Anlagenoptimierung mit dem h,x-Diagramm

K L I M A
Anlagenoptimierung
mit dem
h,x-Diagramm
Die DIN EN 13779 erfordert in Sachen Lufthygiene und
thermische Behaglichkeit einen erheblich größeren
Abstimmungs- und Dokumentationsaufwand zwischen
Fachplanern und Auftraggebern, als die alte DIN 1946 –
Teil 2. Hilfestellung können Softwarelösungen bieten,
bei denen der Planer für vorgegebene oder frei wählbare
Behaglichkeitsfenster im h,x-Diagramm statistische
Klimadaten für verschiedene Anlagenvarianten zugrunde
legen kann. So lassen sich Anlagenkonzepte erarbeiten,
die hinsichtlich Investitionskosten und Energieverbrauch
optimiert sind und die, mit dem Auftraggeber vereinbarten
Raumluftzustände einhalten.
Mit der Einführung der DIN
EN 13779 – Lüftung von
Nichtwohngebäuden, Allgemeine
Grundlagen und Anforderungen
an Lüftungs- und
Klimaanlagen – ist die individuelle
Abstimmung einzuhaltender
Raumluftkonditionen
zwischen Auftraggeber
und Planer erforderlich geworden.
Die gewünschten
Anforderungen sowie die Bemessungsgrundlagen
hierfür
sind dann vertraglich zu vereinbaren
und entsprechend
zu dokumentieren. Weiterhin
muss der Planer seiner Beratungspflicht
gegenüber dem
Auftraggeber nachkommen,
wobei im Zweifelsfall nachzuweisen
ist, dass diese Beratung
stattgefunden hat. Nach der
neuen Norm haben Lüftungsund
Klimaanlagen die Aufgabe,
die Raumluftzustände sowie
die Randbedingungen für
thermische Behaglichkeit so
sicherzustellen, wie sie bei der
Planung vereinbart wurden.
Messtechnische Werte sind bei
∂ Bild 1: Die Programmentwickler Joern Doerk (links) und Christian Zywicki.
∂ Bild 2: Prozess mit Kaltdampfbefeuchtung vor dem Rekuperator bis in das
Nassdampfgebiet (1-2). Die gekühlte Abluft entzieht der Außenluft im Rekuperator
Wärme (2-3 und 4-5). Ein Kühlregister bringt die Zuluft auf den Zustandspunkt
6.
der Funktions- und Leistungsprüfung
entsprechend einzuhalten.
Detaillierte Konstruktionsmerkmale,
wie es sie
zum Beispiel in der Vorgängernorm
DIN 1946-2 zur Erfüllung
der Raumluft-Anforderungen
gab, sieht die DIN EN
13779 nicht mehr vor.
Optimierte Auslegung durch
Simulation
Für den Planer bietet sich
dadurch auch die Chance,
durch gute Beratung zu innovativen
Lösungen zu kommen,
mit denen er sich vom
Wettbewerb absetzen kann.
Dabei ist es hilfreich, verschiedene
Szenarien für die
geplante Klimatechnik simulieren
zu können, um so eine
optimierte Anlagenauslegung
zu finden. Insbesondere bei
den Zielvorgaben zur thermischen
Behaglichkeit gibt es
viele Variationsmöglichkeiten
bei der Prozessführung und
der anlagentechnischen Verschaltung,
die sich jedoch bezüglich
des Energieverbrauchs
oft sehr stark unterscheiden.
Ein Softwaretool, das solche
Berechnungen ermöglicht, ist
„psychrometric-chart 4.0“.
Über die Eingabe von Anfangs-
und Endpunkten für
einzelne Zustandsänderungen
lassen sich beliebige Prozesse
im h,x-Diagramm aufbauen.
Diese werden grafisch
im Diagramm und tabellarisch
mit ihren thermodynamischen
Koordinaten sowie
den Differenzen der Zustandsgrößen
dargestellt. Werden
dem Prozess konkrete Massenoder
Volumenströme zugeordnet,
so können zusätzlich alle
Wärme- und Entfeuchtungsleistungen
berechnet und angezeigt
werden.
Komplexe Prozesse können
dabei über sogenannte „hinterlegte
Aktionen“ simuliert
werden, die bei einem gewählten
Zustandspunkt starten.
Durch die Wahl prozessabhängiger
Parameter berechnet
das Programm ein Wertepaar
aus Lufttemperatur
und -Feuchte am Endpunkt
der Zustandsänderung.
Annäherung an reale
Zustandsänderung
Ein Beispiel hierfür ist die
Kühlung eines Außenluftstromes
von 32 °C auf 18 °C.
Betrachtet man den Prozess
als quasistatische Zustandsänderung,
so erreicht die Luft
bei in Mitteleuropa üblichen
Werten für die Luftfeuchte
den Sättigungszustand
für Wasserdampf nicht. Bei
einem idealisierten Prozess
fällt also kein Wasser, sodass
der Zustandsverlauf im h,x-
Diagramm senkrecht nach
unten verläuft.
In der Praxis funktioniert
das anders. Dort strömt die
Luft in ein Kühlregister, bei
dem die Rohroberflächen zwischen
6 °C und etwa 15 °C va-
22 IKZ-FACHPLANER · Heft 5 /2007

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∂ Vergleichsprozess mit Verdunstungskühlung der Abluft. Durch die nasse
Fahrweise der „adiabaten“ Kühlung kann der Außenluft erheblich mehr Wärme
entzogen werden als beim Kaltdampfprozess.
riieren. Dabei kondensiert ein
Teil des in der Luft vorhandenen
Wasserdampfes an den
Rohren und Rippen aus, sodass
im realen Prozess eine
Entfeuchtung zu berücksichtigen
ist.
Beim „Kühlen/Entfeuchten“
ist als zusätzliche Angabe
deshalb eine mittlere
Oberflächentemperatur der
Kühlflächen anzugeben, mit
der ein realer Verlauf der Zustandsänderung
angenähert
berechnet werden kann. Die
mit diesem Tool ermittelten
Zustandsänderungen verlaufen
dann im h,x-Diagramm
nicht mehr senkrecht nach
unten, sondern nach links geneigt
zu geringeren absoluten
Luftfeuchten.
Weitere berechenbare Zustandsänderungen
sind die
rekuperative Wärmerückgewinnung,
das Heizen und
Kühlen, die Be- und Entfeuchtung,
die adiabate Verdunstungskühlung
sowie ein Prozess
mit regenerativer Wärmerückgewinnung.
Vergleich von
Entfeuchtungsprozessen
Ein Beispiel für die Optimierung
der Prozessführung
innerhalb einer Klimaanlage
ist der Vergleich zweier
verschiedener Kühl- und Entfeuchtungsprozesse.
In Bild 2
ist der Prozess einer Kaltdampfbefeuchtung
vor dem
Rekuperator abgebildet. Die
Zustandsänderung der Abluft
verläuft vom Punkt 1 bis in
das Nassdampfgebiet (Punkt
2). Die so gekühlte Abluft entzieht
der Außenluft im Rekuperator
(WRG = 0,5) Wärme
(2 - 3 und 4 - 5). Ein Kühlregister
bringt dann die Zuluft auf
den Zustandspunkt 6. Hierzu
ist bei einem Zuluftvolumenstrom
von 10 000 m/h von
42,5 kW Kälteleistung erforderlich.
Bild 3 zeigt den Vergleichsprozess
mit Verdunstungskühlung.
Durch die nasse
Fahrweise der „adiabaten“
Verdunstungskühlung kann
der Außenluft erheblich mehr
Wärme entzogen werden als
beim Kaltdampfprozess. Diese
Prozessführung reduziert den
Kältebedarf auf 18,3 kW.
Frei wählbare
Behaglichkeitsfenster
Bei den letzten Updates
des Softwaretools wurden verschiedene
Funktionen implementiert,
die Planern auch
die Arbeit mit der DIN EN
13779 erleichtern. Zum einen
ist dies die grafische Darstellung
von Behaglichkeitsbereichen
im h,x-Diagramm.
Weiterhin kann bei der Variation
von Prozessparametern
oder bei der Überprüfung
von extremen Außenluftzuständen
simuliert werden, ob
die Zuluft immer noch das gewünschte
Behaglichkeitsfenster
erreicht. Statt der fest programmierten
Bereiche gemäß
der aktuellen europäischen
Normen sowie der ASHRAE-
Richtlinien sind auch beliebige
andere Zielbereiche für
die Zuluft definierbar.
Statistische
Häufigkeitsverteilungen
Mithilfe von Klimabirnen
im h,x-Diagramm lassen sich
auch statistische Häufigkeiten
von Klimazuständen darstellen.
Als Klimabirne wird dabei
die umhüllende Kurve der
auftretenden Klimabedingungen
in einer Region bezeichnet.
Mit dieser Funktion
lässt sich beispielsweise die
Frage beantworten, wie viele
Stunden pro Jahr die Temperatur
in einer Region wahrscheinlich
über 32 °C liegen
wird und welche Zuluftbedingungen
sich daraus im Gebäude
bei bestimmten Anlagenkonfigurationen
ergeben.
Insbesondere in den Randgebieten
der Klimabirne ist die
Angabe der Wahrscheinlichkeiten
sehr hilfreich, weil
sich auf diese Weise quantitative
Aussagen treffen lassen,
wie z. B. die Anzahl der
Stunden pro Jahr bei denen
die maximal gewünschte Zulufttemperatur
oder -Feuchte
überschritten wird. Sind diese
Werte für den Auftraggeber
akzeptabel, so ermöglicht
das die Auslegung der Klimaanlage
ohne oder mit sehr geringen
Sicherheitszuschlägen.
Das spart zum einen Investitionskosten
und reduziert darüber
hinaus den Energieverbrauch,
da der stets energieintensivere
Teillastbetrieb
minimiert wird. Vor allem
aber lassen sich mit einem
solchen Programm vereinbarte
Details über die thermische
Behaglichkeit, also Zielfenster
und Zeitangaben über die
wahrscheinliche Überschreitung
von Maximalgrößen,
dokumentieren.
∂ Darstellung eines Behaglichkeitsfensters und der Klimabirne mit den statistischen
Häufigkeiten für das Auftreten klimatischer Luftzustände im h,x-Diagramm
mit dem Softwaretool Menerga „psychrometric chart 4.0“.
Messdaten-Analyse
Ein Tool zur Optimierung
von bestehenden Anlagen
wurde mit der neu geschaffenen
„Logplayer“-Funktion
geschaffen. Damit können
Messwerte im h,x-Diagramm
mit ihrem zeitlichen
Verlauf – ähnlich einem Film
– dargestellt und anschaulich
analysiert werden. Neben
ASCII- oder Excel-Dateien
kann das Zusatztool
viele weitere Datenformate
verarbeiten. Auf diese Weise
lässt sich beispielsweise das
Anfahrverhalten oder auch
die Vorgeschichte einer Anlagenstörung,
anhand einer
thermodynamisch aussagekräftigen
Darstellung nachvollziehen.
∂
B i l d e r : Menerga Apparatebau
GmbH, Mühlheim an der Ruhr
@ Internetinformationen:
www.hx-diagramm.de
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