Thermodynamik Simulation

Simulation einer Lüftungsanlage mit TIL Suite

Anlage

Das Modell einer Lüftungsanlage besteht aus Komponentenmodellen für Ventilatoren, Wärmerückgewinnung, adiabatischen Rückkühler, Tropfenabscheider, Kühler, Luftentfeuchter, Lufterhitzer und Dampfbefeuchter. Die Konditionierung der Zuluft auf eine vorgegebene Temperatur und Feuchte kann detailliert simuliert werden. Neben verschiedenen Randbedingungen (Wetterdaten) auf der Außenseite können auf der Zuluftseite weitere Modelle für die Interaktion mit Gebäuden gekoppelt werden. Die einzelnen Komponenten und der Volumenstrom können je nach Anwendungsfall frei konfiguriert werden. Außerdem können einzelne Komponenten zu- und abgeschaltet werden.

Simulation

Die Lüftungsanlage wurde unter variablen Betriebsbedingungen getestet, indem Temperatur und Feuchte für die Außenluft und die gewünschten Zuluftbedingungen kontinuierlich variiert wurden. Die Komponentenmodelle agieren jeweils in Abhängigkeit vom lokalen Luftzustand und konditionieren den Luftstrom entsprechend ihrer physikalischen Wirkungsweise. Durch integrierte Regler können unterschiedliche Luftzustände, wie sie z. B. im Sommer und im Winter auftreten, ohne weiteren Benutzereingriff simuliert werden. Außerdem ist es möglich, verschiedene Regelungskonzepte zu testen und zu vergleichen.

Ergebnisse

Die Zustandsgrößen des Zu- und Abluftpfades werden im hx-Diagramm visualisiert. Temperatur und Feuchte der Zuluft bleiben im untersuchten Fall immer im Komfortbereich. Die erste Hälfte des Videos bezieht sich auf den Winterfall, mit kalter und trockener Außenluft. Die Temperatur und Feuchte der Abluft sinkt im Wärmetauscher stark ab und erwärmt die Zuluft entsprechend. Die Zuluft wird dann durch die Heizung und den Befeuchter auf die gewünschte Temperatur und Feuchte gebracht. Im Sommer ist der adiabatische Rückkühler aktiv, damit die Zuluft im Wärmetauscher weiter abgekühlt werden kann. Die Abluft verändert nun nicht nur die Temperatur, sondern auch die Luftfeuchtigkeit. Zur Konditionierung der Zuluft sind vorübergehend alle Komponenten aktiv.

Wärmepumpen-Simulation mit TIL Suite

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Anlage

Dieser CO2-Kreislauf stellt eine typische Luft/Wasser-Wärmepumpe für ein Gebäude dar. Die Wärmepumpe hat auf der Hochdruckseite einen Rohrbündelwärmetauscher als Gaskühler. Der Gaskühler erwärmt das Wasser für das Gebäude. Auf der Niederdruckseite befindet sich ein Rippenrohrwärmetauscher, der als Verdampfer eingesetzt wird. Der Verdampfer befindet sich außerhalb des Gebäudes und nimmt die Wärme aus der Umgebungsluft auf. Auch diese Wärmepumpe hat einen internen Wärmetauscher, der im Modell durch zwei Rohre und einen Wärmeanschluss realisiert ist.

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Simulation

Das System kann über verschiedene Zeiträume simuliert werden. Da die Umgebungsbedingungen in diesem Beispiel konstant sind, stellt sich recht schnell (nach 200 Sekunden) ein stationärer Zustand ein. Die Zustandsgrößen des CO2, wie Druck, Temperatur und Enthalpie, ändern sich im Zyklus und können in den Simulationsergebnissen ausgewertet werden. Statt konstanter Umgebungsbedingungen können auch variierende Randbedingungen angelegt oder Messdaten eingelesen werden.

Ergebnisse

Druck und Enthalpie von CO2 lassen sich am besten in einem p-h-Diagramm darstellen. In diesem Beispiel haben wir das Simulationsergebnis mit unserer Software DaVE visualisiert. Die Abbildung im p-h-Diagramm veranschaulicht den thermodynamischen Kreislauf, wobei die Punkte 1 bis 6 den Sensorpunkten (ph) des Modells entsprechen. Das CO2 gibt von Messpunkt 1 bis 2 Wärme an das Wasser ab, wobei der Druck konstant hoch bleibt, die Temperatur im überkritischen Bereich aber kontinuierlich sinkt. Auf der Niederdruckseite von Punkt 4 bis 5 nimmt das CO2 Wärme aus der Umgebungsluft auf.

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Simulation der Batteriekühlung mit TIL Suite

System

Dies ist ein Modell eines Elektroautos mit angeschlossenem Kühlkreislauf. Der Kühlkreislauf verbindet Batterie, Fahrzeuginnenraum und Umgebung, Pumpen und Lüfter sorgen für eine entsprechende Zirkulation. Bei kühlen Umgebungstemperaturen kann die Abwärme der Batterie zur Beheizung des Innenraums genutzt werden (oberer Wärmetauscher). Bei hohen Temperaturen im Sommer wird das Dreiwegeventil umgeschaltet und die Batterie wird gegen die Außenluft gekühlt (unterer Wärmetauscher). Die Wärmeleistung der Batterie ergibt sich aus dem vorgegebenen Fahrprofil.

Simulation

Die Simulation kann zur Unterstützung bei der Dimensionierung der Wärmetauscher und der Steuerung der Pumpen und Lüfter verwendet werden. Im vorliegenden Fall wird die Kühlung der Batterie an einem Sommertag mit einer konstanten Lufttemperatur von 25°C untersucht. Die Kühlung erfolgt gegen die Außenluft, das Dreiwegeventil ist folglich auf den unteren Kreislauf geschaltet. Als Geschwindigkeitsprofil wurde ein HFET-Fahrzyklus mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von ca. 50 km/h über eine Gesamtstrecke von 50 km simuliert.

Ergebnisse

Die Batterie liefert die notwendige Energie, um das Fahrzeug entsprechend dem Fahrzyklus zu beschleunigen. Die dabei entstehende Abwärme heizt die Batterie auf. Trotz aktiver Kühlung gegen die Umgebungsluft steigt die Temperatur der Batterie weiter an und überschreitet nach 30 Minuten die Grenztemperatur von 40 °C. Da die Temperatur des Kühlwassers sehr nahe an der Batterietemperatur liegt, ist der begrenzende Faktor die Wärmeabgabe an die Umgebung. Dieser Wärmetauscher muss deutlich größer dimensioniert werden, um eine ausreichende Kühlung zu ermöglichen.

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