TGA Energietechnik

TGA Ausgabe 10-2010
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

Konsequentes Downsizing

1 Vom Möbelhaus zum Finanz-Center: Die Volks- und Raiffeisenbank e.G. Schweinfurt-Land überzeugt nach dem Umbau mit einem extrem niedrigen Gesamtenergieverbrauch. (Quelle: Yazaki)
1 Vom Möbelhaus zum Finanz-Center: Die Volks- und Raiffeisenbank e.G. Schweinfurt-Land überzeugt nach dem Umbau mit einem extrem niedrigen Gesamtenergieverbrauch.

Die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung lohnt besonders dann, wenn ganzjährig Strom, ­Wärme und Kälte gebraucht wird. Beim Umbau eines Möbelhauses zum FinanzCenter der Volks- und Raiffeisenbank Schweinfurt-Land gelang dem Planer das Kunststück, die hochwärmegedämmte Gebäudehülle, das BHKW zur Eigenstromerzeugung, die Absorptionskältemaschine sowie eine Freikühleinrichtung mithilfe einer thermischen Gebäudesimulation und Variationsrechnung optimal aufeinander abzustimmen.

Viele Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen (KWKK) kleiner Leistung passen nicht zum Nutzungsprofil des Gebäudes, sind oft überdimensioniert oder verfügen über einen zu geringen Energiepuffer, um Wärmeüberschüsse bzw. zusätzlichen Kühlbedarf auszugleichen. Geringe Jahresbetriebsstunden, verschleißfördernder Taktbetrieb und dadurch oft höhere spezifische Strom-, Wärme- und Wartungskosten als bei konventionellen Wärme- und Kälteerzeugungsanlagen sind die Folge. Doch es gibt auch positive Beispiele: Beim Umbau eines Möbelhauses zu einem Finanz-Center der Volks- und Raiffeisenbank e.G. Schweinfurt-Land Abb.: 1 in der Gemeinde Sennfeld scheinen Architekt, Bauherr, Fachplaner und Anlagenbauer alles richtig gemacht zu haben.

Bettina Richter Abb.: 2, Geschäftsführerin vom Planungsbüro Rauch+Richter GbR, Gochsheim, erklärt das erfolgreiche Energiekonzept so: „Wir legten zuerst – zusammen mit dem Bauherrn und dem Architekten – den energetischen Standard des Gebäudes fest. Dann strukturierten wir die bankspezifische IT-Ausstattung und erst dann überlegten wir uns, welche Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik am besten dazu passt.“

Zielpunkt für die Planung war ein Gebäudeenergiebedarf für Strom, Wärme und Kälte von 100 bis 120 kWh/(m2 a). Wichtig für die Entscheidungsfindung war außerdem, dass die Raumtemperatur im Sommer zwischen 22 und 26 °C schwanken darf und damit das Speichervermögen des Gebäudes mit in das Energiekonzept eingebunden werden konnte. Durch die Nachdämmung der vorhandenen Außenwände mit 20 cm Vollwärmeschutz auf einen Gesamt-U-Wert von ca. 0,2 W/(m2 K) ergab sich unter Berücksichtigung der inneren Lasten durch Beleuchtung und Computer ein Heizwärmebedarf von nun noch 12 bis 15 W/m2.

Die Kühllast konnte durch eine Dreischeibenverglasung mit integriertem, automatisiertem Sonnenschutz und Tageslichteinspiegelung, eine hocheffiziente, bedarfsorientierte Beleuchtung sowie den Einsatz von energiesparender Bürokommunikationstechnik auf 20 bis 25 W/m2 festgelegt werden. Eine Simulationsrechnung der Heizlast des 2700 m2 Nutzfläche umfassenden Gebäudes bestärkte das Planungsbüro darin, von einer eher niedrigeren Heizlast auszugehen. So lag die Heizlast nach DIN EN 128311) bei 39 kW, die der thermischen Gebäudesimulationsrechnung nach Riuska (Grundlund Oy, Helsinki) bei nur 30 kW. Im praktischen Betrieb kommt das Gebäude während der Heizperiode sogar an fast allen Tagen mit nur 20 kW Heizleistung aus; eventuelle Lastspitzen während der Aufheizzeit an sehr kalten Tagen werden mit einem 2-m3-Pufferspeicher kompensiert.

KWKK überzeugt durch Nachhaltigkeit

Der hohe Anspruch des Bauherrn an eine langfristige Senkung des Primärenergiebedarfs führte zu einer ganzen Reihe an Systembetrachtungen mit thermischen Gebäudesimulationen durch das beauftragte Planungsbüro. Der Energie-, Betriebskosten- und Primärenergiebetrachtung über einen Zeitraum von 30 Jahren lagen folgende Eckwerte zugrunde:

Die elektrische Leistungsaufnahme des Gebäudes liegt ganzjährig fast konstant bei über 20 kW

Server/Sicherungsserver und Geldautomat benötigen ganzjährig Kühlung

Kühlphase der Büros beginnt bereits ab –3 °C

Dimensionierung des Flächenheiz/-Kühlsystems erlaubt Systemtemperaturen von 18/24 °C, dadurch ist ein hoher Anteil an freier Kühlung möglich.

Untersucht wurden folgende Energiekonzepte:

1. BHKW (20 kWel/40 kWth) mit Absorptions­kältemaschine (AKM, Nennkälteleistung 35 kW), Stand-by-Spitzenlastheizkessel (35 kW), Freikühler mit adiabater Befeuchtung (mit Übernahme der Kühlturmfunktion für die AKM, Rückkühlleistung 94 kW), Lüftungsgerät (Nennvolumenstrom 7600 m3/h) mit adiabater Abluftbefeuchtung (Kühlleistung 22,6 kW), Hocheffizienz-Wärmerückgewinnung (80…89 %) und eingebauter Wärmepumpe mit Direktverdampfer mit Kühlfunktion (Kühlleistung 18,2 kW)

2. wie 1., jedoch ohne Absorptionskälte­maschine; stattdessen eine elektrisch angetriebene Kompressionskältemaschine

3. wie 1., jedoch mit Kühlturm anstatt Frei­kühler

4. zwei Klein-BHKW, à 12,5 kWel / 25 kWth, elektrisch angetriebene Wärmepumpe mit Erdsondenfeld, Wärmeleistung 45 kW, Kälteleistung 35 kW, Kältepufferspeicher mit 25 m3

5. zwei Klein-BHKW, à 12,5 kWel / 25 kWth mit Absorptionskältemaschine, Nennkälteleistung 35 kW, Kältepufferspeicher 10 m3

6. VRV-System zum Heizen, Kühlen und Lüften

7. BHKW (Rapsöl) 20 kWel / 40 kWth, Absorp­tionskältemaschine 35 kW, Spitzenlast­heizkessel 35 kW und Freikühler (wie 1.).

Primärenergetisch gesehen wäre das Energie­konzept Nr. 7 mit dem Rapsöl-BHKW und Absorptionskältemaschine die beste Lösung gewesen. Der zeitweise stark volatile Rapsölpreis sowie ethische Gründe (Nutzungskonkurrenz Nahrungsmittel und Brennstoff) führten allerdings zu einer Abwertung des Rapsöl-BHKW.

Am meisten überzeugte den Bauherrn Variante 1, und zwar wegen der guten Primär­energiebilanz sowie der langfristig niedrigen Betriebs- und Betriebsmittelkosten für das ­Gebäude. Besonders hervorzuheben ist bei ­diesem Konzept der Freikühler Abb.: 3 mit einer realistischen Einsatzzeit an 6510 h/a, bezogen auf ein nutzbares Temperaturniveau des Kühlmediums von 18 °C. Ein weiteres Argument für den Freikühler ist seine Doppelfunktion als sehr energieeffiziente Rückkühleinrichtung für die Absorptionskälteanlage. Dadurch kann auf einen konventionellen Kühlturm verzichtet werden.

Wärmegeführter BHKW-Betrieb

Die Umsetzung von Variante 1 in die Praxis hat sich auch im realen Betrieb als richtig erwiesen. Durch die Wahl eines modulierenden BHKW (5…20 kWel, 10…40 kWth) sowie ein im Sommer und in der Übergangszeit weitgehend konstanter Kältebedarf von 30 bis 40 kW ist das Prinzip Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung optimal umgesetzt. Im Kühlfall läuft das BHKW mit maximaler Leistung, das heißt, für den Absorber steht eine Austreibertemperatur von 80…85 °C zur Verfügung. Durch die großzügig dimensionierten Freikühler sind Rückkühltemperaturen von 35/28 °C möglich, was sich günstig auf den Wirkungsgrad des Absorbers auswirkt. Hinzu kommen milde Kaltwasservorlauftemperaturen von 16 bis 18 °C zur Versorgung der Kühldecken und thermisch aktivierten Wand- und Fußboden­flächen.

Anstatt 35 kW bei Nennbedingungen leistet der Absorber unter diesen günstigen Rahmenbedingungen über 40 kW. Überschüssiges Kaltwasser aus dem Absorber und dem Rückkühlwerk wird in einen 10-m3-Pufferspeicher, überschüssige Wärme aus dem BHKW in einen 2-m3-Pufferspeicher mit Frischwasserstation für die Trinkwassererwärmung geleitet; somit können sowohl Kälte- als auch Wärmelast­spitzen abgefedert werden.

Durch das konsequente „Downsizing“ und die optimale Balance zwischen Strom- und Wärme- bzw. Kältebedarf in Kombination mit den Pufferspeichern kommt das BHKW Abb.: 4 nach den vorliegenden Erfahrungen auf Laufzeiten von bis zu 5000 h/a. Die als Backup vorge­sehene regelungstechnisch verriegelte Heiztherme musste bisher nur in Ausnahmefällen in Betrieb genommen werden, zum Beispiel während der Wartung des BHKW. Regelungstechnisch sind kurzzeitige Wärmedefizite bewusst einkalkuliert und akzeptiert; sie werden durch hohe Speichervermögen des Gebäudes kompensiert.

Bei der Entscheidungsfindung für den Absorber wurden vom Planer zunächst mehrere Fabrikate in Erwägung gezogen. Letztendlich überzeugte der Hersteller Yazaki in Bezug auf Energieeffizienz, Einbaumaße und Preis-Leistungs-Verhältnis Abb.: 5. „Ein Absorber gleicher Leistung eines deutschen Herstellers hätte ­doppelt so viel Platz benötigt“, erklärt Richter. „Da bei unserem Konzept thermische Leistung auch in Form von Pufferspeichern abgedeckt wird, kam uns die kompakte Bauweise der Yazaki-Maschine sehr entgegen.“ Eingebaut ist ein Kleinabsorber vom Typ WFC SC10, der vom langjährigen Yazaki-Vertriebspartner Johnson Controls, Mannheim (ehemals York) geliefert wurde.

Verteiler für mehrere Temperaturen

Anlagen mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung sind bekannt für ihre anspruchsvolle Hydraulik. Besonders komplex sind Heiz- und Kühlsysteme, bei denen Regelzonen mit unterschied­lichen Vorlauf- und Rücklauftemperaturen ­nötig sind bzw. verschiedene Wärmeerzeuger, Kälteerzeuger und Pufferspeicher mit ­unterschiedlichen hydraulischen Widerständen in ein Leitungssystem eingebunden werden müssen. Richter hat die hydraulischen Tücken frühzeitig erkannt und die Wärme- bzw. Kälteverteilung deshalb in Zortström-Technologie Abb.: 6 aufgebaut. Auf der Heizungsseite werden vier Temperaturstufen „gefahren“, (95, 75, 40 und 30 °C), auf der Kaltwasserseite drei Temperaturstufen (24, 20 und 15 °C). Da die so geschaffenen Sammel- und Verteilzentren gleichzeitig als hydraulische Weiche wirken, lassen sich die für BHKW und Absorber vorgegebenen Volumenströme und Temperaturdifferenzen ungestört einhalten.

Als Wärme- bzw. Kälteverteilsystem wählte das Planungsbüro eine Kombination aus Vier-Leiter- und Zwei-Leiter-System. Das Vier-Leiter-System deckt die Versorgung von der Technikzentrale bis in die Steigschächte ab. Das Zwei-Leiter-System versorgt die jeweilige Nutzungseinheit, also die einzelnen Geschosse, Schulungsräume Serverräume oder den Geldautomaten. Damit kann im gesamten Gebäude ganzjährig geheizt und gekühlt werden. Die Erfahrungen im laufenden Betrieb haben gezeigt, dass bereits ab einer Außentemperatur von –3 °C die Raumheizung abschaltet und ab 0 °C in Teilbereichen bereits gekühlt werden muss.

Mehrstufige Wärmerückgewinnung

Alle Büros sowie die Schulungs- und Konferenzräume sind mit einer Grundlüftung ausgestattet, die nach dem hygienisch notwendigen Mindestluftwechsel von 25 m3/(h Pers) ausgelegt ist. Die Belüftung der Büros erfolgt über kombinierte Zu-/Abluftgitter in Form von Walzenauslässen mit integriertem Telefonieschalldämpfer mit saisonalen Zulufttemperaturen von 19 °C im Sommer und 21 °C im Winter. Die Luftaufbereitung erfolgt in einem Zentralgerät mit adiabater Abluftbefeuchtung, einem zweistufigen Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager sowie einer integrierten Kompressions-Kälteanlage mit Wärmepumpenschaltung zur Nachkühlung der Zuluft. Die Regelung ist so geschaltet, dass zur Kühlung primär die adiabate Abluftbefeuchtung genutzt wird. Erst wenn diese nicht mehr ausreicht, geht das Kälteaggregat in Betrieb. Zusätzlich zur Flächenkühlung durch den Absorber stehen somit weitere 64,8 kW Kälteleistung über das Lüftungssystem zur Verfügung.

Bei Veranstaltungen wird die Luftmenge für die Büros um etwa 15 % zugunsten einer erhöhten Luftmenge für den Konferenzraum Abb.: 7 zurückgenommen. Dadurch konnte das Zentralklimagerät mit 7600 m3/h Nennluftvolumen vergleichsweise klein ausgelegt werden. Unterstützung erhält die Raumklimatisierung im Konferenzbereich (140 m2, max. 120 Personen) durch eine regelungstechnisch festgelegte Vorkühlfunktion, d.h. bei großen Veranstaltungen kann die Speichermasse des Fußbodens zusätzlich drei Stunden vor Veranstaltungsbeginn thermisch aktiviert werden (Kühlleistung ca. 20 W/m2). Durch die Vorkühlfunktion über die Lüftung stehen weitere 50 W/m2 Kühlleistung zur Verfügung. Das Raumklima im Konferenzbereich lässt sich dadurch trotz defensiv ausgelegter Lüftungs- und Kühlleistung über die Dauer einer Veranstaltung gut stabilisieren.

Fazit

Konsequentes Optimieren von gebäudetechnischen Anlagen bereits in der Vorphase, der Einsatz hocheffizienter Komponenten sowie deren intelligente hydraulische und regelungstechnische Verknüpfung können den Primärenergiebedarf eines Gebäudes drastisch senken, wie das Beispiel Volks- und Raiffeisenbank, Schweinfurt-Land zeigt.

Empfehlenswert ist eine thermische Gebäudesimulation, da Lastberechnungen nach DIN erfahrungsgemäß zu überdimensionierten und damit energetisch ineffizienteren Anlagen führen. Bei ganzjährigem Kühlbedarf – wie im beschriebenen Beispiel – lohnt sich in den meisten Fällen eine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung für die Grundlastversorgung mit Strom, Wärme und Kälte. Großzügig dimensionierte Kühlflächen an Decken, Wänden und Fußboden verlängern die Möglichkeit der freien Kühlung ganz beträchtlich, beim vorliegenden Projekt auf rund 6500 h/a. Durch die Doppelnutzung des Wärmeübertragers als hocheffizienten Rückkühler für die Absorptionskälteanlage und als Freikühler mit adiabater Kühlung für die Gebäudetemperierung relativiert sich dessen Mehrpreis.

1) DIN EN 12831 Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast, August 2003 und DIN EN 12831 ­Beiblatt 1 Heizsysteme in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast – Nationaler Anhang NA, Juli 2008

Mehr Infos zum Thema im TGAdossier Mini-KWK: Auf http://www.tga-fachplaner.de einfach Webcode 716 eingeben.

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Konsequentes Downsizing
  2. Teil: Wichtig für TGA-Planer, Anlagenbauer und Bauherren
  3. Teil: Wolfgang Schmid
  4. Teil: Bautafel
  5. Teil: Tipp
  • 2 Bettina Richter vom Planungsbüro Rauch+Richter, Gochsheim: „Erst die ener­getischen Gebäudestandards festlegen, dann die dazu passende HLK-Technik planen.“
  • 3 Freikühlung/Rückkühlung: Durch vergleichsweise hohe Medientemperaturen für die Flächenkühlung steht freies Kühlpotenzial über den Freikühler an rund 6500 h/a zur Verfügung. Gleichzeitig wird er als sehr energieeffiziente Rückkühleinrichtung für die Absorptionskälteanlage eingesetzt.
  • 4 Eine sorgfältige Bedarfsermittlung für die Auslegung des Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungssystems sowie strategisch dimensionierte Pufferspeicher führen zu BHKW-Laufzeiten von rund 5000 h/a.
  • 5 Die Yazaki-Absorptionskältemaschine überzeugte den Bauherrn durch ein optimales Preis-Leistungs-Verhältnis sowie die platzsparende ­kompakte Bauweise.
  • 6 Durch den Einbau von zwei Zortström-Sammel- und Verteilzentren (Heizungs- bzw. Kälteverteilung) vereinfacht sich die ­ansonsten komplexe Hydraulik solcher ­Anlagen.
  • 7 Der 120 Personen fassende Konferenzraum kann rund drei Stunden vor Nutzung zusätzlich über den Fußboden vorgekühlt werden, um Lastspitzen zu vermeiden.
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