Frische Luft mit wenig Energie

Ohne lufttechnische Anlagen kommt kaum ein Unternehmen aus Industrie und produzierendem Gewerbe aus. Die meisten Effizienzmaßnahmen sind wirtschaftlich sehr attraktiv.

Die Lufttechnik ist ein fester Bestandteil moderner Fertigungsstätten. Raumlufttechnik unterstützt bzw. ersetzt die natürliche Lüftung, sorgt für den Abzug unerwünschter Luftbestandteile oder gewährleistet den Betrieb von Reinräumen. Prozesslufttechnik ermöglicht die Erzeugung spezieller Luftqualitäten im Produktionsprozess.

Die meisten Effizienzmaßnahmen sind mit Amortisationszeiten von weniger als zwei Jahren und hohen Kapitalrenditen von über 25 Prozent für Unternehmen wirtschaftlich sehr attraktiv.

Der Ratgeber "Lufttechnik für Industrie und Gewerbe" gibt Hilfestellungen zur Steigerung der Energieeffizienz von lufttechnischen Anlagen. 

Grundlagen

Luft verhält sich näherungsweise wie ein „ideales Gas“. Das bedeutet, dass Luft sich ausdehnt, wenn sie bei konstantem Druck erwärmt wird, bzw. dass ihre Dichte abnimmt. Das wiederum hat zur Folge, dass warme Luft in einem Raum nach oben steigt (thermischer Auftrieb). Luft kann eine bestimmte Menge an Wasserdampf aufnehmen und zwar umso mehr, je wärmer sie ist. Das Raumklima wird bspw. von verschiedenen Faktoren beeinflusst.

Besonders wichtig sind die Lufttemperatur und die abgestrahlte Wärme der Umgebungsflächen, die relative Luftfeuchte, die Luftbewegung und die „Frische“ der Luft. Letztere wird zum Beispiel durch die Konzentrationen von Sauerstoff, sonstigen Gasen und Stäuben beeinflusst. Diese Konzentrationen lassen sich durch eine Zufuhr von Außenluft beeinflussen.

Anwendungen

Lufttechnische Anlagen werden in vielen Bereichen eingesetzt.

Im engeren Sinne gehören dazu Anlagen zum Transport und zur Aufbereitung von Luft.

Im weiteren Sinne können auch Anlagen für andere Gase, wie z. B. Brenngase, Rauchgase und Schutzatmosphären dazugezählt werden, sowie Anlagen, in denen Gase (insbesondere Luft) als Transportmittel für andere Substanzen dienen.

Systemauslegung und Energieeffizienz

In einer lufttechnischen Anlage, z. B. einem Lüftungssystem, einer Staubabsaugung oder einer Trocknungsanlage, gibt es viele Ansatzpunkte, um Energie zu sparen.

In den seltensten Fällen wird der Anwender in der Lage sein, einfach von allen Systemkomponenten nur die besten und effizientesten zu  wählen. Daher ist es sinnvoll, sich Gedanken darüber zu machen, wie die einzelnen Komponenten zusammenhängen und welchen Einfluss Maßnahmen an einer Stelle auf das Gesamtsystem und die resultierenden Lebenszykluskosten haben.

Ventilatoren

Das Herz jeder lufttechnischen Anlage ist der Verdichter. Dieser fördert Luft von einem niedrigeren Anfangsdruck (Ansaugdruck) auf einen höheren Enddruck.

Die Hauptbauformen von Gebläsen in lufttechnischen Anlagen sind Radial- und Axialgebläse, seltener auch Querstromgebläse.

Bei Axialgebläsen liegen sowohl der Lufteintritt als auch der Luftaustritt in Richtung der Rotationsachse. Die Wirkungsgrade liegen größen- und bauartabhängig bei 40 bis 90 Prozent.

Radialgebläse saugen die Luft axial an und blasen sie radial aus. Bei vorwärts gekrümmten Schaufeln spricht man von „Trommelläufern“. Diese erzielen nur mäßig gute Wirkungsgrade. Gebläse mit radial endenden Schaufeln werden oft in der Span- und Staubfördertechnik genutzt. Sie sind besonders verkrustungssicher.

Hochleistungsventilatoren“ hingegen haben rückwärts gekrümmte Schaufeln und arbeiten bei höheren Drehzahlen. Diese erzielen hohe Wirkungsgrade.

Bei Querstromgebläsen liegen sowohl der Lufteintritt als auch der Luftaustritt quer zur Rotationsachse. Die Laufräder sind lange Walzen mit geringen Durchmessern. Querstromgebläse haben sehr schlechte Wirkungsgrade von ca. 60 Prozent.

Elektromotoren und Antriebe

Der elektrische Wirkungsgrad eines Antriebs wird durch Energieverluste an verschiedenen Stellen bestimmt. So führt zum Beispiel der Widerstand in den Kupferdrähten zu einer Erwärmung der Motorwicklung. Darüber hinaus entscheiden Art, Nennleistung und Belastung der Motoren über die Verluste von Elektromotoren im Dauerbetrieb.

Mit steigender Nennleistung nehmen die relativen Verluste ab: Große Motoren haben wesentlich bessere Wirkungsgrade als kleine. Die Streuung der Wirkungsgrade von verschiedenen Motoren einer Leistungsklasse nimmt ebenfalls mit wachsender Leistung ab. Da die meisten Motoren aber viele Stunden am Stück laufen, ist jeder Prozentpunkt Wirkungsgrad bares Geld wert.

Der Ratgeber Elektrische Motoren in Industrie und Gewerbe: Motorenarten gibt eine Übersicht über die wichtigsten Motorenarten und deren Antriebe.

Erfassung, Aufbereitung und Verteilung

Aufgabe von lufttechnischen Anlagen haben z. B. die Einhaltung von Grenzwerten für Schadstoffbelastung, Temperatur und Feuchtigkeit zur Aufgabe.

Zur Entfernung von Schadstoffen, Wärmelasten und Feuchtigkeit gibt es prinzipiell drei Möglichkeiten:

  1. Absaugung von hoch belasteter Luft in unmittelbarer Nähe der Schadstoff-, Wärme oder Feuchtigkeitsquelle
  2. Abzug von Raumluft bei gleichzeitiger Zufuhr frischer oder aufbereiteter Luft
  3. Entfernung der Lasten ohne raumübergreifenden Lufttransport durch Kühlwände, lokale Entfeuchter oder Auswaschen der Schadstoffe

Regelungstechnik

Die Regelung hat bei lufttechnischen Anlagen einen entscheidenden Einfluss auf den Energieverbrauch und die Lebenszykluskosten. Bei den wenigsten Anwendungen ist die benötigte Leistung konstant. Zumeist muss nur während weniger Betriebsstunden die Auslegungsleistung bereitgestellt werden. Die Einflussgrößen auf den Leistungsbedarf variieren mit den unterschiedlichen Einsatzgebieten.

Eine kostenoptimale Fahrweise und Anlagenauslastung ist nur mit einer Kombination aus übergeordneten Steuerungen und gut eingestellten Reglern zu erreichen. Steuerungen und Leitsysteme entscheiden zum Beispiel, welche Ventilatoren eingeschaltet werden, ob und wann von erzwungener auf freie Lüftung umgeschaltet werden kann. Regelungen sorgen dafür, dass die vorgegebenen Volumenströme, Drücke, Raumtemperaturen, Schadstoffgrenzwerte, Feuchtigkeitswerte, etc. eingehalten werden.

Sicherheit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit

So vielfältig wie die lufttechnischen Anwendungen selbst sind auch die Anforderungen an deren Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit.

Bei gewöhnlichen Lüftungs- und Klimaanlagen stellt ein kurzfristiger Ausfall oft kein schwerwiegendes Problem dar. Dafür werden an diese Anlagen insbesondere in Gebäuden mit hohem Publikumsverkehr besonders hohe Ansprüche an den Brandschutz gestellt. So ist bspw. bei Anlagen zur Absaugung von Stäuben oder entzündbaren Gasen und Dämpfen ein besonderes Augenmerk auf den Explosionsschutz zu richten.

Planung und Optimierung lufttechnischer Anlagen

Nachdem die grundlegende Planung abgeschlossen wurde und die erforderlichen Luftleistungen feststehen, sind die einzelnen Komponenten auszuwählen. Hier kann noch einmal entscheidend Einfluss auf die späteren Betriebskosten genommen werden. Der Energieverbrauch kann im Wesentlichen durch die folgenden drei Ansätze reduziert werden:

  1. Optimierung der Ventilatorlaufzeiten
  2. Annäherung der Ventilatorleistung an den tatsächlichen momentanen Luftbedarf
  3. Maximierung des Gesamtwirkungsgrads

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