Optimierung der Leistung von Lüftungsgeräten durch intelligente Auslegung

Lernen Sie unser Life-Cycle-Cost-Programm kennen – die Lösung für maximale Effizienz und Wirtschaftlichkeit.

Das Life-Cycle-Cost-Programm (LCC) von FläktGroup ermöglicht die Berechnung des Stromverbrauchs (kWh), der Betriebskosten sowie der damit verbundenen CO₂-Emissionen für jedes in unserer Auslegungssoftware konfiguriertes Lüftungsgerät (AHU). Darüber hinaus lässt sich damit die optimale Wärmerückgewinnungseffizienz ermitteln.

Die im Programm verwendeten Leistungsdaten sind von Eurovent geprüft. Die Angaben zur CO₂-Intensität der Stromerzeugung [3] sowie zu den Energiekosten [4] stammen aus unabhängigen, frei zugänglichen Quellen.

Diese umfassende Analyse stellt sicher, dass die Energieeffizienz der Wärmerückgewinnung präzise in die Lebenszyklusbewertung einfließt (siehe Quellenangaben).

Grundlage: Carbon Trust-Publikation (UK)

Die Grundlage für diesen Ansatz stammt aus einer Veröffentlichung des Carbon Trust im Vereinigten Königreich [5], die die Leistung von Wärmerückgewinnungssystemen (WRG) unter den dortigen Standardbedingungen für Fan-Coil-Systeme analysierte.

Die Studie zeigte, dass ein WRG mit 80 % thermischem Wirkungsgrad in der Lage war, 100 % der praktisch rückgewinnbaren Energie zu nutzen – was im Bericht als Annual Energy Efficiency (AEE) von 100 % definiert wurde. Mit anderen Worten: Unter typischem UK-Klima erfasst ein Wärmetauscher mit 80 % Wirkungsgrad die gesamte praktisch nutzbare Wärmeenergie aus der Abluft. Dies verdeutlicht, dass eine präzise ausgelegte Wärmerückgewinnung in der Praxis den gesamten sinnvollen Energieanteil erschließen kann.

Ein Streben nach höheren WRG-Wirkungsgraden über diesen Punkt hinaus kann kontraproduktiv sein: Zwar steigt die thermische Rückgewinnung, jedoch führen die damit verbundenen höheren Druckverluste zu einem erhöhten Stromverbrauch der Ventilatoren – der die marginalen Zugewinne bei der Wärmerückgewinnung überwiegt.

Für typische UK-Klimabedingungen und Systeme stellt daher ein WRG mit 80 % Wirkungsgrad das optimale Gleichgewicht zwischen rückgewonnener Energie und zusätzlichem Energieeinsatz dar.

Bestätigung der Analyse des Carbon Trust

Bei einer Zulufttemperatur von 17 °C, einer Ablufttemperatur von 23 °C und einer Wärmeaufnahme von 1 °C durch den Ventilator ergibt sich eine Heizregisterlast von null.

Das bedeutet, dass das Heizregister zwar mit einer angemessenen Auslegungsreserve, jedoch mit reduzierter Leistung ausgelegt werden kann. Ein kleineres Heizregister verursacht einen geringeren Luftdruckverlust und ermöglicht somit eine niedrigere spezifische Ventilatorleistung.

Richtig umgesetzt, verringern Wärmerückgewinnungssysteme die Last auf Heizregistern und steigern dadurch die Gesamteffizienz des Systems.

Nachdem das vom Carbon Trust aufgezeigte Grundprinzip bestätigt wurde – dass ein Wärmerückgewinnungssystem (WRG) mit 80 % Wirkungsgrad unter UK-Auslegungsbedingungen die gesamte praktisch rückgewinnbare Energie nutzen kann, können wir beginnen zu definieren, was „optimale Effizienz“ im AHU-Design wirklich bedeutet.

Dabei ist entscheidend: Das Ziel besteht nicht darin, eine Geräteeffizienz von 100 % zu erreichen, sondern die bestmögliche Gesamtleistung des Systems für das jeweilige Projekt sicherzustellen

Um ein Lüftungsgerät (AHU) für eine optimale Energieeffizienz auszulegen, müssen mehrere Faktoren sorgfältig berücksichtigt werden:

• Geografische Lage: Außentemperaturen und Luftfeuchte variieren je nach Region.
• Systemdesign: Verschiedene Lüftungsstrategien, zum Beispiel Verdrängungsbelüftung im Vergleich zu Fan-Coil-Einheiten, erfordern unterschiedliche Zulufttemperaturen und Luftvolumenströme.
• Lokale Energiekosten und CO₂-Intensität des Stromnetzes: Diese Faktoren beeinflussen sowohl die wirtschaftliche als auch die ökologische Bilanz des Systembetriebs.

Es ist zudem entscheidend, zwischen der Effizienz des Wärmerückgewinnungsgeräts selbst und der Annual Energy Efficiency (AEE) des Lüftungsgeräts (AHU) zu unterscheiden.

Das Beispiel des Carbon Trust zeigt, dass in einem gut ausgelegten System ein Wärmerückgewinnungsgerät mit 80 % Wirkungsgrad eine AEE von 100 % erreichen kann – das heißt, es nutzt unter typischen Bedingungen die gesamte praktisch rückgewinnbare Energie.

Ein Versuch, dies durch den Einsatz eines höherwirkenden Gerätes zu übertreffen, kann kontraproduktiv sein: Höhere Wirkungsgrade führen zu größeren Druckverlusten, was den Energieverbrauch der Ventilatoren erhöht und die Gesamtleistung des Systems verringern oder sogar negative Effekte verursachen kann.

LCC-Analyse zur Leistungs- und Energieeffizienzbewertung von Lüftungsgeräten

Für Fachplaner, die Lüftungsgeräte (AHUs) spezifizieren müssen, um Energieeffizienz, CO₂-Ziele und Lebenszykluskosten in Einklang zu bringen, sind datenbasierte Tools unverzichtbar.

Die LCC-Analyse unterstützt dies, indem sie die reale Systemleistung auf Basis projektspezifischer Faktoren simuliert – dazu gehören Klima- und Außentemperaturen, Betriebszeiten und lokale Energiepreise.

Die nachstehenden Diagramme zeigen typische LCC-Eingaben und -Ausgaben und helfen Planern, Entwurfsentscheidungen anhand klarer Kennzahlen für Energiebedarf, Kosten und CO₂-Auswirkungen zu validieren.

Die Modellierung der Wärmerückgewinnung spielt dabei eine zentrale Rolle und beeinflusst sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Ergebnisse.

Diagramm 1: Eingabekonfiguration – LCC-Einstellungsparameter

Dieses Formular erfasst alle projektbezogenen, kritischen Eingaben – darunter Klimazone, Lufttemperaturen, Betriebsstunden und lokale Energiepreise –, welche die Grundlage für die Simulation der AHU-Leistung bilden.

Auf Basis dieser Daten werden umfassende Ergebnisse erzeugt, wie im nachstehenden Diagramm dargestellt. Sie verdeutlichen, dass die Wärmerückgewinnungseffizienz auf das lokale Klima und die Systemauslegung abgestimmt sein muss, um tatsächlich wirksam zu sein.

Diagramm 2: Energiediagramm – Jahresprofil des Energiebedarfs

Dieses Diagramm zeigt die jährliche thermische Leistung des Lüftungsgeräts (AHU) auf einen Blick und unterteilt den Heiz-, Kühl- und Wärmerückgewinnungsbedarf über das gesamte Jahr.

Diagramm 3: Energieberechnung – Zusammenfassung der AHU-Leistung

Dieses Ausgabeblatt fasst die simulierte Energieeffizienz des Lüftungsgeräts, die Ventilatorleistung und die jährlichen Betriebskosten zusammen. Dadurch wird ein direkter Vergleich von Energieverbrauch und CO₂-Emissionen der einzelnen Systemkomponenten ermöglicht.

Mit diesen Tools haben wir zahlreiche Standorte in Europa analysiert und zwei Energieeffizienzwerte verglichen. Eine Vergleichstabelle ist unten dargestellt, bezieht sich jedoch auf eine bestimmte Kombination von Zuluft- und Abluftbedingungen.

Da sich diese Kriterien je nach Projekt und Standort unterscheiden, sollte stets die beste Lösung individuell bewertet werden, um den Energieverbrauch zu minimieren.

Dieses Diagramm zeigt, dass für alle in Grün markierten Standorte ein Wärmerückgewinnungsgrad von 81 % besser ist als 85 %. Je kälter die Stadt, desto höher sollte die Wärmerückgewinnungseffizienz sein.

Weitere Planungsfaktoren

Die Kälterückgewinnung sollte bei der Auslegung der Kühlregister eines Lüftungsgeräts berücksichtigt werden. Allerdings kann eine zu hohe Effizienz den Druckverlust erhöhen – was den Ventilatorenergieverbrauch steigert – während die Verbesserung der Kühlleistung nur gering ausfällt.

Typischerweise reduziert eine Kälterückgewinnung von 85 % den Druckverlust des Kühlregisters um weniger als 5 Pa pro m³/s im Vergleich zu einem Wert von 80 %, während gleichzeitig der Druckverlust des Wärmerückgewinnungssystems (HRS) um 80 Pa ansteigt.

Eine optimale Energierückgewinnung für Heizung und Kühlung erfordert daher ein sorgfältiges Abwägen, um Ineffizienzen zu vermeiden.

Die Ventilatoren in Lüftungsgeräten werden typischerweise so ausgelegt, dass die spezifische Ventilatorleistung (SFP) beim maximalen Auslegungsvolumenstrom minimiert wird.

Die SFP ist eine zentrale Effizienzkennzahl und definiert den elektrischen Leistungsbedarf (in kW) zur Förderung eines Luftvolumens (in m³/s). Ein niedrigerer SFP-Wert bedeutet höhere Ventilatoreffizienz und geringeren Energieverbrauch.

Bei VAV-Anwendungen gilt: Je größer die Reduzierung des Luftvolumenstroms, desto weiter entfernt sich der Ventilator vom Punkt maximaler Effizienz.

Abbildung 5 (unten) zeigt den Einfluss auf die spezifische Ventilatorleistung (SFP) des Lüftungsgeräts bei 100 %, 75 % und 50 % Luftvolumenstrom.

Spezifische Ventilatorleistung (SFP) von Lüftungsgeräten bei VAV-Anwendungen

Diese Tabelle zeigt die SFP-Werte eines Lüftungsgeräts in einem VAV-System unter verschiedenen Ventilatorkonfigurationen und Luftvolumenströmen.

Für ein Gerät, das normalerweise mit 50 % des maximalen Auslegungsvolumenstroms betrieben wird, kann durch korrekt ausgelegte Ventilatoren eine Reduzierung der Betriebskosten um 25 % erreicht werden. Gleichzeitig fallen die Anschaffungskosten dieser Ventilatoren geringer aus.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die korrekte Auslegung von Wärmerückgewinnung, Heiz- und Kühlregistern ist entscheidend, um die CO₂-Emissionen des Lüftungsgeräts zu senken und die Betriebskosten für Gebäude zu reduzieren.

Die Integration der Energierückgewinnung in diese Auslegungsentscheidungen erschließt zusätzliche Einsparpotenziale und weitere Emissionsreduktionen.

Bei VAV-Systemen kann die Energieeffizienz weiter gesteigert werden, wenn die voraussichtlich tatsächlich auftretenden Luftvolumenströme berücksichtigt werden, anstatt sich nur am maximalen Luftvolumenstrom zu orientieren.

Angesichts der nahezu unendlichen Anzahl möglicher Anforderungen an Lüftungsgeräte ist es für Fachplaner äußerst schwierig, fundierte Entscheidungen für die beste Lösung sowohl für den Kunden als auch für die Umwelt zu treffen.

Verantwortungsbewusste Lüftungsgeräte-Hersteller sollten Fachplaner in der Auswahl der optimalen Lösung unterstützen können.

Der beste Weg zur Unterstützung ist ein gut konzipiertes LCC-Programm, das Daten zu Stromverbrauch (kWh), Betriebskosten und den damit verbundenen CO₂-Emissionen liefert. Auf diese Weise werden Energierückgewinnungsstrategien auf realen, projektbezogenen Daten basierend entwickelt.

Optimale Effizienz – was steckt dahinter?

Eine einfache Antwort auf diese Frage gibt es nicht, da die wirkliche optimale Effizienz von vielen unterschiedlichen Faktoren abhängt, wie bereits erläutert. Sie richtet sich nach den spezifischen Anforderungen eines Gebäudes und seines Systems, die von Projekt zu Projekt variieren. Das zugrunde liegende Prinzip ist jedoch klar: Optimale Effizienz bedeutet, den Energieverbrauch und die CO₂-Emissionen bei gleichzeitig geforderter Leistung zu minimieren.

Dazu gehört unter anderem:

• Korrekte Auslegung der Register (Heiz- und Kühlregister),
• Planung realistischer Luftvolumenströme,
• Auswahl der passenden Geräte entsprechend den Betriebsbedingungen.

Fachplaner müssen diese Anforderungen berücksichtigen, wenn sie einen verantwortungsbewussten Lüftungsgeräte-Hersteller auswählen.

Bei FläktGroup stellen wir sicher, dass unsere Kunden von zuverlässigen Life-Cycle-Cost-(LCC)-Analyse-Tools profitieren, die Entscheidungen auf Basis realer Daten ermöglichen. Dazu gehören Energieverbrauch (kWh), Betriebskosten sowie die damit verbundenen CO₂-Emissionen über die gesamte Lebensdauer des Systems.

Wann immer Sie Lüftungsgeräte auswählen oder spezifizieren, empfiehlt es sich, bereits früh im Planungsprozess auf eine vollständige LCC-Analyse zu bestehen.

So stellen Sie sicher, dass Sie nicht nur die aktuellen Projektziele erfüllen, sondern auch die Betriebszukunft des Gebäudes sichern, langfristige Kosten senken und Nachhaltigkeitsziele unterstützen. Die intelligente Nutzung der Energierückgewinnung wird dabei zu einem zentralen Element, um diese langfristigen Leistungsziele zu erreichen.