TGA MSR-Technik

TGA Ausgabe 05-2012
Bauer-Optimierungstechnik

Luft chaotisch verteilt, Zugluftchaos beseitigt

Abb. 1 Center der DFS in Bremen. Die aufgeständerte Stahl-Glas-Konstruktion mit außen liegendem Sonnenschutz war für den Planer der Klimaanlage eine große Herausforderung,… (Quelle: Siemens AG)
Abb. 1 Center der DFS in Bremen. Die aufgeständerte Stahl-Glas-Konstruktion mit außen liegendem Sonnenschutz war für den Planer der Klimaanlage eine große Herausforderung,…

Die Arbeitsplätze von Fluglotsen müssen besonders hohe Anforderungen bezüglich Beleuchtung, Raumklima und Ergonomie erfüllen. Im Center der Deutschen Flug­sicherung in Bremen klagten die Lotsen jedoch jahrelang über auffällige Zugluft­erscheinungen. Durch die Umstellung der Lüftungsregelung auf das Prinzip „Bauer-Optimierungstechnik“ sind die Zugluftprobleme im wahrsten Sinne wie weggeblasen. Siemens hat dazu für das Gebäudeautomationssystem Siclimat X/Simatic S7 einen speziellen Bauer-Regelalgorithmus programmiert.

Fluglotsen sind einer besonders hohen mentalen Arbeitsbelastung ausgesetzt. Ihre Wahrnehmungsaufgaben gelten als mehrschichtig, komplex und erfordern deshalb höchste Konzentration. Die umfassende Beobachtung, Interpretation und Vorhersage einer Entwicklung sowie der kontinuierliche Austausch von Informationen untereinander zählen zu den wichtigsten Anforderungen an Fluglotsen.

Beim Bau des Centers der Deutschen Flugsicherung (DFS) in Bremen in den Jahren 2000 bis 2001 – eine aufgeständerte Stahlkonstruktion Abb. 1 am DFS-Verwaltungsgebäude – wollten die Architekten durch die Wahl einer transluzenten Fassade ein besonders ansprechendes Arbeitsambiente mit einem hohen Anteil an natürlichem Licht schaffen. Trotz außen liegendem Sonnenschutz erwies sich die aus Glaspaneelen erstellte Fassade wegen ihrer geringen thermischen Speicherfähigkeit und des vergleichsweise hohen Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) von 1,1 jedoch als thermisch sehr sensibel. Wechselnde Sonneneinstrahlung sowie Außentemperatur-Schwankungen wirkten sich unmittelbar auf das Innenklima aus. Insbesondere die tief stehende Morgen- bzw. Abendsonne hatte einen großen Einfluss auf das Raumklima.

Ringkanal mit vier Klimazentralen

Als der Kubus mit 65 m Länge, 12,5 m Breite und 6 m Höhe gebaut und mit einer Raumklimaanlage ausgerüstet wurde, stand noch nicht fest, wie die Lotsentische aufgestellt und wie diese im Raum arrangiert werden Abb. 2. Die Planer entschieden sich deshalb für eine konventionelle Luftführung von der Decke, die eine maximale Flexibilität bei der Raummöblierung zulässt. Unterteilt ist das rechteckige Gebäude in acht Klimazonen für die Lotsen sowie eine Klimazone für die separat angeordneten Arbeitsplätze der Wachleiter – diese „Supervisorburg“ fungiert gleichzeitig als Verbindung zum DFS-Verwaltungsgebäude Abb. 3. Die Zuluftführung für die Raumkühlung erfolgt über Schlitzauslässe in der Lichtdecke, die Abluft wird über einen Deckenfries in den Außenzonen abgeführt.

Die Regelung der Zonen übernehmen variable Volumenstromregler, sogenannte VVS-Mischboxen, wobei für jede Zone eine Zu-/Abluftleistung von 1600 bis 2000 m3/h und für die Supervisorburg von 2400 m3/h einkalkuliert war. Zur Kompensation des Kaltluftabfalls an der Fassade wurde vor der Sanierung im Heizfall warme Luft über eine zusätzliche Schlitzschiene ausgeblasen. Die insgesamt 59 installierten Lotsentische werden durch ein eigenständiges Geräte-Klimasystem mit Kühlluft versorgt; jeweils acht Lotsentische über einen Knotenpunkt. Jeder dieser Knotenpunkte ist mit einem Volumenstromregler ausgestattet, damit das Geräteklima an die jeweilige thermische Belastung angepasst werden kann. Die Knotenpunkte sind an ein Ringkanalsystem angeschlossen, welches das gesamte Gebäude inklusive Tower, Gestellräume und Büros versorgt. Der Vorteil des Ringkanalsystems ist die hohe Ausfallsicherheit, da insgesamt vier redundant angeordnete Klimazentralen vorkonditionierte Raumluft in den Ringkanal einblasen.

Zugluftprobleme

Von Beginn an gab es im neuen Center Probleme mit dem Raumkomfort, ausgelöst durch unterschiedliche Raumtemperaturen im Fassadenbereich und in den Kernzonen. Ursache hierfür war sowohl der hohe U-Wert der Fassade, als auch das Klimatisierungs- und Luftführungskonzept, das sehr stark durch die Fassade beziehungsweise durch intensive Sonneneinstrahlung in den Morgen- und Abendstunden (Ost- bzw. Westseite) beeinflusst wurde. Insbesondere die hohen, vom Sonnenstand abhängigen Temperaturunterschiede im weitgehend offen gestalteten Lotsenraum führten zu enormen Zugerscheinungen, die von den Fluglotsen durch einen Airflow-Indicator – ein aufgehängtes Papierflugzeug – sichtbar gemacht wurden. Die auffälligen Zugerscheinungen waren jedoch auch das Ergebnis des Versuchs, durch höhere Luftmengen dem Kaltluftabfall im Fassadenbereich entgegenzuwirken.

Wegen der Beschwerden der Lotsen sahen sich die Verantwortlichen der DFS veranlasst, den Ursachen auf den Grund zu gehen beziehungsweise Maßnahmen gegen die ausgeprägten Zugluftprobleme im Lotsenraum einzuleiten. Eine wissenschaftlich begleitete Untersuchung über die thermische Behaglichkeit im Lotsenraum unter Zuhilfenahme beheizter Klima-Mess-Puppen (je 100 W Wärmeleistung) sowie Strömungsversuche mittels Kaltrauch zeigten deutliche Luftströmungen von der Fassade quer durch die Bereiche der Lotsenarbeitsplätze zur Supervisorburg. Noch gravierender als die Temperaturunterschiede empfanden die Lotsen die Luftturbulenzen sowie Düseneffekte zwischen den Lotsenarbeitsplätzen.

Versuche, die unkontrollierten Luftbewegungen mittels mobiler Trennwände in den Griff zu bekommen, wurden mangels Wirkung wieder aufgegeben. Selbst eine versuchsweise aufgebaute Wand im Fassadenbereich brachte keine spürbare Verbesserung. Die Temperaturgegensätze im Raum waren teilweise so extrem, dass in einem Teil des Raumes geheizt und im anderen Teil gekühlt werden musste. Natürlich forderten die Fluglotsen weiterhin eine spürbare Verbesserung ihrer Arbeitsbedingungen, nicht zuletzt aus Gründen der Flugsicherheit.

Skepsis gegenüber Baopt

Während sich die Fluglotsen über die störenden Arbeitsbedingungen beschwert haben und im Center verschiedene Messprogramme und unterschiedliche Maßnahmen ohne Erfolg durchgeführt wurden, erschienen in der Fachpresse mehrere Artikel über die erfolgreiche Sanierung von problembehafteten Raumklimaanlagen mithilfe der Bauer-Optimierungstechnik Abb. 4. Die Reaktionen der Branche auf das unkonventionelle Regelungssystem für Lüftungsanlagen konnten unterschiedlicher nicht sein: Führende Lüftungsexperten reagierten skeptisch auf das Verfahren von Albert Bauer, dem Erfinder der Bauer-Optimierungstechnik (Baopt), andere waren begeistert von der neuen Lösung. Inzwischen werden nach Angaben des Entwicklers weltweit rund 1000 Klimaanlagen nach Baopt-Regelungskriterien betrieben.

Während konventionelle Luftführungssysteme mit gerichteten Luftströmungen arbeiten, basiert Baopt auf ungerichteten, chaotischen Luftströmungen. Vereinfacht ausgedrückt vermischt sich die impulsarm, aber dynamisch eingebrachte Zuluft homogen mit der vorhandenen Raumluft. Dies geschieht so, dass weder Kurzschlüsse zwischen Zu- und Abluft, Kaltluftabfall, lokale Luftwalzen oder Temperaturinseln entstehen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Optimierungstechnik ist der Verzicht auf mechanische Eingriffe in die bestehende Anlagentechnik. Deshalb kann eine Anlage jederzeit wieder konventionell, das heißt wie vor dem Einbau des Baopt-Regelungsbausteins, betrieben werden.

Die DFS entschied sich für die unkonventionelle Regelung der Raumklimatisierung mittels Bauer-Optimierungstechnik, da alle konventionellen Lösungsansätze gescheitert waren, wohl wissend, dass es bis dato keine fundierte wissenschaftliche Erklärung für deren Funktionsweise gibt. Die Sanierung bestand aus folgenden Maßnahmen:

Installation eines speziellen „Bauer“Druckfühlers zur Druckdifferenzmessung zwischen Lotsenraum und Außenluft ­(Atmosphäre).

Mittelwertbildung aus den bestehenden Raumtemperaturfühlern (ein Fühler pro Zone) als Leitwert für die BaoptRegelung Abb. 5.

Implementierung der Bauer-Regelungs- und Steuerungsstrategie in die bestehende Gebäudeautomation Siclimat X/Simatic S7. Der Bauer-Regelalgorithmus wurde parallel zur bestehenden konventionellen Regelung implementiert, und zwar so, dass jederzeit zwischen den beiden Regelungsarten ­gewechselt werden kann.

Aufgrund des erhöhten Datentransfers ­zwischen der Hauptanlage und den 19 Zonenanlagen war es notwendig, die vorhandenen Simatic-S7-300-Zentral­einheiten (CPU) gegen leistungsstärkere zu tauschen. Betroffen davon waren eine CPU für die Hauptanlage sowie eine CPU für die 19 Zonenanlagen.

Zur Überwachung der Luftqualität wurden zwei Raumluftqualitätsfühler ­nachgerüstet.

Die eingebauten variablen Volumenstromregler wurden beibehalten. Bei Neuanlagen wären motorisch betätigte Klappen ausreichend.

Wegen starker Druckunterschiede zwischen der Raumluftanlage für den Lotsenraum und der Geräte-Klimatisierung wurden die Gehäuse der Lotsentische geöffnet bzw. mit Lüftungsschlitzen nachgerüstet.

Die vorbereitenden Arbeiten, Inbetriebnahme und Einregulierung im laufenden Betrieb nahmen etwa sechs Wochen in Anspruch.

Zugluftprobleme lösten sich in Luft auf

Die Strategie der Bauer-Optimierungstechnik ist es, die Luftmenge gegenüber konventionellen Klimaanlagen drastisch zu reduzieren, die Zulufttemperatur im Heizfall erheblich zu erhöhen (bis 45 °C) bzw. im Kühlfall auf bis zu 12 °C zu senken. Wichtig ist, dass sich keine gerichteten Luftströmungen bilden, sondern die Luft ungerichtet – chaotisch – den Raum durchströmt (Vermeidung von Kurzschlüssen). Im Center führte das zu folgenden regelungstechnischen Änderungen:

Der Luftdruck im Center liegt immer etwa 3 bis 9 Pa über dem Atmosphärendruck der Außenluft. Diese Vorgabe ist ganz wesentlich für die Regelung nach Baopt-Kriterien.

Die Zuluftmenge liegt pro Zone im Minimum bei ca. 1200 m3/h, im Maximum bei ca. 3690 m3/h.

Die Mindestluftmenge wird durch die nachgerüsteten CO2/VOC-Fühler vorgegeben. Geregelt wird aktuell nach dem CO2-Wert, wobei Werte <800ppm angestrebt und erreicht werden.

Die Drehzahl der Zuluftventilatoren liegt heute bei 65…70 % (früher 84…90 %), der Druck im Luftkanalnetz bei etwa 490 Pa (früher bis zu 650 Pa).

Etwa 20 bis 30 % des Abluftvolumenstroms erfolgt über die Geräteklimatisierung; insgesamt ist der Abluftvolumenstrom mit Einführung der Bauer-Optimierungstechnik deutlich reduziert.

Die Zulufttemperatur liegt im Winter zwischen 30 und 45 °C, im Sommer zwischen 12 und 18 °C. Ziel ist es, ein Gleichgewicht zwischen abfallender Kaltluft und aufsteigender Warmluft über variable Zuluftmengen zu finden. Dieses Ziel soll mit möglichst geringer Zuluftmenge in Abhängigkeit des CO2-/VOC-Gehalts in der Raumluft erreicht werden. Die Zuluft wird impulsarm und ungerichtet über die Decke eingebracht und auf dem Weg in den Aufenthaltsbereich ab einer Höhe von etwa 2,20 m über Fußboden mit der aufsteigenden Warmluft auf Komforttemperatur gemischt.

Optimierung durch Gebäudeautomation

Das Gebäudeautomationssystem Siclimat X/Simatic S7 übernimmt in der DFS-Niederlassung Bremen nicht nur die komplexe Regelungs- und Steuerungsstrategie nach dem Bauer-Algorithmus, es erfasst, visualisiert Abb. 6 und dokumentiert auch alle Temperatur-, Druck- und Feuchtewerte für die Feinjustierung in beliebig einstellbaren Zeiträumen. Durch das Mitschreiben von Daten werden außerdem Defekte oder außerplanmäßige Sollwertänderungen durch die Nutzer unmittelbar erkannt.

Deutlich ablesbar über die Aufzeichnungen des Gebäudeautomationssystems ist beispielsweise die Korrelation zwischen der Anzahl der Fluglotsen im Center und der Entwicklung der CO2-Kurve. Während ab 6.00 Uhr bis zu 60 Fluglotsen arbeiten, sind es in der Nacht – aufgrund des dann geringeren Flugverkehrsaufkommens – deutlich weniger. Daraus ergeben sich stark wechselnde Belastungen für die Klimaanlage, die jedoch durch das Baopt-System gedämpft und durch Zeitglieder fast unmerklich ausgeregelt wird.

Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Die Beschwerden über das Raumklima sind seit Implementierung der Baopt-Regelung deutlich weniger geworden. Zuglufterscheinungen treten so gut wie nicht mehr auf Abb. 7. Das als Zugluft-Indikator an der Decke aufgehängte Papierflugzeug bewegte sich praktisch nicht mehr und wurde deshalb entfernt. Die Stromeinsparung liegt bei etwa 30 %.

Aufgrund der erfolgreichen Einführung von Baopt im Center wurden 2011 die neuen SymSys-Schulungsräume (Simulations for training, research and development) mit 400 m2 von Beginn an mit der Baopt-Regelung ausgerüstet. Inzwischen ist auch das übrige Gebäude umgestellt. Damit lässt sich rund 30 % des früher geförderten Luftvolumens einsparen. Durch die Reduzierung der Luftmenge im gesamten Gebäude verspricht sich die DFS neben der Energieeinsparung und der Verbesserung des Raumklimas auch eine deutliche Reduzierung der Strömungsgeräusche.  

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Luft chaotisch verteilt, Zugluftchaos beseitigt
  2. Teil: Wichtig für TGA-Planer, Anlagenbauer und Bauherren
  3. Teil: Die DFS
  4. Teil: Carsten Ferber
  • Abb. 2 …bis zu 60 Fluglotsen arbeiten gleichzeitig im Center. Die hohe Gerätedichte sowie ein stark vom Außenklima abhängiges Raumklima führten zu auffälligen Zug­erscheinungen und in Folge zu vielen ­Beschwerden über das Raumklima.
  • Abb. 3 Grundriss des ­Centers mit Anordnung der Fluglotsen-Arbeitsplätze und der „Supervisorburg“.
  • Abb. 4 Luftströmung im Center vor und nach der Sanierung mittels Bauer-Optimierungstechnik. Durch die reduzierte ungerichtete Strömung, verbunden mit großen Temperaturdifferenzen zwischen Luftauslass und Aufenthaltszone ergibt sich ein hoher thermischer Komfort.
  • Abb. 5 Regelungszone nach der Anlagensa­nierung mit Bauer-Optimierungstechnik. Das Bild zeigt die RaumtemperaturMittelwertbildung sowie die sehr geringen Abluftmengen.
  • Abb. 6 Alle relevanten Temperatur-, Feuchte-, Druck-, CO2- und VOC-Werte werden über das Gebäudeautomationssystem (Siclimat X) permanent mit­geschrieben und im Grundriss in Echtzeit dargestellt.
  • Abb. 7 Freuen sich über das nahezu optimale Raumklima: Jürgen Schäffer (links) von der DFS und Carsten Ferber von der Siemens-Division Building Technologies. Das von Siemens für „die S7“ entwickelte BauerOptimierungs-Modul bietet eine durchgängige Transparenz und bewerkstelligt den hohen Kommunikationsbedarf des BaoptRegelungsalgorithmus.
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