Neues Luftkanalsystem für die Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik zu Hause

Wie die strategische Forschung von Building America dazu beitrug, eine innovative, marktreife HVAC-Lösung für Heiz- und Kühlkanäle in klimatisierten Räumen zu entwickeln

Fast ein Jahrhundert lang installierten Klempner Rohre auf die gleiche alte Weise und schnitten und löteten Metallrohre vor Ort mühsam. Dann, in den 1990er Jahren, kam ein revolutionäres Material namens vernetztes Polyethylen – besser bekannt als PEX – auf den Markt.

Wie wir jetzt wissen, handelt es sich bei PEX um einen flexiblen Schlauch, für dessen Installation weitaus weniger Anschlüsse und kein Kleber oder Lötmittel erforderlich sind ... und der nicht korrodiert. Einige Klempner sträubten sich zunächst gegen PEX, erkannten jedoch bald, dass die Benutzerfreundlichkeit und Geschwindigkeit des Systems sich positiv auf ihr Geschäftsergebnis auswirkte, ohne dass die Qualität darunter litt. Heute ist PEX das vorherrschende Sanitärsystem im Wohnungsneubau.

Dank früher Investitionen des Building Technologies Office des US-Energieministeriums (DOE) soll nun ein neues Kanalsystem die Heiz- und Kühlbranche für Privathaushalte auf die gleiche Weise verändern.

Rheia, ein neues Unternehmen, das aus Forschungsarbeiten hervorgegangen ist, die zum Teil durch das Building America Program des DOE finanziert wurden, arbeitet mit einigen der besten Hausbauer des Landes zusammen, um ein zum Patent angemeldetes „Plug-and-Play“-Luftkanalsystem vorzustellen, das für die Installation im Haus konzipiert ist klimatisierter Raum in den heutigen energieeffizienten neuen Häusern.

Das System besteht aus einem Verteiler, Kanälen mit einheitlichem Durchmesser, Anschlüssen und Diffusorkomponenten, die zusammenschnappen und ein nahezu luftdichtes Abgabesystem ohne Verwendung von Klebeband oder Mastix bilden. Die Kanäle sind klein genug, um in Wandhohlräume zu passen, wodurch es einfach ist, die Kanalverläufe innerhalb des klimatisierten Raums zu halten, was die Leistung und Energieeffizienz des gesamten Systems verbessert.

Rheia ist ein perfektes Beispiel für „vom Labor zum Wohnzimmer“-Innovationen, an denen das Building America-Programm seit 25 Jahren arbeitet, ein Prozess, der traditionell damit beginnt, dass Bauexperten in ihren Laboren herumbasteln, bis diese Innovation schließlich zum Einsatz kommt von einigen der größten Bauunternehmen des Landes.

Herkömmliche Luftkanalsysteme sind mit Problemen behaftet:

Stellen Sie sich das so vor: Wenn Sie einen Ofen mit einem Wirkungsgrad von 90 % haben, aber 30 % der Luft entweicht, bevor sie zugeführt wird, arbeitet er im Wesentlichen nur mit einem Wirkungsgrad von 60 %. Bei der Effizienz geht es nicht nur um die Ausrüstung; Es geht um das ganze System.

Bauherren sind sich dieser Probleme bewusst, aber die meisten möchten keinen wertvollen Innenraum für Leitungen aufgeben, die zumindest Leckagen innerhalb der klimatisierten Wärmehülle des Gebäudes eindämmen würden. Außerdem ist es schwierig, abgehängte Decken und Unterdecken gut aussehen zu lassen.

Im Jahr 2015 schloss sich IBACOS mit Sitz in Pittsburgh – ein langjähriger Partner von Building America mit fast drei Jahrzehnten Forschung zu Luftversorgungssystemen – mit der Housing Innovation Alliance für ein Building America-Projekt zusammen, um die Probleme zu beseitigen.

Unter Berücksichtigung mehrerer Ideen gelangte das Team schließlich zu einem einfachen, baumeisterfreundlichen „Plug-and-Play“-Kanalsystem, das in einem klimatisierten Raum untergebracht ist. Das System verwendet nur fünf Komponenten im Vergleich zu 18 bei einem herkömmlichen HVAC-Kanalsystem mit Stamm und Zweigen, und die meisten Komponenten, die die Kanäle verbinden, bestehen aus einem Glasfasergewebe über einem gewickelten Drahtrahmen.

Tatsächlich hat IBACOS bei der Entwicklung des Systems das „PEX-Modell“ verwendet. „Wir hatten die Idee, dass wir bei Häusern mit geringer Belastung kleinere Kanäle verwenden können“, sagt Andrew Poertschke, Gebäudeleistungsspezialist bei IBACOS. „Wenn Sie sie alle an einen zentralen Verteiler anschließen, erhalten Sie einen besseren und vorhersehbareren Luftstrom. Außerdem können Sie sie in klimatisierten Räumen unterbringen.“ Das System verbraucht außerdem deutlich weniger Komponenten als ein herkömmliches HVAC-System.

Ein Teil des Projekts bestand darin, eine Entwurfsmethode zur Bestimmung der Länge und Anzahl der Kanalstrecken zu entwickeln. Da die Kanäle alle gleich groß sind, benötigen einige Räume mehr als einen Kanalverlauf; Dennoch spart die einfache Installation Zeit.

Von 2015 bis 2017 führte IBACOS Labortests und Modellierungen durch, um die Technologie zu validieren. Im IBACOS-Innovationszentrum wurde ein Modell eines zweistöckigen Stadthauses gebaut und damit die Material- und Arbeitskosten für ein Haupt- und Abzweig-HLK-System und zwei Plug-and-Play-Systeme verglichen. Die Ergebnisse dieser Time-and-Motion-Studie zeigten einen deutlichen Rückgang der Arbeitskosten für das Plug-and-Play-System.

„Je mehr wir uns mit dem System beschäftigten, desto mehr wurde uns klar, dass diese Idee ein sehr starkes Arbeitswertversprechen haben und möglicherweise die Branche revolutionieren könnte“, sagt Poertschke.

Es war wichtig, dass die Kanäle klein genug waren, um in Wandhohlräume zu passen. Labortests und Modellierungen bestätigten, dass die meisten Häuser mit einer Fläche von bis zu 4.200 Quadratfuß in den Klimazonen 3–5 mit glatten Rohrleitungen mit einem Durchmesser von 3 Zoll ausreichend konditioniert werden könnten. Kleinere Häuser könnten mit 2,5-Zoll- oder 2-Zoll-Kanälen klimatisiert werden.

Um die Modellierung zu validieren, installierten IBACOS-Forscher das System in einem unbewohnten Testhaus in Pittsburgh und überwachten es auf Luftstrom- und Komfortdaten. Sie verwendeten diese HVAC-Kanalinstallation auch, um zu untersuchen, ob Türunterschnitte als primäres Mittel für die Rückluftübertragung geeignet waren (Hinweis: Das waren sie auch).

Zu diesem Zeitpunkt begann das IBACOS-Team darüber nachzudenken, wie die Lösung auf den Markt gebracht werden könnte, und diskutierte dies mit seinen vertrauenswürdigen Beratern, darunter Alan Laing.

Laing, der mehrere große Bauunternehmen geleitet hat, unter anderem als VP of Operations bei Pulte Homes, war vom Potenzial des Projekts so begeistert, dass er an Bord kam, um bei der Gründung eines neuen Unternehmens namens Rheia mitzuwirken. (Der Name leitet sich von der griechischen „Mutter der Götter“ ab, die Laing „Göttin des Trostes“ nennt.)

Rheia startete offiziell Anfang 2019 mit dem Ziel, das Plug-and-Play-Rohrsystem Mitte 2020 auf den Markt zu bringen.

„Es bestand ein strategisches Interesse daran, Bauherren zu Investoren zu machen, weil sie auch die Kunden sind“, sagt Pörtschke. „Wir wussten, dass wir auf diese Weise den Umsatz schneller steigern konnten.“ Bisher hat Rheia Kapital von acht der größten Hausbauer des Landes sowie von mehr als 30 Einzelinvestoren eingesammelt.

„Ein Großteil der Einzigartigkeit der Technologie beruht auf den Teilen und Einzelteilen“, sagt Nigel Watts, VPof Product von Rheia, der über mehr als drei Jahrzehnte Erfahrung in der Produktentwicklung verfügt, darunter eine Station bei IBACOS. „Um mit einem luftdichten System Arbeitseinsparungen zu erzielen, haben wir viel technische Arbeit geleistet“, fügt er hinzu.

Trotz der bisher bemerkenswerten Fortschritte des Systems „kann man nicht ins Home Depot gehen und ein Rheia-System von der Stange kaufen“, sagt Poertschke. Stattdessen verkauft das Unternehmen direkt an Auftragnehmer und Bauherren. Vertragshersteller stellen die Komponenten her, und das Supply-Chain-Softwareunternehmen IndustryStar Solutions, das über umfassende Erfahrung in der Automobilindustrie verfügt, hilft bei der Verwaltung der Lieferkette und stellt sicher, dass die Teile an die Baustelle geliefert werden.

Nach der Validierung seiner Leistung bestand der nächste Schritt darin, Rheia in neuen Häusern im ganzen Land zu testen. „Wir wussten, dass das System funktionieren würde“, sagt Poertschke. „Also begannen wir, jeden Markt zu erkunden und zu sehen, wie die Trades darauf reagierten.“

Im Laufe des Jahres 2020 arbeitete Rheia mit mehreren Hausbauern zusammen, um das System in 13 Häusern in verschiedenen Klimazonen zu installieren, darunter Baltimore, Indianapolis, Orlando, Florida, Pittsburgh und San Diego. Das Unternehmen nutzte diese Zeit auch, um sich die erforderlichen Zertifizierungen von Underwriters Laboratories (UL) zu sichern und Spritzguss- und Produktionskapazitäten zu beschaffen.

Das Feedback der HVAC-Installateure sei sehr positiv, sagt Watts. „Für sie ist es einfacher. Es ist weniger chaotisch, sicherer und schneller.“

Die Pilotprogramme haben Bauherren die Möglichkeit gegeben, das System zu testen, bevor sie es in größerem Maßstab einsetzen. „Es ist die erste Phase im Verkaufsprozess“, sagt Anthony Grisolia, Geschäftsführer Innovation bei IBACOS. „Bauherren wollen es ausprobieren, um die Behauptungen zu bestätigen.“

Einer der teilnehmenden Bauinvestoren war Pulte Homes, der drittgrößte Hausbauer des Landes, der aufgrund seines Engagements für Innovation, aber auch aufgrund seiner engen Verbindung zu IBACOS und seiner PERFORM-Plattform zur Investition in das Plug-and-Play-System motiviert war .

Nach dem Besuch des Testgeländes in Pittsburgh stimmte der Hausbauer zu, das System für einen seiner Grundrisse nachzubilden. „Die Möglichkeit, das System zu visualisieren, war sehr wirkungsvoll“, sagt Jeff Townsend, nationaler Beschaffungsmanager bei Pulte Homes.

Bald darauf beschloss Pulte, das System in einem seiner Häuser in Orlando, Florida, als Pilotprojekt einzusetzen. Die Installation wurde im Mai 2020 abgeschlossen. Nach dem Bau überwachte Pulte das Haus, um sicherzustellen, dass es den erwarteten Komfort bot, und simulierte verschiedene Bedingungen als ob das Haus bewohnt wäre.

Es gab Fragen, gibt Townsend zu. Das System sieht etwas anders aus. Die Luft strömt kreisförmig und nicht geradeaus aus den Registern. Er sagt jedoch, dass die Zufriedenheit der Kunden eine Dekonstruktion der Art und Weise erfordert, wie HVAC funktioniert: Das heißt, man muss aufhören, Luft durch heiße Dachböden zu drängen, und das „unvollkommene Design“ des Mischkastens beseitigen. „Bei herkömmlichen Kanalsystemen kommt es häufig dazu, dass eine Seite des Hauses überhitzt oder unterkühlt wird“, sagt Townsend.

Im Durchschnitt kommt es bei herkömmlichen Systemen zu einem Temperaturunterschied von sieben Grad von einem Teil des Hauses zum anderen. Durch die Platzierung der Rheia-Kanäle in einem klimatisierten Raum konnte Pulte den Temperaturunterschied um mehrere Grad verringern und die Systemausrüstung um eine halbe Tonne verkleinern – eine erhebliche Kosten- und Energieeinsparung. Eine RESNET HERS-Bewertungsanalyse ergab außerdem, dass die Anordnung der Kanäle in einem klimatisierten Raum eine Verbesserung um vier bis fünf Bewertungspunkte ergab.

Pultes Testhaus in Orlando wurde Ende 2020 verkauft. Das Unternehmen plant, im Laufe des kommenden Jahres mit den neuen Hausbesitzern Kontakt aufzunehmen. „Wir wollen verstehen, was dieses System für unsere Hausbesitzer bedeutet“, sagt Townsend. Das Unternehmen hat außerdem in Indianapolis ein Pilotprojekt für ein System gestartet, das sowohl Kühlung als auch Heizung bietet, und prüft derzeit andere Regionen, um herauszufinden, wo das System am besten eingesetzt werden kann.

Das Feedback der Pilothäuser wird genutzt, um einige der physischen Komponenten zu optimieren, um sie einfacher zu installieren, und um einige ästhetische Aspekte des Systems zu überdenken.

In der Zwischenzeit, nach einer zweiten Runde der Mittelbeschaffung, ist Rheias nächster Schritt der Übergang von der Pilotphase zu einem Produktionsmodell, um viel mehr neue Häuser mit dem Plug-and-Play-HLK-System zu sehen, das dem Markt endlich eine Lösung bietet, die Bauherren und ihre Kunden nutzen werden wird mögen.

Das Building America Program des US-Energieministeriums (DOE) treibt seit mehr als 25 Jahren Innovationen in den Bereichen Gebäudeeffizienz, Haltbarkeit und Erschwinglichkeit voran. Dieses erstklassige Forschungsprogramm fördert eine saubere Energiewirtschaft und qualifizierte Arbeitskräfte und arbeitet mit der Industrie zusammen, um modernste Wissenschaft und Einsatzmöglichkeiten zu nutzen, um den Energieverbrauch zu Hause zu senken und zur Eindämmung des Klimawandels beizutragen.

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Jede dieser Roadmaps ist darauf ausgelegt, die integrierten Herausforderungen im Zusammenhang mit der breiten Einführung energieeffizienter und gesunder Hochleistungshäuser strategisch anzugehen.

Eric Werling ist nationaler Direktor des Building America-Programms des US-Energieministeriums. Er ist ein Experte für Energieeffizienz in Wohngebäuden, Raumluftqualität und Bauwissenschaften und konzentriert sich darauf, im nächsten Jahrzehnt die CO2-Emissionen auf Null zu senken.

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