Forschungsprojekte

PVTool

Entwicklung eines Simulationstools zur Auslegung modularer energieerzeugender Fassadensysteme mit Phase-Change-Materials - PV-Tool

PV-Tool - Development of a simulation tool for dimensioning of modular energy-generating facade systems with phase-change materials

Basisdaten

  • Status: Laufend
  • Institut: Institut für Bauklimatik
  • Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. John Grunewald
  • Bearbeiter: Dirk Weiß
  • Finanzierungstyp: nichtwirt.
  • Fördermittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
  • Programm: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)
  • Förderkennzeichen: ZF4441803HF8
  • Zeitraum: 01.01.2019 - 31.12.2020

Forschungsfelder/-themen

  • Baukonstruktion
    • Materialverbünde
    • PCM-Materialien
  • Gebäudehülle
    • Hybride Fassadensysteme
    • Stoff- und Wärmeübergang
  • Planungswerkzeuge
    • Simulation

Zusammenfassung

Mit Hinblick auf einen nahezu klimaneutralen Gebäudebestand bis 2050 bilden die Entwicklung und wirtschaftliche Anwendung energieerzeugender Bauteile ein Hauptaufgabenfeld im Bauwesen. Dabei kommen derzeit vor allem Photovoltaik(PV)-Module zum Einsatz. Durch die Kombination mit Latentwärmespeichern (PCM) kann die Leistungsfähigkeit von PV insbesondere in Warmfassaden gesteigert werden. Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Auslegungstools für den variablen Einsatz von PCM in Gebäuden mit PV-Fassaden. Damit kann in einer frühen Projektphase die Menge sowie die Zusammensetzung des PCM auf die jeweilige Fassadenausrichtung, den geografischen Standort und die Nutzung des Gebäudes individuell abgestimmt werden, um eine maximale Leistungssteigerung zu erreichen. Die Einbettung des Tools in ein Gebäudesimulationsprogramm ermöglicht es zudem, den Einfluss des PCM auf den Gesamtenergiebedarf des Gebäudes zu berücksichtigen. Darüber hinaus wird ein modulares Fassadensystem mit skalierbaren Verkapselungen (Behälter für PCM) entwickelt, um die je nach Anwendung erforderliche PCM-Menge in die Fassade zu integrieren.

Kooperationspartner

  • Tian Building Engineering GmbH
  • Prof. Dr.-Ing. B. Weller, Professur Baukonstruktionslehre, Institut für Baukonstruktion, Fakultät Bauingenieurwesen
  • Pazdera AG, Coburg
  • Solarenergiesysteme Sachsen GmbH
  • Rubitherm Technologies GmbH

Projektverlauf

„Anwendungskatalog und Anforderungen“ (AP1): Zusammenstellung eines Kataloges von möglichen Anwendungen für ein Berechnungstool, Definition resultierende Randbedingungen an die mit PCM versehenen energieerzeugenden Fassaden. „Entwicklung und Herstellung Teststände“ (AP2): Der Berechnungsalgorithmus des Auslegungstools soll sämtliche physikalischen Vorgänge in der energieerzeigenden Fassade mit PCM abbilden. Um realistische Ergebnisse und eine erfolgreiche Vermarktung zu gewährleisten, ist eine Validierung der Simulationsrechnungen erforderlich. Dies erfolgt anhand von Vergleichsmessungen im Freifeld (Entwicklung und Herstellung von Fassadentestständen mit unterschiedlicher Modulausrichtung an unterschiedlichen Standorten). „Monitoring Teststände“ (AP 3): Erarbeiten Messkonzept, Datenerfassung, Datenauswertung und gleichzeitige Bereitstellung der Datengrundlage zur Erstellung eines Auslegungsstandards „Entwicklung Auslegungstool“ (AP 4) für energieerzeugende Fassaden mit PCM (Analyse der Funktionen, Entwicklung Berechnungsalgorithmus zur Verknüpfung der die einzelnen physikalischen Modelle hinter den Funktionen, Schaffung einer visuellen Oberfläche für den Benutzer des Auslegungstools, Validierung des Berechnungsalgorithmus) „Entwicklung Modulierbares Fassadensystem“ (AP 5), mit dem auf verschiedene Modulabmessungen und PCM-Schichtdicken reagiert werden kann. „Bauteilversuche am modulierbaren Fassadensystem“ (AP 6): Prüfung unter Laborbedingungen, um die Funktionsweise sowie die Dauerhaftigkeit der Konstruktion unter verschiedenen Klimaszenarien sicherzustellen. „Integration in Gebäudesimulationsprogramm“ (AP 7): Die PCM-Integration hat neben dem Effekt der Stromertragssteigerung der PV-Module Auswirkungen auf den Heizwärme- und Kühlbedarf des gesamten Gebäudes, da die Wärmeströme in der Fassade durch die Temperatur des PCM deutlich beeinflusst werden. Diese dynamischen Prozesse können mit Hilfe einer dynamisch thermischen Gebäudesimulation in Abhängigkeit der Randbedingungen aus Standort und Nutzung detailliert und in einer hohen, meist stündlichen, Auflösung berechnet werden. Dafür werden die Algorithmen für energieerzeigenden Fassadenpaneele mit PCM in ein dynamisch thermisches Gebäudesimulationsprogramm eingebunden. Für die Implementierung wird die Gebäudesimulationsplattform NANDRAD verwendet AP 8 Projektkoordination und Berichte Das IBK bearbeitet die Bereiche rechnerische Abbildung physikalischer Vorgänge und Einbindung in Gebäudesimulation, v.a. Ausarbeitung eines Anwendungskatalogs und der Anforderungen für das PV-Tool, Integration von Berechnungsmodellen in das PV-Tool und den Gebäudesimulationssolver NANDRAD, Definition von Datenhaltung und Verwaltung beim Monitoring sowie Messdaten zur Kalibrierung der Simulationsergebnisse mit den Messergebnissen, Entwicklung und Umsetzung der Berechnungsabläufe und -algorithmik für die Integration in die jeweiligen Planungswerkzeuge, Erstellen und Anwenden von Validierungsszenarios für eine gute Stabilität sowie eine schnelle Ausführung der Programme, Entwicklung von Testständen mit PV-PCM-Fassadenpaneelen für den Einsatz an verschiedenen Standorten und unter Variation verschiedener Parameter für die spätere Validierung der Berechnungstools.

Ergebnisse

Berichte

Publikationen

Abschlussarbeiten

Externe Verweise

Bilder