten. Der stark Verschattete Raum passt vollständig in diese Kategorie. Die schlechtere Klasse C erlaubt PPD bis 30% - wie im Raum mit normalen Verschattung von 2/3. Dieser Raum erfüllt auch die Anforderungen der Klasse B aber nur für etwa 85% der Zeit. A B C BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

17 Influence of shading – EC/vent. with people and night cooling
4. Results Influence of shading – EC/vent. with people and night cooling Durch intensivere Lüftung verbessert sie das Komfortniveau in dem Raum. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

18 Influence of shading – EC and ventilation around-the-clock
4. Results Influence of shading – EC and ventilation around-the-clock Es sit deutlich, dass stärkere Verschattung bei allen Lüftungsarten einen positiven Einfluss auf den Komfort im Raum hat. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

19 Impact of vent. strategy – shading 0%
4. Results Impact of vent. strategy – shading 0% Der Einfluss der Lüftung ist besonders stark wenn der Raum nicht verschattet wird. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

20 Impact of vent. strategy – shading 67%
4. Results Impact of vent. strategy – shading 67% Wenn eine normale Verschattung vorliegt, gibt es nur kleine Unterschiede zwischen Systemen mit der Nachtlüftung. Zusätzliche Lüftung am Tag trägt nur wenig zur Verbesserung der Verhältnisse im Raum bei. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

21 Impact of vent. strategy – shading 84%
4. Results Impact of vent. strategy – shading 84% Bei einer sehr starken Verschattung ist diese zusätzliche Lüftung sogar unerwünscht. Die Unterschiede bleiben weiterhin klein. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

22 Estimated energy consumption – water pump share is shown
4. Results Estimated energy consumption – water pump share is shown Estimated energy consumption – total value Wir haben thermischen Komfort ausgewertet, und es ist Zeit die energetischen Kosten anzuschauen. Sie wachsen natürlich mit Lüftungsintensität. Sie fallen aber mit der Verschattung. Der Anteil der Elektroverbrauchs der Wasserpumpe fällt auch mit der Verschattung und steigt mit der Lüftungsintensität. Bei der normalen Verschattung und System mit der Nachtlüftung wird die Wasserpumpe nur wenig beansprucht. Das reflektiert die Ergebnisse zur Kühlpotential. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

23 Influence of building construction – vent. around-the-clock
4. Results Influence of building construction – vent. around-the-clock Influence of building construction – vent.people and night cool. Influence of building construction – vent.only when people in Wir wollten noch wissen, wie sich die Lage verändert wenn ein Schwerbau mit ohne Wärmedämmung belüftet würde. In dem Fall ohne Verschattung schneidet der Schwerbau deutlich besser ab. Wenn normale oder Verschattung vorliegt, sind die Unterschiede ist ein Neubau nach EnEV04 sogar geringfügig besser, so lange Nachtlüftung vorliegt. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

24 Long-term changes in water content of walls
4. Results Long-term changes in water content of walls Wir haben jetzt alle Einflusse abgearbeitet und wollen eventuelle Probleme ausschliessen. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

25 Relative humidity on inner wall – modern building (EnEV04)
4. Results Relative humidity on inner wall – modern building (EnEV04) Integral of water content in the wall – modern building (EnEV04) Der Wassergehalt der Außen-Wände eines Neubaus ist gering und stabil. Es bedeutet relative Luftfeuchten an der Innenseite der Wand von ca. 60% im Sommer, und nur sporadisch bis 80% BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

26 Integral of water content in the wall – heavy construction
4. Results Integral of water content in the wall – heavy construction Bei einem Schwerbau haben wir zuerst einen Anstieg des Wassergehaltes der Wände festgestellt. Eine Nachrechnung mit geänderten Anfangbedingugen hat ergeben, das diese auch stabil ist BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

27 Relative humidity on inner wall – heavy construction
4. Results Relative humidity on inner wall – heavy construction Und relative Feuchten an der Innenseite der Wand von ca.50% in Sommer bedeutet. Die Paeks sind auch deutlich kleiner wegen der größen Speichermasse. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

28 5. Conclusions and outlook
Evaporative cooler alone is not able to provide thermal comfort Together with appropriate shading and ventilation regime it achieves levels of thermal comfort comparable to those of mechanical HVAC system. Increase of EC‘s efficiency has to be very big in oder to be significant for the thermal comfort provided by the system Humidity content of walls can be stabilized by means of sufficient ventilation, that is almost neutral for the thermal comfort in the room Zusammenfassend kann man sagen: Dass der Verdunstungskühler nicht in der Lage ist, thermischen Komfort in einem Raum alleine zu gewährleisten. Zusammen mit einer entsprechender Verschattung und Lüftung kann er aber thermichen Komfort auf dem Niveau sichern, das mit RLT-Anlagen vergleichbar ist. Dabei provoziert er keine Feuchteprobleme in belüfteten Räumen, trotz des geringen Luftwechsels und kurzen Betriebszeiten. Es lohnt sich nicht den Kühler Effizienter zu machen wenn es grosse Kosten verursachen sollte. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

29 Thank You for Your attention
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

30 Influence of cooler‘s efficiency in system without shading (0%)
4. Results Influence of cooler‘s efficiency in system without shading (0%) Die Letzte Frage war: Lohnt es sich in eine Steigerung der Kühlereffizienz zu investieren? In Raum ohne Verschattung ist einfluss der Kühlerseffizienz relativ klein. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

31 Influence of cooler‘s efficiency in system with 67% shading
4. Results Influence of cooler‘s efficiency in system with 67% shading Es ist nur bisschen Größer in einem Raum mit normalen Verschattung. BauSim 2010 Untersuchung zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes