Untersuchung des Energieaufwands in Luftverteilsystemen für charakteristische Lastsituationen

Abstract

Die Behaglichkeitsanforderungen an Wohn- und Bürogebäude wachsen stetig. Neben der Sicherstellung thermischer Behaglichkeit ist vor allem die stoffliche Behaglichkeit relevant, die mithilfe raumlufttechnischer (RLT) Anlagen gewährleistet werden kann. Die dabei für den Lufttransport erforderliche elektrische Ventilatorleistung im Betrieb einer RLT-Anlage ist vom geförderten Volumenstrom, der Druckerhöhung und dem Wirkungsgrad des Ventilators abhängig. Mittels numerischer Simulation verschiedener Luftverteilsystemvarianten werden in dieser Arbeit die Zusammenhänge des Luftverteilsystems auf den Druckabfall bzw. die benötigte Leistung im Betrieb sowie die erforderlichen Investitionskosten unter Verwendung verschiedener Anlagenkonzepte an einem beispielhaften Bürogebäude untersucht. Mithilfe von Matlab erfolgt die Modellierung der Luftverteilnetzvarianten, welche für die Untersuchungen Daten einer gekoppelten Gebäude- und Anlagensimulation (TRNSYS) erhält. Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem bei Nur-Luft-Anlagen der Betriebspunkt oftmals wesentlich vom Auslegungsfall abweicht. In über der Hälfte eines Jahres werden lediglich 5 % bis 10 % des Auslegungsvolumenstroms genutzt. Bei über zweifach höheren Luftgeschwindigkeiten gegenüber der Referenzgeschwindigkeit weisen die Ventilatoren einen ca. um das 1,5-fache höheren Energieaufwand auf. Dem steht jedoch ein reduziertes Bauvolumen von ca. 60 % gegenüber. Wird beim Einsatz von Lüftungsanlagen die CO2-Grenzkonzentration auf die Hälfte reduziert und damit eine deutlich höhere Luftqualität erzielt, steigt der Energieaufwand der Ventilatoren gleichermaßen auf annähernd das Doppelte an. Die Ergebnisse machen deutlich, dass die Auslegungskriterien für Luftverteilsysteme Bestandteil eines integralen Planungsprozesses darstellen sollten, da diese insbesondere bei Nichtwohngebäuden einen wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch, die Investitions- sowie die Betriebskosten haben.

The comfort requirements for residential and office buildings are constantly growing. Beside the thermal comfort, especially the air quality is relevant, which can be guaranteed using heating, ventilation and air conditioning (HVAC) systems. The electrical fan power, which is necessary for air transport during the operation of an HVAC system depends on the volume flow rate, the pressure increase and the efficiency of the fan. By means of numerical simulation of different air distribution system variants, this thesis investigates the interrelationships of the air distribution system regarding the pressure drop or the required fan power during annual operation as well as the required investment costs using different system concepts in an exemplary office building. Matlab is used to model the air distribution network variants, which receives for the investigations data from a coupled building and system simulation (TRNSYS). The results show that, especially in air-only systems, the operating point often deviates significantly from the design case. In more than half of a year only 5 % to 10 % of the design volume flow is used. At air velocities more than twice as high as the reference velocity, the fans have an energy consumption that is approximately 1,5 times higher than the reference velocity. However, this is countered by a reduced construction volume of approx. 60 %. If the CO2 limit concentration is reduced to half when using ventilation systems and thus a significantly higher air quality is achieved, the energy demand of the fans is doubled. The results show that the design criteria for air distribution systems should be part of an integral planning process, as they have a significant influence on energy consumption, investment and operating costs, especially in non-residential buildings.