IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 23/1996, Seite 72 ff.
LÜFTUNG
Der geregelte Fortluftventilator ersetzt den Abluftventilator
In Mischluftanlagen: Energieeinsparung in erheblicher Größenordnung
Dipl.-Ing. Herbert Schartmann
Ein Systemvergleich einer Mischluftanlage mit Abluft- bzw. Fortluftventilator verdeutlicht die große Möglichkeit der Energieeinsparung.
1. Einleitung
Raumlufttechnische Anlagen (RLT) dienen der Abfuhr thermischer und stofflicher Lasten und schaffen eine gesundheitsverträgliche Raumluft. In vielen RLT-Anwendungsfällen ist die Luftverunreinigung im Raum gering, die thermischen Lasten sind hingegen sehr hoch. Produktionsbetriebe, Schaltwarten, EDV-Zentralen, Hallen mit großen Raumhöhen etc. können deshalb mit einer Zuluft aus Außen- und Umluft gekühlt und gelüftet werden. Natürlich ist auch ein Heizbetrieb mit Mischluft möglich.
Räume mit laminarer Verdrängungsströmung benötigen zur Erzielung niedriger Partikelzahlen in der Luft große Volumenströme durch hohe Luftwechsel. Reinräume zur Herstellung elektronischer Bauelemente, spezielle Räume der Pharmazie und Räume im Krankenhaus mit sehr hohen Luftwechselzahlen erhalten RLT-Systeme mit Umluft- und Außenluft als Zuluft.
Klimaanlagen für Versammlungsräume werden für die maximale Personenbelegung ausgelegt und in diesem Lastfall mit 100% Außenluft betrieben. Mischluftbetrieb ist jedoch in Betriebsfällen mit geringer Personenanzahl sinnvoll und üblich.
Bild 1: RLT-Anlage mit Zuluftgerät und Abluftventilator für Mischluftbetrieb.
2. Anlagen mit Zu- und Abluftventilator
RLT-Anlagen, die einen Mischluftbetrieb ermöglichen, werden bisher mit Zuluft- und Abluftventilatoren ausgerüstet. Dieser prinzipielle Anlagenaufbau zeigt das Bild 1 aus der Norm DIN 1946 [1] und die vielen Anlagenschemata in den Abschnitten "Klimaanlagen" und "Regelung" des Standardwerkes Recknagel [2]. Mit wenigen Ausnahmen werden in der Praxis die Anlagen auch heute noch so gebaut. Da im Mischluftbetrieb je nach Außenluftanteil der Druckverlust in Außen- und Fortluftkanal schwankt und die Umluft vom Abluftventilator gefördert wird, müssen alle drei Klappen jeweils in die Drosselstellung gefahren werden, die den verminderten Druckverlust im System kompensieren. Durch Drosselung bleiben die Betriebspunkte beider Ventilatoren unverändert.
| Bild 2: Schaltung einer Mischluftanlage mit Zu- und Abluftventilator. |
Drosselungen an Außen-, Fort- und Umluftklappen bedeuten Energieverluste, die von den Antriebsmotoren der Ventilatoren aufgebracht werden. Das Bild 2 zeigt ein Anlagenschema mit Zu- und Abluftventilator. Das zugehörige obere Druckschaubild stellt die Druckverhältnisse bei geschlossener Umluftklappe und geöffneten Außen- und Fortluftklappen dar. Das untere Schaubild verdeutlicht die Druckverhältnisse bei Mischluftbetrieb mit 50% Außen-, Um- und Fortluft. Die drei Klappen haben solche Drosselpositionen, daß die Ventilatorgesamtdrücke und damit die Zu- und Abluftvolumenströme konstant bleiben. Ein besonders großer Druckabfall muß hierbei von der Umluftklappe erbracht werden. Hersteller von RLT-Zentralgeräten dimensionieren deshalb die Umluftklappe mit entsprechendem kleinen Querschnitt.
| Bild 3: Schaltung einer Mischluftanlage mit Zu- und Fortluftventilator. |
3. Anlagen mit Zu- und Fortluftventilator
In Bild 3 ist eine Schaltung mit "geregeltem Fortluftventilator" dargestellt. Bei geschlossener Umluftklappe und geöffneter Außenluftklappe fördern beide Ventilatoren 100% Volumenstrom gegen den maximalen Anlagendruckbedarf. Der Druckverlauf wird im oberen Schaubild dargestellt. Im Mischluftfall ändern sich die Verhältnisse. Bei 50% Außen-, Um- und Fortluft zeigt das untere Druckschaubild beispielhaft das genutzte Energieeinsparpotential. Die Widerstände im Außen- und Fortluftkanal werden im Beispiel um 75% geringer und bei konstanter Ventilatordrehzahl würde der Volumenstrom ansteigen. Ein drehzahlgeregelter Fortluftventilator hält mit dem Zuluftventilator den Abluftvolumenstrom konstant. Die Stromaufnahme sinkt durch Volumenstrom- und Druckreduktion. Damit sich die Außenluft mit der Umluft vermischen kann, geht die Außenluftklappe in eine Drosselstellung auf den Druck der Umluft hinter der Umluftklappe. In diesem Betriebsfall ist die Umluftklappe voll geöffnet und hat nur einen geringen Druckverlust.
Der Gesamtdruck des Zuluftventilators liegt im Umluftbetrieb ebenfalls deutlich unter den Werten einer Anlage mit Abluftventilator. Eine Drehzahlregelung trägt somit ebenfalls zu einer weiteren Energieeinsparung bei. Das Ergebnis ist ein konstanter Zu- und Abluftvolumenstrom bei jedem Außenluftanteil und unabhängig vom Verschmutzungsgrad der Filter bei minimalem Energieaufwand für den Transport der Luft.
4. Energievergleich: RLT-Anlage mit Abluft-/Fortluflventilator
Um die Bedeutung des Energieeinsparpotentials "geregelter Fortluftventilatoren in Mischluftanlagen" zu unterstreichen, wird eine vergleichende Berechnung der Ventilatorantriebsenergie zweier RLT-Anlagen im Dauerbetrieb mit der Jahresstundenverteilung von Frankfurt/Main vorgestellt.
Bild 4: RLT-Anlage mit konstanten Zu- und Abluftvolumenströmen und variablen Außen-, Um- und Fortluftvolumenströmen. Oberes Schema mit Abluftventilator, unteres Schema mit Fortluftventilator.
4.1 Technische Daten der RLT-Anlagen
Ein Raum mit statischer Heizung für die Aufheizphase und hohen internen Kühllasten aus Produktionseinrichtungen wird durch eine RLT-Anlage gekühlt und gelüftet. Die Zulufttemperatur tZU1 soll konstant bei +18°C liegen, um eine Raumtemperatur von +22°C bis +26°C im Sommer bei hohen Außentemperaturen zu halten. Unter der Berücksichtigung der Ventilatorwärme ist die Zuluft durch Wärmerückgewinnung (WRG), Umluftbeimischung und Heizung bzw. Kühlung auf +16,5°C zu bringen. Der minimale Außenluftanteil wird mit 50% festgelegt. Die Rückwärmezahl der WRG wird mit F = 50% angenommen. Die freie Kühlung durch Außenluft soll voll genutzt werden.
- Zuluft und Abluftvolumenstrom: 
ZU = AB = 25000 m3/h
- Druckfall der Kanäle u. Geräteeinbauten: siehe Anlagenschema Bild 4
- max. Totaldruckerhöhung Zuluft: DpZU = 1365 PA
- max. Totaldruckerhöhung Abluft: DpAB = 925 PA
- Betriebszeit: 8760 h/a
4.2 Ventilator- und Geräteauslegung
Bei RLT-Anlagen für Dauerbetrieb muß die Reduktion des Anlagenwiderstandes durch möglichst niedrige Luftgeschwindigkeiten im System und strömungstechnisch optimierte Einbauelemente selbstverständlich sein. Mit steigendem Gerätequerschnitt nimmt ebenfalls die Filterfläche zu. Die hierdurch gestiegene Staubspeicherfähigkeit macht einen Filtertausch nicht erst bei dem sogenannten "empfohlenen Endwiderstand" der Filterproduzenten sinnvoll. Es wird empfohlen, das Verhältnis vom Filterendwiderstand DpE zu Filteranfangwiderstand DpA maximal auf das Zweieinhalbfache zu begrenzen.
| Bild 5: Ventilatorkennfeld, |
Betriebspunkte des Zuluftventilators,
Betriebspunkte des FortluftventilatorsDie geringfügig erhöhten Filterwechselkosten werden durch die eingesparte Antriebsenergie am Ventilator amortisiert. Aus Gründen der Luftqualität muß die Filterstandzeit ohnehin eingeschränkt werden.
Die Ventilatoren und deren Antriebe sind in der Nähe des Bestpunktes auszulegen. Mit kleiner werdendem Totaldruck muß die Ventilatorbaugröße wachsen, um den größtmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen. In der Nähe dieses Betriebspunktes hat auch die Schalleistung ihr Minimum.
Der Zuluftventilator des Beispiels hat einen konstanten Volumenstrom und veränderlichen Druck. Die Betriebspunkte sind im Ventilatorkennfeld Bild 5 eingezeichnet. Der regelbare Fortluftventilator hat große Verschiebungen des Betriebspunktes durch die Volumenstromänderung von 25000 m3/h auf 12500 m3/h. Das Beispiel in Bild 5 zeigt eine Ventilatorgröße, bei der der Betriebspunkt mit dem kleinen Volumenstrom links vom Bestpunkt und bei maximalem Volumenstrom rechts vom Bestpunkt liegt. Der Energiebedarf hat somit den kleinstmöglichen Wert.
| Bild 6: Betriebsbedingungen der RLT-Anlage bei verschiedenen Außentemperaturen. |
4.3 Betriebsweisen bei unterschiedlichen Außentemperaturen
Für den Außentemperaturbereich von -12°C bis +32°C zeigt Bild 6 die Temperaturen hinter den verschiedenen Einbauelementen des RLT-Zentralgerätes und die Stellungen der Regelventile und Mischklappen (Tabelle 1).
Tabelle 1: Betriebsweisen der Mischluftanlage bei unterschiedlichen Außentemperaturen
-12°C bis 0°C | 50% Außenluft wird durch die WRG erwärmt, mit 50% Umluft von tR = +22°C gemischt und durch den Lufterhitzer auf tZU2 = 16,5°C gebracht. |
0°C bis 11°C | 50% Außenluft wird durch die WRG auf 11°C geheizt und mit 50% Umluft tR = 22°C auf tZU2 = 16,5°C gemischt. |
11°C bis 16,5°C | Zur Einhaltung der Zulufttemperatur wird der Außenluftanteil kontinuierlich bis 100% gesteigert; freie Kühlung. |
16,5°C bis 22°C | 100% Außenluft wird von tAU auf tZU2 = 16,5°C gekühlt. |
22°C bis 32°C | 50% Außenluft wird mit 50% Raumluft gemischt und auf 16,5°C gekühlt. Bei Außenluftenthalpie höher als Fortluftenthalpie kann die WRG ebenfalls an der Außenluftkühlung beteiligt werden. Die Raumtemperatur tR steigt gleitend von 22°C auf 26°C. |
4.4 Energiebedarf der Zu- und Abluftanlage
Die Totaldruckerhöhung bleibt durch die Drosselung an den drei Klappen bei allen Betriebszuständen konstant unter der Annahme eines mittleren Filterwiderstands. Die Leistungsaufnahme der Antriebsmotoren ist
Pges = PZU + PAB in kW
Pges = 13,54 + 9,18 = 22,72 kW
Der Jahresenergieverbrauch der beiden Ventilatoren im Dauerbetrieb ist
QZU,AB = 22,72 · 8760 = 199027 kWh/a
4.5 Energiebedarf mit geregeltem Zu- und Fortluftventilator
Nur im Betriebsfall mit 100% Außenluft - im Bereich von +16,5°C bis +22°C Außentemperatur - ist der Energiebedarf Pges gleich dem Wert bei der Anlage mit Zu- und Abluftventilator nach Abschnitt 4.4. In der überwiegenden Zeit des Jahres arbeitet die Anlage jedoch mit 50 % Außenluft und Fortluft mit jeweils niedrigerem Totaldruck. Der Totaldruck des Fortluftventilators sinkt bei 50% Fortluft auf DpFO = 535 Pa. Die Leistungsaufnahme des Motors ist
Mit steigendem Fortluftanteil steigt dieser Wert auf 9,18 kW an.
Der Totaldruck des Zuluftventilators reduziert sich auf DpZU = 1276 Pa und damit wird die minimale Leistungsaufnahme
Der Jahresenergieverbrauch ergibt sich aus den verschiedenen Energiebedarfswerten in Abhängigkeit der Außentemperatur und den Jahresstunden (Bild 6 c, d). Die Berechnung enthält die Tabelle 2. Die Verwendung eines geregelten Fortluftventilators und Zuluftventilators führt demnach zu einem Jahresenergieverbrauch für die Luftförderung von
QZU,FO = 150808 kWh/a
Tabelle 2: Jahresenergiebedarf in kWh/a einer RLT-Mischluftanlage mit
A) Zu- und Aluftventilator mit Klappenregelung
tAU | Jahresstunden | PZU | PAB | Pges | Qges |
-12...+32 | 8760 | 13,54 | 9,18 | 22,72 | 199049,92 |
B) geregeltem Zu- und Abluftventilator
tAU | Jahresstunden | PZU | FO | Pges | Qges |
32...23 | 442 | 12,66 | 2,65 | 15,31 | 6767,02 |
22...17 | 1321 | 13,54 | 9,18 | 22,72 | 30013,12 |
16 | 358 | 13,40 | 8,05 | 21,45 | 7679,10 |
15 | 381 | 13,24 | 6,97 | 20,21 | 7700,01 |
14 | 396 | 13,10 | 5,86 | 18,96 | 7508,16 |
13 | 390 | 12,90 | 4,80 | 17,70 | 6903,00 |
12 | 378 | 12,75 | 3,74 | 16,49 | 6233,22 |
11...12 | 5095 | 12,66 | 2,65 | 15,31 | 78004,45 |
Summe | 8760 | 150808,08 |
5. Zusammenfassung
RLT-Anlagen mit Außen- und Umluft können ein großes Energieeinsparpotential nutzen, wenn statt Abluftventilatoren mit konstantem Betriebspunkt regelbare Fortluftventilatoren verwendet werden. Geregelte Zuluftventilatoren reduzieren im Mischluftbetrieb ebenfalls den Energiebedarf durch Anpassung an die reduzierten Widerstände in den von Außenluft durchströmten Anlagenteilen und den veränderlichen Filterwiderständen. Das Beispiel einer Anlage im Dauerbetrieb mit mindestens 50% Außenluft belegt eine Einsparung des Jahresenergieverbrauches für den Lufttransport von rund 25%. Der tatsächliche Wert liegt jedoch noch darüber, da im Beispiel mit einem konstanten, mittleren Filterwiderstand gerechnet wurde. Über die Betriebszeit eines Filters steigt der Luftwiderstand mit zunehmender Staubspeicherung etwa quadratisch an, sieht man von Schwebstoffiltern ab.
Zur Konstanthaltung des Zuluftvolumenstromes wird die Ventilatordrehzahl und in Abhängigkeit der Außen- und Zulufttemperatur die Außen- und Umluftklappe geregelt. Die Mischung bleibt in jedem Betriebsfall möglich. Der Abluftvolumenstrom wird durch den drehzahlgeregelten Fortluftventilator konstant gehalten. In der Praxis hat sich das Verfahren inzwischen in einer großen Anzahl von patentierten Raumkühlgeräten [3, 4] für thermisch hochbelastete Räume bewährt. Das Anlagensystem kann zur weiteren Reduktion der Antriebsenergie um Bypässe an Wärmeaustauschern erweitert werden [5]. Konsequente Energieeinsparung hilft, das ökologische Ziel nach CO2-Reduktion zu erreichen und macht RLT-Anlagen für Betreiber wirtschaftlich.
B i l d e r : ROX Lufttechnische Gerätebau GmbH
L i t e r a t u r :
[1] DIN 1946, Teil 1: Raumlufttechnik, Terminologie und graphische Symbole. Oktober 1988, Beuth-Verlag GmbH, Berlin.
[2] Recknagel-Sprenger-Schramek: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. 67. Auflage 94/95, R. Oldenbourg Verlag, München.
[3] Patentschrift DE 40 04 519 C2: Zuluft- und Abluftgeräte in Kombinationen für Lüftungs- und/oder Klimaanlagen. ROX-Raumkühlgeräte HYD-DIV.
[4] ROX-Raumkühlgerät Typ HYD-DIV-KCA-KL für thermisch hochbelastete Räume wie Digitale Vermittlungsstellen und EDV-Zentralen. ROX-Werksveröffentlichung 9303.
[5] Schartmann, H.: Energieeinsparung durch RLT-Zentralgeräte mit Bypässen. HLH 3/96, VDI-Verlag, Düsseldorf.
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