Titelaufnahme

Titel
Optimized integration of ventilation with heat recovery in residential buildings through the implementation of innovative air distribution strategies and pre-fabricated components / Elisabeth Sibille
VerfasserSibille, Elisabeth
Begutachter / BegutachterinVoss, Karsten
GutachterFeist, Wolfgang
Erschienen2015
UmfangVIII, 117 Seiten : Diagramme
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2015
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Datum der AbgabeSeptember 2015
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Wohnraumlüftung / Energieeffizienz / Grundrisstypologie / Luftverteilung / Koaxial-Rohr / Heat-pipes / Betriebskosten / Investitionskosten / Aktive Überströmer
Schlagwörter (EN)Ventilation with heat recovery / Energy efficiency / Floor plan typology / Air distribution / coaxial duct / Heat pipes / Operation costs / Investment costs / Active transfers
Schlagwörter (GND)Haus / Lüftung / Wärmerückgewinnung / Energieeinsparung
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Zusammenfassung (Deutsch)

Lüftung mit Wärmerückgewinnung ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen und gleichzeitig die Erreichung von modernen Komfortanforderungen in Wohngebäuden. Die Integration ist in der Regel jedoch immer noch mit hohen Kosten verbunden, welche meistens für einen Investor abschreckend wirken. Einfache Installationen, Vorfertigung und zuverlässige Planungshilfen sind daher notwendig. Vor diesem Hintergrund sind in dieser Arbeit vereinfachte Luftverteilungskonzepte für den Wohnbau untersucht und weiterentwickelt.

Insbesondere ist das Konzept der erweiterten Kaskadenlüftung im ersten Teil dieser Arbeit analysiert, bei dem auf das Zuluftventil im Wohnraum verzichtet wird. Durch die damit verbundene Reduktion des Gesamtvolumenstroms führt dieses Konzept zu einer deutlichen Verringerung der Betriebskosten (ca. 25 %) und zu einem besseren Raumklima im Winter. Eine systematische, simulationsbasierende Analyse dieses Konzepts für verschiedene Arten von Grundriss-Konfigurationen zeigt, dass die meisten der üblichen Konfigurationen für erweiterte Kaskadenlüftung geeignet sind. Aus den Ergebnissen entstand ein freizugängliches interaktives Online-Tool, um Lüftungsplanern die Verwendung dieses Konzeptes zu erleichtern.

Der zweite Teil dieser Arbeit untersucht ein „kanalfreies“ Zuluftnetz mit aktiven Überströmern. Diese Strategie ist bei Sanierungen besonders attraktiv, wobei bisher klare Dimensionierungsregeln für eine korrekte Planung noch gefehlt haben. Daher sind mit Hilfe von Simulationen die Luftvolumenströme definiert, die zur Erreichung eines optimalen Raumklimas zu planen sind. Die Simulationsmodelle sind anschließend mit Messdaten validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass mit den derzeit erhältlichen Produkten (aktive Überströmer bei 70 m/h) ein Gesamtvolumenstrom von 80 m/h für eine Drei-Zimmer Wohnung empfohlen ist. Das Konzept mit aktivem Überströmer stellt sich als vertretbare Alternative zur Kaskadenlüftung dar, obwohl es mehr elektrische Energie benötigt (bis zu 30 % mehr Verbrauch). Dennoch ist diese Strategie äußerst vielversprechend für eine luftbasierte Verteilung von Heiz- und Kühllasten in der Wohnung. Die Produktentwicklung sollte sich daher auf die Erhöhung des Volumenstroms (Zielwert 150 m/h) bei gleichzeitiger Reduzierung der Schallemissionen und der Erleichterung der Integration in bestehende Konstruktionen fokussieren.

Neben der Luftverteilung ist die Integration des Lüftungsgeräts auch ein entscheidender Faktor zur Senkung der Kosten. Diese Arbeit untersucht daher im dritten Teil auch die Machbarkeit der Integration der Außen- und Fortluftleitungen mit Frostschutzeinrichtung in einem vorgefertigten koaxialen Rohr für Wohnungs-Zentralgeräte. Die Ergebnisse von Messungen an Prototypen und Simulationen bestätigen die Praktikabilität dieses Konzepts. Die Durchführbarkeit der Verwendung von Heat-Pipes als Alternative zum klassischen Vorheizen mit Strom wird ebenfalls bestätigt.

Die Ergebnisse dieser Arbeit sowie die beobachtete Kostenentwicklung von Wohnraumlüftung in den letzten Jahren zeigen, dass die Zukunft der Lüftung im Wohnbau in der Entwicklung weiterer vereinfachter Lösungen sowie Planungsleitfäden hierfür liegt. Wenn die Tendenz weitergeht, können Investitionskosten von 2.000 pro Wohnung bis zum Jahr 2020 erwartet werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Ventilation with heat recovery allows the achievement of significant energy savings, while meeting modern comfort requirements in residential buildings. However its integration is still generally associated with high costs, which are often dissuasive for an investor. Simple installations, pre-fabrication and reliable planning tools are therefore needed. In this context, this work surveys and develops simplified air distribution concepts for residential application.

Particularly, the analysis of the concept of extended cascade ventilation, in which the supply air valve in the living room is suppressed, attests a significant reduction in operating costs (approx. 25 %) and an improvement in indoor climate in winter, related the reduction of the total airflow rate. A systematic, simulation-based analysis of this concept for different types of floor plan configurations shows that extended cascade ventilation is appropriated for most of the common apartment configurations. Subsequently, an open-source and interactive online tool intended for ventilation designers has been developed in order to facilitate the planning of this solution.

The second part of this work surveys a “duct-free” air supply distribution concept using active transfers. This strategy is particularly attractive for refurbishment, however clear design rules were still missing for correct planning. This work thus defines the optimal global airflow rates in the apartment, depending on the performances of the active transfers and on floor plan configuration. The simulation model is subsequently validated with measurement data. Basically, with the currently available products (active transfers operating at 70 m/h) a global airflow of 80 m/h is recommended. The concept with active transfers appears to be a fungible alternative to cascade ventilation but still consumes more electrical energy (up to 30 % more consumption). Nevertheless this strategy appears extremely promising for an air-based distribution of heating and cooling loads in the apartment. Product development must thus focus on increasing the airflow performances (target value 150 m/h), while reducing sound emissions and facilitating the integration into existing constructions.

Besides air distribution, the integration of the ventilation unit is also a central perspective of the cost reduction strategy. Particularly, this work surveys the feasibility of integrating both inlet and exhausted air into a pre-fabricated coaxial duct, including air defrosting for an apartment-central unit. Measurements from prototypes and simulations results confirm the practicability of this concept. The feasibility of using heat-pipes as an alternative to classical pre-heating with electricity is also confirmed.

Eventually, the results of this work and the observation of the evolution of investment costs in the past years show that the future of ventilation in residential buildings relies on the development of further simplified solutions and on corresponding design guidelines. If the trend goes on, investment costs by 2.000 per apartment are expected by 2020.