Wie plane ich ein kosteneffizientes und flexibles Lüftungssystem für ein Logistikzentrum?

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Notwendige  Flächen von Logistik-Immobilien werden immer weiter ausgebaut um zukünftigen Bedürfnissen zu entsprechen. Weiterhin sind Bauplaner und Architekten aufgefordert, flexible Lagerhäuser zu entwickeln, damit sich deren Lagerfläche kurzfristig erweitern, reduzieren oder vielfältig nutzen lässt.

Der Endverbrauchermarkt wächst, unter anderem durch das  E-Commerce-Geschäft, rasant an. Für anspruchsloses Lagergut werden weitgehend Infrarot-Hell- oder -Dunkelstrahler sowie direkt beheizte Warmluftsysteme zum Einsatz kommen. Für eher anspruchsvollere Lagergüter wie Lebensmittel, Medikamente, Elektronikbauteile und Convenience Produkte bieten sich dezentrale Systemlösungen an.

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Abb. 1: Der Markt für Logistikhallen ist weiter expansiv. Für Investoren spielt die Drittverwertungsfähigkeit eine immer größere Rolle. Auch die Hallenheizung muss flexibel auf die Bedürfnisse des Nutzers reagieren.

Eher zurückhaltend wird von Brancheninsidern inzwischen die Fußbodenheizung als Hallenheizsystem beurteilt. So beschreiben die Autoren des Factbooks „Zukunft Hallenheizung“, herausgegeben von der Figawa – Bundesvereinigung der Firmen im Gas- und Wasserfach e.V. – Technisch wissenschaftliche Vereinigung, Köln, die Fußbodenheizung als zu träge für die Belange einer dynamischen Hallenlogistik. Auch könne die, „flächenhafte Anordnung der Wärme-übertragung zu einer Einschränkung der Hallennutzung führen“. Und weiter: „Bei einer Fußbodenheizung lassen sich zum Beispiel Verankerungen für Maschinen und Regalsysteme nur begrenzt einbringen; eine spätere Umnutzung der Halle oder hohe Punktlasten durch Transportfahrzeuge können problematisch werden.“

Das Beste aus zentralen und dezentralen Hallenheizsystemen

Aufgrund der aktuellen Trends in der Hallenlogistik sowie der verordnungspolitischen Rahmenbedingungen (EnEV und EEWärmeG) ist für den Investor, den Halleneigentümer oder den Hallenbetreiber eine Kombination aus zentraler Wärmeerzeugung und dezentraler Umluftheizung mittel- und langfristig am nachhaltigsten. Hoval hat hierfür – gemeinsam mit einem TGA-Fachplaner – eine schlüsselfertige Lösung entwickelt, die sich aus den Modulen Wärmeerzeugung, Umluftheizung und Zonenregelung zusammensetzt.

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Abb. 2: Funktionsmodell der Hoval-Lösung „Hallenheizung“ mit Wärmeerzeuger und dezentralem Umluftheizgerät

Durch die Modulbauweise lässt sich das skalierbare System auf praktisch jede Hallengröße anpassen. Der modulare Aufbau vereinfacht nicht nur die Planung und Ausschreibung, sondern verkürzt auch die Projektabwicklung, da praktisch alle Projektschritte standardisiert sind und die Lösung aus einer Hand kommt.
 

  • Die Hallenlösung besteht aus folgenden Basismodulen:
  • Doppelkesselanlage UltraGas®
  • Regelmodul

Umluftheizgerät TopVent mit Air-Injector zur gleichmäßigen Temperaturverteilung über die ge-samte Hallenhöhe und -fläche. Die Stratifikation (Temperaturschichtung im Raum) liegt bei nur 0,15 K/Meter, ein Wert, der von den meisten Hallenheizsystemen nicht erreicht wird.

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Abb. 3: Dezentrale Umluftheizgeräte lassen sich optimal in die Halleninfrastruktur integrieren, ohne Regale, Kranbahnen, Versorgungsleitungen zu beeinträchtigen

Der Vorteil der Modullösung mit zentraler Wärmeerzeugung und dezentralen Umluftgeräten liegt u.a. darin, dem Kunden mehrere Möglichkeiten bei der Wahl des Energieträgers einzuräumen. So besteht die Option, anstatt des weitgehend in Hallen üblichen Brennstoffes Erdgas auch mit Wärmepumpe, Pellets, Hackschnitzel oder Solarthermie zu heizen bzw. diese Energien einzukoppeln. Hoval ermöglicht damit die Erfüllung des EEWärmeG, erleichtert aber auch kurzfristige Entscheidungsänderungen des Kunden hinsichtlich der Wahl des Energieträgers. Mit der Smart Grid-Funktion besteht außerdem die Option, leitungsgebundene Energieträger (Erdgas, Strom, ggf. Fern-wärme) mittels bivalenter Wärmeerzeugung mit rege-nerativen Energieträgern (Pellets, Hackschnitzel, Solarthermie) zu koppeln, um einerseits fluktuierende Energieangebote (Wind-, PV-Strom) besser nutzen zu können oder Abschaltpotenzial zu schaffen, um güns-tigere Tarife für leitungsgebundene Energien auszu-handeln. Durch den Ausbau der erneuerbaren Energien und den damit einhergehenden stark fluktuierenden Energieangeboten gewinnt die bivalente Wärmeerzeugung aus Sicht von Hoval künftig an Bedeutung.

Beispiel aus der Praxis: Lagerhalle für Lebensmittel und Convenience-Produkte

Ein Großhändler von Lebensmitteln und Convenience-Produkten will sein Logistiknetz weiter ausbauen. Vorgabe war, die Funktionsmodule Heizung, Lüftung und Regelung so weit zu standardisieren, dass Planung, Ausschreibung und Projektabwicklung innerhalb kürzester Zeit realisiert werden können. Im vorliegenden Fall geht es um ein Logistikverteilzentrum (145 m lang, 125 m breit, 12 m hoch), das auf kurze Umschlagszeiten der Waren ausgelegt ist. Der Transmis-sionswärmebedarf liegt bei 910 kW oder 4,2 W/m3. Vorgabe war, die Halle in vier Raumtemperatur-Regelzonen aufzuteilen und sie separat voneinander in Abhängigkeit der Einlagerungsmenge und Um-schlagzeit zu betreiben und zu regeln. Erfahrungsgemäß lassen sich durch die Bedarfsführung von Regelzonen – je nach Umschlagszeit und Einlagerungsmenge – 10 bis 20 Prozent Energie einsparen.
Als Wärmeerzeuger kommt eine Doppelkesselanlage (Hoval UltraGas® 900D) mit 2 x 450 kW Nennheiz-leistung zum Einsatz. Die beiden kondensierenden Gasbrennwertkessel mit einem Normnutzungsgrad von 109 Prozent werden so gefahren, dass beide Heizkessel modulierend arbeiten. Da bei Brennwertkesseln der Kesselwirkungsgrad bei Teillast höher ist als bei Volllast, erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad bei modulierendem Parallelbetrieb um rund 2 Prozentpunkte. Eine weitere Wirkungsgradsteigerung wird durch die kaskadierte Rücklaufeinspeisung in den Heizkessel erzielt, das heißt, die beiden unterschiedlich temperierten Rückläufe von den Umluftheizern (niedrig) und der Trinkwassererwärmung (hoch) wer-den sequenziell dem Abgaswärmeübertrager zuge-führt. Damit lassen sich weitere 9 Prozentpunkte beim Kesselwirkungsgrad erzielen.
Neben dem Standardmodul „UltraGas®“ gibt es bei der Wärmeerzeugung auch die Optionen Ölheizkessel (UltraOil®), Wärmepumpe (Belaria® oder Thermalia®), Biomasseheizkessel (BioLyt) und Solarthermie (UltraSol).

Weniger Gerätebedarf durch hohe Lüftungseffizienz

Das wichtigste Systemmodul der Lösung „Hallenheizung“ sind die dezentral angeordnete Hoval Umluftgeräte TopVent DHV-9/C, die für den Einsatz in Hallen mit Ausblashöhen von 4 bis 25 m entwickelt wurden. 
Durch das kanalfreie System wird die Montage stark vereinfacht, ohne die Hallen-Infrastruktur (Kräne, Regal und Fördersysteme, Versorgungsleitungen etc.) zu tangieren. Der Verzicht auf Luftkanäle reduziert außerdem den Aufwand zur Einhaltung der Hygienerichtlinie VDI 6022. Gleichzeitig wird durch das Entfallen der Luftkanäle der Stromverbrauch für die Luftförderung gesenkt.
Im hier beschriebenen Projekt sind 29 TopVent-Geräte eingebaut, um die Hallenfläche effizient zu belüften. Die Luftleistung je Gerät beträgt 8.700 m3/h, die Heizleistung maximal 137 kW. Durch den im Gerät integrierten automatisch verstellbaren Drallluftverteiler „Air-Injector“ lässt sich die Reichweite des Luftstrahls entsprechend der Ausblashöhe und der Regale-Infrastruktur exakt justieren.

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Abb. 4: Der Drallluftdurchlass Air-Injector passt den Luftstrahl mithilfe eines speziellen Fuzzy Logic-Algorithmus in der Regelung an die angrenzenden Räume eines Hochregallagers an.

Gegenüber Ausführungen mit konventionellen Umluftheizern kommt die Hoval-Lösung bei gleicher Hallengröße wegen der effizienteren Luftverteilung mit weniger Geräten und kleineren Luftmengen aus. Dadurch verringern sich auch die Investitions- und Installationskosten. 
Funktional besteht der patentierte Air-Injector aus einem Umlenkkörper und einer Düse, die für die Ausbildung eines Zuluftstrahls mit maximaler Reichweite sorgen. Hinzu kommt ein sogenannter Drallapparat, der dem Luftstrom einen Drall versetzt und damit den Streuwinkel (Induktion) des Luftstroms vergrößert. Die Strömungsform ähnelt einem umgekehrten Pilz mit einem dünnen Stiel und einem riesigen Hut. Damit können in Hallen mit bis zu 25 m Ausblashöhe optimale Strömungsverhältnisse bei hoher Komfortqualität im Aufenthaltsbereich erzielt werden. Die Tempera-turschichtung (Stratifikation) reduziert sich bei dieser Art der Lufteinbringung auf etwa 0,15 Kelvin pro Meter Ausblashöhe.  
Konventionelle Luftverteilsysteme arbeiten mit einer Stratifikation von bis zu 1,0 K/m. Durch die Air-Injector-gestützte Luftführung entsteht eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in der Halle; gleichzeitig wird die Bildung des energiezehrenden hallentypischen Warmluftpolsters unter dem Dach vermieden.

Bedarfsregelung mit Fuzzy Logic-Regelalgorithmus

Lager- und Umschlagshallen müssen ganz unterschiedlich und flexibel nutzbar sein, ebenso Miethallen, deren Auslastung noch stärker von Logistikstrategien und konjunkturellen Einflüssen bestimmt sind. Hoval hat deshalb für seine dezentralen Hallenheizsysteme eigens ein zonenbasierendes Regelungssystem entwickelt, das eine bedarfsgeführte, zeit- und temperaturvariable Heizung, Lüftung und ggf. auch Kühlung der unterschiedlichen Hallenbereiche ermöglicht und damit zur Senkung der Energiekosten beiträgt. 
Unabhängig von der Zonenregelung wird jedes einzelne Gerät sowie dessen Air-Injector individuell und autonom über den Regler mit Fuzzy Logic-Regelalgorithmus angesteuert. Die Regelungs- und Steuerungsfunktion für die Wurfweitenberechnung erfasst den Temperaturunterschied zwischen Zuluft und der Raumluft im Aufenthaltsbereich und variiert entsprechend die Zuluftmenge und den Ausblaswinkel der Luft. Damit werden Zugerscheinungen vermieden. Bei Hallenerweiterungen lässt sich das modular aufgebaute Regelungskonzept problemlos erweitern.

Fazit

Die Hoval-Lösung „Hallenheizung“ bietet durch modular aufgebaute, skalierbare Systembausteine eine maximale Flexibilität für alle Arten von Hallen und Hallennutzungen. Im beschriebenen Beispiel ging es darum, für den Bauherrn eine Lösung zu entwickeln, die sich beliebig an seine heutigen und zukünftigen Logistikbedürfnisse anpassen lässt. Das modulare System ermöglicht eine einfache Projektierung, kurze Montagezeiten und eine schnelle Inbetriebnahme.

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Abb. 5: Der Planer legt mit der Systemlösung von Hoval ein fertiges Wärme-, Lüftungs- und Regelungskonzept für die Hallenheizung vor. Das spart Zeit und Kosten.

Damit verbessert sich auch die Wirtschaftlichkeit für den Investor. Mehr noch: Durch die Bildung von Regelzonen kann die Hallenheizung sowohl auf unter-schiedliche Hallenauslastungen und Hallennutzungen reagieren als auch auf die Art des Warenumschlags.

Mit der Option einer bivalenten Wärmeversorgung auf der Basis konventioneller und regenerativer Energieträger kann die Hoval-Lösung flexibel auf künftige
Energieversorgungskonzepte mit Smart-Grid-Funktionen sowie auf die Vorgaben des Erneuerbare-Energien-Gesetzes reagieren.

Daten und Fakten: Lagerhalle für Lebensmittel und Convenience Produkte

Abmessungen (L/B/H)                              145/125/12m

Raumtemperatur                                                ca. 15°C

Außentemperatur                                                    -12°C

Heizzeiten                                              24 Stunden/Tag

                                                          ~ 240 Heiztage/Jahr

Transmissionswärmebedarf                              910 kW

Spezifischer Transmissionswärme-
bedarf                                                            ca. 4,2 W/m³

Gesamtenergiekosten                        71 915,00 €/Jahr

(Basispreise, Stand 2010:

                                                              Wärme 50 €/MWh

                                                               Strom 84 €/MWh)

Spezifische Energiekosten pro Jahr:

Grundfläche                                                       3,97 €/m²

Hallenvolumen                                                 0,33 €/m³

Wärme

Jahreswärmeverbrauch nach VDI 2068

                                                                ca. 1 176 MWh/a

Wärmekosten pro Jahr                                58 800,00 €

Strom

Jahresstromkosten bei 240 Tagen         ca. 156 MWh

Stromkosten pro Jahr                                  13 115,00 €

Investitionskosten (Endkundenpreis Deutschland)

TopVent DHV-9/C-Anlage                          87 000,00 €

Mechanische Installation                              7 200,00 €

Hydraulische Installation                            25 500,00 €

Elektrische Installation                                17 500,00 €

UltraGas-Kesselanlage                               61 000,00 €

Gesamtinvestitionskosten                        198 200,00 €

Spezifische Investitionskosten

Grundfläche                                                    10,93 €/m²

Hallenvolumen                                                 0,91 €/m³


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Autor
Loris Basso
 
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