RLT-Technik neu konzipiert
Fokus liegt auf Reduktion von Luftwiderständen
Weltweit werden in sehr vielen Gebäuden mehrere Mio. Lüftungs-, Teilklima- oder gar Klimaanlagen betrieben, die häufig noch einen hohen Stromverbrauch haben. Dieser wird hauptsächlich durch die darin integrierten RLT-Geräte oder Klimageräte verursacht, die als Herzstück dieser Anlagen erforderlich sind. Dipl.-Ing. Jürgen Loose will mit seiner Erfindung Abhilfe schaffen. In seinem Beitrag stellt er sein Konzept vor.
Der Stromverbrauch ist besonders hoch, wenn bei den Investitionskosten gespart wird und sehr kleine RLT-Geräte oder/und zu enge Kanalnetze für einen bestimmten Volumenstrom genutzt werden, weil dabei der für den Stromverbrauch verantwortliche, zu überwindende Luftwiderstand (∆p) im RLT-Gerät sehr hoch ist. Das ∆p im RLT-Gerät entsteht durch die dort eingebauten und ständig durchströmten Luftbehandlungsmodule für Filtern, Wärmerückgewinnung (WRG), Heizen, Kühlen sowie die Be- und Entfeuchtung der Luft, wobei nur die Filter ständig benötigt werden.
Weitere Luftwiderstände entstehen in den am RLT-Gerät angeschlossenen Lüftungskanälen für Außenluft, Zuluft, Abluft und Fortluft. Alle Luftwiderstände gehen in die Leistung der für die Luftförderung verantwortlichen Ventilatoren bei der Zu- und Abluft ein und somit in den Stromverbrauch des jeweiligen RLT-Gerätes.
In der Ökodesign-Verordnung (EU) Nr. 1253/2014 ist erwähnt, dass es vor Erstellung dieser Verordnung in der damaligen EU (im Jahr 2010) einen Stromverbrauch von ca. 77,6 TWh nur für die Luftförderung in von Personen belegten Räumen gab. Dieser Verbrauch ist seitdem in der erweiterten EU plus Schweiz, Kroatien, Ukraine und Teil von Russland vermutlich auf min. 135 TWh/a gestiegen. Der Luftwiderstand der vorhandenen RLT-Geräte verursacht aufgrund der dort verursachten hohen Stromverbräuche indirekt auch viele CO2-Emissionen. Schließlich wird der Strom vielerorts noch mit Verbrennungs-kraftwerken erzeugt.
Ein Beispiel aus der Praxis
Ein Berechnungsbeispiel aus der Praxis: Im Gebäudebestand gibt es eine RLT-Anlage zur Nutzung bei diversen Verkaufsflächen bei dort max. 200 anwesenden Personen. Das dort benutzte RLT-Gerät (hier mit Plattenwärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung) hat einen Volumenstrom (V) von 14.000 m3/h. Die 14.000 m3/h sind der voraussichtliche Mittelwert aller in der EU genutzten RLT-Geräte mit einem V von 1.000 m3/h bis weit über 400.000 m3/h.
Für die Überwindung der im Gerät eingebauten Luftbehandlungsmodule bei einem lichten Querschnitt von hier ca. 1,23 m · 0,94 m gibt es einen ständigen Luftwiderstand ∆p von 1.275 Pa für den Zuluftventilator und 665 Pa für den Abluftventilator. Bei einem in früheren Zeiten noch üblichen Gesamtwirkungsgrad für die Ventilator - Motoreinheit von z. B. η = 0,43 % benötigt es somit 17,5 kW. Bei Einbezug der Kanalnetze für Außenluft, Zuluft, Abluft und Fortluft benötigt es voraussichtlich sogar 22,5 kW. Eine derartige RLT-Anlage wird an ca. 5.000 h im Jahr benutzt und hat somit einen Jahresenergiebedarf von 112.500 kWh. Es gibt auch Anlagen mit mehr oder weniger Volumenstrom und Betriebsstunden/Jahr und anderen Luftwiderständen, je nach Aufbau und Ausstattung der RLT-Geräte, was sich auf den Stromverbrauch auswirkt.
Neue RLT-Geräte in von Personen besetzten Räumen sind in der EU seit 1. 1. 2014 nach den Vorgaben der mittlerweile verschärften EU-VO 1253/2014 herzustellen. Damit soll Strom und Wärme gespart werden. Aufgrund der Vorgaben haben sie für den gleichgroßen Volumenstrom ein wesentlich größeres Gerätegehäuse und damit logischerweise viel weniger Luftwiderstand zur Überwindung der Luftbehandlungsmodule. Ein Gerätebeispiel (Querschnitt ca. 2,13 m · 1,14 m) mit Rotor als Wärmerückgewinnung benötigt bei Nutzung der heute üblichen Energiesparventilatoren mit η = ca. 63 % und mit heute möglicher bedarfsgerechter Volumenstromreduktion auf Ø 2/3 V/a ohne Berücksichtigung der Kanäle nur mehr ca. 1,45 kW anstelle von 17,5 kW (s. o.).
Patente auf RLT-Konstruktionen
Ein Austausch eines alten RLT-Gerätes im Gebäude an gleicher Stelle gegen das EU-konforme (nach den Vorgaben sich ergebende) wesentlich größere RLT-Gerät scheitert aber leider oft am Platzbedarf. Zudem
werden viele Altgeräte nicht freiwillig ausgetauscht, weil das hohe Investitionskosten verursacht.
gibt es weltweit noch keine eigentlich dringend notwendigen Vorgaben oder zumindest Anreize (Fördermittel), dass ältere RLT-Geräte für von Personen besetzte Räume mit einem sehr hohen Stromverbrauch ausgetauscht oder verbessert werden müssen.
Zum dringend notwendigen Strom und CO2- Emissionen sparen möchte ich durch Nutzung meiner folgenden Erfindungen plus der hinten ergänzten Zusatzideen einen Nachhaltigkeitsbeitrag leisten:
DE 10 2011 054 257 = Kühlgerät für IT-Räume und andere Technikräume mit ständig hoher Wärmelast.
DE 10 2008 029 922 = RLT-Gerät mit Teilstrombildung für alle von Personen besetzen Räume.
Hiermit kann künftig noch mehr Strom eingespart werden, besonders dann, wenn durch entsprechende Vorgaben ein Gerätetausch zwingend erforderlich wäre.
Über die Nutzung der Kühlgeräte bei IT-Räumen (mit dabei möglicher 3-facher natürlicher Kühlung = Stromeinsparung) habe ich in der Fachzeitschrift tab 11/2020, 12/2020 und 4/2021 ( = 3 Teile) ausführlich berichtet. Hier möchte ich mich speziell mit der Nutzung meiner Erfindung für von Personen besetzte Räume befassen: Durch Nutzung meiner Ideen können die „EU-konformen Geräte“ nochmals um etwa 32 % und bei der zudem vorgeschlagenen, besonderen Umluftnutzung sogar um 52 % verbessert werden.
Luftwiderstände reduziert
Die von mir entwickelten RLT-Geräte haben dazu zumindest interne Teilstrombildungen, was in erster Linie zur Luftwiderstandseinsparung und demzufolge zur Stromeinsparung führt. Im Zuluftteil des RLT-Gerätes B (Bild 2) ist dazu erfindungsgemäß eine sogenannte Teilstromeinheit gebildet. Dafür sind das Wärmerückgewinnungsmodul (WRG-Modul) und das Kühlmodul (hier bewusst ein Direktverdampfer) in grundsätzlich zwei parallelen Luftströmungswegen angeordnet, hervorgerufen durch einen Verbindungssteg mit darin integrierter (selten genutzter) Verbindungsmöglichkeit. Dazu sind drei Luftmengenregelvorrichtungen erforderlich. In der Regel sind das geregelte oder/und gesteuerte Klappen.
Über jedes der parallel angebrachten thermischen Module für WRG und Kühlung strömen im Jahresmittel (so grundsätzlich angestrebt) nur jeweils ungefähr 50 % Luft vom aktuellen Volumenstrom der Zuluft. Das spart im Jahresmittel enorm an Luftwiderstand beim WRG- und Kühlmodul und damit beim Gerät gezielt an Strom. Hinweise dazu: Wenn der Auslegungsvolumenstrom (für 100 % Luftdurchsatz) an einem beliebigen durchströmten Modul auf 50 % reduziert wird, sinkt dort der Luftwiderstand ∆p gem. der hier genutzten physikalischen Gesetze auf ein Viertel. Ergo: Anstelle von weltweit üblicherweise 2 in Reihe angeordneten, z. B. gleichgroßen Luftbehandlungsmodulen mit 2 · 500 Pa = 1.000 Pa Luftwiderstand entstehen bei Parallelanordnung dieser nur 125 Pa, also Luftwiderstand ∆p jetzt nur noch 1/8.
Konstruktive Einblicke
Die Teilstromeinheit ist aber so konstruiert, dass es im Bedarfsfall auch möglich ist (ganz selten notwendig), die beiden thermischen Luftbehandlungsmodule komplett oder nur zum Teil nacheinander zu nutzen.
Bei den von mir vorgeschlagenen RLT-Neugeräten kommt gegenüber Gerät A (Bild 2) zudem noch stromsparend hinzu, dass wie heute üblich, Luftfilter mit kleineren Luftwiderständen ∆p und neuartige Ventilator-Motokombinationen mit hohem Gesamtwirkungsgrad genutzt werden. Und:
Die Reihenfolge von Kühlmodul und Heizmodul ist dabei bewusst vertauscht.
Das Heizmodul hat bewusst dauerhafte Bypässe, wodurch das ∆p dort ständig auf ¼ sinkt.
Das WRG-Modul hat auch im Fortluftteil des RLT-Gerätes bewusst einen steuerbaren Bypass, unabhängig davon, um welche Art der Wärmerückgewinnung es sich handelt.
Es wird eine von mir passend entwickelte spezielle MSR-Technik (Mess-, Steuer- und Regelungstechnik) genutzt, die ich vorerst noch nicht komplett bekannt gebe.
Falls möglich, sollte etwas Umluft (z. B. Ø 10 bis 25 % im Jahr) auf besonderer Art (= meine Zusatzideen) genutzt werden. Das wird von mir besonders empfohlen.
Zum Thema Umluftnutzung
Bei einem Quelllüftungssystem (Zuluft unten und Abluft oben) ist die Umluftnutzung bekanntermaßen unproblematisch. Bei einem üblichen Mischluftsystem im Raum (Zuluft und Abluft an der Decke) kommt an der Nase der Personen auch keine reine Außenluft an, obwohl das RLT-Gerät 100 % Außenluft fördert.
Im Übrigen: Bei einer Schullüftung wird häufig aus Kostengründen stets gefilterte Umluft (ggf. sogar ionisiert) anstelle reiner Außenluft genutzt, obwohl sich viele Personen im Raum aufhalten. Dazu wird periodisch eine Fensterlüftung (als Stoßlüftung) genutzt. Hieran stört sich m. E. keiner. Die hohe Einsparmöglichkeit spricht für eine Umluftnutzung in geringem Maße. Ein von mir entwickeltes, völlig neuartiges RLT-Gerät (im Inneren) schaut in der EU-konformen Größe so aus (Bild 3).
Die saugseitige Umlufteinspeisung in den Außenluftkanal des RLT-Gerätes (damals noch ohne Teilstrombildung) wird seit den 80-er Jahren zigtausendfach genutzt. Sie wurde für die damalige Deutsche Bundespost Telekom für ihre Vermittlungsstellen entwickelt und erfordert eine spezielle Fortluft-Volumenstromregelung.
Das RLT-Gerät mit Ø 22 % Umluft/Jahr spart gegenüber dem EU-VO gemäßen Gerät rund 52 % Strom.
Durch die neuartige Ventilator-Motorkombination ist eine stufenlose Volumenstromregelung möglich, wodurch die Antriebsleistung bei etwas Umluftnutzung und bspw. Ø = 2/3 V gar auf 0,70 kW sinkt. Dadurch spart das Gerät mit dieser besonderen Umluftnutzung gegenüber einem Bestandsgerät, wo es diese Art der Ventilatoren noch nicht gab, somit ca. 94 % Strom.
Das RLT-Gerät hat ohne Umluft mit Teilstrombildung bei gleicher Volumenstromreduktion auf Ø 2/3 eine Leistung von ca. 0,99 kW, während das EU-konforme Gerät analog 1,45 kW benötigt.
Neben der gewaltigen Stromeinsparung kommen noch die Einsparungen beim Wärmeprozess: Die von mir vorgestellten RLT-Geräte haben eine doppelte Wärmerückgewinnung über Umluft und Rotor.
Die Stromeinsparung belegt Tabelle 1. Das ist eine Berechnung der Pressungen ∆p (Luftwiderstände) bei der Teilstromeinheit (das sind die Module WRG und Kühler inkl. der Luftklappen).
Daraus geht hervor, welche Bypässe bei den verschiedenen Betriebsarten im RLT-Gerät bei den beiden thermischen Bauteilen wie Wärmerückgewinnungsmodul (grau) und Kühlmodul (rot) im Einzelnen entstehen. Daraus wurden die Luftwiderstände der gesamten Teilstromeinheit für das RLT-Gerät in EU-gemäßer Gehäusegröße bei jeder Betriebsart berechnet. Daraus entstand der Mittelwert/Jahr für die Teilstromeinheit von lediglich 38 Pa.
Die Berechnungen beziehen sich auf das RLT-Gerät aus Bild 3 mit Teilstrombildung und mit regenerativer Wärmerückgewinnung (hier = Rotor = grau = WRG) bei einer hohen trockenen Rückwärmezahl ηt von bspw. 90 % und Ø 22 % Umluftnutzung/Jahr bei einer gewünschten konstanten Zulufttemperatur von 16 oC (oben) und bei Abluft (oben) von zumeist ca. 22 oC. Das entspricht einem Mischluftsystem im Raum. Bei Nutzung eines anderen Wärmerückgewinnungssystems, in anderen Klimazonen, sowie bei anderen Zuluft- und Ablufttemperaturen und ohne Umluft ergeben sich ähnliche Berechnungen.
Weitere Überlegungen und Ergebnisse
Sollte das Kühlmodul ein Kaltwasserkühler (also kein Direktverdampfer wie hier) sein, dann wird der Luftwiderstand der Teilstromeinheit etwas größer (plus ca. 50 Pa), weil bei den Betriebsarten (Feld 1 und teilweise bei 2) dann - wegen der Einfriergefahr beim Kaltwasserkühler - kein Bypass beim WRG-Modul möglich ist.
Bei Berücksichtigung der Luftwiderstände von Filter, Heizmodul und den Kanalnetzen für Zuluft und Außenluft (zusammen z. B. = 400 Pa) entstehen je nach Betriebsart unterschiedlichen Gesamtpressungen beim Zuluftventilator von 413 Pa bis 482 Pa. Ich empfehle hier für die Ventilatorauswahl ein ∆p gesamt von 430 Pa. Übrigens gibt es beim RLT-Gerät diese Besonderheiten:
Beim Kühlmodul wird Strom durch die Luftwiderstandsreduktion gespart, indem nur ganz selten der volle aktuell erforderliche Volumenstrom über das Kühlmodul gelenkt wird.
Beim Heizmodul wird durch ständige Bypässe dauerhaft Luftwiderstand gespart. Das Heizmodul hat dazu beidseitig fest eingebaute Luftwiderstände. Diese sind so ausgelegt, dass der gesamte aktuelle Zuluftvolumenstrom so aufgeteilt wird, dass stets nur die Hälfte davon über das eigentliche Heizmodul (Register) strömt. Physikalische Begründung: Für die vom Modul abzugebende Wärmemenge ist es schließlich thermisch egal, ob man den vollen Nutzluftstrom um bspw. 5 K erwärmt oder nur die Hälfte davon um 10 K und dann die Bypassluftströme ungeregelt mit dem halben Luftstrom (der durch das Heizmodul strömt) mischt.
Im Entfeuchtungsbetrieb (bei den Betriebsarten 6 bis 8) werden beim Kühlprozess Strom und Heizungswärme gespart. Hier wird bewusst nur der Außenluft-Anteil an der Zuluft stark gekühlt. Dieser Luftanteil wird anschließend durch den Umluftanteil nachgeheizt.
Die in Tabelle 1 genannten Felder entsprechen den 8 Betriebsarten des RLT-Gerätes, welche ich wie folgt ermittelt habe. Hierzu wird das von mir erfundene „Klimagebirge“ (Bild 5) oder – wie allgemein üblich - ein ebenes T-X Diagramm benutzt. Im Klimagebirge sind die über mehrere Jahre gemittelten Außenluftzustände verständlicher dreidimensional dargestellt. Desto höher ein rotes Stäbchen ist, umso häufiger kommt der Schnittpunkt T/X im Jahr vor, im Bild bspw. für die Klimazone München-Passau.
Die farbigen Außenluftfelder in Bild 5 beziehen sich auf ein RLT-Gerät mit guter Wärmerückgewinnung und etwas Umluftnutzung bei gewünschter Zulufttemperatur von konstant 16 oC mit minimaler absoluter Luftfeuchte X von 4 g Wasser/kg Luft und max. Luftfeuchte von bspw. 9 g/kg bei dabei entstehenden Ablufttemperaturen von 20 bis 24 oC. Der Volumenstrom wird bedarfsgerecht reduziert. Die Grafik schaut für andere Klimazonen, andere Zuluft- und Abluftwünsche und bei Nutzung anderer Wärmerückgewinnungssysteme ähnlich aus. Es entstehen dann andere Grenzen im T-X Diagramm.
Betriebsarten und Sparhinweise
Für jedes Außenluftfeld gibt es im RLT-Gerät andere Luftbehandlungen zur Aufbereitung der gewünschten Zuluft und andere innere Luftströmungswege (=Teilluftströme bei den thermischen Luftbehandlungsmodulen für Wärmerückgewinnung und Kühlen). Die Teilstrombildung erfordert dazu für jede Betriebsart (=Außenluftfeld) eine etwas abgewandelte MSR-Technik für die Aufbereitung der gewünschten konstanten Zulufttemperatur. Bei allen Betriebsarten gleich sind die zeitverzögerte Zuweisung zur Betriebsart (=Außenluftfeld) über den aktuellen Außenluftzustand und die Volumenstromregelung. Zur Umschaltung auf Feld 1 bis 8 wird der aktuelle Außenluftzustand vor dem Filter im RLT-Gerät gemessen. Entsprechend Tabelle 2 gibt es bei durchschnittlich 22 % Umluftnutzung/Jahr 8 Behandlungsfelder. Bei jeder Betriebsart werden die zur thermischen Luftbehandlung erforderlichen Bauteile wie WRG- und Kühlmodul im RLT-Gerät widerstandsenkend anders durchströmt. Hier noch einige weitere allgemein gültige Sparhinweise:
Bei den vielen IT-Räumen, die ich in diesem Bericht noch gar nicht berücksichtigt habe, kommen zu den o. g. Verursachern wie “Luftförderung“ für die Stromverbräuche und demzufolge CO2-Emissionen noch die durch Kühlung und Befeuchtung verursachten hinzu. Hier kann neben der Teilstrombildung durch eine geeignete Wärmerückgewinnung und die unterschiedliche Nutzung der Außenluft im neuartigen Klimagerät besonders intensiv an Strom gespart werden.
Zu hinterfragen ist bei RLT-Anlagen, ob der Nennvolumenstrom eines RLT-Gerätes nicht zu hoch ist. Eine (auch nachträgliche) Volumenstromreduktion von 10 % bringt immerhin ca. 25 % Stromeinsparung.
Auch größere Luftkanäle als häufig noch ausgeführt, bringen eine Stromeinsparung. Das erfordert aber mehr Einsicht bei Architekten und Bauherren. Schließlich führen größere Kanäle, Schalldämpfer und Brandschutzklappen mit kleineren Durchströmungsgeschwindigkeiten für die Luft zu kleineren Luftwiderständen und damit zu weniger Stromverbrauch bei den RLT-Geräten.
Dezentrale Lüftungsgeräteanordnung pro Geschoss spart sehr viel Strom, weil die Luftwiderstände in den dabei kürzeren Kanälen wesentlich geringer sind und die Kanalnetze ohne widerstandserhöhende Brandschutzklappen und Luftmengenreguliereinrichtungen auskommen. Das trifft insbesondere bei Hochhäusern mit dabei seitenversetzter Luftansaugung (Außenluft) und Luftauslass (Fortluft) zu.
Eine sechste große Sparmöglichkeit besteht zudem in einer aufwändigeren Regelungstechnik, die aber mehr an Investitionskos-
ten verursacht. Aber: Durch mehr Geld ausgeben kann man erfahrungsgemäß Geld sparen.
Zum Schluss ein besonderer Vorschlag, der in Abstimmung aller Gewerke bedacht werden sollte: Bei Neubauten sollte künftig generell ein Doppelboden vorgesehen werden. Dann kann man eine Energie sparende und leicht veränderbare Quelllüftung von unten nach oben vorsehen, die bei geeigneten Luftauslässen zugfrei ist. Bei Nutzung eines Doppelbodens, kombiniert mit einer geeigneten Wand- oder Deckenheizung oder – falls zur Raumkühlung erforderlich, noch einer Deckenkühlung, könnten die gesamten Elektroinstallationen im Doppelboden und in der abgehängten Decke untergebracht werden. Das erspart bei nachträglichen Elektroänderungen das übliche Schlitzen der Wände.
Ein Fazit
Durch die Vorgaben der vermutlich nur in Europa bekannten EU- Sparverordnung 1253/2014 (18) und durch meine ergänzenden Sparvorschläge gibt es viele Möglichkeiten, die alten „stromfressenden“ RLT-Geräte weltweit zu erneuern oder zu ändern. Leider tauschen derzeit viele Bauherren ihre Altgeräte (noch) zu wenig aus, weil es bei Ihnen hohe Investitionskosten hervorruft und es keine Pflicht zum Austausch gibt und häufig die größeren RLT-Geräte gem. EU-VO 1253/2014 keinen Platz am gleichen Ort haben und last but not least die hier vorgetragenen Ideen zu wenig bekannt sind, schon gar nicht weltweit.
Hersteller gesucht
Ich hoffe sehr, dass sich bald eine Firma mit meinen Vorschlägen weiter beschäftigt (nicht nur bei IT-Räumen, wie bereits erfolgt) und die neuartigen RLT-Geräte mit Teilstrombildung und noch besser, mit der vorgeschlagenen speziellen Umluftnutzung, möglichst bald weltweit häufig genutzt werden. Die bisher von mir angeschriebenen RLT-Gerätehersteller des deutschen Herstellerverbandes e. V. zeigen leider kein Interesse zur Nutzung meiner Ideen. Im Interesse des dringenden Klimaschutzes finde ich das sehr schade.
