Luft chaotisch verteilt, Zugluftchaos beseitigt - Bauer ...

MSR-TECHNIK
Bauer-Optimierungstechnik
Luft chaotisch verteilt,
Zugluftchaos beseitigt
KOMPAKT INFORMIEREN
Im Center der Deutschen Flugsicherung in Bremen
gab es seit der Inbetriebnahme erhebliche Defizite
beim Raumklimakomfort, besonders häufig wurde
über Zugluft geklagt.
Mit einer wissenschaftlich begleiteten Untersuchung
wurden die Luftströmungen sichtbar gemacht,
Nachbesserungen blieben jedoch erfolglos.
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.
Mithilfe der Bauer-Optimierungstechnik konnten
die Zugluftprobleme trotz der komplexen Abhängigkeiten
und sehr dynamischer Lastgänge nahezu
allein durch regelungstechnische Eingriffe beseitigt
werden.
Nach der Implementierung der Bauer-Optimierungstechnik
in die Gebäudeautomation ist der
Stromverbrauch für die Klimatisierung signifikant
gesunken.
Bild: Siemens AG
g Center der DFS in Bremen. Die aufgeständerte Stahl-Glas-Konstruktion
mit außen liegendem Sonnenschutz war für den Planer der Klimaanlage eine große Herausforderung, …
Carsten Ferber
Siemens AG,
Building Technologies Division,
Region Nord,
www.siemens.com/
buildingtechnologies
Hans-Gerd Thormeier
Deutsche Flugsicherung,
Bremen,
www.dfs.de
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
g 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 h. Die Planer
entschieden sich deshalb für eine konventionelle
Luftführung von der Decke, die eine ma-
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TGA FACHPLANER · 05 . 2012

MSR-TECHNIK
ximale 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 j. 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 m 3 /h und für die Supervisorburg
von 2400 m 3 /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
WICHTIG FÜR TGA-PLANER, ANLAGENBAUER UND BAUHERREN
TGA-PLANER: Neben der Nachrüstung bestehender Anlagen zur Energieeinsparung und / oder Raumklimaverbesserung
können mit der Bauer-Optimierungstechnik beim Neubau Klimazentralen, Lüftungskanäle,
Schächte und Zwischendecken kleiner dimensioniert und bei entsprechender Auslegung
der Klimaanlage Heizkörper oder Kühldecken durch die gleichmäßige Raumluftvermischung eingespart
werden.
ANLAGENBAUER: Die Bauer-Optimierungstechnik ist eine patentierte Regelungs- und Steuerungssoftware
speziell für Klima- und Lüftungsanlagen. Kooperationspartner für die Integration in die
Gebäudeautomation sind insbesondere bekannte Hersteller von Regelungstechnik.
BAUHERREN: Mit der Bauer-Optimierungstechnik können ohne Eingriffe in die Gebäudesubstanz und
mit geringen Modifizierungen bei der Klima- und Lüftungstechnik nennenswerte Energieeinsparungen
und erhebliche Verbesserungen der Behaglichkeit erzielt werden. Ein Wechsel zur konventionellen
Regelung ist möglich.
Bild: Siemens AG
h … 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.
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
k. 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.
05 . 2012 · www.tga-fachplaner.de 17

MSR-TECHNIK
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 Baopt-
Regelung l.
••
Implementierung der Bauer-Regelungsund
Steuerungsstrategie in die bestehende
Gebäudeautomation Siclimat X / Simatic S7.
Drallauslass
Fallkälte
Luftwalze
Kurzschluss
gerichtete
Strömung
Temperaturinseln
Konventionelle Lüftungstechnik
T
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g
Luftdurchlässe
ohne
Anforderungen
keine
Fallkälte
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.
k 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.
ungerichtete
Strömung
Bauer-Optimierungstechnik
Bild: Baopt
Bild: Siemens AG
j Grundriss des
Centers mit Anordnung
der Fluglotsen-
Arbeitsplätze und
der „Supervisorburg“.
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 m 3 /h,
im Maximum bei ca. 3690 m 3 /h.
••
Die Mindestluftmenge wird durch die nachgerüsteten
CO 2 /VOC-Fühler vorgegeben.
Geregelt wird aktuell nach dem CO 2 -Wert,
wobei Werte < 800 ppm 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
CO 2 -/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
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TGA FACHPLANER · 05 . 2012

MSR-TECHNIK
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 z 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.
x 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 Bauer-
Optimierungs-Modul
bietet eine durchgängige
Transparenz
und bewerkstelligt
den hohen Kommunikationsbedarf
des Baopt-
Regelungsalgorithmus.
Bild: Siemens AG Bild: Siemens AG
l Regelungszone
nach der Anlagensa
nierung mit Bauer-
Optimierungstechnik.
Das Bild zeigt die
Raumtemperatur-
Mittelwertbildung
sowie die sehr geringen
Abluftmengen.
z Alle relevanten
Temperatur-, Feuchte-,
Druck-, CO 2 - und VOC-
Werte werden über das
Gebäudeautomationssystem
(Siclimat X)
permanent mitgeschrieben
und im
Grundriss in Echtzeit
dargestellt.
Deutlich ablesbar über die Aufzeichnungen
des Gebäudeautomationssystems ist beispielsweise
die Korrelation zwischen der Anzahl der
Fluglotsen im Center und der Entwicklung der
CO 2 -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
Bild: Siemens AG
DIE DFS
Die Deutsche Flugsicherung GmbH (DFS) ist ein
bundeseigenes, privatrechtlich organisiertes
Unternehmen mit 6000 Mitarbeitern. Die DFS
sorgt für einen sicheren und pünktlichen Flugverlauf.
Die Mitarbeiter koordinieren täglich bis
zu 10 000 Flugbewegungen im deutschen Luftraum,
im Jahr rund 3 Mio. Deutschland ist damit
das luftverkehrsreichste Land in Europa.
Das Unternehmen betreibt Kontrollzentralen in
Langen, Bremen, Karlsruhe und München. Zudem
ist die DFS in der Eurocontrol-Zentrale in
Maastricht vertreten und in den Kontrolltürmen
der 16 internationalen deutschen Verkehrsflughäfen.
Die DFS erbringt weltweit Beratungsund
Trainingsleistungen und entwickelt und
vertreibt Flugsicherungs-, Ortungs- und Navigationssysteme.
Auch flugrelevante Daten, Luftfahrtpublikationen
und Flugberatung gehören
zum Angebot. Die DFS hat folgende Geschäftsbereiche:
Center, Tower, Aeronautical Solutions
und Aeronautical Information Management.
www.dfs.de
Bild: Siemens AG
Zentrales Verwaltungsgebäude der Deutschen
Flugsicherung in Bremen mit Tower.
gut wie nicht mehr auf x. 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 Sym-
Sys-Schulungsräume (Simulations for training,
research and development) mit 400 m 2 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. •
05 . 2012 · www.tga-fachplaner.de 19