Experimental and numerical investigation of innovative exhaust-air to supply-air heat pumps on component and building level

Die Verbesserung der energetischen Qualität des Gebäudebestandes spielt eine wesentliche Rolle hin zu einem reduzierten Energieverbrauch auf der ganzen Welt. Lüftungssysteme tragen dazu bei den Heiz- und Kühlenergiebedarf zu reduzieren und den thermischen Komfort, sowie die Raumluftqualität, zu verbessern. Im Winter ist die Enthalpie der Fortluft einer Lüftungsanlage mit Wärme- oder Enthalpieübertragern zumeist höher, als die der Umgebungsluft und kann daher als Quelle für eine Wärmepumpe genutzt werden. Bei hocheffizienten Gebäuden kann die Heizleistung einer sogenannten Fortluft-Wärmepumpe ausreichend sein, um den Heizlastbedarf über die Zuluft zu decken. Dennoch weisen solche Systeme einige Nachteile und Herausforderungen auf. So wird beispielsweise die maximale Heizleistung durch den Zuluftvolumenstrom begrenzt. Der Volumenstrom sollte den hygienischen Luftvolumenstrom nicht überschreiten, da das Risiko einer zu trockenen Raumluft in der Winterzeit, insbesondere im alpinen Raum, erhöht ist. Dadurch wird die effektive spezifische Heizleistung, die über die Zuluft werden kann, auf ca. 10 W/m² begrenzt. Daher sind solche Systeme bei Renovierungen, bei denen spezifische Heizlasten von 20-25 W/m² erreicht werden können, nicht einsetzbar. Eine weitere bekannte Einschränkung dies Systems liegt darin, dass nur Zulufträume direkt beheizt werden. Ablufträume werden nicht direkt erwärmt, was zu einer Verringerung des thermischen Komforts führen kann oder zusätzliche raumweise, meist elektrische, Heizsysteme erfordert. Der Einsatz solcher zusätzlichen raumweisen Heizsysteme hat einen erheblichen Einfluss auf die Gesamteffizienz des Systems. Auch bei reduzierten Volumenströmen (z.B. geregelt über die Raumluftqualität) ist in kühlen Klimazonen ein Risiko für trockene Raumluft im Winter gegeben. Mit sogenannten Enthalpieübertragern kann im Vergleich zu herkömmliche Wärmetauschern auch Feuchtigkeit übertragen werden. Messdaten solcher Enthalpieübertragern sind jedoch kaum zu fi
Improving the quality of the building stock plays an integral role in the progress towards lower energy consumption worldwide. Adequately designed ventilation systems help to reduce the heating and cooling energy demands and improve the thermal comfort and indoor air quality. During winter conditions, the enthalpy of the exhaust air of a ventilation system with a heat or enthalpy exchanger is higher than that of the ambient air and, therefore, can be used as a source for a heat pump. For high energy-efficient buildings, the heating power of such systems can supply sufficient power to satisfy the design heating load via the supply air. Nevertheless, such systems experience some challenges. For instance, the maximum heating power they can provide is limited by the supply-air flow rate. The supply-air volume flow should not exceed the hygienic air flow rate, because of the increased risk of dry room air during the winter period in particular in cold climates. This limits the effective specific heat load that can be provided by the supply air to approximately 10 W/m². Thus, such systems are not applicable in case of renovations, where specific heat loads of 20-25 W/m² need to be reached. Another known drawback of the supply air heating concept lies in the fact that only supply air rooms are heated directly. Extract air rooms are not heated directly which can lead to a decrease of thermal comfort or might make additional room-wise heaters necessary. The utilization of additional room-wise heaters has a significant impact on the overall system performance. Even with reduced volume flows (e.g. controlled by the indoor air quality), a risk of dry room air during the winter period is given in alpine regions. Compared to solely heat exchangers, not only heat but also moisture can be transferred by means of the so-called enthalpy exchangers. However, measurement data of such enthalpy exchangers is rare. Moreover, important questions as, at which boundary conditions condensate
Dipl.-Ing. Dietmar Siegele, MSc
Kurzfassung in deutscher Sprache. Artikel in deutscher und englischer Sprache
Kumulative Dissertation aus neun Artikeln
Dissertation Universität Innsbruck 2019