Klima KLIMA. Klimaanlagen haben viele Aufgaben. Anforderungen an Klimaanlagen. Klimatische Anforderungen in Produktion und Fertigung

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1 Klima Gerade in Räumen mit vielen Menschen und Elektrogeräten ist die Raumluft ein entscheidender Faktor für das Arbeitsklima. Klimaanlagen sorgen dafür, dass keine dicke Luft entsteht. KLIMA Klimaanlagen haben viele Aufgaben Klimaanlagen sollen unabhängig von äußeren und inneren Einflüssen ein optimales Raumklima herstellen. Klimatisieren ist also ein Prozess der Luftbehandlung. Verschiedene technische Einzelverfahren kommen in einer Klimaanlage zur Anwendung: Erwärmung der Raumluft Kühlung der Raumluft Erneuerung der Raumluft Luftreinigung Ent- und Befeuchtung der Raumluft Klimaanlagen werden hauptsächlich in Räumen eingesetzt, in denen Menschen arbeiten. Der Einsatz von raumlufttechnischen Anlagen ist ein Wachstumsmarkt. Immer mehr Gebäude vor allem Neubauten sind heute mit Klimaanlagen ausgerüstet. Die intensive Nutzung von leistungsstarken EDV-Anlagen und die damit verbundenen Wärmelasten werden dabei besonders im Sommer zum Problem. Auch der Wärmeschutz durch besser gedämmte Gebäude führt zu einer Verlagerung in den Energieströmen. Es wird zwar weniger geheizt, aber dafür mehr gekühlt und gelüftet. Neben der Vollklimatisierung werden auch lüftungstechnische Anlagen als Teilklimatisierung angewendet. Diese beinhalten dann nur zwei oder drei der oben beschriebenen Einzelverfahren. Anforderungen an Klimaanlagen Klimaanlagen müssen dem Menschen ein Gefühl von Behaglichkeit an ihrem Arbeitsplatz geben. Das Behaglichkeitsgefühl ist subjektiv und wird sehr unterschiedlich empfunden. Die Bandbreite der Meinungen über klimatisierte Räumlichkeiten ist groß. Die empfundene Temperatur, die Luftfeuchte, die Luftgeschwindigkeit und die Reinheit der Luft (Luftqualität) sind die bestimmenden Faktoren. Die Luftqualität wird beeinflusst durch den Anteil an Außenluft sowie durch schädliche und belästigende Gase, die am Arbeitsplatz entstehen können bzw. durch die Außenluft eingebracht werden. Klimatische Anforderungen in Produktion und Fertigung Die einzuhaltende Raumlufttemperatur bewegt sich gewöhnlich zwischen 18 und 30 Grad Celsius. Dabei ist zu unterscheiden zwischen einer angestrebten Temperatur (die während des Sommers auch höher liegen kann) und einer jahreszeitlich unabhängigen Temperatur, die bei der Erzeugung eines Produkts eingehalten werden muss. Die relative Luftfeuchtigkeit ist in produktionstechnischen Räumen und Lagern von Bedeutung. Sie kann zwischen 25 und 85 Prozent liegen. Muss aus fertigungstechnischen Gründen der Feuchtigkeitsgehalt über das ganze Jahr hinweg konstant bleiben, reicht eine einfache Lüftungsanlage 28

2 nicht aus. Die Klimaanlage muss dann mit einer Be- und Entfeuchtung versehen sein. Elektrische Betriebsmittel in raumlufttechnischen Anlagen zeichnen sich häufig durch hohe Leistungen aus, die einen deutlichen Beitrag zum Produktivitätsmaximum des Gebäudes leisten. Zu nennen sind hier die Baugruppen Kompressionskälteanlagen (inklusive der Kühleinrichtungen), elektrisch betriebene Dampfbefeuchter, Ventilatoren sowie Pumpen. In vielen Räumen, wie im Papierlager dieser Druckerei, müssen Luftfeuchtigkeit und Temperatur aus produktionstechnischen Gründen konstant bleiben. In Laboratorien, Messräumen oder in Arbeitsräumen, in denen hochwertige Produkte gefertigt werden, ist die Anforderung an die Reinheit der Luft besonders hoch. Dort müssen spezielle Luftfilter installiert werden. Luftfilter müssen sorgfältig ausgewählt und gewartet werden, denn sie sind mitverantwortlich für etwaige Druckverluste in der Anlage. Bei Druckverlusten steigen die Kosten für den Lufttransport erheblich. Messen schafft Sicherheit Klimaanlagen sind Großverbraucher. Lange Benutzungszeiten und die leistungsstarken Komponenten sind für einen hohen Gesamtenergieverbrauch verantwortlich. Die Beurteilung, ob eine Klimaanlage effizient betrieben wird oder nicht, lässt sich allgemein anhand von Anlagendaten, wie dem Alter und dem Zustand der Anlage, sowie technischen Daten herleiten. Eine qualifizierte und auf eine Lösung hinweisende Aussage lässt sich jedoch nur durch individuelle Messungen treffen. Energieverbrauch von Klimaanlagen Der Energieaufwand für die Klimatisierung wird durch die Wahl des Außenluftvolumenstroms zur Sicherung der hygienischen Anforderungen sowie durch die Festlegung der Raumlufttemperatur und -feuchte bestimmt. Je nach Auslegung der Klimatisierung kommen verschiedene elektrische Verbraucher hinzu. Die Kühlung von Luft ist besonders energieaufwändig. Die Wirtschaftlichkeit einer Anlage wird durch kontinuierliche Messung und Überprüfung der grundlegenden Leistungsdaten sichergestellt. 29

3 Bei diesen Messungen werden die tatsächlichen Luftmengen (Volumenströme) und die Druckverluste erfasst und den ausgelegten Volumenströmen, die gemäß DIN erforderlich sind, gegenübergestellt. Sie können direkt über ein Hitzedrahtanemometer (Windmesser) gemessen werden oder indirekt, beispielsweise über die Drehzahlen der Ventilatoren. Demgegenüber werden Messungen der eingesetzten elektrischen Energie in Form der Leistungsaufnahme der Motoren gestellt. Der Vergleich mit Kennzahlen gibt Auskunft über die Effizienz und den Wirkungsgrad der Anlage und weist auf etwaige Problemfelder hin. Planungsbüros, die sich auf dieses Thema spezialisiert haben, bieten solche Messungen an und können auf Grund ihrer Erfahrungen Anlagenmängel analysieren. Faktoren für erhöhten Energieverbrauch Die Anlagenkomponenten und Luftfördermengen bestimmen den Energieverbrauch. Folgende Parameter führen zu einer Erhöhung von Verbrauch und Kosten: Zu hohe Luftwechselraten bzw. Volumenströme Druckabfall durch falsch dimensioniertes Kanalnetz, abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit in den Querschnitten und Längen Druckabfall durch hohen Luftwiderstand auf Grund verschmutzter Luftfilter Die Einschaltdauer der verschiedenen technischen Einzelverfahren Veränderte Betriebsabläufe ohne Anpassung der Luftmengen und Zeiten Mit Hilfe von Spezialmessgeräten lässt sich ermitteln, ob im System zu viel Luft bewegt wird und dadurch ein Energieverlust entsteht. Klima Lüftungsbedarf und Druckverluste Klimaanlagen sollen verbrauchte Luft gegen frische austauschen. Der Energieverbrauch wird maßgeblich durch die Luftwechselrate (Häufigkeit des Luftaustausches im Raum) bestimmt. Unnötiger Luftaustausch ist ein Verlust, da die Luft ohne Nutzen durch die Kanalsysteme gefördert wird. Besonders bei extremen Außentemperaturen ist es unter Berücksichtigung der Luftqualität sinnvoll, den Zuluftstrom möglichst zu reduzieren. Die Luft muss sonst extrem aufgeheizt bzw. heruntergekühlt werden. Wird der Zuluftstrom nicht reduziert, steigen die Energiekosten beträchtlich. 30

4 Senkung der Druckverluste Druckverluste sind ein weiterer Stromkosten- Faktor. Deshalb gilt es, sie im Kanalnetz der Anlage zu reduzieren. Die Druckverluste setzen sich zusammen aus Verlusten durch Kanalreibungen und durch Widerstände wie z. B. Wetterschutzgitter, Formstücke, eingebaute Heizregister, Schalldämpfer oder Luftfilter. Maßnahmen zur Beseitigung dieser Schwachstellen können die Betriebskosten für Luftförderung deutlich senken. Der Einbau von Leitblechen kann Druckverluste minimieren. Negativ wirken sich häufig Ventilatordruckkammern und Brandschutzklappen auf das Strömungsverhalten aus. Aber auch hier gilt zunächst: Durch Anpassung und Reduzierung der Volumenströme lassen sich die Druckverluste am effektivsten verringern. Drehzahl anpassen Eine Veränderung der Luftmengen bzw. eine Verbesserung der Druckverhältnisse erfordert auch eine Anpassung der Ventilatorendrehzahlen. Haben sich die Gegebenheiten geändert und die Drehzahl wird nicht angepasst, steigt der Luftvolumenstrom und der Ventilatorwirkungsgrad verschlechtert sich mit dem Ergebnis, dass der Energieverbrauch sogar noch ansteigt. Bedarfsgerechte Steuerung und Regelung In vielen Räumen ändert sich die Belegung innerhalb des Tages stark. Auch über eine Woche betrachtet, kann die Nutzung sehr unterschiedlich sein. Eine Anpassung der Klimaanlage erfolgt meistens nicht. In Zeiten mit reduzierter Belegung kann die Belüftung über Fenster ohne wahrnehmbare Einbußen der Raumluftqualität ausreichen bzw. kann die Klimaanlage zeitweise mit einer geringeren Luftmenge, d. h. mit reduzierter Drehzahl, betrieben werden. Eine Klimaanlage muss nicht zwangsläufig im Gebäude eingebaut werden, sondern kann auch, wie hier auf dem Flachdach des Hamburger Schmidt Theaters, außerhalb des Gebäudes liegen. Als bedarfsgerechte Lüftung bezeichnet man eine optimierte Betriebsweise, bei der mittels Sensoren und Steuer- und Regeleinheiten in den unterschiedlichen Lastzuständen die Belüftung entsprechend dem Lufterneuerungsbedarf erzielt wird. Wesentliche Elemente der Bedarfslüftung sind die Berücksichtigung von thermischen Schwankungen und die Reduzierung des Volumenstroms bis zur zeitweiligen Abschaltung der Anlagen. Sensoren (z.b. CO 2 -Sensoren oder Mischgas- Sensoren) erfassen die Luftqualität objektiv. Über das vorgeschaltete Steuer- oder Regelgerät kann dann die entsprechende Volumenstromänderung vorgenommen werden. 31

5 Die einfachste Art der Anpassung des Lüftungsbetriebs an den Bedarf ist die einfache Ein- und Ausschaltung. Sie kann mit folgenden Betriebsmitteln erfolgen: Handschalter Wird beim Betreten oder Verlassen des Raumes betätigt. Die Wirksamkeit des Handschalters steht und fällt mit der Disziplin der Benutzer. Zeitschaltuhr Bei Nutzungen mit definiertem Tages- und Wochengang leistet eine Zeitschaltuhr mit wenig Aufwand wertvolle Dienste. Fenster- und Türkontakt Bei geöffneten Fenstern stellt der Betrieb einer Lüftungsanlage eine unnötige Energieverschwendung dar. Mit Fenster- und Türkontakten kann ein automatisches Ausschalten der Lüftungsanlage beim Öffnen der Fenster erreicht werden. Bewegungs- und Präsenzmelder Die Anwesenheit von Personen in einem Raum kann mit Bewegungs- (Infrarot) und Präsenzmeldern zuverlässig erfasst werden. Dieses Signal kann von einer Steuerung verwendet werden, um die Lüftungsanlage einbzw. auszuschalten. Einsparpotenziale Durch einen optimierten Anlagenbetrieb lassen sich die Betriebskosten reduzieren. Anpassung der Luftwechselrate an den tatsächlichen Bedarf Komponenten mit guten Wirkungsgraden Bedarfsgerechte Regelung und Steuerung sowie zeitliche Abschaltungen der Anlagen Druck- und Strömungsverluste minimieren, besonders auch durch eine Optimierung der Luftmengen Anpassung der Ventilatordrehzahlen an den Bedarf Filterwartung Kühlen mit der Außenluft Besonders in der Übergangszeit bietet es sich an, die Außenluft zur Kühlung einzusetzen, um Kosten zu sparen. Durch Nutzung eines Wärmetauschers für die Außenluftkühlung kann eine Außentemperatur von bis zu 9 Grad Celsius zur Kühlung genutzt werden. Eisspeicher Eine außergewöhnliche Technik stellen die Eisspeicher dar. Durch raffinierte Betriebskonzepte lassen sie sich in eine Klimaanlage integrieren. Das Prinzip ist einfach. Der Kältemaschinenbetrieb mit seinen hohen elektrischen Anschlussleistungen ist kostspielig, weil er durch den teureren Tagstrom gespeist wird und zusätzlich hohe Leistungskosten entstehen. Die Verlagerung in die Nacht würde es erlauben, den günstigeren Nachtstrom zu nutzen und die Kälteproduktion zumindest teilweise aus der leistungsrelevanten Zeit zu bekommen. Der Verdampfer einer Kältemaschine ist in einen Wasserbehälter integriert. Das zirkulierende Kältemittel verdampft und entzieht dem Wasser die Wärme. Es bildet sich ein Eismantel, 32

6 Klima der das Eiswasser auf 0 Grad Celsius bis 1,5 Grad Celsius herunterkühlt. Die mit dicken Dämmschichten ausgestatteten Eisspeicher können erhebliche Abmessungen annehmen. Man braucht also etwas Platz. Die Erzeugung der Kälte in den kühlen Nachtstunden bringt einen zusätzlichen energetischen Vorteil. Wenn die Kälte am Tage benötigt wird, kann sie dem Eisspeicher entnommen werden. Der Betrieb erfordert einen zusätzlichen regelungstechnischen Aufwand. Mit Wärmetauschern kann die Wärme, die noch in der Abluft enthalten ist, zurückgewonnen werden. Für welches System der Wärmerückgewinnung ein Betrieb sich entscheidet, hängt vom jährlichen spezifischen Energieverbrauch einzelner Komponenten ab. Diese betrieblichen Einflussgrößen sind z. B. der Energieverbrauch der Maschinen und der Beleuchtung sowie die gebäudespezifischen Verluste etwa durch Lüftung und Fensterfugen. Es werden grundsätzlich drei technische Verfahren zur Wärmerückgewinnung eingesetzt: Kreislaufverbundsystem Wärmerohr Kreuzstrom-Wärmetauscher Sie haben unterschiedliche Wirkungsgrade. Welches Verfahren sich am besten eignet, hängt von den anlagenspezifischen Gegebenheiten ab. Es lohnt sich, den nachträglichen Einbau von Wärmerückgewinnungsanlagen in alte Anlagen zu prüfen. Erforderlich ist in jedem Fall ein stimmiger Wärmebedarf. Der Eisspeicher nutzt den günstigen Nachstrom, um Kälte zu erzeugen, die dann am Tage zur Verfügung steht, und vermeidet so teure Stromspitzen. Bedingt durch die individuellen Leistungspreise der Energieversorger muss die Wirtschaftlichkeit von Eisspeichersystemen im Einzelnen geprüft werden. Der Einsatz lohnt sich in der Regel nur bei größeren Anlagen. Wärmerückgewinnung Regelmäßige Kontrolle der Klimaanlagen Zur Überprüfung, ob eine Klimaanlage wirtschaftlich und verlässlich läuft, sind die Verbrauchszahlen der Einzelkomponenten Wärme, Kälte, Strom, Luftförderung, Wasser und Dampf zu kontrollieren. Besonders bei großen Gebäuden und in der Industrieklimatisierung können energetische Schwachstellen nur durch kontinuierliche Einzelanalysen festgestellt werden. Eine pauschale Ermittlung des Energieverbrauchs nützt wenig. Lüftungs- und Klimaanlagen werden oft schlecht gewartet. Neben dem daraus resultierenden Mehrverbrauch bergen sie Risiken für gesundheitliche Gefährdungen. Experten fordern jährliche Inspektionen der Anlagen. Ein hygienisches Problem entsteht besonders dann, wenn die angesaugte Frischluft beund entfeuchtet wird. Im Tauwasser können sich Bakterien und Schimmelpilze vermehren. 33

7 Durch den Luftstrom werden sie abgerissen und in die Räume getragen. Betriebstechnische Maßnahmen Schon durch einfache betriebstechnische und organisatorische Maßnahmen kann der Energieverbrauch von Klimaanlagen reduziert werden. Diese Maßnahmen lassen sich überwiegend ohne oder mit nur geringen Investitionen durchführen. Die Betriebszeit und die erforderliche Luftmenge einer Klimaanlage ist abhängig von betrieblichen Veränderungen. Nicht selten werden ganze Räume anders genutzt. Ist dies der Fall, muss die Klimaanlage den neuen Gegebenheiten angepasst werden. Änderungen der internen Wärmelasten oder zu hohe Personenangaben in einem Großraumgebäude beeinflussen den tatsächlichen Bedarf. Diese Änderungen sollten in der Anlage berücksichtigt werden. In Bereichen, in denen Klimaanlagen nicht benötigt werden, sollten sie ganz oder zumindest teilweise abgeschaltet werden. Nur Aufenthaltsbereiche sollten klimatisiert werden. Der Anlagenbetrieb sollte mit speziellen Nachtund Wochenendprogrammen gesteuert werden. Die Ein- und Ausschaltzeiten sind dabei abhängig vom Aufheiz- und Abkühlverhalten des jeweiligen Gebäudes. Einflussfaktoren sind die Außentemperatur, die Gebäudearchitektur und die Speicherfähigkeit der unterschiedlichen Baumaterialien. Durch die Installation einer Anheizschaltung mit ausschließlichem Umluftbetrieb statt der Zuführung von Außenluft lässt sich diese Betriebsweise energetisch verbessern. Gleichzeitig verkürzen sich die Anheizzeiten. Bei hohem Außenluftanteil sind dadurch die Einsparungen erheblich. Richtige Beleuchtung spart Geld Große Beleuchtungsanlagen belasten mit der Wärmemenge, die sie abgeben, die Klimaanlagen. Die Ausrichtung der Arbeitsplätze auf Fensterbereiche mit natürlichem Licht hin sowie die Verwendung von Leuchten mit elektronischen Vorschaltgeräten helfen die Wärmelasten verringern. Mit entsprechenden Steuerungssystemen kann dieser Vorgang automatisiert werden. Auf diese Weise wird nicht nur der Energieaufwand für die Luftkühlung im Sommer, sondern auch für die Beleuchtung reduziert. Große Glasflächen und umfangreiche Rechneranlagen produzieren viel Wärme und machen so den Einsatz von Klimaanlagen in vielen Bürogebäuden notwendig. Klimagerechtes Bauen Ebenso wie die optische Wirkung außen und innen oder die akustische Raumwirkung ist auch ein gutes Raumklima eine Grundaufgabe der Gebäudekonstruktion. Vielfach wird diese Aufgabe von den Architekten allerdings vernachlässigt. Die Formung und Gestalt der Gebäude erfolgt eher nach ästhetischen Gesichtspunkten. Bereits mit dem Entwurf eines Gebäudes werden aber wesentliche Größen für das 34

8 Raumklima festgelegt. Je weniger dieser Größen (Heizen, Kühlen, Klimatisieren) gebraucht werden, desto mehr nähert man sich einer klimagerechten Bauweise an. Künstlich verursachte Überhitzung, z. B. durch große Glasflächen und fehlenden außen liegenden Sonnenschutz sowie große thermische innere Lasten, kann nur über aufwändige Lüftungs- und Klimaanlagen ausgeglichen werden, die mit umweltbelastender elektrischer Energie betrieben werden. Hohen Investitionskosten stehen entsprechend hohe Nutzungskosten (Betrieb, Unterhalt und Erneuerung) gegenüber. Die kumulierten Folgekosten übertreffen oft schon nach wenigen Jahren die Investitionskosten. Simulation Für den Neubau bietet sich an, so genannte Simulationsmodelle zu erstellen. Gebäudesimulationen bilden mithilfe von komplexen EDV-Programmen einzelne Räume bis hin zu ganzen Gebäuden klimatisch ab. Sie berechnen das thermische Verhalten des Gebäudes unter Berücksichtigung der inneren und äußeren thermischen Raumbelastungen, der bauphysikalischen Gegebenheiten, der Sonnen- und Schattenwirkungen und anderer Einflüsse. Vielfach kann durch bautechnische oder andere geeignete Maßnahmen der Aufwand für eine raumlufttechnische Anlage reduziert werden oder es kann ganz darauf verzichtet werden. Schon bei der Planung sind die geeigneten Maßnahmen zu ergreifen. Welche das sind, weisen individuelle Simulationsrechnungen aus. Empfohlene Vorgehensweise Die nächsten Schritte zu Einsparungen bei der Klimaanlage wären: Eigene Analyse der Klimaanlage Anlage veraltet? Veränderungen der Verbrauchswerte (Wasser, Kälte, Strom, Luft, Wasser, Dampf) feststellbar? Notwendigkeit des Dauerbetriebs gegeben? Nutzerzufriedenheit? Inanspruchnahme von Fachleuten Kostenloser Erst-Check und individuelle Einzelberatung vor Ort durch das Unternehmen für Ressourcenschutz (Kontakt: 040/ oder -4378) Systematische Ermittlung von Einsparpotenzialen durch spezialisierte Ingenieurbüros (Bezuschussung durch das Unternehmen für Ressourcenschutz möglich) Umsetzung durch Haustechniker oder Fremdfirmen Interne Erst-Maßnahmen Reduzierung von Luftstrom und Ventilatorendrehzahl Bedarfsgerechter Betrieb nach Raum- Personen-Belegung, Tages- und Jahreszeit Richtiges Raumlüften (kurz und vollständig) Klima 35