Geregelte Luftqualität spart Energie

Präzise Luftqualitätsregelung wird oft thematisiert, aber nur selten wirklich umgesetzt. Dabei kann sie einen wichtigen Beitrag zur Senkung der Betriebskosten von Lüftungs- und Klimaanlagen leisten. Bereits seit 1916 werden Vorschläge zur Luftqualitätsregelung über die Kontrolle des CO₂-Gehalts der Raum- oder Abluft gemacht. Doch um die Gesamtkosten innerhalb einer für Investoren attraktiven Zeit zu senken, waren die Technologien lange zu teuer und die Ener­giepreise zu niedrig, als dass sich Vorstöße in diese Richtung wirklich gelohnt hätten.

Das hat sich nun grundlegend geändert: Während die heute deutlich höheren Energiekosten eine CO₂-Regelung zu einer realistischen Notwendigkeit machen, sorgen gleichzeitig moderne Technologien für eine besonders einfache An­wendung. So können sowohl neue Installationen zusammengestellt als auch bereits bestehende mit akzeptablem Aufwand aufgerüstet werden. Die EU-Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden [2] und neue Normen unterstützen die Anwendung dieser Systeme aufgrund ihres ­enormen Einsparungspotenzials.

„Alte“ Normen und die neue EN 13779

Bei der Planung von Lüftungssystemen haben Normen eine hohe Bedeutung. Insbesondere der Außenluftanteil ist ein Design-Kriterium, das sich auf die Gesamtgröße der Anlage auswirkt. DIN 1946-2 (Raumlufttechnik; Gesundheitstechnische Anforderungen (VDI-Lüftungsregeln), (zurückge­zogen) und die US-Norm ASHRAE 62-1989 berechne(te)n die Außenluftmenge noch nach der Fläche und einer festen Personenzahl. DIN EN 13779 [1] (Nachfolgenorm von DIN 1946-2) auf Grundlage der EPBD enthält bereits die Option, die Außenluftzufuhr mit der Luftqualität als Regelgröße zu gestalten und misst der Luftqualität die größte Bedeutung für ein wirtschaftlich ­betriebenes Klimasystem zu.

Für typische RLT-Anwendungen ist der CO₂-Gehalt der Raum- oder Abluft eine geeignete Regelgröße. Die Messung basiert auf den Absorp­tions­eigenschaften von CO₂. Damit kann die Wirkung des Gases unter allen anderen Einflüssen selektiv herausgefiltert werden, sodass sich sehr exakte Messergebnisse erzielen lassen. Den physikalischen Effekt zeigt Bild 1.

Moderne CO₂-Sensoren bestehen aus einer Infrarotquelle, die Strahlung durch einen Wellenleiter aussendet; einem optischen Filter, der nur die erforderliche Wellenlänge durchlässt und einem Detektor, der die Menge der Infrarotstrahlung misst: Je höher der CO₂-Anteil in der Messkammer ist, desto weniger Infrarotstrahlen erreichen den Detektor (Bild 2). Dieses Messprinzip hat sich als sehr zuverlässig erwiesen, sodass keine Kalibrierung mehr erforderlich ist. Es bietet die höchste Zuverlässigkeit und Genauigkeit aller möglichen Messprinzipien.

Die Sensoren können, je nach Art des Sys­tems, im Raum an der Wand oder im Abluftkanal installiert werden (Bild 3). Sie können auch einen Proportional-Regler oder/und einen einfachen Begrenzungsschalter enthalten, sodass kleine Anwendungen direkt über die Sensorsteuerung geregelt/gesteuert werden können. In jedem Fall gibt es ein lineares Ausgangssignal 0…10 V oder 4…20 mA, das die CO₂-Konzentration in ppm (parts per million) darstellt. Dieses Ausgangssignal kann, je nach Sensorgenauigkeit und Anforderungsprofil, für verschiedene Messbereiche skaliert werden. In der Regel sollten Sensoren für RLT-Anlagen einen Messbereich von 0…2000 ppm CO₂ abdecken.

Typische Anwendungsbereiche

Diese Technologie kann in Belüftungssystemen in allen gewerblich genutzten Gebäuden mit dauerhaft hoher oder wechselnder Personendichte eingesetzt werden. Besonders sinnvoll ist der Einsatz in Bürogebäuden, Schulen, Konferenzzentren, Theatern, Supermärkten, Wellness- und Fitnesszentren und Kinos.

Eine CO₂-Regelung wird auf das entsprechende Heiz-, Kühl- und Lüftungssystem zugeschnitten (Bild 4). Bei neuen Systemen umfasst die Lüftung in der Regel auch Heizung und Kühlung, dabei gelten folgende Vorgaben:

• Für variable Außenluftzufuhr und für Nicht­belegungszeiten ist eine Mischkammer erforderlich.
• Die Außenluftzufuhr erfolgt bei minimaler Ventilatordrehzahl.
• Wenn die minimale Ventilatordrehzahl für die Luftqualität, Heizung oder Kühlung nicht ausreicht, muss sie erhöht werden.
• In Einraumgebäuden wie Kinos, Theatersälen und Supermärkten sollte sich der Sensor im Abluftkanal befinden.
• Andere Gebäude sollten über eine individuelle Regelung für die einzelnen Räume verfügen.

Es gibt eine große Bandbreite von Regel- und Steuerkonzepten/-lösungen. Es gilt also, für jeden Anwendungsfall die jeweils beste Lösung aus­zuwählen:

• Bei kleinen Installationen kann es durchaus akzeptabel sein, den Ventilator je nach Sensor­informationen ein- und auszuschalten. Der Sensor muss mit einem Begrenzungsschalter ausgestattet sein. Allerdings ist dabei zu beachten, dass Nutzer auf Geräusche von Lüftungsanlagen bei einer Ein-Aus-Steuerung empfindlicher reagieren.
• Systeme mit Mischkammer können durch einen CO₂-Proportional-Regler und eine entsprechende Vorrichtung erweitert werden, die das maximale Signal aus der bestehenden Temperaturregelung und der neuen Luftqualitätsregelung auswählt. Diese Erweiterung ist also unabhängig vom bestehenden Gebäudeleitsystem auch einfach nachzurüsten.
• Außenluftsysteme können nur durch eine Luftqualitätsregelung mit Frequenzumwandler des Ventilators erweitert werden. In einigen Fällen muss der Ventilatormotor ersetzt werden, wenn ein Frequenzumwandler eingesetzt ­werden soll (da die Isolierungsklasse zu niedrig ist). Das Regelsystem umfasst einen CO₂-Sensor, einen Proportional-Regler und einen Signalverstärker.
• Mischkammer und Frequenzwandler: Die entsprechende Funktionalität kann nur über das Gebäudeleitsystem gewährleistet werden, daher kann es erforderlich sein, die gesamte Regelung zu ersetzen.

Luftqualitätssensoren auf der Basis von oxidierbaren Gasen, beispielsweise Gerüchen und Kohlenmonoxid, können entsprechend eingesetzt werden, wenn CO₂ nicht die primäre Regelgröße ist. Typische Anwendungsfälle sind Restaurants und Umkleideräume in Sporteinrichtungen.

Da eine Luftqualitätsregelung in jedem Fall zu Lastbedingungen unterhalb des Nennbereichs führt, wird auf diese Weise der Verschleiß aller Komponenten verringert und die Lebensdauer des Systems verlängert. Ein weiterer positiver Nebeneffekt ist eine reduzierte Geräuschentwicklung für ein komfortableres Wohn- und Arbeitsumfeld.

Einsparpotenzial

Welches Einsparpotenzial die Regelung einer Lüftungsanlage über die Luftqualität bietet, lässt sich bereits an stark vereinfachten Beispielrechnungen aufzeigen.

Einsparungen bei Heiz- und Kühlenergie ergeben sich, wenn die Außenluftmenge reduziert wird. Der vermeidbare Aufwand für 10000 m³/h Luftkühlung in vier Sommermonaten bei einer ­Außentemperatur von 30 bis 26 °C beträgt rund 7100 kWh. Das entspricht vermeidbaren ­Energiekosten von 2130 Euro/a bei über die ­Nutzungsdauer gemittelten Stromgesamtkosten von 0,3 Euro/kWh. In vier Wintermonaten können bei einer Außentemperatur von 4 bis 22 °C etwa 32000 kWh Heizenergie eingespart werden, was bei Brennstoffkosten von 73 Euro/MWh zu einer Kosteneinsparung von 2331 Euro/a führt. Die Gesamteinsparung beträgt damit 4461 Euro.

Einsparungen durch reduzierten Luftstrom ergeben sich aus der dann verringerten Stromaufnahme der Ventilatorantriebe. Die Halbierung des Luftvolumenstroms von 20000 auf 10000 m³/h bei 2000 Pa Druckerhöhung im Nennlastfall setzt die Leistungsaufnahme von 11,1 kW_el auf 1,4 kW_el herab. Ist diese Reduzierung über 2000 h/a möglich, ergibt sich eine Kosteneinsparung von 19400 kWh_el, was bei Stromgesamtkosten von 0,3 Euro/kWh einer Gesamteinsparung von 5800 Euro/a entspricht.

Das Einsparpotenzial erreicht damit über die Nutzungsdauer eine Größenordnung von 10000 Euro/a. Bei der Überschlagsrechnung sind Wirkungsgrade noch gar nicht berücksichtigt, ­sodass die Werte auch bei günstigeren Bezugs­kosten auf der sicheren Seite liegen.

Fazit

Steigende Energiekosten fördern das Interesse an CO₂-Regelsystemen. Planer und Installateure können ihren Beitrag zur Kostensenkung leisten, indem sie diese bewährte Technologie nutzen und CO₂-Sensoren oder entsprechende Alternativen einsetzen. Die prozentuale Energieeinsparung liegt im zweistelligen Bereich. Außerdem verlängert die Luftqualitätskontrolle die Lebensdauer des Lüftungssystems und bietet den Nutzern einen ­höheren Komfort. Dies zeigen auch viele realisierte Projekte der CentraLine-Partner, die Planer und Gebäudebetreiber beraten und unterstützen. Die Partner sind u.a. Experten in Sachen Luft­qualitätsregelung und werden von CentraLine ­regelmäßig über die neuesten Technologien und Richtlinien informiert.

Literatur

[1] DIN EN 13779 Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klima­anlagen und Raumkühlsysteme. Berlin: Beuth Verlag, ­September 2007

[2] Richtlinie 2002/91/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. Dezember 2002 über die Gesamt­energieeffizienz von Gebäuden.

[3] General Electric: Informationen zu den CO₂-Messtechniken

ist Produktmanager für „CentraLine by Honeywell“, Telefon (0 70 31) 63 74 56, E-Mail: info-d@centraline.com, http://www.centraline.com