Grundlagen zur Planung energieeffizienter dezentraler Luft- / Wassersysteme in Kombination mit zentraler Lüftung

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1 Grundlagen zur Planung energieeffizienter dezentraler Luft- / Wassersysteme in Kombination mit zentraler Lüftung Referent: Martin Törpe AL-KO EMCO Klimasysteme

2 Behaglichkeit als Grundlage der Planung dezentraler Luft- / Wassersysteme Grundlagen der Behaglichkeit a) Thermischer Zustand des Körpers b) Lokale Einflussfaktoren c) Raumluftqualität Kombination dezentrale Luft / Wassersysteme mit zentraler Lüftung a) Vergleich von Luft und Wasser als Medium zum Energietransport b) Beispielsysteme zur Raumklimatisierung c) Hinweise zur Realisierung einer Bedarfslüftung Anforderungen an ein integriertes Regelungskonzept energiesparende Klimatisierung bei höchster Behaglichkeit

3 Grundlagen der Behaglichkeit thermischer Zustand des Körpers Das menschliche Wärmeempfinden hängt im Wesentlichen vom thermischen Gleichgewicht des Körpers mit seiner Umgebung ab. Thermisches Gleichgewicht zu kalt (Wärmeerzeugung durch Steigerung der Aktivität) Einflussfaktoren: Operative Temperatur Aktivitätsgrad Bekleidung zu warm (Wärmeabgabe durch Verdunstungskühlung)

4 Grundlagen der Behaglichkeit thermischer Zustand des Körpers Operative Temperatur: 27 C t operativ 0,5 (t Luft + t Flächen ) 23 C 30 C Beispiel: t L = 26 C t Luft : 26 C t Flächen : 25 C 20 C t operativ C 0, 5, Annahme: Alle Flächen sind gleich groß

5 Grundlagen der Behaglichkeit thermischer Zustand des Körpers 1 met = 1 Metabolische Einheit = 58,2 W/m 2 1,43m 2 Mensch = 100W DIN EN ISO 7730

6 Grundlagen der Behaglichkeit thermischer Zustand des Körpers Bekleidung: Neben der Aktivität beeinflusst die Kleidung das Temperaturempfinden von Personen. Die Isolationswirkung durch Kleidung wird in clo bzw. m 2 K/W angegeben. DIN EN ISO 7730

7 Grundlagen der Behaglichkeit thermischer Zustand des Körpers met clo Beispiel: Bei angenommener Bekleidung 1 clo (Winter) und einem Energieumsatz 1,2 met muss man bei 22 C+-2k immer noch mit einer Unzufriedenheitsrate von 10% rechnen ( Sommer 24,5 +-1,5K). DIN EN ISO 7730

8 Behaglichkeit als Grundlage der Planung dezentraler Luft- / Wassersysteme Grundlagen der Behaglichkeit a) Thermischer Zustand des Körpers b) Lokale Einflussfaktoren c) Raumluftqualität Kombination dezentrale Luft / Wassersysteme mit zentraler Lüftung a) Vergleich von Luft und Wasser als Medium zum Energietransport b) Beispielsysteme zur Raumklimatisierung c) Hinweise zur Realisierung einer Bedarfslüftung Anforderungen an ein integriertes Regelungskonzept

9 Grundlagen der Behaglichkeit lokale Einflussfaktoren Zugluftrisiko DR Zugluftrisiko Der DR Wert ist ein Maß für die Gefahr, dass Zugerscheinungen in einer Umgebung auftreten. DR 0, t v 0, 05 ( 0, 37 v TU 3, ) a 14 abhängig von: Temperatur Luftgeschwindigkeit Turbulenzgrad

10 Grundlagen der Behaglichkeit lokale Einflussfaktoren - Zugluftrisiko DR zulässige Luftgeschwindigkeiten in Abhängigkeit der Luft /Raumtemperatur, Turbolenzgrad TU und Prozentsatz Unzufriedener (DR) DIN EN ISO 7730

11 Grundlagen der Behaglichkeit lokale Einflussfaktoren Strahlungsasymmetrie t S Die Strahlungsasymmetrie ist ein Maß für die Unterschiede der örtlichen Verteilung der Strahlungswärmeabgabe im Raum. Spiel aber bei modernen Gebäuden durch die gute Isolation keine Rolle mehr.

12 Grundlagen der Behaglichkeit lokale Einflussfaktoren vertikaler Temperaturgradient Fußbodentemperatur

13 Grundlagen der Behaglichkeit Beispiel: Klimatisierung eines Büroraumes System 1: Quellluftdurchlass QAL mit Kühldecke Operative Raumlufttemperatur: 24,5 C Mittlere Luftgeschwindigkeit v: 0,15 m/s DR = 9,6 % = A Turbulenzgrad TU: 20 % Lufttemperaturgradient: 2 K/m A Fußbodentemperatur: 21 C A Strahlungsasymmetrie: 3 K A DR 0, t v 0, 05 ( 0, 37 v TU 3, ) a 14 Raumluftkategorie A nur mit Quellluft realisierbar Referent: Martin Törpe

14 Grundlagen der Behaglichkeit Beispiel: Klimatisierung eines Büroraumes System 2: Mischlüftung mit Kühldecke Operative Raumlufttemperatur: 24,5 C DR Mittlere Luftgeschwindigkeit v: 0,15 m/s DR = 12,6 % = B Turbulenzgrad TU: 40 % Lufttemperaturgradient: 1 K/m A Fußbodentemperatur: 22 C A Strahlungsasymmetrie: 3 K A 0, t v 0, 05 ( 0, 37 v TU 3, ) a 14 Raumluftkategorie B mit Mischlüftungssystemen Referent: Martin Törpe

15 Grundlagen der Behaglichkeit Raumluftqualität Eine gute Raumluftqualität erfordert Mindestluftmengen! (Auslegung nach DIN 15251) q tot q q n P A B q tot n q P Anzahl Personen Bodenfläche in m² A q Luftvolumenstrom gesamt in m³/h Luftvolumenstrom pro Person Luftvolumenstrom pro m² B N e u e Ta b ell e Kategorie I III entspricht Kategorie A C (Unzufriedenheitsrate A= <6%, B=<10% und C=<15%) Kat II entspricht auch ungefähr einer Innenraumluftqualität IDA 2 aus DIN EN 13779

16 Grundlagen der Behaglichkeit Warum mechanische Lüftung? Fensterlüftung geht doch?

17 Luftqualität im Raum - Fensterlüftung warum lüften? Büroraum 20 m2 2 Personen mit Abwesenheit nur noch eine Person im Raum IDA 4 Arbeitsende IDA 3 Fensteröffnung IDA 2

18 Luftqualität im Raum - Konstantlüftung Büroraum 20 m2 2 Personen mit Abwesenheit 2-facher Konstantluftwechsel ca. 100 m 3 /h IDA 2 nur noch eine Person im Raum IDA 1 < 800 ppm CO 2 Arbeitsende

19 Behaglichkeit als Grundlage der Planung dezentraler Luft- / Wassersysteme Möglichkeiten zur Raumklimatisierung (VDI 3804) aber was soll ich planen? aber noch viele andere Kombinationen aus A bis F sind denkbar KVS= Konstant Volumenstrom

20 Grundlagen der Behaglichkeit Raumluftqualität Beispiel:

21 Grundlagen der Behaglichkeit Raumluftqualität q tot n q P A q B q tot , 5 2, m³/h Besprechungsraum q tot , 5 2, m³/h Büroraum, 2 Personen

22 Behaglichkeit als Grundlage der Planung dezentraler Luft- / Wassersysteme Annahme Raumlasten: Büro: 55 W/m 2 Konferenz: 75 W/m2 Lastabfuhr über Luft / Rest: Büro: 100 m3/h mit 8K 270W (Mischluft) / 855W Konferenz: 600m3/h mit 2,5K (Quellluft) 500W / 1400W

23 Behaglichkeit als Grundlage der Planung dezentraler Luft- / Wassersysteme in Kombination mit zentraler Lüftung Lösungsmöglichkeiten: nur Lüftung reine Außenluft (Konferenz min.700 m3/h(mischlüft.) oder 2300 m 3 /h (Quellluft); Büro 400 m 3 /h) Außenluft + Umluft bedarfsabhängige Luftströme (Kühlfall / Lüftung / variabler Belegung) Hyg. min. Lüftung kombiniert mit dezentralen Luft /Wassersystemen ausgelegt für trockene Kühlung (16 C/19 C) Kühldecke 60 W/m 2 bis max. 100 W/m 2 Kühlsegel 70 W/m bis 130 W/m Aktive Kühlbalken mit Gebläse od. Primärluftanschluß 475 W/m Sekundärluft Bodenkonvektor 330 W/m bis 640 W/m Deckenkühlkassette 1000 W 2000 W Fan Coil 1000 W/m bis 2600 W/m BTA 20 W/m 2 bis max. 40 W/m 2

24 Dezentrale Luft- / Wassersysteme Beispielsysteme zur Raumklimatisierung Einzelbüro empfohlener Systemvorschlag Kombiauslass (Zu Abluft) + Konvektoren Kombiauslass (Zu Abluft) + Kühldecke Ein Auslass für ZUL + ABL Einheitliche Optik Schalldämpfung im AK Einfacher Zugang zum Kanalsystem durch schwenkbare SD-Kulissen Gleichmäßige Lastabfuhr durch Flächenkühlsystem

25 Dezentrale Luft- / Wassersysteme Beispielsysteme zur Raumklimatisierung Besprechungsraum empfohlener Systemvorschlag Quelllüftung + Kühldecke + Kühlbalken QL = Funktionsprinzip auch bei extrem variabler Luftmenge gegeben. Gleichmäßige Lastabfuhr durch Flächenkühlsystem

26 Dezentrale Luft- / Wassersysteme Beispielsysteme zur Raumklimatisierung Großraumbüro empfohlener Systemvorschlag Mischlüftung + Kühldecke Luftführung unabhängig von der Sitzplatzanordnung Vollständige Raumdurchmischung durch Einsatz von ML Komponenten Gleichmäßige Lastabfuhr durch Flächenkühlsystem

27 Dezentrale Luft- / Wassersysteme Energietransport Vergleich des Energieaufwandes zum Transport einer therm. Leistung von 1 kw P el V V p bzw P M Die Druckhöhen von Ventilatoren und Pumpen sowie die Wirkungsgrade sind beispielhaft angenommen.

28 Zentrale Lüftungstechnik Zentrale Lüftungstechnik als Baustein in Kombination mit Luft-Wassersystemen. Martin Törpe AL-KO EMCO Klimasysteme

29 Zentrale Lüftung - Bedarfslüftung Bedarfslüftung was ist bei der Planung zu berücksichtigen? Lüftungsgeräteaufbau / Komponenten WRG Systeme Luftförderung Filtertechnik Erhitzer u. Kühler Volumenstromregler u. Luftauslässe Intelligente Regelung mit Kommunikation

30 Zentrale Lüftungstechnik Typisches Systemschema zentrale Lüftungsanlage zur bedarfsgerechten Frischluftversorgung mehrerer Räume.

31 Wärmerückgewinnung bei Bedarfslüftung Welches WRG System ist zu bevorzugen? Kreislaufverbundsysteme Rotationswärmetauscher Plattenwärmetauscher Antwort: WRG System mit dem höchsten Wirkungsgrad, dem geringstem Druckverlust über den gesamten Temperaturbereich von -16 C bis +35 C, den geringsten Lebenszykluskosten und mit einem positiven Wirkungsgradverlauf bei Teilluftmengen.

32 Wärmerückgewinnung bei Bedarfslüftung

33 Wärmerückgewinnung bei Bedarfslüftung

34 Wärmerückgewinnung bei Bedarfslüftung

35 Bedarfslüftung energetisch effizient umgesetzt Bedarfsorientierte Luftförderung die Formel zur Energieeinsparung! Bürogebäude bieten sich für den Einsatz bedarfsorientierter Luftmengen besonders an. Gesteuert über Luftqualitätssensoren und / oder Präsenzmelder in den einzelnen Zonen.

36 Bedarfslüftung energetisch effizient umgesetzt Welche Variante ist die energetisch beste Lösung? Antwort: Auslegung im Wirkungsgradoptimum der Ventilators verbunden mit einem hocheffizienten Antriebsmotor, der auch im Teillastfall seinen Wirkungsgrad weitgehend beibehält!

37 Bedarfslüftung - Systemwirkungsgrad Luftförderung

38 Bedarfslüftung energetisch effizient umgesetzt Der bestmögliche Wirkungsgrad von Antriebsmotoren ermöglicht die niedrigsten Betriebskosten. Amortisationszeiten von ca. ein bis drei Jahren sind die Regel!

39 Bedarfslüftung energetisch effizient umgesetzt

40 Bedarfslüftung energetisch effizient umgesetzt Ein Wirkungsgradabfall tritt bei Permanentmagnet Synchromotoren deutlich später auf!

41 Filterverschmutzungsüberwachung Die Filterenddrücke sind permanent in Abhängigkeit des Luftvolumenstromes zu überwachen!

42 Regelverhalten Lufterhitzer und Kühler variable Temperatur f. Erhitzer + variable Menge konstante Temperatur f. Kühler -

43 Motivation einer ganzheitlichen Regelung zentrale Lüftung in Kombination dezentraler Raumtemperierung Regelungstechnische Abstimmung unterschiedlicher Klimasystemlösungen (zentral und dezentral) Der gewünschte Raumzustand steuert alle Aggregate Kein gegeneinander Arbeiten von Einzelsystemen Vom Nutzer zu beeinflussendes Raumklima Verringerung von Schnittstellen erleichtert Planung und Montage Sicherer und effizienter Anlagenbetrieb durch ganzheitliches und überschaubares Standard-Regelkonzept. C 3 = Complete Climate Control

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50 Bedarfsorientierte Lüftung Kanaldruckmanagement Kanaldruck konstant oder entsprechend der Luftmenge variabel? Ein entsprechend dem variablen Volumenstrom angepasster Kanaldruck verbessert die Energieeffizienz einer Bedarfslüftung nochmals deutlich!

51 Beispiel Kanaldruckmanagement VVS Anlage mit Konstant Druckregelung 4 Nutzungsbereiche Luftstufe 4 (Volllast) Pressung: 556 Pa Volumenstrom: 8800 m³/h Ventilatorleistung: 100 %

52 Beispiel Kanaldruckmanagement VVS Anlage mit Konstant Druckregelung 4 Nutzungsbereiche Luftstufe 2 (Teillast) Pressung: 556 Pa Volumenstrom: 5600 m³/h Ventilatorleistung: 64 % Änderung des Volumenstromes = Reduzierung der Ventilatorleistung.

53 Beispiel Kanaldruckmanagement VVS Anlage mit Kanaldruckmanagement 4 Nutzungsbereiche Luftstufe 2 (Teillast) Pressung: 264 Pa Volumenstrom: 5600 m³/h Ventilatorleistung: 30 % Änderung des Volumenstromes = Anpassung der Pressung = stärkere Reduzierung der Ventilatorleistung.

54 ... und wer noch mehr wissen möchte. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Weitere Fragen? Für weitere Planungsunterstützung : Martin Törpe AL-KO EMCO Klimasysteme Stefan Bauer AL-KO EMCO Klimasysteme / /

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