Tobias Blum

• Neue nachhaltige und dezentrale Energiesysteme können einen großen Beitrag bei der Einsparung von Energie sowie für die Verringerung der CO2-Emissionen des Gebäudesektors leisten. Bei der Entwicklung dieser Systeme ist eine ganzheitliche Betrachtung ihrer wesentlichen Auswirkungen und Einflussfaktoren essenziell. Ziel dieser Arbeit ist es, ein neuartiges, auf Peltier-Elementen basierendes Heiz- und Kühlsystem ganzheitlich zu bewerten. Peltier-Elemente sind kleine thermoelektrische Wandler und sollten, installiert in der Außenwand eines Gebäudes, als dezentrale Wärmepumpen fungieren. Die Bewertung des Gesamtsystems ist durch eine Kombination aus experimentellen Untersuchungen und thermischen Simulationen möglich. Die experimentellen Untersuchungen konzentrierten sich zunächst auf die Leistungsfähigkeit der Peltier-Elemente und wurden später zu Versuchen an einem Prototyp erweitert, der sowohl im Labor als auch im Freilandversuch analysiert wurde. Aufbauend auf den Erkenntnissen dieser Untersuchungen wurden thermische Bauteilsimulationen in TRISCO und VOLTRA sowie thermische Gebäudesimulationen in TRNSYS durchgeführt. Anhand der Freilandversuche und der Gebäudesimulationen konnte das entwickelte thermoelektrische Heiz- und Kühlsystem abschließend energetisch bewertet werden. Mit einem durchschnittlichen jährlichen System-COP von 0,96 bis 1,02 erwies sich das erforschte System als nicht ausreichend effizient. Vor allem im direkten Vergleich mit einem auf einer Wärmepumpe basierenden Referenzsystem zeigte sich, dass das untersuchte Peltier-System beim derzeitigen Stand der Technik keine zukunftsfähige Technologie ist.
• Innovative sustainable and decentralized energy systems have the potential to contribute significantly to energy saving and carbon emission reduction in the building sector. Developing these systems, it is essential to take a holistic approach to calculating its main influences and impacts. The aim of this work is to evaluate a new heating and cooling system based on Peltier elements. Peltier elements are small thermoelectric heat pumps which can be installed in the exterior wall as a decentralized heating and cooling unit. Through experimental investigations and thermal simulation studies, it was possible to evaluate the overall system. Initially, experimental studies focused on the performance of Peltier elements, and later a prototype was evaluated both in the laboratory and under outdoor conditions as part of a test cube. Based on the results of these experimental studies, thermal simulations were performed, focusing on building parts in VOLTRA and TRISCO and on whole buildings in TRNSYS. Combining the results of the outdoor evaluations with those of the building simulations in TRNSYS, the developed thermoelectric heating and cooling unit could finally be evaluated energetically. The mean annual COP of the system was measured between 0,96 and 1,02, which means that the studied system cannot be operated with sufficient efficiency. In particular, the comparison of the Peltier system with a heat pump reference system shows that the Peltier element-based system is not a sustainable alternative to current commercial systems at the current state of the art.