Mit VRF ganzheitliches Energiemanagement

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• Für den Neubau eines Labor- und Dialysezentrums wurde die ursprüngliche Planung mit separater Wärme- und Kälteerzeugung zu einem ganzheitlichen weiterentwickelt: Das gesamte Gebäude wird monovalent durch VRF-Klimatechnik beheizt und gekühlt.
• Über die VRF-Systeme erfolgt eine Wärmerückgewinnung aus internen Lasten. Für die Nutzung von Abwärme in einem Pumpenwarmwassersystem wurden spezielle Hydraulik-Module gefertigt.
• In die zentrale Lüftungsanlage mit sehr dynamischem Lastgang wurde ein sich verzahnter, 4-kreisiger Wärmeübertrager mit getrennter 0…10-V-Leistungskaskadierung zur präzisen Regelung der Zulufttemperatur integriert.

Der Grundstein für das neue Labor- und Dialysezentrum in Georgsmarienhütte / Kloster Oesede wurde Ende 2012 gelegt. Es entstand ein 2-stöckiges Laborgebäude zur Blutprobenuntersuchung mit modernster Analysetechnik inklusive Verwaltungskomplex und angegliederter Pathologie Abb. 1. Den Mitarbeitern stehen 21 vollklimatisierte Labor-, Technik- und Büroräume zur Verfügung. Der Baubeginn für die Versorgungstechnik war für März 2013 geplant, durch den langen Winter verzögerte er sich jedoch bis Anfang Mai. Die zwei Monate Bauverzug galt es allerdings aufzuholen, da die Nutzbarkeit bis Ende 2013 vorgesehen war.

Mit der Detailplanung des Gebäudetechnik-Konzepts und der Ausführung betraute das Bauunternehmen Kuhlmann, Oldenburg-Metjendorf, die Firma Server-Coolings-Systems (SCS), mit der sie bereits andere Projekte erfolgreich umgesetzt hat. SCS ist aus der Schweigatz Unternehmensgruppe hervorgegangen, die seit zwanzig Jahren in der Heizung-, Sanitär- und Klimatechnik tätig ist.

Das Klimatisierungskonzept haben die Projektverantwortlichen und der Generalunternehmer gemeinsam erarbeitet. Das Ergebnis sind individuell angepasste Komponenten der Lüftungs- und Klimatechnik mit VRF-Systemen von Fujitsu. So wurden beispielsweise Hydraulik-Module zur Einspeisung in den Pumpenwarmwasserkreislauf per 3-Leiter-VRF-Anlage durch SCS als Komplettmodul gefertigt. Ein weiterer Vorteil, den SCS bietet: Das Unternehmen beschäftigt eigene Spezialisten für die Regelungstechnik und kann so auch individuelle Kundenwünsche erfüllen.

Betreiber legt Wert auf Energieeffizienz

Für die Technische Gebäudeausrüstung wurden vom Bauträger ein möglichst ökologischer Gebäudebetrieb mit geringem Energieverbrauch und geringe Energiekosten vorgegeben. Und das Regelungskonzept sollte möglichst wenige Schnittstellen aufweisen.

Die ursprüngliche Planung sah eine Gas-Zentralheizung und ein Kaltwassersystem zur Kühlung der Außenluftversorgung vor. Um möglichst wenige unterschiedliche Technologien einzusetzen, wurde die Erzeugung von Kaltwasser und Pumpenwarmwasser auf VRF-Klimasysteme geändert. Dadurch wurde auch Platz auf dem Dach eingespart, der Gasanschluss ist entfallen.

Ein weiterer Pluspunkt der 3-Leiter-VRF-Technik ist das sehr hohe Energieeinsparpotenzial bei gleichzeitigem Heiz- und Kühlbedarf: Die von einem oder mehreren Verbrauchern als Last abgeführte Wärmeenergie kann mit sehr geringem Hilfsenergieaufwand anderen Verbrauchern mit Wärmebedarf als Nutzenergie zur Verfügung gestellt werden. Bei getrennten Systemen zur Kälte- und Wärmeerzeugung ist diese sehr einfache und effektive Art der Wärmerückgewinnung nicht möglich.

Klimatisierungskonzept

Um allen Anforderungen des Betreibers an die Gebäudeversorgung gerecht zu werden, wurde folgendes Klimatisierungskonzept vorgesehen:

• dezentrale Klimatechnik durch VRF-Inneneinheiten
• Klimatisierung durch zentrale Lüftungsanlagen in zwei Phasen
• Beheizung durch Niedertemperaturradiatoren

Für die Klimatisierung der 21 Büro-, Verwaltungs- und Praxisräume und den Technikraum wurden Inneneinheiten des 3-Leiter-VRF-Systems von Fujitsu eingesetzt. Für jedes der Innengeräte ist eine separate Temperatureinstellung möglich. So können die Räume individuell temperiert werden. Größere Räume lassen sich damit auch in verschiedene Temperaturzonen unterteilen. Ein weiterer Vorteil der VRF-Technik besteht in der schnellen Konditionierung der Raumluft. Räume, die selten benutzt werden, beispielsweise Besprechungsräume oder Wartezimmer, müssen nicht betriebsbereit, sondern nur bei echtem Bedarf geheizt oder gekühlt werden.

Parallel zur dezentralen Klimatechnik wurde eine „2-Phasen-Klimatisierung“ mit zentralen RLT-Geräten realisiert. Durch die Anordnung der Lüftungsgeräte an nur einer Stelle wurden die Service- und Wartungsarbeiten vereinfacht und die Schallemissionen konzentriert.

In der ersten Phase …

… wird das gesamte Laborgebäude mit konditionierter Außenluft über ein leistungsstarkes Zentralklimagerät inklusive spezieller Feinfilterung versorgt. Eine Besonderheit besteht in den ständig wechselnden Leistungsanforderungen. Zum einen ändert sich die Außenlufttemperatur im Tagesverlauf, wodurch sogar ein Wechsel der Betriebsart erforderlich sein kann. Zum anderen variieren die inneren Lasten des Gebäudes durch das Zu- und Abschalten von Messequipment. Diese Temperatur- und Leistungswechsel müssen von der Lüftungsanlage zuverlässig ausgeregelt werden.

Weiterhin sind in den Laborräumen Prüfkammern installiert, die während der Probenuntersuchungen Raumluft durch die Messkammer nach außen ableiten. Damit dadurch in den Räumen kein Unterdruck entsteht, wird der Luftdruck stetig durch eine Gebäudeleittechnik überwacht Abb. 2. Sie regelt bei Bedarf die Zuluft- beziehungsweise die Abluftmenge nach. Die Nutzung verändert also kontinuierlich die zu fördernden Luftmengen und die Differenz zwischen Zu- und Abluftvolumenstrom.

Entsprechend reaktionsschnell muss auch die Kälte-/Wärmeerzeugung mit jeweils rund 100 kW Kühl- und Heizleistung sein. Dazu wurde das Lüftungsgerät mittels Fujitsu DX-Systemen an ein 2-Leiter-VRF-System angeschlossen. Der in sich verzahnte, 4-kreisige Wärmeübertrager wird mit getrennter 0…10-V-Leistungskaskadierung betrieben Abb. 3. Die Aufteilung auf mehrere verzahnte Wärmeübertrager ermöglicht eine präzise Regelung der Zulufttemperatur auch bei Teillast und variablen Luftmengen.

In der zweiten Phase …

… findet die Klimatisierung des empfindlichen Lager- und Verteilbereiches über eine Umluft-Lüftungsanlage Abb. 4 statt. Aufgrund des hohen Anspruchs an einen ökologischen und wirtschaftlichen Gebäudebetrieb, wurde bereits in der Vorplanung VRF-Technik zur Konditionierung vorgesehen. Diese wurde zur weiteren Energieersparnis mit einer „freien Kühlung“ kombiniert. Die hierzu eigens von SCS ent-wickelten Lüftungsgeräte ermöglichen bei mäßiger Außentemperatur das Abführen der gesamten Abwärme nach außen über einen Kreuzstrom-Wärmeübertrager (freie Kühlung mit Prozess-Außenluft) ohne eine Kontaminierung der Raumluft. Erst bei weiterem Kühl- oder Heizbedarf wird ein 3-Leiter-VRF-System V-II R Abb. 4 aktiviert und liefert die notwendige zusätzliche Energie.

Die Lüftungsgeräte liefern mit drei getrennten Kältekreisläufen je 30 kW Kühl- oder Heizleistung. Die Leistungsregelung übernehmen je Kältekreislauf zwei Fujitsu DX-Systeme mit getrennter 0…10 V-Leistungskaskadierung für jeweils 7000 m³/h Luftvolumenstrom. Neben der verbesserten Energiebilanz während des Teillastbetriebs erhöht sich durch die Aufteilung auf drei Kältekreisläufe die Anlagensicherheit. Somit stehen selbst beim Totalausfall eines Systems noch zwei Drittel der Gesamtleistung zur Verfügung.

Büros werden mit Abwärme beheizt

Die inneren Lasten der Labor- und Technikräume führen ganzjährig zu einer hohen Kühllast im Gebäude. Um möglichst viel dieser Wärmeenergie zu nutzen, können die Lüftungsgeräte und die Inneneinheiten ihre Abwärme zur Energierückgewinnung dem Pumpenwarmwasserkreislauf zuführen. Abnehmer sind bei Bedarf die mit Niedertemperaturradiatoren ausgestatteten Büroräume. Die zum Wärmetransfer notwendigen Hydraulik-Module Abb. 5 wurden durch SCS gefertigt und installiert.

Fazit

Die vom Betreiber und Planer an die Gebäudetechnik gestellte Anforderung, energiesparend zu heizen, komfortabel zu klimatisieren und nur wenige Schnittstellen zwischen verschiedenen Anlagentechnologien zu haben, wird mit den VRF-Systemen der V-II-Serie von Fujitsu ganzheitlich erfüllt. Das gesamte Dialysezentrum wird monovalent durch die VRF-Klimatechnik beheizt und gekühlt. Um die Energiekosten besser überwachen zu können, dokumentiert ihr System-Controller Lite den ökologischen und wirtschaftlichen Betrieb des Gebäudes.

ist Produktmanager Komfortklima bei Swegon Climate Systems Germany, 85748 Garching-Hochbrück, saph@swegon.de, https://www.swegon.com/de/