Naturgewalten intelligent temperiert

Da darf die Wärmepumpe nicht fehlen: Installiert ist eine Nibe-Erdwärmepumpe F 1330, die je nach den Temperaturverhältnissen den EDV-Raum kühlt, das Gebäude beheizt oder das Erdreich energetisch regeneriert.

Wir möchten auf unterhaltsame und spannende Weise unsere Besucher für die Vielfalt, Schönheit und Dynamik der Meere und Küsten begeistern und das Erleben von Naturgewalten für alle zu einem unvergess­lichen Erlebnis machen, beschreibt Dr. Matthias Strasser, Geschäftsführer und Projektleiter des Erlebniszentrums Naturgewalten, die Philosophie des Teams. Und man will darüber hinaus ein Musterbeispiel für den nachhaltigen Umgang mit Ressourcen sein.

Das ist zweifellos gelungen: Die Architekten und Haustechnikplaner schufen mit dem Erlebniszentrum Naturgewalten einen Benchmark für praktizierten Klimaschutz und die Schonung von Ressourcen.

Architektur- und Energiekonzept aus einem Guss

Die Bauweise minimiert Wärmeverluste im Winter und einen übermäßigen Wärmeeintrag im Sommer. Durch eine intelligente Be- und Entlüftung braucht das Gebäude selbst im Sommer keine Klimaanlage. Nachts kühlt die windangetriebene Lüftungsanlage die thermischen Speichermassen der Ausstellungsräume vor, das reicht zur Klimatisierung der Räume am Tag.

Auch im Winter und in den Übergangszeiten wird das Gebäude sehr umweltschonend und kostengünstig klimatisiert. Der Einsatz einer Wärmepumpe, verbunden mit einer Betonkernaktivierung der Stahlbetondecken, -wände und -böden, ermöglicht das Beheizen des Gebäudes mit konstant niedrigen Vorlauftemperaturen zwischen 20 °C und 30 °C. Die Wärmepumpe deckt an kühlen Tagen die Heizgrundlast, den Rest des Wärmebedarfs bedienen ein konventio­neller Erdgas-Brennwert-Kessel und zum kleineren Teil thermische Solarkollektoren.

EDV-Raum als Wärmequelle

Eine Besonderheit ist, dass ein großer EDV-Raum zu kühlen ist. Ganzjährig steht die innere Kühllast von knapp über 18 kW als Wärmequelle zur Verfügung.

Wann die Wärmepumpe welche Wärmequelle anzapft und wie sie mit dem Gaskessel zusammenarbeitet, erläutert Dipl.-Ing. Uwe Jacobsen vom Ingenieurbüro Pahl und Jacobsen: Im Normalfall nutzt die Wärmepumpe den EDV-Raum ganzjährig als Wärmequelle erst wenn diese Energie zum Beheizen des Gebäudes nicht mehr ausreicht, kommen die Erdsonden und in der Spitze der Kessel zum Einsatz. Die Technik ist so geschaltet, dass die Wärmepumpe stets Vorrang gegenüber dem Kessel hat.

Im Sommer ist keine Wärme zum Beheizen erforderlich. Dann wird der EDV-Raum durch Umwälzen der kalten Sole aus dem Erdreich gekühlt es handelt sich also um eine passive Kühlung, die ohne Einsatz des Verdichters (nur die Solepumpe) läuft. An sehr heißen Sommertagen kommt in der Spitze dann die Wärmepumpe aktiv mit Verdichter zum Einsatz, kühlt den EDV-Raum und führt die im Gebäude ja nicht benötigte Wärme über die Erdsonden regenerativ dem Erdreich zu im Winter und in den Übergangszeiten ist diese gepufferte Wärmeenergie dann wieder zu einem Teil abrufbar.

Vom gesamten Wärmebedarf des Gebäudes, rund 250 kW, trägt die Wärmepumpe mit einer Heizleistung von gerade einmal 22 kW bis zu 50 Prozent zur Heizarbeit bei, so Jacobsen. Die Wärmepumpe arbeitet praktisch ganzjährig, von den ersten Heiztagen im Herbst über den gesamten Winter bis zur Übergangszeit im Frühjahr, sehr lange und damit besonders effizient.

Wärmepumpe: Die Technik der Baureihe F 1330

Die von Nibe entwickelte F 1330 ist als Wärmepumpe zum Beheizen bzw. Kühlen größerer Objekte wie Mehrfamilienhäuser oder gewerblich genutzter Objekte konzipiert. Als Wärmequelle kann entweder das Erdreich oder Grundwasser genutzt werden. Die F 1330 ist ein flexibles Produkt mit einem leistungsstarken Regelgerät, das eine Vielzahl von Systemlösungen abzudecken vermag beispielsweise erzeugt die Wärmepumpe bei Bedarf zeitgleich zwei unterschiedliche Vorlauftemperaturen bis zu 65 °C. Ferner ist das Gerät für eine Kombination mit externen Wärmeerzeugern, wie zum Beispiel einem Öl- oder Gasheizsystem, vorbereitet.

Die F 1330 steht in vier Leistungsstufen mit 22, 30, 39 sowie 60 kW Heizleistung zur Verfügung. Aufgrund der zwei hocheffi­zienten Scroll-Verdichter mit jeweils einem optimierten Kältekreis gewährleistet die F 1330 einen hohen Wirkungsgrad. Neun Wärmepumpen des gleichen Typs können in Kaskade geschaltet sein. So verfügt der Betreiber über eine Heizleistung bis zu 540 kW. Beim Einsatz der Kaskadenschaltung koordiniert eine Master-Anlage mehrere Anlagen im Slave-Modus.

Die Wärmepumpe besteht aus zwei Einzelaggregaten, die pro Aggregat weniger als 3 kg Kältemittel enthalten. Vorteil: Bei einer Kapazität kleiner 3 kg entfällt die bei größeren Anlagen geforderte regelmäßige, kostenintensive Wartungs- und Dokumentationspflicht. Der bedarfsangepasste Betrieb mit zwei getrennten Verdichtern führt darüber hinaus zu optimierten Betriebsbedingungen für die Wärmepumpe, da aufgrund der längeren Laufzeiten der einzelnen Verdichter ein taktendes Betriebsverhalten unterbunden wird. Die F 1330 versorgt zudem zeitgleich das Heizsystem und die Brauchwasserbereitung.

Die Wärmepumpe ist mit einer mi­kro­prozessorgesteuerten Regeleinheit ausgerüstet, die einen optimalen und sicheren Betrieb gewährleistet. Informationen über Zustand, Betriebszeit und Temperaturen sind im LCD-Display ablesbar. Separate Thermometer in der Anlage sind also nicht erforderlich. Die Baureihe F 1330 ist vorbereitet für die optional verfügbaren Kühl- und Abluftmodule von Nibe.

Fazit

Das beim Erlebniszentrum Naturgewalten realisierte Architektur- und Energiekonzept bietet ideale Voraussetzungen für den Einsatz einer Wärmepumpe: Mit rund 10 Prozent der erforderlichen gesamten Wärmeleistung deckt die Nibe-Wärmepumpe knapp die Hälfte der Wärmearbeit ab, so Uwe Jacobsen. Dank des realisierten Konzepts mit Wärmepumpe, Betonkernaktivierung und Zuschaltung des Gaskessels (nur bei Bedarf) spart das Erlebniszentrum im Vergleich zu einer konventionellen Lösung jährlich rund 24000 Euro an Kosten ein. Zudem reduziert sich die CO₂-Emission um jährlich etwa 73 Tonnen. -

Interview

Das Ingenieurbüro Pahl und Jacobsen ist auf die Entwicklung und Umsetzung nachhaltiger Konzepte in allen Gewerken der Gebäudetechnik spezialisiert. Die KK-Redaktion sprach mit Dipl.-Ing. Uwe Jacobsen über einige Aspekte der HLS-Haustechnikplanung für das Erlebniszentrum Naturgewalten.

KK: Herr Jacobsen, Sie haben im Erlebniszentrum eine Wärmepumpe mit einem Gaskessel kombiniert. Warum keine reine Wärmepumpen-Lösung, sondern diese Hybrid-Technik?

Uwe Jacobsen: Das ist wie immer auch eine Frage der Wirtschaftlichkeit und der Kosten. Wir hatten auch die besonderen Einsatzbedingungen zu beachten: Es gibt im Erlebniszentrum einen EDV-Raum, der ganzjährig mit einer hohen Kühlleistung von 18,3 kW zu kühlen ist. Deshalb schlugen wir dem Auftraggeber in diesem Fall vor, die Wärmepumpe zur Abdeckung der Heizgrundlast einzusetzen. Im Normalfall nutzt die Wärmepumpe den EDV-Raum als Wärmequelle erst wenn diese Energie zum Beheizen des Gebäudes nicht mehr ausreicht, kommen die Erdsonden als Wärmequellen und zuletzt der Gaskessel zum Einsatz. Wichtig ist gerade in diesem Fall, dass die Beheizung über eine Betonkernaktivierung erfolgt mit Vorlauftemperaturen zwischen 20 und 30 °C ist diese Flächenheizung ideal für den Einsatz einer Wärmepumpe geeignet. Vom gesamten Wärmebedarf des Gebäudes in Höhe von rund 250 kW trägt die Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 22 kW bis zu 50 Prozent zur Heizarbeit bei.

KK: Stellt der Betrieb einer Wärmepumpe auf einer Insel besondere Anforderungen? Wie haben Sie sichergestellt, dass die Erdsonden ausreichend Energie liefern werden?

Uwe Jacobsen: Im Vorfeld der Bohrungen hat die H.S.W. GmbH Rostock eine geologische Standorterkundung und eine anschließende Bohrlochvermessung mittels Geothermal Response Test durchgeführt. Mit diesem Test ist es möglich, die effektive Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes zu bestimmen und durch die In-situ-Messung konnten wir auf Sicherheitszuschläge bei der Bemessung verzichten. Bis ca. 70 m unter Gelände wurden wasserführende Sande nachgewiesen, die für eine Erdwärmenutzung besonders gut geeignet sind. Die Bemessung der Erdwärmesonden erfolgte dann mithilfe der einschlägigen Berechnungsverfahren. Ergebnis war, dass zur Gewinnung von Kälte bzw. Wärme aus den oberflächennahen Erdschichten sechs jeweils 100 Meter lange Erdwärmesonden ausreichen werden.

Vertrieb + Technische Beratung, Nibe Systemtechnik GmbH, Celle