Diplomarbeit Variantenuntersuchung zur Teilklimatisierung eines Lebensmittelmarktes Vorgelegt am: 22.08.2011 Von: Kristin Helling Gerberastrasse 11 06122 Halle Studienrichtung: Versorgungs- und Umwelttechnik Studiengang: Technische Gebäudesysteme Seminargruppe: VU 08 / 1 Matrikelnummer: 4080115 Praxispartner: CLIMATECH Montage GmbH Stöhrerstrasse 7 04347 Leipzig Gutachter: Herr Dipl.-Ing. Roland Götting CLIMATECH Montage GmbH Herr Prof. Dr. Jörg Scheibe Staatliche Studienakademie Glauchau
Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... II Abbildungsverzeichnis... V Tabellenverzeichnis... VI Formelverzeichnis... VII Abkürzungsverzeichnis... VIII 1 Einleitung... 1 1.1 Problemstellung... 1 1.2 Zielsetzung... 2 2 Baubeschreibung des Lebensmittelmarktes... 3 2.1 Allgemeiner Aufbau... 3 2.2 Forderungen des Auftraggebers an die Verkaufsstätte... 4 2.2.1 Allgemeines... 4 2.2.2 Lüftungskonzept... 4 2.2.3 Wärme-/ Kälteversorgung... 5 2.3 Zusammenfassung... 8 3 Technische Vorbetrachtungen... 9 3.1 Allgemeines... 9 3.2 Grundlagenermittlung... 9 3.3 Ermittlung der thermischen Lasten... 14 3.4 Berechnung der Volumenströme... 17 3.4.1 Allgemeines... 17 3.4.2 Erläuterung der möglichen Betriebsweisen... 18 3.4.3 Berechnung des Außenvolumenstroms nach VDI 2082... 19 3.5 Konzequenzen für die Auslegung der RLT-Anlage... 22 Raumströmung... 33 4 Systembeschreibung neues Ladenkonzept (Pufferspeicher)...34 4.1 Allgemeines... 34 III
Abbildungsverzeichnis 4.2 Frischluftversorgung (zentrales Gerät)... 34 4.2.1 Allgemeines... 34 4.2.2 Ermittlung des Zuluftpunktes im Winter... 36 4.3 Teilklimatisierung mit Kalt-/ Warmwasser... 50 4.3.1 Funktionsweise des Systems... 50 5 Beschreibung der Variante 2 (VRV-Anlage)...58 5.1 Allgemeines... 58 5.2 Frischluftversorgung... 58 5.3 VRF-System... 59 5.4 Auslegung des Systems... 62 6 Wirtschaftlichkeit der Teilklimanalagen...65 6.1 Allgemeines... 65 6.2 Ermittlung des Wärme- und Kältebedarfs... 65 6.3 Ermittlung des jährlichen Energiebedarf... 68 6.4 Ermittlung der Investitionskosten... 78 6.5 Wirtschaftlichkeitsberechnung... 78 6.5.1 Allgemeines... 78 6.5.2 kapitalgebundene Kosten... 80 6.5.3 verbrauchsgebundene Kosten... 82 6.6 betriebsgebundene Kosten... 85 6.6.1 Gesamtkosten... 86 7 Schlusswort...88 Literaturverzeichnis...90 Anhangsverzeichnis (beigefügter Ordner)...95 IV
Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 auftretende Verluste in einem Raum... 15 Abbildung 2 auftretende Gewinne in einem Raum... 16 Abbildung 3 Schematischer Aufbau einer KVS-Anlage mit Vollabsperrung... Fehler! Textmarke nicht definiert. Abbildung 4 Schematischer Aufbau einer KVS-Anlage mit Zonen-Nacherwärmern..... 25 Abbildung 5 Schema einer Induktionsanlage. Links: Zweirohr; rechts: Vierrohr- System... 26 Abbildung 6 Schematische Darstellung einer Splitanlage (Daikin)... 27 Abbildung 7 Wärmerückgewinnungssystem nach VDI 2071... 28 Abbildung 8 Regenerativ-Wärmetauscher für Zuluft und Abluft... 30 Abbildung 9 Turbulente Mischlüftung... Fehler! Textmarke nicht definiert. Abbildung 10 h,x Diagramm Ermittlung des Zuluftpunktes... 41 Abbildung 11 Wärmeübertragung Wärmerad... 42 Abbildung 12 Wärmeübertragung Wärmerad... 44 Abbildung 13 Zustandsänderung beim Mischen von zwei Luftmassen m1 (Zustand 1) und m2 (Zustand 2) zum Zustand M (Mischpunkt)... 45 Abbildung 14 Pufferspeichersystem... 51 Abbildung 15 Heizwassererwärmung Externer Wärmetauscher... Fehler! Textmarke nicht definiert. Abbildung 16 Beispielhafter Anlagenaufbau für ein Bürogebäude... 59 V
Tabellenverzeichnis Tabellenverzeichnis Tabelle 1 Werte für Außenpunkt und Raumpunkte Winter aus h,x Diagramm 37 Tabelle 2 Parameter des Wärme- und Enthalpierad... 44 VI
Formelverzeichnis Formelverzeichnis Formel 1 Mittlerer U-Wert... 11 Formel 2 Planungsvolumenstrom... 17 Formel 3 Außenvolumenstrom... 20 Formel 4 Formel 5 Rückwärmezahl für gleiche Volumenströme... 29 Formel 6 Feuchte-Rückwärmezahl für... 29 Formel 7 Randmaßstab... 38 Formel 8 Feuchtelast durch Personen... 38 Formel 9 Personenzahl... 38 Formel 10 Enthalpie des Mischpunktes... 46 Formel 11 Massenstromunterschied... 48 VII
Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis VIII
Einleitung 1 Einleitung 1.1 Problemstellung Seit Jahren entwickelt sich der Lebensmittelmarkt zu einem immer zentraleren Versorgungsbereich. Er ist Bezugspunkt für den Menschen, der den täglich notwendigen Bedarf abdeckt, aber auch eine Kommunikationsebene bietet. Eine Vielzahl an Lebensmittelmärkten stellt dem Menschen eine große Auswahl an Einkaufsmöglichkeiten bereit. Qualität und Angebot bestimmen die Nachfrage. Somit ist der Betreiber darauf bedacht, das Kaufinteresse des Kunden durch eine Vielzahl an Produkten zu wecken. Das Kaufverhalten wird jedoch nicht nur durch die Vielfalt an Ware bestimmt, sondern auch durch optische und physische Einflüsse. Richtige Beleuchtungskonzepte und angenehme Raumklimaverhältnisse vermitteln den Kunden ein Behaglichkeitsgefühl. Entstehende Lasten durch Personen, Produkte, Geräte und Umwelteinflüsse, die Auswirkung auf das Raumklima haben, können hier nicht über eine natürliche Lüftung kompensiert werden. Um Verderblichkeiten u. auch Gerüche so gering wie möglich zu halten, erfordert dies den Einsatz von lufttechnischen Maßnahmen. Weiterhin besteht die Aufgabe der Gebäudetechnik darin mit einem möglichst geringen Aufwand an Energie und Ressourcen ein hohen Komfort und Nutzen für den Menschen zu erzielen. Die Lebensmittelmarktkette ist ein sehr umweltbewusstes Unternehmen, das sich an das Green-Building-Konzept - Zukunft hält. Generell berücksichtigt das Green- Building Konzept Tageslichtarchitekturen mit energiesparenden Bautechniken, den Einsatz nachhaltiger Materialen, sehr gute Dämmeigenschaften für die Gebäudehülle, sowie den Einsatz regenerativen Energien. Um die genannten Anforderungen zu entsprechen, werden in den Lebensmittelmärkten teilklimatisierte Anlagen eingesetzt, die für den Winter- und Sommerbetrieb geeignet sind. Im Lebensmittelmarkt Sterzhausen basiert das Anlagenkonzept auf einer Kaltwasser- Teilklimaanlage. Über ein indirektes System mit dazwischen geschaltetem Pufferspeichersystem wird der Verkaufsbereich teilklimatisiert und die Nebenräume beheizt. 1
Einleitung Um die Effizienz des Systems bewerten zu können, wird diesem ein zweites Anlagenkonzept der Lebensmittelmarktkette gegenübergestellt. Die Teilklimatisierung des Verkaufsbereiches sowie die Beheizung der Nebenräume erfolgt hierbei über ein direktes System. Dafür werden zwei VRV-Teilklimaanlagen eingesetzt. 1.2 Zielsetzung Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Betrachtung der Wirtschaftlichkeit beider Green- Building-Konzepte. Für die Systembetrachtung beider Anlagenkonzepte ist zunächst die technische Grundlagenermittlung erforderlich. Diese basieren auf den Vorgaben des Auftraggebers. Beide Systeme werden einzeln in ihrem Aufbau, ihrer Funktionsweise betrachtet und in ihrer Wirtschaftlichkeit miteinander verglichen. Ziel ist es festzustellen, ob die installierte Kaltwasser-Teilklimaanlage in dem Lebensmittelmarkt den Erwartungen des Auftraggebers entspricht. 2
Baubeschreibung des Lebensmittelmarktes 2 Baubeschreibung des Lebensmittelmarktes 2.1 Allgemeiner Aufbau Im Sommer des Jahres 2011 wurde in der hessischen Kleinstadt Sterzhausen ein Lebensmittelmarkt mit einer Gesamtfläche von 1.612 m² errichtet. Direkt an der Hauptstraße entstand ein eingeschossiges Objekt, das der Nahversorgung dient. Von der äußeren Gestaltung des Objektes wurde auf das markttypische Gesicht eines Lebensmittelmarktes besonders Wert gelegt. Der Außenputz ist in einer hellen Farbe gestrichen und das Satteldach hat anthrazit farbene Ziegel. Das Dach im Eingangsbereich hat die gleiche Form und Farbe des Gebäudedaches. Die Fenster des Marktes wurden mit einbruchhemmenden Gittern versehen. Das Innere des Gebäudes teilt sich in mehrere Bereiche auf. Die Aufteilung der Gebäudefläche befindet sich im Anhang 10 (beigefügter Ordner) dieser Arbeit - Grundriss des Lebensmittelmarktes. Der Verkaufsbereich hat eine Brutto-Fläche von 1208 m² und eine Raumhöhe von 3,5 m. Durch die vielen eingebauten Regale erscheint die Verkaufsfläche verkleinert. Über die gesamte Fläche des Lebensmittelmarktes - ausgenommen den Lagerbereich - erstreckt sich eine gedämmte Zwischendecke, die das Kaltdach vom Verkaufsbereich trennt. In der linken unteren Abteilung befindet sich die Fleischtheke, welche direkt an den Verkaufsbereich grenzt. An die Fleischtheke schließen sich Tiefkühllagerraum und Fleischvorbereitung. Dort wird Fleisch entsprechend gelagert, portioniert, vorbereitet und verpackt. Im linken oberen Bereich des Planes wurde der Aufenthaltsraum für das Personal vorgesehen. Das Marktleiterbüro, EDV-Raum, Kundentoilette sowie der Backshop befinden sich unten rechts. Eine spezielle Möblierung ermöglicht den Kunden, die Backwaren vor Ort zu verzehren. Auch der Kauf von Backwaren am Sonntag ist durch einen zweiten Eingang von außen möglich. Im hinteren Teil des Marktes ist das Lager mit einer Frühanlieferung. Im Maschinenraum befinden sich die Tiefkühlung der Gewerbekälte und das Pufferspeichersystem. 3
Baubeschreibung des Lebensmittelmarktes 2.2 Forderungen des Auftraggebers an die Verkaufsstätte 2.2.1 Allgemeines Die Planung der Teilklimatisierung und Frischluftversorgung erfolgte nach den Forderungen des Auftraggebers. Nachfolgend werden die in der Baubeschreibung getroffenen Kriterien für die Auslegung der Raumlufttechnischen Anlage sowie der Wärmebzw. Kälteversorgung dargestellt. 2.2.2 Lüftungskonzept Die erforderliche Frischluftrate von 6 m³/h je m² Verkaufsfläche (Wert von der Baubeschreibung) wird über ein zentrales Lüftungsgerät eingebracht. Nach Angaben der VDI 2082 wird eine Mindest-Außenluftrate von 6,1 m³/h m² ( 1 ) für Verkaufsstätten empfohlen. Eine Gegenüberstellung der Werte erfolgt unter Punkt 3.4.3 Berechnung des Mindest-Außenvolumenstroms in Anlehnung der VDI 2082. Die Anlage wird mit einem Rotationswärmetauscher betrieben, der einen Wirkungsgrad von 80% hat. Es wird ein Außen- und Fortluftbetrieb vorgesehen. Eine zusätzliche Temperierung der Luft erfolgt nicht im Zentralgerät. Zur Anpassung der Luftmenge (50/100%) ist die Anlage zweistufig ausgeführt. Die Frischluftrate wird über eine CO 2 -Regelung den Erfordernissen angepasst. Eine Entrauchungsfunktion über die Lüftungsanalage ist nicht zulässig. Auslegungskriterien: Die Baubeschreibung des Lebensmittelmarktes lieferte folgende Ansätze für die Auslegung der Raumlufttechnischen Anlage sowie dem dazugehörige Kanalsystem imbezug die VDI 2066: Luftgeschwindigkeit RLT-Gerät: max. 2,5 m/s, Luftgeschwindigkeit im Hauptkanal: max. 6 m/s, externer Druckabfall: maximal 450 Pa, Minderung des Schalldruckpegels auf maximal 46 db (A), Außenluftfilter in F7 mit Druckdosenüberwachung, Abluftfilter in F5 mit Druckdosenüberwachung, Rotationswärmetauscher. 1 vgl. VDI 2082 Raumlufttechnik Verkaufsstätten, Juli 2010, S. 17, Tabelle 6, [3] 4
Baubeschreibung des Lebensmittelmarktes Die Installation der Kanäle befindet sich im abgehängten Deckenraum unterhalb der Dachisolierung. Zu- und Abluftkanäle sind entsprechend den anerkannten Regeln der Technik (VDI 3803) thermisch isoliert. Die Zuluftkanäle sind dampfdiffusionsdicht ausgeführt. Die Anordnung der Abluftauslässe und Deckenluftgeräte erfolgte in Absprache mit dem Mieter. Bereiche mit den offenen Kühlregalen sind nicht von der Raumlufttechnischen Anlage beaufschlagt. Sowohl im Obst-Gemüse-Abteil als auch im Bereich von steckerfertigen Kühlmöbeln wird eine verstärkte Wärmeabfuhr realisiert. Obwohl die Platzierung der Deckenluftgeräte und Lüftungsgitter so gewählt werden muss, dass eine optimale Luftverteilung erreicht wird. Die Deckenluftgeräte - sogenannte Umluftlüfter- sind mit einem Drehstromventilator (2 stufig) ausgestattet und in der niedrigen Lüfterdrehzahl mit einem Luftvolumenstrom von 2.100m³/h ausgelegt. Das Ausblasen der Luft erfolgt nach allen Geräteseiten. Dabei wird der Geräuschpegel je Gerät von 46 db(a) eingehalten. Die Rohrleitungen sind in der Zwischendecke installiert und entsprechend thermisch isoliert. 2.2.3 Wärme-/ Kälteversorgung 2.2.3.1 Wärmeversorgung Wärme ist eine Energiemenge, die aufgrund eines Temperaturunterschiedes transportiert wird. Wie viel Wärme ein System aufnimmt ist abhängig von der zu transportierenden Menge, der spezifischen Wärmekapazität des Mediums und des Temperaturunterschiedes. Sie wird in der Einheit Joule angegeben. Für die gezielte Nutzung der Wärmemenge werden Transportsysteme benötigt. Die Versorgung mit Wärme erfolgt im Lebensmittelmarkt über einen Pufferspeicher, der durch das zentrale System der Gewerbekälte über Prozesswärmerückgewinnung und im Weiteren über eine Wärmepumpe. Diese ist im Gesamtkonzept der Gewerbekühlung, der Gebäudebeheizung und der Gebäudekühlung integriert. Für die Nebenräume ist eine eigene Heizungsanlage als geschlossene Zweirohr- Pumpen- Warmwasserheizung eingebaut. Die Heizkreisleistung ist nach der jeweils neusten Energieeinsparverordnung (derzeit EnEV 2009) und unter Zugrundelegung der Regelstrategie der Lebensmittelmarktkette ausgelegt. 5
Baubeschreibung des Lebensmittelmarktes Die Schnittstelle zwischen der Gewerbekälteanlage und Heizung sowie Kühlung sind die Vor- und Rücklaufanschlüsse primärseitig an den Wärmeübertrager der Gewerbekälteanlage. Die Wärmeübertrager gehören zum Leistungsumfang des Mieters. Alle statischen Heizkreisläufe und die Torluftschleieranlage sind für die VL-/RL- Temperaturen 40/30 C und alle Heizkreise mit raumlufttechnischen Komponenten für 40/25 C ausgelegt. 2.2.3.2 Kälteversorgung Für die Kaltwasserversorgung der Umluftkühlgeräte zur Teilklimatisierung der Verkaufsfläche wird der Pufferspeicher genutzt. Eine Beschreibung des Konzeptes erfolgt unter Punkt 4.3. Die Erzeugung von Kaltwasser erfolgt über eine Verdichter-Verdampfer-Einheit mit einer Auslegungstemperatur von 6/12 C. Bei der Dimensionierung der Kälteanlage sind die inneren Wärmelasten berücksichtigt und die Frischluftrate auf den Mindestbedarf minimiert. Bis 32 C Außentemperatur darf die Innentemperatur maximal 25 C betragen, bei Außentemperaturen über 32 C muss die Innentemperatur mindestens 7 C niedriger sein. Gemäß den Erfahrungswerten der Lebensmittelmarktkette ist eine Kälteleistung von ca. 90 kw für die Verkaufsflächen bis 1900m² ausreichend. 2.2.3.3 Spezifische Raumtemperierung Folgende Mindest-Raumtemperaturen sind für den Heizfall festgelegt: Verkauf, Flurbereiche 18 C Fleischvorbereitung 15 C Kassenzone 21 C Lager 16 C Hausanschlussraum, Technik 5 C Pausenraum 20 C Umkleideräume 21 C Toilettenräume 21 C 6
Baubeschreibung des Lebensmittelmarktes Im Kühlbetrieb wird im Verkaufsraum eine Temperatur von 25 C (7 C unter der Außentemperatur) gewährleistet. Für den Lebensmittelmarkt in Sterzhausen gibt es eine Fremdüberwachung, die die auftretenden Temperaturen über das Jahr kontrolliert. Da der Lebensmittelmarkt erst seit Anfang Juni in Betrieb ist, kann derzeit nur eine Überwachung der Temperaturen im Sommer geschehen. Die im Anhang 1 (beigefügter Ordner) aufgeführte Aufzeichnung zeigt, dass auch bei höheren Außentemperaturen der Wert von 25 C im Verkaufsraum nicht überschritten wird. Um der Zonierung im Verkaufsbereich gerecht zu werden, sind Temperaturfühler vorgesehen. Diese Regeln den Massenstrom in Abhängigkeit der Temperatur. Für die Bearbeitung des Projektes stehen die Raumtemperaturen für den Verkaufsraum und die Kassenzone im Vordergrund. In Abstimmung mit dem Auftraggeber ist für den Heizfall eine Raumtemperatur von 19 C festgelegt worden. Alle anderen Raumtemperaturen sind für den Heizbetrieb, wie oben dargestellt, angenommen. Um den differenzierten Temperaturanforderungen der Bereiche gerecht zu werden, sind verschiedene Raumlufttechnische Anlagen eingeplant worden. In dieser Arbeit erfolgt nur für den Verkaufsbereich eine Betrachtung der Anlage. Nachfolgend wird das neue Konzept zur Raumtemperierung der Verkaufsfläche und Nebenräume dargestellt. Die Beheizung und Kühlung der Verkaufsfläche erfolgt über dezentrale Außen- und Mischluft sowie Sekundärluftgeräte, die über einem Pufferspeicher als Schichtenspeicher (4.000 Ltr. Volumen) mit dem Energieträger Wasser im Tichelmann-Prinzip beaufschlagt sind. Für die Bestimmung des Volumen werden 20-30 Liter pro kw Heizleistung angesetzt. Demzufolge ergab sich beim Lebensmittelmarkt ein Speichervolumen von 2700 kw (gewählt 3000 Liter). Aufgrund der geringen Platzverhältnisse wurden 2 Behälter anstatt einem Speicher gewählt. Diese werden parallel betrieben. Die Beheizung des vorher genannten Speichers als Schichtenspeicher erfolgt vorrangig über die Prozesswärmerückgewinnung der Gewerbekälteanlage. Die Personal- und Sozialbereiche werden über statische Heizflächen mit Wärme aus dem Pufferspeicher versorgt. Der Eingangsbereich/Windfang ist mit einem PWW- Türluftschleier ausgestattet. Entsprechend der EnEV sind die Rohrleitungen gedämmt. Dabei sind Rohrleitungen im sichtbaren Bereich mit einer Kunststoffummantelung und in nicht sichtbaren Bereichen mit alukaschierter Mineralwolle der Klasse A1 ummantelt. Rohrleitungen, die 7
Baubeschreibung des Lebensmittelmarktes auch im Kühlbetrieb benutzt werden, haben eine dampfdiffusionsdichte Schicht. Sie sind im Bereich der Holzbinder über der Zwischendecke verlegt. 2.3 Zusammenfassung Die Forderungen des Auftraggebers dienen dem Planer als Grundlage für die Planung und Auslegung der Anlage. Da der Lebensmittelmarkt ein Neubau ist und somit auch notwendigen Platz für die Technik zur Verfügung stellt, erfolgt die Wärme- und Kälteversorgung in Sterzhausen über ein indirektes System. Hierfür wurde ein Pufferspeichersystem, dass das Übertragermedium Wasser nutzt, geplant. Eine nähere Erläuterung der Variante erfolgt unter dem Punkt Beschreibung der Systemvariante 1. Das andere System, welches zum Vergleich dient setzt für die Teilklimatisierung ein VRF-Anlage-direktes System ein Die Beheizung und Kühlung der Verkaufsfläche erfolgt über Deckenlufterhitzer mit Kältemittel, ohne Zwischenkreislauf. Die Abwärme aus den Gewerbekälteanlagen wird zur Beheizung der Verkaufsfläche genutzt. Der Eingangsbereich/Windfang ist mit einem PWW-Türluftschleier ausgestattet. Die Personal-, Lager-, und Sozialbereiche werden über statische Heizflächen versorgt. Um die Wirtschaftlichkeit einer direkten und indirekten Anlage in Bezug auf den Lebensmittelmarkt in Sterzhausen zu ermitteln, werden beide Konzepte betrachtet und gegenübergestellt. Zunächst ist für diese Betrachtung die Grundlagenermittlung in Abstimmung mit dem Auftraggeber notwendig gewesen. Im nachfolgenden Punkt werden die Ausgangsparameter für die Anlagenkonzepte dargelegt. 8
Technische Vorbetrachtungen 3 Technische Vorbetrachtungen 3.1 Allgemeines Für die Gegenüberstellung beider Systeme (direkt und indirekt) sind zunächst technische Vorbetrachtungen notwendig. Diese berücksichtigen die Auslegungskriterien unter Punkt 2 und dienen dem Planer zur Ermittlung der Gerätegrößen. Nachfolgend werden die Kriterien aufgezeigt, die bei einem Planungsablauf einer RLT-Anlage einzuhalten sind. 3.2 Grundlagenermittlung Hier erfolgt die Analyse der Raumkonditionen als Funktionen der Nutzung entsprechend den Vorgaben des Auftraggebers bzw. des Nutzers. Im Vordergrund steht ein behagliches Raumklima, welches das physische und psychische Wohlbefinden fördert. Einflussgrößen, wie Raumlufttemperatur, Temperatur der Umschließungsflächen, Raumluftfeuchtigkeit und die Luftbewegung sind zu betrachten. Auch das Empfinden in Abhängigkeit der körperlichen Tätigkeit, Bekleidung, Luftreinheit, Geräusche und Akustik beeinflussen die Behaglichkeit. Zu berücksichtigen ist auch, wie lange die Aufenthaltsdauer des Menschen in den jeweiligen Bereich ist. Die Wirtschaftlichkeit eines Systems ist von der Behaglichkeit abhängig. Je höher die Anforderungen in einem Raum sind, desto höher ist der Aufwand für die Optimierung der Anlagentechnik. Im Lebensmittelmarkt sind die Anforderungen sowohl für die Kunden als auch für die Mitarbeiter zu betrachten. Für das Markt-Image ist es wichtig, dass die Kunden sich wohl fühlen. Hier ist festzuhalten, dass die Kunden sich während des Aufenthaltes bewegen und entsprechend der Jahreszeit gekleidet sind. Da die Aufenthaltsdauer des Käufers kurz ist, können unangenehme Bereiche, wie Kühltruhen, bei der Betrachtung vernachlässigt werden. Im Kassenbereich eines Lebensmittelmarktes sind die Anforderungen höher gestellt, da hier über einen längeren Zeitraum eine sitzende Tätigkeit ausgeführt wird. Bei der Planung ist eine höhere Temperaturanforderung (21 C) sowie einen verstärkten Außenluftzufuhr zu gewährleisten. Dafür sind entsprechende Steuer- und Regelungstechniken vorzusehen, die v.a. den Co 2 -Gehalt in der Zone messen. 9
Technische Vorbetrachtungen Raumnutzung: Ob eine Komfort- oder Industrieanlage vorliegt ist abhängig vom Nutzungsgrades des Raumes. Im Komfortbereich steht der Mensch im Vordergrund, bei Industrieanlagen der Prozess. Eine genaue Anlagenkonzipierung ist erst dann möglich, wenn der Planer die Raumnutzung des zu betrachteten Objektes kennt. Daraus leiten sich unterschiedliche Anforderungen an die Raumlufttechnische Anlage für Industrie- und Komfortanlage ab. Entsprechend den technischen Richtlinien erfolgt die Planung. Für das vorliegende Projekt erfolgt die Planung anhand der VDI 2082 Raumlufttechnik Verkaufsstätten. Sie definiert den Lebensmittelmarkt als Komfortbereich. Um alle Bereiche der Planung abzudecken verweist die VDI 2082 auch auf weitere Normen. Es ist anzumerken, dass im Lebensmittelmarkt nicht nur der Mensch im Vordergrund steht, sondern auch die Produkte. Deshalb muss hier ein Kompromiss zwischen beiden gefunden werden. Vor allem im Kühltruhenbereich wird die Problematik deutlich, da aufgrund der Frischhaltung der Produkte niedere Temperaturen verlangt und diese kann mitunter vom Mensch als Unangenehm empfunden werden. Vom Kunden wird dies akzeptiert, da der Kauf von frischer Ware höhere Priorität hat. Temperaturen: Die wirksame Temperatur, die der Mensch wahrnimmt, ist die operative Temperatur auch empfundene Temperatur genannt. Anhand verschiedener DIN-Normen, VDI- Richtlinien etc. ist es dem Planer möglich für unterschiedliche Raumarten die Norm- Innentemperatur (operative Temperatur) zu bestimmen. Für den Lebensmittelmarkt in Sterzhausen sind die Norm-Innentemperaturen (siehe Punkt 2.2.3.3 Raumtemperaturen) vorgegeben worden. Die operative Temperatur ergibt sich aus dem arithmetischen Mittelwert von Raumlufttemperatur und Strahlungstemperatur der Umschließungsflächen. Nach DIN EN 12831 kann für Standardfälle diese Annahme vereinfacht werden. D.h. operative Temperatur wird der Raumlufttemperatur gleich gesetzt. Standardfälle liegen vor, wenn die Gebäudehülle gute U-Werte aufweist. 10
Technische Vorbetrachtungen Mit Formel 1 wird nach DIN EN 12831 die Aussage zur vereinfachten Annahme überprüft. > 50 Formel 1 Mittlerer U-Wert Legende = Norm-Innentemperatur des beheizten Raumes [ C] = Norm-Außentemperatur [ C] Da der Verkaufsraum in die Kategorie Standardfall (Höhe < 5m, gute Wärmedammung) eingeordnet wird, erfolgt für diesen die mittlere U-Wert -Kontrolle. Für den Verkaufsraum sind im Heizfall eine Norm-Innentemperatur von 19 C und eine Norm-Außentemperatur von -12 C anzunehmen. Der maximale U-Wert für Fenster beträgt 1,6 [W/m²K]. Für die Außenwände ist der Wert geringer. Einsetzen der Parameter in Formel 1: > 50 19 ( 12) > 1,612 [ ] 1,6 < 1,612 Da die U-Werte des Lebensmittelmarktes geringer sind als der errechnete mittlere U- Wert, wird vereinfachend angenommen, dass operative Temperatur, Strahlungstemperatur und Raumlufttemperatur identisch sind. Feuchte Die relative Luftfeuchte beschreibt den prozentualen Anteil von Wasserdampf in der Luft. Wie viel die Luft noch Wasser aufnehmen kann, ist abhängig von den vorherrschenden Temperaturen. Mit zunehmender Temperatur sinkt die relative Luftfeuch- 11
Technische Vorbetrachtungen tigkeit im Raum. Eine Sättigung der Luft ist erreicht, wenn die relative Feuchte 100 % beträgt. Die absolute Feuchte dagegen beschreibt, wie viele Gramm Wasserdampf sich in einem Kilogramm trockene Luft befinden. Eine Veränderung der absoluten Feuchte wird im h,x Diagramm nur bei Kühlung mit Taupunktunterschreitung bzw. bei einer Befeuchtung spürbar. Da der Mensch die Luftfeuchtigkeit nicht unmittelbar wahrnimmt, ist eine gewisse Toleranz zulässig. Deshalb empfiehlt die DIN EN 15251:2007 eine Spanne von 20 65 %. Der Feuchtegehalt unterliegt den jahreszeitlichen Schwankungen. So ist die Luft im Winter deutlich trockener als im Sommer. Eine zu niedrige Luftfeuchte führt zur Trockenheit und Reizungen der Augen und Luftwege. Anderseits begünstigt eine zu hohe Luftfeuchte durch mikrobielles Wachstum bedingte Schäden und Bauschäden. Bei der Planung einer RLT-Anlage ist es wichtig, dass der Planer die oben genannten Werte einhält bzw. diese mit dem Auftraggeber abstimmt, um Folgeschäden zu vermeiden. Im Ergebnis der Betrachtung wird festgelegt, ob für die Auslegung der RLT-Anlage die Luftbehandlungsfunktionen Be- und Entfeuchten berücksichtigt werden sollen. Im Lebensmittelmarkt erfolgt eine Besprühung der Obst- und Gemüse-Abteilung, um die Frische der Waren zu gewährleisten. Dafür werden spezielle Kühltruhen mit Befeuchtungsanlage eingesetzt. Ein weiterer Feuchteeintrag resultiert aus der Wasserabgabe des Menschen. Laut Auftraggeber kann für den Verkaufsraum eine relative Feuchte von 50% für die Planung angenommen werden. Aufgrund dessen wird von einer direkten Behandlung der Luftfeuchte abgesehen, wodurch Investitionskosten und Energiekosten eingespart werden können. Luftgeschwindigkeit Da der Mensch in geschlossenen Räumen eine besondere Empfindlichkeit gegenüber Luftbewegungen aufweist, ist es wichtig diese auf ein bestimmtes Maß zu regeln. Vor allem die Zugluft stört das Wohlbefinden des Menschen, weil hierdurch die Wärmeabgabe durch Konvektion und Verdunstung erhöht wird. Zugluft entsteht dann, wenn die bewegte Luft eine niedere Temperatur als die Raumlufttemperatur besitzt und aus einer bestimmten Richtung auf die Person trifft. Trotzdem ist ein Mindestluftwechsel erforderlich, um die thermischen Lasten im Raum zu kompensieren. Entsprechend der Spezifik des Objektes sowie den auftretenden Temperaturunter- 12
Technische Vorbetrachtungen schieden darin wird die zulässige mittlere Temperatur gewählt. So werden im Sommer höher Luftgeschwindigkeiten eher als angenehm empfunden. Dagegen bestehen im Winter höhere Luftgeschwindigkeiten gegenüber Luftbewegungen.Insofern gebührt diesen Werten im Winter besondere Aufmerksamkeit. Darüber hinaus ist durch die Bewegung des Menschen und entsprechende Bekleidung je nach Jahreszeit das zu relativieren. Im Sommer wird sogar ein leichtes überschreiten als angenehm empfunden. Für den Kassenbereich sind die Anforderungen höher, da hier eine sitzende Tätigkeit über einen längeren Zeitraum ausgeführt wird. Aus diesem Grund kann der Praxiswert von 2 m/s angenommen werden. Laut Herstellerangabe wird dieser im Heizund Kühlfall unterschritten. Akustik Die Raumlufttechnische Anlage ist so auszulegen, dass die maximalen Zielwerte des Schalldrucks im Raum eingehalten werden. Hierbei sind alle Geräuschquellen von Nachbarräumen und die durch die Anlage verursachten Geräusche zu berücksichtigen. Anhand verschiedener Normen kann der zulässige Wert ermittelt werden. Für den Lebensmittelmarkt gelten die Werte der VDI 2082. Nach Tabelle 3 ist für den Verkaufsraum ein Schalldruckpegel zwischen 40 und 50dB (A) 2 zulässig. Nachfolgend wird überprüft, ob der zulässige Wert im Verkaufsbereich eingehalten wird. Da alle Innengeräte einen Schalldruckpegel gleicher Intensität haben, wird folgende Formel angewandt. =10 log + 1 Formel 2 Gesamtschalldruckpegel Legende = Anzahl der Geräte mit gleichem Schalldruck [db (A)] 1= Schalldruckpegel der Geräte [db(a)] Im Verkaufsbereich befinden sich 7 Innengeräte. Pro Gerät wird der Mittelwert von 46 db(a) aus der hohen und niederen Leistungsstufe genommen. Angaben können 2 vgl. VDI 2082 Raumlufttechnik Verkaufsstätten, Juli 2010, S. 12, Tabelle 3, [3] 13
Technische Vorbetrachtungen dem beigefügten Datenblatt (siehe Anhang 3, beigefügter Ordner) entnommen werden. Einsetzen der Parameter: =10 log7+ 49 ( ) =57,45 ( ) Die Berechnung des Schalldrucks ergab, dass der zulässige Wert überschritten wird. Durch zusätzliche Schallquellen, wie zum Beispiel Musik, Geräusche bedingt durch Einkaufswagen, eingelagerte Waren und Gespräche wird das Geräusch vermindert wahr genommen und durchaus als nicht störend empfunden. Das Überschreiten des Pegels ist somit vernachlässigbar. Hier steht der Nutzen der Kassetten - Schaffung eines angenehmen Raunklimas - im Vordergrund. Bei einer Schallbetrachtung sind auch Belästigungen an die äußere Umgebung zu berücksichtigen. Da Außen- und Fortluft durch Wetterschutzgitter geleitet werden entsteht dort vermehrt eine Geräuschquelle. Standorte des Objektes sowie Ausblasrichtungen sind entsprechend zu beurteilen und zu wählen. Der Lebensmittelmarkt in Sterzhausen befindet sich in einem Gewerbegebiet. Dort sind höhere Geräuschquellen im Vergleich zu einem Wohngebiet zulässig. Die Geräuschquellen sind so angeordnet wurden, dass der Kunde möglichst keine direkte Störung durch die Geräte empfindet. Deshalb sind Fort- und Außenluftauslass seitlich am Dach, die DAIKIN Außengeräte im hinteren Teil des Lebensmittelmarktes angeordnet. Vier eingebaute Schalldämmkulissen in den Lüftungskanälen senken zusätzlich den Geräuschpegel. 3.3 Ermittlung der thermischen Lasten Um die Behaglichkeit in einem Raum gewährleisten zu können, ist die Betrachtung der thermischen und stofflichen Lasten notwendig. Lasten sind meteorologisch und raumbelastende Störgrößen, die kompensiert werden müssen, um einen angestrebten Raumluftzustand aufrechtzuerhalten. Folgende Lastarten werden unterschieden: 14
Technische Vorbetrachtungen Wärmelast: Heiz- und Kühllast Feuchtelast: Feuchtesenke und quelle Schadstofflasten Diese Lastarten werden mit Hilfe energetischen Aufwendungen kompensiert. Das sind v.a. Apparate der Raumlufttechnik. Im Lebensmittelmarkt Sterzhausen sind nur die Wärmelasten für die Auslegung der Anlage berücksichtigt worden. Jahrelange Erfahrungen bei analogen Verkaufseinrichtungen zeigten, dass die Schadstoffbelastung vernachlässigt werden kann. Das Besprühen des Obstes mit Wasserdampf und vorhandene Personen ergeben eine Feuchtelast im Raum. Da keine Anforderungen zur Kompensation der Feuchte besteht, erfolgt soweit auch keine Feuchtelastberechnung. Heiz- und Kühllast des Gebäudes wurden von der Lebensmittelmarktkette vorgegeben. Für das Gebäude wurde eine Gesamtheizlast von 90 kw im Verkaufsbereich 74,4 kw vorgegeben. Die Abbildung 1 zeigt, dass die Heizlast sich aus Lüftungs- und Transmissionswärmeverlusten zusammen setzt. Abbildung 1 auftretende Verluste in einem Raum (Internetquelle, Seite 1, [17]) 15
Technische Vorbetrachtungen Die. Da nur für den Verkaufsraum eine Kühlung im Sommer vorgesehen ist, ergab sich für diesen Bereich eine Kühllast von 74 kw. Die Kühllastberechnumg setzt sich aus inneren und äußeren Lasten zusammen, welche in der Abbildung 2 dargestellt werden. Abbildung 2 auftretende Gewinne in einem Raum (Internetquelle, Seite 1, [17]) Die Lebensmittelmarktkette gibt eine Heizlast von 90 kw und eine Kühllast von 74 kw bei einer Marktfläche bis zu 1900 m² vor. Da der Laden in Sterzhausen nur eine Grundfläche von 1600 m² hat, kann davon ausgegangen werden, dass die Heizlast und Kühllasten geringer sind. Berechnungen in der Studienabreit und nachfolgende Korrekturen dieser, ergaben eine Heizlast für den Verkaufsbereich von 50 kw und eine Kühllast von 44 kw. Bei einer Anpassung der Lasten an die jeweilige Marktgröße und Standort könnten Kosten für Investitionen und Energie gesenkt werden. Grundlage für die nachfolgende Betrachtung sind die Lastangaben der Lebensmittelkette. 16
Technische Vorbetrachtungen 3.4 Berechnung der Volumenströme 3.4.1 Allgemeines Die Volumenstromberechnung dient als Voraussetzung für die Konzipierung und Auslegung einer Raumlufttechnischen Anlage. Die Ermittlung des Planungsvolumenstroms erfolgt, indem zwei Volumenströme berechnet und nachfolgend miteinander verglichen werden. Das sind zum einen der hygienische Zuluftvolumenstrom und zum anderen der benötigte Zuluftvolumenstrom, der durch die Last charakterisiert wird. Der hygienische Zuluftvolumenstrom - auch hygienischer Außenluftvolumenstrom genannt- ist der Volumenstrom, der den Raum mit Frischluft versorgt. Dadurch werden die auftretenden Schadstoffe in einem Raum verdünnt, so dass die zu erwartende Minimalanforderungen erfüllt sind. Die Berechnung des Mindest- Außenluftvolumenstroms basiert auf verschiedenen Vorschriften. Alle Berechnungsverfahren berücksichtigen die Schadstoffe in einem Raum und geben Normvorgaben dem Planer für einhaltende Kennwerte für die Bestimmung des Mindest- Außenluftvolumenstroms vor. Zur Berechnung des Volumenstroms können verschiedene Verfahren, wie z.b. Pettenkofer, DIN EN 13779, Fanger etc. angewandt werden. Der Lastzuluftvolumenstrom ist der Volumenstrom, der die Lasten in einem Raum kompensiert. Dieser wird für alle Lastarten berechnet, jedoch nur der größte berechnete Volumenstrom dient als Vergleichswert für den Mindest- Außenluftvolumenstrom, weil mit ihm kleinere Lasten mit kompensiert werden. Im Normalfall ist der Zuluftvolumenstrom aufgrund der anfallenden Kühllast dominierend. Nachdem beide Volumenströme berechnet worden sind, erfolgt aus ihrem Vergleich die Bestimmung des Planungsvolumenstroms nach folgender vereinfachten Formel 3. V, =max V, ; V, Formel 3 Planungsvolumenstrom Legende V, = Zuluftvolumenstrom der Lasten [m³/h] V, = Hygienischer Zuluftvolumenstrom [m³/h] 17
Technische Vorbetrachtungen Ist der hygienische Zuluftvolumenstrom größer als der Zuluftvolumenstrom der Lasten, bedeutet das, dass der Raum komplett mit Außenluft zu versorgen ist. Hieraus leiten sich 2 Konsequenzen ab: 1. Der Anteil der Außenluft darf nicht reduziert werden. 2. Keine Durchmischung der Volumenströme. Ist der Zuluftvolumenstrom größer, so bedeutet dies, dass der hygienische Zuluftvolumenstrom im errechneten Volumenstrom mit enthalten ist. Die Differenz zwischen beiden Volumenströmen gibt an, wie viel Umluft bei Bedarf und in Abhängigkeit der jeweiligen Normen gefahren werden darf. Der Planungsvolumenstrom hat Einfluss auf die Planungsgröße, Ventilatorauswahl, Auslassauswahl, Druckrelation usw.. 3.4.2 Erläuterung der möglichen Betriebsweisen Die Betriebsweise einer Raumlufttechnischen Anlage ist so zu wählen, dass energetische und wirtschaftliche Aspekte berücksichtigt werden. Nachfolgend werden die Möglichkeiten dargestellt. Generell wird die Anlage nach dem größten Volumenstrom ausgelegt. Ist der Mindest-Außenluftvolumenstrom größer als der Volumenstrom, der durch Lasten bedingt ist, wird die Anlage komplett mit Außenluft betrieben. Ist der lastbedingte Volumenstrom größer als der hygienische, so ist der Mindest-Außenluftvolumenstrom in den Berechnungen integriert. Es ist nur so viel Außenluftanteil in den Raum einzubringen, dass der hygienische Bedarf gedeckt werden kann. Natürlich bestünde auch die Möglichkeit, den lastbedingten Volumenstrom komplett über die Außenluft zu kompensieren, welches aber hohe energetische Aufwendungen für thermodynamische Luftbehandlungsfunktionen nach sich zieht. Aus diesem Grund wird für den zusätzlich benötigten Volumenstrom, der die Lasten kompensiert, ein anderes System gewählt. Einerseits ist es möglich, die zentrale Anlage mit Umluft zu betreiben, d. h. über eine Mischkammer werden Außen- und Umluft gemischt. Dies hat den Vorteil, dass weniger thermodynamische Prozesse folgen bzw. die Aufwendungen der Leistungen geringer sind, da die Umluft die Eigenschaften des Raumes trägt. Zum Beispiel wird Außenluft durch Umluft vorgewärmt, sodass die Wärmeleistung im Winterfall sinkt. 18
Technische Vorbetrachtungen Andernseits besteht die Möglichkeit, die Energie direkt an der Versorgungsstelle, z. B. durch Umluftkassetten, einzubringen. Diese entziehen dem Raum Abluft; innerhalb des Gerätes werden die Lasten kompensiert und anschließend wird die entlastete Luft dem Raum wieder zugeführt. Aber auch eine Mischung von Umluft und Außenluft ist direkt an der Versorgungstelle möglich. Dafür werden die Umluftkassetten direkt an das Kanalnetz der Frischluftanlage angebracht. Ist der Betrieb mit Umluft aus höheren Anforderungen nicht erlaubt, werden diese Kassetten direkt an das Kanalnetz der Frischluftanlage angekoppelt. Die Frischluftaufbereitung erfolgt dann direkt an der Versorgungsstelle, bevor sie dem Raum zugeführt wird. Da das Ladenkonzept des Lebensmittelmarktes vorgeschrieben ist, war nur die Berechnung des hygienischen Luftvolumenstroms für die Auslegung des Zentralgerätes notwendig gewesen. Die Betrachtung des lastbedingten Volumenstroms konnte vernachlässigt werden, da für die Lastkompensation dezentrale Geräte Umluftkühlkassetten eingeplant wurden. Die Größe und Anzahl dieser Geräte sind entsprechend ihrer Leistung ausgewählt wurden. Des Weiteren lässt sich aus den vorgegebenen Heiz- und Kühllasten ableiten, dass der lastbedingte Volumenstrom größer ist und somit der Einsatz von einer Nur-Luft- Anlage energetisch aufwendiger wäre. Dies liegt daran, dass die Luft schlechte thermodynamische Eigenschaften aufweist und somit der Aufwand für Transport und Energiebereitstellung steigt. Wiederrum erhöht sich die Nutzung der freien Kühlung. Eine nähere Erläuterung des Sachverhalts erfolgt unter Punkt 3.5 Nur-Luft-Anlage oder Luft-Wasser/Kältemittel- Anlage Nachfolgend wird die Berechnung des Außenvolumenstroms vorgenommen. 3.4.3 Berechnung des Außenvolumenstroms nach VDI 2082 Die Berechnung des Außenvolumenstroms erfolgte nach den Vorgaben des Auftraggebers. Hierbei war der Mindest-Luftwechsel von 6 m³/h je m² Verkaufsfläche anzunehmen. Aus diesem Wert lässt sich ableiten, dass für die Bestimmung des Außenvolumenstroms eine flächenbezogene Formel zu Grunde lag. 19
Technische Vorbetrachtungen Demnach ergibt sich folgende Formel 4 für die Betrachtung: V =A V, Formel 4 Außenvolumenstrom Legende A = Fläche Verkauf [m²] V, = Mindest-Außenluftvolumenstrom [m³/hm²] Der Lebensmittelmarkt hat eine Fläche von ca. 1.208 m². Nachfolgend wird der Außenvolumenstrom unter Betrachtung der Verkaufsfläche und dem Mindest- Außenluftvolumenstrom nach obiger Formel ermittelt. einsetzen der Parameter: V =1.208 m² 6,0 m³ m² h V =7.248 m³ h Der benötigte Außenvolumenstrom beträgt 7.248 m³/h. Um eine mögliche Unterversorgung des Raumes mit Außenluft zu vermeiden ist es wichtig, diesen Wert anhand der Vorschriften zu überprüfen. Für den Vergleich bzw. für die Bewertung des Vorgabewertes wurde die VDI 2082 Raumlufttechnik Verkaufsstätten ausgewählt. Der benötigte Außenluft- Volumenstrom wird auf Basis der Raumluftqualität (Kategorien nach DIN EN 15251) und der stofflichen Lasten des Gebäudes bestimmt. In Tabelle 6 der VDI 2082 sind Anhaltswerte für die Auslegung der Anlagen hinterlegt. Hier wird zwischen Kategorie II und III unterschieden. Die VDI 2082 schreibt, wenn Erkenntnisse zur Personendichte und Schadstoffbelastung des Gebäudes vorliegen, dann wird die Einhaltung 20
Technische Vorbetrachtungen der Kategorie unter Berücksichtigung der genauen Werte empfohlen 3. Da aber für den Lebensmittelmarkt keine genauen Erkenntnisse vorliegen, wird Kategorie III gewählt. Demzufolge sind folgende Werte für den Lebensmittelmarkt nach Tabelle 6 der VDI 2082 zu wählen: Raumgruppe: Verkauf, allgemein (z. B. verpackte Waren, Textilien, Hartwaren, Schmuck) 4, Personendichte: 0,15 [Personen/m²] 5, Mindest-Außenvolumenstrom: Kategorie III, 6,1 [m³/h m²] 6. Vergleicht man den Wert des Auftraggebers mit dem Wert der VDI 2082 zeigt sich eine Unterschreitung von 0,1 m³/h m² zur Norm. Dieser ist sehr gering und bedeutet, dass der Wert des Auftraggebers für die Berechnung angenommen werden kann. Laut Gerätedaten des Auftraggebers ist das Zentralgerät (siehe Anhang 3, beigefügter Ordner) auf einen Volumenstrom von 7600 m³/h ausgelegt worden. Die Herstellung der Zentralgeräte erfolgt in unterschiedlichen baulichen Abstufungen. So würde sich bei einem Volumenstrom von 7.248 m³/h die gleiche Gerätegröße (Gerätepreis) wie bei einem Volumenstrom von 7600 m³/h ergeben. Durch die Nutzung des zusätzlichen Volumenstroms wird eine Leistungsreserve bereitgestellt sowie der Effekt der freien Kühlung kann genutzt werden. 3 vgl. VDI 2082 Raumlufttechnik Verkaufsstätten, Juli 2010, S. 17-18, [3] 4 vgl. VDI 2082 Raumlufttechnik Verkaufsstätten, Juli 2010, S. 17, Tabelle 6, [3] 5 vgl. VDI 2082 Raumlufttechnik Verkaufsstätten, Juli 2010, S. 17, Tabelle 6, [3] 6 vgl. VDI 2082 Raumlufttechnik Verkaufsstätten, Juli 2010, S. 17, Tabelle 6, [3] 21
Technische Vorbetrachtungen 3.5 Konzequenzen für die Auslegung der RLT-Anlage Sommer-/Winterbetrieb: Grundsätzlich hat der Planer die Aufgabe die Anlage so zu planen, dass diese den Anforderungen des Auftraggebers zum Detail entspricht. Dennoch sind Veränderungsvorschläge, die zuvor mit dem Auftraggeber abgestimmt werden, möglich. Für den Lebensmittelmarkt erfolgte die Auslegung der raumlufttechnischen Anlage für Sommer- und Winterbetrieb. Einerseits werden somit die Behaglichkeitsanforderungen erfüllt und anderseits Ware, besonders im Sommer, frisch gehalten. Anlagentypen: Bei Raumlufttechnischen Anlagen wird zwischen folgenden Grundtypen unterschieden: Zuluftanlage, Abluftanlage, Absauganlage, Zu- und Abluftanlage. Der Lebensmittelmarkt hat eine Zu- und Abluftanlage. Die Anlage wird in Gleichstrom (auf Volumenstrom bezogen) betrieben. Das heißt, der Volumenstrom der Zuluft ist gleich dem Volumenstrom der Abluft. Thermodynamische Aufbereitungen: Um den Sommer- und Winterbetrieb der Anlage gewährleisten zu können, sind thermodynamische, hygienische und logistische Luftbehandlungsfunktionen der Raumlufttechnik notwendig. Für die Prozesskonzipierung sind zunächst die thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen, wie Heizen, Kühlen, Befeuchten und Entfeuchten, von Bedeutung. Die Anzahl der Luftbehandlungsfunktionen ergibt den jeweiligen Anlagentyp. Nach den Anforderungen des Lebensmittelmarktes wurden zwei Luftbehandlungsfunktionen eingeplant, die eine Teilklimaanlage zur Konsequenz haben. Eine Teilklimatisierung ist für diesen Fall ausreichend. Der Einsatz einer Klimaanlage wäre im Vergleich hierzu sehr aufwendig und kostenintensiv. 22
Technische Vorbetrachtungen Nur-Luft-Anlage oder Luft-Wasser/Kältemittel-Anlage Um ein Objekt thermodynamisch ausreichend zu temperieren bzw. zu klimatisieren existiert eine Vielzahl von Varianten und Lösungen. Aber nicht alle Systeme finden in jedem Bereich Anwendung. Deshalb ist es wichtig, in Verbindung mit dem Auftraggeber ein passendes System für das jeweilige Objekt zu finden. Nachfolgend werden die 3 gängigsten Lösungsvarianten für den hier vorliegenden Anwendungsfall vergleichend dargestellt. Je nach Mediumeinsatz erfolgen unterschiedliche Aufgaben in der Lüftungstechnik. Mit Hilfe der Luft werden die Außenluftversorgung, die Schutzdruckhaltung und die Luftreinhaltung im Raum erzielt. Die Kompensation von thermischen Lasten und zum Teil Feuchtelasten sind mit den Medien Luft, Wasser und Kältemittel möglich. Mithin werden Raumlufttechnische Anlagen in folgende 3 Anlagentypen gegliedert: Nur-Luft-Anlagen 7 Luft-Wasser-Anlagen 8 Luft-Kältemittel-Anlagen 9 Nur-Luft-Anlage Der Einsatz einer Nur-Luft-Anlage bedeutet, dass neben den Aufgaben der Lufttechnik, wie Außenluftversorgung, Schutzdruckhaltung, Reinhaltung, auch die thermischen Lasten abgeführt werden. Prinzipiell wird dieses System dann gewählt, wenn der erforderliche Volumenstrom für die Aufgaben der Lufttechnik ausreichend groß ist, um auch die thermischen Lasten abzuführen. Bei einer Nur-Luft-Anlage wird unterschieden zwischen Einkanalanlagen mit konstantem oder variablem Volumenstrom. Liegt ein konstanter Volumenstrom vor, ist die Zulufttemperatur variabel. Je nach der Spezifik des vorliegenden Objektes wird zwischen Einzonen- und Mehrzonen-Anlagen unterschieden. Bei einer Einzonen-Anlage wird die Luft in einem zentralen Gerät aufbereitet und über ein Kanalnetz dem Raum zugeführt. 7 vgl. Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik (Recknagel), 2009, S. 934, [9]) 8 vgl. Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik (Recknagel), 2009, S. 934, [9]) 9 vgl. Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik (Recknagel), 2009, S. 934, [9]) 23
Technische Vorbetrachtungen Dabei erhalten alle Räume Luft mit gleichem Zustand. Wird mit der RLT-Anlage geheizt und gekühlt, ist die richtige Auswahl an Auslässen zu treffen. Meistens werden verstellbare Auslässe angewandt. Einzonen-Anlagen werden vorwiegend bei Großräumen oder Mehrraumgebäude verwendet. Nachfolgend wird in der Abbildung 3 eine Einzonen-Anlage mit konstantem Volumenstrom gezeigt. Abbildung 3 Schematischer Aufbau einer KVS-Anlage mit Vollabsperrung für die einzelnen Räume (Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik (Recknagel), 2009, S. 936, [9]) Unterschiedliche Betriebszeiten sind möglich, indem Konstantvolumenstromregler zur Vollabsperrung eingesetzt werden. Die Einzonenanlage geht davon aus, dass das Gebäude in allen Räumen annähernd gleiche Lasten aufweist. Dies ist jedoch selten der Fall, da die Gebäudeflächen verschiedene Himmelsrichtungen zeigen. Aus diesem Grunde empfiehlt sich eine Mehrzonen-Anlage. In Abhängigkeit der unterschiedlichen Lasten erhält jede Zone die entsprechende Luft mit unterschiedlichen Zuständen. D.h. die Luft wird im Zentralgerät auf den ungünstigsten Fall geregelt und vor dem Raum z.b. durch Zonen- Nacherwärmer auf den ermittelten Zuluftpunkt gebracht. Nutzungsgröße ist das Reagieren auf die speziellen Lasten der einzelnen Zonen mit einem erhöhtem Energieund Installationsaufwand verbunden. 24
Technische Vorbetrachtungen In Abbildung 4 wird der Schematische Aufbau einer solchen Anlage dargestellt. Abbildung 4 Schematischer Aufbau einer KVS-Anlage mit Zonen-Nacherwärmern (Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik (Recknagel), 2009, S. 937, [9]) Bei Einkanalanlagen mit variablen Volumenstrom ist die Temperatur konstant. Die Zuluftvolumenströme werden in Abhängigkeit der auftretenden Lasten im Raum über einen Raumthermostat geregelt. So wird bei höheren Lasten der Volumenstrom erhöht und bei geringen Lasten auf den Mindestwert senkt. Dieser Modus ermöglicht eine unterschiedliche Zonenregelung sowie eine differenzierte Auslegung der Volumenströme in Abhängigkeit der Jahreszeiten. Vorteil dieser Anlagen ist die Reduzierung des Energiebedarfs nur für die Luftbehandlungsfunktionen. Zu berücksichtigen ist, dass Luftkanäle auf 100 % Volumenstrom auszulegen sind. Luft-Wasser / Kältemittel-Anlage Bei einer Kombination aus dezentralen und zentralen Geräten liegt eine Trennung der Bauteile vor. Das Zentralgerät dient nur dazu, den notwendigen Mindest- Außenvolumenstrom in den Raum einzubringen. Je nach Volumenstrom ist nach EnEV 2009 eine Wärmerückgewinnung ab 4.000 m³/h zu berücksichtigen. Ist der Volumenstrom kleiner, sollte im Winterfall ein Lufterhitzer für die Vorerwärmung der Luft eingeplant werden, um mögliche Einfriergefahren zu verhindern. Die Größe der Kanäle ist demzufolge abhängig vom Außenvolumenstrom. Um die Lasten im Raum 25
Technische Vorbetrachtungen kompensieren zu können, werden dezentrale Geräte raumweise eingesetzt. Dabei ist je nach Anwendungsfall zu entscheiden, ob das Medium Wasser oder Kältemittel genutzt wird. Erfolgt der Einsatz des Mediums Wasser, so liegt ein indirektes System vor. D.h., Wasser wird separat aufbereitet und nachfolgend durch eine Wärmeübertrager geführt, durch die Luft erwärmt oder gekühlt wird. Hierfür werden vorrangig Induktionsanlagen oder RLT-Anlagen mit Gebläsekonvektoren eingesetzt. Abbildung 5 Schema einer Induktionsanlage. Links: Zweirohr; rechts: Vierrohr-System (Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik (Recknagel), 2009, S. 940, [9]) Beim Einsatz von Kältemittel, erfolgt die Kühlung oder Beheizung des Raumes über ein direktes System. Es wird dann von einer Split-, Multi-Split oder VRV-Anlage gesprochen. 26
Technische Vorbetrachtungen Abbildung 6 Schematische Darstellung einer Splitanlage (Daikin) Schematische Darstellung einer Multisplitanlage (Daikin) (Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik (Recknagel), 2009, S. 946, [9]) Vergleich der Systeme Im Vergleich aller Systeme ergeben sich Vor- und Nachteile. Eine komplette Abfuhr der thermischen Lasten ist über das Medium Luft generell möglich. Luft hat aber gegenüber Wasser eine deutlich geringere spezifische Wärmekapazität und Dichte. D.h., um den gleichen Wärmestrom, wie mit dem Medium Wasser zu transportieren, wird ein größerer Luftvolumenstrom benötigt. Der hohe Luftvolumenstrom und die dadurch vorhandene Druckverluste in einem Luftkanal-System sind ausschlaggebend für die Auswahl der Querschnitte der Kanäle und der einzusetzenden Ventilatoren. Der Platzbedarf und Energieaufwand sind gegenüber dem Medium Wasser wesentlich höher. Das Medium Kältemittel hat wiederum gegenüber Wasser energetische Vorteile. Nur-Luft-Systeme kommen vorrangig dort zum Einsatz, wenn der Außenvolumenstrom gleichzeitig die thermischen Lasten mit abführt. Auch die Nutzung der freien Kühlung kann besser bei größeren Volumenströmen ausgenutzt werden. Kombinierte Anlagen haben den Nachteil, dass die Mediensysteme steuer- und regeltechnisch aufeinander abzustimmen sind. Im Ergebnis der Vergleiche ist für den Lebensmittelmarkt Sterzhausen eine Luft- Wasser-Anlage ein kombiniertes System aus zentralen und dezentralen Geräten 27
Technische Vorbetrachtungen ausgewählt worden. Dadurch können Energiekosten und Aufwendungen eingespart werden. Jedoch hat das System in Sterzhausen einen hohen Platzbedarf für die Anlagentechnik. Das v.a. deshalb, weil das indirekte System über 2 Pufferspeicher geschalten ist. Bei dem zweiten System erfolgt eine direkte Übertragung der Wärme- bzw. Kälte durch das Kältemittel zwischen Verdampfer und Verflüssiger. Dadurch ist dieses System in sich betrachtet energetisch günstiger. Trotzdem können hier noch keine Aussagen zur Wirtschaftlichkeit der Varianten getroffen werden, weil das Gesamtsystem zu betrachten ist. Wärmerückgewinnung Die Wärmerückgewinnung ist eine Maßnahme zur Mehrfachnutzung von Energie der den Prozess verlassenden Volumenströme. Durch eine Rückgewinnung des Wärmeinhalts der Abluft lassen sich der jährliche Energieverbrauch sowie die bereitzustellende Leistungen senken. Hierbei wird ein Enthalpieunterschied zwischen Außenluft und Abluft mit einem möglichst hohen Übertragungsgrad angestrebt. In Abbildung 7 wird das Wärmerückgewinnungssystem nach VDI 2071 dargestellt. Abbildung 7 Wärmerückgewinnungssystem nach VDI 2071 (Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik (Recknagel), 2009, S. 1182, [9]) 28