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15. Mai 2013 Autor: Stefan Neupetsch und Enrico Stieler

Aus dem Inhalt

  • Referenzbericht: Mehrfachfunktionale Wärmerückgewinnung in einem Modernisierungsprojekt
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So arbeitet das System im Winterbetrieb (Heizen)
Das H-KVS "EcoCond+" besteht aus je einem Luft-Wasser-Wärmeübertrager im Zuluft- und Abluftsektor des RLT-Geräts, die durch einen Pumpen-Wasserkreislauf miteinander verbunden sind. Hinzu kommt eine in der H-KVS integrierte reversible Wärmepumpe, die in Abhängigkeit von der zu erzeugenden thermischen Leistung mit einem oder mehreren per Frequenzumformer geregelten Scrollverdichtern ausgestattet ist (Kältemittel R407C) und die auch bei extremen Betriebsbedingungen die benötigten Heiz- und Kälteleistungen zur Luftkonditionierung erzeugt.

Die Wärmepumpe speist die von ihr erzeugte Heiz- oder Kälteleistung über Wasser-Kältemittel-Plattenwärmeübertrager, die als Verdampfer (Kühlbetrieb) oder als Verflüssiger (Heizbetrieb) arbeiten, in den Wasserkreislauf des H-KVS ein. Die Wärmepumpe nimmt im Heizbetrieb Wärme aus der Abluft auf, beziehungsweise gibt im Kühlbetrieb Abwärme an die Abluft im RLT-Gerät ab. Die Wärmepumpe hat im Normalbetrieb eine Leistungszahl von etwa 4, die bei günstigen Betriebsbedingungen auf über 5 steigt.
Das H-KVS wird als kompakte anschlussfertige Einheit inklusive Wärmepumpe, Hydraulik und Regelung angeboten und  auf die Konfiguration und die Betriebsbedingungen der RLT-Anlage individuell angepasst. Durch die Integration der reversiblen Wärmepumpe in das H-KVS wird die Gesamteffizienz der Anlage gesteigert. So verringern sich im Vergleich zu einem Standard-KVS mit externer Erzeugung der Heiz- und Kälteleistung die Betriebskosten der RLT-Anlage um bis 35 %, woraus sich Amortisationszeiten von oft weniger als 1,5 Jahren ergeben.

Abbildung 2: Die Funktionen und Betriebspunkte der RLT-Anlage und des H-KVS im Winterbetrieb. Abbildung 2: Die Funktionen und Betriebspunkte der RLT-Anlage und des H-KVS im Winterbetrieb. Für das Projekt Künstlerhaus Mousonturm wurden für den Winterbetrieb folgende Temperaturen angesetzt: Abluft 22 °C, Zuluft 21 °C, Außenluft -12 °C. Für diesen Betriebszustand ist das RLT-Gerät mit dem multifunktionalen Wärmerückgewinnungssystem in Abbildung 2 dargestellt. Dabei haben die in die Abbildung eingetragenen Punkte folgende Bedeutung:

Punkt 1: Aus dem im Zuluftstrang des RLT-Geräts angeordneten Luft-Wasser-Wärmeübertrager des H-KVS strömt das Wasser mit einer Temperatur von -1,6 °C aus.

Punkt 2: Das Wasser erreicht den im Abluftstrang befindlichen Luft-Wasser-Wärmeübertrager des H-KVS. Dort entzieht das Wasser aus der 22 °C warmen Abluft eine Wärmeleistung von etwa 71 kW und wird dadurch auf rund 12,3 °C erwärmt. Durch diesen Wärmeentzug sinkt die Temperatur der Abluft von 22 °C auf 11,5 °C.

Punkt 3: Das von der Abluft auf 12,3 °C vorerwärmte Wasser im H-KVS nimmt im Verflüssiger der Wärmepumpe (Wasser-Kältemittel-Plattenwärmeübertrager) eine Heizleistung von rund 100 kW auf und wird dadurch auf 32,1 °C erwärmt.

Punkt 4: Das nun 32,1 °C warme Wasser im H-KVS wird in einem Wasser-Wasser-Plattenwärmeübertrager mit einer Heizleistung von 50 kW auf eine Temperatur von 41,9 °C nacherhitzt. Das Heizwasser kommt von einer Pumpen-Warmwasserheizung.

Punkt 5: Das 41,9 °C warme Wasser erreicht den Luft-Wasser-Wärmeübertrager im Zuluftstrang des RLT-Geräts und erwärmt dort mit einer Heizleistung von insgesamt 223 kW die -12 °C kalte Außenluft auf die Solltemperatur von 21 °C. Danach strömt das Wasser mit einer Temperatur von -1,6 °C aus dem Wärmeübertrager aus, und der Prozess beginnt erneut mit Punkt 1.

Punkt 6: Im Heizbetrieb nutzt die H-KVS-Wärmepumpe die Wärme der Abluft nach dem H-KVS-Wärmeübertrager als Wärmequelle. Dabei arbeitet der Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager als Verdampfer und entzieht der Abluft eine Wärmemenge von 78 kW, wodurch die Ablufttemperatur von 13,5 °C auf etwa 2 °C abkühlt. In diesem Betriebszustand hat die Wärmepumpe eine Leistungszahl von 4,2.

Steigt die Temperatur der Außenluft auf über -4 °C, reicht allein die Leistung der Wärmepumpe zur Zulufterwärmung aus, und es wird die zusätzliche Heizleistung aus der Warmwasser-Pumpenheizung nicht mehr benötigt. Bei einer Außenlufttemperatur von 9 °C erreicht die Wärmepumpe eine Leistungszahl von 5,2.

So arbeitet das System im Sommerbetrieb (Kühlen)

Abbildung 3: Die Funktionen und Betriebspunkte der RLT-Anlage und des H-KVS im Sommerbetrieb. Abbildung 3: Die Funktionen und Betriebspunkte der RLT-Anlage und des H-KVS im Sommerbetrieb.
Für den Sommerbetrieb wurden folgende Temperaturen angesetzt: Abluft 50 °C, Zuluft 18,5 °C, Außenluft 28,5 °C. Die hohe Ablufttemperatur basiert auf der Annahme eines warmen Sommertags, eines vollbesetzten Theaters und auf hohen Gerätelasten, die besonders durch die Beleuchtungsanlagen freigesetzt werden. Das RLT-Gerät mit dem H-KVS-Wärmerückgewinnungssystem ist für diesen Betriebszustand in Abbildung 3 dargestellt. Dabei haben die in die Abbildung eingetragenen Punkte folgende Bedeutung:

Punkt 1: Aus dem im Zuluftstrang des RLT-Geräts angeordneten Luft-Wasser-Wärmeübertrager des H-KVS strömt das Wasser mit Temperatur von 25,9 °C aus.

Punkt 2: Im Sommerbetrieb ist aufgrund der hohen Ablufttemperaturen keine „Kälterückgewinnung“ aus der Abluft möglich. Daher wird der H-KVS-Wärmeübertrager in der Abluft nicht durchströmt. Durch Öffnen des Bypassventils strömt das Wasser im H-KVS nun direkt zum Kältemittel-Wasser-Plattenwärmeübertrager, der als Verdampfer der H-KVS-Kältemaschine arbeitet. Hier entzieht das Kältemittel dem Wasser 70 kW Wärme, wodurch die Wassertemperatur von zuvor 25,9 °C auf 11,8 °C sinkt.

Punkt 3: Das jetzt 11,8 °C kalte Wasser erreicht den Luft-Wasser-Wärmeübertrager des H-KVS im Zuluftstrang. Das kalte Wasser entzieht der 28,5 °C warmen Außenluft 70 kW Wärme, wodurch die Luft auf den Zuluftzustand von 18,4 °C abgekühlt wird. Gleichzeitig steigt die Temperatur des Wassers auf 25,9 °C an. Der Prozess beginnt erneut mit Punkt 1.

Nun ist aber noch die von der Kältemaschine im Verdampfer aufgenommene Wärmemenge von 70 kW an die Abluft abzuführen. Dies wäre bei Ablufttemperaturen von etwa 26 bis 27 °C, wie sie meist in Bürogebäuden auftreten, ohne größere Probleme von der Kältemaschine zu bewältigen. Da im Künstlerhaus Mousonturm aber eine sehr hohe Ablufttemperatur von 50 °C angesetzt wird, muss diese Temperatur vor dem Erreichen des Verflüssigers der Kältemaschine erst verringert werden. Dies erfolgt im RLT-Gerät durch den Einsatz einer Verdunstungskühlung (siehe oberer Bereich in Abbildung 3). Die Verdunstungskühlung schafft eine Abkühlung der Abluft auf etwa 28,5 °C. Diese Temperatur reicht aus, dass im nachgeschalteten Verflüssiger eine Wärmemenge von 87 kW an die Abluft abgegeben werden kann, die dann mit einer Fortlufttemperatur von 43,2 °C in die Außenluft abgeleitet wird. In diesem Betriebszustand hat die Kältemaschine eine Leistungszahl von 4,0.

Steigt die Außenluft auf eine Temperatur von 33 °C, wird zu deren Kühlung auf die Zulufttemperatur von 18,5 °C eine Kälteleistung von 104 kW benötigt, die von der Kältemaschine erzeugt werden muss. Dadurch steigt aber auch die von der Kältemaschine im Verflüssiger an die Abluft abzugebende Wärmemenge entsprechend an. Um diese Wärmeabgabe sicherzustellen, wird im Abluftstrang nach der ersten Verdunstungskühlung eine zweite nachgeschaltet, um eine Ablufttemperatur vor dem Verflüssiger von etwa 30 °C zu erreichen.
Das System der Verdunstungskühlung ist mit einer regelbaren Pumpe für die zwei Befeuchter ausgestattet, um die Befeuchtungs- und damit die Kälteleistung exakt an den aktuellen Bedarf anzupassen. Die Befeuchter werden zum einen über die Eintrittstemperatur in den Wärmeübertrager im Abluftstrang und zum anderen über die Kondensationstemperatur im Verflüssiger geregelt. Dies gewährleistet, dass die Befeuchter nicht unwirtschaftlich betrieben werden.

Das Künstlerhaus Mousonturm in Frankfurt. (Alle Abb. Berliner Luft)Das Künstlerhaus Mousonturm in Frankfurt. (Alle Abb. Berliner Luft) Das Künstlerhaus Mousonturm

Manch einer wird sich noch vage an sie erinnern: „Creme Mouson – die Creme mit der Tiefenwirkung“. Sie wurde in der Seifen- und Parfümfabrik Mouson produziert. Das Unternehmen war 1798 von August Friedrich Mouson in der Breiten Gasse in Frankfurt gegründet worden und 1881 in den Stadtteil Ostend umgesiedelt worden. Das Geschäft lief gut, sodass eine Erweiterung notwendig war: Neue Fabrikanlagen entstanden; unter anderem wurde 1925 der Mouson-Turm errichtet. Seine Höhe beträgt mit sieben Geschossen 33 m: das erste Hochhaus Frankfurts war entstanden. Charakteristisch am expressionistischen Klinkerbau waren seine Zacken- und Dreiecksornamente. Bis in die 1960er Jahre liefen bei Mouson in Frankfurt noch kosmetische Produkte vom Band, bis der Betrieb 1972 verkauft und die Produktion verlegt wurde. 1976 wurden schließlich alle Mouson-Fabrikgebäude bis auf den Turm abgerissen. 1977 entstand in Künstlerkreisen die Idee einer kulturellen Nutzung des Mousonturms. Bis zur Umsetzung sollten aber noch gut zehn Jahre vergehen. 1988 wurde das Künstlerhaus Mousonturm als Spiel- und Produktionsstätte für Künstler aus den Bereichen Tanz, Theater, Performance, Musik, Kleinkunst, Literatur und Bildende Kunst eröffnet.
2012 wurde das Gebäude saniert, der Theatersaal entkernt, grundlegend modernisiert und den kulturellen Erfordernissen angepasst. Die Investitionssumme der Umbaumaßnahmen lag bei 3,8 Mio. €. Bis zu 265 Zuschauern kann im großen Saal nun freie Sicht geboten werden – nachdem tragende Säulen an die Seiten verlegt und die Bühne verbreitert wurden. Im September 2012 nahm der Betreiber, das Künstlerhaus Mousonturm, mit einer Wiedereröffnungsfeier seinen Spielbetrieb wieder auf.

Autoren
Dipl.-Ing. Stefan Neupetsch, Technik und Projektabwicklung, und Enrico Stieler, MSR und Softwareentwicklung, Berliner Luft Klimatechnik GmbH, Bexbach


 

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Artikelnummer: cci22317
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