TGA Energietechnik

TGA Ausgabe 10-2013
Spitzenlastwärme und Kälte aus Eigenstromerzeugung

Kombiniert: BHKW und VRV-Wärmepumpe

Abb. 1 Der Neubau des Altenhilfe-Projekts „Haus Simeon“ der Stiftung St. Josef… (Quelle: Daikin )
Abb. 1 Der Neubau des Altenhilfe-Projekts „Haus Simeon“ der Stiftung St. Josef…

Mit einem Anlagenkonzept aus Erdgas-Blockheizkraftwerk und eine VRV-Wärmepumpenanlage für ein Altenwohnheim ist das Ingenieurbüro für Gebäudetechnik Carsten Plummer aus Münster mit dem dritten Platz des Daikin Planerpreises 2013 ausgezeichnet worden. Der Preis wird jährlich an nachhaltige planerische Projekte sowie Heiz- und Klimakonzepte verliehen, die in hohem Maße Primärenergien einsparen.

Das Altenhilfe-Projekt „Haus Simeon“ der Stiftung St. Josef in Emsdetten Abb. 1 bietet älteren Menschen unterschiedliche Wohnmöglichkeiten sowie Betreuungs- und Pflegeangebote unter einem Dach. Der Neubau wurde im Juni 2012 bezogen. Mit der Vielzahl von Angeboten für Senioren an einem Ort ist das Haus Simeon einmalig in Emsdetten.

Das Gebäude besteht aus zwei Flügeln, die hintereinander abgewinkelt verlaufen und mittig durch einen Trakt verbunden sind. Im zweigeschossigen ersten Bauabschnitt sind Gemeinschaftsräume, Verwaltung, Pflegebereiche und Schlafräume untergebracht. Westlich schließt sich der zweite Bauabschnitt in dreigeschossiger Bauweise mit 27 Wohnungen an, die für „Betreutes Wohnen“ barrierefrei konzipiert sind. Das Projekt wird durch vier Stadtvillen mit Eigentumswohnungen abgeschlossen, von denen die zwei mittleren zum Pflege- und Wohnzentrum gehören. Insgesamt verfügt der Gebäudekomplex über 4515 m2 zu beheizende Nutzfläche.

In der Planungsphase wurde deutlich, dass der Bau einer Wärmeversorgungsanlage basierend auf einem Gas-Brennwertheizkessel über einen Betrachtungszeitraum von 15 Jahren mit Abstand die kostenintensivste Variante gewesen wäre. Für die schließlich realisierte Kombination eines Erdgas-Blockheizkraftwerks (BHKW) Abb. 2 mit einer Inverter-geregelten Luft/Wasser-Wärmepumpenanlage Abb. 3 wurden ohne Berücksichtigung von Fördergeldern durchschnittliche Einsparungen von 15000 Euro/a ermittelt. Daher entschied sich der Bauherr für das wirtschaftlichere und zugleich umweltfreundlichere Anlagenkonzept vom Ingenieurbüro Plummer.

Anlagen- und Energiekonzept

Die planerische Herausforderung bestand darin, die Kältetechnik in eine Wasser-Heizungsanlage einzubinden und das BHKW optimal auf den Lastgang für die Trinkwassererwärmung und die Raumheizung auszulegen. Gleichzeitig wurde eine Kühlung im Sommer über die Fußbodenheizung benötigt. Zudem sollten auch die Stadtvillen in das Versorgungsnetz eingebunden werden.

Bei der realisierten Anlage handelt es sich um einen Prototyp aus diversen Komponenten, die Regelungstechnik wurde speziell für diesen Anwendungszweck entwickelt. Die Anlage kombiniert ein Erdgas-BHKW mit drei VRV III Cold Region Systemen. Die Eigenstromerzeugung des BHKW deckt den Jahresstrombedarf der VRV-Systeme.

Für die Auslegung wurden die voraussichtlichen Verbrauchswerte ermittelt und danach für die Raumheizung und Trinkwassererwärmung ein Bedarf von 421685 kWh/a angesetzt. Bei einer Laufzeit von 6500 h/a liefert das BHKW mit einer thermischen Leistung von 48 kW eine Wärmemenge von 312000 kWh/a, das VRV-System kann bei einer Laufzeit von angenommenen 750 h/a eine Wärmemenge von 126000 kWh/a beisteuern. Daraus ergibt sich ein jährlicher Überschuss von 16315 kWh/a.

Der Strombedarf (insgesamt) wurde mit 313073 kWh/a kalkuliert. Das BHKW mit einer eklektischen Leistung von 20 kW und 6500 h/a erzeugt 130000 kWh/a elektrische Energie. Das VRV-System benötigt inklusive der Sommerkühlung 44589kWh/a elektrische Antriebsenergie. Geplant ist, für die Stromerzeugung eine Photovoltaik-Anlage mit 30 kWp auf einem Flachdach nachzurüsten.

Wärme für 2,0 Ct/kWh

Das BHKW erzeugt die notwendige Hochtemperatur für die Trinkwassererwärmung des Altenwohnheims. Das Wärmepumpensystem kann darum mit den für die Raumheizung erforderlichen, niedrigeren Vorlauftemperaturen betrieben werden, ein monoenergetischer Betrieb mit elektrischer Zusatzheizung ist nicht erforderlich. Die Wärmegestehungskosten liegen aufgrund der niedrigen Eigenstromgestehungskosten bei ca. 2,0 Ct/kWh. Die Wärmegestehungskosten mit einem Gas-Brennwertheizkessel lägen ungefähr dreimal höher.

Durch den hohen Anteil an selbstgenutzter Wärme aus der Kraft-Wärme-Kopplung erfüllt die Anlage auch die Auflagen des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), denn das Haus Simeon plant, das BHKW künftig mit Bioerdgas zu betreiben – wodurch der Anlagenprozess dann weitestgehend regenerativ wäre. In beiden Konstellationen ist der Betreiber relativ unabhängig von zukünftigen Preisentwicklungen auf dem Strommarkt.

Die VRV-Anlage (Kältemittel R410a) ist indirekt an ein wasserführendes Fußbodenheizungssystem angeschlossen, mit dem im Sommer auch Kühllasten abgeführt werden können. Da keine Inneneinheiten zum Einsatz kommen, waren Kältemittel/Heizungswasser-Wärmeübertrager erforderlich. Die drei VRV III Cold Region Systeme mit einer maximalen Heizleistung von jeweils 54,5 kW stehen auf dem Flachdach des Gebäudes. Über Kältemittelleitungen wird das Heißgas zu je einem Pufferspeicher pro Einheit im Kellergeschoss geleitet. Die drei 1,25-m3-Pufferspeicher werden mit sechs Direktverdampfungskits beheizt Abb. 4.

Auch auf die Trinkwasserhygiene wurde im Haus Simeon schon bei der Planung ein besonderes Augenmerk gelegt. Die Trinkwassererwärmung erfolgt über einen Multi-Frischwasserspeicher mit hoher NL-Zahl und geringem Trinkwasserinhalt. Durch das reine Durchlaufprinzip (Edelstahlwellrohr) mit großer Oberfläche und minimalem Trinkwasserinhalt wird eine sehr hohe Austauschrate erzielt.

Volle Heizleistung garantiert

Das VRV III Cold Region System wurde von Daikin speziell für kältere Regionen entwickelt und ermöglicht energieeffizientes Heizen bei Außentemperaturen von bis zu –25 °C. Zwei Kompressionsstufen erhöhen bei niedrigen Temperaturen die Systemleistung und gestatten so eine kleinere Maschinenauslegung. Einer der größten Vorteile liegt damit in der Planungssicherheit, da selbst an extremsten Wintertagen die volle Heizleistung garantiert ist.  

Weitere Fachberichte zum Thema enthalten die TGAdossiers ­Mini-KWK und VRF-Systemtechnik: Webcode 716 bzw. 1144

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Kombiniert: BHKW und VRV-Wärmepumpe
  2. Teil: Daikin Planerpreis
  3. Teil: Gerold Freitag
  • Abb. 2…wird über ein Blockheizkraftwerk (40 kWth, 20 kWel)…
  • Abb. 3 …und eine VRV-Wärmepumpenanlage beheizt. Die drei VRV III Cold Region Systeme werden mit BHKW-Strom betrieben und können im Sommer auch zum Kühlen über die Fußbodenheizung genutzt werden.
  • Abb. 4 Jedem VRV-System ist ein 1,25 m³-Puffer­speicher mit zwei Direktverdampfungskits ­zugeordnet.
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