Instationäre Lüftung in Luxemburg

Aufgrund dieser Dimensionen ergab sich eine besondere lüftungstechnische Herausforderung: Es war von den Planern ein Konzept für einen Gesamt-Volumenstrom von 176.700 m³/h zu entwickeln, das unter Berücksichtigung des Benutzerverhaltens und der Hallengeometrie die Gebäudelüftung optimal realisiert. Das System „TwinXchange by Howatherm“ erfüllte diese Anforderungen..

Die Planung führte die technische Fachabteilung der Firma Paul Wurth Gebrolux S. A. durch, die Ausführung erfolgte durch die Luxemburger Arbeitsgemeinschaft „AMO Technique du bâtiment“ der Unternehmen Elco S. A. und der MBW S. A, Luxembourg.

Das Neue am instationären Raumlüftungssystem

Bei einer klassischen, konventionellen Luftaufbereitung wird dem zu klimatisierenden Bereich der erforderliche Volumenstrom kontinuierlich als Zuluft zugeführt und als Abluft entzogen. Zur Rückgewinnung der thermischen Enthalpie werden geeignete Wärmerückgewinnungseinheiten wie Plattenwärmeübertrager, Kreislaufverbundsysteme oder Rotoren eingesetzt.

Das neue (weiterentwickelte) System „TwinXchange by Howatherm^“ bietet im Vergleich zur konventionellen Vorgehensweise eine neuartige effiziente Lösung, bei der die beiden beschriebenen Luftarten nicht kontinuierlich, sondern mit wechselseitiger Zu- und Abluft betrieben werden. Die Wärmerückgewinnung erfolgt hier mit Hilfe eines Umschaltregenerators, der korrespondierend mit den Luftarten die Enthalpie abwechselnd lädt und entlädt.

Diese Vorteile bringt das System

Die Vorteile dieser instationären Impulslüftung gegenüber klassischen Lüftungssystemen bewähren sich vor allem bei einer großen, hohen Hallengeometrie. Sie führt zu einer Minimierung der Komponenten des RLT-Geräts und der gesamten Anlage, was sich positiv auf den Raumbedarf und die Investitionskosten auswirkt.

Auf den Hallendächern des Wartungszentrums wurden insgesamt 18 RLT-Geräte des Systems installiert.

Geräteauslegung

Um den Verlust thermischer Energie wie beispielsweise durch offenstehende Tore, Transmission und Lüftungswärme im Winter weitgehend zu kompensieren, wurde die Wärmerückgewinnung mittels Umschaltregenerator mit einer Rückwärmzahl von Φ = 78 % ausgelegt.

Minimalistischer Geräteaufbau

Die entscheidenden Unterschiede dieser neuen Gerätetechnik liegen im Vergleich zur konventionellen Bauart im Wesentlichen im Geräteaufbau, in der Komponentenauswahl und in der Luftführung.

Jede einzelne raumlufttechnische Einheit des Systems „TwinXchange by Howatherm“ besteht aus:

Das Speicherpaket der Wärmerückgewinnung wird dabei abwechselnd und innerhalb vorgegebener Zeitintervalle, zum Beispiel im Winter zuerst mit thermischer Energie (Wärme) aus der Halle geladen, dann mit Hilfe eines „schnelllaufenden“ Klappensystems in den Zuluftbetrieb umgeschaltet und über die Außenluft entladen (Bilder 5 und 6). Aufgrund dieser innovativen Betriebsweise wird die Außenluft nicht nur aufbereitet, sondern auch intermittierend in die Halle ein- und aus der Halle ausgebracht.

Je nach Klappenstellung kann die Luft intermittierend als Zuluft oder als Abluft gefördert werden (Bild 7).

Leistungsregelung

Ein ausgeklügeltes Jalousieklappensystem rund um das Wärmeübertragerpaket ermöglicht sowohl einen Bypassbetrieb zur Leistungsregelung als auch eine permanente Strömungsumkehr, die mit dem Lade- und Entladezyklus getaktet ist. Durch diese „Gegenstromschaltung“ ist das thermodynamische Optimum mit höchster Leistungsausbeute aus der installierten Fläche der Wärmerückgewinnung erreicht.

Luftführung und Luftaufbereitung

Die einzelnen Geräte sind so miteinander verbunden, dass je Hallendach jeweils die erste Hälfte der Einheiten im Abluftbetrieb arbeitet, während die zweite Hälfte gleichzeitig im Zuluftmodus betrieben wird.

Dabei wird die konditionierte Zuluft unmittelbar unter dem Hallendach zunächst über einen Schalldämpfer und dann über ein durch den intermittierenden Lüftungsbetrieb und Weitwurf-Düsensystem (Bild 8) in die Wartungshalle verteilt. Beim nächsten Schaltzyklus wird dann die Abluft ebenfalls über einen Schalldämpfer direkt unter demselben Gerät angesaugt.

Durch diese wechselseitige impulsartige Beaufschlagung derselben Hallenbereiche mit Zu- und Abluft wird die Lüftungseffektivität, also die Durchmischung im Raum, wesentlich verbessert. In einer Art „Stoßbetrieb“ werden eine impulsbehaftete Strömung und eine deutlich höhere Induktion erwirkt, wodurch auch größere Raumvolumina effizient konditioniert werden können.

Ein weiterer Nutzen ist, dass durch den intermittierenden Lüftungsbetrieb und auf Grund der sowieso vorhandenen positiven Effekte von Weitwurf-Düsensystemen sogar auf ein zusätzliches Kanalsystem ganz verzichtet werden kann.

Die einzelnen, entsprechend der Hallengeometrie symmetrisch aufgeteilten Zuluftboxen (Bild 9), beinhalten mehrere Reihen umlaufend angeordneter Düsen, deren Wurfwinkel variabel und einzeln einstellbar sind.

Darüber hinaus ermöglicht die Bauart eine bedarfsabhängige Betriebsweise. Über ein integriertes Klappensystem kann die Ausblasgeschwindigkeit und damit die Wurfweite je nach Jahreszeit optimal anpasst werden. Als Regelgröße dient die Temperaturdifferenz zwischen Zuluft und Raumluft.

Aufgrund der Gerätekonzeption des Systems „TwinXchange by Howatherm“ kann sogar im Sommer mit doppelter Nenn-Luftmenge „frei“ gekühlt werden, indem ohne periodisches Umschalten kontinuierlich Außenluft gefördert wird. Zur energetischen Optimierung wird dabei der Umschaltspeicher im Bypass umfahren.

Sollte bei Änderungen an Arbeitsabläufen, einer bevorstehenden Nutzungsänderung oder durch ähnliche Eingriffe in die Hallentechnik ein größerer Luftwechsel nötig werden, sind die Anlagen so konzipiert, dass eine Ergänzung mit weiteren Geräten immer möglich ist.

Inbetriebnahme

Die Inbetriebnahme der Anlagen fand im April 2015 an mehreren Tagen gestaffelt statt. Neben dem Datenpunkttest und der Parametrierung der einzelnen Frequenzumrichter galt das Hauptaugenmerk vor allem der aerodynamischen Optimierung der Anlagen je Hallensegment.

In einem ersten Schritt wurden in einem Rauchversuch die Weitwurfdüsen aufgrund der unterschiedlichen Raumgeometrien separat je Halle und einzeln je Gerät eingestellt. Dabei wurden die Strahlwinkel der oberen und unteren Düsen für die beiden Endklappenstellungen der Jalousieklappe in der Zuluft-Düsenbox jeweils für den Sommer- und Winterbetrieb unterschiedlich eingestellt (Bild 10). In der Übergangszeit wird diese Klappe in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen Abluft und Außenluft stetig geregelt.

Im zweiten Schritt erfolgte die Einstellung der Schaltzyklen für den instationären Betrieb. Dazu wurden jeweils, je korrespondierendem Gerätepaar, insgesamt zwei Nebelgeneratoren verwendet. So konnte für eine längere Periode die Wirkungsweise des intermittierenden Zu- und Abluftbetriebs simuliert und in einer Videoanalyse sichtbar dargestellt werden. Dabei wurden die Luftverteilung und Eindringtiefe der Lüftungsanlagen sowie die Schalt- und Regelzyklen je Gerätepaar bei unterschiedlichen Anlagezuständen überprüft und optimiert eingestellt (Bild 11).

Diese Zyklen sind in der Regelung als Istwerte hinterlegt, können aber bei geänderter Belegung der Hallen und tatsächlicher Raumbelastung jederzeit weiter angepasst werden.

Des Weiteren kann der Nennvolumenstrom je Anlage separat vorgegeben und abhängig vom tatsächlichen Benutzerverhalten variabel angepasst werden.

Zur Vermeidung von Zugerscheinungen besteht zusätzlich die Möglichkeit, die Fördermenge in Abhängigkeit von der Außenlufttemperatur nach Wahl gleiten zu lassen.

Die Programmierung dieser Temperaturkompensation sieht vor, dass eine lineare Absenkung der Nennluftmenge ab einer Außenlufttemperatur kleiner 5 °C bis zu einem Mindestvolumenstrom von 50 % bei -12 °C erfolgt (Bild 12).

Zusammenfassung

Die spezielle Hallengeometrie und die oft wechselnden inneren Lastverhältnisse stellten beim Bauvorhaben „Centre de Remisage et de Maintenance“ in Luxemburg eine besondere lüftungstechnische Herausforderung dar.

Das Ziel, eine geeignete Lösung zu entwickeln, die den projektspezifischen Bedingungen in den Hallen angemessen Rechnung trägt, wurde voll erreicht, es wurde sogar die Lüftungseffektivität – also die Durchmischung des Raumes – deutlich verbessert.

Die beschriebene Ausführung besteht aus:

Wie die Ergebnisse der Inbetriebnahme und vor allem der verschiedenen Rauchversuche dokumentieren, entstand ein Gesamtkonzept, das in Verbindung mit den Vorteilen der instationären Lüftung ohne ein ansonsten aufwendiges Kanalnetz und trotz der großen Raumhöhe eine gleichmäßige Luftverteilung, geringe Schadstoffkonzentrationen und damit ein optimiertes und angenehmes zugfreies Raumklima sicherstellt. Da mithilfe dieser Gerätekonzeption auch im Sommer kontinuierlich mit doppelter Nenn-Luftmenge „frei“ gekühlt werden kann, wird auch ohne mechanische Kühlung eine ganzjährig ausgewogene Lüftungseffektivität erreicht.

In diesem Zusammenhang ist auch noch der hygienische Vorteil im Vergleich zu den sonst für ähnliche Anwendungsfälle üblichen, natürlichen Lüftungskonzepten hervorzuheben. Durch die mechanische Lüftung mit Wärmerückgewinnung strömt die Außenluft nicht nur temperiert, sondern auch gefiltert in den Raum nach.

Dieses Konzept hat auch nennenswerte wirtschaftliche Vorteile. So werden zum Beispiel aufgrund der besseren Luftverteilung im Raum, die mit der intermittierenden Be- und Entlüftung erzielt wird, die Nennvolumenströme und damit die Betriebskosten reduziert.

Auf die Investitionskosten wirken sich vorteilhaft der Wegfall eines Kanalnetzes und vor allem die neuartige Gerätetechnologie aus. Während bei der klassischen Lösung ein RLT-Gerät für die Zuluft und eines für die Abluft, mit ihren jeweiligen Komponenten erforderlich ist, strömt beim System „TwinXchange by Howatherm“ die Zu- und Abluft in nur einem Gerät wechselseitig über denselben Filter, Ventilator und Wärmespeicher. Für die CFL ist dieses System technisch und wirtschaftlich eine sehr effektive und nachhaltige Lösung, die sich im beschriebenen Projekt in der Praxis als ideal für die Umsetzung der technischen Anforderungen und der optimalen Umgebungsbedingungen für die Beschäftigten im Wartungs- und Reparaturzentrum bewiesen hat.