Durch Echtzeitsimulation am Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH (ILK) Dresden wird bei gleichzeitiger Energieeinsparung ein optimales Raumklima erreicht.
Autor: Enrico Rose, Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH (ILK)
In vielen technischen Problemstellungen müssen Strömungen von Luft, Wasser oder anderen Fluiden angepasst und optimiert werden. Dabei lassen sich mit Hilfe von Berechnungen diese Prozesse oftmals schneller und effizienter durchführen als im Experiment. Gerade für die Auslegung von klimatechnischen Systemen hat sich die numerische Simulation von Strömungen (engl: Computational Fluid Dynamics, CFD) zu einem unabdingbaren Werkzeug entwickelt. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Rechnerhardware und der langen Rechenzeiten ist CFD jedoch meist auf ausgewählte Problemfälle beschränkt.
Oftmals ist es jedoch wünschenswert, auch im laufenden Betrieb einer Klimaanlage Informationen über den aktuellen Strömungszustand im Raum zu besitzen, zum Beispiel bei variablen Belegungen von Hörsälen. Das ILK Dresden entwickelt hierfür spezielle Methoden, mit denen ein numerisches Abbild der Raumströmung in Echtzeit berechnet werden kann. Dieses Abbild erfasst die wichtigsten Charakteristika der Strömung, wie etwa die großskaligen, energiereichen Wirbelstrukturen.
Die aus der Simulation bestimmten dreidimensionalen Geschwindigkeits- und Temperaturverteilungen werden verwendet, um die Luftzufuhr in den Raum optimal zu gestalten. In einem möglichen Szenario kann bei Anwesenheit von Personen die Temperatur im Aufenthaltsbereich behaglich gewählt werden, während die Solltemperatur in den übrigen Bereichen unter energetischen Gesichtspunkten optimiert wird.
Um den oft gegenläufigen Zielkriterien zu genügen, nutzt das ILK Dresden spezielle Optimierungsalgorithmen, die auf Basis der Simulationsdaten iterativ eine Kombination der relevanten Zuluftparameter bestimmen, so dass der geforderte lokale Raumluftzustand eingestellt wird. Der innovative Aspekt hierbei besteht darin, dass der aktuelle Zustand der Raumluft nicht mehr alleine durch Messungen über einzelne Sensoren erfasst wird, sondern durch die gleichzeitig erfolgende numerische Simulation über den gesamten dreidimensionalen Raum erweitert wird.
Durch diese Kombination von Echtzeitsimulation der Raumluftströmung und numerischer Optimierung lässt sich eine signifikante Reduktion des Energiebedarfs zur Klimatisierung bei gleichzeitiger hoher thermischer Behaglichkeit im Raum erreichen.
Die im Rahmen des Projektes entwickelten Verfahren zur schnellen Simulation und Optimierung von Strömungen lassen sich in vielen Bereichen einsetzen. Aktuell ist das Berechnungsprogramm ein firmeninternes Werkzeug, welches jedoch in weiteren Schritten an verschiedene Nutzer und deren Anforderungen angepasst wird.
Das seit 25 Jahren bestehende Institut für Luft- und Kältetechnik (ILK) Dresden gGmbH ist mit seinen über 150 Mitarbeitern eines der größten außeruniversitären, gemeinnützigen und unabhängigen Forschungsunternehmen in Deutschland. Jährlich werden am ILK Dresden mehr als 80 Forschungsvorhaben und 500 freifinanzierte Industrieaufträge mit weltweiten Kooperationspartnern bearbeitet.
Auch bei der Konzeption und Planung von anspruchsvollsten und hoch komplexen Klimatisierung- und Lüftungssystemen unterstützt das ILK Dresden seine Partner über alle Leistungsphasen hinweg. Besonders hervorzuheben ist die Beteiligung des ILK Dresden an der Revitalisierung bzw. Umgestaltung zahlreicher historischer Gebäude in Dresden, wie zum Beispiel Semperoper, Albertinum oder Hygienemuseum.
Mit innovativen Zukunftstechnologien wie dem Ice Slurry Kältespeichersystem, der solaren Kühlung, aber auch mit Absorptionskälteanlagen oder der Entwicklung von Nanopartikelfiltern schafft sich das ILK Dresden einen technologischen Vorsprung im Bereich Raumluft- und Klimatechnik.
Ein Drittel der Kunden des ILK Dresden sind kleine und mittlere Unternehmen. Einen Hauptaspekt im Geschäftsmodell des ILK Dresden stellt der Transfer des in den Forschungsprojekten gewonnen technologischen Wissens in diese Unternehmen sowie die Nutzbarmachung für einen breiten Markt dar.
Berechnete momentane Temperaturverteilung in einem Raum mit Visualisierung der Wirbelstrukturen an den Zuluftauslässen (ILK)
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