Wärmeleistungsprüfstand
Was ist ein Wärmeleistungsprüfstand?
Der an der Fakultät entwickelte Wärmeleistungsprüfstand ist ein Instrument zur Untersuchung der in Räumen eines Gebäudes auftretenden thermodynamischen Zusammenhänge. Die Grundlage des Konzeptes bildet ein nach DIN EN 442 und DIN EN 14037 genormter Prüfstandsaufbau. Dieser ist gekennzeichnet durch einen in Form und Größe exakt definierten Prüfraum sowie der - zur Herstellung festgelegter Raumanforderungen - notwendigen Anlagentechnik (HKL, MSR).
Seit wann gibt es den Prüfstand?
Der Prüfstand wurde im Rahmen einer Belegarbeit von vier ehemaligen Studenten unter Betreuung von Professor Voß entwickelt und am 26. Februar 2009 feierlich in Betrieb genommen. Er ist im Gebäude 10 - Wolfgang Storm Laborhalle - am Campus der Fachhochschule Erfurt in der Altonaer Straße untergebracht.
Mit welchem Ziel wurde der Prüfstand errichtet?
Mit diesem innovativen zukunftsorientierten Prüfstandskonzept besitzt die Fakultät eine weitere Möglichkeit kooperative Forschung mit Unternehmen der Gebäude- und Energietechnik zu betreiben sowie neu entwickelte Produkte zu testen und zu optimieren. Geplante zertifizierte Produktabnahmeprüfungen runden künftig das Dienstleistungsspektrum ab. Zudem sollen mit Hilfe des Prüfstandes gewonnenen Erfahrungen und Erkenntnisse durch Wissenstransfer den Wert der Lehre steigern.
Warum ist das Prüfstandskonzept der FHE etwas Besonderes?
Der klassische Funktionsumfang dieser Prüfeinrichtungen ist meist auf die normkonforme Bestimmung der Wärmeleistung von Heizflächensystemen jeglicher Art beschränkt. Der Grundgedanke dieser Standardisierung liegt darin, vergleich- und reproduzierbare Leistungsdaten von Heizflächen auf Grundlage genormter Zustände ermitteln zu können. Der wesentliche Unterschied des an der FHE entwickelten Konzeptes ergibt sich aus der Modifizierung des Prüfraumes und dem Einsatz zusätzlicher Anlagenkomponenten, wodurch der Funktionsumfang erheblich erweitert wurde. Es sind nunmehr neben den normkonformen Wärmeleistungsprüfungen auch die Simulation realer Raumzustände, die Durchführung von Behaglichkeitsversuchen sowie die Analyse instationärer Wärmeströme möglich.
Wodurch ist der Prüfstand gekennzeichnet?
Der Prüfstand wird im Wesentlichen charakterisiert durch den Prüfraum, die Anlagentechnik sowie die Mess- und Automatisierungstechnik.
Der Prüfraum (siehe oben) ist ein in seinen Innenabmessungen (Länge 4m ±0,02m, Breite 4m ±0,02m, Höhe 3m ±0,02m) präzise festgelegter Baukörper. Seine Innenflächen bestehen aus einzelnen (je Wand vier) von Wasser durchflossenen und mit Oberflächentemperatursensoren versehenen Platten. Jede Innenfläche kann wahlweise voll oder nur teilweise beheizt bzw. gekühlt werden. Zudem ist eine mechanische Be- und Entlüftung des Raumes möglich. Die äußere Hülle des Prüfraumes besteht aus massivem Mauerwerk und Dämmmaterialien. Zusätzlich wurde zur Simulation von Außenwänden auf zwei Außenflächen je ein Kühlregister eingearbeitet.
Die Anlagentechnik (siehe rechte Spalte) besteht im Wesentlichen aus Rohrsystemen mit entsprechenden Einbauten, Wärmeerzeugern sowie Kälteaggregaten. Entsprechend ihrer Funktionen wurde die Anlagentechnik in den Außenflächenkühlkreis, den Heizflächenprüfkreis sowie den Innenflächenkühl-/ -heizkreis gegliedert. Der Außenflächenkühlkreis setzt sich aus
- zwei in die Außenwandoberfläche eingearbeiteten Kühlregistern,
- einer ungeregelten Kreiselpumpe,
- einem Massendurchflussmessgerät,
- Vor- und Rücklauftemperatursensoren,
- drei Strangregulierventilen,
- einem Wärmeübertrager sowie
- einem Kühlaggregat
zusammen. Diese Gerätekombination ermöglicht die gezielte Beeinflussung der äußeren Wandoberflächentemperatur und der Schaffung einer Energiepotentialdifferenz durch präzise Energieabfuhr.
Der Heizflächenprüfkreis dient vordergründig der gezielten Erfassung der Wärmeleistungsabgabe von Heizflächen (z.B. Heizkörper, Deckenstrahlplatte). Hierfür wurde der Prüfkreis mit
- einem Vor- und Rücklauftemperatursensor,
- einem Durchflussregler ohne Hilfsenergie,
- einem Massendurchflussmessgerät,
- einer ungeregelte Kreiselpumpe sowie
- einem Strangregulierventil im Bypass
ausgestattet. Die Übertragung der Wärmeleistung zum im Prüfraum platzierten Prüfobjekt (Heizkörper, Deckenstrahlplatte) erfolgt indirekt mittels eines Wärmeübertragers, der primärseitig von einem Wärmethermostaten als Erzeuger versorgt wird.
Mit den genannten Komponenten ist es möglich definiert und punktuell Wärme in den Prüfraum einzutragen.
Der umfangreichste Anlagenteil ist der Innenflächenkühl-/-heizkreis. Er setzt sich aus
- von Wasser durchflossenen Platten im Prüfraum,
- zwei Verteilern mit teilweise motorisch angetriebenen Absperreinrichtungen,
- vier drehzahlgeregelten Kreiselpumpen,
- drei motorisch angetriebenen Mischarmaturen,
- diversen Strangregulierventilen in den Strängen und je Platte,
- Vor- und Rücklauftemperatursensoren je Strang,
- zwei Massendurchflussmessgeräten,
- zwei Wärmeübertragern,
- einem Prozessthermostaten und
- einem Wärmethermostaten
zusammen. Dieser Teil des Prüfstandes dient zum einen der gezielten Abfuhr der über den Prüfkreis eingetragenen Wärmemenge unter Beibehaltung der vorgegebenen Raumkondition und zum anderen dem partiellen Heizen und Kühlen der Oberflächen zur Herbeiführung unterschiedlichster statischer und dynamischer Raumzustände.
Die Mess- und Automatisierungstechnik beinhaltet vor allem Sensoren, Aktoren, Automatisierungshardware und -software sowie ein Managementprogramm. Zur automatisierten Steuerung und Regelung der Anlage wie auch zur Erfassung auswertungsrelevanter Messdaten, wurden verschiedenste Sensoren und Aktoren in der Anlage platziert. Das Management soll über eine sich im Entwicklungsstadium befindende Software erfolgen. Zur Entwicklung wird die Visualisierungssoftware LabView 8.5 eingesetzt. Die Verständigung zwischen Management- und Automatisierungsebene erfolgt hauptsächlich über das aufgebaute LON-Netzwerk. Lediglich die Kommunikation mit den Temperiergeräten erfolgt über den seriellen RS485-Schnittstellenstandard. Die zentrale Bedienung erfolgt wiederum über die Managementsoftware.
Welche bedeutende Einsatzmöglichkeiten ergeben sich?
Die vorgestellten Komponenten ermöglichen ein großes Einsatzspektrum des Prüfstandes. Es können beispielsweise verschiedensten physikalischen Raumzustände definiert eingestellt und deren Auswirkungen untersucht werden. Gezieltes leistungsbezogenes Heizen des Raumes mit Deckenstrahlplatten und/oder Heizkörpern bei gleichzeitiger Erreichung des Beharrungszustandes, das Herbeiführen von Unter- und Übertemperaturen in der Raumluft wie auch Temperaturschichtungen sind möglich. Synchrones Heizen und Kühlen der Innenwandflächen bzw. Kühlen der Außenflächen ermöglichen das Erzeugen und Untersuchen von Strahlungsasymmetrien mit deren Wirkung auf die Behaglichkeit. Fragestellungen zum dynamischen Verhalten des Raumzustandes bei Störgrößenänderungen - beispielsweise nach Heizkurve/Kühlkurve - können ebenso wie Wärmeströme durch massive und weiche Bauteile untersucht werden. Weiterhin sind energetische Vergleiche verschiedener Heizflächensysteme denkbar.
