Die Wärmepumpe macht den Niedrigenergie-Supermarkt

13.08.2009 | Veröffentlicht in Ausgabe 08-2009

Der Fachbetrieb Erwin Merk GmbH Kälte-Wärme-Klima und die Eckelmann AG kombinierten die Kältetechnik mit der Gebäudeleittechnik und der Geothermie im Staufers Aktiv-Markt Jebenhausen. Ein Erdwärmekollektor unter dem Parkplatz dient dabei als Wärmequelle für den Wärmepumpenbetrieb im Winter und als Wärmesenke für Kühlprozesse. Eine ergänzende Öl- oder Gasfeuerung ist nicht erforderlich.

Jede Kälteanlage ist auch eine Wärmepumpe und damit eine potenzielle Wärmequelle. Die Wärmerückgewinnung zur Erwärmung von Trinkwasser oder zum Heizen mittels Wärmetauschern wird bei neuen Gewerbekälteanlagen bereits heute vielfach realisiert. Die Abwärme der Kälteanlage eines Supermarktes reicht jedoch nicht aus, um ihn das ganze Jahr über zu heizen. Kombiniert mit Geothermie als weitere nutzbare Wärmequelle kann bei geeigneter Auslegung und Regelung der Kältekreisläufe der gesamte Heiz- und Warmwasserbedarf zuverlässig und effizient abgedeckt werden. Auf eine Heizung mit fossilen Brennstoffen kann gänzlich verzichtet werden.

Unter den regenerativen Energiequellen rangiert die Geothermie im öffentlichen Bewusstsein meist noch an letzter Stelle, obwohl die Branche in den letzten Jahren überdurchschnittlich gewachsen ist. Mit der Anfang Juni 2009 veröffentlichten EU-Richtlinie zu erneuerbaren Energien wird die Technologie der Wärmepumpe jedoch nun auch auf EU-Ebene erstmals als regenerative Energiequelle anerkannt, um Erdwärme, Energie aus Umgebungsluft und hydrothermische Energie zu nutzen.

Für die dezentrale Versorgung mit Wärme erfreut sich insbesondere die oberflächennahe Geothermie immer größerer Beliebtheit. Die Zahl der Erdwärmepumpen stieg allein 2008 mit 34450 neu installierten Anlagen (gegenüber 27000 im Vorjahr) auf insgesamt etwa 150000. Letztes Jahr wurden 2,5 Mrd. kWh Wärme durch Geothermie bereitgestellt. Das Potenzial der oberflächennahen Geothermie wird auf jährlich rund 261 Mrd. kWh geschätzt bei Berücksichtigung aller geeigneten Flächen¹. Geothermie wird daher sicher in dem regenerativen Energiemix der Zukunft eine bedeutende Rolle spielen.

Bezieht man die relativ geringen Betriebskosten einer Geothermieanlage im Vergleich zu konventionellen Heizungsanlagen ein, lohnt sich eine solche Investition. Kann man wie bei Gewerbekälteanlagen zusätzlich Wärme aus der Kälteanlage zurückgewinnen, gestalten sich die Bedingungen für eine solche Investition noch günstiger.

Integrierter Prozess für Kälte und Wärme

Die Merk GmbH aus Weißenhorn hat kürzlich den Staufers Aktiv-Markt in Jebenhausen bei Göppingen mit Kühlmöbeln und einer Kälteanlage ausgestattet, die mit einem Wärmepumpenkreislauf und einer Geothermieanlage verknüpft wurde. Dank des neuartigen Kälte-WP-Geothermie-Konzepts kann nicht nur der gesamte Wärmebedarf des Marktes gedeckt, sondern auch die Energieeffizienz der Kälteanlage gesteigert werden. Das seit 1969 bestehende Familienunternehmen Merk verfügt über besondere Expertisen im Bereich der Kälte-, Wärme- und Klimatechnik für Supermärkte. Dies zeigt sich in dem innovativen Anlagenkonzept, das dieser Artikel vorstellt.

Die Konsumgenossenschaft GöppingeneG als Betreiber des Staufers Aktiv-Marktes setzt bewusst auf zukunftsweisende, ökologische Energiekonzepte. Anlässlich der Eröffnung erklärte der Vorstand der Konsumgenossenschaft Matthias Füchtner: Wir investieren in moderne Technologien, die Energie sparen. Das ist für uns nicht nur eine Imagefrage, sondern wir setzen ganz bewusst auf Nachhaltigkeit und wollen die Umwelt schonen. Natürlich ist das mittelfristig auch ökonomisch interessant das rechnet sich.

Einen entscheidenden Anteil an der Realisierung der Anlage hatte die Regelungstechnik, die Ingenieure der Eckelmann AG mit ihrem Regelungssystem E.LDS umsetzten. Bei dem Markt wurden Gewerbekälteanlage, Heizung, Kühlung und Geothermie zu einem komplexen System verschränkt. Im Winterbetrieb und in den Übergangszeiten wird alleine über die Abwärmenutzung aus der Kälteanlage und unterstützend durch oberflächennahe Geothermie geheizt.

Der Markt nimmt neben Erdwärme elektrische Energie für die Kälteanlage und den Wärmepumpenbetrieb sowie für Gebäudetechnik wie Lüftung, Beleuchtung und sonstige Gewerke auf. Das nachhaltige Energiekonzept wird durch eine Photovoltaik-Anlage mit Energieeinspeisung ins Netz abgerundet.

Der Ursprung der elektrischen Energie sollte bei der ökologischen Bewertung einer Geothermieanwendung übrigens immer mit kalkuliert werden. Stammt der Strom aus fossilen Brennstoffen, verschlechtert dies die CO₂-Bilanz. Außerdem darf der Temperaturhub nicht zu hoch sein, denn sonst kann sich eine Wärmepumpenheizung als verkappte Stromheizung entpuppen, was alles andere als effizient wäre.

Bei der Nutzung der Erdwärme entzieht man über Sonden, die von einer Sole als Wärmemedium durchflossen werden, dem Erdreich Wärme. Es gibt zwei Varianten: Entweder werden die Sonden vertikal ins Erdreich eingebracht oder horizontal dann spricht man auch von Erdwärmekollektoren. Daneben gibt es auch offene Systeme, die das Grundwasser nutzen.

Die Temperaturen in den oberflächennahen Schichten schwanken mit den Jahreszeiten kaum. In 5 bis 10 m Tiefe herrschen in Deutschland im Jahresmittel 8 bis 10°C. Von der oberflächennahen Geothermie ist grundsätzlich die Tiefengeothermie zu unterscheiden. Hier wird bis zu 1000 m Tiefe in die Erdkruste gebohrt. Um die Erdwärme zu nutzen, reichen jedoch oft schon wenige Meter aus: In Jebenhausen verlaufen die Sonden horizontal unter der gesamten Fläche des Parkplatzes in 2 m Tiefe.

Das vereinfachte RI-Fließbild zeigt den Aufbau der Anlage in Jebenhausen. Die Wärme aus der Sole wird über den Wärmetauscher Geothermie (60 kW) an das Kältemittel R 407C abgegeben. Dieser Wärmetauscher fungiert quasi als Kühlstelle (Verdampfer) im Wärmepumpenkreislauf. Bei dem Staufers Aktiv-Markt wird die Sole mit einer durchschnittlichen Temperatur von etwa +8°C aus dem Erdreich gepumpt und im Wärmetauscher um 10 K auf 2°C abgekühlt.

Zur Speisung des Heizwasserspeichers dient der Wärmetauscher Heißwasser (Verflüssiger 1 im Wärmepumpenkreislauf, 60 kW). Hier wird die gesamte Kondensationsenthalpie abgegeben. Der nachgeschaltete Verflüssiger 2 wird nur im Sommerbetrieb benötigt.

Das Trinkwasser wird wie üblich vor dem Verflüssigen im Enthitzer durch das Heißgas der Kälteanlage erwärmt. Die Verbundanlagen für die Kälteerzeugung (Kältemittel R 404A) bestehen aus jeweils drei Verdichtern und stellen eine Kälteleistung von Q_o = 47,1 kW (NK, t_o=8°C) bzw. Q_o = 9,86 kW (TK, t_o = 38°C) bereit bei einer Leistungsaufnahme von 14,44 kW (NK) bzw. 7,41 kW (TK).

Eine weitere Verbundanlage für den Wärmepumpenkreislauf hebt das Kältemittel auf ein für Heizzwecke ausreichendes Temperaturniveau an (t_c = +45°C). Der eingesetzte WP-Verbund hat eine Leistungsaufnahme von 26,9 kW und eine Kälteleistung von Q_o = 77,5 kW. Die Wärme wird dann im Verflüssiger 1 (Q = 105 kW) an das Heizwasser übertragen. Bei der Inbetriebnahme konnte auf Anhieb sogar Vorlauftemperatur von etwa 60°C erreicht werden.

Zum Heizen sind so hohe Vorlauf-Temperaturen allerdings meist nicht nötig, denn in dem Staufers Aktiv-Markt wurden für die Lüftungsanlage spezielle Heizregister mit niedrigen Vorlauftemperaturen (40°C) eingesetzt. Außerdem wird die Fußbodenheizung damit bedient (geringe Temperaturspreizung). Der Verflüssiger 2 im WP-Kreislauf wird nur im Sommerbetrieb benötigt, wenn die Anlage Kälte zur Klimatisierung erzeugt.

Im Sommerbetrieb wird die Wärme aus der Kälteanlage nicht in den WP-Kreislauf gespeist, sondern über einen nach den Verflüssiger 1 (Kältekreislauf) geschalteten Enthitzer zur Regeneration der Wärmelagerstätte im Erdreich über einen Wärmetauscher an die Sole abgegeben. Die Verflüssigung erfolgt im Sommer über den Verflüssiger 2 der Kälteanlage.

Wärmepumpe kühlt auch den Markt

Supermärkte werden im Sommer häufig durch eine sog. Nachtspülung mit frischer, kühler Luft versorgt. Die Gebäudesubstanz erwärmt sich langsam und stetig in den Sommermonaten und lässt sich als recht träges System nur noch bedingt durch Nachtspülungen abkühlen. Damit sich das Gebäude nicht zu stark aufwärmt, ist eine aktive Nachtkühlung sinnvoll. Dafür kann im Sommer einfach der Kreislauf der Fußbodenheizung genutzt werden.

Dies wirkt sich gleich doppelt auf die Energieeffizienz der Kälteanlage aus: Für die Nachtkühlung kann günstiger Nachtstrom genutzt werden und durch die bessere Klimatisierung des Gebäudes und eine geringere Erwärmung des Mauerwerks kann der Energieverbrauch der Kälteanlage gesenkt werden, da weniger Wärme über die Kühlmöbel teuer abtransportiert werden muss.

Nachtkühlung hat nicht nur Auswirkungen auf den Energieverbrauch, sondern trägt natürlich auch dazu bei, dass die Waren länger frisch bleiben. Der Bedarf für die Fußbodenkühlung ist nicht in allen Bereichen eines Marktes gleich hoch. Um darauf flexibel reagieren zu können, können gezielt bestimmte Bereiche gekühlt werden, wie die Verkaufsflächen für Obst und Gemüse. Dabei darf der Boden nicht betauen. Hierfür wird die Taupunkttemperatur ermittelt und der Vorlauf der Kühlung bedarfsgerecht geregelt. Bestimmt wird die Taupunkttemperatur über die relative Luftfeuchtigkeit und die Raumtemperatur auf der Verkaufsfläche.

Anspruchsvolle Regelungstechnik

An die Kälte- und Gebäudeleittechnik stellte dieses Projekt besondere Anforderungen, da verhältnismäßig viele Feldgeräte zu integrieren waren. Für den Wärmepumpenbetrieb wurde die Verbundsteuerung VS 3010 WP der Eckelmann AG sowie der neue Kühlstellenregler UA 400 EAC eingesetzt. Er verfügt, anders als sein Vorgängermodell UA 300 EAC, über spezielle Ausgänge, über die die elektronischen Einspritzventile (EEV) stetig angesteuert werden können. Mit der stetigen Regelung konnten sehr gute Resultate erzielt werden.

In dem vereinfachten RI-Schema wurde eine weitere Kühlstelle der Einfachheit wegen nicht berücksichtigt. Nach dem Verflüssiger 2 der Kälteanlage kann das flüssige Kältemittel vor der Expansion in der Kühlstelle nochmals unterkühlt werden durch eine Kühlstelle im Wärmepumpenkreislauf. Damit erhöht sich die thermodynamisch nutzbare Kälteleistung und die Flashgasbildung vor den Expansionsventilen wird minimiert, was sich in einem besseren COP-Wert ausdrückt. Dies lässt sich leicht an einem logp,h-Diagramm nachvollziehen. -