Hohes Haus – hohe Einsparung

Der komplette Austausch alter Lüftungsanlagen ist aufwändig und kostenintensiv. Das Ventilator-Retrofitprojekt eines Hochhauses in Dubai zeigt, dass sich mit im FanGrid angeordneten EC-Ventilatoren und einer bedarfsgerechten Steuerung recht hohe Einsparpotenziale realisieren lassen.

Der Swiss Tower ist ein 40-geschossiges Hochhaus in Dubai, das Büros und Luxusapartments beherbergt. Das Gebäude wird konstant mit frischer, gekühlter Luft aus insgesamt vier Air Handling Units (AHUs) versorgt. Dabei ist jede AHU für die Frischluftversorgung mehrerer Etagen zuständig und war bisher mit riemengetriebenen AC-Ventilatoren ausgestattet. Die alten Anlagen liefen stets unter Volllast, und es bestand keine Möglichkeit sie bedarfsgerecht zu regeln, was aufgrund der wechselnden Belegung der Büroräume sinnvoll wäre. Unterm Strich war der Betrieb kostenintensiv und führte zu einem entsprechend hohen Energieverbrauch.

Für diese Probleme war ein Retrofit der AHUs die sowohl wirtschaftlichste als auch in der geforderten Zeit als die am besten umsetzbare Lösung identifiziert worden. Hauptanforderung des Projekts war es, die Leistungsaufnahme der Ventilatoren zu reduzieren und durch die Etablierung einer Regelung weiteres Energiesparpotenzial zu erschließen. Auch die Lebensdauer der AHUs sollte dank der Modernisierung verlängert werden. Den Auftrag für das Retrofit erhielt das Unternehmen Qey Energy Solutions. Das Spezialunternehmen für HLK-Lösungen hat seinen Hauptsitz in Dubai.

Eine effiziente Komplettlösung

Um den Stillstand der AHUs während der Umbauarbeiten möglichst kurz zu halten, wurden sie nacheinander modernisiert. Das bedeutete aber, dass während des Stillstands Teilbereiche des Gebäudes nicht mehr mit frischer Luft versorgt werden konnten. Der Zeitdruck erforderte daher einen schnellen, unkomplizierten Einbau der neuen Ventilatoren.

Dazu wurde ein Ventilatorpaket, bestehend aus EC-Ventilatoren, Ventilatoranschlusskästen, Ventilatorschotten und Schalttafeln, als Komplettlösung vorbereitet, direkt an die AHU geliefert und verbaut. Bei der ersten Komponente fiel die Wahl auf EC-Radialventilatoren der „RadiPac“-Reihe von ebm-papst. „Seine Kompaktheit und sein geringes Gewicht verglichen zu einem einzelnen großen AC-Ventilator sorgte für einen einfachen und entspannten Austausch“, beschreibt der Hersteller und fährt fort: „Denn kein schweres Gerät war für den Einbau nötig, was Zeit und auch Kosten sparte.“ Da der „RadiPac“ als Plug & Play-Lösung geliefert wird, kann auch die Inbetriebnahme des EC-Ventilators schnell erfolgen. Die insgesamt 26 „Radi-Pacs“ wurden als FanGrid jeweils in die Zu- und Abluft-Sektion der vier AHUs eingebaut.

Betriebssicherheit dank FanGrid

Ein FanGrid besteht aus mehreren, kleinen Ventilatoren, die neben- oder übereinander angeordnet und parallel betrieben werden. Dieser redundante Aufbau erhöht die Zuverlässigkeit der Anlage und sorgt für Betriebssicherheit: Sollte ein Ventilator ausfallen, kompensieren die restlichen EC-Ventilatoren die fehlende Luftmenge. Das bietet gerade bei großen Anlagen, noch dazu in besonders heißen Regionen wie in Dubai, die benötigte Sicherheit. Ein weiterer Grund für ein FanGrid war das Ziel, die Lebensdauer der Anlage zu verlängern. Dies kann realisiert werden indem mehrere kleine Ventilatoren bedarfsgerecht in Teillast betrieben werden statt eines großen Ventilators konstant unter Volllast. Ein weiterer Vorteil eines solchen Aufbaus ist, dass vor- und nachgeschaltete Komponenten wie Filter oder Wärmeübertrager gleichmäßiger von der Luft durchströmt werden können. ebm-papst erklärt: „Das führt zu einer effizienteren Filterung der Luft sowie zu besseren Wärmeübertragungsleistung und damit zu einer Senkung der Betriebskosten der Anlage.“ Mehrere kleine Ventilatoren benötigten zudem meist weniger Bauraum und seien leichter als ein einzelner großer Ventilator, was den Austausch vereinfache.

Energiesparen mit EC-Technologie

Das vorrangige Ziel des Retrofits war es, Energie zu sparen, weshalb die Wahl auf einen Ventilator mit EC-Motor fiel. Denn sein Motorwirkungsgrad von über 90 % verspricht große Einsparungen im Vergleich zu einem AC-Motor. Außerdem waren mit den alten AC-Ventilatoren nur zwei Betriebsstufen möglich: entweder sie waren aus, oder sie wurden mit Maximaldrehzahl betrieben. Das heißt, unabhängig von der tatsächlichen Auslastung des Gebäudes liefen alle Anlagen immer mit voller Leistung, selbst wenn zu bestimmten Zeiten die Versorgung einzelner Gebäudeteile mit einem geringeren Luftvolumen ausreichend gewesen wäre. Die EC-Ventilatoren sind hingegen stufenlos zwischen 0 und 100 % regelbar, d. h. die Drehzahl kann immer bedarfsgerecht angepasst werden. Damit ergeben sich signifikante Einsparpotenziale, denn die Leistungsaufnahme steigt oder sinkt in der dritten Potenz zur Drehzahl (P ~ n³). Wenn also die Drehzahl im Vergleich zur Nenndrehzahl um die Hälfte reduziert wird, verringert sich die Leistungsaufnahme um den Faktor 8 und beträgt somit nur noch 12,5 % der Nennleistung. Schaltet man hingegen eine Hälfte der Anzahl an AC-Ventilatoren ab und betreibt die andere Hälfte immer noch auf Volllast, kann nur 50 % der Leistungsaufnahme eingespart werden.

Bedarfsgerechte Frischluftversorgung

Der zweite Teil des Retrofits beinhaltete die Modernisierung der Steuerung. Der Swiss Tower verfügte bereits über ein Gebäudemanagementsystem. Das Ziel hinsichtlich der Lüftungsanlagen war nun, eine zeitbedingte Strategie zur Steuerung der Lüftungsanlagen zu entwickeln. Der Vorteil war, dass dank der Security-Scans am Ein- und Ausgang bereits Daten über die tageszeitabhängige Auslastung des Gebäudes vorlagen. Daraus ermittelte Qey den zeitabhängigen Luftbedarf und programmierte mithilfe einer eigens für Retrofit-Projekte entwickelten Software einen internen Zeitplan. Morgens und gegen Abend ist die Bürobelegung geringer, weshalb die Leistung hier heruntergefahren wird, wohingegen während des Nachmittags die höchste Gebäudeauslastung vorliegt, tendenziell die höchsten Temperaturen herrschen, die AHUs ein höheres Luftvolumen fördern müssen und der höchste Kühlbedarf besteht. Hier erweisen sich die RS485/MODBUS RTU-Schnittstellen der „RadiPacs“ als hilfreich. Denn damit können die Ventilatoren einerseits gesteuert werden, andererseits ermöglichen sie ein Monitoring der Betriebsdaten jedes einzelnen Ventilators.

Der „RadiPac“ erlaubt eine Differenzdruckmessung, da er über einen Druckentnahmestutzen zum Anschluss eines Differenzdrucktransmitters verfügt. Damit können auch Rückschlüsse auf den aktuell geförderten Luft-Volumenstrom gezogen werden. Die Software kann über die MODBUS-Schnittstelle die Drehzahl, wie vom Zeitplan vorgegeben, überwachen und regeln sowie den Luftstrom, den Energieverbrauch und Alarme monitoren und Gegenmaßnahmen einleiten.

Energieverbrauch um 60 % gesenkt

Die Dokumentation und das Monitoring der Betriebsdaten sind für eine Überprüfung der realisierten Energieeinsparung des Retrofits wichtig. Aus ihnen lassen sich in einem weiteren Schritt weitere Optimierungen aufseiten der Steuerung ableiten. Denn nach einer gewissen Zeit, in der der interne Zeitplan erprobt wurde, sind eventuell weitere Anpassungen und eine Verfeinerung der Steuerung nötig. Die konstante Überwachung jedes einzelnen Ventilators bietet außerdem Sicherheit: Probleme können zügig identifiziert und negative Folgen frühzeitig verhindert werden.

Mittels des Monitorings und der Dokumentation der Betriebsdaten lässt sich schließlich auch ermitteln, wie viel Einsparung das Retrofit gebracht hat: Der Spitzenbedarf des alten Motors betrug 31 kW. Nach dem Retrofit liegt der Spitzenbedarf für den maximal geförderten Luftstrom bei 16,5 kW. Durch die bedarfsgerechte Steuerung wurde es zudem noch ermöglicht, dass die neue maximale Leistungsaufnahme nur noch gelegentlich und bei Bedarf beansprucht wird und nicht mehr Nonstop. Letztendlich liegt der Energieverbrauch mehr als 60 % unter dem alten Wert.

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