Üblicherweise werden Kreislaufverbund-Systeme

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1 Hochleistungswärmeund Kälterückgewinnung Systeme zur Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen gehören seit vielen Jahren zum Stand der Technik. Neben den regenerativen Systemen (Rotations-Wärmeaustauscher) haben sich insbesondere die rekuperativen Systeme (Plattenwärmeaustauscher, Kreislaufverbund-System) durchgesetzt. Von diesen haben die Kreislaufverbundsysteme besondere Vorteile bezüglich der Hygiene, da sie keine lufttechnische Verbindung zwischen Abluft und Zuluft aufweisen. Ferner müssen die Zuund Abluftkanäle nicht wie bei den anderen Systemen nebeneinander installiert werden. Einsatzgebiete sind neben Krankenhäusern alle Formen von Verwaltungsgebäuden, Versammlungsstätten (Kongresszentren, Theater, Kinos) aber auch Industrieanlagen. Dr. Franc Sodec, Dipl.-Ing. Detlef akulla 146 Bergisch Gladbach Üblicherweise werden Kreislaufverbund-Systeme nur zur Wärmerückgewinnung (und nicht zur Kälterückgewinnung) mit Rückwärmzahlen von ca. 4-4 % eingesetzt. it Hilfe einer speziellen Bauweise und Rohrschaltung im Wärmeaustauscher sowie einer Abluftbefeuchtung zur adiabaten Kühlung sind Rückwärmzahlen des Gesamtsystems von 7-8 % im Sommer und Winter möglich. Bei einem solchen Hochleistungswärme- und Kälterückgewinnungssystem kann unter anderem durch den hohen Kälterückgewinn im Sommer die Kältemaschine 3 - % kleiner dimensioniert werden. Grundlagen Systemaufbau Grundlage eines Hochleistungswärmeund Kälterückgewinnungssystems sind die in Bild 1 dargestellten Komponenten. Auf der Außenluft-/Zuluftseite befindet sich ein Luft-Wasserwärmeaustauscher 1 in Rohrbündelbauweise mit Lamellen, der als ganzer Block eine Tiefe in Strömungsrichtung der Luft von ca. einem eter aufweist. Dieser Block kann je nach Hersteller auch in Einzelelemente geteilt sein. Auf der Abluft-/Fortluftseite 2 ist in der Regel ein gleicher Block eingebaut. Beide Wärmeaustauscher sind über ein AU FO Außenluft (AU) Abluft (AB) Zuluft (ZU) Fortluft (FO) Bild 1: Systemaufbau des Hochleistungswärme- und Kälterückgewinnungssystems Rohrleitungssystem 3 verbunden. Aufgrund dieses Rohrleitungssystems brauchen z.b. die Zu- und Abluftkanäle nicht wie bei einem Rotations-Wärmeaustauscher oder Plattenwärmeaustauscher unmittelbar benachbart angeordnet sein. Innerhalb des Rohrleitungssystems befindet sich die Solepumpe 4 und das Bypass-Regelventil. Weitere Ventile können je nach der Art und Weise einer zusätzlichen Energieeinspeisung erforderlich sein. Der Kreislauf wird mit einem Wasser-Frostschutzgemisch (z.b. Antifrogen N) gefüllt, um im Winter ein Einfrieren zu verhindern. 1 ZU AB Um im Sommer die Kälterückgewinnung wesentlich zu steigern, ist in der Abluft dem Wärmeaustauscher ein Befeuchter 6 vorgeschaltet. Hierbei kann es sich um einem Umlaufsprühbefeuchter oder einen Rieselbefeuchter handeln. Im Sommerbetrieb wird die Abluft durch diese Befeuchtung adiabatisch gekühlt. Dadurch steigt das über die Wärmeaustauscher übertragbare Kühlpotential wegen der höheren Temperaturdifferenz zwischen Abluft und Außenluft deutlich an. Rückwärmzahl Bei der Beurteilung der Leistungsfähigkeit eines Wärmerückgewinnungssystems sind zwei verschiedene Kennzahlen zu unterscheiden. Gemäß der Definition in VDI 271 Wärmerückgewinnung in Raumlufttechnischen Anlagen ist die Rückwärmzahl Φ die maßgebliche Kennzahl. Diese ist für die interessierende Zuluftseite wie folgt definiert: Φ = t ZU - t AU t AB - t AU mit t ZU = Zulufttemperatur t AU = Außenlufttemperatur t AB = Ablufttemperatur TAB 4/22 69

2 Rückwärmzahl ρ Dichte ( kg/m 3 ) Lufttemperatur ( C ),8,7,6,,4,,6,7,8,9 1, 1,1 1,2 1,3 1,4 1, 1, Wärmestrom - Kapazitätsverhältnis W ( x 1 2 Pa ) P d bar = 1 Pa 1 Pa = 1 N/m T FO1 - T FO2-1 T FO3-1 T FO4 1% h x 2% absolute Feuchte ( g/kg ) 1 3% 4 4% % 6% 7% 2 8% 9% Feuchtkugel - Temperatur ( C ) kg spez. Enthalpie h ( 1 + x ) kj trockene Luft -1 Bild 2: Rückwärmzahl als Funktion des Wärmestrom- Kapazitätsverhältnisses kcal kj Bild 3: Beispielhafte Darstellung des Einflusses der (Raum-) Abluftfeuchte auf die Kühlung der Fortluft bei der adiabaten Befeuchtung im Sommerfall Sie ist der Quotient aus der zurückgewonnenen Differenz zwischen Zuluftund Außenlufttemperatur und der maximalen Differenz zwischen Abluft und Außenluft, d.h. ein aß für die Ausnutzung des vorhandenen Potentials. So wird mit der Rückwärmzahl das komplette Wärmerückgewinnungssystem bewertet. anchmal geben Hersteller auch die Wärmeaustauschzahl an. Sie bezeichnet aber nur die Wärmeübertragung an einem Wärmeaustauscher und ist in der Regel etwa 1 % höher als die Rückwärmzahl. Für den Planer oder Bauherrn ist diese Kenngröße eher irreführend, da sie sich nicht auf das Gesamtsystem bezieht und als Bewertungsgrenze nur die Stoffmassenströme luft- und soleseitig am Ein- bzw. Austritt eines Wärmeaustauschers heranzieht. Wärmestrom- Kapazitätsverhältnis Bei einem Hochleistungswärme- und Kälterückgewinnungssystem ist die Abstimmung des Wassermassenstromes auf den Luftmassenstrom besonders wichtig, da hierdurch die Leistungsfähigkeit entscheidend beeinflusst wird. Das Kriterium ist das Wärmestrom-Kapazitätsverhältnis W zwischen der Luft- und der Wasserseite, auch Wasserwertzahl genannt, welches bei optimaler Regelung 1 sein sollte. Das Wärmestrom-Kapazitätsverhältnis W ist wie folgt definiert:. m W = L c pl. m W c pw. m L = Luftmassenstrom. m W = Wassermassenstrom c pl = spezifische Wärmekapazität der Luft c pw = spezifische Wärmekapazität des Wassers bzw. der Sole In Bild 2 ist die Rückwärmzahl als Funktion des Wärmestrom-Kapazitätsverhältnisses dargestellt. Es wird deutlich, dass eine Abweichung von Optimalwert W = 1 zu einer Verschlechterung der Rückwärmzahl führt. Bei RLT-Anlagen mit konstantem Luftvolumenstrom kann das optimale Wärmestrom-Kapazitätsverhältnis bei der Auslegung einmalig ermittelt, während der Inbetriebnahme eingestellt und anschließend überwacht werden. Die Änderungen des Luftmassenstromes infolge 7 TAB 4/

3 der Außentemperaturänderungen sind im Bereich ± 7 %, was die Rückwärmzahl um max. 1 Prozentpunkt beeinflusst. Bei RLT-Anlagen mit variablem Luftvolumenstrom (VVS-Anlagen) ist jedoch eine ständige Überwachung und Nachregulierung des Solemassenstromes über die Regelung unumgänglich. Hierzu empfiehlt sich, eine drehzahlregelbare Solepumpe einzusetzen. Bild 4: Einfluss der relativen Abluftfeuchte auf die Abkühlung der Außenluft Temperatur in C Außentemperatur Ablufttemperatur Zulufttemperatur Ablufttemperatur nach adiabater Kühlung Frostschutzschaltung Die Abluft wird im Winter in der Regel durch den Wärmeentzug (Kühlung) im Wärmeaustauscher entfeuchtet, so dass hier Kondensat entsteht. Bedingt durch die hohe Rückwärmzahl des Gesamtsystems von bis zu 8 % kann deshalb im Winter der Abluft-Wärmeaustauscher luftseitig partiell einfrieren, wenn der hohe Rückwärmgrad auch bei sehr niedriger Außenlufttemperatur beibehalten würde. Um ein Einfrieren zu vermeiden, wird die Rückwärmzahl bei Außenlufttemperaturen unter ca. C künstlich verschlechtert. Dazu wird das Regelventil (Bild 1) geöffnet, so dass relativ warmes Wasser (Sole) vom Austritt des Abluft- Wärmeaustauschers in dessen Zulauf beigemischt wird. Die Soletemperatur wird dadurch angehoben und eine Vereisung verhindert. Die Regelung auf ein konstantes Wärmestrom-Kapazitätsverhältnis wird in dieser Phase unterbrochen, wobei die Pumpe mit der Auslegungs-Drehzahl konstant betrieben wird. Abluftbefeuchtung zur adiabaten Kühlung Im Sommer kann durch die adiabate Kühlung der Abluft die Kälterückgewinnung erheblich gesteigert werden. Die Effizienz hängt jedoch von der Raumabluftfeuchte ab. Dazu zeigt Bild 3 im h-x Diagramm vier Zustandspunkte mit jeweils gleicher Raumablufttemperatur von 26 C und relativen Feuchte von 3 % bis 6 %. Eine Befeuchtung ist bis 9 % relative Feuchte möglich, so dass sich im ungünstigsten Fall bei 6 % relativer Raumluftfeuchte eine Abkühlung von 26 C auf 21 C (Gerade 4) und im günstigsten Fall bei 3 % relativer Raumluftfeuchte auf 1, C ergibt (Gerade 1). Die Auswirkung auf das Gesamtsystem zeigt Bild 4. Im eingezeichneten Beispiel mit einer Ablufttemperatur von 26 C und einer relativen Abluftfeuchte von ρ Dichte ( kg/m 3 ) Lufttemperatur ( C ) relative Feuchte der (Raum-) Abluft am Geräteeintritt in % ( x 1 2 Pa ) P d bar = 1 Pa 1 Pa = 1 N/m % h K h Gesamt h x Wassergehalt x ( g - Feuchte/kg - trockene Luft ) 2% h KR 4* 1** 1* 3* 1 3% 2* 4% 3** ** 2 8 Prozessverlauf Zuluft * 1* Außenluftzustand 2* Außenluftzustand nach Ventilator 3* Zuluft nach Kälterückgwinnung 4* Zuluft nach Kühler Prozessverlauf Abluft ** 1** Abluftzustand 2** Abluft nach adiabater Befeuchtung 3** Abluft vor Ventilator 4** Fortluft Feuchtkugel - Temperatur ( C ) spez. Enthalpie h ( 1 + x ) kj trockene Luft Bild : Zustandsverlauf im hx-diagramm im Sommerfall mit adiabater Kühlung der Abluft und Kälterückgewinnung 6% 2** % 7% 8% 9% kg kcal kj TAB 4/22 71

4 AB Rieselbefeuchter Wärmetauschersystem 7 Z T WAT Z T WAT Z T WAT Z Seitenschnitt Soleaustritt Entlüfter Abluft (AB) Entlüfter Fortluft (FO) Soleeintritt FO Rahmenbreite berippte Breite Gerätebreite innen Querschnitt (WAT) Bild 6: Aufteilung der Wärmeaustauscher auf der Abluftseite; Zuluftseite analog ohne Rieselbefeuchter (Werksmaterial Krantz Komponenten) berippte Höhe Gerätehöhe innen baut. Dabei werden die einzelnen Wärmeaustauscher, die jeweils nur wenige Zentimeter hoch sind, praktisch aufeinander gestapelt. Diese Wärmeaustauscher (Schichten) werden durch horizontale Trennlagen aus Folie unterteilt und vor Ort in den Verteiler und den Sammler eingelötet oder verschraubt. Jede Schicht ist in der Regel einzeln absperrbar, da bei einer Undichtigkeit der spätere Ausbau einzelner Wärmeaustauscher relativ aufwändig ist. Der fertige Schichtwärmeaustauscher hat dann eine Bautiefe von ca. einem eter. Vorteilhaft ist beim Schichtwärmeaustauscher, dass die Einbringung der Einzelelemente in das Gerät oft auch unter beengten Platzverhältnissen möglich ist. Es muss jedoch sichergestellt werden, dass die Forderung der VDI 622, Hygiene in RLT-Anlagen bezüglich der Reinigungsfähigkeit und Inspizierbarkeit erfüllt werden kann. Die Richtlinie fordert, dass die Bautiefe so gewählt wird, dass eine Reinigung und Inspektion bis in den Kern des Wärmeaustauschers möglich ist. Bei einer Bautiefe von einem eter ist dies eine erschwerte Aufgabe. Bei den anderen Systemen werden mehrere Einzelwärmeaustauscher mit Bautiefen von ca. 3 mm hintereinander eingesetzt. Durch einen entsprechenden Abstand dazwischen können die Anforderungen der VDI 622 bezüglich der Reinigung und Inspektion sehr gut erfüllt werden. Aufgrund der fabrikmäßigen Fertigung des gesamten Wärmeaustauschers incl. Verteiler und Sammler sind günstige Voraussetzungen sowohl für eine hohe Qualität als auch für eine schnelle ontage vor Ort oder bereits beim RLT-Gerätehersteller gegeben. % ergibt sich eine Abkühlung der Außenluft von 32 C auf ca. 23 C, d.h. um 9 K allein durch die adiabate Kühlung in Verbindung mit der Kälterückgewinnung. Um diesen Betrag wird die Kältemaschine entlastet, d.h. während der weiteren Aufbereitung der Zuluft braucht die Kältemaschine im Beispiel nur noch von 23 C auf 1 C ausgelegt zu werden. Der Zustandsverlauf im h-x Diagramm ist in Bild dargestellt. Die Abkühlung der durch den Ventilator von 32 C/4 % r.f. auf 33, C erwärmten Außenluft auf 1 C/9 % r.f. benötigt eine Enthalpieänderung h ges von (64 4) = 24 kj/kg. Davon wird allein durch die Kälterückgewinnung bereits h KR = (64 3) = 11 kj/kg erzielt, so dass die zu installierende Leistung der Kältemaschine um 46 % geringer ausfällt. Vergleich verschiedener Systeme Auf dem arkt werden verschiedene Systeme angeboten, die im wesentlichen die gleiche Leistungsfähigkeit besitzen. Trotzdem sind einige Unterschiede in der Bauart sowohl bei den Wärmeaustauschern als auch bei der Abluftbefeuchtung vorhanden, die im folgenden erläutert werden. Wärmeaustauscher Grundsätzlich werden hier in der Praxis zwei Bauarten verwendet. Zum einen sind dies so genannten Gegenstrom- Schichtwärmeaustauscher und zum anderen übliche Rohrbündelwärmeaustauscher, die durch eine spezielle Rohrschaltung einen nahezu gleich hohen Gegenstromanteil aufweisen wie die Schichtwärmeaustauscher. Der Unterschied liegt im Aufbau. Schichtwärmeaustauscher werden in der Regel aus sehr vielen einzelnen Wärmeaustauschern auf der Baustelle zusammen ge- Abluftbefeuchter Für die adiabate Kühlung der Abluft zur Steigung der Effizienz der Kälterückgewinnung im Sommer werden entweder Umlaufsprühbefeuchter oder Rieselbefeuchter eingesetzt. Beim Umlaufsprühbefeuchter werden über Düsen feine Wassertröpfchen erzeugt, so dass ein Aerosolnebel entsteht. Teilweise wird dahinter ein Tropfenabscheider eingesetzt. Es kommt aber auch vor, dass die Düsen den Aerosolnebel direkt in den Wärmeaustauscher sprühen, wobei dieser die Rolle des Tropfenabscheiders übernimmt. Gemäß der Richtlinie VDI 622 sind die Befeuchter in der Abluft genauso wie in der Zuluft zu behandeln. Grundsätzlich ist zwar das Hygienerisiko in der Abluft geringer, jedoch muss auch eine mögliche Übertragung über die Fortluftausblasung betrachtet werden. Hier sind zwar in der Richtlinie gewisse indestabstände zwischen Fortluftausblasung und Außenluftansaugung einzuhalten, jedoch manchmal aus baulichen Gründen nicht zu verwirklichen. Deshalb muss der Abluftbefeuchtung sowohl bei der Planung und Systemauswahl als auch bei der Wartung ein gleich hoher Stellenwert eingeräumt werden wie der Zuluftbefeuchtung. Rückwärmzahl,8,8,7,7,6,6 Luftgeschwindigkeit in m/s 3, m/s 2, m/s 1, m/s 2, m/s 3 Segmente jeweils in Zu - und Abluft. Luftgeschwindigkeit bezogen auf berippten Querschnitt, Länge eines Segmentes Bild 7: Abhängigkeit der Rückwärmzahl von der Wärmeaustauscher- Segmentlänge 72 TAB 4/

5 FO AU F n FO Umschaltventil Solepumpe drehzahlregelbar Regelventil Soleseitige Kältenachspeisung Ventilator Außenluft t SFO1 Das zweite System, welches im Rahmen von Wärmerückgewinnungssystemen zur adiabaten Kühlung eingesetzt wird, ist ein Verdunstungsbefeuchter. Dieser wird auch häufig mit Riesel- oder Wabenbefeuchter bezeichnet. Wesentlicher Bestandteil ist ein Wabenkörper aus saugfähigem aterial, der über verrieseltes Wasser feucht gehalten wird. Hier erfolgt die Befeuchtung also nicht über eine Aerosolbildung, sondern über Verdunstung in der Grenzschicht einer feuchten Oberfläche. Dadurch ist die Gefahr eines Eintrages von bakteriell belasteten Aerosolen bei mangelhafter Wartung gegenüber einem Sprühbefeuchter nahezu ausgeschlossen, wenn die vorgesehene maximale Durchströmgeschwindigkeit eingehalten wird. FU V S 12 C 6 C Außenluft (AU) Abluft (AB) Fortluft (FO) Zuluft (ZU) t AUGE n AU - t AU1 Außenluftwärmeaustauscher t AU2 t ZUNW/K FU t ZU V ZU t FOGA Ventilator Fortluftwärmeaustauscher Rieselbefeuchter G4 Fortluft t FO2 t FO1 t AB V AB Sprühbefeuchter Nachwärmer + Bild 8: Integration der Wärmerückgewinnung mit wasserseitiger Nachkühlung und luftseitiger Nachheizung ϕ ZU F7 AB ZU mm auf. Je nach Gesamtbautiefe des Wärmeaustauschersystems sind nach Bild 7 Rückwärmzahlen bis zu 8 % erreichbar. In den Verbindungen zwischen den einzelnen Wärmeaustauschern sind Entlüfter angeordnet. Die Aufteilung auf drei Einzelwärmeaustauscher hat insbesondere in Bezug auf die geforderte Reinigungsmöglichkeit gemäß der VDI 622 Hygiene in RLT-Anlagen Vorteile. Außerdem benötigt der Wärmeaustauscher keine horizontalen Trennelemente, was das Ablaufen von Kondensat oder Reinigungsflüssigkeit erleichtert. Die Zwischenraumtiefe Z ist variabel gestaltbar. Für kleinere Anlagen ist ein aß Z von 1 mm ausreichend, da mit einer um 9 abgewinkelten Lanze der Wärmeaustauscher mittels Hochdruckstrahl gereinigt werden kann. Für größere Anlagen wird ein aß Z von mm gewählt, so dass der Zwischenraum für Inspektion und Reinigung begehbar ist. Hauptmerkmal des Rieselbefeuchters ist die Befeuchterkassette mit Wabenstruktur, wodurch einzelne Luftkanäle entstehen. Das Wabenmaterial wird durch ein oberhalb liegendes Wasserverteilrohr berieselt und kann ca. 1 Liter Wasser pro m 3 absorbieren. Die Luft wird beim Durchströmen der nassen Wabenkontaktkörper über den Verdunstungseffekt bis auf 9 % rel. Feuchte befeuchtet und kühlt sich dabei ab. Es werden also keine Tröpfchen (Aerosole) erzeugt, die erst im Luftstrom verdunsten. Ein Tropfenabscheider ist deshalb bei der übli- Beispiel eines Hochleistungswärme- und Kälterückgewinnungssystems Bei dem Hochleistungssystem zur Wärme- und Kälterückgewinnung (Typ WKR) wurde besonderer Wert auf die hygienische Eignung in Bezug auf Reinigung und Inspektion gelegt. Nach diesen Kriterien ist der Wärmeaustauscher auf drei einzelne Segmente aufgeteilt und der Abluftbefeuchter nach dem Verdunstungsprinzip ausgewählt worden. Die Aufteilung ist in Bild 6 dargestellt. Das Wärmeaustauschersystem besteht auf der Zu- und Abluftseite aus drei Einzelwärmeaustauschern. Diese weisen in Abhängigkeit der gewünschten Rückwärmzahl Bautiefen in Strömungsrichtung von 28 mm, 3 mm oder 42 Bild 9: Grundriss des untersuchten Gebäudes TAB 4/22 73

6 AU FO 28 C 1,7 g/kg 27,3 C 26,4 C 1,7 g/kg Luft 96. kg/h 28 C Wasser kg/h 18,4 C 42 kw 61 kw 28 C Wasser kg/h 18,4 C 29,6 C 8,7% 26,4 C 29,6 C 8,7% Luft 96. kg/h 16,8 C 1,7 g/kg 16,8 C 1,7 g/kg 2 C 242 kg/h 7% -29 kw 16 kg/h 2 C chen Auslegungsluftgeschwindigkeit von 2, m/s nicht erforderlich. Die Wasserzufuhr ist entweder im Direktwasserbetrieb (Stadtwasser mit maximal 14 Karbonathärte) oder im Umlaufwasserbetrieb mit Absalzung möglich. Die Regelungsstrategie des Gesamtsystems wird durch eine DDC-Regelanlage umgesetzt. Dabei werden die folgenden Parameter ständig überwacht und gegebenenfalls korrigiert. Wärmekapazitätsverhältnis: Das Wärmekapazitätsverhältnis soll etwa den Wert 1 haben, um die hohe Rückwärmzahl auch tatsächlich im praktischen Betrieb unter den verschiedenen Umständen zu gewährleisten. Dazu ist die permanente essung des Solemassenstromes und des Luftmassenstromes erforderlich. 23 C 8,2 g/kg Q Wärme = 26,7 kw Frostschutz: Durch die Frostschutzschaltung wird über eine Rücklaufbeimischung verhindert, dass die Lamellentemperatur im Abluftwärmeaustauscher unter den Gefrierpunkt absinkt. Dadurch wird ein Einfrieren von Abluftkondensat sicher verhindert. Zulufttemperatur: Die Zulufttemperatur der RLT-Anlage ist über den Jahresverlauf in der Regel nicht konstant. Oft sind die Anforderungen aus der Gebäudekühl- oder Heizlast sogar über den Tag schwankend. Eine Wärmerückgewinnung mit konstant hohem Wirkungsgrad ist deshalb insbesondere in der Übergangszeit, wenn mit der Außenluft gekühlt werden soll, nicht sinnvoll. Das mögliche Kühlpotential der Außenluft wäre nicht ausgenutzt. Wärmerückgewinnung Hochleistungswärme- und mit 4 % Rückwärmzahl Kälterückgewinnungsystem ohne adiabate Abluftkühlung mit 7 % Rückwärmzahl und spez. Preis 1, t/(m 3 /h) mit adiabater Abluftkühlung spez. Preis 2, t/(m 3 /h) Leistung Euro Leistung Euro Investition in Wärme-/Kälterückgewinnung 8 m 3 /h 8,- 8 m 3 /h 196,- Investitionseinsparung Kälteerzeugung kw,- 293 kw -9 83,- spez. Preis 31 t/kw Investitionseinsparung Wärmeerzeugung 39 kw -3 9,- 18 kw -1 8,- Spez. Preis 1 t/kw Summe ehrkosten der Investition 44 1,- 3 37,- Tabelle 1: Vergleich der Investitionskosten in Euro AB 8. m 3 /h 16 C ZU 8. m 3 /h Q sensibel = 26,7 kw Q latent = kw Q gesamt = 26,7 kw Bild 1: WKR mit luftseitiger Nachheizung und Nachkühlung, Rückwärmzahl 7%, Konstant-Volumenstromsystem; Zeitpunkt: 11. ai 14 Uhr Deshalb und insbesondere wenn weitere Energieeinspeisungen über andere Komponenten in die RLT-Anlage erfolgen, muss die Regelung des WKR-Systems mit der Regelung des RLT-Gerätes kommunizieren, damit beide in der Strategie aufeinander abgestimmt sind. Dies ist in der Praxis sicherlich am ehesten gewährleistet, wenn die Regelung für RLT-Anlage und das WKR-System aus einer Hand kommt. Gesamtsystem Ein System zur Wärme- und Kälterückgewinnung ist nur ein Teil des Gesamtsystems. Die RLT-Anlage selbst kann weitere Komponenten zur Luftbehandlung beinhalten. Ferner können in den Solekreislauf des Wärmerückgewinnungssystems weitere Wärmeaustauscher eingebunden sein. Im Raum sind verschiedene Arten der Luftführung möglich, wobei sich die Quell-Lüftung von Systemen mit turbulenter ischlüftung in Bezug auf die aus Gründen der thermischen Behaglichkeit minimal zulässige Zulufttemperatur wesentlich unterscheidet. Zur weiteren Kühllastabfuhr können Kühldecken installiert sein, bei denen zur Vermeidung von Kondensation eine maximale absolute Raumluftfeuchte nicht überschritten werden darf. Weiterhin verlangen Bodenluftdurchlässe generell andere Zulufttemperaturen als Decken- oder Wandluftdurchlässe. Alle genannten Punkte haben einen Einfluss auf die Auslegung und Regelung des Wärmerückgewinnungssystems und auf die anderen Anlagenkomponenten. Grundsätzlich muss die Leistung des Systems auf die Anforderung des Gebäudes abgestimmt werden. Insbesondere in der Übergangszeit benötigen moderne Verwaltungsgebäude häufig auch bei gemäßigter Außenlufttemperatur eine Kühlung. Die Wärmerückgewinnung wäre aber durch ihre hohe Rückwärmzahl zunächst in der Lage, die Zulufttemperatur viel weiter anzuheben, als es erforderlich ist. Dies lässt sich mit entsprechender Regelung verhindern. Andererseits ist aber eine Anhebung über das zur Gebäudekühlung optimale aß hinaus bei der Quell-Lüftung unumgänglich, um die Grenzwerte der DIN 1946 Teil 2 in Bezug auf die vertikale Temperaturschichtung einzuhalten. Während bei Systemen mit turbulenter 74 TAB 4/

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8 Wärmerückgewinnung mit 4% Rückwärmzahl ohne adiabate Abluftkühlung ischlüftung eine Zulufttemperatur von 16 C problemlos möglich ist, soll bei der Quell-Lüftung die Zuluft in der Regel mit minimal 2 C eingeblasen werden. Werden z. B. Kühldeckensysteme mit Quell-Lüftung eingesetzt, was sehr häufig vorkommt, dann muss sowohl für eine Entfeuchtungskühlung zur Vermeidung von Kondensation und auch für eine Nachwärmung zur Anhebung der Zulufttemperatur auf 2 C gesorgt werden. Dies ist bei der Integration des Wärmeund Kälterückgewinnungssystems in die RLT-Anlage zu berücksichtigen. Beispielhaft ist eine solche Integration in Bild 8 dargestellt. Neben der soleseitigen Nachkühlung für die stärkere Absenkung der Außenlufttemperatur zur Entfeuchtung ist luftseitig ein Nacherhitzer installiert. Dieser dient in erster Linie zur Nachwärmung der Zuluft auf ein für die Quell-Lüftung geeignetes Niveau. Die Ventile im Solekreislauf dienen der Einhaltung des Frostschutzes (Regelventil) sowie der Umgehung des Fortluftwärmeaustauschers (Umschaltventil). Letztere ist im Betrieb ohne Verdunstungsbefeuchter und mit Wärmeaustauscher im Solekreislauf erforderlich. Grundsätzlich muss zum Schutz des Verdunstungsbefeuchters und Wärmeaustauschers auch in der Abluft ein Filter mindestens der Klasse G4 vorgesehen werden. Es empfiehlt sich jedoch eine Filterung der Klasse F7. Wirtschaftlichkeit Um die Wirtschaftlichkeit eines Hochleistungswärme- und Kälterückgewinnungssystems zu bewerten, ist es sinnvoll, eine Gebäude- und Anlagensimulation für einen ganzjährigen Betrieb durchzuführen. Es wird beispielhaft eine solche Berechnung vorgestellt. Dabei wird ein konventionelles Kreislaufverbundsystem, d.h. ohne adiabate Abluftkühlung, mit einer Rückwärmzahl von 4 % mit einem Hochleistungswärme- und Kälterückgewinnungsystem mit 7% Rückwärmzahl und mit adiabater Abluftkühlung Energiekosten 6,- 42 4,- Wartungskosten 2 4,- 88,- Summe 3, ,- Tabelle 2: Energie- und Wartungskosten in t/a Hochleistungswärme- und Kälterückgewinnungssystem incl. adiabater Abluftkühlung mit der Rückwärmzahl von 7 % verglichen. Das betrachtete Gebäude hat einen quadratischen Grundriss (Bild 9) von 26 m x 26 m und 2 Stockwerke. Folgende Daten liegen der Simulationsrechnung zugrunde: Lochfassade mit g =,33 und k = 1,3 W/m 2 K, innerer Sonnenschutz mit z =,63, Kühldecke, Konstantvolumenstromanlage mit turbulenter ischlüftung und einem spezifischem Volumenstrom von 7 m 3 /(hm 2 ), Innere Kühllast 34 W/m 2 Bodenfläche, Zuluftvolumenstrom insgesamt 8 m 3 /h, Standort Essen. Das Gebäude wurde einer Ganzjahressimulation unterzogen. Beispielhaft ist in Bild 1 ein Zeitpunkt im ai dargestellt. Das Testreferenzjahr für den Standort Essen gibt für 14 Uhr eine Außenlufttemperatur von 27,3 C vor. Die Ablufttemperatur aus dem Gebäude beträgt 23, C. Durch die adiabate Abluftkühlung wird eine Temperaturabsenkung auf 16,8 C erzielt. Damit ist durch die Kälterückgewinnung die durch den Ventilator auf 29,6 C angestiegene Außenlufttemperatur bis auf 2, C, d.h. um 9,6 K abgekühlt worden. Der nachgeschaltete Luftkühler braucht die Zuluft lediglich noch von 2 C auf 16 C abzukühlen. Einem Rückgewinn von ca. 29 kw stehen nur noch 16 kw an erforderlicher Kälteleistung am Kühlregister entgegen. Auf diese Weise wurde das Gebäude über ein ganzes Testreferenzjahr simuliert. Die Ergebnisse der Energiekosten sind in die folgende Wirtschaftlichkeitsberechnung eingeflossen. Für den Vergleich zwischen einer Wärmerückgewinnung mit einer Rückwärmzahl von 4 % ohne adiabate Abluftkühlung und einer Wärme- und Kälterückgewinnung mit adiabater Abluftkühlung brauchen nur die Differenzkosten betrachtet werden. Diese sind nach Investition, Energieaufwand und Wartung unterteilt. Den Investitionsvergleich zeigt Tabelle 1. Aufgrund der Einsparungen bei der Investition für die Kälte- und Wärmeversorgung sind für das Hochleistungswärme- und Kälterückgewinnungssystem nur ehrkosten von 9 27,- t erforderlich. Nicht berücksichtigt wurden weitere Einsparungen, die sich häufig aus der Reduktion der elektrischen Anschlussleistung für die Kälteanlage ergeben. Dadurch sinken die Kosten für die Trafostation bzw. die vom EVU in Rechnung gestellten Baukostenzuschüsse. Bei der Berechnung der Energiekosten wurde von folgenden spezifischen Werten ausgegangen: Stromarbeit 6 t/wh, Stromleistung 3 t/kw, Wärme 4 t/wh, Wasser 1,9 t/m 3. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Jahressimulation ergeben sich im Vergleich die in Tabelle 2 dargestellten Energiekosten. Aufgeführt sind ebenfalls die Wartungskosten von 3 % p.a. von den Investitionskosten des Wärmegewinnungssystems, die beim Hochleistungssystem aufgrund der größeren Wärmeaustauscher und der Abluftbefeuchtung höher ausfallen. Die Energiekosten beziehen sich auf die RLT-Anlage incl. Kühldecke. Es ergibt sich eine Differenz in den Jahreskosten von 4 63,- t zugunsten des Hochleistungssystems mit einer Rückwärmzahl von 7 %. Bei statischer Betrachtungsweise amortisieren sich die ehrkosten von 9 27,- t in 2 Jahren. Geht man von einer Nutzungsdauer von 2 Jahren aus, lassen sich ca. 83,- t an Kosten einsparen. Die Untersuchung der Wirtschaftlichkeit zeigt, dass die Erhöhung der Rückwärmzahl von 4 % auf 7 % in Verbindung mit einer adiabaten Abluftkühlung eine lohnenswerte Investition ist. In diesem Zusammenhang wird auch häufig die Frage nach dem optimalen Wirkungsgrad gestellt, denn eine weitere Steigerung von z.b. 7 % auf 8 % wäre mit einer überproportionalen Verlängerung des Wärmeaustauschers möglich. Grundsätzlich kann diese Frage jedoch nicht pauschal beantwortet werden. Dazu ist projektbezogen eine Gebäude- und Anlagensimulation erforderlich. Diese 76 TAB 4/

9 wird sich jedoch als Optimierungswerkzeug nur bei größeren Objekten lohnen. Wenn das Objekt aufgrund der Größe keinen finanziellen Spielraum für eine Optimierung mittels einer Gebäude- und Anlagensimulation bietet, sollte eine Rückwärmzahl von,7 -,7 gewählt werden. Folgende Gründe sprechen meistens gegen noch höhere Rückwärmzahlen: Die Bautiefe des Wärmeaustauschers steigt überproportional zur erzielbaren Steigerung der Rückwärmzahl an. Parallel steigen auch die Druckverluste auf der Sole- und der Luftseite entsprechend an. Im Winter muss die Rückwärmzahl bis auf unter,6 aufgrund des notwendigen Frostschutzes ohnehin reduziert werden. In der Übergangszeit benötigen Verwaltungsgebäude aufgrund der inneren Lasten häufig bereits eine Kühlung, so dass auch hier ein höheres Rückwärmpotential nicht ausgenutzt werden kann. Fazit Eine Erweiterung der üblichen Wärmerückgewinnung mit einer Rückwärmzahl von ca. 4 % zu einem Hochleistungssystem mit adiabater Abluftkühlung zur Steigerung des Kälterückgewinns im Sommer amortisiert sich bereits nach ca. zwei Jahren. Ursächlich ist insbesondere die Reduktion der zu installierenden Kältemaschinenleistung von 4 - %. Im Bereich der Hygiene ist bei der Planung von Wärmerückgewinnungssystemen die neue VDI 622 zu beachten. Es sollten Wärmeaustauscher eingesetzt werden, die eine Reinigung und Inspektion bis in den Kern zulassen. Hier ist es vorteilhaft, einzelne Wärmeaustauscher von ca. 3-4 mm mit genügend Platz dazwischen zu Revisionszwecken einzubauen. Das System selbst wird in der Regel durch weitere Wärmeaustauscher entweder im Solekreislauf oder im Luftstrom des RLT-Gerätes ergänzt. Bei der Auswahl und Anordung dieser Komponenten ist es wichtig, dass auch die spezifischen Eigenschaften der verschiedenen Anlagensysteme berücksichtigt werden. So muss z. B. beim Kühldeckensystem eine Entfeuchtungskühlung möglich sein. Wird dabei die Quell-Lüftung angewandt, ist in Verbindung mit Kühldecken eine Nachwärmung der Zuluft erforderlich. Der effiziente Betrieb eines Hochleistungs-WKR-Systems hängt wesentlich von der exakten Regelung ab. Nur bei optimaler Abstimmung aller Bauteile, d.h. auch derer, die außerhalb des eigentlichen Wärme- und Kälterückgewinnungssystems liegen, sind die Energieeinsparungen auch in der Praxis erzielbar. Es ist vorteilhaft, wenn hier nicht zu viele Schnittstellen in einem Projekt vorhanden sind TAB 4/22 77

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