LEITFADEN FÜR AUDITS AN LÜFTUNGS

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1 LEITFADEN FÜR AUDITS AN LÜFTUNGS LÜFTUNGSANLAGEN

2 Version 14.April 2013 Haftungsausschluss Das Projektmanagement von klima:aktiv energieeffiziente Betriebe hat im Rahmen der Beraterinformation verschiedene Informationen zu ausgewählten Themenbereichen erstellt und den Teilnehmern als mögliche Hilfsmittel für die spätere Projektarbeit zur Verfügung gestellt. Diese Informationen stellen lediglich Vorschläge für mögliche Maßnahmen dar, die vom Berater in Eigenverantwortung auf das jeweilige Projekt und den Kunden angepasst werden müssen. Die Haftung für Schäden, die unter Verwendung dieser Informationsunterlagen in der Praxis auftreten könnten, wird hiermit ausdrücklich vom Projektmanagement ausgeschlossen und wird mit Verwendung dieser Informationsunterlagen diese Haftungsregelung anerkannt. Impressum Medieninhaber und Herausgeber Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft Abteilung V/10 Energie und Umweltökonomie, A-1010 Wien, Stubenbastei 5 Verfasser: Christoph Gerstbauer, B.Sc., Österreichische Energieagentur Unter Mitarbeit von: Mag. DI Konstantin Kulterer; DI (FH) DI Georg Geissegger, Österreichische Energieagentur Ing. Sieghart Brunner, Walter Bösch GesmbH & Co KG Christian Gorbach, Ziehl Abegg GesmbH Quelle Titelfoto:

3 Inhalt 1 EINLEITUNG VERWENDUNG DIESES LEITFADENS ABLAUF DES ENERGIEAUDITS ALLGEMEINE ANFORDERUNGEN AN DAS ENERGIEAUDIT GRUNDLAGEN LUFT FEUCHTE LUFT BEHAGLICHKEIT MAK-WERTE LÜFTUNGSANLAGEN BESTANDTEILE EINER KLIMAANLAGE Abkürzungen Filter Ventilator Wärmetauscher Befeuchter Schalldämpfer Klappe Mischkammer MOTOREN Motorenergieklassen: HEIZ- UND KÜHLLASTERMITTLUNG Möglichkeit Möglichkeit Möglichkeit Möglichkeit KÜHLLAST Äußere Kühllast Innere Kühllast SOLL VOLUMENSTROMERMITTLUNG Personenbelegung mit oder ohne Rauchen Weitere bekannte abzuführende Emissionen Heiz- und Kühllast Überschlägige Ermittlung TOPMAßNAHMEN BETRIEBSZEITEN OPTIMIERUNG Ermittlung der Bezugsbasis VOLUMENSTROMANPASSUNG Allgemein Starre Volumenstromreduktion Variable Volumenstromregelung Vorgehensweise für die Maßnahmenbewertung: I

4 4.3 TAUSCH VON ANLAGENTEILEN Ventilator Antrieb und Riemen Elektrischer Motor WÄRMERÜCKGEWINNUNG Rückwärmezahl und Rückfeuchtezahl Systemübersicht Potentialermittlung der Wärmerückgewinnung BE- UND ENTFEUCHTUNG Allgemein Luftbefeuchtung Luftentfeuchtung Energetische Optimierung WARTUNG UND INSTANDHALTUNG Dichtheit von Luftleitungen Dichtheit von Absperrungen / Klappen / Drosseln Luftfilter Andere Bauteile SPEZIALFÄLLE TROCKNER Mechanische Trocknung Chemische Trocknung Thermische Trocknung INDUSTRIELLE ABSAUGUNG Allgemein DEC-ANLAGE Allgemein Funktionsweise Anlagenteile Berechnung VERZEICHNISSE LITERATURVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ANHANG TABELLEN II

5 1 Einleitung Kontinuierlich steigende Preise für Energie führen auch in der Industrie zu einem breiten Umdenken mit der Ressource Energie. Hohe Kosten und die vermehrt unsicherere Bedarfsdeckung (Abhängigkeit vom Ausland) resultieren in einem verstärkten Interesse den Energiebedarf zu senken. Aber auch politische Entscheidungen (z.b. CO 2 Zertifikate Handel) veranlassen Unternehmen ihren Energiekonsum zu reduzieren und möglichst effizient einzusetzen. Aus Zeitmangel und/oder fehlendem Know How fällt es Industriebetrieben oft schwer, ineffiziente Anlagen oder Prozesse zu identifizieren und Verbesserungsvorschläge zu unterbreiten. Dabei amortisieren sich viele Maßnahmen schon nach kurzer Zeit und stärken somit die Liquidität des Unternehmens. Aus diesen Gründen wurde ein Leitfaden entwickelt, der sich mit der Optimierung von Lüftungs- und Klimaanlagen beschäftigt. Durch eine optimierte und bedarfsgerechte Klimaanlage werden nicht nur Betriebskosten für elektrische und thermische Energie reduziert, sondern gleichzeitig Arbeitsbedingungen geschaffen, die die thermische Behaglichkeit der Mitarbeiter und somit deren Motivation steigert. Abbildung 1.1 zeigt den Energiebedarf von Standmotoren in der Industrie, aufgeteilt auf verschiedene Prozesse. Für Lüftung, Klimatisierung und Ventilatoren wird ca. ein Viertel der Gesamtenergie eingesetzt. Abbildung 1.1 Energieverteilung von Standmotoren in der Industrie [83] Zusätzlich beinhaltet dieser Leitfaden Optimierungsansätze für die Prozesse der industriellen Konvektionstrocknung sowie der industriellen Absaugung. Dabei werden einerseits der Energiebedarf ermittelt, anderseits Vorschläge unterbreitet, wie der Energiebedarf reduziert werden kann. 1

6 2 Verwendung dieses Leitfadens 2.1 Ablauf des Energieaudits Bezüglich des Ablaufs eines Energieaudits wird auf die ÖNORM EN verwiesen. Die Norm versteht unter einem Energieaudit die systematische Inspektion und Analyse der Energienutzung und des Energieverbrauchs eines Systems oder einer Organisation mit dem Ziel, Energieflüsse und das Potential für Energieverbesserungen zu identifizieren (Quelle: ÖNORM EN ). Nach Norm läuft ein Energieaudit nach folgendem Schema ab (vgl. Abbildung 2Abbildung 1.1): Einleitender Kontakt klima:aktiv Protool- Unterlagen klima:aktiv Berichterstattung Auditleitfaden Analyse Auftaktbesprechung Datenerfassung Außeneinsatz Berichts richtsvorlage Abbildung 2: : Ablauf eines Energieaudits (Quelle: Adaptiert aus ÖNORM EN ) Die konkreten Tätigkeiten und Inhalte der in Abbildung 1 dargestellten Schritte sind in der Norm nachzulesen. Zusammenfassend dargestellt beginnt der prinzipielle Ablauf eines Energieaudits mit einem einleitenden Kontakt, in dem man sich mit dem Unternehmen hinsichtlich der Ziele, Erfordernisse und Erwartungen an das Energieaudit verständigt und einigt. 2

7 Danach sind in einer Auftaktbesprechung alle interessierten Beteiligten über die festgelegten Ziele, den Anwendungsbereich, die Grenzen und die Tiefe des Energieaudits zu informieren. Diese beiden Schritte werden von klima:aktiv durch ein standardisiertes Anschreiben an die Unternehmen und den Einsatz des klima:aktiv Audittools Protool unterstützt. Gemeinsam mit dem Unternehmen (bzw. einer vom Unternehmen damit betrauten Ansprechperson) sind dann anschließend alle relevanten Daten zu erfassen und die zu prüfenden Objekte vor Ort zu inspizieren. In einem nächsten Schritt sind die gesammelten Daten und Informationen zu analysieren, um die Energieeinsparmöglichkeiten identifizieren zu können. Bei diesen Schritten können die von klima:aktiv entwickelten Auditleitfäden als Hilfestellung herangezogen werden. Die Ergebnisse des Energieaudits sind abschließend zu dokumentieren und dem Unternehmen vorzulegen. Hierfür wurde von klima:aktiv eine Berichtsvorlage erstellt, die den Vorgaben und Anforderungen der ÖNORM EN im Wesentlichen entspricht. Für die Durchführung von Energieaudits in Lüftungssystemen finden sich in dem vorliegenden Dokument zusätzliche Anleitungen und Hilfestellungen. Weitere allgemeine Informationen zur Durchführung von Energieaudits finden sich in der ÖNORM EN Spezielle Anforderungen an das Energieaudit in Gebäuden, an Industriestandorten und in Transportsystemen werden in den Normentwürfen ÖNORM EN Teil 2, Teil 3 und Teil 4 beschrieben. Hinsichtlich der Qualifikation des Energieauditors / der Energieauditorin gilt: er oder sie muss entsprechend qualifiziert sein, alle von der Organisation gelieferten Informationen vertraulich behandeln und auf objektive Art und Weise agieren. Konkrete Anforderungen an die Qualifizierung von EnergieauditorInnen werden im fünften Teil der Energieauditnorm Qualifikation von Energieauditoren behandelt, welche sich derzeit [Stand: April 2013] in der Entwurfsphase befindet. 2.2 Allgemeine e Anforderungen an das Energieaudit Aus der bisherigen Erfahrung hat sich gezeigt, dass folgende Punkte während eines Energieaudits besonders wichtig sind: Die durch das Audit erhaltenen Ergebnisse müssen vertraulich behandelt werden. Der Energieauditor bzw. die Energieauditorin muss das Unternehmen objektiv beraten und die erzielten Ergebnisse transparent darstellen. Das betroffene Unternehmen muss eine Person nominieren, die als Ansprechperson dient und mit dem Energieauditor / der Energieauditorin zusammenarbeitet. Die Person hat dafür Sorge zu tragen, dass dem Energieauditor / der Energieauditorin angeforderte Daten zur Verfügung gestellt werden bzw. hat sie diese/n bei der Erhebung der Daten (auch vor Ort) zu unterstützen. Der Energieauditor / die Energieauditorin muss bewerten, ob die bereitgestellten Informationen genügen, um die vereinbarten Zielsetzungen zu erreichen. Ist dies nicht der Fall, stellt dies ein Abbruchkriterium für das Energieaudit dar bzw. ist der Schwerpunkt des Energieaudits auf die Datenerfassung (wenn möglich über einen längeren Zeitraum) zulegen. Bei einer entsprechenden Größe des Unternehmens und der damit verbundenen hohen Anzahl an zu untersuchenden Einheiten ist eine Vorauswahl zu treffen. Um ein strukturiertes Vorgehen zu gewährleisten, sollten zu allererst dort Maßnahmen gesetzt werden, wo die höchsten energetischen Einsparungen erzielt werden können (unter Berücksichtigung der damit verbundenen Kosten). 3

8 Für die Darstellung der Energieeffizienz im Unternehmen sind quantifizierbare Parameter, die einen Einfluss auf den Energieverbrauch des Unternehmens bzw. der mit den einzelnen Technologien versorgten Prozesse haben, zu berücksichtigen. Das können z.b. Durchsatz in der Produktion, weitere Input- und Outputfaktoren, Betriebszeiten der Maschinen, Arbeitszeit, Helligkeit, Innentemperatur, Wetterbedingungen etc. sein (der Begriff dafür in der Norm ist Anpassungsfaktor ). Es obliegt der Verantwortung des Energieauditors / der Energieauditorin, diese in Absprache mit dem Unternehmen festzulegen. Nach Berücksichtigung aller auf den Energieverbrauch Einfluss nehmenden Faktoren ist aus diesen eine Leistungskennzahl zu wählen, mit der die Energieintensität des Unternehmens abgebildet werden kann. In Anlehnung an die Energieeffizienzrichtlinie der EU ist unter dem Begriff Energieeffizienz das Verhältnis von Ertrag an Leistung, Dienstleistungen, Waren oder Energie zu Energieeinsatz zu verstehen. Beispiele für Leistungskennzahlen sind: kwh/durchsatz in Produktion, kwh/m 2, kwh/mitarbeiter, kwh/dienstleistung etc. Prinzipiell sind Messungen von benötigten Betriebsgrößen (z.b. Energieverbrauch, Leistungsbedarf, Volumenstrom, Druck, Betriebszeit etc.) immer Hochrechnungen oder Abschätzungen dieser Größen vorzuziehen. Neben dem Energieverbrauch sind ggf. auch relevante bereits durchgeführte Messungen, Betriebs- und Wartungsdokumente, Nutzerverhalten und relevante Wirtschaftsdaten, wie z.b. der derzeitige Verrechnungstarif, zu erheben. Unterstützende Dokumente: ÖNORM EN :2012 1: (Energieaudits - Teil 1: Allgemeine Anforderungen) ÖNORM EN : (Energieaudits - Teil 2: Gebäude), Normenentwurf ÖNORM EN : (Energieaudits - Teil 3: Prozesse), Normenentwurf ÖNORM EN : (Energieaudits - Teil 4: Transport), Normenentwurf ÖNORM EN :xxxx xx xx (Energieaudits - Teil 5: Qualifikation von Energieauditoren), in Vorbereitung 4

9 3 Grundlagen 3.1 Luft Reine Luft ist ein Gasgemisch, bestehend aus verschiedenen Komponenten. Tabelle 3.1 zeigt die größten Gasanteile in der Luft: Tabelle 3.1 Auszug aus der Zusammensetzung der Luft [1] Name Chemische Formel Anteil in Vol. % Stickstoff N 2 78 Sauerstoff O 2 21 Argon Ar 0,9 Kohlendioxid CO 2 0,03 Sonstige Edelgase 0,07 Durch das Gewicht der Luft entsteht auf der Erdoberfläche im Mittel ein Druck von 1,013 [bar] welcher auch als mittlerer Luftdruck bezeichnet wird. [1] Der in der Luft enthaltene Sauerstoff wird von Lebewesen benötigt, um die Körperfunktionen aufrecht zu erhalten. Reduziert sich der O 2 Gehalt kann das zu gesundheitlichen Problemen führen. Durch die Atmung wird Sauerstoff in den Körper eingebracht und CO 2 ausgeschieden. Befindet sich ein Lebewesen in einem geschlossenen, luftdichten Raum, reduziert sich mit der Zeit der Sauerstoffgehalt und der CO 2 Gehalt steigt an. Um das zu verhindern, ist es wichtig Luft im ausreichenden Maße auszutauschen. Daher wird in vielen Fällen eine Lüftungsanlage installiert. In einigen Produktionsstätten wird die Luft zusätzlich durch Gase, Dämpfe oder Staub verunreinigt und muss deshalb abgeführt und/oder gereinigt werden. Die Austauschrate ist dementsprechend höher. [2] 3.2 Feuchte Luft Im Allgemeinen kommt Luft nicht in reiner, trockener Form vor, sondern als Gemisch von Luft und Wasserdampf. Die Luftfeuchte bezeichnet den Anteil von Wasserdampf im Gasgemisch Luft (siehe Abbildung 3.1). [3] 5

10 A B AB Luftmolekül Wassermolekül Abbildung 3.1 Zusammensetzung von feuchter Luft (in Anlehnung an [3]) In vielen Betrieben und Produktionsstätten spielt die Luftfeuchtigkeit eine besondere Rolle, da sie (z.b. in der Papierindustrie) große Auswirkungen auf das Produktionsverhalten bzw. Produkt hat. In manchen Betrieben ist eine niedrige Luftfeuchte, in anderen wiederum eine hohe Luftfeuchte wichtig. Um die Luftfeuchtigkeit zu verändern, muss entweder be- oder entfeuchtet werden. Diese Prozesse verlangen Energie, die in Form von Wärme (Dampferzeugung zur Befeuchtung), Strom (Druckerhöhung bei Sprühbefeuchtung) oder Kälte (Kondensation des Wasserdampf aus der Luft) zur Verfügung gestellt werden muss. Bei der Befeuchtung spricht man daher von Verdampfungswärme, analog dazu bei der Entfeuchtung von Kondensationswärme. Die Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme ist die Energie, die rein für den Phasenwechsel (flüssig dampfförmig bzw. dampfförmig flüssig) aufgebracht werden muss. 3.3 Behaglichkeit A System mit trockener Luft B System mit Wasserdampf AB System mit feuchter Luft Die Behaglichkeit definiert einen Temperatur- und Luftfeuchtebereich in dem sich der Mensch am wohlsten fühlt. Diese ist definiert nach EN ISO 7730 und in der nachfolgenden Grafik (Abbildung 3.2) ersichtlich. [4] Fühlt sich der Mensch unbehaglich, sinkt die Arbeitsleistung (Konzentration, Motivation ). Eine Lüftungsanlage hat die Aufgabe, die Zuluft in diesem Behaglichkeitsbereich zu konditionieren. 6

11 Abbildung 3.2 Behaglichkeitsbereich [5] 3.4 MAK-Werte Der MAK-Wert (Maximale Arbeitsplatz-Konzentration) ist der Mittelwert in einem bestimmten Beurteilungszeitraum, der die höchstzulässige Konzentration eines Arbeitsstoffes als Gas, Dampf oder Schwebstoff in der Luft am Arbeitsplatz angibt, die nach dem jeweiligen Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse auch bei wiederholter und langfristiger Exposition im allgemeinen die Gesundheit von Arbeitnehmern nicht beeinträchtigt und diese nicht unangemessen belästigt. (ArbeitnehmerInnenschutzgesetz, 1994 [6]) Einige Beispiele sind in Tabelle 3.2 aufgelistet. Name Tabelle 3.2 Auszug einiger MAK-Werte [7] MAK Wert Formelzeichen [mg/m³ mg/m³] Ammoniak NH 3 14 Benzol C 6 H 6 3,2 Blei Pb 0,1 Chlor Cl 2 1,5 DDT C 6 H 4 Cl 2 CH * CCl 3 1 Kohlenstoffdioxid CO Kohlenstoffmonoxid CO 33 Quecksilber Hg 0,05 7

12 3.5 Lüftungsanlagen Eine Lüftungsanlage hat mehrere Aufgaben und Funktionen. Einerseits soll sie verbrauchte bzw. verschmutze Luft durch frische, unverbrauchte Luft ersetzen und andererseits dafür sorgen, dass der Behaglichkeitsbereich eingehalten wird (durch Konditionierung der Luft). Dabei könnten die Anforderungen nicht unterschiedlicher sein. Während man sich in Einfamilienhäusern mit der Fensterlüftung zufrieden stellt, gilt es in einer Computerchipproduktion nicht nur Temperatur und Feuchte innerhalb sehr kleinen Grenzen zu halten, sondern auch die Partikelbeladung der Luft (Luftverschmutzung) auf annähernd null zu reduzieren. [8] Im Allgemeinen wird zwischen folgenden Anlagen unterschieden (Abbildung 3.3): Abbildung 3.3 Einteilung der Lufttechnik [9] Ob eine Anlage eine Lüftungs-, Teilklima-, oder Klimaanlage ist, hängt von den thermodynamischen Funktionen der Anlage ab. Diese sind: Heizen Kühlen Befeuchten Entfeuchten 8

13 Eingeteilt werden die Lüftungsanlagen nach der Anzahl ihrer thermodynamischen Funktionen (siehe Tabelle 3.3) Tabelle 3.3 Einteilung der Lüftungsanlagen Thermodynamische Funktion Name null bis einer Funktion zwei bis drei Funktionen alle vier Funktionen Lüftungsanlage Teilklimaanlage Vollklimaanlage Diese unterschiedlichen Anforderungen an eine Lüftungsanlage machen es schwierig pauschalierte Aussagen über die Effektivität einer Anlage zu treffen. Die in diesem Leitfaden vorgestellten Maßnahmen müssen daher immer im Einklang mit dem Aufgabengebiet der RLT-Anlage abgestimmt werden. [9] 3.6 Bestandteile einer Klimaanlage Eine Klimaanlage besteht aus verschiedenen Anlagenteilen. Diese Anlagenteile müssen nicht zwangsläufig in jedem Gerät installiert sein. Wie die Anlage zusammengesetzt wird, hängt vom Einsatzgebiet ab. In Abbildung 3.4 ist schematisch eine Klimazentrale abgebildet. Anhand dieser Abbildung werden die Bestandteile einer Lüftungsanlage näher erklärt. 1. Filter 2. Ventilator 3. Wärmetauscher, WRG Befeuchter 5. Schalldämpfer Motorklappen Abbildung 3.4 Schema einer Vollklimaanlage [9] 9

14 3.6.1 Abkürzungen AUL/ODA Grün Außenluft FOL/EHA Braun Fortluft ZUL/SUP Blau Zuluft ABL/ETA Gelb Abluft [9] Filter In einer Lüftungsanlage bzw. einer Klimaanlage hat der Filter zwei Funktionen. Zum einen verhindert der Filter, dass verschmutzte Luft zu den Abnehmern gelangt, zum anderen dient er als Schutz der Anlagenteile, da Verschmutzung zu Problemen führen kann (z.b. schlechtere Wärmeübertragung an den Wärmetauschern oder Beschädigung der Ventilatoren. Weiters nimmt die Staubbelastung in den Räumen ab und die Luftqualität steigt. Eine Übersicht über die Partikelgröße verschiedener Verunreinigungen gibt Abbildung 3.5. Wie aus dieser Abbildung zu erkennen ist, werden Filter in drei Filterklassen eingeteilt. Diese sind in Tabelle 2.4 aufgelistet. [10], [11] Abbildung 3.5 Übersicht Partikelgrößen und Filterklassen [12] In Lüftungsanlagen werden vor allem die Feinfilter der Klasse F verwendet. Tabelle 3.4 Einteilung Filterklassen [13] von grob nach fein Name G1 G4 Grobstaubfilter F5 F9 Feinstaubfilter H10 U15 H14 U16 Schwebstofffilter 10

15 3.6.3 Ventilator Im Allgemeinen versteht man unter einem Ventilator eine Strömungsmaschine, die durch Fremdantrieb (z.b. elektrischer Motor) ein gasförmiges Medium (meistens Luft) bis zu einem Druck von [Pa] befördert [14]. In Lüftungsanlagen werden Ventilatoren eingesetzt, um das Medium Luft zu befördern. Ventilatoren werden grundsätzlich in drei Klassen eingeteilt: Axialventilator Radialventilator Querstromventilator Es gibt aber auch Bauarten die keiner Klasse direkt zugeteilt werden können. Eine Übersicht über die verschiedenen Arten bietet die nachfolgende Grafik (Abbildung 3.6): 11

16 Abbildung 3. 6 Bauarten von v on Ventilatoren inkl. typischer Kennzahlen [14] Axialventilator Axialventilatoren saugen und fördern die Luft parallel zur Achsenrichtung. Diese Bauform wird als Wand-, oder Fensterlüfter eingesetzt. Große Ausführungen können sehr effizient große Volumenströme bei niedrigen Druckverlusten fördern. [15] Abbildung 3.7 und Abbildung 3.8 zeigen zwei typische Axialventilatoren. 12

17 Abbildung 3.7 Strömung durch einen Axialventii- lator [16] Abbildung 3.8 Beispiel eines Axialventilators tors [17] Radialventilator Radialventilatoren (siehe Abbildung 3.9 und Abbildung 3.10) saugen die Luft parallel zur Achsenrichtung an, und fördern sie im 90 Winkel zur Achse hinaus. Die Bauarten unterteilen sich durch vorwärts-, rückwärts- und radialgekrümmte Schaufeln. Vorwärtsgekrümmte Schaufeln werden bei Anlagen mit großen Volumenstromschwankungen aber relativ konstantem Druckabfall eingesetzt. Rückwärtsgekrümmte Schaufeln, auch so genannte Hochleistungsventilatoren, werden bei großen Druckschwankungen (z.b. Trockner) eingesetzt. Ventilatoren mit radialgekrümmten Schaufeln werden vor allem in der Schmutz- bzw. Staubförderung eingesetzt. [15] Abbildung 3.9 Strömung durch einen Radi- alventilator tor [18] Abbildung 3.10 Beispiel eines Radialventilators mit aussenliegendem Motor [19] Querstromventilatoren (Tangentialventilatoren) Diese Art von Ventilator (siehe Abbildung 3.11 und Abbildung 3.12) saugt und fördert die Luft radial zur Achse. Anwendung findet diese Art von Ventilator vor allem in dezentralen Klimageräten. Der Vorteil ist, dass dieser Ventilator in die Länge gebaut werden kann. Sein Volumenstrom ist proportional zur Laufradlänge. Nachteil ist der schlechte Wirkungsgrad von ca. 60 %. [15] 13

18 Abbildung 3.11 Strömung durch einen Tan- gentialventilator [20] Abbildung 3.12 Beispiel eines Tangentialventii- lators [20] Wärmetauscher Ein Wärmetauscher (Wärmeübertrager) ist ein Bauteil, welcher thermische Energie von einem Medium auf ein anderes Medium überträgt. Wärmetauscher gibt es in verschiedenen Ausführungen und Formen. Grundsätzlich werden Wärmetauscher nach Art der Wärmeübertragung eingeteilt (Tabelle 3.5). [21] Tabelle 3.5 Arten der Wärmeübertrager [22] Übertragungsart Wärmeübertragung Stoffübertragung ung* Mischwärmeüberträger direkt Rekuperatoren indirekt Regeneratoren halbdirekt () *Stoffübertragung: z.b. Feuchterückgewinnung Als Beispiele können folgende Arten genannt werden (Tabelle 3.6): Tabelle 3.6 Beispiele der Wärmeübertragungsarten [22] Mischwärmeüberträger Dampfbefeuchter; Kühlturm Rekuperatoren Plattenwärmetauscher; Heiz-, Kühlregister Regeneratoren Wärmerad 14

19 Die Übertragungsleistung von Wärmetauschern ist sehr stark von der Betriebsführung abhängig. Allgemein unterscheidet man folgende Strömungsverhältnisse Gleichstromübertragung Gegenstromübertragung Kreuzstromübertragung Abbildung 3.13 Arten der Strömungsverhältnisse von Wärmeübertrager [22] Befeuchter Der Luftbefeuchter hat die Aufgabe, trockene Luft zu befeuchten, um ein behagliches Klima herzustellen. Es gibt unterschiedliche Bauarten und Systeme, die eine Befeuchtung vornehmen. Die zwei meist verwendeten Anlagen sind Sprühbefeuchter und Dampfbefeuchter. [23] Abbildung 3.14 und Abbildung 3.15 zeigen einen Sprühbefeuchter. Durch eine Pumpe wird Wasser bei hohem Druck in den Düsen zerstäubt und von der vorbeiströmenden Luft aufgenommen. Ein Tropfenabscheider verhindert, dass Wasser in den weiteren Luftkanal gelangt. Abbildung 3.14 Schema eines Sprühbefeuchters [24] Abbildung 3.15 Beispiel eines Sprühbe- feuchters [24] 15

20 Abbildung 3.16 und Abbildung 3.17 zeigen einen direkt Dampfbefeuchter. Dabei wird der Dampf in der Lüftungsanlage erzeugt und in den Luftkanal eingeleitet. Abbildung 3.16 Schema eines Dampfbefeuchters [24] Abbildung 3.17 Beispiel eines Dampfbe- feuchters [24] Schalldämpfer Die Förderung (Ventilator) und Behandlung von Luft (Konditionierung) verursachen Geräusche (Schallleistung), die vom Luftkanal bis zu den Abnehmern übertragen werden können. Ein Schalldämpfer soll die akustische Belastung auf ein Minimum reduzieren. [25] Klappe Klappen werden installiert, um ungewollte Luftströmungen zu verhindern. Eingesetzt werden sie in Lüftungskanäle, um bestimmte Bereiche abzuschotten, oder vor bzw. nach Lüftungsanlagen, um einen natürlichen Luftstrom zu verhindern. Außerdem finden sie als Brandschutzklappen Einsatz, die bei einem Brand automatisch schließen und so die Luftzufuhr verhindern. [26] Mischkammer In einer Mischkammer ist es möglich einen Teil der Abluft als Umluft zurück zu führen. Dadurch reduziert sich die Aufheizleistung, da warme, respektive kalte Umluft (Abluft) einen Teil der Außenluft vorwärmt bzw. vorkühlt. 16

21 3.7 Motoren Im Elektromotor erfolgt die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie, die an der Welle des Elektromotors abgegeben wird. [27] Vereinfacht beschrieben besteht ein Elektromotor aus drei Teilen (siehe Abbildung 3.18): Stator (rot): Rotor (blau): Gehäuse (grau): feststehender elektromechanischer Teil rotierender elektromechanischer Teil inkl. Lager, Achsen und Kühlflächen Abbildung 3.18 Elektromotor [28] Es gibt verschiedene Arten von Elektromotoren, die grundsätzlich in folgende Gruppen unterteilt werden: Gleichstrommotor Wechselstrommotor Drehstrommotor Synchronmotor (kompakt, gut regelbar, sehr effizient) Asynchronmotor (preiswert, robust, weit verbreitet) [27] Motorenergieklassen: Seit 2007 gilt weltweit die Internationale Norm der IEC (International Electrotechnical Commission), welche Motoren in vier Klassen einteilt. Diese Klassen umfassen 2-, 4- und 6-polige Motoren von 1,1 kw bis 370 kw. In der nachfolgenden Tabelle 3.7 sind die Energieklassen und der zugehörige Code übersichtlich dargestellt. Ab den dürfen in der Europäischen Union nur mehr Motoren mit der Effizienzklasse IE2 vertrieben werden. Ab folgt dann IE3 als Mindesteffizienzklasse. [29] [30] [31] 17

22 Tabelle 3.7 Übersicht über die Motorenergieklassen [31 31] IEC Energieklassen EFF-Code IEC Code (alte Vereinbarung) Super Premium IE4 - Premium Efficiency IE3 - High Efficiency IE2 EFF1 Standard Efficiency IE1 EFF2 Below Standard Efficiency - EFF Typenschild Das Typenschild ist auf jedem Motor zu finden und beinhaltet alle wichtigen Informationen über die Maschine. Die nachfolgende Grafik (Abbildung 3.19) und die Tabelle 3.8 sollen helfen, das Typenschild schneller zu verstehen: Abbildung 3.19 Typenschild einer Asynchronmaschine [32] Kürzel Tabelle 3.8 Erklärung zu Typenschild (zu ( Abbildung ) [27] Wert Bezeichnung No. AW Seriennummer des Herstellers P 5000 kw Motorleistung n 14801/min Drehzahl U V Nennspannung 1988 Baujahr Duty S1 Betriebsart (S1=Dauerbetrieb) I A Nennstrom cos ϕ 0,89 Leistungsfaktor f 50 Hz Nennfrequenz m kg Gewicht 18

23 IC W37 A81 Bauklasse (IC = International Cooling) IM B3 Bauform des Motors (IM = International Mounting) IP 54 Schutzklasse (IP = International Protection) Cl. F Wärmeklasse 3.8 Heiz- und Kühllastermittlung Die Ermittlung der Heiz- und Kühllast eines Gebäudes stellt sehr hohe Ansprüche an das Wissen über die eingesetzten Materialen, die installierten Maschinen, die Umgebungsbedingungen und die arbeitenden Personen. Um eine fundierte Aussage über die Heizund Kühllast treffen zu können, sollte die Berechnung nach ÖNORM EN Heizungsanlagen in Gebäuden (inkl. nationalem Anhang: ÖNORM H 7500), sowie ÖNORM H 6040 lufttechnische Anlagen Kühllastberechnung erfolgen. Grundsätzlich besteht die Heizlast aus zwei Komponenten: Transmissionsheizlast Φ T [W] Lüftungsheizlast Φ L [W] Die Summe dieser Komponenten ergibt die Gesamtheizlast eines Gebäudes in [W]: ΦT + Φ ΦHL = L (2.1) Während die Transmissionsheizlast (Φ T ) abhängig ist von: den Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte) den Flächen des Gebäudes (A) und den Temperaturdifferenzen zwischen Innen und Außen ( K), ist die Lüftungsheizlast (Φ L ) vor allem abhängig von: der Fugenlüftung (Infiltration) des Mindestaußenluftstromes. [33] Weiters wird bei einem unterbrochenen Heizbetrieb (Nachtabsenkung, Wochenendabschaltung, ) ein Faktor zum Aufheizen bzw. Wiederaufheizen hinzugerechnet (Φ RH [W]). Dieser wird über die Fläche und den Aufheizfaktor ermittelt: Φ RH = A f RH (2.2) A [m²] beheizte Fläche Für den Aufheizfaktor ( RH f ) können die Werte aus der nachfolgenden Abbildung 3.20 herangezogen werden: 19

24 Abbildung 3.20 Wiederaufheizfaktor [84] Die Attribute leicht, mittelschwer und schwer beziehen sich auf die Gebäudemasse. Grundsätzlich sollte immer eine genaue Heizlast- und Kühllastberechnung erfolgen, da nur eine genaue Berechnung die Gebäudesituation widerspiegelt. Für eine erste Abschätzung der Heizlast gibt es dennoch unterschiedliche Möglichkeiten. Einige von ihnen werden hier vorgestellt (die Genauigkeit nimmt von Möglichkeit eins zu Möglichkeit vier ab): Möglichkeit 1 Für diese Möglichkeit werden der mittlere Wärmedurchgangskoeffizient, die Luftwechselzahl und die Außentemperatur benötigt. Der mittlere Wärmedurchgangskoeffizient kann folgendermaßen berechnet werden: ( U AW AAW ) + ( UF AF ) + 0,8 ( UD AD ) + 0,5 ( AAW + AF + AD + AG ) ( UG AG ) U = (2.3) m Variable: Indizes: U [W/m²K] Wärmedurchgangswert m Mittelwert A [m²] Fläche AW Außenwand F Fenster D Dach G Grund Als Richtwert bei isolierten Hallen kann mit einem mittleren U-Wert von ca. 0,35 bis 0,5 [W/m²K] gerechnet werden. [34], [35] 20

25 Nach der Berechnung dieses Koeffizienten kann mit den nachfolgenden Gleichungen die Heizlast ermittelt werden: Φ = U A ( θ θ AUL ) (2.4) T m RAL Φ = n V c ρ ( θ θ )]/ 3600 (2.5) L [ AUL, min R p, L L RAL AUL θ RAL [ C] Raumtemperatur θ AUL [ C] Außenlufttemperatur n AUL, min [1/h] minimale Außenluftwechselzahl (siehe Anhang) V R [m³] Raumvolumen c, [J/kgK] Spezifische Wärmekapazität Luft p L ρ L [kg/m³] Luftdichte [33] Typische Luftwechselzahlen können im Anhang nachgelesen werden (siehe Tabelle 7.1 und Tabelle 7.2) Möglichkeit 2 Mit der zweiten Möglichkeit wird die Heizlast über einen Bauzeit typischen spezifischen Leistungsbedarf und der Fläche ermittelt. Für Großbauten wie Mehrfamilienhäuser, Büro- und Verwaltungsgebäude sowie Schulen und Krankenhäuser können die Werte aus der Tabelle 3.9 herangezogen werden. Tabelle 3.9 spezifischer Leistungsbedarf [W/m²]; Tabelle AEA nach [36] Baujahr Großbauten bis ab 1995 < 500 m² > 500 m² Die Berechnung erfolgt anschließend über die Formel: ΦHL = A ϕ (2.6) A [m²] beheizte Fläche ϕ [W/m²] spezifischer Leistungsbedarf (Werte aus der Tabelle 3.9) Möglichkeit 3 Möglichkeit 3 setzt voraus, dass für das untersuchte Gebäude Verbrauchsdaten vorhanden sind. Das heißt, der Energieverbrauch für die Heizung ist von zumindest den letzten 5 Jahren bekannt. Daraus wird ein Jahresmittelwert gebildet, welcher die Grundlage für die Berechnung liefert. 21

26 Dieses Verfahren berechnet die Heizlast mit dem Verbrauch, dem Jahresnutzungsgrad der Heizung sowie den Volllaststunden des Wärmeerzeugers. Q * η Φ HL = (2.7) t Voll Q [kwh] Jährlicher Wärmebedarf des Gebäudes η [-] Jahresnutzungsgrad der Heizung t voll [h] Jährliche Volllaststunden des Wärmeerzeugers Dieses Verfahren wird in der Regel für Kesselleistungen kleiner 100 kw und bei konstanter Vorlauftemperatur (kein Niedertemperatur-, Brennwert-, oder modulierender Kessel) eingesetzt. Mit abnehmender Genauigkeit kann dieses Verfahren auch für größere Leistungen angewendet werden. [37] Möglichkeit 4 Möglichkeit 4 ist die Ermittlung der Heizlast über ein Formblatt der Firma DIMPLEX. Diese überschlägige Berechnung berücksichtigt folgende Einflussfaktoren: Gebäudeart und Baujahr Allgemeine Lage sowie Windlage Lage der Etagen Anzahl der Außenwände Fenster und verglaste Flächen Innen- und Außentemperatur Wärmedämmung Das Berechnungstool ist unter folgender Internetadresse zu finden: [38] 3.9 Kühllast Die Kühllast, als das Gegenteil der Heizlast, setzt sich ebenfalls aus zwei Komponenten zusammen: Äußere Kühllast Innere Kühllast [39] Äußere Kühllast Die von außen auftretende Wärmebelastung wird durch die Außenlufttemperatur sowie die Sonneneinstrahlung bestimmt. Kurzwellige Strahlen durchdringen transparente Gebäudeteile (Fenster) und werden in langwellige Strahlen umgewandelt. Die langwelligen Strahlen können das Gebäude nicht mehr verlassen bzw. werden durch die Gebäudeteile in das Innere geleitet, wo sie zur Temperaturerhöhung beitragen. 22

27 Die Fenster- bzw. Fugenlüftung trägt ebenfalls zur Temperaturerhöhungnlüftung bei. Durch diese strömt warme Außenluft in das Gebäudeinnere und die Temperatur steigt. Bei der äußeren Kühllast haben vor allem Fenster bzw. transparente Bauteile und die Beschaffenheit des Daches den größten Einfluss. Dabei ist auf jeden Fall zu beachten, dass bei Fenstern die Art der Verschattung ebenfalls eine große Rolle spielt. Es gilt allgemein folgender Ansatz: Keine Verschattung: 100 % Energiedurchlass Innenjalousie 70 % Energiedurchlass Markise 30 % Energiedurchlass Außenjalousie 15 % Energiedurchlass [40] Das bedeutet, allein durch den Einbau und Nutzung von Außenjalousien kann der Anteil der Fenster auf die Kühllast um bis zu 85 % reduziert werden. In manchen Fällen reicht es, nur die Fenster mit Süd oder West Ausrichtung zu verschatten. Dies reduziert die Investitionskosten und verkürzt somit die Amortisationzeit, einer solchen Maßnahme Innere Kühllast Die internen Wärmelasten entstehen vor allem durch: Beleuchtung Personen Maschinen und sonstige Wärmequellen (PC, Drucker ) Bei inneren Wärmequellen kann keine pauschalierte Aussage über den Hauptanteil der Wärmelasten getroffen werden, da dies immer von der Nutzung des Gebäudes abhängt. Während bei Schulen oder Büros mit aller Wahrscheinlichkeit Personen bzw. sonstige Wärmequellen (PCs, Serverräume ) den Hauptteil ausmachen, so werden in einer Produktionshalle die Beleuchtung sowie die Maschinen und die Prozesswärme den größten Anteil beitragen. Nachstehende Tabelle 3.10 gibt einen kurzen Überblick über die üblichen installierten Beleuchtungsstärken in der Einheit [LUX]. Eine detailliertere Tabelle findet sich im Anhang (siehe Tabelle 7.3). Tabelle 3.10 Beleuchtungsstärken in unterschiedlichen Anwendungsfällen [41] Nutzungsart Beleuchtungsstärke in [LUX LUX] Üblicher Bereich von bis Büros Druckereien Holzbe- und verarbeitung Metallbe- und verarbeitung Papier Standard dard- wert 23

28 Die folgende Auflistung (Tabelle 3.11) zeigt die Umrechnung von der Beleuchtungsstärke [LUX] in eine spezifische elektrische Leistung [W/m²]. Aufgrund dieser Umrechnung können die inneren Lasten für die Beleuchtung rasch ermittelt werden. Tabelle 3.11 Spezifische elektrische Leistung abhängig von der Beleuchtungsstärke [41] Beleuchtungs- stärke in [LUX LUX] spezifische elektrische Leistung [W/m²] von bis 50 2,5 3, ,5 4, , ,5 8, , Standardwert Nach Ermittlung der Beleuchtungsleistung werden die abgegebenen Leistungen der Personen festgestellt. Diese setzen sich aus einer latenten und einer sensiblen Wärme zusammen. Die sensible Wärmeabgabe ist jener Wert, der aktiv zur Temperaturerhöhung beiträgt, während die latente Wärmemenge jene Wärme ist, die durch das Ausscheiden von Wasserdampf (Atmung, Schweiß) nur zur Erhöhung der Luftfeuchte nicht aber zur Temperaturerhöhung beiträgt. Abbildung 3.21 zeigt eine Übersicht der Wärmeabgabe von Menschen bei unterschiedlichen Aktivitäten. Für die Kühllastermittlung muss die gesamte Wärmeabgabe des Menschen in [W/Person] herangezogen werden. [42] 24

29 Abbildung 3.21 Wärmeproduktion des Menschen bei [85] Die Berechnung der Kühllast kann nach verschiedenen Verfahren erfolgen. Dabei gibt es manuell errechnete, als auch softwareunterstützte Methoden. Am genauesten wird die Kühllast über eine Gebäudesimulation ermittelt. Dies ist aber sehr Kosten- und Zeitintensiv. Eine manuelle und sehr einfache Methode ist die Ermittlung der Kühllast über die einzelnen Komponenten (äußere + innere Kühllast) und überschlägige hinterlegte Mittelwerte. Dazu kann wiederum ein Verfahren der Firma DIMPLEX verwendet werden. Als schnelle aber sehr ungenaue Möglichkeit kann mit einer Kühllast von ca. 40 [W/m²] für Industriehallen gerechnet werden. Dies soll aber nur zu einer überschlägigen Abschätzung dienen. [43] 3.10 Soll Volumenstromermittlung Der Luftvolumenstrom ist ein entscheidender Faktor in Bezug auf den Energiebedarf einer Lüftungsanlage. Je höher der Volumenstrom, desto höher ist der Energieverbrauch. Es gilt also der Grundsatz: Der Luftvolumenstrom soll so klein wie nötig sein! Deshalb wird als erster Schritt bei der Untersuchung einer lufttechnischen Anlage der tatsächlich notwendige Volumenstrom rechnerisch ermittelt. Der Zuluftvolumenstrom ist laut ÖNORM EN nach folgenden Kriterien auszulegen: Personenbelegung mit oder ohne Rauchen Weitere bekannte, abzuführende Emissionen Heiz- oder Kühllast, die durch die Lüftung zu übernehmen ist [42] 25

30 Diese Kriterien sind nach ihrer Priorität gereiht. Das bedeutet, dass der Mindest- Volumenstrom (=hygienischer Volumenstrom) aus der Personenbelegung errechnet wird. Sind z.b. weitere Emissionen bekannt wird sich der Volumenstrom erhöhen, nicht aber reduzieren. Bevor mit der Ermittlung des Volumenstroms begonnen werden kann, muss die gewünschte Raumluftqualität festgelegt werden. Diese wird lt. ÖNORM EN nach der Konzentration von CO 2 in den Aufenthaltsräumen eingeteilt (Tabelle 3.12): Tabelle 3.12 Einteilung der Raumluftqualitäten [73] Personenbelegung mit oder ohne Rauchen Wird der notwendige Zuluftvolumenstrom nicht direkt über die CO 2 -Konzentration ermittelt, so kann die indirekte Ermittlung über den Außenluftvolumenstrom pro Person herangezogen (siehe Tabelle 3.13) werden. Tabelle 3.13 Außenluftvolumenstrom pro Person [86] Nach Wahl der Raumluftqualität wird der erforderliche (hygienische) Außenluftvolumenstrom je Person mit der Personenanzahl multipliziert. Als Ergebnis bekommt man den hygienischen Mindestaußenluftvolumenstrom [V & ZUL,min ]. & V & V AnzahlPersonen (2.8) ZUL,min = AUL / Person Weiter eitere bekannte abzuführende Emissionen In vielen Bereichen eines Betriebes entstehen Emissionen, die ab einer gewissen Konzentration als gesundheitsgefährdend einzustufen sind. Die MAK-Werte (siehe Kapitel 3.4) definieren diese maximal zulässigen Grenzwerte. Um diese Grenzwerte zu unterschreiten berechnet sich der erforderliche Zuluftvolumenstrom über die Gleichung 2.9: 26

31 & m& E VZUL = (2.9) ( c c ZUL ) RAL V & [m³/h] Zuluftvolumenstrom ZUL m& E [mg/h] Massenstrom der Emission im Raum c RAL [mg/m³] Zulässige Konzentration im Raum (MAK-Wert) c ZUL [mg/m³] Konzentration des Stoffes in der Zuluft Das Ergebnis dieser Gleichung gibt an, wie viel Luft in den Raum eingebracht bzw. abgesaugt werden muss, um die erforderlichen MAK Werte einzuhalten. Ist dieser Volumenstrom größer als der hygienische Mindestaußenluftvolumenstrom, so ist dieser als Gesamtvolumenstrom heranzuziehen. Ist dieser Volumenstrom kleiner als der hygienische Volumenstrom so ist auf jeden Fall der hygienische Volumenstrom einzustellen. [42] Heiz- und Kühllast In einigen Fällen wird die erforderliche Heiz- bzw. Kühllast ganz oder teilweise von der Lüftungsanlage übernommen. Dabei wird der Zuluftvolumenstrom über folgende Gleichung (2.10a) bestimmt: & Φth VZUL = * 3600 (2.10a) ρ c * ( θ θ ) L * p, L RAL ZUL V & [m³/h] Zuluftvolumenstrom ZUL Φth [W] Thermische Last (Heizlast oder Kühllast) ρ L [kg/m³] Luftdichte (ist von Temperatur und Druck abhängig (vereinfacht wird der Wert 1,2 kg/m³ herangezogen) c p,l [J/kgK] Spezifische Wärmekapazität der Luft (ist von Temperatur und Druck abhängig vereinfacht wird der Wert 1 J/kgK herangezogen) θ RAL [ C] Temperatur der zulässigen Raumluft θ ZUL [ C] Temperatur der Zuluft Ist aufgrund der obigen Gleichung (Gleichung 2.10a) der Zuluftvolumenstrom viel größer als der aus Punkt 1 bzw. 2, so kann ein alternatives Heiz- bzw. Kühlsystem zweckmäßiger sein. Umgekehrt kann durch Umformen der Gleichung 2.10a das Potential zur Reduktion der Heiz- bzw. Kühllast des gewählten Volumenstroms ermittelt werden. & V ZUL, gew 3600 ρ c ( θ θ ) = Φ L p, L RAL ZUL ZUL V & ZUL,gew [m³/h] Gewählter Zuluftvolumenstrom Φ [W] Heiz-Kühllastreduktion durch Zuluft [42] ZUL (2.10b) 27

32 Überschlägige Ermittlung Eine ungefähre Angabe zum Volumenstrom kann über die Luftwechselzahlen und dem Raumvolumen erfolgen. Diese Art der Ermittlung sollte aber nur zu einer ersten Abschätzung bzw. zur Kontrolle der errechneten Werte dienen (Gleichung 2.11). & V = n V (2.11) ZUL, Üb LWZ R V & ZUL, Üb [m³/h] Überschlägig ermittelter Zuluftvolumenstrom n LWZ [1/h] Luftwechselzahl V [m³] Raumvolumen R Im Anhang (Tabelle 7.1 und Tabelle 7.2) sind Erfahrungswerte für die LWZ aus der Praxis aufgelistet. 28

33 4 Topmaßnahmen 4.1 Betriebszeiten Optimierung Bei der Optimierung der Lüftungsanlage sollte die erste Frage sein, welche Bereiche zu welchen Zeiten versorgt werden sollen. Viele Anlagen laufen rund um die Uhr, 7 Tage die Woche, 365 Tage im Jahr, während die Produktionszeiten des Betriebs vielleicht anders aussehen. Die dadurch erreichten Energieeinsparungen zählen somit zu den einfachsten und effektivsten Maßnahmen. Die Verminderung der Laufzeit spart nicht nur Strom für den Ventilator, sondern auch Energie für die Luftkonditionierung (heizen, kühlen, be- und entfeuchten). Weitere Vorteile, die sich durch die Reduktion der Laufzeit ergeben sind: Reduzierte Wartungsintervalle: Da viele Anlagen nach bestimmten Betriebsstunden gewartet werden müssen (z.b. wiederkehrende Prüfung usw.) kann das Wartungsintervall verlängert werden. Reduzierter Filtertausch: Filter werden in der Regel nach einer bestimmten Druckdifferenz bzw. nach einer bestimmten Laufzeit gewechselt. Durch die Reduktion der Laufzeit reduziert sich einerseits die Verschmutzung und andererseits die Einsatzzeit des Filters. Sekundärenergieeinsparung: Für das Erwärmen von Zuluft wird nicht nur Heizenergie benötigt, sondern auch Transportenergie, die die Energie von der Heizquelle (meistens Kessel) zur Wärmesenke (Lüftungsanlage) transportieren. Da in diesem Fall meist Wasser als Heizmedium eingesetzt wird, entfällt durch die Reduktion der Laufzeit nicht nur Heizenergie, sondern auch die Energie, die für die Umwälzung des Mediums benötigt wird (Pumpenergie). Die Betriebszeitenreduktion verlangt keine aufwändige Planung und kann sehr schnell und einfach umgesetzt werden. Um das Potential dieser Maßnahme zu ermitteln, müssen folgende Angaben erhoben werden: Spezifische Kosten für Strom, Wärme, Kälte und Wartung Betriebszeiten der Anlage Arbeitszeiten des Betriebs Nennvolumenstrom Investitionskosten (z.b. Zeitschaltuhr) Durch eine einfache Kalkulation kann anschließend die Einsparung ermittelt werden. Im Allgemeinen kann folgendermaßen vorgegangen werden: 29

34 4.1.1 Ermittlung der Bezugsbasis In einem ersten Schritt werden die benötigten Energien und Kosten auf den jährlichen geförderten Volumenstrom bezogen. Diese spezifischen Kosten ermöglichen einen besseren Vergleich, wenn mehrere Varianten berechnet werden. Dazu wird zuerst der jährliche Volumenstrom ermittelt. Handelt es sich um eine ungeregelte Anlage (=starrer Volumenstrom), wird der auf dem Typenschild des Ventilators oder des raumlufttechnischen Gerätes angegebene Volumenstrom mit der Laufzeit des Ventilators (=Betriebsstunden) multipliziert: & V = & V t (3.1) a V V & a [m³/a] Jährlicher Volumenstrom V & V [m³/h] Nennvolumenstrom des Ventilators t [h/a] Betriebszeit des Ventilators Als nächster Schritt werden die jährlichen Strom-, Wärme- und Kühlkosten sowie die Wartungskosten der Lüftungsanlage durch den gesamten Volumenstrom dividiert: K S, W, K, WK & V a = k( V ) S, W, K, WK K S,W,K,WK [ /a] Jährliche Kosten für Strom, Wärme, Kühlung, Wartung K(V) S,W,K,WK [ /m³] Spezifische Kosten für Strom, Wärme, Kühlung, Wartung Nun ist die Grundlage geschaffen, um die Einsparungen den aktuellen Kosten übersichtlich gegenüber zu stellen. Dazu kann einzeln oder in verschiedenen Varianten ein neuer Gesamtvolumenstrom ermittelt werden, indem man die Betriebszeiten reduziert (Nacht- Wochenendabsenkung bzw. -abschaltung, ) und den neuen Volumenstrom mit den spezifischen Kosten multipliziert. Für die Kosteneinsparung kann folgende Gleichung angesetzt werden: (3.2) = & ( ) ( ) (3.3) K VV talt tneu k V S, W, K, WK K [ /a] Kosteneinsparung pro Jahr Die nachfolgende Tabelle (Tabelle 4.1) zeigt eine Jahresstundentafel bei verschiedenen Arbeitszeiten: 30

35 Tabelle 4.1 Jahresstundentafel für verschiedene Arbeitszeiten Arbeitszeit Arbeitsstunden Tage Jahresstunden [h/d] [d/a] [h/a] Ganzjährig Ganzjährig Ganzjährig Tage Tage Tage Tage Tage Tage (Hinweis: In dieser Tabelle wurden etwaige Feiertage oder Ferien nicht berücksichtigt) Vergleicht man den Extremfall eines ganzjährigen Betriebes mit einer 5-Tagewoche zu jeweils 8 Stunden, so erreicht man eine Reduzierung der Jahresarbeitsstunden von über 75 %. 31

36 4.2 Volumenstromanpassung Allgemein Unter Volumenstrom einer Lüftungsanlage versteht man das Volumen der transportierten Luft pro Zeiteinheit. Bei vielen Lüftungsanlagen ist der eingestellte Volumenstrom größer als notwendig. Der Grund: in der Planungsphase wird ein Sicherheitszuschlag in der Größenordnung von 5-15 % beaufschlagt, um die erforderlichen Werte (Normen, MAK-Werte, Feuchtelast, Luftwechselrate) unter Garantie einzuhalten. [43] Dabei gilt aber, je mehr Volumenstrom gefördert wird, desto höher ist die eingesetzte Energie. Der Energiebedarf setzt sich grundsätzlich aus folgenden Teilen zusammen: Transportenergie: Energie, die zum Transport der Luft benötigt wird. Die elektrische Energie wird von einem Motor in Bewegungsenergie umgewandelt, die die Frischluft zu den einzelnen Abnehmern befördert. Heiz- und Kühlenergie: Energie, die zur Luftkonditionierung (heizen, kühlen) eingesetzt wird. Die Außenluft hat in den seltensten Fällen die Temperatur, die die Zuluft benötigt. Daher muss die Luft erwärmt bzw. gekühlt werden bevor sie zu den Abnehmern transportiert wird. Luftbefeuchtung: Die Luft wird über Verdunstungsbefeuchtung bzw. Kalt- oder Heißdampfbefeuchtung auf die geforderte Luftfeuchte gebracht. Durch die Reduktion des Volumenstroms kommt es auch bei der Luftbefeuchtung zur Energieeinsparung. Luftentfeuchtung: In manchen Fällen muss die Luft vorher entfeuchtet werden, dies geschieht meist über ein Kühlregister, wo das in der Luft enthaltene Wasser kondensiert. Die dabei freiwerdende Kondensationsenergie muss über das Kühlregister abgeführt werden. Wartungskosten: Durch die Reduktion des Volumenstroms werden Filter nicht so schnell verschmutzt und können länger eingesetzt werden. Auch die Wartungskosten für Ventilatoren verringern sich. In Abbildung 4.1 ist das typische Lastprofil eines Ventilators im Industriebetrieb ersichtlich. Man erkennt, dass der Hauptbedarf zwischen 35 % und 55 % des Volumenstroms ausmacht. Der Auslegungsvolumenstrom (100%) hingegen wird weniger als 1 % der Betriebszeit benötigt. 32

37 Betriebszeit [%] Volumenstrom [%] Abbildung 4.1 Standard Lastprofil eines Ventilators tors im Industriebetrieb [46] Die Analyse des Volumenstroms ist somit eine wichtige Maßnahme für die Reduktion der Energiekosten einer Lüftungsanlage. Durch eine Bedarfsanalyse kann sehr oft der Volumenstrom und somit der Energieverbrauch reduziert werden. Bei großen Luftmenengenänderungen muss auch der Betriebspunkt des Ventilators untersucht, und gegebenenfalls das System getauscht werden. In Kapitel 3.10 ist der Weg der Volumenstromermittlung beschrieben und erläutert. Diese Analyse ist die Grundvoraussetzung für die nachfolgenden Maßnahmen Starre Volumenstromreduktion Die starre Volumenstromreduktion stellt den einfachsten und kostengünstigsten Weg dar, um den Energiebedarf zu senken. Jedoch ist diese Maßnahme nicht immer die sinnvollste, da wie schon bei der ersten Auslegung nicht auf die variablen Bedürfnisse der Abnehmer eingegangen wird. Ausgehend von einem Vergleich des berechneten Volumenstroms (Kapitel 3.10) und des tatsächlichen Volumenstroms (Volumenstrommessung oder Typenschild Volumenstrom) kann die Differenz ermittelt werden. Bei einer starren Volumenstromreduktion wird versucht, diese Differenz anhand von verschiedenen Möglichkeiten einzusparen Riemenscheibentausch / Motortausch Eine einfache Möglichkeit ist, das Übersetzungsverhältnis des Ventilatorenantriebs zu verändern. Durch vergrößern der Riemenscheiben, reduziert sich die Drehzahl des Ventilators und es entsteht weniger Volumenstrom. Die Leistungsreduktion kann nach der Gleichung 3.4a berechnet werden. [15] 33

38 n1 d2 = n2 d1 n [1/s] Drehzahl (1=alt; 2=neu) d [m] Durchmesser (1=alt; 2=neu) (3.4a) Man kann auch, den bestehenden Motor gegen einen schwächeren Motor tauschen. Dabei muss vor allem auf die Kompatibilität geachtet werden. Das bedeutet, es muss ermittelt werden, ob ein neuer, leistungsschwächerer Motor für diesen Ventilator überhaupt einsetzbar ist (Stichwort: Anlaufverhalten). Handelt es sich um einen klassischen Riemenantrieb, ist es normalerweise möglich, den Motor zu tauschen. Handelt es sich um einen effektiveren Direktantrieb, so muss diese Vergehensweise mit dem Hersteller besprochen werden. Ein weiterer Vorteil des Motortausches ist, dass der neue Motor meistens einen höheren Wirkungsgrad hat als der alte. Um die Leistung des neuen Motors zu bestimmen, bedient man sich einer leichten Vergleichsformel (=Proportionalitätsgesetz Gleichung 3.4b) [15] n2 n1 3 & V 2 = & V1 3 P2 = P1 n [1/s] Drehzahl (1=alt; 2=neu) V & [m³/h] Volumenstrom (1=alt; 2=neu) P [kw] Motorleistung (1=alt; 2=neu) (3.4b) Durch Umformen der obigen Gleichung nach P 2 erhält man die neue Leistung des Motors. Der Volumenstrom alt ist der Volumenstrom laut Ventilatortypenschild, die Motorleistung alt ist die Leistung laut Motortypenschild und der Volumenstrom neu ist der reduzierte Volumenstrom. Aus dieser Gleichung erkennt man außerdem, dass eine Volumenstromreduktion die elektrische Leistung proportional zur dritten Potenz verringert. [14] Drossel-, Drall- und Bypassregelung Bei diesen Arten der Regelung handelt es sich um Volumenstrom beeinflussende Maßnahmen, die von der Lüftungsanlage und nicht vom Antrieb gesteuert werden. Dabei wird der Volumenstrom vom Ventilator konstant (Bypassregelung) bzw. die Drehzahl konstant (Drossel-, Drallregelung) gehalten. In Tabelle 4.2 und Abbildung 4.2 ist das Verhältnis von Volumenstrom [%] zur erforderlichen Leistung [%] abgebildet. Die Abbildung zeigt im Vergleich dazu jene Werte, die sich aufgrund einer Drehzahlregelung einstellen. Mit dieser Werte ist es möglich abzuschätzen, wie viel elektrische Energie bei einer Volumenstromreduktion eingespart wird. [15] Bei der Bypassschaltung kommt es zu keiner Einsparung elektrischer Energie. 34

39 Tabelle 4.2 Übersicht über Leistungsbedarf verschiedener Volumenstromregelungen [%] (nach: [14]) Drehzahlregelung inkl. Verluste Drallregelung (vorwärts gekrümmt) V/V 0 [%] P/P [%] 0 Drosselregelung Drosselregelung Drallregelung (vorwärtsgekrümmt) Drehzahlregelung inkl. Verluste P/P0 [%] Abbildung 4.2 Übersicht Leistungsbedarf verschiedener Volumenstromregelungen [%] (nach: : [14]) Drosselregelung V/V 0 [%] Die Drosselschaltung reduziert den Volumenstrom durch eine Erhöhung des Druckverlustes. Durch Klappen (siehe Abbildung 4.3) kommt es im Lüftungsgerät zu einer Querschnittsverengung und der Druckverlust wird erhöht. Dadurch wird der Volumenstrom reduziert. Bei einer Halbierung des Volumenstroms kommt es daher zu einer ca. 28 %igen Reduktion der Leistung. [15] 35

40 Drallregelung Abbildung 4.3 Drosselklappe in Rohrleitung [47] Ein Leitrad mit verstellbaren Schaufeln am Ventilatoreingang versetzt die Luft mit einem Drall (Abbildung 4.4). Dreht sich die Luft im Drehsinn des Laufrades, so kommt es zu einer Volumenstromreduktion, bei einem gegenläufigen Drehsinn kann der Volumenstrom sogar erhöht werden. In den meisten Fällen dient die Drallregelung aber zur Volumenstromreduzierung. Die Leistungsreduktion ist abhängig von der Krümmung des Laufrades. Bei einer Halbierung des Volumenstroms reduziert sich die Leistungsaufnahme bei rückwärts gekrümmten Laufrädern um ca. 15 %, hingegen bei vorwärts gekrümmten Laufrädern um ca. 49 %. [15] Bypassregelung Abbildung 4.4 Drallregelung [48] Die Bypassschaltung führt einen Teil der Zuluft als Umluft (siehe Abbildung 4.5). Dadurch wird der Zuluftvolumenstrom und somit Kosten für die Luftbehandlung reduziert. Die erreichbaren Einsparungen für die Konditionierung sind direkt proportional zur Volumenstromreduktion. Eine Leistungsreduktion des Motors bzw. des Ventilators kann nicht erreicht werden. [15] Abbildung 4.5 Eingebauter Bypass in Luftleitung [47] 36

41 4.2.3 Variable Volumenstromregelung Da viele Lüftungsanlagen mit einem starren Volumenstrom errichtet worden sind, fördert die Anlage unabhängig vom Bedarf konstant eine definierte Menge Luft zu den Verbrauchern. Aber nur in den seltensten Fällen wird der Nennvolumenstrom (installierter Volumenstrom) benötigt. Eine variable Volumenstromregelung beseitigt das Problem und erreicht die größeren Einsparungen. Um eine variable Volumenstromanpassung zu realisieren, sind zwei Komponenten notwendig: Nachfragerseite: Sie ermittelt den aktuellen Bedarf an Luft und überträgt diese Information zu der Lüftungszentrale. Versorgerseite: Sie empfängt die Information und stellt den Volumenstrom auf die nachgefragte Menge ein Die Nachfragerseite Diese Komponente erfasst auf unterschiedliche Weise den aktuellen Bedarf an Zuluft und übermittelt diesen Wert dem Versorger. In der Regel kommen zwei Arten zum Einsatz: Mechanische Übermittlung: Eine Druckänderung im Lüftungssystem wird vom Lüftungsgerät erkannt und durch Verändern des Volumenstroms ausgeglichen. Elektronische Übermittlung: Ein Sensor sendet ein Signal an das Lüftungsgerät, das den Volumenstrom anschließend anpasst Mechanische Übermittlung In vielen Fällen setzt sich der Betrieb aus Bereichen zusammen, die unterschiedlich genutzt werden (z.b. Betrieb mit Büros und Produktionshalle). Das zentrale Lüftungsgerät versorgt jeden Bereich konstant mit der vorgesehen Frischluftmenge, obwohl einige Bereiche vielleicht gar nicht mehr genutzt werden. Durch den Einbau von Klappen und Schiebern im Luftkanal können bestimmte Bereiche zu- und weg geschaltet werden, es entsteht eine Mehrzonenregelung. Dadurch reduziert sich nicht nur der benötigte Volumenstrom, sondern auch die benötigte Energie zum Transport sowie zur Luftkonditionierung. [49] Funktion Signal Die Klappe, respektive der Schieber, wird im Zuluftkanal und im Abluftkanal einer Zone installiert. Durch händisches oder elektronisches Öffnen und Schließen wird der Luftdurchfluss ermöglicht, reguliert oder verhindert. Das ändert den Gesamtdruck im Lüftungssystem, der am zentralen Lüftungsgerät gemessen wird. Das Lüftungsgerät steigert bzw. reduziert den Volumenstrom, um wieder den erforderlichen Gesamtdruck zu erreichen. Im Regler ist ein bestimmter Gesamtdruck vorgegeben, der gehalten werden soll. Kommt es zu einer Gesamtdruckänderung, wird diese über ein Druckmessgerät im zentralen Lüftungsgerät ermittelt und an den Regler weitergeleitet. Durch Erhöhen oder Senken des Volumenstroms versucht der Regler, den voreingestellten Gesamtdruck wieder zu erreichen. 37

42 Elektronische Übermittlung Praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass der Energieverbrauch einer Lüftungsanlage stark reduziert werden kann, wenn diese auf einen bedarfsgerechten Betrieb eingestellt ist. Dadurch wird der Zuluftvolumenstrom den Raumbedingungen angepasst, was bei einem starren Betrieb der Anlage nicht möglich ist. Zur Umsetzung einer variablen Lüftung wird ein Regelparameter verlangt, der speziell für diesen Raum ausgewählt und gut messbar ist. Regelparameter können sein: Aktivitätsgrad (Bewegungssensoren) Belegungsanzahl (Zählsensoren) Schadstoffkonzentration (CO 2 -Sensoren; VOC-Sensoren) Mischgas-Sensoren Infrarotsensoren Sind weitere Emissionen bekannt, so kann die Lüftungsanlage auch über einen Sensor geregelt werden, der eine spezielle Emission misst (z.b. CO-Sensoren). Wird über die Lüftungsanlage die Heiz- bzw. Kühllast ganz oder teilweise abgedeckt, so sind folgende Sensoren ebenfalls einsatzfähig (auch in Kombination mit anderen Sensoren einsetzbar): Lufttemperatursensor Luftfeuchtigkeitssensor [50] Funktion Signal Die Funktionsweise aller Sensoren ist gleich. Der Sensor wird in einer für ihn optimalen Höhe im Raum platziert. Er sollte immer einen Platz einnehmen, der repräsentativ für den Raum ist. Das heißt, es muss auf die Sensorbedingungen geachtet werden. So sollte ein CO 2 -Sensor weder im Zuluftstrom noch im Abluftstrom installiert, ein Temperatursensor nicht direkt bei der Heizung platziert bzw. direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt werden. Der Sensor erfasst periodisch den aktuellen Raumzustand und übermittelt ein elektronisches Signal an die Lüftungseinheit. Der Sensor sendet ein Spannungssignal. Das Lüftungsgerät oder die Gebäudeleittechnik empfängt das Signal und wertet es aus. Der Regler stellt daraufhin den Volumenstrom auf das erhaltene Spannungssignal ein und ändert es bei Bedarf wieder. 38

43 Vorteile Energieeinsparung durch bedarfsgerechten Volumenstrom Reduzierter Wartungsaufwand durch geringeren Volumenstrom Optimale Arbeitsbedingungen für Personen Nachteile hohe Investitionskosten (rechnen sich aber nach kurzer Zeit) Durch falsche Platzierung oder falsche Auswahl des Sensors kann es zu keiner bzw. einer zu geringen Energieeinsparung kommen (hohe Investitionskosten rechnen sich nicht mehr) [50] Kombination der Maßnahmen Ein weiterer Nachteil, der langen Leitungsführung vom Sensor zum zentralen Lüftungsgerät bzw. Gebäudeleittechnik, kann durch eine Kombination von Druckerhöhung und elektronischem Signal erfolgen. Dabei wird der Volumenstrom aufgrund von Druckerhöhung bzw. Druckabfall eingestellt, diese werden von Klappen und Schiebern, die elektronisch geregelt sind, erzeugt. Die Klappen befinden sich unmittelbar vor den Verbrauchern. Die Kombination beider Maßnahmen stellt den Optimalfall dar, da dieses System die höchste Flexibilität sowie Treffsicherheit aufweist. Auch die Einsparungen sind bei dieser Maßnahme am höchsten. Diese Kombination nennt sich Einzelraumsteuerung und findet vermehrt Einsatz. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Maßnahme in Abschnitten durchgeführt werden kann. So werden am Anfang z.b. nur die variable Volumenstromregelung im Lüftungsgerät installiert und ein oder zwei Zonen eingerichtet. Nach Amortisation der Maßnahme können weitere Zonen eingebaut werden bis man bei einer Einzelraumregelung angekommen ist. Als Nachteil dieser Maßnahme ist allgemein der hohe Installationsaufwand sowie die damit verbunden Kosten zu nennen. Diese amortisieren sich jedoch im Normalfall innerhalb kurzer Zeit. [50], [51] Die Versorgerseite Um die empfangenen Signale optimal verarbeiten zu können, muss ein Versorgersystem installiert sein, welches einen variablen Volumenstrom umsetzen kann. Dabei kommen vor allem Frequenzumrichter und EC-Motoren zum Einsatz Frequenzumrichter Ein Frequenzumrichter regelt den Volumenstrom indem er die Leistung des Motors, der den Ventilator antreibt beeinflusst. Frequenzumrichter sind praktisch für alle Motoren nachrüstbar und passen die Netzfrequenz (50 Hertz) dem aktuellen Bedarf an. Die Frequenz ist neben der Polpaarzahl der ausschlaggebende Faktor für die Drehzahl des Motors. Die nachstehende Gleichung zeigt die Ermittlung der Drehzahl aus Frequenz und Polpaar: 39

44 f 60 n = (3.5) p n [1/min] Drehzahl f [Hz] Frequenz p [-] Poolpaar 2 Pole ergeben ein Polpaar Um den magnetischen Zustand zu erhalten, muss mit einer Änderung der Speisefrequenz (f) auch die Speisespannung (U) frequenzproportional verändert werden. Diese Gleichung (Gleichung 3.5) berücksichtigt jedoch nicht den Schluft, der auch bei Maschinen mit Frequenzumrichter vorhanden ist. Sie ist daher als theoretischer Ansatz zu verstehen. [98] Wird weniger Volumenstrom benötigt, so wandelt der Frequenzumrichter die Netzfrequenz in eine niedrigere Versorgungsfrequenz um, was als direkte Folge eine Reduktion der Drehzahl und somit des Volumenstroms hat. Der Leistungsbedarf des Motors reduziert sich, proportional zur 3. Potenz der Volumenstromreduktion (siehe Gleichung (3.4b). Der Leistungsbedarf der Luftkonditionierung verringert sich proportional zur Volumenstromreduktion. [15],[28] & V Q 2 = & V1 Q th,2 th,1 V & [m³/a] Volumenstrom (1=alt; 2=neu) Q th [kwh/a] Thermischer Energiebedarf (1=alt; 2=neu) (3.6) Vorgehensweise für die Maßnahmenbewertung: Für eine Bewertung der Maßnahme kann allgemein folgendermaßen vorgegangen werden: Bestandserhebung Bei der IST-Stand Erhebung werden folgende Daten erhoben: Betriebsstunden Ventilator Zuluft und Abluft pro Jahr [h/a] Volumenstrom Zuluft und Abluft in [m³/h] Ventilatorleistung Zuluft und Abluft in [kw] Heizleistung und Kälteleistung in [kw] Wärmeverbrauch und Kälteverbrauch in [kwh/a] Kosten für Strom, Wärme und Kälte (wahlweise in [ /kwh] oder in [ /Jahr]) Jährlichen Wartungskosten [ /Jahr] 40

45 Aus diesen Angaben werden anschließend folgende Werte errechnet: Gesamtvolumenstrom pro Jahr (Zuluft, Abluft und Total) Stromverbrauch (Zuluft, Abluft und Total) Wärmekennzahl [kwh Wärme /m³ Zuluft ] Kältekennzahl [kwh Kälte /m³ Zuluft ] Kostenkennzahlen für Strom [ /kwh Strom ]; Wärme und Kälte [ /kwh Wärme/Kälte ] od. [ /m³ Zuluft ]; Wartungskostenkennzahl [ /m³ Gesamtvolumenstrom ] Die daraus gebildeten Kennzahlen dienen als Referenzwerte für die Kalkulation der nachfolgenden Szenarien. Um vertretbare Werte zu erhalten, ist es sinnvoll nicht nur die Kosten aus einem Jahr, sondern einen Mittelwert von mehreren Jahren einzusetzen. Die errechneten Werte sind dann repräsentativer Szenarien Definition Da beide Fälle (starre und variable Volumenstromreduktion) berechnet und verglichen werden sollen, gilt es beide Szenarien zu definieren. Dabei ist die Analyse des benötigten Volumenstroms (siehe Abschnitt 3.10) als Vorraussetzung zu sehen Starre Volumenstromreduktion Für die starre Volumenstromreduktion werden die neuen Betriebsstunden, sowie der neue Volumenstrom für Zuluft und Abluft benötigt. Die Betriebstunden sind deshalb wichtig, weil in den meisten Fällen gleichzeitig eine Reduktion der Betriebstunden stattfindet. Kommt es zu keiner Reduktion, werden die Betriebstunden aus der alten Lüftungsanlage übernommen. Anschließend wird noch die neue Leistung des Motors mit Hilfe der Gleichung 3.4b ermittelt Variable Volumenstromreduktion Die variable Volumenstromreduktion ist schwieriger zu definieren, da ein Lastprofil erstellt werden muss. Zuerst wird wie bei der starren Volumenstromreduktion der neue Volumenstrom ermittelt. Aus diesem Volumenstrom wird anschließend die neue Leistung des Ventilators berechnet (siehe Proportionalitätsgesetz Gleichung 3.4b). Mit dem Volumenstrom sowie der Ventilatorleistung kann ein Lastprofil erstellt werden. Nachstehende Tabelle 4.3 zeigt ein Beispiel eines Lastprofils (Beispiel nach Abbildung 4.1). Dabei ist der Volumenstrom in 5 Prozent-Schritten unterteilt. 100 % stellen somit den neu errechneten Volumenstrom dar. Alle anderen Werte müssen berechnet bzw. abgeschätzt werden. Das Lastprofil wird in Prozent hinterlegt. Ausgangslage sind die Stunden in einem Jahr. Anschließend wird der Jahresvolumenstrom [m³/a] ermittelt. Die erforderliche Leistung für jeden Teilvolumenstrom wird mit Hilfe der Gleichung 3.7 errechnet. Da es sich hierbei um einen Frequenzumrichter handelt und dieser ebenfalls Strom benötigt, kann mit folgender Formel die Leistung ermittelt werden: 41

46 P2 = 75 & V & V 1 2 0,25 + 0, P1 3 P [kw] Leistung des Motors (1=alt; 2=neu) V & [m³/h] Volumenstrom (1=alt; 2=neu) [50], [51] Der Stromverbrauch wird anschließend durch Multiplizieren von Leistung und Zeit errechnet. Wird davon ausgegangen, dass bei 0 % Volumenstrom die Anlage abgedreht wird, dann wird auch keine Energie benötigt. In diesem Fall trifft oben genannte Formel nicht zu. (3.7) Volumenstrom [%] Tabelle 4.3 Energieverbrauch über ein typisches Lastprofil Volumenstrom [m³/h] Last-profil [%/a] Zeit [h/a] Gesamtstrom [m³/a] Leistung [kw] Verbrauch [kwh/a] 0% 0,00 0,00% 0,00 0,00 0,00 0,00 5% 75,00 0,30% 26, ,00 0,53 13,86 10% 150,00 1,00% 87, ,00 0,53 46,33 15% 225,00 2,40% 210, ,00 0,53 111,99 20% 300,00 3,50% 306, ,00 0,54 165,56 25% 375,00 5,90% 516, ,00 0,55 285,33 30% 450,00 8,10% 709, ,00 0,57 404,49 35% 525,00 9,20% 805, ,00 0,60 479,66 40% 600,00 10,20% 893, ,00 0,63 561,66 45% 675,00 10,80% 946, ,00 0,67 635,30 50% 750,00 10,20% 893, ,00 0,73 647,89 55% 825,00 9,10% 797, ,00 0,79 630,20 60% 900,00 8,20% 718, ,00 0,87 624,26 65% 975,00 6,40% 560, ,00 0,96 539,23 70% 1.050,00 5,30% 464, ,00 1,07 496,77 75% 1.125,00 3,10% 271, ,00 1,19 324,45 80% 1.200,00 2,10% 183, ,00 1,34 246,02 85% 1.275,00 1,90% 166, ,00 1,50 249,48 90% 1.350,00 1,10% 96, ,00 1,68 161,95 95% 1.425,00 0,90% 78, ,00 1,88 148,51 100% 1.500,00 0,30% 26, ,00 2,11 55,43 Total 100% ,08 42

47 Ermittlung der Energien und Kosten Anhand der ermittelten Werte können der neue Verbrauch und die neuen Kosten kalkuliert werden: Tabelle 4.4 zeigt wie so eine Bilanz aussehen kann. Dabei werden übersichtlich alle Werte direkt miteinander verglichen. Zur Abschätzung der Kosten wird eine Gesamtsumme gebildet, von welcher die Differenz als Tilgung der Investition eingesetzt wird. Kostenstellen stellen Tabelle 4.4 Energiebilanz Gegenüberstellung alt Regelung starr variabel Betriebsstunden gesamt h/a h/a h/a* Stromverbrauch kwh/a kwh/a kwh/a Stromkosten /a /a /a Wärmeverbrauch kwh/a kwh/a kwh/a Wärmekosten /a /a /a Kälteverbauch kwh/a kwh/a kwh/a Kältekosten /a /a /a Wartungskosten /a /a /a Summe /a /a /a Als weiterer Schritt werden die Investitionskosten abgeschätzt. Da in dieser ersten Abschätzung der Wirkungsgrad nicht berücksichtigt wird, kann für die Investitionskostenabschätzung die niedrigere Energieklasse der Motoren gewählt werden. Um jedoch einen Vergleich bieten zu können werden auch die Investitionskosten für höhere Effizienzklassen angegeben. Asynchronmotoren: Die Brutto Richtpreise für einen Asynchronmotor können annähernd mit folgender Formel berechnet werden (siehe Tabelle 7.4): = 55,709 kw + 185,92 Anschaffungsbruttopreis IE2 = 42,712 kw + 148,06 Anschaffungsbruttopreis IE1 [15] Die Montagekosten variieren von Fall zu Fall und können nur abgeschätzt werden. Dabei gilt es die Einbauzeit zu ermitteln. In der Regel werden für den Einbau ein Monteur und ein Helfer eingesetzt. Die Preise für die Stunde betragen ca.: Monteur: 70 /h Helfer: 50 /h [52] 43

48 Für die Frequenzumrichter werden folgende Preise als Netto Richtpreise herangezogen (siehe Tabelle 4.5): Tabelle 4.5 Anschaffungspreise für f Frequenzumrichter [15] Leistung Anschaffungspreis Montagepreis [kw] [ ] [ /kw] [ ] 1, ,00 121,00 310, ,00 104,00 730, ,00 49,00 980, ,00 31, , ,00 32, , ,00 25, ,00 Weitere Kosten: [53]; [43] Volumenstromregelklappen Sensoren Verkabelung inkl. Kleinmaterial Planung, Inbetriebnahme /Stk /Stk. 10 % aller Kosten 10 % aller Kosten Für eine erste Abschätzung der Amortisationszeit kann eine einfache Rentabilitätsrechnung angesetzt werden. Dies kann wie folgende Gleichung aussehen: K G A = (3.8) K K G [ ] Gesamte Investitionskosten K [ /a] Kosteneinsparung pro Jahr A [a] Amortisation in Jahren 44

49 4.3 Tausch von Anlagenteilen In einigen Fällen ist eine Optimierung von bestimmten Anlagenteilen nicht möglich bzw. nicht wirtschaftlich. In diesen Fall gibt es nur zwei Möglichkeiten. Entweder man belässt diese Anlagenteile und arbeitet ineffizient weiter, oder man tauscht sie gegen neue, effizientere Anlagenteile. In dieser Maßnahme geht es vor allem um den Tausch folgender Anlagenteile: Ventilator Antriebsart Motor Weiters soll erwähnt werden, dass bei Filtern, Riemenantrieben und Wärmetauscher vor allem durch Wartung bzw. Reinigung die Verluste reduziert werden und die Effizienz gesteigert. [15] Um eine Aussage darüber treffen zu können, ob das Beförderungssystem (Ventilator, Antriebsart, Motor) effizient oder ineffizient ist, eignet sich die spezifische Ventilatorleistung. Diese Kennzahl gibt an, wie viel Energie für einen bestimmten Volumenstrom benötigt wird. Dabei fließen alle auftretenden Verluste (Wirkungsgrade, Druckverluste Leitungsverluste,...) in eine Kennzahl ein. Die Ermittlung der spezifischen Ventilatorleistung (P SFP ) erfordert folgende Daten: Elektrische Leistungsaufnahme (P el ) des Ventilatorsmotors [W] Nennvolumenstrom ( V & ) durch den Ventilator [m³/s] Nenn Die Berechnung erfolgt über die nachstehende Gleichung P SFP P = & V el Nenn p = η Ges P SFP [W/m³s] Spezifische Ventilatorleistung P el [W] Elektrische Leistung des Motor V & Nenn [m³/s] Nennluftvolumenstrom des Ventilators p [Pa] Gesamtdruckerhöhung des Ventilators η Ges [-] Gesamtwirkungsgrad (Ventilator, Antrieb, Motor) [42] Die elektrische Leistung des Motors kann mit Hilfe der Nennspannung (U), des Nennstroms (I) sowie des cos ϕ (am Typenschild des Motors auffindbar) berechnet werden, oder es wird direkt vor Ort eine Messung durchgeführt: (3.9) P el = 3 U I cosϕ (3.10) U [V] Versorgungsspannung I [A] Versorgungsstrom cos ϕ [-] Leistungsfaktor [27] 45

50 Alternativ kann die Errechnung der spezifischen Ventilatorleistung auch über die Druckerhöhung ( p) und den Gesamtwirkungsgrad (η Ges ) erfolgen. Der Gesamtwirkungsgrad ist das Ergebnis der Multiplikation aller Einzelwirkungsgrade der Einbauteile: η Ges = η η η η (3.11) V An M R η [-] Wirkungsgrad (V=Ventilator; An=Antrieb; M=Motor; R=Regelung; Ges=Gesamt) Die spezifische Ventilatorleistung wird mit Tabelle 4.6 verglichen. Je niedriger der P SFP - Wert ist, desto effektiver arbeitet die Anlage. Nach heutigem Stand der Technik sollten Lüftungsanlagen nicht schlechter sein als SFP 4. [42] Tabelle 4.6 Einteilung der Spezifischen Ventilatorleistung [73] Werden die nachfolgenden Bauteile (Tabelle 4.7) verwendet, erhöhen sich die P SFP - Klassen um die angegebenen Werte. Tabelle 4.7 Bauteile, die zur Erhöhung des SFP beitragen [73] 46

51 4.3.1 Ventilator Um die Effizienz eines Ventilators bewerten zu können, wurden Effizienzkriterien von der Europäischen Kommission durch die ECO-Design Richtlinie festgelegt. Diese ermöglichen einen Vergleich und eine Bewertung von Ventilatoren. Weiters werden Ziele vorgegeben, wie sich der Wirkungsgrad bis 2015 erhöhen soll. Betroffen sind Ventilatoren mit einer elektrischen Leistung zwischen 0,125 kw und 500 kw. Der zwei Stufen Plan sieht ab 1. Juli 2012 einen standardisierten Wirkungsgrad vor. Ab 1. Jänner 2015 kommt es zu einer Erhöhung dieses Wirkungsgrades. [54] Einteilung von Ventilatoren Da Ventilatoren in verschiedenen Bauarten und Einsatzbedingungen vorkommen, wurden die Wirkungsgrade für verschiedene Gruppen und Einsatzbedingungen definiert. Es wird in drei Ventilatorgruppen, zwei Leistungsklassen und 4 Einbauarten unterschieden. [54] Gruppierung der Ventilatorarten: Gruppe 1 (G1) Axialventilatoren Vorwärtsgekrümmte Radialventilatoren Radialventilatoren mit geraden Schaufeln Dachventilatoren (axial) Gruppe 2 (G2) Rückwärtsgekrümmte Radialventilatoren (ohne Gehäuse) Rückwärtsgekrümmte Radialventilatoren (mit Gehäuse) Mixed flow Ventilatoren (halbaxial; halbradial) Dachventilatoren (radial, mixed flow) Ventilatorboxen Gruppe 3 (G3) Querstromventilatoren [54] Einteilung in Leistungsklassen Diese drei Gruppen werden jeweils noch in zwei Leistungsklassen unterschieden: Klasse 1: Elektrische Leistung von 0,125 kw bis inkl. 10 kw Klasse 2: Elektrische Leistung ab 10 kw bis inkl. 500 kw [54] 47

52 Einteilung in Messkategorien Weiters wird in vier Messkategorien unterschieden, die von der Einbauart des Ventilators abhängig sind: A B C D Frei saugend und drückend Druckseitiger Betrieb (frei saugend, Widerstand auf Druckseite) Saugseitiger Betrieb (Widerstand auf Saugseite, frei drückend) Saug- und druckseitiger Betrieb (Widerstand auf Saug- und Druckseite) Der ermittelte Wirkungsgrad inkludiert nicht nur den Ventilator, sondern auch seine Antriebs- und Motorverluste. Dieser Wirkungsgrad wird also auf das System Ventilator bezogen (Ventilator, Antrieb und Motor). [54] Wirkungsgradermittlung für Bestandsanlagen Der Wirkungsgrad ist im Allgemeinen definiert als Nutzen zu Aufwand. Der Aufwand bei der Ventilatoreinheit ist die elektrische Energie des Motors. Der Nutzen ist die Leistung des Ventilators welche von Volumenstrom, Druck und Kompressibilität bestimmt wird. Dieser Nutzen ist abhängig von der Einbauart (A-D) und wird dementsprechend unterschiedlich berechnet: Für die Einbauart A und C wird die Ventilatorleistung (Nutzen) wie folgt berechnet: P = & V p k (3.12) V st ps V & [m³/s] Volumenstrom p st [Pa] Statischer Druck k ps [-] Statischer Kompressibilitätsfaktor [54] Für die Einbauart B und D ist die Ventilatorleistung definiert als: P = & V p k (3.13) V 48 t t V & [m³/s] Volumenstrom p t [Pa] Gesamtdruck k t [-] Gesamtkompressibilitätsfaktor Die Berechnung des Wirkungsgrades erfolgt anschließend mit den Gleichungen (3.14a) und (3.14b). Für einen starren Volumenstrom : Für einen variablen Volumenstrom : P = V η ges (3.14a) Pel P = C V η ges c P (3.14b) el η ges [-] Gesamtwirkungsgrad P el [kw] Elektrische Leistung P V [kw] Ventilatorleistung C c [-] Korrekturfaktor für drehzahlgesteuerte Ventilatoren: Bei P el 5 kw: Cc = 1,04 Bei P el < 5 kw: Cc = -0,03 ln(p el ) + 1,88 [54]

53 Vorgaben für die Neuanschaffung nach der ECO-Design Richtlinie Wird das Ventilatorsystem erneuert (getauscht bzw. Neuanschaffung), sollten die Wirkungsgrade der ECO-Design Richtlinie als Referenzwerte herangezogen werden. Der lt. ECO-Design Richtlinie zu erreichende Wirkungsgrad wird mit den nachstehenden Formeln (Tabelle 4.8) ermittelt. Tabelle 4.8 Tabelle zur Berechnung der Wirkungsgrade von Ventilatoren [54] Gruppe Gruppe 1 Klasse 1 (0,125 kw 10 kw) Klasse 2 (10 kw 500 kw) η = 2,74 ln( P) 6, 33 N η = 0,78 ln( P) 1, 88 N Ziel + Ziel + Gruppe 2 Gruppe 3 η = 4,56 ln( P) 10, 5 N η = 1,1 ln( P) 2, 6 N Ziel + η = 1,14 ln( P) 2, 6 N η N Ziel + Ziel + Ziel = P [kw] P el bei direkt angetriebenen Ventilatoren [kw] P Welle bei Ventilatoren, über Riemenantrieb N [-] Konstante die in Tabelle 4.9 aufgelistet ist Gruppe G1 G1 G1 Tabelle 4.9 Konstante für die Wirkungsgradbewertung von Ventilatoren [54] Ventilatortyp Axialventilator Vorwärts gekrümmte Radialventilatoren Radialventilatoren mit geraden Schaufeln Messkategorie N-Wert ab A, C B, D A, C B, D A, C B, D G1 Dachventilatoren (axial) A, C G2 G2 G2 G2 G2 G2 Rückwärts gekrümmte Radialventilatoren (ohne Gehäuse) Rückwärts gekrümmte Radialventilatoren (mit Gehäuse) mixed flow Ventilatoren (halbaxial; halbradial) Dachventilatoren (radial, mixed flow) Ventilatorboxen (rückwärts gekrümmt oder mixed flow) Ventilatorboxen (vorwärts gekrümmt oder axial) A, C A, C B, D A, C B, D A, C B, D B, D G3 Querstromventilatoren B, D N-Wert (ab ) 49

54 Bewertung der Effizienz Zuletzt erfolgt noch ein Vergleich des Ventilatorsystems mit den standardisierten Wirkungsgraden. Tabelle 4.10 zeigt dazu eine mögliche Auflistung: Ventilator Nr. Ventilator Typ Tabelle 4.10 Beispieltabelle für Wirkungsgradvergleich Messkategorie errechneter Wirkungsgrad Wirkungsgrad ECO- Design 1 Wirkungsgrad ECO- Design 2 Höchstmögl. Wirkungsgrad Mit nachstehender Gleichung (3.13) kann der Unterschied zwischen dem errechneten Wirkungsgrad und dem Wirkungsgrad nach ECO-Design 1 ermittelt werden: ηerr η = 1 Diff (3.15) ηeco1 η Diff [-] Wirkungsgraddifferenz η err [-] Errechneter Wirkungsgrad η ECO1 [-] Wirkungsgrad lt. ECO-Design 1 Ab einer Wirkungsgraddifferenz von 20% (respektive 0,2) sollte ein Ventilatortausch stattfinden, da dessen Effizienz sehr gering ist Benchmarking In der letzten Spalte der Tabelle 6.5 ist der Höchstmögliche Wirkungsgrad einzutragen. Dieser Wirkungsgrad wurde aus der ECO-Design Richtlinie entnommen und repräsentiert den höchsten Wirkungsgrad der bei der Erstellung der Richtlinie erreicht werden konnte. Diese Wirkungsgrade können in Tabelle 6.5 im Anhang nachgelesen werden Antrieb und Riemen 95 % aller Ventilatoren werden zur Zeit über einen Riemenantrieb mit dem Motor verbunden, wobei der Keilriemen den größten Anteil ausmacht. Bei Direktantrieben ist der Energieverlust, der durch die Kraftübertragung auftritt, am geringsten, hingegen bei Keilriemen am größten. Deshalb soll, wenn möglich, der direkte Antrieb bevorzugt werden. Riemenantriebe haben aber auch Vorteile gegenüber Direktantriebe. Durch den Wechsel des Übersetzungsverhältnisses kann schnell auf einen geänderten Volumenstrombedarf eingegangen werden. Außerdem werden Überlasten durch kurzes Durchrutschen leicht abgebaut. Nachteile sind die Verluste die bei der Übertragung entstehen sowie die höheren Wartungsintervalle. [15], [98] Die auftretenden Verluste werden durch die Wahl eines stärkeren Motors kompensiert. Um die Motorleistung (P M ) zu berechnen, muss die erforderliche Wellenleistung (P W ) durch den Wirkungsgrad (η An ) der Übertragung dividiert werden: 50

55 P P w M = (3.16) η An P M [kw] Erforderliche Motorleistung P W [kw] Wellenleistung η An [-] Wirkungsgrad des Antriebs Als Richtwerte für den Übertragungswirkungsgrad (η An ) können folgende Werte herangezogen werden: Direktantrieb: η=1 Einzelner Keilriemen Für P el < 5 kw η=0,83 Für P el > 5 kw η=0,90 Mehrere Keilriemen Jeder zusätzliche Keilriemen reduziert die Kraftübertragung um 1 % Flachriemen Für P el < 5 kw η=0,90 Für P el > 5 kw η=0,96 [55] Um die Wirtschaftlichkeit eines Antriebstausches abschätzen zu können, wird die Motorleistung für den IST-Stand sowie für die gewünschte Antriebsarte berechnet. Multipliziert man die Motorleistung mit den Betriebsstunden pro Jahr und dem Strompreis, so erhält man unterschiedliche Betriebskosten. Die Differenz zwischen den Betriebskosten ist der Betrag, der durch den Umstieg auf einen effizienteren Antrieb jährlich eingespart werden kann: ( PM alt PM neu ) tbs k( E S K = ) (3.17),, K [ /a] Jährliche Einsparung P [kw] Motorleistung (alt und neu) t BS [h/a] Jährlichen Betriebstunden k(e) S [ /kwh] Spezifische Kosten für Strom Elektrischer Motor 70 % des im EU-Raum verwendeten Stroms dient als Antrieb für Motoren % dieser Energie könnte durch den Einsatz von effizienteren Motoren eingespart werden. Aus diesem Grund sollte der Motor des Systems ebenfalls untersucht werden. [29] Um möglichst gute Ergebnisse zu erreichen, sollen anhand einer Grobanalyse die Motoren mit der wahrscheinlich höchsten Einsparung identifiziert werden. Dazu können zwei Wege der Grobanalyse beschritten werden. 51

56 Grobanalyse 1: Test Der Test kann sehr schnell und unkompliziert durchgeführt werden. Die Bewertung erfolgt über leicht ermittelbare Daten (nur Typenschild des Motors notwendig). Dabei werden Alter, Nennleistung und Laufzeit des Motors berücksichtigt. Durch ein Punktesystem erfolgt die Bewertung. Der Motor mit der höchsten Punktanzahl sollte möglichst rasch einer Feinanalyse unterzogen werden. [30] Die nachstehende Tabelle zeigt die Punktvergabe sowie die Ergebnisklassen: Tabelle Test ÜbersichtÜ [30] 1,2,3 Grobanalyse Alter [Jahre] über 20 bis 20 bis 15 bis 10 bis 5 Punkte Nennleistung [kw] bis 50 bis 150 bis 500 bis über Punkte Laufzeit pro Jahr [h/a] über bis bis bis bis Punkte Summe Punkte bis 5 Punkte keine Vorkehrung 6 bis 10 Punkte Motor überprüfen ab 11 Punkte Motor rasch überprüfen Grobanalyse 2: Wirkungsgradvergleich Eine andere Möglichkeit vergleicht den Wirkungsgrad des Motors mit dem heutigen technologischen Stand. Nachteil dieser Analyse ist, dass der Wirkungsgradverlust der aufgrund des Alters auftritt, nicht berücksichtigt wird. Grundsätzlich sollte dieser Test aber bevorzugt werden, da der ermittelte Wirkungsgrad auch für die Feinanalyse verwendet werden kann. Dieser Test benötigt folgende Motordaten: Wellenleistung des Motors (vom Typenschild) Elektrische Leistung des Motors (P el siehe Gleichung 3.9) Das Verhältnis von Abgabeleistung (Wellenleistung des Motors vom Typenschild) und der elektrischen Leistungsaufnahme definiert den Wirkungsgrad. Dieser wird anschließend mit dem heutigen Stand verglichen. 52

57 P = W η M (3.18) Pel η M [-] Wirkungsgrad des Motors P W [kw] Wellenleistung des Motors (Typenschild) P el [kw] Leistungsaufnahme des Motors Die Klassifizierung des Motors erfolgt mit Hilfe nachfolgender Tabelle 4.12: Tabelle 4.12 Klassifizierung der Wirkungsgrade grade (Tabelle nach AEA) Ergebnis Wirkungs- grad ist: Tausch- priorität Errechneter Wirkungsgrad ist kleiner als IE1 Ungenügend Sehr hoch Errechneter Wirkungsgrad liegt zwischen IE1 und IE2 Genügend Hoch Errechneter Wirkungsgrad liegt zwischen IE2 und IE3 Gut Niedrig Errechneter Wirkungsgrad ist größer als IE3 Sehr gut Sehr niedrig Feinanalyse: Ermittlung des Einsparungspotential Um das Einsparungspotential von Elektromotoren zu ermitteln, ist es sinnvoll, nicht die Anschaffung, sondern die Betriebskosten miteinander zu vergleichen. Abbildung 4.6 zeigt, dass bei einem 11 kw Motor der Premium Klasse (IE3), der 15 Jahre lang Stunden pro Jahr im Betrieb ist, die Energiekosten ca. 97 % der Gesamtkosten ausmachen. [30] 96,70% Energiekosten Wartung Anschaffung 2,30% 1,00% Abbildung 4.6 Beispiel Kostenaufteilung Elektromotor [30] Die Wirkungsgrade spielen bei der Ermittlung des Einsparungspotentials eine große Rolle. Nach Auswahl des Motors (aus Tabelle 4.13) werden die Wirkungsgrade untereinander und mit dem errechneten Wirkungsgrad (siehe Gleichung 3.18) verglichen, um eine Übersicht über das Einsparungspotential zu erhalten. Für die Berechnung sind folgende Daten notwendig: 53

58 Leistung des Motors (vom Typenschild) Errechneter Wirkungsgrad des Motors Betriebsstunden pro Jahr (entweder über Aufzeichnungen oder über Schätzung) Anzahl der Pole (2, 4 oder 6 Pole) Arbeitspreis Strom Mit Hilfe der Polanzahl und der Leistung werden die Wirkungsgrade der Effizienzklassen IE2 und IE3 aus Tabelle 4.13 abgelesen. Die Ermittlung des Einsparungspotentials erfolgt mit einer Energiebedarfsrechung, abhängig vom Wirkungsgrad. Dabei wird erstens die Energieeinsparung und zweitens die Kosteneinsparung errechnet. Die Gleichungen 3.19 und 3.20 berechnen dieses Potential. P M h Q = (3.19) η η ) ( IE 2 err Q [kwh/a] Energieeinsparung pro Jahr P M [kw] Motorleistung h [h/a] Betriebsstunden pro Jahr η IE2 [-] Wirkungsgrad nach IE2 η err [-] Errechneter Wirkungsgrad Diese Gleichung wird eingesetzt wenn der errechnete Wirkungsgrad kleiner ist als IE2, andernfalls kann der Wirkungsgrad IE3 als Referenz herangezogen werden. Die Kosteneinsparung wird wie folgt berechnet: K = Q k( E) (3.20) S K [ /a] Kosteneinsparung pro Jahr Q [kwh/a] Energieeinsparung pro Jahr k(e) S [ /kwh] Spezifische Stromkosten 54

59 Tabelle 4.13 Wirkungsgrade für Elektromotoren nach [31] Motorleistung IE1 (vor 2000) IE2 (ab ) IE3 (ab ) kw 2-polig 4-polig 6-polig 2-polig 4-polig 6-polig 2-polig 4-polig 6-polig 0,75 72,1 72, ,4 79,6 75,9 80,7 82,5 78,9 1, ,9 79,6 81,4 78,1 82,7 84,1 81 1,5 77,2 77,2 75,2 81,3 82,8 79,8 84,2 85,3 82,5 2,2 79,7 79,7 77,7 83,2 84,3 81,8 85,9 86,7 84,3 3 81,5 81,5 79,7 84,6 85,5 83,3 87,1 87,7 85,6 4 83,1 83,1 81,4 85,8 86,6 84,6 88,1 88,6 86,8 5,5 84,7 84,7 83, , ,2 89,6 88 7, ,7 88,1 88,7 87,2 90,1 90,4 89, ,6 87,6 86,4 89,4 89,8 88,7 91,2 91,4 90, ,7 88,7 87,7 90,3 90,6 89,7 91,9 92,1 91,2 18,5 89,3 89,3 88,6 90,9 91,2 90,4 92,4 92,6 91, ,9 89,9 89,2 91,3 91,6 90,9 92, , ,7 90,7 90, ,3 91,7 93,3 93,6 92, ,2 91,2 90,8 92,5 92,7 92,2 93,7 93,9 93, ,7 91,7 91,4 92,9 93,1 92, ,2 93, ,1 92,1 91,9 93,2 93,5 93,1 94,3 94,6 94, ,7 92,7 92,6 93, ,7 94, , ,9 94,1 94, ,2 94, ,3 93,3 93,3 94,3 94,5 94,3 95,2 95,4 95, ,5 93,5 93,5 94,6 94,7 94,6 95,4 95,6 95, ,8 93,8 93,8 94,8 94,9 94,8 95,6 95,8 95, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,8 55

60 EC-Motor Eine weitere Möglichkeit zum Motortausch stellt der EC-Motor dar. Der Motor ist durch den Einsatz eines Permanentmagneten besonders effektiv. Der Magnet folgt einem Drehfeld, das elektronisch erzeugt wird. Durch die Permanenterregung des Rotors entfällt dessen elektronische Erregung und somit alle damit verbundenen Verluste (Hysterese, Leitungsverluste, Bürstenverluste ). Durch das elektronisch erzeugte Drehfeld lassen sich nahezu alle beliebigen Drehzahlen erreichen. Vor allem im niedrigen Leistungsbereich (0,1 bis 10 kw) ist der Einsatz von EC-Motoren zu empfehlen. In Abbildung 4.7 ist ein Wirkungsgradvergleich verschiedener Motoren abgebildet. Dort erkennt man, dass die EC-Motoren erstens viel geringere Leistungen liefern können als andere Motoren und zweitens ihr Wirkungsgrad bei vergleichbarer Leistung mehr als 10 % größer ist. [56] Abbildung 4.7 Wirkungsgradvergleich rgleich Elektromotoren [29] 56

61 4.4 Wärmerückgewinnung Die Wärmerückgewinnung (WRG) trägt zur wesentlichen Verringerung der benötigten Wärme- und Kälteenergie für die Außenluftkonditionierung bei. In der Lüftungstechnik findet dieser Prozess Außenluft und Abluft statt. Dabei wird die, in der Abluft enthaltene Energie der Außenluft, mit und ohne äußere Energiezufuhr übertragen. [69], [99] Die in der Abluft enthaltene Energie setzt sich dabei aus zwei Komponenten zusammen: Sensible Wärme (spürbare Wärme, Temperatur) Latente Wärme (Feuchtegehalt der Luft) Findet ein reiner Temperaturaustausch statt, so spricht man von Wärmerückgewinnung (WRG). Kommt es auch zu einer Rückgewinnung der Feuchte spricht man von Rückgewinnung der Luftfeuchte (FRG) Rückwärmezahl und Rückfeuchtezahl Die Rückwärmezahl (Φ) gibt an, wie hoch die Temperaturrückgewinnung ist, und kann mit einem Wärmerückgewinnungswirkungsgrad verglichen werden. Die Rückfeuchtezahl (Ψ) hingegen definiert wie viel Feuchte der Zuluft wieder zugeführt werden kann. [57] Die Berechnung dieser Kennzahlen erfolgt über die nachfolgenden Gleichungen: t Φ = (3.21) t t 11 t 21 Abbildung 4.8 Erklärung der Rückwärmezahl [11 11] Die Rückwärmezahl ist nur gültig, wenn auf beiden Seiten (Zuluft und Abluft) die gleichen Massenströme gefördert werden. Andernfalls erfolgt die Bestimmung über den Energiegehalt der Luft. (siehe Abschnitt 4.4.3) 57

62 4.4.2 Systemübersicht Grundsätzlich können die Energierückgewinnungssysteme in drei Kategorien eingeteilt werden. Tabelle 4.14 zeigt die verschiedenen Kategorien und die zugehörigen Energierückgewinnungssysteme in Anlehnung an EN 308 und ÖNORM EN Die Wärmepumpe, die in dieser Übersicht in Kategorie II eingetragen ist, wird oft als Sonderfall bzw. als Kategorie IV angesehen und kann aufgrund ihrer Eigenschaft keine klassische Rückwärmezahl aufweisen. [59],[60] Tabelle 4.14 Systemübersicht Wärmerückgewinnungssysteme [24 24] Rückwärme- WRG RG-System zahl (Φ) ( Rückfeuchtee- zahl (Ψ) ( Kreislaufverbundsystem Wärmerohre Wärmepumpe Rotor sonstige Kategorie I Rekuperatoren Plattenwärmetauscher 0,4-0,8 0,0 Röhrenwärmetauscher 0,3-0,5 0,0 Kategorie II mit Wärmezwischenträger Kompakt Wärmetauscher 0,3-0,5 0,0 Gegenstrom Schichtwärmetauscher 0,7-0,8 0,0 Schwerkraftwärmerohr 0,2-0,4 0,0 Kapillarwärmerohr 0,5-0,8 0,0 Kompressor Wärmepumpe --- 0,0 Adsorptionswärmepumpe --- 0,0 Kategorie III Regeneratoren Rotor ohne Sorption 0,7-0,8 0,1-0,2 Rotor mit Sorption 0,7-0,8 0,6-0,7 Kapillargebläse 0,2-0,4 0,2-0,4 Umschaltspeicher 0,6-0,9 0,5-0, Rekuperatoren Bei rekuperativen Verfahren werden feste Austauschflächen verwendet, bei denen die Luftströme von einander getrennt geführt werden. Sie werden vor allem dort eingesetzt, wo Luftaustausch verhindert werden soll. Diese Systeme werden im Gegenstrom- oder im Kreuzstromverfahren eingebaut. Die Baumaterialen sind vor allem Aluminium, Edelstahl, Kunststoff oder Glasröhren mit einem hohen Wärmeleitkoeffizienten. Im Winter kann es zu einer Taupunktunterschreitung auf der Abluftseite kommen. Das bedeutet, dass auch die Kondensationswärme des ausgeschiedenen Wassers zur Lufterwärmung beiträgt. Dabei kann es zu Frosterscheinungen kommen, die durch bautechnische Maßnahmen verhindert werden sollten (Frostschutzsicherung Vorheizregister). 58

63 Im Sommer dient die klimatisierte Abluft unter Umständen als Vorkühlung der warmen Außenluft. [11] Vorteile Keine beweglichen Teile Wartungsfrei Geringe Investitionskosten Keine Betriebskosten Nachteile Niedrigere Wirkungsgrade Zentrale Luftströme Reinigungsprobleme Vereisungsgefahr Plattenwärmetauscher Plattenwärmetauscher trennen die Luftströme durch sehr dünne Metall- bzw. Kunststoffplatten mit hohen Wärmeübergangskoeffizienten. Sie erreichen Rückwärmezahlen von bis zu 0,8 und werden oft als Kreuzstromwärmetauscher eingesetzt. Abbildung 4.9 zeigt einen Plattenwärmetauscher in einer Kreuz-Gegenstromstromausführung. [11] Röhrenwärmetauscher Abbildung 4.9 Kreuzstromplattenwärmetauscher [61] Für aggressive Gase (Prozessgase) können anstelle von Platten auch Rohre aus Kunststoff oder Glas verwendet werden (siehe Abbildung 4.10). Bei einer Komfortlüftungsanlage finden sie jedoch keine Anwendung. Sie weisen sehr niedrigere Rückwärmezahlen von 0,3 bis 0,5 auf. [11] Abbildung 4.10 Röhrenwärmetauscher [62] 59

64 Wärmetauscher mit Zwischenträger Diese Art der Energierückgewinnung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Energieübertragung ein Zwischenmedium verwendet wird. Es entfällt somit der Bedarf, Zuluftstrom und Abluftstrom nebeneinander zu führen. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Systeme einfach nachgerüstet werden können. Dem Zwischenträger kann Energie auch über andere Quellen zugeführt werden (Abwärmenutzung). Wird dieses System mit Wasser betrieben, so müssen entsprechende Maßnahmen getroffen werden, um ein Einfrieren im Winter zu verhindern. [11] Vorteile Höherer Wirkungsgrad Niedrige Betriebskosten Geringer Platzbedarf Nachteile Höhere Investitionskosten Keine direkte Feuchteübertragung Hoher Druckverlust Nachträglich einbaubar Geteilte Luftströme Kreislaufverbundsysteme In diesem System sind im Abluftkanal und im Außenluftkanal je ein Wärmeregister installiert. Durch eine Pumpe wird das von der Abluft erwärmte Zwischenmedium in das Heizregister der Außenluft gefördert. Das Wärmeträgermedium übergibt dabei die aufgenommene Temperatur an die Zuluft. Der Vorteil ist, dass die Luftströme örtlich voneinander getrennt geführt werden können. In dieses System können je nach Bedarf weitere Armaturen wie Mischventil, Ausdehnungsgefäße etc. integriert werden. Weiters ist es leicht möglich ergänzende Heizquellen (auch Abwärmeströme) zu inkludieren. Das Kreislaufverbundsystem kann dadurch als Wärmerückgewinnung und/oder als Vollheizregister fungieren. Als reine Wärmerückgewinnung erreichen sie Rückwärmezahlen von 0,3-0,8. Im Sommerfall ist es möglich, die warme Außenluft mit der klimatisierten Abluft vor zu kühlen (siehe Abbildung 4.11). [11] Abbildung 4.11 Kreislaufverbundsystem [63] 60

65 Wärmerohr Die Arbeitsweise dieser Systeme ist in Abbildung 4.12 dargestellt. In einem evakuiertem Rohr wird eine Flüssigkeit (meist ein Kältemittel) verdampft und verflüssigt. Dabei reichen geringe Temperaturunterschiede (ca. 1 K) aus um dieses System zu aktivieren. Weitere Vorteile dieser Systeme sind: Geräuschlos Wartungsfrei Hohe Temperaturspreizung möglich Passives System (keine externe Stromversorgung) Als Nachteil sollte hier angeführt werden, dass diese Systeme mit sehr hohem Aufwand entsorgt werden müssen, da das Kältemittel als Sondermüll zu betrachten ist. Die Heizzone verdampft das flüssige Kältemittel, welches im Rohrinneren als Gas aufsteigt. In der Kühlzone kondensiert dieses Gas an der Randfläche des Rohres und fließt hinab in die Heizzone und der Prozess beginnt erneut. Bei senkrechter Bauweise (Kühlzone muss oben sein) ist ein Umschalten von Winter- auf Sommerbetrieb nicht möglich. Wird das Wärmerohr hingegen waagrecht eingebaut, so wird auch eine Kälterückgewinnung ermöglicht. [11] Abbildung 4.12 Funktionsweise eines Wärmerohres [64] 61

66 Wärmepumpe Eine Wärmepumpe ist eine Anlage, die es ermöglicht, vorhandene Energie bei einem bestimmten Temperaturniveau durch Verdichten auf ein höheres Temperaturniveau zu pumpen. Dadurch kann die in der Abluft enthaltene Energie nahezu vollständig entzogen und der Zuluft zugeführt werden. Dieses System (Abbildung 4.13) benötigt aber elektrische Energie. Das Verhältnis vom aufgenommenen Strom zur abgegebenen Heizleistung beträgt ca. 1:4 (1 kwh Strom = 4 kwh Wärme) [65] Verdichter Verdampfer Verflüssiger Expansionsventil Abbildung 4.13 Funktionsweise einer Wärmepumpe [66] Verdampfer: Das kalte und flüssige Kältemittel erfährt im Verdampfer einen Phasenwechsel. Das heißt, durch Zuführen von Energie (warme Abluft) wird das Kältemittel erwärmt und in Gasform übergeführt. Verdichter: Das gasförmige Kältemittel wird im Verdichter zusammen gepresst und dabei die Temperatur erhöht (Strombedarf). Verflüssiger: Durch Abführen von Wärmeenergie wird das unter hohem Druck stehende Kältemittel gekühlt und wieder flüssig (Erwärmen der Außenluft). Expansionsventil: Hier findet eine Druckreduktion (von hohem auf niedrigen Druck) statt. Dadurch kühlt sich das Kältemittel rapide ab und kann wieder Energie im Verdampfer aufnehmen. [67] In einer Lüftungsanlage kann eine Wärmepumpe in verschiedenen Arten eingesetzt werden. Eine Übersicht dazu liefert Tabelle

67 Einsatzart Tabelle 4.15 Einsatzarten einer Wärmepumpe Ort des Verdampfers Ort des Verflüssiger Wärmerückgewinnung Abluftkanal Zuluftkanal Luftkühlung (+ Entfeuchtung) Zuluftkanal Abluftkanal Entfeuchtung + Wiederaufheizung Zuluftkanal (vor Verflüssiger) Zuluftkanal (nach Verdampfer) Durch eine intelligente Verschaltung der Wärmepumpe ist es möglich alle drei Systeme in einer Lüftungsanlage zu realisieren Regeneratoren Regenerative Systeme arbeiten mit Wärme speichernden Materialien. Diese werden eine bestimmte Zeit von warmer Luft durchströmt und nehmen somit dessen Temperatur auf. Durch Umschalten von Klappen oder durch drehende Wärmespeicher werden diese anschließend von kalter Luft durchströmt, wo sie die Temperatur wieder abgeben. Ist dieses Wärmespeichermaterial mit einer hygroskopischen (feuchtigkeitsbindend) Oberfläche versehen, so wird nicht nur die Wärme, sondern auch Feuchtigkeit übertragen [11] Vorteile Höherer Wirkungsgrad Wartungfreundlich Feuchteübertragung Gutes Kosten/Nutzen Verhältnis Nachteile Zentrale Luftströme Große Bauweise Geruchsübertragung Wartungskosten Rotations-Wärmetauscher In Rotations-Wärmetauschern (Abbildung 4.14) wird nicht nur fühlbare (sensible) Wärme, sondern auch latente Wärme in Form von Luftfeuchte ausgetauscht. Ein langsam rotierender Wärmeaustauscher mit axial angeordneten Speichermassen wird in einer Richtung von Abluft, in der anderen von Außenluft durchströmt. Die von der Abluft in der einen Hälfte vom Speicher aufgenommene Wärme und Feuchte wird jeweils nach einer halben Umdrehung an die durch die andere Hälfte strömende Außenluft abgegeben. Die Wärmerückgewinnungszahl liegt bei bis zu 0,8. Die Wartung beschränkt sich auf die regelmäßige optische Überprüfung. Die Inspektionsintervalle sollten am Anfang ca. 3 Monate betragen und können mit entsprechender Betriebserfahrung auf ca. 12 Monate verlängert werden. [57] 63

68 Abbildung 4.14 Rotationswärmetauscher [11] Kondensationsrotor Sorptionsrotor Die Speichermasse besteht aus Aluminium. Feuchte wird nur dann übertragen, wenn sich auf der Warmluftseite (Abluftseite) Kondensat bildet. Bei Sommerkonditionen ist die Feuchteübertragung also gering. Die Verwendung des Kondensationsrotors empfiehlt sich in Anlagen, bei denen keine Feuchteregelung und keine maschinelle Kühlung installiert sind. [57] Das Trägermaterial Aluminium ist mit einem Sorptionsmittel, beispielsweise Silicagel, beschichtet. Damit wird die Feuchte durch reine Sorption übertragen. Der Feuchtewirkungsgrad ist nur im geringen Maße von der relativen Luftfeuchte abhängig und somit über das ganze Jahr konstant, auch bei Sommerkonditionen. Die Verwendung des Sorptionsrotors ist für alle Anlagen mit Feuchteregelung und maschineller Kühlung zu empfehlen. [57] Umschaltspeicher Zwei Wärmepakete (Abbildung 4.15) werden wechselweise mit Außenluft und Abluft durchströmt. Durch eine spezielle Speichermasse kann Wärme schnell aufgenommen und wieder abgegeben werden. Diese Systeme erreichen Wärmerückgewinnungsgrade von über 0,9. [68] 64