MoCOOL – Nutzerzentrierte, mobile, strahlungsbasierte Paneelkühlung zur Steigerung des Sommerkomforts in Büroräumen

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502568
• Projekttitel Englisch: MoCOOL – Occupant-centric, mobile, radiant panel cooling for increasing summer comfort in offices

Kurzbeschreibung (Deutsch)

In diesem Projekt wird eine neuartige mobile Paneelkühllösung für Gebäude vorgeschlagen, um dem steigenden Bedarf an Raumkühlung zu begegnen. Durch die Verwendung von Phasenwechselmaterialien zur Speicherung von Wärme sind die Kühlpaneele nicht fest installiert, sondern können frei im Raum bewegt und nur bei Bedarf genutzt werden. Herkömmliche HLK-Systeme sind darauf ausgelegt, das gesamte Gebäudevolumen zu klimatisieren, um den thermischen Komfort zu gewährleisten. Sie vernachlässigen jedoch die Vielfalt der Nutzer, ihre individuellen Bedürfnisse und Vorlieben, insbesondere in offenen Räumen wie Großraumbüros, und führen zu einem unnötig hohen Energiebedarf bei geringer Belegung. Die vorgeschlagene mobile Strahlungskühlungslösung ist sehr flexibel und kann mit wesentlich weniger Eingriffen in das Gebäudeumgesetzt werden. Gleichzeitig verspricht die Lösung einen besseren individuellen Komfort durch die direkte Beeinflussung der mittleren Strahlungstemperatur im Raum oder am Arbeitsplatz.

Kurzbeschreibung (Englisch)

This project proposes a novel mobile panel cooling solution for buildings in response to the increasingdemand for space cooling. By using phase change materials for thermal energy storage the coolingpanels are no fixed installation but can actually be moved freely in the space and used on demandonly.Conventional HVAC systems are designed to provide air conditioning to the entire building volume toensure thermal comfort. However, they neglect the diversity of occupants, their individual needs andpreferences, especially in large spaces such as open-plan offices, and result in unnecessarily highenergy demand at low occupancy. The proposed mobile radiant cooling solution is very flexible andcan be implemented with much less intervention required on the building. At the same time, the solutionpromises better individual comfort by directly influencing the mean radiant temperature in the roomor at the workstation.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Ce projet propose une nouvelle solution de refroidissement par panneaux mobiles pour les bâtiments afin de répondre à la demande croissante de refroidissement des locaux. Grâce à l'utilisation de matériaux à changement de phase pour stocker la chaleur, les panneaux de refroidissement ne sont pas installés de manière fixe, mais peuvent être déplacés librement dans l'espace et utilisés uniquement en cas de besoin. Les systèmes HVAC traditionnels sont conçus pour climatiser l'ensemble du volume du bâtiment afin d'assurer le confort thermique. Ils négligent toutefois la diversité des utilisateurs, leurs besoins et préférences individuels, en particulier dans les espaces ouverts tels que les bureaux paysagers, et entraînent une consommation d'énergie inutilement élevée pour une faible occupation. La solution de refroidissement par rayonnement mobile proposée est très flexible et peut être mise en œuvre avec beaucoup moins d'interventions dans le bâtiment. En même temps, la solution promet un meilleur confort individuel en influençant directement la température moyenne de rayonnement dans la pièce ou sur le lieu de travail.

Schlussbericht (Deutsch)

In diesem Projekt wird eine neuartige mobile Paneelkühllösung für Gebäude vorgeschlagen, um dem steigenden Bedarf an Raumkühlung zu begegnen. Durch die Verwendung von Phasenwechselmaterialien zur Speicherung von Wärme sind die Kühlpaneele nicht fest installiert, sondern können frei im Raum bewegt und nur bei Bedarf genutzt werden. Im Rahmen des Projekts wurde ermittelt, inwieweit mit einer lokalen und flexiblen Kühlungslösung auf der Grundlage von Strahlungskühlung thermischer Komfort erreicht werden kann und welches Energieeinsparungspotenzial bei Verwendung einer solchen gezielten und lokalen Kühlungslösung im Vergleich zur Raumluftkühlung mit herkömmlichen HLK-Systemen zu erwarten ist. Die Forschungsarbeiten umfassten verschiedene Simulationen sowie die Erstellung von physikalischen Prototypen und eine experimentelle Validierung. Durch die Kopplung von numerischen Strömungssimulationen mit Thermoregulationsmodellen konnte der Wärmehaushalt einer einzelnen Person im Detail untersucht werden, so dass die Auswirkung lokaler Strahlungskühlpaneele auf den thermischen Komfort quantifiziert werden konnte. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass unter den gewählten Auslegungsbedingungen bis zu mässig hohen Raumtemperaturen von 28°C die thermische Behaglichkeit durch die lokale Paneelkühlung vollständig wiederhergestellt werden kann, während die thermische Behaglichkeit bei bis zu 30°C deutlich verbessert werden kann. Darüber hinaus ergab die Analyse, dass für Büroräume mit mässiger Überhitzung und einem prognostizierten Prozentsatz unzufriedener Nutzer von weniger als 40 % die lokale Flächenkühlung eine praktikable Kühllösung darstellt, die im Vergleich zu einem konventionellen Kühlsystem Einsparungen beim Energieverbrauch und den grauen Emissionen um den Faktor 2-6 ermöglicht. Schliesslich konnten die vorläufigen experimentellen Tests den von den Simulationen vorhergesagten positiven Kühleffekt der lokalen Paneelkühlung qualitativ bestätigen, doch sind in Zukunft weitere Tests erforderlich, um dessen Einsatzgrenzen besser zu verstehen.

Schlussbericht (Englisch)

This project proposes a novel mobile panel cooling solution for buildings in response to the increasing demand for space cooling. By using phase change materials to store heat, the cooling panels are not permanently installed but can be moved freely around the room and only used when needed. The project determined to what extent thermal comfort can be achieved with a local and flexible cooling solution based on radiant cooling and what potential energy savings can be expected when using such a targeted and local cooling solution compared to room air cooling with conventional HVAC systems. Research work included different levels of simulations along with physical prototyping and an experimental validation. By coupling computational fluid dynamics simulation with thermoregulation models the thermal heat balance of an individual subject could be studied in detail, allowing to quantify the effect local radiant cooling panel take on the thermal comfort. The results clearly show that under the chosen design conditions, up to moderately high room temperatures of 28°C thermal comfort can be fully restored using local panel cooling while up to 30°C thermal comfort can be significantly improved. Further, the analysis revealed that for office spaces with a moderate overheating and with less than 40% predicted percentage of dissatisfied occupants local panel cooling represents a feasible cooling solution, providing potential savings in energy consumption and embodied emissions by a factor of 2-6 when compared to a conventional cooling system. Finally, the preliminary experimental testing was able to qualitatively confirm the positive cooling effect of the local panels as predicted by the simulations but further tests will be required in future to better understand its limitations.

Zugehörige Dokumente

• Finael report_english [PDF] 19'672 kB

Schlussbericht (Französisch)

Ce projet propose une nouvelle solution de refroidissement par panneaux mobiles pour les bâtiments en réponse à la demande croissante de refroidissement des espaces. En utilisant des matériaux à changement de phase pour le stockage de l'énergie thermique, les panneaux de refroidissement ne sont pas des installations fixes mais peuvent être déplacés librement dans l'espace et utilisés uniquement à la demande. Le projet a permis de déterminer dans quelle mesure le confort thermique peut être atteint avec une solution de refroidissement locale et flexible basée sur le refroidissement par rayonnement et quelles économies d'énergie potentielles peuvent être attendues lors de l'utilisation d'une telle solution de refroidissement ciblée et locale par rapport au refroidissement de l'air ambiant avec des systèmes CVC conventionnels. Le travail de recherche comprenait différents niveaux de simulation ainsi qu'un prototypage physique et une validation expérimentale. En associant la simulation de la dynamique des fluides à des modèles de thermorégulation, le bilan thermique d'un sujet individuel a pu être étudié en détail, ce qui a permis de quantifier l'effet d'un panneau de refroidissement par rayonnement sur le confort thermique. Les résultats montrent clairement que dans les conditions de conception choisies, jusqu'à des températures modérément élevées de 28°C, le confort thermique peut être entièrement rétabli en utilisant un panneau de refroidissement local, tandis que jusqu'à 30°C, le confort thermique peut être amélioré de manière significative. En outre, l'analyse a révélé que pour les espaces de bureaux avec une surchauffe modérée et avec un pourcentage prévu de moins de 40% d'occupants insatisfaits, le refroidissement local par panneaux représente une solution de refroidissement réalisable, offrant des économies potentielles en termes de consommation d'énergie et d'émissions grises d'un facteur de 2 à 6 par rapport à un système de refroidissement conventionnel. Enfin, les essais expérimentaux préliminaires ont permis de confirmer qualitativement l'effet de refroidissement positif des panneaux locaux prévu par les simulations, mais d'autres essais seront nécessaires à l'avenir pour mieux comprendre ses limites.