Auslegung von Lüftkühlern und Kälteerzeugern 07.01.2020, 08:47 Uhr

Bestimmung des sommerlichen Außenluft-Auslegungszustands für Komfortklimatechnik

TGA-Planung und Ausführung befinden sich seit jeher im Spannungsfeld zwischen dem Erfolg schuldenden Werkvertragsrecht und dem (vermeintlichen) Wunsch des Auftraggebers nach geringen Investitionskosten. Während viele Studien, Veröffentlichungen und technische Regelwerke den Raumluftzustand und die damit einhergehende thermische Behaglichkeit im Detail beschreiben, so gibt es auf den für die Auslegung der Anlagentechnikkomponenten Luftkühler und Kälteerzeugung wichtigen Außenluft-Auslegungszustand nur wenige Hinweise.

Bild: panthermedia.net/chika_milan

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Dieser Beitrag vergleicht in verschiedenen Quellen genannte sommerliche Auslegungszustände für Karlsruhe im Rheingraben mit aufgezeichneten Wetterdaten des Deutschen Wetter Dienstes DWD und stellt die Frage nach als Folge des Klimawandels zu erwartenden Auslegungskriterien für die Komfortklimatechnik.

Auslegungskriterien

In der 16. Auflage des Rietschel aus dem Jahr 1970 [6] beschreibt das Standardwerk die Komponenten der Kühlleistung von Oberflächenkühlern. Danach ist die Kühlleistung definiert als die Summe aus der sensiblen und latenten Kühllast der konditionierenden Zonen, der Leistungsbeiträge zur Kühlung und Entfeuchtung der Außenluft sowie der zum Ausgleich der Wärmegewinne in Zentrale und Kanalsystem notwendigen Kühlenergie. Das heißt, die Kühlleistung eines Oberflächenkühlers ist größer als die Gebäudeeigenschaft „Kühllast“.

Für die weitere Behandlung soll hier der Term „Außenluftkonditionierung“ eingeführt werden, der die theoretische Leistung des Luftkühlers beschreibt, die notwendig ist, um Luft mit Außenluftkondition bezüglich der Temperatur und der Feuchtebeladung nach vorheriger Abkühlung in der Wärmerückgewinnung im Luftkühler auf Raumlufttemperatur und Raumluftfeuchte zu konditionieren. Die oben beschriebenen Zusammenhänge sind hier schematisch dargestellt.

Schematische Darstellung der Komponenten der Leistung eines Luftkühlers. Bild: Feustel

Schematische Darstellung der Komponenten der Leistung eines Luftkühlers. Bild: Feustel

Dabei wird hier vereinfachend angenommen, dass der Raumluftzustand dem Abluftzustand und entsprechend auch dem Umluftzustand entspricht.

Historie des sommerlichen Außenluftzustands

Früher war alles – nun ja, zu mindestens anders. Im Rietschel/Raiß aus dem Jahr 1970 [6] war noch zu lesen, dass man in Deutschland für die Anlagenauslegung für den Sommerfall mit nur zwei Klimazonen auskommt; einer Klimazone für das Binnenland mit einer Maximaltemperatur von 32 °C und einer Klimazone für die Küstengebiete mit 29 °C. Bezüglich der maximalen Feuchte wird berichtet, dass für mitteleuropäische Verhältnisse diese einheitlich „mit 12 g/kg trockener Luft“ anzusetzen sei. Dies entspricht für das Binnenland einem Außenluftzustand von 32 °C bei 40 % relativer Feuchte; häufig kurz „32/40“ genannt. Der Auslegungs-Feuchtewert nimmt Bezug auf Wetterdaten der Station Potsdam für die Jahre 1929/1930. Woher dieser Ansatz kommt, ist ausführlich in der Veröffentlichung von Albers und Eyrich [2] beschrieben.

Wer sich einmal im Sommer im Oberrheingraben aufgehalten hat, kann die These von den zwei Klimazonen für ganz Deutschland nur schwer nachvollziehen. Gerade in diesem Jahr (2017) waren bereits im Juni Spitzentemperaturen von über 37 °C bei extrem hoher Luftfeuchte zu ertragen, wie die versammelte Klimabranche anlässlich des 50sten Jubiläums der CCI am 22. Juni 2017 in Karlsruhe erfahren musste.

ASHRAE [3] veröffentlicht in seinem „Handbook of Fundamentals“ Anlagenauslegungsdaten für Hunderte von Orten auf allen fünf Kontinenten als Kombination aus Trockenkugeltemperatur und der mittleren Feuchtkugeltemperatur für den Sommer- und den Winterfall. Die Repräsentanzstation für den Oberrheingraben ist zwar die Wetterstation Mannheim; ASHRAE gibt aber die Auslegungsdaten leider nur für das nahe gelegene Heidelberg zum Beispiel für ein Überschreitungsrisiko von 0,4 % (entspricht etwa 36 Stunden im Jahr) an. Diese Auslegungsdaten sind mit 32,1 °C bei einer Feuchtkugeltemperatur von 20,3 °C angegeben. Das entspricht einer Feuchtebeladung von 10,3 g/kg bzw. einer relativen Feuchte von etwa 34 %.

Die DIN 4710 stellt seit vielen Jahren Statistiken meteorologischer Daten zur Berechnung des Energiebedarfs von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland zur Verfügung. In der Ausgabe von 2003 [8] werden für einen Zeitraum von 30 Jahren (1961- 1990) die statistischen Korrelationen für die Temperatur und die Feuchtebeladung (t,x-Korrelation) jeweils für 15 Repräsentanzstation auf ein Jahr bezogen in Zehntelstunden angegeben. Ein Wert von „1“ in den Tabellen entspricht also einem Vorkommen von 3 Stunden in der Betrachtungsperiode von 30 Jahren. Die der DIN 4710 [8] und VDI 4710–3 [11] zugrunde liegenden Klimazonen sind nachfolgend dargestellt.

Einteilung der Bundesrepublik Deutschland in 15 Klimazonen für die Belange der Heiz- und Raumlufttechnik (Zonenkarte). Bild: VDI 4710–3 (2011)

Einteilung der Bundesrepublik Deutschland in 15 Klimazonen für die Belange der Heiz- und Raumlufttechnik (Zonenkarte). Bild: VDI 4710–3 (2011)

Der Oberrheingraben wird durch die Klimazone 12 repräsentiert.

Was für die Energiebedarfsermittlung gut ist, ist für die Anlagenauslegung nicht unbedingt ausreichend. Deshalb gibt es in der DIN 4710 [8] den Hinweis, dass für die sommerliche Anlagendimensionierung nicht die DIN 4710 [8], sondern stattdessen die VDI-Kühllastregeln VDI 2078 [9] heranzuziehen sind.

Während die DIN 4710 [8] von 15 Klimazonen in Deutschland ausgeht, gibt die VDI 2078 [9] Auslegungswerte für die Gebäudeeigenschaft „Kühllast“ lediglich vier Klimazonen an.

Einteilung der Bundesrepublik Deutschland in vier Klimazonen für die Kühllastberechnung. Bild: VDI 2078 (1996)

Einteilung der Bundesrepublik Deutschland in vier Klimazonen für die Kühllastberechnung. Bild: VDI 2078 (1996)

Der Oberrheingraben wird durch die Zone 4, die die Flusstäler im Bereich der Mittelgebirge um Rhein, Mosel, Main, Neckar, Elbe und Saale umfasst, mit einer Maximal-Auslegungstemperatur von 33 °C repräsentiert.

Allerdings weist das Regelwerk darauf hin, dass sich mit ihm weder die latente Kühllast bestimmen lässt, noch die für die Kühllastberechnung zu verwendenden Tagesgänge der maximalen Außenlufttemperatur für die Anlagenauslegung. Stattdessen verweist die VDI 2078 [9] auf die DIN 4710 [8], die, wie wir wissen, für die sommerliche Anlagenauslegung gar nicht geeignet ist.

Als maximale Außenlufttemperatur werden für die Klimazone 4 in der VDI 2078 [9] 33 °C angegeben; die Feuchtebeladung wird in dieser Richtlinie einheitlich für Deutschland mit 12 g/kg angenommen. Das geschieht mit dem Hinweis, dass dieser Wert lediglich für die Bestimmung der Teilkühllast „Infiltration“ interessant ist, die wegen der bei neuen Gebäuden immer dichteren Gebäudehülle aber nur einen geringen Einfluss auf die gesamte Kühllast hat. Ermittelt wurden die maximalen Temperaturwerte als mittlere Extremwerte der 40 wärmsten Tage in 20 Jahren bei einer Betrachtungsperiode von 1953 bis 1972.

In der Ausgabe aus dem Jahr 2015 [10] werden die Maxima der Außenlufttemperatur und die Feuchtebeladung gegenüber der VDI 2078 [9] angehoben. Die Feuchtebeladung steigt dabei (wiederum deutschlandweit) von 12 g/kg auf 12,5 g/kg. Die maximale Außenlufttemperatur für die Bestimmung der Kühllast beträgt nun für den Oberrheingraben 34,5 °C.

Wegen der langen Betrachtungsperiode der DIN 4710 [8] haben Albers und Eyrich [2] nach Auslegungskriterien auf der Basis eines kürzeren Betrachtungszeitraumes gesucht und daher für drei Referenzstationen die Wetterdaten für den Zeitraum von 1994 bis 2003 untersucht. Eine der betrachteten Klimazonen wird durch die Referenzstation Mannheim abgedeckt. Für diesen Standort fanden die Autoren unter Anwendung der Kriterien der VDI 2078 [9] eine mittlere Maximaltemperatur von 35 °C. Da für die Anlagenauslegung nicht nur die maximale mittlere Temperatur, sondern insbesondere auch die Feuchte bzw. die Enthalpie wichtig sind, wurde das gleiche Auswahlkriterium, aber verschärft, für die Bestimmung der Auslegungsenthalpie angewandt. Entsprechend wurde eine Überschreitung des Enthalpiewertes an zehn Tagen im Betrachtungszeitraum für ausreichend erachtet. Daraus ergeben sich für Mannheim als Repräsentanzstation für die Klimazone 12 der DIN 4710 [8] für den Betrachtungszeitraum von 1994 bis 2003 dieAuslegungsparameter von 35 °C und 68,5 kJ/kg.

Im Jahr 2011 wurde das Blatt 3 der VDI 4710 veröffentlicht. Dieses Regelwerk bezieht sich auf einen 15-jährigen Betrachtungszeitraum von 1991 bis 2005. In dieser Richtlinie wird erstmals ein Außenluft-Auslegungszustand für die 15 Klimazonen Deutschlands angegeben. Obgleich der Betrachtungszeitraum näher an die Gegenwart reicht, als jede dem Autor bekannte Veröffentlichung zuvor, wird der Auslegungszustand nach dem 0,1 %-Kriterium (neun Stunden Überschreitungsrisiko) für Mannheim mit nur 34 °C und 67 kJ/kg angenommen; liegt also deutlich unterhalb des bereits im Jahr 2006 veröffentlichten Außenluft-Auslegungszustands von Albers und Eyrich [2].

Das folgende Bild zeigt die verschiedenen Außenluft-Auslegungswerte für Mannheim in einem Mollier-Diagramm.

Außenluft-Auslegungszustände, wie sie der Literatur entnommen wurden. 1: Rietschel/Raiß [6], 2: ASHRAE [3], 3: VDI 2078 [9], 4: VDI 2078 [10], 5: VDI 4710–3 [11], 6: Albers und Eyrich [2], 7: Gewitterfall für Grenzenthalpie gemäß [2]

Außenluft-Auslegungszustände, wie sie der Literatur entnommen wurden. 1: Rietschel/Raiß [6], 2: ASHRAE [3], 3: VDI 2078 [9], 4: VDI 2078 [10], 5: VDI 4710–3 [11], 6: Albers und Eyrich [2], 7: Gewitterfall für Grenzenthalpie gemäß [2]

Wie die Abbildung verdeutlicht, sind schon wegen der großen Unterschiede der Auslegungsfeuchte erhebliche Auswirkungen auf die Anlagenauslegung von der Wahl des Außenluft-Auslegungszustand zu erwarten.

Eigene Untersuchungen

Für zwei unterschiedliche Außenlufttemperaturen bei gleicher spezifischer Enthalpie soll die Auswirkung des Außenluft-Auslegungszustandes auf die Leistung des Luftkühlers anhand von Beispiel 1 im nächsten Bild gezeigt werden.

Darstellung der Luftkühlung und Entfeuchtung für zwei unterschiedliche Außenluft-Auslegungszustände gleicher spezifischer Auslegungsenthalpie von 68,5 kJ/kg im Mollier-Diagramm für den Standort Karlsruhe (Beispiel 1)

Darstellung der Luftkühlung und Entfeuchtung für zwei unterschiedliche Außenluft-Auslegungszustände gleicher spezifischer Auslegungsenthalpie von 68,5 kJ/kg im Mollier-Diagramm für den Standort Karlsruhe (Beispiel 1)

Die entsprechenden Berechnungen wurden mit dem Programm AHH [14] für Karlsruhe (Höhenlage 120 m über dem Meeresspiegel) durchgeführt, mit dem auch die Abbildung erzeugt wurde. Das Beispiel geht davon aus, dass bei einer reinen Außenluftanlage der Raumluftzustand im Auslegungszustand von 26 °C und 11 g/kg gehalten werden soll. Um die latente Kühllast aus dem Gebäude abführen zu können, soll er die Zuluftfeuchte 10 g/kg1) nicht überschreiten. Dem Luftkühler wird in beiden Fällen Kaltwasser mit 6 °C/12 °C zur Verfügung gestellt; der Temperaturänderungsgrad der Wärmerückgewinnung (WRG) betrage in beiden Fällen 0,7. Der Fall 1 stellt den Auslegungspunkt nach [2] dar; die Außenlufttemperatur betrage 35 °C bei einer Enthalpie der Außenluft von 68,5 kJ/kg. Dies entspricht einer Feuchtebeladung der Außenluft von 13 g/kg (siehe Linien 2 und 3). Für den Fall 2 (Gewitterfall) soll bei gleicher Außenluftenthalpie die Außenlufttemperatur aber nur 28 °C betragen. Dies entspräche einer Feuchtebeladung der Außenluft von 15,8 g/kg (siehe Linien 4 und 5).

Aus der Abbildung ist deutlich zu erkennen, dass die WRG im Fall 1 die Außenlufttemperatur von 35 °C um über 6 K reduziert, was im vorliegenden Fall einer Reduktion der Enthalpie um 6,4 kJ/kg (von 68,5 auf 62,1 kJ/kg) entspricht. Ein der WRG nach geschalteter Luftkühler (siehe Kurvenzug 3) benötigt etwa 20 kJ/kg Kühlenergie, um eine gewollte Feuchtebeladung von 10 g/kg für die Zuluft zu erreichen. Dabei stellt sich im vorliegenden Fall, unter Vernachlässigung von Lufterwärmung zum Beispiel durch den Ventilator, eine Zulufttemperatur von 16,7 °C ein.

Im Fall 2 reduziert die WRG (Linie 4) die Temperatur der Außenluft von 28 °C auf 26,6 °C. Die Reduktion der Enthalpie liegt dabei bei weniger als 1,5 kJ/kg. Um die Zuluftfeuchte von 10 g/kg nicht zu überschreiten, muss im Luftkühler (Linienzug 5) eine Enthalpiereduktion von 27 kJ/kg durch Kühlung erzielt werden. Die Zulufttemperatur fällt bei diesem Vorgang, der gegenüber dem Fall 1 durch erhöhte Kondensation des Wasserdampfes gekennzeichnet ist, auf 14,5 °C; die relative Feuchte am Luftkühleraustritt steigt aber auf knapp 96 %. Um die Hygieneanforderungen der VDI 6022–1 einzuhalten, ist hier sicherlich eine Nacherwärmung der Luft notwendig, die an dieser Stelle aber nicht berücksichtigt werden soll.

Es bleibt fest zu halten, dass eine höhere Feuchtebeladung am Eintritt des Luftkühlers im Falle einer festen Vorgabe für die Feuchtebeladung zu einer Absenkung der Austrittstemperatur aus dem Luftkühler führt. Dadurch erhöht sich bei sonst gleicher Eintrittsenthalpie die notwendige Kühlenergie, da der Austrittszustand bei gleicher Feuchtebeladung aber geringerer Austrittstemperatur auch einen geringeren Wert der Austrittsenthalpie besitzt. Bei dem vorliegenden Beispiel benötigt der Luftkühler für den Fall 2 einen gegenüber Fall 1 etwa 35 % leistungsstärkeren Luftkühler, um die gewünschte Zuluftfeuchte von 10 g/kg einzuhalten.

Eigene Untersuchungen der vom DWD (2017) frei erhältlichen Wetterdaten für Mannheim (stündliche Werte von Temperatur und relativer Feuchte) haben die von Albers und Eyrich [2] dargestellten Trends bestätigt. Allerdings zeigen die eigenen Auswertungen, dass die Überschreitung der Grenzenthalpie im Jahr 1994 von 68,5 kJ/kg an 11 Tagen mit insgesamt 60 Stunden stattfand. Dem gegenüber stehen lediglich zwei Tage mit Temperaturen von mindestens 35 °C. Das zeigt für den Oberrheingraben deutlich die Relevanz der Feuchte für das Überschreitungsrisiko der Grenzenthalpie.

Der Veröffentlichung von Albers und Eyrich [2] kann man entnehmen, dass für das besonders warme Jahr 2003, in dem die Außenlufttemperatur die vorgeschlagene Auslegungstemperatur von 35 °C an 14 Tagen erreicht oder überschritten wurde, die vorgeschlagene Auslegungsenthalpie von 68,5 kJ/kg kein einziges Mal auch nur erreicht wurde.

Ein Auszug der Wetterdaten für das Jahr 1994 ist hier dargestellt.

Auszug aus der Wetterdatenanalyse für das Jahr 1994. Dargestellt sind auf der linken Ordinate die Temperatur in °C und die Feuchtebeladung der Außenluft in g/kg; auf der rechten Ordinate aufgetragen ist die spezifische Enthalpie der Außenluft in kJ/kg. Bild: Feustel

Auszug aus der Wetterdatenanalyse für das Jahr 1994. Dargestellt sind auf der linken Ordinate die Temperatur in °C und die Feuchtebeladung der Außenluft in g/kg; auf der rechten Ordinate aufgetragen ist die spezifische Enthalpie der Außenluft in kJ/kg. Bild: Feustel

Von den hier sichtbaren Wetterparametern (linke Ordinate: Temperatur und Feuchtebeladung, rechte Ordinate spezifische Enthalpie) wird an den neun Tagen (26. 06. bis einschließlich 04. 07. 1994) zu keinem Zeitpunkt die von Albers und Eyrich [2] vorgeschlagene Auslegungstemperatur auch nur erreicht. Trotzdem wird an sieben der neun Tage die spezifische Auslegungsenthalpie erreicht bzw. sogar deutlich überschritten. Die Überschreitungen summieren sich allein für die dargestellten neun Tage auf insgesamt 38 Stunden! Im gesamten Jahr wurde die vorgeschlagene spezifische Enthalpie, wie bereits berichtet, insgesamt an 60 Stunden erreicht bzw. überschritten. Nach Ansicht des Autors zeigt dies deutlich, dass Überschreitungen nicht nach der Anzahl der Tage, sondern nach der Anzahl der Stunden ermittelt werden sollten.

Betrachtet man die Trendaufzeichnung der Feuchtebeladung für den dargestellten Zeitraum, so stellt man fest, dass etwa 50 % der Stunden mit einer Feuchtebeladung von mindestens 15 g/kg einhergehen. Das zeigt, dass für eine feucht-warme Klimaregion, wie den Oberrheingraben, das Augenmerk für den Auslegungspunkt anscheinend mehr auf die Feuchtebeladung als auf die Temperatur gelegt werden muss.

Auswirkung des Klimawandels

Eine weitere Analyse der Wetterdaten für den Zeitraum 2001 bis einschließlich 2016 zeigt einen mit der Zeit deutlichen Anstieg der Stunden mit hoher Außenluftenthalpie.

Anzahl der Stunden, an denen im Zeitraum von 2001 bis 2016 die von Albers und Eyrich [1] vorgeschlagene spezifische Auslegungsenthalpie von 68,5 kJ/kg erreicht bzw. überschritten wurde.

Anzahl der Stunden, an denen im Zeitraum von 2001 bis 2016 die von Albers und Eyrich [1] vorgeschlagene spezifische Auslegungsenthalpie von 68,5 kJ/kg erreicht bzw. überschritten wurde.

Von der Anzahl der oben dargestellten Stunden des Erreichens oder Überschreitens der vorgeschlagenen spezifischen Auslegungsenthalpie von 68,5 kJ/kg entfallen 80 % auf die letzten sechs Jahre des Betrachtungszeitraumes. In diesem Zeitraum wurde lediglich im Jahr 2014 die Auslegungsenthalpie nicht ein einziges Mal erreicht.

Die weiteren Auswertungen beziehen sich entsprechend nur auf den Zeitraum von 2011 bis 2016; auch wenn für diese kurze Zeitspanne das Kriterium der gesicherten Messreihen für Klimata nach [7] noch nicht gegeben ist. Sieht man sich die Temperaturverteilung für diesen Zeitraum einmal näher an, so ergibt sich das im folgenden dargestellte Bild.

Anzahl der Stunden, an denen die angegebenen Außenlufttemperaturen im Zeitraum 2011 bis einschließlich 2016 erreicht bzw. überschritten wurden.

Anzahl der Stunden, an denen die angegebenen Außenlufttemperaturen im Zeitraum 2011 bis einschließlich 2016 erreicht bzw. überschritten wurden.

Für die Verteilung der Feuchtebeladung ergibt sich das hier wiedergegebene Bild.

Anzahl der Stunden, an denen die angegebenen Außenluftfeuchtebeladung im Zeitraum 2011 bis einschließlich 2016 erreicht bzw. überschritten wurde.

Anzahl der Stunden, an denen die angegebenen Außenluftfeuchtebeladung im Zeitraum 2011 bis einschließlich 2016 erreicht bzw. überschritten wurde.

Das bedeutet, dass die mittlere Anzahl der Stunden pro Jahr mit einer Feuchtebeladung von mindestens 15 g/kg bei 15 liegt; also bei mehr Stunden als dem Überschreitungsrisiko von 0,1 %. Entsprechend sollte die Außenluft-Auslegungsfeuchtebeladung eher bei 15 g/kg liegen anstatt bei 13 g/kg. Die Auslegungstemperatur spielt, wie im Beispiel 1 gezeigt, schon wegen der meist obligatorischen Wärmerückgewinnung und der in der Zukunft zu erwartenden steigenden Temperaturänderungsgrade der Wärmerückgewinnung, für die Leistungsermittlung von RLT-Luftkühlern immer weniger eine Rolle. Wenn nun aber die Außenlufttemperatur wegen der Wärmerückgewinnung eine zunehmend untergeordnete Rolle spielt, sollte statt der t,x-Korrelation für die Auslegung von Anlagenkomponenten die h,x-Korrelation eine stärkere Beachtung finden. Deshalb sind hier nun die Korrelation der spezifischen Enthalpie und der Feuchtebeladung für den sechsjährigen Betrachtungszeitraum als jährliche Mittelwerte in Zehntelstunden dargestellt.

h,x-Korrelation der mittleren jährlichen Vorkommnisse der spezifische Enthalpie vs. Feuchtebeladung in Zehntelstunden2) für die Jahre 2011 bis einschließlich 2016 für die Repräsentanzstation Mannheim.

h,x-Korrelation der mittleren jährlichen Vorkommnisse der spezifische Enthalpie vs. Feuchtebeladung in Zehntelstunden2) für die Jahre 2011 bis einschließlich 2016 für die Repräsentanzstation Mannheim.

Dabei ist zu beachten, dass sowohl die Gruppen der spezifischen Enthalpie als auch die der Feuchtebeladung jeweils Angaben vom vollen Wert (Nachkommastelle = 0) bis zur Nachkommastelle 9 umfassen. Eine Feuchtebeladung von „13“ umfasst also alle Werte zwischen 13,0 g/kg bis 13,9 g/kg.

Wie sich die Feuchtebeladung auf die Leistung des Luftkühlers auswirkt, soll wiederum für Karlsruhe im Beispiel 2 untersucht werden.

Darstellung der Luftkühlung und Entfeuchtung für unterschiedliche Außenluft-Auslegungszustände gleicher spezifischer Auslegungsenthalpie von 62,1 kJ/kg am Luftkühlereintritt im Mollier-Diagramm für den Standort Karlsruhe. Der Linienzug 8,9,10 stellt die Leistungsgrenzkurve dar (Beispiel 2). Der Punkt 11 stellt den vorgeschlagenen Außenluft-Auslegungspunkt dar.

Darstellung der Luftkühlung und Entfeuchtung für unterschiedliche Außenluft-Auslegungszustände gleicher spezifischer Auslegungsenthalpie von 62,1 kJ/kg am Luftkühlereintritt im Mollier-Diagramm für den Standort Karlsruhe. Der Linienzug 8,9,10 stellt die Leistungsgrenzkurve dar (Beispiel 2). Der Punkt 11 stellt den vorgeschlagenen Außenluft-Auslegungspunkt dar.

Ausgehend von dem von Albers und Eyrich [2] vorgeschlagenen Auslegungspunkt von 35 °C Lufttemperatur und einer spezifischen Enthalpie von 68,5 kJ/kg wird der Außenluftstrom mittels Abluftstrom mit dem Zustand 26 °C und 11 g/kg in der Wärmerückgewinnung (siehe Linie 2) auf 28,7 °C abgekühlt. Der Eintrittszustand in den Luftkühler besitzt entsprechend eine spezifische Enthalpie von 62,1 kJ/kg. Eine Entfeuchtung im Lamellenrohrkühler von 13 g/kg auf 10 g/kg kühlt den Luftstrom bei Einsatz von Kaltwasser von 6 °C/12 °C auf etwa 16,7 °C. Die der Luft entzogene Energie beträgt in diesem Fall etwa 20 kJ/kg. Die Linienzüge 4 und 5 sowie 6 und 7 zeigen die Zustandsänderungen für drei weitere Außenluftzustände, die eine spezifische Eintrittsenthalpie von etwa 62,1 kJ/kg hervorrufen. Bei einer Außenluftfeuchte von etwa 14 g/kg entspräche dies einer Außenlufttemperatur von 27,9 °C (siehe Linienzug 4 und 5). Eine Entfeuchtung auf die gewünschte Zuluftfeuchtebeladung von 10 g/kg erfordert einen Energieentzug der Luft von 21,4 kJ/kg. Die sich einstellende Luftaustrittstemperatur am Luftkühler liegt bei 15,5 °C.

Für eine Feuchtebeladung der in den Luftkühler einströmenden Luft von 15 g/kg ergibt sich bei einer spezifischen Enthalpie von 62,1 kJ/kg eine Lufteintrittstemperatur von 23,8 °C (siehe Linienzug 6). Zum Erreichen der Zuluftfeuchte von 10 g/kg ist ein Energieentzug von 22,5 kJ/kg notwendig; die Luftaustrittstemperatur beträgt 14,2 °C. Bei einem theoretischen Außenluftzustand auf der Sättigungslinie, der weiterhin durch die spezifische Enthalpie von 62,1 kJ/kg definiert ist, wird ein spezifischer Energieentzug von 22,8 kJ/kg zum Erreichen der Zuluftfeuchtebeladung von 10 g/kg benötigt. Die Luftaustrittstemperatur liegt bei 13,8 °C (siehe Linienzug 7).

Mit zunehmender Feuchtebeladung am Luftkühlereintritt nimmt bei konstanter spezifischer Eintrittsenthalpie also die abzuführende Energie zu. Im vorliegenden Fall beträgt die Mehrleistung des Luftkühlers für den Kurvenzug 7 gegenüber dem des durch den Kurvenzug 3 dargestellten Luftkühlers etwa 14 %. Dabei verringert sich die spezifische Enthalpie der Außenluft von 68,5 kJ/kg (35 °C, 13 g/kg) auf 62,1 kJ/kg (21,2 °C, 16 g/kg). Die Linie gleicher Luftkühlerleistung lässt sich durch einen Kurvenzug (Leistungsgrenzkurve) darstellen; der hier vereinfacht durch die Geraden (Linienzug 8, 9 und 10) verkörpert wird. Der Kurvenverlauf ist für einen vorgegebenen Standort vom Temperaturänderungsgrad der Wärmerückgewinnung und der Ablufttemperatur abhängig. Aber auch die indirekte Verdunstungskühlung hat einen Einfluss auf den Kurvenverlauf der für den Außenluft-Auslegungszustand zugrunde liegenden Leistungsgrenzkurve.

Das bedeutet aber auch, dass in diesem Beispiel der Luftkühler für einen Außenluftzustand von 28 °C und 14 g/kg (spez. Enthalpie etwa 63,6 kJ/kg) größer sein muss, als für einen Außenluftzustand von 35 °C und 13 g/kg (spez. Enthalpie 68,5 kJ/kg). Das zeigt die Auswirkung der Wärmerückgewinnung und aber auch der Feuchtebeladung. Ein bezüglich des Außenluft-Auslegungszustandes 35 °C und 68,5 kJ/kg dimensionierter Lamellenrohrkühler könnte für alle oberhalb der Leistungsgrenzkurve auftretenden Luftzustände den geforderten Kühleraustrittszustand nicht einhalten. Dafür wäre der Kühler nicht ausreichend dimensioniert. Für den Betrachtungszeitraum gemäß Tabelle 4 entspricht dies einer Überschreitung von über 19 Stunden pro Jahr. Um das Überschreitungsrisiko auf 0,1 % (neun Stunden) zu begrenzen, müsste die Leistungsgrenzkurve – und damit der Auslegungszustand – entsprechend angehoben werden.

Fazit

Das feucht-warme Klima des Oberrheingrabens zeigt bereits deutliche Hinweise auf den Klimawandel, der sich insbesondere für die Bestimmung des Außenluft-Auslegungszustands durch steigende Feuchtebeladung auszeichnet. Entsprechend sind statistische Werte der Vergangenheit ungeeignet, Auslegungszustände über die Lebensdauer der Anlagentechnik zu liefern.

Steigende Außenlufttemperaturen werden durch die für die meisten Anlagen obligatorische Wärmerückgewinnung weitestgehend kompensiert; dies gilt aber nicht für die in Zukunft auch steigende Feuchtebeladung der Außenluft. Deshalb sollte bei der Dimensionierung von Komponenten der Komfortklimatisierung bereits heute eine steigende Feuchtebeladung berücksichtigt werden.

Für den Betrachtungszeitraum von 2011 bis 2016 wurden in Mannheim im Mittel für 15 Stunden pro Jahr eine Feuchtebeladung von 15 g/kg erreicht bzw. sogar überschritten. Nach privatem Austausch mit dem Kollegen Masuch [5] und Diskussionen mit den Mitgliedern des Building Design Network (bdNET) in Eisenach würde der Autor als Außenluft-Auslegungspunkt für eine Klimaanlage mit einer Wärmerückgewinnung (Temperaturänderungsgrad 0,7) gemäß Beispiel 2 eine Kombination aus Grenzenthalpie (68,5 kJ/kg) bei einer Feuchtebeladung von 15 g/kg wählen. Dies würde gegenüber dem Fall 1 aus Beispiel 1 eine um 26 % größere Dimensionierung des Luftkühlers ergeben. Auch wenn dieser Auslegungszustand derzeit noch eine Überdimensionierung des Luftkühlers bedeutet, so verschafft man sich damit ein wenig Luft für die zu erwartende Klimaänderung während der Lebensdauer der Klimaanlage.

Alternativ könnten aber auch Test-Referenz-Jahre für die Dimensionierung der Anlagentechnik herangezogen werden. Vom DWD bereitgestellte Zusatzfunktionen erlauben die Vorhersage für zukünftige Klimata [1]. Der gewählte Auslegungszustand sollte auf jeden Fall mit Hinweis auf die Auswirkungen des Klimawandels mit dem Auftraggeber abgesprochen werden.

Um den mit höherer Kühlleistung des Luftkühlers verbundenen höheren luftseitigen Druckverlust zu kompensieren, könnte ein Lamellenrohrwärmeübertrager mit Bypassklappe und 6-Wege-Ventil gemäß [4] gewählt werden. Dadurch ließen sich selbst bei der vorgeschlagenen „derzeitigen“ Überdimensionierung sowohl die Druckverluste über das Jahr als auch die Investitions- und Betriebskosten gegenüber herkömmlich ausgelegten Anlagenkomponenten senken.

Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass für die Auslegung der Kälteanlage andere Auslegungskriterien als für den Luftkühler gelten.

1) Entspricht z. B. einem personenbezogenen Zuluftvolumenstrom von 15 l/s und einer Wasserdampfproduktion von 65 g/h pro Person.

2) berechnet für einen Betrachtungszeitraum von zehn Jahren

 

 

Literatur:

[1] Anon. (2014), Handbuch – Testreferenzjahre von Deutschland für mittlere, extreme und zukünftige Witte-rungsverhältnisse, gemeinsames Projekt im Auftrag des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung in Zusammenarbeit mit der Climate & Environment Consulting Potsdam GmbH und dem Deutschen Wetterdienst.

[2] Albers, K.-J. und N. Eyrich (2006), Neue sommerliche Auslegungswerte für den Außenluftzustand, tab Technik am Bau, Nr. 3.

[3] ASHRAE (2001), ASHRAE Handbook of Fundamentals, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, Georgia.

[4] Feustel, H. E. (2016), Klimatisierung von Gebäuden – Einsparpotenzial im RLT-Anlagenbereich, HLH Lüftung/Klima/Heizung/ Sanitär/Gebäudetechnik, Nr. 3.

[5] Masuch, J. (2017), privater Austausch.

[6] Raiß, W. (1970), Rieschel/Raiß, Heiz- und Klimatechnik, Zweiter Band, Verfahren und Unterlagen zur Berechnung, 15 Auflage, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York.

[7] Schmidt, M. (2000), Meteorologische Grundlagen, In: Handbuch der Klimatechnik, Band 1; Hrsg. S. Baumgarth, B. Hörner und J. Reeker; C. F. Müller Verlag, Heidelberg.

[8] DIN 4710 (2003), Statistiken meteorologischer Daten zur Berechnung des Energiebedarfs von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland, Beuth Verlag GmbH, Berlin.

[9] VDI 2078 (1996), Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume, Beuth Verlag GmbH, Berlin.

[10] VDI 2078 (2015), Berechnung der thermischen Lasten und Raumtemperaturen (Auslegung Kühllast und Jahressimulation), Beuth Verlag GmbH, Berlin.

[11] VDI 4710, Blatt 3 (2011), Meteorologische Grundlagen für die technische Gebäudeausrüstung – t,x-Korrelationen der Jahre 1991 bis 2005 für 15 Klimazonen in Deutschland, Beuth Verlag GmbH, Berlin.

[12] VDI 6022, Blatt 1 (2011), Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte (VDI-Lüftungsregeln), Beuth Verlag GmbH, Berlin.

[13] DWD: http://www.dwd.de/DE/leistungen/klimadatendeutschland/klarchivstunden.html;jsessionid= 4B0BEC48FAA934D2182EBCC2A46729E9.live11042? nn=16102, zuletzt besucht am 18. 06. 2017.

[14] AHH: http://www.clima.ch

Von Prof. Dr.-Ing. Helmut E. Feustel

Prof. Dr.-Ing. Helmut E. Feustel, VDI, Studium und Promotion am Hermann-Rietschel-Institut der TU Berlin, danach für 15 Jahre Staff Scientist und Principal Investigator am Lawrence Berkeley National Laboratory der University of California in Berkeley; seit 2001 Hochschullehrer an der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin und seit 2007 von der IHK zu Schwerin öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Lüftungs- und Klimatechnik.

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