Ermittlung des energetischen Einsparpotentials (Thermische Raumsimulationen / Druckverlustberechnungen)

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1 FHZ > FACHHOCHSCHULE ZENTRALSCHWEIZ HTA > HOCHSCHULE FÜR TECHNIK+ARCHITEKTUR LUZERN ZIG > ZENTRUM FÜR INTERDISZIPLINÄRE GEBÄUDETECHNIK VAV Optimizer Ermittlung des energetischen Einsparpotentials (Thermische Raumsimulationen / Druckverlustberechnungen) 28. Oktober 2005 E HTA LUZERN Technikumstrasse 21 CH 6048 Horw T: F: W:

2 Impressum Auftraggeber: Belimo Automationen AG Herr Dr. Daniel Bächi Herr Thomas Nitz Brunnenbachstrasse Hinwil Auftragnehmer: HTA Luzern Zentrum für integrale Gebäudetechnik ZIG Technikumstrasse Horw Verfasser: Iwan Plüss dipl. HLK Ing. FH Urs-Peter Menti dipl. Mach. Ing. ETH / SIA Qualitätssicherung: Miro Trawnika Prof., dipl. Ing. TU Verteiler: Hr. Daniel Bächi Belimo Automation AG Hr. Thomas Nitz Belimo Automation AG Hr. Iwan Plüss HTA Luzern Hr. Urs-Peter Menti HTA Luzern Hr. Miro Trawnika HTA Luzern Datum: Datei: Belimo-Box_Bericht_ doc HTA LUZERN Seite 2/67

3 Zusammenfassung Mechanische Lüftungsanlagen verursachen einen Energieverbrauch, der einen wesentlichen Anteil am Gesamtenergieverbrauch eines Gebäudes ausmachen kann. Der Energieverbrauch einer Lüftungsanlage hängt dabei direkt vom Druckverlust in den einzelnen Komponenten (Monobloc, Kanal, Klappen etc.) ab. Bei Anlagen mit mehreren Abgängen regeln Klappen in den einzelnen Teilstrecken den Volumenstrom für die entsprechende Zone. In nicht optimalen Systemen kommt es dabei vor, dass die Klappen in allen Abgängen teilweise geschlossen sind. Es ist aber theoretisch und praktisch möglich, dass mindestens eine Klappe vollständig geöffnet ist und die Klappen in den anderen Abgängen, soweit wie vom Luftbedarf her möglich, offen stehen. Dadurch könnte der Druckverlust des Gesamtsystems massiv reduziert werden, die Folge wäre eine entsprechende Energieeinsparung. In der Praxis haben die meisten Anlagen eine nicht optimale Klappensteuerung Die Belimo hat mit dem VAV Optimizer eine Lösung entwickelt, die es ermöglicht, die Klappenstellungen in einem Lüftungssystem auf relativ einfache Art und Weise zu optimieren. In einer Studie und mit Hilfe von dynamischen Simulationsrechnungen wird untersucht, wie gross das Einsparpotential über ein Jahr in einem typischen Dienstleistungsgebäude sein kann. Ziel der Untersuchung ist, die bisher gemachten Berechnungen zum Einsparpotential zu erhärten. Mittels thermischen Raumsimulationen wird für das Gebäude Longus in Hinwil (Gebäude der Belimo AG) für eine Zone (oberste Etage eines Gebäudesektors) mit verschiedenen Teilzonen (Büroräume, Sitzungszimmer, Zwischenzone) der zur Erzielung der gewünschten Raumtemperaturen nötige Luftbedarf über ein Jahr in Stundenschritten berechnet. Dabei werden verschiedene Varianten betreffend der Haustechniksysteme und betreffend der internen Lasten untersucht. Aus diesem Luftbedarf lässt sich der jeweilige Druckverlust der Lüftungsanlage bestimmen und daraus wiederum der Elektrizitätsbedarf für die Ventilatoren. Die Berechnungen zeigen folgendes: Das Einsparpotential ist gross, wenn die Anlage überdimensioniert ist (wenig Volllaststunden) und der Ventilator nicht richtig betrieben wird. Je mehr die Anlage im Teillastbetrieb läuft, desto höher das Einsparpotenital. Die Volllaststunden einer Anlage sind hoch, wenn die abzuführenden Lasten hoch sind und diese primär über die Lüftungsanlage abgeführt werden. Bei tiefen internen Lasten und ausschliesslicher Luftkühlung sind die Anzahl Volllaststunden eher gering, da nur während kurzer Zeit im Jahr die maximale Last anfällt. Bei richtig dimensionierten Anlagen und (nahezu) optimalem Betrieb des Ventilators beträgt das Einsparpotential rund 20% Bei optimalem Betrieb des Ventilators ist die Einsparung stark vom minimalen Druck im System abhängig. Bei überdimensionierten Anlagen mit nicht optimalem Betrieb des Ventilators kann das Einsparpotential bis zu 60% betragen. Durch eine korrekte Druckverlustberechnung einer Lüftungsanlage kann der Betrieb des Ventilators optimiert werden. Diese Berechnung wird in der Praxis jedoch selten durchgeführt, was zu einem erhöhten Energieverbrauch führt. Der VAV Optimizer kompensiert quasi diese fehlende Druckverlustberechnung und führt zu einem optimierten Anlagenbetrieb. Mann kann im Allgemeinen sagen, dass umso besser eine Anlage reguliert wird und umso mehr Volllaststunden eine Anlage hat, dass mit dem VAV Optimizer weniger eingespart werden kann. HTA LUZERN Seite 3/67

4 Inhaltsverzeichnis 1 Ausgangslage und Zielsetzung Vorgehen und Varianten Thermische Raumsimulation Berechnung Energiesparpotential Resultate Thermische Simulationen Energiesparpotential Fazit und Erkenntnisse Betrieb von VVS-Systemen Betrieb von VVS-Systemen mit dem VAV Optimizer Anhang Simulationsperiode Klimadaten Bauteilkonstruktionen Räume Heizung / Lüftung / Kälte / TABS Weitere Resultatauswertungen HTA LUZERN Seite 4/67

5 1 Ausgangslage und Zielsetzung Lüftungsanlagen sind nicht unwesentliche Energieverbraucher. Dabei spielt der Druckverlust einer Anlage eine wichtige Rolle. Der Gesamtdruckverlust ergibt sich als Summe der Druckverluste im Monoblock, im Kanalnetz und in weiteren Komponenten des Lüftungssystems wie z.b. über die Klappen. In konventionellen Systemen sind Klappen oft nicht optimal geöffnet, d.h. die für die Luftverteilung auf die einzelnen Zonen zuständigen Klappen sind alle mindestens teilweise geschlossen. Mittels einer optimierten Steuerung und einem Ventilator mit Frequenzumformer kann aber bewirkt werden, dass mindestens eine Klappe eines Systems möglichst komplett offen und die anderen Klappen soweit wie möglich offen sind. Die Luftverteilung bleibt dadurch gleich, der Druckverlust und damit die Ventilatorleistung können jedoch merklich reduziert werden. Die Firma Belimo hat eine Lösung entwickelt, mit welcher diese Optimierungen möglich sind. Im Rahmen einer Studie soll nun das Einsparpotential zwischen einer praxistypischen, konventionellen Lösung und der Lösung mit optimiertem Klappenwinkel veranschaulicht werden. Mit Hilfe von dynamischen Simulationsrechnungen sollen für eine typische Zone in einem Gebäude (Basis: Belimo Longus, Hinwil) Jahressimulationen mit den beiden Varianten (konventionell, optimiert) durchgeführt und so die möglichen Einsparungen quantifiziert werden. Übergeordnetes Ziel ist, mit dieser den Planern, Installateuren, Gebäudebetreibern und Investoren anhand von konkreten Beispielen die Vorteile dieses Produktes von Belimo anschaulich aufzeigen zu können und das nötige Vertrauen zu schaffen. HTA LUZERN Seite 5/67

6 2 Vorgehen und Varianten Die Beantwortung der hier gestellten Frage wird mit einer Kombination aus thermischer Gebäudesimulationen und Druckberechnungen in Stundenschritten durchgeführt. Die Bearbeitung wird in zwei Hauptteile aufgeteilt. 1. Thermische Raumsimulation mit IDA ICE 2. Berechnung Energieeinsparpotential (Excel) Das Vorgehen in den beiden Phasen ist in den folgenden Kapiteln im Detail beschrieben. 2.1 Thermische Raumsimulation In thermischen Raumsimulationen wird über eine längere Zeitperiode (typischerweise ein Jahr) in kleinen Zeitschritten das thermische Verhalten eines Gebäudes oder eines einzelnen Raumes berechnet. Dabei wird die Gebäudegeometrie, die physikalischen Kennwerte der Gebäudehülle und im Gebäude liegender Bauteile, die externen Lasten (Sonneneinstrahlung, Aussenlufttemperatur), die internen Lasten (Abwärme von Personen, Geräten und Beleuchtung) und die Haustechnik (Heizung, Lüftung, Klima) im Detail berücksichtigt. Als Resultate erhält man unter anderem die Temperaturen in einzelnen Zonen beziehungsweise Räumen, sowie Daten aus der Gebäudetechnik, wie zum Beispiel den zu jedem Zeitpunkt nötigen Luftvolumenstromes in den einzelnen Zonen. Diese Werte können auf verschiedene Arten statistisch ausgewertet werden, um daraus die geforderten Erkenntnisse zu gewinnen. Im vorliegenden Projekt werden die Berechnungen mit dem Programm IDA ICE (Indoor Climate and Energy) durchgeführt. Dieses schwedische Programm wird von der HTA Luzern seit einigen Jahren für thermische Gebäudesimulationen eingesetzt und auch vertrieben. HTA LUZERN Seite 6/67

7 2.1.1 Gebäudemodell Für die Abschätzung des Energiesparpotentials dank des VAV Optimizers am realen Objekt LONGUS in Hinwil, wird die betrachtete Bürozone in fünf Teilzonen mit unterschiedlichen thermischen Lasten unterteilt (siehe Abbildung 1). Abbildung 1 Raum- / Gebäudegeometrie im IDA ICE Bei den fünf Zonen handelt es sich um folgende Nutzungen: 1. Büro Süd/West (ZoneB_SW) 2. Büro Nord/Ost (ZoneB_NE) 3. Zwischenzone (ZoneB_Z) 4. Sitzungszimmer Süd (ZoneS_S) 5. Sitzungszimmer Nord (ZoneS_N) Damit eine allgemeine Aussage über die mögliche Energiesparung auch für andere Bürogebäude gemacht werden kann, werden die Berechnungen für unterschiedliche interne Lasten sowie mit unterschiedlichen Gebäudetechniksystemen durchgeführt, jedoch immer auf Basis des Gebäudes LONGUS. Die Variationen der untersuchten Varianten sind in unten stehender Tabelle dargestellt. Interne Lasten Lüftung (GT1) Gebäudetechnik: Raumkühlung mit: Lüftung und TABS (GT2) Niedrig (I1) GT1_I1 GT2_I1 Mittel (I2) GT1_I2 GT2_I2 Hoch (I3) GT1_I3 GT2_I3 Tabelle 1 Untersuchte Varianten HTA LUZERN Seite 7/67

8 2.1.2 Gebäudetechnik Im Objekt LONGUS in Hinwil existieren zur Raumkühlung verschiedene Möglichkeiten Normalerweise werden neue Bürogebäude nur mit der Zuluft oder mit einem System wie zum Beispiel TABS (thermoaktives Bauteilsystem) gekühlt. Im LONGUS sind beide Systeme installiert. Um auch einen allgemeinen Vergleich mit anderen Bürogebäuden machen zu können, wird das Energiesparpotential für die beiden Systeme Kühlung nur mit Lüftung (GT1) und Kühlung mit Lüftung und TABS (GT2) berechnet. Die Volumenstromregulierung erfolgt anhand der momentanen Raumlufttemperatur. Weitere Details und Parameter zur Gebäudetechnik sind im Kapitel 5.5 zu finden Interne Lasten Je nach Nutzung eines Bürogebäudes variieren die internen Lasten stark. Aus diesem Grund werden auch bei den internen Lasten drei unterschiedliche Profile angenommen. Die Definitionen für die drei Laststufen werden aus der SWKI 95-3 (Standardnutzungen) übernommen. Die genauen Werte der internen Lasten sind im Kapitel 5.4 bei den einzelnen thermischen Zonen aufgelistet. HTA LUZERN Seite 8/67

9 2.2 Berechnung Energiesparpotential Berechnung Druckverlust Allgemein Mit den thermischen Simulationen wird für jede Zone der für die Einhaltung der Raumlufttemperatur benötigte Volumenstrom bestimmt. Aus diesen Daten wird in Stundenschritten in einer Excel Tabelle der Volumenstrom in jeder Teilstrecke (siehe Abbildung 2) berechnet. VAV Optimizer Lüftungsschema pli dp= (V/kvs)^1.8 ZUL Auslegedaten Volumenstrom: m3/h Druckverlust Total: 719 Pa Druckverlust Extern: 400 Pa Teilstrecke:T1 Charakteristische Länge: 9x Netzkennlinie: N1 T5 5x N5 T2 5x N2 T7 9x N7 T6 6x N6 T4 15x N4 T3 14x N3 VVS: dp= Fix 299Pa Belimo-Box: dp= (V/kvs)^1.8 Strang: Büro Süd/West Büro Süd/Ost Sitzung Süd Sitzung Nord ABL Auslegedaten Volumenstrom: m3/h Druckverlust Total: 609 Pa Druckverlust Extern: 400 Pa ABL: Dito ZUL Abbildung 2 Schematische Darstellung Lüftungsanlage Bürogebäude LONGUS, 4. OG, Kern D Aus den Plänen wird für jede Teilstrecke eine charakteristische Länge definiert. Der externe Druckverlust der Lüftungsanlage wird proportional zu diesen Längen aufgeteilt. Anhand des Druckverlusts pro Teilstrecke und dem dazugehörigen Auslegevolumenstrom kann eine Netzkennlinie berechnet werden. Auf diese Weise wird in jedem Berechnungsschritt der Druckverlust pro Teilstrecke bestimmt. HTA LUZERN Seite 9/67

10 Druckverlust VVS System; p Ventilator konstant Die einfachste Variante einen drehzahlgeregelten Ventilator zu betrieben ist, den Druck über dem Ventilator konstant zu halten. Diese Art der Ventilatorregulierung wird heute bei rund 80% (Aussage: Miro Trawnika Abt. Leiter HLKS, HTA Luzern; Kurt Hildebrand Prof. HLKS, Abt. Architektur, HTA Luzern) der Anlagen angewendet. Bei dieser Variante muss der Druckverlust nicht berechnet werden. Die Ventilatorleistung ergibt sich aus dem aktuellen Volumenstrom und der konstanten Druckerhöhung über den Ventilator von 719 Pa. p Abbildung 3 Schematische Darstellung: VVS System; p Ventilator konstant Druckverlust VVS System; p Lüftungsnetz konstant Im Optimalfall wird der Ventilator mit dieser Ventilatorregulierung betrieben. Für diese Betriebsweise ist in der Projektierung eine detaillierte Druckverlustberechnung notwendig. Diese wird in der Praxis nur selten gemacht. Die Folge ist eine nicht optimale Regelung des Ventilators. Bei Analyse dieser Variante wird der Druckverlust über die Teilstrecke 3 (T3 = kritischer Strang) konstant gesetzt. Der Druckverlust aller übrigen Teilsrecken wird wie oben beschrieben berechnet. Die Ventilatorleistung ergibt sich aus dem aktuellen Volumenstrom und der Summe der variablen Druckverluste in den Teilstrecken T1 und T2 sowie dem konstanten Druckverlust über Teilstrecke T3. Der Druckverlust dieser Ventilatorregulierung ist bei Teillast deutlich tiefer als bei der Variante mit konstantem Druck über dem Ventilator. p Abbildung 4 Schematische Darstellung: VVS System; p Lüftungsnetz konstant Druckverlust VAV Optimizer Bei der Variante mit dem VAV Optimizer wird der Druckverlust im System für alle Teilstrecken mit der Netzkennlinie der Teilsrecke berechnet. Der so erhaltene Druckverlust entspricht dem Druckverlust, welcher sich einstellt, wenn immer mindestens eine der VVS-Klappen 100% geöffnet ist. Diese Regulierung entspricht der Regulierung des VAV Optimizers wie wir sie in diesem Projekt untersucht haben Ventilatorleistung Aus dem Volumenstrom der thermischen Simulation und dem Druckverlust aus der Excel-Berechnung kann die momentane Ventilatorleistung bestimmt werden. Die Summe dieser Stundenwerte ergibt die jährliche Ventilatorenergie in kwh. Die Jahresenergieverbräuche der verschiedenen Varianten werden miteinander verglichen. HTA LUZERN Seite 10/67

11 2.2.3 Varianten Zusammenstellung Die oben aufgeführten Varianten werden in einer Tabelle zusammengefasst und dargestellt. Thermisches Modell VVS p Ventilator konstant Untersuchtes Energiesparpotential bei: VVS p Lüftungsnetz konstant ( p min. 300Pa) VVS p Lüftungsnetz konstant ( p min. 140Pa) GT1_I1 Lx_GT1_I1 Lx_GT1_I1 GT1_I2 Lx_GT1_I2 Lx_GT1_I2 GT1_I3 Lx_GT1_I3 Lx_GT1_I3 GT2_I1 Lx_GT2_I1 Lx_GT2_I1 GT2_I2 Lx_GT2_I2 Lx_GT2_I2 GT2_I3 Lx_GT2_I3 Lx_GT2_I3 Tabelle 2 Tabelle der untersuchten Varianten Aus den sechs thermischen Modellen ergeben sich 18 unterschiedliche Energiesparpotentiale die untersucht werden. Bei den Einsparpotentialen mit VVS p Lüftungsnetz konstant wird zwischen zwei unterschiedlichen minimalen Druckverlusten unterschieden. p min. 300 Pa Diese Variante entspricht der Situation, wie sie im Bürogebäude LONGUS vorzufinden ist. Die letzte Teilstrecke des kritischen Strangs ist relativ lange und weist deshalb einen hohen Druckverlust auf. Der Druckverlust in dieser letzten Teilstrecke wird mit 300Pa in die Berechnungen eingesetzt. Der Druck im System muss an dieser Stelle immer mindestens 300Pa erreichen. p min. 140 Pa Kann der Druckfühler optimaler im System platziert werden, kann dieser minimale Druckverlust bis auf 20% des maximalen Druckverlustes reduziert werden. Der minimale Druckverlust ist in dem Fall noch 140Pa. HTA LUZERN Seite 11/67

12 3 Resultate In den folgenden Kapiteln werden die Ergebnisse der Berechnungen ausgewertet und kommentiert. Die Resultate werden in die zwei Hauptteile Thermische Simulation und Energieeinsparpotential gegliedert. 3.1 Thermische Simulationen Die wichtigsten Resultate aus den thermischen Simulationen sind die für die einzelnen Zonen nötigen Volumenströme. Bei der untersuchten Anlage handelt es sich um eine Lüftungsanlage mit variablem Volumenstromsystem (VVS). Der Volumenstrom wird abhängig von der Raumlufttemperatur geregelt. Nähere Angaben sind im Kapitel zu finden. Wie eingangs erwähnt, werden für die Untersuchungen insgesamt sechs unterschiedliche Varianten betrachtet. Aus allen Varianten wird der Volumenstrom der einzelnen Zonen für die weiteren Berechnungen im Excel verwendet. Am Beispiel der Variante GT1_I3 (Gebäudetechnik1: Nur Lüftung, interne Lasten 3: hoch) wird für eine typische Woche (Sommer, Herbst) das Zusammenspiel zwischen Raumlufttemperatur und Volumenstrom in den einzelnen Zonen dargestellt. Die im Diagramm ersichtlichen Punkte des Volumenstroms entsprechen den Datenpunkten, die für die Berechnung ins Excel genommen werden. Wochenverlauf Sommer Var.: GT1_I3 30 6' '000 Raumlufttemperatur [ C] '000 3'000 2'000 1'000 Volumenstrom pro Zone [m3/h] Aug 23.Aug 24.Aug 25.Aug 26.Aug 27.Aug 28.Aug 29.Aug Datum Raumtemp ZoneB_SW Raumtemp ZoneB_NE Raumtemp ZoneS_S Volumenstrom ZoneB_SW Volumenstrom ZoneB_NE Volumenstrom ZoneS_S Abbildung 5 Verlauf der Raumlufttemperatur und des Volumenstroms über eine Woche im Sommer Variante GT1_I3 HTA LUZERN Seite 12/67

13 Der Volumenstrom in den beiden Bürozonen ist in der betrachteten Sommerwoche auf Volllast. Der Volumenstrom in den Sitzungszimmern entspricht einem reduzierten Betrieb. Wochenverlauf Herbst Var.: GT1_I3 30 6' '000 Raumlufttemperatur [ C] '000 3'000 2'000 1'000 Volumenstrom pro Zone [m3/h] Okt 04.Okt 05.Okt 06.Okt 07.Okt 08.Okt 09.Okt 10.Okt Datum Raumtemp ZoneB_SW Raumtemp ZoneB_NE Raumtemp ZoneS_S Volumenstrom ZoneB_SW Volumenstrom ZoneB_NE Volumenstrom ZoneS_S Abbildung 6 Verlauf der Raumlufttemperatur und des Volumenstroms über eine Woche im Herbst Variante GT1_I3 Betrachten wir die Situation im Herbst ist zu sehen, dass alle Volumenströme reduziert in Betrieb sind. HTA LUZERN Seite 13/67

14 3.1.1 Volumenstrom Häufigkeit des Volumenstrom 8'000 Volumenstrom [m3/h] 7'000 6'000 5'000 4'000 3'000 GT1_I1_dp GT1_I2_dp GT1_I3_dp GT2_I1_dp GT2_I2_dp GT2_I3_dp MAX (7100) 2'000 1' '000 1'500 2'000 2'500 3'000 Betriebsstunden [h] Abbildung 7 Häufigkeit des Volumenstroms In der Abbildung 7 ist der Volumenstroms während der Betriebszeit und geordnet über ein Jahr zu sehen. Es ist gut zu sehen, dass die Anlage bei der Variante GT1_I3 nur während wenigen Stunden nahe beim maximalen Volumenstrom betrieben wird. Bei kleineren internen Lasten (GT1_I1 und GT1_I2) nimmt der Volumenstrom ab. Dass heisst die Lüftungsanlage wird nur während einer sehr kurzen Zeit im Jahr mit dem maximalen Volumenstrom betrieben. Die meiste Zeit wird die Anlage in Teillast betrieben. Auffallend ist, dass bei den drei Varianten mit TABS (GT2_I1, GT2_I2, GT2_I3) der Volumenstrom im Allgemeinen sehr tief ist. Das ist der Fall, weil bei diesen Varianten die Kühlung vorwiegend mit dem TABS gemacht wird und der Anteil der Kühlung via Lüftung gering ist. HTA LUZERN Seite 14/67

15 28 Häufigkeit der Raumlufttemperatur Mittelwert (Bereich C) Raumlufttemperatur [ C] '000 1'500 2'000 2'500 3'000 Betriebsstunden [h] GT1_I1 GT1_I2 GT1_I3 GT2_I1 GT2_I2 GT2_I3 V' = min V' = max Abbildung 8 Temperaturhäufigkeit (Raumlufttemperatur) während den Betriebszeiten zwischen 25 und 28 C Mittelwert über alle vier betrachteten Zonen (ohne Gewichtung) Betrachtet man die Häufigkeiten der Raumlufttemperaturen in dem Bereich mit aktiver Volumenstromregulierung der Lüftung (25 bis 27 C) so stellt man fest, dass die Varianten mit TABS nur selten Raumlufttemperaturen von mehr als 26 C aufweisen: die Lüftungsanlage fördert selten mehr als 60% des Normvolumenstroms der Anlage und ist stark überdimensioniert. Auch die beiden Varianten mit Kühlung nur via Luft und tiefen sowie mittleren internen Lasten weisen nur selten Temperaturen oberhalb von 26 C auf. Auch diese Anlagen sind für die vorhandenen Lasten überdimensioniert. Die einzige Variante die einigermassen richtig dimensioniert wäre, ist die Variante nur mit Zuluftkühlung. Bei dieser Lüftungsanlage wird der Auslegungsvolumenstrom während ein paar Stunden im Jahr für die Kühlung der Büroräumlichkeiten benötigt. HTA LUZERN Seite 15/67

16 3.2 Energiesparpotential Auswertung der einzelnen Energiesparpotentiale Zur Auswertung der Resultate wird ein einheitliches Resultatblatt für alle untersuchten Varianten verwendet. Am Beispiel der Variante Lx_GT1_I3 wird dieses Resultatblatt erläutert. Abbildung 9 Auswertung Energieeinsparung Variante Lx_GT1_I3 Resultate Das Resultatblatt ist in einen linken und einen rechten Bereich aufgeteilt. Auf der linken Seite sind die Resultate für den Zuluftventilator dargestellt. Im rechten Bereich sind die Daten des Abluftsystems. HTA LUZERN Seite 16/67

17 Diagramm: Druckverlust System ZUL / ABL Im ersten Diagramm mit dem Titel Druckverlust System ZUL ist die Druckerhöhung im Ventilator abhängig vom momentanen Volumenstrom dargestellt. Es werden die Betriebszustände mit konventioneller Regulierung und mit dem VAV Optimizer dargestellt. Bei den Varianten mit konstantem Druck über dem Ventilator wird an Stelle von den Druckwerten beim konventionellen System die Netzkennlinie im Diagramm dargestellt. Die Datenpunkte des Druckverlustes entsprechen bei diesem System konstant dem maximalen Druck (ZUL: 716Pa, ABL: 609Pa). Diagramm: Ventilator Leistung ZUL / ABL Auf diesem Diagramm ist die Ventilatorleistung abhängig vom Volumenstrom dargestellt. Es sind die Leistungsaufnahmen für das konventionelle System sowie für das VAV Optimizer-System abgebildet. Ab einem bestimmten Volumenstrom und Druck bleibt die Ventilatorleistung konstant. Weitere Datenblätter Die Resultatblätter der restlichen Untersuchungen sind im Anhang zu finden Verhältnis Energieeinsparung zwischen ZUL/ABL-System Für die weiteren Auswertung haben wird nur noch die Einsparungen beim Zuluftsystem betrachtet. Das Einsparpotential beim Abluftsystem liegt im Allgemeinen 15 bis 25% unter demjenigen der Zuluft. Verhältnis Energiesparpotential ZUL / ABL System 35% 30% Differenz ZUL / ABL [%] 25% 20% 15% 10% 5% 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% Einsaprung ZUL Ventilator [%] Abbildung 10 Diagramm der Differenz zwischen ZUL/ABL-Einsparungspotential HTA LUZERN Seite 17/67

18 3.2.3 Zusammenstellung der Energiesparpotentiale Damit die Resultate übersichtlich dargestellt werden können, werden die Daten zusammengefasst und als Diagramme grafisch ausgewertet. Vergleich VVS-Varianten Energieeinsparung der untersuchten Varianten 70% Einsparung ZUL [%] 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% GT2_I1_dp GT2_I2_dp GT2_I3_dp GT1_I1_dp GT1_I2_dp GT1_I3_dp Lx_GT2_I1_dp Lx_GT2_I2_dp Lx_GT2_I3_dp Lx_GT1_I1_dp Lx_GT1_I2_dp Lx_GT1_I3_dp Lx_GT2_I1_dp Lx_GT2_I2_dp Lx_GT2_I3_dp Lx_GT1_I1_dp Lx_GT1_I2_dp Lx_GT1_I3_dp VVS Ventilator Druck konstant VVS Druck System konstant (dp min 300Pa) VVS Druck System konstant (dp min 140Pa) Abbildung 11 Zusammenstellung der Energieeinsparungen bei den verschiedenen untersuchten Varianten In der Abbildung 11 sind die Einsparpotentiale bei den verschiedenen VVS-Systemen dargestellt. Wie zu erwarten, ist das Einsparpotential bei den Varianten mit konstantem Druck über dem Ventilator am grössten. Bei steigenden Vollbetriebsstunden der Lüftungsanlage nimmt das Potential ab, da vor allem im Teillastbereich grosse Einsparungen möglich sind. Bei den beiden VVS-Varianten mit konstantem Druck im System, ist das Potential stark vom minimalen Druck im System abhängig. Bei einem optimal installierten VVS-System mit einem minimalen Druckverlust von 140 Pa sind die Einsparmöglichkeiten sehr klein. Vergleich Volumenstrom (Volllaststunden) 70% Einsparpotential [%] 60% 50% 40% 30% 20% VVS Ventilator Druck konstant VVS Druck System konstant (dp min 300Pa) VVS Druck System konstant (dp min 140Pa) 10% 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Volllaststunden Lüftungsanlagen [%] Abbildung 12 Energiesparpotential abhängig von den Volllaststunden bei unterschiedlichen VVS-Systemen Die Punkte im Diagramm wurden mit Hilfe der thermischen Simulation und den anschliessenden Berechnungen mit Excel ermittelt. Ist der Volumenstrom der Lüftung immer 100% (KVS, Konstant- HTA LUZERN Seite 18/67

19 Volumenstrom-System) kann mit dem VAV Optimizer keine Energie eingespart werden. Daraus ergibt sich ein weiterer Datenpunkt für obiges Diagramm. Wie bereits in der Abbildung 11 dargestellt, ist das Einsparpotential von der Art des VVS-Systems abhängig. Zudem ist das Einsparpotential auch von den Volllaststunden abhängig: Wird eine Lüftungsanlage häufig mit dem maximalen Volumenstrom betrieben, ist das Einsparpotential gering. Bei einer überdimensionierten Lüftungsanlage mit wenig Volllaststunden und einem VVS-System mit konstantem Druck beim Ventilator ist das Einsparpotential jedoch gross. Bei Anlagen mit konstantem Druck über dem System sind die Einsparungen deutlich kleiner. Je nach dem wie gross der minimale Druckverlust im System ist, variieren die Einsparungen. Die möglichen Einsparungen liegen im Bereich zwischen 0 bis 20%. Die Einsparungen sind auch hier abhängig von den Volllaststunden der Anlage. Wie im Diagramm zu sehen ist, liegt die maximale Einsparmöglichkeit bei diesen Varianten im Bereich zwischen 30 bis 40%. Das heisst, dass bei Anlagen mit extrem unterschiedlichen Lasten, ein VAV Optimizer Einsparungen im Bereich von 5 bis 20% möglich macht. Bei Lüftungsanlagen mit nur wenig variierendem Volumenstrom, bringt der VAV Optimizer nur eine kleine Einsparung. (Siehe Tabelle 3) HTA LUZERN Seite 19/67

20 4 Fazit und Erkenntnisse 4.1 Betrieb von VVS-Systemen Unsere Nachfragen bei diversen Lüftungsfachleuten haben ergeben, dass in über 80% der Lüftungsanlagen das VVS falsch betrieben wird. In diesen Anlagen wird der Druck über den Ventilator konstant gehalten. In nur rund 20% der Lüftungsanlagen wird die Regulierung richtig installiert. Damit die VVS-Regulierung korrekt realisiert werden kann, muss der kritische Lüftungsstrang mit Hilfe einer Druckverlustberechnung ermittelt werden. Da heute nur noch in den wenigsten Anlagen eine solche Druckverlustberechnung gemacht wird, werden die Anlagen suboptimal reguliert. Würde diese Druckverlustberechnung gemacht, könnte eine korrekte VVS-Regulierung installiert werden. 4.2 Betrieb von VVS-Systemen mit dem VAV Optimizer Einsparungen Wie die Berechnungen gezeigt haben, ist die zu erwartende Einsparung stark vom VVS-System und vom Kanalnetz abhängig. Wird die Lüftung korrekt geplant und dimensioniert, ist mit einer maximalen Einsparungen von zirka 20% zu rechnen. In Anlagen die überdimensioniert sind und der Ventilator falsch gesteuert wird ist, das Energiesparpotential jedoch sehr hoch und es können bis zu 60% der Ventilatorenergie eingespart werden Neue Anlage Wird eine neue Lüftungsanlage geplant und auf eine Druckverlustberechnung verzichtet, ist der Einsatz von VAV Optimizern auf jeden Fall sinnvoll. Das System optimiert die Lüftungsanlage selber. Mit dem VAV Optimizer kann der reduzierte Planungsaufwand kompensiert werden. Bei Anlagen in welchen der Druckverlust im Detail berechnet wird, ist der Einsatz eines VAV Optimizers zu prüfen. Je nach Kanalnetz kann ein VAV Optimizer die Ventilatorenergie noch um bis zu 20% reduzieren. HTA LUZERN Seite 20/67

21 4.2.3 Bestehende Anlage Bei bestehende Anlagen, welche mit einem VVS-System und Druckregulierung über den Ventilator betrieben werden, kann durch eine Nachrüstung mit VAV Optimizern eine erhebliche Menge der Ventilatorenergie gespart werden. Der Einsatz eines VAV Optimizers amortisiert sich vermutlich in wenigen Jahren. Bei Lüftungsanlagen welche mit einem VVS-System mit Druckhaltung im System betrieben werden, ist der Einsatz eines VAV Optimizers im Detail zu prüfen. Bei diesen Anlagen ist die mögliche Einsparung stark von de Anzahl Stunden mit Volllastbetrieb der Lüftung abhängig. 70% Einsparpotential [%] 60% 50% 40% 30% 20% VVS Ventilator Druck konstant VVS Druck System konstant (dp min 300Pa) VVS Druck System konstant (dp min 140Pa) 10% 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Volllaststunden Lüftungsanlagen [%] Abbildung 13 Energieeinsparpotential abhängig von den Volllaststunden bei unterschiedlichen VVS Systemen In der Tabelle 3 ist das zu erwartende Energiesparpotential abhängig vom gewählten VVS System und der Art der Dimensionierung dargestellt. Einsparpotential VVS System p Ventilator konstant p Lüftungsnetz konstant ( ) wenig Volllastsunden (überdimensioniert) 30-40% Volllaststunden (optimal dimensioniert) Dimensionierung viele Volllaststunden (optimal dimensioniert) Tabelle 3 Zu erwartendes Energiesparpotential bei unterschiedlichen Lüftungsanlagen HTA LUZERN Seite 21/67

22 5 Anhang 5.1 Simulationsperiode Damit das jährliche Energiesparpotential des VAV Optimizers berechnet werden kann, wird das ganze Jahr 2005 simuliert. 5.2 Klimadaten Meteodaten Für die Simulationen werden die DRY Daten für Zürich genommen [Design Reference Year]. Aussenlufttemperatur Aussentemperatur [ C] Jahresstunde [h] Abbildung 14 Aussenlufttemperaturen, DRY Daten, Standort Zürich Beschattung Da sich die untersuchten Räumlichkeiten im 4. Obergeschoss befinden, wird keine externe Beschattung durch umliegende Gebäude berücksichtigt. Es ist auch kein überhöhter Horizont vorhanden. HTA LUZERN Seite 22/67

23 5.3 Bauteilkonstruktionen Aussenwand (U-Wert 0.48 W/m2K) Bezeichnung Dicke Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität Dichte [-] [m] [W/(m*K)] [J/(kg*K)] [kg/m 3 ] Innenseite Blech Isolation Blech Aussenseite Boden / Decke Bezeichnung Dicke Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität Dichte [-] [m] [W/(m*K)] [J/(kg*K)] [kg/m 3 ] Bodenoberseite Halopex Zement Beton (TABS) Beton Bodenunterseite Innenwand Bezeichnung Dicke Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität Dichte [-] [m] [W/(m*K)] [J/(kg*K)] [kg/m 3 ] Gipsplatte Hohlraum Isolation Hohlraum Gipsplatte HTA LUZERN Seite 23/67

24 5.3.4 Fenster Bezeichnung Wert Einheit U-Wert Glas 1.21 W/(m 2 *K) U-Wert Rahmen (Aussenwand) 0.48 W/(m 2 *K) Rahmenanteil 15 % g-wert 0.4 % t-sol Wert 0.32 % Fensterlüftung n j/n Beschattungseinrichtung Die Beschattung durch Sonnenstoren wird mit Reduktionsfaktoren definiert. Bezeichnung Wert Einheit Red. U-Wert Red. g-wert Red. t-sol Wert Automatik: Sonnenschutz unten ab: 150 W/m 2 HTA LUZERN Seite 24/67

25 5.4 Räume Raumgeometrie LONGUS Es werden die Räume im 4. Obergeschoss im Kern D simuliert. Die betrachtete Zone wird wie folgt in sechs thermisch unterschiedliche Teilzonen aufgeteilt: - Zone Büro Nord/Ost - Zone Büro Süd/West - Zone Sitzung Nord - Zone Sitzung Süd - Zone Technik 1 - Zone Technik 2 Abbildung 15 Aufteilung 4. OG, Kern D, in thermisch unterschiedliche Teilzonen HTA LUZERN Seite 25/67

26 5.4.2 Raumgeometrie IDA Für die thermische Simulation wird die Raumgeometrie vereinfacht. Die beiden Technikzonen werden nicht mitsimuliert. Die Wände welche an diese Technikzonen grenzen, werden als adiabate Wände simuliert (kein Wärmetransport). Die vier simulierten Bürozonen werden als rechteckige Zonen vereinfacht. Die Zonen im IDA sehen wie folgt aus. Abbildung 16 Raum- / Gebäudegeometrie im IDA ICE Die betrachteten Zonen werden in fünf thermisch unterschiedliche Zonen aufgeteilt: 1. Büro Süd/West 2. Büro Nord/Ost 3. Zwischenzone 4. Sitzungszimmer Süd 5. Sitzungszimmer Nord In den folgenden Kapiteln sind die Räume mit ihren genauen Angaben aufgeführt. Die Simulationen werden für drei unterschiedliche interne Lasten durchgeführt. Die Werte sind nachfolgend für die einzelnen Räume definiert. HTA LUZERN Seite 26/67

27 5.4.3 Büro Süd/West Länge / Breite / Höhe: / 9.27 / 3.5 m Fläche: m 2 Heizleistung: 30W/m 2 x 305.7m 2 = 9 200W Personen Belegung: 12 / 10 / 8 m 2 /P Anzahl: Fahrplan: Aktivitätsgrad: Bekleidung: 25 / 31 / 38 Arbeitsplätze gemäss SWKI 95-3, Nutzung Grossraumbüro Mo bis Fr 1.2 met (sitzende Arbeit, Büro) 0.6 clo Geräte Spez. Leistung: 4 / 10 / 19 W/m 2 Leistung: Fahrplan: 1'200 / 3'000 / 5'800 W Anteil Strahlung: 30% wie Personen Beleuchtung Spez. Leistung: 7.5 / 9 / 10.5 W/m 2 Leistung: Lichtausbeute: 2'290 / 2'750 / 3'210 W 5m Randzone: Steuerung nach Lichtsollwert 5/9 4m Innenzone: Konstante Leistung 4/9 65 lm/w Konvektiver Anteil: 40% Fahrplan: Lüftung Volumenstromverhältnis: ABL/ZUL = 1 ZUL - Volumenstrom: m 3 /h Wie Personenfahrplan Steuerung nach Lichtsollwert und Fahrplan Lichtsollwert 500Lux HTA LUZERN Seite 27/67

28 5.4.4 Büro Nord/Ost Geometrie Länge / Breite / Höhe: / 9.27 / 3.5 m Fläche: m 2 Heizleistung: 30W/m 2 x 319.6m 2 = 9 600W Personen Belegung: 12 / 10 / 8 m 2 /P Anzahl: Fahrplan: Aktivitätsgrad: Bekleidung: 27 / 32 / 40 Arbeitsplätze gemäss SWKI 95-3, Nutzung Grossraumbüro Mo bis Fr 1.2 met (sitzende Arbeit, Büro) 0.6 clo Geräte Spez. Leistung: 4 / 10 / 19 W/m 2 Leistung: Fahrplan: 1'300 / 3'200 / 6'070 W Anteil Strahlung: 30% wie Personen Beleuchtung Spez. Leistung: 7.5 / 9 / 10.5 W/m 2 Leistung: Lichtausbeute: 2'400 / 2'880 / 3'360 W 5m Randzone: Steuerung nach Lichtsollwert 5/9 4m Innenzone: Konstante Leistung 4/9 65 lm/w Konvektiver Anteil: 40% Fahrplan: Lüftung Volumenstromverhältnis: ABL/ZUL = 1 ZUL - Volumenstrom: m 3 /h Wie Personenfahrplan Steuerung nach Lichtsollwert und Fahrplan Lichtsollwert 500Lux HTA LUZERN Seite 28/67

29 5.4.5 Büro Zwischenzone Länge / Breite / Höhe: 6.93 / 7.06 / 3.5 m Fläche: m 2 Personen Belegung: Keine Geräte Spez. Leistung: 4 / 10 / 19 W/m 2 Leistung: Fahrplan: 200 / 500 / 1'000 W Anteil Strahlung: 30% wie Personen Beleuchtung Spez. Leistung: 7.5 / 9 / 10.5 W/m 2 Leistung: Lichtausbeute: 370 / 440 / 520 W 65 lm/w Konvektiver Anteil: 40% Fahrplan: Wie Personenfahrplan Ohne Steuerung Lüftung Volumenstromverhältnis: ABL/ZUL = 1 ZUL - Volumenstrom: 0 m 3 /h HTA LUZERN Seite 29/67

30 5.4.6 Sitzung Süd und Nord Geometrie Länge / Breite / Höhe: 7.2 / 3.53 / 3.5 m Fläche: m 2 Personen Belegung: 4 / 3 / 2 m 2 /P Anzahl: Fahrplan: Aktivitätsgrad: Bekleidung: 6 / 8 / 13 Arbeitsplätze gemäss SWKI 95-3 Sitzungszimmer Mo bis Fr 1.2 met (sitzende Arbeit, Büro) 0.6 clo Geräte Spez. Leistung: 1 / 2 / 3 W/m 2 Leistung: Fahrplan: 30 / 50 / 80 W Anteil Strahlung: 30% wie Personen Beleuchtung Spez. Leistung: 9 / 11 / 13 W/m 2 Leistung: Lichtausbeute: 250 / 280 / 330 W 5m Randzone: Steuerung nach Lichtsollwert 5/9 4m Innenzone: Konstante Leistung 4/9 65 lm/w Konvektiver Anteil: 40% Fahrplan: Wie Personenfahrplan Ohne Steuerung Lüftung Volumenstromverhältnis: ABL/ZUL = 1 ZUL - Volumenstrom: 500 m 3 /h HTA LUZERN Seite 30/67

31 5.5 Heizung / Lüftung / Kälte / TABS Heizungsanlage In den beiden aussen liegenden Zonen Büro Süd/West und Nord/Ost werden Heizkörper modelliert. Die Leistung der Heizkörper wird überschlagsmässig mit 40 W/m 2 eingesetzt. Die Heizkörper sind auf einer innen liegenden Wand platziert. Die Regulierung der Heizkörper erfolgt mit einem Proportionalregler. Der Sollwert für die Heizung beträgt 21 C Lüftungsanlage Betriebszeiten Die Lüftungsanlage wird wie folgt betrieben: Montag bis Freitag: bis Uhr Samstag: bis Uhr Sonntag: kein Betrieb Volumenstromregelung Die Volumenstrom-Regelung der einzelnen Zonen erfolgt aufgrund der Raumlufttemperatur. Die Regulierung wird wie folgt modelliert. Prozentualer Volumenstrom Volumenstrom [%] Raumlufttemperatur [ C] Abbildung 17 Volumenstromregulierung nach Raumlufttemperatur Der Volumenstrom wird nur anhand der Raumlufttemperatur reguliert. Es ist keine Regulierung für die CO 2 - Konzentration vorgesehen. HTA LUZERN Seite 31/67

32 Temperaturen Die Zulufttemperatur wird nach der Aussentemperatur geregelt. Für die Zuluft wird folgende Kennlinie definiert. Zulufttemperatur 22 Zulufttemperatur [ C] Aussentemperatur [ C] Abbildung 18 Zulufttemperatur anhand der momentanen Aussenlufttemperatur Die Temperaturerhöhung durch den Ventilator beträgt konstant 1Kelvin. Ventilatorkenndaten Die Ventilatordaten wurden mit Hilfe des Programms ProSELECTA++ der Firma Gebhardt an verschieden Punkten ausgelesen. In der Abbildung 19 sind die Punkte im Ventilatorkennfeld eingezeichnet. HTA LUZERN Seite 32/67

33 Abbildung 19 Datenblatt Ventilator, Fabr. Gebhardt, Typ RZR 400 Dargestellte Punkte werden für die Berechnung benötigt. HTA LUZERN Seite 33/67

34 Leistungstabelle Ventilator ZUL Typ: RZR / Gebhardt Druckverlust Volumenstrom Tabelle 4 Tabellenwerte Ventilator Fabr. Gebhardt, Typ RZR Leistungsaufnahme Leistungsaufnahme Leistungsaufnahem Ventilator Leistungsaufnahem Ventilator Druckverlust Volumenstrom Abbildung 20 Leistungsdiagram Ventilator Fabr. Gebhard, Typ RZR Links: Abhängig vom Druckverlust / Volumenstrom Rechts: Abhängig vom Volumenstrom / Druckverlust HTA LUZERN Seite 34/67

35 5.5.3 TABS Die Simulationen mit der Bezeichnung GT2_xx werden zusätzlich mit einem TABS ausgerüstet. Die Positionierung des TABS ist im Kapitel: bestimmt. Das TABS-Register wird mit einem konstanten Massenstrom von 20kg/m 2 h betrieben. Das TABS ist während 24h pro Tag in Betrieb. Die Vorlauftemperatur fürs TABS wird abhängig von der mittleren Tagesaussentemperatur nach unten stehender Kennlinie gesteuert. Ab einer mittleren Aussentemperatur von weniger als 15 C wird das TABS ausgeschaltet. Regulierung TABS Vorlauftemperatur [ C] Vorlauftemperatur TABS TABS Ein/Aus TABS Betrieb EIN / AUS Mittelwert der Aussenlufttemperatur (24h) [ C] Abbildung 21 Vorlauftemperatur TABS HTA LUZERN Seite 35/67

36 5.6 Weitere Resultatauswertungen Zusammenstellungen HTA LUZERN Seite 36/67

37 HTA LUZERN Seite 37/67

38 5.6.2 Auswertungen p Ventilator konstant HTA LUZERN Seite 38/67

39 HTA LUZERN Seite 39/67

40 HTA LUZERN Seite 40/67

41 HTA LUZERN Seite 41/67

42 HTA LUZERN Seite 42/67

43 HTA LUZERN Seite 43/67

44 5.6.3 Auswertungen p Lüftungsnetz konstant (min 300Pa) HTA LUZERN Seite 44/67

45 HTA LUZERN Seite 45/67

46 HTA LUZERN Seite 46/67

47 HTA LUZERN Seite 47/67

48 HTA LUZERN Seite 48/67

49 HTA LUZERN Seite 49/67

50 HTA LUZERN Seite 50/67

51 HTA LUZERN Seite 51/67

52 5.6.4 Auswertungen p Lüftungsnetz konstant (min 140Pa) HTA LUZERN Seite 52/67

53 HTA LUZERN Seite 53/67

54 HTA LUZERN Seite 54/67

55 HTA LUZERN Seite 55/67

56 HTA LUZERN Seite 56/67

57 HTA LUZERN Seite 57/67

58 HTA LUZERN Seite 58/67

59 HTA LUZERN Seite 59/67

60 HTA LUZERN Seite 60/67

61 HTA LUZERN Seite 61/67

62 HTA LUZERN Seite 62/67

63 HTA LUZERN Seite 63/67

64 HTA LUZERN Seite 64/67

65 HTA LUZERN Seite 65/67

66 5.6.5 Auswertungen Ventilator Typ RZR HTA LUZERN Seite 66/67

67 HTA LUZERN Seite 67/67