Optimierung der Auslegung von Lüftungsgeräten für aktive Kühlbalkensysteme
- Thema
- Nachhaltigkeit
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- Veröffentlicht
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- David Black
Aktive Kühlbalkensysteme bieten gegenüber herkömmlichen Gebläsekonvektoren erhebliche Vorteile hinsichtlich der Energieeffizienz. Allerdings erfordern sie eine präzise Regelung von Luftfeuchte und Temperatur, um Kondensation zu verhindern und einen optimalen Raumkomfort zu gewährleisten. Lassen Sie uns die optimalen Konfigurationen von Lüftungsgeräten (RLT-Geräte) für Kühlbalkenanwendungen untersuchen, wobei wir uns auf Entfeuchtungsstrategien und die Vorteile von Doppelrotorsystemen konzentrieren.
Warum Kühlbalkensysteme besondere Aufmerksamkeit erfordern
Im Gegensatz zu Systemen mit Gebläsekonvektoren, basieren aktive Kühlbalken auf trockener Kühlung, um Kondensation im Deckenbereich zu vermeiden. Wenn dies nicht kontrolliert wird, kann es zur Kondensation an den Wärmetauscher kommen und damit zu einem Wasserausfall in den Raumbereich.
Das bedeutet, dass die Primärluft vor dem Eintritt in den Kühlbalken so weit entfeuchtet werden muss, um den auftretenden Feuchteanfall in den Räumlichkeiten zu absorbieren. Die Lüftungsanlage spielt dabei eine entscheidende Rolle bei der Einhaltung des Taupunkts und damit der relativen Luftfeuchtigkeit in den Innenräumen, um sowohl den Raumluftkomfort als auch die Leistung und die Betriebssicherheit des Kühlbalkensystems zu gewährleisten.
Feuchteregulierung und Taupunktmanagement
Die erforderliche Luftwechselrate von Innenräumen wird durch nationale Vorschriften, Kundenspezifikationen und die Art der Anwendung bestimmt. Um die Luftfeuchte innerhalb der Auslegungsparameter zu halten, muss die Primärluft mit einer bestimmten Durchflussrate und einem geringeren Taupunkt als der der Raumluft zugeführt werden, um den latenten Feuchtezuwachs im Aufenthaltsbereich auszugleichen.
Typische Raum-Sollwerte für das Innenraumklima sind wie folgt:
- 24°C Raumlufttemperatur / 50% r.F. → Taupunkt ≈ 12,9°C
- 25°C Raumlufttemperatur / 50% r.F. → Taupunkt ≈ 14,0°C
Um Kondensation an den Kühlbalken-Wärmetauschern zu verhindern, wird gekühltes Wasser mit einer Temperatur von 1 °C über dem Taupunkt, in der Regel bei 14 °C, und einer Rücklauftemperatur von 17 °C zugeführt. Dies ergibt eine durchschnittliche Wassertemperatur von 15,5 °C, wodurch die thermische Leistung optimiert wird.
Um Kondensation an den Wärmetauschern der Kühlbalken zu verhindern, wird Kaltwasser mit einer Temperatur von mindestens 1K über dem Taupunkt der Raumluft, in der Regel bei 14 °C, und einer Rücklauftemperatur von 17 °C zugeführt (Taupunkt der Raumluft ~12,9°C, s. Beispiel oben). Dies ergibt eine durchschnittliche Wassertemperatur von ca. 15,5 °C, wodurch die thermische Leistung optimiert wird und keine Leistungsminderung durch latente Verluste auftritt.
Kondensationsvermeidung über Steuerung der Gebäudeleittechnik (GLT)
Um Kondensationsrisiken zu vermeiden, werden die folgenden Strategien für die Gebäudeleittechnik (GLT) empfohlen:
- Überwachen der relativen Luftfeuchte im Innenraum, um sicherzustellen, dass die Kaltwassertemperatur über dem Taupunkt der Raumluft bleibt.
- Verwendung von Feuchtefühlern, die im Falle von Kondensationsbildung die Kaltwasserventile über die GLT schließen lassen. Dies ist besonders wichtig in Räumen mit freier Lüftung (Fenster öffnen).
Diese Strategien führen jedoch zu einer Verringerung der Kühlleistung der Kühlbalken, wenn die Außenbedingungen über den Auslegungstemperaturen und der Auslegungsfeuchtigkeit liegen – eine Situation, die aufgrund des Klimawandels immer häufiger auftritt.
Herausforderungen durch Außenluftfeuchte
Überschreitet die Außenluftfeuchte in bestimmten Regionen häufig die Auslegungsbedingungen des Kühlbalkensystems, so kann dies zu einer Leistungsreduzierung am Kühlbalkens führen. Beispielsweise beträgt die typische Auslegungsbedingung für London 32 °C und 50 % relative Luftfeuchtigkeit (r.F.), doch die tatsächliche Luftfeuchte ist häufig höher. An heißen Tagen führt dies bei vorlaufgesteuerten Systemen zwangsläufig zu einem Anstieg der Wasservorlauftemperatur am Kühlbalken, wodurch die Kühlleistung gerade dann reduziert wird, wenn sie am dringendsten benötigt wird.
Dies lässt sich anhand des hier dargestellten Klimadiagramms für London deutlich veranschaulichen, aus dem hervorgeht, dass die relative Luftfeuchte fast das ganze Jahr konstant über 50 % liegt. Das Diagramm zeigt die Temperatur und Luftfeuchte von Januar 2024 bis Januar 2025 und verdeutlicht die saisonalen Veränderungen. Selbst während der höchsten Sommertemperaturen übersteigt die Luftfeuchte oft die Auslegungsbedingungen.
Dies unterstreicht die Notwendigkeit gut durchdachter Entfeuchtungsstrategien bei der Auslegung von Lüftungsgeräten.
Energieeffizienzvorteile von Kühl- bzw. Heizbalkensystemen
Trotz dieser Herausforderungen, die durch hohe Außenluftfeuchten entstehen, bieten Kühlbalkensysteme gegenüber herkömmlichen Gebläsekonvektoren erhebliche Vorteile in Bezug auf die Energieeffizienz. Ein wesentlicher Vorteil liegt in den höheren Kaltwasservorlauftemperaturen. Ein Kaltwassersatz (Chiller), der bei 14/17 °C betrieben wird, ist deutlich effizienter als bei einem Betrieb bei 6/12 °C [1], was zu folgenden Ergebnissen führt:
- Geringerer Energieverbrauch
- Reduzierte CO2-Emissionen
- Verbesserte Gesamtenergieeffizienz des Systems
Die Vorteile des effizienteren Betriebs des Kaltwassersatzes passen ideal zur iQ STAR-Kühlbalkenreihe, die für die Lüftung, Kühlung und Heizung von Innenräumen entwickelt wurden. Mit ihrer Wurfrichtung gesteuerten und einstellbaren Induktion sorgen sie für einen angenehmen Raumluftkomfort und Flexibilität, wenn sich Raumaufteilung und Nutzungsbedingen ändern.
Dieser Effizienzgewinn erweist sich besonders in modernen Gebäuden als wertvoll, insbesondere zur Erreichung von Nachhaltigkeitszielen und Gebäudezertifizierungen (DGNB, LEED, BREEAM etc.).
In Kombination mit Lüftungsgeräten, die Luftfeuchte und Temperatur regulieren, können Kühlbalkensysteme auch moderne VAV-Gebläsekonvektorensysteme übertreffen.
iQ STAR WEGA® II
Ein leistungsstarkes aktives Kühlbalkensystem, das zur Belüftung, Kühlung und Beheizung von Bürogebäuden, öffentlichen Gebäuden und Gewerbebauten mit außergewöhnlichem Komfort und hoher Flexibilität entwickelt wurde.
iQ STAR WEGA® II wurde entwickelt, um das Raumklima durch Steuerung des Ausblasverhaltens und einstellbarer Induktion zu optimieren und so eine präzise Luftverteilung und höchsten Nutzerkomfort in einer Vielzahl von Raumaufteilungen und Nutzungsszenarien zu gewährleisten. Verfügbar mit Pi-Funktion für eine bedarfsgesteuerte Lüftung (DCV), kanaldruckunabhängig, als Standard- und Hygieneversion. Dieser deckenbündige Kühlbalken lässt sich nahtlos in moderne HLK-Systeme integrieren und unterstützt einen energieeffizienten Betrieb sowie niedrige Lebenszykluskosten.
- Verfügbar mit Pi-Funktion für eine bedarfsgesteuerte Lüftung (DCV), kanaldruckunabhängig
- Einstellbare Induktion für individuellen Komfort und Systemleistung
- Deckenbündiges Design für eine diskrete architektonische Integration
- EPD-zertifiziert für Nachhaltigkeit und Einhaltung von Standards für umweltfreundliches Bauen
- Hygieneversion gemäß VDI 6022
Warum die Entfeuchtung durch die Lüftungsanlage in Kühlbalken-Systemen so wichtig ist
In aktiven Kühlbalken-Systemen ist die Luftfeuchteregelung nicht optional, sondern unverzichtbar. Da Kühlbalken mit trockenen Wärmetauschern arbeiten, um Kondensation zu vermeiden (trockene Kühlung), muss die Absorption der anfallenden Raumluftfeuchten über die zentrale Lüftungsanlage erfolgen.
Um den Klimakomfort zu erhalten und Kondensation zu verhindern, muss die Lüftungsanlage Primärluft mit einem bestimmten Feuchtegehalt liefern, typischerweise etwa 8 g/kg (der REHVA-Leitfaden gibt Werte zwischen 7,1 und 9,4 an) [2]. Dadurch wird sichergestellt, dass der Taupunkt der Raumluft unter der Kaltwassertemperatur bleibt, sodass Kondensatanfall an den Wärmetauschern der Kühlbalken verhindert wird und die Systemleistung aufrechterhalten bleibt.
Traditioneller Ansatz: Effektiv, aber kostspielig
Die Entfeuchtung von Primärluft in Lüftungsgeräten wird traditionell wie folgt erreicht:
- Abkühlung der feuchten Außenluft auf einen Taupunkt von etwa 12 °C. Dabei wird der Feuchtegehalt der Luft zu reduziert.
- Erwärmung der kalten entfeuchteten Luft auf eine angenehme Zulufttemperatur, z. B. 18 °C, bevor die entfeuchtete und nacherwärmte Luft wieder dem Raum zugeführt wird.
- Verwendung eines Sorptionsrotors zur Vorkonditionierung der Außenluft und damit einhergehend, eine geringere benötigte Leistungsaufnahme am Kühlregister (Entfeuchter).
Dies mag eine wirksame Methode sein, erfordert jedoch:
- Ein großes Kühlregister (Entfeuchter) und einen leistungsstarken Chiller.
- Ein Nachheizregister und eine Wärmequelle (traditionell ein Gaskessel, heute oft eine Wärmepumpe).
- Erhebliche Installationskosten – Luftwärmepumpen haben deutlich höhere Gesamtinstallationskosten als eine Gaskesselinstallation.
Die Installation einer Wärmepumpen-Nachheizung kann 500 € pro installiertem kW kosten.
Der Vorteil von FläktGroup: Lüftungsgeräte mit Doppelrotationswärmetauscher
Doppelrotationswärmetauscher in Lüftungsgeräten bieten eine intelligentere und effizientere Alternative – sie liefern die erforderliche Zuluft ohne Nachheizung.
Hier ist eine Übersicht über die Funktionsweise dieses Systems:
- Der erste Rotor (Sorption) entzieht Feuchtigkeit und kühlt die Luft vor.
- Das nachfolgende Kühlregister kann jetzt mit geringer Leistung ausgelegt werden und entzieht der Luft die Restfeuchtigkeit, um auf den benötigten Taupunkt zu gelangen.
- Der zweite Rotor nutzt die Abluft, um die entfeuchtete Zuluft auf 18 °C zu erwärmen – ohne zusätzliche Heizquelle.
Leistungs- und Kostenvorteile
Dieser Ansatz bietet zahlreiche Vorteile
- Reduzierung der benötigten Kühlleistung um bis zu 60 %
- Keine Wärmepumpe oder Heizkessel erforderlich
- Stabile Feuchteregelung für optimale Leistung der Kühlbalken
- Einsparung von Betriebskosten
- Pro 3600 m³/h Luftvolumenstrom:
- Um 15 kW reduzierbares Kühlregister
- Um 9 kW reduzierbares Heizregister
- 12.000 € Einsparung bei den Installationskosten
Für Planer, Anlagenbauer und ausführende Firmen bedeutet dies:
- Einfachere Anlagenplanung und Ausführung
- Weniger zu installierende und in Betrieb zu nehmende Komponenten
- Kaltwassersätze lassen sich mit geringer Leistung auslegen = Energie- und Kosteneinsparung.
- Keine Wärmepumpen oder Heizkessel erforderlich = Geringere Investitionskosten
Für Betreiber bedeutet dies:
- Geringere Energiekosten und schnellere Amortisation der Investitionskosten
- Reduzierte CO2-Emissionen
- Zuverlässigere Klimatisierung der Innenräume
eQ MASTER® Twin Wheel Air Handling Unit
ISYteq 4.0. Integrierte Regelung für verbesserte Systemoptimierung und einfachere Inbetriebnahme.
Eine leistungsstarke modulare Lüftungslösung, die für hervorragende Raumluftqualität, Energieeffizienz und Anpassungsfähigkeit in gewerblichen und industriellen Umgebungen entwickelt wurde.
Die eQ MASTER® Twin Wheel RLT-Gerät bietet eine außergewöhnliche Volumenstrom- und Feuchteregelung. Das intelligente Design sorgt für einen geringen Energieverbrauch, einen leisen Betrieb und eine vereinfachte Installation. Unser eQ MASTER® Twin Wheel lässt sich nahtlos in Energierückgewinnungssysteme und intelligente Steuerungen integrieren und bietet eine Komplettlösung für ein effizientes Klimamanagement.
- Modulares Design mit 21 Baugrößen und einem Luftvolumenstrom von bis zu 43200 m³/h
- 1. Rotor – Hocheffiziente SEMCO Sorptionsrotor zur Entfeuchtung der Außenluft
- 2. Rotor – Hocheffizienter Kondensationsrotor für „kostenlose“ Nacherwärmung
- Die integrierte Regelung steuert das Kühlregister auf die erforderliche Zuluftfeuchte.
- eQ MASTER® Twin Wheel: eine Systemlösung, die perfekt auf FläktGroup-Kühlbalken abgestimmt ist.
eQ Master-Modelle verfügen unter anderem über energiesparende Komponenten wie EC-Motoren, RegAsorp Rotationswärmetauscher, ein intelligentes Kreislaufverbundsystem Econet und integrierte Regelungen.
