Messungen zur Effizienzsteigerung in Umluftanlagen

Zu den zahlenmäßig wichtigsten RLT-Anlagentypen zählen die sogenannten „Umluftanlagen“. Überall dort, wo die Abluftqualität es zulässt, einen Teil der Abluft als Zuluft wiederzuverwenden, kommt dieser Anlagentyp in Betracht. Der wirtschaftliche Vorteil besteht darin, dass die Zuluft-Aufbereitung sich weitgehend auf den jeweiligen Außenluftanteil konzentrieren kann, denn die Abluft hat i. d. R. schon ungefähr das Temperaturniveau der Zuluft. In der Praxis werden die meisten Umluftanlagen jedoch deutlich unwirtschaftlicher betrieben als gewünscht. Woran aber liegt das?

Der Außenluftanteil, also der Anteil der Außenluft an der Zuluft, wird in der sog. „Mischkammer“ eingestellt. Hier werden Jalousieklappen motorisch so gedreht, dass sich ein gewisses Mischungsverhältnis Außenluft zu Umluft einstellt. In der Praxis sehr zu unterscheiden ist dabei der

Sollwert des Außenluftanteils vom

Istwert des Außenluftanteils

Der Sollwert wird, in der Regel durch die Gebäudeleittechnik (GLT), entsprechend der Regellogik der Anlage gebildet, wobei je nach Anlagentyp die folgenden Ziele eine Rolle spielen können:

Es soll zu keinem Zeitpunkt ein minimaler Außenluftanteil (von x %) unterschritten werden, um den Raumnutzern eine ausreichende Frischluftversorgung zu gewährleisten.

Falls Raumsensoren verfügbar sind: der Außenluftanteil soll (oberhalb des o. g. Minimums) nur so lange gesteigert werden, bis im Raum der Temperatur- oder CO₂-Wert passend sind.

In Sonderanlagen wie Schwimmbädern: der Außenluftanteil soll (oberhalb des o. g. Minimums) so klein wie möglich gehalten werden, mit der Maßgabe, dass die Zuluftfeuchte in einem gewünschten Wertebereich bleibt.

Auf Basis dieses Sollwerts steuert die GLT die motorisch verstellbaren Jalousieklappen der „Mischkammer“ an. Ideal wäre es, wenn dadurch wirklich der gewünschte Istwert eingestellt würde. Hier aber unterscheiden sich Theorie und Praxis. Zum einen verhalten sich die Jalousieklappen sehr nicht-linear, d. h. der durchtretende Volumenstrom verändert sich nicht im Gleichlauf mit dem Jalousie-Drehwinkel. Des Weiteren weisen sie eine starke Hysterese auf, d. h. beim Öffnen und Schließen ergeben sich beim selben Drehwinkel unterschiedliche Volumenströme. Zudem werden die Jalousieklappen-Stellungen meist nur im Fertigungswerk der RLT-Zentralanlage auf feste Werte eingestellt, nicht aber im Zuge der Inbetriebnahme vor Ort den örtlichen Begebenheiten entsprechend angepasst.

Die tatsächlichen Druckverhältnisse in Außenluft, Zuluft, Abluft und Fortluft hängen aber vom jeweils installierten Luftleitungssystem ab, sodass sich ganz unterschiedliche Zusammenhänge zwischen der Jalousiestellung und dem resultierenden Außenluftanteil ergeben können. Und zu guter Letzt: Umbauten der Luftleitungssysteme im Laufe der Nutzungsphase sowie die Alterung der Komponenten tun ihr Übriges, um den Istwert des Außenluftanteils in andere Wertebereiche geraten zu lassen als gedacht und als vom Sollwert vorgegeben.

Starke Differenzen zwischen Ist- und Sollwert

Dazu einige Daten aus der Praxis: Bei den von der Luftmeister GmbH ausgestatteten Umluftanlagen war festzustellen, dass der Ist-Wert fast immer über 10 % vom Soll-Wert abwich, teilweise sogar 20 bis 40 %. Konkret gab es sogar eine Anlage, bei der seit über 20 Jahren Betriebslaufzeit ein Soll-Wert des Mindest-Außenluftanteils von 25 % vorlag, der Ist-Wert aber durchgehend bei 0 % lag. Es kam also auf diesem Weg nie Frischluft in die Halle! Erst bei einem Hochdrehen des Sollwertes auf über 45 % im Zuge der Anlagenoptimierung begann der Ist-Wert von Null an zu steigen (rote Kurve in Bild 1). In den meisten Fällen zeigen sich dagegen übersteigerte Ist-Werte, d. h. bei gewünschten 25 % werden tatsächlich über 35 % und mehr an Außenluft geliefert (blaue Kurve in Bild 1).

Beide Abweichungen sind sehr relevant:

Ein Zuviel an Außenluft bringt überhöhte Kosten für die Luftaufbereitung (speziell: Erhitzung der kalten Winter-Außenluft) und somit Verschwendung an Energie und Geld (siehe Wirtschaftlichkeitsberechnung in Bild 4).

Ein Zuwenig an Außenluft bringt eine zu geringe Frischluftversorgung der Nutzer, somit eine verminderte Produktivität und im Extremfall eine Verletzung der gesetzlichen Pflichten des Arbeitgebers.

Die Luftmeister GmbH, Spezialistin für präzise Volumenstrom- und Wärmestrommessung in Klimaluft, Prozessluft und Rauchgas, hat für diesen wichtigen Anwendungsfall eine effiziente Lösung erarbeitet und in zahlreichen Projekten angewendet. Die Grundüberlegung ist, dass der Istwert des Außenluftanteils präzise gemessen werden muss, anstatt einfach (und meist fälschlich) anzunehmen, dass sich dieser aufgrund der werkseitig vorgenommenen Jalousieklappen-Ansteuerung korrekt einstellen würde.

Messung sichert gewünschtes Mischverhältnis

Konkret stattet das Unternehmen sowohl den Außenluft-Kanal als auch den Zuluft-Kanal jeweils mit einer präzisen Luft-Volumenstrom-Messlösung aus (Bild 2). Hierbei werden Präzisionssonden und hochgenaue Messumformer eingesetzt und mit einer Multipunkt-Kalibration vor Ort eingemessen. Bei der Einmessung wird dabei die internationale Norm DIN EN ISO 12599 befolgt, ergänzt um die patentierte Kalibriermethode des Anbieters. Im Ergebnis erhält man somit für den Außenluft-Volumenstrom sowie den Zuluft-Volumenstrom jeweils kontinuierliche, präzise Volumenstrom-Messwerte, d. h. verlässliche Ist-Werte dieser beiden Größen.

Eine besondere Herausforderung stellt dabei häufig die Außenluft dar, denn zum Teil bestehen hier nur sehr kurze Kanallängen, oder im Extremfall strömt die Außenluft über ein Wetterschutzgitter und die Außenluft-Jalousieklappen direkt in die Mischkammer, ohne überhaupt einen Luftkanal zu durchströmen. Beide Volumenstrom-Messwerte werden kontinuierlich der GLT übergeben, z. B. in Form von 4..20 mA- oder 0..10 V-Signalen. Dort wird dann fortwährend der Quotient gebildet, sodass der tatsächliche aktuelle Außenluftanteil jederzeit bekannt ist.

Fordert nun die Regelung z. B. einen (Mindest-) Außenluftanteil von 20 % an, werden die Jalousie-Motoren so lange angesteuert, bis der o. g. GLT-Quotient auch tatsächlich 20 % beträgt.

Anstatt also mit der Außenluftrate beispielsweise dauerhaft um 10 % zu hoch zu liegen, erhält man das tatsächlich gewünschte Mischungsverhältnis, also Ist = Soll. Die Wirtschaftlichkeitsberechnung in Bild 4 zeigt, welche Auswirkung es hat, wenn man ganzjährig eine um 10 % (der Zuluftmenge) zu hohe Außenluftmenge aufbereiten muss.

Hohes Kosteneinsparpotenzial

Welche Amortisationszeiten ergeben sich bei der vorgestellten Effizienzmethode für Umluftanlagen? Die Haupt-Einflussgrößen sind hier der Zuluft-Volumenstrom und die Frage, ob die Fortluft-Wärme mit Hilfe einer Wärmerückgewinnung (WRG) auf die Außenluft übertragen wird oder nicht; siehe dazu auch den „Wärmefaktor“ in Bild 4.

Mit Blick auf die Tatsache, dass in Deutschland einige Zehntausend Umluftanlagen betrieben werden, ergibt sich insgesamt ein hohes Kosteneinspar- und Dekarbonisierungspotenzial, das Anlagenbetreiber wie Planer gleichermaßen interessiert und bislang weitgehend brachlag.