Anwendungspraxis: Retrofit einer Lüftungsanlage

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Zwei Air Handling Units (AHUs) versorgen ein großes Möbelhaus inklusive einer Lagerhalle in Dubai mit frischer, gekühlter Luft. Dafür kamen riemengetriebene AC-Ventilatoren zum Einsatz. Das vor Ort implementierte Steuerungskonzept sah vor, dass immer eine der beiden AHUs für sechs Monate auf Volllast betrieben wurde, während die andere AHU zeitgleich außer Betrieb war. Nach sechs Monaten übernahm die stillgelegte AHU wieder die Frischluftversorgung.

Der alte, riemengetriebene Ventilator erschwerte den Ausbau aus der AHU aufgrund seiner Größe und des Gewichts immens. Der Einbau der neuen Lösung musste daher umso schneller vonstattengehen.

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Da die AC-Ventilatoren stets nur eine Drehzahl abbilden konnten, wurde vor allem bei geringer Auslastung im Möbelhaus viel Energie verschwendet, weil mehr Frischluft zugeführt wurde als erforderlich.

Für diese Probleme gab es nur eine Lösung, die sowohl wirtschaftlich als auch in der geforderten Zeit umsetzbar war: die AHUs mit neuen, effizienten Ventilatoren ausstatten und die Steuerung zu einer bedarfsgerechten optimieren. Den Auftrag für das Retrofit erhielt Jon Davies mit seiner Firma Qey Energy Solutions, die ihren Hauptsitz in Dubai hat. In diesem Projekt arbeiteten sie mit der Firma Johnson Controls zusammen, um ein geeignetes Steuerungskonzept zu entwickeln.

Eine Komplettlösung für die AHU

Bei Retrofits gibt es in der Regel zwei Herausforderungen: Zeit und Platz. So auch bei diesem Projekt. Qey rechnete mit vier Tagen Umbau für eine AHU. Würde die andere Einheit während dieser Zeit ausfallen, gäbe es keine Frischluft-Versorgung für das Möbelhaus mehr. Dieser Zeitdruck erforderte einen schnellen, möglichst unkomplizierten Einbau der neuen Ventilatoren. Die neue Lösung musste also platzsparend und möglichst fertig vorbereitet in die AHU installiert werden können. Daher kam das „MatrixAir+ EC“-Ventilatorenpaket von Qey zum Einsatz. Diese Komplettlösung besteht aus vier Produkten: EC-Ventilatoren, Ventilatoranschlusskästen, Ventilatorschotten und Schalttafeln. Bei der ersten Komponente fiel die Wahl auf EC-Radialventilatoren der RadiPac Reihe von ebm-papst, denn durch ihre kompakte Bauweise und einbaufertige Plug & Play Konstruktion lassen sie sich einfach installieren. Insgesamt 26 RadiPac wurden als FanGrid jeweils in die Zu- und Abluft-Sektion der AHUs eingebaut.

Betriebssicherheit dank FanGrid

Ein FanGrid besteht aus mehreren, kleinen Ventilatoren, die neben- oder übereinander angeordnet werden und parallel betrieben werden. Der redundante Aufbau erhöht die Zuverlässigkeit der ganzen Anlage und sorgt für Betriebssicherheit.

In jedem Kasten sitzt ein EC-Radialventilator. Gemeinsam bilden sie das FanGrid. Die Bauform sorgt für eine besonders hohe Betriebssicherheit.

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Sollte ein Ventilator ausfallen, wird die fehlende Luftmenge durch die restlichen EC-Ventilatoren kompensiert. Selbst wenn eine ganze AHU ausfällt, ist die verbleibende AHU noch immer in der Lage, eigenständig den gesamten Frischluftbedarf zu bedienen. Das bietet gerade bei großen Anlagen, noch dazu in besonders heißen Regionen wie in Dubai, die benötigte Sicherheit. Zudem ist es nicht mehr notwendig eine AHU ständig auf Volllast zu betreiben, während die zweite als Back-up dient. Der aktuelle Frischluftbedarf wird gleichmäßig auf beide AHUs verteilt. Die Ventilatoren werden in Teillast betrieben, was sich positiv auf die Lebensdauer auswirkt. Ein weiterer Vorteil eines solchen Aufbaus ist, dass vor- und nachgeschaltete Komponenten wie Filter oder Wärmeübertrager gleichmäßiger durchströmt werden. Das führt zu einer effizienteren Filterung der Luft, sowie besseren Wärmeübertragungsleistung und damit zu einer Senkung der Betriebskosten. Mehrere kleine Ventilatoren benötigen unter Umständen zudem weniger Platz und sind leichter als ein einzelner großer Ventilator, was den Austausch vereinfacht.

EC-Motor spart Energie

Das größte Ziel des Retrofits war es, Energie zu sparen. Das lässt sich durch zwei sich gegenseitig begünstigende Maßnahmen realisieren: den Austausch der Ventilatoren und die Überarbeitung der Steuerung. Die Projektbeteiligten in Dubai entschieden sich für beides, um das größtmögliche Energiesparpotenzial zu nutzen. Schon allein durch den hohen Wirkungsgrad von GreenTech EC-Motoren von über 90 Prozent, sind beträchtliche Einsparungen möglich. Zudem ist er stufenlos regelbar, was einen bedarfsgerechten Betrieb gewährleistet – zwischen 0 und hundert Prozent statt nur „An“ und „Aus“ wie bei AC-Ventilatoren häufig der Fall. Damit ergeben sich signifikante Einsparpotenziale, denn die Leistungsaufnahme steigt oder sinkt in der dritten Potenz zur Drehzahl (P ~ n³). Das bedeutet, wenn die Drehzahl im Vergleich zur Nenndrehzahl um die Hälfte reduziert wird, wird die erforderliche Leistungsaufnahme um den Faktor 8 verringert und beträgt somit nur noch 12,5 % der Nennleistung. Schaltet man hingegen eine Hälfte der Anzahl AC-Ventilatoren ab und betreibt die andere Hälfte immer noch auf Volllast, so kann nur 50 % der Leistungsaufnahme eingespart werden. Die Reduzierung der Drehzahl führt zudem zu erheblichen Vorteilen hinsichtlich der Geräuschemissionen. Durch das breite Wirkungsgradoptimum bei Radialventilatoren arbeiten sie bei praktisch jedem Betriebspunkt mit möglichst geringer Leistungsaufnahme.

Nach dem Austausch der Ventilatoren ging es an die Steuerung. Die Lüftungsanlage des Möbelhauses verfügte bereits über ein Gebäudemanagementsystem, das Ziel war jedoch, eine zeitbedingte Strategie zu entwickeln. Dafür wurden Belegungsdaten ausgewertet, die über den Tag variierende Besucherzahl berechnet und damit zeitabhängig der Luftstrombedarf ermittelt. Auf Grundlage dieser Daten wurde dann der sogenannte „Scheduled Mode“ programmiert, bei der ein Regler basierend auf einem internen Zeitplan die Drehzahl des Ventilators zu bestimmten Zeiten vorgibt. Beide AHU-Steuerungen arbeiten parallel, um stets jeweils 50 % des zeitabhängig erforderlichen Luftstroms zu fördern. Voraussetzung für die Steuerung war zudem, dass die Ventilatoren auch mit dem Gebäudemanagementsystem kommunizieren konnten: Dank der integrierten Steuerungselektroniken der RadiPac EC-Ventilatoren mit RS485/Modbus RTU-Schnittstelle kein Problem.

Die Kommunikation mit dem Gebäudemanagementsystem war vor allem für die Dokumentation der Betriebsdaten wichtig. Das ermöglicht im ersten Schritt eine Überprüfung der tatsächlichen Einsparung und im zweiten die Optimierung der Steuerung. Wer Daten auswertet, hat mehr Sicherheit: Probleme können zügig identifiziert und negative Folgen frühzeitig verhindert werden. Eine Differenzdruckmessung ist mit dem RadiPac einfach möglich, da er über einen Druckentnahmestutzen zum Anschluss eines Differenzdrucktransmitters verfügt. Damit können Rückschlüsse auf den beförderten Luft-Volumenstrom gezogen und dieser neben vielen weiteren wichtigen Betriebsdaten des Ventilators überwacht werden. So lässt sich auch ermitteln, wie viel Einsparung das Retrofit gebracht hat: In diesem Fall beeindruckende 79 %. Das Projektteam von Qey rechnet außerdem mit einem Return of Invest von nur etwa drei Jahren.