Lufttransport in RLT-Anlagen von Büros und Labors*) Teil 1

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1 Michael Schmidt Fred Kolarik Gottfried Knabe* Jens Lampert Lufttransport in RLT-Anlagen von Büros und Labors*) Teil 1 Dieser Beitrag enthält Ergebnisse für den jährlichen Elektroenergieaufwand je eines typischen Büro- und Laborgebäudes. Das zugrunde liegende detaillierte Berechnungsverfahren ist in [1] beschrieben. Auf der Grundlage der Ergebnisse erfolgt die Ableitung der Kennzahlen für ein vereinfachtes Berechnungsverfahren in einem zukünftigen Blatt Lufttransport der VDI Transportation of air in air-conditioning systems in offices and laboratories This paper describes the results for annual energy consumption of a typical office- and laboratory-building. Keywords: pressure drop calculation, fan, air handling unit, transportation of air, annual energy consumption, economic efficiency calculation, offices, laboratory Büros Anlagenaufbau Ausgehend von einer Analyse [8] erfolgte die Festlegung einer typischen Beispielanlage für die Untersuchungen. Allen 7 analysierten Bürogebäuden gemeinsam ist, dass die raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) nur den hygienischen Luftwechsel sicherstellen und in den Räumen zusätzliche Anlagen zur Abfuhr der Wärme im Sommer (z.b. Kühldecken) bzw. zur Beheizung im Winter vorhanden sind. Der aus der Analyse ermittelte mittlere spez. Zuluftvolumenstrom von 6 m 3 /(h*m 2 ) entspricht dem nach DIN 1946 Teil 2 für Großraumbüros vorgeschriebenem Wert und wurde für das Beispiel übernommen. Es gibt einerseits Anlagen, die ein ganzes Hochhaus versorgen und andererseits Anlagen, die nur 4 bzw. 6 Geschosse eines Hochhauses bzw. einen Büroblock von mehreren versorgen. Da bei den analysierten Gebäuden Anlagen im Bereich von bis m 3 /h vorliegen, wurde für die zu untersuchende Anlage eine Gerätegröße von m 3 /h festgelegt. Die Anordnung der Zentralen geschieht annähernd zu gleichen Anteilen im Unter-, im Dachoder im Zwischengeschoss. Für den 4-geschossigen Büroblock des Beispieles wurde eine Anordnung des Zuluftgerätes im Untergeschoss und des Abluftgerätes im Dachgeschoss gewählt (Bild 1). Vorteile sind ein kleinerer Querschnitt des Installationsschachtes und die Vermeidung von Kurzschlussströmungen zwischen Fort- und Außenluft. Wärmerückgewinnung ist bei allen Gebäuden vorhanden und wurde bei dem Beispiel in Form eines Kreislaufverbundsystems berücksichtigt. Einen Befeuchter haben 5 Gebäude (meistens Sprühbefeuchter) und auch das Beispiel. Beachtenswert ist, dass in 4 Gebäuden je Büro Volumenstromregler oder motorische Klappen vorhanden sind, mit denen die Volumenströme an den jeweiligen Bedarf angepasst werden können. Das Beispiel hat Volumenstromregler je Büroeinheit (halbe Etage). Bei 3 Gebäuden der Analyse ist im Zuluftgerät nur eine einstufige Filterung vorgesehen. Diese reduziert den Druckverlust, erfordert aber auch kürzere Filterwechsel-Intervalle. Das Beispiel hat eine 2-stufige Filterung (EU 4, EU 7). Das Schema der Zuluftanlage des Beispiels ist in Bild 1 dargestellt. Die Abluftanlage besteht aus einem Gerät im Dachgeschoss und einem Kanalnetz, das je Raum über die Zwischendecke die Abluft erfasst. Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt, Dipl.-Ing. F. Kolarik, Universität Stuttgart, Lehrstuhl für Heiz- und Raumlufttechnik; Prof. Dr.-Ing. habil. G. Knabe (im April 2004 verstorben*), Dipl.-Ing. J. Lampert, TU Dresden, Institut für Thermodynamik und TGA *) erarbeitet im Rahmen des AiF-Forschungsvorhabens Bestimmung des Energiebedarfs Raumlufttechnischer Anlagen (BOLKA), gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, gewidmet dem Andenken an Prof. Knabe Bild 1: Schema Zuluftanlage des typischen Beispiels 296 F KI Luft- und Kältetechnik 8/2005

2 Tabelle 1: Bauteile des Zu- und Abluftgerätes Anlage Baugruppe Druckverlust in Pa Zuluft Abluft Taschenfilter EU WRG-Lufterwärmer (KV-System) 128 Taschenfilter EU Lufterwärmer 48 Luftkühler mit Tropfenabscheider 179 Sprühbefeuchter mit Tropfenabscheider 208 Ventilator (wird variiert) Lufterwärmer 26 Taschenfilter EU Ventilator (wird variiert) WRG-Luftkühler mit Tropfenabscheider (KV-System) 127 Der Aufbau des Zu- und Abluftgerätes ist aus Tabelle 1 ersichtlich. Die Druckverluste stammen von einer realen Anlage und sind gemäß einem Vergleich mit anderen Anlagen typisch für Bürogebäude. Die Strömungsgeschwindigkeit im lichten Querschnitt des Gerätes beträgt 2,2 m/s. Dieser Wert ist gemäß [2] für eine Anlage mit konstantem Volumenstrom und der bei Büros üblichen Betriebszeiten aus wirtschaftlicher Sicht optimal. Beachtenswert ist der hohe Druckverlust des Sprühbefeuchters. Bei einem Wirtschaftlichkeitsvergleich von Sprüh- und Dampfluftbefeuchter (Druckverlust ca. 10 Pa) ist dies mit zu berücksichtigen. Auch bei Einsatz einer Wärmerückgewinnung mit höherer Rückwärmzahl und höherem Druckverlust als die im Beispiel angenommene ist bei dem Wirtschaftlichkeitsvergleich der höhere Druckverlust von Bedeutung. Verluste im Auslegungsfall Es erfolgt zunächst eine Analyse der im Auslegungsfall auftretenden Druckverluste (Bild 2) und Verluste bezogen auf die aufgenommene elektrische Leistung (Bild 3) um Schwerpunkte für die Untersuchungen festzulegen. Die Anteile der Druckverluste (Bild 2) unterscheiden sich zwischen Zu- und Abluft, da bei der Zuluft ein wesentlich höherer Druckverlust im Gerät auftritt. Hauptverursacher des Druckverlustes sind das Gerät und die ungeregelten Bauteilen im Kanalnetz (z.b. Brandschutzklappe, Schalldämpfer). Werden diese Bauteile mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten ausgelegt ist eine wesentliche Reduzierung des Druckverlustes möglich. Weitere Möglichkeiten um die Druckerhöhung zu reduzieren sind Ventilatoren mit größeren Einund Austrittsflächen und strömungsgünstig gestaltete Formstücke. Die Verlustanteile an der aufgenommenen elektrischen Leistung unterscheiden sich nur unwesentlich zwischen Zu- und Abluft; es bestehen aber Unterschiede zwischen den Ventilatortypen (Bild 3). Bild 2: Anteile am Druckverlust im Auslegungsfall für Gehäuseventilator (bezogen auf Totaldruckerhöhung Zuluft 1540 Pa, Abluft 738 Pa) Bild 3: Verlustanteile für Zu- und Abluft zusammen (bezogen auf elektrische Leistungsaufnahme der FU W [Gehäuseventilator] bzw W [Freilaufendes Rad]) Beim Gehäuseventilator mit Keilriemenantrieb liegt eine höhere hydraulische Leistung (höhere Einbauverluste), ein geringerer Verlust im Ventilator (höherer Wirkungsgrad) und ein zusätzlicher Verlust infolge des Keilriemenantriebes vor. Der bei marktüblichen Motoren auftretende Verlust von % ist relativ hoch und durch Motoren mit höherem Wirkungsgrad reduzierbar. Betriebsweisen und Regelstrategien Für folgende Betriebsweisen erfolgt die Berechnung des Jahresenergieaufwandes (vgl. Bild 4): konstanter Volumenstrom () 7 18 Uhr 2-stufiger Volumenstrom mit 50 % Volumenstrom von 7 8, und Uhr variabler Volumenstrom (VVS) in Abhängigkeit der CO 2 -Konzentration in der Abluft. Für die Personenbelegung gelten bei VVS die Tages- und Jahresgänge aus [3]. Für den Zeitraum eines Jahres ergeben sich die Verhältnisse von mittlerem zu maximalem Volumenstrom in Tabelle 2. F KI Luft- und Kältetechnik 8/

3 Tabelle 2: Verhältnis mittlerer zu maximaler Volumenstrom V _ V_ N 1 2-stufig 0,818 VVS 0,702 Die Unterschiede beim Mittelwert des Volumenstromes zwischen den Betriebsweisen sind hoch. Da die Leistungsaufnahme bei typischen Anlagen mit einem Exponenten zwischen 1,5 und 2,2 proportional zum Volumenstrom ist, fallen die Unterschiede beim jährlichen Elektroenergieaufwand noch größer aus (Bild 5). Es wurde von der in Bild 1 dargestellten RLT-Anlage mit Volumenstromreglern je Büroeinheit (halbe Etage) ausgegangen, bei der ein Umschalten bzw. Regeln der Volumenströme mit den Volumenstromreglern erfolgt. Die Regelung des Ventilators erfolgt nach dem Druck im Kanalnetz, nach den Regelstrategien gemäß [1]: Regelung nach konstantem Druck am Gerät Regelung nach konstantem Druck vor dem ungünstigsten Volumenstromregler ideale Regelung (bei 2-stufig durch 2 Sollwerte, bei VVS mit Daten von allen Volumenstromreglern) Bei der Betriebsweise 2-stufig sichert ein Gerät bei Programmierung von unterschiedlichen Drucksollwerten je Stufe eine ideale Regelung und den geringsten jährlichen Elektroenergieaufwand (minimalen Mehrleistungen bei der Programmierung). Bei der Betriebsweise VVS hat die Variante mit Drucksensor vor dem letzten Volumenstromregler die besten Chancen sich in der Praxis durchzusetzen. Diese ermöglicht Einsparungen in Höhe von ca. 7 % gegenüber einem am Gerät angeordneten Sensor und erfordert nur eine umfangreichere Verkabelung bzw. bei sternförmigen Netzen 2 3 Sensoren und die Programmierung einer Schlechtpunktauswahl. Die ideale Regelung bei VVS erfordert die Aufschaltung von Ausgangssignalen aller Volumenstromregler (Klappenstellung oder Differenz zwischen Ist- und Sollvolumenstrom). Dies ist ein erheblicher Mehraufwand bei der Erstellung der Anlage und ermöglicht eine zusätzliche Energieeinsparung von ca. 5 %. Bild 4: Verlauf des spez. Zuluftvolumenstromes für einen Tag mit der maximalen Personenbelegung Bild 5: Unterschiede zwischen den Betriebsweisen und Regelstrategien für die Zuluftanlage Bei RLT-Anlagen ohne Volumenstromregler ist alternativ eine Reduktion des Volumenstroms am Ventilator mit Hilfe von polumschaltbaren Motoren (stufig) bzw. mit Frequenzumformern (stetig) möglich. Dabei bleibt die Aufteilung der Volumenströme auf die Räume nahezu konstant. Dies wurde sowohl rechnerisch als auch durch messtechnische Untersuchung in einem Bürogebäude nachgewiesen. Ventilatortypen Welcher Ventilatortyp vorteilhaft ist, hängt stark von der Totaldruckerhöhung des Ventilators ab. Diese beträgt bei dem Beispiel mit Gehäuseventilator für den Auslegungsfall in der Zuluft 1540 Pa und in der Abluft 738 Pa. Tabelle 3 zeigt den Vergleich von drei Ventilatortypen für die Zuluft. Alle Typen sind Hochleistungs-Radialventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln. Beim Gehäuseventilator mit Keilriemen handelt es sich um einen zweiseitig saugenden Ventilator mit Spiralgehäuse, bei dem die Strömung vor den seitlichen Eintrittsöffnungen um 90 umgelenkt wird. Im Unterschied dazu ist beim Gehäuseventilator mit Direktantrieb der Motor seitlich neben dem Ventilator angeordnet. Diese Variante kommt relativ selten zum Einsatz, da die Ventilatorkammer im Zentral-Gerät oft zu schmal ist. Einige Hersteller realisieren aus diesem Grund Geräte, bei denen die Ventilatorkammer auf der Bedienseite vorsteht. Beim Freilaufenden Rad ist das Laufrad direkt auf der Motorwelle montiert. Die Zuströmung erfolgt ohne Umlenkung. Es liegen die Kennfelder der Fabrikate und Typen zugrunde, die gemäß einer Recherche jeweils den weitesten Entwicklungsstand darstellen und in Deutschland häufig in Zentral-Geräten von RLT-Anlagen im Volumenstrombereich 5000 bis m 3 /h eingesetzt werden. Beim Gehäuseventilator mit Keilriemenantrieb tritt gegenüber dem Direktantrieb ein zusätzlicher Verlust infolge des Riemenantriebes auf. Der Wirkungsgrad des Riemenantriebes beträgt bei 93,0 % und bei VVS 89,0 %. Beim Freilaufenden Rad ist der Eintrittsverlust annähernd Null und der Austrittsverlust gegenüber dem Gehäuseventilator etwas geringer. Dies führt zu einer niedrigeren Totaldruckerhöhung im Ventilator (bei um 4,4 %). Der Totalwirkungsgrad ist beim Freilaufenden Rad aber geringer (bei um 2,7 %). Beide Einflüsse heben sich in diesem Beispiel 298 F KI Luft- und Kältetechnik 8/2005

4 Tabelle 3: Vergleich von drei Ventilatortypen im Zuluftgerät Gehäuseventilator mit Keilriemenantrieb Gehäuseventilator mit Direktantrieb Freilaufendes Rad Dp Druckkammer Saugkammer in Pa Einbauverluste am Ventilatoreintritt in Pa 1 ) Einbauverluste am Ventilatoraustritt in Pa 1 ) wie Gehäuseventilator mit Direktantrieb Dp t in Pa Totalwirkungsgrad () bzw. Jahresnutzungsgrad 81,7 % 79,3 % 79,0 % 77,8 % (VVS) unter Prüfstandsbedingungen g 2 t ) Wirkungs- bzw. Nutzungsgrad des Riemenantriebes g 2 R ) 93,0 % 89,0 % 100,0 % 100,0 % 100,0 % 100,0 % Motorwirkungs- bzw. Nutzungsgrad g 2 M ) 86,5 % 85,0 % 86,5 % 85,0 % 86,5 % 84,9 % Wirkungs- bzw. Nutzungsgrad des Frequenzumformers g FU 96,0 % 96,0 % 96,0 % 96,0 % 96,0 % 96,0 % jährlicher Elektroenergieaufwand in kwh/jahr jährlicher Elektroenergieaufwand des jeweiligen Ventilatortypes bezogen auf Gehäuseventilator mit Direktantrieb in % 107,5 % 112,4 % 100,0 % 100,0 % 98,8 % 98,1 % 1 ) bei VVS Mittelwert über ein Jahr, beim Gehäuseventilator am Eintritt f v,ein = 1,2 für Riemenscheibe bzw. Kupplung sowie Einfluss der Gerätewand und am Austritt f v,aus = 1,25 für dyn. Unterschied ist Antrieb Unterschied ist Spiralgehäuse Verlust sowie Stausieb, beim Freilaufenden Rad kein Eintrittsverlust und am Austritt f v,aus = 1 für dyn. Verlust 2 ) bei VVS mit Jahresarbeiten berechnet nahezu auf, so dass die zwei Ventilatoren mit Direktantrieb annähernd gleichwertig sind. Entscheidend für die Beurteilung der Ventilatortypen ist der jährliche Elektroenergieaufwand (vgl. Tabelle 3). Für die Abluft ergeben sich die gleichen Tendenzen. Ventilator-Baugrößen Die Untersuchung erfolgt anhand der Gehäuseventilatoren, da bei diesem Typ die Festlegung einer kleineren Baugröße einen wesentlichen Anstieg des jährlichen Elektroenergieaufwandes verursacht. Tabelle 4 enthält die Ergebnisse für die Zuluft. Unterschiede zwischen den Baugrößen bestehen bei den Einbauverlusten und beim Totalwirkungsgrad bzw. Nutzungsgrad. Die Einbauverluste nehmen mit steigender Baugröße ab (vgl. Tabelle 4) und sind bei der Baugröße 560 am geringsten. Bezüglich des Totalwirkungsgrades ist bei die Baugröße 500 und bezüglich des Nutzungsgrades bei VVS auch die Baugröße 500 optimal. Beim Vergleich der Wellenleistung bzw. des jährlichen Elektroenergieaufwandes (vgl. Tabelle 4) werden beide o.g. Einflussgrößen berücksichtigt. Bei haben die Einbauverluste einen hohen Einfluss, so dass die Baugröße 560 einen geringeren jährlichen Elektroenergieaufwand aufweist. Eine Auswahl nach dem Totalwirkungsgrad hätte die Baugröße 500 ergeben und somit einen um 2,5 % höheren jährlichen Elektroenergieaufwand. Im Ventilatorkennfeld ist zwischen der Baugröße, deren Arbeitspunkt im Auslegungsfall am nächsten über der Linie mit dem max. Wirkungsgrad liegt (hier 560) und der, deren Arbeitspunkt sich am nächsten unter der o.g. Linie befindet (hier bei 500 genau auf der Linie), bei in der Regel die erstere auszuwählen. Bei dieser Baugröße sind die Einbauverluste am Ventilatorein- und -austritt und somit die Totaldruckerhöhung geringer. Die kleinere Baugröße 450 mm verursacht bei akzeptablen Totalwirkungsgraden einen deutlichen Mehraufwand (: 14,4 %, VVS: 9,2 %). Die Ursachen sind die hohen Einbauverluste (: 364 Pa). Der Planer sollte demzufolge in Ausschreibungen für den Arbeitspunkt nicht eine Untergrenze für den Totalwirkungsgrad sondern eine Obergrenze bei der Wellenleistung des Ventilators bzw. noch besser bei der elektrischen Leistungsaufnahme des Frequenzumformers definieren. Diese Größe lässt sich in der Praxis auch am einfachsten überprüfen (Zangenamperemeter). Für die Abluft ergeben sich die gleichen Tendenzen. Motoren Bei den o.g. Berechnungen liegen marktübliche Motoren zugrunde (Marktanalyse in [4]). Es sind aber auch Motoren der Effektivitätsklasse EFF1 verfügbar, deren Wirkungsgrad in Bild 6 oberhalb der Grenzlinie EFF1-EFF2 liegt. Berücksichtigt man die Differenz zwischen den zwei Kurven in Bild 6 ist bei der Zuluft eine Verbesserung des Motorwirkungsgrades von 86,5 auf 91 % und F KI Luft- und Kältetechnik 8/

5 Tabelle 4: Vergleich von drei Gehäuseventilator-Baugrößen im Zuluftgerät Baugröße 450 Baugröße 500 Baugröße 560 Dp Druckkammer Saugkammer in Pa Einbauverlust am Ventilatoreintritt in Pa 1 ) Einbauverlust am Ventilatoraustritt in Pa 1 ) Dp t in Pa Totalwirkungsgrad () bzw. Jahresnutzungsgrad (VVS) 81,5 % 81,6 % 84,1 % 82,8 % 81,7 % 79,3 % unter Prüfstandsbedingungen h 2 t ) jährlicher Elektroenergieaufwand in kwh/jahr 3 ) jährlicher Elektroenergieaufwand der jeweiligen Baugröße bezogen auf Baugröße 560 in % 114,4 % 109,2 % 102,5 % 100,3 % 100,0 % 100,0 % 1 ) bei VVS Mittelwert über ein Jahr " " 2 ) bei VVS mit Jahresarbeiten berechnet bei und VVS 3 ) bei allen Baugrößen gilt bei g R = 93,0 %, g M = 86,5 % Baugröße 560 optimal bei der Abluft von 83 auf 88 % möglich. Bei der Zuluft ist damit der jährliche Elektroenergieaufwand auf 95,1 % und bei der Abluft auf 94,3 % reduzierbar. Diese relativ hohen Einsparungen rechtfertigen aus wirtschaftlichen Gründen auch höhere Investitionskosten für den Motor (Wirtschaftlichkeitsberechnung). Bei der geringen Motorleistung des Abluftventilators von 3,9 kw ist mit einem EC-Motor mit Kommutiereinheit i.r. noch ein um ca. 1 % höherer Motorwirkungsgrad als nach der Grenzlinie EFF1-EFF2 erreichbar. Im Rahmen des Folgeprojektes BOLKA II werden zurzeit Bürogebäude mit dezentralen Fassadenlüftungsgeräten betrachtet [9]. Es erfolgt auch ein Vergleich von Bürogebäuden mit zentraler RLT-Anlage und mit dezentralen Fassadenlüftungsgeräten. Literatur [1] Knabe, G.; Lampert, J.; Schmidt, M.; Kolarik, F.: Rechenverfahren für den Energieaufwand des Lufttransports in RLT-Anlagen. KI Luft- und Kältetechnik 39 (2003) 10, S [2] Lampert, J.: Wirtschaftlichkeitsberechnung für den Lufttransport in RLT-Anlagen. HLH Heizung Lüftung/Klima Haustechnik 53 (2002) 7, S [3] SWKI (Schweizerischer Verein von Wärme- und Klima-Ingenieuren) 95-3 Juli Jährlicher Energiebedarf von lüftungstechnischen Anlagen [4] Beck, E.: Energieverbrauch, -einsparpotential und -grenzwerte von Lüftungsanlagen. Kassel, Universität und Gesamthochschule Kassel, Fachbereich Architektur, Diss., 2000 [5] Anschütz, J.: Die Regelbarkeit von Ventilatoren für den Einsatz in Klimageräten. CCI (1998) 2, S [6] Reichert, E.: Zuarbeit Wirkungsgrade von EC-Motoren kleinerer Ventilatoren mit u.a. ebm-papst Mulfingen GmbH & Co. KG: Folien Grundlagen zu Motorbauarten und Neuentwicklungen EC-Energiesparriesen. Mulfingen, Firmenschrift [7] Bach, H. u.a.: Forschungsvorhaben RE- LAB: Energieeinsparung in Laboratorien durch Reduzierung der Luftströme Empfehlungen für die Auslegung und den Betrieb der lufttechnischen Einrichtungen. Stuttgart: Verein der Förderer der Forschung im Bereich Heizung- Lüftung-Klimatechnik Stuttgart e.v., Schlussbericht [8] Schmidt, M.; Kolarik, F.; Knabe, G.; Lampert, J.: Forschungsvorhaben BOL- KA: Bestimmung des Energiebedarfs Raumlufttechnischer Anlagen. Stuttgart: Lehrstuhl für Heiz- und Raumlufttechnik Universität Stuttgart, Dresden: Institut für Thermodynamik und TGA Technische Universität Dresden, Schlussbericht [9] Schmidt, M.; Kolarik, F.; Richter, W.; Lampert, J.: Forschungsvorhaben BOL- KA II: Bestimmung des Energiebedarfs Raumlufttechnischer Anlagen. Stuttgart: Lehrstuhl für Heiz- und Raumlufttechnik Universität Stuttgart, Dresden: Institut für Thermodynamik und TGA Technische Universität Dresden, Zwischenbericht Bild 6: Vergleich der Motorwirkungsgrade Schlüsselwörter Druckverlustberechnung Ventilator Lüftungsgerät Lufttransport Jahresenergieaufwand Wirtschaftlichkeitsberechnung Büros Labors 300 F KI Luft- und Kältetechnik 8/2005