Heizungs- und Klimatechnik
Laboreinrichtung
Im Labor Heizungs- und Klimatechnik ist ein Klimaanlagen-Versuchsstand mit der erforderlichen Kälte- und Wärmeerzeugung aufgebaut. Anlagenschaltbild:
Ein Volumenstrom von max. 2000 m³/h kann erwärmt, gekühlt, be- und entfeuchtet werden und über verschiedene Luftauslässe dem Laborraum zugeführt werden. Die Anlage besteht aus den Komponenten Erhitzer, Kühler, Wärmerückgewinnung, Dampfbefeuchtung, Sprühbefeuchter, Mischkammer, rückwärtsgekrümmten drehzahlgeregelten Radialventilator, riemengetriebenen vorwärtsgekrümmten Radialventilator, Schalldämpfer, Filter und einer umfangreichen Mess- und Regelungstechnik.
Sämtliche Komponenten können einzeln angesteuert und energetisch bilanziert werden. Der Einfluss verschiedener Regelungskonzepte auf den Energieverbrauch und das Anlagenverhalten kann aufgezeigt werden, wobei auch einzelne Regelungsparameter geändert werden können. Alle Vorgänge können mit einer Software im h,x-Diagramm dargestellt werden.
Die Raumluftströmungen bei Betrieb der verschiedenen Luftauslässe werden mit Hilfe eines Nebelgenerators sichtbar gemacht.
Mit Behaglichkeitsmesssonden und einem Globethermometer lassen sich Behaglichkeitsuntersuchungen durchführen.
Zur Messung der Luftvolumenströme in der Klimaanlage stehen verschiedene Anemometer zur Verfügung.
Eine Kältemaschine mit dem Kältemittel R407C und einer max. Kälteleistung von 15,4 kW stellt Kaltwasser für den Kühler der Klimaanlage zur Verfügung. Die Kältemaschine kann für einen Praktikumsversuch energetisch bilanziert werden, der Kälteprozess wird messtechnisch erfasst und lässt sich in einem log p,h-Diagramm darstellen.
Elektrospeicherkessel
Elektrospeicherkessel mit einer Anschlussleistung von 24 kW und einem Speicherinhalt von 700 l für die Wärmeversorgung der Klimaanlage.
Für einen Praktikumsversuch steht eine Gas-Brennwerttherme zur Verfügung. Die abgegebene Wärmemenge wird über verschiedenen Volumenstrommessungen (MID, Schwebekörper, Wasseruhr) und Temperaturmessungen ermittelt. Mit dem zugeführten Gasvolumenstrom ist eine Wirkungsgradbestimmung möglich. Außerdem kann der Abgasverlust mit Hilfe eines speziellen Abgasmessgerätes ermittelt werden und so die regelmäßigen Messungen eines Kaminkehrers demonstriert werden.
Die Funktionen der Regelung eines Heizkessels wie z. B. die Heizkurve und verschiedene Schaltprogramme können demonstriert werden.
Im Labor steht ein sehr innovatives Brennstoffzellen-Heizgerät der Firma Viessmann, das aus zwei Einheiten besteht:
- dem Brennstoffzellenmodul mit einer elektrischen Leistung von 0,75 kWel und einer Heizleistung von 1 kWth, mit dem die Grundlast eines Einfamilienhauses abgedeckt werden kann und
- dem Spitzenlastmodul, einem integrierten Gas-Brennwertkessel mit einer Heizleistung bis zu 20 kWth.
Weiterhin sind darin ein Heizwasser-Pufferspeicher und ein Trinkwasserspeicher mit der gesamten Hydraulik, Sensoren und Regelung enthalten.
Der Versuchsstand ist messtechnisch so ausgestattet, dass das Brennstoffzellen-Heizgerät vollständig energetisch bilanziert werden kann.
Hydraulik Versuchsstand
Mit dieser kleinen Versuchsanlage können von den Studierenden alle Arbeiten zum hydraulischen Einstellen einer Heizungsanlage durchgeführt und untersucht werden wie z. B. hydraulischer Abgleich, Pumpenschaltungen, Entlüftung von Anlagen, Differenzdruckventile, Einstellen von Themostatventilen, Messen von Strömungswiderstände etc.
Thermographiekamera
Mit Hilfe einer Infra-Rot- bzw. Wärmebildkamera können Thermographiebilder zur Temperaturverteilung in Gebäuden und technischen Anlagen wie z.B. Fußbodenheizungen dargestellt und so Schäden frühzeitig erkannt werden.
In einem Versuchsstand wird die Funktionsweise einer kontrollierten Wohnraumlüftung dargestellt. Frische Außenluft strömt hierbei über ein Zentralgerät mit Wärmerückgewinnung, Filtern, Ventilatoren und Heizregistern zu Wohnräumen. Aus WC und Küche wird die Abluft abgesaugt und über das Zentralgerät nach außen geblasen.
Mit einer kontrollierten Wohnraumlüftung kann dem Gebäude der hygienisch und bauphysikalisch erforderliche Luftstrom zugeführt werden und somit ein behaglicher Luftzustand gewährleistet werden. Insbesondere Allergiker schätzen die gefilterte, pollenfrei frische Zuluft. Darüber hinaus wird einer Schimmelbildung aufgrund dichter neuer Fenster und damit zu geringer Lüftung entgegengewirkt.
Auf einem Praktikums-Versuchsstand ist eine Sole-Wasser-Wärmepumpe der Firma Wolf mit einer Heizleistung von 10 kW aufgebaut. Sowohl die Volumenströme als auch die Sole- und Heizungswasservor- und Rücklauftemperaturen können stufenlos eingestellt werden. Der Versuchsstand ist mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet: Die ein- und austretenden Energieströme der Sole (Umgebungsenergie), der abgegebenen Heizenergie und des zugeführten elektrischen Stroms werden bilanziert. Außerdem können auch Drücke und Temperaturen des Kältekreislaufs gemessen und im log p, h-Diagramm dargestellt werden. Der Prozess und die Messungen werden über einen Mess-PC anschaulich dargestellt.
Das Labor verfügt weiterhin über eine Blower Door Test Messanlage, mit der die Luftdichtheit von Gebäuden überprüft und gemessen werden kann. Für Praktikumszwecke ist hierfür zusätzlich ein entsprechendes Messzelt vorhanden.
Der Blower Door Test besteht aus einer luftundurchlässigen Nylonplane, welche mittels eines verstellbaren Rahmens in eine Gebäudeöffnung luftdicht eingespannt wird. Eine Öffnung in der Plane mit elastischem Gummizug ermöglicht den Einbau des Ventilators. Dieser elektrisch betriebene Ventilator wird nach dem Einbau in Betrieb genommen und bläst, je nach Einbaurichtung, entweder Luft aus dem zu untersuchenden Gebäude oder hinein. Es wird folglich ein Unter – bzw. Überdruck im zu untersuchenden Gebäude erzeugt. Ziel ist es dabei, eine Druckdifferenz zwischen innen und außen von 50 Pa herzustellen und den Luftvolumenstrom festzustellen, der durch Leckagestellen in bzw. aus dem Gebäude strömt. Dieser Volumenstrom durch die Leckagen in der Gebäudehülle entspricht dabei dem vom Ventilator erzeugten Volumenstrom. Es strömt also derselbe Volumenstrom durch die Leckagen wie der durch den Ventilator.
Mit Hilfe eines angeschlossenen Handmessgeräts oder einer PC Software kann der Volumenstrom des Ventilators gemessen und zur Bestimmung der Luftwechselrate des Gebäudes herangezogen werden. Mit Hilfe von festgelegten Grenzwerten in Normen kann die erzielte Luftwechselrate verglichen und eingestuft werden.
Auf einem Versuchsstand sind folgende thermische Solarkollektoren aufgebaut:
- Flachkollektor
- CPC-Vakuumröhrenkollektor
- Heatpipe-Vakuumröhrenkollektor
Diese Kollektoren sind in einen Versuchsaufbau integriert, der einer Installation für eine Solare Warmwasserbereitung eines Einfamilienhauses entspricht. Es wird hierbei die abgegebene Heizwärme jedes Kollektors gemessen.
Als künstliche Sonnen steht ein spezieller mobiler Scheinwerferwagen zur Verfügung auf dem drei große Scheinwerfer mit je 2000 W mit sonnenähnlichem Spektrum installiert sind. Zusätzlich sind darauf noch 18 Halogenscheinwerfer mit je 400 W installiert, die ebenfalls ein sonnenähnliches Tageslicht erzeugen. Mit entsprechenden Pyranometern wird die Strahlungsintensität auf den Kollektoren gemessen, so dass damit auch der Wirkungsgrad der Solarkollektoren bestimmt und mit Herstellerdaten verglichen werden kann.
Mit diesem Versuch können die verschiedenen Verluste eines Solarkollektors untersucht werden. Hierzu wurden neun kleine Kollektoren erstellt, die mit unterschiedlichen Absorberblechen, Glasscheiben und Isolierungen ausgestattet sind, außerdem ist noch eine kleine Vakuumröhre nach dem Heatpipe-Prinzip verbaut. Diese Versuchskollektoren werden mit einem Scheinwerfer bestrahlt und die Temperatur der einzelnen Kollektoren gemessen. Es stellt sich je nach Qualität der Isolierung, der Transmissions- und Absorptionsfähigkeit eine unterschiedlich hohe Stillstandstemperatur ein, deren Verlauf auf einem PC visualisiert wird.
- Je nach verwendetem Absorberblech bzw. Beschichtung wird die Strahlung unterschiedlich stark absorbiert und emittiert.
- Ohne Glasabdeckung kann die Wärme über Konvektion sofort wieder an die Umgebung abgegeben werden.
- Eine Abdeckung aus Fensterglas verhindert die Wärmeabgabe über Konvektion an die Umgebung, allerdings weist das Fensterglas einen Transmissionsgrad auf, so dass nicht die gesamte Strahlung auf das Absorberblech auftrifft.
- Eine Abdeckung aus eisenarmen Glas weist einen höheren Transmissionsgrad als Fensterglas auf.
- Eine Isolierung der Rückseite des Absorberbleches verhindert die konvektive Wärmeabgabe nach hinten.
Mit Hilfe der erzielten Stillstandstemperatur und der gemessenen eingestrahlten Strahlung kann der Wirkungsgrad näherungsweise ermittelt werden.
Ein defektes und ein fehlerfreies Photovoltaik-Modul werden mit Halogenstrahlern beschienen. Von den beiden Modulen kann der Strom, die Spannung und die Leistung bei verschiedenen äußeren Lasten (Glühbirnen) gemessen werden. Dadurch kann die Kennlinie der beiden Module ermittelt und die beiden Module miteinander verglichen werden. Außerdem kann mit dem Versuchsstand der dramatische Effekt der teilweisen Verschattung einzelner Zellen demonstriert werden. Mit Hilfe einer Wärmebildkamera können außerdem die Hotspots des defekten Moduls erkannt werden.
Außerdem steht ein professionelles Messgerät Solar I-V400 zur Verfügung, mit dem Photovoltaikanlagen vermessen werden können. Durch Vergleich der Messergebnisse mit den darin integrierten Herstellerdaten kann auf eine eventuelle Abweichung von garantierten Leistungsdaten geschlossen werden.
Software
Im Labor sind auf verschiedenen Arbeitsplatzrechnern vielfältige Softwareprogramme installiert unter anderem:
- Bilanzierung von Gebäuden
- Untersuchung von verschiedenen Sanierungsmöglichkeiten
- Erstellung von Energieausweisen
Detaillierte Simulation eines kompletten Jahres komplexer vernetzter Anlagen wie z. B.
- Wärmepumpen und Pelletkessel mit thermischen Solaranlagen und saisonalem Pufferspeicher,
- Photovoltaik und Windanlagen für die Energieversorgung von Gebäuden.
- U-Wert
- Heiz- und Kühllastberechnung
Forschung und Lehre
Die aufgeführten Versuchsstände sind im Lehrbetrieb bei mehreren Praktika integriert.
Im Labor werden ständig zahlreiche Abschluss- und Projektarbeiten auch in Zusammenarbeit mit externen Firmen und Forschungsprojekten zu den verschiedensten energietechnischen Themen durchgeführt. Entsprechende offene Themen können der Liste der Abschlussarbeiten der Fakultät Maschinenbau entnommen werden.