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Sep 11, 2023

Heizen und Kühlen werden mit der Zeit einfacher und komplizierter

Eine Rückkehr zu einfachen Kältemitteln ist im Gange, wobei Kohlendioxid vermarktet wird

Eine Rückkehr zu einfachen Kältemitteln ist im Gange, wobei Kohlendioxid als R744 vermarktet wird. Natürlich sind die HVAC-Systeme in Gewerbegebäuden alles andere als einfach. Sie nutzen intelligente Technologien, um den Energiebedarf zu antizipieren und arbeiten dadurch effizienter als zu Zeiten einfacher Thermostate. Getty Images

Seit 1 bis 2 Millionen Jahren nutzt die Menschheit Energie zur Wärmeerzeugung. Nach Angaben des US-Patentamts nutzen wir seit weniger als 200 Jahren Energie, um in die andere Richtung zu gehen und Wärme abzuleiten. Das ist ein großer Unterschied, aber natürlich ist er leicht zu erklären. Bei der ersten ging es darum, herauszufinden, wie man Feuer, ein Naturphänomen, entfacht und unter Kontrolle bringt; die zweite erforderte Maschinen und sollte erst irgendwann nach Beginn der industriellen Revolution stattfinden.

Das erste Patent für eine Kühlmaschine wurde 1851 erteilt. Obwohl es kein kommerzieller Erfolg war, zeigte es, dass mechanische Prinzipien zur erfolgreichen Kühlung einer Flüssigkeit eingesetzt werden können. Das von dem Arzt John Gorrie zur Kühlung von Patientenzimmern entwickelte System komprimierte die Umgebungsluft (und erwärmte sie), entzog ihr einen Teil der Wärme und ließ dann den Druck ab (und kühlte sie ab). In Gorries Aufbau entzog der Kühlprozess Wärme aus einer Salzlösung und senkte deren Temperatur auf etwa 26 Grad Fahrenheit. Von diesem Zeitpunkt an war es ein Kinderspiel, mit Wasser gefüllte Schalen in die Salzlösung zu stellen, um Eis herzustellen. Willis Carrier nutzte ein ähnliches Konzept der Komprimierung eines Gases, um 1902 die erste moderne Klimaanlage zu entwickeln.

Andere Entwickler verwendeten andere Gase wie Ether und Ammoniak. Ammoniak wird in einigen Systemen bis heute noch verwendet, viele der anderen frühen Gase wurden jedoch aus dem Verkehr gezogen und durch synthetische Kältemittel ersetzt. Im Laufe der Jahre wurde eine Vielzahl von Verbindungen verwendet, aber die Umweltgesetzgebung hat vielen davon ein Ende gesetzt.

Leute, die kürzlich an einem Online-Seminar mit dem Titel „Trends in der HVAC-Herstellung“ teilgenommen haben, haben erfahren, dass der neueste Trend darin besteht, die Sache durch die Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel zu vereinfachen. Die von T-Drill mit einem Beitrag der Copper Development Association veranstaltete Sitzung erörterte die Verwendung von CO2 (vermarktet als R744), neue Systemdesigns mit stabileren Rohren sowie die für deren Herstellung erforderlichen Legierungen und Werkzeuge.

Die beiden Vorteile von CO2 sind sein Beitrag zum Ozonabbau (der null ist) und sein Beitrag zur globalen Erwärmung (nahezu null). Das Referenzgas für das globale Erwärmungspotenzial (GWP) ist CO2 mit der Bewertung 1. R22 auf Freon-Basis hat eine Bewertung von 2.400, was bedeutet, dass 2.400 lbs. CO2 hat das gleiche GWP wie 1 Pfund R22.

Die Verwendung von CO2 hat einige Nachteile. Erstens ist es zwar eine natürliche Verbindung, aber schwerer als Luft. Wenn also ein System undicht wird und es die Umgebungsluft verdrängt, besteht Erstickungsgefahr. Zweitens erfordert ein System, das R744 verwendet, höhere Systemdrücke und erzeugt höhere Temperaturen als Kunststoffe (1.300 bis 1.900 PSI und 320 Grad F). Dies hat natürlich zu einem Umdenken im Systemdesign und der Verwendung einer Kupferlegierung mit zusätzlichem Eisen für mehr Festigkeit geführt: C19400. Es besteht zu 97 % aus Kupfer mit einem gewissen Eisengehalt von 2,1 % bis 2,6 %, um es stärker zu machen als ein Standardkupfer, das für HVAC-Systeme verwendet wird, C12200.

Obwohl das Material stärker ist – die maximale Zugfestigkeit beträgt 68.000 PSI gegenüber 50.000 PSI bei C12200 – ist es nicht allzu hart. Die CDA bewertet C19400 als „hervorragend“ für die Kaltbearbeitung, und T-Drill berichtet, dass es deutlich im Arbeitsbereich seiner Werkzeuge liegt.

Natürlich leisten moderne Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) für Gewerbegebäude viel mehr als ihre Vorgänger. Hier beginnen die Dinge kompliziert zu werden.

Wir alle wollen unsere Rechnungen und den Energieverbrauch senken, nicht wahr? Natürlich machen wir das. Als Teil dieser Bemühungen verfügen die neuesten HVAC-Steuerungssysteme über weitaus mehr Sensoren als je zuvor und verfügen über die Fähigkeit zur Selbstüberwachung, Analyse und Berichterstattung (SMART).

Leute, die kürzlich an einem Online-Seminar mit dem Titel „Trends in der HVAC-Herstellung“ teilgenommen haben, haben erfahren, dass der neueste Trend darin besteht, die Sache durch die Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel zu vereinfachen. Die von T-Drill mit einem Beitrag der Copper Development Association veranstaltete Sitzung erörterte die Verwendung von CO2 (vermarktet als R744), neue Systemdesigns mit stabileren Rohren sowie die für deren Herstellung erforderlichen Legierungen und Werkzeuge.

Viele Faktoren beeinflussen den Heiz- oder Kühlbedarf in einem Gewerbe- oder Industriegebäude, beispielsweise die Jahreszeit, die Außentemperatur und die Anzahl der Personen im Gebäude (oder in einem Teil des Gebäudes). Die Sensoren des SMART-Systems messen Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO₂ und Belegung, um den Komfort im Gebäude aufrechtzuerhalten. Das Steuerungssystem erstellt ein Profil, sodass es den Energiebedarf vorhersehen kann, anstatt nur zu reagieren. Anstatt dass der Boiler oder die Klimaanlage aktiviert wird und einfach auf Hochtouren läuft, kann das System die Nase vorn haben, langsam hochfahren und die Energie effizienter verbrauchen. In einem großen Gebäude mit mehreren Kompressoren verwendet das System nur so viele Kompressoren, wie es zu einem bestimmten Zeitpunkt benötigt, und kann die Geschwindigkeit der Gebläse variieren, um die Leistung und Verteilung der klimatisierten Luft zu ändern.

Warte warte! Es wird besser. Eine Studie über die Auswirkungen der Umgebung eines Gebäudes auf die kognitiven Fähigkeiten, die COGfx-Studie, zeigte, dass eine bessere Luftqualität die kognitiven Reaktionen in neun Bereichen verbesserte. Und bei einigen Untersuchungen zeigte sich, dass sich die kognitiven Fähigkeiten der Menschen verdoppelten, wenn sie in einer besseren Umgebung getestet wurden. Zu den Maßstäben der Luftqualität gehörte auch die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs). In den modernsten Gebäuden mit SMART HVAC betrug die VOC-Belastung weniger als 50 Mikrogramm pro Kubikmeter; in herkömmlichen Gebäuden waren es mindestens das Zehnfache, also zwischen 500 und 700.

Zugegeben, der Hauptunterstützer der Studie war Carrier, aber dennoch ist der Bericht das Ergebnis einer dreijährigen wissenschaftlichen Studie, die von Leuten an verschiedenen Universitäten durchgeführt wurde, und weist daher den Stempel der Legitimität auf. Carrier trug auch zu einer Studie über die gesundheitlichen Auswirkungen der Verwendung eines modernen HVAC-Systems bei, der HEALTHfx-Studie.

Wie auch immer, wenn Sie das nächste Mal einen Mitarbeiter aus der Wartungsabteilung Ihres Gebäudes sehen, der ein zwei- oder dreibändiges Benutzerhandbuch durchsieht, fragen Sie ihn lieber nicht, was er tut. Er behebt Fehler im HVAC-System. Es scheint sicherlich ein großer Aufwand zu sein, und das Wartungsteam verlässt sich wahrscheinlich auf Spezialisten des Auftragnehmers, der das System installiert hat, um seinen Betrieb zu optimieren – ja, es ist so kompliziert –, aber ein SMART HVAC-System kann sich durch Energieeffizienz und Arbeitsproduktivität amortisieren.