Energieeffizienz

Obwohl bereits seit 1916 Vorschläge zur CO2-Kontrolle gemacht werden, um die genannten Ziele zu erreichen, waren die Technologien bisher immer noch zu teuer und die Energiepreise zu niedrig, als dass sich Vorstöße in diese Richtung wirklich gelohnt hätten.

Während die heutigen hohen Energiepreise eine CO2-Regelung zu einer realistischen Notwendigkeit machen, sorgen moderne Technologien für eine besonders einfache Anwendung. Auf diese Weise können sowohl neue Installationen zusammengestellt als auch bereits bestehende aufgerüstet werden. Die EU-Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (EPBD) (2) und weitere neue Normen unterstützen die Anwendung dieser Systeme aufgrund ihres enormen Einsparungspotenzials. Aufgrund des Energiegehalts der Abluft und der Lufttransportenergie sind die Kosten für die Frischluftversorgung in Gebäuden sehr hoch.

Ein alter Hut? CO2-Regelung ist bei weitem kein neues Thema. Amerikanische Ingenieure waren sich schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts des großen Einsparungspotenzials dieses Ansatzes bewusst:

„Alte” Normen und die neue EN�13779. Normen greifen in der Regel bei der Planung von Lüftungssystemen. Insbesondere der Frischluftanteil ist ein Design-Kriterium, das sich auf die Gesamtgröße der Anlage auswirkt. Die EU-Richtlinie EN�1946 Teil 2 und die US-Norm ASHRAE�62-1989 berechnen die Frischluftmenge noch nach der Fläche und einer festen Personenzahl. Die neue EU-Norm EN�13779 auf der Grundlage der EPBD enthält bereits die Option, die Frischluftzufuhr mit Luftqualität als Regelgröße zu gestalten und misst der Luftqualität die größte Bedeutung für ein wirtschaftlich betriebenes Klimasystem zu.

Messtechnologie. Moderne CO2-Sensoren setzen sich aus den folgenden Komponenten zusammen:
• eine Infrarotquelle, die Strahlung durch den patentierten Wellenleiter aussendet;
• ein optischer Filter, der nur die erforderliche Wellenlänge durchlässt;
• ein Detektor, der die Menge der Infrarotstrahlung misst; je höher der CO2-Anteil in der Kammer, desto weniger Infrarotstrahlen erreichen den Detektor.

1. Infrarotquelle sendet Strahlung durch den patentierten Wellenleiter.
2. Der optische Filter lässt nur die gewünschte Wellenlänge durch.
3. Der Detektor misst die Menge der Infrarotstrahlung.
4. Je mehr CO2 in der Kammer, desto we�niger Infrarotstrahlung erreicht den Detektor.

Diese Sensoren können auch einen Proportional-Regler oder/und einen einfachen Begrenzungsschalter enthalten, sodass kleine Anwendungen direkt über die Sensorsteuerung geregelt 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 einen Messbereich von 0…2000 ppm CO2 abdecken.

Die Messung basiert auf den Absorptionseigenschaften von CO2. Die Wirkung dieses Gases kann unter allen anderen Einflüssen selektiv herausgefiltert werden, sodass sehr exakte Messergebnisse erzielt werden können.
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 entsprechenden Raum an der Wand oder im Abluftkanal installiert werden.

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.

Kontrolle. Eine CO2-Regelung wird auf das entsprechende Heiz-, Kühl- und Lüftungssystem zugeschnitten. Bei neuen Systemen umfasst die Lüftung auch Heizung und Kühlung aufgrund von Übertragungsverlusten (keine statische Heizung und Kühlung), dabei gelten folgende Vorgaben:

• Für variable Frischluftzufuhr und für Nichtbelegungszeiten ist eine Mischkammer erforderlich.
• Die Frischluftzufuhr erfolgt bei minimaler Ventilatordrehzahl.
• Wenn die minimale Ventilatordrehzahl für die Luftqualität, Heizung oder Kühlung nicht ausreicht, muss die Drehzahl 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 Systemen. 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.
• 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.
• Frischluftsysteme können nur durch eine Luftqualitätsregelung mit Frequenzwandler des Ventilators erweitert werden. In einigen Fällen muss der Ventilatormotor ersetzt werden, wenn ein Frequenzwandler 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, aus diesem Grund kann es erforderlich sein, die gesamte Regelung zu ersetzen.
Wie können Einsparungen berechnet werden? Hier stehen zwei vereinfachte Beispielkalkulationen zur Verfügung:

1) Einsparungen durch reduzierte Heiz- und Kühlenergie
Unnötiger Energieverlust durch 10.000 m3/h zu viel Frischluft:

z. B. im Sommer = vier Monate Kühlung bei Außentemperatur von 30 °C bis 26 °C
z. B. im Winter = vier Monate Heizung bei Außentemperatur von 4 °C bis 22 °C
Gesparte Kühlenergie = 7100 kWh
Einsparung: 2.130 €

Gesparte Heizenergie = 32.000 kWh
Einsparung: 2.331 €
Gesamteinsparung = 4.461 € / Jahr
2) Einsparungen durch reduzierten Luftstrom.
Unnötiger Energieverlust durch 10.000 m3/h zu viel Frischluft:

Die Lösung: Reduzierung des Luftvolumenstroms von 20.000 m3/h auf 10.000 m3/h
z. B. 20.000 m3/h bei 2.000 Pa (11,1 kW) reduziert auf 10.000 m3/h (1,4 kW) bei 2.000 h/a ergibt eine Einsparung von 19.400 kWh
Gesamteinsparung = 5.800 € / Jahr

Alternativen. Luftqualitätssensoren auf der Basis von oxidierbaren Gasen, wie zum Beispiel Gerüchen und Kohlenmonoxid, können entsprechend eingesetzt werden, wenn CO2 nicht die primäre Regelgröße ist. Mögliche Anwendungsbereiche sind Restaurants und Umkleideräume in Sporteinrichtungen.

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


Zusammenfassung
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 Energieersparnis liegt im zweistelligen Bereich. Außerdem verlängert die Luftqualitätskontrolle die Lebensdauer des Lüftungssystems und bietet den Bewohnern einen höheren Komfort. Die CentraLine-Partner bieten Planern und Gebäudebetreibern optimale Beratung und Unterstützung. Die Partner sind Experten in Sachen Luftqualitätsregelung, werden von CentraLine regelmäßig über die neuesten Technologien und Richtlinien informiert und erfüllen auch die höchsten Qualitätsansprüche während der gesamten Projektabwicklung von der Planung über die Installation und Inbetriebnahme bis hin zum Lifetime-Support.


Quellen
(1) DIN EN 13779: Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen, 2005, DIN Deutsches Institut für Normung e. V.
(2) EU-Richtlinie „Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden” (EPBD) vom 16. Dezember 2002
(3) General Electric: Informationen zu den CO2-Messtechniken


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