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Gebäudeklimatisierung im Künstlerhaus Mousonturm

Das Künstlerhaus Mousonturm in Frankfurt am Main: Ein Sanierungsbeispiel aus der GI 3/14 von Stefan Neupetsch und Enrico Stieler von der BerlinerLuft. Klimatechnik GmbH.

Das Künstlerhaus Mousonturm in Frankfurt am Main wurde 2012 saniert. Hierbei wurde das Gebäude mit einer neuen zentralen Lüftungsanlage ausgestattet. Die Lüftungsanlage wurde mit Geräten der BerlinerLuft. Klimatechnik GmbH, Bexbach (BLKT) ausgestattet. BLKT lieferte sowohl ein Klimazentral­gerät der Baureihe „VarioCond“ mit einer Zuluft- und Abluftleistung von je 20 000 m³/h, als auch die EcoCond+-Wärmerückgewinnungseinheit sowie die Regelung für die Gesamt­anlage und deren Inbetriebnahme.

Bild 1: Das Künstlerhaus Mousonturm in Frankfurt am Main.

1. Einleitung

Das Künstlerhaus Mousonturm (siehe Bild 1), Frankfurts ältestes Hochhaus, ist Teil der vielfältigen Kulturszene in Frankfurt am Main. Erbaut 1924/25 nach einem Entwurf der Architekten Gärtner und Wollmann als Erweiterungsbau auf dem Gelände der Seifen- und Parfümfabrik Mouson.

Ab 1988 wurde das Künstlerhaus Mousonturm als Spiel- und Produktionsstätte für nationale und internationale freischaffende Künstler aus den Bereichen Tanz, Theater, Performance, Musik, Kleinkunst, Literatur und Bildende Kunst eröffnet. In der ersten Jahreshälfte 2012 wurde das Gebäude saniert, der Theatersaal entkernt, grundlegend modernisiert und den kulturellen Erfordernissen angepasst. Nach einem Bericht der Tageszeitung „Die Welt“ lag die Investition der Umbaumaßnahmen bei 3,8 Millionen Euro. Der große Saal fasst bis zu 265 Zuschauer. Diesen kann nun freie Sicht geboten werden – nachdem tragende Säulen an die Seiten verlegt und die Bühne verbreitert wurde. Die komplette Veranstaltungstechnik, Heiz- und Lüftungstechnik wurden bei diesem Umbau ebenfalls erneuert.

Hierbei wurde das Gebäude auch mit einer neuen zentralen Lüftungsanlage ausgestattet. Die technische Planung wurde durch das Ingenieurbüro Melenk, Zotzenheim ausgeführt, der Anlagenbau wurde von Imtech, Frankfurt realisiert.

Die Lüftungsanlage wurde mit Geräten der BerlinerLuft. Klimatechnik GmbH, Bexbach (BLKT) ausgestattet. Die BerlinerLuft. Klimatechnik GmbH lieferte sowohl das Klimazentralgerät Baureihe „VarioCond“ mit einer Zuluft- und Abluftleistung von je 20 000 m³/h, als auch die EcoCond+-Wärmerückgewinnungseinheit sowie die Regelung für die Gesamtanlage und deren Inbetriebnahme.

Hier setzte die BLKT erstmals ein zentrales RLT-Gerät der Baureihe VarioCond mit dem neuen Hochleistungs-Kreislaufverbundsystem EcoCond+ zur Wärmerückgewinnung ein, das mit einer integrierten reversiblen Wärmepumpe auch bei extremen Betriebsbedingungen die benötigten Heiz- und Kälteleistungen zur Luftkonditionierung erzeugt. Die Nutzung für Musik- und Kulturveranstaltungen erforderte eine zusätzliche technische Ausstattung. Um einen geräuscharmen Betrieb der Anlage zu gewährleisten, wurden die Paneele der Klimageräte mit speziellen Kunststoffmatten versehen.

Bild 2: Das kompakte EcoCond+-System in einer Ausführung mit drei Scroll-Verdichtern.

2. Das Hochleistungs-Kreislaufverbundsystem EcoCond+: Aufbau, Funktion und Betriebsweise

Das neu entwickelte System EcoCond+ (siehe Bild 2), ist ein Hochleistungs-Kreislaufverbundsystem (KV-System) zur Wärmerückgewinnung in zentralen RLT- und Klimaanlagen.

EcoCond+ besteht aus je einem Luft-Wasser-Wärmeübertrager im Zuluft- und Abluftsektor des RLT-Geräts, die durch einen Pumpen-Wasserkreislauf miteinander verbunden sind. Hinzu kommt eine, in der kompakten EcoCond+-Einheit enthaltene, reversible Wärmepumpe, die in Abhängigkeit von der zu erzeugenden thermischen Leistung mit einem oder mehreren FU-geregelten Scroll-Verdichtern ausgestattet wird (Kältemittel R407C). Die Wärmepumpe speist die von ihr erzeugte Heiz- oder Kälteleistung über Wasser-Kältemittel-Plattenwärmeübertrager, die als Verdampfer (Kühlbetrieb) oder als Verflüssiger (Heizbetrieb) arbeiten, in den Wasserkreislauf des KV-Systems ein. Die reversible Wärmepumpe nimmt im Heizfall Wärme aus der Abluft auf, beziehungsweise gibt Abwärme im Kühlfall an die Abluft im RLT-Gerät ab. Die Wärmepumpe hat im Normalbetrieb eine Leistungszahl von etwa 4, die bei günstigen Betriebsbedingungen auf Werte von über 5 steigt.

EcoCond+ wird als kompakte anschlussfertige Einheit inklusive Wärmepumpe, Hydraulik und Regelung angeboten und auf die Konfiguration und die Betriebsbedingungen der RLT-Anlage individuell angepasst. Durch die Integration der reversiblen Wärmepumpe in das KV-System wird die Gesamteffizienz der Anlage gesteigert. So verringern sich im Vergleich zu einem Standard-KV-System mit externer Erzeugung der Heiz- und Kälteleistung die Betriebskosten der RLT-Anlage um bis zu 35 %, woraus sich Amortisationszeiten von oft weniger als 1,5 Jahren ergeben.

 

2.1 Winterbetrieb

Für den Winterbetrieb wurden folgende Temperaturen angesetzt: Die Ablufttemperatur beträgt 22 °C, die Zulufttemperatur 21 °C und die Auslegungs-Außentemperatur -12 °C. Für diesen Betriebszustand ist das RLT-Gerät mit dem EcoCond+-Wärmerückgewinnungssystem in Bild 3 dargestellt. Dabei haben die in Bild 3 eingetragenen Punkte folgende Bedeu­tung:

Bild 3: Die Funktionen und Betriebspunkte der RLT-Anlage und des EcoCond+-Systems im Winter­betrieb.

Punkt 1: Aus dem im Zuluftstrang des RLT-Geräts angeordneten Luft-Wasser-Wärmeübertrager des Kreislaufverbundsystems strömt das Wasser mit einer Temperatur von -1,6 °C aus.

Punkt 2: Das Wasser erreicht den im Abluftstrang befindlichen Luft-Wasser-Wärmeübertrager des KV-Systems. Dort entzieht das Wasser aus der 22 °C warmen Abluft eine Wärmeleistung von etwa 71 kW und wird dadurch auf rund 12,3 °C erwärmt. Durch diesen Wärmeentzug sinkt die Temperatur der Abluft von 22 °C auf 11,5 °C.

Punkt 3: Das von der Abluft auf 12,3 °C vorerwärmte Wasser im KV-System nimmt im Verflüssiger der EcoCond+-Wärmepumpe (Wasser-Kältemittel-Plattenwärmeübertrager) eine Heizleistung von rund 100 kW auf und wird dadurch auf 32,1 °C erwärmt.

Punkt 4: Das nun 32,1 °C warme Wasser im KV-System wird in einem Wasser-Wasser-Plattenwärme­übertrager mit einer Heizleistung von 50 kW auf eine Temperatur von 41,9 °C nacherhitzt. Das Heizwasser kommt von einer Pumpen-Warmwasserheizung.

Punkt 5: Das 41,9 °C warme Wasser erreicht den Luft-Wasser-Wärmeübertrager im Zuluftstrang des RLT-Gerätes und erwärmt dort mit einer Heizleistung von insgesamt 223 kW die -12 °C kalte Außenluft auf die Soll-Temperatur von 21 °C. Danach strömt das Wasser mit einer Temperatur von -1,6 °C aus dem Wärmeübertrager aus und der Prozess beginnt erneut mit Punkt 1.

Punkt 6: Im Heizbetrieb nutzt die EcoCond+-Wärmepumpe die Wärme der Abluft nach dem KVS-Wärmeübertrager als Wärmequelle. Dabei arbeitet der Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager als Verdam­pfer und entzieht der Abluft eine Wärmemenge von 78 kW, wodurch die Ablufttempe­ratur von 13,5 °C auf etwa 2 °C abkühlt. In diesem Betriebszustand hat die Wärmepumpe eine Leistungszahl von 4,2.

Steigt die Temperatur der Außenluft auf über -4 °C, reicht allein die Leistung der Wärmepumpe zur Zulufterwärmung aus. Dann wird die zusätzliche Heizleistung aus der Warmwasser-Pumpenheizung nicht mehr benötigt. Bei einer Außenlufttemperatur von 9 °C erreicht die Wärme­pumpe sogar eine Leistungszahl von 5,2.

2.2 Sommerbetrieb

Für den Sommerbetrieb wurden folgende Temperaturen angesetzt: Die Ablufttemperatur beträgt 50 °C, die Zulufttemperatur 18,5 °C und die Außenlufttemperatur 28,5 °C. Die sehr hohe Ablufttemperatur basiert auf der Annahme eines warmen Sommertages, eines vollbesetzten Theaters und auf hohen Gerätelasten, die besonders durch die Beleuchtungsanlagen freige­setzt werden. Das RLT-Gerät mit dem EcoCond+-Wärmerückgewinnungssystem ist für diesen Betriebszustand in Bild 4 dargestellt. Dabei haben die in Bild 4 eingetragenen Punkte folgende Bedeutung:

Bild 4: Die Funktionen und Betriebspunkte der RLT-Anlage und des EcoCond+-Systems im Sommerbetrieb.

Punkt 1: Aus dem im Zuluftstrang des RLT-Geräts angeordneten Luft-Wasser-Wärmeübertrager des Kreislaufverbundsystems strömt das Wasser mit einer Temperatur von 25,9 °C aus.

Punkt 2: Im Sommerbetrieb ist aufgrund der hohen Ablufttemperaturen keine „Kälterückgewinnung“ aus der Abluft möglich. Daher wird der KVS-Wärmeübertrager in der Abluft nicht durchströmt. Durch Öffnen des Bypassventils strömt das Wasser im KV-System nun direkt zum Kältemittel-Wasser-Plattenwärmeübertrager, der als Verdampfer der EcoCond+-Kältemaschine arbeitet. Hier entzieht das Kältemittel dem Wasser 70 kW Wärme, wodurch die Wassertemperatur von zuvor 25,9 °C auf 11,8 °C sinkt.

Punkt 3: Das jetzt 11,8 °C kalte Wasser erreicht den Luft-Wasser-Wärmeübertrager des KV-Systems im Zuluftstrang. Das kalte Wasser entzieht der 28,5 °C warmen Außenluft 70 kW Wärme, wodurch die Luft auf den Zuluftzustand von 18,4 °C abgekühlt wird. Gleichzeitig steigt die Temperatur des Wassers auf 25,9 °C an. Der Prozess beginnt erneut mit Punkt 1.

Nun ist aber noch die von der EcoCond+-Kältemaschine im Verdampfer aufgenommene Wärmemenge von 70 kW an die Abluft abzuführen. Dies wäre bei „normalen“ Ablufttempera­turen von etwa 26 bis 27 °C, wie sie meist in Bürogebäuden auftreten, ohne größere Probleme von der EcoCond+-Kältemaschine zu bewältigen. Da im Künstlerhaus Mousonturm aber eine sehr hohe Ablufttemperatur von 50 °C angesetzt wird, muss diese Temperatur vor dem Errei­chen des Verflüssigers der Kältemaschine erst verringert werden. Dies erfolgt im RLT-Gerät durch den Einsatz einer Verdunstungskühlung (siehe oberer Bereich in Bild 3). Die Verdunstungskühlung schafft eine Abkühlung der Abluft auf etwa 28,5 °C. Diese Temperatur reicht aus, dass im nachgeschalteten Verflüssiger eine Wärmemenge von 87 kW an die Abluft abgegeben werden kann, die dann mit einer Fortlufttemperatur von 43,2 °C in die Außenluft abgeleitet wird. In diesem Betriebszustand hat die Kältemaschine eine Leistungszahl von 4,0.

Steigt die Außenluft auf eine Temperatur von 33 °C, wird zu deren Kühlung auf die Zulufttempe­ratur von 18,5 °C eine Kälteleistung von 104 kW benötigt, die von der EcoCond+-Kältemaschine erzeugt werden muss. Dadurch steigt aber auch die von der Kältemaschine im Verflüssiger an die Abluft abzugebende Wärmemenge entsprechend an. Um diese Wärmeabgabe sicherzu­stellen, wird im Abluftstrang nach der ersten Verdunstungskühlung eine zweite nachgeschaltet, um eine Ablufttemperatur vor dem Verflüssiger von etwa 30 °C zu erreichen.

Das System der Verdunstungskühlung ist mit einer regelbaren Pumpe für die zwei Befeuchter ausgestattet, um die Befeuchtungs- und damit die Kälteleistung exakt an den aktuellen Bedarf anzupassen. Die Befeuchter werden zum einen über die Eintrittstemperatur in den Wärme­übertrager im Abluftstrang und zum anderen über die Kondensationstemperatur im Verflüssiger geregelt. Dies gewährleistet, dass die Befeuchter nicht unwirtschaftlich betrieben werden.

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