Analyse der Raumluftqualität im Objekt und Vorschläge zur energetischen Verbesserung der Klimaanlage bei gleichzeitiger Verbesserung Raumluftqualität

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1 Dr. - Ing. Christian Lerche Troppauer Str Dresden Zertifizierter Sachverständiger nach ISO EN17024:2003 Zertifizierungsnr.: AT Technische Bauabnahme Zertifizierter Sachverständiger nach ISO EN 17024:2003 Zertifizierungsnr.: AT Schäden an Gebäuden Zertifizierungsgesellschaft EurAS Cert ltd. Sanddeckweg1, A-6632 Ehrwald VDI-geprüfter Fachingenieur RLQ PZ.RLQ 015 Berechtigt zur Hygieneprüfung an Lüftungsanlagen nach VDI Berechtigt zur Hygieneprüfung an Trinkwasseranlagen nach VDI Berechtigt zur energetischen Inspektion an Klimaanlagen nach 12 EnEV Berechtigt zur Initialberatug (IHK geprüft) Energieberater (BAFA) Analyse der Raumluftqualität im Objekt und Vorschläge zur energetischen Verbesserung der Klimaanlage bei gleichzeitiger Verbesserung Raumluftqualität Lauf. Nr. RLQ 02 - Gewerk: Lüftung Objekt: Auftraggeber: Diese Stellungnahme umfasst 18 Seiten.

2 1. Auftrag Vorgehensweise Ausgangswerte Messungen - Inspektion Inspektion vor Ort Messungen vor Ort Temperatur und relative Luftfeuchte Kohlendioxidkonzentration Konzentration der flüchtigen Kohlenwasserstoffe (TVOC) Feinstaubkonzentration Abschließende Bewertung der Raumluftqualität Energetische Betrachtung und Simulation Neuauslegung des Außenluftvolumenstromes Berechnung der Energieeinsparung Auslegung der prooxion - Anlage Berechnung der Amortisationszeit Berechnung der Reduzierung der CO2 Emission durch Einsatz von prooxion Abschließende Betrachtung der umgerüsteten Anlage nach 12 EnEV Auftrag Am erhielt ich von der den Auftrag, die Raumluftqualität in den Büroräumen des Objektes nach Stufe 2 der VDI 6022 Blatt 3 zu untersuchen und für die vorhandene Klimaanlage Lösungsvorschläge zur Energieeinsparung bei gleichzeitiger Verbesserung der Raumluftqualität zu unterbreiten. 2. Vorgehensweise Auf der Grundlage des Auftrages wird die vorhandene Klimaanlage besichtigt. Die wichtigsten technischen Daten werden erfasst. Durch die technische Abteilung werden die entsprechenden Daten für Energieverbrauch, spezifische Energiekosten und Nutzungsparameter zur Verfügung gestellt. Im Objekt selbst wird in einem Büroraum eine Messung über 24 Stunden an einem Werktag für folgende Messgrößen durchgeführt: Temperatur Relative Luftfeuchte Kohlendioxidkonzentration Kohlenmonooxidkonzentration Konzentration der TVOC (Summe der flüchtigen Kohlenwasserstoffe) Feinstaubkonzentration Ozonkonzentration In Auswertung dieser aufgenommen Messdaten wird die Einstufung der vorhandenen Raumluftqualität durchgeführt. Sie dienen auch als Grundlage für die weitere Berechnung. Diese wird auf der Grundlage der DIN EN durchgeführt. Die Simulation des Energieverbrauches erfolgt mit der Simulationssoftware XOICalc. Auf der Grundlage der VDI-Richtlinie 2067 erfolgt im Anschluss eine

3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für die vorgeschlagenen Maßnahmen sowie eine Berechnung über die Senkung der CO 2 - Emissionssenkung. 3. Ausgangswerte In dem zu untersuchenden Bürogebäude mit einer Nutzfläche von 5500 m² mit einer Raumhöhe von 2,6 m wird die Geschoss mit einer Klimaanlage bedient. Diese Anlage besitzt folgende thermische Behandlungsstufen - Wärmerückgewinnung (Kreuzstromwärmetauscher); Heizer, Kühler. Die Anlage versorgt jeweils eine Gebäudehälfte; d.h. die 2.Anlage ist spiegelbildlich aufgebaut. Der Zuluftvolumenstrom beträgt m³/h. Dieser Volumenstrom entspricht einem 0,9 h -1 - fachen Luftwechsel. Die Arbeitszeiten sind Montag, Dienstag, Mittwoch und Freitag von Uhr sowie am Donnerstag von Uhr. Die Klimaanlage läuft 24 Stunden an den Arbeitstagen. Am Wochenende ist die Klimaanlage außer Betrieb. Sie verfügt über eine Drehzahlregelung zur Konstantdruckhaltung. (siehe Anlage 1 - Datenerfassungsblatt) 4. Messungen - Inspektion 4.1. Inspektion vor Ort Am fand ein Lokaltermin zur Besichtigung der Klimaanlage statt. Dabei konnten die in der Anlage 1 enthaltenen Daten bestätigt werden. Gleichzeitig wurde der Zuluftvolumenstrom und die Leistungsaufnahme der Ventilatoren gemessen. Es erfolgt eine Berechnung der Anlage auf der Grundlage der EnEV 12 mit Hilfe des Programms des FGK.

4 Berechnung des Energiekennwertes RLT FGK Status-Report Nr. 5.1 Version 2.3 Eingabewerte Auswahlfelder Angaben zur RLT-Anlage: Bearbeiter: Dr.Lerche Datum: Umbau Nennluftvolumenstrom: m³/h El. Leistung Zuluftventilator 11,000 kw P SFP Zuluft W/m³/s Abluftvolumenstrom m³/h El. Leistung Abluftventilator 7,500 kw P SFP Abluft W/m³/s Wärmerückgewinnung Wärmerückgewinnung Luftförderung: Rückwärmzahl 50% Nebenantrieb WRG Platte p stat,zuluft 1703 Pa Heizmedium 60 p stat,abluft 1264 Pa Kühlung Ja Systemwirkungsgrad Ventilator Kühlmedium 6/12 η f as,zuluf t 54% Befeuchtung ohne Befeuchtung η f as,abluf t 59% Befeuchtertyp ohne Befeuchtung Energie: Bedarf Wh/m 3 /h Prim Wh/m3/h Befeuchterenergie (Dampf) kein Wärme Befeuchterregelung (Wasser) kein Kälte Energiebedarf für Nennluftvolumenstrom: Dampf 0 0 Wärme: kwh Ventil+Neb Kälte: kwh Leckluftvolumenstrom c leak Dampf: 0 kwh Standard 2,5 * A 1,15 Strom für Ventilatoren + Neben: kwh Energiekennwert Typ Energiekennwert E RLT mit Leckageanteil ERLT-C3 22,8 kwh/m 3 /h Jahr 26,2 kwh/m3/h Jahr 1 22,8 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 Maximalw ert 29,13 Fachinstitut Gebäude-Klima e.v Abbildung 1 Berechnung der vorhandenen Klimaanlage nach 12 EnEV Die vorhandene Anlage liegt deutlich im roten Bereich - d.h. sie hat einen sehr

5 schlechten energetischen Wirkungsgrad. Der SFP-Wert für die Ventilatoren liegt mit 3168 W/m³/s für die Zuluft und 2177 W/m³/s für die Abluft deutlich über den heute geforderten Werten der EnEV 14 - SFP 4 nach DIN EN mit Werten zwischen 1250 und 2000 W/m³/s. Dieser schlechte Wert spiegelt sich ebenfalls in der hohen Energiekennzahl wieder. Die Anlage war optisch in einem guten Zustand. Die Hygieneinspektion lag erst 6 Monate zurück. Bei der Besichtigung wurde lediglich fehlende Isolierung bemängelt Messungen vor Ort Die Messungen für die Raumluftqualität wurden in einem Büro von 20 m² Grundfläche im 11.Stock Südseite durchgeführt. Das Büro ist mit zwei Mitarbeiterinnen besetzt. Es wird mit einem Zuluftvolumenstrom von 90 m³/h versorgt (Luftwechsel 1,7 h -1 ). Die Abweichungen zu dem angegebenen Luftwechsel für die Gesamtanlage resultiert durch die Einrechnung der Flure und Abluftflächen. Die Messungen wurden mit folgenden Geräten durchgeführt: Gray Wolf Advance sense mit Sonde IQ 610 Partikelzähler AD 610 Die Messungen wurden um 8:59 Uhr gestartet. Sie erfolgten im 5 Minuten - Takt. Die Einschwingzeit des Gerätes beträgt 60 Minuten. Nachfolgend werden die wichtigsten Ergebnisse dargestellt und erläutert. Zum Abschluss erfolgt eine Bewertung der Raumluft nach VDI 6022 Blatt Temperatur und relative Luftfeuchte Die gemessenen Verläufe sind im nachfolgenden Diagramm dargestellt. Der Einfluss des geöffneten Fensters wird deutlich sichtbar. Insgesamt ist die Temperaturregelung schwankend, jedoch insgesamt von einer guten Konstanz, denn die Regelgenauigkeit beträgt +/- 0,5 K. Auch die Störung durch das geöffnete Fenster wird schnell ausgeglichen. Der Aufenthalt der Personen führt auch zu keinen großen Abweichungen.

6 Gutachten: RLQ Fenster geöffnet Arbeitsende Arbeitsbeginn Abbildung 2 Zeitlicher Verlauf der Raumlufttemperatur und der relativen Luftfeuchte Kohlendioxidkonzentration Ein wesentliches Maß zur Bewertung der Raumluftqualität ist die Konzentration von Kohlendioxid in der Raumluft. Die menschliche Leistungsfähigkeit nimmt mit Zunahme von Kohlendioxid stetig ab. Aus diesem Grund werden sowohl in der DIN EN als auch in der VDI 6022 Blatt 3 konkrete Werte für die Konzentration in den jeweiligen Qualitätsstufen angeben. Tabelle 1 Einstufung nach DIN EN Während die DIN EN eine Erhöhung gegenüber dem Außenluftwert als Qualitätseinstufung heranzieht, benutzt die VDI 6022 Blatt 3 direkt gemessene Werte.

7 Tabelle 2 Einstufung der Raumluftqualität nach VDI 6022 Blatt 3 Das nachfolgende Diagramm zeigt die gemessenen Werte. Fensteröffnung Arbeitsende Arbeitsbeginn Abbildung 3 Zeitlicher Verlauf der Kohlendioxidkonzentration Unter Beachtung der Kriterien der Tabelle 2 haben wir Raumluft der Qualität 1. In den Nachstunden erreichen wir fast Außenluftzustand. Dies zeigt bereits ein deutliches Energieeinsparpotenzial. Der geförderte Zuluftvolumenstrom liegt deutlich über dem notwendigen. Diese Tatsache wird im Rahmen der Simulation noch einmal sichtbar werden Konzentration der flüchtigen Kohlenwasserstoffe (TVOC) In unseren Räumen werden durch viele Stoffe flüchtige Kohlenwasserstoffe freigesetzt. Ein geringer Anteil ist auch in der Außenluft enthalten. Diese Stoffe sind für die Gerüche zuständig. In der VDI 6022 Blatt 3 sind wieder die einzelnen Grenzwerte für die Raumluftqualtitätsstufen festgehalten. Tabelle 3 Grenzwerte für TVOC nach VDI 6022 Blatt 3

8 2012 Einschwingzeit Reinigungszeitraum Abbildung 4 Zeitlicher Verlauf der TVOC-Konzentration In der normalen Nutzungszeit werden keine großen Schadstoffmengen in diesem Raum freigesetzt. Auch das Fensteröffnen ist in diesem Diagramm nicht ersichtlich. Deutlich wird aber der Eintrag durch die Reinigungskräfte. Diese kurze Spitze wird aber durch die gute Klimaanlage relativ schnell wieder ausgetragen Feinstaubkonzentration Die Feinstaubkonzentration spielt bei der Bewertung der Raumluftqualität die gleiche große Rolle wie bei der Bewertung der Außenluftgüte. In der VDI 6022 Blatt 3 sind die entsprechenden Grenzwerte wieder enthalten. Tabelle 4 Grenzwerte für Feinstaubbelastung nach VDI 6022 Blatt 3 Um die Gesundheit der Mitarbeiter zu gewährleisten, sollte unbedingt die RAL 2 eingehalten werden. Nachfolgend sind die Messergebnisse grafisch dargestellt.

9 Abbildung 5 Zeitlicher Verlauf der Feinstaubkonzentration Deutlich wird der Einfluss des geöffneten Fensters sichtbar. Durch dieses wird eine hohe Konzentration an Feinstaub in das Büro eingetragen. Die Klimaanlage brauch bis zum Feierabend, um die Schadstoffe aus dem Büro auszutragen. Dies wird durch die anwesenden Personen und ihre Aktivitäten zusätzlich gestört. Nachfolgend sind diesem Verlauf der Verlauf der Kohlendioxidkonzentration und der TVOC- Konzentration gegenübergestellt.

10 Fenster öffnen Reinigung Abbildung 6 Zeitlicher Verlauf von Feinstaub Kohlendioxid und TVOC Der Unterschied zwischen Fensteröffnen und Reinigungsarbeiten werden dabei besonders anschaulich. Bei dem Öffnen des Fensters nimmt der Kohlendioxidgehalt ab, der TVOC-Gehalt ändert sich nicht und die Feinstaubkonzentration nimmt drastisch zu. Beim Reinigungsprozess bleibt der Kohlendioxidgehalt unbeeinflusst, dafür werden große Mengen TVOC eingetragen in den Raum und durch die Reinigungsarbeiten Feinstaub aufgewirbelt Abschließende Bewertung der Raumluftqualität Bewertungskriterium gemessene Werte Klassifizierung nach VDI 6022 Blatt 3 Temperatur C RAL 1 Luftfeuchte % RAL 1 (nach unten kritisch) Kohlendioxid ppm RAL 1 Feinstaub µg/m³ RAL 1 - RAL 4 TVOC µg/m³ RAL 1 Tabelle 5 Klassifizierung der Raumluftqualität Insgesamt herrscht in dem untersuchten Raum eine fast sehr gute Raumluftqualität vor. Sie wird durch den Feinstaubgehalt negativ beeinflusst. Insgesamt kann mit Hilfe von Ionisation dieses Problem gelöst werden.

11 5. Energetische Betrachtung und Simulation 5.1. Neuauslegung des Außenluftvolumenstromes In einem ersten Schritt wurde die vorhandene Anlage berechnet nach der zurzeit gültigen technischen Norm (DIN EN 15251). Das nachstehende Diagramm zeigt die CO2-Konzentration für den Nutzungszeitraum bei dem Volumenstrom der Bestandsanlage (blaue Linie) und für den hygienisch notwendigen Außenluftvolumenstrom (gelbe Linie) für einen Werktag (Montag). Die berechnete Kurve für die Bestandsanlage stimmt sehr gut mit den gemessenen Werten überein. Abbildung 7 Gegenüberstellung Kohlendioxidverlauf Bestand und Umbau

12 Gutachten: RLQ 02 Diese Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration an die Grenze der RAL 1 (1000 ppm) führt zu einer deutlichen Reduzierung des Luftvolumenstromes. Abbildung 8 Verringerung der Luftvolumenstromes bei bedarfsgeführter Klimaanlage Es wird empfohlen, in die Anlage die prooxion - Technologie einzubauen. Durch ihren Einsatz kann der Luftvolumenstrom auf den erforderlichen Wert nach CO2 Last abgesenkt werden und gleichzeitig Schadstoffe wie Schimmelpilze, Keime, Viren, Gerüche, Feinstäube, etc. abgebaut werden. Dadurch kann der Luftvolumenstrom, bei gleicher Luftqualität, nach den derzeit gültigen Normen und Richtlinien entsprechend gesenkt werden. Aus diesem Grunde wird folgende Lösungsvariante vorgeschlagen: Kopplung der vorhandenen Raumtemperaturregelung mit einer CO2 - geführten Fahrweise der Ventilatoren und des Außenluftvolumenstromes Einbau der von prooxion - Anlage und einer Umluftnutzung zur Erhöhung der Wärmerückgewinnung sowie zur Verbesserung der Raumluftqualität beim Faktor Luftfeuchte durch Feuchterückgewinnung 5.2. Berechnung der Energieeinsparung In einem ersten Schritt wurde die vorhandene Anlage energetisch betrachtet. Die Anlage verfügt über Volumenstromsteuerung. Für die Bestandsanlage und die Umgerüstete werden folgende variable Volumenströme auf Grund der Beschäftigten zu Grunde gelegt: 20% Leistung 5% der Zeit 40% 10% 60% 10% 80% 25%

13 100% 50% Folgende Temperaturen wurden auf der Grundlage der Angaben der technischen Abteilung angenommen. Zulufttemperatur in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur. Ablufttemperatur in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur In einem zweiten Schritt wurde die Berechnung mit der Variante Umbau erneut durchgeführt. Folgende Einsparungen ergeben sich. Variante Verbrauch Verbrauch Verbrauch Strom Wärme Kälte Vorhandene Anlage kwh/a kwh/a kwh/a Umgerüstete Anlage kwh/a kwh/a 7331 kwh/a Einsparung % 69 % 64 % 49 % Tabelle 6 Berechnete Energieeinsparung

14 Die Gesamteinsparung an Energie beträgt 66 % Auslegung der prooxion - Anlage Auf der Grundlage der Berechnung nach VDI 6022 Blatt3 erfolgte die Auslegung der prooxion -Anlage und die Erstellung des Angebotes. Folgende Umrüstung wird vorgeschlagen: In die Zuluftanlage wird eine prooxion - Anlage bestehend aus folgenden Geräten eingebaut: 1 x XO 400; 6 x XI 4000 Einbau einer CO2 Regelung Die geschätzten Kosten für den Einbau in der Anlage einschließlich der Umrüstung der Regelung belaufen sich auf ca zuzüglich Mehrwertsteuer Berechnung der Amortisationszeit Auf der Grundlage der VDI 2067 wurde eine Berechnung auf der Basis der Kapitalwertmethode für die vorhandene und die Umrüstung durchgeführt. Auf der Grundlage der übermittelten Energiekosten (ohne Mehrwertsteuer) von 0,14 / kwh Strom (Steigerungsrate von 2 % p.a.) 0,09 /kwh Gas ( Steigerungsrate 2 % p.a.), 0,06 /kwh Kühlung (Steigerungrate 2 % p.a.) den Servicekosten für die Anlagen alt von je 1000,00 zuzüglich der Servicekosten für die Ergänzungen in den Lüftungsanlage mit je 164,00 und einer jährlichen Steigerungsrate von 2 %, sowie den ermittelten Energieverbrauch Bestandsanlage und umgerüstete Anlage Variante Umbau ergab eine Amortisationszeit von 2 Jahre.

15 Abbildung 9 Wirtschaftlichkeit des Umbaus 5.5. Berechnung der Reduzierung der CO2 Emission durch Einsatz von prooxion Unter Verwendung der Ergebnisse aus dem Abschnitt 1.3 kann mit Hilfe eines CO2 Berechnungsprogramms die freigesetzte Emission ermittelt werden. Durch den Einsatz von prooxion und die anderen vorgeschlagen Maßnahmen können jährlich in dieser Anlage 65 t/a CO2-Emission vermieden werden. Nachfolgend die grafische Darstellung dieses Ergebnisses.

16 Abbildung 10 CO2-Reduzierung durch Umbau 6. Abschließende Betrachtung der umgerüsteten Anlage nach 12 EnEV Zum Abschluss wird die analoge Berechnung wie im Abschnitt 4.1. mit der umgebauten Anlage durchgeführt. Dabei werden die neuen Druckverhältnisse sowie die notwendige elektrische Leistung für die Ventilatoren aus dem Programm XOICalc übernommen. Ebenfalls wird die Berechnung der Wärmerückgewinnung in dieses Programm eingesetzt.

17 2012 Berechnung des Energiekennwertes RLT FGK Status-Report Nr. 5.1 Version 2.3 Eingabewerte Auswahlfelder Angaben zur RLT-Anlage: Bearbeiter: Dr.Lerche Datum: Umbau Nennluftvolumenstrom: m³/h El. Leistung Zuluftventilator 2,600 kw P SFP Zuluft W/m³/s Abluftvolumenstrom m³/h El. Leistung Abluftventilator 1,400 kw P SFP Abluft 700 W/m³/s Wärmerückgewinnung Wärmerückgewinnung Luftförderung: Rückwärmzahl 70% Nebenantrieb WRG Platte p stat,zuluft 750 Pa Heizmedium 60 p stat,abluft 595 Pa Kühlung Ja Systemwirkungsgrad Ventilator Kühlmedium 6/12 η f as,zuluf t 58% Befeuchtung ohne Befeuchtung η f as,abluf t 85% Befeuchtertyp ohne Befeuchtung Energie: Bedarf Wh/m 3 /h Prim Wh/m3/h Befeuchterenergie (Dampf) kein Wärme Befeuchterregelung (Wasser) kein Kälte Energiebedarf für Nennluftvolumenstrom: Dampf 0 0 Wärme: kwh Ventil+Neb Kälte: kwh Leckluftvolumenstrom c leak Dampf: 0 kwh Standard 2,5 * A 1,15 Strom für Ventilatoren + Neben: kwh Energiekennwert Typ Energiekennwert E RLT mit Leckageanteil ERLT-C3 9,1 kwh/m 3 /h Jahr 10,5 kwh/m3/h Jahr 1 9,1 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 Maximalw ert 29,13 Fachinstitut Gebäude-Klima e.v Abbildung 11 Energetische Bewertung der Anlage nach Umbau Die umgerüstete Anlage liegt deutlich unter der Bestandsanlage. Dresden,

18 Sauerstoffaktivierung, Luftqualitätsverbesserung & Energieeinsparung nach VDI 6022 Blatt 3 Kontaktdaten Name: Tel.: Projekt: Anschrift: RLT - Anlage: Etage, eine Seite Bestand zu belüftende Flächen /m²: ca Geschosse: 11 Anlagennutzung: Verkaufsraum Bürogebäude Raumfläche mit Zuluftversorgung in m² : ca Raumhöhe: 2,6 m Hotel Restaurant Anzahl Personen im Raum: Uhrzeit: max. Pers. Konferenzraum Produktion Urhzeit: Do Pers. Betriebszeiten: Montag - Freitag: Std./Tag Samstag: Std. Sonntag: Std. Lüftungsanlage: Lüften Lüften/Heizen Lüften/Kühlen Lüften/Heizen/Kühlen Zuluft- Solltemperaturen Winter: 18 Sommer: 18 Luftvolumenstrom in m³/h (Min.): Außenluft Zuluft Abluft Daten Lüftungsgerät: Fabrikat: ROWATHERM Typ: Baujahr: 2000 Zuluftventilator /m³/h: Druckerhöhung Pa: 455 Motorleistung KW / Volt / Ampere: 11 KW Drehzahlregelung: 1 -stufig 2 - stufig Sonstiges: Abluftventilator m³/h: Druckerhöhung Pa: 441 Motorleistung KW / Volt / Ampere: 7,5 KW Bei Klimagerät: Drehzahlregelung: 1 -stufig 2 - stufig Sonstiges: Zuluft Druckerhöhung Intern in Pa: Druckerhöhung Extern in Pa: Abluft Druckerhöhung Intern in Pa: Druckerhöhung Extern in Pa: Ergänzende Informationen: WRG ja nein Feuchterückgewinnungsgrad: 0 % KVS KW % Befeuchtung: Art: Rotations-WT KW % Umluftkammer: ja Platten-WT KW % 50% Aufstellort: Außenbereich nein Lüfterzentrale Keller Zeichnungen: beigefügt nicht beigefügt Sonstiges Regelung: Fabrikat: Enthalpie CO₂ Sonstiges: Temperatur Außen-Umluft Anlagenplaner: Tel.: Anlagenbauer: Tel.: Wartungsunternehmen / Techniker: Gewünschte Raumluftqualität nach VDI 6022 Blatt 3: Tel.: RAL1 RAL2 RAL3 RAL4 Zulässig CO₂ Erhöhung gegenüber Außenluft nach DIN 13779: IDA1-350 ppm IDA2-500 ppm IDA3-850 ppm Energie: (Lüftungsanlage) Öl Erdgas Fernwärme Strom Jahreskosten: (Lüftungsanlage) Kosten je KW/h: Jahresverbrauch in KWh: 9 Cent 14 Cent Sonstiges: Umrüstung auf Umluft, CO2 Steuerung und Anpassung der Regelstrategie cges