Das Softwaretool EInrA und die energetische Inspektion von RLT- Anlagen

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1 Wettbewerb: Auf IT gebaut 211 Kurzfassung des Wettbewerbsbeitrages Das Softwaretool EInrA und die energetische Inspektion von RLT- Anlagen Die Energetische Inspektion raumlufttechnischer Anlagen (EInrA) ist eine komplexe Ingenieuraufgabe zur periodischen Überprüfung der Raumluftkonditionierung in Gebäuden. Löst man sich bei der Betrachtung der Aufgabe von der ordnungsrechtlichen Vorschrift des 12 EnEV, der die regelmäßige Überprüfung für bestehende Anlagen fordert, und betrachtet den Planungsprozess von Gebäuden, wird deutlich, dass der eingeschränkte Betrachtungsrahmen der Betriebsphase unzureichend ist. Planungsprozesse für Gebäude sind durch permanente Änderungen der Gebäudekubatur und der gebäudetechnischen Anlagen sowie partieller Nutzungsänderungen gekennzeichnet. Zur Bewertung einzelner Planungsänderungen auf den energieeffizienten Gebäudebetrieb im Allgemeinen und der Raumluftkonditionierung im Speziellen ist auch während der Planungsphase eine wiederholte energetische Inspektion der Planungsstände erforderlich. Im Gegensatz zu heiz- und kältetechnischen Systemen sind RLT-Anlagen aufgrund ihrer originären Funktion der Frischluftversorgung einer Gebäudezone während der Nutzungszeit permanent in Betrieb. Aus der dauerhaften Luftförderung und den thermischen Anforderungen an den Zuluftzustand resultieren zahlreiche, energetisch aufwendige Luftbehandlungsfunktionen zum Heizen, Kühlen, Beund Entfeuchten der jeweiligen Außenluftzustände. Diese komplexen witterungsabhängigen Prozesse stehen in Wechselwirkung untereinander. Gleichzeitig wird die Energieeffizienz der Prozesse von den Betriebsparametern, die die Nutzungsanforderungen abbilden (sollten), beeinflusst. Die Zielsetzung der energetischen Inspektion besteht zusammenfassend darin, den Energieverbrauch des Gesamtsystems einer RLT-Anlage, das aus der Anlagenkonfiguration, dem Luftkanalnetz, den Nutzungsanforderungen, dem Anlagenstandort und dem Anlagenbetrieb besteht, an den zur nutzungsspezifischen Raumluftkonditionierung notwendigen Energiebedarf anzupassen. Es gilt also zwei Aufgaben zu lösen: Optimierung der tatsächlich erforderlichen, nutzungsspezifischen Energiebedarfsmenge für die Raumluftkonditionierung und Abgleich der rechnerisch optimierten Energiebedarfmenge mit dem realisierten Energieverbrauch der RLT-Anlage im Betrieb und Identifikation von technischen Optimierungsmöglichkeiten. Das Ergebnis dieser Vorgehensweise ist Energieeffizienz für die Frischluftversorgung von Gebäuden mit RLT-Anlagen und ist im Verständnis der Verfasser dieses Wettbewerbsbeitrages der Gegenstand der Energetischen Inspektion raumlufttechnischer Anlagen. Das Softwaretool EInrA berechnet für ein realitätsnahes Modell des Gesamtsystems einer RLT-Anlage die Energiebedarfskennwerte, die zur Konditionierung und Förderung der Luft nötig sind. Die Bilanzierungsmethode des Programms besteht aus einer Simulation im Stundenschrittverfahren und berücksichtigt die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Anlagenkomponenten. Die Realitätsnähe des Modells beschränkt sich nicht nur auf das aufwendige Berechnungsmodell, sondern ist auch durch die praxisrelevanten Abbildungsmöglichkeiten der Anlagentechnik, des Kanalnetzes und der Nutzeranforderungen gewährleistet. Die Wechselwirkungen die zwischen der nutzungsspezifischen Betriebsweise und der Anlagentechnik bestehen, können über Parameterstudien bewertet werden. EInrA ermöglicht die dazu notwendige variable Eingabe sämtlicher Betriebsparameter und bietet die Möglichkeit, sämtliche, technisch sinnvollen Anlagensysteme zu modellieren und zu variieren. Eine weitere Funktion von EInrA ist die Berechnung des Nutzenergiebedarfs zur thermischen Luftaufbereitung und des Endenergiebedarfs zur Luftförderung nach der Kennwertmethode der DIN V (2-2). Es besteht somit die Möglichkeit den Simulationsergebnissen die Berechnungsergebnisse eines in der Praxis weit verbreiteten und anerkannten Verfahrens gegenüberzustellen. Zusammenfassend ist EInrA ein Softwaretool, das als zentraler Bestandteil einer Konzeption zur Energetischen Inspektion raumlufttechnischer Anlagen in der Planungs- und Betriebsphase von RLT- Anlagen eingesetzt wird und einen großen Beitrag für eine energieeffiziente Nutzungsphase von Seite 1 von

2 Wettbewerb: Auf IT gebaut 211 Kurzfassung des Wettbewerbsbeitrages Gebäuden leistet. EInrA ist dabei nicht nur ein Softwaretool, sondern eine softwaregestützte Ingenieurmethode zur Steigerung der Gebäudeenergieeffizienz mit einem ganzheitlichen Ansatz. Mit der implementierten Kennwertmethode verfügt EInrA darüber hinaus über eine Berechnungsmethode für eine Nachweisführung im Sinne der Energieeinsparverordnung. Grundlagen und Betrachtungsgegenstand Raumlufttechnik: Zustandsänderungen Feuchter Luft Die Behaglichkeit des Menschen hängt zunächst von der Wärmebilanz seines Körpers und damit von der körperlichen Tätigkeit (Aktivitätsgrad) und der Bekleidung (Wärmeleitwiderstand) ab. Weiterhin haben die Parameter des Umgebungsklimas, insbesondere die Lufttemperatur und die Luftfeuchte sowie die Luftgeschwindigkeit maßgeblichen Einfluss auf das Behaglichkeitsempfinden. Thermische Behaglichkeit ist in diesem Zusammenhang dann gegeben, wenn sich solche Haut- und Kerntemperaturen bei den jeweiligen Personen einstellen, die als angenehm empfunden werden. Für die Raumluftkonditionierung leiten sich aus den Behaglichkeitskriterien Anforderungen an den Zuluftzustand ab, der in den jeweiligen Versorgungsbereich durch die RLT-Anlage eingeblasen werden muss. In Abhängigkeit vom Außenluftzustand resultieren aus den Anforderungen an den Zuluftzustand die notwendigen Luftbehandlungsfunktionen der RLT-Anlage. Die nachfolgende Abbildung 1 zeigt ein Mollier h,x-diagramm in dem die Eigenschaften und Änderungen von Luftzuständen abgebildet werden können. Luftzustände, die unter Behaglichkeitskriterien als zu warm, zu kalt, zu trocken oder zu feucht empfunden werden, erfordern eine thermische Luftaufbereitung. Abbildung 1 Mollier-h,x-Diagramm mit Behaglichkeitsfeld und meteorologisch bedingten Luftbehandlungsfunktionen Behaglichkeitsfeld der DIN : Darstellung im h,x Diagramm Temperatur t [ C] rel. Luftfeuchtigkeit [%] t max =26 2 t min 2 =2 1-1,,, x max =11,,1 Wasserdampfgehalt x [g/kg] spez. Enthalpie h [kj/kg tr. Luft] 2 min =3 kühlen & kühlen entfeuchten & nachheizen Behaglichkeitsfeld 6 heizen 4 heizen & max =6 8 9 Technische Systemgrenze des Betrachtungsgegenstandes Die thermische Aufbereitung Feuchter Luft von einem Außenluftzustand zu einem unter Behaglichkeitskriterien erforderlichen Zuluftzustand ist Aufgabe der Raumlufttechnik. Technisch Seite 2 von

3 Wettbewerb: Auf IT gebaut 211 Kurzfassung des Wettbewerbsbeitrages betrachtet erfordern die notwendigen Luftbehandlungen, wie sie in Abbildung 1 dargestellt sind, eine bestimmte Reihenfolge von Anlagenkomponenten. Jede dieser Anlagenkomponenten bewirkt jeweils eine Richtung der Luftzustandsänderung (Erwärmen, Kühlen etc.). Die erforderliche Anlagenkonfiguration, die zusammenfassend als Zentralgerät einer RLT-Anlage bezeichnet wird, ist also abhängig von den Nutzungsanforderungen an den Zuluftzustand. Die nachfolgende Abbildung 2 zeigt die Maximalkonfiguration des Zentralgerätes einer RLT-Anlage wie sie im Berechnungsmodell von EInrA simuliert werden kann. Abbildung 2 Betrachtungsgegenstand: Schema der Maximalkonfiguration des Zentralgerätes einer RLT-Anlage FOL + ABL AUL UML ZUL K G3-F KSD SR WR MK HR KR BEF HR Bypass Bypass Kälterückgewinnung bei Entfeuchtung KSD F-F9 Legende: Luftvolumenströme AUL = Außenluft ZUL = Zuluft ABL = Abluft FOL = Fortluft nach außen UML = Umluft (grün) (blau) (gelb) (braun) (orange) Raumlufttechnische Komponenten KL = Jalousie-Klappe / Wetterschutzgitter G/F = Luftfilterklasse (1-9) KSD = Kulissenschalldämpfer SR = Sorptionsrotor (Entfeuchtung, sorptive Kühlung) WRG = Wärmerückgewinnung (Bsp.: Rotor) MK = Mischkammer zur Umluftbeimischung HR = Heizregister KR = Kühlregister BEF = Befeuchter (Bsp.: adiabater Luftwäscher) Prinzip des Berechnungsmodells Zur Berechnung des Nutzenergiebedarfs müssen die technischen Komponenten, die zur thermischen Luftaufbereitung in der Anlagenkonfiguration des Zentralgerätes aufgereiht sind, mathematisch modelliert werden. Das mathematische Modell von EInrA ist eine Simulationsberechnung im Stundenschrittverfahren. Für jedes Berechnungsintervall erfolgt die stationäre Ermittlung der thermodynamischen Zustandsänderungen des jeweils vorliegenden Außenluftzustands in Richtung eines vorgegebenen Soll-Zuluftzustands. Die dabei aufzuwendenden Enthalpiedifferenzen werden in Abhängigkeit von auswählbaren Klimadaten für den in der jeweiligen Stunde vorliegenden Außenluftzustand bestimmt. In Abhängigkeit vom Luftvolumenstrom des Berechnungsintervalls bilanziert das Berechnungsmodell daraufhin für jede Luftbehandlungsfunktion des Zentralgerätes der RLT-Anlage den stündlichen Nutzenergiebedarf. Die stündlichen Energiebedarfswerte für Wärme (q H ), Kälte (q K ) und den elektrischen Leistungsbedarf (q elektr. ) der Komponenten werden in einem Zeitprofil gespeichert und für die Zusammenfassung der Ergebnisse in nachfolgenden Berechnungsschritten bereitgestellt. Die Abbildung 3 zeigt das Prinzip des Berechnungsmodells an einem Beispiel. Im oberen Bildteil ist eine Anlagenkonfiguration dargestellt, die über 4 thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen verfügt. Die Anforderungen an den Zuluftzustand bestehen aus einer Zulufttemperatur von 18 C und einer (absoluten) Zuluftfeuchte zwischen 6 und Gramm Wasser pro Kilogramm Luft. Im unteren Teil von Abbildung 3 befindet sich eine Darstellung der Luftbehandlungsprozesse im h,x-diagramm. Jedes der Diagramme enthält die 86 Datenpunkte einer Jahresbilanz, die den Zustand der Luft hinsichtlich Temperatur und Feuchte am Austritt der jeweiligen Luftbehandlungskomponente des Zentralgerätes Seite 3 von

4 Wettbewerb: Auf IT gebaut 211 Kurzfassung des Wettbewerbsbeitrages beschreiben. Damit nach dem zweiten Heizregister die Anforderungen an den Zuluftzustand erfüllt sind, werden für das Bilanzverfahren von EInrA 3 verschiedene Algorithmen benötigt: Die Regelungsterme zur Sollwertvorgabe geben Sollwerte für den Luftzustand am Austritt der jeweiligen Komponente in Abhängigkeit von der Anlagenregelung vor. Die Berechnung erfolgt in Abhängigkeit von der Anlagenkonfiguration und den bestehenden Interdependenzen der Komponenten. Die Sollwertvorgabe ist die Eingangsgröße für die Zustandsänderungsterme, die den Luftzustand am Austritt der Komponenten in Abhängigkeit von der spezifischen Funktionsweise berechnen. Die Bilanzterme summieren letztlich die jeweiligen Enthalpiedifferenzen ( h) der Luftzustandsänderungen zwischen Ein- und Austritt, die durch die Anlagenkomponente für den Luftbehandlungsprozess aufgewendet werden müssen. Abbildung 3 Ablauf und Prinzip des Bilanzierungsverfahren für den Energiebedarf zur thermischen Luftaufbereitung Anlagenkonfiguration Anlagenregelung (Bsp.) FOL ABL 6 < x ZUL < [g/kg] ZUL = 16,6 + 1,4 [ C] WRG =, [-] AUL KL G3-F KSD WRG HR I KR BEF HR II VENT KSD F-F9 ZUL Verdunstungsbefeuchtung nicht regelbar Sollwerte x BEF WRG HRI KR HRII Istwert ZUL x WRG V ZUL x ZUL Bilanzgrößen q elektr. q H q K. Luftbehandlungsprozesse im h-x-diagramm q elektr.. (q Dampf ) m W q H q elektr. AUL nach WRG nach HR I nach KR nach BEF nach HR II Anwendung von EInrA: Aufbau der Benutzeroberfläche des Softwaretools Programmstart Nach dem Öffnen von EInrA besteht in einem Drop-Down-Menü zunächst die Möglichkeit zwischen den beiden Unterprogrammen des Softwaretools auszuwählen (vgl. Abbildung 4). Das Unterprogramm Simulation im Stundenschrittverfahren (DEMO) bilanziert den Nutzenergiebedarf auf Excel- und VBA-Basis nach dem vorstehend beschriebenen Berechnungsmodell. Die Demoversion erlaubt jedoch lediglich die Eingabe der nachfolgend auszugsweise dargestellten Parameter, aber nicht deren Berechnung. Eine Vollversion von EInrA steht ausschließlich den Eigentümern des Programms zur Verfügung, weil der VBA-Quellcode nicht vor einem unerlaubten Zugriff geschützt werden kann. Damit die Funktionen von EInrA trotz dieser Einschränkung in vollem Umfang dargestellt werden können, wurde für den Wettbewerbsbeitrag eine RLT-Anlage beispielhaft berechnet. Die Liesmich Textdatei in dem Dateiordner von EInrA auf der beiliegenden CD erläutert das dazu erforderliche Vorgehen. Seite 4 von

5 Wettbewerb: Auf IT gebaut 211 Kurzfassung des Wettbewerbsbeitrages Wählt man das Unterprogramm Nutzenergiebedarfsberechnung nach DIN V (2-3) liegt der Berechnung die Kennwertmethode im Monatschrittverfahren zugrunde. Dieses Unterprogramm steht auch in der Demoversion in vollem Funktionsumfang zur Verfügung. Abbildung 4: Programmstart von EInrA und Auswahl der Bilanzierungsmethode Registerkarten für die Eingabe der Komponenten und Berechnungsparameter Die Benutzeroberfläche von EInrA besteht aus mehreren Ebenen in denen sich wiederum mehrere Registerkarten befinden (vgl. Abbildung ). Der strukturelle Aufbau unterscheidet auf der obersten Ebene zunächst zwischen den Eingabeparametern, die als Basisdaten zu bezeichnen sind, der Eingabe der Komponenten des Zentralgerätes und den Eingabeparametern für die Luftförderung durch das Kanalnetz. Die Programmierung der Benutzeroberfläche erfolgte nicht nur unter Beachtung einer sachlogischen Strukturierung, sondern enthält nützliche Hilfefunktionen zu einzelnen Eingabeparametern. Im Zweifel stehen dem Anwender dadurch nicht nur die erhobenen Daten beim Kunden zur Verfügung (siehe Datenerhebungsbogen im Anhang des Wettbewerbsbeitrages), sondern er erhält unmittelbar nützlich Informationen über die jeweils einzugebende Variable oder über die Reihenfolge der Eingabe. Die Eingabeoberfläche von EInrA enthält darüber hinaus eine Plausibilitätsprüfung, die eine Vielzahl von Eingaben und deren Wechselbeziehungen untereinander überprüft. Auf unplausible Eingaben wird der Anwender hingewiesen und er bekommt zusätzlich Problemlösungen von EInrA vorgeschlagen. Abbildung - Beispiel: Registerkarte für die Eingabe des Luftvolumenstroms Ausgabe der Energiebedarfskennwerte. Ergebnisausgabe von EInrA Nach vollständiger Dateneingabe werden über Berechnung starten die Simulationsergebnisse berechnet. Die Benutzeroberfläche speichert die Dateneingabe automatisch ab und schließt sich. Gleichzeitig öffnet sich ein Excelblatt, das die Ergebnisaufbereitung enthält und beliebig weiter verwendet werden kann. Seite von