Technikum und Labor Raumlufttechnik

Wissenschaft und Praxis wurden hier seit der Gründung des Umwelt-Campus eng mitein­ander verzahnt und der Technologie­transfer somit stark begünstigt. Das gilt auch für das Bau- und Raum­programm der Campus-Hochschule. Studien zum energiesparenden Bauen, zur Baubiologie, zu den verschie­denen Techniken der Gebäudesanierung sowie das Testen unterschied­licher Baumateri­alien konnten miteinander verbunden wer­den. Solartechnologie und alternative Formen der Energie­technik werden in situ einge­setzt. Die im Zentralen Neubau enthaltene umwel­torientierte Anla­gentechnik schöpft nach dem Stand der Technik viele Poten­ziale der Realisierung ökologi­schen Bauens aus. Dies gilt insbesondere auch für die innovative Raumluft­tech­nik, die dort installiert worden ist.

Man erkennt auf dem Dach des Gebäudes die installierte Solar­thermie, die für meh­rere Aufgaben genutzt wird (Bild 1).

Bild 1: Der Zentrale Neubau mit Solarthermie-Anlage

Gebäudetechnik des Zentralen Neubaus

Der gesamte Zentrale Neubau wird über eine zentrale Gebäudetechnik versorgt, die in einer Technikzentrale unterhalb des Neubaus untergebracht ist (Bild 2).

Bild 2: Technikzentrale des Zentralen Neubaus

Diese Technikzentrale ist großräumig aufgebaut und beinhaltet folgende Kompo­nenten:

  • Raumlufttechnische Anlage zur Versorgung des Auditorium maximum
  • Raumlufttechnische Anlage zur Versorgung der beiden Hörsäle
  • Raumlufttechnische Anlage zur Versorgung der Bibliothek
  • Raumlufttechnische Anlage zur Versorgung der Seminarräume
  • Adsorptionswärmepumpe zur Kälteversorgung
  • Solarthermieübergabestation mit Wärmespeicher zur Wärmebereitstellung
  • Fernwärmeübergabestation mit Versorgung durch ein Biomasseheizkraft­werk
  • Erdwärmeübertrager zur Außenluftvortemperierung
  • Massivkollektor als Wärmequelle einer Kompressionswärmepumpe
  • Kompressionswärmepumpe
  • Regenwassernutzung (Regenwasserzisterne mit Druckerhöhungsanlage)
  • Verdunstungsrückkühlwerk für die Adsorptionswärmepumpe
  • Mehrfachfunktionale Wärmerückgewinnung
  • Indirekte Verdunstungskühlung
  • Restwärmenutzung durch integrierte Wärmepumpe

Bei der gesamten Versorgung der Immobilie handelt es sich um „Zero Emission“-Technologien, da keine weiteren Primärenergien für die Versor­gung des Gebäudes benötigt werden und die Versorgung CO2 -neutral sicher­gestellt wird.

Raumlufttechnische Anlagen

Außenluftaufbereitung

Sämtliche raumlufttechnischen Anlagen werden über zwei gemeinsam genutzte Erdwärmeübertrager mit Außenluft versorgt. Diese sind als 55 m lange Stahlbeton­rohre mit einem Durchmesser von 1,5 m ausgebildet worden.

Über drei Außenlufttürme wird die Außenluft zu den Erdwärmeübertragern geführt. Ist keine vortemperierte Außenluft gewünscht, können die Erdwärmeübertra­ger über eine Klappenumschaltung isotherm umgangen werden. Dann wird die Außen­luft direkt über einen zweiten Außenluftturm auf kurzem Wege angesaugt (Bild 3 und 4).

Bild 3: Außen- und Fortluftsituation des Zentralen Neubaus

Direkt nach den Außenluftansaugungen ist eine erste Filterstufe installiert, um die Erdwärmeübertrager und die folgenden Komponenten zu schützen. Vor dem Zuluft­kanalnetz ist eine weitere, zweite Filterstufe angeordnet, welche die Zuluftqualität sicherstellt.

Die beiden Erdwärmeübertrager wurden in einer Tiefe von ca. 3,0 m eingebaut und sie haben eine Länge von 55 m (Bild 7). Damit kann im Sommer mit einer Erd­tem­peratur von ca. 12 bis 14 °C gerechnet werden.

Bild 4: Außenlufttürme des Zentralen Neubaus

Im Winter liegt die Erd­tempe­ratur bei 8 bis 10 °C. Insgesamt sind die Erdwärmeübertrager für eine Ge­samtluftmenge von max. 25.000 m³/h ausgelegt.

Bild 5: Erdwärmeübertrager mit 55 m Länge und 1,5 m Durchmesser

Im Winter wird durch die bei­den Erdwärmeübertrager die Außenluft um bis zu 5 K vorgewärmt, während sie im Sommer entsprechend vorgekühlt wird.

Raumlufttechnische Zentralgeräte

Im Folgenden wird stellvertretend für die zentralen raumlufttechnischen Geräte das RLT-Gerät des Auditorium maximum beschrie­ben. Den schematischen Aufbau der Geräte zeigt für die Zuluft Bild 6 und für die Ab­luft Bild 7.

Bild 6: Aufbau der zentralen RLT-Geräte (Zuluft) am Beispiel des Auditorium maxi­mum

Bild 7: Aufbau der zentralen RLT-Geräte (Abluft) am Beispiel des Auditorium maxi­mum

Zentraler Baustein der RLT-Geräte ist eine hocheffiziente Wärmerückgewinnung auf der Basis eines mehrfachfunktionalen Kreislaufverbund-Systems, das einen Wir­kungsgrad von rund 80 % errei­cht und damit oberhalb der Klasse H1 nach EN 13053 /[1]/ einzu­ordnen ist.

Der wesentliche Unterschied dieser WRG liegt in der Integration von regenerativen Energieformen, die direkt mit der Effizienzmaßnahme WRG in Form eines Hybrid­systems gekoppelt werden. Neben der primären Funktion der WRG werden dann auch die zusätzlich benötigten Primärenergien in Form von erneuerbaren Energie­strömen in WRG-Systeme direkt eingebunden.

Bild 8: Zentrales RLT-Gerät des Auditorium maximum mit Mehrfachfunktionaler WRG

Die Vorteile dieser integrierten Technologien, die regenerative Energie­ströme direkt in die WRG ein- oder auskoppeln, werden am Campus anschaulich und beispielhaft dargestellt:

Integrierte Geothermie

Das geothermisch erzeugbare Kältepotential wird ohne Verwendung von Wärme­pumpen direkt unter Ausnutzung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik in die Wärmerückgewinnung eingespeist. Im Sommer kann Wasser geother­misch mit ca. 15 °C regeneriert werden, das direkt zur Vorkühlung zur Verfügung steht und in die WRG eingespeist werden kann. Bei hoher WRG-Leistung kann das zur Verfügung stehende Potenzial ausreichen, die Lasten ohne weiteren Primärenergieaufwand zu decken (Bild 9).

Bild 9: Einbindung von wasserbasierter Geothermie zur Kühlung

In der Übergangszeit kann auch solare Wärme in das System eingebunden werden (Bild 10).

Bild 10: Direkte Einbindung von Solarthermie in die Wärmerückgewinnung

Gleichzeitig wird das Regenwasser auch zur indirekten Verdunstungs­kühlung verwendet werden (Bild 11). Dabei wird ein Teilmassenstrom dem Geothermiesystem ent­nommen, um als Verdunstungsmenge verwendet zu werden.

Bild 11: Einbindung von wasserbasierter Geothermie zur Kühlung und Kopplung zur indirekten Ver­dunstungskühlung

Beispiel Kältemaschinenabwärme und Wärmepumpenbetrieb

Die Abwärme einer Kältemaschine (Wärmepumpe) wird energetisch vorteilhaft in den Wärme­übertrager des Fortluftstroms abgegeben. Hierzu wird die Kältemaschinenab­wärme in das WRG-System eingespeist. Gleichzeitig wird Kälte in das System auf der Zuluftseite zur Kühlung einge­speist (Bild 12).

Bild 12: Direkte Einbindung einer Wärmepumpe zur Kühlung

Damit kann auch die Einbindung als Wärmepumpe realisiert werden, die im Winter die Nach­erwärmung durch die Restwärmenutzung des Fortluftstroms sicherstellt (Bild 13 und 14).

Bild 13: Direkte Einbindung einer Wärmepumpe zur Restwärmenutzung ohne Massiv­absorber

Bild 14: Direkte Einbindung einer Wärmepumpe zur Restwärmenutzung im Winter und Kälteerzeugung im Sommer

Als energiesparende Ventilatortechnik werden freilaufende, direktgetriebene Venti­latoren mit rückwärts gekrümmten Schaufeln eingesetzt, die über Frequenzumrich­ter stufenlos drehzahlgeregelt betrieben werden können. Die Leistungsaufnahme der Ventilatoren liegt bei durchschnittlich 1,2 KW bei einem Volumenstrom von 9.800 m³/h. Dies entspricht einem SFP-Wert (Specific Fan Power) von 440 W/(m³/s) und damit der besten Klasse SFP 1 nach EN 13779 /[2]/. Dies ist ein extrem niedriger Wert, obwohl pro RLT-Gerät zusätzlich vier Schalldämpfer angeordnet sind. Zu­sätzlich werden die RLT-Geräte be­darfsgerecht über eine CO2-Messung und eine Druckregelung im Raum betrieben.

Das RLT-Gerät versorgt insgesamt vier Zonen für die einzelnen Bereiche des Audi­torium maximum (Bild 15). In den Zonen erfolgt über nachgeschaltete Lufter­wär­mer und -Kühler mit Entfeuchtungsmöglichkeit die Zonentemperierung. Eine Luftbe­feuchtung erfolgt nicht.

Bild 15: Vier Zonen des Gerätes für das Auditorium maximum

Fortluftmassivabsorber

Auch die Restwärme der Fortluft wird trotz Wärmerückgewinnung nicht ungenutzt aus dem Ge­bäude transportiert. Der gemau­erte Fortluftkanal (1,65 m x 1,65 m mit 25 cm Wandstärke) ist mit einer Vielzahl von mittig einbeto­nierten Kunststoffver­bundrohren (20 mm) mit einem Abstand von 15 cm durchzogen, durch die ein Glykol­gemisch als Wärme­trägermedium strömt. Damit wird über eine Kompres­sionswärme­pumpe die noch vorhandene Energie dem Fortluftstrom und dem Be­tonkern entzogen, auf ein hohes thermisches Niveau gepumpt und direkt den RLT-Geräten zugeführt (Bild 16).

Bild 16: Fortluftkanal als Massivabsorber

Wird dort die Energie nicht benötigt, kann über Umschaltventile die Wärme ins Erd­reich um die Erdwärmeübertrager zugeführt werden. Damit wird das Erdreich ther­misch regeneriert. Im Winter beträgt die thermische Leistung der Wärme­pumpe rund 14 KW. Im Sommer kann die Wärmepumpe umgeschaltet werden, um als Kältema­schine mit einer Leistung von ca. 11 KW betrieben zu werden. Die elektri­sche Anschlußleistung der Wärmpepumpe beträgt 4,5 KW.

Adsorptionskälteanlage

Zur Kälteversorgung des Campusgebäudes wurde eine Adsorptions­kälte­anlage mit einer Leistung von max. 150 KW installiert. Die Kälte­ma­schine arbeitet mit Silikagel (SiO2) als Sorptionsmittel und umweltfreund­lich mit Wasser als Kältemittel (Bild 17). Die mittlere Kälteleistung beträgt im Jahresdurchschnitt etwa 40 KW.

Die erzeugte Kälte in Form von Kaltwasser mit 5 bis 12 °C wird wesentlich für die Bauteilaktivierung zur statischen Kühlung des Baukörpers (Betonkernaktivierung) verwendet. Zusätzlich werden aber auch die Kaltwasserkühler der zent­ralen RLT-Geräte von der Kältemaschine versorgt.

Bild 17: Adsorptionskältemaschine mit angeschlossener Vakuumpumpe

Die Abwärme zum Betrieb der Adsorptionskälteanlage wird über die installierte So­lar­thermie-Anlage auf dem Dach mit 270 m² und maximal 135 KW Kollektorleistung des Zentralen Neubaus erzeugt und in einen Wärmespeicher eingespeist, der jahres­zeitbedingt die Wärme verschiedenen Verbrauchern zuführen kann.

Reicht die solar erzeugte Wärme nicht vollständig aus, den Bedarf der Kälteanlage zu decken, kann über Fernwärme aus einem benachbarten Biokraftwerk, das Holz­abfälle verfeuert, der Wärmebedarf vollständig CO2-neutral gedeckt werden. Hier werden in vorbildhafter Weise zur Wärme- und Stromversorgung ausschließlich regenerative Brennstoffe wie naturbelassenes Altholz und Waldrestholz verwendet.

Die Rückkühlung der Kältemaschine erfolgt konventionell über einen Kühlturm, der mit Regenwasser aus einer 40 m³ fassenden Regenwasserzisterne betrieben wird.

Bild 18: Warmwasserspeicher der Solaranlage

Einbindung in die Lehre

Die aufgezeigte Technik dient nicht nur der Versorgung des Zentralen Neu­baus, sondern wird auch für studentische Zwecke im Rahmen eines Technikums in der Lehre genutzt. Prinzipiell werden alle Techniken, die am Umweltcampus einge­setzt werden, auch als Demonstrationsprojekte genutzt. So sind auf dem ge­samten Campus interaktive Demonstrationstafeln mit den aktuellen Werten der eingesetz­ten Energie­sys­teme öffentlich aufgestellt (Bild 19).

Bild 19: Demonstrationstafel mit den aktuellen Leistungswerten, hier der Solarther­mie 

Im Wahlpflichtfach Innovative Raumlufttechnik werden den angehenden Bachelor-Studieren­den des Physikingenieurwesens und des Wirtschaftsingenieurwesens die Grund­lagen der energieeffizienten Raumlufttechnik und der Wärmerückgewinnung vermittelt.

Mit dem Wintersemester 2009 begann der neue und reakkreditierte Master-Stu­diengang (M. Sc.) der umweltorientierten Energietechnik mit der energieeffi­zienten Raumlufttech­nik als Vertiefungsrichtung und Schwerpunktthema. Dort wer­den die Themen der Energieeffizienz und der Abwärmenutzung mittels Wärme­rück­gewin­nung in der Raumlufttechnik vertieft. Insbesondere im Studium der Ener­gietechnik soll damit eine klare Spezialisie­rung mit dem Schwerpunkt Energie­effi­zienz und ra­tionelle Energieverwendung ge­schaffen werden.

Hierbei konnte das Technikum vorbildlich in die Lehre eingebunden werden. Zum Beispiel wurden die RLT-Geräte mit einer Vielzahl von Messöffnungen ver­se­hen, um verschiedene Leistungsmessungen verwirklichen zu können. Des Weiteren wurden die Geräte mit Ringleitungen vor und hinter allen wichtigen Komponenten ausgestattet, um auch Druckmessungen präzise durchführen zu können.

Für Langzeituntersuchungen verfügt die auch für das Technikum genutzte Technik­zentrale über einen direkten und vollen Zugang zur Gebäudeleittechnik (GLT) (Bild 20) mit der Möglich­keit, Archiv­daten für Langzeituntersuchungen zu nutzen (Bild 21).

Bild 20: Bildschirmausdruck der Gebäudeleittechnik

Bild 21: Archivdatenausdruck der Gebäudeleittechnik

Fazit und Ausblick

Die 2001 fertiggestellte und in Betrieb genommene Gebäudetechnik am Umwelt­-Campus Birkenfeld hat sich in den letzten Jahren bewährt.

Es wird offensichtlich, dass mit hocheffizienter Technik eine „Zero Emission“-Kon­zeption möglich ist und dass RLT-Anlagen auch CO2-neutral aufgebaut werden können. Eine solargestützte Klimatisierung auf Basis von Hochleistungs-Wärme­rückgewinnungs­systemen in Kombination mit Geothermie ist möglich und wirt­schaftlich sinnvoll.

Ein Forschungsschwerpunkt am Umweltcampus liegt auf der weiteren rege­nerativen Nutzung von Energieformen, integriert mit der Effizienzmaßnahmen der Wärmerück­ge­winnung. Eine Schlüsselrolle werden dabei die Themen Geother­mie und thermische Regenwassernutzung spielen.

Dass hier die Ergebnisse einer vorhandenen technischen Ausstattung unter Praxis­bedingungen in die Lehre und das Technikum einfließen können, ist gerade an einer Fachhochschule sinnvoll und nutzbringend. Auch dies ist ein Modell für die Zukunft.

 

Opens internal link in current windowWeitere Informationen auf der persönlichen Seite von Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup.

 

[1] DIN EN 13053: Lüftung von Gebäuden - Zentrale raumlufttechnische Geräte - Leistungskenndaten für Geräte, Komponenten und Baueinheiten; Deutsche Fassung EN 13053:2012-2
[2] DIN EN 13779: Lüftung von Nichtwohngebäuden - Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme:2007-9

Standort

Gebäude: Zentraler Neubau

Laborleiter

Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup

Honorarprofessor für Energie­effizienz und Wärmerückgewin­nung

+49 6782 9999-0

 kaup@howatherm.de

 c.kaup@umwelt-campus.de

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