IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 24/1996, Seite 56 ff.


LÜFTUNGSTECHNIK


Sanierung von Raumlufttechnischen Anlagen in Verwaltungsgebäuden

Dr.-Ing. Franc Sodec Teil 2

In dem vorliegenden Artikel stellt der Autor Sanierungskonzepte für die in den 70er Jahren gebauten Hochdruck-Induktionsanlagen und Zweikanalanlagen vor. Er gibt Antworten auf die Fragen, wann eine Teilsanierung und wann eine Komplettsanierung sinnvoll ist. Zudem nennt er Rahmenbedingungen, die bei einem Umbau in eine volumenstromvariable Anlage und bei einem Umbau in ein Kühldeckensystem eingehalten werden müssen, um den heutigen Anforderungen nach thermischem Komfort und Energieeinsparung Rechnung zu tragen.

4. Sanierungskonzepte

Es bietet sich an, die beiden Systeme Hochdruck-Induktionsanlagen und Zweikanalanlagen durch moderne Systeme zu sanieren. Hier einige Sanierungskonzepte, die zur deutlichen Verbesserung der Anlagenfunktion führen.

Es gilt zunächst bei einer Sanierung, daß die Kühllast- und Wärmebedarfsberechnung erneut durchgeführt wird. Die erforderlichen Auslegungswerte können sich von den 20 Jahre alten Vorgaben erheblich unterscheiden.

Bild 7: Beispiel des Berechnungsergebnisses der Gebäude- und Anlagensimulation.

Ein hervorragendes Mittel zur optimalen Ausführung einer Sanierung ist die Gebäude- und Anlagensimulation. Dabei werden die bauphysikalischen Daten des Gebäudes in den Computer eingegeben und für ein Referenzjahr die gesamten Energiekosten - aufgeschlüsselt nach Strom, Wärme, Kälte, Wasser - berechnet (Bild 7). Verschiedene Anlagensysteme, Regelungsstrategien und bautechnische Maßnahmen können miteinander in ihrer Auswirkung verglichen werden [6, 7]. Der Vorteil der Gebäude- und Anlagensimulation ist eindeutig der schnelle Vergleich der verschiedenen möglichen Sanierungsmaßnahmen hinsichtlich des ganzjährigen Energieverbrauches schon bei der Konzeptausarbeitung.

4.1 Sanierung von Hochdruck-Induktionsanlagen

Die Sanierungskonzepte sollen hier auf drei grundlegende Gesichtspunkte bauen:

- zu Kühl- und Heizzwecken steht schon das Wassersystem zur Verfügung,
- die Luft- und Wasserleitungen sind auf der Fassadenseite verlegt,
- die Luftleitungen sind für Volumenströme pro Büroachse von 60 bis 120 m3/h ausgelegt.

Diese Fakten führen dazu, daß als Sanierungskonzept das Kühldeckensystem inkl. mechanischer Lüftung das geeignetste ist. Natürlich sind dabei die Detailfragen zu klären wie:

- Sind die Leistungsquerschnitte ausreichend dimensioniert?
- Reichen die Ventilator- und Pumpenleistungen aus?
- Sind die Kältemaschinen und die Warmwasserversorgung ausreichend dimensioniert?
- Wie läßt sich die freie Kühlung realisieren?
- Ist eine Wärmerückgewinnung schon vorhanden? Wenn nicht, welches System kann man einbauen?
- Wie integriert man die Kühldecke und die Luftdurchlässe in den Raum?
- Falls Abluftleuchten vorhanden sind, sollen sie beibehalten werden?
- Welches Regelungssystem wählt man?

Viele dieser Fragen lassen sich mit der Gebäude- und Anlagensimulation leicht beantworten.

Bild 8: Anlagenschema eines Kühldeckensystems.

Wie dem Bild 8 zu entnehmen ist, hat das Kühldeckensystem einen ähnlichen schematischen Aufbau wie die HD-Induktionsanlage. Das bedeutet, daß die Kühlelemente an die Wasserleitungen der HD-Induktionsanlage angeschlossen werden können; der Luftdurchlaß der mechanischen Lüftung kann an die Primärluftleitungen angeschlossen werden.

Wie kann die Heizfunktion des Induktionsgerätes ersetzt werden? Hier bieten sich drei Möglichkeiten an:

Untersuchungen [8] zeigen, daß mit Kühldecken Heizleistungen bis ca. 40 W/m2 Bodenfläche unter Einhaltung der thermischen Behaglichkeit (Strahlungsasymmetrie, vertikale Temperaturschichtung) erbracht werden können. In modernen Verwaltungsgebäuden liegt der Wärmebedarf bei ca. 30 bis 35 W/m2. Wird die Außenfassade ebenfalls saniert oder ist sie schon saniert worden, so ist davon auszugehen, daß der max. Wärmebedarf unter 40 W/m2 liegt. Die Kühldecke kann zum Heizen benutzt werden, wenn außerdem der Wärmedurchgangskoeffizient der Fensterscheibe bei max. 1,2 W/(m2 K) liegt. Die Wasservorlauftemperatur liegt dann in der Regel unter 40C. Induktionsgeräte wurden für höhere Wasservorlauftemperaturen ausgelegt.

Würde die Kühldecke die erforderliche Heizleistung nicht erbringen, so stehen zur Auswahl entweder ein statischer Heizkörper oder der Quellauslaß mit integrierter Heizfunktion.

Bild 9: Verschiedene Sanierungskonzepte für eine Vier-Leiter-HD-Anlage.

Die drei verschiedenen Möglichkeiten der kombinierten Heizung, Kühlung und Lüftung beim Umbau der HD-Anlage ins Kühldeckensystem sind für ein Vier-Leiter-System schematisch in Bild 9 dargestellt.

Für die Luftführung im Raum hat man mehrere Möglichkeiten:

Die einfachste Lösung ist der Quellauslaß vor der Brüstung, da die Luftleitungen hier enden. Für alle anderen Ausführungen müssen die Luftleitungen entweder bis zur Decke oder bis zum Boden verlängert werden. Aus lufttechnischer Sicht bieten alle erwähnten Systeme eine hohe thermische Behaglichkeit. Es müssen nur in der Detailausführung und -anordnung die Luftdurchlässe richtig ausgelegt werden. Der Zuluftvolumenstrom soll auf die minimale Außenluftrate beschränkt werden. Das entspricht einem Luftvolumenstrom von 7 bis 9 m3/(m2 h). Bei einer Gebäudeachse von 1,4 m und einer Raumtiefe von 5,8 m ergibt das einen Zuluftvolumenstrom von 57 bis 73 m3/(m2 h). Das bedeutet, daß man pro Gebäudeachse, d.h. pro Induktionsgerät nicht mehr als einen Luftdurchlaß benötigt (bei Bodenauslässen eventuell zwei). Induktionsgeräte wurden in der Regel für Luftvolumenströme von 80 bis 120 m3/h ausgelegt.

Die Regelung der Raumtemperatur geschieht durch Änderung der Kühlleistung der Kühldecke. Die Zulufttemperatur und der Zuluftvolumenstrom bleiben konstant. Die Zulufttemperatur kann eventuell saisonbedingt verändert werden, z.B. im Sommer auf 18C, im Winter auf 22C. Zur Raumtemperaturregelung wird entweder die Wasservorlauftemperatur oder der Wasserstrom verändert. Dieser kann wiederum stetig verändert oder nur auf/zu gefahren werden. Die Veränderung der Vorlauftemperatur wird nur in großen Regelzonen realisiert. Diese Regelungsart benötigt nämlich pro Regelzone eine zusätzliche Pumpe.

Einige Stellungnahmen zu den Detailfragen am Anfang des Kapitels:

4.2 Sanierung von Zweikanalanlagen

Bei der Sanierung von Zweikanalanlagen stehen drei Wege zur Verfügung:

Eine Teilsanierung, die manchmal aus Gründen der Investitionskosten angestrebt wird, beseitigt natürlich nur einen Teil der Probleme bzw. die Mängel der Zweikanalanlage. Beibehalten wird das System der Warm- und Kaltluftkanalführung. Es werden lediglich die veralteten Bauteile ausgewechselt und die Betriebsweise den modernen Erkenntnissen und regelungstechnischen Möglichkeiten angepaßt.

Bei der teureren, aber sinnvolleren kompletten Sanierung wird das energetisch ungünstige Zweikanalsystem in energetisch deutlich vorteilhaftere Systeme umgeändert: in ein VVS-System oder in ein Kühldeckensystem. Die Vor- und Nachteile der möglichen Sanierungskonzepte können mit einer Gebäude- und Anlagensimulation gut miteinander verglichen werden.

4.2.1 Teilsanierung

Bei der Teilsanierung sind im wesentlichen folgende Bauteile bzw. Verfahren zu untersuchen und eventuell zu erneuern:

- Mischgeräte und, falls vorhanden, Entspannungsgeräte,
- Kanaldruckausgleich,
- Temperatureinstellung des Warm- und Kaltluftstromes,
- Luftdurchlässe,
- Regelung,
- Wärmerückgewinnung,
- Filterung.

Die Misch- und Entspannungsgeräte sollten auf jeden Fall ausgetauscht werden. Dafür sprechen folgende Gründe:

- hohe erforderliche Mindestdruckdifferenz von 200 bis 500 Pa; heutige elektronische Volumenstromregler benötigen höchstens 100 Pa Druckdifferenz,
- im Laufe der Zeit hat sich die Regelbarkeit des Luftvolumenstromes verschlechtert; oft klemmen die Volumenstromregler, die Toleranz der Konstanthaltung ist meistens größer 15%,
- Abnutzung der Schalldämpferkulissen durch den 20jährigen Betrieb,
- Undichtigkeit der Drosselklappen im Warm- und Kaltluftanschluß; auf diese Weise völlige Absperrung eines Stromes (vor allem des warmen) nicht möglich. Dies führt zur Nichteinhaltung der erforderlichen Zulufttemperatur,
- kaum Möglichkeit von Fernüberwachung des Istzustandes am Gerät (Luftvolumenstrom, Zulufttemperatur, Volumenstromanteil Warm/Kaltluft).

Zu empfehlen ist der Ersatz von Misch- und Entspannungsgeräten, die Volumenstromregler mit integrierter Meßwerterfassung haben (elektronische Volumenstromregler). Die Vorteile sind geringere erforderliche Mindestdruckdifferenz (unter 100 Pa) und die Möglichkeit der Bearbeitung des Ausgangssignals zur Fernüberwachung.

Bild 10: Unerwünschte Beimischung warmer Luft bei geschlossener Drosselklappe.

Ein weiterer Punkt, der bei der Teilsanierung überprüft werden muß, sind die Temperaturen der Kalt- und Warmluftkanäle. Diese Temperaturen wurden meistens auf Werte von 14 bis 16C im Kaltluftkanal und 30 bis 35C im Warmluftkanal ausgelegt. Die hohe Temperaturdifferenz zwischen Warm- und Kaltluftkanal von ca. 15 bis 20 K ist aus der heutigen Sicht zu hoch. Sie führt dazu, daß in den Zeitperioden der hohen Kühllasten die Drosselklappen in den Warmluftanschlüssen der Mischgeräte fast geschlossen sein müssen. Da die Klappen nicht vollkommen dicht sind und sie eine steile Drosselcharakteristik haben, kommt es zur unerwünschten Beimischung des 30 bis 35C warmen Luftstromes zum Kaltluftstrom (Bild 10). Die erforderliche Zulufttemperatur wird nicht eingehalten. Als Konsequenz steigt die Raumtemperatur an. Man meint in solchen Fällen, daß der Volumenstromregler eine schlechte Regelcharakteristik hat, was aber mit den Auswirkungen einer höheren Raumtemperatur nichts zu tun hat. Empfehlung: Die Warmlufttemperatur intelligent gleiten lassen, z.B. in der Warmwetterperiode (von Mai bis September) die Warmlufttemperatur auf ca. 25C absinken lassen. Dies läßt sich heute mit der modernen Regelungstechnik ohne weiteres realisieren. Entsprechende Überlegungen sind auch für den Kaltluftkanal anzustellen. Dies ist vor allem dann berechtigt, wenn die Regelzonen hauptsächlich aus Außenzonen bestehen. Dann wäre im Winter eine Kaltlufttemperatur von ca. 18C günstiger als 14 bis 16C (bei einer Warmlufttemperatur von ca. 28 bis 30C).

Die Luftdurchlässe haben in den letzten 20 Jahren eine rasante Entwicklung erlebt. Es muß bei der Teilsanierung die Frage gestellt werden, ob die vorhandenen Luftdurchlässe bei der neu errechneten Raumkühllast noch geeignet sind. In den 70er Jahren wurden oft Luftdurchlässe eingesetzt, die eine Temperaturdifferenz zwischen Raum- und Zuluft von ca. 6 K zuließen. Heute sind bei Deckenluftdurchlässen in der Regel Temperaturdifferenzen von 8 bis 10 K zulässig. Das hat zur Folge, daß die Anlage mit geringerem Luftvolumenstrom ausgelegt werden kann und daß die Strahlcharakteristik stabiler ist. Es wird ein höherer thermischer Komfort erreicht.

4.2.2 Komplette Sanierung

Sinnvolle komplette Sanierungsmaßnahmen sind: Umbau des Zweikanalsystems in ein VVS-Einkanalsystem oder in ein Kühldeckensystem mit mechanischer Lüftung. Welche der beiden Umbaumaßnahmen die geeignetere ist, läßt sich nur am konkreten Projekt entscheiden. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Gesichtspunkte:

- Investitionen,
- Betriebskosten,
- erreichbarer thermischer Komfort,
- Raumbedarf,
- erforderliche Umbauzeit,
- Akzeptanz.

Bild 11: Vergleich der Investitionskosten.

Die Gegenüberstellung beider Systeme ergibt folgende wesentliche Vor- und Nachteile:

- äußerst geringe Raumluftgeschwindigkeiten,

- geringere vertikale Temperaturschichtung im Zusammenhang mit der Quellüftung,

- leichtere Einhaltung des zulässigen Schalldruckpegels im Raum.

Einige Hinweise zu den beiden Sanierungsmaßnahmen:

Bild 12: Vergleich der Energiekosten.

4.2.2.1 Umbau in VVS-Einkanalsystem

Generell wird hier nach folgenden Gesichtspunkten saniert:

Einer der Luftkanäle (Warm- oder Kaltluftkanal) wird stillgelegt oder abgebaut. Mindestens die horizontalen Kanäle in der Zwischendecke sollen aus Platzgründen demontiert werden.

Mit den bekannten spezifischen Raumkühllasten kann der maximale Luftvolumenstrom ermittelt werden. Danach kann entschieden werden, welche Luftkanäle beibehalten werden sollen: Kalt- oder Warmluftkanal. Maßgebend dabei ist außer dem Zustand der Kanäle und deren Wärmedämmung vor allem die Strömungsgeschwindigkeit. Eine hohe Luftgeschwindigkeit bedeutet höheren Druckverlust und lautere Geräusche. Eine zu niedrige Luftgeschwindigkeit führt zur Lufterwärmung und damit zu geringerer Kühlleistung der Zuluft. Anzustreben sind Kanalgeschwindigkeiten in Verwaltungsgebäuden von 3 bis 6 m/s.

Die Mischgeräte sind auszubauen und durch Entspannungsgeräte mit integrierten Nacherwärmern auszutauschen. Der Nacherwärmer kann mit Warmwasser oder elektrisch betrieben werden. Als Volumenstromregler sind in den Entspannungsgeräten variable Volumenstromregler mit integrierter Meßwerterfassung einzusetzen. Die Abluft-Entspannungsgeräte benötigen ebenfalls variable Volumenstromregler.

Wegen des veränderlichen Gesamtvolumenstromes einer Anlage soll der Ventilator entweder mit Drehzahlregelung oder Dralldrossel versehen werden. Ansonsten sind die Energieeinsparungen deutlich geringer. Den höchsten Wirkungsgrad erbringt die Drehzahlregelung. Sie ist von den Anschaffungskosten die teuerste Lösung, von den Gesamtkosten aber die bessere Alternative.

Wegen des geringeren Luftvolumenstroms im Vergleich zur Zweikanalanlage ist die gesamte Luftaufbereitung inkl. Ventilator neu auszulegen. Einige Komponenten müssen ersetzt werden, damit sie im optimalen Leistungs- und Geschwindigkeitsbereich liegen. Das gilt vor allem für die Bauteile Ventilator, Kühler, Erhitzer, Luftbefeuchter.

Für die Filterung und Wärmerückgewinnung gilt das gleiche, wie im Kapitel 4.2.1 beschrieben.

Die Regelung muß vollkommen neu konzipiert und erstellt werden. Zum einen haben wir ein ganz anderes Anlagensystem, zum anderen soll der Stand der Technik in den Regelungsmaßnahmen berücksichtigt werden. Dazu gehören DDC, Fernüberwachung, Anlagendiagnose u.ä.

Mit dieser Sanierungsmaßnahme sind Einsparungen bei den Energiekosten ohne weiteres bis 30% zu erzielen. Hinzu kommt der höhere thermische Komfort und bessere Wartungsfreundlichkeit.

4.2.2.2 Umbau zum Kühldeckensystem

Diese Sanierungsmaßnahme, die die größte Auswirkung in Energieeinsparung, in erhöhtem thermischen Komfort und in Platzersparnis im Zwischendeckenraum mit sich bringt, hat zur Folge, daß von der vorhandenen Anlage kaum noch etwas übrig bleibt. Es ist davon auszugehen, daß der Gesamtluftvolumenstrom nur noch 25 bis 35% des ursprünglichen Luftvolumenstromes beträgt. Statt im Schnitt 22 bis 30 m3/(m2 h) wird nur noch ein Luftvolumenstrom von 6 bis 9 m3/(m2 h) benötigt. Die gesamte lufttechnische Anlage und deren Bauteile sind weit überdimensioniert. Einige Bauteile wie Misch- und Entspannungsgeräte sind überflüssig.

Eventuell kann das Abluftkanalsystem beibehalten werden (ohne Entspannungsgeräte), obwohl es auch überdimensioniert ist. Man würde aber an den Umbaukosten einsparen.

Das Wassersystem für die Kühldecke ist vollkommen neu zu erstellen. Inwieweit die Kältemaschine beibehalten werden kann, hängt vom Zustand der Maschine und der erforderlichen maximalen Kälteleistung ab.

Mit dieser Sanierungsmaßnahme sind Einsparungen bei den Energiekosten ohne weiteres bis 35% zu erzielen. Die deutlich höhere thermische Behaglichkeit unterstreicht die Vorteile einer solchen Sanierungsmaßnahme.

5. Zusammenfassung

Es sind Sanierungskonzepte für Hochdruck-Induktionsanlagen und Zweikanalanlagen der 70er Jahre vorgestellt worden, die den höheren Anforderungen am thermischen Komfort und Energieverbrauch Rechnung tragen. Vor der Sanierung sollte stets die Kühllast- und Wärmebedarfsberechnung erneut durchgeführt werden. Sehr hilfreich ist eine komplette Gebäude- und Anlagensimulation, um die Auswirkung der einzelnen Sanierungskonzepte aus energetischer Sicht gegenüberzustellen.

Mit den beschriebenen Maßnahmen sind Energieeinsparungen, höherer thermischer Komfort und eine größere Wartungsfreundlichkeit zu erwarten. Die erzielbaren Energieeinsparungen liegen je nach Maßnahme zwischen 10 und 35%.


B i l d e r : KRANTZ-TKT


L i t e r a t u r :

[6] Diehl, O. und Makulla, D.: Möglichkeiten der rechnerischen Gebäude- und Anlagensimulation. KRANTZ-TKT - E-Bericht Nr. 55, 1994.
[7] Diehl, O. und Makulla, D.: Bewertung von Maßnahmen zur Temperatursenkung in Gebäuden. HLH, 7 und 9/1995.
[8] Sodec, F.: Heizen mit Kühldecken. KRANTZ-TKT - E-Bericht Nr. 86, 1996.
[9] Brunk, M. F. und Sodec, F.: Wirtschaftlichkeitsvergleich des Kühldeckensystems mit VVS-System. HLH, 11/1994.


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