125 Jahre IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 18/1997, Seite 60 ff.

KLIMATECHNIK

Maßnahmen zur Energieeinsparung

bei raumlufttechnischen Anlagen

Während früher die reibungslose Funktion einer RLT-Anlage im Vordergrund stand, sind es heute die Forderungen nach einem energieeinsparenden und umweltfreundlichen Betrieb.

Obwohl der derzeitige noch günstige Energiepreis etwas bremsend wirkt, sieht jedoch heute jedermann die Notwendigkeit zum sparsamen Umgang mit Energie ein, wobei auch die Industrie und der Verkehr einbezogen sind. Die Gründe sind:

a) Verknappung an Primärenergie, d.h. die noch begrenzt zur Verfügung stehenden fossilen Brennstoffvorräte müssen geschont werden.

b) Erforderliche Umweltschutzmaßnahmen, d.h. die durch Staub, SO2, NOx u.a. Gase verschmutzte Luft führt z.B. zu Gesundheitsschäden, Smog, Waldsterben, Bodenübersäuerung. Die CO2-Emissionen verursachen Klimaveränderungen (Treibhauseffekt, Erwärmung der Erdatmosphäre).

c) Reduzierung der Betriebskosten, d.h. die anschließend zusammengestellten Maßnahmen zur Energieeinsparung sind äußerst vielseitig.

Bild 1: Einflußgrößen auf den Energieverbrauch.

Neuere Energieverbrauchsstudien über moderne, optimal geplante und betriebene RLT-Anlagen einschließlich Wärmerückgewinnung zeigen, daß der jährliche Energieverbrauch kaum größer ist als bei üblichen Heizungsanlagen mit Fensterlüftung. Besonders bei Großbauten (z.B. Verwaltungsgebäude) erreicht man durch eine aufwendigere Technik große Einsparungen an Primärenergie. Das große Einsparpotential bei Altbauten liegt mehr in einer sach- und fachgerechten Wartung/lnstandhaltung der haustechnischen Anlagen, bei der Bewertung des Betriebs hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit und bei der Durchführung der erforderlichen Maßnahmen.

Zu 1: Gebäudeeinfluß

Während noch anfangs und Mitte der 80er Jahre bei den wirtschaftlichen Überlegungen vorwiegend die Wärmedämm-Maßnahmen für die Gebäudehülle im Vordergrund standen, hat sich heute das Gebäude als bauliche, energetische und ökologische Einheit herauskristallisiert. Hinsichtlich des Einflusses auf den Energiebedarf stehen im Vordergrund die Lage, die Gestaltung der Gebäudehüllfläche, die Optimierung von Wand und Fenster einschließlich Sonnen- und Wärmeschutz, die Wahl der Baustoffe und die Raumanordnung. Bautechnische Maßnahmen zur Energieeinsparung bei Altbauten erstrecken sich vorwiegend auf nachträgliche Wärmedämmung, Abdichtung oder Austausch von Fenstern und Anbringung von Sonnenschutzmaßnahmen.

Maßnahmen zur Energieeinsparung, z.T. auch gleichzeitig umweltgerecht, sind z.B.:

  • Günstige Grundrißlösungen mit entsprechender Anordnung von Außen- und Innenzonen, Unterstützung einer möglichen Querlüftung, Minimierung der Hüllflächen, d.h. geringes A/V-Verhältnis um die Transmissionsheizlast zu senken.
  • Gute außenlichtorientierte und gegliederte Bauweise, um Beleuchtungsenergie zu sparen, d.h. die natürliche Belichtung möglichst nutzen.
  • Hauptnutzungsflächen bevorzugt nach S, W oder O orientieren, um während der Nutzungszeit möglichst viel Solarenergie zu gewinnen, wenn diese durch die Höhe der inneren Wärmelasten nicht gekühlt werden müssen.
  • Räume mit geringeren Innentemperaturen möglichst nach außen verlegen (geringere Wärmeverluste im Winter).
  • Räume mit ähnlichen Anforderungen an technischer Ausstattung möglichst neben- oder übereinander anordnen.
  • Bauweise, Bauelemente und Baustoffe unter Gesichtspunkten der gewünschten oder nicht gewünschten Wärmespeicherung wählen; auch massive Innenwände.
  • Einbau von Wärmeschutzgläsern mit geringen Wärmedurchgangskoeffizienten.
  • Sonnenschutzeinrichtungen mit möglichst temporärem Wärmeschutz vorsehen; innenliegender Blendschutz für winterlichen Wärmegewinn.
  • Technische Zentralen möglichst in Verbraucherschwerpunkt legen (Reduzierung der Verluste und Transportwege, bessere Möglichkeit zur Wärmerückgewinnung). Größe und Lage müssen Erweiterungen und technische Weiterentwicklungen ermöglichen.
  • Vermeidung von Undichtigkeiten am Gebäude, um die Lüftungswärmeverluste - insbesondere außerhalb der Nutzung - zu verringern.
  • Vermeidung von großen unkontrollierten Lüftungswärmeverlusten durch Einbau einer mechanischen und individuell anpaßbaren Lüftungsanlage evtl. mit Wärmerückgewinnung.

    • Weitere Hinweise:

    1. Sämtliche baulichen und haustechnischen Komponenten müssen umfassend allen Anforderungen genügen, von der Herstellung über Einbau und Betrieb bis zu Abriß und Recycling. Dabei ist die hierfür jeweils erforderliche Primärenergie einbezogen.

    2. Energieeinsparung durch Solararchitektur erreicht man z.B. durch außenliegende geregelte Sonnenschutzsysteme, gesteuert nach der Außentemperatur, nach Helligkeit oder elektronisch, sinnvolle Anordnung von massiven und leichten Wänden, Dachvorsprünge zur Verschattung der Wärmegewinnfassade aus transparenter Wärmedämmung, Außenwände als solare Energiespeicher, auch Innenwände zur Unterstützung der Nachtkühlung, aktive und passive Verschattungseinrichtungen zum Regeln der Sonneneinstrahlung; Glasvorbauten, Einsatz von Abluftfenstern.

    20 bis 50% des Gebäudewärmebedarfes (je nach Gebäudeart und Nutzung) kann durch richtige Ausnutzung der passiven Solarenergie und der inneren Wärmequellen gedeckt werden; noch mehr bei zusätzlicher Wärmerückgewinnung und kontrollierter Lüftung.

    3. Die neue Wärmeschutzverordnung 1995 führt zu einer wirtschaftlichen und ökologisch orientierten Gebäudeplanung mit Berücksichtigung von inneren und äußeren Wärmegewinnen.

    Bei der Ermittlung der optimalen Wärmedämmung gibt es zwei Zielrichtungen. Die eine erfolgt allein nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten, wo alle Kosten aus Investition und Verbrauch gegenübergestellt werden. Die andere erfolgt nach dem minimalen Energieverbrauch, wobei auch der Energieverbrauch für die Herstellung des Dämmaterials (unter Zugrundelegung einer Nutzungsdauer von ca. 40 bis 50 Jahren) berücksichtigt wird.

    Zu 2: Einfluß der RLT-Anlagenplanung

    In verstärktem Maße möchte man durch exakte Systemanalysen und Systemoptimierungen mittels neuer Simulationstechniken eine integrierte Planung für Gebäude und Anlagentechnik erreichen. Ob und welche RLT-Anlagen vorgesehen werden sollen, muß man vorwiegend nach folgenden drei Vorgaben analysieren:

    a) Gebäudebedingte Gründe wie z.B. Hochhäuser, Gebäude mit Leichtbaufassaden, große ungeschützte Glasflächen, fensterlose Gebäude, Großraumbüros.

    b) Nutzungsbedingte Gründe wie z.B. große Versammlungsräume, spezielle Produktionsstätten, Aufenthalts- und Arbeitsräume mit hohen Kühl- und Verunreinigungslasten, Feuchträume (Schwimmhallen, Küchen), bei hohen Forderungen an die Luftreinheit (z.B. OP).

    c) Umweltbedingte Gründe wie z.B. starker Straßenlärm, meteorologische Einflußgrößen wie Hitze, Schwüle, schädliche oder lästige Luftverschmutzung.

    Für ein umfassendes Energiemanagement steht heute die Gebäudeleittechnik (GLT) zur Verfügung, die durch die moderne CDC-Technik (Direkt Digital Control) sehr effizient ist. Sie ermöglicht nicht nur die Einsparmaßnahmen, sondern gibt auch einen Überblick über den momentanen Energieverbrauch, Prognosen über zukünftigen Verbrauch, Kontrolle der Energieverluste und Anlagenwirkungsgrade.

    Selbst für kleinere, auch bewohnte Wohn- und Bürogebäude wird vielfach nach einer individuellen Energiediagnose mit Hilfe von Computern gefragt. Die Verbraucher möchten nämlich immer mehr eine umfassende Information über ihre augenblickliche Energiesituation des Gebäudes haben, einschließlich individueller Verbesserungsvorschläge und Kostenersparnis.

    Maßnahmen zur Energieeinsparung

  • Regelbare Anlagen, insbesondere hinsichtlich des Volumenstroms (z.B. Variable-Volumenstrom-Anlagen).
  • Senkung der Luftwechselzahlen durch Verwendung neuartiger Zuluftdurchlässe mit hoher Induktion. Verbesserte Luftführungskonzepte bringen besonders in Großräumen große Einsparungen.
  • Einführung der Zuluft möglichst im Bereich der Aufenthaltszone auch im gewerblichen Bereich.
  • Keine zu hohen Luftgeschwindigkeiten im Kanalnetz und in der Kammerzentrale, strömungsgünstige Formstücke (Reduzierung der Ventilatorstromkosten).
  • Regelbare Ventilatoren wie z.B. durch Drallregelung, regelbare Motoren mit Frequenzumformer, Trafosysteme, hohe Wirkungsgrade (rückwärts gekrümmte Schaufeln).
  • Einsatz von Wärmerückgewinnungsanlagen mit "maßgeschneiderten" und leistungsfähigen Lösungen (ab etwa 2000 m3/h). Berücksichtigung häufig anfallender Abwärmequellen in Gewerbe- und Industriebetrieben.
  • Umfangreiche und nach der Anlagenverordnung durchzuführende Wärmedämm-Maßnahmen bei Rohren zur Reduzierung der Verteilverluste; ebenso eine optimale Dämmung bei Luftkanälen (besonders Zuluft).
  • Dichtes Kanalnetz und dichte Geräte und Bauteile, damit Leckverluste gering gehalten werden, insbesondere beim Zuluftsystem.
  • Verwendung von Kühlflächen wie z.B. Kühldecken in Verbindung mit Quelluftsystemen.

    • Bei größeren Gebäuden werden alle Zusammenhänge der Anlagentechnik und deren Einflußgrößen auf Betrieb und Nutzen durch Simulation optimiert.

    Die Simulation der RLT-Anlage erfolgt parallel zur Gebäudesimulation. Sie bezieht sich auch auf die zahlreichen Anlagenteile und Einbauten wie Ventilatoren, Wärmetauscher, Luftfilter, Befeuchter, Mischklappen, Wärmerückgewinner, Kühlturm usw.

    Die Simulation der Raumluftströmung geht vorwiegend von den Volumenströmen und von der Thermik durch innere Wärmequellen aus. Die Ziele sind die Verhinderung von Zugerscheinungen, Minimierung der Volumenströme und somit Energiekosten und die Sicherung von schadstofffreier Atemluft. Die Ergebnisse umfassen die wesentlichen Einflußgrößen wie Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur, Druckverteilung, Turbulenzgrad und Schadstoffkonzentration.

    Die Ziele einer tageslichttechnischen Simulation sind die visuelle Behaglichkeit (gleichmäßige Verteilung der Beleuchtungsstärke), die Maximierung der Tageslichtnutzung (Kühllastreduzierung) und die Minimierung der Beleuchtungsenergie durch spezielle Leuchten.

    Zu 3: Einfluß des Anlagenbetriebes

    Bis Mitte der 70er Jahre hat man teilweise noch Klimaanlagen erstellt, die zum Betrieb bis 3mal so viel Energie benötigten wie heute. Der Grund liegt darin, daß die vielfach vorgeschlagenen baulichen und anlagetechnischen Maßnahmen nicht oder nur teilweise eingehalten wurden, z.T. auch nicht eingehalten werden konnten.

    Bild 2: Einflußgrößen auf die Behaglichkeit.

    Wenn man heute als Gutachter oder Prüfer RLT-Anlagen inspizieren und beurteilen muß, staunt man über die noch zahlreichen unbefriedigend ausgerüsteten und betriebenen Anlagen. Sie müssen teilweise nach dem Stand der Technik geändert, ergänzt oder ausgetauscht werden.

    Maßnahmen zur Energieeinsparung

  • Individuelle Anpassung des Zuluft- und Außenluftvolumenstroms je nach Nutzung des Raumes.
  • Nutzungsorientierte Grund- und Bedarfslüftung in Aufenthalts- und Arbeitsräumen, die Aufbereitungsstufen Kühlen, Ent- und Befeuchten im Einzelfall entscheiden.
  • Zur Simulation der Nutzung (bei Großbauten) werden z.B. folgende Größen erfaßt: zeitlicher Verlauf der Heiz- und Kühllasten, die Nutzungszeiten mit Personenzahl, die Anforderungen hinsichtlich Geräte und Beleuchtung, die Betriebszeit der Anlage, die Sollwerte für die Räume, die Betätigung der Sonnenschutzeinrichtungen, die Fensterlüftung u.a.
  • Einbeziehung der Fensterlüftung (mit Einschränkung) zur Ausnutzung der Nachtkühlung.
  • Sorgfältige Einregulierung der RLT-Anlage, insbesondere ein gewissenhafter Druckabgleich.
  • Gezielte Wartungen und spezielle Wartungsverträge vornehmen; auch eine gute Zugänglichkeit spart Wartungskosten.
  • Einbeziehung von Eisspeichern zur Einsparung von Kälteenergie und Stromkosten; adiabatische Kühlung.
  • Nacht- und Wochenendabsenkungen, abhängig von Speicherfähigkeit des Gebäudes, Dauer des Absenkbetriebs, Absenktemperatur (4 bis 6 K), verfügbare Anlagenleistung zur Wiederaufheizung, Leistungsfähigkeit der Regelung.
  • Einsatz regenerativer Energien, insbesondere die Nutzung der Solarenergie in Verbindung mit Speichern => multivalente Systeme.

    • Zu 4: Einfluß durch Komfortanspruch

    Dem Wunsch nach thermischer Behaglichkeit kommt eine besondere Bedeutung zu, obwohl es neben Lufttemperatur, Umschließungsflächentemperatur, Luftgeschwindigkeit und relative Feuchte noch andere Behaglichkeitskriterien gibt (Bild 2). Die Forderung nach Energieeinsparung und Umweltschutz wird zwar eingesehen, doch möchten die meisten Menschen ihre Komfortwünsche nicht wesentlich einschränken. Der Energieverbrauch wird vielfach im wesentlichen durch das individuelle Nutzerverhalten bestimmt (z.B. Bedienung, Akzeptanz, Anspruch, Wartung, Umweltbewußtsein), das demnach ein übergreifendes psychologisches Problem darstellt.

    Maßnahmen zur Energieeinsparung:

  • Absenkung der Raumlufttemperatur im Winter (1 K = 5 bis 6% Brennstoffeinsparung).
  • Anhebung der Raumlufttemperatur im Sommer, besonders während der Hitzeperiode und bei höheren Innenlasten.
  • Nutzung der nach DIN zulässigen Grenze für die relative Feuchte (Winter: min. 20 bis 30% und Sommer max. 55 bis 65%).
  • Einschränkung der Beheizung oder Klimatisierung bei großem Raumanspruch in Wohnung und Arbeitsplatz und besonders bei Nebenräumen.

    • Zu 5: Einfluß durch Umweltschutz

    Sparsamer Umgang mit Energie bedeutet gleichzeitig auch Umweltschutz sowie Einflußnahme auf die Gebäudegestaltung. Alle drei kann man deshalb nicht voneinander trennen.

    Zwischen Mensch und seiner Umgebung (Umwelt) bestehen bestimmte Wechselbeziehungen) die man in bestimmte Bereiche oder Zonen einteilen kann. Dies bedeutet, daß irgendein Eingriff nicht nur auf eine einzige Zone bezogen werden kann.

    Bild 3: Zonenbereiche zwischen Mensch und seiner Umgebung.

    Bild 3 zeigt die verschiedenen Bereiche (Zonen) zwischen Mensch und seiner Umgebung (Umwelt). Zone 1: Mensch, Bekleidung; Zone 2: Wände, Fenster (Raum), bauphysikalische Maßnahmen (Haus), Klimatisierung; Zone 3: Gebäudezuordnung, Siedlung, Stadtteil, Verkehrslage; Zone 4: Lebensraum auf der Erde, Außenklima, Atmosphäre.

    Beispiele:

  • Verbesserungen in Zone 2 z.B. durch Wärmedämmung oder Wärmerückgewinnung entlastet die Zone 3 und die wiederum die Zone 4.
  • Verbesserungen in Zone 3 z.B. Beschattungen durch Gebäude beeinflussen Zone 2 (Klimatisierung) oder Belastungen durch Schadstoffe belasten Zone 4.

    • Maßnahmen zur Energieeinsparung:

  • Überwindung mancher Gewohnheiten, denn Umweltschutzmaßnahmen hängen nicht nur von technischen, physikalischen und finanziellen Möglichkeiten ab.
  • Umweltschutzmaßnahmen frühzeitig schon bei der Aufstellung des Bauprogramms und Planung berücksichtigen; möglichst anhand einer Liste von bestimmten Kriterien.
  • Bei den Investitionen auch die Kosten berücksichtigen, die aufgewendet werden müssen, um die durch CO2 und andere Schadstoffe in Luft, Wasser, Erdreich entstandenen Umweltbelastungen zu beseitigen.
  • Schulungen, Überzeugung und Durchsetzungsvermögen bei Mitarbeitern in öffentlichen Gebäuden fordern, denn dort sind große Einsparpotentiale möglich.
  • Entsprechende Maßnahmen bei der Energieversorgung; auch alle anderen Maßnahmen bedeuten letztlich Umweltschutz.

    • Zu 6: Einfluß durch die Energieversorgung

    Energieeinsparmöglichkeiten durch eine angepaßte optimale Energieversorgung sind vor allem bei Neubauprojekten gegeben. Dabei müssen Wärme, Kälte, Strom und auch regenerative Energien in ein integriertes Gesamtkonzept zusammengefaßt werden:

    Maßnahmen zur Energieeinsparung:

  • Einsatz von hochentwickelten Heizzentralen mit hohen Nutzungsgraden bei der Wärmeerzeugung; Einsatz der Brennwerttechnik.
  • Ausnutzung der Kraftwärmekopplung in Verbindung mit der Fernwärmeversorgung.
  • Wärmeverschiebungen innerhalb eines Gebäudes, z.B. in Verbindung mit Wärmepumpen.
  • Einsatz energetisch günstiger Kältemaschinen (hohe Leistungszahlen), adiabatische Kühlung (Sorption) sowie die Verwendung von Eisspeichern und die Nutzung der freien Kühlung.

    • Einsparmaßnahmen bei der Stromerzeugung wie z.B. durch Kraftwärmekopplung, entsprechende Anlagensysteme, Einsatz regenerativer Energien (z.B. photovoltaische Stromerzeugung).

    Stromeinsparmaßnahmen müssen - wie auch die Wärmeschutzmaßnahmen
    - in das Gebäudemanagement eingebettet werden. Große Einsparpotentiale sind hier auch bei Modernisierungsmaßnahmen möglich; z.B. in Dienstleistungsbetrieben bis über 30%.

    Bei der Beleuchtung ergeben sich Einsparmöglichkeiten z.B. beim Ersatz von Halogen- und Glühlampen durch Entladungslampen, durch die Verwendung einflammiger Leuchten mit Reflektoren anstelle mehrflammiger Leuchten mit Wannenabdeckung, beim Ersatz von alten Leuchten durch Leuchten mit elektronischen Vorschaltgeräten (wahlweise mit Regelung), durch Infrarot-Präsenzschalter für die Lichtabschaltung (z.B. in Lagern), bei Gebäudeleitsystemen raumabhängige Beleuchtungssteuerungen, d.h. automatisches Ein- und Ausschalten je nach Tageslichtverhältnissen.

    Bei der Anlagentechnik ergeben sich Einsparmöglichkeiten z.B. durch kürzere Laufzeiten der verschiedenen Anlagen (Heizung, Lüftung, Klima, Kälte, Sanitär), verbrauchsabhängige Volumenstromregelungen (Reduzierung des Luftwechsels) geregelte Pumpen, bedarfsabhängige Befeuchtung, Einbau von Wärmerückgewinnungseinrichtungen, zonenweise Betriebsweise der Klimaanlage, Temperatureinschränkungen bei der Raumkühlung, Quellüftung und Bauteilkühlung (Kühldecken), Einsatz gesteuerter Lüftungsanlagen (z.B. CO bei Garagen CO2 bei Versammlungsräumen).

    Zu 7: Einfluß durch die Energieverwendung

    Für die sinnvolle Verwendung der Energie gelten die vorstehenden Hinweise. Entscheidend ist das optimal auf das Gebäude abgestimmte Analysensystem mit den entsprechenden Komponenten wie passendes Regelungssystem, Wärmerückgewinnungssystem, Einbauten in Zentrale und Kanal.   C. I.

    L i t e r a t u r :   [1] Claus Ihle: Klimatechnik mit Kältetechnik; 3. neubearbeitete und erweiterte Auflage, 1996.

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