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Kälte-Klima-Lüftungs-Prüfstand

Frische Luft für gesünderes Klima

© Udo Geisler

16. Mai 2019

Wir alle schicken bekannter­maßen zu viel CO2 in die Atmos­phäre. Und das nicht nur mit dem Auto auf dem Weg zur Arbeit oder in den Urlaub: Wohn- und Büro­gebäude zählen zu den größten Verursachern von klima­schädlichen CO2-Emissionen. Neben besserer Wärme­dämmung sollen auch effizientere Lüftungs­anlagen den Energie­verbrauch senken und so die Umwelt schonen. Ob solche Anlagen halten, was sie versprechen, das testen die Experten von TÜV NORD am Prüfstand für Kälte-, Klima- und Lüftungs­technik in Essen.

Wer vom Essener Hauptbahnhof zum Technologie­park will, der fährt mit dem Auto ein Stück über die A40 oder steigt in den 146er oder 147er Richtung Kray – Busse, die auf einem eigenen Mittel­streifen auf der Auto­bahn am Berufs­verkehr vorbeirollen. Treibender Gedanke hinter dieser Straßen­auf­teilung ist die Effizienz. Um sie geht es auch am Ziel der Fahrt: Am Haupt­stand­ort von TÜV NORD prüfen Timo Reisner und seine Kolleginnen und Kollegen in einer großen Halle, wie effizient kälte-, klima- und lüftungs­technische Geräte eigentlich sind.

Moderne Lüftungsanlagen gelten neben Wärme­dämmung und dichteren Fenstern als zentraler Baustein, um Wohn­häuser und Büro­gebäude energie­effizienter zu machen. Sie sollen nicht nur Heiz­kosten sparen, sondern vor allem den Energie­bedarf senken, der heute immer noch über­wiegend über klima­schädliche fossile Brenn­stoffe gedeckt wird und Emissionen nach sich zieht. „In großen Gebäuden ist eine zentrale Lüftungs­anlage unerlässlich, weil eine Gebäude­technik für effizientere Lüftung sorgen kann, als der einzelne Mensch es de facto tun könnte“, erklärt Timo Reisner, stell­vertretender Technischer Leiter der Prüf­stelle. Denn Lüftungs­anlagen sorgen nicht nur für frische Luft bei geschlossenen Fenstern. Zusätzlich sollen sie sicher­stellen, dass die Wärme, die im Winter durch die Heizung, elektrische Geräte und die Körper der Menschen aus­gestrahlt wird, nicht ungenutzt in die Atmos­phäre verpufft. „Wenn ich in einem Büro das Fenster au­freiße, rauscht die Heiz­energie einfach nach draußen“, sagt Reisner. Zentrale Lüftungs­anlagen dürfen seit 2016 deshalb nur noch mit eingebauter Technik zur Wärme­rück­gewinnung verkauft werden, ergänzt Reisners Kollege Marius Ciucas. Das besagt eine Aktualisierung der sogenannten Ökodesign-Richtlinie (ErP), mit der die EU seit 2009 Energie­verbrauch und Treib­haus­emissionen senken will.

Und je besser ein Gebäude durch moderne Fenster und Wärme­dämmung abgedichtet ist, desto not­wendiger wird auch eine Lüftungs­anlage. Denn anders als bei herkömmlichen Bauten kann die verbrauchte und feuchte Luft nicht automatisch etwa durch die Ritzen der Fenster nach draußen ziehen. „Dadurch, dass eine Lüftungs­anlage immer wieder neue Luft in den Raum bläst und alte Luft abtransportiert, wird Schimmel­bildung vermieden. Für Kinder und Asthmatiker ist das eine Win-win-Situation“, so Ciucas. Auch Allergiker können von einer Lüftungs­anlage profitieren: Spezielle Filter fangen die Pollen ab, bevor sie in die Innen­räume gelangen.

Größere Lüftungsanlagen für geringeren Energieverbrauch

Alle zwei Jahre werden die Anforderungen an die Energie­­effizienz der Lüftungs­­geräte weiter verschärft. Das sorgt auch dafür, dass die Anlagen immer größer werden, berichtet Timo Reisner. „2018 ist die nächste Stufe der Öko­design-Richt­linie in Kraft getreten. Um die Bestimmungen einzuhalten, muss man die Luft­geschwindig­keiten in diesen zentralen Klima­geräten verringern.“ Denn je schneller die Luft­teilchen durch die Geräte sausen, desto stärker werden sie beim Auf­prall auf Hindernisse wie Kühler, Heizer oder Filter verwirbelt. Solche Turbulenzen erzeugen Druck­verluste, die Ventilatoren müssen stärker arbeiten, fressen also mehr Strom. „Um dieselbe Luft­menge bei einer geringeren Geschwindig­keit zu transportieren, benötige ich deshalb einen größeren Geräte-Querschnitt“, erklärt der studierte Geophysiker und promovierte Ingenieur.

Einen Eindruck davon erhält man in der großen Multi­funktions­halle, in der die imposanten Lüftungs­geräte auf ihren Prüf­einsatz warten. „Je größer der Durch­messer des Luft­kanals, desto geringer ist dessen Ober­fläche im Verhältnis zum Volumen des Luftstroms. Dadurch gibt es relational gesehen auch weniger Ober­fläche, an der die Luft sich reiben und dadurch Geschwindig­keit verlieren kann“, erläutert Reisner einen zusätzlichen Effekt der größeren Geräte. Denn je weniger Bewegungs­energie die Luft­teilchen bei ihrem Weg durch die Lüftungs­anlage verlieren, desto weniger Strom benötigen auch die Ventilatoren, um in den Büro­räumen für frischen Wind zu sorgen.

Geringere Drehzahlen senken den Energieverbrauch drastisch

„Ein weiterer Vorteil der größeren Anlagen ist, dass man auch größere Ventilatoren einsetzen kann“, sagt Marius Ciucas. Neben Kühler und Heizer sind schließlich vor allem sie für den Energie­verbrauch einer Anlage verantwortlich. Und mit größeren Ventilatoren, die mittlerweile auch mit den deutlich energie­effizienteren EC-Motoren angetrieben werden, kann man bei geringerer Dreh­zahl dieselbe Luft­menge transportieren – was den Strom­verbrauch erheblich drückt. „Der Energie­verbrauch steigt und sinkt in der dritten Potenz zur Drehzahl. Das heißt, wenn ich die Dreh­zahl verdoppele, habe ich den acht­fachen Energie­verbrauch“, stellt Reisner fest.

Reisner, Ciucas und ihre Kolleginnen und Kollegen sind auf die wachsende Technik bestens vorbereitet. Mitte 2016 sind sie vom alten Prüfstand in der Essener Langemarck­straße an den neuen Standort „Am TÜV“ gezogen. Hier haben sie in nunmehr zwei deutlich größeren Prüf­kammern erheblich mehr Platz und damit die nötige Flexibilität, um Geräte zur IT-Kühlung, Rooftops, Split-Klima­geräte, Schalt­schrank­kühl­geräte, aber vor allem die wuchtigen raum­luft­technischen Zentral­geräte zu testen, die sie tatsächlich am häufigsten auf den Prüf­stand stellen.

Als unabhängiges Prüflabor sind sie beispiels­weise schon seit 20 Jahren für den französischen Zertifizierer Eurovent Certita Certification (ECC) tätig. Daneben kontrollieren sie auch die Anlagen für die zukünftigen Betreiber von Büro­gebäuden. Denn große Lüftungs­anlagen lassen sich nicht aus dem Katalog bestellen. „Diese raum­luft­technischen Geräte sind eigentlich immer maß­geschneidert“, erklärt Timo Reisner. Die Gebäude­planer wenden sich mit ihren konkreten Anforderungen an den Hersteller ihrer Wahl. „Und die haben alle ihre eigene Auslegungs­soft­ware. Da geben sie die vom Planer geforderten Rahmen­bedingungen ein, und dann wird das Gerät zusammen­gerechnet und zur Verfügung gestellt“, ergänzt Marius Ciucas. Ob das Gerät, das die Soft­ware ausgespuckt hat, tatsächlich den Anforderungen des Auftrag­gebers entspricht, das unter­suchen die TÜV-NORD-Experten in sogenannten Witness-Tests.

Prüfungen bei tropischen Temperaturen

Vor jeder Prüfung wird das Gerät in der sogenannten Raum­luft­kammer aufgebaut und mittels Luft­kanälen an die benachbarte Außen­luft­kammer angeschlossen. Dann beginnt der Techniker, die Anlage mit Temperatur­sensoren und Schläuchen zur Luft­druck­messung zu bestücken. Schließlich werden Raum­luft­kammer und Außen­luft­kammer auf Temperatur und Luft­feuchte gebracht. „Wir können so simulieren, dass das Gerät direkt an der Außen­wand eines Gebäudes angeschlossen ist“, so Reisner. Und weil die Anlagen maß­geschneidert werden, müssen sie natürlich den Temperaturen und Bedingungen am jeweiligen Einsatz­ort stand­halten. Im vergangenen Jahr hatten die Experten häufiger Geräte für Saudi-Arabien und die Vereinigten Arabischen Emirate auf dem Prüf­stand. „Da hatten wir dann Außen­bedingungen von 36 Grad Celsius und 74 Prozent Luft­feuchtig­keit. Wenn man da die Tür zur Prüf­kammer aufgemacht hat, hatte man wirklich das Gefühl, gegen eine Wand zu laufen“, erzählt Reisner und lacht.

Bei der Prüfung wird die Außenluft in das Gerät geleitet, und der Luft­volumen­strom, die Luft­feuchtig­keit, die Temperatur und der Luft­druck werden gemessen. Der Druck­verlust wird bei jedem einzelnen Bauteil in der Anlage ermittelt: vom Filter über die Wärme­rück­gewinnung, den Kühler für den Sommer, den Heizer für den Winter bis zum Ventilator. Zusammen­genommen lässt sich so ermitteln, wie leistungs­fähig das Gerät und seine Komponenten tatsächlich sind. Beim Ventilator, dem Kühler, dem Heizer sowie der Wärme­rück­gewinnung wird auch noch die Temperatur gemessen – und zwar jeweils vor und hinter der Komponente. „Bei den Wärme­rück­gewinnungs­systemen können wir so die Energie­effizienz ermitteln, also wie viel von der Energie in der Abluft das Gerät wieder rück­gewinnen kann“, erklärt Reisner. Pro Mess­ebene, also vor und nach jedem Bauteil, kommen dabei in der Regel zehn Temperatur­sensoren zum Einsatz. Das macht die Messung nicht nur besonders präzise, sondern erlaubt den Experten zugleich, die Qualität und Genauigkeit der eigenen Messung zu über­prüfen.

Um im Anschluss an die Leistungs­prüfung auch die elektrische Sicherheit, die Filter­technik, die hygienische Eignung oder die Schall­emissionen zu über­prüfen, arbeiten sie mit den Fach­leuten aus anderen Bereichen zusammen. Denn die effizienteste Anlage hilft wenig, wenn ihre Geräusche den Büro­angestellten an den Nerven zehren.

Neue Ideen auf den Weg bringen

Was die Experten besonders an ihrer Arbeit reizt? „Die Vielfältig­keit, die damit verbunden ist“, antwortet Marius Ciucas. „Weil jedes Gerät für einen Betreiber konfiguriert wird, sind die Anforderungen im Prüf­verfahren immer ein bisschen anders.“ Über­haupt stellt sich das Team immer wieder auf andere Prüf­verfahren ein und versucht, neue Ideen auf den Weg zu bringen. „In unserem recht jungen Team haben wir alle große Lust, alte Methoden zu hinter­fragen und zu verbessern, um die Qualität und Effizienz unserer Arbeit weiter zu erhöhen“, erzählt Timo Reisner.

Neue Ansätze und Ideen entwickeln und verfolgen sie dabei auch in Zusammen­arbeit mit dem TÜV-NORD-eigenen Corporate Center Innovation, dessen Innovations­experten sie eben­falls bei der weiteren Umsetzung unter­stützen. Ein viel­versprechender Ansatz: Die bei den Witness-Tests auf­laufenden Mess­daten könnten künftig über das Netz direkt zu den Endkunden der Hersteller gesendet werden. „Dann müssten die nicht mehr aus aller Welt für die Prüfungen anreisen, was Zeit, Geld und CO2-Emissionen spart“, sagt Marius Ciucas. Als mögliches Projekt für die fernere Zukunft haben sie auch die Entwicklung einer Augmented-Reality-Anwendung ins Auge gefasst, die etwa die Messungen der Temperatur­sensoren in einer Farb­skala visualisiert. So könnten die Experten künftig auf einen Blick erkennen, ob die Temperatur­verteilung in der Mess­ebene plausibel ist oder ob vielleicht ein einzelner Sensor während der Prüfung ausgefallen ist. „Wir Menschen sind ja optische Wesen. Wenn wir solche zentralen Informationen visualisieren, können wir sie natürlich viel schneller erfassen und die nötigen Schlüsse daraus ziehen“, erklärt Timo Reisner.

Andere Arbeitsabläufe haben sie bereits selbst auf den aktuellen Stand der digitalen Technik gebracht. So hat Marius Ciucas in Eigenregie ein Programm entwickelt, um die Übertragung der Mess­daten zu automatisieren. Die müssen nun nicht länger von Hand abgetippt und in die Berechnungs­tabellen ein­gesetzt werden. Mit dem Prüf­bericht per Knopfdruck will der Ingenieur natürlich nicht die eigene Arbeit über­flüssig machen. „Die Zeit, die wir vorher für das Abtippen gebraucht haben, können wir jetzt in fachliche Fragen stecken“, erläutert Ciucas. Bei der eigentlichen Auswertung der Mess­ergebnisse können sie aber nach wie vor auf die profunde Arbeit ihrer Vorgänger bauen. „Bei der physikalischen Mathematik, die in der Auswertung steckt, greifen wir auf das zurück, was etwa mein Büro­nachbar Helge Uhlig über Jahr­zehnte entwickelt und immer weiter verfeinert hat“, berichtet Timo Reisner. „Das ist bestens verifiziert, weil es über die Jahre von den unter­schiedlichsten Mit­arbeitern hinter­fragt und über­prüft worden ist.“

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