SI/502513

Schlussbericht

Die Raumluftfeuchtigkeit ist eine wichtige Grösse für die Beurteilung der thermischen Behaglichkeit und Raumluftqualität in Wohn- und Arbeitsräumen. Wesentlich sind dabei die untere Grenze zur Vermeidung von trockener Raumluft und die obere Grenze zur Vermeidung von Schwüleempfinden. Wachsende Komfortansprüche, aber auch Imagekampagnen, führen teilweise zu Forderungen nach einem engeren Komfortband, als es bisherige Schweizer Normen festlegen. Bei Lüftungs- und Klimaanlagen mit einer Enthalpierückgewinnung (ERG) kann der Grossteil der Feuchte aus der Abluft an die Zuluft übertragen werden. Diese kombinierte Feuchte- und Wärmerückgewinnung bietet die Möglichkeit, die Leistung für die Be- und Entfeuchtung wesentlich zu reduzieren oder gänzlich darauf zu verzichten. Die jährlichen Volllastzeiten für Be- und Entfeuchtung liegen jeweils im Bereich von rund 100 bis 700 Stunden, was bedeutet, dass die Leistungsspitzen ökonomisch und energiepolitisch relevanter sind als der Jahresenergiebedarf. Steigende Aussentemperaturen und die damit verbundene steigende Luftfeuchtigkeit können zu Verschiebungen vom Winter in den Sommer führen. [Kapitel 1 und 2] Im Projekt RePPER wurde untersucht, wie sich die verschiedenen Einflussgrössen auf den Bedarf und die Leistungsspitzen für Be- und Entfeuchtung auswirken und welchen Beitrag die ERG dabei leisten kann. Für die sog. Ingenieurmethoden wurden Be- und Entfeuchtungsgrammstunden für zehn Schweizer Klimastationen mit jeweils drei Klimaszenarien aufbereitet. Damit werden Grundlagen zur Verfügung gestellt, um in einer frühen Projektphase einfache Abschätzungen des Energie- und Leistungsbedarfs durchzuführen. Mittels dynamischer Gebäudesimulationen mit der Software IDA ICE wurde der Bedarfsnachweis für Be- und Entfeuchtung erstellt sowie der Energie- und Leistungsbedarf ermittelt. Dabei wurde eine konventionelle Wärmerückgewinnung (Platten-Wärmeübertrager ohne Feuchterückgewinnung) und Enthalpierückgewinner mit Membran und Rotor miteinander verglichen. Die rund 140 Simulationsfälle umfassten ein Büro- und ein Wohngebäudemodell, fünf Klimastationen Zürich-Kloten, Davos, Lugano, Samedan und Mailand (letztere nur für den Leistungs- und Energiebedarf), drei verschiedene zukünftige Klimaszenarien (RCP 8.5 2035, RCP 8.5 2060 und RCP 2.6 2060), drei verschiedene Kombinationen von Feuchtegrenzwerten und Aussenluftvolumenströmen pro Person sowie zwei unterschiedliche Aussenluftinfiltrationsraten. Die Nutzungsbedingungen basieren auf SIA 2024:2021, wobei bei Büros der nicht von Personen stammende Feuchteanfall reduziert wurde. Auf Basis der Resultate der Simulationen wurde mit den Klimadaten von Zürich-Kloten RCP 8.5 2035 die nationale Relevanz abgeschätzt. Dabei wurde angenommen, dass mit Wärmepumpen geheizt und mit den wasserführenden Systemen gekühlt wird. [Kapitel 3] Für die drei Stationen Zürich-Fluntern, Zürich-Kaserne und Lugano wurden die Messwerte der Jahre 2015 bis 2022 mit den Prognosewerten 2035 verglichen. Dabei hat sich gezeigt, dass der Klimawandel bezüglich Luftfeuchtigkeit deutlich weiter fortgeschritten ist als erwartet. Die für 2035 prognostizieren Stunden mit Feuchtkugeltemperaturen über 19 °C werden schon heute erreicht oder teilweise überschritten. Es wird daher empfohlen, bereits heute mit den Daten des Klimaszenario RCP 8.5 2035 zu dimensionieren. [Abschnitt 4.1.12] Die Ergebnisse der Gebäudesimulationen (Kapitel 4.3) zeigen, dass in Zukunft mit höheren Raumluftfeuchten zu rechnen ist, auch wenn diese oft noch unter dem oberen Grenzwert der SIA 180:2014 liegen. Die Notwendigkeit, eine Entfeuchtungseinrichtung zu installieren, wurde nur für die Klimastation Lugano festgestellt. Unter den Simulationsbedingungen kann der Entfeuchtungsbedarf durch den Einbau einer ERG nicht wesentlich reduziert werden. Bei den verwendeten Klimaszenarien wird der Befeuchtungsbedarf in Zukunft abnehmen. Der Ersatz einer Wärmerückgewinnung (WRG) durch eine ERG führt zu einer deutlichen Reduktion des Befeuchtungsbedarfs, und zwar umso mehr, je höher die Feuchteeffizienz ist. Unter den simulierten Fällen wurde der höchste Befeuchtungsbedarf und der grösste Nutzen der ERG für die Klimastation Davos ermittelt. Im Beispiel des verwendeten Modells für das neue Bürogebäude und dem Klimaszenario RCP 8.5 2035 reduziert sich hier die Nutzungszeit, während der die relative Raumluftfeuchte von 30 % unterschritten wird, von 15 % mit WRG auf weniger als 1 % mit ERG mit Rotor. In Lugano kann praktisch immer auf eine aktive Befeuchtung verzichtet werden, wenn die Lüftungsanlage mit einer ERG ausgestattet ist. Die Erhöhung der Mindestanforderung an die relative Raumluftfeuchte von 30 % auf 40 % führt zu einer deutlichen Erhöhung des Befeuchtungsbedarfs. Im Beispiel des verwendeten Modells für das neue Bürogebäude, dem Klimaszenario Zürich-Kloten RCP 8.5 2035 und einer ERG mit Rotor, erhöht sich die Dauer, in welcher der Sollwert nicht erreicht wird, von 1 % auf 10 % der Nutzungszeit. Eine Erhöhung des Aussenluftvolumenstroms pro Person führt zu einer des Befeuchtungsbedarfs und zu einer leichten Verringerung des Entfeuchtungsbedarfs. Bei hohen spezifischen Aussenluftvolumenströmen scheint der Einsatz einer ERG weniger effektiv zu sein als bei tieferen. Bei gleichem Luftvolumenstrom und gleicher relativer Mindestfeuchte erhöht eine höhere Aussenluftinfiltrationsrate den Befeuchtungsbedarf und verringert den Nutzen der ERG. Die Simulationen zeigen auch, dass der Ersatz einer WRG durch eine ERG zu einer deutlichen Reduzierung der Spitzenleistung und des Energiebedarfs für die Befeuchtung führt. Der Einfluss der ERG auf den Leistungsbedarf für die Entfeuchtung ist nicht eindeutig, aber auf jeden Fall geringer als für die Befeuchtung. Es gibt eine Tendenz, wenn nicht sogar einen deutlichen Anstieg des Energiebedarfs für die Entfeuchtung mit ERG anstelle einer WRG. Dieser Anstieg ist umso ausge-prägter, je höher die Feuchteeffizienz ist. Die Ingenieurmethoden erlauben einen relativen Vergleich des Ent- und Befeuchtungsbedarfs bei sich ändernden Klimadaten (Wechsel der Klimastationen und/oder des Klimaszenarios). Aber sie sind für die Quantifizierung des Ent- und Befeuchtungsbedarfs nur von begrenztem Nutzen und erfordern eine sorgfältige Festlegung der Bedingungen, um vergleichbare Ergebnisse mit den wesentlich detaillierteren dynamischen Gebäudesimulationen zu erzielen. Es gilt zu bedenken, dass Gebäudesimulationen zwar Systeme genauer abbilden können, dass sie dafür aber fortgeschrittene Kenntnisse, wenn nicht gar Expertenwissen bei der Modellbildung und Interpretation erfordern. Zudem sind Details für die Erstellung von exakten Simulationsmodellen in frühen Projektphasen selten bekannt. [Abschnitt 4.2.1] Bisher wurde in den SIA-Normen eine minimale Raumluftfeuchte von 30 % r.F. gefordert. Neue Normen lassen bei der Wahl der minimalen Raumluftfeuchte mehr Spielraum und nennen auch Raumluftkategorien mit einer minimalen Raumluftfeuchte von 40 % r. F. Wenn künftig gesamtschweizerisch in allen neuerstellten und sanierten Lüftungs- und Klimaanlagen der Minimalwert von 30 auf 40 % r.F. angehoben würde, ergäbe sich eine zusätzliche elektrische Leistungsspitze im Winter von 200 bis 300 MW. Ein konsequenter Einsatz der ERG in neuen und sanierten Lüftungs- und Klimaanlagen hat das Potenzial die Leistungsspitze des schweizerischen Elektrizitätsverbrauchs im Winter um 100 bis 200 MW zu reduzieren. Im Sommer ist der Effekt auch im zu erwartenden Klima von 2035 gering. Das Potenzial der Energieeinsparung durch die ERG ist im Vergleich zum schweizerischen Gesamtverbrauch klein. Im Winter kann der Beitrag aber dennoch rund 0.5 % des Elektrizitätsbedarf des schweizerischen Dienstleistungssektors betragen. [Kapitel 4.4] Die Normen SIA 180:2014 und SIA 382/1:2014 verlangen erst dann eine Be- oder Entfeuchtung, wenn jeweils während mehr als 10 % der jährlichen Nutzungszeit der Sollwert nicht eingehalten wird. Bei der Erstellung der Simulationsmodelle und dem Festlegen der Rahmendbedingungen wurde festgestellt, dass die Normen beim Nachweis einen erheblichen Spielraum offen lassen. So ist es beispielsweise bei Mehrzonenanlagen nicht eindeutig, ob sich die Anforderungen auf jeden einzelnen Raum (Sitzungszimmer, Einzelbüro, Gruppenbüro, ...) beziehen oder als Mittelwert von Zonen, Nutzungseinheiten oder Gebäuden zu verstehen sind. Ebenso wurde bei der Ausarbeitung der Regelstrategie für die Be- und Entfeuchtung festgestellt, dass die Anforderungen in der SIA 380/2:2022 nur rudimentär beschrieben sind und vertiefter behandelt werden sollten. Die SIA 382/1:2014 fordert, dass beim Betrieb einer aktiven Be- oder Entfeuchtung der Sollwert während maximal 1 % der Nutzungszeit nicht eingehalten werden darf. Diese Anforderung sollte diskutiert werden, da etwas höhere Abweichungen oder andersartig formulierte Anforderungen die Spitzenleistungen deutlich reduzieren könnten. [Kapitel 5.2].