Diplomrbeit Untersuchung von Vrinten der Wärmerückgewinnung unter energetischen und wirtschftlichen Aspekten m Neubu eines Bürogebäudes mit Penthouse-Geschoss Vorgelegt m: 17. August 009 Vorgelegt von: Ssch Müller Grtenstrße 4 09366 Stollberg/Erzgebirge Studienrichtung: Versorgungs- und Umwelttechnik Seminrgruppe: VU 06/1 Mtrikelnummer: 40 600 94 Prxisprtner: Ebert-Ingenieure GmbH & Co. KG Niederlssung Frnkfurt Hnuer Lndstrße 18 60314 Frnkfurt m Min Gutchter: Prof. Dipl.-Ing. Jürgen Löffler (Sttliche Studienkdemie Gluchu) Dipl.-Ing. Jürgen Schuster (Ebert Ingenieure GmbH & Co. KG)
Inhltsverzeichnis ABBILDUNGSVERZEICHNIS III TABELLENVERZEICHNIS IV ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS V 0. EINLEITUNG 1 1. ZIELSTELLUNG UND AUFBAU DER ARBEIT 3. WÄRMERÜCKGEWINNUNG 4.1 Ws ist Wärmerückgewinnung? 4. Einteilung der Wärmerückgewinnungssysteme 5..1 Rekupertive Systeme, Ktegorie 1 6.. Regenertive Systeme, Ktegorie 8..3 Regenertoren mit drehendem/nicht drehendem Wärmeträger, Ktegorie 3 9..4 Wärmepumpen, Ktegorie 4 10.3 Ws ist bei der Plnung zu bechten? 11.3.1 VDI 071 11.3. VDI 067 1.3.3 EnEV und DIN V 18599 1.3.4 Buliche Anforderungen 13.3.5 Hygienische Anforderungen 15 3. DIE SYSTEMVARIANTEN 16 3.1 Teilklimnlge mit Sorptionsrotor 17 3.1.1 Berechnung von Nutz- und Hilfsenergiebedrf 18 3.1.1.1 Grundlgen 18 3.1.1. Nutzenergiebedrf Wärme und Kälte 19 3.1.1.3 Nutzenergiebedrf Luftförderung 0 3.1.1.4 Hilfsenergiebedrf Wärmerückgewinnung 1 3.1. Ergebnisse der Berechnung 3. Teilklimnlge mit Kreislufverbund-Wärmerückgewinner 3 3..1 Berechnung von Nutz- und Hilfsenergiebedrf 5 3..1.1 Grundlgen 6 3..1. Nutzenergiebedrf Wärme und Kälte 6 3..1.3 Nutzenergiebedrf Luftförderung 8 3..1.4 Hilfsenergiebedrf Wärmerückgewinnung 8 I
3.. Ergebnisse der Berechnung 9 3.3 Teilklimnlge mit Plttenwärmerückgewinner 30 3.3.1 Berechnung von Nutz- und Hilfsenergiebedrf 3 3.3.1.1 Grundlgen 33 3.3.1. Nutzenergiebedrf Wärme und Kälte 33 3.3.1.3 Nutzenergiebedrf Luftförderung 34 3.3.1.4 Hilfsenergiebedrf Wärmerückgewinnung 35 3.3. Ergebnisse der Berechnung 35 4. GEGENÜBERSTELLUNG DER VARIANTEN 36 4.1 Technische Merkmle 36 4.1.1 Geräteinterner Druckverlust 36 4.1. Gerätebmessungen und Wrtungsflächen 38 4.1.3 Weitere Merkmle 39 4. Energiebedrf und Wirtschftlichkeit 40 4..1 Energiebedrf 41 4..1.1 Nutzenergiebedrf Wärme und Kälte 41 4..1. Nutzenergiebedrf für Luftförderung und Hilfsenergiebedrf 4 4.. Betriebskosten 43 4..3 Wirtschftlichkeitsberechnung nch VDI 067-1 45 4..3.1 Eingngsprmeter, Grundlgen 45 4..3. Berechnungsbluf 46 4..3.3 Berechnungsergebnisse 47 4.3 Berechnung der CO -Emissionen 48 5. SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK 50 6. LITERATURVERZEICHNIS 51 7. ANHANGSVERZEICHNIS UND ANHANG 54 II
Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Anlgenufbu zur Wärmerückgewinnung Abbildung : Bezeichnungen m Wärmerückgewinnungssystem 4 Abbildung 3: Kreuzstromprinzip 6 Abbildung 4: Gegenstromprinzip 6 Abbildung 5: Sorptionsrotor, Winterfll 17 Abbildung 6: Sorptionsrotor, Sommerfll 17 Abbildung 7: Anlgenufbu zur Wärmerückgewinnung 4 Abbildung 8: indirekte Wärmeeinbindung in KVS-Systeme, schemtisch 4 Abbildung 9: KVS-System, Winterfll 5 Abbildung 10: KVS-System, Sommerfll 5 Abbildung 11: KVS mit Einbindung, Winterfll 5 Abbildung 1: KVS mit Einbindung, Sommerfll 5 Abbildung 13: Plttenwärmeübertrger mit gewellten Pltten, Skizze 31 Abbildung 14: Ausschnittsfotogrfie der gewellten Pltten 31 Abbildung 15: Pltten-WRG, Winterfll 3 Abbildung 16: Pltten-WRG, Sommerfll 3 Abbildung 17: interner Druckverlust Abbildung 18: interner Druckverlust p ZUL, int 37 p ABL, int 37 Abbildung 19: Länge der Geräte lut Hersteller 39 Abbildung 0: Mindestwrtungsflächen 39 Abbildung 1: Nutzenergiebedrf Wärme 4 Abbildung : Nutzenergiebedrf Kälte 4 Abbildung 3: Nutzenergiebedrf Luftförderung 43 Abbildung 4: Hilfsenergiebedrf WRG 43 III
Tbellenverzeichnis Tbelle 1: Gegenüberstellung technischer Merkmle der Systemvrinten 40 Tbelle : Jhresgesmtkosten für Strom 44 Tbelle 3: Jhresgesmtkosten für Fernwärme 44 Tbelle 4: Zusmmenstellung der Berechnungsergebnisse der Systemvrinten 47 Tbelle 5: CO -Äquivlente nch Systemvrinten und Energieform 49 IV
Abkürzungsverzeichnis COP CO DIN EnEV KVS VDI vgl. WRG Coefficient of performnce Kohlenstoffdioxid Deutsches Institut für Normung e.v. Energieeinsprverordnung Kreislufverbundsystem Verein deutscher Ingenieure e.v. vergleiche Wärmerückgewinnung/Wärmerückgewinner V
0. Einleitung Bei der Plnung und Erstellung von gebäudetechnischen Anlgen wird heutzutge größter Wert uf die Energieeffizienz gelegt, um den CO -Ausstoß zu verringern und dmit die Umwelt - insbesondere die Atmosphäre zu entlsten. Dzu soll vor llem der Einstz von Primärenergie minimiert werden. Diese Zielstellung wurde uch von politischer Seite uf ntionler und interntionler Ebene formuliert. Diesbezüglich erließ die deutsche Bundesregierung die Energieeinsprverordnung, deren Novelle m 01. Oktober 009 in Krft tritt. Die Neuerungen dieser Verordnung wurden in der Studienrbeit, welche dieser Diplomrbeit vorngestellt wr, usführlich erörtert. Zu den Mßnhmen, welche von dieser Verordnung gefordert werden, gehört uch die Wärmerückgewinnung in rumlufttechnischen Anlgen zur Konditionierung von Nichtwohngebäuden. D viele Gebäude dieses Typs Bürogebäude, belegt mit einer hohen Personendichte, sind, ist es notwendig eine gesundheitlich und hygienisch einwndfreie Luftqulität m Arbeitspltz zu gewährleisten, um die Leistungsfähigkeit der Mitrbeiter zu erhlten. Dzu ist eine einfche Fensterlüftung nicht usreichend, d ohne entsprechende thermodynmische Behndlung der Außenluft keine behglichen Rumzustände erreicht werden können. Die Konditionierung der Zuluft nimmt jedoch einen entscheidenden Teil des Energieverbruchs eines Bürogebäudes ein. (vgl. KLI) Um lso den Einstz von Primärenergie zu reduzieren, muss versucht werden, die eingebrchte Energie mehrfch zu nutzen. Wärmerückgewinnung ist eine Mßnhme zur Mehrfchnutzung der Enthlpie der ein Gebäude verlssenden Mssenströme. (vgl. VDI 071) Die Enthlpie beschreibt dbei den Energieinhlt des thermodynmischen Systems (vgl. SCHENK), ds heißt im Fll der Rumlufttechnik den Energieinhlt der Luft. Bei einem Wärmerückgewinnungssystem wird der Energieinhlt der Abluft genutzt und der noch zu konditionierenden Außenluft zugeführt, um den notwendigen Energieeinstz für die thermodynmische Luftufbereitung zu minimieren. Die einml zugeführte Energie soll sich lso möglichst in einem Kreisluf zwischen Rumluft, Abluft und frischer Außenluft befinden, wie in Abbildung 1 drgestellt. 1
Abbildung 1: Anlgenufbu zur Wärmerückgewinnung Quelle: http://www.tu-berlin.de/filedmin/fg111/studium-lehre/gebeudetechnik/skripte/ HT_und_RT_I/RT_I/WrmeruckgewinnunginRLT-Anlgen_CludiKndzi.pdf In VDI 071 wird vielfch die Bezeichnung Wärmeustuscher verwendet. Auf diesen Begriff soll im Folgenden verzichtet werden, d kein Austusch erfolgt, sondern eine Wärmeübertrgung. Lediglich bei der Verwendung von Bezeichnungen us der VDI 071, wie zum Beispiel den Ktegoriebezeichnungen, wird dieser Begriff genutzt werden. Alle weiteren Begriffe werden in Anlehnung n die ktuellen DIN- Normen, insbesondere die DIN EN 13779 und die DIN V 18599 verwendet. Als Grundlge für die Betrchtungen werden die Auslegungen des Geräteherstellers verwendet. Es werden durchgängig Geräte des Fbrikts Fläkt Woods behndelt. Dmit sollen herstellerspezifische Unterschiede und Besonderheiten der rumlufttechnischen Geräte usgeschlossen werden, die zu einer Verfälschung der Betrchtungen führen könnten.
1. Zielstellung und Aufbu der Arbeit Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die in der Studienrbeit durchgeführten Betrchtungen zum Energiebedrf einer Teilklimnlge in einem Bürogebäude fortzusetzen und verschiedene Vrinten der Wärmerückgewinnung gegenüberzustellen. Dzu sollen äquivlent der in der Studienrbeit erfolgten Berechnung zum Nutzenergiebedrf einer rumlufttechnischen Anlge mit Sorptionsrotor Berechnungen für weitere Wärmerückgewinnungssysteme durchgeführt werden. Diese Betrchtungen werden sich über den Nutzenergiebedrf hinus uch mit dem Energiebedrf für Luftförderung und Antrieb der Wärmerückgewinnungssysteme befssen. Drus bgeleitet wird ein Vrintenvergleich, welcher einerseits die wirtschftlich sinnvollste Lösung herusstellen soll. Andererseits wird uch der Aspekt der CO - Einsprung eine besondere Rolle spielen, d bei dem hier behndelten Objekt besonderer Wert uf ökologische Gesichtspunkte gelegt wird. 3
. Wärmerückgewinnung.1 Ws ist Wärmerückgewinnung? Aus VDI 071: Wärmerückgewinnung in Rumlufttechnischen Anlgen geht hervor, dss Wärmerückgewinnung eine Mßnhme zur Mehrfchnutzung der Enthlpie der ein Gebäude verlssenden Mssenströme ist. Diese Definition ist llgemeingültig für lle Prozesse deren Abwärme genutzt wird, wird llerdings in dieser Richtlinie nur uf rumlufttechnische Prozesse bezogen. Umluftbetrieb ist keine Wärmerückgewinnungsmßnhme im Sinne der Norm, d keine wärmeustuschenden Apprte zum Einstz kommen. [VDI 071] Eine Übersicht der bei Wärmerückgewinnungssystemen üblichen Begriffe und Bezeichnungen zeigt Abbildung nch VDI 071. Abbildung : Bezeichnungen m Wärmerückgewinnungssystem Quelle: VDI 071: 1997-1, Wärmerückgewinnung in Rumlufttechnischen Anlgen Aus Abbildung ergibt sich uch die Formel zur Berechnung der Rückwärmzhlen. Sie wird us dem Verhältnis von ttsächlich übertrgener Wärme zu mximl übertrgbrer Wärme gebildet und ergibt sich für die Außenluftseite folgendermßen: Φ & = Q& Q Ü mx m& * c = m& * c * * ( t t1 ) ( t t ) 11 1. (Gl..1) Nch Vereinfchen ergibt sich lso ds Verhältnis der Temperturdifferenzen: t t 1 Φ =. (Gl..) t11 t1 Um Vergleiche zwischen verschiedenen Wärmerückgewinnungssystemen nzustellen, ist es notwendig bestimmte Rndbedingungen festzulegen und eine 4
Nennrückwärmzhl Φ N einzuführen. Dzu wird grundsätzlich die Rückwärmzhl Φ des Außenluftvolumenstromes betrchtet, d diese von huptsächlichem Interesse ist. Um Abweichungen zu vermeiden, sollen der Außenluft- und der Abluftvolumenstrom für Messzwecke gleich groß sein. Weiterhin wird festgelegt, dss der Wärmerückgewinnungsprozess ohne Kondenstion stttfindet. D die Wärmeübertrgung von der Geschwindigkeit der Luft n der Oberfläche bhängt, soll die mittlere frontle Anströmgeschwindigkeit m zu betrchtenden Wärmerückgewinner m,5 betrgen. Um eine endgültige Aussge über die Güte des s Wärmeübertrgungsprozesses treffen zu können, ist die Angbe des ußenluftseitigen Druckverlustes wichtig, woruf in Punkt.3 noch näher eingegngen wird. Je nch Art des Wärmerückgewinnungssystems können uch noch die Rückfeuchtzhl Ψ und der Enthlpie-Änderungsgrd Θ [JÜTT] ermittelt werden. Diese werden äquivlent zur Berechnung der Rückwärmzhl Φ us den Differenzen der bsoluten Luftfeuchtigkeitsgehlte beziehungsweise der Enthlpien gebildet: x x 1 Ψ = ; x11 x1 h h 1 Θ =. (Gl..3;.4) h11 h1. Einteilung der Wärmerückgewinnungssysteme Wärmerückgewinnungssysteme werden hinsichtlich ihrer Burt sowie der Art und Weise der Wärmeübertrgung unterschieden und sind nch VDI 071 in 4 Ktegorien einzuordnen: 1 Rekupertive Systeme, Regenertive Systeme, 3 Regenertoren mit drehendem/nicht drehendem Wärmeträger, 4 Wärmepumpen. Die einzelnen Ktegorien differieren huptsächlich in 3 wichtigen Punkten: Notwendigkeit der Zusmmenführung der Luftvolumenströme, Feuchte- beziehungsweise Stoffübertrgung zwischen den Luftströmen, Einfrieren uf der Fortluftseite bei Außentemperturen unter 0 C. 5
..1 Rekupertive Systeme, Ktegorie 1 So gennnte Rekupertoren sind Wärmerückgewinnungssysteme mit festen Trennflächen zwischen den Luftvolumenströmen. Sie zeichnen sich durch eine direkte Wärmeübertrgung von einem Luftstrom uf den nderen über die Trennflächen us. Dzu ist die Zusmmenführung von Außen- und Abluftstrom im rumlufttechnischen Gerät notwendig. Ktegorie 1.1 nch VDI 071 umfsst die so gennnten Plttenwärmeustuscher, bei denen mehrere einzelne Pltten ls Trennflächen zwischen den Luftströmen zum Einstz kommen. Die Luftführung knn dbei in verschiedenen Vrinten erfolgen. Die Lösung mit der niedrigsten Rückwärmzhl ist die Schltung im Gleichstrom, welche uf Grund des vergleichsweise geringen Rückgewinns nicht mehr zum Einstz kommt. Einen höheren Gütegrd erreicht hingegen die Betriebsweise im Kreuzstrom, drgestellt in Abbildung 3. Hierbei sind Rückwärmzhlen von bis zu 80 % möglich. Eine weitere Möglichkeit ist die Führung der Luftvolumenströme im Gegenstrom. Bei diesem Prinzip werden die Außen- und die Abluft, wie in Abbildung 4 zu sehen, prllel nebeneinnder in gegensätzlicher Strömungsrichtung geführt. Ddurch wird der höchste Grd der Wärmerückgewinnung bei Plttenwärmeübertrgern von teilweise bis zu 99 Prozent [PAUL] relisiert. Abbildung 3: Kreuzstromprinzip Quelle: http://www.klingenburg.de/de/ pdf/pwt_k01d.pdf Abbildung 4: Gegenstromprinzip Quelle: http://www.klingenburg.de/de/ pdf/pwt_k01d.pdf Durch die Trennung der beiden Luftströme ist keine Feuchterückgewinnung möglich, ds heißt, es tritt eine reine Tempertur-Änderung in der Außenluft uf. Es ist llerdings ds Auftreten von Kondenstion uf der Fortluftseite im Flle niedriger Außentemperturen möglich. Die bei der Kondenstion des in der Abluft befindlichen Wsserdmpfes frei werdende ltente Wärme oder uch Verdmpfungswärme knn 6
zusätzlich zur sensiblen Wärme übertrgen werden. Dmit knn eine Erhöhung der Rückwärmzhl erzielt werden. Nch VDI 071 ist der Einstz solcher Systeme nur eingeschränkt möglich, d burtbedingt Leckgen möglich sind und es dher zur Stoffübertrgung zwischen Ab- und Außenluft kommen knn. Einerseits bestehen durch die Zusmmenfügung der einzelnen Pltten minimle Undichtigkeiten. (vgl. JÜTT) Andererseits können die dünnen Trennflächen leicht beschädigt werden, sodss eine Vermischung von Abluft und Außenluft zu Stnde kommt. Der Einstz von Plttenwärmeübertrgern ist dher nicht möglich für Gebäudenutzungen, bei denen eine Übertrgung generell usgeschlossen werden muss, zum Beispiel bei Opertionsräumen in Krnkenhäusern. Eine weitere Schwierigkeit besteht bei strk belsteter Abluft. D ein möglichst geringer Abstnd zwischen den Trennflächen nötig ist, um eine große Übertrgerfläche zu erzielen, knn ein Plttenwärmeübertrger schnell verschmutzen, d sich Verunreinigungen us der Abluft, wie zum Beispiel Stub oder Fsern, leicht bsetzen können. Dbei stellt sich eine weitere Problemtik herus, welche die Reinigung des Übertrgers betrifft. Bedingt durch die geringen Abstände ist diese nur mit erhöhtem Aufwnd möglich. Je länger der Strömungsweg innerhlb des Plttenwärmeübertrgers wird, desto schwieriger wird die Reinigung, ws sich besonders n Gegenstromwärmeübertrgern zeigt. Zum Schutz der Systeme und zur Vermeidung von Problemen bei der Reinigung kommen llerdings uf Außen- und Fortluftseite Filter zum Einstz, sodss ein Verschmutzen des Übertrgers vermieden wird. Um eine leichtere Reinigung zu ermöglichen, können uch Wärmerückgewinner der Ktegorie 1. nch VDI 071 zum Einstz kommen. Die Ktegorie 1. beinhltet die Röhrenwärmeustuscher, bei denen einer der beiden Luftströme durch Rohre geführt wird, die von dem jeweils nderen Luftstrom vertikl umspült werden. In der Regel sollte der Abluftvolumenstrom die Röhren umspülen. Die dbei entstehenden Strömungsverhältnisse erschweren die Ablgerung von Verschmutzungen, sodss ein Vorteil gegenüber Plttenwärmeübertrgern besteht, wenn strk belstete Abluft vorhnden ist. (vgl. JÜTT) D jedoch die Übertrgungsfläche gegenüber den Plttenwärmeübertrgern geringer ist, werden uch nur geringere Rückwärmzhlen bis 50 Prozent erreicht, sodss die Wirtschftlichkeit des Einstzes zwingend geprüft werden muss. 7
Ein entscheidender Vorteil ller Rekupertoren liegt in der Einfchheit ihres Aufbus begründet. D sie keine beweglichen Teile besitzen, sind Rekupertoren sehr robust und zuverlässig und benötigen keine Hilfsenergie, um betrieben zu werden... Regenertive Systeme, Ktegorie Bei den regenertiven Systemen knn mn wiederum zwei Untergruppen unterscheiden. Zum einen gibt es die so gennnten Kreislufverbundsysteme in der Ktegorie.1. Bei diesen Geräten ist die Trennung der beiden Medienströme möglich, d in jedem Luftstrom ein Wärmeübertrger instlliert wird. Die Übertrger in Außen- und Abluft werden durch Rohre verbunden. In diesen Rohrleitungen zirkuliert ls Wärmeträger Wsser, welches je nch Anwendung mit Frostschutzmittel versetzt wird. Zum Betrieb ist eine Pumpe notwendig, die Hilfsenergie in Form von elektrischem Strom benötigt. Der besondere Vorteil dieser Systeme liegt drin, dss ein Stoffustusch zwischen Außen- und Abluft vollkommen usgeschlossen werden knn, d beide Geräte getrennt ufgestellt werden können. Diese Möglichkeit knn uch bei beengten Pltzverhältnissen im Aufstellbereich der rumlufttechnischen Anlge von Vorteil sein. Durch die Reihenschltung mehrerer Wärmeübertrger in beiden Luftströmen sind Rückwärmzhlen bis zu 80 Prozent möglich. [IHKS] Wie schon bei den Plttenwärmerückgewinnern ist keine Übertrgung von Feuchte möglich. Die bei Kondenstion uftretende ltente Wärme knn ebenso genutzt werden. Durch die Einbindung von Heizung und Kühlung in den Wärmeträgerkreisluf zwischen den Wärmeübertrgern können in bestimmten Fällen Kühler und Erhitzer in der rumlufttechnischen Anlge eingesprt werden. Ddurch wird die Größe des Gerätes reduziert und der zusätzliche luftseitige Druckverlust der Register eingesprt. Ein weiteres regenertiv rbeitendes System sind die Wärmerohre, zusmmengefsst in Ktegorie.. Wärmerohre sind evkuierte Röhren, die Kältemittel ls Wärmeträger enthlten. Dieses Kältemittel verdmpft in einem Luftstrom unter Aufnhme von Wärme über die Rohrwnd und kondensiert im nderen Luftstrom unter Abgbe der Verdmpfungswärme über die Rohrwnd n die Luft. Ds Kältemittelkondenst wird dnn entweder nur über die Schwerkrft zurückgeführt oder es gibt noch zusätzliche Einbuten innerhlb des Wärmerohres, wie zum Beispiel Rillen oder Gzegewebe. (vgl. VDI 071) So werden 8
Rückwärmzhlen bis 80 Prozent möglich. Es knn Wärme und Kälte zurück gewonnen werden. Allerdings müssen bei diesem Wärmerückgewinner wiederum die Luftströme zusmmengeführt werden. Vorteile des Systems sind die Vermeidung von Stoffustusch und die Einsprung von Hilfsenergie...3 Regenertoren mit drehendem/nicht drehendem Wärmeträger, Ktegorie 3 Wie schon n der Ktegoriebezeichnung deutlich wird, lässt sich uch diese Gruppe in Unterktegorien einteilen. Mn unterscheidet lso in Rotoren, Kpillrgebläse und Umschltspeicher. Die Gemeinsmkeit der Systeme besteht drin, dss die Wärme beziehungsweise uch Feuchte us einem Luftstrom von der Speichermsse ufgenommen und zeitlich versetzt n den nderen Luftstrom bgegeben wird. (vgl. VDI 071) Dzu ist eine Zusmmenführung der Luftströme unerlässlich und es knn zu einer Übertrgung von Abluft in den Außenluftstrom kommen. Dher ist der Einstz nur in Gebäuden zulässig, in denen kein Umluftverbot gilt und keine Schädigungen durch diese Abluftrückführung uftreten können. In Ktegorie 3.1 werden die Rotoren zusmmengefsst. Mn unterscheidet dbei Rotoren mit Sorption und ohne Sorption. Bei beiden Systemen ist die Rückführung von Feuchte möglich, sie wird jedoch nur bei den hygroskopisch beschichteten Sorptionsrotoren besonders bechtet, d bei den nicht hygroskopischen Rotoren die Rückführung nur im Flle von Kondenstion im Abluftstrom erfolgt. Mit Rotoren lssen sich Rückwärmzhlen bis 80 Prozent erreichen. Die Rückfeuchtzhl bei hygroskopischer Beschichtung liegt bei 70 Prozent. Für den Betrieb sind zusätzliche Antriebe in Form von elektrischen Motoren notwendig. Deren Leistungsufnhme ist jedoch ls gering zu bewerten, d Rottionswärmerückgewinner mit Drehzhlen bis mximl 0 Umdrehungen pro Minute rbeiten. Ddurch kommen Motorleistungen von 00 Wtt bei Rotoren von etw Metern Durchmesser zu Stnde. (vgl. JÜTT) Bei geringen Anforderungen n die Zuluft besteht die Möglichkeit Kpillrgebläse nch Ktegorie 3. einzusetzen. Diese Geräte fördern über ein Lufrd us Schumstoff sowohl Außen- ls uch Abluft. D der eingesetzte Schumstoff offenporig sein muss, um die Luftförderung zu relisieren, knn Stoffübertrgung zwischen den Luftströmen nicht vermieden werden. Dementsprechend ist der Einstz nur dort möglich, wo uch Umluftbetrieb zulässig wäre. Der besondere 9
Vorteil der Technologie liegt in der Einsprung weiterer Ventiltoren uf Zu- und Abluftseite. Die erreichbren Rückwärmzhlen nch VDI 071 liegen llerdings bei lediglich 40 Prozent, ws vergleichsweise gering ist. Nch Herstellerngben sind 48 Prozent möglich. (vgl. FRIV) Des Weiteren ist eine Regelung der Wärmerückgewinnung nicht möglich, (vgl. VDI 071) d ds Kpillrgebläse zum Betrieb der rumlufttechnischen Anlge unbedingt notwendig ist. Bei den Umschltspeichern nch Ktegorie 3.3 der VDI 071 besteht ebenflls ds Problem der Abluftbeimischung, d die Luftströme bwechselnd durch zwei Speicherpkete geführt werden. Über eine Klppensteuerung wird ein Speicherpket gelden, während ds ndere entlden wird. Nch einem bestimmten Zeitintervll erfolgt die Umschltung über motorisch betriebene Klppen. Dbei bleibt jedoch Abluft im Speicherpket zurück, die nun vom Außenluftstrom ufgenommen wird. Durch die Veränderung der Umschltzeiten ist eine Regelung der Wärmerückgewinnung möglich. Mit Hilfe einer hygroskopischen Beschichtung der Speicherpkete ähnlich der eines Sorptionsrotors lässt sich uch Feuchte zurück gewinnen. Es sind Rückwärmzhlen von bis zu 90 Prozent und Rückfeuchtzhlen von bis zu 70 Prozent möglich. Zum Umschlten der Klppen mittels motorischer Antriebe ist eine vergleichbr kleine elektrische Leistung notwendig...4 Wärmepumpen, Ktegorie 4 In einer eigenen Ktegorie zusmmengefsst wurden die Wärmepumpen, d sich diese in ihrer Betriebsweise grvierend von den nderen Systemen unterscheiden. Die Wärmepumpe entnimmt einem Luftstrom Wärme und erhöht ds Temperturniveu mittels Zufuhr von Antriebsenergie über einen Verdichter. Die Wärme wird dnn n den nderen Luftstrom bgegeben. Durch die Energiezufuhr zur Erhöhung des Temperturniveus innerhlb der Wärmepumpe ist es möglich weitere Geräte wie Erhitzer oder Kühler einzuspren. Allerdings ist der erhöhte Hilfsenergiebedrf gegenüber nderen Wärmerückgewinnungssystemen ebenso zu bechten wie die vergleichsweise hohen Investitionskosten. D die Luftströme nicht zusmmengeführt werden müssen, knn eine Vermischung von Außen- und Abluft vermieden werden. Allerdings knn uch keine Feuchte übertrgen werden. Die VDI 071 gibt für Wärmepumpen Rückwärmzhlen größer 100 Prozent n. D sich diese Geräte strk von den konventionellen Wärmerückgewinnungssystemen 10
bheben, ist eine ndere Bewertung notwendig. Sie erfolgt mittels der Leistungszhl COP, welche ds Verhältnis der Heizleistung zur effektiven Leistungsufnhme einer Wärmepumpe [DIN V 18599] beschreibt. Auf Grund der grvierenden Unterschiede soll die Wärmepumpentechnologie uch bei dem folgenden Vergleich der Wärmerückgewinnungssysteme ußen vor gelssen werden und kein Bestndteil der Betrchtungen sein..3 Ws ist bei der Plnung zu bechten? Bei der Projektierung von rumlufttechnischen Anlgen ist es notwendig verschiedene Richtlinien einzuhlten, um einen möglichst fehlerfreien Betrieb der Anlgen zu gewährleisten und eine Schädigung der im Gebäude befindlichen Personen und Güter uszuschließen. Weiterhin besteht die Forderung nch einem energiesprenden und umweltbewussten Betrieb der Anlgen. In Bezug uf die Wärmerückgewinnungssysteme, die in rumlufttechnischen Anlgen instlliert werden, bedeutet ds besondere Überlegungen bei der Auswhl des Systems und dessen Betrieb..3.1 VDI 071 Die Grundlgen zur Plnung von Wärmerückgewinnungssystemen bietet die VDI 071: Wärmerückgewinnung in Rumlufttechnischen Anlgen. Wie in den vorhergehenden Abschnitten drgestellt, werden in dieser Norm die verschiedenen Systeme zur Wärmerückgewinnung vorgestellt. Weiterhin werden die wichtigsten Begriffe und Betriebsprmeter definiert. Bewertet wird von dieser Richtlinie weiterhin ds Risiko der Schdstoffübertrgung im Wärmerückgewinnungssystem. Drus lssen sich die Einstzmöglichkeiten der verschiedenen Wärmerückgewinner bleiten. So wird mn zum Beispiel in einem Krnkenhus vermeiden wollen, dss in der Abluft befindliche Keime uf die Außen- beziehungsweise Zuluft übertrgen werden. Dher werden in den meisten Fällen Kreislufverbundsysteme eingesetzt, d diese eine vollkommene Trennung von Außen- und Abluftstrom ermöglichen und selbst im Fll eines Defektes keine Übertrgung möglich ist. Zuletzt wird in der Norm uf die notwendige Bewertung der Wirtschftlichkeit bei der Auswhl eines solchen Systems verwiesen und ein Berechnungsbeispiel vorgestellt. 11
.3. VDI 067 Die Berechnung des in VDI 071 drgestellten Beispiels erfolgt n Hnd VDI 067: Wirtschftlichkeit gebäudetechnischer Anlgen. D durch verschiedene Wärmerückgewinnungssysteme unterschiedlich hohe Investitionskosten für die rumlufttechnische Anlge entstehen, ist es notwendig, die Systeme miteinnder zu vergleichen. Nicht immer muss die Systemvrinte mit der höchsten Rückwärmzhl die beste Lösung sein. D eine Anlge ohne Wärmerückgewinnung nch Energieeinsprverordnung und DIN EN 13779 nicht zulässig ist, wird kein Vergleich dieser Form durchgeführt. Allerdings ist ds Energieeinsprpotentil von Wärmerückgewinnungssystemen so hoch, dss dieser Vergleich uch nicht sinnvoll wäre. Eine Vergleichsrechnung für drei verschiedene Wärmerückgewinnungsvrinten wird im Lufe dieser Arbeit erstellt und erläutert..3.3 EnEV und DIN V 18599 Zur Durchführung des Vergleichs nch VDI 067 ist zuerst die Ermittlung der Investitionskosten notwendig. Des Weiteren spielen die verbruchsgebundenen Kosten eine besondere Rolle innerhlb der Betrchtungen, d gerde hier ds größtmögliche Einsprpotentil besteht. Um die Betriebskosten ermitteln zu können, ist es notwendig, den zum Betrieb der rumlufttechnischen Anlge erforderlichen Energiebedrf zu berechnen. Diese Berechnung erfolgt für die verschiedenen von einer Anlge ufgenommenen Energieformen nch DIN V 18599: Energetische Bewertung von Gebäuden. Diese Berechnung ermöglicht weiterhin die Ermittlung des Jhres- Primärenergiebedrfs, welcher eine Vorgbe nch Energieeinsprverordnung ist. Dzu ist ein Vergleich mit dem in der Verordnung drgestellten Referenzgebäude notwendig. Die für dieses Referenzgebäude beschriebene rumlufttechnische Anlge beinhltet nch Energieeinsprverordnung 007 ein Wärmerückgewinnungssystem mit einer Rückwärmzhl Φ = 0, 45. Wie in der dieser Arbeit vorngestellten Studienrbeit drgestellt, ist eine Änderung der Energieeinsprverordnung verbschiedet worden, welche zum 1. Oktober 009 in 1
Krft treten wird. Diese neue Energieeinsprverordnung definiert für ds Wärmerückgewinnungssystem des Referenzgebäudes eine Rückwärmzhl von Φ = 0,60. Die nch DIN V 18599 durchzuführenden Berechnungen werden in dieser Arbeit zusmmenfssend drgestellt, d schon in der Studienrbeit eine umfssende Beschreibung der notwendigen Berechnungsschritte erfolgte..3.4 Buliche Anforderungen Wie für lle nderen Komponenten in rumlufttechnischen Geräten sind uch für Wärmerückgewinner technische Anforderungen zu erfüllen, die zur Sicherung eines einwndfreien Betriebs dienen. Besonderer Wert wird dbei uf die durch den Wärmerückgewinner uftretenden zusätzlichen luftseitigen Druckverluste gelegt. Diese Druckverluste bedeuten einen höheren Energiebedrf für die Luftförderung und können im Extremfll zur Unwirtschftlichkeit des Wärmerückgewinners führen, d die Einsprungen bei Wärme und Kälte durch die erhöhte Stromufnhme negiert werden. Eine Bewertung dieser Druckverluste erfolgt in verschiedenen Normen. In DIN EN 13053: Lüftung von Gebäuden Zentrle rumlufttechnische Geräte werden Festlegungen in Abhängigkeit des Luftvolumenstromes und der jährlichen Betriebsstundenzhl getroffen. Dbei werden explizit minimle Rückwärmzhlen mit den dfür zulässigen mximlen Druckverlusten in Verbindung gebrcht. Es erfolgt eine Einordnung der Wärmerückgewinner in die Klssen H1 bis H5, wobei H3 ls Stndrdwert nzunehmen ist. Die Einhltung dieser Klssen fordert uch VDI 3803: Buliche und technische Anforderungen n zentrle Rumlufttechnische Geräte. Dbei besteht jedoch in dieser Richtlinie die klre Forderung, die Klsse H3 ls Minimum einzuhlten. Es wird zusätzlich empfohlen die Anforderungen der Klsse H zu erfüllen. In Verbindung mit diesen Klssen stehen uch die Angben nch DIN EN 13779: Lüftung von Nichtwohngebäuden Allgemeine Grundlgen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimnlgen und Rumkühlsysteme. In dieser Richtlinie wird die mximle elektrische Leistungsufnhme der in einer rumlufttechnischen Anlge befindlichen Ventiltoren ktegorisiert. D die Leistungsufnhme eines Ventiltors direkt von den zu überwindenden Druckverlusten bhängt, hben die Wärmerückgewinner Einfluss uf diese. Des Weiteren wird die Möglichkeit geboten, eine erhöhte Leistungsufnhme zuzulssen, 13
wenn Wärmerückgewinner der Klssen H1 oder H, lso besonders hochwertige Systeme, zum Einstz kommen. Drn ist wiederum der direkte Zusmmenhng zwischen Rückwärmzhl, Druckverlust und Effizienz des Wärmerückgewinners zu erkennen. In DIN EN 13779 wird zusätzlich uf DIN EN 308 verwiesen. Die DIN EN 308: Wärmeustuscher Prüfverfhren zur Bestimmung der Leistungskriterien von Luft/Luft- und Luft/Abgs-Wärmerückgewinnungsnlgen beschreibt die Verfhren zur Feststellung verschiedener Gütekriterien von Wärmerückgewinnern. Außerdem bildet sie die Grundlge für die Festlegung der Ktegorien nch VDI 071. Allerdings wird hier nur in drei Ktegorien unterschieden, d Wärmepumpen nicht Teil dieser Norm sind. Lut der Richtlinie sind zur Bewertung von Wärmerückgewinnern folgende Angben von Interesse: die Außenleckge, die Innenleckge, die Abluftübertrgung, die Änderungsgrde für Tempertur und Feuchtegehlt, der Druckbfll. Aus den bisherigen Betrchtungen geht hervor, wrum die Änderungsgrde von Tempertur und Feuchtegehlt sowie der Druckbfll besonders wichtig sind. Die Außenleckge beschreibt je nch Druckbedingungen die Möglichkeit des Austretens von Luft in die Umgebung oder ber des Eintretens von Umgebungsluft in ds Gerät. Im Flle zu großer Verluste n die Umgebung besteht die Möglichkeit, dss nicht die gewünschten Luftmengen im Gebäude nkommen. Je nch Qulität der Umgebungsluft knn es durch deren Eindringen in ds Gerät zu Beeinträchtigungen der Zuluftqulität kommen. Innenleckge und Abluftübertrgung spielen in Hinblick uf hygienische Gesichtspunkte eine besondere Rolle, d in beiden Fällen möglicherweise belstete Luft us dem Abluftsystem in ds Zuluftsystem dringen knn. Die Innenleckge beschreibt dbei Undichtigkeiten uf Grund der Fertigung. Abluftübertrgung tritt nur bei Wärmerückgewinnungssystemen der Ktegorie 3 uf, d hier ein ständiger Wechsel des Wärme speichernden Mediums zwischen Zu- und Abluftseite technisch notwendig ist, wie unter Punkt..3 beschrieben. Diese Problemtik führt zu einer weiteren wichtigen Richtlinie uf dem Gebiet der Rumlufttechnik, der VDI 60. 14
.3.5 Hygienische Anforderungen In VDI 60: Hygiene-Anforderungen n Rumlufttechnische Anlgen und Geräte wird speziell uf die Übertrgung von Abluft in den Außenluftstrom eingegngen. So sind Wärmerückgewinnungssysteme, bei denen die Gefhr einer Übertrgung nicht uszuschließen ist, nur dnn zu instllieren, wenn die Verwendung von Umluft us hygienischer Sicht zulässig wäre. (vgl. VDI 60) Dementsprechend sind Wärmerückgewinnungssysteme der Ktegorie 3 in Fällen des Umluftverbotes nicht gestttet. Hinsichtlich der Innenleckge und der dmit verbundenen Übertrgung verweist die VDI 60 uf die DIN EN 13779 und somit uf die oben erwähnte DIN EN 308. Zusätzliche Anforderungen werden bezüglich der Reinigung der Systeme gestellt. Diese Anforderungen beziehen sich uf lle Wärmeübertrger in rumlufttechnischen Anlgen. Demnch wird eine Oberfläche gefordert, die möglichst gltt und korrosionsfest ist. Kommen Systeme zum Einstz, die mit Lmellen usgestttet sind, oder uch Plttenwärmeübertrger, müssen die Abstände der Lmellen beziehungsweise Pltten dem Stubgehlt der Luft ngepsst sein. Um eine ständige Verschmutzung der Geräte uszuschließen, sollte ußerdem vor dem Wärmeübertrger ein Filter eingesetzt werden. Eine Prüfung und Reinigung des Gerätes muss in jedem Fll ohne Einschränkungen möglich sein. Eine weitere Mßgbe wird bezüglich der Butiefe des Gerätes getroffen. So muss diese insoweit beschränkt werden, dss eine vollständige Reinigung ermöglicht wird. Somit sind lso nicht llein wirtschftliche Gesichtspunkte in Hinblick uf die Auslegung des Wärmerückgewinners zu bechten. Vielmehr ist eine Betrchtung verschiedener Fktoren notwendig, um eine optimle Vrinte zu ermitteln. Besonders deutlich wird dies m Beispiel der Butiefe. Ein größerer Wärmerückgewinner bietet zwr eine höhere Rückwärmzhl, ist uf der nderen Seite ber uch teurer und bedeutet einen höheren Druckverlust, der sich in den Betriebskosten niederschlägt. Gleichzeitig wird die Reinigung schwieriger, ws entweder eine Teilung des Gerätes erfordert und dmit die Investitionskosten erhöht oder ber die Wrtungskosten nsteigen lässt. Es ist lso wichtig lle Prmeter genu zu betrchten, um sich für eine optimle Lösung zu entscheiden. 15
3. Die Systemvrinten Für ein neu zu errichtendes Bürogebäude in Düsseldorf soll eine Teilklimnlge projektiert werden. Nch Wunsch des Buherrn ist keine Befeuchtung vorzusehen. Die Entfeuchtung soll ungeregelt m Oberflächenkühler erfolgen. Der Stndort der rumlufttechnischen Anlge wird sich im. Untergeschoss des Gebäudes befinden. Die Außenluftzufuhr erfolgt über ein Ansugbuwerk, welches in einer Ecke des Gebäudes entstehen soll. Die Fortluft wird in die im 1. Untergeschoss befindliche Tiefgrge usgeblsen, welche ständig offen ist, sodss eine ungehinderte Abströmung erfolgen knn. Die Zuluft wird über Bodeninduktionsgeräte mit Primärluftnschluss im Fssdenbereich eingebrcht, die zur Kühlung und Beheizung gleichermßen genutzt werden. Die Abluft wird nch Überströmen us den Bürobereichen in den zentrlen Lobbybereich jeden Geschosses m Treppenhuskern über Gitterdurchlässe bgesugt. Eine Aufsicht des Regelgeschosses mit Knlnetz befindet sich uf der CD im Anhng. An Hnd des Knlnetzes wurde die Druckverlustberechnung mittels mh-softwre durchgeführt. Es ergeben sich folgende Gesmtdruckverluste: p AU + ZU = 538P, p AB+ FO = 13P. Dbei sind die je nch Aufbu des rumlufttechnischen Gerätes spezifischen geräteinternen Druckverluste noch nicht berücksichtigt. Diese werden in den nchfolgenden Betrchtungen für jede Systemvrinte gesondert drgestellt. Nch Wunsch des Buherrn sind folgende Vrinten der rumlufttechnischen Geräte hinsichtlich Wirtschftlichkeit, CO -Einsprung und technischer Prmeter, wie zum Beispiel Bugröße, zu untersuchen: Vrinte 1: Teilklimnlge mit Sorptionsrotor, Vrinte : Teilklimnlge mit Kreislufverbund-Wärmerückgewinner, Vrinte 3: Teilklimnlge mit Plttenwärmerückgewinner. D die Fortluft in die Tiefgrge eingebrcht werden soll, ist der Einstz einer Wärmepumpe zur Wärmerückgewinnung nicht möglich. Die dbei uftretenden Fortlufttemperturen würden im Winterfll zu erheblicher Frostgefhr und im Sommerfll zu unzumutbr hohen Temperturen im Bereich der Prkflächen führen. 16
Im Folgenden werden die Besonderheiten der verschiedenen Vrinten ufgezeigt und die Ergebnisse der zugehörigen Berechnungen drgestellt. 3.1 Teilklimnlge mit Sorptionsrotor Sorptionsrotoren gehören zur Ktegorie 3 nch VDI 071. Sie bestehen us einer gewellten Folie, welche durch Zusmmenrollen eine Wbenstruktur ergibt. Je nch Länge des Foliestreifens ergeben sich Sorptionsrotoren mit Durchmessern zwischen 0,4 und 6 Metern. Durch die Wbenstruktur des Rotors befinden sich viele kleine Knäle im Luftstrom, die gewissermßen prllel geschlten sind. Ddurch werden die Einzeldruckverluste der Knäle nicht ddiert. Die Wände der Wbenstruktur sind in diesem Fll die Speichermsse für die ufgenommene Wärme. Des Weiteren zeichnen sie sich durch eine hygroskopische Beschichtung us, welche Feuchte von einem Luftstrom zum nderen übertrgen knn. Ddurch knn die Außenluft im Winter befeuchtet und im Sommer entfeuchtet werden, während gleichzeitig die Außenluft erhitzt beziehungsweise gekühlt wird. Zur Vernschulichung sind in den folgenden Abbildungen die Prozesse im Winter- und Sommerfll im Mollier-h,x- Digrmm drgestellt. Abbildung 5: Sorptionsrotor, Winterfll Abbildung 6: Sorptionsrotor, Sommerfll Im Winterfll nimmt die kältere Außenluft von der Abluft Wärme und Feuchte uf. Dbei kühlt sich die Abluft b und wird entfeuchtet. Im Sommerfll geschieht ds Gegenteil. Die reltiv kühlere und trockenere Abluft nimmt Wärme und Feuchte us 17
der Außenluft uf, wodurch die eventuell noch ufzubringende Kälte- und Entfeuchtungsleistung verringert wird. 3.1.1 Berechnung von Nutz- und Hilfsenergiebedrf Die Berechnungen für Nutz- und Hilfsenergiebedrf beziehen sich uf die DIN V 18599 und dienen zur Ermittlung des Energiebedrfs für Wärme, Kälte, Luftförderung und eventuell notwendige Hilfsenergien. Der Berechnungsgng zur Ermittlung der Nutzenergiebedrfe für Wärme und Kälte wurde in der Studienrbeit umfssend drgestellt. Dementsprechend soll im Folgenden lediglich uf erforderliche Rndbedingungen und Ergebnisse eingegngen werden. 3.1.1.1 Grundlgen Um die Berechnungen durchführen zu können, sind zuerst die Auslegungen der rumlufttechnischen Anlgen durchzuführen. Dzu müssen beknnt sein: der erforderliche Zuluftvolumenstrom V & ZU, der Abluftvolumenstrom V & AB, die Außenlufttemperturen für Sommer- und Winterfll t AU S t AU, W, ;, die Ablufttemperturen für Sommer- und Winterfll t AB S t AB, W, ;, die bsoluten Luftfeuchtigkeitsgehlte der Außen- und Abluft im Sommer- und Winterfll x AU, S x AU, W ; x AB, S ; x AB, W ;. Der Zuluftvolumenstrom beträgt nch Berechnung mittels DIN EN 13779 unter Bechtung der Arbeitsstättenrichtlinie 5 m h 3 V& ZU = 30350. D die Abluft der notwendigen Toilettenbereiche des Bürogebäudes getrennt bgeführt wird, ergibt sich ein Abluftvolumenstrom von m h 3 V& AB = 7890. Eine Zusmmenstellung des Berechnungsgnges in tbellrischer Form ist im Anhng ufgeführt. Der berechnete Zuluftvolumenstrom entspricht llein dem hygienisch notwendigen Volumenstrom. Er dient lediglich unterstützend zur Deckung der Heizlst und Wärmebfuhr im Kühlfll. Des Weiteren erfordert der Primärluftnschluss der Unterflurkonvektoren eine 18
ständige Beufschlgung zur optimlen Leistungsbgbe. Aus diesen Gründen wird der Zuluftvolumenstrom nicht vriiert, sondern konstnt eingebrcht. Die Außenlufttemperturen sind den jeweiligen Normen für die Heizlst- und die Kühllstberechnung entnommen. Dementsprechend gelten für den Stndort Düsseldorf nch DIN EN 1831 t, W = 10 C und nch VDI 078 t AU, S = 3 C ls AU Auslegungswerte. Dzu gehörig werden die in DIN V 18599 ngegebenen Werte für die bsoluten Luftfeuchtigkeitsgehlte der Außenluft x g, W = und kg AU 1 x AU, S = 1 verwendet. Für die Zustände der Abluft im Sommer- und Winterfll wurde sich mit dem Buherrn in Anlehnung n die DIN V 18599 uf folgende Werte geeinigt: t = C AB, W, t = 6 C x x AB, S, g, W = 8, (bei Feuchterückgewinnung), kg AB 5 g, S =. kg AB 11 g kg 3.1.1. Nutzenergiebedrf Wärme und Kälte Die gesmmelten Dten wurden zur Auslegung der rumlufttechnischen Anlgen verwendet. Dmit ergb sich der im Anhng drgestellte Anlgenufbu für die Teilklimnlge mit hygroskopisch beschichtetem Rottionswärmerückgewinner. Dieser Wärmerückgewinner ht lut Berechnungsergebnissen des Herstellers eine Rückwärmzhl Φ = 75%. Für die Berechnung weiterhin notwendig ist die Festlegung der Anlgenlufzeiten. Dzu wurde, d es sich um eine reine Büronutzung hndelt, mit dem Buherrn eine montliche Lufzeit Stunden vereinbrt. d v mech, m, von 0 Tgen und eine täglich Lufzeit t v, mech, m von 1 An Hnd der gewählten thermodynmischen Luftbehndlungsfunktionen erfolgt die Festlegung der Anlgenvrinte nch DIN V 18599. Es ergibt sich Vrinte Nummer 4, d keine besonderen Anforderungen n die Feuchte gestellt werden. Die Berechnung für den Nutzenergiebedrf Wärme und Kälte wurde mittels der 19
Tbellenwerte us Anhng A der DIN V 18599 durchgeführt und ergb die folgenden Summen für ein gesmtes Jhr: Nutzenergiebedrf Wärme: Nutzenergiebedrf Kälte: kwh V, = 7345, Q H kwh Q V, C = 37300. 3.1.1.3 Nutzenergiebedrf Luftförderung Der Nutzenergiebedrf für die Luftförderung beschreibt, wie viel elektrische Energie von den Ventiltoren in der rumlufttechnischen Anlge ufgenommen wird, um den erforderlichen Luftvolumenstrom zu fördern und die gegebenen Druckverluste zu überwinden. Dbei spielen nicht nur die Druckverluste innerhlb des Knlnetzes eine Rolle, sondern uch die der einzelnen Komponenten des rumlufttechnischen Gerätes. Für die Systemvrinte mit Sorptionsrotor ergeben sich nch den Angben des Geräteherstellers die geräteinternen Druckverluste zu: p ZUL 681P,, int = p ABL 30P., int = Die Druckverluste im Knlnetz sind unbhängig des rumlufttechnischen Gerätes konstnt mit: p P, ZUL, ext = 538 p P. ABL, ext = 13 Des Weiteren gehen die Wirkungsgrde der beiden Ventiltoren für Zu- und Abluftförderung in die Berechnungen mit ein. Diese ergeben sich us den Auslegungen des Geräteherstellers für den jeweiligen Betriebspunkt, welcher durch den zu fördernden Volumenstrom und den zu überwindenden Druckverlust bestimmt wird. Nch Angbe des Herstellers ergeben sich dher: η = 0, 67, ZUL η = 0, 6. ABL Mit diesen Werten ist die elektrische Leistung der beiden Ventiltoren zu bestimmen: V& 3 ZUL * pzul 30350m *119N * h PV, ZUL, m = = = 15339W, (Gl. 3.1) η h * 0,67 * m *3600s ZUL 0
V& 3 ABL * p ABL 7890m * 443N * h PV, ABL, m = = = 5536W η h * 0,6 * m *3600s ABL. (Gl. 3.) Drus wird der montliche Nutzenergiebedrf für Luftförderung Q V E, m, ermittelt: ( PV, ZUL, m + PV, ABL, m )* tv, mech, m dv, mech m Q V, E, m *, = (Gl. 3.3) h Q V, E, m = ( 15339W + 5536W )*1 * 0d = 5010kWh. (Gl. 3.4) d Für ds gesmte Jhr ergibt sich dher: kwh QV, E = QV, E, m *1 = 5010kWh *1 = 6010. (Gl. 3.5) 3.1.1.4 Hilfsenergiebedrf Wärmerückgewinnung Der Sorptionsrotor muss während des Betriebes der Teilklimnlge ständig ngetrieben werden, um seine Funktion zu gewährleisten. Dzu ist ein Elektromotor notwendig, dessen Verbruch n elektrischer Energie bewertet werden muss, um einen Vergleich mit nderen Wärmerückgewinnungssystemen zu ermöglichen. Hierzu ist eine Berechnung n Hnd DIN V 18599-7 durchzuführen, wofür zwei Eingngsgrößen benötigt werden. Zum Einen benötigt mn die jährliche Komponentenlufzeit t WRG, welche sich us DIN V 18599-3, Anhng B ermitteln lässt. Ein Abgleich zur VDI 071 wr llerdings notwendig, um den korrekten Wert zu ermitteln. In der Erläuterung der Tbellen B.1 und B. wird ngegeben, dss der Wert twrg r, 1h, für lle Zulufttemperturen von 14 C bis C konstnt ist. Allerdings werden in den beiden Tbellen unterschiedliche Werte ngegeben. In Verbindung mit der VDI 071 konnte der korrekte Wert ermittelt werden, welcher t 0, 89 WRG, r,1h = beträgt. Drus ergibt sich, dss Tbelle B. die richtigen Werte für twrg r, 1h, enthält und die Angben us Tbelle B. 1 fehlerhft sind. Auch die Umrechnung uf die jährliche Komponentenlufzeit t WRG gestltet sich schwierig, d die Indizierung der dzu notwendigen Eingngsprmeter nicht vollständig erläutert ist. Es wird der Wert 1 d, benötigt, welcher sich in V mech vorhergehenden Berechnungen uf einen Mont bezieht und zusätzlich mit dem Index m versehen wurde. Allerdings liefert lediglich die Berechnung mit der Betriebstgezhl eines gesmten Jhres ein plusibles Ergebnis für die Berechnung
der jährlichen Komponentenlufzeit. Dzu erfolgt eine Korrektur der reltiven jährlichen Komponentennutzungszeit mit der ttsächlichen Anlgenbetriebszeit: t h = twrg, r,1h * tv, mech * dv, mech = 0,89*1 * 40d = 563, h. (Gl. 3.6) d WRG Vergleichsweise erscheint n dieser Stelle die Berechnung mit dem Wert dv, mech, m = 0d : t h = twrg, r,1h * tv, mech * dv, mech, m = 0,89 *1 * 0d = 13, h. (Gl. 3.7) d WRG 6 Es ist erkennbr, dss eine Lufzeit von 13,6h innerhlb eines gnzen Jhres nicht relistisch sein knn, d ds Wärmerückgewinnungssystem fst immer in Betrieb ist, wenn die rumlufttechnische Anlge in Betrieb ist, deren Betriebszeit sich uf h d Mon. h t RLTA = 1 * 0 *1 = 880 beläuft. (Gl. 3.8) d Mon. Die nchfolgenden Berechnungen erfolgen lso mit dem Wert t WRG = 563, h, wobei die Angbe in der Einheit h erfolgen soll. Diese ergibt sich us der vorgegebenen Indizierung nicht, ist ber notwendig, um korrekte Endergebnisse zu erhlten. Des Weiteren muss us DIN V 18599-7, Tbelle 15 die elektrische Leistung des Rotorntriebes P el v, rot, ermittelt werden. Diese wird bhängig vom jeweiligen Außenluftvolumenstrom ngegeben. Im vorliegenden Fll liegt dieser zwischen m 3 5000 und h m 3 65000. Dmit ergibt sich eine Antriebsleistung von Pel, v, rot = 370W. h Aus den ermittelten Dten lässt sich der jährliche Hilfsenergiebedrf für Wärmerückgewinnung ermitteln: h Wh kwh Qhr, f, ux, = Pel, v, rot * twrg /1000 = 370W * 563, /1000 = 948. (Gl. 3.9) kwh 3.1. Ergebnisse der Berechnung Die ermittelten Werte dienen einerseits zum Vergleich der Teilklimnlge mit Sorptionsrotor mit nderen Systemvrinten hinsichtlich des Energieverbruchs, können ber ndererseits ls Grundlge zur Berechnung der zu erwrtenden Betriebskosten der rumlufttechnischen Anlge verwendet werden. Dher soll n
dieser Stelle eine Zusmmenstellung der wichtigsten Berechnungsergebnisse erfolgen. Es ergeben sich die folgenden Werte: jährlicher Nutzenergiebedrf Wärme: jährlicher Nutzenergiebedrf Kälte: kwh V, = 7345, Q H jährlicher Nutzenergiebedrf Luftförderung: kwh Q V, C = 37300, jährlicher Hilfsenergiebedrf Wärmerückgewinnung: kwh Q V, E = 6010, kwh Qhr, f, ux, = 948. 3. Teilklimnlge mit Kreislufverbund-Wärmerückgewinner Die Kreislufverbund-Wärmerückgewinner gehören zur Ktegorie nch VDI 071. Sie zeichnen sich insbesondere durch die Möglichkeit us, Außen- und Abluftvolumenstrom räumlich zu trennen. Ds wird möglich, d sich in jedem der beiden Volumenströme ein seprter Wärmeübertrger befindet. Besonders bei räumlichen Schwierigkeiten oder bei der bsoluten Notwendigkeit zur Trennung der Luftströme wird dieses System dher eingesetzt. Die Wärmeübertrger sind durch Rohrleitungen miteinnder verbunden, in welchen ds Wärmeträgermedium zirkuliert. Dzu ist eine Umwälzpumpe notwendig. Ds Wärmeträgermedium ist in der Regel Wsser, welches zum Schutz vor Einfrieren mit einem entsprechenden Frostschutzmittel versetzt sein knn. Im Allgemeinen kommt dbei Glykol zum Einstz, dessen Anteil jedoch in Hinblick uf den Wärmerückgewinn minimiert werden sollte, d es eine geringere spezifische Wärmekpzität ls Wsser besitzt. (vgl. JÜTT) Allerdings stellt die räumliche Trennung, welche je nch Anwendung vorteilhft ist, uch ein Problem dr. Durch die zweimlige Wärmeübertrgung, welche durch die Teilung notwendig wird, treten höhere Übertrgungsverluste uf. Ddurch sind die Rückwärmzhlen dieser Systeme geringer ls bei nderen Wärmerückgewinnungsvrinten. Durch die Reihenschltung mehrerer Wärmeübertrger in einem Luftstrom, wie in Abbildung 7 drgestellt, wird versucht, diese Differenz uszugleichen und einen besseren Rückgewinnungsgrd zu erzielen. 3
Abbildung 7: Anlgenufbu zur Wärmerückgewinnung Quelle: http://www.howtherm.de/ content/cnt_produkte_werme rueckgewinnung.htm Dies führt jedoch zu erheblich höheren Druckverlusten uf Luft- und Wsserseite, sodss eine Prüfung hinsichtlich der Wirtschftlichkeit eines solchen Systems unerlässlich ist. Eine zusätzliche Möglichkeit bieten die Kreislufverbundwärmerückgewinner in Bezug uf die Reduzierung des Pltzbedrfs. Dzu knn die primäre Versorgung mit Wärme und Kälte indirekt über Wärmeübertrger, wie in Abbildung 8 schemtisch drgestellt, in den Kreisluf des Systems eingebunden werden. Ddurch werden zusätzliche Wärmeübertrger ls Erhitzer und Kühler in der rumlufttechnischen Anlge ersetzt. Es werden der Rumbedrf und die Druckverluste der Wärmeübertrger eingesprt. Abbildung 8: indirekte Wärmeeinbindung in KVS-Systeme, schemtisch (Systemtemperturen beispielhft) Quelle: http://www.flktwoods.com/169/0/1/ 43b73b-91f6-41d-86f-1878fed60bf1 Auf Grund der räumlichen Trennung der Luftvolumenströme besteht keine Möglichkeit der Stoffübertrgung, ws im Hinblick uf hygienische Aspekte ein großer Nutzen ist. Die Übertrgung von Feuchte ist ddurch llerdings uch nicht möglich. Es wird eine reine Temperturänderung herbeigeführt. Im Flle der Kondenstion des in der Abluft befindlichen Wsserdmpfes wird die dbei frei werdende ltente Wärme übertrgen. Die in einem Kreislufverbundsystem blufenden thermodynmischen Prozesse sind in den nchfolgend bgebildeten Mollier-h,x-Digrmmen für den Sommer- und den Winterfll ersichtlich. 4
Abbildung 9: KVS-System, Winterfll Abbildung 10: KVS-System, Sommerfll 3..1 Berechnung von Nutz- und Hilfsenergiebedrf Die folgenden Berechnungen werden äquivlent zu den Berechnungen unter Punkt 3.1 durchgeführt. Betrchtet werden soll n dieser Stelle ein Kreislufverbundsystem mit indirekter Einbindung von Wärme und Kälte in den Kreisluf des Wärmerückgewinnungssystems. Dbei erfolgt die gewünschte Abkühlung oder Erwärmung der Außenluft vollständig m Wärmeübertrger des Kreislufverbundsystems, wie oben erläutert. Dher stellen sich die Prozesse uch im Mollier-h,x-Digrmm, zu sehen in den Abbildungen 11 und 1, bweichend dr. Abbildung 11: KVS mit Einbindung, Winterfll Abbildung 1: KVS mit Einbindung, Sommerfll 5
3..1.1 Grundlgen Die für die Berechnungen notwendigen Eingngsprmeter sind bis uf den bsoluten Luftfeuchtigkeitsgehlt der Abluft im Winter äquivlent den Werten unter Punkt 3.1.1.1 mit: x g, W =, kg AU 1 x & m = 30350, h V ZU 3 & m = 7890, t AU, W = 10 C, t AU S = 3 C h V AB 3 g, S =, t AB, W = C, t AB, S = 6 C und kg AU 1 x,, g, S =. D bei kg AB 11 diesem System keine Rückgewinnung von Feuchte möglich ist, wird der bsolute Luftfeuchtigkeitsgehlt der Abluft im Winter geringer festgesetzt ls beim Einstz eines Sorptionsrotors. Für die Berechnungen wird dher der Wert x g, W = 6, zu kg AB 5 Grunde gelegt. Des Weiteren sind die Anlgenlufzeiten und die jährliche Komponentenlufzeit des Wärmerückgewinnungssystems gleich den Werten bei Einstz eines Sorptionsrotors, d sich diese Anforderungen nicht ändern. Es ergibt sich lso Berechnungen. h t WRG = 563, äquivlent zu den unter Punkt 3.1.1.4 durchgeführten 3..1. Nutzenergiebedrf Wärme und Kälte Grundlge dieser Berechnung sind wiederum Angben des Geräteherstellers, der mit den gegebenen Eingngsprmetern eine Rückwärmzhl Φ = 0, 71 ermittelt. Die Berechnung des jeweiligen Nutzenergiebedrfs n Wärme und Kälte erfolgt ähnlich dem Berechnungsgng für den Sorptionsrotor. Der einzige Unterschied besteht in der Ttsche, dss mit Φ = 0, 71 nicht genu einer der in DIN V 18599-3, Tbelle 5 ngegebenen Werte getroffen wird. In dieser Tbelle sind lediglich 4 Vrinten verzeichnet: keine Wärmerückgewinnung ( Φ = 0, 00 ), 45% Wärmerückgewinnung ( Φ = 0, 45 ), 60% Wärmerückgewinnung ( Φ = 0, 60 ), 75% Wärmerückgewinnung ( Φ = 0, 75). 6
Wenn, wie im vorliegenden Fll, ein dzwischen liegender Wert gegeben ist, wird es notwendig zu interpolieren. Dzu werden die Kennwerte des montlichen Nutzenergiebedrfs für Wärme und Kälte 7 q H, m und q C, m, wie in der Studienrbeit drgestellt, ermittelt. Es ergeben sich die Kennwerte für den jeweils drüber und drunter gelegenen Wert der Wärmerückgewinnung. An dieser Stelle werden lso q H, m und C m q, für 60 Prozent und 75 Prozent berechnet. Diese montlichen Kennwerte werden uf den ttsächlichen Wert der Wärmerückgewinnung interpoliert. Beispielhft ist im Folgenden der Berechnungslgorithmus für den Kennwert des montlichen Nutzenergiebedrfs für Heizen drgestellt. qh, m qh, m q = + Φ Φ H, m qh, m * WRG WRG (Gl. 3.10) Φ Φ Dbei sind: WRG WRG q H, m, der Kennwert des montlichen Nutzenergiebedrfs für Heizen mit Φ = 0,71, q,, der Kennwert des montlichen Nutzenergiebedrfs für Heizen mit H m Φ = 0,60, q,, der Kennwert des montlichen Nutzenergiebedrfs für Heizen mit H m Φ = 0,75, Φ WRG = Φ, Φ WRG, die nächst kleinere Stützstelle für die Interpoltion Φ = 0, 60, Φ WRG, die nächst größere Stützstelle für die Interpoltion Φ = 0, 75. Dieser Berechnungsgng ist für jeden Montskennwert für Heizen und Kühlen durchzuführen. Dnch erfolgt die Denormierung der Werte mittels dem montlichen mittleren Zuluftvolumenstrom & V mech, m, wie in der Studienrbeit beschrieben. Drus ergibt sich der jeweilige montliche Nutzenergiebedrf n Wärme und Kälte. Werden diese Montswerte summiert, ergibt sich der jährliche Nutzenergiebedrf n Wärme beziehungsweise Kälte. Für die zu betrchtende Systemvrinte mit Φ = 0, 71 wurden folgende Werte ermittelt: Nutzenergiebedrf Wärme: kwh V, = 38938, Q H
Nutzenergiebedrf Kälte: kwh V, = 37361. Q C 3..1.3 Nutzenergiebedrf Luftförderung Der Nutzenergiebedrf für die Luftförderung wird äquivlent zu der Berechnung unter Punkt 3.1.1.3 ermittelt. Veränderungen sind llerdings bei den Eingngsprmetern durchzuführen. Die geräteinternen Druckverluste hben sich durch den Einstz des Kreislufverbundsystems ebenso verändert, wie die Wirkungsgrde der Ventiltoren. Diese Werte sind wiederum vom Hersteller der rumlufttechnischen Anlge ngegeben worden. Die entsprechenden Auslegungen finden sich im Anhng. Drus ergeben sich die notwendigen Eingngsprmeter für die Berechnung des Nutzenergiebedrfs für die Luftförderung wie folgt: p ZUL 70P,, int = p ABL 461P,, int = η = 0, 67, ZUL η = 0, 66. ABL Mit diesen sowie den bereits beknnten Werten für die Druckverluste im Knlnetz lssen sich die elektrischen Leistungen der Ventiltoren für Außen- und Abluftförderung gemäß Punkt 3.1.1.3 berechnen. Es ergeben sich: PV, ZUL, m = 1589W, PV, ABL, m = 6855W. Der drus ermittelte montliche Bedrf n Nutzenergie für die Luftförderung beträgt: h Q V, E, m = ( 1589W + 6855W )*1 * 0d = 5444kWh. d (Gl. 3.11) Der Nutzenergiebedrf für die Luftförderung für ds gesmte Jhr ergibt sich zu: kwh QV, E = QV, E, m *1 = 5444kWh *1 = 6538. (Gl. 3.1) 3..1.4 Hilfsenergiebedrf Wärmerückgewinnung Entsprechend der Teilklimnlge mit Sorptionsrotor ist uch für die Systemvrinte mit Kreislufverbundsystem der Hilfsenergiebedrf zu ermitteln, der vom 8
Wärmerückgewinnungssystem benötigt wird. In diesem Fll wird die Energie von der Umwälzpumpe ufgenommen, um ds Wärmeträgermedium zwischen den beiden Wärmeübertrgern zirkulieren zu lssen. Als Eingngsprmeter wird ebenflls die jährliche Komponentenlufzeit benötigt, deren Ermittlung unter Punkt 3.1.1.4 eingehend drgestellt wurde. Unbhängig vom verwendeten Wärmerückgewinnungssystem bleibt dieser Wert gleich und beträgt dher h t WRG = 563,. Des Weiteren ist es von Interesse, ob eine ungeregelte oder eine drehzhlgeregelte Pumpe zum Einstz kommt. D hier die Einbindung der Wärme- und Kälteversorgung in den Kreisluf des Systems erfolgt, ist eine drehzhlgeregelte Pumpe us regelungstechnischen Gründen unerlässlich. Dmit ergibt sich die mittlere elektrische Leistung der Pumpe im Kreislufverbundsystem nch folgender Berechnungsvorschrift: 3 Wh m Wh P V * el, v, KVS = & ZUL 0,015 = 30350 * 0.015 = 455W. (Gl. 3.13) 3 m h m 3 Aus der ermittelten elektrischen Leistung und der jährlichen Komponentenlufzeit t WRG wird der jährliche Hilfsenergiebedrf für Wärmerückgewinnung berechnet: h Wh Qhr, f, ux, = Pel, v, KVS * twrg /1000 = 455W * 563, /1000 = 1166 kwh kwh. (Gl. 3.14) t WRG 3.. Ergebnisse der Berechnung Wie us den vorngegngenen Drstellungen ersichtlich ist, sind die Berechnungsgänge unbhängig vom verwendeten Wärmerückgewinnungssystem ähnlich. Unterschiede bestehen lediglich bei der Bewertung des jährlichen Hilfsenergiebedrfs in Abhängigkeit des jeweiligen Antriebes. Dmit ist eine gute Vergleichbrkeit der Dten gegeben. Die dzu erforderlichen Werte sind für die Systemvrinte mit Kreislufverbundsystem: jährlicher Nutzenergiebedrf Wärme: jährlicher Nutzenergiebedrf Kälte: kwh V, = 38938, Q H kwh V, = 37361, Q C 9
jährlicher Nutzenergiebedrf Luftförderung: kwh V, = 6538, Q E jährlicher Hilfsenergiebedrf Wärmerückgewinnung: kwh Qhr, f, ux, = 1166. 3.3 Teilklimnlge mit Plttenwärmerückgewinner Die dritte und letzte zu betrchtende Systemvrinte soll mit einem Plttenwärmeübertrger usgestttet sein. Nch VDI 071 werden diese Systeme der Ktegorie 1 zugeordnet. Sie gehören lso zu den so gennnten rekupertiven Systemen. Dies ist ein grvierender Unterschied gegenüber den bisher behndelten Vrinten, welche beide zu den regenertiven Systemen gehören, sich llerdings in ihrer Funktion strk unterscheiden. Im Gegenstz zu den regenertiven Systemen wird bei den Rekupertoren die Wärme, welche von einem Luftstrom uf den nderen übertrgen werden soll, nicht über ein Speichermedium trnsportiert. Es erfolgt ein direkter Wärmedurchgng durch eine Trennwnd zwischen den Luftströmen. Diese Trennwände sind bei Plttenwärmeübertrgern Pltten us verschiedenen Werkstoffen. Die Werkstoffuswhl wird von der Belstung der Abluft mit zum Beispiel korrosiven Bestndteilen bestimmt. D die Trennwände sehr dünn sind, ht die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes einen sehr geringen Einfluss uf die Wärmeübertrgung. Von größerer Bedeutung sind die ttsächliche Übertrgungsfläche und die Geschwindigkeit der Luft im Übertrger. (vgl. JÜTT) D es sich bei dem vorliegenden Projekt um ein Bürogebäude hndelt, werden Aluminiumpltten gewählt, d keine Schädigungen des Mterils durch Bestndteile der Bürobluft zu erwrten sind. Ein Plttenwärmeübertrger besteht us mehreren derrtigen Trennwänden, sodss immer im Wechsel ein Teil des Außenluftstromes und ein Teil des Abluftvolumenstromes durch den Übertrger geleitet werden. Die Abstände zwischen den Pltten können über Distnzleisten gehlten werden. Es ist llerdings uch möglich gewellte Pltten mit dzwischen liegenden Trennwänden einzusetzen, wie in Abbildungen 13 und 14 drgestellt. Wie unter Punkt..1 drgestellt wurde, ist dbei eine Führung der Luftströme im Kreuzstrom (siehe Abbildungen 3 und 13) oder im Gegenstrom (Abbildungen 4 und 14) denkbr. Im vorliegenden Fll kommt ein 30
Plttenwärmeübertrger mit im Kreuzstrom geführten Luftströmen zum Einstz, um eine weitere Vergrößerung der Bulänge zu vermeiden. Abbildung 13: Plttenwärmeübertrger mit gewellten Pltten, Skizze Quelle: http://www.klingenburg.de/de/ pdf/pwt_k01d.pdf Abbildung 14: Ausschnittsfotogrfie der gewellten Pltten Quelle: http://www.klingenburgus.com/de/produkte/pwt-vorteile.html Wie us den bisherigen Drstellungen ersichtlich ist, müssen die Luftströme bei diesen Systemen zwingend zusmmengeführt werden. Dbei knn es uf Grund von Undichtigkeiten zwischen den Pltten zur Übertrgung von Abluft in den Außenluftstrom kommen. Des Weiteren können Löcher in den Pltten, welche durch Korrosion entstnden sind, zur Vermischung der Luftströme führen. D zur Feststellung dieser Defekte ein vollständiges Zerlegen des Plttenwärmeübertrgers notwendig ist, werden sie oftmls erst nch lnger Zeit erknnt. (vgl. JÜTT) Die Zusmmenführung der Luftströme bedeutet bei rekupertiven Systemen llerdings nicht, dss zusätzlich zur Wärmerückgewinnung uch eine Feuchterückgewinnung wie bei den Sorptionsrotoren möglich wird. Im Flle der Kondenstion des in der Abluft befindlichen Wsserdmpfes, ist die Nutzung der ltenten Wärme möglich. Der im Plttenwärmerückgewinner stttfindende Prozess ist in den folgenden Mollier-h,x-Digrmmen für den Sommer- und den Winterfll drgestellt. Es ist erkennbr, dss der stttfindende Prozess dem Wärmerückgewinnungsprozess im Kreislufverbundsystem us thermodynmischer Sicht äquivlent verläuft. 31