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LTG AIR TECH SYSTEMS

Robert Bosch GmbH, Gerlingen

Sparsamer klimatisieren ohne Komfortverzicht

Bosch kann mit neuer Induktionsanlage Energie sparen

Weniger Energieverbrauch bei gleichem Klimatisierungskomfort lautet das Ziel von Tobias Lorson. Der Gruppenleiter im Facility Management bei der Robert Bosch GmbH am Standort Gerlingen-Schillerhöhe sieht einen vielversprechenden Weg zu mehr Energieeffizienz in der Sanierung der Induktionsklimaanlage. Versuche mit dem Hersteller LTG Aktiengesellschaft aus Stuttgart in zwei Testräumen haben das Sparpotenzial aufgezeigt: Mit neuen Induktionsgeräten lässt sich der Energiebedarf für das Heizen, Kühlen und Lüften um bis zu 40 % senken.

Im Jahr 2020 möchte die Robert Bosch GmbH mindestens ein Fünftel weniger CO2 emittieren als in 2007. Einen wesentlichen Beitrag dazu soll eine effizientere Gebäudetechnik liefern. Daher haben Tobias Lorson und sein Team am Standort Gerlingen-Schillerhöhe (bei Stuttgart) diverse Ansätze untersucht. Großes Sparpotenzial bietet hier die Klimatisierung. Allerdings soll – so die Prämisse – das Energiesparen nicht zu Lasten des Klimakomforts gehen. Der Bürokomplex auf der Schillerhöhe ist in der für die späten 1960er Jahre typischen leichten Bauweise errichtet. Er hat in den 1980er Jahren eine wirkungsvolle Doppelverglasung erhalten, um die Wärmeverluste zu minimieren. Zur Verschattung stehen automatisch geregelte Außenjalousien und manuell bedienbare Lamellenvorhänge bereit. Für sauerstoffreiche und wohltemperierte Luft sorgen Zentrallüftungsanlagen und Brüstungs-Induktionsgeräte in den Räumen.

Komfortable Klimatisierung

Die Lüftungsanlagen im Untergeschoss des Gebäudes können die Luft nicht nur filtern und temperieren, sondern auch be- und entfeuchten, sind also als Vollklimaanlage ausgelegt. Der Luftwechsel übersteigt die Mindestanforderungen nach DIN und stellt so sicher, dass die CO2-Konzentration in der Raumluft stets gering bleibt. Die Luft in den Büroräumen wird mehrfach stündlich „gewechselt“. So behalten die Mitarbeiter in Einzel- und Großraumbüros einen klaren Kopf. Zur Behaglichkeit tragen neben ruhigen Zimmern und einer niedrigen Luftbewegung durch die Klimaanlage auch frische Luft und eine angenehme Temperatur bei. Diese Wünsche an Luftqualität und akustischen Komfort lassen sich mit dem Induktionsprinzip erfüllen, und dies sogar besonders energieeffizient und nahezu wartungsfrei.

Die Wunschtemperatur lässt sich für jedes Büro individuell regeln. In den Großraumbüros kann die Temperatur über die Gebäudeleittechnik sogar zonenweise eingestellt werden. Dabei ist eine Temperaturzone etwa 25 m² groß. Das Lüften und Temperieren der Büro- und Besprechungsräume erfolgt mit Hilfe von Induktionsklimageräten, von denen manche noch aus dem 1960er Jahren stammen, während andere zwischenzeitlich im Zuge von Teilsanierungen erneuert wurden.

Das Raumklima bei Bosch ist angenehm und Befragungen der Mitarbeiter bestätigen: Den Klimakomfort wissen die Mitarbeiter zu schätzen. Daher ist es verständlich, dass die Rate unzufriedener Nutzer geringer ist als bei vielen vergleichbaren Objekten – und so soll es auch bleiben. „Sparpotenziale ohne Abstriche beim Komfort zu finden, ist dennoch möglich“, ist sich Lorson sicher. „Seit Errichtung des Gebäudes hat sich vieles in der Technik getan.“

Luftstrom dem Bedarf anpassen

In der Induktionstechnik hat es in den letzten Jahren sogar einen Riesenentwicklungsschritt gegeben. Neben Geräten mit einem konstanten Volumenstrom, wie sie auf der Schillerhöhe eingebaut sind, bietet die in Stuttgart ansässige LTG Aktiengesellschaft nun auch solche mit variablem Luftstrom an. Sie heißen HFVsf, wobei das „sf“ für „smart flow“ steht (siehe auch HLH 12/2011, Seite 26 ff.). Bei dieser neuen Gerätegeneration lässt sich der Primärluftstrom zwischen 20 und 100 % zweistufig oder stufenlos regeln und auch abstellen. Damit die Luftaustrittsgeschwindigkeit und die Raumdurchdringung gleich bleiben, verfügen die Geräte über verstellbare Düsensysteme. Eine zweistufige Regelung bietet sich beispielsweise für Einzelbüros an, wo bei Abwesenheit der Raumnutzer in einen Grundlastbetrieb gewechselt werden kann. Stufenlos regelbare Geräte sind prädestiniert für den Einbau in Großraumbüros und vor allem in Besprechungszimmern, da dort die erforderliche Zuluftmenge wesentlich von der Anzahl anwesender Personen abhängt.

Die Ausstattung der HFVsf-Geräte eröffnet Sparmöglichkeiten, die mit älteren Induktionsgeräten verwehrt bleiben, denn Letztere blasen während der gesamten Anlagenbetriebszeit die gleiche Luftmenge über Düsen entlang der Fensterfläche nach oben aus (Tangentialströmung). Wegen des stark gerichteten Luftstrahls kommen sie mit relativ wenig Primärluft aus, benötigen aber für die Ausprägung dieser Strömungsform einen hohen Druck. Zum Temperieren ziehen sie durch das Induktionsprinzip – ähnlich wie bei einer Venturi-Pumpe – die drei- bis sechsfache Menge Luft (die Sekundärluft) aus dem Raum an. Diese Sekundärluft strömt beim Ansaugen erst durch einen Wärmetauscher bevor sie sich mit dem Primärluftstrom vermischt. Ein Manko dieser Geräte ist, dass sie immer auf den maximalen Luftbedarf ausgelegt werden mussten. Zudem beeinträchtigen Änderungen im Raum wie Deckeneinbauten und Unterzüge die Wirkung, denn sie stören das Ausbilden der bei der Tangentiallüftung erforderlichen Raumluftwalze. Dieser Nachteil war zwar den in den 1980er Jahren eingeführten, für den fassadennahen Einbau vorgesehenen Quelllüftungsgeräten fremd, denn bei ihnen breitet sich die Luft bodennah im Raum aus. Ihr Ausblasen Richtung Raummitte führt aber dazu, dass Raumnutzer bei hohen Kühlleistungen im wahrsten Sinne des Wortes kalte Füße bekommen können.

Verbesserte Raumdurchdringung

Mit den Nachteilen der alten Induktionsgeräte machen die HFVsf-Geräte Schluss, denn sie vereinen die Vorteile der zuvor beschriebenen Prinzipien: Bei der Misch-Quelllüftung wird die Luft im Normalbetrieb nicht gegen die Fensterfront, sondern schräg nach oben in den Raum ausgeblasen. Das führt im Kühlbetrieb zu einer starken Vermischung der kalten Zuluft mit der warmen Luft in Fassadennähe, so dass bereits bei einer geringen Luftgeschwindigkeit die Zieltemperatur erreicht werden kann. Die Misch-Quelllüftung wirkt außerdem einer Temperaturschichtung entgegen. Ist jedoch ein besonders intensives Lüften, Kühlen oder Aufheizen des Raums erforderlich – etwa bei einer Besprechung – können die Geräte zusätzlich Luft über die Gerätefront ausblasen. Noch intensiver arbeitet der „Boost-Modus“ bei dem sich eine zusätzliche Düsenreihe öffnet und alle Strömungswege im Gerät aktiviert werden. Weil hier die maximale Primärleistung und auch die maximale Sekundärleistung des Gerätes abgerufen werden, lässt sich beispielsweise nach einem kalten Wochenende am Montagmorgen schnell die Wunschtemperatur herstellen. Da sich eine Quellluftströmung und eine Misch-Quelllüftung hier schichtenweise überlagern ist selbst dann ein guter Komfort möglich.

Vielversprechendes Einsparpotenzial

Die Vorteile und Möglichkeiten der neuen Gerätegeneration haben Lorson neugierig gemacht. „Dass der Primärluftstrom geregelt werden kann, stellt eine deutliche Verbesserung dar. Mit diesen Geräten können wir vor allem Luft sparen, wenn Einzelbüros bei Dienstreisen und im Urlaub leer stehen, Großraumbüros nicht komplett genutzt werden oder Besprechungsräume nicht oder nicht voll belegt sind.“ Dazu kommt, dass die neuen Geräte mit einem geringeren Druck im Lüftungsnetz arbeiten können. Zu den mittelfristigen Sanierungsplänen zählt daher, die alten Induktionsgeräte gegen neue mit der „smart flow“-Technik zu tauschen. Doch bevor ein solcher Schritt gemacht wird, wollte Bosch den Spareffekt gesichert wissen, immerhin geht es allein im sogenannten „Hochhaus“ des Bürokomplexes auf der Schillerhöhe um den Austausch von etwa 1 500 Geräten. Daher wählte Lorson ein Einzelbüro und einen Besprechungsraum für einen Test aus.

Das Einzelbüro ist knapp 30 m² groß und verfügt über drei Induktionsgeräte, die jeweils bis zu 85 m³ Luft pro Stunde einbringen können. So ist auch bei kleinen Besprechungen sichergestellt, dass genügend Zuluft in den Raum gelangt. Auch die dauerhafte Nutzung durch mehrere Personen wäre möglich. Der Besprechungsraum ist etwas größer und für 14 Teilnehmer ausgelegt. Hier finden sechs Induktionsgeräte Platz. beide Räume sind nicht rechteckig, sondern trapezförmig. Daniel Nack, Entwickler im Bereich Raumlufttechnik bei LTG: „Aufgrund der ungewöhnlichen Geometrie war es für uns interessant, diese Räume für den Test zu nutzen.“ Die Messungen im LTGLabor fanden mit rechteckigen Grundrissen statt, daher ließ sich an der anderen Raumgeometrie die Eignung für ungewöhnliche Einbausituationen testen. Das Resultat: Auch die in den spitzen Winkeln montierten Geräte tragen wie gewünscht zu einer Raumluftströmung mit fassadennaher Mischzone und einer impulsarmen Verdrängungsströmung in die Raumtiefe bei. An der Geräteanordnung oder -konzeption musste nichts geändert werden.

In dem Einzelbüro ist nun ein Präsenzmelder eingebaut. Wenn das Büro leer steht, kann die von den drei Induktionsgeräten bereitgestellte Luftmenge auf unter 100 m³/h reduziert werden, diese Menge ist ausreichend, um äußere Lasten abzuführen und eine Grundlüftung vorzunehmen. Wird das Büro genutzt, liefern die Geräte gute 200 m³/h, was der gleichen Luftwechselrate wie mit den alten Geräten entspricht. Aufgrund der optimierten Verteilung der Luftmengen (40 % über Primärluftauslass, 60 % über Misch-Quellluft-Auslass) beträgt die maximale Luftgeschwindigkeit im Aufenthaltsbereich
weniger als 17 cm/s.

Im Besprechungsraum ist ein CO2-Sensor angebracht, so dass die Leistung der sechs Induktionsgeräte stetig dem Bedarf angepasst werden kann. Dementsprechend variiert die Luftmenge hier zwischen etwa 100 und 500 m³/h. Zum Vergleich: Die alten Geräte beförderten konstant 444 m³/h in den Raum. Zugunsten einer hohen Effizienz wird der größte Teil der Luft über die Quellluftöffnung in den Raum gebracht, ohne dass es dabei zu einem unangenehmen Luftzug kommt. Messungen ergaben im Aufenthaltsbereich eine maximale Luftgeschwindigkeit von 16,7 cm/s in Kopfhöhe und höchstens 21,1 cm/s am Boden. Die Strömungsbilder und der thermische Komfort mit den neuen Geräten sind – trotz der etwas höheren Luftmengen im Volllastfall – mit dem früheren Zustand vergleichbar.

Neben der Anpassung der Luftmenge konnte LTG im Labor weiteres Sparpotenzial ausmachen: Bei der heute bei Bosch verwendeten Anlage wird der Durchfluss durch die Wärmetauscher der Vier-Leiter-Induktionsgeräte mit pneumatischen Klappen geregelt. Aufgrund des Alters sind manche dieser Klappen jedoch undicht. Nack zu den Messungen: „Wir haben ein Gerät aus dem Jahr 1968 auf den Prüfstand geholt und festgestellt, dass weder der Warm- noch der Kaltwasserwärmetauscher durch die Luftklappe komplett dicht abschließen. Das gemessene Gerät verschwendet demnach durch das gleichzeitige Heizen und Kühlen im Extremfall über 400 Watt thermische Leistung.“ Die neue Gerätegeneration arbeitet mit elektrisch angetriebenen Ventilen am Wärmetauscher, so dass eine höhere Zuverlässigkeit gegeben ist. Zusätzlich bietet das den Vorteil, dass der kosten- sowie wartungsintensive Betrieb des Pneumatik-Netzes bei einem Wechsel auf die neue Gerätegeneration entfallen kann.

Luftförderkosten unter die Hälfte drücken

Aus der bedarfsabhängigen Regelung ergibt sich bereits ein großes Sparpotenzial: Wenn die Büronutzer nicht alle anwesend sind, kann die Luftmenge reduziert werden. Lorson rechnet mit einer um etwa 30 % geringeren Luftmenge in den Besprechungsräumen. Auch in den Büros würde sich der Luftbedarf verringern, schätzungsweise um ein Fünftel. Das mindert die (auch bei Wärmerückgewinnung anfallenden) abluftbedingten Wärmeverluste und senkt den Stromverbrauch der Zentralluftgeräte. Optional können die Induktionsgeräte auch ganz abgeschaltet werden. Ein weiterer Vorzug der neuen „smart flow“-Geräte ist, dass sie sich mit einen Druck von nur 100 Pa betreiben lassen, während die alten, vor Jahrzehnten bei Bosch installierten Modelle 260 Pa benötigen. Die Druckreduzierung alleine bewirkt bereits eine Halbierung der Luftförderkosten. Rechnet man weitere Optimierungsmaßnahmen ein, wie die Reduzierung des Drucks im Heizungs- und Kaltwassernetz, kann von einer Energieeinsparung bei Luftförderung, Heizung und Klimakälte von zusammen bis zu 40 % ausgegangen werden. Für Lorson steht daher fest: „Wir werden die Sanierung in den kommenden Jahren durchführen“. Geplant ist, Stockwerk für Stockwerk von oben nach unten vorzugehen. Das hat den Vorteil, dass der Druck im Hauptstrang etagenweise auf die dann erforderlichen 100 Pa reduziert werden kann. „Erst wenn eine komplette Etage umgerüstet ist, werden wir die konkreten Energieeinsparungen messen können“, weiß der Gruppenleiter im Facility Management. Entsprechend könnte auch die Amortisationszeit anders ausfallen als die heute geschätzten vier Jahre. „Wir sind aber zuversichtlich, mit den neuen Induktionsgeräten wesentliche Energieeinsparungen und gleichzeitig eine gute Rendite unserer aufgewendeten Investitionen erreichen zu können.“

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