HLK-Luftsysteme können entweder zentralisiert oder dezentralisiert sein. Zentrale Luftsysteme erhalten ihre Kühl- und Heizenergie von einer entfernten zentralen Anlage. Dezentrale HLK-Luftsysteme enthalten die zentrale Heiz- und Kühlanlagenausrüstung innerhalb des Luftsystems selbst. HVAC-Luftsysteme können auch ein konstantes Luftvolumen (CAV) oder ein variables Luftvolumen (VAV) sein. CAV-Systeme liefern einen konstanten Zuluftstrom bei variabler Temperatur. VAV-Systeme liefern einen variablen Zuluftstrom bei konstanter Temperatur. CAV- und VAV-Luftsysteme können weiter unterteilt werden in Systeme, die eine einzige Temperaturzone konditionieren, und Systeme, die mehrere Temperaturzonen konditionieren.
Unabhängig davon, ob die HVAC-Luftsysteme zentral oder dezentral, CAV oder VAV sind, eine einzelne Zone oder mehrere Zonen bedienen, die Auswahlmöglichkeiten für Heiz- und Kühlschlangen innerhalb der Einheiten sind gleich. Im Allgemeinen besteht die Heizschlange in zentralisierten HVAC-Luftsystemen aus heißem Wasser, Dampf oder Strom, und die Kühlschlange aus gekühltem Wasser. Die Heizspirale in dezentralisierten HVAC-Systemen ist elektrisch, direkt oder indirekt gasbefeuert oder (umgekehrtes) Direktexpansions-(DX)-Kältemittel (nur für Wärmepumpen); Die Kühlschlange ist DX-Kältemittel.
Einzelzone
Ein Einzelzonen-CAV-System besteht aus einem Lüftungsgerät, das einen konstanten Zuluftstrom liefert (Abb. 1). Die Heiz- und/oder Kühlleistung des Geräts wird moduliert, indem die Temperatur des Zuluftstroms variiert wird, um die Anforderungen eines einzelnen Thermostats zu erfüllen, der in einem der vom Gerät versorgten Räume montiert ist.
Einzelzonen-CAV-Systeme können mehrere Räume bedienen; Daher ist es wichtig, sicherzustellen, dass alle Räume, die von einem Einzelzonen-CAV-System bedient werden, ähnliche HVAC-Lasteigenschaften aufweisen.
Heizung und Lüftung
Heizungs- und Lüftungssysteme (H&V) werden verwendet, um Räume zu versorgen, die nur beheizt werden müssen und auch eine Außenluftbelüftung zur Belüftung der Bewohner oder zur Abluftaufbereitung benötigen. H&V-Geräte sind oft so konfiguriert, dass sie 100 % Außenluft liefern. Sie können jedoch Rückluftfunktionen haben, wenn der Außenluftstrom geringer ist als der Zuluftstrom, der erforderlich ist, um eine effektive Beheizung der im Winter versorgten Räume zu gewährleisten. Wenn die Geräte die von ihnen versorgten Räume während unbesetzter Zeiten beheizen, wenn die Abluftsysteme abgeschaltet und die Außenluftklappen geschlossen sind, können H&V-Geräte auch mit Rückluftfunktion ausgestattet werden. H&V-Geräte wälzen normalerweise 100 % der Luft während des unbesetzten Betriebsmodus um.
Im Sommer ist es üblich, dass H&:V-Geräte ihre Außen- und Rückluftklappen so positionieren, dass sie 100 % Außenluft in die versorgten Räume liefern, um die Raumtemperatur auf 5 bis 10 °F höher als die Außentemperatur zu halten. Wenn die H&:V-Geräte über eine Rückluftfunktion verfügen, müssen innerhalb der versorgten Räume Vorkehrungen getroffen werden, um die überschüssige Außenluft, die während des Sommerbetriebs eingeführt wird, entweder abzubauen oder abzuführen.
Die Temperaturregelung für H&:V-Systeme ist die gleiche wie für das zuvor beschriebene Einzelzonen-CAV-System, außer dass der Raumthermostat nur die Heizleistung der H&V-Einheit regelt. Einige gängige Beispiele für Räume, die H&V-Systeme erfordern, sind Turnhallen, Umkleideräume und Küchen:
Mehrere Zonen
CAV-Systeme sind nicht gut geeignet, um mehrere Zonen zur Temperaturregelung bereitzustellen, da die Versorgung mehrerer Zonen mit CAV-Systemen höhere Energiekosten und in einigen Fällen höhere Anschaffungskosten verursacht als die normalerweise verfügbaren VAV-Optionen. Durch die Verwendung von Nacherwärmungs-, Zweikanal- und Mehrzonenkonfigurationen können CAV-Systeme jedoch mehrere Temperaturzonen für bestimmte Anwendungen bedienen, insbesondere für Renovierungen bestehender Systeme.
Aufwärmen
Ein CAV-Nacherwärmungssystem besteht aus einer CAV-Einheit, deren Zuluftleitung sich verzweigt, um mehrere Zonen innerhalb des von der Einheit versorgten Bereichs zu versorgen (Abb. 2). Innerhalb des Zweigkanals zu jeder Zone ist ein Nachheizregister montiert. Typischerweise wird die Austrittslufttemperatur von der CAV-Einheit auf ungefähr 55°F gehalten, so dass sie den Kühlbedarf der Temperaturzonen decken kann, falls erforderlich. Ein Nur-Heiz-Thermostat in jeder Zone regelt die Heizleistung des zugeordneten Zonen-Nachheizregisters. Diese Spule heizt die Zuluft von der CAV-Einheit nach Bedarf auf, um den Sollwert des Zonenthermostats aufrechtzuerhalten. Wenn in der Zone keine Heizung benötigt wird, wird die Heizspirale abgeschaltet. Das Nachheizregister der Zone muss nicht nur so dimensioniert werden, dass es die Wärmeverluste der Gebäudehülle für die Zone deckt, sondern auch den Zuluftstrom von der Ablufttemperatur (typischerweise 55 °F) auf den Kühlsollwert der Zone (typischerweise 75 °F) anhebt.
CAV-Nacherhitzungssysteme sind nicht energieeffizient, da eine gleichzeitige Kühlung (an der CAV-Einheit) und Erwärmung (an der Nacherhitzerschlange) des Zuluftstroms auftritt. Bei der Auslegung von CAV-Nacherwärmungssystemen ist Vorsicht geboten, da der International Energy Conservation Code von 2018, Abschnitt 503.4.5, vorschreibt, dass der Zuluftstrom auf mindestens 30 % des maximalen Zuluftstroms für jede Zone reduziert werden muss, bevor eine Nacherwärmung erfolgen kann. Eine Ausnahme von dieser Regel bilden Zonen mit besonderen Anforderungen an die Feuchtigkeitsregelung.
Doppelkanal
Ein Zweikanal-CAV-System umfasst zwei separate Zuluftkanäle, einen Warmkanal und einen Kaltkanal, die mit einem speziell konfigurierten CAV-Lüftungsgerät verbunden sind (Abb. 3). Der Zuluftstrom wird innerhalb des Gerätes nach dem Zuluftventilator in das sogenannte Heißdeck und Kaltdeck aufgeteilt. Eine Heizschlange ist innerhalb der Einheit im heißen Deck installiert und eine Kühlschlange ist innerhalb der Einheit im kalten Deck installiert. Ein Teil des Zuluftstroms wird durch das Heizdeck geblasen und durch den an das Gerät angeschlossenen Hauptheizkanal abgeleitet. Der restliche Zuluftstrom wird durch das Kaltdeck geblasen. und durch den an das Gerät angeschlossenen kalten Hauptkanal abgeführt. Sowohl die Warm- als auch die Kaltversorgungsleitungen werden parallel zueinander durch das Gebäude geführt und verzweigen sich, um mehrere Zonen innerhalb des von der Einheit versorgten Bereichs zu versorgen.
Jede Zone ist mit einer Zweikanal-Mischbox ausgestattet, die sowohl Warm- als auch Kaltkanal-Einlassanschlüsse hat, von denen jeder mit einer motorbetriebenen Klappe und einem Einlassluftstromsensor ausgestattet ist. Die Zweikanal-Mischbox hat einen Einkanalauslass, durch den der Zone Luft zugeführt wird. Die Temperatur der der Zone zugeführten Luft wird gesteuert, indem die heißen und kalten Luftströme am Zweikanal-Mischkasten nach Bedarf moduliert werden, um den Sollwert des Zonenthermostats aufrechtzuerhalten. Bei CAV-Zweikanal-Mischboxen bleibt der gesamte Zuluftstrom zur Zone konstant.
Typischerweise wird die Lufttemperatur des kalten Decks von der CAV-Lüftungsanlage auf etwa 85°F gehalten, so dass Kühlung verfügbar ist, wenn die Temperaturzonen dies erfordern. Die Temperatur des heißen Decks von der CAV-Einheit wird bei ungefähr 55°F gehalten, so dass eine Heizung verfügbar ist, falls dies von den Temperaturzonen benötigt wird. Die Heizschlange in einem Zweikanal-Lüftungsgerät kann Heißwasser, Dampf oder elektrisch sein. Die Kühlschlange besteht normalerweise aus gekühltem Wasser. Zweikanal-Lüftungsgeräte verwenden selten, wenn überhaupt, eine DX-Kältemittel-Kühlschlange.
Zweikanalige CAV-Systeme finden wegen der hohen Anschaffungskosten im Allgemeinen keine Anwendung in gewerblichen Gebäuden. Daher gehen wir hier nicht näher auf Zweikanalsysteme ein. Zweikanalige CAV-Systeme wurden vor Jahren hauptsächlich zur Versorgung von Laborbereichen innerhalb von Gebäuden entwickelt. Daher ist es für den Konstrukteur des HV-AC-Systems erforderlich, diese Art von System zu verstehen, wenn ein Projekt die Renovierung eines Gebäudes mit einem Zweikanal-CAV-System beinhaltet. Heutzutage stehen jedoch mehr moderne HVAC-Systeme zur Versorgung von Laborbereichen zur Verfügung, die niedrigere Anschaffungskosten und niedrigere Betriebskosten haben als Zweikanal-CAV-Systeme. Daher ist es unwahrscheinlich, dass ein neues Gebäude ein Zweikanal-CAV-System benötigt.
Mehrzonen
Mehrzonen-CAV-Systeme ähneln Zweikanal-CAV-Systemen darin, dass es innerhalb der Lüftungseinheit ein Heißdeck und ein Kaltdeck gibt (Abb. 4). Der Unterschied besteht darin, dass die heißen und kalten Luftströme für jede Zone am Lüftungsgerät gemischt werden. Es gibt eine motorbetriebene Warm- und Kaltluftklappe, die am Auslass der Lüftungseinheit für jede Zone montiert ist; das heißt, wenn die Einheit eine Fünf-Zonen-Einheit ist, sind fünf motorbetriebene Klappen für das Heißdeck und fünf motorbetriebene Klappen für das Kaltdeck am Auslass der Einheit montiert. Es gibt einen einzelnen Kanalanschluss am kombinierten Auslass jedes Heiß- und Kaltdämpfers, der jede Zone versorgt, durch die Luft in die Zone geleitet wird. Die Temperatur der jeder Zone zugeführten Luft wird gesteuert, indem die heißen und kalten Luftströme am Luftbehandlungsgerät nach Bedarf moduliert werden, um den Sollwert des Zonenthermostats aufrechtzuerhalten. Bei CAV-Mehrzonensystemen bleibt der gesamte Zuluftstrom zu jeder Zone konstant. Die heißen und kalten Decktemperaturen für Mehrzonen-CAV-Systeme sind ähnlich den Decktemperaturen für Zweikanal-CAV-Systeme.
Mehrzonen-CAV-Systeme werden üblicherweise nicht in gewerblichen Gebäuden verwendet, da die verfügbaren VAV-Optionen typischerweise niedrigere Anschaffungskosten und niedrigere Betriebskosten haben. Außerdem ist die Anzahl der Zonen, die von einem Mehrzonengerät untergebracht werden können, durch den physischen Platz begrenzt, der für die Installation der motorbetriebenen Heiß- und Kaltluftklappen für jede Zone am Auslass des Luftbehandlungsgeräts verfügbar ist. Daher können Mehrzoneneinheiten nicht mehr als etwa acht Zonen bedienen. Die Anzahl der Zonen, die von einem VAV-System versorgt werden können, ist nicht durch die Ausstattung begrenzt, sondern wird durch die Bedürfnisse der versorgten Bereiche bestimmt.
HVAC Design Sourcebook - W. Larsen Engel, PE, LEED AP, ist ein Prinzipal in der MEP-Beratungsingenieurfirma Green Building Energy Engineers. Er ist seit mehr als 30 Jahren in der MEP-Beratungstechnikbranche tätig. Herr Angel hat zur Entwicklung von Designstandards beigetragen und findet weiterhin neue Wege, um den HLK-Systemdesignprozess zu rationalisieren.
