Foto: Frontansicht des Bürohauses Tattendorf

CoolAIR - Prädiktiv geregelte passive Gebäudekühlung mittels natürlicher Nachtlüftung und tageslichtoptimierter Verschattung

Natürliche Nachtlüftung und tageslichtoptimierte Verschattung haben v.a. in ihrer Kombination ein hohes Potential Gebäude energieeffizient zu kühlen, werden aktuell jedoch meist nur manuell gesteuert und damit nicht optimal genutzt. Ziel ist die Entwicklung einer automatisierten und selbstlernenden Lösung, die dieses Kühlpotential voll ausgeschöpft und so eine Alternative zu Klimageräten bietet.

Kurzbeschreibung

Status

laufend

Kurzfassung

Ausgangssituation/Motivation

Die Thematik der Überwärmung von Räumen betrifft mittlerweile nicht nur mehr heiße Sommertage sondern tritt auch schon in den Übergangszeiten auf, womit der Kühlbedarf auch in unseren Breitengraden stetig zunimmt. Passive Maßnahmen wie tageslichtoptimierte Verschattung und natürliche Nachtlüftung weisen vor allem in Ihrer Kombination ein äußerst hohes Potential zur energieeffizienten und kostengünstigen Kühlung von Gebäuden auf. Dennoch gibt es in der praktischen Umsetzung systembedingte Grenzen.

Soll die Kühlung über reine Fensterlüftung realisiert werden, stellen sich bereits bei der Konzeptionierung erste Schwierigkeiten. Einflussgrößen wie thermisch induzierte Auftriebskräfte oder Querlüftung bleiben im Zuge von vereinfachten Berechnungsvorschriften in der Planung und Auslegung unberücksichtigt oder benötigen komplexe, individuelle Simulationen. Klassische zeit- oder temperaturgesteuerte Regelstrategien können zudem das Potential der passiven Maßnahmen nicht voll ausschöpfen.

Gebäudeübergreifende Ansätze und/oder innovative Regelstrategien wie die Einbindung von Wetterprognosen verbessern zwar die Effizienz, setzten jedoch komplexe, zentral gesteuerte Gebäudeleittechnik mit Datenanbindung zu den einzelnen Sensoren und Aktoren voraus.

Neben Problemen in der Skalierbarkeit und Konfiguration sowie dem hohen Engineering-Aufwand stößt dieser Ansatz insbesondere bei der nachträglichen Ausstattung und v.a. in historischen und denkmalgeschützten Gebäuden an die Grenzen der Umsetzbarkeit.

Inhalte und Zielsetzungen

Das Projekt CoolAIR verfolgt den Ansatz mittels einer autonomen modellbasierten prädiktiven Regelung, den thermischen Innenraumkomfort durch abgestimmte natürliche Nachtlüftung in Kombination mit tageslichtoptimierter Verschattung ohne vorhergehende Simulation und ohne Engineering-Aufwand in der Installation nach dem Plug & Play Prinzip zu regeln. Die Lüftung wird dabei lediglich durch die Nutzung und teilweise Automatisierung bereits vorhandener Lüftungsöffnungen (Fenster, Brandrauchentlüftungen, Türschlitze, etc.) gewährleistet.

Neuartig dabei ist, dass die Regelstrategien auf Raumebene heruntergebrochen werden und dass sich das Raummodell an spezifische Bedingungen wie lokal auftretende Wärmeinseleffekte, individuelle Raumgeometrien und unterschiedliche bauphysikalische Eigenschaften des Gebäudes automatisch und selbstlernend anpasst.

Aufgrund der prädiktiven modellbasierten Regelung können die einzelnen Raumcontroller autonom mit minimaler Sensorik agieren und benötigen keine Vernetzung zu gebäudezentralen Komponenten.

Zusätzlich zu diesem neuartigen Regelalgorithmus werden Methoden zur Potentialabschätzung der Fensterlüftung und Verschattung unter Berücksichtigung von vorhandenen Gebäudestrukturen entwickelt.

Graphische Darstellung zum Konzept der passiven Gebäudekühlung

Methodische Vorgehensweise

Die Entscheidungsfindungsalgorithmen der prädiktiven Regelung werden auf Basis umfangreicher CFD- und thermisch dynamischer Gebäudesimulationen durchgeführt.

Die Validierung dieser Simulationsmodelle erfolgt durch ein umfassendes Monitoring von ventilativ gekühlten Gebäudezonen. Dabei werden prototypische Einzelraumsituationen sowie horizontale/vertikale Erschließungszonen innerhalb denkmalgeschützter Bereiche der Donau-Universität Krems untersucht.

Die Validierung des damit entwickelten Regelkonzeptes erfolgt durch einen Laboraufbau in ausgewählten Räumlichkeiten der Donau-Universität Krems sowie der Neuen Burg in Wien.

Erwartete Ergebnisse

Durch die selbstlernende, kombinierte Steuerung von Verschattung und Nachtlüftung gekoppelt an einen Einzelraumansatz ermöglicht CoolAIR eine extrem skalierbare, ressourcenschonende Lösung zur Senkung des Überwärmungsrisikos von Einzelräumen bis zu ganzen Gebäudeabschnitten bei gleichzeitiger Erhöhung des Nutzerkomforts.

Die im Projekt entwickelten Komponenten sollen dieses Potential aufzeigen und wertvolle Informationen über konkrete Einsatzmöglichkeiten und Rahmenbedingungen vor allem in Bestands- sowie in denkmalgeschützten Gebäuden liefern.

Projektbeteiligte

Projektleitung

  • Donau-Universität Krems, Department für Bauen und Umwelt, Zentrum für Bauklimatik und Gebäudetechnik
  • Donau-Universität Krems, Department für Gesundheitswissenschaften und Biomedizin, Zentrum für Integrierte Sensorsysteme

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

  • Forschung Burgenland GmbH
  • Johann Gerstmann
  • Woschitz Engineering ZT GmbH
  • Fürstner RWA Systeme und Technik GmbH
  • Zach Antriebe GmbH

Kontaktadresse

DI Dr.techn. Daniela Trauninger
Dr.-Karl-Dorrek-Straße 30
A-3500 Krems
Tel.: +43 (2732) 893 - 2774
E-Mail: daniela.trauninger@donau-uni.ac.at
Web: www.donau-uni.ac.at

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