Energieeinsparung:  Ein Blick in die Auslegungs- und Nutzungswerte

Energieeinsparung: Ein Blick in die Auslegungs- und Nutzungswerte lohnt sich

Wie können HLK-Systeme (Heizung, Lüftung und Klimatechnik) so optimiert werden, dass sie Energie einsparen und den Gebäudenutzern eine gesunde und komfortable Umgebung bieten? Dieser Frage wollen wir auf den Grund gehen.

Energie in Gebäuden

Energiesparen ist für viele Unternehmen, insbesondere in der Baubranche, aktuell eines der wichtigsten Themen. Da die Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen einen beträchtlichen Teil des Energieverbrauchs eines Gebäudes ausmachen, sollten diese auch überprüft werden. Die Produkte für Belüftung, Heizung und Kühlung werden zwar immer effizienter, was letztendlich durch die Gesetzgebung und die Entwicklung neuer Technologien bei den Komponenten vorangetrieben wird. Doch muss sichergestellt werden, dass die vorhandene Technologie auf die beste und effizienteste Weise eingesetzt wird.

Normalerweise werden HLK-Systeme für den „ungünstigsten“ Fall der Nutzung eines Gebäudes ausgelegt: Kühlsysteme werden für sommerliche Spitzentemperaturen und höchste Sonneneinstrahlung ausgelegt, Heizsysteme für die kältesten Tage im Jahr und Lüftungssysteme für die maximale Belegung der Räume. Die Werte eignen sich zwar hervorragend für die Planung von Gebäuden, die für jegliche Bedingungen gerüstet sind. Aber wird das Gebäude letztendlich zu diesen Bedienungen genutzt?

Eher nicht - Systeme, die für Spitzenlasten ausgelegt sind, werden, wenn überhaupt, nur sehr selten zu diesen Auslegungsniveaus genutzt. Die meiste Zeit ihrer Lebensdauer werden sie mit einem Bruchteil der Auslegungslast betrieben. Die Diskrepanz zwischen den Auslegungsspitzenlasten und den tatsächlichen Betriebslasten ist sehr groß und kann in bestimmten Fällen sogar noch größer werden.

Gegenwärtiger und zukünftiger Unterschied der berechneten und tatsächlich benötigten Leistung

Zwei Faktoren führen dazu, dass der Unterschied zwischen Auslegungs- und Betriebsspitzenwerten noch extremer werden:

1. Gebäude werden heute flexibler genutzt, vor allem im Büro- und Gewerbebereich, da Unternehmen und Arbeitnehmern Möglichkeiten zur flexiblen Arbeit geboten werden. Ein System zur Belüftung und Kühlung von Bürogebäuden, das für eine Vollbelegung im Jahr 2020 ausgelegt ist, wird im Jahr 2023 und darüber hinaus kaum noch die gleiche Belegung aufweisen.

2. Die globale Erwärmung hat bereits Auswirkungen auf die Wetterverhältnisse. In Zukunft werden dazu mehr extreme Wetterereignisse erwartet, als es diese heute schon gibt. Europa wird wahrscheinlich mit heißeren und trockeneren Sommern konfrontiert werden. In Kombination mit dem sogenannten "Urban-Heat-Island-Effekt“ (städtischer Wärmeinseleffekt), wird dies wahrscheinlich dazu führen, dass die Spitzenlasten, für die Gebäudesysteme in einer Stadt ausgelegt sind, noch weiter vom täglichen Betrieb der Gebäude entfernt sind. Unter „Urban-Heat-Island-Effekt“ versteht man ein typisches Phänomen des Stadtklimas. In urbanen Räumen sind gerade im Sommer höhere Temperaturen (Überwärmung) festzustellen, als die beispielsweise im ländlichen Bereich der Fall ist.

Gebäudeplaner müssen die neue Art der Gebäudenutzung sowie die künftigen Risiken extremer Wetterverhältnisse in die aktuelle Gebäudeplanung einbeziehen, sowohl in der Entwicklungs- als auch Sanierungsphasen.

Die Suche nach dem Effizienzgewinnen

Wenn ein HLK-System mit Teillast betrieben wird, arbeitet es normalerweise effizienter. Klimageräte, die mit halber Lüfterdrehzahl laufen, verbrauchen weniger als ein Viertel der aufgenommenen Leistung. Ein Kaltwassersatz oder eine Wärmepumpe, die mit Teillast betrieben werden, nutzen ihren Wärmetauscher optimal aus, so dass sie mit höherer Effizienz arbeiten können. Aber ist dies mit der uns zur Verfügung stehenden Technologie überhaupt möglich?

Wenn wir unsere RLT-Geräte so steuern können, dass sie nur die Luftmenge liefern, die wir für die Bewohner im Gebäude benötigen, indem wir eine bedarfsgesteuerte Lüftung (DCV) einsetzen, können die Kühl- und Heizregister, die für die volle Leistung ausgelegt sind, die Temperatur der Frischluft mit viel weniger Energieaufwand steuern.

Die Wärmetauscher in Gebläsekonvektoren oder Kühlkonvektoren, die die Innenräume versorgen, müssen ebenfalls nicht mit voller Leistung arbeiten, da diese Geräte in der Regel für die Vollbelegung und für Spitzenzeiten im Sommer oder Winter ausgewählt werden.

Wir müssen dann eine Entscheidung bezüglich dieser Konvektoren treffen, die nicht die volle Leistung benötigen. Der traditionelle Weg wäre, den Durchfluss des Kühl- oder Heizmediums mit Hilfe eines Ventils zu reduzieren. Dies ist eine einfache Möglichkeit der lokalen Steuerung und gehört bei fast allen Systemen zum Standard. Wenn wir jedoch etwas mehr Intelligenz in die Verbindung zwischen der Kältemaschine/Wärmepumpe und dem Wärmetauscher stecken, können wir zusätzlich die Temperatur des Mediums optimieren, das den Wärmetauscher versorgt. Ein Kühlregister, das bei 100 % Leistung für 6 Grad Celsius Wasser ausgelegt ist, braucht diese Temperatur bei 50 % Leistung nicht.

Der Grund für die Änderung der Wassertemperatur für die Wärmetauscher ist die Erhöhung der Effizienz der Kältemaschine/Wärmepumpe. Erhöht man die Temperatur des Wassers, das aus einer Kältemaschine fließt, um ein Grad, so wird die Effizienz um etwa 3 % gesteigert. Wird eine Wärmepumpe um ein Grad kühler betrieben, erhöht sich ihr Wirkungsgrad in ähnlichem Maße.

Wenn wir also den Bedarf der Wärmetauscher analysieren, die den Komfort in den Räumen regeln, egal ob im RLT-Gerät oder im Raum, können sie die meiste Zeit mit einer optimierten Wassertemperatur betrieben werden. Jüngste Berechnungen von RLT-Geräten, die an Wärmepumpen angeschlossen sind, zeigen, dass die Wassertemperaturen während über 95 % der Betriebszeit optimiert werden können, wodurch über 20 % der Kühlenergie und über 30 % der Heizenergie eingespart werden. Dies geschieht einfach durch eine intelligentere Steuerung des Systems.

Diese Art der Leistungsregelung bietet neben den energetischen Vorteilen auch einen hohen Raumkomfort, da Temperaturschwankungen und Zugerscheinungen im Raum reduziert werden, wenn sie richtig gesteuert werden.

Passive und freie Kühlung

Wenn die Kältemaschine über eine freie Kühlung verfügt, hat die Optimierung der Wassertemperaturen einen noch größeren Einfluss auf den Wirkungsgrad. Bei der freien Kühlung wird der Kühlwasserkreislauf direkt von der Außenluft gekühlt, anstatt den DX-Kühlkreislauf der Kältemaschine zu nutzen. Normalerweise ist ein gewisses Maß an Freikühlung verfügbar, wenn die Außenlufttemperatur ein Grad Celsius unter der Rücklaufwassertemperatur liegt. Der Anteil der freien Kühlung nimmt zu, je größer der Unterschied zwischen der Außenluft- und der Wassertemperatur ist, bis die Kältemaschine die gesamte benötigte Kühlleistung über ihre freie Kühlung erbringen kann. Mit jedem Grad, um das wir die Kühlwassertemperatur erhöhen, steigt die Anzahl der Stunden, in denen wir die freie Kühlung nutzen können, beträchtlich an, was enorme Energieeinsparungen mit sich bringt.

Mit einer Erdwärmepumpe/-kältemaschine können wir auch die natürliche Kühlung aus dem Erdreich nutzen. Bei Erdwärmesystemen wird die schwache Wärme aus dem Erdreich über einen Rohrleitungskreislauf gesammelt und mit einer Wärmepumpe vervielfacht, um eine effektive und effiziente Heizung für unsere Räume zu erzeugen. Viele Wärmepumpen können auch im Kühlmodus betrieben werden und bieten eine effiziente Kühlung, indem sie die Wärme über den Erdflüssigkeitskreislauf in das Erdreich ableiten. Diese Art von System eignet sich perfekt für die passive Kühlung im Teillastbereich. Die Umgehung der Wärmepumpe und die direkte Kühlung des Systems durch die niedrigere Temperatur des Erdreichs ist eine äußerst effiziente Art der Kühlung. Genau wie bei der freien Kühlung ermöglicht die Optimierung der Wassertemperaturen im Teillastbetrieb, dass das System so lange wie möglich passiv kühlt und so die meiste Energie spart.

Steuerung und Intelligenz

Um dies zu erreichen, benötigen wir eine Systemsteuerung, die die erforderliche Last an den Wärmetauschern erkennt und diese Informationen nutzt, um die Temperaturen der Kältemaschine/Wärmepumpe entsprechend zu optimieren. Dazu ist eine in die Kältemaschinen, Wärmepumpen, Lüftungsgeräte und Raumgeräte integrierte Intelligenz erforderlich. Es ist wichtig, die Grenzen der einzelnen Produkte zu kennen und zu wissen, wann sie nicht optimiert werden müssen. Darüber hinaus muss eine übergeordnete Systemsteuerung effektiv zwischen all diesen Systemteilen kommunizieren. Abgesehen davon werden die Energieeinsparungen durch die Verwendung der normalen Systemteile erreicht, nicht durch Investitionen in effizientere Geräte, sondern durch eine intelligentere Steuerung der vorhandenen Geräte.

Unabhängig davon, ob es sich bei den Systemen, mit denen wir arbeiten, um bereits installierte Systeme im Rahmen eines Modernisierungsprojekts oder um eine Neuentwicklung unter Verwendung hochmoderner, effizienter neuer Produkte handelt, gelten die Grundsätze der weiteren Energieeinsparung im Teillastbetrieb nach wie vor als effektive und nachhaltige Methode zur Senkung der Betriebskosten.

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