Konsequentes Downsizing

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 in der Gemeinde Sennfeld scheinen Architekt, Bauherr, Fachplaner und Anlagenbauer alles richtig gemacht zu haben.

Bettina Richter, 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 kW_el/40 kW_th) 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 (8089 %) und eingebauter Wärmepumpe mit Direktverdampfer mit Kühlfunktion (Kühlleistung 18,2 kW)

2. wie 1., jedoch ohne Absorptionskälte­maschine; stattdessen eine elektrisch an-­ getriebene Kompressionskältemaschine

3. wie 1., jedoch mit Kühlturm anstatt Freikühler

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

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

6 VRV-System zum Heizen, Kühlen und Lüften

7. BHKW (Rapsöl) 20 kW_el / 40 kW_th, 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 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 (520 kW_el, 1040 kW_th) 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 8085 °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 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. 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-Technologie²⁾ 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 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.

Links

https://www.diekaelte.de/ WEBCODE kk962

Hier finden Sie eine ausführliche Systembeschreibung des Zortström-Sammel- und Verteilsystems.

1) DIN EN 12 831 Heizungsanlagen in Gebäuden Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast, August 2003, und DIN EN 12 831 Beiblatt 1 Heizsysteme in Gebäuden Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast Natio­naler Anhang NA, Juli 2008

2) Siehe Link am Ende des Artikels sowie Beitrag ab Seite 30.

Bauherr Volks- und Raiffeisenbank e. G. Schweinfurt-Land

Nutzfläche ca. 2700 m²

Architekt Architekturbüro Werner Haase, Karlstadt

TGA-Fachplaner Planungsbüro Rauch + Richter, Gochsheim

Ausführung Heizung, Kälte Ress, Bad Königshofen

Ausführung Sanitär Herold-Haustechnik, Schweinfurt

Ausführung Lüftung Bechert Haustechnik, Schweinfurt

Ausführung Regelungstechnik Klimakon, Karlstadt

BHKW Spilling Energie Systeme, Hamburg

Absorptionskältemaschine Yazaki Europe, Köln, Lieferant: Johnson Controls Mannheim (ehemals York)

Rückkühler / Freikühler Michelbach, Zirndorf

RLT-Zentralgerät Menerga, Mülheim an der Ruhr

Zortström-Verteiler Zortea Gebäudetechnik, Hohenems / Österreich

freier Fachjournalist für Technische Gebäude­ausrüstung, München