Instationäre Lüftungstechnik

Instationäre Lüftung für dezentrale Geräte

Bei dezentralen Lüftungsgeräten besteht die Möglichkeit, die Luftrichtung nahe am Luftauslass, innerhalb des Gerätes, durch Änderung der Drehrichtung des Ventilators umzukehren. Besser ist es die Drehzahl konstant zu halten und für die Richtungsänderung einen Klappenmechanismus zu nutzen. Dieser Mechanismus muss eine sehr hohe Langlebigkeit bei hoher Schaltfrequenz mit kurzer Verfahrdauer und geringem Energiebedarf aufweisen. Die Nutzung eines Luftweges für sowohl Zu- als auch Abluft bedeutet für dezentrale Geräte die Reduzierung auf eine einzige Fassadenöffnung, wodurch sich die Integration an der Fassade erheblich einfacher realisieren lässt als bei derzeit eingesetzten Lüftungsgeräten. Durch die Einsparung eines Luftwegs reduziert sich die Anzahl der benötigten Komponenten. Dies kann Investitions­kosten senken und wirkt sich direkt auf die Aufwendungen in Form von geringeren Wartungs- und Instandhaltungskosten aus. Darüber hinaus eröffnet sich durch die instationäre Betriebsweise die Möglichkeit, eine energetisch hocheffiziente regenerative Wärmerückgewinnung zu integrieren. Eine besondere Herausforderung stellt sich im Zusammenhang zwischen instationärer Luftförderung und der Homogenität und Höhe des Schallpegels im Raum. Um z. B. einen mittleren Volumenstrom von 120 m³/h je Luftweg zu fördern, der für ein Drei-Achs-Büro typisch ist, muss dieser bei wechselweiser Durchströmung je Luftrichtung als Momentanwert 240 m³/h betragen. Der dadurch entstehende Schallleistungspegel darf dabei 45 dB(A) nicht übersteigen, um gegenüber herkömmlichen Lüftungssystemen wettbewerbsfähig zu sein. Hierbei kommt dem Konzept zugute, dass durch die Einsparung eines Luftweges Bauraum gewonnen wurde. Dieser kann nun genutzt werden, um Schalldämpfer anzupassen und die Druckverlust erzeugenden Komponenten wie F7-Filter und Wärmerückgewinner zu vergrößern.

Der von der LTG Aktiengesellschaft auf der ISH 2013 vorgestellte Prototyp eines dezentralen Lüftungsgerätes „FVPpulse“ zur instationären Raumluftströmung setzt die Umschaltung der Luftwege mittels einer geräteinternen Klappenbaugruppe um, die vier Luftwege parallel ansteuert (Bild 1). Dies macht es im Gegensatz zur Drehrichtungsänderung des Ventilators möglich, einen EC-Ventilator mit hohen Wirkungsgraden einzusetzen und Schallemissionen durch die konstante Drehzahl auf einem gleich bleibendem Niveau zu halten.

Die instationäre zyklische Versorgung eines Raumes mit Zuluft und Abluft findet ihre Entsprechung in einem evolutionären Prinzip, mit dem viele Lebewesen seit 270 Millionen Jahren erfolgreich sind: der Atmung.

Regenerative Wärmerückgewinnung

Bei dezentralen Lüftungsgeräten mit Ab- und Zuluftfunktion ist eine effiziente Wärmerückgewinnung wichtig, um die Energiebedarfskosten durch Minimierung des Lüftungswärmebedarfs im Winter geringzuhalten. In der Regel wird die Wärmerückgewinnung mithilfe eines Rekuperators realisiert. Es wird eine Membran von zwei räumlich getrennten Stoffströmen umströmt, wodurch Wärme vom warmen an das kalte Fluid übertragen wird. Bei der regenerativen Wärmerückgewinnung hingegen, sind die Stoffströme nicht räumlich, sondern zeitlich voneinander getrennt. Der Regenerator dient als Wärmespeicher und wird alternierend Be- und Entladen. Die Dimensionierung des Regenerators ist ein Optimierungsprozess bei dem Wärmespeichervermögen, Wärmeübergangskoeffizient und Temperaturleitfähigkeit bei begrenztem Volumen maximiert werden sollen, ohne den Druckverlust und die damit einhergehenden Schallemissionen des Ventilators zu erhöhen.

Bild 2 zeigt die Lufttemperaturen eines dezentralen Lüftungsgeräts mit integriertem Regenerator. Ein Zyklus wird dabei in die Teilzyklen „Ausatmen“ und „Einatmen“ unterteilt. Beim „Einatmen“ wird frische Luft in den Raum gefördert, beim „Ausatmen“ verbrauchte Luft wieder hinaus. Wie in Bild 2 zu sehen, wird zu Beginn des 20 s dauernden Teilzyklus mehr Wärme aus der Abluft im Regenerator gespeichert, als zum Ende des Teilzyklus, da die Triebkraft für die Wärmeübertragung – die Temperaturdifferenz – abnimmt. Anhand des Diagramms wird deutlich, dass der Temperaturänderungsgrad mit größerer Zykluszeit abnehmen muss, da die mittlere Temperaturdifferenz zwischen Abluft und Fortluft dessen Größe definiert.

Eine Regelung des mittleren Tempera­tur­änderungsgrades ist so durch Anpassung der Zyklendauer einfach realisierbar. Es kann in jedem Betriebspunkt der optimale Temperaturänderungsgrad stufenlos eingestellt werden, ohne dass dafür die zusätzliche Integration eines Bypasses notwendig ist. Die sich einstellenden Temperaturänderungsgrade im dezentralen Lüftungsgerät können bis zu 90 % erreichen und sind neben der Zyklendauer auch von der Höhe des Volumenstroms abhängig (Bild 3).

Instationäre Raumluftströmung

Eine instationäre Raumluftströmung zeichnet sich gegenüber der üblichen stationären Raumluftströmung dadurch aus, dass zusätzlich zu den zufällig auftretenden Turbulenzeffekten im Raum Temperatur- und Raumluftgeschwindigkeitswerte zyklisch variieren. Die Schwankungsbreite nimmt dabei mit zunehmendem Abstand vom Luftauslass ab. Die Höhe dieser Dämpfung hängt vom Einsatzgebiet ab. Wird die Luft unter der Decke eingebracht, ist es zielführend, wenn die Geschwindigkeit erst kurz vor dem Aufenthaltsbereich abgebaut ist. Wird die Luft im bodennahen Bereich eingeblasen, baut ein hochinduktiver Luftdurchlass sowohl Geschwindigkeits- als auch Temperaturgradienten innerhalb eines kurzen Bereiches ab.

Bild 4 zeigt das sich einstellende Zugluftrisiko für eine bodennahe Lufteinbringung durch das Unterflurgerät „FVPpulse“. Dargestellt ist ein zur Fassade senkrechter Schnitt durch einen Büroraum. Selbst in einer Entfernung von 20 cm vom Auslassgitter wird die Kategorie B der ISO 7730 eingehalten.

Durch die hochinduktive instationäre Lufteinbringung ist die lokale Untertemperatur der in den Aufenthaltsbereich eintretenden Zuluft und in Folge davon der vertikale Temperaturgradient geringer. Die nun wärmere Luft schichtet sich auf einer größeren Höhe in den Raum ein. Anstelle eines für die Quellluft typisch niedrigen Frischluftsees wird ein größeres Luftvolumen mit kühler und frischer Luft versorgt. Wie in Bild 5 zu sehen ist, wird nahezu der gesamte Aufent­halts­bereich einer sitzenden Person abgedeckt. Innerhalb des Aufenthaltsbereichs stellt sich dadurch ein geringerer vertikaler Temperaturgradient ein (Bild 6).

Diese gleichmäßigere Temperaturverteilung macht es möglich, in der Regelung größere Toleranzen für die Raum-Solltemperatur zuzulassen. Darüber hinaus hat die effektive Vermischung der Zuluft mit der Raumluft zur Folge, dass gegenüber einem Quellluftsystem Zuluft mit größerer Untertemperatur in den Raum eingebracht werden kann. Die Kühlleistung, die thermisch behaglich in den Aufenthaltsbereich eingebracht werden kann, steigt.

Regelung instationärer dezentraler Lüftungsgeräte

Die Regelung stationär betriebener dezentraler Geräte unterscheidet sich grundlegend von der zentraler Geräte, da durch die direkte Anbindung an die Außenluft sowohl der Wärme­rückgewinner als auch der Wärmeübertrager vor möglichem Einfrieren geschützt werden müssen. Im Fall des Wärmerückgewinners wird dies realisiert, indem entweder ein Bypass genutzt oder der Frischluftvolu­menstrom um einen Umluftanteil verringert wird. Wird der Bypass geöffnet, strömt kalte Luft bis zum Wärmeübertrager. Es muss in eine aufwendige Regelung und schnell stellende Heizventile mit stetigem Regelverhalten investiert werden. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass die Zulufttemperatur in den unbehag­lichen Bereich absinkt und die Regelung den Frostschutz aktiviert.

Diese sowohl konstruktiven als auch regelungstechnischen Maßnahmen sind in einem instationär betriebenen dezentralen Lüftungsgerät, das mit regenerativer Wärmerückgewinnung arbeitet, nicht notwendig. Durch die alternierende Be- und Entladung des Regenerators herrschen am Wärmeübertrager selbst bei Außenlufttemperaturen von –12 °C und Wärmerückgewinnungsgraden von 80 % noch Temperaturen von über 10 °C. Ein Bypass am Wärmerückgewinner ist nicht notwendig, da ein Einfrieren bei ausreichend geringer Zykluszeit nicht möglich erscheint. Die in einem Rekupe­ra­tor stetig kondensierenden Feuchtigkeitsmengen werden im Regenerator wieder zurückgewonnen.

Wird die zyklische Betriebsweise der Klappenregelung in die Motoransteuerung der Klappe ausgelagert und diese Funktion somit nicht durch das externe Regelungssystem erbracht, dann sind handelsübliche Raumtemperaturregler auch in der dezentralen Anwendung erstmals nutzbar. So kann auf anspruchsvolle MSR-Technik inklusive der entsprechenden Folgekosten verzichtet werden.

Weg frei für alternative Lüftungskonzepte

Instationäre Lüftungssysteme, die den Volumenstrom zyklisch variieren, verursachen Druckschwankungen im Raum, wenn temporär unterschiedlich hohe Volumenströme zu- und abgeführt werden. Diese Druckschwankungen können verhindert werden, indem innerhalb eines Raumes mehrere Geräte installiert werden oder Luftdurchlässe Ausgleichsströmungen im Gebäude ermöglichen. Diese Druckschwankungen bieten auf der anderen Seite das Potential, um mithilfe von Öffnungen innerhalb des Gebäudes Innenbereiche dezentral zu belüften. Diese Öffnungen können neben Türspalten auch schallgedämpfte Überströmelemente sein, wie sie bereits standardmäßig in Flurwände eingebaut werden.

Ein weiterer Unterschied zu stationär betriebenen Lüftungsgeräten besteht darin, dass höhere Volumenströme bei konstanter Schallemission gefördert werden können. Kombiniert man diese Eigenschaft mit der Möglichkeit, Gebäudezonen über Überström­elemente und eine entsprechende Gebäudeleittechnik mitein­an­der zu verbinden, ergibt sich eine Vielzahl an innovativen Lüftungskonzepten (Bild 7). Beispielsweise lassen sich während der Nachtstunden auch die innenliegenden Räume mit kühler Nachtluft durchströmen und damit auskühlen. Dabei wird das Gebäude mit bis zu vierfachem Luftwechsel quer belüftet, auf der einen Seite werden alle Geräte auf Zuluftbetrieb gestellt, auf der gegenüber liegenden wird nur Abluft gefördert. Vorteilhaft gegenüber einer Abluftführung über die Fenster ist, dass auch Innenzonen gekühlt werden und Wetter-, Insekten- und Einbruchs­schutz dabei weiterhin gegeben sind.

Eine Bedarfslüftung kann bei den raumweisen instationären Geräten einfach umgesetzt werden, aber auch zur Belüftung der Innenzonen genutzt werden. Die Atemfunktion kann zum Beispiel über einen CO₂-Sensor freigeschaltet werden, der die Raumluftqualität detektiert. Der Raum „holt nur die Luftmenge“, die erforderlich ist. So werden nur die notwendige Frischluft und Energie aufgewendet, die für die tatsächliche Raumbelegung erforderlich sind.

Eine Kopplung der maschinellen Lüftung mit Fensteröffnungen führt zur Funktion der hybriden Lüftung. An heißen Sommerta­gen werden hohe Kühlleistungen benötigt, gleichzeitig ist die Wärmerückgewinnung durch kleine Temperaturdifferenzen zwischen Raumtemperatur und Außentemperatur energetisch sehr ineffizient. Nun kann die alternierende Atemfunktion abge­schal­tet werden und bei gekipptem Fenster die Abluft über die Fassade entweichen. Bei gleicher Strömungsakustik wird der doppelte Zuluftvolumenstrom zugeführt, mit nahezu der doppel­ten Kühlleistung.

Fazit

Die dargestellten Messergebnisse zeigen, dass eine instationäre Klimatisierung bei dezentralen Lüftungsgeräten durch eine Umsetzung mit einer raumnahen, multifunktionalen Klappensteuerung möglich ist. Es ergeben sich durch Halbierung der Luftwege und Schnittstellen wesentliche Vorteile bei der Fassadenintegration. Durch die systembedingte Reduzierung der Systemkomponenten und wesentlich vereinfachte Anforderungen an die Regelungskomponenten ergibt sich ein wirtschaftlicher Vorteil.

Ein Regenerator zur Wärmerückgewinnung hat als WRG Temperaturänderungsgrade von bis zu 90 %, ohne dass ein Einfrieren im realen Betrieb zu erwarten ist. Die Raumströmung weist eine deutlich erhöhte Lüftungseffektivität auf, da die impulshafte Lufteinbringung zu einer verstärkten Vermischung der kalten Zuluft mit der warmen Raumluft führt. Weitere Messungen sollen zeigen, ob durch geeignete Regenatorbeschichtungen auch die Feuchterückgewinnung nennenswert beeinflusst werden kann. Des Weiteren ist zu untersuchen, ob sich die instationäre Betriebsweise, das Atmen des Geräts, positiv auf die Filterstandzeit und damit die Wartungskosten auswirkt.