Energieeffizienz... Klimaanlagen, 2005, DIN Deutsches Institut für Normung e.v.

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1 Hannes Lütz Produktmanager CentraLine c/o Honeywell GmbH 06 I 2008 Präzise Luftqualitätsregelung wird oft thematisiert, aber nur selten wirklich umgesetzt. Dabei leistet sie einen wichtigen Beitrag zur Senkung der Betriebskosten von Lüftungs- und Klimaanlagen. Obwohl bereits seit 1916 Vorschläge zur CO 2 -Kontrolle gemacht werden, um die genannten Ziele zu erreichen, waren die Technologien bisher immer noch zu teuer und die Energiepreise zu niedrig, als dass sich Vorstöße in diese Richtung wirklich gelohnt hätten. Während die heutigen hohen Energiepreise eine CO 2 -Regelung zu einer realistischen Notwendigkeit machen, sorgen moderne Technologien für eine besonders einfache Anwendung. Auf diese Weise können sowohl neue Installationen zusammengestellt als auch bereits bestehende aufgerüstet werden. Die EU-Richtlinie zur Gesamtenergie effizienz von Gebäuden (EPBD) 2 und weitere neue Normen unterstützen die Anwendung dieser Systeme aufgrund ihres enormen Einsparungs potenzials. Aufgrund des Energiegehalts der Abluft und der Lufttransportenergie sind die Kosten für die Frischluftversorgung in Gebäuden sehr hoch. 1 DIN EN 13779: Lüftung von Nichtwohngebäuden Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen, 2005, DIN Deutsches Institut für Normung e.v. 2 EU-Richtlinie Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (EPBD) vom 16. Dezember 2002

2 Ein alter Hut? CO 2 -Regelung ist bei weitem kein neues Thema. Amerikanische Ingenieure waren sich schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts des großen Einsparungspotenzials dieses Ansatzes bewusst: Ingenieur-Handbuch Bild 1: Ingenieur-Handbuch von [ Anhand von CO 2 -Tests sollte die Lufterneuerung und die Verteilung der Luft im Raum kontrolliert werden.... der CO 2 -Anteil sollte 8 bis 10 Teile pro NICHT übersteigen. ] Alte Normen und die neue EN Normen greifen in der Regel bei der Planung von Lüftungssystemen. Insbesondere der Frischluftanteil ist ein Design-Kriterium, das sich auf die Gesamtgröße der Anlage auswirkt. Die EU-Richtlinie EN1946 Teil 2 und die US-Norm ASHRAE berechnen die Frischluftmenge noch nach der Fläche und einer festen Personenzahl. Die neue EU-Norm EN auf der Grundlage der EPBD enthält bereits die Option, die Frischluftzufuhr mit Luftqualität als Regelgröße zu gestalten und misst der Luftqualität die größte Bedeutung für ein wirtschaftlich betriebenes Klimasystem zu. 3 General Electric: Informationen zu den CO 2 -Messtechniken

3 Messtechnologie Moderne CO 2 -Sensoren setzen sich aus den folgenden Komponenten zusammen: eine Infrarotquelle, die Strahlung durch den patentierten Wellenleiter aussendet ein optischer Filter, der nur die erforderliche Wellenlänge durchlässt ein Detektor, der die Menge der Infrarotstrahlung misst; je höher der CO 2 -Anteil in der Kammer, desto weniger Infrarotstrahlen erreichen den Detektor Diffussionsmembrane Spezieller Infrarotfilter Mikrobearbeiteter Thermopile-Detektor Infrarot-Lichtquelle 1,25" Patentierter Wellenleiter Mikroprozessor Bild 2: Moderne CO 2 -Sensoren 3 Diese Sensoren können auch einen Proportional-Regler oder/und einen einfachen Begrenzungsschalter enthalten, so dass kleine Anwendungen direkt über die Sensorsteuerung geregelt werden können. In jedem Fall gibt es ein lineares Ausgangssignal V oder ma, das die CO 2 -Konzentration in ppm (parts per million) darstellt. Dieses Ausgangssignal kann, je nach Sensorgenauigkeit und Anforderungsprofil, für verschiedene Messbereiche skaliert werden. In der Regel sollten Sensoren einen Messbereich von ppm CO 2 abdecken. Die Messung basiert auf den Absorptionseigenschaften von CO 2. Die Wirkung dieses Gases kann unter allen anderen Einflüssen selektiv herausgefiltert werden, so dass sehr exakte Messergebnisse erzielt werden können. 3 General Electric: Informationen zu den CO 2 -Messtechniken

4 Dieser physikalische Effekt ist im folgenden Diagramm dargestellt: Infrarotabsorption verschiedener Gase Übertragung Wasserdampf Kohlenwasserstoff Kohlendioxid Kohlenmonoxid NOx Wasserdampf Schwefeldioxid Kältemittel VOCs Ozon Wellenlänge (Mikron) Bild 3: Physikalische Auswirkungen von CO 2 3 Dieses Messprinzip hat sich als sehr zuverlässig erwiesen, so dass keine Kalibrierung mehr erforderlich ist. Es bietet die höchste Zuverlässigkeit und Genauigkeit aller möglichen Messprinzipien. Die Sensoren können, je nach Art des Systems, im entsprechenden Raum an der Wand oder im Abluftkanal installiert werden. Bild 4: CO 2 - und Luftqualitätssensoren, wie Command von CentraLine, zeigen die exakte CO 2 -Konzentration und andere Verunreinigungen an. 3 General Electric: Informationen zu den CO 2 -Messtechniken

5 Typische Anwendungsbereiche Diese Technologie kann in Belüftungssystemen in allen gewerblich genutzten Gebäuden mit dauerhaft hoher oder wechselnder Personendichte eingesetzt werden. Besonders sinnvoll ist der Einsatz in Bürogebäuden, Schulen, Konferenzzentren, Theatern, Supermärkten, Wellness- und Fitnesszentren und Kinos. Kontrolle Eine CO 2 -Regelung wird auf das entsprechende Heiz-, Kühl- und Lüftungssystem zugeschnitten. Bei neuen Systemen umfasst die Lüftung auch Heizung und Kühlung aufgrund von Übertragungsverlusten (keine statische Heizung und Kühlung), dabei gelten folgende Vorgaben: Für variable Frischluftzufuhr und für Nichtbelegungszeiten ist eine Mischkammer erforderlich. Die Frischluftzufuhr erfolgt bei minimaler Ventilatordrehzahl. Wenn die minimale Ventilatordrehzahl für die Luftqualität, Heizung oder Kühlung nicht ausreicht, muss die Drehzahl erhöht werden. In Einraumgebäuden wie Kinos, Theatersälen und Supermärkten sollte sich der Sensor im Abluftkanal befinden. Andere Gebäude sollten über eine individuelle Regelung für die einzelnen Räume verfügen. Es gibt eine große Bandbreite von Systemen. Es gilt also, für jeden Anwendungsfall die jeweils beste Lösung auszuwählen: Bei kleinen Installationen kann es durchaus akzeptabel sein, den Ventilator je nach Sensorinformationen ein- und auszuschalten. Der Sensor muss mit einem Begrenzungsschalter ausgestattet sein. Systeme mit Mischkammer können durch einen CO 2 -Proportional-Regler und eine entsprechende Vorrichtung erweitert werden, die das maximale Signal aus der bestehenden Temperaturregelung und der neuen Luftqualitätsregelung auswählt. Diese Erweiterung ist also unabhängig vom bestehenden Gebäudeleitsystem. Frischluftsysteme können nur durch eine Luftqualitätsregelung mit Frequenzwandler des Ventilators erweitert werden. In einigen Fällen muss der Ventilatormotor ersetzt werden, wenn ein Frequenzwandler eingesetzt werden soll (da die Isolierungsklasse zu niedrig ist). Das Regelsystem umfasst einen CO 2 -Sensor, einen Proportional-Regler und einen Signalverstärker.

6 Mischkammer und Frequenzwandler: Die entsprechende Funktionalität kann nur über das Gebäudeleitsystem gewährleistet werden, daher kann es erforderlich sein die gesamte Regelung zu ersetzen. Heiz-/Kühlkosten pro kwh Stromkosten pro kwh Wartungskosten Raumbedingungen Gerüche Verunreinigungen Außenluftbedingungen Heiz-/Kühlsystem Frischluftzufuhr Volumenstromsystem Wärmerückgewinnung Gebäudeleitsystem Geräuschpegel: so niedrig wie möglich Temperatur: C CO 2 -Gehalt: ppm Energieverlust in der Abluft in kwh Energieverlust im Gebäude in kwh Luftfeuchtigkeit: % Bild 5: Auswirkungen auf die Luftqualitätskontrolle Wie können Einsparungen berechnet werden? Hier stehen zwei vereinfachte Beispielkalkulationen zur Verfügung: 1. Einsparungen durch reduzierten Luftstrom Unnötiger Energieverlust durch m 3 /h zu viel Frischluft: z.b. im Sommer = 4 Monate Kühlung bei Außentemperatur von 30 C bis 26 C z.b. im Winter = 4 Monate Heizung bei Außentemperatur von 4 C bis 22 C Gesparte Kühlenergie = 7100 kwh Einsparung: 2130 Gesparte Heizenergie = kwh Einsparung: 2331 Gesamteinsparung = 4461 / Jahr Grundlagen: 1 kg Heizöl = 0,85 1 kg Heizöl = kj 1 kwh Heiz-/Kühlenergie = 3600 kj 1 kwh elektr. Energie = 0,30 2. Einsparungen durch reduzierte Heiz- und Kühlenergie Unnötiger Energieverlust durch m 3 /h zu viel Frischluft: Die Lösung: Reduzierung des Luftvolumenstroms von m 3 /h auf m 3 /h z.b m 3 /h bei 2000 Pa (11,1 kw) reduziert auf m 3 /h (1,4 kw) bei 2000 h/a ergibt eine Einsparung von kwh Gesamteinsparung = 5800 / Jahr Grundlagen: 100 % Ventilatoreffizienz, 1 kwh elektr. Energie = 0,30

7 Alternativen Luftqualitätssensoren auf der Basis von oxidierbaren Gasen, wie z.b. Gerüchen und Kohlenmonoxid, können entsprechend eingesetzt werden, wenn CO 2 nicht die primäre Regelgröße ist. Mögliche Anwendungsbereiche sind Restaurants und Umkleideräume in Sporteinrichtungen. Zusätzliche Vorteile Da eine Luftqualitätsregelung in jedem Fall zu Lastbedingungen unterhalb des Nennbereichs führt, wird auf diese Weise der Verschleiß aller Komponenten verzögert und die Lebensdauer des Systems verlängert. Ein weiterer positiver Nebeneffekt ist eine reduzierte Geräuschentwicklung für ein komfortableres Wohn- und Arbeitsumfeld. Zusammenfassung Steigende Energiekosten fördern das Interesse an CO 2 -Regelsystemen. Planer und Installateure können ihren Beitrag zur Kostensenkung leisten, indem sie diese bewährte Technologie nutzen und CO 2 -Sensoren oder entsprechende Alternativen einsetzen. Die prozentuale Energieersparnis liegt im zweistelligen Bereich. Außerdem verlängert die Luftqualitätskontrolle die Lebensdauer des Lüftungssystems und bietet den Bewohnern einen höheren Komfort. Die CentraLine-Partner bieten Planern und Gebäudebetreibern optimale Beratung und Unterstützung. Die Partner sind Experten in Sachen Luftqualitätsregelung, werden von CentraLine regelmäßig über die neuesten Technologien und Richtlinien informiert und erfüllen auch die höchsten Qualitätsansprüche während der gesamten Projektabwicklung von der Planung über die Installation und Inbetriebnahme bis hin zum Lifetime-Support. Autor: Hannes Lütz Produktmanager CentraLine c/o Honeywell GmbH Mehr Informationen und weitere Artikel zu Energieffizienz bietet Ihnen die CentraLine CITY unter Ihr CentraLine Partner oder eines unserer Büros. CentraLine Honeywell GmbH Böblinger Straße 17 D Schönaich Tel: +49 (0) CentraLine Honeywell Austria GmbH Handelskai 388 A-1023 Wien Tel +43 (0) CentraLine Honeywell AG Honeywell-Platz 1 CH-8157 Dielsdorf Tel +41 (0)