Industriehallen nach Bedarf effizienter lüften

Kompakt informieren

• Bei der Be- und Entlüftung von Produktionsstätten gibt es je nach Nutzung mehrere Optionen, den Energiebedarf gezielt zu senken. Eine herausragende Stellung hat dabei oft der Energiebedarf für den Antrieb der Ventilatoren.
• Wirkungsvolle Maßnahmen sind beispielsweise die Entkopplung von Wärmebereitstellung und Lüftung und die Nutzung der natürlichen Lüftung.
• Besonders energiesparend ist eine Bedarfslüftung. Dazu können die Luftmengen variabel nach der momentanen Nutzung eingebracht werden. Mit neuartigen Auslässen, die einen konstanten Strömungsimpuls bei variabler Luftmenge bieten, kann dabei eine gleich bleibende Lüftungseffektivität in der Aufenthaltszone gewährleistet werden.

Wird die Produktions- und Gebäudetechnik von Industriehallen auf Einsparpotenziale untersucht, stehen zumeist Wärme und Kälte im Mittelpunkt. Doch Sparpotenziale existieren ebenso beim Stromverbrauch der raumlufttechnischen Anlagen Abb. 2. Da Industriebetriebe oft im Mehrschichtbetrieb arbeiten, ergeben sich bei maschinellen Lüftungsanlagen erheblich längere und intensivere Nutzungszeiträume als beispielsweise bei Versammlungsstätten, wodurch sich Effizienzmaßnahmen binnen weniger Jahre amortisieren können.

Eine maschinelle Lüftung kann in Industrie- und Gewerbebetrieben aus diversen Gründen erforderlich oder sinnvoll sein Abb. 3, zum Beispiel:

• als Unterstützung der saisonalen Hallenheizung oder -kühlung bei gleichzeitiger Frischluftzufuhr
• zur Vermeidung von Partikeleintrag aus der Umwelt bei sensiblen Prozessen
• zum Abführen von Maschinenwärme
• um definierte Umgebungsbedingungen bei temperaturkritischen oder feuchtigkeitssensiblen Prozessen zu schaffen
• zum Verdünnen oder Verdrängen von Schadstoffen aus den Arbeitsbereichen
• zur Schaffung eines optimalen Raumklimas mit komfortablen Arbeitsbedingungen für die Mitarbeiter, um deren Gesundheit und Produktivität sicherzustellen.

Je nach Fertigungsprozess, Art der Arbeitsplätze (etwa leichte sitzende oder schwere körperliche Arbeit) und Mitarbeiterdichte ist die Gewichtung der Klimatisierungsaufgaben unterschiedlich, somit ist es unmöglich, ein Universalrezept für das effiziente Lüften zu erstellen. Im Folgenden sind deshalb verschiedene Ansätze skizziert, die für den einen oder anderen Anwendungsfall innerhalb einer Industriehalle sinnvoll sein können.

Entkoppeln von Wärmebereitstellung und Lüftung

RLT-Anlagen können den Wärmebedarf eines Gebäudes nach EnEV-Standard in der Regel gut decken und so Wärmeverluste über Dach und Wände, Undichtigkeiten der Gebäudehülle oder offene Hallentore ausgleichen. Oft ist es jedoch sinnvoller, die gewünschte Temperatur am Arbeitsplatz durch separate Systeme, wie aktive Bauelemente, Dunkelstrahler oder eine Fußbodenheizung, sicherzustellen. Sie ermöglichen eine Optimierung in Bezug auf die Energiequellen (etwa Wärmepumpe, Solarkollektor etc.) und gestatten unter anderem das gezielte Heizen einzelner Arbeitsbereiche. Fußboden- oder Strahlungsheizungen erzeugen zudem eine als angenehm empfundene Wärme (Vermeidung von Fußkälte; Nutzung von Strahlungswärme).

Beim Einsatz solcher Heizungslösungen müssen RLT-Geräte nur einen Teil der Heizlast beisteuern und ihr Luftstrom kann dann nach den abzuführenden Stoff- und Wärmelasten ausgelegt werden. Das senkt die Investitionskosten und die Kosten für den Betrieb der Ventilatoren. Aufgrund der gesetzlich geforderten hohen Wärmerückgewinnung in den RLT-Geräten kann man – abgesehen von Anheizvorgängen außerhalb der Nutzungszeit – weitgehend auf Umluftbetrieb verzichten.

Wärmeabfuhr durch Abluftanlagen und natürliche Lüftung

Im Sommer nimmt die empfundene Raumtemperatur in Werkshallen in der Regel deutlich zu. Viele RLT-Anlagen in der Produktion sind jedoch nicht mit Luftkühlern ausgestattet. Die Lüftungsanlagen laufen dann zeitweise an ihrer Leistungsgrenze, denn bei körperlicher Arbeit bleibt dann nur die Option, die erhöhte Wärmebelastung durch eine höhere Raumluftgeschwindigkeit zu kompensieren.

Eine effiziente Alternative kann die hybride Lüftung darstellen, bei der warme Luft über Rauch-Wärme-Abzugsklappen in der Decke entweicht und die RLT-Anlage die Zuluft sicherstellt. Dabei können die Abluftventilatoren für die Hallenabluft zurückgeregelt oder abgeschaltet werden. Wichtig ist in diesem Fall, in der Aufenthaltszone (bis 2 m bzw. 2,5 m über Raumboden) nicht nur für ein angenehmes Klima, sondern auch für eine unbedenkliche Stoffbelastung zu sorgen. Die natürliche, aufgrund innerer Lasten angeregte Konvektion unterstützt die freie Lüftung, wodurch feine Stäube oder Gase, die leichter sind als Luft, über die Dachöffnungen abgeführt werden können.

Zentrale oder dezentrale Maschinenabluft

Zentrale Maschinenabluft mit entsprechender Luftreinigung verliert an Bedeutung, da sie lange Luftleitungen erfordert und stark schwankenden Stoffkonzentrationen ausgesetzt ist, die eine hohe Abscheideleistung ausschließen. Zu den Vorteilen zählen die ausgeglichene Luftbilanz im Sinne einer höheren Wärmerückgewinnung aus der Abluft und die Abführung der Schadstoffe über das Dach.

Bei der dezentralen Maschinenabluft, die von den Maschinenherstellern häufig mitgeliefert wird, entfallen die Sammelleitungen, da die gereinigte Abluft direkt in die Halle geleitet wird. Die abgegebene Maschinenabluft belastet jedoch die Luftqualität und erhöht somit den Bedarf an notwendiger Kühlleistung, die dann über einen höheren Zuluftvolumenstrom ausgeglichen werden muss.

In einigen Fällen kann eine dezentrale Stoffabscheidung, vorzugsweise mit Wärmerückgewinnung, mit einer zentralen Abluft kombiniert werden (Beispiel Kühlschmierstoffe). Im RLT-Gerät wird dann bei Heizbedarf die Abluftwärme genutzt oder im Kühlfall an der Wärmerückgewinnung vorbeigeleitet.

Bedarfslüftung umsetzen

Je nach Maschinennutzung bzw. den ausgeführten Tätigkeiten, wie Montage oder Schweißen etc., ändern sich also die Anforderungen an die Luftmengen, die zu- und abzuführen sind. Das passgenaue Bereitstellen der Luftmengen bringt erhebliche Kostensenkungen mit sich, da die Kosten für den Lufttransport im Vergleich zu den Kosten für Lufterwärmung/-kühlung oft ein Mehrfaches betragen können.

Ist zum Beispiel aufgrund einer geringeren Auslastung 40 % weniger Luft zu bewegen, sinkt der Strombedarf der Ventilatoren in den RLT-Anlagen um 50 bis 80 % Abb. 1. Neben den typischen Effizienzkriterien – etwa geringe Luftgeschwindigkeiten in den RLT-Anlagen und Kanälen und geringe aerodynamische Widerstände – führt die am Bedarf orien-tierte Betriebsweise der RLT-Anlagen also zu einem erheblich geringeren Energieverbrauch und sorgt für entsprechende Kosteneinsparungen. Die Drehzahl der Ventilatorantriebe muss sich der Bedarfssituation anpassen, die geprägt ist von

• Produktionsprozess (Wärmelasten und stofflichen Lasten)
• Kühl-/Heizlast
• Unterschreitung der Arbeitsplatzgrenzwerte
• Anforderungen an den thermischen Komfort
• Frischlufthöhe bei Schichtlüftung

Während sich Einflussgrößen wie Wärme und Kälte leicht erfassen und Messwerte der Gebäudeleittechnik (GLT) zur Verfügung stellen lassen, ist zur Feststellung arbeits- und maschinenbedingter Belastungen (z. B. die Freisetzung gesundheitsgefährdender Stoffe) eine direkte oder indirekte Vernetzung der Produktionstechnik mit der GLT unerlässlich. Ideal ist die direkte datentechnische Kopplung der GLT mit den Daten der Auftragsbearbeitung. Bei Kenntnis dieser Daten lassen sich die Luftmengen dem Bedarf optimal anpassen.

Variable Luftmengen gezielt einbringen

Zur effizienten Be- und Entlüftung bedarf es nicht allein der Adaptierung der Gesamtluftmengen, sondern ebenso der zielgerichteten Lüftung der relevanten Bereiche. Ruht beispielsweise der Versand innerhalb einer großen Halle in den Nachtstunden während die automatisierte Fertigung weiterläuft, sollte der Versandbereich mit Mindestluftwechselraten (oder ggf. gar nicht) mit Zuluft bedient werden. Währenddessen benötigen aber die Produktionsbereiche in der Halle weiterhin eine hohe Absaugleistung und Luftwechselrate.

Um dies zu ermöglichen, sind wahlweise verschiedene, separat regelbare Lüftungszentralen und -netze einzurichten oder das Lüftungsnetz ist an geeigneten Abzweigungen mit Druck- und Volumenstromreglern zu versehen. Letztere können idealerweise bei einem in einzelnen Bereichen ruhenden Betrieb und bei geringen thermischen Lasten den Luftstrom komplett abriegeln.

Die bedarfsorientierte Lüftung spart nicht nur Energie, sie ermöglicht es zudem, die Luftqualität und den thermischen Komfort auch bei sich ändernden inneren und äußeren Lasten weitgehend konstant zu halten. So kann zum Beispiel beim Stillstand mehrerer Maschinen vermieden werden, dass die Halle nicht über Gebühr gekühlt wird, wie es bei konstanten Luftwechselraten häufig der Fall ist.

Das Ziel: Gleicher Strömungsimpuls bei variabler Luftmenge

Da in den meisten Hallen sowohl für den thermischen Komfort als auch für die Luftbelastung mit eventuellen Schadstoffen der Aufenthaltsbereich von 0 bis 2,5 m über dem Boden maßgeblich ist, sollte unter allen möglichen Lastbedingungen eine ausreichende Belüftung dieser Zone sichergestellt werden.

Bei klassischen Luftauslässen kann es jedoch bei hohen Luftmengen zu unangenehmen Zugerscheinungen kommen oder umgekehrt bei geringen Zuluftmengen zu einer mangelhaften Abfuhr von Wärme und Schadstoffen. Das Resultat ist dann eine unnötige gesundheitliche Belastung der Mitarbeiter, die im schlimmsten Falle zur Beeinträchtigung der Gesundheit und der Produktivität führen kann.

Besser geeignet sind Auslässe, die sich in Bodennähe installieren lassen und in einem großen Regelbereich bis zu einem Drittel des Volllastvolumenstroms einsetzbar sind und dabei stets einen gleich bleibenden Strömungsimpuls erzeugen, um die Effektivität der Schichtlüftung zu gewährleisten.

Die Lösung: Neuartiger Auslass für variable Luftmengen

Ein herkömmlicher Luftauslass ist für einen derart weiten Regelbereich nicht geeignet, denn bei 1/3 oder gar 1/4 der Maximalluftmenge würde sich ein sehr geringer Druck (1/9 bis 1/16 des Auslegungsdrucks) und somit ein schwacher Luftimpuls einstellen, der die Verdrängung von Schadstoffen oder das Abführen von Maschinenabwärme nicht sicherstellen kann.

Die LTG Aktiengesellschaft hat deshalb den Kombiluftdurchlass ILQsf (System SmartFlow) entwickelt, der die Vorteile des Mischluftdurchlasses mit denen des Quellluftdurchlasses vereint Abb. 4 Abb. 5. Bei einem geringen Luftvolumenstrom von etwa 1/4 des Maximalstroms ist nur der Mischkopf aktiv. Hierbei tritt Luft mit hohem Impuls aus dem Auslass und vermischt sich rasch mit der umgebenden Raumluft. Der Mischauslass erzeugt bei bodennaher Aufstellung eine horizontale Luftströmung, bei hängendem Einbau bis 3 m Höhe ist diese schräg nach unten gerichtet. Der Auslass ist für den Heiz- und Kühlbetrieb mit Luftmengen bis über 7000 m³/h geeignet Abb. 6 Abb. 7.

Bei höheren einzubringenden Luftmengen wird zusätzlich zum Mischkopf der Quellluftdurchlass des ILQsf mechanisch selbsttätig aktiviert. Die den Quellluftdurchlass verlassende Luft strömt mit geringer Geschwindigkeit aus, sodass die Luftrichtung (waagerecht bzw. leicht nach unten gerichtet) beibehalten wird – die Mischluftströmung reißt große Anteile der Quellluft mit und führt sie mit in den Raum. Der Anteil des Quellauslasses an der Gesamtlufteinbringung wächst mit steigender Luftmenge, wobei der Druckverlust im Luftdurchlass und der radiale Strömungsimpuls konstant bleiben. Eine zusätzliche mechanische, elektrische oder thermische Umschaltung zwischen Heiz- und Kühlfall ist nicht erforderlich, da die Strömungscharakteristik unabhängig von der Temperatur der Zuluft ist.

Durch die Kombination von Misch- und Quellluftdurchlass stellen sich im Aufenthaltsbereich auch in Nähe des Auslasses geringe Luftgeschwindigkeiten ein. In der Regel wird eine Luftgeschwindigkeit von 25 bis 30 cm/s im Aufenthaltsbereich nahe am Luftdurchlass nicht überschritten. Dadurch sind diese Auslässe auch geeignet, um Arbeitsplätze mit leichter, sitzender Tätigkeit mit frischer Luft zu versorgen. Somit stellt sich überall in der Fabrik eine hohe thermische Behaglichkeit ein, welche die volle Nutzbarkeit aller Bereiche ermöglicht, ohne dass Klagen über eine Zugluftbelastung zu befürchten sind.

Variable Luftmengen sind in Neubau und Bestand möglich

Mit Auslässen für variable Luftmengen – wie dem kombinierten Misch- und Quellluftauslass ILQsf – lassen sich nicht nur Neubauten effizient belüften, auch im Bestand kann Einsparpotenzial erschlossen werden. Die umgewälzten Luftmengen in Bestandsgebäuden orientieren sich oft an den äußeren Lasten, dienen also der Abfuhr eines sommerlichen Wärmestaus in der Fabrikhalle.

Sprechen nicht andere Gründe, wie die stoffliche Belastung oder die Mitarbeiterdichte, dagegen, lassen sich im Frühling und im Herbst somit geringere Luftmengen fahren. Dieses Sparpotenzial bliebe bei konventionellen Auslässen unberücksichtigt, da eine Reduktion der Luftmengen mit einem mangelhaften Strömungsimpuls verbunden wäre. Mit Auslässen für variable Luftmengen hingegen lässt sich die Bedarfslüftung auch in existierenden Fabriken umsetzen bzw. für diese nachrüsten.

Damit die Umrüstung auf den Industrieauslass ILQsf ohne große Eingriffe in den Bestand und bei laufender Produktion möglich ist, bietet LTG die Auslässe mit gängigen Anschlussdurchmessern an. Die Geräte sind für die stehende und hängende Montage (bis etwa 3 m Höhe Unterkante) und in drei Leistungsstufen erhältlich. Je nach Modell lassen sich Luftvolumenströme bis zu 7000 m³/h (bei p = 50 Pa) einbringen. Der Regelbereich beträgt bei allen Modellen 1/4 bis 1/1 der maximalen Luftmenge. Dies ermöglicht auch bei zukünftigen internen Nutzungsänderungen eine gleich bleibende Lüftungseffektivität ohne erneute Umbaumaßnahmen bzw. Austausch der Luftauslässe.

Wie im Neubau kann es auch im Bestand möglich sein, zusätzlich zur Zentrallüftung installierte Umluft-Luftheizungen in den Hallen durch Heizsysteme wie Dunkelstrahler zu ersetzen und somit die Ventilatorenergie für die Luftheizgeräte einzusparen. Lassen sich die Luftnetze der Bestandsanlagen zudem mit Volumenstromreglern ausstatten, kann die Luft bei wechselnden Anforderungen oder einer anderen Flächennutzung dorthin geführt werden, wo sie benötigt wird. Luftauslässe für variable Luftmengen ermöglichen somit verschiedene neue Optionen, bei Zentrallüftungsanlagen im Rahmen einer Sanierung enorme Einsparpotenziale zu erschließen.

LTG Aktiengesellschaft, 70435 Stuttgart, www.ltg.de