Description succincte
(Allemand)
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CoolShift ist ein innovatives Konzept zur Gebäudekühlung, bei dem die Abwärme nachts mittels Wärmeübertrager an die Umgebung abgegeben wird. Für die attraktivsten Varianten werden mathematische Modelle als Grundlage für die Anlagenplanung erarbeitet. Ausführlich durchgerechnete Beispiele sollen die Umsetzung in Neubauten und bei der Sanierung von Altbauten erleichtern.
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Description succincte
(Anglais)
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CoolShift is an innovative cooling concept for buildings, in which the waste heat is released to the environment at night by means of heat exchangers. For the most attractive options, mathematical models are developed as a basis for system design. Extensively calculated examples should facilitate implementation in new buildings and in the refurbishment of old buildings.
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Description succincte
(Français)
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CoolShift est un concept innovant de refroidissement des bâtiments, dans lequel la chaleur perdue est transférée la nuit dans l'environnement au moyen d'échangeurs de chaleur. Des modèles mathématiques seront élaborés pour les variantes les plus attrayantes afin de servir de base à la planification des installations. Des exemples détaillés et calculés faciliteront la mise en œuvre dans les nouveaux bâtiments et lors de la rénovation d'anciens bâtiments.
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Rapport final
(Allemand)
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Dieses Projekt befasst sich mit der Kühlung bestehender Bürogebäude, deren Kühlbedarf in den nächsten Jahrzehnten vor allem im städtischen Umfeldaufgrund von Wärmeinseleffekten deutlich zunehmen wird. Forschungsgegenstand ist ein mit CoolShift bezeichnetes Konzept zur Kühlung von Gebäuden, welches Lastverschiebung ermöglicht. Dabei wird die tagsüber anfallende Wärme in der Gebäudemasse bzw. in einem geeigneten Speicher zwischengespeichert. In der Nacht wird die gespeicherte Wärme mittels Kühlsegeln oder Kapillarrohrmatten der Gebäudemasse entzogen und über photovoltaisch-thermische (PVT) Kollektoren oder unverglaste Kollektoren an die Umgebung abgegeben. Bei Bedarf kann durch eine Wärmepumpe die Kühlleistung gesteigert werden. Dieselben Kollektoren dienen in der Heizperiode als Wärmequelle für den Verdampfer der Wärmepumpe. Projektziele waren die Entwicklung des CoolShift Konzepts im Detail, die Eignungsprüfung und Messung von auf dem Markt verfügbaren Kollektoren für die Anwendung, die Erarbeitung von Planungs- und Berechnungsmodelle und ein Simulationsvergleich des Konzepts im Rahmen einer Fallstudie, um die Robustheit gegenüber Änderungen der klimatischen Randbedingungen sowie deren Wirtschaftlichkeit zu untersuchen. Sechs Kollektoren unterschiedlicher Bauart, darunter zwei PVT-Kollektoren, wurden im Kühlbetrieb messtechnisch charakterisiert. Zu den standardmässigen Messungen am Tag wurden auch Nachtmessungen miteinbezogen. Zwei Modellgleichungen für die Kühlleistung wurden an die Messdaten angepasst, zum einen das Modell der Kollektorprüfnorm ISO 9806:2017, und zum anderen eine modifizierte Form davon, welche den Strahlungsaustausch mit der Umgebung besser abbildet. Die Kühlleistung durch Wärmeabstrahlung an die Umgebung ist bei den gemessenen Absorbern/Kollektoren im Bereich von 100 W/m². Grössere Kühlleistungen sind durch Konvektion zu erreichen. Absorber mit vergrösserter Oberfläche (Wärmeleitlamellen oder Kapillarrohre) erreichen bei gleichen Bedingungen konvektive Kälteleistungen von mehr als 400 W/m². Der Strahlungsanteil ist am Wärmetransport bei den vorherrschenden klimatischen Verhältnissen wesentlich kleiner als der konvektive Anteil. Ein halbempirisches und ein analytisches Kühlsegel-Rechenmodell wurden entwickelt, welche die explizite Darstellung der Wärmetransportanteile Strahlung und Konvektion ermöglichen. Ein Raummodell wurde erstellt, und um ein Modell für Kapillarrohrmatten erweitert, mit welchem die Zeitentwicklung der Temperaturen und der abgeführten Wärmemengen im Kühlbetrieb berechnet werden können. Auf der Modellgrundlage wurde das praktisch nutzbare Simulationsprogramm CoolShift für Excel entwickelt. Ein Vergleich der Auslegungen verschiedener Kühlsegel-Hersteller bei einer gegebenen Aufgabe zeigte grosse Dimensionierungsunterschiede, was auf einen Bedarf nach einem genaueren Berechnungsverfahren hinweist. Die Kältespeicherung mittels eines technischen Speichers anstelle des Baukörpers wurde untersucht und die nötigen Speichervolumen für eine gegebene Kälteenergie für verschiedene Speichermedien abgeschätzt. Eine Lösung mit technischem Speicher ist grundsätzlich möglich, das Volumen ist im Bereich von 20 – 40 m3 Wasser beim simulierten Gebäude, je nach gefahrenen Temperaturhysteresen von 10 – 5 K. Die Realisierung solch grosser Speicher ist aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse im Bestandsbau kaum möglich. Die Varianten-Simulation des Fallbeispiels eines sanierten Bürogebäudes zeigte, dass mit CoolShift Endenergie eingespart werden kann. CoolShift ist gegenüber herkömmlichen Kühlsystemen effizienter und benötigt weniger elektrische Energie, weil die Wärme bei Nacht an eine kühlere Umgebung abgegeben wird. Beim Referenzsystem mit reversibler Aussenluftwärmepumpe ist hingegen der Komfort besser, da weniger Überhitzungsstunden anfallen. Die Aktivierung der Gebäudemasse ist mit den Kapillarrohrmatten bedeutend effektiver als mit Kühlsegeln. Dem gegenüber steht die allgemeine Zurückhaltung bei der Anwendung von Kapillarrohmatten aufgrund der Verschlammungsproblematik der feinen Rohre. Wirtschaftlich betrachtet ist CoolShift mit den heutigen Preisen der PVT-Kollektoren teurer als eine konventionelle Anlage mit Berücksichtigung der Gesamtkosten über einen Zeitraum von 30 Jahren. Die Betrachtung würde sich bei niedrigeren Preisen der PVT-Kollektoren ändern.
Documents annexés
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Rapport final
(Anglais)
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This project is about cooling of existing office buildings, whose cooling demand will increase significantly in the next decades, especially in urban areas due to heat island effects. The object of research is a concept for cooling buildings called CoolShift, which enables load shifting. The heat generated during the day is temporarily stored in the building mass or in a suitable storage system. At night, the stored heat is extracted from the building mass by means of cooling sails or capillary tube mats and released into the environment via photovoltaic thermal (PVT) collectors or unglazed collectors. If required, the cooling capacity can be increased by a heat pump. The same collectors serve as a heat source for the evaporator of the heat pump during the heating season. The project objectives were the development of the CoolShift concept in detail, the suitability testing and measurement of collectors available on the market for the application, the development of design and calculation models and a simulation comparison of the concept within the framework of a case study in order to investigate the robustness to changes in the climatic boundary conditions as well as their economic viability. Six collectors of different designs, including two PVT collectors, were characterised by measurements in cooling mode. In addition to the standard daytime measurements, night time measurements were also included. Two model equations for the cooling capacity were adapted to the measurement data, on the one hand the model of the collector test standard ISO 9806:2017, and on the other hand a modified form of it, which better represents the radiation exchange with the environment. The cooling capacity through heat radiation to the environment is in the range of 100 W/m² for the measured absorbers/collectors. Larger cooling capacities can be achieved by convection. Absorbers with increased surface area (heat conducting fins or capillary tubes) achieve convective cooling capacities of more than 400 W/m² under the same conditions. Under the prevailing climatic conditions, the radiation portion of the heat transport is considerably smaller than the convective portion. A semi-empirical and an analytical cooling sail calculation model were developed, which enable the explicit representation of the heat transport components radiation and convection. A room model was created and extended by a model for capillary tube mats, with which the time development of the temperatures and the dissipated heat quantities in cooling mode can be calculated. The simulation program CoolShift for Excel, which can be used in practice, was developed on the basis of the model. A comparison of the designs of different cooling sail manufacturers for a given task showed large differences in dimensioning, which indicates a need for a more precise calculation method. Cold storage by means of a technical storage tank instead of the building structure was investigated and the necessary storage volumes for a given cold energy were estimated for different storage media. A solution with technical storage is possible in principle, the volume is in the range of 20 - 40 m3 of water for the simulated building, depending on the temperature hysteresis of 10 - 5 K that is used. The realization of such large storage tanks is limited depending on the space available in the existing building. The variant simulation of the case study of a refurbished office building showed that final energy can be saved with CoolShift. The system is more efficient than conventional cooling systems and requires less electrical energy because the heat is released to a cooler environment at night. In the reference system with reversible outdoor air heat pump, on the other hand, comfort is better because there are fewer overheating hours. The activation of the building mass is significantly more effective with the capillary tube mats than with cooling sails. On the other hand, there is a general reluctance to use capillary tube mats because of the silting problem of the fine tubes. Economically, CoolShift is more expensive with the current prices of PVT collectors than a conventional system with consideration of the total costs over a period of 30 years. The consideration would change with lower prices of the PVT collectors.
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Rapport final
(Français)
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Ce projet traite du refroidissement des immeubles de bureaux existants, dont les besoins en refroidissement vont considérablement augmenter au cours des prochaines décennies, notamment dans les zones urbaines, en raison des effets d'îlot de chaleur. L'objet de la recherche est un concept de refroidissement des bâtiments appelé CoolShift, qui permet de déplacer la charge. La chaleur accumulée pendant la journée est stockée dans la masse du bâtiment ou dans un réservoir approprié. La nuit, la chaleur accumulée est extraite de la masse du bâtiment au moyen de voiles de refroidissement ou de nattes capillaires et transmise à l'environnement par des capteurs photovoltaïques thermiques (PVT) ou des capteurs non vitrés. Si nécessaire, la puissance de refroidissement peut être augmentée par une pompe à chaleur. Pendant la période de chauffage, ces mêmes capteurs servent de source de chaleur pour l'évaporateur de la pompe à chaleur. Les objectifs du projet étaient de développer le concept CoolShift en détail, de tester et de mesurer l'adéquation des capteurs disponibles sur le marché pour l'application, d'élaborer des modèles de planification et de calcul et de comparer le concept par simulation dans le cadre d'une étude de cas afin d'examiner sa robustesse face aux changements des conditions climatiques limites ainsi que sa rentabilité. Six capteurs de différents types, dont deux capteurs PVT, ont été caractérisés par des mesures en mode de refroidissement. En plus des mesures standard de jour, des mesures de nuit ont également été prises en compte. Deux équations de modèle pour la puissance de refroidissement ont été adaptées aux données de mesure, d’une part le modèle de la norme de contrôle des capteurs ISO 9806 :2017, et d’autre part une forme modifiée de celui-ci, qui représente mieux l’échange de rayonnement avec l’environnement. La puissance de refroidissement par rayonnement thermique vers l’environnement est de l’ordre de 100 W/m² pour les absorbeurs/collecteurs mesurés. Des puissances de refroidissement plus grandes peuvent être obtenues par convection. Les absorbeurs à surface agrandie (lamelles thermoconductrices ou tubes capillaires) atteignent, dans les mêmes conditions, des puissances de refroidissement par convection de plus de 400 W/m². Dans les conditions climatiques actuelles, la part de rayonnement dans le transport de chaleur est nettement plus faible que la part convective. Un modèle de calcul semi-empirique et analytique de la voile de refroidissement a été développé, qui permet de représenter explicitement les parts de transport de chaleur par rayonnement et par convection. Un modèle spatial a été créé et complété par un modèle pour les nappes capillaires, qui permet de calculer l'évolution temporelle des températures et des quantités de chaleur évacuées en mode de refroidissement. Le programme de simulation CoolShift pour Excel, utilisable dans la pratique, a été développé sur la base de ce modèle. Une comparaison des conceptions de différents fabricants de voiles de refroidissement pour une tâche donnée a montré de grandes différences de dimensionnement, ce qui indique la nécessité d'une méthode de calcul plus précise. Le stockage du froid au moyen d'un accumulateur technique au lieu du corps de bâtiment a été examiné et les volumes de stockage nécessaires pour une énergie frigorifique donnée ont été estimés pour différents supports de stockage. Une solution avec un accumulateur technique est en principe possible, le volume est de l'ordre de 20 à 40 m3 d'eau pour le bâtiment simulé, en fonction des hystérèses de température de 10 à 5 K. La réalisation d'un tel réservoir est limitée par l'espace disponible dans le bâtiment existant. La simulation de variantes de l'étude de cas d'un immeuble de bureaux rénové a montré que CoolShift permettait d'économiser de l'énergie finale. CoolShift est plus efficace que les systèmes de refroidissement traditionnels et nécessite moins d'énergie électrique, car la chaleur est transmise à un environnement plus frais pendant la nuit. Par contre, le système de référence avec pompe à chaleur réversible à air extérieur est plus confortable, car il y a moins d'heures de surchauffe. L'activation de la masse du bâtiment est nettement plus efficace avec les nattes capillaires qu'avec les voiles de refroidissement. En revanche, la réticence générale à utiliser des nattes capillaires est due au problème d'encrassement des tuyaux fins. D'un point de vue économique, CoolShift, avec les prix actuels des capteurs PVT, est plus cher qu'une installation conventionnelle en tenant compte des coûts totaux sur une période de 30 ans. Cette considération changerait si les prix des capteurs PVT étaient plus bas.
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