Effiziente Energierückgewinnung

Eine wirklich nachhaltige Bauweise erfolgt nur im Zusammenspiel vieler Einzelfaktoren. Allein für den Bereich der Wärme- und Kälterückgewinnungstechnik in lüftungstechnischen Anlagen sind mindestens fünf Qualitätsmerkmale für eine nachhaltige Betriebs- und Funktionsweise relevant.

Das Thema Energieeinsparung und Effizienz ist zurzeit überall aktuell und wird mittlerweile für fast jeden Vorgang gebraucht oder auch missbraucht. Ob allerdings etwas effizient ist und ob eine Maßnahme überhaupt eine tatsächliche Energieeinsparung darstellt, dazu ist eine tiefere Betrachtung erforderlich. Eine Energieeinsparmaßnahme führt nur dann zu einer richtigen Energieeinsparung, wenn eine bedarfsgerechte und betriebsoptimierte Auslegung gewerkübergreifend im Gebäude integriert ist. Speziell für den Bereich Luft- und Klimatechnik möchte ich die wirklich energiesparenden Maßnahmen aufzeigen und dazu die wesentlichen Kriterien benennen, womit effektiv, effizient, betriebssicher und rentabel Energie eingespart und gleichzeitig die Nutzungsqualität erhöht wird.

 
Effiziente Wärmerückgewinnungssysteme | Die Firma SEW (www.sew-kempen.de) ist Hersteller für effiziente Wärmerückgewinnungssysteme im sogenannten Kreislaufverbund für alle luft- und klimatechnischen Anlagen. Basis dieser Technik ist ein spezieller Wärmeaustauscher für Luft/Wasser in Gegenstrom-Schicht-Bauweise („GSWT“). Dieser weist Austauschgrade bis 90 % beidseitig auf und ist somit prädestiniert zur Rückgewinnung von Wärme und Kälte aus den verbrauchten Abluftströmen der luft- und klimatechnischen Anlagen. Der Gegenstrom-Schicht-Wärmeaustauscher bietet somit hohe Wärmeaustauschqualität zwischen flüssigen und gasförmigen Medien. Das Spezielle daran ist, dass die Wärmeaustauscher für jede x-beliebige Luftleistung ab 1000 m³/h bis Anlagen von
>1 Mio. m³/h aus einzelnen Modulen zur Gegenstrom-Schicht-Technik ausgeführt werden.
Seit der Markteinführung dieser Wärmeaustauscher 1983 wurden bereits tausende Wärmerückgewinnungsanlagen mit einer Gesamtluftleistung von etwa 100 Mio. m³/h in allen Branchen ausgeführt, so z.B. im Bundeskanzleramt Berlin, in der Deutschen Bundesbank Frankfurt sowie großen Sparkassen, Versicherungen, Pharmaunternehmen, Hallenbäder u.v.a.m. Damit wurden seit Beginn hochgerechnet etwa 500 Mio. m³ Erdgas eingespart. Mit den bereits in Betrieb befindlichen Anlagen werden zurzeit jährlich etwa 600 Mio. kWh Wärme und Kälte einge­spart, womit 160 000 t CO₂ vermieden werden.
Die Basissysteme der Wärmerückgewinnungsanlagen werden mit Rückwärmzahlen von >60 %, für Spezialanwendungen auch mit 80 %, angeboten. Die Vorteile des „GSWT“ wie z.B. geringste Verschmutzungsneigung, maximale Redundanz und Betriebssicherheit oder hohe Effizienz, bleiben dabei erhalten.
Mit dem multifunktionalen „GSWT“-Wärme- und Kälterückgewinnungssystem werden System-Austauschgrade von 80 % erzielt. Diese Austauschqualität erlaubt die multifunktionale Nutzung dieser Systeme und öffnet den Weg zur effizienten Betriebsweise. Jede zusätzliche multifunktionale Nutzung erhöht die Effizienz des gesamten Systems und ermöglicht Effizienzwerte von mindestens 1:20 bis 1:100. Dass heißt, mit 1 kWh an Strommehrbedarf werden bis zu 100 kWh an Wärme / Kälte zurückgewonnen. Dies bedeutet: mit weniger Aufwand mehr Nutzen!
 
Der Gesamtnutzen basiert dabei auf fünf Einzelkriterien:

 
Qualitätsmerkmal 1:

Hohe Effektivität 

Bei Wärme- und Kälterückgewinnungssystemen wird die Effizienz mit dem sogenannten Austausch- bzw. Rückwärmgrad (ATG) „f“ festgestellt. Der ATG bezeichnet den tatsächlichen Rückgewinn vom maximal möglichen Rückgewinn als Faktor oder in Prozent.
Es begann etwa 1980 mit ca. 35 bis 40 %. In der weiteren Entwicklung wurden die­se Werte langsam gesteigert auf 50, 60, 70 und 80 % (gemäß VDI 2071). Mit der Schichttechnologie ist ein Wärmeaustausch sowohl auf Luft- bzw. Wasserseite bis auf geringste Temperaturgrade (90 %/90 %) möglich. Damit werden effektiv Systemaustauschgrade von 80 % realisiert.
Der Austauschgrad ist ein erster wichtiger Faktor für die Energieeinsparung. Ob oder inwieweit er allerdings nützlich ist, entscheidet ausschließlich der dafür notwendige Primär­energieeinsatz – die Effizienz, der Aufwand zum Nutzen.

 
Qualitätsmerkmal 2:

Hohe Energieeffizienz

Effizient ist es, mit wenig viel zu erreichen, das heißt, mit vertretbarem Aufwand einen möglichst hohen Nutzen zu erzielen. Die Effizienz kann dabei als Verhältnis definiert werden, wie z. B. 1:20. Dies bedeutet, dass mit 1 kWh Strom z.B. 20 kWh an Wärme / Kälte zurückgewonnen werden – im Jahresmittel versteht sich.
Die Effizienz steigt, wenn bei hohem Austauschgrad der Aufwand fällt. Mit jeder multifunktionalen Nutzung wird der Aufwand reduziert und der Nutzen erhöht. Als effektiv und effizient gilt, wenn der Aufwand auf ein Minimum und das Ergebnis auf ein Maximum optimiert wird.
Hinweis: Dabei ist nicht nur der energetische Aufwand zu bewerten, sondern auch der gesamte bau- und anlagetechnische Aufwand für die Heiz- und Kältezentralen, Rückkühlwerke, Luftzusammenführung etc.

 
Qualitätsmerkmal 3:

Hohe Austauschqualität und in Folge betriebs- und funktionssicher

Erfüllt eine Energie-Einspar-Technologie die Bedingungen effektiv und effizient, kann dies­ bereits sehr positiv sein. Von Vorteil ist dies allerdings erst, wenn die Rückgewinnungstechnik auch konstruktiv betriebs- und ausfallsicher ist und die Leistung ausfallsicher bereit gestellt wird.
Die in sich funktionsfähigen Gegenstrom-Schicht-Wärmetauschermodule der „GSWT“-Technik sind einzeln funktionsfähig, absperrbar, entleerbar und entlüftbar und schaffen so hohe Redundanz und Betriebssicherheit.
Dazu kommt eine Doppelpumpentechnik, eine vollautomatische SPS-Programmschaltung mittels „Siemens S7“ mit integrierter Hand-Betriebsebene, einer schichtweisen Kondensatableitung, integriertem Frost- und Vereisungsschutz etc. Darüber hinaus ist der Wärmetauscher voll reinigungsfähig sowie zu 100 % desinfizier- und dekontaminierbar. Dies alles ist auch Voraussetzung für eine multifunktionale Nutzung im bewährten Kreislaufverbundsystem.

 
Qualitätsmerkmal 4:

Multifunktionale Nutzung

Mit der Anforderung für luft- und klimatechnische Anlagen Energie einzusparen, wurde zunächst erheblicher zusätzlicher apparativer Aufwand für die luft- und klimatechnischen Anlagen erforderlich. Mit dem multifunktionalen Rückgewinnungssystem von SEW wird dieser Trend nunmehr erstmals umgedreht.
Die Qualität der „GSWT“-Rückgewinnungstechnik ermöglicht die Übernahme fast aller anderen wichtigen thermischen Funktionen. Das Kreislaufverbundsystem der Wärmerückgewinnung übernimmt nun universell alle wärme- und kältetechnischen Vorgänge der Lüftungsanlage, wie z.B. zunächst die Wärme- und Kälterückgewinnung, die Luft­erwärmung, Luftkühlung und Luftentfeuchtung, die sogenannte Nachtkältegewinnung, die Freie Kühlung sowie die Rückkühlung von bauseitigen Kältemaschinen oder BHKW.­ Möglich wurde dies ausschließlich durch die Qualität der Einsparfunktionen V1 – V3.

 
Qualitätsmerkmal 5:

Hohe Rentabilität

Energie-Einspar-Systeme jeglicher Art müssen sich mindestens in der zu erwartenden Betriebs- und Lebenszeit durch die eingesparte Energie von selbst (also ohne Zuschüsse!) bezahlt machen – besser jedoch in der halben Zeit oder von Anfang an. Rückgewinnungssysteme sollten deshalb auch den apparativen Aufwand nicht erhöhen, sondern mindern. Mit V3 + V4 wird der apparative Aufwand insgesamt gemindert, die vorzuhaltenden Leistungen von Heizkessel, Kältemaschinen, Rückkühlwerke etc. werden reduziert bzw. ersetzt. Dies gilt auch für den bautechnischen Aufwand. Dies ist Basis für eine dauerhaft wirtschaftliche Anlagetechnik. Je früher diese Energie-Einspar-Technik in die Gebäudetechnik eingebunden wird, desto höher die Einsparung.

Damit ist mit der „GSWT“-Technik eine Mehrfachamortisation wie folgt möglich:

n zu 100 % direkt durch reduzierte Bauflächen für die Heiz- und Kältezentralen und Aufstellflächen für Rückkühlwerke,

n zu 100 % direkt durch Reduzierung der Wärme- und Kälteerzeugung einschließlich aller Nebenleistungen,

n zu 20 bis 50 % pro Jahr durch Energieeinsparung (Wärme, Kälte und sogar Strom).

Bei Einplanung von vornherein werden auf Jahrzehnte hinaus Betriebskosten eingespart – und dies ohne Mehrinvestitionen.

 
Im Ergebnis | Fünf Anforderungsprofile, wie im Einzelnen vorher beschrieben, bestimmen somit die Nutzungsqualität der Wärme- und Kälterückgewinnungssysteme in luft- und klimatechnischen Anlagen. Alle angesprochenen Einzelvorteile sind für eine Energie-Einspar-Technik sehr positiv. Allerdings ist übergeordnet die Raumluftqualität das Maß der Dinge, d.h. Energie-Einspar-Technik und Rückgewinnungssystem dürfen und sollen Energie einsparen, jedoch keinesfalls den Sinn und Zweck der luft- und klimatechnischen Anlagen verändern.
Wärmerückgewinnungssysteme im Kreislaufverbundsystem besitzen eine absolute Trennung zwischen dem verbrauchten Abluftstrom und dem frischen Außenluftstrom. Jegliche Keim- und Schadstoffübertragung ist damit ausgeschlossen. Auch im Stör- bzw. Wartungsfall kann über das System keine Rauch- und Brandübertragung erfolgen. Dies­ ist Basis für maximale Energieeinsparung ohne Verzicht auf höchste Raumluftqualität.
Mit den Anforderungsfaktoren bzw. Qualitätsmerkmalen 1 bis 5 sind die wesentlichen Kriterien für eine erfolgreiche und ganzheitliche Betriebsoptimierung aufgezeigt. Jedes der Generalthemen ist in sich sicherlich von großer Bedeutung; aber wie ein genaueres Hinsehen erkennbar macht, sind diese Werte für sich alleine betrachtet bei weitem noch keine Aussage zum Gesamtnutzen.

Wir müssen und wollen Energie sparen, aber nicht durch Reduzierung an Qualität, sondern mit einer besseren Technik – eben mit einer 5-Faktoren-Nutzungsqualität als Basis nachhaltiger Gebäudetechnik.