Wie optimieren wir HLK-Systeme, um sie an die tatsächliche Nutzung anzupassen, 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 die HLK-Anlagen während ihrer gesamten Lebensdauer einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch eines Gebäudes haben, sollte die eingesetzte Technologie bei der Energieeinsparung eine zentrale Rolle spielen. Produkte für Lüftung, Heizung und Kühlung werden durch gesetzliche Vorschriften und die Entwicklung neuer Komponententechnologien immer effizienter. Bei der Entwicklung neuer, effizienter Technologien muss jedoch sichergestellt werden, dass die vorhandene Technologie optimal und effizient genutzt wird.
Typischerweise sind HLK-Systeme für den ungünstigsten Nutzungsfall des Gebäudes ausgelegt. Kühlsysteme sind auf Sommerhöchsttemperaturen und starke Sonneneinstrahlung ausgelegt, Heizsysteme auf die kältesten Tage des Jahres und Lüftungssysteme auf die maximale Belegung. Dies ist ideal für die Planung widerstandsfähiger Gebäude, die für alle Bedingungen gerüstet sind. Aber werden sie auch so genutzt?
Für Spitzenlasten ausgelegte Systeme werden nur sehr selten oder gar nicht mit diesen Lasten betrieben. Die meiste Zeit ihrer Lebensdauer arbeiten sie mit einem Bruchteil der Auslegungslast. Diese Diskrepanz zwischen den Spitzenlasten und der tatsächlichen Betriebslast ist enorm und wird, wie wir sehen werden, immer größer.
Die gegenwärtige und zukünftige Leistungslücke
Zwei Faktoren werden dazu führen, dass der Unterschied zwischen den maximalen Auslegungs- und Betriebspunkten noch größer wird.
Gebäude werden heute flexibler genutzt, insbesondere Büro- und Gewerbegebäude, da Unternehmen und Mitarbeitern flexible Arbeitszeiten geboten werden. Ein Lüftungs- und Kühlsystem für Bürogebäude, das für die Vollbelegung im Jahr 2020 ausgelegt ist, wird im Jahr 2023 und darüber hinaus selten die gleiche Auslastung aufweisen.
Die globale Erwärmung wirkt sich bereits auf extreme Wetterereignisse aus, und selbst bei erheblichen Veränderungen der beitragenden Faktoren werden in Zukunft weitere extreme Wetterereignisse erwartet. Europa wird voraussichtlich heißere und trockenere Sommer erleben. Dies, in Kombination mit dem städtischen Wärmeinseleffekt, der die Sommertemperaturen mit hohen Temperaturen in Gebieten mit vielen Büro- und Geschäftsgebäuden verschlimmert, sowie den Überlegungen zur Gestaltung von Wärmeschutzmaßnahmen auf Stadt- und Straßenebene, wird wahrscheinlich dazu führen, dass die Spitzenlasten, für die Gebäudesysteme ausgelegt sind, noch weiter vom täglichen Gebäudebetrieb entfernt sind.
Bauplaner müssen die neue Art der Gebäudenutzung sowie zukünftige Risiken durch Extremwetter in die aktuelle Gebäudeplanung integrieren, sei es in der Entwicklungs- oder Sanierungsphase.
Die Effizienz in der Leistungslücke finden
Wenn eine HLK-Anlage im Teillastbetrieb läuft, arbeitet sie in der Regel effizienter. Klimageräte (AHUs) verbrauchen bei halber Lüfterdrehzahl weniger als ein Viertel der Eingangsleistung. Ein Kälteaggregat oder eine Wärmepumpe im Teillastbetrieb nutzt ihren Wärmetauscher optimal aus und erreicht so höhere Effizienz. Doch ist dies mit der uns zur Verfügung stehenden Technologie möglich?
Wenn wir unsere AHUs so steuern können, dass sie nur die Luftmenge liefern, die wir für die Personen im Gebäude benötigen, indem wir eine bedarfsgesteuerte Lüftung (DCV) verwenden, können die auf volle Kapazität ausgelegten Kühl- und Heizschlangen die Temperatur der Frischluft mit viel weniger Energie regeln.
Auch die Spulen in Gebläsekonvektoren oder Kühlbalken, die die Innenräume versorgen, müssen nicht unter Volllast laufen, da diese Einheiten normalerweise für eine Vollbelegung und Spitzenbedingungen im Sommer oder Winter ausgewählt werden.
Anschließend müssen wir eine Entscheidung bezüglich der Spulen treffen, die nicht die volle Kapazität benötigen. Der traditionelle Weg wäre, den Durchfluss der Kühl- oder Heizflüssigkeit mithilfe eines Ventils zu reduzieren. Dies ist eine einfache Möglichkeit zur lokalen Steuerung und bei fast allen Systemen Standard. Mit einer etwas intelligenteren Verbindung zwischen Kältemaschine/Wärmepumpe und Spule können wir zusätzlich die Temperatur der Flüssigkeit optimieren, die die Spule versorgt. Eine Kühlspule, die bei 100 % Kapazität für 6 Grad Celsius warmes Wasser ausgelegt ist, benötigt diese Temperatur bei 50 % Kapazität nicht.
Der Grund für die Änderung der Wassertemperatur an den Spulen ist die Steigerung der Effizienz des Kühlers/der Wärmepumpe. Eine Erhöhung der Wassertemperatur eines Kühlers um ein Grad steigert dessen Effizienz um etwa 3 %. Der Betrieb einer Wärmepumpe um ein Grad kühler steigert ihre Effizienz um den gleichen Betrag.
Analysieren wir also den Bedarf der Wärmetauscher, die den Komfort in den Räumen regeln – sei es in der Klimaanlage oder im Raum selbst –, können diese die meiste Zeit mit optimierter Wassertemperatur betrieben werden. Aktuelle Berechnungen von an Wärmepumpen angeschlossenen Klimaanlagen zeigen, dass die Wassertemperaturen über 95 % der Betriebszeit optimiert werden können, wodurch über 20 % Kühlenergie und über 30 % Heizenergie eingespart werden. Dies geschieht durch eine intelligentere Steuerung des Systems.
Diese Art der Leistungsregelung sorgt weiterhin für hohen Raumkomfort und bietet Energievorteile, da sie bei richtiger Steuerung Temperaturschwankungen und Zugluft im Raum reduziert.
Passive und freie Kühlung
Wenn im Kühler eine Freikühlung zur Verfügung steht, wirkt sich die Optimierung der Wassertemperaturen noch stärker auf die Effizienz aus. Bei der Freikühlung wird der Kühlwasserkreislauf direkt von der Außenluft gekühlt, anstatt den Direktkühlkreislauf des Kühlers zu nutzen. Normalerweise ist etwas Freikühlung verfügbar, wenn die Umgebungstemperatur ein Grad Celsius unter der Rücklauftemperatur des Wassers liegt. Der Anteil der Freikühlung steigt mit zunehmender Differenz zwischen Umgebungs- und Wassertemperatur, bis der Kühler die gesamte benötigte Kühlung mithilfe seiner Freikühlungsfunktion bereitstellen kann. Mit jedem Grad, um das wir die Kühlwassertemperatur erhöhen, erhöht sich die Anzahl der Stunden, in denen wir Freikühlung nutzen können, erheblich, was enorme Energieeinsparungen mit sich bringt.
Mit einer Erdwärmepumpe/einem Erdwärmekühler können wir auch die natürliche Kühlung aus dem Boden nutzen. Erdwärmesysteme sammeln über einen Flüssigkeitskreislauf Niedertemperaturwärme aus der Erde und vervielfachen diese mithilfe einer Wärmepumpe, um unsere Räume effektiv und effizient zu beheizen. Viele Wärmepumpen können auch im Kühlmodus betrieben werden und sorgen so für effiziente Kühlung, indem sie die Wärme über den Erdflüssigkeitskreislauf in den Boden abgeben. Diese Art von System eignet sich perfekt für passive Kühlung im Teillastbetrieb. Die Wärmepumpe zu umgehen und das System direkt mit der niedrigeren Temperatur des Bodens zu kühlen, ist eine äußerst effiziente Kühlmethode. Genau wie beim Freecooling ermöglicht die Optimierung der Wassertemperaturen im Teillastbetrieb, dass das System möglichst lange passiv kühlt und so möglichst viel Energie spart.
Kontrolle und Intelligenz
Um dies zu erreichen, benötigen wir eine Systemsteuerung, die die benötigte Last an den Spulen erkennt und diese Information nutzt, um die Temperaturen der Kältemaschine/Wärmepumpe entsprechend zu optimieren. Erforderlich ist eine intelligente Steuerung der Kältemaschinen, Wärmepumpen, Lüftungs- und Raumgeräte. Es ist unerlässlich, die Grenzen der einzelnen Produkte sowie deren Betriebsgrenzen zu kennen und zu wissen, wann keine Optimierung erforderlich ist. Darüber hinaus muss eine übergeordnete Systemsteuerung die Kommunikation zwischen all diesen Systemteilen effektiv gewährleisten. Energieeinsparungen werden darüber hinaus durch die Nutzung der normalen Systemkomponenten erzielt, nicht durch Investitionen in effizientere Geräte, sondern durch eine intelligentere Steuerung der vorhandenen Komponenten.
Unabhängig davon, ob es sich bei den Systemen, mit denen wir arbeiten, um bereits installierte Systeme im Rahmen eines Sanierungsprojekts oder um Neuentwicklungen unter Verwendung hochmoderner, effizienter neuer Produkte handelt, gelten die Grundsätze der weiteren Energieeinsparung im Teillastbetrieb weiterhin als wirksame und nachhaltige Möglichkeit zur Senkung der Betriebskosten.
Veröffentlichungszeit: 26. April 2023
