Einsparpotential für Geschäftsimmobilien durch Adiabatik (Verdunstungskühlung)

Einsparpotentiale der Investitions- oder Betriebskosten von Handels-, Dienstleistungs- und Geschäftsimmobilien

Zusammenfassung der Ergebnisse

In dieser Studie wird herausgefunden, welche Auswirkungen auf Betriebs- und Investitionskosten durch Variation der Lüftungsanlage von zu revitalisierenden Warenhäusern wirtschaftlich sind. Dabei sind Lösungsansätze für:

  1. die Wirtschaftlichkeit adiabatischer Befeuchtung in raumlufttechnischen Anlagen
  2. mögliche Behaglichkeitssteigerung in Verbindung mit Abluftbefeuchtung und Umluftbeimischung

gefunden worden.

Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Dimensionierung, Variation der RLT-Anlagen für Dienstleistungsgebäude. Es werden Auslegungsleistungen, Jahresenergieverbräuche und Betriebszeiten für RLT-Komponenten für die Wirtschaftlichkeitsberechnung ermittelt.

Inbegriffen sind spezifische Nutzungen von:

  • Verkaufsräumen
  • Büros
  • Fitnesscentern
  • Gastronomie

Daraus resultieren folgende Schlussfolgerungen:

  1. Die Kältemaschine unterstützende adiabatische Abluftbefeuchtung ist wirtschaftlich.
    1. Die Amortisationsdauer beträgt maximal 9 Jahre. In einem

Betrachtungszeitraum von 10 Jahren entstehen Einsparungen über 5.000 €

    1. Durch die Adiabatik werden 24 % weniger CO2 emittiert
    2. Ein Antrag zur Förderung durch die BAFA[1] der Adiabatik ist möglich
  1. Umluftbeimischung ist energetisch sinnvoll und bietet in Verbindung mit Adiabatik eine optionale Komfortsteigerung.

Aufgabenstellung

Anhand einer konkreten Immobilie einer Namhaften Kaufhausgesellschaft soll herausgefunden werden, welche Variationen relevante Einflüsse auf Betriebskosten oder die Investitionskosten für Handels-, Dienstleistungs- und Geschäftsimmobilien haben. Somit wird ein Grundkonzept für zu revitalisierende[2] Warenhäuser erstellt.

Die Heiz- und Kühllast soll berechnet werden und dient als Auslegungskriterium für die Anlagentechnik. Als Randbedingungen gelten aktuelle Gesetze und Normen, wie die EnEV und das EEWärmeG. Zudem müssen Randbedingungen der Vermieter Baubeschreibung gewährleistet werden. Da bei dieser Baumaßnahme der Großteil des Gebäudes bestehen bleibt und nur Fassaden erneuert werden, sollen Lösungen zur Realisierung einer möglichst intakten thermischen Gebäudehülle gefunden werden. Es soll die Einsparung adiabatischer Raumluftkühlung in Kombination mit Kompressionskälte mit einer RLT-Anlage ohne Abluftbefeuchtung mit Kompressionskälte wirtschaftlich verglichen werden. Die Ergebnisse dieses Vergleichs führen zur Festlegung der raumlufttechnischen Anlage für das Projekt bei Hanover. Weil sich die Gegebenheiten der Vermieter Baubeschreibung durch einen wechselnden Ankermieter[3] wesentlich ändern könnten, sollte die Auslegung der RLT-Anlage einfach modulierbar sein.

Inhaltsverzeichnis

1 Objektbeschreibung – 5 –

1.1 Einleitung – 5 –

1.2 Geschichte – 5 –

1.3 Bestandsgebäude – 6 –

1.4 Gebäudeplanung – 7 –

2 Randbedingungen – 10 –

2.1 Vermieter Baubeschreibung – 10 –

2.2 Energieeinsparverordnung (EnEV) – 11 –

2.3 Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) – 12 –

2.4 Preissteigerung – 13 –

2.5 BAFA – 15 –

3 Gebäudedaten: Heizlast, Kühllast – 17 –

4 Raumlufttechnische Anlagen (RLT-Anlagen) – 18 –

4.1 Randbedingungen – 18 –

4.2 Varianten – 27 –

4.2.1 Anlagenvariante „minimal“ – 27 –

4.2.2 Anlagenvariante „klassisch“ – 30 –

4.3 Berechnungsformeln und Beispielrechnung zur Lastermittlung RLT – 33 –

4.3.1 Bilanzmodell – 33 –

4.3.2 Auslegungsparameter der Außenluft – 35 –

4.3.3 Interne Lasten des Raumes – 36 –

4.3.3.1 Wärmelast – 36 –

4.3.3.2 Feuchtelast – 37 –

4.3.3.3 Interne Last (Kühlleistungskontrolle) – 38 –

4.3.4 Adiabatik – 40 –

4.3.5 Umluftbeimischung – 45 –

4.3.6 Wärmerückgewinnung – 49 –

4.3.7 Heiz- und Kühlleistung der RLT – 53 –

5 Jahresenergieverbräuche – 55 –

5.1 Betriebszeit – 55 –

5.2 Meteorologisch bedingte Verbräuche – 56 –

5.2.1 Randbedingungen – 56 –

5.2.2 Heizung – 56 –

5.2.3 Kühlung – 64 –

5.2.4 Befeuchtung – 70 –

5.2.5 Stromverbräuche – 72 –

6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung – 76 –

6.1 Preise – 76 –

6.2 Kapitalgebundene Kosten – 77 –

6.2.1 Einsparung durch eine Kältemaschine – 77 –

6.2.2 Restwert – 78 –

6.3 Betriebsgebundene Kosten – 79 –

6.4 Bedarfsgebundene / verbrauchsgebundene Kosten – 80 –

6.5 Erlös / Einsparung – 81 –

6.6 Ergebnisse – 82 –

7 CO2 Bilanz – 86 –

8 Fazit – 88 –

9 Begriffe und Abkürzungen – 90 –

10 Verzeichnisse – 92 –

10.1 Literaturverzeichnis – 92 –

10.2 Abbildungsverzeichnis – 94 –

10.3 Tabellenverzeichnis – 97 –

10.4 Formelverzeichnis – 98 –

Objektbeschreibung

Einleitung

Die Warenhauskette war mit 73 Standorten deutschlandweit vertreten. Die Lage dieser Immobilen lässt ein großes Interesse an dem Erhalt, der Revitalisierung oder dem Neubau der Warenhäuser vermuten. Auch andere namhafte Kaufhäuser haben eine veraltete Bausubstanz mit überholter Technik. Diese verbrauchten und verbrauchen sehr viel Primärenergie. Der große Umsatz und die Verträge verleiten dazu, die hohen Betriebskosten der Mietobjekte in solchen Geschäftsimmobilien zu vernachlässigen. Hohe Investitionskosten für effiziente Anlagentechnik und nachhaltige Baustoffe sind von den Betreibern / Vermietern oft unerwünscht. Steigende Energiekosten rücken den Verbrauch mehr in den Vordergrund. Insbesondere große Ketten mit Mietobjekten in ganz Deutschland, Europa und der Welt achten verstärkt auf effiziente Haustechnik und energiesparsame Gebäude. Investoren hingegen, welche die Gebäude nach der Instandsetzung wieder verkaufen, interessieren sich lediglich für den üblichen Komfort, weniger für Qualität, Langlebigkeit oder Energieeffizienz. Mit dieser Studie sollen diese Standpunkte näher betrachtet werden.

Um die Wirtschaftlichkeitsberechnung zwischen RLT-Anlagen mit und ohne adiabatischen Luftbefeuchter durchführen zu können wird folgendermaßen vorgegangen.

  1. Allgemeine gesetzliche und wirtschaftliche Randbedingungen werden ermittelt.
  2. Die Gebäudehülle wird nach den gesetzlichen Randbedingungen optimiert
  3. Wandaufbauten und Raumtemperaturen führen zur Heiz- und Kühllast (Gebäudelast)
  4. Randbedingungen für RLT-Anlagen werden ermittelt
    1. Die RLT-Anlage wird dimensioniert. Ermittlung der Lüftungslast
    2. Die Summe aus 4. und 5.a ergibt Auslegungslast für Wärme- und Kälteerzeuger
  5. Jahresenergieverbräuche für die Varianten mit und ohne Adiabatik werden ermittelt
  6. die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung vergleicht die Varianten nach der Annuitätsmethode, mit wirtschaftlichen Randbedingungen aus 2.
  7. Eine CO2 Bilanz für die Varianten führt zur CO2 Einsparung der Adiabatik
  8. Im Fazit werden die Ergebnisse und die einflussgebenden Faktoren beschrieben

 

Bestandsgebäude

Die Immobilie wurde ca. 1976 gebaut und wurde damals von einer Aktiengesellschaft betrieben. Die Geländeoberkante befindet sich zwischen 76,5 m und 78,1 m über Normalnull. Das Grundwasser befand sich 1976 in einer Tiefe von 74,3 m über Normalnull. Auf einer Fläche von 6.689 m² (101,35 m * 66 m) entstand ein 14.177 m² großes Warenhaus mit ca. 3.000 m² Parkhaus. Das ehemalige Warenhaus verkaufte auch Lebensmittel, wodurch viel Logistik und Arbeitsfläche (Kühlkammer…) erforderlich war. Das Parkhaus ist tiefer als das Verkaufsgebäude, wodurch Lastkraftwagen direkt in die Verkaufsräume abgeladen werden konnten. Somit ist das Parkhaus in allen seinen Geschossen versetzt zum Warenhaus. Das Dachgeschoss war im Randbereich mit Steildächern versehen. In der Mitte waren die Campingausstellung und der Hauptaufzug mit samt Treppenhaus.

Tabelle 1 Flächenübersicht des Bestandsgebäudes

Bestand
Erdgeschoss 1. Obergeschoss 2. Obergeschoss
allg. Verkauf 2.800 allg. Verkauf 1.200 Camping Ausstellung 600
Logistik, Technik 700 Cafeteria 299 Lager 598
Lebensmittel 1.500 Werken, Angestellte 1.150
WC, Treppe, Küche 652 Dachfläche 1.400
Parkhaus 1.140 Parkhaus 1.138 Parkhaus 1.000
Energiebezugsfläche (EBF) 3.500 3.651 3.748
BGF 4.640 4.789 4.748
Brutto-Grundfläche 14.177 Energiebezugsfläche 10.899

 

Tabelle 2 Flächenübersicht des Neubaus

Revitalisiert
Erdgeschoss 1. Obergeschoss 2. Obergeschoss
allg. Verkauf 3.519 allg. Verkauf 3.241 Büro 1.631
Treppen und Flure 358 Treppen und Flure 628 Treppen und Flure 308
Technik 108 Lager 33 Technik 391
Parkhaus 960 Parkhaus 1.095 Parkhaus 2.700
EBF 3.985 3.902 2.330
BGF 4.945 4.997 5.030
∑ Brutto-Grundfläche 14.972 ∑ Energiebezugsfläche 10.217

Abbildung 1 Bestandsgebäude (Rosa), Neubau (Blau), links Parkhaus, rechts Verkaufsräume EG ©iandus [1]

Gebäudeplanung

Die neuen Geschäfte verfügen alle über einen eigenen Eingang. Nur das Fitnesscenter im 1. OG kann nur über innen liegende Treppenhäuser erreicht werden. Im zweiten Obergeschoss entstehen zwei Büros, die zu Dienstleistungs- oder Verwaltungszwecken genutzt werden können.

Bei der betrachteten Planungsvariante werden die Außenmauern zu den Straßenseiten (Abbildung 1 rosafarbener Bereich), darunter auch die ehemals in das Kaufhaus integrierte Fachwerkfassade, abgerissen. Teile der Betondecke werden entfernt, wobei die Armierung stehenbleibt. Daraufhin soll die Armierung ergänzt, die Außenmauern ggf. mit Kalksandstein und Wärmedämmverbundsystem wieder aufgebaut, die Betondecken bis zu den neuen Mauern geschalt und gegossen werden. Somit endstünde eine neue Ansicht mit zeitgemäßer Fassade. Damit die Architektur der Altstadt nicht gestört wird, werden die Außenmauern mit vielen Vorsprüngen versehen, um an die verwinkelte Fachwerkbauweise zu erinnern. Die Bürger erfreut das offenbar, doch das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis (A/V) verschlechtert sich dadurch.

Das Gebäude wird in der Grundfläche etwas größer und die Dachfläche wird effektiver genutzt, wodurch 122 neue Parkplätze entstehen.

Die RLT-Anlagen werden in zwei Technikräumen im Dachgeschoss untergebracht.

Abbildung 2 Technikräume im Dachgeschoss ©iandus [1]

Tabelle 3 Aufteilung der RLT-Anlagen in die Technikräume

02.01 Technik RLT 3 und 4
02.04 Technik RLT 1 und 2

RLT-Anlagen 1, 2 und 4 gehen durch die Durchbrüche in den Technikräumen ins 1. Obergeschoss und ins Erdgeschoss. Die RLT-Anlage 3 versorgt das Fitness-Studio im 1. OG sowie die Büroräume. Diese Aufteilung stellt die kürzesten Leitungswege dar.

Randbedingungen

Die wichtigste Randbedingung ist als erstes der Vertrag zwischen Betreiber und Mieter. Der Betreiber stellt in der Vermieter Baubeschreibung die Ausstattung des Mietobjektes dar. Darüber stehen die gesetzlichen Randbedingungen an die Gebäudehülle (EnEV) und an die Nutzung erneuerbarer Energien (EEWärmeG).

Die Preissteigerung hat einen wesentlichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeitsberechnung und wird in folgendem Kapitel vorab geklärt. Als letztes wird die Förderung der nachhaltigen Anlagen-Variante betrachtet, die die Wirtschaftlichkeit verbessern.

Vermieter Baubeschreibung

Die Vermieter Baubeschreibung enthält alle vertraglich gesicherten Randbedingungen, die bei der Planung eingehalten werden müssen. Neben rechtlichen Klauseln wird in Abschnitt III die Gebäudenutzung als Handels- und Dienstleistungsimmobilie mit Parkhaus und Büroräumen definiert. Im Abschnitt IV werden die Raumhöhen im EG und 1. OG mit 4,5 m und im 2. OG mit ca. 3,0 m festgelegt. Des Weiteren garantiert der Vermieter die Druckbelastbarkeit der Fußböden von 5 kN/m². Die Verkaufsräume werden in einem gestaltungsfähigen Bauzustand übergeben. Die Heizlast wird anhand geschlossener Ladenflächen berechnet und ausschließlich über raumlufttechnische Anlagen mit vorkonditionierter Luft durch die Zuluft aus den Zentralen abgedeckt. Die Raumtemperatur wird mit max. +20 °C festgelegt und bis zu einer Außentemperatur von -14 °C gewährleistet.

Es ist davon auszugehen, dass der Mieter sogenannte Türluftschleier oder sogar Heizkörper installiert. Die Raumluftqualität entspricht IDA 2 nach DIN EN 13779 (mittlere Raumluftqualität) unter der Voraussetzung, dass die Raumluft nicht verunreinigt wird. Die zentrale Kühlanlage liefert bei Temperaturen zwischen 26-32 °C eine Kühlleistung von 40 W/m² innerhalb der vereinbarten Betriebszeiten.

Tabelle 4 Vereinbarte Betriebszeiten

Nutzung Betriebszeit
Von bis
Verkauf 07:00 20:00
Gastronomie 08:00 03:00 (Folgetag)
Fitness 00:00 24:00
Büro 08:00 17:00

In den Verkaufsräumen werden sogenannte Mieterübergabeeinrichtungen (MÜE) installiert, die 60 W/m² elektrisch, PWC und Heizwasser (TVL=70 °C, TRL=50 °C) bereitstellen. Der Mieter hat freie Energieversorgerwahl.

Energieeinsparverordnung (EnEV)

Bis zum Jahre 2050 strebt die Bundesregierung einen nahezu klimaneutralen Gebäudebestand an. Die Energieeinsparverordnung (EnEV) soll dazu beitragen, dass die Ziele der Bundesregierung erreicht werden. Das Gesetz gilt für alle energieverbrauchenden Gebäude. In dem §4 „Anforderungen an Nichtwohngebäude“ (NiWo) wird festgelegt, dass Nichtwohngebäude den Jahres-Primärenergiebedarf des Referenzgebäudes nicht überschreiten dürfen.

„Zu errichtende Nichtwohngebäude sind so auszuführen, dass die Höchstwerte der mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten der wärmeübertragenden Umfassungsfläche nach Anlage 2 Tabelle 2 nicht überschritten werden“ [2].

Wärmebrücken sollen vermieden werden. Geänderte Nichtwohngebäude dürfen den Jahres-Primärenergieverbrauch und die Wärmedurchgangskoeffizienten um nicht mehr als 40 % überschreiten.

In allen Novellen der EnEV 2007 bleiben die Anforderungen an Nichtwohngebäude unverändert. Dementsprechend gelten 2015 folgende Anforderungen an die thermische Gebäudehülle.

Ab 2016 müssen die Wärmedurchgangskoeffizienten für Neubauten mit dem Faktor 0,75 beaufschlagt werden.

Tabelle 5 EnEV, Anforderungen an die thermische Gebäudehülle

EnEV 2014 NiWo, Anlage 2 Wärmedurchgangskoeffizient Wärmeübergangswiderstand
Formelzeichen U Rsi Rse
Einheit W/(m²*K) (m²*K)/W (m²*K)/W
Wand 0,28 0,13 0,04
Geschossdecke gegen Außenluft 0,28 0,1 0,04
Boden gegen Erdreich 0,35 0,17 0
Wand Erdgeschoss 0,35 0,13 0,04
Dach, oberste Decke 0,2 0,1 0,04
Fenster 1,3 0,13 0,04

Rsi interner Wärmeübergangswiderstand (innen)

Rse externer Wärmeübergangswiderstand (außen)

Zur groben Abschätzung für die Architekten in dieser frühen Planungsphase wird die Dämmschichtdicke für verschiedene Wandaufbauten abgeschätzt. Es wird eine Variante aus Beton und eine aus Leichtziegel betrachtet.

Tabelle 6 überschlägliche Dämmstärken nach EnEV

Mindestdämmstärke Mindestdämmstärke Aufbau
λ=0,04 MW λ=0,024 PU
m m
Wand 0,124 0,074 24 cm Leichtziegel λ=0,8
Geschossdecke gegen Außenluft 0,134 0,080 15 cm Beton λ=1,75
Boden gegen Erdreich 0,104 0,062 20 cm Beton λ=1,75
Wand Erdgeschoss 0,103 0,062 20 cm Beton λ=1,75
Dach, oberste Decke 0,193 0,193 Holzbau 10 % Holzanteil

Anforderungen an die Raumlufttechnik aus der EnEV sind:

Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG)

Das Gesetz zur Förderung erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG) dient im Interesse des Klimaschutzes der Schonung fossiler Ressourcen, der Minderung der Abhängigkeit von Energieimporten sowie der Förderung nachhaltiger Entwicklung der Energieversorgung. Der Anteil an erneuerbaren Energien für Wärme und Kälte soll bis zum Jahr 2020 auf 14 % erhöht werden. Dabei haben öffentliche Gebäude eine Vorbildfunktion.

Neubauten, grundlegend renovierte Gebäude (>50 m² Nutzfläche, wobei mehr als 20 % der Gebäudehülle renoviert werden) und öffentliche Gebäude müssen den Wärme- und Kälteenergiebedarf zu mindestens 15 Prozent aus erneuerbaren Energien decken. Als Ersatzmaßnahme gilt auch die Nutzung von mindesten 50 % der Abwärme von Kältemaschinen, RLT-Anlagen (WRG > 70 %, ), Leistungszahl

ε=Q_WRG/P_Hilfsenergie >10 hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung oder Unterschreitung der Anforderungen aus der EnEV um 15 % (Qprimär 85 % = Qref EnEV) [3].

Preissteigerung

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) veröffentlicht eine regelmäßig aktualisierte Excel Tabelle namens „Zahlen und Fakten, Energiedaten“. Folgende Verbraucherpreise gehen daraus hervor.

Abbildung 3 Preissteigerung in Deutschland

Es ist zu sehen, dass die Preissteigerung zum Vorjahr in den letzten zehn Jahren (roter Graph) zwischen 1 und 2 Prozent pendelt (rechte Sekundärachse). Bei dem blauen Graphen wird die Preisentwicklung anhand der Preise von 2010 (100 %) auf der linken Primärachse in Prozent dargestellt.

Abbildung 4 Entwicklung von Energiepreisen [4]

Die Näherungsformeln in Abbildung 4 sind zur Prognose wenig geeignet, weil diese eine mittlere Preisentwicklung darstellen. Entscheidend ist die gepunktete Trendlinie, welche den durchschnittlichen Verlauf der letzten 25 Jahre zeigt. In den letzten Zehn Jahren ist der Energiepreis stärker gestiegen (grüne Linie). Die durchschnittliche Energiepreissteigerung ergibt, nach dem Angaben des BMWi für:

Tabelle 7 Strompreis in 10 Jahren bei linearer Preissteigerung

Energieform Durchschnittliche Energiepreissteigerung Prognose
die letzten 25 Jahre (BMWi) die letzten 10 Jahre Strompreis 2025
Erdgas 2,74 % 3,4 % 0,0962 €/kWh
Strom 2,86 % 4,9 % 0,3362 €/kWh

Die Prognose betrifft die Preissteigerung um 2,86 % und basiert auf den momentanen Energiepreis nach BMWi. Die Stadtwerke Wolfenbüttel bieten Gas, Strom und Wasser zu folgenden Preisen an.

Tabelle 8 Energie und Wasserpreise der Stadtwerke Wolfenbüttel

Gaspreise Stadtwerke Wolfenbüttel Erdgas H Erdgas L
kWh/a €/m³ kWh/m³ kWh/m³ €/kWh €/kWh
Arbeitspreis 1 <3.608 0,771 10,6 8,85 0,073 0,087
Arbeitspreis 2 >3.608 0,669 10,6 8,85 0,063 0,076
Grundpreis 1 <3.608 43,09
Grundpreis 2 >3.608 80,02
Strompreis Stadtwerke Wolfenbüttel €/kWh €/a
Arbeitspreis 1 <2.399 0,279
Arbeitspreis 2 >2.400 0,272
Arbeitspreis 3 >6.360 0,286
Grundpreis 1 <2.399 74,26
Grundpreis 2 >2.400 90,82
Trinkwasserpreise €/m³ m³/a €/m³ m³/a €/m³
Mengenpreis 1<150 1,75 Mengenpreis 2>150 1,88 Mengenpreis 3>750 1,85
Abwasserpreise
Mengenpreis 1 1,75 Mengenpreis 2>150 1,88 Mengenpreis 3>750 1,85
Zähler Qn 10 83,44 € Qn 40 121,17 € Qn 150 183,54 €

BAFA

Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) übernimmt administrative Aufgaben im Zusammenhang mit Außenwirtschaft, Wirtschaftsförderung, Energie und realisiert die Förderung erneuerbarer Energien. Diese erfolgt in Form nicht rückzahlbarer Zuschüsse. Nach Rücksprache mit einem zuständigen Techniker der BAFA zählt die Nutzung von adiabatischer Kälte zu den Sorptionsanlagen[5]. Für das Projekt „Löwentor“ werden folgende Punkte gefördert.

  • Förderung von Klima- und Kälteanlagen
    • Maßnahmen an Sorptionskälte- (Adiabatik) und Klimaanlagen mit einer Kälteleistung von mindestens 5 kW und höchstens 500 kW (25 % der Nettoinvestitionskosten bis 100.000 €)
    • Maßnahmen zur Nutzung der Abwärme aus Produktionsprozessen und Kälteanlagen (Bonusförderung).
      • Errichtung von Neuanlagen (Basisförderung)
      • Errichtung von Sorptionskälteanlagen und sonstigen Klimaanlagen
      • Maßnahmen zur Nutzung von Abwärme aus Produktionsprozessen und Kälteanlagen (Bonusförderung). [5]

Neuanlagen werden mit folgenden Fördersätzen gefördert:

  • 25 % der Nettoinvestitionskosten, wenn Sorptionskälteanlagen (Adiabatik) eingesetzt werden.

Da die Kälteanlage mit Adiabatik mit 479,7 kW die Grenze von 500 kW nicht überschreitet kann von einer Förderung der Kälteanlage ausgegangen werden. Die gewählten Kältemaschinen werden entweder mit den Kältemitteln R410a oder R134a betrieben und überschreiten das Treibhauspotential (Global Warming Potential, GWP) von 2.500 nicht. Zudem würde die Nutzung der Abwärme der Kältemaschine zur Warmwasserbereitung gefördert.

Gebäudedaten: Heizlast, Kühllast

Das Gebäudekonzept, die Wandaufbauten und die Temperaturen sind Basis der Heiz- und Kühllastberechnung. In der Computer-Software wird dies mit dem Überbegriff Architektur behandelt.

Die Architektur wurde in Plancal Nova 11[6] übernommen.

Diese Studie wird durch die freundliche Unterstützung von BDKplan realisiert. Plancal wird dort wegen seiner vielfältigen, schnellen und fehlermeldungsarmen Handhabung verwendet.

Raumlufttechnische Anlagen (RLT-Anlagen)

Die Kühl- und die Heizleistung im Sommer wie im Winter soll für die Lüftung ermittelt werden, um den Kälte- und den Wärmeerzeuger zu dimensionieren.

In der Vermieter Baubeschreibung wird die Raumtemperatur mit max. +20 °C bis zu einer Außentemperatur von -14 °C festgelegt. Die Beheizung der Ladenflächen erfolgt ausschließlich durch die RLT-Anlage mit vorkonditionierter Luft durch die Zuluft aus der Zentrale. Als Kühlleistung werden die 40 W/m² aus der Vermieter Baubeschreibung angesetzt.

Die RLT 2 versorgt alle Flure und Treppenhäuser zu den Hauptgeschäftszeiten.

Die Büros mit den geringsten Anlagenstunden müssen regelungstechnisch über variable Volumenstrom-regler außerhalb der Arbeitszeiten abgeschaltet werden.

Die Drehzahl der Ventilatoren wird dem Bedarf des Fitnessstudios angepasst.

Randbedingungen

In der DIN EN 13779 geht es um die Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme. Es werden Luftarten klassifiziert. Wichtig ist die Klassifizierung der spezifischen Ventilatorleistung, da der sogenannte SFP-Wert in der EnEV auf 3-4 beschränkt wird.

Tabelle 9 Spezifische Ventilatorleistung SFP [6]

SFP 3 750-1.250 Ws/m³
SFP 4 1.250-2.000 Ws/m³

Außerdem werden die steigenden Ventilatorleistungen durch Druckverluste in RLT-Bauteilen angegeben.

Tabelle 10 Erweiterte PSFP für zusätzliche Bauteile [6]

Zusätzliche mechanische Filterstufe +300 Ws/m³
HEPA-Filter (High Efficiency Particulate Air Filter) +1.000 Ws/m³
Wärmerückführungsklasse H2 oder H1 +300 Ws/m³
Hochleistungskühler +300 Ws/m³

Formel 1 spezifische Ventilatorleistung PSFP [6] (specific fan power)

P_SFP=P/q_V =∆p/η_tot

die spezifische Ventilatorleistung, in Ws/m³

die elektrische Wirkleistung des Ventilators, in W

der Nennvolumenstrom durch den Ventilator, in m³/h

der Anlagendruckverlust, in Pa

der Gesamtwirkungsgrad von Ventilator, Motor und Antrieb in eingebautem Zustand

Für das Projekt Löwentor ist die Belegungsdichte von Personen für Kaufhäuser mit 0,25 Personen je Quadratmeter. Ein max. CO2-Gehalt für die aus der Vermieter Baubeschreibung zugesicherte Luftqualität Indoor Air 2 (IDA 2) ist 600 ppm (parts per million, Promille). Der Standard Außenluftvolumenstrom für eine mittlere Raumluftqualität (IDA 2) beträgt 12,5 Liter pro Sekunde und Person.

Tabelle 11 Vorgaben für die Raumluftqualität IDA 2

Kategorie Überströmluft CO2-Gehalt Luft je Person
IDA 2 >0,7 l/(s*m²)

= 2,5 m³/(h*m²)

400-600 ppm 12,5 l/(s*Pers)

= 11,25 m³/(h*m²)

Daraus folgt ein Außenluftbedarf für Personen von

In der VDI 2082 geht es um Verkaufsstätten und deren Lüftung. Interessant sind die Informationen über Türluftschleier / Luftschleieranlagen, die der Abtrennung von Innen- zu Außenklima bei besonders frequentierten Eingängen dienen.

„Der Einbau einer Windfanganlage in Form einer Doppeltüranlage ist aus energetischen Gründen einem Vollportal oder einem offenen Durchgang mit Luftschleier vorzuziehen“ [7].

Türluftschleier ohne Windfang befördern Volumenströme von 1.900 – 3.400 m³/h je Meter Türbreite.

Luftgeschwindigkeiten können bei hohen Raumtemperaturen schneller als bei niedrigen Temperaturen sein. Hält man sich im Bereich von 0,15-0,2 Meter pro Sekunde, ist das Zugluftrisiko gering. In Verkaufsstätten sind Schalldruckpegel von 40-50 Dezibel A Bewertung geläufig [7]. Wichtig für die Auslegung der internen Lasten für die Kühllast sind folgende Werte.

Tabelle 12 Kategorien des Innenraumklimas nach DIN EN 15251 [8]

Maximale mittlere Luftgeschwindigkeit in einem Kaufhaus im

Sommer/Winter

Kategorie II

Kategorie B

Normales Maß an Erwartungen; empfohlen für neue oder renovierte Gebäude (PPD <10 %) 0,2 / 0,15 m/s
Kategorie III

Kategorie C

annehmbares, moderates Maß an Erwartungen; kann bei bestehenden Gebäuden angewendet werden (PPD <15 % [9]) 0,23 / 0,18 m/s

Tabelle 13 Randbedingungen für Verkaufs-, Gastronomie, Büro und Fitnessräume

Raumgruppe Beleuchtungswärme Personendichte Mindest-Außenluft-Volumenstrom
W/m² Pers./m² m³/(h*m²)
Kategorie II III
Verkauf 15-40

Mittel 27

0,15 [7]

0,25 [10]

10,9 6,1
Restaurant 10 0,66 [6], 0,66 [10] 18 [11]
Großraumbüro 10 0,1 [6], 0,12 [10] 6 [11]
Fitness [12] 10 0,2 (110 W) 12 12
[1] iandus Objektgesellschaft Wolfenbüttel GmbH & Co. KG, Planungsbüro für Handelsimmobilien und Warenhäuser, D. A. E. Schlensok, Hrsg., Düsseldorf, 2015.
[2] EnEV, „Energieeinsparverordnung,“ 2013.
[3] EEWärmeG, „Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneueubare-Energien-Wärmegesetz),“ 2014.
[4] BMWi, „Bundesministerium für Wirtschaft und Energie,“ [Online]. [Zugriff am 20 07 2015].
[5] BAFA, „Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle,“ [Online]. Available: http://www.bafa.de. [Zugriff am 20 07 2015].
[6] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN 13779, Lüftung von Nichtwohngebäuden,“ 2007.
[7] Verein Deutscher Ingenieure e.V., „VDI 2082, Verkaufsstätten,“ 2010.
[8] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN 15251, Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung,“ 2012.
[9] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN ISO 7730, thermische Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes,“ 2006.
[10] Deutsches Institut für Normung e.V., „prEN 13779,“ 2005.
[11] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN V 18599-10, Nutzungsrandbedingungen, Klimadaten,“ 2011.
[12] BMVBS, BBSR, „Fortschreibung der Nutzungsrandbedingungen für die Berechnung von Nichtwohngebäuden,“ 2009.
[13] Bundes-Immisionsschutzgesetz, „TA-Lärm,“ 1998.
[14] Verein Deutscher Ingenieure e.V., „VDI 6022, Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen,“ 2011.
[15] Verein Deutscher Ingenieure e.V., „VDI 3803-3, Raumlufttechnik, Geräteanforderungen,“ 2014.
[16] Herstellerverband Raumlufttechnische Geräte e.V, „RLT-Richtlinie 01,“ 2014.
[17] Verein Deutscher Ingenieure e.V., VDI 4710 Blatt 3, Meteorologische Grundlagen für technische Gebäudeausrüstung, 2011.
[18] Verein Deutscher Ingenieure e.V., VDI 2078, Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume, 1996.
[19] Institut für Luft- und Kältetechnik, „ILK Dresden,“ [Online]. Available: http://www.ilkdresden.de/hxdia. [Zugriff am 10 07 2015].
[20] Anton Schweizer, „schweizer-fn,“ [Online]. Available: http://www.schweizer-fn.de. [Zugriff am 26 08 2015].
[21] Klingenburg GmbH, „Übersicht Rotoren,“ [Online]. Available: http://www.klingenburg.de/fileadmin/user_upload/germany/Downloads/ROTOR/klingenburg_QuickGuide_de.pdf. [Zugriff am 21 09 2015].
[22] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN 4710, Statistiken meteorologischer Daten zur Berechnung des Energiebedarfs von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland,“ 2003.
[23] Recknagel, Sprenger, Schramek, Heizung- und Klimatechnik, Oldenbourg Industriverlag GmbH, 2014.
[24] H. Jüttemann, Wärmerückgewinnung in lüftungstechnischen Anlagen, Bd. 13, Karlsruhe: C.F. Müller, Karlsruhe, 1977.
[25] L. Papula, Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler, Band 1, 11. verbesserte und erweiterte Auflage 2007 Hrsg., Bd. 1, Wiesbaden: Vieweg+Teubner Verlag, 2008.
[26] Dirk Bohne, Technischer Ausbau von Gebäuden und nachhaltige Gebäudetechnik, 10., aktualisierte Auflage, ©. S. F. Wiesbaden, Hrsg., Stuttgart: Springer Vieweg, 2014.
[27] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN V 18599-7, Endenergiebedarf von Raumlufttechnik- und Klimakältesystemen für den Nichtwohnungsbau,“ 2011.
[28] Verein Deutscher Ingenieure e.V., „VDI 2067 Blatt 1, Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen,“ 2012.
[29] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN 15459-1, Wirtschaftlichkeitsberechnungen für Energieanlagen,“ 2014.
[30] Verein Deutscher Ingenieure e.V., VDI 6025, Betriebswirtschaftliche Berechnungen für Investitionsgüter und Anlagen, 2012.
[31] Deutscher Verein des Gas- und Wasservaches, „DVGW, Energiekennzahlen,“ [Online]. Available: http://www.dvgw-bw.de/fileadmin/landesgruppen/Baden-Wuerttemberg/Vortraege/Energiekennzahlen_Plath_pdf.pdf. [Zugriff am 20 09 15].
[32] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN 378-1, Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen – Teil 1: Grundlegende Anforderungen, Begriffe, Klassifikationen und Auswahlkriterien,“ August 2012.
[33] Trane, Ingersoll Rand, „Trane Belgium,“ [Online]. Available: http://www.tranebelgium.com/files/product-doc/61/de/RTAF-SLB001-DE-0615.pdf. [Zugriff am 20 09 15].
[34] ChemKlimaschitzV, Chemikalien-Klimaschutzverordnung, „Verordnung zum Schutz des Klimas vor Veränderungen durch den Eintrag bestimmter fluorierter Treibhausgase,“ 2008.
[35] Internationales Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und -strategien, „IINAS,“ [Online]. Available: http://www.iinas.org/gemis-download-de.html. [Zugriff am 20 09 15].
[36] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN 12831, Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast,“ 2003.
[37] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN 12831-1, Raumheizlast,“ 2014.
[38] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN ISO 13370, Wärmeübertragung über das Erdreich,“ 2008.
[39] Verein deutscher Ingenieure e.V., „VDI 2050, Anforderungen an Technikzentralen: Technische Grundlagen für Planung und Ausführung,“ Düsseldorf, 2013.
[40] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN V 4108-6, Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden,“ 2003.

Es folgen zutreffende Zitate mit dem dazugehörigen Ausschnitt der TA-Lärm:

  • „Durch den Einsatz von Luftqualitätsfühlern (CO2) kann in Teillastzeiten der Außenluftvolumenstrom deutlich reduziert werden, im Aufheizbetrieb vor Geschäftsöffnung kann 100 % Umluft gefahren werden
  • Erfolgt eine Nachtkühlung über eine Lüftungsanlage, sind die für die Nachtzeiten zulässigen Lärmgrenzwerte zu beachten.“ [7]
  • „In Kerngebieten, Dorfgebieten und Mischgebieten (6-22 Uhr) tags 60 dB(A), nachts 50 dB(A)“. [13]

Das Warenhaus war und wird mit Sprinklern ausgestattet, wodurch eine Rauchabzugsfunktion in der RLT-Anlage nicht erforderlich ist.

Die Hersteller von RLT-Anlagen verweisen auf diese Richtlinie „Raumlufttechnik, Raumluftqualität: Hygieneanforderungen an raumlufttechnische Anlagen und Geräte (VDI-Lüftungsregeln, VDI 6022)“. Die hygienisch begründeten baulichen und technischen Anforderungen an RLT-Anlagen werden in der Richtlinie VDI 6022-1 festgelegt. Ziel ist es, die Luftqualität durch RLT-Geräte nicht zu verschlechtern. In folgender Tabelle werden relevante Informationen für die RLT-Anlage für das Projekt „Löwentor“ kurzgefasst dargestellt.

Tabelle 14 Hygieneanforderungen an RLT-Anlagen [14]

Luftbefeuchter Luftbefeuchter stellen ein Potential für mikrobielle Vermehrung dar. Daher müssen die Oberflächen glatt, gut zu reinigen und korrosionsbeständig sein. Außerdem ist Aerosolbildung (flüssige Wasserpartikel in der Luft) zu vermeiden. Ein Wassereintrag durch Taupunktunterschreitung in Filtern und Schalldämpfern ist zu verhindern. Die Wasserspeisung muss über einen freien Auslauf stattfinden (keine Rückspeisung ins Trinkwasser). Desinfektionsmittel müssen gesundheitlich unbedenklich sein. Luftbefeuchter mit Umlaufwasser „sind mit einer Absalzvorrichtung zu versehen“ [14] Gemäß VDI 6022 Blatt 1 muss bei Stillstandszeiten von mehr als 48 h die Wanne in dem Befeuchter entleert und trocken gefahren werden.
Filter Filter mit Volumenströmen > 1.000 m³/h müssen mit einem Differenzdruckmesser ausgestattet werden. Außenluft ist mit mind. F7-Qualität, Umluft mit mind. F5 zu filtern.
Schalldämpfer Aus reinigungsbeständigem Material z.B. Glasseidengewebe.
Ventilatoren Radialventilatoren ohne Gehäuse sind leicht zu reinigen.
Wärmeübertrager Korrosionsbeständig, Kondensatwanne mit Siphon mit Rückschlagsicherung.
Verantwortung des Planers Auswahl der Komponenten, Erstellen des Wartungskonzeptes, Aufnahme der Hygiene-Erstinspektion in die Leistungsbeschreibung.

Adiabate Luftbefeuchtung

Als adiabate Befeuchtung werden die Verfahren bezeichnet, welche die Feuchteerhöhung durch Zerstäubung oder Verdunstung von Wasser herbeiführen. Dies geschieht in der Abluft der RLT-Anlage und hat bei diffusionsdichten Plattenwärmetauschern keinen Einfluss auf den Feuchtegehalt des Raumes.

Fügt man einem Kilogramm Luft (0,83 m³) ein Gramm Wasser zu, reduziert sich die Temperatur um ca. 2,5 °C.

Mit ausreichender Genauigkeit kann diese Zustandsänderung bei Luftbefeuchtungsanlagen als „adiabat“ bezeichnet werden. Das heißt es findet kein Energieaustausch zwischen Luft und Wasser statt. Eine Ausnahme stellen die Umlaufsprühbefeuchter dar, die bei großen Wasser / Luftzahlen und entsprechender Wassertemperatur verschiedene Zustandsänderungen ermöglichen.

In der VDI 3803 Teil 3 [15] wird zwischen folgenden Systemen unterschieden:

  • Befeuchtungssysteme mit Umlaufwasser
    • Umlaufsprühbefeuchter (Luftwäscher)
    • Verdunstungsbefeuchter (Riesel- / Kontaktbefeuchter)
  • Befeuchter ohne Umlaufwasser
    • Verdunstungsbefeuchter
    • Ultraschallzerstäuber
    • Zweistoffdüsenbefeuchter
    • Hochdruckbefeuchter
    • Niederdruckbefeuchter / Hybridbefeuchter

„Der Herstellerverband raumlufttechnische Geräte e. V. gibt mit der vorliegenden RLT-Richtlinie 01 „Allgemeine Anforderungen an raumlufttechnische Geräte“ die Grundlage für einen hohen Qualitätsstandard vor.“ [16]

Im Anhang dieser Richtlinie werden Richtwerte für RLT-Anlagen tabelliert. (Leckluftraten, Leistungsaufnahme von Ventilatoren, Wirkungsgrade von WRG, Richtwerte für Druckverluste in Lüftungssystemen). Außerdem sind auf der Homepage der Verfasser viele RLT-Anlagen Hersteller unter den Mitgliedern aufgeführt.

Für gleiche Zu- und Abluftvolumenströme gelten folgende Klassifizierungen der Wärmerückgewinnung. Hier werden nur die nach EnEV relevanten Klassen aufgelistet:

Tabelle 15 Energie Effizienz Klassen für Wärmerückgewinnungssysteme [16]

Klasse Energieeffizienz ηe1:1
H1 ≥71
H2 ≥64

Die EU-Verordnung Nr. 1253/2014 zur Durchführung der Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates hinsichtlich der Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Lüftungsanlagen. Um Umweltauswirkungen energieverbrauchsrelevanter Produkte ohne übermäßigen Kostenaufwand zu verringern, wurde 2009 die Ökodesign-Richtlinie erlassen. Insbesondere Lüftungsanlagen, die immer häufiger verwendet werden, haben einen enormen Energiebedarf, der durch kostengünstige Variationen zur Verminderung der Treibhausgasemission beiträgt. Im Anhang der Richtlinie befinden sich die folgenden Ökodesign-Anforderungen, welche ab dem 1.1.2016 gelten:

  • Keine RLT-Anlagen ohne Wärmerückgewinnung (WRG)
  • Der Wirkungsgrad der WRG muss größer 67 % sein
  • Bei Nichtwohngebäuden ist der Referenzwert für die spezifische Ventilatorleistung (SVL) für Volumenströme größer 2 m³/s 150 W/(m³/s)

Varianten

In diesem Kapitel werden die zwei betrachteten Varianten der RLT-Anlage beschrieben. Diese unterscheiden sich lediglich um die Komponente zur Abluftbefeuchtung.

Anlagenvariante „minimal“

Die Variante wird „minimal“ genannt. Sie reicht aus um die aus der Vermieter Baubeschreibung stammenden Luftzustände zu erreichen. Jedoch wird die thermische Behaglichkeit nach DIN EN ISO 7730 nicht erreicht.

 

Abbildung 5 Flowchart Energiekonzept „minimal“

Die Planung von Kauf- und Warenhäusern erfordert Trennung der Gebäudetechnik, die vom Betreiber gewährleistet wird und die vom Mieter optional realisiert wird. Die Mieterübergabeeinrichtung wird in einem späteren Planungszustand festgelegt. In dieser Arbeit werden die Lüftungsanlage, die Kälteanlage und der Wärmeerzeuger für die RLT-Anlage ausgelegt. Im Fall „Löwentor“ werden vier RLT-Anlagen für die unterschiedlichen Mietbereiche entsprechend der Randbedingungen aus 4.1 und den Randbedingungen 2 dimensioniert und optimiert.

Tabelle 16 Mietbereiche und RLT-Anlagen Aufteilung

Anlage Mieter
RLT1 H&M
RLT2 Nebenflächen / Verkauf
RLT3 Gastronomie (Extrablatt)
RLT4 Fitness / Büro

Abbildung 6 Anlagenschema „minimal“

 

konventional HVAC hx

Abbildung 7 h,x-Diagramm Variante „minimal“, links Winter, rechts Sommer [34]

Der Wärmerückgewinnungsgrad wird auf minimale 71 Prozent festgelegt.

  • Maximale interne Wärmelast für H&M (TAbluft = 26 °C)

Wie aus dem h,x-Diagramm hervorgeht ist die Zuluft im Winterfall weit außerhalb des thermischen Behaglichkeitsbereiches. Die Heizleistung ist aufgrund der hohen Wärmelast des Beispiels der RLT-Anlage 1 für H&M verhältnismäßig gering.

Das in Abbildung 6 dargestellte Schema zeigt die Jalousieklappen mit Temperatursensoren ganz links. Es wird die Farbgebung nach DIN EN 13779 eingehalten. Zu- und abluftseitig sind allseitig optionale Kulissenschalldämpfer vorgesehen. Sie bieten gute Platzausnutzung und Wirkung, weil es sinnvoll ist den Schall in der Nähe seiner Quelle zu dämpfen. Ebenfalls können günstigere externe Schalldämpfer eingebaut werden. Die Fortluft in braun wird nicht gefiltert. Ansonsten werden die RLT-Komponenten allseitig vor Verschmutzung geschützt. Aufgrund der Größe (Volumenstrom > 1.000 m³/h) der Anlage sind Drucksensoren an den Filtern nach VDI 6022 anzubringen. In Orange ist die optionale Umluftbeimischung dargestellt. Das blau gespeiste Kühlregister wird mit der Spreizung von 6-12 °C gefahren und kühlt die Luft im Sommer. Rechts davon befindet sich das Heizregister. Die Vorlauftemperatur von 70 °C bis zur Rücklauftemperatur von 50 °C wird von dem zentralen Brennwertkessel geliefert. Die Ventilatoren sind saugseitig des Plattenwärmetauschers angeordnet.

Genau wie in Abbildung 10 kann auch die Variante „minimal“ mit einer integrierten Kältemaschine versehen sein. Ob eine integrierte Kältemaschine die Effizienz steigert, wird im Kapitel 5.2.5 Stromverbräuche unter dem Abschnitt Stromverbrauch durch Kältetechnik berechnet.

Im Kapitel 4.3 wird RLT-Anlage 1 Beispielhaft berechnet.

Die gesamten Ergebnisse der RLT-Auslegung „minimal“ können im Anhang unter Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. eingesehen werden.

Anlagenvariante „klassisch“

Kühlung mit Hilfe von Wasser und Verdunstung ist schon seit der Antike bekannt. Selbst heute wird mit dem Gedanken gespielt, dass FIFA Stadium in Doha mit einem adiabatischen Kühlsystem auszustatten. Somit gehört diese Kühlmethode zu den „klassischen“.

Das Energiekonzept gleicht der Variante „minimal“ bis auf die Unterstützung der Kältemaschine durch die in die RLT-Anlage integrierte Adiabatik. Bei dieser Variante wird die Kühlung der Kompressions-Kälte-Anlage durch adiabatische Abluftbefeuchtung entlastet. In der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die Variante „minimal“ und „klassisch“ verglichen. Im Anhang unter Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. und Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. werden die Ergebnisse der Auslegung für die bessere Nachvollziehbarkeit der Rechenbeispiele aus dem Abschnitt 4.3 dargestellt.

Abbildung 8 Anlagenschema „klassisch“

In der obigen Abbildung sind wiederum allseitig Schalldämpfer eingebaut. Filter erzeugen große Druckverluste in Abhängigkeit ihrer Verschmutzung. Sie schützen unter anderem die Ventilatoren. In der Fortluft ist ein Filter nicht erforderlich. Werden die Schallemissionen der TA-Luft auch ohne den fortluftseitigen (braun) eingehalten, kann auf diesen Filter verzichtet werden. Die Umluftbeimischung ist optional, weil es Wunsch des Mieters seien kann, keine Rückführung der Abluft, wegen z.B. Geruchsübertragung zu gestatten. Auf der Abluftseite (gelb) sind zwei unterschiedliche Befeuchter dargestellt. In Schwarz ein Sprühdüsenbefeuchter. Dieser versprüht feine Wasserteilchen (Aerosole) die von der Luft aufgenommen werden. Um die Düsen zu schützen, ist eine Wasseraufbereitung notwendig. Außerdem ist eine energieaufwendige Druckerhöhung auf z.B. 7 bar erforderlich.

Der Trinkwasseranalyse der Stadtwerke Wolfenbüttel zufolge werden die Grenzwerte überschritten (siehe Tabelle 18). Alternativ kann auch Frischwasser ohne Umlaufwasser versprüht werden. Zudem wird die Hilfsenergie eines Wabenbefeuchters geringer sein.

Parameter TW Einheit Messwert
Elektrische Leitfähigkeit (25°C) µS/cm 399
Gesamthärte °dH 9,8

Tabelle 17 Wasseranalyse der Stadtwerke Wolfenbüttel

Tabelle 18 Wasserqualität für Hochdruckbefeuchter, Sprühdüsenbefeuchter

Elektrische Leitfähigkeit µS/cm <120
Gesamthärte °dH (Grad deutscher Härte) <3

Daher muss eine Reduktion des Salzgehaltes im Wasser gewährleistet werden. Es bieten sich Nanofiltration als Spiralmembran oder Rohrmembran an. Spiralmembrane sind empfindlich gegenüber Verschmutzung, wohingegen Rohrmembrane nicht so leicht verschmutzen. Vollentsalzung würde durch Umkehrosmose bei einer Gesamthärte >19 °dH notwendig.

Der in Abbildung 8 grau gezeichnete Wabenbefeuchter gehört zu den Verdunstungsbefeuchtern. Dieser lässt Wasser über ein Mineralgewebe laufen. Aufgrund des geringen Aufwandes und der Kosten werden Wabenbefeuchter bevorzugt.

70 Pa

Abbildung 10 Anlagenschema mit integrierter Kältemaschine

Abbildung 10 zeigt das Schema mit integrierter Kältemaschine. In Kapitel 5.2.5 Stromverbräuche wird untersucht, welche Auswirkungen auf die Effizienz der Kältemaschine durch die Adiabatik entstehen.

Die gesamten Ergebnisse der RLT-Auslegung „klassisch“ können im Anhang Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. eingesehen werden.

In obiger Abbildung wird die geringe Kältearbeit durch die Adiabatik deutlich.

Berechnungsformeln und Beispielrechnung zur Lastermittlung RLT

In diesem Kapitel wird das Beispiel der RLT-Anlage 1 berechnet. Dabei werden die Formeln aus den Grundlagen der Klimatechnik umgestellt und die spezifischen Formeln für die RLT-Anlagen in Warenhäusern dargestellt (siehe Anhang Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). Somit sollte dem Leser eine Bedienung des zugehörigen Excel-Programmes oder eine eigene Entwicklung zur Auslegung von RLT-Anlagen ermöglicht werden.

Bilanzmodell

Grundlagen der Berechnung sind die Heiz- und die Kühllastberechnung. Plancal z.B. berechnet dabei die Gewinne (Kühllast) und Verluste über die Gebäudehülle und die Infiltration bzw. den Mindestluftwechsel. Der größere Wert geht zwangsläufig in die Berechnung der Heizlast mit ein. Die mechanische Belüftung und die internen Lasten durch Personen, Beleuchtung und Maschinen werden nicht in der Kühl- oder Heizlast berücksichtigt. Die mechanische Lüftung wird mittels einer Excel-Tabelle für jede Variante einzeln berechnet und der Last des Gebäudes addiert. Die Summe aus internen und externen Lasten ergibt die Auslegungsleistung für die Kältemaschine und den Wärmeerzeuger. Die Trennung der Heiz- und Kühllast von der mechanischen Lüftung vereinfacht die Auslegung der RLT-Anlagen, die in der Aufgabenstellung gefordert wird.

Abbildung 11 Bilanzmodell: Rot, äußere Lasten, Computerberechnung (Plancal), schwarz, interne Lasten eigene Bilanzierung

Formel 2 zur Berechnung der Heiz- und Kühllast (Variante „minimal“)

Formel 3 zur Berechnung der Heiz- und Kühllast (Variante „klassisch“)

Kühl- und Heizlast durch mechanische Lüftung, in

Massenstrom der RLT-Anlage 1-4, in kg/s (m³/h*kg/m³*1/3600 h/s)

Enthalpie, in kJ/kg

Formel 4 Gesamtlast

Gesamt Heiz- / Kühllast, in kW

Transmissionswärmeverluste und Infiltration / Mindestluftwechsel

Von zentraler Bedeutung für die Berechnung der Luftzustände ist die interne Last. Die Zuluft wird mit 16 °C im Sommer festgelegt. Die absolute Feuchte der Varianten „minimal“ und „klassisch“ unterscheidet sich nicht von der Außenluftfeuchte. Diese ist nur bei Plattenwärmetauschern gewährleistet.

Ist die interne Wärmelast zu groß und der Volumenstrom zu klein, steigt die Temperatur der Abluft. Erreicht die Abluft 26 °C, so muss der Volumenstrom der RLT-Anlage erhöht werden.

Auslegungsparameter der Außenluft

Wolfenbüttel liegt nach VDI 4710 Blatt 3 in der Klimazone 2, wodurch das Referenzklima für Hamburg-Fuhlsbüttel herangezogen werden kann.

Die am häufigsten vorkommende absolute Feuchtigkeit x der Luft bei der Temperatur von 32 °C liegt bei 8 g Wasser pro kg Luft.

Abbildung 12 Stundenwerte der Lufttemperatur und des Wassergehaltes von Hamburg-Fuhlsbüttel t<12 °C [17]

Bei minus 14 °C liegt der Wasserdampfgehalt zwischen 1 und 1,9 g Wasser pro kg Luft. Somit werden folgende Außenluftzustände festgelegt. Die Formeln zur Berechnung von Drücken, Temperaturen und der Enthalpie sind im Anhang aufgeführt. (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.)

Abbildung 13 Außenluftzustände

Interne Lasten des Raumes

Zunächst werden die internen Lasten anhand der Personendichte und der Beleuchtungswärme berechnet. In der VDI 2082 werden durchschnittlich 27 W/m² Wärmeabgabe durch Beleuchtung für Warenhäuser angegeben (siehe Tabelle 13). Für diese Arbeit werden zur besseren Vergleichbarkeit die Bedingungen aus der Vermieter Baubeschreibung verwendet, in denen den Mietern 60 W/m² spezifische elektrische Leistung zur Verfügung gestellt werden. Daher werden hier (60-27=33) maximal 33 W/m² zur Wärmelast durch Maschinen für die Verkaufsräume hinzugerechnet. Die Gesamtlast ergibt sich aus der Wärmeabgabe von Beleuchtung, Personen und Maschinen. Die Gesamtlast ist kleiner als die zur Verfügung gestellte Anschlussleistung. Soll die Ablufttemperatur kleiner als 26 °C sein, ist die maximale interne Wärmelast für den H&M 67 W/m². Die Wärmeabgabe von Maschinen ist in dieser Planungsstufe noch nicht genau definiert. Für den H&M geht aus einer ehemaligen Baubeschreibung eine innere Wärmelast von 85 W/m² hervor.

Wärmelast

Abbildung 14 Wärmelast der einzelnen RLT-Anlagen

Formel 5 Wärmelast durch Beleuchtung, Maschinen und Personen

gesamte interne Wärmelast

spezifische Wärmeabgabe durch Beleuchtung aus VDI 2082, in W/m²

spezifische Wärmeabgabe durch Maschinen, in W/m²

Fläche, in m²

Personendichte, in Pers/m²

Trockene (sensible) Wärmeabgabe [18], ca. 100 W/Pers

Formel 6 spezifische Enthalpieerhöhung, proportional zum Zuluft Volumenstrom

Gesamtwärmelast durch Beleuchtung, Personen und Maschinen, in kW

Zuluftvolumenstrom, in m³/h

Enthalpieerhöhung, in kJ/kg

Beispielhaft wird die Enthalpieerhöhung der „RLT 1“ für den Mieter H&M berechnet.

Beispiel:

Formel 7 resultierende Enthalpie der Raumluft nach interner Erwärmung, resultierende Abluftenthalpie

Enthalpie der Zuluft, in kJ/kg

Enthalpie der Abluft, in kJ/kg

Feuchtelast

Abbildung 15 Feuchtelast der einzelnen RLT-Anlagen

Formel 8 Resultierende absolute Feuchteerhöhung der Raumluft nach interner Feuchteabgabe

spezifische Feuchtelast durch Personen, in kg/kJ

spezifische Personendichte, in Pers/m²

der RLT-Anlage zugeordnete Fläche, in m²

Feuchteabgabe von Personen [18], in kg/(Pers*h)

Abbildung 16 Delta h zu Delta x [19]

Formel 9 Abluftfeuchte

absolute Außenluftfeuchte, in kg Wasser / kg Luft

absolute Feuchte der Abluft, in kg Wasser / kg Luft

Man bekommt die absolute Feuchte und die Enthalpie der Abluft, mit der man die resultierende Ablufttemperatur mit folgender Formel berechnen kann.

Formel 10 resultierende Ablufttemperatur

Ablufttemperatur, in °C

Enthalpie der Abluft, in kJ/kg

absolute Feuchte der Abluft, in kg Wasser/kg Luft

Interne Last (Kühlleistungskontrolle)

Die gewährleistete spezifische Kühllast von 40 W/m² aus der Vermieter Baubeschreibung soll überprüft werden. Für die RLT-Anlage 1 ergibt sich eine Kühllast von 89 kW sensibel (siehe Abbildung 21). Über den Randmaßstab des h,x-Diagrammes kann die Neigung der Zustandsänderung ermittelt werden. Dabei wird die Kühlleistung durch die Feuchtelast geteilt, der Wert in das h,x-Diagramm eingezeichnet und parallel zum Randmaßstab auf den zu verändernden Zustandspunkt verschoben.

Abbildung 17 h,x-Diagramm, Kühllast zu Feuchtelast, Randmaßstab

Es ist deutlich zu sehen, dass die gewünschte Kälteleistung erbracht wird. Würde die Kälteleistung nicht erbracht, müsste die Zulufttemperatur reduziert werden. Die operative Raumlufttemperatur stellt sich im Mittel zwischen Zu- und Abluft ein.

Formel 11 Operative Raumlufttemperatur

Da sich Personen in Räumen unwohl fühlen, wenn die Temperatur der Zuluft mehr als 6 °C unter der operativen Raumluft liegt, kann die Zulufttemperatur theoretisch bis auf. 15 °C reduziert werden. Andernfalls kann der Volumenstrom erhöht werden.

Adiabatik

Der Begriff Adiabatik oder adiabate Befeuchtung wird in den Randbedingungen 4.1 und unter Abschnitt 9 Begriffe und Abkürzungen erklärt.

Um die Anreicherung mit Wasser in der Luft zu berechnen, braucht man die Feuchtkugeltemperatur. Diese gibt den Sättigungspunkt einer Enthalpie an, wobei die relative Feuchte bei 100 % liegt. Die Feuchtkugeltemperatur gibt an, wieviel Wasser der Luft zugeführt werden kann, ohne dass Kondensation oder Nebel entsteht.

Feuchtkugeltemperatur

Die Feuchtkugeltemperatur ist die Temperatur die maximal durch adiabate Luftbefeuchtung erreicht werden kann. Bei dieser Temperatur hat die Luft 100 % relative Feuchte erreicht, und es kann nur noch Wasser in Form von Nebel hinzugegeben werden.

Die Feuchtkugeltemperatur kann, bis zu einer Temperatur von 5 °C, näherungsweise nach folgender Formel berechnet werden [20]:

Formel 12 Näherungsformel der Feuchtkugeltemperatur bis 5 °C

t_feu=-5,809+0,058+φ_ABL*100+0,697*t_ABL+0,003*φ_ABL*100*t_ABL

oder Feuchtkugeltemperatur, in °C

relative Feuchte, z.B. 0,41 als Faktor oder in % / 100

Temperatur der Abluft, in °C

Abbildung 18 t,h-Diagramm für die Sättigungsfeuchte, φ=1

Im Bereich einer Enthalpie von 10-90 kJ/kg kann eine Näherung mit dieser Formel erfolgen:

Formel 13 Näherungsformel der Feuchtkugeltemperatur von 0-25 °C

oder Feuchtkugeltemperatur, in °C

Enthalpie, in kJ/kg

Unterhalb von 10 kJ/kg besteht Vereisungsgefahr.

Die Feuchtkugeltemperatur und die Sättigungsfeuchte für die RLT-Anlage 1 berechnen sich wie folgt:

Abbildung 19 Eigenschaften der Abluft nach adiabater Befeuchtung

Beispiel:

Der Absolutdruck pfeu,tot wird für die Sättigungsfeuchte benötigt.

Formel 14 Absolutdruck der Feuchtkugeltemperatur

Formel 15 Absolute Feuchtigkeit der Feuchtkugeltemperatur

Die Temperatur der Befeuchtung lässt sich mithilfe der Rückfeuchtzahl berechnen.

Abbildung 20 Befeuchter: Symbole und Zustandsänderung (h,x)

Formel 16 Befeuchtungsgrad für adiabate Befeuchtung (ehemals Rückfeuchtzahl, Feuchteänderungsgrad) [VDI 3803-3]

Befeuchtungsgrad für adiabate Befeuchtung (∆h=0)

Lufteintrittsfeuchte, in g/kg (die gleichen Indizes gelten für tx – Lufteintrittstemperatur)

Luftaustrittsfeuchte, in g/kg

Sättigungsfeuchte, in g/kg (Feuchtkugeltemperatur in °C)

Die Temperatur am Befeuchteraustritt ist bei einer Rückfeuchtzahl von 80 % dem zufolge für RLT-Anlage 1:

Beispiel:

Befeuchterleistung

Für die Wirtschaftlichkeitsberechnung (Kapitel 6.3) werden die Befeuchterleistung für die bedarfs- bzw. betriebsgebundenen Kosten benötigt. Es folgt eine Berechnungsmethode und ein Beispiel aus einer aktuellen Anlagenauslegung.

Formel 17 Befeuchterleistung

Befeuchterleistung (Befeuchtermassestrom) in g/h

Luftvolumenstrom in m³/h

Dichte der Luft in kg/m³ (ca. 1,2 kg/m²)

Befeuchtung in g/kg ()

Ausgangsfeuchte in g/kg

Endfeuchte in g/kg

Für RLT-Anlage 1 ergibt das Beispielsweise:

Der Gesamtwasserverbrauch eines Luftbefeuchtungssystems setzt sich aus dem Wasserverbrauch durch die Befeuchtung, den Verlusten bei der Wasseraufbereitung und den Verlusten beim Befeuchtungsprozess zusammen.

Aus einem Angebot eines Anlagenherstellers gehen für RLT 1 folgende Daten hervor:

Tabelle 19 Ergebnisvergleich mit einer Anlagenauslegung

Wabenbefeuchter
Luftmenge 25.000 m³/h
Luft Eintritt () 24 °C
Relative Feuchte Eintritt 50 %
Absolute Feuchte Eintritt () 9,415 g/kg
Luft Austritt () 18 °C
Relative Feuchte Austritt 90,8 %
Absolute Feuchte Austritt () 11,87 g/kg
Feuchtkugeltemperatur 16,9-17,4 °C
Befeuchtungsgrad () 90,9 %
Befeuchtung () 2,455 g/kg
Befeuchterleistung () 0,031 kgw/kgL

Der vom Hersteller angegebene Wirkungsgrad von 89 % wird mit tatsächlichen 90,9 % erreicht.

Sensible Leistung des Befeuchters

Es wird herausgefunden, wieviel sensible, thermische Leistung hinter der Abkühlung durch Befeuchtung steckt. Für die Jahresenergieverbräuche von RLT-Anlagen kann dies von entscheidender Bedeutung sein. Würde die Luft also mittels einer Kältemaschine gekühlt, würde die sensible Leistung erforderlich.

Abbildung 21 sensible Befeuchterleistung

Formel 18 sensible Befeuchterleistung

Zuluftvolumenstrom, in m³/h

Dichte der Abluft, in kg/m³

Enthalpie der Abluft, in kJ/kg

Temperatur Befeuchter Austritt, in °C

absolute Feuchte Befeuchter Eintritt oder Abluft, in

Am Beispiel der RLT-Anlage 1 dementsprechend:

Umluftbeimischung

Gerade im Winter ist Umluftbeimischung energetisch sehr empfehlenswert. Es kann Wärme und Feuchte zugeführt werden und kann somit der hohen Erhitzerleistung und der sehr trockenen Luft entgegenwirken.

Durch Lüftungsanlagen wird die Luft stark entfeuchtet. Die Feuchtelast des Raumes wird abgeführt, jedoch nicht ersetzt. Die Menschen, die sich in diesen Räumen aufhalten, müssen mit bis zu 5 % relativer Luftfeuchte auskommen. Oftmals werden diese Personen durch die Austrocknung der Schleimhäute krank und fühlen sich unwohl.

Die Mischung erfolgt über mechanisch gesteuerte Jalousieklappen die über ihren Öffnungswinkel das Verhältnis der Umluft steuern. Es ist nicht zu vermeiden, dass bei diesem dynamischen Rechenansatz ein Zirkelbezug entsteht. Die Abluftfeuchte ist abhängig von der Feuchtelast im Raum. Findet ein Feuchteaustausch in Rotoren oder Mischvolumenströmen statt, steigt die Feuchtigkeit im Raum in Richtung unendlich. Deshalb sollte die Abluft nur einmalig mit der Feuchtelast durch Personen im Raum belastet werden. In Excel muss dies mit einem im Hintergrund laufenden Programm (Macro) realisiert werden, welches dem Anhang unter Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. entnommen werden kann. Dabei wird die Enthalpie der Abluft als konstant angenommen. Mithilfe dieses Programmes können die Luftzustände und die Lasten des Raumes wieder variiert werden.

Formel 19 Mischung von Volumenströmen

Abbildung 22 Mischluftzustand RLT 1

Beispiel RLT 1, bei 20% Umluftbeimischung für die Variante „minimal“:

m ̇_ZUL=53573 m^3/h*1,2 kg/m^3 =64287,6 kg/h

m ̇_ZUL=53573 m^3/h*1,2 kg/m^3 =64287,6 kg/h

t_m=(64287,6 kg/h*(1-0,2)*14,9 °C+0,2*64287,6 kg/h*27,3 °C)/(64287,6 kg/h)=17,4 °C

x_m=(64287,6 kg/h*0,2*0,0013 〖kg〗_w/〖kg〗_L +64287,6 kg/h*0,8*0,001 〖kg〗_w/〖kg〗_L )/(64287,6 kg/h)=0,0011 〖kg〗_w/〖kg〗_L

Abbildung 23 Umluftbeimischung (20%) im Winterbetrieb, RLT 1 [23]

Die Mischgerade wird in der Abb. 23 in grün, gestrichelt dargestellt. 20 % Umluft führen zu einer Erwärmung der Zuluft um 40-48 kW. Die restliche Heizleistung beträgt nur noch 8 kW und hat bei wechselnden internen Lasten regelnden Charakter.

Abbildung 24 Umluftbeimischung (30 %) im Winterbetrieb, RLT 3 [19]

Die dem Einkaufszentrum zugehörige Gastronomie hat eine hohe Personendichte und somit die größte Feuchtelast. Für die Gastronomie (RLT 3) könnten 30 % Umluft die relative Luftfeuchtigkeit auf behaglichere 10 % erhöhen (Abbildung 24). Es ist jedoch auf Geruchsbelästigung zu achten. Diese hängt von der Nutzung der versorgten Räume ab. Die RLT-Anlagen, welche die Gastronomie oder den Fitnessbereich belüften sind ggf. nicht geeignet. In Verkaufsräumen stellt Umluftbeimischung kein Problem dar.

Nutzung der Adiabatik zur Zuluftbefeuchtung mittels Umluft

Die Abb 37 zeigt eine 50 prozentige Umluftbeimischung bei einer Außentemperatur von 0 °C. Die Umluft wurde mit 30 Prozent Leistung befeuchtet. Es sollte darauf geachtet werden, dass der Luftzustand nach dem WRG-System nicht unter der Taupunkttemperatur der Befeuchtung liegt. Der Wärmeverlust beträgt durch die Temperaturabnahme in der Abluft (rot) etwa 45 kW (15 kJ/kg). Die Nachheizleistung ist trotzdem marginal. Diese Regelung erfordert hygienische Befeuchtung durch entweder Reinigung und Entsalzung oder eine Umkehrosmose-Anlage. Die Personalkosten der Wartung oder die Umkehrosmose können dem krankheitsbedingten Personalausfall gegenüber gestellt werden.

Die Nutzung von Rotationswärmetauschern ermöglicht zudem eine Rückfeuchtung durch Enthalphierückgewinnung. Das bedeutet, dass Wasser aus der Abluft im Wärmetauscher der Zuluft zurückgewonnen wird. Epoxidharzbeschichteten Rotoren wird die Feuchterückgewinnung nur im Winter nachgesagt. [21]

Abbildung 25 Rotortypen von Klingenburg (Hersteller) [24]

Rotorwärmetauscher sind bei 25.000 m³/h ca. 10.000 Euro günstiger. Sie sind in der Lage Luftfeuchtigkeit zu übertragen. Diese Variation bietet im Winterbetrieb die beste thermische Behaglichkeit.

Im Sommer lohnt es sich bei hohen Temperaturen nicht nach der WRG noch einen Umluftanteil beizumischen, weil keine Feuchte gebraucht wird und die Temperaturen aus Abluft und Zuluft nach WRG ähnlich sind. Im Winterfall kann eine Umluftbeimischung nach der WRG zur Verringerung der Heizleistung führen.

Abbildung 26 Umluftbeimischung im Sommer [19]

Abbildung 27 optimale Umluftbeimischung im Winterfall

Wärmerückgewinnung

Die Wirtschaftlichkeit von Wärmerückgewinnungssystemen gilt heutzutage als bewiesen. Insbesondere bei derart enormen Volumenströmen und Luftwechseln wie in Warenhäusern, hat der Wärmerückgewinnungsgrad einen großen Einfluss auf die Lüftungsverluste, sowohl im Winter wie auch im Sommer.

Es wird zwischen regenerativen- und rekuperativen WRG-Systemen unterschieden.

Tabelle 20 Unterschiede zwischen regenerativen und rekuperativen WRG-Systemen

Regenerativ Rekuperativ
Eigenschaften Reine Wärmeübertragung

, x=konstant, =0

Wärme- und Feuchteübertragung
Beispiele Plattenwärmetauscher (PWT)

Kreislaufverbundsysteme (KVS)

Kondensationsrotoren

Rotationswärmetauscher (RWT)

Enthalpiewärmetauscher

Feuchteänderungsgrad

thermischer Übertragungsgrad eines Wärmerückgewinnungssystems, ()

Die Effizienz von Wärmeüberträgern hängt von folgenden Faktoren ab:

  • Form
  • Übertragerfläche
  • Material
  • Strömungsrichtung (Kreuzstrom-, Gegenstromwärmeübertrager)
  • Strömungsgeschwindigkeit

Ein geringer Druckverlust bzw. Strömungswiderstand entlastet die Ventilatoren und den Jahresenergieverbrauch. Der Wärmerückgewinnungsgrad wird mit 71 Prozent (H1 nach EnEV, EEWärmeG) berechnet.

Die Variante „minimal“ wird mit der Ablufttemperatur, die Variante „klassisch“ mit der Befeuchteraustrittstemperatur berechnet.

Der Wirkungsgrad für WRG-Systeme wird nach folgender Formel errechnet.

Formel 20 Wirkungsgrad von Wärmeübertragern

Zuluftseitig:

Beispiel RLT 1 „klassisch“ Sommer:

Abluftseitig:

Beispiel RLT 1 „minimal“ Sommer:

 

heat exchanger hx

Abbildung 28 Symbole: PWT und RWT, Zustandsänderung PWT in WRG (h,x)

thermischer Übertragungsgrad eines Wärmerückgewinnungssystems,()

Ablufttemperatur, Eintritt WRG, in °C

Fortlufttemperatur, Austritt WRG, in °C

Außenlufttemperatur, Eintritt WRG, in °C

Zulufttemperatur, Austritt WRG, in °C

Analog dazu wird der Feuchteänderungsgrad (Rückfeuchtzahl) berechnet

Formel 21 Feuchterückgewinnungsgrad

Zuluftseitig:

Abluftseitig:

Feuchteänderungsgrad

Abluft-Eintritt, in kg Wasser/kg Luft

Außenluft-Eintritt, in kg Wasser/kg Luft

Fortluft-Austritt, in kg Wasser/kg Luft

Zuluft-Eintritt, in kg Wasser/kg Luft

Abbildung 29 Symbole: PWT und RWT, Zustandsänderung RWT in WRG (h,x)

Obige Abbildung zeigt RWT die Wärme und Feuchte rekuperieren. Für Plattenwärmetauscher sind diese Formeln nur anzuwenden, wenn sie über sog. Enthalpie- bzw. Feuchterückgewinnung verfügen. Dies geschieht durch feine Löcher in Kunststoff-Wärmeübertragerflächen, die nur Wassermoleküle durchlassen.

Ergebnisse

In dem Plattenwärmetauscher der RLT-Anlage 4, die die Fitnessräume belüftet und entlüftet entstünden unter vorausgesetzten Bedingungen

als Kondenswasser im PWT.

Abbildung 30 Tautemperaturunterschreitung (Vereisungsgefahr)

Dies liegt an der Unterschreitung der Tautemperatur wie in Abbildung 30 deutlich zu sehen ist. Der Vereisungsgefahr und eventueller Beschädigung des Wärmetauschers ist vorzubeugen. Der zuluftseitige Umluftvolumenstrom beeinflusst die Abluft nicht.

Abbildung 31 WRG mit und ohne Adiabatik, RLT 3

Der Gewinn an Kühlleistung durch die adiabatische Luftbefeuchtung soll hier gegenübergestellt werden.

Ab einem Wärmerückgewinnungsgrad von 80 % muss bei angenommenen internen Lasten nicht mehr nachgeheizt werden.

Heiz- und Kühlleistung der RLT

Im Winterfall wird die Zuluft durch ein warmwassergespeistes Heizregister erhitzt. Dazu dienen übliche Vor- und Rücklauftemperaturen 70 zu 50 °C.

Für die Variante „minimal“

Formel 22 Heizleistung

Zuluftvolumenstrom, in m³/h

Dichte WRG Austritt, in kg/m³

Beispiel RLT 1 „minimal“:

Formel 23 Massenstrom an Warmwasser

Für die Variante „klassisch“

Formel 24 Kühlleistung

Abbildung 32 Heiz- und Kühllast (links „klassisch“, rechts „minimal“)

Die Vereisungsgefahr (Abbildung 30) zeigt deutlich, dass es Wetterlagen gibt, bei denen zum Schutz des WRG-Systems der Bypass eingeschaltet werden muss. Das bedeutet, dass die warme Abluft aus dem Warenhaus durch das WRG-System strömt, um es aufzuwärmen, während die kalte Außenluft an dem WRG-System über den Bypass vorbeiströmt.

Minus 14 °C kalte Luft müsste dann auf 18 °C erwärmt werden. Deshalb wird die Heizleistung ohne WRG berücksichtigt. Bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung sollte dementsprechend die Mehrinvestition für einen überdimensionierten Wärmeerzeuger, der nur ca. 3,5 Stunden mit Volllast im Jahr läuft, einem günstigen aber energieineffizienterem elektrischen Heizstab gegenübergestellt werden.

Jahresenergieverbräuche

In diesem Kapitel werden die Jahresenergieverbräuche durch Integration berechnet. Dieses Verfahren ist genauer und dank Computer-Technologie weniger aufwendig, als eine Berechnung über Näherungsdreiecke und Rechtecke. Da das Programm „Microsoft Mathematics“ benutzt wurde, erscheinen einige Formeln mit Punkten anstatt Kommas. Somit können die Formeln direkt in das Programm kopiert und analysiert werden. Auch ist darauf hinzuweisen, dass trotz dieses Verfahrens Abweichungen von bis zu 20 % auftreten. Dies liegt auch an den Näherungsformeln, welche mit Excel 2013 berechnet wurden. Die Werte werden mit angemessenen Quellen verglichen und bestätigt. Es handelt sich also um realistische Abschätzung nach den Verfahren der angegebenen Quellen. Das Prinzip der Berechnung basiert zum großen Teil auf einem Buch von Herbert Jüttemann „Wärmerückgewinnung in lüftungstechnischen Anlagen“ von 1977.

Betriebszeit

Die Betriebsstunden der RLT-Anlagen sind proportional zu den Jahresvollbenutzungsstunden (JVBS) der jeweiligen Anlage. Versorgt die Anlage auf Grund der örtlichen Gegebenheiten mehrere Bereiche mit verschiedenen Betriebszeiten, wird ein Teillastfaktor anhand der erforderlichen Volumenströme berechnet.

Tabelle 21 Öffnungsstunden von Verkaufsstätten

Jahres-Stunden Jahres-Tage Jahres-Wochen Werk-Tage Verkaufs-offene So Feier-Tage Öffnungs-Tage Öffnungs-Stunden JVBS
h/a d/a w/a d d d d/a h/d h/a
8.765,6 365,23 52,18 313,05 3 11 305,05 13 4.061,7

h/a

h/d

Abbildung 33 Betriebsstunden tv, Betriebszeitfaktor fz (exklusive Wochenende), Teillastfaktor ft

Meteorologisch bedingte Verbräuche

In folgendem Kapitel werden die Jahresenergieverbräuche (JEV) zur Kompensation der Außentemperaturen zu den gewünschten Innentemperaturen berechnet. Diese meteorologisch bedingten Verbräuche teilen sich Heizung, Kühlung (Befeuchtung) und die Stromverbräuche. Die JEV bestimmen die Einsparungen und die Ausgaben der Wirtschaftlichkeitsberechnung. Es wird darauf zugearbeitet die Heiz- und Kühlgradstunden zu ermitteln.

Abbildung 34 Jahresdauerlinie der Temperatur für Hamburg-Fuhlsbüttel

Randbedingungen

Wolfenbüttel befindet sich gemäß DIN 4710 (Statistiken meteorologischer Daten zur Berechnung des Energiebedarfs von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland [22]), in der Klimazone 3.

Für die Klimazone 3, das nordwestdeutsche Tiefland, repräsentiert Hamburg-Fuhlsbüttel die Temperatur und den Wassergehalt der Außenluft. Für die Strahlungsdaten ist Hamburg-Sasen repräsentativ.

Die DIN 4710 sowie die VDI 4710 geben in ähnlicher Form meteorologische Daten für geographische Bereiche an, wie in Kapitel 4.3.2 Auslegungsparameter der Außenluft partiell in Form von t,x- Korrelationstabellen dargestellt wird. Diese Tabellen zeigen die mittlere Häufigkeit einer Kombination aus absoluter Feuchte und einer Temperatur.

Heizgradtage können DIN 4108-6 entnommen werden.

Heizung

Abbildung 35 Heizgradtage Braunschweig [33]

Heizgradtagzahl mit Innentemperatur x und Heizgrenztemperatur y, in Kd

In der Literatur wird zwischen Lüftungsgradstunden und Heizgradstunden unterschieden. Der Unterschied besteht darin, dass bei den Heizgradstunden die Differenz der Raumtemperatur und der mittleren Außentemperatur der Heizperiode mit den Summenstunden multipliziert werden. Bei den Lüftungsgradstunden werden dagegen die Temperaturdifferenz zwischen Zuluft und aktueller Außentemperatur mit den Summenstunden multipliziert.

Formel 25 Gradtagzahl [23]

Gradtagzahl der Heizperiode, in Kd/a

z Zahl der Heiztage in der Heizperiode vom 1.9 bis 31.5

mittlere Raumtemperatur = 20 °C

mittlere Außentemperatur der Heizperiode, in °C

„Lüftungsgradstunden GL sind das Produkt der Lüftungsstunden mit der Differenz von Zulufttemperatur zur zugehörigen momentanen Außenlufttemperatur.“ [23]

Formel 26 Lüftungsgradstunden [23]

Lüftungsgradstunden in Kh/a

Zahl der Lüftungsstunden im Heizfall

Zulufttemperatur

mittlere Außentemperatur im Zeitbereich „Heizung“

Die verwendete Berechnungsmethode stammt aus dem Buch von Herbert Jüttemann „Wärmerückgewinnung in lüftungstechnischen Anlagen“ von 1977. Eine Probe dieser Methode mit den Werten aus der Norm ergab eine ungefähre Übereinstimmung der Heizgradtage. Die Heizgradtage und der daraus resultierende Wärmeenergiebedarf entsprechen der Erwärmung von Luft ohne Wärmerückgewinnung. Ein Jahr wird mit 365,2 Tagen, 8766,9 h angenommen. Die Summenhäufigkeiten werden in Zehntelstunden angegeben. Die sich ergebenden Werte sind auf den 24 stündigen Betrieb bezogen. Um einen Graphen von kleinen zu großen Temperaturen zu zeichnen, werden die Summen von „unten“ -24 °C an gebildet. Zum Verständnis kann mit den Werten in Abbildung 12 verglichen werden.

T Summe Summenhäufigkeit
-15 4 1,2
-16 2 0,8
-17 3 0,6
-18 2 0,3
-19 1 0,1
-20 0 0,0

Summenhäufigkeit bei -15 °C =(0+1+2+3+2+4)/10 = 1,2.

Werden diese Summenhäufigkeiten zur Temperatur angetragen, erhält man die Jahresdauerlinie.

Abbildung 36 Jahresdauerlinie der Temperatur für Hamburg-Fuhlsbüttel mit Flächeneinteilung

Die Flächeninhalte zwischen der gelben Integralkurve (Außentemperatur, Datenreihe 4) und der blauen Geraden (Zuluft) bei 18 °C ergibt die Heizgradstunden. Die Fläche kann in einfach zu berechnende Teile aufgeteilt werden. Die Vorgehensweise des Integrierens wird im Abschnitt 5.2.3 näher beschrieben.

Abbildung 37 integrierbare Kurve der Heizgradstunden mit Näherungsformeln

Adreieck 63.180 Kh/a
Aquadrat 19.800 Kh/a
Aintegral 3.006 Kh/a
GL 85.986 Kh/a
Gt18,15 3.582,7 Kd/a

Probe (ohne WRG):

Eine zusammengesetzte Näherungsformel zeigt ein ähnliches aber ungenaueres Ergebnis:

Formel 27 Jahres-Wärme-Bedarf [24]

jährlicher Wärmebedarf, in kWh/a

spezifische Wärmekapazität der Luft 1,006 kJ/(kg*K)

Massenstrom, in kg/s

Lüftungsgradstunden, in Kh/a

Betriebszeitfaktor

Beispiel (ohne WRG):

Abbildung 38 Flächeninhalt zwischen zwei Kurven, Papula, Seite 476 [25]

Die durchschnittliche Ablufttemperatur im Heizlastfall beträgt im Auslegungsfall 26,1 °C (Siehe 4.2.2 unter Ablufttemperatur im Winter).

Der Flächeninhalt zwischen Außenluft und Zuluft ist gleichbedeutend der rückgewonnenen Wärme mit Nacherwärmung:

Abbildung 39 Jahresdauerlinie der Temperatur mit Wärmerückgewinnung

Tabelle 22 Ergebniszusammenstellung

Bereich Fläche, in Kh/a Stunden, in h/a Tage, d/a
Lüftungsgradstunden (Rosa) 85.623,0 7.500 312,5
Nacherwärmung (Rot) 428,2 510 21,25
Kühlgradstunden (Blau) „minimal“ 6.700,3 1.725 71,9
Kühlgradstunden „klassisch“ (siehe Abbildung 45) (Adia=1.180) 3.734,4 1.100 45,9

Die hellblaue Fläche in Abbildung 39 ist der Bereich, der theoretisch nach der WRG gekühlt werden müsste. Dies ist nur bei ungeregelten Wärmerückgewinnungssystemen der Fall. Über die Bypass Regelung wird die rückgewonnene Wärme mit Außenluft auf den gewünschten Zuluftpunkt gemischt. Der dunkelrote Bereich unterhalb der Wärmerückgewinnung muss noch aufgeheizt werden.

Probe:

Beispiel (mit WRG):

Ergebnis:

Die Auswertung der Lüftungsgradstunden mit WRG und 71 % Wärmerückgewinnung ergibt eine Einsparung von von rund 710.000 kWh/a. Es ist fraglich, ob bei Außentemperaturen ab –14 °C die RLT-Anlage nicht im 24 stündigen Betrieb läuft und der Betriebszeitfaktor in der Berechnung unnötig ist. Die Gebäudelast aus der Plancal berücksichtigt auch keine Wärmegewinne durch interne Wärmelasten.

Excel kann für die Jahresdauerlinie nach WRG keine Näherungsformel entwickeln. Deswegen wird auf eine exponentielle Näherung der Temperatur nach WRG zurückgegriffen. Die Auswirkungen auf den Flächeninhalt sollten gering ausfallen.

Ab einer Temperatur von 0 °C reicht die WRG vollständig aus, um 18 °C Zuluft bereitzustellen.

Insgesamt wird die Heizung der Luft nur ca. 510 Stunden im Jahr benötigt. Hinzu kommt aber auch noch die Hochleistungszeit, wenn das WRG im Winter enteist werden muss. Außerdem kommen die Stunden hinzu, die zur Kompensation der Wärmeverluste über die Gebäudehülle erforderlich sind.

Abbildung 40 Jahresheizbedarf des Kessels

Kühlung

Kühlgradstunden sind das Produkt zwischen Kühlstunden und der Temperaturdifferenz zwischen Außenluft und Zuluft.

Abbildung 41 Jahresdauerlinie der Temperatur für Hamburg-Fuhlsbüttel

Der Flächeninhalt von der gewünschten Grenztemperatur mal den Stunden der zu kühlenden Außentemperatur ergibt die Kühlgradstunden in Kelvinstunden pro Jahr (Kh/a). Die Energiebedarf mindernde Wirkung des WRG kann vernachlässigt werden (Abbildung 39).

Um eine integrierbare Kurve zu erhalten, kann die Grenztemperatur zur Vereinfachung dem Koordinatenursprung entsprechen. Dazu die Kühlgrenztemperatur minus der Außentemperaturen mit der Summenhäufigkeit antragen.

Mithilfe der Excel Trendlinie wird eine Näherungsformel für den Graph angezeigt. Wird diese integriert von der Kühlgrenztemperatur bis zur höchsten Temperatur, entspricht der Flächeninhalt den Kühlgradstunden.

Tabelle 23 Werte für die Kühlgradkurven für Hamburg-Fuhlsbüttel [17]

ta Summenhäufigkeit 16-ta 18-ta 16-ta
°C h °C °C °C
37 0,1 -21 -19 -17
36 0,3 -20 -18 -16
35 0,5 -19 -17 -15
34 1,3 -18 -16 -14
33 3,5 -17 -15 -13
32 6,9 -16 -14 -12
31 12,1 -15 -13 -11
30 21,7 -14 -12 -10
29 36,3 -13 -11 -9
28 57,9 -12 -10 -8
27 86,9 -11 -9 -7
26 123 -10 -8 -6
25 173 -9 -7 -5
24 236 -8 -6 -4
23 315 -7 -5 -3
22 407 -6 -4 -2
21 522 -5 -3 -1
20 677 -4 -2 0
19 866 -3 -1
18 1.104 -2 0

Abbildung 42 integrierbare Kurven der Kühlgradstunden mit Näherungsformeln

Abbildung 43 Potenzregel, Papula 1 Seite 419 [28]

Beispiel Integration:

Tabelle 24 Kühlgradstunden für Hamburg-Fuhlsbüttel (Referenzklima Wolfenbüttel, siehe 4.3.2)

Kh/a Kd/a
Kühlgrenztemperatur 20 2.337,57 97,4
Kühlgrenztemperatur 18 4.398,39 183,3 Kühlgradtage (18 °C Grenztemperatur) für Berlin mit 170 Kd angegeben [26].
Kühlgrenztemperatur 16 6.700,32 279,18
Kühlgrenztemperatur 16 mit Adiabatik 3.734,4 153,2

Formel 28 Jahreskühlenergiebedarf [24]

Massenstrom des zu kühlenden Mediums, in kg/s

spezifische Wärmekapazität des Mediums (cLuft bei 1 bar = 1,006), in kJ/(kg*K)

Betriebszeitfaktor

Kühlgradstunden, in Kh/a

Die Jahreskälteenergie ist dementsprechend:

Beispiel RLT 1:

Abbildung 44 Jahreskühlbedarf der Kälte-Anlagen

Jahreskühlbedarf mit Adiabatik

Die mittlere Ablufttemperatur im Sommer beträgt 24,3 °C. Ab 19 °C Außentemperatur muss die Luft zusätzlich der Raumlast gekühlt werden. Die Temperatur nach der Adiabatik wird mit 18 °C angenommen.

Abbildung 45 Jahresdauerlinie Sommerauslegung mit Adiabatik

Abbildung 46 integrierbare Kurven der Kühlgradstunden mit Näherungsformel der adiabatischen WRG bis 18 °C

Die Näherungsformel als Exponentialfunktion lautet:

Oder die Näherungsformel zu Abbildung 47:

Es gilt die Fläche zwischen der Temperatur nach WRG mit Adiabatik (t-WRG+Adia) und der y-Achse bei 0 °C (eigentlich 16 °C Abbildung 47) von der Fläche zwischen der Außentemperaturkurve und der y-Achse abzuziehen. Dazu kommt die Fläche, bei der die Adiabatiktemperatur höher als die Außentemperatur ist.

Abbildung 47 integrierbare Kurven der Kühlgradstunden bis zur Zulufttemperatur von 16 °C

Die Adiabatik kühlt bis 18 °C, wodurch 2 °C durch die Kältemaschine gekühlt werden müssen.

Vergleich der Genauigkeit:

Die Fläche 1 in Abbildung 47 müsste genauso groß sein wie die Differenz der Flächeninhalte der Kühlgrenztemperatur 18 -16 (blaue Kurve minus der orangenen Kurve) in Abbildung 42.

Mittelwert der Ergebnisse:

Beispiel RLT 1:

Abbildung 48 Jahreskühlbedarf der Kälte-Anlage mit Adiabatik

Die Kälte-Anlage muss in der Zeitspanne von Mai bis Oktober die äußeren Lasten, wie Sonneneinstrahlung kompensieren. Durch die adiabatische Abluftbefeuchtung werden nur noch ca. 55,7 % der Jahreskühlenergie gebraucht.

Befeuchtung

In diesem Kapitel wird die Wassermenge ermittelt, die durch die adiabate Befeuchtung an die Luft abgegeben wird.

Abbildung 49 Befeuchtung der Abluft für den Jahreswasserverbrauch

Im Mittel 8,5 g/kg Abluft werden mit durchschnittlich 2,5 g/kg befeuchtet.

Abbildung 50 Jahresdauerlinie des Wassergehaltes x für Hamburg-Fuhlsbüttel

Die Jahresdauerlinie des Wassergehaltes bildet den Verlauf der absoluten Feuchte und die Häufigkeit in Stunden pro Jahr. Der Raumluftzustand wird anhand der Auslegungsparameter (Abschnitt 4.3.2) für Sommer und Winter festgelegt. Daher ist die Befeuchtungsmenge von den Außenluftzuständen unabhängig. Die Adiabatik wird mit 1.102 Stunden (46 Tage) pro Jahr Betriebszeit angenommen. Der gesamte Volumenstrom beläuft sich auf 130.040 m³/h. Die folgende Berechnung kann zur überschläglichen Abschätzung verwendet werden.

Das fettgedruckte Ergebnis beinhaltet alle Kommastellen und die Befeuchtungsmenge jeder RLT-Anlage und wird für die weiteren Berechnungen verwendet.

Ebenso könnte die Wassermenge über die Befeuchtungsgrammstunden (BFGS) ausgerechnet werden. Für den Fall, dass eine Umluftbeimischung mit Abluftbefeuchtung im Winter in Betracht gezogen wird, müssen die Befeuchtungsgrammstunden neu berechnet werden.

Formel 29 Wassermenge für Befeuchtung, S. 188 [24]

Wasserdurchsatz, Befeuchtungsmenge, in m³/a

Befeuchtungsgrammstunden, in

Massenstrom, in kg/h

Betriebszeitfaktor

Beispiel:

Abbildung 51 Jahresbefeuchtungsmenge

Stromverbräuche

Der Stromverbrauch kann überschläglich anhand der SFP-Werte aus den Randbedingungen oder aus den individuellen Druckverlusten der Anlage berechnet werden. Dabei wird versucht, alle Ventilatoren, Pumpen und sonstige Hilfsenergie zu berücksichtigen.

Jede RLT-Anlage verfügt über zwei Ventilatoren, die Abluftseitig weniger Druckverlust zu überwinden haben. Das liegt an den wenigen Steuereinrichtungen (Drosselklappen). Für die Variante „minimal“ befinden sich in der Abluft keine Konditionierungseinrichtungen wie Erhitzer und Kühler. Die Abluft wird weniger gefiltert.

Der Gesamtdruckverlust der Abluft beträgt ca. 90 % der Zuluftdruckverluste bei der Variante „klassisch“. Bei der Variante „minimal“ sind es ca. 80 %.

Formel 30 Pumpenleistung, S. 83 [24]

Volumenstrom Außenluft (Zuluftseitig), in m³/h

Druckverlust Außenluft, in Pa oder N/m²

Volumenstrom Fortluft (Abluftseitig), in m³/h

Druckverlust Fortluft, in Pa

Wirkungsgrad des Gebläses / Ventilators

Beispiel 1:

Betrachtet wird der Druckverlust durch den Befeuchter, weil diese Steigerung des Ventilator-Energieverbrauches für die Wirtschaftlichkeitsberechnung benötigt wird. Die Auswertung von neun Angeboten der RLT-Anlagenhersteller ergab einen durchschnittlichen Wirkungsgrad für EC-Motoren (diese lassen sich direkt ansteuern und drehzahlregeln) von 0,6 und einen Wirkungsgrad für Drehzahlregelung mittels Frequenzumformer von durchschnittlich 0,7. Der Druckverlust durch den Befeuchter kann mit ca. 70 Pa angenommen werden, obwohl die Angaben dazu zwischen 25 und 124 Pa liegen.

Tabelle 25 Wirkungsgrade von Ventilatormotoren

Wirkungsgrad
EC-Motoren 0,6
Drehzahlregelung mittels Frequenzumformer 0,7

Leistung durch Druckverlust:

Alle vier RLT-Anlagen befördern rund 130.040 m³/h Luft.

Die Hygienebefeuchter erhöhen den wasserseitigen Druck zur Abluftbefeuchtung um 7 bar. Hygienebefeuchtung bezeichnet Sprühdüsenbefeuchter mit hygienisch aufbereitetem Wasser.

Formel 31 Pumpenleistung durch Druckerhöhung

Wasserdurchsatz, Befeuchtungsmenge, in m³/a

von der Umwälzpumpe zu überwindender Druckunterschied, in Pa

Wirkungsgrad von Umwälzpumpen (>0,4 laut „Ökodesign-Richtlinie“)

Beispiel 2 (Hygienebefeuchtung):

Insgesamt werden in allen RLT-Anlagen 455 m³ Wasser pro Jahr an die Luft weitergegeben.

Die jährliche Energie berechnet sich aus dem Produkt von Leistung mal der Betriebszeit. Im Kapitel 5.2.3 „Kühlen“ wurde die Zeit der Befeuchtung mit ca. 1.100 h/a ermittelt. Demnach ist der elektrische Mehrverbrauch durch die Adiabatik;

Alle 4 RLT anlagen laufen in der Summe zusammen 43910 h/a unter Berücksichtigung der angenommenen Öffnungen.

Stromverbrauch durch Kältetechnik

Die Kältemaschine für die Variante ohne Adiabatik mit einer Leistung von 636 kW hat eine Leistungszahl oder eine Energy Efficiency Ratio (EER) von 3,4. Die Kältemaschine mit den der Adiabatik zu ergänzenden 529 kW bringt einen EER-Wert von 3,54 mit. Es entstehen folgende Jahresstromverbräuche für die unterschiedlichen Varianten.

Der Hersteller gibt den EER-Wert an, der in der DIN V 18599-7 von 2011 nach folgender Formel errechnet wird.

Formel 32 Energy Efficiency Ratio [27]

Nennkälteleistungszahl, Energy Efficiency Ratio, in kWhKälte / kWhStrom

die Nennleistung der Kompressionskältemaschine, in kW

die elektrische Nennantriebsleistung, in kW

Vergleich zwischen interner und externer Kältemaschine mit Adiabatik

Der EER wird hier anhand der Temperaturen nach der Temperaturübertragung im Wärmetauscher mit und ohne Adiabatik berechnet. Die Werte sind dem Anhang zu entnehmen. Der Gütegrad des Verdichters wird mit 0,4 angenommen, weil die Wärmeabgabe des Motors nicht genutzt werden kann.

Formel 33 Leistungszahl mittels Temperaturen

Leistungszahl

Nutztemperatur, in K

Quelltemperatur, nach PWT, in K

Gütegrad des Verdichters, 0,4

EER: „minimal“ und „klassisch“ externe Kältemaschine

EER: „integrierte Kältemaschine mit Adiabatik“

Die durchschnittliche Temperatur abluftseitig nach WRG ist 29,7 °C. Somit verbessert sich der EER für den Sommerfall bei 32 °C Außentemperatur auf.

Es zeigt sich, dass eine integrierte Kältemaschine kein Vorteil für Warenhäuser oder Gebäude mit hohen internen Wärmequellen ist.

Formel 34 Strombedarf von Kältemaschinen

Kühlenergiebedarf in kWh/a

EER Energy Efficiency Ratio ≈Coefficient of performance, in kWhKälte / kWhStrom

Beispiel ohne Adiabatik:

Abbildung 52 Stromverbrauch durch Kühlung mit und ohne Adiabatik

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung soll durch Herausstellung der wesentlichen Unterschiede der Varianten einfach und verständlich werden.

Die Komponenten, welche in beiden Varianten zugleich vorkommen (Ventilatoren, WRG), werden nicht berechnet. Somit gilt nur der zusätzliche Befeuchter als Investition. Die daraus folgenden Mehrkosten der Betriebs- und Verbrauchskosten werden den Einsparungen der Maßnahme abgezogen.

Diese Fragen werden in diesem Kapitel beantwortet:

Ist die Stromeinsparung durch die Entlastung der Kältemaschine so groß, dass zusätzliche Kosten für Investition in Befeuchter, Wartung und Wasser getragen werden können?

Wie groß sind die Erlöserwartungen bei adiabater Abluftbefeuchtung?

Der Betreiber wünscht einen Betrachtungszeitraum von 10 Jahren, weil die Immobilie dann weiterverkauft werden könnte. Die Bank des Betreibers bietet Investitionskredite zu 2 % Jahreszins an.

Preise

Insgesamt wurden neun Anbieter verglichen. Dabei hat sich gezeigt, dass einige Lüftungsanlagenhersteller stark von den üblichen Preisen abweichen. Es empfiehlt sich also mindestens 2 Angebote zu vergleichen. Anbieter 2 stellt günstige Preise dar.

PWT Plattenwärmetauscher WB Wabenbefeuchter

Abbildung 53 Preise für RLT-Anlagen mit unterschiedlichen Ausstattungen

Anbieter 2 mit Hygienebefeuchtung beinhaltet Sprühdüsenbefeuchter mit Druckverlustarmer Aerosolbarriere. Zudem kommt eine günstige Umkehrosmose-Anlage hinzu. Mit diesem System ist es möglich in Verbindung mit Umluftbeimischung die Zuluft zu befeuchten. Die Wartungskosten der Befeuchtung sinken. Die Bedarf- bzw. Verbrauchskosten steigen um das Enthärtersalz und die Druckerhöhung. In diesem Fall sind die Wabenbefeuchter, ungewöhnlicher Weise etwas teurer als die Düsenbefeuchter.

Kapitalgebundene Kosten

Kapitalgebundene Kosten sind die Investition und dessen Restwert. Wenn durch die Betrachtete Investition eine Andere Investition niedriger Ausfällt, kann dieser Betrag von der Investition abgezogen werden.

Einsparung durch eine Kältemaschine

Durch die thermische Befeuchterleistung kann eine Kältemaschine mit geringerer Leistung ausgewählt werden. Aus der RLT Auslegung des Kapitels 4.3.7 gehen folgende Auslegungsleistungen hervor.

Abbildung 54 Einsparung durch kleinere Kältemaschine

Dieser Betrag kann von den Mehrkosten durch adiabatische Varianten abgezogen werden. Es handelt sich nicht um eine Einnahme, aber um einen sogenannten fiktiven Erlös. Die Kältemaschinen haben laut Herstellerangaben einen unterschiedlichen EER-Wert. Das wirkt sich zusätzlich auf die Jahresstromkosten aus (Kapitel 5.2.5).

Restwert

Ist die Nutzungsdauer einer Anlage länger als der Betrachtungszeitraum, so muss der Restwert von den kapitalgebundenen Kosten abgezogen werden. Die Preissteigerung wird mit 1 bis 1,5 % angenommen.

Abbildung 55 Berechnung des Restwertes ohne Ersatzbeschaffung

Im umgekehrten Fall, wenn die Nutzungsdauer kürzer ist als der Betrachtungszeitraum, kann der einmalige oder mehrfache Ersatz der Anlagenkomponente zu den Investitionskosten addiert werden. Stimmen Austausch und letzte Nutzungsdauer nicht überein, wird der Restwert des letzten Austausches wieder abgezogen.

Abbildung 56 Berechnung des Restwertes mit Ersatzbeschaffung (informativ)

Betriebsgebundene Kosten

Betriebsgebundene Kosten sind Kosten die zur Wartung, Instandhaltung und zur Bedienung der Betrachteten Komponente (Luftbefeuchter) anfallen.

In der VDI 6025 gehören die Instandhaltungskosten zu den kapitalgebundenen Kosten, obwohl diese anders als die Investition preisdynamisch berechnet wird. In der VDI 2067 gelten die Instandhaltungskosten als betriebsgebundene Kosten. Grundsätzlich werden die jährlichen Zahlungen sowohl mit dem Annuitätenfaktor des Jahres, als auch den Preissteigerung berücksichtigenden Barwertfaktor multipliziert.

Für die Variante „klassisch“ sind Wabenbefeuchter vorgesehen. Die Wartungs- und Inspektionskosten für Wabenbefeuchter sind etwas günstiger als die von Sprühbefeuchtern. In der VDI 2067-1 werden Faktoren mit 3 % für Instandhaltung und 4 % für Inspektion angegeben [28]. Die Wartung für die Abluftbefeuchtung nach Herstellerangaben kosten 700 € pro Anlage und Jahr, also 2.800 €/a.

Abbildung 57 Nutzungsdauern und Faktoren für Wartung und Instandhaltung nach VDI 2067 [28]

Beispiel:

AIN=A0*(fINST+fW+Insp)

Von der Investitionssumme werden der Restwert und die Einsparung durch die kleinere Kältemaschine abgezogen. Dadurch bleibt eine Mehrinvestition von 30.295 € übrig.

Abbildung 58 kapitalgebundene Kosten nach VDI 2067

Zur Veranschaulichung werden die Werte aus der DIN mit denen der VDI verglichen.

In der DIN EN 15459-1: 2014 geht es um „Heizungsanlagen und wasserbasierte Kühlanlagen in Gebäuden“ und um die „Wirtschaftlichkeitsberechnung für Energieanlagen in Gebäuden“ [29]. Aus dieser Norm geht die Lebensdauer für Komponenten rund um Gebäude hervor. Wasserbetriebene Luftbefeuchter bedürfen demnach 6 % der Investitionskosten für die Instandhaltung. Gleichermaßen ist die rechnerische Nutzungsdauer oder Lebensdauer auf zehn Jahre beschränkt, was den Restwert des Befeuchters vermindert.

Hier ein Ausschnitt der für das Projekt relevanten Daten.

Tabelle 26 Lebensdauer und Instandhaltungskosten von RLT-Komponenten (informativ) [29]

Komponente Lebensdauer (Jahre) Instandhaltungskosten

(% der Anfangsinvestition)

Klimaanlagen 15 4
Lufterhitzer/-kühler 17 2
Luftleitungen Kanäle 30 6
Ventilatoren mit VVS 20 4
Wärmepumpe 17,5 3
WRG-Einrichtung (statisch) 20 4
Wasserbetriebene Luftbefeuchter 10 6

Es werden die Angaben aus der VDI 2067 weiterhin verwendet.

Bedarfsgebundene / verbrauchsgebundene Kosten

Bedarfsgebundene Kosten sind alle regelmäßig aufkommenden Zahlungsausgänge aus Energie- und Ressourcenverbräuchen (Strom und Wasser).

Aus dem Kapitel 5.2.4 geht eine Wassermenge durch Abluftbefeuchtung von insgesamt ca. 455 m³ pro Jahr hervor. Hinzu kommen die Spülmengen durch den 24 stündigen Abschlämmvorgang. Die Wanne unter dem Befeuchter wird dabei entleert. Die Befeuchtung wird 1.102 Stunden pro Jahr eingesetzt. Das sind 46 Tage. Der Wanneninhalt ist gewöhnlich kleiner als 100 Liter. Viereinhalb Kubikmeter Trinkwasser werden pro Jahr zusätzlich benötigt. Multipliziert man diese Wassermenge mit den Wasserpreisen aus Kapitel 2.4 erhält man die jährlichen Kosten. Die Kosten für das Befeuchtungswasser setzen sich aus Trinkwasser- und Abwasserkosten von jeweils 1,85 € pro Kubikmeter zusammen.

Tabelle 27 Verbrauchskosten

Wasserverbrauch 455 m³/a Stromverbrauch 19329 kWh/a
Abschlämmung 4,5 m³/a Strompreis 0,286 €/kWh
Wasser+Abwasser 3,70 €/m³ Stromkosten 5528 €/a
Wasserkosten 1700 €/a Verbrauchskosten 6378 €/a

Der Befeuchter erzeugt zusätzlichen Druckverlust, wodurch der Ventilator mehr Strom benötigt. Die Leistungssteigerung wurde in dem Kapitel 5.2.5 mit 3,6 kW berechnet. Dieser Druckverlust muss während der gesamten Betriebszeit der Anlage überwunden werden.

Abbildung 59 zusätzliche Stromkosten durch Adiabatik

Die daraus resultierenden Stromkosten belaufen sich auf 5.528 €/a. Die Preissteigerung für die Verbrauchsgebundenen Kosten wird Anhand der Stromkostenpreissteigerung auf 2,84 % festgelegt.

Erlös / Einsparung

Unter dem Kapitel 5.2.5 „Stromverbrauch durch Kältetechnik“ werden die Stromkosteneinsparungen durch die Adiabatik ermittelt und als Erlös der Wirtschaftlichkeitsberechnung betrachtet. Wie in Abbildung 63 in der schwarz hinterlegten Formel der Gesamtannuität zu sehen ist, sind Erlöse positiv und Kosten sind negativ.

Tabelle 28 Stromkostenersparnis durch Adiabatik

Einsparung: Kältemaschine 48.117,72 kWh/a
Strompreis 0,286 €/kWh
Stromerlös 13.762 € /a

 

Ergebnisse

Ob die BAFA die Anlage fördert, ist in dieser Planungsphase noch ungewiss. Der Gewinn würde um die Förderungssumme und die entfallenden Zinsen steigen. Gesetzt den Fall die Förderung würde 25 Prozent der Netto Investitionskosten der Kältemaschine betragen, würde der Gewinn auf 16.000 € steigen.

Der Kredit ohne Förderung wird mit gleichmäßigen Raten nach der Annuitätenmethode berechnet. Die Zinslast sinkt, die Tilgung wird größer bis der Kredit inklusive der Zinsen abgezahlt ist.

Abbildung 60 Zeitlicher Verlauf des Kredites

Jedes Jahr werden 3.373 € an die Bank gezahlt. Insgesamt zahlt der Investor in Zehn Jahren 3.431 € Zinsen an die Bank. Darüber hinaus spart der Investor 15.603 € Stromkosten pro Jahr.

Wie in Abbildung 61 ersichtlich ist, entsteht ein Gewinn von 5.468 € zum Ende der Betrachtungszeit. Ab dem elften Jahr entfällt die Abtragung der Schuld und die Einnahmen steigen um 2.766 €. Ganz oben sind die kumulierten, das heißt die aufaddierten Zahlungseingänge und ganz unten die kumulierten Zahlungsausgänge dargestellt. Die Beträge in hellblau über dem Nullpunkt sind die Differenz der Zahlungsein- und -ausgänge. Diese Differenz entspricht der Einsparung zum jeweiligen Zeitpunkt oder Jahr.

Abbildung 61 Kumulierte Zahlungs- Ein- und Ausgänge, (Preissteigerung für Strom von 2,86 Prozent)

Die Abschätzung der Amortisationsdauer nach VDI 6025 beträgt 9,3 Jahre.

Formel 35 Amortisationszeit TA [30]

Investitionsbetrag, in €

Zinfaktor, q=(1+i) mit dem Zins i, in %

mittlere Preissteigerung, -änderung, in %/100

Preissteigerung der kapitalgebundenen Kosten, in %/100

Erlös/Einzahlung, in €/a

Verbrauchsgebundene Auszahlung der ersten Periode, in €/a

Betriebsgebundene Auszahlung der ersten Periode, in €/a

Beispiel:

Die Werte der Preissteigerung gehen aus Kapitel 2.4 und die Auszahlungen gehen aus Abbildung 61 unter kumulierte Kosten für Wartung und Verbrauch hervor. Trägt man den Kapitalwert dieser Investition mit steigendem Zins in ein Diagramm erhält man einen derartigen Graphen.

Abbildung 62 Verlauf des Kapitalwerts K in Abhängigkeit vom Kalkulationszinsfuß i [30]

Wie in der obigen Abbildung zu sehen ist, ist die Investition nach der Kapitalwertmethode ab einem Zins von über 3 % nicht mehr wirtschaftlich. Die Annuität wäre schon ab 3,2 % nahezu Null. Eine Erhöhung der Preissteigerung für Strom auf z.B. 4,9 % nach Tabelle 7 hat positive Auswirkungen auf eine Gesamtannuität von ca. 2.500 €. Auch die Amortisationsdauer geht auf 8 Jahre zurück. Die Annuität beschreibt eine jährlich gleichbleibende Zahlung über einen Zeitraum. Sie wird nach den Formeln in Abbildung 63 berechnet und ergibt eine jährliche Zahlung von 546 €/a oder 5.468 € in 10 Jahren.

Abbildung 63 Annuitätsberechnung

CO2 Bilanz

Abbildung 64 CO2 Bilanz

In diesem Kapitel soll ausgerechnet werden, wieviel CO2 –Einsparung durch die adiabatisch unterstützte Kältemaschine entsteht. Dabei wird die unterschiedliche Füllmenge mit Kältemittel als Teil des äquivalenten Treibhauseffektes berücksichtigt. Die Leckage des Kältemittels während des Betriebs der Anlage und die Rückgewinnung des Kältemittels werden mit dem Treibhauspotential von R134a von 1.430 kg CO2 Äquivalent als Emission ermittelt. Das Befeuchtungswasser muss vom Versorgungsunternehmen aufbereitet und übergeben werden. Dazu wird elektrischer Strom von Pumpen und Hilfsmotoren benötigt. Die Wassergewinnung aus dem Erdreich, die Wasseraufbereitung und die Wasserverteilung bis zum Befeuchter sind eingerechnet.

Der deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches (DVGW) hat in der Forschungsstelle der technischen Universität Hamburg einen Stromverbrauch pro m³ Trinkwasser zwischen 0,18 und 0,96 kWh/m³ ermittelt. Es kann von ca. 1 kWh je Kubikmeter Trinkwasser ausgegangen werden. [31]

Der größere Stromverbrauch der Ventilatoren wird mit demselben Primärenergiefaktor oder kumulierten Energieverbrauch (KEV) sowie mit dem CO2-Äquivalent für Netzstrom in Deutschland der GEMIS Datenbank 2015.

GEMIS steht für Globales Emissions-Modell integrierter Systeme. Diese Datenbank wird von der IINAS GmbH – Internationales Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und -strategien kostenlos zum Herunterladen angeboten. Der Betrachtungszeitraum wird auf zehn Jahre beschränkt.

Während der Betriebszeit werden 383 Tonnen CO2 eingespart. Das entspricht dem CO2-Ausstoß eines kleinen Autos während 85 Weltumrundungen. Es fällt auf, dass der Kältemittel-Mengenunterschied von 12 kg wenig Auswirkung zeigt. Der Anteil an Treibhauspotential durch die Wasserbereitstellung ist mit 6 Tonnen CO2 sehr gering. Der CO2 Ausstoß kann um 24 % reduziert werden.

Abbildung 65 CO2 Bilanz der Adiabatik

Formel 36 Total Environmental Warming Impact, der gesamte äquivalente Treibhauseffekt [32]

der gesamte äquivalente Treibhauseffekt, in kg CO2

Global Warming Potential, Treibhauspotential bezogen auf CO2 (1.430 kgCO2 [33])

die Leckage, in Kilogramm pro Jahr, kg/a (ca. 1% [34])

die Betriebszeit der Anlage, in Jahren, a

Kältemittel-Füllmenge, in kg (aus Herstellerangaben [33])

der Faktor für Rückgewinnung / Recycling (ca. 75 % [34])

die Energieaufnahme, in kWh/a

die CO2-Emmission, in kg/kWh (KEV 0,532 [35] GEMIS)

Abbildung 66 Mengen und Faktoren der CO2-Bilanz

Der kumulierte Energieverbrauch (KEV) wird in kWhPrimär / kWh angegeben. Das CO2-Äquivalent von 0,532 kg/kWh betrifft den lokalen Strom 2015 nach GEMIS. Darin enthalten sind Methan CH4 und Stickoxid N2O die zur Herstellung des Stroms emittiert werden. Wenn nur die TEWI-Werte ohne Hinzunahme der CO2 erzeugenden Parameter verglichen ist eine Einsparung um 42 % das Ergebnis.

Fazit

Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wird nicht mit dem Ziel durchgeführt, das Ergebnis zu beschönigen. Stattdessen werden realistische oder auch schlechteste Werte angenommen, um sicherzustellen, dass die Wirtschaftlichkeit auch unter widrigsten Bedingungen gewährleistet werden kann. Die Wirtschaftlichkeit kann durch folgende Parameter wesentlich beeinflusst werden.

Tabelle 29 Parameter der Wirtschaftlichkeitsberechnung für RLT-Anlagen

Parameter Beschreibung
Zins Der Zins beeinflusst die jährlichen Gewinne. Ist der Zins hoch, bekommt die Bank die Einnahmen oder Einsparungen der Investition. Der Zins darf nicht über 3 % steigen. (Abbildung 62)
Druckverluste Druckverluste sind zusätzliche Unkosten. Der Ventilator, der die erforderliche Luft befördert, muss die zusätzliche Komponente überwinden. Der Planer sollte die Komponente mit dem höchsten Wirkungsgrad und dem geringsten Druckverlust bevorzugen.

Die Ausnutzung des Befeuchters sollte vergrößert werden. Wenn es möglich ist, die Komponente (Befeuchter) während der Stillstandszeiten aus der RLT-Anlage zu entfernen, sinken die Kosten stark.

Strompreissteigerung Ist die Strompreissteigerung hoch, wirkt sich die Ersparnis positiv auf die Investition aus.

Durch die Adiabatik wird Kühlleistung des Kompressors und somit elektrischer Strom eingespart. Somit liegt der Großteil der Zahlungen aufgrund des Strombedarfs auf der Gewinnseite.

Preissteigerung Der Überschuss oder Gewinn entstünde bei gleichen Ein- und Auszahlungen daraus, dass die Preissteigerung von Strom größer als die Inflationsrate ist. Die Wartungskosten steigen weniger als die Stromeinsparungen.
Kühlgradstunden mit und ohne Adiabatik Die Differenz der Energieverbräuche anhand der Gradtagzahlen ergibt die Einsparung. Je größer die Einsparung, umso besser ist die Wirtschaftlichkeit.
BAFA Förderung Die Förderung bestimmt die Kredithöhe. Die verminderten Investitionskosten senken den Gesamtbetrag der Zinsen. Dadurch steigt der Gewinn zusätzlich zur eigentlichen Förderung.

Die Wirtschaftlichkeitsberechnung zeigt, dass es sich nicht um eine besonders gewinnbringende Investition handelt. Ist der Investor liquide, kann die Investition einer Kapitalanlage mit mindestens 2 Prozent Zins betrachtet werden. Die Motivation sollte von dem positiven Phänomen der adiabatischen Kühlung und langfristig wirtschaftlichen Gedanken getragen werden oder von der Förderung. Immerhin wird durch die Adiabatik Strom der Kältemaschine im Wert von 14.000 Euro pro Jahr eingespart und dies nur mit der Verwendung von Wasser. Weniger Kältemittel muss produziert werden und weniger gerät in die Umwelt. Die adiabatische Kühlung kann mit 24 % CO2 Emissionseinsparung auch vom Nachhaltigkeitsgedanken getragen werden.

Umluftbeimischung

In Räumen ohne interne Belastung (Gerüche) der Luft ist die Umluftbeimischung theoretisch möglich. Ein einziger Wabenbefeuchter kann Abluft im Sommer kühlen und Zuluft im Winter befeuchten. Bei vergleichbaren internen Lasten entsteht kein Nacherwärmungsbedarf. Dies geschieht mittels Rotationswärmetauschern die Feuchte übertragen. Rotationswärmetauscher sind günstiger. Die Einsparung kann die zusätzlich erforderliche Wasseraufbereitung und Jalousieklappen leicht ausgleichen. Allerdings bleiben die betriebsgebundenen Kosten für Salz und Wartung der Osmose-Anlage. Zudem kommen die erhöhten Stromverbräuche für optionale Sprühdüsenbefeuchter, welche unter 5.2.5 Beispiel 2 berechnet sind, hinzu. Die Nutzungsdauer der Adiabatik würde verlängert, was die ganzjährigen Druckverluste über die Adiabatik rechtfertigen kann.

Gebäudehülle

Es ist möglich bei der Revitalisierung von Warenhäusern, einen Großteil der Konstruktion umzugestalten, so dass das neue Gebäude mit wenig Kapitalaufwand den zeitgemäßen Anforderungen genügt.

Begriffe und Abkürzungen

Begriff Definition Quelle
revitalisieren Ein Bestandsgebäude welches den zeitlichen Anforderungen nicht erfüllt wieder nutzbar gestalten. Dazu gehören insbesondere die technischen Anlagen, die Gebäudehülle, dessen Energieeffizienz und die räumlichen Gegebenheiten. Synonyme sind: wieder funktionsfähig machen, wieder instand setzen, renovieren, aufmöbeln, erneuern, sanieren, überholen.
Ankermieter Haupt- oder Großnutzer einer gewerblichen Immobilie. Der Begriff wird vorzugsweise im Zusammenhang mit Einzelhandelsimmobilien und Einkaufzentren verwendet, bei denen der Ankermieter der Kundenfrequenzbringer für das gesamte Objekt ist. Ankermieter haben strenge Anforderungen an die Immobilien, die der Investor erfüllen muss, damit die Nebennutzer ebenfalls Interesse haben die Immobilie zu beziehen.
Annuität Regelmäßig wiederkehrende gleich hohe Zahlungen z.B. Jahresrate der Tilgung und Verzinsung eines Kredites. VDI 2067-1
Rechnerische Nutzungsdauer Zeitraum der Nutzung einer Komponente (z.B. Garantiezeitraum). Die rechnerische Nutzungsdauer (TN) ist ein Erfahrungswert und ist beendet, wenn Reparatur und Instandhaltung in keinem vertretbarem Verhältnis zu einer Neuanschaffung stehen. VDI 2067-1
Plancal Plancal Nova, die Software im Bereich der Gebäudetechnik, welche sowohl den CAD- wie auch den Berechnungsbereich für alle Gewerke abdeckt. Berechnungen für U-Wert, Heizlast, Heizkörperauslegung, Fußbodenheizung, Rohrnetz Heizung, Rohrnetz Trinkwasser, Luftkanalnetz, Kühllast. Homepage
Adiabatik/ adiabatische Befeuchtung Bezeichnet den Vorgang der Wasseraufnahme der Luft ohne latentem Energieaustausch.
Kann z.B. durch Versprühen oder Verdunsten von Wasser hervorgerufen werden.
Je Gramm in der Luft aufgenommenen Wasser sinkt die Temperatur um ca. 2,5 °C. Dieses Phänomen ist auch unter der sogenannten Verdunstungskälte bekannt.
Abkürzung Bedeutung Quelle
BGF Brutto-Grundfläche: Gesamtfläche aller Grundrissebenen DIN 277-1, 2015
BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
BRI Brutto-Rauminhalt: Gesamtvolumen des Bauwerks DIN 277-1
CCD Cooling Design Days VDI 2078, 2012
CDP Cooling Design Period VDI 2078, 2013
EEG Gesetz für den Vorrang erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetzt)
EER Nennkälteleistungszahl (Energy Efficiency Ratio) in kW/kW DIN V 18599-7
EnEV Energieeinsparverordnung
GWP Global Warming Potential, Treibhauspotential
H1, H2… Wärmerückführungsklasse DIN EN 13779
HEPA High Efficiency Particulate Air Filter DIN EN 13779
JVBS Jahresvollbenutzungsstunden
MÜE Mieterübergabeeinrichtung
NiWo Nichtwohngebäude
PPD predicted percentage of dissatisfied, Prozentsatz an Unzufriedenen DIN EN ISO 7730
ppm Parts per Million
PWT Plattenwärmetauscher
RLT Raumlufttechnik
RWT Rotationswärmetauscher
SFP spezifische Ventilatorleistung DIN EN 13779
TRY Testreferenzjahr VDI 2078, 2014
VVS Variabler Volumenstrom
WB Wabenbefeuchter
WDVS Wärmedämmverbundsystem
WRG Wärmerückgewinnung

Verzeichnisse

Literaturverzeichnis

[1] iandus Objektgesellschaft Wolfenbüttel GmbH & Co. KG, Planungsbüro für Handelsimmobilien und Warenhäuser, D. A. E. Schlensok, Hrsg., Düsseldorf, 2015.
[2] EnEV, „Energieeinsparverordnung,“ 2013.
[3] EEWärmeG, „Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneueubare-Energien-Wärmegesetz),“ 2014.
[4] BMWi, „Bundesministerium für Wirtschaft und Energie,“ [Online]. [Zugriff am 20 07 2015].
[5] BAFA, „Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle,“ [Online]. Available: http://www.bafa.de. [Zugriff am 20 07 2015].
[6] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN 13779, Lüftung von Nichtwohngebäuden,“ 2007.
[7] Verein Deutscher Ingenieure e.V., „VDI 2082, Verkaufsstätten,“ 2010.
[8] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN 15251, Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung,“ 2012.
[9] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN ISO 7730, thermische Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes,“ 2006.
[10] Deutsches Institut für Normung e.V., „prEN 13779,“ 2005.
[11] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN V 18599-10, Nutzungsrandbedingungen, Klimadaten,“ 2011.
[12] BMVBS, BBSR, „Fortschreibung der Nutzungsrandbedingungen für die Berechnung von Nichtwohngebäuden,“ 2009.
[13] Bundes-Immisionsschutzgesetz, „TA-Lärm,“ 1998.
[14] Verein Deutscher Ingenieure e.V., „VDI 6022, Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen,“ 2011.
[15] Verein Deutscher Ingenieure e.V., „VDI 3803-3, Raumlufttechnik, Geräteanforderungen,“ 2014.
[16] Herstellerverband Raumlufttechnische Geräte e.V, „RLT-Richtlinie 01,“ 2014.
[17] Verein Deutscher Ingenieure e.V., VDI 4710 Blatt 3, Meteorologische Grundlagen für technische Gebäudeausrüstung, 2011.
[18] Verein Deutscher Ingenieure e.V., VDI 2078, Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume, 1996.
[19] Institut für Luft- und Kältetechnik, „ILK Dresden,“ [Online]. Available: http://www.ilkdresden.de/hxdia. [Zugriff am 10 07 2015].
[20] Anton Schweizer, „schweizer-fn,“ [Online]. Available: http://www.schweizer-fn.de. [Zugriff am 26 08 2015].
[21] Klingenburg GmbH, „Übersicht Rotoren,“ [Online]. Available: http://www.klingenburg.de/fileadmin/user_upload/germany/Downloads/ROTOR/klingenburg_QuickGuide_de.pdf. [Zugriff am 21 09 2015].
[22] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN 4710, Statistiken meteorologischer Daten zur Berechnung des Energiebedarfs von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland,“ 2003.
[23] Recknagel, Sprenger, Schramek, Heizung- und Klimatechnik, Oldenbourg Industriverlag GmbH, 2014.
[24] H. Jüttemann, Wärmerückgewinnung in lüftungstechnischen Anlagen, Bd. 13, Karlsruhe: C.F. Müller, Karlsruhe, 1977.
[25] L. Papula, Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler, Band 1, 11. verbesserte und erweiterte Auflage 2007 Hrsg., Bd. 1, Wiesbaden: Vieweg+Teubner Verlag, 2008.
[26] Dirk Bohne, Technischer Ausbau von Gebäuden und nachhaltige Gebäudetechnik, 10., aktualisierte Auflage, ©. S. F. Wiesbaden, Hrsg., Stuttgart: Springer Vieweg, 2014.
[27] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN V 18599-7, Endenergiebedarf von Raumlufttechnik- und Klimakältesystemen für den Nichtwohnungsbau,“ 2011.
[28] Verein Deutscher Ingenieure e.V., „VDI 2067 Blatt 1, Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen,“ 2012.
[29] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN 15459-1, Wirtschaftlichkeitsberechnungen für Energieanlagen,“ 2014.
[30] Verein Deutscher Ingenieure e.V., VDI 6025, Betriebswirtschaftliche Berechnungen für Investitionsgüter und Anlagen, 2012.
[31] Deutscher Verein des Gas- und Wasservaches, „DVGW, Energiekennzahlen,“ [Online]. Available: http://www.dvgw-bw.de/fileadmin/landesgruppen/Baden-Wuerttemberg/Vortraege/Energiekennzahlen_Plath_pdf.pdf. [Zugriff am 20 09 15].
[32] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN 378-1, Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen – Teil 1: Grundlegende Anforderungen, Begriffe, Klassifikationen und Auswahlkriterien,“ August 2012.
[33] Trane, Ingersoll Rand, „Trane Belgium,“ [Online]. Available: http://www.tranebelgium.com/files/product-doc/61/de/RTAF-SLB001-DE-0615.pdf. [Zugriff am 20 09 15].
[34] ChemKlimaschitzV, Chemikalien-Klimaschutzverordnung, „Verordnung zum Schutz des Klimas vor Veränderungen durch den Eintrag bestimmter fluorierter Treibhausgase,“ 2008.
[35] Internationales Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und -strategien, „IINAS,“ [Online]. Available: http://www.iinas.org/gemis-download-de.html. [Zugriff am 20 09 15].
[36] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN 12831, Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast,“ 2003.
[37] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN 12831-1, Raumheizlast,“ 2014.
[38] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN ISO 13370, Wärmeübertragung über das Erdreich,“ 2008.
[39] Verein deutscher Ingenieure e.V., „VDI 2050, Anforderungen an Technikzentralen: Technische Grundlagen für Planung und Ausführung,“ Düsseldorf, 2013.
[40] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN V 4108-6, Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden,“ 2003.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Bestandsgebäude (Rosa), Neubau (Blau), links Parkhaus, rechts Verkaufsräume EG ©iandus [1] – 7 –

Abbildung 2 Technikräume im Dachgeschoss ©iandus [1] – 9 –

Abbildung 3 Preissteigerung in Deutschland – 13 –

Abbildung 4 Entwicklung von Energiepreisen [4] – 14 –

Abbildung 5 Flowchart Energiekonzept „minimal“ – 27 –

Abbildung 6 Anlagenschema „minimal“ – 28 –

Abbildung 19 h,x-Diagramm Variante „minimal“, links Winter, rechts Sommer [34] – 28 –

Abbildung 8 Anlagenschema „klassisch“ – 30 –

Abbildung 9 Anlagenschema mit integrierter Kältemaschine – 32 –

Abbildung 22 h,x-Diagramm Variante „klassisch“, links Winter, rechts Sommer [34] – 31 –

Abbildung 11 Bilanzmodell: Rot, äußere Lasten, Computerberechnung (Plancal), schwarz, interne Lasten eigene Bilanzierung – 33 –

Abbildung 12 Stundenwerte der Lufttemperatur und des Wassergehaltes von Hamburg-Fuhlsbüttel t<12 °C [17] – 35 –

Abbildung 13 Außenluftzustände – 35 –

Abbildung 14 Wärmelast der einzelnen RLT-Anlagen – 36 –

Abbildung 15 Feuchtelast der einzelnen RLT-Anlagen – 37 –

Abbildung 16 Delta h zu Delta x [19] – 38 –

Abbildung 17 h,x-Diagramm, Kühllast zu Feuchtelast, Randmaßstab – 40 –

Abbildung 18 t,h-Diagramm für die Sättigungsfeuchte, φ=1 – 41 –

Abbildung 19 Eigenschaften der Abluft nach adiabater Befeuchtung – 41 –

Abbildung 20 Befeuchter: Symbole und Zustandsänderung (h,x) – 42 –

Abbildung 21 sensible Befeuchterleistung – 44 –

Abbildung 22 Mischluftzustand RLT 1 – 46 –

Abbildung 35 Umluftbeimischung (20%) im Winterbetrieb, RLT 1 [23] Fehler! Textmarke nicht definiert.

Abbildung 24 Umluftbeimischung (30 %) im Winterbetrieb, RLT 3 [19] – 47 –

Abbildung 37 Befeuchtete Umluftbeimischung im Winterbetrieb, RLT 3 [23] Fehler! Textmarke nicht definiert.

Abbildung 38 Rotortypen von Klingenburg (Hersteller) [24] – 48 –

Abbildung 39 Umluftbeimischung (50 %) mit Abluftbefeuchtung,, Rotationswärmetauscher mit 70 % Feuchterückgewinnung [23] Fehler! Textmarke nicht definiert.

Abbildung 28 Umluftbeimischung im Sommer [19] – 49 –

Abbildung 29 optimale Umluftbeimischung im Winterfall – 49 –

Abbildung 42 Symbole: PWT und RWT, Zustandsänderung PWT in WRG (h,x) – 51 –

Abbildung 31 Symbole: PWT und RWT, Zustandsänderung RWT in WRG (h,x) – 52 –

Abbildung 32 Tautemperaturunterschreitung (Vereisungsgefahr) – 53 –

Abbildung 33 WRG mit und ohne Adiabatik, RLT 3 – 53 –

Abbildung 46 Heiz- und Kühllast (links „klassisch“, rechts „minimal“) Fehler! Textmarke nicht definiert.

Abbildung 35 Betriebsstunden tv, Betriebszeitfaktor fz (exklusive Wochenende), Teillastfaktor ft – 55 –

Abbildung 48 Jahresdauerlinie der Temperatur für Hamburg-Fuhlsbüttel Fehler! Textmarke nicht definiert.

Abbildung 49 Heizgradtage Braunschweig [33] – 56 –

Abbildung 38 Jahresdauerlinie der Temperatur für Hamburg-Fuhlsbüttel mit Flächeneinteilung – 58 –

Abbildung 51 integrierbare Kurve der Heizgradstunden mit Näherungsformeln – 58 –

Abbildung 40 Flächeninhalt zwischen zwei Kurven, Papula, Seite 476 [25] – 59 –

Abbildung 41 Jahresdauerlinie der Temperatur mit Wärmerückgewinnung – 60 –

Abbildung 54 Jahresdauerlinie der Temperatur mit Fokus auf Nacherwärmung Fehler! Textmarke nicht definiert.

Abbildung 43 Jahresheizbedarf des Kessels – 63 –

Abbildung 56 Jahresdauerlinie der Temperatur für Hamburg-Fuhlsbüttel Fehler! Textmarke nicht definiert.

Abbildung 45 integrierbare Kurven der Kühlgradstunden mit Näherungsformeln – 65 –

Abbildung 58 Potenzregel, Papula 1 Seite 419 [28] – 65 –

Abbildung 47 Jahreskühlbedarf der Kälte-Anlagen – 67 –

Abbildung 48 Jahresdauerlinie Sommerauslegung mit Adiabatik – 68 –

Abbildung 49 integrierbare Kurven der Kühlgradstunden mit Näherungsformel der adiabatischen WRG bis 18 °C – 68 –

Abbildung 50 integrierbare Kurven der Kühlgradstunden bis zur Zulufttemperatur von 16 °C – 69 –

Abbildung 51 Jahreskühlbedarf der Kälte-Anlage mit Adiabatik – 70 –

Abbildung 52 Befeuchtung der Abluft für den Jahreswasserverbrauch – 70 –

Abbildung 53 Jahresdauerlinie des Wassergehaltes x für Hamburg-Fuhlsbüttel – 71 –

Abbildung 54 Jahresbefeuchtungsmenge – 72 –

Abbildung 55 Stromverbrauch durch Kühlung mit und ohne Adiabatik – 75 –

Abbildung 56 Preise für RLT-Anlagen mit unterschiedlichen Ausstattungen – 76 –

Abbildung 57 Einsparung durch kleinere Kältemaschine – 77 –

Abbildung 58 Berechnung des Restwertes ohne Ersatzbeschaffung – 78 –

Abbildung 59 Berechnung des Restwertes mit Ersatzbeschaffung (informativ) – 78 –

Abbildung 60 Nutzungsdauern und Faktoren für Wartung und Instandhaltung nach VDI 2067 [28] – 79 –

Abbildung 61 kapitalgebundene Kosten nach VDI 2067 – 79 –

Abbildung 62 zusätzliche Stromkosten durch Adiabatik – 81 –

Abbildung 63 Zeitlicher Verlauf des Kredites – 82 –

Abbildung 64 Kumulierte Zahlungs- Ein- und Ausgänge, (Preissteigerung für Strom von 2,86 Prozent) – 83 –

Abbildung 65 Verlauf des Kapitalwerts K in Abhängigkeit vom Kalkulationszinsfuß i [30] – 84 –

Abbildung 78 Annuitätsberechnung – 85 –

Abbildung 67 CO2 Bilanz – 86 –

Abbildung 68 CO2 Bilanz der Adiabatik – 87 –

Abbildung 69 Mengen und Faktoren der CO2-Bilanz – 88 –

Abbildung 82 Nordansicht (Planungsstand 1979) Fehler! Textmarke nicht definiert.

Abbildung 83 Nordansicht (Planungsstand 2015) ©iandus [1] Fehler! Textmarke nicht definiert.

Abbildung 84 Ostansicht (Planungsstand 1979) Fehler! Textmarke nicht definiert.

Abbildung 85 Ostansicht (Planungsstand 2015) ©iandus [1] Fehler! Textmarke nicht definiert.

Abbildung 86 Westansicht mit Parkhaus (Planungsstand 1979) Fehler! Textmarke nicht definiert.

Abbildung 75 Westansicht (Planungsstand 2015) ©iandus [1] Fehler! Textmarke nicht definiert.

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Flächenübersicht des Bestandsgebäudes – 6 –

Tabelle 2 Flächenübersicht des Neubaus – 7 –

Tabelle 3 Aufteilung der RLT-Anlagen in die Technikräume – 9 –

Tabelle 4 Vereinbarte Betriebszeiten – 10 –

Tabelle 5 EnEV, Anforderungen an die thermische Gebäudehülle – 11 –

Tabelle 6 überschlägliche Dämmstärken nach EnEV – 12 –

Tabelle 7 Strompreis in 10 Jahren bei linearer Preissteigerung – 14 –

Tabelle 8 Energie und Wasserpreise der Stadtwerke Wolfenbüttel – 14 –

Tabelle 9 Spezifische Ventilatorleistung SFP [6] – 18 –

Tabelle 10 Erweiterte PSFP für zusätzliche Bauteile [6] – 18 –

Tabelle 11 Vorgaben für die Raumluftqualität IDA 2 – 19 –

Tabelle 12 Kategorien des Innenraumklimas nach DIN EN 15251 [8] – 20 –

Tabelle 13 Randbedingungen für Verkaufs-, Gastronomie, Büro und Fitnessräume – 20 –

Tabelle 14 Hygieneanforderungen an RLT-Anlagen [14] – 24 –

Tabelle 15 Energie Effizienz Klassen für Wärmerückgewinnungssysteme [16] – 25 –

Tabelle 16 Mietbereiche und RLT-Anlagen Aufteilung – 27 –

Tabelle 17 Wasseranalyse der Stadtwerke Wolfenbüttel – 31 –

Tabelle 18 Wasserqualität für Hochdruckbefeuchter, Sprühdüsenbefeuchter – 31 –

Tabelle 19 Ergebnisvergleich mit einer Anlagenauslegung – 44 –

Tabelle 20 Unterschiede zwischen regenerativen und rekuperativen WRG-Systemen – 49 –

Tabelle 21 Öffnungsstunden von Verkaufsstätten – 55 –

Tabelle 22 Ergebniszusammenstellung – 60 –

Tabelle 23 Werte für die Kühlgradkurven für Hamburg-Fuhlsbüttel [17] – 64 –

Tabelle 24 Kühlgradstunden für Hamburg-Fuhlsbüttel (Referenzklima Wolfenbüttel, siehe 4.3.2) – 66 –

Tabelle 25 Wirkungsgrade von Ventilatormotoren – 73 –

Tabelle 26 Lebensdauer und Instandhaltungskosten von RLT-Komponenten (informativ) [29] – 80 –

Tabelle 27 Verbrauchskosten – 80 –

Tabelle 28 Stromkostenersparnis durch Adiabatik – 81 –

Tabelle 29 Parameter der Wirtschaftlichkeitsberechnung für RLT-Anlagen – 88 –

Tabelle 33 Grundflächen der Räume des Gebäudes (≈ spezifische Gebäudelasten) Fehler! Textmarke nicht definiert.

Tabelle 34 Ergebnisse der Gebäudekühllast ohne interne Lasten nach Plancal Berechnungen Fehler! Textmarke nicht definiert.

Tabelle 35 Ergebnisse der Gebäudeheizlast ohne interne Lasten nach Plancal Berechnungen Fehler! Textmarke nicht definiert.

Tabelle 36 Ergebnisse der EnEV 2009 Berechnung nach Plancal Berechnungen Fehler! Textmarke nicht definiert.

Formelverzeichnis

Formel 1 spezifische Ventilatorleistung PSFP [6] (specific fan power) – 19 –

Formel 2 zur Berechnung der Heiz- und Kühllast (Variante „minimal“) – 34 –

Formel 3 zur Berechnung der Heiz- und Kühllast (Variante „klassisch“) – 34 –

Formel 4 Gesamtlast – 34 –

Formel 5 Wärmelast durch Beleuchtung, Maschinen und Personen – 36 –

Formel 6 spezifische Enthalpieerhöhung, proportional zum Zuluft Volumenstrom – 37 –

Formel 7 resultierende Enthalpie der Raumluft nach interner Erwärmung, resultierende Abluftenthalpie – 37 –

Formel 8 Resultierende absolute Feuchteerhöhung der Raumluft nach interner Feuchteabgabe – 37 –

Formel 9 Abluftfeuchte – 38 –

Formel 10 resultierende Ablufttemperatur – 38 –

Formel 11 Operative Raumlufttemperatur – 40 –

Formel 12 Näherungsformel der Feuchtkugeltemperatur bis 5 °C – 40 –

Formel 13 Näherungsformel der Feuchtkugeltemperatur von 0-25 °C – 41 –

Formel 14 Absolutdruck der Feuchtkugeltemperatur – 42 –

Formel 15 Absolute Feuchtigkeit der Feuchtkugeltemperatur – 42 –

Formel 16 Befeuchtungsgrad für adiabate Befeuchtung (ehemals Rückfeuchtzahl, Feuchteänderungsgrad) [VDI 3803-3] – 42 –

Formel 17 Befeuchterleistung – 43 –

Formel 18 sensible Befeuchterleistung – 44 –

Formel 19 Mischung von Volumenströmen – 46 –

Formel 20 Wirkungsgrad von Wärmeübertragern – 51 –

Formel 21 Feuchterückgewinnungsgrad – 52 –

Formel 22 Heizleistung – 53 –

Formel 23 Massenstrom an Warmwasser – 54 –

Formel 24 Kühlleistung – 54 –

Formel 25 Gradtagzahl [23] – 57 –

Formel 26 Lüftungsgradstunden [23] – 57 –

Formel 27 Jahres-Wärme-Bedarf [24] – 59 –

Formel 28 Jahreskühlenergiebedarf [24] – 66 –

Formel 29 Wassermenge für Befeuchtung, S. 188 [24] – 71 –

Formel 30 Pumpenleistung, S. 83 [24] – 72 –

Formel 31 Pumpenleistung durch Druckerhöhung – 73 –

Formel 32 Energy Efficiency Ratio [27] – 74 –

Formel 33 Leistungszahl mittels Temperaturen – 74 –

Formel 34 Strombedarf von Kältemaschinen – 75 –

Formel 35 Amortisationszeit TA [30] – 83 –

Formel 36 Total Environmental Warming Impact, der gesamte äquivalente Treibhauseffekt [32] – 87 –

  1. Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle, siehe Kapitel 2.5
  2. Revitalisieren: Ein Bestandsgebäude, welches den zeitlichen Anforderungen nicht erfüllt, wieder nutzbar gestalten. Dazu gehören insbesondere die technischen Anlagen, die Gebäudehülle, dessen Energieeffizienz und die räumlichen Gegebenheiten. Synonyme sind: wieder funktionsfähig machen, wieder instand setzen, renovieren, aufmöbeln, erneuern, renovieren, sanieren, überholen
  3. Haupt- oder Großnutzer einer Gewerblichen Immobilie. Der Begriff wird vorzugsweise im Zusammenhang mit Einzelhandelsimmoblien und Einkaufzentren verwendet, bei denen der Ankermieter der Kundenfrequenzbringer für das gesamte Objekt ist. Ankermieter haben strenge Anforderungen an die Immobilien die der Investor erfüllen muss, damit sich die Nebennutzer ebenfalls Interesse haben die Immobilie zu beziehen.
  4. Die Begrifflichkeiten werden im Kapitel 4 aufgegriffen
  5. „DEC bedeutet Desiccant and Evaporative Cooling und wird im Deutschen eher als Sorptionsgestütze Klimatisierung bezeichnet“ S. 1312 [27]. Sorption wird in Ad- und Absorption aufgeteilt. Sorptionsanlagen können auch Ad-, Ab- oder Resorptionskälteanlagen sein.
  6. Plancal Nova, die Software im Bereich der Gebäudetechnik, welche sowohl den CAD- wie auch den Berechnungsbereich für alle Gewerke abdeckt. Berechnungen für U-Wert, Heizlast, Heizkörperauslegung, Fußbodenheizung, Rohrnetz Heizung, Rohrnetz Trinkwasser, Luftkanalnetz, Kühllast

 

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