User-centric radiant cooling

Abstract

Persönliche Komfortsysteme bieten Gebäudenutzern die Möglichkeit ihre unmittelbare thermische Umgebung zu regulieren. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn diese Systeme in Innenräumen installiert sind, welche gleichzeitig von mehreren Personen genutzt werden (z.B. Großraumbüros). Je nach Art des Persönlichen Komfortsystems können die Gebäudenutzer die Umgebungsbedingungen in Innenräumen, wie beispielsweise die unmittelbare thermische Umgebung oder die Luftqualität, nach ihren individuellen Vorlieben anpassen. Häufig verwendete persönliche Komfortsysteme zur Kühlung sind Tisch- oder Deckenventilatoren. Eine weitere Möglichkeit ist eine bereits vorgestellte alternative Kühlungsmethode, welche das Prinzip der gebaut und in zwei Laborräumen aufgestellt. Die Laborstudien fokussierten sich auf i) eine subjektive Bewertung des thermischen Komforts durch mehrere Studienteilnehmer; ii) das potenzielle Risiko thermischer Unbehaglichkeit aufgrund von Strahlungsasymmetrie; iii) die Luftströmung und Temperatur in der Nähe der Paneele; iv) die Gleichmäßigkeit der Oberflächentemperatur der Paneele; sowie v) das Ausmaß der Oberflächenkondensation. Die Ergebnisse der durchgeführten Studien zeigen das Potenzial und in manchen Situationen (z. B. bei sehr warmen thermischen Bedingungen) auch die Grenzen des vorgeschlagenen persönlichen Strahlungskühlungskonzeptes.Strahlungskühlung nutzt. Im Vergleich zu herkömmlichen Strahlungskühlungssystemen, die häufig an der Decke eines Raumes installiert sind, werden bei dieser alternativen Lösung eher kleine vertikale Paneele verwendet. Um einen möglichen niedrigeren Kühleffekt aufgrund der geringeren Größe des Panels zu kompensieren, werden diese vertikalen Paneele i) sehr nahe an den Arbeitsplätzen der Nutzer aufgebaut und ii) haben niedrigere Oberflächentemperaturen als herkömmliche Strahlungskühlelemente. Um diese niedrigeren Oberflächentemperaturen, die sogar unter den Taupunkt fallen können, zu ermöglichen, enthalten die alternativen Strahlungskühlpaneele spezielle Maßnahmen zum Auffangen oder Entfernen von potenziellem Oberflächenkondensat. In dieser Dissertation werden die Auswirkungen dieser persönlichen Strahlungskühlpaneele auf den thermischen Komfort von Gebäudenutzern untersucht. Zu diesem Zweck wurden eine Reihe von Experimenten durchgeführt. Die ersten Studien fokussierten sich auf i) die Abschätzung der Auswirkungen verschiedener Strahlungspaneelkonfigurationen (z.B. verschiedene Paneelgrößen) auf den thermischen Komfort; sowie ii) die Wirkung der Paneele in verschiedenen Klimazonen. Des Weiteren wurden die lokalen Strahlungskühlungselemente in einer Reihe von Laborstudien weiter erforscht. In diesem Zusammenhang wurden prototypische nutzernahe Strahlungskühlpaneele gebaut und in zwei Laborräumen aufgestellt. Die Laborstudien fokussierten sich auf i) eine subjektive Bewertung des thermischen Komforts durch mehrere Studienteilnehmer; ii) das potenzielle Risiko thermischer Unbehaglichkeit aufgrund von Strahlungsasymmetrie; iii) die Luftströmung und Temperatur in der Nähe der Paneele; iv) die Gleichmäßigkeit der Oberflächentemperatur der Paneele; sowie v) das Ausmaß der Oberflächenkondensation. Die Ergebnisse der durchgeführten Studien zeigen das Potenzial und in manchen Situationen (z. B. bei sehr warmen thermischen Bedingungen) auch die Grenzen des vorgeschlagenen persönlichen Strahlungskühlungskonzeptes.

Personal comfort systems offer occupants the possibility to adjust their immediate thermal environment. This is especially beneficial when they are installed in indoor spaces that are simultaneously used by multiple people (e.g., open plan office spaces). Depending on the type of personal comfort system, the occupants can modulate indoor environmental conditions, such as their surrounding thermal environment or air quality, in accordance with their individual preferences. Commonly used personal comfort systems for cooling are desk or ceiling fans. A previously introduced alternative cooling solution, which involves radiant cooling elements, can be another option. In comparison to conventional radiant cooling systems, which are often installed at the entire ceiling of a room, this alternative solution uses rather small vertical panels. To compensate for a possible lower cooling effect due to their smaller size, these vertical panels i) are meant to be installed very close to occupants' workstations, and ii) can have lower surface temperatures than conventional radiant cooling elements. To allow these lower surface temperatures, which can even fall below the dew point, the alternative radiant cooling panel incorporates specific measures to capture or remove potential surface condensation. This dissertation explores the effect of these personal radiant cooling panels on occupants' thermal comfort. A number of experiments were conducted to address this aim. Computational studies focused on i) the estimation of comfort implications for different radiant panel configurations (e.g., different panel sizes); and ii) the panels' performance in several climatic zones. The local radiant cooling approach was further explored via a number of laboratory studies. Thereby, prototypical local radiant cooling panels were built and positioned in two laboratory rooms. The laboratory studies focused on i) a subjective thermal comfort assessment of multiple participants; ii) the potential thermal discomfort risk due to radiant asymmetry; iii) the near-panel air flow and temperature field; iv) the uniformity level of the panels' surface temperature; and v) the magnitude of surface condensation. The outcome of the conducted studies points to the potential and in some situations (e.g., very warm thermal conditions) also to the limitations of the proposed personal radiant cooling approach.