Zusammenfassung: Ausgehend vom Prinzip der Energieeinsparung analysiert dieser Artikel Energiesparmaßnahmen für zentrale Klimaanlagen. Dabei werden die Bestimmung der Kühllast, die Geräteauswahl und die Konfiguration des Wassersystems im Hinblick auf die praktische Planung betrachtet. Die genaue Berechnung der stündlichen Kühllast, die optimale Abstimmung der Kältemaschinen, die separate Installation von Kaltwasser- und Warmwasserpumpen sowie der Einsatz von Systemen mit variablem Durchfluss im Wassersystem tragen dazu bei, den Energieverbrauch zu senken und die Effizienz zu steigern. Schlüsselwörter: Kühllast, Wassersystem, Differenzdruck-Bypass-Regelung, Primärpumpe, System mit variablem Durchfluss. Angesichts der zunehmenden Energiekrise gewinnt die Reduzierung des Energieverbrauchs immer mehr an Bedeutung. In öffentlichen Gebäuden machen zentrale Klimaanlagen über 65 % des Gesamtenergieverbrauchs aus. Aktuell weisen die meisten zentralen Klimaanlagen in Gebäuden erhebliche Energieverschwendung auf. Beispielsweise führt eine fehlerhafte Berechnung der Kühllast zu überdimensionierten Kältemaschinen und Wärmequellen, was zu einer unausgewogenen Leistung führt. Die automatische Energiesparregelung des Systems ist oft ungenau oder wird sogar vernachlässigt; Konstantstromsysteme mit Pumpen verschwenden typischerweise elektrische Energie; und unsachgemäßes Systemmanagement führt ebenfalls zu unnötigen Betriebskosten. Daher besteht Potenzial zur Energieeinsparung bei Klimaanlagen. Im Folgenden werden Energiesparmaßnahmen kurz analysiert, die bei der Planung zentraler Klimaanlagen angewendet werden können. 1. Bestimmung der Kühllast der Klimaanlage und Auswahl der Kältemaschinen Die Auslegungskühllast ist die wichtigste Grundlage für die Geräteauswahl. Daher ist es für die Auslegung des Gesamtsystems von entscheidender Bedeutung, die Gebäudekühllast korrekt zu berechnen. Die Last von Klimaanlagen in öffentlichen und privaten Gebäuden resultiert hauptsächlich aus der Wärmeübertragung (einschließlich Sonneneinstrahlung) der Gebäudehülle und der Frischluftzufuhr. Die in herkömmlichen Lehrbüchern und Planungshandbüchern beschriebenen Berechnungsmethoden für die Klimaanlagenlast, unabhängig davon, ob die Last der Wände oder der Türen und Fenster der Gebäudehülle berechnet wird, beziehen sich alle auf einen bestimmten Raum, während die Kapazität der Klimaanlagengeräte auf der Kühllast des gesamten Gebäudes basiert. Aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtung, Lage, Funktion und internen Wärmequellen der einzelnen Räume tritt die maximale Kühllast nicht zum gleichen Zeitpunkt auf. Daher sollte der maximale Wert der Gebäudekühllast dem maximalen Stundenwert der Last jedes einzelnen Raums entsprechen und nicht einfach die maximalen Kühllasten aller Räume addiert werden. Die Last der Klimaanlage variiert mit den äußeren Witterungsbedingungen. Sie unterscheidet sich stark zwischen Frühling, Sommer, Herbst und Winter und unterliegt erheblichen Schwankungen. Spitzenlasten treten im Jahresverlauf nur selten auf. Die Daten zeigen, dass die zeitliche Häufigkeit der Bürogebäudelast im Jahresverlauf (das Verhältnis der Zeit, in der eine bestimmte Last auftritt, zur Gesamtzeit) wie in Abbildung 1 dargestellt ist. Abbildung 1 zeigt, dass die jährliche Last hauptsächlich zwischen 50 % und 70 % der maximalen Last konzentriert ist. Übersteigt die Last 50 % der Gesamtlast, müssen in der Regel Kältemaschinen zugeschaltet werden, während Frischluft die Kühllast in der verbleibenden Zeit kompensieren kann. Daher sollte die Planung die jährlichen Lastschwankungen berücksichtigen und Kältemaschinen sowie andere Anlagenteile entsprechend dimensionieren. So wird sichergestellt, dass bei geringer Kühllast kleinere und bei hoher Kühllast größere Anlagen zum Einsatz kommen. Dadurch wird vermieden, dass Kältemaschinen und andere Anlagenteile unter Last laufen, was den Stromverbrauch pro Kühlleistungseinheit erhöht. Die Auswahl geeigneter Kältemaschinenmodelle für einen hocheffizienten Betrieb kann den Energieverbrauch des Systems senken und somit Energieeinsparungen erzielen. In vielen Anlagen wird häufig dasselbe Kältemaschinenmodell als Hauptanlage verwendet. Obwohl die Systemkonfiguration einfach und die Steuerung komfortabel ist, läuft die Anlage über 60 % des Jahres mit 50–70 % Last, was zu einer unzureichenden Systemanpassung führt. In den Schwachlastzeiten arbeitet das System mit hohem Durchfluss und geringer Temperaturdifferenz, was zu ineffizientem Betrieb und erheblicher Energieverschwendung führt. Die Kombination von großen und kleinen Kältemaschinen sowie die Konfiguration von Kaltwasserpumpen, Kühlwasserpumpen und Kühltürmen unterschiedlicher Größe für jede Anlage können die Planung und Steuerung des Wassersystems verkomplizieren. Bei der Konstruktion von Anlagen sollten Planer jedoch nicht blindlings die Systemvereinfachung auf Kosten der Energieeinsparung anstreben. 2. Pumpenauswahl: Die Kapazität von Kaltwasser- und Kühlwasserpumpen wird anhand der maximalen Auslegungslast des Gebäudes gewählt. Die Förderhöhe ergibt sich aus der Summe des Reibungswiderstands und des lokalen Widerstands des ungünstigsten Kreislaufs im System. In der Praxis sind Widerstandsberechnungen aufgrund der komplexen Rohrleitungen oft nur grob, wobei ein hoher Sicherheitsfaktor berücksichtigt wird. Dies führt häufig zu einer zu großen Förderhöhe der Pumpe; 0,4–0,5 MPa sind üblich. Abbildung 2 zeigt beispielhaft das Kühlwassersystem im Kältemaschinenraum eines Bürogebäudes. Die Kältemaschine hat eine Kühlleistung von 1250 kW, und der ausgelegte Kühlwasservolumenstrom beträgt ca. 300 m³/h. Die gewählte Kühlwasserpumpe hat einen Nennvolumenstrom von 310 m³/h und eine Förderhöhe von 50 m. Anhand der in Abbildung 2 dargestellten Messparameter lässt sich erkennen, dass eine Förderhöhe von 20–25 m ausreichend wäre. Aktuell ist die Förderhöhe der Pumpe zu hoch; an den Ventilen werden 29 m Wassersäule verbraucht, was bedeutet, dass 60 % der Energie der Kühlwasserpumpe an den Ventilen verschwendet werden. Die Betriebskennlinie der Pumpe (Durchflussmenge und Förderhöhenänderungen) hängt eng mit der Kennlinie der Rohrleitung zusammen. Kennlinie der Rohrleitung: H = SQ² Dabei ist H der Druckverlust des Rohrleitungssystems (in Pa), Q die Durchflussmenge (in m³/s) und S der Gesamtwiderstandsbeiwert, der die Reibungsverluste und den lokalen Widerstand der Rohrleitung berücksichtigt. Normalerweise ist S im Systembetrieb konstant. Mit steigendem Rohrleitungswiderstand wird die Kennlinie steiler, mit sinkendem Rohrleitungswiderstand flacht sie ab, wodurch sich die Betriebsbedingungen der Pumpe entsprechend ändern. Im in Abbildung 2 dargestellten System verbraucht das Ventil den größten Teil der für die Förderhöhe der Pumpe benötigten Energie, was der Energieeinsparung äußerst zuwiderläuft. Wie in Abbildung 3 dargestellt, ändert sich der Betriebszustand der Pumpe von Zustand A zu Zustand B, wenn das Ventil vollständig geöffnet wird, um seinen Widerstand zu verringern. Dies führt zu einer geringeren Effizienz und einem erhöhten Stromverbrauch, der unter Umständen die Nennleistung des Pumpenmotors überschreitet und diesen beschädigen kann. Die Berechnungen zur Pumpenauswahl müssen der nationalen Norm für energiesparendes Design (GB50189-93) hinsichtlich des Fördermengenkoeffizienten für Wassersysteme entsprechen: Der Fördermengenkoeffizient für die Klimaanlagenkühlung sollte mindestens 30 betragen. Gleichzeitig muss der ungünstigste Schleifenwiderstand so genau wie möglich berechnet werden, um eine geeignete Förderhöhe für einen wirtschaftlichen Betrieb zu wählen. Darüber hinaus wird bei der Pumpeneinstellung häufig der Unterschied im Klimaanlagenwasservolumen zwischen Winter und Sommer nicht berücksichtigt. Oft wird eine einzige Wasserpumpe für beide Jahreszeiten verwendet. Im Winter führen der hohe Durchfluss und die geringe Temperaturdifferenz zu einem ineffizienten Betrieb und einem hohen Stromverbrauch. Daher wird empfohlen, separate Kaltwasser- und Warmwasserzirkulationspumpen für Winter und Sommer einzusetzen. 3 Energiesparmaßnahmen für Klimaanlagen-Wassersysteme (1) Derzeit verwenden die meisten Klimaanlagen-Kaltwassersysteme ein einstufiges Pumpensystem mit konstantem Durchfluss. Die Pumpenleistung wird entsprechend der maximalen Last der Kältemaschine gewählt und arbeitet ganzjährig mit einem konstanten Wasserdurchfluss. Wenn einzelne Klimaanlagen-Endgeräte abgeschaltet werden, kann das Wasserventil nicht geschlossen werden, wodurch die Rücklauftemperatur sinkt und sich die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklaufwasser verringert. Aufgrund von saisonalen Unterschieden, dem Tages- und Nachtverlauf sowie der Gebäudenutzung ist die tatsächliche Klimaanlagenlast den Großteil des Jahres deutlich geringer als die Auslegungslast (wie oben erwähnt). In 60 % des Jahres liegt die tatsächliche Last unter 50 % bis 70 % der Auslegungslast. Bei gleichbleibendem Kaltwasserdurchfluss sinkt die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklaufwasser von den geplanten 5 bis 7 °C auf 0,5 bis 1 °C. Der Betrieb bei 0 °C bedeutet, dass das System unter Bedingungen hoher Durchflussrate und geringer Temperaturdifferenz arbeitet. Dies führt zu Energieverschwendung in der Pumpe und erhöhten Wärmeverlusten im Rohrleitungssystem. Um Energieeinsparungen zu erzielen, ist das Klimaanlagen-Wassersystem als System mit variablem Durchfluss ausgelegt. Am Klimaanlagenanschluss ist ein Zweiwegeventil installiert. Basierend auf dem Signal des Raumthermostats oder der Zulufttemperatur wird die Öffnung des Zweiwegeventils gesteuert, um den Wasserdurchfluss zum Verbraucher (Lastseite) zu verändern und so den variablen Durchfluss zu realisieren. Auf der Kaltwasserseite darf der Wasserdurchfluss durch den Verdampfer des Kaltwassersatzes jedoch nicht unter den Nennwert des benötigten Wasservolumens fallen, da sonst die Kaltwassertemperatur zu niedrig ist und sogar Frostgefahr besteht. Daher muss zwischen Vor- und Rücklaufleitung ein Bypassrohr mit einem Regelventil installiert werden, um einen konstanten Wasserdurchfluss durch den Verdampfer des Kaltwassersatzes zu gewährleisten. Das Primärpumpen-Variable-Flow-System verwendet häufig mehrere Kältemaschinen und mehrere Kaltwasserpumpen (jede Kaltwasserpumpe ist einer Kältemaschine zugeordnet) auf der Kaltwasserquellenseite. Dabei bleibt der Wasserdurchfluss jeder Pumpe konstant. Die Anzahl der Kaltwasserpumpen und der zugehörigen Kältemaschinen wird so gesteuert, dass die Kältemaschinen im Teillastbetrieb energieeffizient arbeiten können (siehe Abbildung 4). Viele Quellen beschreiben die Anzahlregelung für Primärpumpen-Variable-Flow-Systeme als Differenzdruck-Bypass-Regelung der Pumpen und deren Verriegelung mit den Kältemaschinen. Die Differenzdruckregelung ist im Wesentlichen eine Konstantdruckregelung, die die Pumpenleistung anhand der oberen und unteren Grenzwerte der Vor- und Rücklaufdruckdifferenz steuert. Diese traditionelle Regelungsmethode eignet sich nur für Pumpen mit steil abfallenden Kennlinien. Selbst bei reduzierter Pumpenleistung kann es zu ineffizientem Pumpenbetrieb kommen. Dank Fortschritten in der Pumpenfertigungstechnologie weisen die meisten Pumpen heutzutage in der Nähe ihres maximalen Wirkungsgrades flache Kennlinien auf. Pumpen mit flachen Kennlinien reagieren träge auf Änderungen des Leitungsdrucks, was die Regelgüte beeinträchtigt. Diese Situation verschärft sich, wenn mehrere Pumpen parallel betrieben werden. Daher ist eine Differenzdruckregelung unzureichend. Um dem entgegenzuwirken, wurden Durchflussregelungsverfahren entwickelt. Die Lastregelung für Systeme mit variablem Primärpumpendurchfluss ist ein relativ ausgereiftes Regelungsverfahren, bei dem die Kältemaschinen und die Primärwasserpumpen separat gesteuert werden. Das Prinzip der Lastregelung der Kältemaschinen ist wie folgt: Ein Durchflusssensor ist an der Zuleitung der Primärpumpe installiert, und an jeder Zu- und Rücklaufleitung befindet sich ein Temperatursensor. Die benötigte Kühlleistung wird berechnet, indem die Temperaturdifferenz zwischen Zu- und Rücklauf im Primärpumpenkreislauf und der Zulaufwasserdurchfluss gemessen werden. Sinkt die Kühlleistung am Endgerät, verringert sich die Temperaturdifferenz zwischen Zu- und Rücklauf im Primärpumpenkreislauf entsprechend. Erreicht die reduzierte, vom Wärmerechner ermittelte Kühlleistung die Leistung einer Kältemaschine, wird diese abgeschaltet. Steigt hingegen die Kühlleistung am Endgerät und entspricht die erhöhte Kühlleistung der Leistung einer Kältemaschine, wird diese zugeschaltet. In diesem Fall muss die entsprechende Wasserpumpe vorab gestartet werden. Das heißt, die Kältemaschine benötigt zum Starten einen Wasserdurchfluss. Die Anzahl der Primärwasserpumpen wird mittels Durchflussregelung gesteuert. Das Regelungsprinzip ist wie folgt: Die vom Durchflussmesser an der Hauptwasserzuleitung gemessene tatsächliche Wassermenge wird vom Messumformer in ein Impulssignal umgewandelt und an die Pumpensteuerung gesendet. Die Steuerung vergleicht den voreingestellten Förderbereich jeder Pumpe mit dem Signal des Messumformers. Liegt der tatsächliche Wasserverbrauch unter der Kapazität einer Pumpe, wird diese abgeschaltet. Steigt der tatsächliche Wasserverbrauch, kehrt sich der Pumpvorgang um. Um einen konstanten Primärpumpenförderstrom und eine konstante Kältemaschine zu gewährleisten, ist bei Verwendung der Lastregelung eine Bypassleitung mit Regelventil zwischen Vor- und Rücklauf der Primärpumpe erforderlich. Dabei wird eine feste Druckdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf verwendet. Die Druckdifferenzregelung passt lediglich den Öffnungsgrad des Bypassventils an, um die Bypasswassermenge durch Anpassung der Druckdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf zu regeln. Sie kann das Starten und Stoppen der Pumpen nicht direkt steuern. Selbstverständlich lassen sich auch die Fördermenge und die Pumpenanzahl durch Erfassung des Bypasswassersignals regeln. Das variable Durchflusssystem mit einer einzelnen Pumpe ist relativ einfach. Der Einsatz mehrerer Kältemaschinen ermöglicht es, den schwankenden Kühlbedarf der Klimaanlage im Jahresverlauf zu decken und einen energiesparenden Betrieb zu gewährleisten. Zudem kann die Laufzeit der einzelnen Wasserpumpen deutlich reduziert und deren Lebensdauer verlängert werden. Allerdings führt die große Anzahl an Einheiten und Wasserpumpen zu einem höheren Platzbedarf im Maschinenraum und höheren Investitionskosten. Darüber hinaus werden hohe Anforderungen an die Qualität der Temperaturregelventile und Bypass-Steuerungen gestellt, um einen effektiven Systembetrieb sicherzustellen. (2) Mit der Weiterentwicklung der Steuerungstechnik sind verschiedene Kältemaschinentypen mit kompletten Steuerungseinrichtungen ausgestattet, die den Kältemittelkreislauf in Verdampfer und Kondensator lastabhängig automatisch anpassen und so die Grundlage für den variablen Durchfluss des Wassersystems schaffen. Referenz [2] zeigt, dass der variable Durchflussbetrieb des Kältemaschinensystems ohne Beeinträchtigung des sicheren Betriebs der Kältemaschine möglich ist. Der Durchflussregelbereich kann zwischen 70 % (bzw. 60 %) und 100 % eingestellt werden. Ändert sich die tatsächliche Nutzerlast, passt sich die Wasserzufuhr entsprechend an. Die Energieeinsparung lässt sich direkt durch die frequenzgesteuerte Drehzahlregelung der Wasserpumpe erzielen. Auch der Betrieb des Kühlwassersystems für Kältemaschinen mit variablem Durchfluss ist problemlos möglich. Da das Kühlwasservolumen 20–30 % größer ist als der Kaltwasserdurchfluss, ist der Energiespareffekt noch deutlicher. Durch die frequenzgesteuerte Drehzahlregelung der Wasserpumpe amortisiert sich die Investition in den Wechselrichter innerhalb von 1–2 Jahren. Der variable Betrieb des Klimaanlagen-Wassersystems ermöglicht es, den Energieverbrauch mit der Durchflussrate zu erhöhen oder zu senken, was zu erheblichen Energieeinsparungen und wirtschaftlichen Vorteilen führt. 4. Energiesparmaßnahmen für Klimaanlagen: Große öffentliche Bereiche wie Lobbys, Restaurants und Konferenzräume sind in der Regel mit Konstantvolumenstrom-Klimaanlagen (CAV) ausgestattet. Durch den Einsatz eines Zwei-Ventilator-Systems (Zu- und Abluft) kann bei niedrigerer Außenluftenthalpie als Innenraumluftenthalpie das Frischluftverhältnis so angepasst werden, dass 100 % Frischluft und 100 % Abluft erreicht werden. Dies führt zu Energieeinsparungen und verbesserter Raumluftqualität. Kleine Räume wie Einzelhandelsflächen, Konferenz- und Büroräume können mit einem Zwei-Ventilator-Klimagerät mit variablem Luftvolumenstrom (VAV) ausgestattet werden. Die Frischluft- und Abluftkanäle des VAV-Systems sind direkt mit den Lamellen der Fenster des Klimaraums verbunden, was einen energiesparenden Betrieb mit 100 % Frischluft in den Übergangszeiten ermöglicht. VAV-Klimageräte halten die Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit konstant, indem sie die Luftzufuhr an die sich ändernde Raumlast anpassen. Der ganzjährige Betrieb eines VAV-Systems kann den Energieverbrauch der Ventilatoren deutlich reduzieren. In Gebäuden mit ganzjähriger Klimatisierung arbeitet das System die meiste Zeit im Teillastbetrieb. Die Anpassung des Gesamtluftvolumenstroms der Ventilatoren über den statischen Druck des VAV-Systems reduziert den Energieverbrauch der Ventilatoren erheblich. Beispielsweise liegt die durchschnittliche Auslastung an der Westseite eines Gebäudes im Sommer bei ca. 40 %, in der Übergangszeit bei 25 % und im Winter bei 30 % – also sehr niedrig (dasselbe gilt für andere Ausrichtungen). Läuft das System daher ganzjährig mit einem durchschnittlichen Luftstrom von 70 %, lässt sich der Energieverbrauch um etwa die Hälfte reduzieren. Bei Gebäuden mit ganzjähriger Klimatisierung (z. B. Bürogebäuden) macht der Stromverbrauch der Klimaanlagenventilatoren einen großen Teil des Gesamtstromverbrauchs des Gebäudes aus (einschließlich Heizung und Kühlung, Beleuchtung, Ventilatoren, Wasserpumpen, Wasserversorgung und Abwasserpumpen sowie Aufzüge). Die Reduzierung des Energieverbrauchs der Ventilatoren ist daher ein wichtiger Aspekt der Energieeinsparung. 5. Fazit: Zentrale Klimaanlagen sind große Energieverbraucher in Gebäuden. Die Berücksichtigung von Energiesparmaßnahmen bei der Planung von Klimaanlagen ist praktikabel und realisierbar. Die Anwendung verschiedener Energiesparmaßnahmen hat jedoch bestimmte Anwendungsbereiche und Grenzen. Entsprechende Steuerungsmaßnahmen sollten in Kombination mit verschiedenen Projekten vorgeschlagen werden, um die optimale Betriebseffizienz des Systems zu gewährleisten.