Wie können wir HLK-Systeme optimieren, um den realen Nutzungsanforderungen gerecht zu werden, Energie zu sparen und ein gesundes und komfortables Umfeld für die Gebäudenutzer zu schaffen?
Energie in Gebäuden
Energieeinsparung ist für viele Unternehmen der Baubranche ein zentrales Thema. Da die Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK) einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch eines Gebäudes über dessen gesamte Lebensdauer ausmacht, sollte die eingesetzte Technologie im Hinblick auf Energieeinsparung führend sein. Produkte für Lüftung, Heizung und Kühlung werden dank gesetzlicher Vorgaben und der Entwicklung neuer Komponententechnologien stetig effizienter. Doch während wir auf neue, effiziente Technologien umsteigen, muss sichergestellt werden, dass die bestehende Technologie optimal und effizient genutzt wird.
Typischerweise werden HLK-Systeme (Heizung, Lüftung, Klimaanlage) für den ungünstigsten Nutzungsfall eines Gebäudes ausgelegt. Kühlsysteme sind für die höchsten Sommertemperaturen und intensive Sonneneinstrahlung konzipiert, Heizsysteme für die kältesten Tage des Jahres und Lüftungssysteme basieren auf der maximalen Belegung. Das ist ideal für die Planung widerstandsfähiger Gebäude, die für alle Bedingungen gerüstet sind. Aber entspricht das auch der tatsächlichen Nutzung?
Systeme, die für Spitzenlasten ausgelegt sind, werden, wenn überhaupt, nur sehr selten auf diesen Auslegungsniveaus betrieben. Den Großteil ihrer Lebensdauer arbeiten sie mit einem Bruchteil der Auslegungslast. Diese Diskrepanz zwischen der maximalen Auslegungslast und der tatsächlichen Betriebslast ist sehr groß und, wie wir sehen werden, nimmt sie stetig zu.
Die gegenwärtige und zukünftige Leistungslücke
Zwei Faktoren werden dazu führen, dass die Differenz zwischen Auslegungs- und Betriebspunkten noch extremer wird.
Gebäude werden heute flexibler genutzt, insbesondere Büro- und Gewerbeflächen, da Unternehmen und Mitarbeitern flexible Arbeitsmöglichkeiten geboten werden. Ein Belüftungs- und Kühlsystem für ein Bürogebäude, das für eine Vollauslastung im Jahr 2020 ausgelegt war, wird diese Auslastung im Jahr 2023 und darüber hinaus kaum noch erreichen.
Die globale Erwärmung hat bereits Auswirkungen auf extreme Wetterereignisse, und selbst bei erheblichen Veränderungen der Einflussfaktoren ist in Zukunft mit mehr Extremwetterereignissen zu rechnen. Europa wird voraussichtlich mit heißeren und trockeneren Sommern konfrontiert sein. Dies, in Kombination mit dem städtischen Wärmeinseleffekt, der die Sommertemperaturen in Gebieten mit vielen Büro- und Gewerbegebäuden zusätzlich erhöht, sowie der Überlegung, wie die Hitzeminderung auf Stadt- und Straßenebene gestaltet werden kann, wird wahrscheinlich dazu führen, dass die Spitzenlasten, für die Gebäudesysteme ausgelegt sind, noch weiter von den täglichen Betriebszeiten der Gebäude entfernt liegen.
Gebäudeplaner müssen die neue Art der Gebäudenutzung sowie künftige Risiken durch extreme Wetterereignisse in die aktuelle Gebäudeplanung integrieren, sei es in der Neubau- oder Sanierungsphase.
Die Effizienzpotenziale in der Leistungslücke finden
Wenn eine Klimaanlage im Teillastbetrieb läuft, arbeitet sie in der Regel effizienter. Lüftungsgeräte, die mit halber Lüfterdrehzahl laufen, verbrauchen weniger als ein Viertel der Eingangsleistung. Eine Kältemaschine oder Wärmepumpe, die im Teillastbetrieb läuft, nutzt ihren Wärmetauscher optimal aus, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Doch ist dies mit der aktuell verfügbaren Technologie realisierbar?
Wenn wir unsere Lüftungsanlagen so steuern können, dass sie nur die Luftmenge bereitstellen, die die Personen im Gebäude benötigen, indem wir bedarfsgesteuerte Lüftung (DCV) einsetzen, können die auf volle Kapazität ausgelegten Kühl- und Heizregister die Temperatur der Frischluft mit deutlich weniger Energieaufwand regeln.
Die Spulen in Gebläsekonvektoren oder Kühlbalken, die die Innenräume versorgen, müssen ebenfalls nicht unter Volllast laufen, da diese Geräte üblicherweise für die volle Belegung und unter den höchsten Sommer- oder Winterbedingungen ausgelegt sind.
Wir müssen nun entscheiden, welche Spulen nicht die volle Leistung benötigen. Üblicherweise würde man den Durchfluss der Kühl- oder Heizflüssigkeit über ein Ventil reduzieren. Dies ist eine einfache, lokale Steuerungsmethode und bei fast allen Systemen Standard. Mit einer intelligenteren Anbindung zwischen Kältemaschine/Wärmepumpe und Spule lässt sich jedoch zusätzlich die Temperatur der Kühlflüssigkeit optimieren. Eine Kühlspule, die für 6 °C warmes Wasser bei 100 % Leistung ausgelegt ist, benötigt diese Temperatur bei 50 % Leistung nicht.
Die Änderung der Wassertemperatur an den Spulen dient der Effizienzsteigerung der Kältemaschine/Wärmepumpe. Eine Erhöhung der Wassertemperatur am Kühlwasseraustritt um ein Grad steigert die Effizienz einer Kältemaschine um etwa 3 %. Der Betrieb einer Wärmepumpe mit einer um ein Grad niedrigeren Temperatur erhöht ihre Effizienz in ähnlichem Maße.
Analysiert man den Bedarf der Wärmetauscher, die den Komfort in den Räumen regeln – sei es in der Lüftungsanlage oder im Raum selbst –, so zeigt sich, dass diese die meiste Zeit mit einer optimierten Wassertemperatur betrieben werden können. Aktuelle Berechnungen von Lüftungsanlagen in Verbindung mit Wärmepumpen belegen, dass die Wassertemperaturen in über 95 % der Betriebszeit optimiert werden können, wodurch über 20 % Kühlenergie und über 30 % Heizenergie eingespart werden. Dies gelingt durch eine intelligentere Systemsteuerung.
Diese Art der Kapazitätsregelung bietet bei ordnungsgemäßer Steuerung weiterhin einen hohen Raumkomfort sowie Energieeinsparungen, indem sie Temperaturschwankungen und Zugluft im Raum reduziert.
Passive und freie Kühlung
Wenn im Kaltwassersatz Freikühlung zur Verfügung steht, hat die Optimierung der Wassertemperaturen einen noch größeren Einfluss auf die Effizienz. Bei der Freikühlung wird der Kühlwasserkreislauf direkt durch die Außenluft gekühlt, anstatt den Direktverdampfungs-Kühlkreislauf des Kaltwassersatzes zu nutzen. Typischerweise ist Freikühlung verfügbar, wenn die Umgebungslufttemperatur ein Grad Celsius unter der Rücklaufwassertemperatur liegt. Der Anteil der Freikühlung steigt mit zunehmender Differenz zwischen Umgebungs- und Wassertemperatur, bis der Kaltwassersatz die gesamte benötigte Kühlleistung durch Freikühlung erbringen kann. Mit jedem Grad, um das die Kühlwassertemperatur erhöht wird, steigt die Anzahl der Stunden, in denen Freikühlung genutzt werden kann, erheblich an, wodurch sich große Energiemengen einsparen lassen.
Wir können die natürliche Kühlung des Erdreichs auch mit einer Erdwärmepumpe nutzen. Erdwärmesysteme gewinnen die Niedertemperaturwärme des Erdreichs mithilfe eines Flüssigkeitskreislaufs und übertragen sie mit einer Wärmepumpe zu einer effektiven und effizienten Heizung. Viele Wärmepumpen können auch im Kühlbetrieb arbeiten und so durch die Wärmeabgabe an das Erdreich über den Flüssigkeitskreislauf eine effiziente Kühlung gewährleisten. Dieses System eignet sich ideal für die passive Kühlung im Teillastbetrieb. Die direkte Kühlung des Systems mit der niedrigeren Erdtemperatur, ohne die Wärmepumpe, ist eine äußerst effiziente Methode. Wie bei der freien Kühlung ermöglicht die Optimierung der Wassertemperaturen im Teillastbetrieb, dass das System möglichst lange passiv kühlt und somit maximal Energie spart.
Kontrolle und Intelligenz
Um dies zu erreichen, benötigen wir eine Systemsteuerung, die die an den Spulen benötigte Last erkennt und diese Information nutzt, um die Temperaturen der Kältemaschine/Wärmepumpe entsprechend zu optimieren. Intelligente Funktionen in Kältemaschinen, Wärmepumpen, Lüftungsanlagen und Raumklimageräten sind erforderlich. Es ist unerlässlich, die Grenzen der einzelnen Produkte sowie deren Betriebsgrenzen zu kennen und zu wissen, wann eine Optimierung nicht sinnvoll ist. Darüber hinaus muss eine übergeordnete Systemsteuerung effektiv zwischen allen Systemkomponenten kommunizieren. Die Energieeinsparungen werden durch die Nutzung der vorhandenen Systemkomponenten erzielt, nicht durch Investitionen in besonders effiziente Geräte, sondern durch eine intelligentere Steuerung der bestehenden Anlagen.
Unabhängig davon, ob es sich bei den Systemen, mit denen wir arbeiten, um bereits installierte Systeme im Rahmen eines Sanierungsprojekts oder um Neubauprojekte mit hochmodernen, effizienten Produkten handelt, gelten die Prinzipien der weiteren Energieeinsparung im Teillastbetrieb weiterhin als effektive und nachhaltige Methode zur Senkung der Betriebskosten.
Veröffentlichungsdatum: 26. April 2023
