Wie optimieren wir HVAC-Systeme, um auf die reale Nutzung zu reagieren, Energie zu sparen und den Gebäudenutzern eine gesunde und komfortable Umgebung zu bieten?
Energie in Gebäuden
Energiesparen ist für viele Unternehmen der Baubranche eines der wichtigsten Themen.Da HVAC über die gesamte Lebensdauer eines Gebäudes einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch eines Gebäudes ausmacht, sollte die in Gebäuden spezifizierte und verwendete Technologie bei der Energieeinsparung im Vordergrund stehen.Produkte zum Lüften, Heizen und Kühlen werden zunehmend effizienter, was auf die Gesetzgebung und die Entwicklung neuer Technologien in den Komponenten zurückzuführen ist.Bei der Umstellung auf neue effiziente Technologien muss jedoch sichergestellt werden, dass die vorhandene Technologie auf die intelligenteste und effizienteste Weise genutzt wird.
Typischerweise sind HVAC-Systeme für den Worst-Case-Nutzungsgrad des Gebäudes ausgelegt.Kühlsysteme sind auf die höchsten Temperaturen im Sommer und helles Sonnenlicht ausgelegt, Heizsysteme auf die kältesten Tage im Jahr und Lüftungssysteme auf maximale Auslastung.Dies eignet sich hervorragend für die Gestaltung widerstandsfähiger Gebäude, die allen Bedingungen gewachsen sind.Aber werden sie so verwendet?
Für Spitzenlasten ausgelegte Anlagen werden in diesen Auslegungsstufen kaum oder gar nicht zum Einsatz kommen.Die meiste Zeit ihrer Lebensdauer werden sie mit einem Bruchteil der Auslegungslast betrieben.Diese Diskrepanz zwischen der maximalen Auslegungslast und der tatsächlichen Betriebslast ist sehr groß, und wie wir sehen werden, wird sie immer größer.
Die gegenwärtige und zukünftige Leistungslücke
Zwei Faktoren führen dazu, dass der Unterschied zwischen Spitzenauslegung und Betriebspunkt noch extremer wird.
Gebäude werden heute flexibler genutzt, insbesondere Büro- und Gewerbenutzungen, da Unternehmen und Mitarbeitern die Möglichkeit flexibler Arbeit geboten wird.Ein Bürogebäude-Lüftungs- und Kühlsystem, das für die Vollbelegung im Jahr 2020 ausgelegt ist, wird im Jahr 2023 und darüber hinaus selten die gleiche Belegung verzeichnen.
Die globale Erwärmung wirkt sich bereits auf das extreme Wetter aus, und selbst bei erheblichen Änderungen der auslösenden Faktoren ist in Zukunft mit weiteren extremen Wetterereignissen zu rechnen.Europa wird voraussichtlich heißere und trockenere Sommer erleben.In Kombination mit dem Urban Heat Island-Effekt, der die Sommertemperatur mit hohen Hitzebedingungen in den Gebieten, in denen sich viele Büros und Geschäftsgebäude befinden, verschlimmert, sowie mit der Überlegung, wie die Hitzeminderung auf Stadt- und Straßenebene gestaltet werden kann, wird dies wahrscheinlich dazu führen Die Spitzenlasten, für die Gebäudesysteme ausgelegt sind, liegen noch weiter vom täglichen Gebäudebetrieb entfernt.
Gebäudeplaner müssen die neue Art der Gebäudenutzung sowie zukünftige Risiken extremer Wetterbedingungen in den aktuellen Gebäudeentwurf integrieren, sei es in der Entwicklungs- oder Sanierungsphase.
Die Effizienzsteigerungen in der Leistungslücke finden
Wenn ein HVAC-System im Teillastbetrieb läuft, arbeitet es normalerweise effizienter.Klimageräte (AHUs), die mit halber Lüftergeschwindigkeit laufen, verbrauchen weniger als ein Viertel der Eingangsleistung.Eine Kältemaschine oder Wärmepumpe, die im Teillastbetrieb läuft, nutzt ihren Wärmetauscher optimal aus, um einen Betrieb mit höherer Effizienz zu ermöglichen.Ist dies jedoch mit der uns zur Verfügung stehenden Technologie möglich?
Wenn wir unsere Klimageräte so steuern können, dass sie nur die Luftmenge bereitstellen, die wir für die Bewohner im Gebäude benötigen, können die Kühl- und Heizschlangen, die für die volle Kapazität dimensioniert sind, mithilfe der bedarfsgesteuerten Belüftung (DCV) die Temperatur der Frischluft steuern viel weniger Energie verbrauchen.
Auch die Spulen in den Gebläsekonvektoren oder Kühlbalken, die die Innenräume versorgen, müssen nicht unter Volllast arbeiten, da diese Einheiten normalerweise für die Vollbelegung und bei Spitzenbedingungen im Sommer oder Winter ausgewählt werden.
Wir müssen dann eine Entscheidung bezüglich der Spulen treffen, die nicht die volle Kapazität benötigen.Der herkömmliche Weg wäre, den Durchfluss der Kühl- oder Heizflüssigkeit mithilfe eines Ventils zu reduzieren.Dies ist eine einfache Möglichkeit der lokalen Steuerung und bei fast allen Systemen Standard.Wenn wir aber etwas mehr Intelligenz bei der Verbindung zwischen der Kältemaschine/Wärmepumpe und der Spule haben, können wir darüber hinaus die Temperatur der Flüssigkeit, die die Spule versorgt, optimieren.Eine Kühlschlange, die für die Verwendung von 6 Grad Celsius warmem Wasser bei 100 % Kapazität ausgelegt ist, benötigt diese Temperatur bei 50 % Kapazität nicht.
Der Grund für die Änderung der Wassertemperatur zu den Spulen besteht darin, die Effizienz des Kühlers/der Wärmepumpe zu erhöhen.Eine Erhöhung der Temperatur des aus einem Kühler fließenden Wassers um ein Grad erhöht die Effizienz um etwa 3 %.Der Betrieb einer Wärmepumpe um ein Grad kühler erhöht ihre Effizienz um ähnliche Beträge.
Wenn wir also den Bedarf der Spulen analysieren, die den Komfort in den Räumen steuern, sei es in der Klimaanlage oder im Raum, können sie die meiste Zeit mit einer optimierten Wassertemperatur betrieben werden.Tatsächlich zeigen aktuelle Berechnungen von an Wärmepumpen angeschlossenen RLT-Geräten, dass die Wassertemperaturen für 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 Kapazitätsregelung sorgt bei richtiger Regelung dennoch für hohen Raumkomfort und Energievorteile, da sie Temperaturschwankungen und Zugluft im Raum reduziert.
Passive und freie Kühlung
Wenn wir im Kühler über freie Kühlung verfügen, hat die Optimierung der Wassertemperaturen einen noch größeren Einfluss auf die Effizienz.Bei der freien Kühlung wird der Kühlwasserkreislauf direkt durch die Außenluft gekühlt, anstatt den DX-Kühlkreislauf der Kältemaschine zu nutzen.Typischerweise ist eine gewisse freie Kühlung verfügbar, wenn die Umgebungslufttemperatur ein Grad Celsius unter der Rücklaufwassertemperatur liegt.Je größer der Unterschied zwischen Umgebungs- und Wassertemperatur ist, desto größer ist die Menge an freier Kühlung, bis die Kältemaschine mit ihrer Freikühlungsfunktion die gesamte erforderliche Kühlung bereitstellen kann.Mit jedem Grad, den wir die Kühlwassertemperatur erhöhen, erhöht sich die Anzahl der Stunden, die wir frei kühlen können, erheblich, wodurch enorme Mengen an Energie eingespart werden.
Mit einer Erdwärmepumpe/-kältemaschine können wir auch die natürliche Kühlung aus dem Erdreich nutzen.Erdwärmesysteme sammeln mithilfe eines Flüssigkeitskreislaufs minderwertige Wärme in der Erde und vervielfachen sie mithilfe einer Wärmepumpe, um eine effektive und effiziente Heizung für unsere Räume zu erzeugen.Viele Wärmepumpen können auch im Kühlmodus betrieben werden und sorgen so für eine effiziente Kühlung, indem sie die Wärme über den Erdflüssigkeitskreislauf an den Boden abgeben.Diese Art von System eignet sich perfekt für die passive Kühlung in einer Teillastsituation. Die Umgehung der Wärmepumpe und die direkte Kühlung des Systems mithilfe der niedrigeren Erdtemperatur ist eine äußerst effiziente Kühlmethode.Genau wie bei der freien Kühlung ermöglicht die Optimierung der Wassertemperaturen im Teillastbetrieb, dass das System für die maximale Zeitspanne in der passiven Kühlung bleibt und so die meiste Energie spart.
Kontrolle und Intelligenz
Um dies zu erreichen, benötigen wir eine Systemsteuerung, die die erforderliche Last an der/den Spule(n) erkennen und diese Informationen nutzen kann, um die Temperaturen des Kühlers/der Wärmepumpe entsprechend zu optimieren.Es ist eine in die Kältemaschinen, Wärmepumpen, Lüftungsgeräte und Raumgeräte integrierte Intelligenz erforderlich.Es ist wichtig, die Grenzen der einzelnen Produkte zu kennen, ihre Einsatzgrenzen zu kennen und zu wissen, wann nicht optimiert werden sollte.Darüber hinaus muss eine übergeordnete Systemsteuerung eine effektive Kommunikation zwischen all diesen Systemteilen ermöglichen.Abgesehen davon werden die Energieeinsparungen durch die Verwendung der normalen Systemteile erzielt, nicht durch Investitionen in insbesondere 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 Sanierungsprojekts oder um eine Neuentwicklung mit hochmodernen, effizienten neuen Produkten handelt, gelten die Grundsätze der weiteren Energieeinsparung im Teillastbetrieb immer noch als wirksame und nachhaltige Möglichkeit zur Senkung der Betriebskosten.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 26. April 2023