Das Bauer-Optimierungssystem (BAOPT) zur Raumluftströmung in klimatisierten Räumen

Das in der Praxis erfolgreiche System (seit Patenterteilung circa 1 800 Anlagen in Deutschland, Österreich, Schweiz, Holland, Australien) erfreut sich bei den Kunden großer Zufriedenheit (besonders wegen nachgewiesener energetischer Vorteile), wurde aber in der Branche kontrovers diskutiert, da physikalische Erläuterungen fehlten und da zusätzliche Maßnahmen der Bauer-Vorgehensweise, wie sie zum Beispiel in [2] erläutert werden, keine ausreichende Erklärung für die beobachteten Effekte abgaben.

Gegenüber der klassischen Strategie weist die Bauer-Strategie (BAOPT) zwei markante Unterschiede auf:

1.  Keine Volumenstromregler, nur Regelungsklappen, Abluftregelung nach Raumüberdruckmessung

2.  Durch eine detaillierte Vorgabe der Regelungsstrategie gelingt eine deutliche Energieverbrauchsreduzierung

Im Juli 2014 verkaufte A. Bauer sein Unternehmen an die Bosch Energy and Building Solutions GmbH und blieb einige Zeit weiter aktiv, um seine Anlagen im Markt anzubieten. Zunächst war es das Ziel von Bosch, die physikalische Erklärung des Erfolgs-Phänomens von Bauer der Fachwelt zugänglich zu machen. Dazu wurden verschiedene Wege beschritten, vor allem eine messtechnische Verifizierung der Besonderheiten in einem Prüfraum der Fraunhofer-Gesellschaft für Bauphysik in Holzkirchen veranlasst. Zur Vermarktung wurde ein neuer Name (Climotion) für das Bauer-System eingeführt.

Leider hat die Prüfung in der Fraunhofer-Gesellschaft nicht die erwarteten Raumströmungs-Analysen gemäß Aufgabenstellung für einen extremen Heizfall und einen extremen Kühlfall erbracht. Fraunhofer änderte die Aufgabenstellung in Abstimmung mit Bosch ab und lieferte nur die (bereits bekannten) Aussagen, dass die Raumströmungen völlig im Komfortbereich liegen. Bosch hat dann offenbar das Interesse an BAOPT verloren und das System Ende 2016 in Lizenz an eine holländische Firmengruppe (ebenfalls mit Namen Climotion aus Haarlem, NL) weiter vergeben. Der ursprüngliche Standort Ismaning existiert nicht mehr. Die Arbeiten werden aber mit verschiedenen Regelfirmen (unter anderen DEOS, Honeywell, Kieback+ Peter, Siemens) fortgeführt [3].

Erklärungsversuch zur Bauer-Strömungsstruktur

Allgemeines

Es wird hier nicht auf die Vielzahl von Maßnahmen der Bauer-Strategie eingegangen, sondern es wird allein auf die Strömungsstruktur abgehoben, die durch die BAOPT-Regelungsphilosophie entsteht. Immerhin hat das Bauer-Phänomen, das dazu führt, dass eine stochastische Raumströmung mit kleinen Luftgeschwindigkeiten erzeugt wird und die einen weitgehenden Temperaturausgleich zum Beispiel auch bei Warmlufteinblasung im Deckenbereich erreicht, großes theoretisches Interesse sowie hohe Skepsis hervorgerufen.

An der Technischen Hochschule Mittelhessen (Gießen) wurden zwischenzeitlich Arbeiten generiert (unter anderen [4]) mit denen die Parameter stochastischer Strömungen im Raum untersucht werden und bei denen sich Erklärungsmuster für das Bauer-Phänomen abzeichnen.

Grundlage dieser Erkenntnisse ist eine Masterarbeit von Görig [5], mit der mathematisch-theoretisch und auch experimentell gezeigt werden konnte, dass sich in vielen Räumen chaotische Strömungen einstellen können, bedingt durch thermische Konvektion, aber auch durch andere Phänomene wie Strömungsschwankungen an Zuluftklappen beim Regelvorgang.

Angeregt von Bauer-Ergebnissen wurde aber auch festgestellt, dass diese Strömungen sich auch unabhängig von einer Zuluft im Raum ausbilden. Die Konsequenzen wurden in [6] zusammengefasst, wobei der Schwerpunkt der Arbeit auf einem mathematischen Ansatz liegt, mit dem die stochastischen Vorgänge in der Tat darstellbar sind. Unklar bleibt zunächst, welches Phänomen der eigentliche Auslöser der stochastischen beziehungsweise der Bauer-Strömungsstruktur ist. Hier wird versucht, eine Erklärung für die offensichtlich vorhandenen Strömungsbesonderheiten zu finden und eine Anregung zu geben, experimentell den im folgenden geäußerten Vermutungen nachzugehen.

BAOPT startet die Klimaanlagen ausschließlich durch das Einschalten der Zuluft. Je nach Raumdichtheit folgt die Einschaltung der Abluft durch eine Raumdrucküberwachung verzögert – gegebenenfalls gar nicht. Somit bildet sich im Raum eine hoch turbulente Zuluftströmung aus, die im gesamten Raumvolumen eine Störung erzeugt – mit der Folge extrem effektiver Durchmischungseffekte.

Da die bei BAOPT zusätzliche Raumdruckregelung als wesentliches Unterscheidungsmerkmal gegenüber klassischer Klimaregelung erkannt war, entzündete sich die Kritik daran, dass offensichtlich die geringen Raumdruckunterschiede (zum Beispiel 5 Pa) keine Erklärung liefern für die Überwindung thermischer Auftriebskräfte, zum Beispiel bei Warmlufteinblasung im Deckenbereich. Dennoch erreicht BAOPT eine gleichmäßige Raumtemperatur ohne ausgeprägte Schichtung.

Überlegungen zu einer fundierten Erklärung des Strömungsphänomens, bei dem mit relativ kleinen Geschwindigkeiten in die Räume eingeblasen wird und wo auch größere Temperaturdifferenzen (> 20 K im Heizfall und > 10 K im Kühlfall) problemlos ohne Beanstandungen verkraftet werden, weisen auf Sondereffekte (Diffusion) hin.

Die molekulare Diffusion scheidet aus, da sie sehr langsam verläuft, aber eine Sonderform, die Wirbeldiffusion, führt weiter.

Wirbeldiffusion (Eddy Diffusion)

In der heute allgemein verfügbaren Erläuterung (zum Beispiel Wikipedia [7]) zur Wirbeldiffusion [Eddy-Diffusion) gibt es ein markantes Beispiel: „Wenn man ein Stück Würfelzucker in eine Tasse Kaffee gibt, dauert es Stunden bis Tage, bis sich der Zucker durch Diffusion in der Tasse verteilt. Einmal Umrühren bewerkstelligt das gleiche durch Verwirbelung in Sekunden.“

Interessant ist, dass die Grundlagen der Wirbeldiffusion bereits vor mehr als 100 Jahren in der Meteorologie behandelt wurden [8]. Die Meteorologen interessierten sich hier vor allem für die Windverzögerungen an der Erdoberfläche, bei denen durch Wirbeldiffusion Vertikalbewegungen mit entsprechendem Wärmeaustausch aus der ursprünglichen Horizontalbewegung entstehen (Auch Görig verweist in [5] bereits auf alte englische Arbeiten von Lord Rayleigh (dort Lit. [31]), der sich mit freier Strömung über beheizten Platten befasste).

Der Effekt der Wirbeldiffusion wird in der Chromatografie (chemisches Verfahren zur Auftrennung von Stoffgemischen) wie folgt beschrieben: „Die Moleküle wandern nicht linear, sondern „Zick-Zack“ auf unterschiedlichen Wegen durch das Trennbett.“

In der Strömungslehre versteht man unter Wirbeldiffusion die Ausbreitung oder Verteilung eines Stoffes in einem strömenden Fluid durch turbulente Vermischung.

Vergleicht man die Beschreibungen der Wirbeldiffusion mit den Beobachtungen der Bauer Strömung (Zick-Zack-Bewegungen, schneller Temperaturausgleich), so findet man große Ähnlichkeiten. In der Regel ist die Zulufteinströmung in einen Raum (hinter Regelklappen oder hinter Gittern) hoch turbulent, auch wenn die Einströmgeschwindigkeiten relativ klein bleiben, sodass sie keine Strömungswalzen erzeugen.

Man erkennt, dass die Wirbeldiffusion offensichtlich bei BAOPT eine wesentliche Rolle zur Strömungsausbildung spielt. Der Einblasimpuls löst sich nach kurzer Wegstrecke auf, und die gesamte Raumströmung wird von den Turbulenzeffekten erfasst.

Experimentell zu klären ist demnach noch, wie die hoch turbulent stochastische Strömung mit hohem Mischpotenzial sich im Gegensatz zu klassischen Strömungsbeobachtungen im Raum ausbildet. Auffällig ist, dass die Besonderheiten der BAOPT-Strömung vor allem bei hohen Raumlasten sichtbar werden. Es könnte sein, dass der Anfangszustand des Einschaltens der Zuluft die Störungen (Wirbel) erzeugt, die den intensiven Mischprozess auslösen und dass die Wirkungsweise der Raumdruckregelung bei Bauer vor allem einer verzögerten Abluft-Zuschaltung dient.

Einige kurze Hinweise zur Regelung

Neben den rein strömungstechnischen Besonderheiten spielt bei Bauer eine Basis-Festlegung der Regelungsstrategie eine besondere Rolle, die für das jeweilige energetische Gesamtergebnis bedeutsam ist. Daher wird hier kurz auf einige Betrachtungsunterschiede eingegangen.

Klassische Regelungsphilosophie

In der klassischen Regelungstechnik erfolgt eine Auflistung der Datenpunkte für alle Stellglieder, und für jedes Stellglied wird eine Reglerfunktion definiert, im allgemeinen PID. Dabei wird die Temperatur- und Feuchteregelung meist unabhängig von der Luftmengenregelung gesehen, die häufig nach den Auslegungskriterien gefahren und heute entweder über Präsenzmelder oder über Luftqualitätsfühler gleichermaßen für Zuluft und Abluft gesteuert wird, wobei in Deutschland aus Hygienegründen reine Außenluftanlagen dominieren.

Über die Dynamik der Regelung wird nicht sehr viel nachgedacht. Die Stellgliedeigenschaften sind einmal festgelegt und bestimmen die Wirkung. Die Volumenstromregler werden heute in der Regel zwar als variable Elemente eingebaut, doch der Grad der Variabilität bleibt in der Praxis häufig beschränkt, sodass immer wieder auch moderne Regelungsanlagen energetisch deutlich über einem noch sinnvollen Minimalverbrauch liegen.

Insgesamt muss die Regelungsaufgabe auf jeden Fall individuell angefasst und jeweils neu programmiert werden, was bei großen Anlagen sehr zeitaufwendig sein kann.

Die Bauer Regelung

Es ist nicht Aufgabe dieses Berichtes, die gesamte Bauer Regelung zu erläutern, doch ein kleiner Einblick sei gegeben, wie die Regelungsfirmen die Einregulierung der Anlagen vorzunehmen haben: Bauer regelt jedes Stellglied zweifach – mit einem PID-Regler sowie mit einer „Rampenfunktion“, die abhängig von der Differenz „Istwert minus Sollwert“ mit unterschiedlicher Geschwindigkeit wirkt. Bei großen Differenzen wird schnell reagiert und es wird ein einmaliges Überschwingen zugelassen. Danach wird die Stellgeschwindigkeit reduziert, um stabil den Sollwert zu erreichen.

Die Minimierung der Luftmengen steht im Vordergrund. Es werden keine festen Außenluftmengen gefahren, und Umluft wird akzeptiert. Der Außenluftanteil wird zur Einhaltung der Luftqualität (zum Beispiel 800 ppm CO₂) angepasst.

Die Abluft wird extrem stark heruntergefahren – je nach Raumdichtheit beziehungsweise Raumlasten.

Mit dieser Vorgehensweise gelingt es Bauer, die Energieverbräuche näher an das theoretische Minimum heranzuführen, als es die klassischen Anlagen üblicherweise erreichen.

Konsequenzen zum Energieverbrauch

Hier soll nur an einem einfachen Beispiel demonstriert werden, wie die geschlossene integrale Regelungsstrategie von Bauer auch im Vergleich zu sehr modernen Anlagen besser zu einem Optimum führt. Viele Beispiele werden inzwischen von Bauer benannt, und viele Kunden vertreten die Meinung, sich auch ohne physikalischen Durchblick allein durch die Ergebnisse überzeugen zu lassen. Wir nehmen als Beispiel den Neubau des Arp-Museums Rolandseck bei Koblenz. Das Bild ganz oben zeigt das Museum und den weißen 2007 vollendeten Neubau des Architekten Richard Meier. Die nächsten Bilder zeigen die Tagesenergieverbräuche für RLT-Strom, Strom für Kältemaschinen und Wärmeenergie an den 50 Tagen vom 30.6.2014 bis zum 18.8.2014.

Das Ergebnis ist verblüffend. Es soll hier nicht behauptet werden, dass Bauer etwas erreicht, was mit klassischen Klimaanlagen nicht auch erreichbar wäre, aber es zeigt sich, dass die Vollständigkeit seines Regelkonzeptes und das Ausnutzen einer großen Temperaturdifferenz Zuluft-Raumluft (kleinere Luftmengen zur Lastabfuhr!) ihn in Verbindung mit seiner Strömungsstruktur näher an ein energetisches Optimum führen, als es sonst generell gelingt.

Schlussfolgerungen

Die Grundlagen der Bauer-Strömungsstruktur sind zwar experimentell noch nicht belegt, doch ist mit hoher Wahrscheinlichkeit das Entstehen einer Wirbeldiffusion (Eddy Diffusion) beim Einbringen der Zuluft verantwortlich. Diese führt bei verzögertem Ablufteinsatz zu einem schnellen Ausgleich von Temperatur, Feuchte und Luftqualität und damit zu gleichwertigen Luftzuständen im gesamten Raum.

Die Wirbel-Theorie mit Erzeugung stochastischer Bewegung erklärt auch die Durchströmung aller Raumbereiche, die bei klassischer Strömung und Luftverteilung auf Impulsbasis zum Teil unterversorgt blieben.

Diese Strömungsstruktur erlaubt kleine Luftmengen und lässt große Temperaturdifferenzen zu, was zu energetischen Vorteilen bei der Luftförderung führt.

Die Regelstrategie, die nur auf die Einhaltung der Luftqualität-Grenzwerte achtet und keine Außenluftanteile garantiert, führt zusammen mit variablen Regelgeschwindigkeiten bei den Stellgliedern zu besonders guten Ergebnissen.

Zusammenfassung, Ausblick

Nachdem die Wirbeldiffusion als wahrscheinliche Erklärung für die stochastische Strömung mit hohem Misch-Effekt erkannt scheint, wäre es wichtig, einen experimentellen Beleg für einen extremen Heizfall und einen extremen Kühlfall zu finden. Dazu müsste ein allseitig isotherm temperierter Prüfraum (zum Beispiel auf 22 °C) herangezogen werden, bei dem jeweils eine Fläche zum Beispiel im Heizfall auf +10 °C abgesenkt und im Kühlfall auf 35 °C erwärmt wird.

Mit Strömungsuntersuchungen, wie sie etwa an der TH Mittelhessen (Gießen) durchgeführt werden können, sollte schnell klar werden, wie es einer Zuluftströmung gelingen kann, die thermischen Kräfte durch die turbulenten Bewegungen weitgehend aufzulösen. Es ist zu wünschen, dass demnächst dazu die erforderliche Klarheit erreicht werden kann.

 

 

Literatur:

[1] Bauer, A.: Patentschrift DE 196 54542 C2 vom 27.12.1996, „Klimatisierungsvorrichtung“, Patent- erteilung am 17.8.2000

[2] Masuch, J.: Klassisches Verständnis und vertiefte Einblicke nach dem Bauer-Optimierungssystem. HLH Bd. 65 (2014) Nr. 12 ,S. 20-23.

[3] CCI-Dialog-GmbH: „Bosch verabschiedet sich vom Bauer-Climotion-System. Branchenticker 2016, KW 50.

[4] Karbach, A.; Busweiler, U.; Gundlach, M.; Görig, F.; Hasenkamp, A.; Koßler, M.; Schiffke, S.: Instationäre Phänomene bei thermischer Konvektion. HLH Bd. 66 (2015) Nr. 2, S. 29-33.

[5] Görig, F.: Nichtlineare Zeitreihenanalyse des durch thermische Konvektion hervorgerufenen chaotischen Verhaltens von Raumluftströmen, Masterarbeit TH Mittelhessen (Gießen), Juli 2015.

[6] Gundlach, M.; Karbach, A.; Görig, F.: Chaotische Raumluftströmung als Folge thermischer Konvektion. Gesundh. Ing. Bd. 137 (2016) H. 2, S. 108-117.

[7] Wikipedia 2015: Eddy Diffusion mit Literaturhinweisen: Geophysical Fluid Dynamics Lectures: Eddy Diffusion

[8] Taylor, G.I.: Eddy Motion in the Atmosphere, Phil. Trans. Roy. Soc. London, 215 (1915), p.1-16