Forschungs­modul für «Das perfekte Haus»

Das Projekt zielt nicht auf «das» einzige perfekte Haus ab, sondern stellt vielmehr einen Denkansatz dar. Am Anfang steht immer die Frage: Über welche Funktio­nalitäten müssen Gebäude, technische Systeme oder Komponenten verfügen, damit die gestellten Aufgaben im Sinne des Menschen perfekt gelöst werden können. Es geht um das Festlegen der gewünschten Funktionalität in einem Pflichtenheft. Zwänge und Einschrän­kungen werden in diesem Schritt vorerst ignoriert, damit innovative Lösungen nicht bereits zu diesem Zeitpunkt verworfen werden. Basierend auf dem Pflichtenheft wird identifiziert, welche Technologien bereits bestehen und was weiter oder neu entwickelt werden muss. Während dem Entwick­lungs­prozess der perfekten Lösung werden digitale Instrumente, beispielsweise Simulationen, aber auch Experimente im realen Raum mit Menschen eingesetzt. Dazu wurde im Rahmen des Projektes das nachfolgend beschriebene Forschungs­modul entwickelt und gebaut.

Finanziert wird das Projekt durch eine grosszügige Spende des HSLU-Alumnus Leo Looser aus Bad Ragaz. Er hat ermöglicht, dass am Departement Technik & Architektur in Horw während mindestens zehn Jahren daran geforscht werden kann. Der Ingenieur und Unternehmer absolvierte vor rund 60 Jahren am damaligen «Technikum» in Luzern die Ausbildung zum Gebäudetechnikingenieur.

Thermische Masse

Der Wärmeeintrag durch Sonnen­einstrahlung, durch Personen, Geräte sowie Heiz- und Kühlsysteme verändert die Raum­tempe­ratur. Diese beeinflusst den Raumkomfort und das Behag­lichkeits­empfinden der Menschen. Wie der Wärmeeintrag die Raum­tempe­ratur verändert, hängt massgeblich von der thermischen Masse der Raum­umschlies­sungs­flächen ab. Massive Bauteile ändern ihre Temperatur weniger stark als leichte Bauteile. Bei Ersteren tritt eine starke Dämpfung der Tempe­ratur­amplitude sowie eine Phasen­verschiebung gegenüber dem zeitlichen Auftreten des Wärmeeintrags auf. Dies hat einen Einfluss auf den Heiz- und Kühlleistungsbedarf zur Sicherstellung eines akzeptablen Raumklimas und verändert auch das Regelverhalten des Raumes.

Was man baut, misst man

Bisher war die Bauweise eines Forschungs­moduls – Massiv- oder Leichtbau – auch mit einer bestimmten thermischen Trägheit verbunden: In einem thermisch trägen Raum waren keine Experimente mit Leichtbau möglich und umgekehrt. Der haus­hälterische Umgang mit Bauressourcen zwingt uns jedoch dazu, die Materialwahl und den Mate­rial­ver­brauch zu hinterfragen: Was können die unter­schied­lichen Bautypen bezüglich Raumkomfort, Energie- und Mate­rial­ver­brauch leisten? Wie sind sie am besten kombinierbar? Welche Gebäude­technik­systeme und welcher Bautyp interagieren am besten miteinander?

Um solche Fragen zu beantworten, muss die Bauweise des Forschungs­moduls ohne grosse bauliche Eingriffe an die jeweiligen Auf­gaben­stellungen angepasst werden können.

Virtuelle Bauteile im realen Forschungs­modul

Mit der Wärmeleitungsgleichung – einer partiellen Differen­zial­gleichung – kann der zeit­abhängige Tempe­ratur­verlauf an der Oberfläche und innerhalb eines beliebigen Bauteilaufbaus, bei einem zeitlich variierenden Wärmefluss, berechnet werden. Gelingt es also, den Wärmefluss – der beispielsweise durch die Personen, die Sonne oder Geräte entsteht – an einer realen Oberfläche im Raum laufend zu messen, kann die zeitlich variierende Ober­flächen­tempe­ratur durch das Lösen der Differen­zial­gleichung berechnet werden. Wird die so ermittelte Ober­flächen­tempe­ratur umgehend auf die reale Oberfläche im Raum übertragen, verhält sich der Raum so, wie wenn der berechnete Bauteilaufbau physisch vorhanden wäre. Dadurch ist die Untersuchung der Interaktion der Gebäudetechnik mit unter­schied­lichen Bauweisen ohne physischen Umbau des Forschungs­moduls möglich.

Um diese Idee zu verwirklichen, verfügt das Forschungs­modul über speziell entwickelte Alumi­nium­elemente mit wasser­durch­flossenen Kapillarrohren (Bild 1). Dies sind gezogene Aluminium­profile mit integrierten Vertiefungen für die Aufnahme der Kapil­lar­rohr­matten. Die 24 cm breiten Elemente verfügen über eine Nut-Kamm-Verbindung und sind demontierbar. An den raumseitigen Oberflächen der Wandelemente (Bild  2) sind die Wärme­fluss­sensoren (Bild 3) angebracht.

Sie messen den Wärmefluss und übermitteln ihn an das Rechenmodell, das dynamische Wandmodell. Dieses ermittelt die jeweiligen Ober­flächen­tempe­raturen, indem es die Differenzialgleichung löst. Es sendet die Werte in Form von Sollwerten an einzelne Regler, die die Heiz- und Kühlventile so regeln, dass die errechneten Ober­flächen­tempe­raturen umgehend auf den mit Wasser durchflossenen Alumi­nium­elementen erreicht werden. So spürt der Raum die unter­schied­lichen Bauteiltypen, ohne dass diese real vorhanden sein müssen.

Dynamisches Wandmodell und Wärme­fluss­sensoren

Das dynamische Wandmodell ist eine an der Hochschule Luzern entwickelte C++-Anwendung, welche die beschriebene partielle Differenzial­gleichung löst. Die Software in Form einer DLL wurde direkt in die Beckhoff-Automation integriert. Eine Konfigu­rations­datei enthält den durch die Anwendenden veränderbaren Bauteilaufbau der zwölf Raum­umschlies­sungs­flächen. Die Beckhoff-Automation kommuniziert mit dem dynamischen Wandmodell über ein ADS-Protokoll (Automation Device Specification).

Die eingesetzten thermoelektrischen Wärme­fluss­sensoren der Firma Greenteg, mit einem Trägermaterial aus Polyamid, sind mit einem sehr dünnen doppelseitigen Klebeband auf die Aluminium­platten aufgebracht. Eine Steck­verbindung ermöglicht das Entfernen der Sensoren bei einem Umbau der Wandelemente.

Die Sensoren sind über I2C mit speziell entwickelten Multiplexer-Boxen verbunden. In der Box wird die Kommunikation von I2C auf RS485 umgestellt. Dieses Signal wird von der Beckhoff-Automation ausgelesen (Bild 4).

Anlagenhydraulik der virtuellen Bauteile

Die vom dynamischen Wandmodell kontinuierlich berechneten Ober­flächen­tempe­raturen werden durch die Regelung mit Durch­gangs­ventilen laufend über die wasser­durch­flossenen Kapil­lar­rohr­matten auf den Raum­ober­flächen nachgeführt. Jedes Wandsystem verfügt über einen eigenen Wasserkreis mit zugehöriger Pumpe. Bei einem Wärmeeintrag an der Oberfläche verändern unter­schied­liche Bauweisen ihre Ober­flächen­tempe­ratur unter­schied­lich stark und schnell. Um diesem Verhalten Rechnung zu tragen, wird für jedes Wandsystem ein Ventil mit grossem und eines mit kleinem Regelbereich eingesetzt. Zusätzlich wird die Wärme­fluss­richtung (Wärmefluss ins Bauteil: Heizen; Wärmefluss aus dem Wandsystem: Kühlen) auf Basis der Messungen durch die Wärme­fluss­sensoren mit je einem  Sechs­wege­kugel­hahn gesteuert. Bild 5 zeigt die im Forschungs­modul verbaute Technik und Hydraulik.

Visualisierung und Interaktion

Die Anlagenvisualisierung und Interaktion mit den Nutzenden erfolgt via der platt­form­unab­hängigen Web-Lösung TwinCAT-HMI. Die Anlagen­visuali­sierung umfasst die zwölf virtuellen Wandsysteme sowie die Lüftungs­anlage, die Wärme- und Kälte­ver­sorgung für die Experimente und die Anbindung an das Wärme- und Kältenetz der HSLU.

Für die Überwachung der Anlagen­para­meter und die Auswertung der Messresultate wird TwinCAT-Scope eingesetzt. Das Auswerte­instru­ment ermöglich die Auswertung der physischen und virtuellen Datenpunkte.

Forschungs­modul als Plattform für vielfältige Untersuchungen

Das Forschungs­modul bietet viele Möglichkeiten für die Durch­führung von unter­schied­lichen Forschungs-, Dienstleistungs- und Ausbil­dungs­projekten im Bereich Energie- und Ressourcen­verbrauch, Behaglichkeit sowie Automation. Es können beispielsweise unter­schied­liche Wärme- und Kälte­abgabe­systeme, Lüftungs­systeme, Beleuch­tungssysteme, Beschat­tungs­systeme aber auch Raum­auto­mations- und Regel­systeme untersucht und (weiter)entwickelt werden. Durch die rasch veränderbare Gebäudemasse lässt sich beispielsweise das daraus resultierende, unter­schied­liche Regel­verhalten sichtbar machen. Mit dem Standort auf dem Dach des Labor­gebäudes kann auch die Wirkung des Aussen­raums auf die Menschen in die Unter­suchungen einbezogen werden.