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Die Regelung moderner Gebäudetechnik wird immer anspruchsvoller, Gebäudeautomation passt sie optimal an die Bedürfnisse der Nutzer an. Gleichzeitig maximiert sie die Energieeffizienz des Gebäudes. Von Lüftungsgeräten erwarten Facility-Manager auf der Basis von Messdaten wie CO2 oder Feuchte einen bedarfsgerechten Betrieb und diesen außerdem angepasst an Rahmenbedingungen, wie Raum- und Kundenprofile. Bei der zunehmenden Komplexität hat herstellerseits vorinstallierte Regelungstechnik viele Vorteile. Ein wesentlicher davon ist, dass die Komplexität in den industriellen Prozess vorverlegt und der Ablauf auf der Baustelle professionalisiert wird. Auch die zukünftige ErP(Ökodesign)-Richtlinie berücksichtigt diese Zusammenhänge.
Kompakt zusammengefasst
■ Eine vom Hersteller werkseitig vorinstallierte Regelungstechnik und Elektrotechnik in RLT-Geräten hat zahlreiche Vorteile:
■ RLT-Geräte für den bedarfsorientierten Betrieb sind durch die Wärmerückgewinnung und ggf. integrierte oder angekoppelte Wärmepumpen komplexe Anlagen, deren Energieeffizienz erst über die Regelungstechnik realisiert wird. Dazu ist viel spezielles Know-how erforderlich, dass insbesondere beim Geräte-Hersteller vorhanden ist.
■ Werkseitig vorinstallierte und bei Bedarf individualisierte und im Werk getestete Regelungstechnik spart neben Energie auch Zeit bei der Montage und Inbetriebnahme, vermeidet Montagefehler, stellt die Konformität zum Regelwerk sicher und grenzt Verantwortlichkeiten klar und nachvollziehbar ab.
■ Eine externe Vorgabe von Betriebszuständen kann über etablierte Schnittstellen erfolgen.
Beim Vergleich der Lüftungsgeräte-Generationen der 1970er-Jahre bis heute stellt man fest, dass sich in diesem Zeitraum sehr viel verändert hat. Bei dieser „RLT-Geräte-Evolution“ sind sowohl die Zahl der Komponenten in den Lüftungsgeräten als auch die Anforderungen an die Regelungstechnik enorm gestiegen.
Der größte Sprung bei der Komplexität ergab sich durch die Einführung von hocheffizienter Wärmerückgewinnung (WRG). Wird darüber hinaus auch Wärmepumpentechnik mit einem RLT-Gerät kombiniert, ist dies aktuell eine der komplexesten Regelungen.
Die durchschnittlichen Anforderungen vor rund 50 Jahren an eine Regelung (damals eigentlich eine Steuerung) waren recht simpel, denn zu diesem Zeitpunkt gab es praktisch noch keine WRG. Die RLT-Geräte wurden üblicherweise mit einstufigen Ventilatoren betrieben – im besten Fall mit Dahlandermotor1). Das RLT-Gerät wurde morgens an- und abends wieder ausgeschaltet.
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Dahlandermotoren können über eine Polumschaltung zwei Drehzahlen mit einer Wicklung realisieren. Das Drehzahlverhältnis beträgt dabei immer 1 : 2; der Volumenstrom beträgt damit 100 % oder rund 25 %.
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Regelungstechnik für Bedarfsbetrieb
Deutlich komplexer wurde es mit der Einführung drehzahlgeregelter Ventilatoren über Frequenzumformer oder EC-Technik. Außerdem wurde es möglich, mit Hilfe der WRG (Platten- oder Rotations-Wärmeübertrager sowie Kreislaufverbundsysteme) Wärme von der Abluft auf die Zuluft zu übertragen bzw. im Sommer umgekehrt.
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Für einen bedarfsorientierten Betrieb müssen Sensoren die relevanten Größen messen und die Regelungstechnik muss die einzelnen Komponenten der Geräte entsprechend steuern / regeln. Ein entsprechendes RLT-Gerät verfügt in der Regel über mehr als 20 Ein- und Ausgänge.
Aktuell gibt es im Bereich Luftbehandlung einen wichtigen Trend in Richtung Wärmepumpe. Je nachdem, ob es sich um eine interne oder externe Wärmepumpe handelt, wird die Wärmeenergie entweder der Fortluft oder der Außenluft entzogen bzw. im Betriebsmodus Kühlen an diese abgegeben.
Ein RLT-Gerät mit Wärmepumpe erfüllt neben der Nutzung von regenerativer Energie parallel eine Vielzahl von Funktionen, die von „A“ wie Abtaumanagement bis „Z“ wie Zuluft-Feuchtereglung reichen. Alle Parameter müssen mit niedriger Latenz über intelligente Regelstrategien und bedarfsgerecht aufeinander abgestimmt sowie höchst energieeffizient geregelt werden.
Zahl der Ein- und Ausgänge nimmt zu
Der Input für die eigentliche Regelung kommt von einer Vielzahl von Sensoren: VOC-(Volatile Organic Compounds) und CO2-Sensoren, Differenzdruckschalter oder Sensoren, Temperatur- und Feuchtefühler. Dass für diese „Premiumklasse“ zur Regelung der Ventilatoren, Verdichter, Volumenstromregler, WRG-Systeme, Klappen, Heiz- und Kühlregister sowie Befeuchter sehr viel Know-how und Präzision erforderlich ist, liegt auf der Hand. Die Zahl der Ein- und Ausgänge für ein solches RLT-Gerät hat sich dabei gegenüber einem Gerät ohne Wärmerückgewinnung mehr als verdreifacht.
Über smarte Algorithmen werden gewünschter Luftvolumenstrom, Temperatur, Feuchte, Nutzung freier Kühlung sowie WRG präzise geregelt. Gewissermaßen „dazwischen“ sind das Frostschutzmanagement der WRG und das Abtaumanagement der Wärmepumpe angesiedelt, denn diese greifen bei Minusgraden regelmäßig in den Standardbetrieb eines RLT-Geräts ein. Beide Vorgänge lösen komplexe Szenarien aus:
Beispiel 1: Frostschutzmanagement eines Platten-Wärmeübertragers
Schon bei Außenlufttemperaturen etwas unterhalb des Gefrierpunkts kühlt sich aufgrund der hohen Rückwärmzahl eines Gegenstrom-Wärmeübertragers die Fortluft bis in den Minusbereich hinein ab. Das passiert, wenn auf der Fortluftseite bereichsweise die Oberflächentemperatur unter dem Gefrierpunkt liegt.
Ohne Gegenmaßnahmen würde hier Kondensat oder Luftfeuchte aus der Abluft anreifen / anfrieren. So besteht die Gefahr, dass das Plattenpaket luftseitig blockiert wird oder sogar Schaden nehmen kann.
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Kann eine leichte Luftmengenimbalance zwischen Zu- und Abluft akzeptiert werden (es entsteht ein leichter Unterdruck im Raum), wird zuerst die Zuluftdrehzahl geringfügig reduziert. Bei aktiver Luftmengenimbalance kann so auch bei relativ niedrigen Außentemperaturen der gesamte Luftstrom dauerhaft über die WRG geleitet und auf diese Weise die Eiskristallbildung verhindert werden.
Reicht diese Maßnahme nicht mehr aus oder ist die Luftmengenimbalance nicht zulässig, wird zum Abtauen des Platten-Wärmeübertragers die Bypassklappe etwas geöffnet, um einen kleinen Teil des Außenluftstroms am Plattenpaket vorbeizuleiten. Um nur die minimal notwendige Menge an Außenluft an der Wärmerückgewinnung vorbeizuführen, wird die Temperatur der Fortluft stetig mit einem Temperaturfühler überwacht. Bei Unterschreiten eines Grenzwerts regelt die Bypassklappe die Fortlufttemperatur sehr präzise aus und gewährleistet, dass die WRG aktiv bleibt und dennoch sehr hohe Effizienzwerte erreicht werden. Diese Methode hat sich bewährt und ist in der Praxis dem Differenzdruck-basierten Reifschutz überlegen.
Neben regelungstechnischen Abhängigkeiten ist außerdem die exakte Positionierung des Vereisungsfühlers eine wichtige Stellschraube: Wird er nur um wenige Zentimeter versetzt zur optimalen Position angebracht, startet der Abtauprozess entweder zu früh oder zu spät, was die Energieeffizienz reduziert und im letzteren Fall zusätzlich Leistungseinbußen oder sogar Schäden verursacht.
Beispiel 2: Abtaumanagement einer externen Wärmepumpe
Auch bei einer externen Wärmepumpe besteht besonders bei Temperaturen leicht über dem Gefrierpunkt Vereisungsgefahr, wenn die an den Lamellen des Wärmeübertragers (Verdampfer) kondensierte Feuchtigkeit durch den Wärmeentzug gefriert. Um zu verhindern, dass sich durch die Einschnürung des Luftstromes die Wärmeübertragung im Register vermindert und so Leistung sowie Effizienz der Wärmepumpe sinken, wird ein autonomer Abtauzyklus in Gang gesetzt. Mit einer bidirektionalen Kommunikation ist es beispielsweise zwischen einer Clima-Split-Wärmepumpe von Wolf und dem RLT-Geräteregler trotzdem möglich, ein hohes Komfortniveau zu halten:
Bevor die Wärmepumpe in die nächste Abtauphase geht, optimiert sich das RLT-Gerät vollautomatisch auf einen temporären Betriebszustand, in dem zwar die Luftmengen reduziert werden, aber in der Zuluft trotzdem behagliche Temperaturniveaus herrschen. Sobald die abgetaute Wärmepumpe ihre volle Heizleistung wieder zu Verfügung stellen kann, wird der ursprüngliche Betriebszustand wieder hergestellt.
Schäden durch Dritte vermeiden
Neben den hohen Anforderungen an die RLT-Geräteregelung an sich gibt es einen weiteren triftigen Grund, der gegen die Installation von Regelungstechnik und Elektrotechnik auf der Baustelle durch Dritte spricht. Nicht sachgemäß ausgeführte Bohrungen in das Gehäuse führen in nicht selten zu Schäden durch Korrosion, insbesondere wenn Bohrspäne nicht vollständig entfernt werden. Lochfraß verursacht Undichtigkeiten im Gehäuse.
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Undichtigkeiten können auch entstehen, wenn die Paneele durch zu lange Schrauben auseinander gedrückt werden. Beides führt letztendlich zu Hygiene- und Leistungseinbußen und verminderter Lebensdauer eines RLT-Gerätes.
Auch werden Verdrahtung und Fühlerpositionierung durch Dritte oft nicht professionell genug ausgeführt. Wenn der Hersteller beispielsweise die Verdrahtung oder Programmierung nur teilweise durchgeführt hat, gerät im Reklamationsfall die Suche nach dem Verursacher, der für die Behebung des Schadens aufkommen muss, schnell zur Detektiv-Arbeit.
Übergeordnetes Ziel sollte es deshalb sein, auf der Baustelle für eine fehlerfreie, reibungslose und schnelle Inbetriebnahme mit klaren Schnittstellen zu sorgen und einen störungsfreien und effizienten Betrieb sicherzustellen. Die Inbetriebnahme gestaltet sich am einfachsten, wenn eine eindeutige und professionelle Verkabelung für die notwendige Übersicht sorgt (Plug-and-play). Dies kommt auch dem Problem Fachkräftemangel erheblich entgegen.
Integration in die Gebäudeleittechnik
Zu guter Letzt optimiert die Integration der RLT-Geräteregelung in die Gebäudeleittechnik (GLT) den Betrieb nochmals. Eine intelligente Regelung im RLT-Gerät sollte in der Lage sein, die einzelnen Betriebsparameter automatisch an die aktuellen Betriebsanforderungen der GLT anzupassen. Eine direkte Ansteuerung der Komponenten eines RLT-Gerätes durch die GLT ist durch die hohe Komplexität heute aber nicht mehr die Vorzugsoption.
Für eine nahtlose Kommunikation sind definierte Schnittstellen (BACnet, Modbus, KNX, etc.) die professionelle Lösung, um gewünschte Betriebszustände extern vorzugeben, ohne Geräte-interne Abläufe zu beeinflussen. Ein übersichtliches, intuitiv bedienbares Display vereinfacht darüber hinaus die Inbetriebnahme des RLT-Geräts.
Zeitersparnis durch vorinstallierte individuelle Regelung ab Werk
Auf der Baustelle und im laufenden Betrieb ergeben sich durch eine unter optimalen industriellen Bedingungen vorinstallierte Regelungstechnik sowohl Qualitätsvorteile als auch eine deutliche Zeitersparnis. Die Regelung kann individuell nach Kundenwunsch programmiert / parametriert und darüber hinaus vorab im Werk getestet werden. Auch spezielle, projektspezifische Programmieranforderungen können problemlos berücksichtigt werden.
Die Zeitersparnis ergibt sich aus der einfachen Installation und der werkseitig programmierten Regelstrategie und Betriebsart, sodass auf der Baustelle keinerlei Programmieraufwand anfällt. Außerdem entfallen in der Planungsphase und während der Installation diverse Abstimmungszyklen mit Dritten. Der erhöhte Vorfertigungsgrad und die direkte Kommunikation mit nur einem verantwortlichen Ansprechpartner für die RLT-Gerätetechnik verkürzen damit wesentlich den Prozess von der Planung bis zur Montage – auch wenn RLT-Geräte aufgrund ihrer Größe oder der Einbringmöglichkeiten in mehreren Teilen zum Einsatzort kommen. Dann kann die Verkabelung zusätzlich steckbar ausgeführt werden.
Ein weiteres Plus für die vorinstallierte Regelungstechnik betrifft die aktuellen deutschen Förderrichtlinien: Lüftungsanlagen mit einer Kälte- oder Wärmerückgewinnung können über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) mit 20 % bezuschusst werden. Förderfähig sind Neuanschaffungen, Sanierungen oder Erweiterungen von Lüftungstechnik in Bestandsgebäuden. Das Programm läuft bis zum 31. Dezember 2030.
Überarbeitung der Ökodesign-Verordnung EU 1253/2014
Eine Neufassung der „Verordnung (EU) Nr. 1253/2014 Der Kommission vom 7. Juli 2014 zur Durchführung der Richtlinie 2009/125/EG [ErP(Ökodesign)-Richtlinie] des Europäischen Parlaments und des Rates hinsichtlich der Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Lüftungsanlagen“ wird voraussichtlich erst im Jahr 2025 in Kraft treten, doch bereits heute wird über ihre Inhalte diskutiert. Die Veröffentlichung im Amtsblatt der Europäischen Union ist für 2024 geplant. Damit haben die Hersteller genügend Zeit, sich mit der Anpassung ihres Portfolios an die neuen Bedingungen zu beschäftigen. Bereits jetzt ist absehbar, dass die Verordnung und Berechnungsverfahren komplexer sein werden als bisher:
● Einführung eines SFPint Control Bonus. Dieser Control Bonus C = C1 × C2 setzt sich zusammen aus Vorgaben zur Bedarfsregelung C1 und Überwachungsfunktionen C2. Das bedeutet, dass eine im RLT-Gerät integrierte intelligente Reglung den maximal erlaubten SFPint-Wert erhöht. Die zulässige Luftgeschwindigkeit durch das Gerät kann damit etwas höher ausfallen und ein RLT-Gerät kann platzsparender konstruiert werden, weil die energetische Mindesteffizienz durch die intelligente Regelung abgesichert wird.
● Unterschiedliche klimatische Verhältnisse der Aufstellungsorte sollen bei der Auslegung besser berücksichtigt werden.
● Für die Wärmerückgewinnung sollen die bisherigen Anforderungen bestehen bleiben. Jedoch soll bei gleichzeitiger Feuchterückgewinnung ηx ≥ 25,0 % eine Anrechnung der Rückfeuchte-Energie erfolgen.
● Die Vorgaben für Leckagen werden wohl verschärft, allerdings ist die Überprüfung dieser Vorgaben nicht geklärt.
● Die Auswahl der Luftfilter soll auf den Eurovent-Effizienzklassen und der aktualisierten DIN EN 13053:2020-05 Pkt. 6.9 basieren.
Achtung: Die vorstehenden Anforderungen werden derzeit diskutiert und haben keinen verbindlichen Charakter, es ist jedoch davon auszugehen, dass das Thema Regelung von RLT-Anlagen zukünftig einen sehr hohen Stellenwert haben wird.
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Wolf / berliberlinski
