IGE. Entwicklung eines Verfahrens zur Ermittlung von energetischen Kennwerten für raumlufttechnische Anlagen 2. Michael Schmidt Thomas Schlosser

IGE Institut für

GebäudeEnergetik

Entwicklung eines Verfahrens zur Ermittlung von

energetischen Kennwerten für raumlufttechnische Anlagen 2

Abschlussbericht

Michael Schmidt Thomas Schlosser

Universität Stuttgart

September 2009 IGE 13-09 Das IGF-Vorhaben (15426 N) der

Forschungsvereinigung (Verein der Förderer der Forschung im Bereich Heizung, Lüftung,

Klimatechnik Stuttgart e.V. - HLK) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und –

entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

I I G G E E

Institut für

GebäudeEnergetik

Lehrstuhl für Heiz- und Raumlufttechnik

Forschungsvorhaben ENERGO 2

En twicklung eines Verfahrens zur Er ^mittlun g ^v o n Energetischen Kenn- werten für Raumlufttechnische Anlagen 2

Abschlussbericht

AiF-Vorhaben - Nr.: 15426 N

Stuttgart, 2. September 2009

Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt Dipl.-Ing. Th. Schlosser

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung...5

1.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung...5

1.2 Stand der Forschung ...6

1.3 Forschungsziel...6

1.4 Lösungsweg...8

1.5 Nutzung der Forschungsergebnisse...9

2 Berechnungsmethoden...10

2.1 Gebäudesimulation...11

2.2 Anlagensimulation ...12

2.3 Energetische Kennwerte...14

3 Nutzungsfälle und Nutzbedarf ...16

3.1 Übersicht der Nutzungsfälle...18

3.2 Einordnen und Katalogisieren der Nutzungsfälle...19

3.3 Luftvolumenströme für die Nutzungsfälle ...20

4 Berechnungen und Ergebnisse ...22

4.1 Randbedingungen und Nutzbedarf...22

4.2 Energiebedarf der Idealen Anlage ...25

4.3 Energiebedarf realer Anlagen...30

4.4 Energetische Bewertung und Gütezahlen ...32

5 Einfluss klimatischer Randbedingungen...34

6 Ergebnisse des Forschungsvorhabens im Kontext zur aktuellen Normung ...38

7 Zusammenfassung und Ausblick...40

8 Literaturverzeichnis...42

9 Anhang ...44

Formelzeichen

Formelzeichen Bezeichnung, Benennung Einheit

AFB Fußbodenfläche m²

A_Fe Fensterfläche m²

B Breite m

b Verschattungsfaktor -

cp spezifische Wärmekapazität kJ/kg K

e Aufwandszahl -

f_p,i Primärenergiefaktor -

g Gütezahl -

H Höhe m

h spezifische Enthalpie kJ/kg

L Länge m

m_0,B Referenzwasserbedarf für Befeuchten kg

m0,E Referenzwasserbedarf für Entfeuchten kg

m_0,S Referenzstoffbedarf kg

m. Massenstrom kg/s

.

m0,S stoffliche Referenzlast im Bedarfsfall kg/h

.

m0,W Referenzwasserlast im Bedarfsfall kg/h

n Luftwechsel 1/h

P elektrische Leistung kW

p Druck Pa

Q₀ Referenzenergiebedarf kWh

Q0,H Referenzenergiebedarf für Heizen kWh

Q0,K Referenzenergiebedarf für Kühlen kWh

Q. Wärmeleistung kW

.

Q0 thermische Referenzlast im Bedarfsfall kW

r Verdampfungswärme von Wasser j/kg

T absolute Temperatur K

t Zeit h

V Volumen m³

V. Volumenstrom m³/h

x absolute Feuchte kg/kg tr.

 Differenz -

 Wirkungsgrad -

 Temperatur °C

 Rückwärmezahl -

 relative Feuchte %

 Befeuchtungsgrad -

Index Bezeichnung, Benennung

0 Referenzwert (Bedarf)

1 Eintritt 2 Austritt

11 Aufwand der Luftführung

12 Aufwand des Lufttransports

AB Abluft

AU Außenluft

AU1 Außenluft nach WRG und UM

BF Befeuchter

BTR Betrieb

ges gesamt

L Luft

NTZ Nutzung

o obere

P Person/Primär

RA Raum

S Stoff/schwer

T absolute Temperatur

U Umgebung

u untere

W Wasser

ZU Zuluft

Abkürzung Bezeichnung, Benennung

EnEV EnergieEinspar-Verordnung

KVS Konstant-Volumen-Strom

kmU kleine und mittlere Unternehmen

PWÜ Platten-Wärmeübertrager

RLT Raumlufttechnisch

RWÜ Rotor-Wärmeübertrager

WRG Wärmerückgewinner

1 Einleitung

In diesem Bericht wird das Verfahren zur energetischen Bewertung von Raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) erweitert und offene Fragen aus dem Vorgängervorhaben ENER- GO 1 [19] behandelt. Es werden die Grundlagen für ein energetisches Nachweisverfahren für RLT-Anlagen im Sinne der EnEV erarbeitet. Die Ergebnisse sollen in laufende Nor- mungsverfahren eingebracht werden.

1.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung

Zur Verringerung des Energiebedarfs und des CO2 -Ausstoßes im Bereich der gebäudetech- nischen Anlagen wurden in den vergangenen Jahren Mindestanforderungen an die Gesamt- energieeffizienz von Gebäuden durch die Energieeinsparverordnung (EnEV) eingeführt. Die- se Anforderungen wurden durch eine aktuelle Überarbeitung bereits verschärft. Eine Limitie- rung des Energiebedarfs für RLT-Anlagen ist demnach notwendig. Ziel ist es, die energeti- sche Qualität der Anlagen zu sichern.

Für RLT-Anlagen sind in der neuen EnEV Teilkennwerte definiert, wie der Grad der Wärme- rückgewinnung oder die spezifische Leistungsaufnahme der Ventilatoren. Diese Kennwerte sind nur komponentenbezogen und geben keinen Vergleich, ob die vorgesehene Anlage für die geplante Nutzung energetisch sinnvoll ist. Nur mit einem systembezogenen Ansatz lässt sich die Energieeffizienz einer RLT-Anlage feststellen. Für die Bewertung einer technischen Lösung müssen demnach Vergleichswerte definiert werden. Für RLT-Anlagen gibt es aber bisher keine, wie in der Heizungstechnik übliche Kennwerte, um die Bedarfswerte ihrer Höhe nach zu beurteilen.

Es gibt verschiedene Verfahren, den Energiebedarf von RLT-Anlagen zu berechnen (VDI 2067 - 21 [4] oder DIN V 18599 [5]). Allerdings hängt dieser von vielen Faktoren, wie den baulichen und betrieblichen Randbedingungen, klimatischen Randbedingungen, den Nutzenanforderungen, der Betriebsführung, etc. ab.

Im Vorhaben ENERGO 1 werden für die Bewertung der Energieeffizienz als Kennwerte der Jahresprimärenergiebedarf der „Idealanlage“ sowie die Gütezahl der „Realen Anlagen“ fest- gelegt. Ziel ist es, Idealwerte für unterschiedliche Nutzungsfälle zu definieren. Ein Vergleich mit diesem Idealwert ergibt dann die Gütezahl der Anlage. Dies wurde in ENERGO 1 bei- spielhaft für den Fall Büronutzung durchgeführt.

Das Bewertungsverfahren soll auf zusätzliche Nutzungsfälle erweitert werden. Die Anzahl unterschiedlicher Nutzungsfälle ist sehr groß. Es wird eine Vereinfachung auf wesentliche Grundfälle erarbeitet und geprüft. Dabei soll ein einfacher „offener Katalog“ mit einer be- grenzten Anzahl repräsentativer Nutzungsfälle vorgestellt und die Kenwerte ermittelt und ausgewertet werden.

Für die Fachwelt entsteht ein einheitliches Verfahren mit dem unterschiedliche RLT-Anlagen auf ihre energetische Eignung hin überprüft und verglichen werden können. Mit den Ergeb- nissen werden die Fachleute in die Lage versetzt, mit angemessenem Aufwand einen ener- getischen Nachweis im Sinne der EnEV zu erbringen.

1.2 Stand der Forschung

In der Literatur sind eine Reihe von Ansätzen zur Berechnung des Energiebedarfs von RLT- Anlagen beschrieben. Bisherige Arbeiten zu diesem Thema wurden zu Beginn des For- schungsvorhabens ENERGO 1 analysiert und ausgewertet.

Reichert [8] beschreibt ein offenes Verfahren zur Energiebedarfsberechnung von RLT- Anlagen, bezüglich der Anlagentypen und Prozessführungen. Dieses Verfahren bildet die Grundlage der VDI-Richtlinie 2067 Blatt 21 [4]. Jahn [9] entwickelte erste Ansätze, um einen energetischen Vergleich zwischen Anlagen unterschiedlicher Prozessführung zu ziehen.

Glück [10] hat dieses fortgeführt und umfänglichere Vergleichsprozesse entwickelt. Schiller [11] hat eine Reihe von Anlagen für Büronutzungen bei unterschiedlichen baulich entwurfli- chen Randbedingungen energetisch verglichen. Rouvel et al [12] haben ein differenziertes Berechnungsverfahren für das sommerliche Gebäudeverhalten sowie Grenzkriterien für den sommerlichen Wärmeschutz beschrieben.

Der Themenkomplex Energiebedarf von Heiz- und Raumlufttechnischen Anlagen bildet an der Forschungsstelle bereits seit Jahren einen Forschungsschwerpunkt ([13], [14], [15], und [16]).

Alle vorstehenden Ansätze sind in diesem Vorhaben berücksichtigt. Sie liefern Bausteine für die anvisierte Lösung des zuvor umrissenen Problems, lösen dieses aber nicht.

1.3 Forschungsziel

Bei der Bearbeitung des Forschungsvorhabens ENERGO 1 wurde exemplarisch an einem ausgewählten Nutzungsfall ein Verfahren zur energetischen Bewertung von RLT-Anlagen entwickelt und aufgezeigt. Anschließend wurden energetische Kennwerte gebildet und diese ausgewertet.

Anforderungen an RLT-Anlagen entstehen durch ihre vorgesehene Nutzung (z. B. Sollwert- anforderungen hinsichtlich Temperatur und Feuchte). Daher ist es notwendig, energetische Kennwerte nutzenbezogen anzugeben.

Im Folgeprojekt ENERGO 2 soll die Bewertung auf eine große Zahl von Nutzungsfällen von RLT-Anlagen ausgeweitet werden. Dazu müssen Nutzenrandbedingungen ausgearbeitet, analysiert und auf ihre Plausibilität geprüft werden. Anhaltswerte liefern gängige Normen wie z. B. die DIN V 18599-T10, EN ISO 7730, DIN EN 15251, DIN EN 13779 oder auch entspre- chende Arbeitsstättenrichtlinien.

Die Vielzahl unterschiedlicher Nutzungsfälle macht eine einfache Anwendung des Bewer- tungsverfahrens schwierig. Es können zwar mit Hilfe der rechnerischen Simulation sehr viele Kennwerte erzeugt werden. Die Anwendbarkeit bleibt jedoch beschränkt. Daher wird eine Reduzierung der Nutzungsfälle auf wesentliche Fälle vorgeschlagen.

Durch eine Beschreibung der Anforderungen in Form von „physikalischen Größen“, wie z.B.

Quellstärken, Personendichten oder ähnlichem, soll der ausgearbeitete Katalog erweiterbar und offen für zusätzliche Nutzungsfälle gestaltet werden. Weitere Problemstellungen ließen sich durch eine Variation dieser „physikalischen Größen“ beschreiben.

Als ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit wird der Einfluss der klimatischen Randbedingungen untersucht. Dabei soll die Anwendbarkeit des Verfahrens auch für andere Klimate, wie z. B.

Mittelmeerklima, belegt werden. Hierzu werden diverse Wetterdaten ausgewählt unter denen RLT-Anlagen häufig zum Einsatz kommen.

Die Ergebnisse des Vorhabens sind energetische Kennwerte für Vergleichsprozesse (Ideal- prozesse), technisch realisierbare und der „Stand der Technik“ -Prozesse. Der Kennwert aus dem Vergleichsprozess ist der Zielwert bzw. Idealwert. Der Kennwert aus dem „Stand der Technik-Prozess“ ist um einen Differenzbetrag größer. Um eine Bandbreite für unterschiedli- che Anlagenausführungen zu erhalten, werden verschiedene Anlagenkonzepte für die defi- nierten Nutzungsfälle untersucht und mit dem „Idealfall“ verglichen (Gütezahl).

Bandbreite

ideale realisierbare Luftbehandlungsprozesse

heute übliche

Deckelwert

Idealwert

energetische Güte der Anlage

Bild 1.1: Ziel des Forschungsprojektes ENERGO

Durch die Vorgabe von energetischen Deckelwerten wird die Planung und Realisierung von Anlagen ermöglicht, die einen fallbezogenen, niedrigen Energiebedarf haben. Damit wird die Voraussetzung für Anlagen mit gegenüber heute niedrigerem Energieverbrauch geschaffen.

Eine energetische Bewertung von geplanten Anlagenkonzepten setzt die Kenntnis entspre- chender Ziel- bzw. Deckelwerte voraus. Diese sind der wesentliche Gegenstand des Vorha- bens.

Es entsteht für die Fachwelt ein einheitliches Verfahren, mit dem unterschiedliche RLT- Anlagen auf ihren Energiebedarf d. h. auf ihre energetische Eignung, überprüft und vergli- chen werden können. Mit den Ergebnissen, teilweise in Katalogform, werden die Fachleute in die Lage versetzt, mit angemessenem Aufwand einen Nachweis zu erbringen.

1.4 Lösungsweg

Grundlage der weiteren Betrachtungen bilden die in DIN V 18599-T10 enthaltenen Nut- zungsfälle. Somit ist ein Bezug zur aktuellen Normung hergestellt. Die enthaltenen Daten werden analysiert und mittels Literaturstudie auf Sinnfälligkeit überprüft. Mit Fachleuten aus kmU werden Diskussionen über weitere Nutzungsfälle und Nutzenrandbedingungen geführt.

Mit diesen Angaben werden die in der Norm enthaltenen Angaben überprüft und gegebenen- falls ergänzt.

Durch Zusammenfassung von Nutzungsfällen mit ähnlichen Anforderungen und Randbedin- gungen ergibt sich ein vereinfachter Katalog an Nutzungsfällen. Zu diesen „neuen Nutzungs- fällen“ werden die Energiebedarfswerte der Vergleichsprozesse und der realen Prozesse ermittelt. Die Kennwerte werden katalogisiert.

Für die Untersuchung der klimatischen Randbedingungen kommen vier verschiedene Wet- terdatensätze zum Einsatz. Das Bewertungsverfahren wird dabei an einem typischen Nut- zungsfall aufgezeigt und anschließend werden die Ergebnisse bewertet.

Die folgende Übersicht zeigt die einzelnen zu bearbeitenden Punkte.

 Literaturstudie

 Literaturstudie zu Nutzenanforderungen bei Gebäuden mit RLT-Anlagen

 Literaturstudie zu Energiebedarfswerten von RLT-Anlagen nach Stand der Technik

 Beschaffung und Analyse von Wetterdaten

 Einteilung der Nutzungsfälle

 Systematische Analyse der Raumanforderungen und Festlegen von Datentypen

 Einordnung zu Luftbehandlungsfunktionen

 Einordnung und Katalogisierung der Nutzungsfälle

 Beispiele definieren, wie z. B. Hotels, Kaufhäuser, Industriebetriebe, Labor usw.

 Berechnung der Energiebedarfswerte

 Berechnung der Vergleichsprozesse

 Berechnung der realen Prozesse

 Berechnungen bei verschiedenen klimatischen Bedingungen

 Bewertung

 Ermittlung der Aufwandszahlen und Gütegrade

 Bewertung des Einflusses der Klimarandbedingungen auf die Kennwerte

 Vorschlag von Grenzwerten

 Abschlussbericht

 Bestandsaufnahme der gesammelten Erfahrungen

 Beschreibung und Dokumentation der Rechenmodelle

 Darstellung der Ergebnisse

Das Vorhaben wird von einem wissenschaftlichen Mitarbeiter in Vollzeit bearbeitet. Das rest- liche Personal assistiert ihm dabei.

Eine regelmäßige Kontrolle und Diskussion der Ergebnisse erfolgt im Rahmen eines Projekt- begleitenden Ausschusses (PA). Dieser wird in Zusammenarbeit mit der FLT vom Vorgän- gerprojekt ENERGO 1 weitergeführt. Der PA tritt halbjährlich zusammen.

1.5 Nutzung der Forschungsergebnisse

RLT-Anlagen werden in Deutschland weit überwiegend von kmU (kleine und mittlere Unter- nehmen) geplant und errichtet. Mit diesem Forschungsvorhaben soll den Unternehmen der Raumlufttechnik ein Werkzeug an die Hand gegeben werden, das es Ihnen in einer objekti- ven Weise ermöglicht, die Notwendigkeit und damit den Einsatz von RLT-Anlagen zu prüfen.

Des Weiteren soll mittels Kennwerten die energetische Eignung einer speziellen anlagen- technischen Lösung für eine gestellte Aufgabe geprüft und gegebenenfalls sogar rückwir- kend auf die, die Anforderungen verursachenden Parameter, wie z. B. die vermeintlich not- wendigen Nutzungsanforderungen und die Eignung der entwurflichen und baukonstruktiven Randbedingungen, Einfluss genommen werden können.

Die kmU der Raumlufttechnik in Deutschland sollen auf der einen Seite die Räume und Ge- bäude thermisch funktionsfähig machen, auf der anderen Seite aber dafür möglichst keine Energie einsetzen und insbesondere keine Emissionen verursachen. Daraus entsteht eine sich immer mehr verschärfende Nachweispflicht bezüglich der energetischen Qualität der geplanten oder gebauten anlagen-technischen Lösung. Mit den Ergebnissen des Vorhabens werden die kmU in die Lage versetzt, diesen Nachweis vergleichbar, nachvollziehbar und mit angemessenem Aufwand zu erbringen. Die Wettbewerbssituation der kmU der Raumluft- technik insgesamt wird damit abgesichert.

Der Ergebnistransfer des Vorhabens in die kmU ist direkt gegeben, wenn das entwickelte Verfahren in eine künftige Norm einfließen wird. Auf diese Norm kann sich eine zukünftige, revidierte Fassung der Energieeinsparverordnung in Bezug auf den Einsatz von RLT- Anlagen stützen. Die kmU würden – im Zuge der Planung von entsprechenden Anlagen – energetische Vorgaben erarbeiten und dann anschließend – im Zuge der Realisierung – den Nachweis der Einhaltung der Vorgaben erbringen.

Die Anwendung des erarbeiten Verfahrens wird in Vorträgen, Seminaren und Veröffentli- chungen verbreitet. Die Ergebnisse fließen in die Lehre am Institut für GebäudeEnergetik ein. Der Abschlussbericht wird auf der Internet-Seite des Instituts veröffentlicht.

2 Berechnungsmethoden

Um Einsparpotentiale aufzuzeigen, ist es hilfreich, die Anlagentechnik in einzelne Systembe- reiche zu unterteilen und diese getrennt zu untersuchen. Neben den Bereichen „Verteilung“

und „Erzeugung“ definiert die VDI 2067 [4] den Systembereich der „Nutzenübergabe“.

In Bild 2.1 sind die Systembereiche „Nutzenübergabe“, „Verteilung“ und „Erzeugung“ in kli- matisierten Räumen dargestellt. Die Systemgrenze zwischen „Verteilung“ und „Nutzenüber- gabe“ ist durch die hydraulischen Anschlüsse der Anlagenkomponenten zur Luftbehandlung definiert. Im Systembereich der Nutzenübergabe wird die Außenluft konditioniert und dem Raum zugeführt. Definitionsgemäß wird die Luft so konditioniert, dass die Nutzungsanforde- rungen zu jedem Zeitpunkt erfüllt werden.

Nutzenübergabe

Verteilung

Erzeugung

Bild 2.1: Systembereiche Raumlufttechnik

Zur genaueren Analyse kann die Nutzenübergabe bei RLT-Anlagen in die folgenden, auch technisch leicht abgrenzbaren Untersysteme unterteilt werden:

 Luftführung (Luftauslass, Erfassungseinrichtungen etc.),

 Lufttransport (Ventilator, Luftkanal, Luftklappen etc.) und

 Luftbehandlung (Kühler, Erwärmer, Befeuchter, Filter etc.).

Die Verknüpfung der Untersysteme der Nutzenübergabe bei RLT-Anlagen ist in Bild 2.2 in Richtung der Bedarfsentwicklung dargestellt. Danach gelten die Bedarfswerte als Eingangs- größen und die Aufwandswerte als Ausgangsgrößen.

Bedarfsentwicklung

Anlage zur Bedarfsdeckung

Bild 2.2: Verknüpfung der Untersysteme der Nutzenübergabe bei RLT-Anlagen nach der Methode der Bedarfsentwicklung

Im Forschungsvorhaben ENERGO 1 wurde ein detailliertes Berechnungsverfahren für den Jahresenergieaufwand der Luftbehandlung und des Lufttransports sowie für die energeti- schen Kennwerte Aufwandszahl e_P und Gütezahl g für RLT-Anlagen erstellt. Im Laufe der Untersuchungen stellte sich jedoch die Aufwandszahl als ungeeignete Kennzahl für diese Betrachtungen heraus. Die Gütezahl lässt sich ebenso aus dem Primärenergieaufwand ab- leiten. Die Aufwandszahl wird im Weiteren also nicht mehr verwendet.

Die Jahresenergiebedarfswerte werden mittels rechnerischer Simulation ermittelt. Die Grund- lagen dazu finden sich im Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben ENERGO 1.

Es wird in 2 Schritten gerechnet:

1. Schritt:

Hier werden mit Hilfe der Gebäudesimulation die Bedarfswerte für das Heizen Q_0,H, Kühlen Q_0,K, zur Stoffabfuhr m_0,S sowie für das Be- und Entfeuchten m_0,W eines definierten Nutzungs- falls ermittelt.

2. Schritt:

In Schritt 2 wird der Energieaufwand für die Luftbehandlung und den Lufttransport berechnet.

Darüber hinaus werden die Gütezahlen g für „Reale RLT-Anlagen“ ermittelt.

2.1 Gebäudesimulation

Die energetische Trennung von Gebäude inkl. Nutzung und Anlage erfordert zuerst die Be- rechnung des Raumenergiebedarfs, der dann als Anlagenenergienutzen in die Berechnung der Anlage eingeht.

Dieser Bedarf zur Aufrechterhaltung der durch die Nutzung geforderten Grenzwerte für Tem- peratur und Feuchte und/oder auch Stoffkonzentration wird mit Hilfe der Gebäudesimulation

Lufttransport

Luftführung Luftbehandlung

Nutzenan- forderungen

Raum + Nutzung Verteilung

Randbe- dingungen

. 0,ZUL

m

.

Q0

.

m0,S

. 11,ZUL

m

.

Q11

.

m11,S

. 1,ZUL

m

.

Q1

.

m1,S .

12,ZUL

m

.

Q12

.

m12,S

.

Q2

P

Energiefluss

ermittelt. Hierfür wird das vielfach validierte und seit mehreren Jahren an der Uni Stuttgart angewandte Simulationspaket TRNSYS 16 [18] verwendet.

Für die Erstellung des Gebäudemodells kommt der zu TRNSYS gehörende Generator PRE- BID zum Einsatz. Hier werden die Eigenschaften des Gebäudes, wie z. B. Wandaufbauten, Verglasung, Sonnenschutz festgelegt. Ein Teil der Randbedingungen wird von der TRNSYS Steuerungsdatei übergeben, wie zum Beispiel die Sollwerte für Temperatur und Feuchte, die Nutzungszeit, Innere Quellen, Infiltration und die Wetterdaten.

Der Energiebedarf eines Raumes hängt hauptsächlich von folgenden Größen ab:

 Speicherfähigkeit der Umfassungskonstruktion,

 Fenstergröße,

 Himmelsrichtung und Verschattung,

 Infiltration (Dichtheit),

 Nutzung (Art der Anforderung und Nutzungszeit),

 Innere Quellen.

Die baulichen und die Nutzungsrandbedingungen sind in Kapitel 4.1 dargestellt. Folgende Bedarfswerte sind Ergebnis der Gebäudesimulation:

Heizen: Q_0,H, Kühlen: Q_0,K , Befeuchten: m_0,B, Entfeuchten: m0,E,

2.2 Anlagensimulation

Mit Hilfe der Gebäudesimulation werden die Referenzbedarfswerte für das Heizen Q_0,H, Küh- len Q0,K sowie für das Be- und Entfeuchten m0,W eines definierten Nutzungsfalls unter Be- rücksichtigung der Sollwertebereiche von Raumtemperatur und –feuchte ermittelt:

,

RA u RA RA o,







Der Anlagensimulation liegen die erarbeiteten Prozessverläufe für die „Idealen“, „Günstigen Realen“ und „Realen“ Anlagen. Diese basieren auf der Arbeit von Reichert [8] und sind im Vorhaben ENERGO1 ausführlich beschrieben. Die Ermittlung des Anlagenenergiebedarfs erfolgt hier in Stundenschrittweite vom Außenluftzustand bis zum Zuluftzustand..

Im Folgenden sind die Annahmen zur Berechnung des Anlagenenergiebedarfs zusammen- gestellt. Es wurden die in ENERGO 1 erarbeiteten Werte übernommen:

Tabelle 2.1: verwendete Rückwärmzahlen  für verschiedene WRG-Typen Prozesse

WRG - Typ ideal realisierbar üblich ENEV 2007 ENEV 2009 Platten-

Wärmeübertrager (PWÜ) - 0,60 0,55 0,45 0,6

Rotor-Wärmeübertrager

(RWÜ)* 0,90 0,75 0,70 - -

* Für RWÜ sind Rückwärme- und Rückfeuchtezahl gleich groß.

Der Befeuchtungsgrad  des adiabaten Luftbefeuchters für den „Stand der Technik“-Prozess beträgt:

= 0,85 (konstant)

Das folgende Anlagenschaltbild (Bild 2.3) ist die Grundlage für die Energiebedarfsberech- nungen. Alle Apparate sind zur Erfüllung der lüftungstechnischen Aufgabe notwendig. Bei den Anlagen ohne WRG entfällt der Wärmerückgewinner.

FO

ZU Ra

AU

VE

Anlage mit WRG

KÜ B NE ZV

AV

Ra AU 1

AB

WRG

SD SD

FIL

FIL

AB - Abluft AU - Außenluft FO - Fortluft ZU - Zuluft Ra - Raumluft

AV - Abluftventilator B - Befeuchter FIL - Filter KÜ - Kühler NE - Nacherhitzer

SD - Schalldämpfer VE - Vorerhitzer WRG - Wärmerückgewinner ZV - Zuluftventilator

SD SD

Bild 2.3: Schema der Raumlufttechnischen Anlage

Für den gesamten Wirkungsgrad ges der Ventilatoren für die Zu- und Abluft gilt:

Tabelle 2.2: Ventilatorwirkungsgrade für die Untersuchung

Prozesse ideal realisierbar üblich ENEV 2007 ENEV 2009

_ges 1,0 0,81 0,61 0,6 0,6

Die Werte für die Druckdifferenzen an den realen Anlagen entstammen der Marktanalyse RLT-Anlagen von E. Beck und beinhalten einen Anteil für den Luftkanal. Dieser entfällt bei den idealen Anlagen. Die Werte ENEV sind den jeweiligen Verordnungen entnommen.

Tabelle 2.3: Werte für den Druckabfall der untersuchten Fälle

Prozesse Ideal realisierbar üblich (real) ENEV 2007 ENEV 2009 Zuluft 196 (164) Pa 555 (475) Pa - 1200 Pa 900 Pa

Abluft 90 (58) Pa 440 (360) Pa - 750 Pa 600 Pa

Summe 286 (222) Pa 995 (835) Pa *) 1950 Pa 1500 Pa

*) Die gesamte Druckdifferenz für die „Stand der Technik“ - Prozesse wird nach der folgenden empirischen Gleichung berechnet:

in Pa (1)

0,0569

2 584,61 ( )

pges ^

    V

Der ideale Fall wird anlagenunabhängig betrachtet (Ausnahme: die Druckdifferenz und die Wärmerückgewinnung).

2.3 Energetische Kennwerte

Ziel des Vorhabens ist die Ermittlung von energetischen Kennwerten für RLT-Anlagen, die als Vergleichswerte für zu planende oder in Betrieb befindliche Anlagen gelten.

Als Bewertungsgröße dient der Jahresprimärenergieaufwand der RLT-Anlage. Dieser setzt sich aus den Anteilen für das Heizen und das Kühlen der Luft sowie dem Stromaufwand für den Lufttransport zusammen. Die Antriebsenergie für den RWÜ ist ebenfalls enthalten.

Schnittstelle der Betrachtung sind die jeweiligen Anschlüsse an der RLT-Anlage (siehe auch Bild 2.1). Der Aufwand für Pumpen, sonstige Antriebe oder für die Kälteerzeugung ist nicht Gegenstand dieser Untersuchung, da sie nach VDI 2067 anderen Teilbereichen zuzuordnen sind.

Folgende Primärenergiefaktoren nach DIN V 18599 T1 [5] werden in dieser Untersuchung verwendet für:

Wärme: f p;H = 1,1 Dampf: f _p;D = 1,16 Kälte: f _p;K = 1 Strom: f p;S = 3.

Als Vergleichswert wird der auf den Quadratmeter Nutzfläche bezogene Jahresprimärener- gieaufwand einer ein sogenannten „idealen Anlage“ eingeführt. Dieser Anlage liegt ein idea- ler Luftbehandlungsprozess mit idealer Wärmerückgewinnung sowie idealem Lufttransport zugrunde. Die Annahmen zur Wärmerückgewinnung und zu den Druckverlusten sind Tabelle 2.1, Tabelle 2.2 und Tabelle 2.3 zu entnehmen. Er wird im Weiteren „Idealwert“ genannt.

Da der Energieaufwand einer RLT-Anlage sehr stark von der jeweiligen Nutzung abhängt, werden nutzungsfallabhängige Idealwerte ermittelt.

Der Idealwert ist der für den ausgewählten Nutzungsfall ermittelte Minimalbedarf der Anlage.

Dieser ist für die Erfüllung der lüftungstechnischen Aufgabe mindestens aufzuwenden und eignet sich somit sehr gut als Vergleichs- bzw. Bezugswert. Er ist weiterhin systemunabhän- gig und unterliegt keiner Anpassung durch den Stand der Technik, wie bei sonstigen Bench- mark-Bewertungen üblich. Als „Minimalwert“ gibt er die Richtung des technischen Fortschrit- tes bezüglich des Energiebedarfs von RLT-Anlagen vor und zeigt Einsparpotenziale gegen- über aktuellen marktüblichen Systemen auf.

Zur Begrenzung des Energiebedarfs ist es jedoch auch notwendig Deckelwerte festzulegen, die durch Verordnungen, wie z. B. die EnEV festgeschrieben sind und in Zukunft weiter ver- schärft werden können.

Um aufzuzeigen, wie groß die Bandbreite heute verfügbarer Systeme ist, werden verschie- dene „Szenarien“ für „Reale“ RLT-Anlagen berechnet. Dabei sind energetisch günstige, so- wie energetisch eher ungünstige Annahmen für die Prozessverläufe sowie den Lufttransport festgelegt.

Der Bezug zu aktuellen Verordnungen wird durch Berechnung der Referenzanlagen der EnEV 2007 und EnEV 2009 hergestellt.

Zu den detaillierten Berechnungen des Energieaufwands der verschiedenen Anlagen wird auf den Abschlussbericht des Forschungsvorhabens ENERGO 1 verwiesen.

Zusammengefasst gilt folgende Gleichung für den bezogenen Jahresenergieaufwand aller Anlagen:

p,i i,a p,a

Nutz

(f ×Q ) q =

A



mit:

Q _i,a: Jahresenergieaufwand der RLT-Anlage (Wärme, Kälte und Strom) f _p.i: Primärenergiefaktor.

Analog des in der Kältetechnik definierten Gütegrades (das Verhältnis der Kältegrade des praktischen Prozesses und des Carnot-Prozesses) wird das Verhältnis des Jahresprimär- energieaufwands eines realen Prozesses und des idealen Prozesses als Gütezahl für RLT- Anlagen definiert. Es ergibt sich:

p,a,real p,a,ideal

g = q

q ⁽³⁾

Die Gütezahl zeigt, wie weit der wirkliche Prozess bzw. die jeweils gewählte Lösung von dem idealen Prozess entfernt ist.

3 Nutzungsfälle und Nutzbedarf

Im Forschungsvorhaben ENERGO 1 wurde das Berechnungsverfahren vorgestellt und über- prüft. Die unterschiedlichen Aufgaben, die durch RLT-Anlagen zu erfüllen sind, führen zu einer großen Bandbreite an Nutzungsfällen. Ein Großteil von Nutzungsfällen ist zur energeti- schen Bewertung von Gebäude und Anlagen in DIN V 18599 T10 [5] beschrieben. Darin ent- halten sind Angaben zu Nutzungszeiten, internen thermischen Belastungen durch Personen, Maschinen und Beleuchtung sowie weitere Details für das Bewertungsverfahren.

In Tabelle 4 der DIN V 18599 T10 sind über 30 verschiedene Nutzungsfälle dargestellt. Für eine energetische Bewertung entsteht somit ein nicht unerheblicher Aufwand für die Bestim- mung von Kennwerten. Legt man weiterhin die unterschiedlichen Raumsollwerte für Tempe- ratur und Feuchte der Behaglichkeits-Kategorien nach DIN EN 15251 [7] sowie die drei ver- schiedenen Schadstoffklassen der Gebäude zugrunde, ist der rechnerische Aufwand nicht mehr zu vertreten. Eine einfache, übersichtliche Einteilung ist also wünschenswert.

Erster Schritt des Forschungsvorhabens ist die Analyse der unterschiedlichen Nutzungsfälle hinsichtlich ihrer Belastungen und Randbedingungen.

Tabelle 4 der DIN V 18599 T10 enthält ausführliche Angaben zur Nutzung, wie z. B. Nut- zungszeiten und Wärmequellen im Raum. Die Angaben zu den Wärmequellen werden über die angegebenen Nutzungszeiten in mittlere thermische Belastungen pro Quadratmeter Nutzfläche umgerechnet. Aus den Personenlasten wird für den ausgewählten Raum die Per- sonenanzahl berechnet (Annahme: sitzende Tätigkeit mit 75 W/Person). Mit einer personen- bezogenen Feuchteabgabe von 50 g/(hPerson) erhält man die Feuchtebelastung im Raum.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

thermische Belastung in W/m²

Feuchtebelastung in g/hm²

Küchen

Serverraum Werkstatt

Bild 3.1: Übersicht der Raumbelastungen der Nutzungsfälle nach DIN V 18599 T10

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10

thermische Belastung in W/m²

Feuchtebelastung in g/hm²

0 Serverraum Werkstatt

Gruppe 1

Gruppe 2

Bühne

Bild 3.2: Detail 1 der Raumbelastungen zur Definition neuer Nutzungsgruppen

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 5 10 15 20 25 30 35 40

thermische Belastung in W/m²

Feuchtebelastung in g/hm² ^{Gruppe 3}

Gruppe 4 Gruppe 5

Gruppe 6

Bild 3.3: Detail 2 der Raumbelastungen zur Definition neuer Nutzungsgruppen

Bild 3.1 zeigt die berechnete Feuchtebelastung aufgetragen über der berechneten thermi- schen Belastung der Nutzungsfälle nach DIN V 18599 T10 pro Quadratmeter Nutzfläche.

Die Feuchtebelastung ergibt sich im Wesentlichen aus der Personenbelastung. In Einzelfäl- len (z. B. Küchen) wurden weitere Annahmen für Feuchtequellen angesetzt. Die Punkte in Bild 3.1 gruppieren sich um eine Gerade. Ausnahmen sind hier Nutzungsfälle, in denen an- dere thermische Belastungen dominieren (Werkstatt, Serverraum).

Vergrößert man den Ausschnitt aus Bild 3.1 lassen sich bestimmte Nutzungsfälle zusam- menfassen. Die Qualität der Informationen zu den Belastungen ist in der Regel ungenau.

Daher werden im Weiteren die vorhandenen Nutzungsfälle zu neuen Nutzungsgruppen zu- sammengefasst. Diese orientieren sich an den thermischen und Feuchtebelastungen. Die Bilder Bild 3.2 und Bild 3.3 zeigen grafisch die Zuordnung zu den neuen Gruppen.

Mit dieser Zuordnung lassen sich Mittelwerte für die Raumbelastungen angeben. Aus über 30 Nutzungsfällen werden damit 6 Grundfälle für die energetische Kennwerte berechnet werden.

3.1 Übersicht der Nutzungsfälle

Wie beschrieben, werden „neue“ Nutzungsfälle definiert. Die Zuordnung eines bestimmten Nutzungsfalls zur neuen Gruppe und somit zu seinen energetischen Vergleichswerten erfolgt über Tabelle 3.1.

Tabelle 3.1: Vereinfachung der Nutzungsfälle zu 6 Gruppen

Nutzungsfall (neu) Nutzungsfall aus DIN V 18599

Gruppe 1 Zuschauerbereich (Theater und Veranstaltungsbauten) (Zuschauer, Hörsaal) Foyer (Theater und Veranstaltungsbauten)

Hörsaal, Auditorium

Gruppe 2 Messe / Kongress

(Messe, Kantine) Kantine

Gruppe 3 Besprechung, Sitzung, Seminar (Besprechung, Klassenzimmer) Klassenzimmer (Schulen)

Bibliothek - Lesesaal

Sonstige Aufenthaltsräume

Restaurant

Gruppe 4 Küche - Vorbereitung, Lager

(Büro) Einzelbüro Gruppenbüro (zwei bis sechs AP)

Großraumbüro (ab sieben AP)

Gruppe 5 Bettenzimmer

(Hotel, Sporthalle, Museum) Hotelzimmer

Einzelhandel / Kaufhaus (mit / ohne Kühlprodukte)

Sporthalle

Schalterhalle

Bibliothek - Freihandbereich

Ausstellungsräume und Museum mit konservatorischen Anforde- rungen

Gruppe 6 Bibliothek - Magazin und Depot

(Nebenflächen, Lager) Parkhäuser (Büro- und Privatnutzung, öffentliche Nutzung) Nebenflächen (ohne Aufenthaltsräume)

Verkehrsflächen

Lager, Technik, Archiv

3.2 Einordnen und Katalogisieren der Nutzungsfälle

Über die zugeordneten Nutzungsfälle wird für die neuen Fälle der Mittelwert der thermischen und der Feuchtebelastung gebildet. Die Werte sind in Tabelle 3.2 aufgeschrieben. Zusätzlich ist die mittlere Nutzungszeit angegeben. Als Vereinfachung wird die Nutzungszeit für alle Nutzungsfälle einheitlich mit 3130 Stunden angenommen. Das Nutzungsprofil entspricht ei- ner Arbeitswoche von Montag bis Freitag, 7 Uhr bis 17 Uhr.

Die Angabe der mittleren Personenbelegung (Spalte 5 in Tabelle 3.2) für unseren Beispiel- raum mit einer Nutzfläche von 17,5 m² (Kapitel 4.1) bildet die Grundlage für die Bestimmung der personenbezogenen Mindestlüftungsrate.

Tabelle 3.2: Randbedingungen der neuen Nutzungsfälle

Nutzungsfall thermische Belas-

tung Feuchte-

belastung Nutzungszeit Personen

W/m² g/hm² h/a

Anzahl (auf 17,5 m²) Zuschauer, Hörsaal

(Gruppe 1) 60 30 1200 11

Messe, Kantine

(Gruppe 2) 40 20 1500 7

Besprechung, Klassenzimmer

(Gruppe 3) 30 10 2950 4

Büro (Gruppe 4) 30 4 3050 1

Hotel, Sporthalle, Museum

(Gruppe 5) 15 4 4100 1

Nebenflächen, Lager

(Gruppe 6) 4 0 3350 0

Für diese 6 Grundfälle wird mit den angegebenen Randbedingungen zunächst der Nutz- energiebedarf des Raumes berechnet.

3.3 Luftvolumenströme für die Nutzungsfälle

Die Berechnung der Luftvolumenströme erfolgt nach DIN EN 15251 [7], Abschnitt B.1.2. Das Verfahren beruht auf einer der Personen- und Gebäudekomponente. Der verwendete perso- nenbezogene Luftstrom ist in Tabelle 3.3 und der gebäudebezogene Luftstrom in Tabelle 3.4 dargestellt.

Tabelle 3.3: personenbezogene Luftstrom Kategorie

Luftstrom je Person in m³/h/Pers

I 36 II 25 III 14

Alle angegebenen Werte beruhen auf vollständiger Durchmischung im Raum, d. h. die Kon- zentration der Verunreinigungen und Schadstoffe ist im Absaugbereich die gleiche wie im Aufenthaltsbereich.

Tabelle 3.4: gebäudebezogene Luftstrom Sehr schadstoffarmes

Gebäude Schadstoffarmes

Gebäude Nicht schadstoffarmes Gebäude Kategorie m³/(h m²) m³/(h m²) m³/(h m²)

I 1,8 3,6 7,2 II 1,1 2,5 5,0 III 0,7 1,4 2,9

Nach DIN EN 15251 gilt für die Zuordnung zu einer Gebäudekategorie:

Ein Gebäude gilt als schadstoffarm oder sehr schadstoffarm, wenn der größere Teil der für die abschließende Behandlung der Innenwände, Decken und Fußböden verwendeten Bau- stoffe und Materialien die nationalen oder internationalen Kriterien für schadstoffarme oder sehr schadstoffarme Baustoffe und Materialien erfüllt.

Im Weiteren werden die Schadstoffkategorien der Gebäude durch folgende Abkürzungen symbolisiert:

S1 - sehr schadstoffarmes Gebäude S2 - schadstoffarmes Gebäude S3 - nicht schadstoffarmes Gebäude

Bild 3.4 zeigt die bezogenen Luftvolumenströme für den gewählten Raum. Der schadstoffbe- zogene Anteil richtet sich nach der Nutzfläche. Der personenbezogene Anteil berechnet sich aus den Angaben der DIN V 18599 T10 zu den Wärmebelastungen durch Personen. Daraus wurde für den Beispielraum eine Personenbelegung berechnet.

Dargestellt sind die Volumenströme der sechs neuen Grundfälle für die drei Behaglichkeits- kategorien nach DIN EN 15251 in den verschiedenen Gebäudekategorien.

24

16

10

4 4

2 26

18

12

6 6

4 30

22

15

9 9

7 17

11

7

3 3

1 18

13

8

4 4

3 21

15

11

6 6

5 10

6

4

2 2

1 10

7

5

2 2

1 12

9

6

4 4

3

0 5 10 15 20 25 30 35

Gruppe 1 (Zuschauer, Hörsaal)

Gruppe 2 (Messe, Kantine)

Gruppe 3 (Besprechung, Klassenzimmer)

Gruppe 4 (Büros) Gruppe 5 (Hotel, Sporthalle, Museum)

Gruppe 6 (Nebenflächen, Lager)

Luftstrom in m³/hm²

Kat I

Kat II

Kat III

Bild 3.4: bezogene Luftvolumenströme für die Nutzungsfälle

4 Berechnungen und Ergebnisse

Zur Berechnung der Energiebedarfswerte wurde ein Raum als Einzonen-Modell abgebildet.

Für die Untersuchung wird ein Testraum verwendet, der auch in VDI 2067-21 [4] zum Ein- satz kommt. Dieser Raum ist ein Mittelraum und verfügt über eine Außenwand mit Fenster.

Der Dämmstandard entspricht der EnEV 2002. Alle weiteren Kenndaten zum Raum sind in Kapitel 4.1 beschrieben. Als Strömungsform im Raum wird eine ideale Mischströmung ange- nommen.

Der Nutzenergiebedarf sowie der Jahresenergiebedarf der Anlagen werden in stunden- schrittweite gerechnet.

4.1 Randbedingungen und Nutzbedarf

Maße: L x B x H = 5 m x 3,5 m x 3 m

AN = 17,5 m² (Nutzfläche) V_RA = 52,5 m³ (Raumvolumen)

A_Fe = 7 m² (Fensterfläche)

Ausrichtung: Süden

Raumtyp: M, „mittel“ nach VDI 2067-21, d.h. mittelschwere Bauweise Wandaufbau:

Tabelle 4.1: Wandaufbauten und U-Werte des Musterraumes

Bauteil Aufbau Dicke

[m] 

[W/mK] 

[kg/m³]

c [J/kgK]

U-Wert [W/m²K]

Beton 0,12 2,035 2100 920 Luftschicht - R=0,13m²K/W - - Steinwolle 0,02 0,047 75 840 Decke und Fußboden

Metalldecke 0,001 58 7800 480 1,21

Innenwände Porenbeton 0,12 0,4 1200 1050 2,13

Innentür Tischlerplatte 0,04 0,14 500 2520 2,19

Beton 0,1 2,035 2100 920 Dämmung 0,06 0,047 75 840 Luftschicht - R=0,13m²K/W - - Außenwand

Fassadenplatte 0,025 0,45 1300 1050 0,58

Tabelle 4.2: Fenstereigenschaften

Scheiben-

anzahl Füllgas

solare Transmission

Tsol

Reflexion Rf,sol

Gesamtenergie- durchlassgrad

g

U in W/m²K Wärmeschutzverglasung

(ohne Verschattung) 2 Argon 0,426 0,266 0,589 1,40

Infiltration: 1 1 _inf

0, 2 entspricht 52,5 ³ 0, 2 10,5

  m 

n m

h h

 ³ m h

Bild 4.1: Typraum nach VDI 2067-21, schematisch

Nutzung

Nutzungszeit: Mo. – Fr. : 7:00 bis 17:00 Uhr

365 10 5 2607

NTZ 7

d h

t      a d h a

Anlagenbetriebszeit: Mo. – Fr. : 6:00 bis 18:00 Uhr

365 12 5 3129

BTR 7

d h

t      a d h a

Innere Quellen: Die Wärme und Feuchtequellen für die 6 neuen Grundfälle sind in Tabelle 3.2 zusammengefasst.

Sonnenschutz: b=0,5 (Verschattungsfaktor: wird gemittelt über das ganze Jahr angenommen)

Temperaturen: Als Temperatursollwerte werden die Werte nach

DIN EN 15251:2007, Tabelle A.2 oder A.3 verwendet. Zur Ver- einfachung kamen die Werte der Kategorien I-III für Büronut- zung zum Einsatz.

Feuchte: Als Feuchtesollwerte werden die Werte aus DIN EN 15251:2007, Tabelle B.6 verwendet.

Zusammenfassend sind die Temperatur- und Feuchtesollwerte für die Behaglichkeitskatego- rien I bis III nach DIN EN 15251 in Tabelle 4.3 dargestellt.

Tabelle 4.3: Temperatur- und Feuchtesollwerte

Kategorie des betreffenden Gebäudes

I II III Thermische Bedingungen im Winter 21,0°C 20,0°C 19,0°C

Thermische Bedingungen im Sommer 25,5°C 26,0°C 27,0°C Feuchtebedingung im Winter 30% rel. Feuchte 25% rel. Feuchte 20% rel. Feuchte Feuchtebedingung im Sommer 50% rel. Feuchte 60% rel. Feuchte 70% rel. Feuchte

Wetterdaten: Testreferenzjahr TRY05 des DWD Nutzenergiebedarf

Wie zuvor beschrieben, wird zunächst der Nutzenergiebedarf der einzelnen Nutzungsfälle nach VDI 2067 berechnet. Tabelle 2.1 zeigt den Nutzenergiebedarf für die neu eingeführten Gruppen bei unterschiedlichen Behaglichkeitsanforderungen (Kat 1 bis Kat 3 nach DIN EN 15251).

Tabelle 4.4: Übersicht Nutzenergiebedarf

Nutzenergiebedarf Heizen

Q _0,H Kühlen Q _0,K Grundfälle

kWh/m²a kWh/m²a

Kat 1 2 -103

Kat 2 1 -99

Gruppe 1

Kat 3 0 -92

Kat 1 6 -59

Kat 2 5 -56

Gruppe 2

Kat 3 3 -51

Kat 1 12 -41

Kat 2 10 -39

Gruppe 3

Kat 3 8 -35

Kat 1 12 -41

Kat 2 10 -39

Gruppe 4

Kat 3 8 -35

Kat 1 26 -20

Kat 2 23 -18

Gruppe 5

Kat 3 20 -15

Kat 1 41 -9

Kat 2 36 -7

Gruppe 6

Kat 3 32 -5

Bei dem hier dargestellten Energiebedarf handelt es sich um reine thermische Arbeit. Dem Raum wird, außer dem infiltrationsbedingten Luftstrom, keine Luft zugeführt.

Der Heizenergiebedarf muss dabei dem Raum zugeführt werden und (positives Vorzeichen) der Kühlbedarf muss aus dem Raum abgeführt werden (negatives Vorzeichen). Der thermi- sche Energieaufwand entsteht, um die geforderten Temperatursollwerte in den einzelnen Kategorien einzuhalten.

In Bild 4.2 ist der Nutzenergiebedarf graphisch dargestellt. Die Werte werden hier mit den in Kapitel 2.3 eingeführten Primärenergiefaktoren bewertet und als Summe mit positivem Vor- zeichen gezeigt. Dies ist für die weitere Auswertung im Vorhaben erforderlich.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Kat 1 Kat 2 Kat 3 Kat 1 Kat 2 Kat 3 Kat 1 Kat 2 Kat 3 Kat 1 Kat 2 Kat 3 Kat 1 Kat 2 Kat 3 Kat 1 Kat 2 Kat 3 Gruppe 1

(Zuschauer, Hörsaal)

Gruppe 2 (Messe, Kantine)

Gruppe 3 (Besprechung, Klassenzimmer)

Gruppe 4 (Büros) Gruppe 5 (Hotel, Sporthalle, Museum)

Gruppe 6 (Nebenflächen,

Lager)

Nutzenergiebedarf in kWh/m²a

Q 0,H Q 0,K

Bild 4.2: Übersicht Nutzenergiebedarf (primärenergetisch bewertet)

An dieser Darstellung erkennt man den großen Einfluss der Wahl des Nutzungsfalls und der Festlegung der Raumsollwerte, der hier durch die Wahl der Behaglichkeitskategorien ent- steht. Der später in der RLT-Anlage entstehende Energieaufwand ist direkt von diesem Nutzenergiebedarf abhängig.

4.2 Energiebedarf der Idealen Anlage

Wie erhält man nun den idealen (minimalen) Energiebedarf für den gewählten Nutzungsfall?

Betrachtet man übliche RLT-Anlagen, dann werden im Wesentlichen 2 Fälle der thermischen Lastabfuhr verwendet.

a) Thermische Lastabfuhr über Wasser führende Systeme direkt im Raum (Komplemen- tärsysteme nach [22]), die Lüftungsanlage erfüllt hier nur die Lüftungsfunktion

(Schadstoffabfuhr)

b) Thermische Lastabfuhr und Schadstoffabfuhr nur über die RLT-Anlage

Für diese beiden Fälle wird im Folgenden der Jahresprimärenergiebedarf der sechs Grund- fälle berechnet. Ein Vergleich zwischen den beiden Fällen ergibt den minimalen Energiebe- darf.

Bild 4.3 und Bild 4.4 zeigen den Unterschied der beiden Lastabfuhr-Fälle. Im Fall a) ergibt sich der Energiebedarf des Nutzungsfalls als Summe der im Raum zu- bzw. abgeführten Wärmeströme (z. B. über Heizkörper oder Kühldecken) und den Energieströmen an der RLT-Anlage. Der Zuluftzustand entspricht dem Raumluftzustand (ZU = Ra).

ZU

Bild 4.3: Skizze zur thermischen Lastabfuhr Fall a)

Im Fall b) entsteht der Energiebedarf für den gesamten Nutzungsfall an den Anschlüssen der RLT-Anlage. Der Zuluftzustand richtet sich nach der auftretenden Last. D. h. bei dem ange- nommenen konstanten Volumenstrom wird die Zulufttemperatur der Last angepasst.

Als weiterer Schritt wird in Anlehnung an den realen Betrieb eine maximale Über- bzw. Un- tertemperatur von  = 8K festgelegt. Diese Annahme resultiert aus der Annahme einer ide- alen Mischströmung im Raum zur Einhaltung der Behaglichkeitskriterien. Der Volumenstrom wird bei weiter steigender Last vom Mindestvolumenstrom aus angehoben.

Bild 4.4: Skizze zur thermischen Lastabfuhr Fall b)

Zunächst wird die Ermittlung des Idealbedarfs am Beispiel der Gruppe 4, die einer typischen Büronutzung entspricht, aufgezeigt.

Ausgangspunkt ist der Nutzenergiebedarf. Dieser entspricht dem Bedarf, den ein idealer Heizer oder Kühler im Raum benötigt, um die Nutzenanforderungen einzuhalten und ist da-

Raum RLT

ZU

AB

RLT RLT

Q + W



Ges RLT RLT

Q =



AB Q0,H

Q0,K

RLT RLT

Q + W



Ges H K RLT RLT

Q = Q + Q +



mit als Minimalwert für Wasser führende Systeme zu betrachten. Der Nutzenergiebedarf der Gruppe 4 ist in Bild 4.5 dargestellt. Bei geringeren Anforderungen (Kategorie 3) sinkt auch der Nutzenergiebedarf.

13 11 8

41

39

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Kat 1 Kat 2 Kat 3

Primärenergiebedarf in kWh/m²a

Wärme Kälte

Bild 4.5: Nutzenergiebedarf Gruppe 4

Bild 4.6 zeigt den idealen Energiebedarf der RLT-Anlagen in den verschiedenen Behaglich- keitskategorien und bei unterschiedlicher Schadstoffbelastung des Raumes. Die Zuluft wird in diesem Fall auf Raumluftzustand konditioniert. Der gezeigte Bedarf enthält die primär- energetisch bewerteten Bestandteile für das Heizen, das Kühlen und den Transport der Luft.

5 8 12

2 4 6

1 1 2

0 0

1

0 0 0

0 0 0

5

6

9

3 5

6

3 3 4

0 10 20 30 40 50 60 70 80

S1 S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 S3

Primärenergiebedarf in kWh/m²a

Wärme Kälte Strom

Kategorie I Kategorie II Kategorie III

Bild 4.6: Idealwerte der Summe RLT-Bedarf Gruppe 4

19 21 26

13 15 17

9 10 11

42 42

42

39 39 39

35 35 35

5

6

9

3 5

6

3 3 4

0 10 20 30 40 50 60 70 80

S1 S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 S3

Jahresprimärenergiebedarf in kWh/m²a

Wärme Kälte Strom

Kategorie I Kategorie II Kategorie III

Bild 4.7: Idealwerte Gruppe 4 nach Fall a)

Der Gesamtbedarf für den Nutzungsfall Gruppe 4 zeigt Bild 4.7. Bei verminderten Behaglich- keitsanforderungen ist der Energiebedarf in Kategorie 3 geringer als in Kategorie 1. Die Schadstoffkategorie S3 hat durch den erhöhten Luftstrom, wie erwartet, einen höheren Ener- giebedarf als die Anlage für Kategorie S1.

Bild 4.8 zeigt die Ergebnisse bei Lastabfuhr über die RLT-Anlage bei konstantem Volumen- strom und veränderlicher Zulufttemperatur. Festgestellt wird in den einzelnen Kategorien eine Verringerung des Gesamtenergiebedarfs bei steigendem Volumenstrom. Sie ergibt sich aus einer Verringerung des Kühlenergiebedarfs.

18 20 25

13 14 17

9 10 10

42 33

21 43

38

26 39 38

33 5

6

9

3

5

6

3 3

4

0 10 20 30 40 50 60 70 80

S1 S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 S3

Jahresprimärenergiebedarf in kWh/m²a

Wärme Kälte Strom

Kategorie I Kategorie II Kategorie III

Bild 4.8: Idealwerte Gruppe 4 nach Fall b), konstanter Volumenstrom

Der geringere Kühlbedarf entsteht durch eine bessere Ausnutzung der „unbehandelten“ Au- ßenluft bei steigendem Volumenstrom. Dieser Effekt ist mit der „Freien Kühlung“ durch Au- ßenluft vergleichbar.

Wie Bild 4.9 zeigt ergibt sich eine weitere Verringerung des Energiebedarfs bei Beschrän- kung der zulässigen Temperaturdifferenz zwischen Zuluft und Raumluft sowie anschließen- der Anhebung des Luftvolumenstroms (Kaskadenregelung).

21 22 26

15 16 18

10 11 12

17 17

16

8 8 8

6 6 6

7 8

10

7 7 8

6 6

8

0 10 20 30 40 50 60 70 80

S1 S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 S3

Primärenergiebedarf in kWh/m²a

Wärme Kälte Strom

Kategorie I Kategorie II Kategorie III

Bild 4.9: Idealwerte Gruppe 4 nach Fall b), mit Begrenzung der Zulufttemperatur

Durch den erhöhten Volumenstrom steigt der Strombedarf an. Gleichzeitig wird in bestimm- ten Lastsituationen der Anteil der oben erklärten „Freien Kühlung“ erhöht. Der Kühlbedarf gegenüber Bild 4.8 verringert sich nochmals.

Die Übersichten zum Idealbedarf der neuen Nutzungsfälle sind im Anhang in Kapitel 9 dar- gestellt (Bild 9.1 bis Bild 9.4).

4.3 Energiebedarf realer Anlagen

In diesem Kapitel soll eine Bandbreite realer RLT-Anlagen vorgestellt werden. Die Randbe- dingungen der Berechnung für die einzelnen Fälle sind bereits in Kapitel 2.2 beschrieben.

Für die drei Anlagentypen ohne Wärmerückgewinnung (oWRG), mit Platten- Wärmeübertrager (PWÜ) und mit Rotor-Wärmeübertrager (RWÜ) wird jeweils eine energe- tisch günstige Variante (realg) und eine energetisch ungünstige Variante (real) gerechnet.

Die Variante „realg“ stellt dabei eine heute technisch machbare Anlage dar. Die Variante

„real“ repräsentiert heute übliche, dem Stand der Technik entsprechende Anlagen.

Die Varianten EnEV 2007 und 2009 stellen die so genannten Referenzanlagen nach der jeweiligen Energieeinsparverordnung dar.

Bild 4.10 zeigt eine Übersicht der berechneten Realfälle für die Gruppe 4, Kategorie 2. Er- kennbar ist der steigende Energiebedarf bei steigendem Volumenstrom in der schlechtesten Gebäudekategorie (S3). Die thermischen Lasten und die Schadstofflasten werden hier von der RLT-Anlage abgeführt (Fall b)).

Nach der aktuellen Energieeinsparverordnung (EnEV 2009) kann für die Behaglichkeitskate- gorie 2 jeweils für die einzelne Schadstoffkategorie der Deckelwert als obere Begrenzung des Energiebedarfs abgelesen werden.

S1 (sehr schadstoffarmes Gebäude): 90 kWh/m²a

S2 (schadstoffarmes Gebäude): 125 kWh/m²a S3 (nicht schadstoffarmes Gebäude): 145 kWh/m²a

Neu zu errichtende Anlagen dürfen diese Werte für diesen geplanten Nutzungsfall nicht überschreiten. Damit sind die Deckelwerte für diesen Fall festgelegt.

0 50 100 150 200 250 300 350

realg real realg real realg real ENEV2007 ENEV2009 realg real realg real realg real ENEV2007 ENEV2009 realg real realg real realg real ENEV2007 ENEV2009

RWÜ PWÜ oWRG EnEV RWÜ PWÜ oWRG EnEV RWÜ PWÜ oWRG EnEV

Primärenergiebedarf in kWh/m²a

Wärme Kälte Strom sehr schadstoffarmes

Gebäude schadstoffarmes Gebäude nicht schadstoffarmes Gebäude

Bild 4.10: Energiebedarf Realfälle Gruppe 4, Kategorie 2 Fall b), mit Begrenzung der Zulufttemperatur