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Hohes Haus – hohe Einspa­rung

Der komplette Austausch alter Lüftungs­an­lagen ist aufwändig und kosten­in­tensiv. Das Venti­lator-Retro­fit­pro­jekt eines Hoch­hauses in Dubai zeigt, dass sich mit im FanGrid ange­ord­neten EC-Venti­la­toren und einer bedarfs­ge­rechten Steue­rung enorme Einspar­po­ten­tiale ergeben.


Der Swiss Tower ist ein 40-geschos­siges Hoch­haus in Dubai, das Büros und Luxus­apart­ments beher­bergt (Bild 1). Das Gebäude wird konstant mit frischer, gekühlter Luft aus insge­samt vier Air Hand­ling Units (AHUs) versorgt. Dabei ist jede AHU für die Frisch­luft­ver­sor­gung mehrerer Etagen zuständig und war bisher mit riemen­ge­trie­benen AC-Venti­la­toren ausge­stattet. Die alten Anlagen liefen stets unter Voll­last, und es bestand keine Möglich­keit sie bedarfs­ge­recht zu regeln, was aufgrund der wech­selnden Bele­gung der Büro­räume sinn­voll wäre. Unterm Strich war der Betrieb kosten­in­tensiv und führte zu einer hohen Ener­gie­ver­schwen­dung.

Bild 1: Der Swiss Tower in Dubai ist ein impo­santes Hoch­haus in Dubai. (Bild | ebm-papst)

Für diese Probleme war ein Retrofit der AHUs die sowohl wirt­schaft­lichste als auch in der gefor­derten Zeit am besten umsetz­bare Lösung. Haupt­an­for­de­rung des Projekts war es, die Leis­tungs­auf­nahme der Venti­la­toren zu redu­zieren und durch die Etablie­rung einer Rege­lung weiteres Ener­gie­spar­po­ten­zial zu erschließen. Auch die Lebens­dauer der AHUs sollte dank der Moder­ni­sie­rung verlän­gert werden. Den Auftrag für das Retrofit erhielt Jon Davies mit seiner Firma Qey Energy Solu­tions, die zur Erar­bei­tung einer effi­zi­enten Lösung eng mit ebm-papst Middle East und Taka Solu­tions zusam­men­ar­bei­tete.

Eine effi­zi­ente Komplett­lö­sung

Um den Still­stand der AHUs während der Umbau­ar­beiten möglichst kurz zu halten, wurden sie nach­ein­ander moder­ni­siert. Das bedeu­tete aber, dass während des Still­stands, Teil­be­reiche des Gebäudes nicht mehr mit frischer Luft versorgt werden konnten. Der Zeit­druck erfor­derte daher einen schnellen, unkom­pli­zierten Einbau der neuen Venti­la­toren. Mit der „MatrixAir+ EC“-Lösung von Qey war das möglich. Dieses Venti­la­tor­paket bestehend aus EC-Venti­la­toren, Venti­la­tor­an­schluss­kästen, Venti­la­tor­schotten und Schalt­ta­feln wurde, als Komplett­lö­sung vorbe­reitet, direkt an die AHU gelie­fert und verbaut.

Bei der ersten Kompo­nente fiel die Wahl auf EC-Radi­al­ven­ti­la­toren der RadiPac-Reihe von ebm-papst. Seine Kompakt­heit und sein geringes Gewicht vergli­chen zu einem einzelnen großen AC-Venti­lator sorgte für einen einfa­chen und entspannten Austausch, denn kein schweres Gerät war für den Einbau nötig, was Zeit und auch Kosten sparte. Da der RadiPac als Plug & Play Lösung gelie­fert wird, ist auch die Inbe­trieb­nahme des EC-Venti­la­tors schnell erle­digt. Die insge­samt 26 Radi-Pacs wurden als FanGrid jeweils in die Zu- und Abluft-Sektion der vier AHUs einge­baut (Bild 2).

Anstelle eines einzelnen Venti­la­tors wurden in die vier AHUs FanGrids einge­baut. Durch das bereits vorbe­rei­tete Venti­la­to­ren­paket ist die Montage einfach und schnell möglich. (Bild | Qey)

Betriebs­si­cher­heit dank FanGrid

Ein FanGrid besteht aus mehreren, kleinen Venti­la­toren, die neben- oder über­ein­ander ange­ordnet werden und parallel betrieben werden. Dieser redun­dante Aufbau erhöht die Zuver­läs­sig­keit der Anlage und sorgt für mehr Betriebs­si­cher­heit (Bild 3). Sollte ein Venti­lator ausfallen, kompen­sieren die rest­li­chen EC-Venti­la­toren die fehlende Luft­menge. Das bietet gerade bei großen Anlagen, noch dazu in beson­ders heißen Regionen wie in Dubai, die benö­tigte Sicher­heit. Ein weiterer Grund für ein FanGrid war das Ziel, die Lebens­dauer der Anlage zu verlän­gern. Dies kann reali­siert werden indem mehrere kleine Venti­la­toren bedarfs­ge­recht in Teil­last betrieben werden statt eines großen Venti­la­tors konstant unter Voll­last.

Ein weiterer Vorteil eines solchen Aufbaus ist, dass vor- und nach­ge­schal­tete Kompo­nenten wie Filter oder Wärme­über­trager gleich­mä­ßiger von der Luft durch­strömt werden können. Das führt zu einer effi­zi­en­teren Filte­rung der Luft, sowie besseren Wärme­über­tra­gungs­leis­tung und damit zu einer Senkung der Betriebs­kosten der Anlage. Mehrere kleine Venti­la­toren benö­tigen zudem meist weniger Bauraum und sind leichter als ein einzelner großer Venti­lator, was den Austausch verein­facht.

Bild 3: In einem FanGrid werden die Radi­Pacs neben- und über­ein­ander instal­liert und parallel betrieben. Das sorgt für beson­ders hohe Betriebs­si­cher­heit. (Bild | Qey)

Ener­gie­sparen mit EC-Tech­no­logie

Das vorran­gige Ziel des Retro­fits war es, Energie zu sparen, weshalb die Wahl auf einen Venti­lator mit EC-Motor fiel. Schon allein durch dessen hohen Motor­wir­kungs­grad von über 90 % sind große Einspa­rungen im Vergleich zum AC-Motor möglich. Außerdem waren mit den alten AC-Venti­la­toren nur zwei Betriebs­stufen möglich, entweder sie waren aus, oder sie wurden mit Maxi­mal­dreh­zahl betrieben, etwas dazwi­schen gab es – aufgrund der fehlenden Steue­rungs­elek­tronik – nicht. Das heißt, dass unab­hängig von der tatsäch­li­chen Auslas­tung des Gebäudes alle Anlagen immer mit voller Leis­tung liefen, selbst wenn zu bestimmten Zeiten die Versor­gung einzelner Gebäu­de­teile mit einem gerin­geren Luft­vo­lumen ausrei­chend gewesen wäre.

Die EC-Venti­la­toren sind hingegen stufenlos zwischen 0 und 100 % regelbar, d. h. die Dreh­zahl kann immer bedarfs­ge­recht ange­passt werden. Damit ergeben sich signi­fi­kante Einspar­po­ten­tiale, denn die Leis­tungs­auf­nahme steigt oder sinkt in der dritten Potenz zur Dreh­zahl (P~n³). Wenn also die Dreh­zahl im Vergleich zur Nenn­dreh­zahl um die Hälfte redu­ziert wird, verrin­gert sich die Leis­tungs­auf­nahme um den Faktor 8 und beträgt somit nur noch 12,5 % der Nenn­leis­tung. Schaltet man hingegen eine Hälfte der Anzahl an AC-Venti­la­toren ab und betreibt die andere Hälfte immer noch auf Voll­last, so kann nur 50 % der Leis­tungs­auf­nahme einge­spart werden.

Bild 4: Die bedarfs­ge­rechte Steue­rung regelt den Luft­vo­lu­men­strom abhängig von der Zeit. (Bild | Qey)

Bedarfs­ge­rechte Frisch­luft­ver­sor­gung

Der zweite Teil des Retro­fits beinhal­tete die Moder­ni­sie­rung der Steue­rung. Der Swiss Tower verfügte bereits über ein Gebäu­de­ma­nage­ment­system, das Ziel hinsicht­lich der Lüftungs­an­lagen war nun, eine zeit­be­dingte Stra­tegie zur Steue­rung der Lüftungs­an­lagen zu entwi­ckeln. Der Vorteil war, dass dank der Secu­rity-Scans am Ein- und Ausgang bereits Daten über die tages­zeit­ab­hän­gige Auslas­tung des Gebäudes vorlagen. Daraus ermit­telte Qey in Zusam­men­ar­beit mit Taka Solu­tions zeit­ab­hängig den Luft­strom­be­darf und program­mierte mithilfe einer eigens für Retrofit-Projekte entwi­ckelten Soft­ware einen internen Zeit­plan (Bild 4).

Morgens und gegen Abend ist die Büro­be­le­gung geringer, weshalb die Leis­tung hier herun­ter­ge­fahren wird, wohin­gegen während des Nach­mit­tags die höchste Gebäu­de­aus­las­tung vorliegt, tenden­ziell die höchsten Tempe­ra­turen herr­schen, die AHUs ein höheres Luft­vo­lumen fördern müssen und der höchste Kühl­be­darf besteht (Bild 5). Perfekte Voraus­set­zung dafür ist die RS485/MODBUS RTU-Schnitt­stelle des RadiPac, dank der die Venti­la­toren einer­seits intel­li­gent gesteuert werden können, ande­rer­seits aber auch ein Moni­to­ring der Betriebs­daten jedes einzelnen Venti­la­tors ermög­licht wird. Außerdem ermög­licht der RadiPac eine Diffe­renz­druck­mes­sung, da er über einen Druck­ent­nah­me­stutzen zum Anschluss eines Diffe­renz­druck­trans­mit­ters verfügt. Damit können auch Rück­schlüsse auf den aktuell beför­derten Luft-Volu­men­strom gezogen werden. Die Soft­ware von Qey kann dank der MODBUS-Schnitt­stelle die Dreh­zahl, wie vom Zeit­plan vorge­geben, über­wa­chen und regeln, sowie den Luft­strom, den Ener­gie­ver­brauch und im Fall des Falles auch Alarme moni­toren und wenn notwendig schnell Gegen­maß­nahmen einleiten.

Bild 5 / Kenn­linie: Hier ist die Modu­la­tion des Volu­men­stroms über den Tag dank der zeit­be­dingten Steue­rung erkennbar. Nach dem Retrofit beträgt der neue Spit­zen­be­darf nur noch 16,5 kW (vorher 31 kW). (Bild | Qey)

Ziel erreicht – Ener­gie­ver­brauch um mehr als 60 % gesenkt

Die Doku­men­ta­tion und das Moni­to­ring der Betriebs­daten sind für eine Über­prü­fung der reali­sierten Ener­gie­ein­spa­rung des Retro­fits wichtig und können in einem weiteren Schritt weitere Opti­mie­rungen aufseiten der Steue­rung ermög­li­chen. Denn nach einer gewissen Zeit, in der der interne Zeit­plan erprobt wurde, sind even­tuell weitere Anpas­sungen und eine Verfei­ne­rung der Steue­rung nötig. Die konstante Über­wa­chung jedes einzelnen Venti­la­tors bietet außerdem Sicher­heit: Probleme können zügig iden­ti­fi­ziert und nega­tive Folgen früh­zeitig verhin­dert werden.

Bild 6: Beim RadiPac ist die Steue­rungs­elek­tronik mit RS485/MODBUS RTU-Schnitt­stelle bereits inte­griert. (Bild | ebm-papst)

Mittels des Moni­to­rings und der Doku­men­ta­tion der Betriebs­daten lässt sich schließ­lich auch ermit­teln, wie viel Einspa­rung das Retrofit gebracht hat: Der Spit­zen­be­darf des alten Motors betrug 31 kW. Nach dem Retrofit liegt der Spit­zen­be­darf für den maximal gefor­derten Luft­strom bei 16,5 kW. Durch die bedarfs­ge­rechte Steue­rung wurde es zudem noch ermög­licht, dass die neue maxi­male Leis­tungs­auf­nahme nur noch gele­gent­lich und bei Bedarf bean­sprucht wird und nicht mehr Nonstop (Bild 6). Die Kombi­na­tion aus den effi­zi­enten RadiPac Venti­la­toren von ebm-papst, Taka Solution’s umfang­rei­chen Wissen über die Gebäu­de­ana­lyse und der MatrixAir Nach­rüs­tungs­lö­sung von Qey, resul­tierte in einer erfolg­rei­chen Projekt­um­set­zung. Der Ener­gie­ver­brauch konnte um mehr als 60 % gesenkt werden.

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