Raheleh Javanmardi

• Das letzte Jahrzehnt hat die menschliche Wahrnehmung von Klimawandel und Energieverbrauch dramatisch verändert. Es ist ersichtlich, dass der Mensch aufgrund der CO2-Emissionen aus dem fossilen Energieverbrauch eine dominante Rolle im Klima- wandel spielt. Es ist heute weitgehend Konsens, dass wir den Einsatz fossiler Brenn- stoffe reduzieren müssen, um die Abhängigkeit von den Lieferländern zu verringern und die CO2-Emissionen zu reduzieren. In dieser Hinsicht ist die beste Alternative die Verwendung Erneuerbarer Energien. Energie aus solarer Strahlung ist weder kontinuierlich noch vollständig steuerbar, aber quasi kostenlos verfügbar. Um die nicht kontinuierliche, teilweise steuerbare Bereit- stellung zu kompensieren, muss die Energie für ihre Nutzung möglichst effizient ge- speichert werden. Aktuell werden Bauteile bereits passiv als Wärmespeicher genutzt und decken einen Teil des Wärmebedarfs von Gebäuden. Für eine umfangreichere Deckung dieses Bedarfs können Bauteile mittels thermischer Aktivierung aktiv beladen werden. Darüber hinaus können Materialien eingesetzt werden, um die thermische Speicherkapazität zu erhöhen. Besonders interessant sind Phasenwechselmaterialien (PCM), welche ohne Temperaturanstieg Wärme speichern. PCMs weisen ein nichtlineares Verhalten auf, was bei Simulationen oder Steuerungen neue Herausforderungen bedeutet. Daher ist es unerlässlich, ihr Verhalten anhand ei- ner numerischen Methode zu modellieren. In dieser Dissertation wird die Finite-Diffe- renzen-Methode (FDM) zur Modellierung und Simulation des thermischen Verhaltens von thermisch aktivierten Bauteilen, ausgestattet mit PCM, benutzt und zur Diskreti- sierung der Differentialgleichungen wird das Crank-Nicolson-Verfahren eingesetzt. Au- ßerdem wird zur Modellierung des latenten Verhaltens von PCM die Enthalpie-Me- thode angewendet. Die Hysterese vom PCM ist auch modelliert. Für die Simulation der aktivierten Bauteile wird das Stern-Dreieck-Transformationsverfahren genutzt. Basie- rend auf den genannten Methoden und den dazugehörigen Gleichungen wird ein Code im MATLAB Programm implementiert, mit dem das thermische Verhalten von ther- misch aktivierten Bauteilen, ausgestattet mit PCM, untersuchen werden kann. Letzt- endlich wird zur Validierung des numerischen Modells das komplexe Verhalten von PCM untersucht und zusätzlich wird der entwickelte Code durch thermische Simulati- onen einer genormten Wand in „ANSYS Workbench“ verifiziert. Nach der Validierung des Codes und seiner Entwicklung als TRNSYS-Komponente wird die Parametrisie- rung durchgeführt. Sein Zweck war es, unter Berücksichtigung der verschiedenen Pa- rameter eine Außenwand zu entwerfen, die den Heizwärmebedarf des Referenzge- bäudes, SFH30 nach IEA SHC Task32, maximal und gleichmäßig im Laufe der drei aufeinanderfolgenden kältesten Tage in jedem Monat der Heizperiode abdecken kann. Schließlich wird ein Optimierungscode mit Hilfe der Simulated Annealing Methode im MATLAB Programm implementiert. Mit diesem Code wird die Wandkonstruktion be- stimmt, welche den gesamten Heizwärmebedarf des Referenzgebäudes gleichmäßig im Lauf der drei aufeinanderfolgenden kältesten Tage in jedem Monat der Heizperiode abdecken kann.
• The last decade, human perceptions of climate change and energy consumption has changed dramatically. It can be seen that human play a dominant role in climate change due to the CO2-emissions from fossil energy consumption. There is now a broad consensus that we need to decrease the use of fossil fuels to reduce depend- ence on supplier countries and CO2-emissions. In this respect, the best alternative is to use renewable energy. Energy from solar radiation is neither continuous nor completely controllable, but virtu- ally gratis available. In order to compensate for the discontinuous, partly uncontrollable provision, the energy for its use must be stored as efficiently as possible. Currently, components are already being used passively as heat storages and cover part of the heat demand of buildings. For more enormous coverage of this demand, components can be actively loaded by means of thermal activation. In addition, materials can be used to increase the thermal storage capacity. Especially interesting are phase change materials (PCM) which store heat without increasing the temperature. PCMs show a nonlinear behavior which means new challenges for simulations or con- trol systems. Therefore, it is essential to model their behavior using a numerical method. In this dissertation, the finite difference method (FDM) for modeling and sim- ulating the thermal behavior of thermally activated components with PCM is used and in order to discretize the differential equations the Crank-Nicolson method has been applied. In addition, the enthalpy method was used to model the latent behavior of PCM along with the hysteresis of PCM. The thermal activated components are mod- eled and simulated using a method called Star-Delta Transformation method. Based on the above methods and the associated equations, a code has been implemented in MATLAB program to simulate the thermal behavior of thermally activated component equipped with PCM. Finally, the complex behavior of PCM was investigated to validate the numerical model and additionally, the developed code was verified by thermal sim- ulations of a standardized wall in "ANSYS Workbench". Based on the verified code and its development as a TRNSYS-Component, the parameterization is carried out. Its purpose is to design an external wall, taking into account the various parameters, which can cover the heat demand of the reference building, SFH30 according to IEA SHC Task32, maximally and equally during the three coldest days in each month of the heating period. Finally, an optimization code by using the Simulated Annealing Method was implemented in MATLAB program. This was used to determine the wall construc- tion, which covers the entire heating requirement of the reference building equally dur- ing the three coldest days in each month of the heating period.