Elektroenergie als einzige Energieform

Extreme Investitionen in die Batterietechnik im Automobilsektor werden in Kürze die Preise der Elektroenergiespeicher fallenlassen. Weiter ausholen muss man nicht, um den absehbaren Einschienenbetrieb zur Versorgung von Gebäuden mit Elektroenergie zu prognostizieren.

Positive Erfahrungen mit sol­chen Konzepten liegen über meh­rere Heiz- und Kühlperioden vor [1] und der reduzierte Technikeinsatz zeichnet sich ab. In der Investitionsentscheidung zwischen weniger Technik und mehr Hochwärmedämmung sollte immer im Hintergrund stehen, dass Elektroenergie auch in Zukunft teurer werden dürfte. Trotz kostenlosem Solar- sowie Wind­angebot werden neue Netze und Abgaben den Strompreis trei­ben.

Die Energieeffizienz der technischen Anlagen kann den weiter steigenden Energiekosten entgegenwirken. An die untere Grenze der heutigen Gebäude-U-Werte zu gehen, sichert auch zukünftig ein werthaltiges Objekt. Natürlich hat auch ein hochwärmegedämmtes Gebäude einen Wärmebedarf mit einem Lüftungsanteil.

Die Fensterlüftung verliert hier zugunsten der mechanischen Be- und Entlüftung. Höchste Wärmerückgewinnungsgrade sind nur mit zentralen Luftaufbereitungsgeräten erzielbar. Die Minimierung des technischen Aufwands an Gerätetechnik fordert die Minimierung der transportierten Luftmenge. Die Frage stellt sich: Ist mit der auf die Person bezogene, notwendige Außenluftmenge der Raum zu beheizen bzw. im Sommer zu kühlen?

Außenluftvolumenstrom und Wärmebedarf

Literaturstellen für notwendige Außenluftvolumenströme mit vergleichbarer Büronutzung werden in Bild 1 gezeigt. Immerhin wurden bereits 1826 von Tretgold und 1841 von Hoad Überlegungen zum Außenluft­volumen­strom angestellt. Unter Berücksichtigung der letzten Veröffentlichung in ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2010 und einer Exponentialnäherung sind für weitere Betrachtungen 40 m³/(h Pers.) als unterer Wert angesetzt.

Für das Fassadensegment nach Bild 2 ist im Infokasten die flächenbezogene Raumlast dem Wärmeverlust der Gebäudefassade gegenübergestellt. Die Daten stammen aus einem realisierten Projekt [2]. Der Fokus lag auf dem hochwärmegedämmten Gebäude (30 cm Mineralwolle) und der Technikminimierung. Für ein charakteristisches Büro von ca. 24 m² und zwei Personen Be­setzung genügt bereits die Beleuchtung von 12 W/m², um den Fassaden­wärmeverlust auszugleichen. Wie der untere Teil der Aufstel­lung im Infokasten zeigt, sind mit dem Mindestaußenluftanteil von 40 m³/(h Pers.) die Fassadenwärmeverluste kompensierbar. Dabei ist immer vorausgesetzt, die Wärmerückgewinnung der zentralen Luftaufbereitung liegt in der Rückwärmezahl um 80 % (Rotationswärmetauscher). Die Beheizung des Gebäudes erfolgt dann über die RLT-Anlage mit dem personenbezogenen Außenluftanteil von ca. 3,4 m³/(hm²). Eine statische Heizung findet man in solchen Gebäuden zukünftig nicht mehr.

Schnelle innere Lastwechsel wie Lichtschaltungen erfordern schnell reagierende Luftströmungen zur Temperierung. Aus der Aufstellung geht hervor, dass selbst bei tiefen Außentemperaturen nur noch Kühlbedarf besteht. Die Frage stellt sich, ob bei sommerlichen Verhältnissen mit den kleinen Zuluftvolumenströmen ebenfalls die Raumtemperierung möglich ist.

Raumtemperierung im Sommer

In der Kühllastabschätzung gemäß Tabelle 1 ist der sommerliche Extremfall abgebildet. Die 27 W/m² sind mit dem Mindestaußenluftvolumenstrom von 80 m³/h (Winterfall) nicht behaglich abzuführen. Über eine Gebäudesimulation wurden daher verschiedene Einflussfaktoren wie Speichermassen oder Wärmedämmmdicken auf ihre Reaktion im Tagesgang der Raumtemperatur untersucht.

Die Erhöhung der Wärmedämmdicken auf die bereits genannten 30 cm verminderte die Wochenendabkühlung des Gebäudes um maxi­mal 3 K. Mit der Erhöhung der Speichermassen konnte die Raumtemperaturdrift über den Tag gemindert werden. Im Poly­nom nach Bild 3 wurden ca. 2 K Raumtemperaturanstieg über 8 h zugelassen, wodurch die notwendige Kühlleistung nur auf 60 % ausgelegt werden musste.

Luftführung im Raum

Aus der Gebäudesimulation errechnete sich die notwendige Luftmenge für den ungünstigsten Raum bei der Einblastemperatur von +18 °C. Die Zuluftvolumenströme für die Zweipersonenbüros erhöhten sich von 80 auf 140 m³/h (Lw = 2/h). Vom Volumenstrom her existiert somit für ein Zweipersonenbüro ein Regel­bereich von 80 bis 140 m³/h.

Es sollte für eine ganze Büro­etage ohne Problem möglich sein, in Abhängigkeit der ge­mein­samen Ablufttemperatur die ge­meinsame Zulufttemperatur zu bestimmen, die im untersuchten Objekt nahezu im ganzen Jahr bei +18 °C lag.

Die guten U-Werte der Fassa­de und der äußere Sonnenschutz reduzieren die äußeren Ein­flüs­se auf den Raum auf den Regel­spielraum der Volumenstrom­än­derung. Es zeichnet sich damit ein technisches System der Tem­perierung über die Be- und Ent­lüf­tungs­anlage ab.

Die kleinen Volumenströme erlauben unkonventionell Luft­füh­rungssysteme in Analogie zur Verdrängungsströmung. In Bild 4 ist eine Strömungssimulation um einen Bodendrallauslass und die Raumtemperatursimulation für das Zweipersonenbüro dargestellt. Erkennbar ist der schnelle Geschwindigkeitsabbau um den Drallauslass und die ausgeglichene Temperaturverteilung in die Raumtiefe. Der Zuluftvolumenstrom verteilt sich somit sehr schnell im Raum und erreicht kaum Geschwindigkeiten über 0,1 m/s auf dem Weg zur Bodenabsaugung.

Die gesamte Technik im Dop­pelboden zu konzentrieren, schafft Freiraum zur Speicher­mas­sen­nutzung der Wände und Decken. Besonderes Augenmerk sollte auf die Schallabsorption evtl. mit zusätzlichen Absorptions­flächen im Raum gelegt werden, da sonst Schallwerte der Lüftungsanlage von 40 dB(A) schon störend wirken. Die Volumenstromregler der Einzelräume sind natürlich mit Schalldämpfern bestückt und arbeiten für die Zu- und Abluft synchron.

Regelstrategie

Aus der gemeinsamen Ab­luft­temperatur, z. B. einer Gebäude­eta­ge oder ei­ner Gebäude­him­mels­rich­tung, wird die Zu­luft­-
tem­peratur für diesen ge­sam­ten Strang be­stimmt.

Die Raumtemperierung folgt recht einfach aus der Ablufttemperaturmessung im Einzelraum und der Volumenstrombeeinflussung der Zu- und Abluft. In Bild 5 ist die Regelstrategie noch um weitere Einflussmöglichkeiten ergänzt, sollten die Personenpräsenz, die Beleuchtung und Fens­ter­kontakte eingebunden werden. Über KNX-Schnittstellen ist ein einfaches Bussystem rea­lisierbar. Die Volumenstromregler sind nach unten auf den Mindestluftwechsel begrenzt. Der personenbezogene Luftvolumenstrom liegt zwischen 40 und 70 m³/h, was den Regelspielraum darstellt. Driften die Raumtemperaturen trotz Regelspielraum aus der vorgegebenen Bandbreite ab, wird die Zulufttemperatur über die entsprechende Zone korrigiert. Die vorab durchge­führ­te Gebäudesimulation liefert dafür die Werte der notwendigen Zulufttemperaturen. Sollte für Räume infolge unterschiedlichster Nutzung keine gemeinsame Zulufttemperatur gefunden wer­den bietet sich die weitere Zonen­aufteilung an. Als Zone oder Regelzone fungiert ein Wärme­tauscher, der unmittelbar von der Wärme­pumpe beaufschlagt wird.

Zentrale Wärme-, Kälte- und Außenluftversorgung

Die Funktion heizen und kühlen mit einem Wärmetauscher mindert den Strömungsdruckverlust auf der Luftseite und reduziert den Elektroenergieeinsatz. Die Maxime „einfache Anlage mit geringen Investitionskos­ten und geringem Energieverbrauch“ sollte im Vordergrund stehen. Es fiel die Wahl auf Wärmepum­pen in Außenaufstellung mit Kältemittelkreislauf und der wechselweisen Ver­dampfer-, Kondensatornutzun­gen. Bild 6 zeigt die Einbindung einer Wärmepumpe in das Funktions­schema der Gesamtanlage. Der Verdampfer/Kondensator ist in den Zuluftstrom einer Zone eingebunden und sichert ganzjährig die Zulufttemperierung. Aus der Umgebung wird Energie über den Verdampfer aufgenommen bzw. bei Konden­satornutzung abgegeben.

Das Luft-/Luftsystem ist mit Zusatzwärmetauscher im Heißgaskreis ebenfalls zur Warmwasserbereitung einsetzbar. Vor­teilhaft ist der Einsatz von zwei Wär­me­pumpen je Regelzone zur feineren Regelabstufung und Überbrückung des ca. zehnminü­tigen Abtauvorgangs des Verdampfers (außen) im Heizbe­trieb. Neue Wärmepumpenentwicklungen umgehen diesen Abtauvorgang durch vergrößerte Verdampfer und Heißgasspülungen bzw. zusätzliche PCM-Speicher. Die zentrale Luftaufbereitungseinheit besteht thermodynamisch nur aus der Wärmerückgewinnung. Zum Einsatz kommt ein Rotationswärmetauscher mit minimalem Druckverlust und Rückwärmezahlen größer 80 %. Gleichzeitig findet die Feuchteübertragung statt. Die 3 bis 4 K Wochenendauskühlung werden zum Wochenbeginn durch kurzen Umluftbetrieb über eine Umluftkammer im Zentralgerät angehoben. Insge­samt wurde Wert auf höchste Effizienz aller Komponenten ge­legt, so dass der gegenwärtig aus dem öffentlichen Netz bezogene Strom kurzfristig durch Photovoltaikflächen mit Spei­cher­nutzung ergänzt oder ganz aufgebracht werden kann. In Bild 6 ist diese Einbindung schon skizziert. Wie die Luftverteilung in einer Büroetage aussieht, ist vor Mon­tage des Doppelbodens im Bild 7 erkennbar. Der geringe Flächen­verbrauch durch die Luft­kanäle im Doppelboden schafft erheblichen Spielraum für sonstige Kommunikationstech­nik oder Änderungen bei neuen Raum­aufteilungen.

Zusammenfassung

Verwaltungsgebäude können zukünftig ohne Nutzung fossi­ler Energieträger betrieben werden. Die Be- und Entlüftungs­an­lage übernimmt dann neben der Außenluftversorgung und Schad­stoffabfuhr die Heiz- bzw. Kühl­funktion. Das Ziel, trotzdem den technischen Aufwand an An­la­gen­technik zu minimieren, ist im Vorfeld mit erhöhtem In­ge­nieur­einsatz verbunden. Die Minderung äußerer Ein­flüsse auf das Gebäudeinnere durch Zusatzdämmung und Nut­zung möglichst großer Speicher­flächen zum thermischen Lastausgleich sollte Grund­lage werden. Transportier­te Luft­mengen reduzieren sich etwas über den personenbezogenen Außenluftanteil. Luft-/Luft-Wärmepumpen temperieren den Zuluftstrom im Sommer und Winter einheitlich für das Gesamtgebäude oder bei keiner gemeinsamen Zulufttemperatur unterteilt in Zonen. Volumenstromregler sichern die Einzelraumregelung und gewährleisten den Mindest­außen­luftvolumenstrom. Die Nut­zung der Photovoltaik für die Anlagentechnik der TGA dürfte kurzfristig Realität werden.

Literatur

[1] W. Reichel, A. Bossow, Büroneubau DIAL – Vorstellung eines neuen Gebäudeklima­konzepts, TAB 4/2012, S. 58/61 [2] M. Stahl: TGA im neuen Hauptquartier der DIAL in Lüdenscheid, CCI, 25. Mai 2012, S. 13/15