COOLSHIFT – Machbarkeitsstudie: Nächtliche Gebäudekühlung durch natürliche Konvektion und Strahlung mit zeitweiser Unterstützung durch Kältemaschine

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501926

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Ziel dieses Projektes ist der Machbarkeitsnachweis für ein innovatives Konzept zur Gebäudekühlung, bei dem die Abwärme nachts mittels Wärmeübertrager an die Umgebung abgegeben wird. Die Grundlast wird durch den passiven Kühlbetrieb mittels Konvektion und Abstrahlung gedeckt. Bei höheren Kühllasten kann die Kühlleistung der Wärmeübertragung durch eine Kältemaschine gesteigert werden.

Schlussbericht (Deutsch)

CoolShift ist ein Verfahren zur Gebäudekühlung, bei dem die Kühllast am Tag gespeichert wird, beispielsweise in der thermoaktiven Bauteilmasse (TABS), und während der Nacht an die Umgebung abgegeben wird. Zur Wärmeabgabe dienen photovoltaisch-thermische Kollektoren (PVT). Der Wärmetransport geschieht durch natürliche Konvektion an die Umgebungsluft und durch Strahlungsaustausch mit dem kalten Nachthimmel. In den meisten Nächten reicht passive Kühlung aus. Bei Bedarf erhöht eine Niederhubwärmepumpe die Abgabetemperatur und damit die Leistungsdichte der PVT-Kollektoren. Ein Ziel dieser Studie war der Nachweis der Machbarkeit durch Simulation. Dazu wurde ein Raum eines realen, nach Minergie-P erstellten Bürogebäudes unter Verwendung der Carnot-Toolbox in Matlab Simulink modelliert und in mehreren Varianten über eine Kühlsaison simuliert. Im Vergleich zu einer Kühlanlage, bestehend aus Kühlsegeln, Kältemaschine und Rückkühler, ist der Bedarf elektrischer Energie bei CoolShift rund 3-mal geringer. Die Investitionskosten der untersuchten CoolShift Varianten sind einerseits etwas höher als die eines äquivalenten Vergleichssystems. Andererseits können die PVT-Kollektoren nicht nur als Stromlieferant und Wärmeübertrager zur Kühlung und Kühlung genutzt werden, sondern auch zur direkten Heizung in der Übergangszeit und als leistungsfähige Quelle für Wärmepumpen.

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht COOLSHIFT Machbarkeitsstudie [PDF] 993 kB

Schlussbericht (Englisch)

CoolShift is a building cooling concept in which the cooling load is stored during the day, for example in the thermoactive building mass (TABS), and released into the environment during the night. Photovoltaic thermal collectors (PVT) are used for heat dissipation. The heat is transferred by natural convection to the ambient air and by radiation exchange with the cold sky. In most nights, passive cooling is sufficient. If necessary, a low-lift heat pump increases the output temperature and thus the power density of the PVT collectors. One aim of this study was to prove feasibility by simulation. A room in a real office building constructed according to Minergie-P was modelled using the Carnot toolbox in Matlab Simulink and simulated in several variants over a cooling season. Compared to a cooling system consisting of cooling sails, chiller and recooler, the electrical energy requirement for CoolShift is about 3 times lower. Because of the high costs of the PVT-collectors the investment costs of the CoolShift variant are higher than those of the equivalent conventional system. On the other hand, the PVT collectors can be used not only as electricity source and as heat exchangers for cooling purposes, but also for direct heating during the transition period and as a powerful source for heat pumps.

Schlussbericht (Französisch)

CoolShift est un système de refroidissement de bâtiment dans lequel la charge de refroidissement est stockée pendant la journée, par exemple dans la masse des composants thermoactifs (TABS), et libérée dans l'environnement pendant la nuit. Les capteurs thermiques photovoltaïques (PVT) sont utilisés pour la dissipation de la chaleur. L’échange de chaleur s’effectue par convection naturelle avec l’air ambiant et par rayonnement avec le ciel nocturne froid. Dans la plupart des cas, le refroidissement passif est suffisant. Si nécessaire, une pompe à chaleur de faible puissance augmente la température de sortie et donc la densité surfacique de puissance des capteurs solaires. L’un des objectifs de cette étude était de prouver par simulation sa faisabilité. Une pièce, d’un immeuble de bureau existant et répondant au standard Minergie-P, a été modélisée sous Matlab Simulink avec les outils Carnot et plusieurs variantes ont été simulées sur une saison de refroidissement. La consommation électrique du système Coolshift étudié est environ 3 trois fois moins élevée qu’un système de refroidissement composé de voiles climatiques, d’une machine frigorifique et d’aérorefroidisseurs. Le cout d’investissement du système Coolshift étudié est un peu plus élevé qu’un système de refroidissement équivalent classique. Ce qui peut être compensé par le fait que les capteurs thermiques photovoltaïques soient utilisés comme producteur d’électricité et échangeur de chaleur lors de la période de refroidissement, mais également comme source de chaleur directe pour le chauffage ou la pompe à chaleur lors des périodes de transition.