CLIMASYS - eine Software zur schnellen Beurteilung der Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher RLT-Systeme

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1 CLIMASYS - eine Software zur schnellen Beurteilung der Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher RLT-Systeme Die Raumluftkonditionierung ist heutzutage äusserst facettenreich. Im Zuge steigender Behaglichkeitsanforderungen und recoursenschonender Energieverwendung strebt man bei erforderlichen RLT-Anlagen, meist kleine Luftmengen an. Das jeweilige Anforderungsprofil kann dabei über eine Vielfalt an technischen Varianten erzielt werden (z.b. Drall-, Quelluft-, Induktionstechnologie, VVS, WRG, Kühldecken, Kühlmöbel, Kälteerzeugungsvarianten etc.). Hinter jeder technischen Lösung verbirgt sich aber immer auch ein immenses technologisches Wissen, dass der Fachplaner zur auskömmlichen, wirtschaftlichen Systemfindung benötigt. An der Fachhochschule Köln wurde im Jahre 2000 eine internetfähige Dimensionierungs- und Simulationssoftware entwickelt, mit der nahezu sämtliche RLT-Varianten nachvollzogen werden können. Mit CLIMASYS können, ausgehend von der Dimensionierung, via Prozessverlauf innerhalb kürzester Zeit, die jährlichen Anlagenkosten (Energie, Wartung, Unterhaltung, Kapital) ermittelt werden. Am Beispiel eines Versammlungssaales werden, innerhalb dieser Veröffentlichung, 10 verschiedene Systeme, zur Raumluftkonditionierung, untereinander verglichen. Einleitung Dem TGA - Fachplaner wird, vor allem in der Raumlufttechnik, ein immenses Fachwissen abverlangt. Im Wesentlichen geht es dabei, in der Planungsphase um die Komponentendimensionierung (gekoppelt mit den Anlagenkosten), unter Einhaltung des technischen Regelwerks. AB FO W ZU AU W V K B N Abb. 1: Klimaanlage Abbildung 1 zeigt eine Klimaanlage mit allen möglichen thermodynamischen Behandlungsfunktionen (Heizen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten). Von Seiten des Bauherren können nun nachstehende Fragen auftreten : muss ich kühlen (wenn ja, wie?) und wie hoch sind die Mehrkosten? wie wirkt sich in diesem Zusammenhang eine Kühldecke aus ist eine Befeuchtung erforderlich (wenn ja, wie?) und wie hoch sind die Mehrkosten? kann der Anlagenvolumenstrom technisch sinnvoll minimiert werden? ich möchte gern bei wirtschaftlichem Betrieb auf Umluft verzichten wie kann man Zugerscheinung unterbinden rechnen sich die Mehrkosten - einer regenerativen Betriebsweise - einer Wärmerückgewinnung - eines VVS-Betriebs (luft- und wasserseitig)

2 - keine - Dampf - Wasser - Hygiene Befeuchtung - stat. Fläche - Nur Luft Heizung - stat. Kühlfläche - Nur Luft Kühlung Kälterzeugung - keine - Kompression - Absorption - Eisspeicher - regenerativ - Kühlturm/luftgekühlt sonstiges RLT-Anlage Behaglichkeit Wirtschaftlichkeit - Investition - jährl. Kosten - Wartung - Unterhaltung - Amortisation - Volumenstrom (konst./variabel) - WRG (reg../rek.) - Auslass (Quell, Drall, Induktion etc.) - Umluft - Temperatur/Feuchte - Zugunterbindung - Schadstoffe - Anteil: Strahlung/Konvektion Abb. 2: RLT-Variantenvielfalt Die Fragestellungen nehmen sehr schnell komplexe Ausmasse an. Die Anlagentypen und deren Prozessverlauf müssen gegebenenfalls mehrfach nachvollzogen werden. Halbherzige Aussagen, zur technischen Realisierung, werden immer seltener akzeptiert und fehlerhafte Aussagen, insb. zu Kostenfragen, können weitreichende Konsequenzen haben. Möglichkeiten von CLIMASYS Da es für die RLT-Branche nur wenige Berechnungsprogramme gibt, die eine Antwort auf derart umfangreiche Fragestellungen geben, war es die Intention, innerhalb der Klimatechnik (FH-Köln, Versorgungstechnik) hier Abhilfe zu schaffen. Eine leicht bedienbare, zukunftsweisende Software, mit möglichst hohem Genauigkeitsgrad, war die Aufgabenstellung mehrerer Diplomarbeiten [1,2,3]. Das Ergebnis ist das internetfähige Berechnungsprogramm CLIMASYS. Nachstehende Abbildung verdeutlicht die Möglichkeiten des Programms:

3 Start Einstellung grobe Betriebsweise Einlesen der Lastparameter Ergebnisse der Dimensionierung Prozessverlauf im h,x- Diagramm Einstellung der Simulation Energiekostensimulation Ende Abb. 3: grober Programmablauf CLIMASYS Eingangs legt der Anwender die grobe Betriebsweise sowie die Lastparameter fest. Dabei werden nachstehende Fragen geklärt : konstanter oder variabler Volumenstrombetrieb falls Kühlung verlangt, Art der Kälteerzeugung falls Befeuchtung verlangt, Art der Befeuchtung gewünschter Umluftbetrieb Festlegung des Simulationsjahres (warm, kalt, gemässigt) Angaben zu Raumgeometrie, Personen und Klimabedingungen Lasteneingabe: Kühlen-Heizen-Schadstoff-Feuchte Ventilatorangaben Betriebsweise Nach diesen grundlegenden Eingaben erfolgt die Komponentendimensionierung. Selbige kann nun über Variation der Eingabeparameter optimiert werden. Im Anschluss werden die Prozessverläufe für die extremen Auslegungsbedingungen (Sommer / Winter) im h,x- Diagramm dargestellt.

4 Abb. 4: exempl. Prozessverlauf Sommer im moll. h,x- Diagramm Abb. 5: exempl. Prozessverlauf Winter im moll. h,x- Diagramm Genauso wichtig wie die Dimensionierung ist jedoch die betriebswirtschaftliche Anlagenverhalten. Die jährlichen Kosten sowie das zu erwartende Investment sind für einen Kaufmann absolut vordergründig. Hierzu werden im weiteren Ablauf Anlagencharakteristik (Betriebszeiten, Lastspitzen) Investition Primärenergieträger mit Tarifen als Grundlage zur Berechnung der jährlichen Kosten eingelesen. Das Ergebnis der Simulation, in der anhand meteorologischer Angaben für jede Stunde die Energiekosten ermittelt werden, sind die jährlichen Kosten (Kapital, Wartung, Unterhaltung, Energie) sowie die Schadstoffemission. Man erkennt objektiv, wie sich eine leichte Anlagenmodifikation (z.b.: Einsatz einer WRG) direkt auf die jährlichen Gesamtkosten auswirkt. Insbesondere kann auch belegt werden, dass die preisgünstigste Variante bei Leibe nicht die wirtschaftlichste ist.

5 Beispiel: Versammlungsaal Anhand der alten Bibliothek des IWZ-Köln soll im weiteren, unter Anwendung des Programms CLIMASYS, eine wirtschaftliche Systemfindung erfolgen. Untenstehende Abbildung zeigt den Grundriss. Abb. 6: alte Bibliothek des IWZ zu Köln Planungsgrundlagen Standort Köln Art Versammlungssaal RLT Teilklimatisierung (keine Befeuchtung) Fläche m2 Raumhöhe 4,5 m Personen Kühllast 72 kw Heizlast 177 kw (mit stat. Grundlast) Systemvarianten Als Vorgabe des Bauherrn erfolgte die Forderung einer Teilklimatisierung (keine Befeuchtung). Nachfolgende Tabelle zeigt dabei die untersuchten Systeme. Für die Ermittlung der Kapitalkosten wurden dabei, sicherlich nicht ganz unstrittige, spezifische Kosten angesetzt.

6 Tabelle 1: Gegenüberstellung der Anlagensysteme System Variante Kosten zusätzliche Kosten DM [ ] 3 (m / h) a Quelluft 18 - b Quelluft, Kühldecke DM/m 2 für die Kühldecke c Quelluft, Induktionsgerät 22 - d Quelluft, Kühldecke, VVS DM/m 2 für die Kühldecke e Anemostaten, mit Umluft 20 - f Anemostaten, mit WRG DM für WRG g Anemostaten, mit Kühldecke DM/m 2 für die Kühldecke h Anemostaten, mit VVS 20 - i Drallluftdurchlässe 25 - j Drallluftdurchlässe mit WRG DM für WRG a) Quelluft Hoher thermischer Komfort, gewährleistet durch geringe Untertemperaturen sowie geringe Raumluftgeschwindigkeiten, kann beispielsweise über herkömmliche, grossflächige Quelluftauslässe erfolgen. Dabei bildet sich im Bodenbereich der hierfür charakteristische Kaltluftsee aus. Abb. 7: Quelluftauslass [4] b) Quelluft und Kühldecke Diese Kombination gilt anerkannter Massen als eines der thermisch behaglichsten Systeme. Der Wärmehaushalt des Menschen setzt sich zu etwa gleichen Anteilen aus Strahlung und Konvektion zusammen. Dementsprechend empfindet der Mensch Systeme zur Luftkonditionierung, die auf ähnlicher Basis funktionieren, als angenehm. Abb. 8: Kühldeckenelement [4]

7 c) Quelluftinduktion Im wesentlichen aufgebaut wie ein Induktionsgerät (Primär-/Sekundäranteil), d.h. mit einem hohen Umluftanteil aus demselben Raum, funktionierend jedoch mit den günstigen Eigenschaften eines Quelluftsystems. Abb. 9: Quelluftinduktionsgerät [4] d) Quelluft und Kühldecke mit variablem Volumenstrom Da in Versammlungsräumen nur sehr selten eine 100 %-ige Belegung zu erwarten ist, könnte der Zuluftvolumenstrom den aktuellen Gegebenheiten permanent angepasst werden. Das System, ansonsten wie unter b, erfordert jedoch, aufgrund der Frequenzumrichter, der Volumenstromregler und der Luftqualitätsfühler, einen erhöhten regelungstechnischen Aufwand und wird somit investitionskostenintensiver. Abb. 10: TROX-Varicontrol VVS e) Anemostat mit Umluftanteil Herkömmliche Deckenluftauslässe, mit den konventionellen Unter-/Übertemperaturen, zum Heizen-/Kühlen ohne Umstellung Sommer/Winter. Abb. 11: Deckenanemostat [4]

8 f) Anemostat mit WRG Wie unter e, jedoch innerhalb des RLT-Geräts zusätzlich versehen mit einem rekupperativem Wärmerückgewinnungssystem. Abluft 27 C Außenluft -12 C Außenluft 10 C Abluft 5 C Abb. 12: exemplarische Wärmerückgewinnung g) Anemostat und Kühldecke Kombination der Systeme b und e h) Anemostat und Volumenstrom variabel Wie e, jedoch mit variablem Volumenstrom. Zusätzlich werden Volumenstromregler, Frequenzumrichter und ein erhöhter regelungstechnischer Aufwand erforderlich. i) variable Dralluftauslässe Mit der Drallufttechnologie ist man in der Lage hohe Untertemperaturen zu fahren. Möglich wird dieses über einen schnellen Temperatur- und Geschwindigkeitsabbau, infolge des langen verdrallten Strahlweges, bezogen auf eine kurze projezierte Länge. Auf diesem langen, verdralltem Strahlweg zwischen Auslass und Kopfbereich erreicht der Luftstrahl häufig bereits Raumzustand. Eine variable Luftstrahllenkung erfolgt in Abhängigkeit des jeweiligen Lastfalls: Sommer/Winter. Abb. 13: Drallauslass [4] j) variable Dralluftauslässe und WRG Wie unter i, jedoch zusätzlich mit einem rekuperativem Wärmerückgewinnungssystem ausgestattet.

9 Ergebnis des Systemvergleichs Nachfolgende Tabelle gibt die Dimensionierung der wesentlichen Komponenten wieder. Dem Volumenstrom sollte dabei gesondertes Augenmerk geschenkt werden, da er für die Komponentengrössen Hauptverantwortung trägt. Es zeigt sich dabei, dass ein Quelluftsystem (Typ a) aufgrund der geringen, zulässigen Untertemperaturen K sehr hohe Volumenströme bedingt. Ausschlaggebender Parameter ist in diesem Fall die Kühllast. Bei einem Luftwechsel von 10,5 fa würde das reine Quelluftsystem zwar nicht mehr in die engere Wahl fallen, trotzdem soll es weiter betrachtet werden. Verteilt man die Last auf Quelluft und statische Kühlfläche (Typ, b, c, d), so ergibt sich bereits eine erhebliche Reduktion des Zuluftvolumenstromes, entsprechend einem 7-fa Luftwechsel. Mit herkömmlichen Deckenanemostaten kann, aufgrund der höheren Untertemperaturen, der Volumenstrom (immer noch bestimmt über Kühllast) weiter verringert werden. Ein letztlich minimierter Volumenstrom, nunmehr berechnet über den erforderlichen Mindestaussenluftanteil [5], ergibt sich unter der Verwendung von Dralluftauslässen. Möglich wird dieses über die hohen Untertemperaturen. Die Behaglichkeit ist trotzdem gewährleistet, da der Luftstrahl in Kopfhöhe fast den Raumbedingungen entspricht. Tabelle 2: Ergebnisse der Dimensionierung Kühler Volumenstrom Vorerwärmer Nacherwärmer Zuluftventilator Abluftventitalor. V Q VE Q K Q NE P P VentZu Vent ab m 3 /h kw kw kw kw kw Quelluft ,6 17,3 Quelluft, Kühldecke ,8 11,8 Quelluftinduktionsgerät ,8 11,8 Quelluft, Kühldecke, VVS ,8 8,6 Anemostaten, Umluft ,8 8,6 Anemostaten, WRG ,8 8,6 Anemostaten, Kühldecke ,4 5,9 Anemostaten, VVS ,8 8,6 Drallluftdurchlässe ,5 5,2 Drallluftdurchlässe, WRG ,5 5,2 Aufgrund des linearen Proporz bedingt ein verringerter Volumenstrom auch eine Reduktion der Ventilator-, Kühler und Erwärmerleistungen. Die angesprochene rekuperative Wärmerückgewinnung soll lediglich im Winter eingesetzt (im Sommer im Bypass umfahren) werden. Der, mit der Witterrung schwankende, rekuperative Rückwärmegrad wurde konstant auf 75 % belassen. Eine Wärmerückgewinnung ermöglicht eine drastische Leistungsreduktion des Vorerwärmers. Nach dieser Auslegung kommt der eigentlich interessante Part; die Anlagensimulation. Für jede Stunde des Jahres werden die, in Abhängigkeit der Klimadaten, erforderlichen Energiemengen (Strom, Wärme) zur Raumluftkonditionierung erfasst. Dabei ist das Programm in der Lage, dass jeweilige Teillastverhalten einzelner Komponenten nachzuvollziehen. Je nach Rechnerleistung ist nach wenigen Sekunden ein komplettes Jahr simuliert.

10 Tabelle 3: jährliche Energiemengen Wärme Strom Typ Q VE Q NE P Kälte P Vent Zu P P Ventab Ppe kwh/a kwh/a kwh/a kwh/a kwh/a kwh/a Quelluft Quelluft, Kühldecke Quelluftinduktionsgerät Quelluft, Kühldecke, VVS Anemostaten, Umluft Anemostaten, WRG Anemostaten, Kühldecke Anemostaten, VVS Drallluftdurchlässe Drallluftdurchlässe, WRG Tabelle 4: resultierende jährliche Energiekosten (tarifabhängig HT, NT) Wärme (Vor-/Nacherwärmer) Strom (Kälte, Ventilator, Pumpen) Typ K VE K NE K K K Vent K Ges. Ppe. DM/a DM/a DM/a DM/a DM/a Quelluft Quelluft, Kühldecke Quelluftinduktionsgerät Quelluft, Kühldecke, VVS Anemostaten, Umluft Anemostaten, WRG Anemostaten, Kühldecke Anemostaten, VVS Drallluftdurchlässe Drallluftdurchlässe, WRG Die Energiekosten (Strom: 0,27 Pfg/kWh, Gas: 4 Pfg/kWh) sind jedoch nur ein Part der jährlichen Betriebskosten einer RLT-Anlage. Anhand der Investitionskosten K I müssen ferner Kapitalkosten K K, Betriebs- und Wartungskosten K BW (prozentual) sowie Unterhaltungskosten K U (prozentual) ermittelt werden. Letztlich wurden noch die Stromkosten zur Anlagenregelung K Reg. miteinbezogen. Tabelle 5: weitere fixe Betriebskosten Typ K I K K K BW K U K Re g. DM DM/a DM/a DM/a DM/a Quelluft Quelluft, Kühldecke Quelluftinduktionsgerät Quelluft, Kühldecke, VVS Anemostaten, Umluft Anemostaten, WRG Anemostaten, Kühldecke Anemostaten, VVS Drallluftdurchlässe Drallluftdurchlässe, WRG

11 Man erhält im Endeffekt für jeden Anlagentyp die jährlichen Gesamtkosten. Diese belegen für den Versammlungsraum, dass ein Dralluftsystem mit WRG die geringsten jährlichen Kosten verursacht. Tabelle 6: Summe aller jährlichen Kosten System a Quelluft DM/a b Quelluft, Kühldecke DM/a c Quelluftinduktionsgerät DM/a d Quelluft, Kühldecke, VVS DM/a e Anemostaten, Umluft DM/a f Anemostaten, WRG DM/a g Anemostaten, Kühldecke DM/a h Anemostaten, VVS DM/a i Drallluftdurchlässe DM/a j Drallluftdurchlässe, WRG DM/a Ein Kaufmann wird nun argumentieren, dass sich die Mehrkosten von DM ,- für die WRG von System j zu System i nicht armortisieren. Damit hat er recht. Ein weiteres Kriterium bei der Anlagenauswahl ist jedoch, neben den jährlichen Kosten, auch die produzierten/reduzierten Schadstoffmenge [5]. Tabelle 7: Ausgabe der Schadstoffproduktion Typ Q Ges. P Ges. CO 2 SO 2 NO x MWha MWh/a T/a kg/a kg/a a Quelluft b Quelluft, Kühldecke c Quelluftinduktionsgerät d Quelluft, Kühldecke, VVS e Anemostaten, Umluft f Anemostaten, WRG g Anemostaten, Kühldecke h Anemostaten, VVS i Drallluftdurchlässe j Drallluftdurchlässe, WRG Der Vergleich belegt für das System j (Dralluftauslässe mit WRG) eine derart hohe Reduktion gegenüber System i (Dralluftauslässe ohne WRG), so dass man, als Flachplaner, unbedingt das System j favorisieren sollte.

12 Zusammenfassung Die aufwendige Systemfindung von raumlufttechnischen Anlagen veranlasste die Klimatechnik, innerhalb des Fachbereichs Versorgungstechnik der FH-Köln, dazu, ein zukunftsweisendes, leicht bedienbares Simulationsprogramm zu entwickeln. Das Ziel der Software ist die Ermittlung des Prozessverlaufs, die Komponentendimensionierung sowie die Ermittlung der jährlichen Betriebskosten in Abhängigkeit der vielfältigen Eingabeparameter. Für einen grossen Versammlungssaal (Bibliothek mit m 2 ) wurden, innerhalb dieser Veröffentlichung, exemplarisch nachstehende Systeme gegenübergestellt : Beispiel : Versammlungsraum System Variante System Variante a Quelluft f Anemostaten, mit WRG b Quelluft, Kühldecke g Anemostaten, mit Kühldecke c Quelluft, Induktionsgerät h Anemostaten, mit VVS d Quelluft, Kühldecke, VVS i Dralluftdurchlässe e Anemostaten, mit Umluft j Dralluftdurchlässe mit WRG Das Ergebnis des jährlichen Kostenvergleichs stellt sich wie folgt : Kosten [DM/a] a. b. c. d. e. f. g. h. i. j. Abb. 14: jährliche Kosten der RLT-Anlagen Dem zur Folge ist, innerhalb von Versammlungsstätten, ein RLT-Konzept basierend auf Dralluftauslässen, sowohl technisch, ökonomisch als auch ökologisch (gemäss nachstehender Abbildung für CO 2 ), zu favorisieren. CO2 [kg/a] a. b. c. d. e. f. g. h. i. j. Abb. 15: CO 2 -Emission der unterschiedlichen Anlagen

13 Die jährlichen Gesamtkosten setzten sich dabei aus der Summe der Kapital-/ Wartungs-/ Unterhaltungs sowie Energiekosten zusammen. Eine deutliche, ökologische (nicht unbedingt ökonomische) Anlagenverbesserung lässt sich über den zusätzlichen Einbau einer Wärmerückgewinnung erzielen. Für einen anderen Gebäudetyp, z.b. Bürogebäude, Industriehalle, kann es aufgrund unterschiedlicher Anforderungsprofile, zu gänzlich anderen Ergebnissen kommen. Dem Systemvergleich ist anzumerken, dass er einem theoretischen Sachverhalt unterliegt. Sollte beispielsweise, behördlich (z.b. vom Amt für Arbeitsschutz), ein bestimmter Mindestluftwechsel gefordert werden, so ergäben sich modifizierte Eingangsparameter, die aber auch vom Programm berücksichtigt werden können. Des weiteren wurden die erforderlichen Pumpenleistungen geschätzt (die entsprechende Arbeit wurde vom Programm berechnet). Auch hier kommt es sicherlich, während der Vorplanung, im ersten Anlauf zu quantitativen Abweichungen. Qualitativ wird das Ergebnis jedoch dasselbe sein. Ein Vergleich mit dem statischen Berechnungsverfahren der VDI 2067-T3 [6] erbrachte eine gute Übereinstimmung. Literatur [1] Dipl.-Ing. Norbert Otten Erstellung einer internetfähigen Software zwecks Anlagendimensionierung und Energiekostensimulation von RLT- Prozessen (1) [2] Dipl.-Ing. Markus Wolbers Erstellung einer internetfähigen Software zwecks Anlagendimensionierung und Energiekostensimulation von RLT- Prozessen (2) [3] Dipl.-Ing. Patrick Zöller Kühllastermittlungsprogramm gemäss VDI 2078 als Bestandteil der internetfähigen Software CLIMASYS [4] TROX Prospektunterlagen der Gebr. TROX GmbH, Heinrich Trox Platz, Neukirchen-Vluyn [5] VDI 2071 Wärmerückgewinnung in Raumlufttechnischen Anlagen [6] VDI 2067, T3 Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen - Raumlufttechnik

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