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Betriebsverhalten freier Heizflächen unter zeitlich variablen Randbedingungen = Operating conditions of radiators with time dependent boundary conditions
2017
Dissertation, RWTH Aachen University, 2017
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-05-12
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-09096
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/707192/files/707192.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/707192/files/707192.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Einzelraumregelung (frei) ; Heizkörper (frei) ; Hydraulisches Netz (frei) ; Raumtemperatur (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Ein großer Anteil der eingesetzten Endenergie in Deutschland entfällt auf die Bereitstellung von Wärme in bestehenden Wohngebäuden. Zur Verminderung des hohen Energieverbrauchs im Gebäudebestand sind neue, innovative Strategien für die Raumtemperaturregelung in Heizungssystemen gefragt. Für die Entwicklung solcher Systeme stellt die vorliegende Arbeit eine Testumgebung vor, die das hydraulische Heizungsnetz einer Wohnung inklusive der Wärmeübergabe in den Raum im Labormaßstab nachbildet. Das dynamische Verhalten der Raumtemperaturänderungen wird dabei durch die Abbildung zeitlich variabler Randbedingungen kontrollierbar wiedergegeben.Zur realitätsnahen Nachbildung des Betriebsverhaltens werden die zu untersuchenden Heizkörper und Regelventile als Hardware in der Testumgebung eingesetzt. Um den Platzbedarf zu verringern, wird das den Heizkörper umschließende Raumvolumen verkleinert. Die Herausforderung besteht darin, die Wärmeübertragungsprozesse zwischen Heizfläche und Raum von einem Raum mit normalen Abmessungen auf die verkleinerte Umgebung (Kabine) zu übertragen. Anhand von theoretischen Überlegungen und messtechnischen Untersuchungen werden im Rahmen dieser Arbeit die notwendigen Umrechnungsvorschriften für den radiativen und konvektiven Wärmeübergang zwischen Raum und Kabine definiert. Zur Validierung des Konzeptes werden Messungen in einem Referenzraum mit Standardabmessungen zum dynamischen Verhalten von Heizkörpern durchgeführt und mit Messungen in der reduzierten Raumumgebung verglichen.Die kontrollierte Abbildung der zeitlich variablen Randbedingungen erfolgt über die Kopplung des Prüfstands mit einem Simulationsmodell, der sogenannten Hardware-in-the-Loop-Kopplung (HiL). Das Simulationsmodell gibt dabei das Verhalten eines Raumes mit normalen Abmessungen vor. Folgende Parameter beschreiben die Systemgrenze zwischen hardwareseitigem Heizkörper und simuliertem Raum und werden für die Umrechnung in die reduzierte Umgebung benötigt: (1) die in den Kabinen gemessene Heizleistung des Heizkörpers und (2) die simulierten Raumluft- und Wandtemperaturen. Um die erfolgreiche Umsetzung des Verfahrens zur Nachbildung des Betriebsverhaltens freier Heizflächen zu zeigen, wird ein System zur Regelung der Raumtemperatur in den Kabinen eingesetzt. Durch die Anpassung des Volumenstroms des Heizmediums wird die Wärmeübergabe an den Raum beeinflusst und so die Raumtemperatur geregelt. Die dynamischen Änderungen der Raumzustände können mit dem beschriebenen Konzept der reduzierten Raumumgebung abgebildetwerden. In weiterführenden Projekten lassen sich somit neu entwickelte Systeme und Komponenten in den Kabinen testen und mit bestehenden Systemen unter reproduzierbaren Randbedingungen vergleichen.New and innovative strategies for the control of room temperature in heating systems need to be developed to reduce the high energy consumption for the heat supply in german households. For this purpose this thesis describes a test bench that reproduces the hydraulic network of a flat including the heat supply for the rooms on a laboratory scale. The challenge is to reproduce the dynamic behaviour of the room temperature variations in controlled and time variant boundary conditions.For the realistic reproduction of the operating behaviour the radiators and control valves under test are installed in the test bench as hardware. To reduce the space requierements, the room volume around the radiator is decreased. The challenge is to convert the heat transfer processes between radiator and room from a room with normal sized dimensions into the reduced volume (cabin). The necessary conversion rules are defined in this thesis by using theoretical considerations and analyses of experiments about the radiative and convective heat transfer between room and cabin. Measurements about the dynamic behaviour of radiators in a reference room are used for the validation of the test bench concept with reduced space.The emulation of the time variant boundary conditions is realized by coupling the test bench with a simulation model, a so called Hardware-in-the-Loop system (HiL). The simulation model calculates the behaviour of a normal sized room. The following parameter describe the systemboundaries between hardware and simulation and are used for the conversion: (1) the measured heat output of the radiator and (2) the simulated roomand wall temperatures. For ensuring a succesful implementation of the test bench concept, a system for the control of the room temperature inside the cabins is examined. By adapting the volume flow of the heating medium, the heat supply into the room is affected and the room temperature can be controlled. The dynamic response of the conditions in the heated rooms can be reproduced with the described concept of the reduced volumes. This means that within future projects new developed systems and components can be tested inside the test bench and compared with existing systems under controllable boundary conditions.
OpenAccess: 
PDF 
PDF (PDFA)
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT019487208
Interne Identnummern
RWTH-2017-09096
Datensatz-ID: 707192
Beteiligte Länder
Germany
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