Gasmotorische Klimaanlagen / Wärmepumpen erfüllen neueste Umwelt- und Energiestandards

Der Verdichterantrieb mit Gasmotor ermöglicht im Kühl- und Heizbetrieb eine sehr gute Primärenergieausnutzung durch Abwärmeauskopplung in die Hochtemperaturschiene. Gleichzeitig werden Energiekosten und CO₂-Emissionen im Vergleich zu konventionellen Anlagen deutlich reduziert. Im Unterschied zu der in Deutschland bekannten klassischen Gasmotor-Wärmepumpe, die ausschließlich Heizung und Warmwasserbereitung abdeckt, umfasst die in Japan entwickelte gasmotorische Klimaanlage namhafter Hersteller wie Yanmar und Aisin als wesentlichen Bestandteil auch die Kühlung und Entfeuchtung der Raumluft. Sie wird als Luft-Kältemittel-System (VRF-Anlage mit Luft/Luft-Wärmepumpenfunktion) und/oder Luft-Wasser-System (Luft/Wasser-Wärmepumpen-Schaltung für Warm- und Kaltwasserbereitung) eingesetzt. Die Einführung am deutschen re-spektive europäischen Markt erfolgte in denJahren 2002/2003.

Das aktuelle Geräteprogramm umfasst 2- und 3-Leiter-Systeme in einem Leistungsspektrum von 22 bis 142 kW Nennkühl- und 25 bis 160 kW Nennheizleistung. Leistungen über 70 kW werden hierbei durch Verbundschaltungen realisiert. Darüber hinaus sind weltweit erstmals auch Außeneinheiten mit Generator (Kraft-Wärme-Kopplung) im Leistungsbereich von 56 bis 127 kW Nennkühl- und 63 bis 143 kW Nennheizleistung lieferbar. Die elektrische Leistung des Gleichstrom-Generators beträgt hierbei 2 bis 8,5 kW. Es gibt auch Bestrebungen, im Wärmepumpenbetrieb neben der Wärmequelle Außenluft die Erdwärmenutzung über Sonden einzubeziehen. Weitergehende Ausführungen in den Quellenangaben [1] bis [3 am Schluss des Beitrags.

Funktionsprinzip

Für Gas-VRF-Systeme ist kennzeichnend, dass im Heizbetrieb neben der Energiequelle Außenluft bei niedrigen Temperaturen die Motor- und Abgasabwärme genutzt wird.

Außeneinheit (Gaswärmepumpe): Als Antriebsaggregate werden Otto-Motoren mit einem Drehzahlbereich zwischen 800 und 2 800 1/min eingesetzt. Sie treiben offene Drehkolben- oder Scrollverdichter an. Je Außeneinheiten-Modul werden zwei Verdichter über Riementrieb von der Kurbelwelle angetrieben. Die Leistungsanpassung erfolgt also immer mittels Drehzahlregelung und bei mehreren Verdichtern zusätzlich durch Verdichterabschaltung (Leistungsstufung). Zylinderkopf und Brennraum des Motors wurden für die Gasverbrennung optimiert. Die elektronische Zündung passt den Zündzeitpunkt automatisch an die Gasqualität, Erdgas H und Loder Flüssiggas, an. Ein Hybrid-Wärmeübertrager (Verdampfer) führt im Heizbetrieb bei ta > 0 °C die Verdampfungswärme aus der Außenluft (Umweltwärme) zu. Außerdem wird bei Bedarf überschüssige Motor- und Abgaswärme über den Kühlwasser-Kreislauf an die Umgebung abgegeben. Bei niedrigen Außentemperaturen wird im Heizbetrieb die Verdampfung und Überhitzung des Kältemittels von einem zusätzlichen Plattenwärmeübertrager übernommen. Daher kann man selbst bei Außentemperaturen bis 20 °C immer noch die Nennheizleistung (bezogen auf +7 °C) abrufen. Die dafür erforderliche Energie wird aus dem Kühlwasser-Kreislauf bereitgestellt. Über den Plattenwärmeübertrager kann im Heiz- und Kühlbetrieb Warmwasser (Vorlauf ≤ 75 °C) in die Hochtemperaturschiene ausgekoppelt werden.

Inneneinheiten (Kühl- und Heizsystem im Gebäude): In der VRF-Standardausführung können bis zu 64 Inneneinheiten je Kältekreis für die Heizung (und/oder Kühlung) von Luft angeschlossen werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Wasser-Wärmeübertrager zuzuschalten bzw. separat (Luft/Wasser-WP) zu betreiben.

Besondere Bedeutung für die Energieeffizienz der gasmotorischen Klimaanlage/Gasmotor-Wärmepumpe hat die Nutzung der Motor- und Abgasabwärme, nach Möglichkeit über den gesamten Betriebszyklus. Dies führt zu einer signifikanten Erhöhung der Energieeffizienz und damit der Attraktivität des Systems.

Planung und Ausführung des Großprojektes Logistik-Center Rheinfelden

Ort: Logistikpark Hochrhein

GU: Goldbeck GmbH, Bielefeld

Investor: Grieshaber Logistics Group AG, Bad Säckingen

Gewerk: Heizung, Kühlung, Lüftung

Planung, Projektierung, Ausführung: Eschenfelder KKU GmbH, Marl

Aufgabenstellung

Planung und Ausführung der Lüftung, Heizung, Kühlung/Entfeuchtung und Befeuchtung für den Neubau einer Logistikhalle mit Büro- und Sozialflächen (Bild 1).

Die Forderungen im Einzelnen:

• Erfüllung der neuesten Umwelt- und Energiestandards: 20 Prozent unter EnEV 2009 und Einhaltung des EEWärmeG
• Realisierung unterschiedlicher Temperaturzonen von 15 bis 25 °C bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30 bis 60 Prozent r. F. in den Logistikhallen
• Beheizung und Kühlung/Entfeuchtung des Bürogebäudes und der Lagerbüros nach Arbeitsstättenrichtlinie
• Investitionskostenermittlung, Nachweis der Energieeinsparung sowie die Gewährleistung flexibler und sicherer Nutzung der Anlagentechnik
• Crash-Planung

Projektentwicklung

Die Firma Goldbeck hatte als General­unternehmer (GU) in Auftrag gegeben, verschiedene Techniken zu untersuchen und mit­einander zu vergleichen. Zur Auswahl standen folgende Lösungs­varianten:

• Variante 1: Gas-Kesselanlage und Kaltwassersatz
• Variante 2: Elektrisch angetriebene Luft/Luft-Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen
• Variante 3: Verdunstungskühlung über RLT-System
• Variante 4: Sole/Wasser-Wärmepumpe (Geothermie) zum Heizen und Kühlen (nur für Büroflächen)
• Variante 5: BHKW, Absorber, Kaltwassersatz und Kessel
• Variante 6: VRF-Multisplit- Klimaanlage auf Basis von gasmotorischen Luft/Luft-Wärmepumpen

Die umfangreiche Prüfung durch Goldbeck (Varianten 1 bis 4 und 6) und Grieshaber (Variante 5) ergab Folgendes:

Die Varianten 1 und 2 erfüllten die ge-setzlichen (EEWärmeG) bzw. projektspezifischen (EnEV 20 Prozent) Vorgaben nicht.

Variante 3 war von der Inneninstallation her nicht durchführbar. Außerdem ergaben sich zu hohe Investitionskosten. Die gesetzlichen Vorgaben hingegen wurden erfüllt.

Variante 4 (nur für die Büroflächen) kann über Fußboden-Kühlung nur die Grundlast abdecken, sodass ein zweites System für die Spitzenlastabdeckung erforderlich wäre. Unter anderem war dieser wesentliche Nachteil gegenüber Variante 6 ausschlaggebend, dass gegen den Einbau entschieden wurde.

In die engere Wahl kamen somit die Varianten 5 und 6 mit den nachfolgend aufgeführten Vor- und Nachteilen:

Variante 5: Gesamtkosten 358000 Euro/a

• vorteilhafte Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
• hohe Energieeffizienz und signifikante CO₂-Einsparung
• temporär erzeugter Strom kann für die Kühllager genutzt werden
• Starterbatterien erforderlich, falls das BHKW als NEA genutzt werden soll
• zusätzliche Notstromversorgung erforderlich, da nur ca. 50 Prozent des Bedarfs gedeckt werden
• Technikzentrale neben dem Betriebsgebäude
• Heizen oder Kühlen (geringe Flexibilität in der Nutzung, außer es wird ein 4-Leitersystem aufgebaut)
• keine Redundanz
• bis zu 20 Prozent Energieverluste in der Verteilung durch Netz und Pumpen
• hoher regelungstechnischer und hydraulischer Aufwand
• wenige Fachfirmen verfügbar / Abhängigkeit
• hohe Wartungskosten u. a. durch kurze Wartungsintervalle (BHKW ca. alle 1500 Betriebsstunden)
• vier Anlagentechniken vier Ansprechpartner

Variante 6: Gesamtkosten 332000 Euro/a

• VRF-Multisplit-Systemlösung aus aufeinander abgestimmten Komponenten mit komfortabler Regelung
• eine Systemlösung ein Ansprechpartner
• hohe Energieeffizienz (bis 28 Prozent unter EnEV 2009 erreichbar) und signifikante CO₂-Einsparung u. a. durch den Einsatz von Erdgas
• keine Technikzentrale, dezentrale Platzierung der VRF-Außeneinheiten (Gaswärmepumpen) direkt am Verbraucher (kurze Rohrleitungswege, kleine Rohrleitungsdimensionen und nur ca. drei Prozent Verteilungsverluste, Kältemitteltransport erfolgt durch Verdichter; keine zusätzliche Transportenergie nötig)
• Heizen und Kühlen im 2-Leitersystem einschließlich der Realisierung verschiedener Temperaturzonen in den Hallen
• hohe Betriebssicherheit durch Redundanz
• geringe elektrische Leistungsaufnahme
• flexibel in der Nutzung
• einfache Handhabung und Bedienung

Aufgrund der niedrigeren Jahreskosten und weiterer, für diesen Anwendungsfall wesentlichen Vorteile, entschied man sich bei Grieshaber für Variante 6 und erteilte Eschenfelder den Auftrag für die Planung, Projektierung und Ausführung.

Projektbeschreibung

Die Realisierung erfolgte im Zeitraum 24. September 2012 bis 17. Mai 2013. Hier zunächst einige Fakten im Überblick:

• Bauzeit der Anlagen: 2. Januar 2013 bis 7. Mai 2013
• Fertigstellung: Mai 2013
• Kälteleistung: 751 kW
• Heizleistung: 886 kW
• Luftvolumenstrom: 240000 m³/h
• Baufläche: 25000 m² Logistik- und Handling-Fläche

Anmerkung: Der Gesamtauftrag beinhaltet natürlich auch weitere, von Variante 6 abweichende Ausrüstungen, wie

• Abluftanlagen für Lagerbüros, Druckraum / Meetingpoint und WC-Bereiche
• Lüftungsanlagen für Sozial- und Technikräume sowie die
• Serverraum-Kühlung, die hier aber nicht näher beschrieben werden.

Nachfolgend werden nur Anlagen gemäß Variante 6 betrachtet.

a) Lagerhalle: Gas-VRF-Anlage zum Heizen und Kühlen / Entfeuchten

Durch die effiziente Nutzung und Kombination von Kraft-Wärme-Kopplung, Wärmepumpe und VRF-Technologie wird ein äußerst ressourcenschonender Betrieb er-möglicht. Nicht nur die Einbindung kostenfreier Umweltwärme, sondern auch die wirkungsvolle Verwendung der Abwärme aus Motor und Kühlkreislauf ermöglichen diese Leistungsfähigkeit. Im Gegensatz zu konventionell elektrisch betriebenen Wärmepumpensystemen werden hier die Verluste, die bei der Wandlung von Primärenergie (Gas/Kohle) in Strom anfallen, beim Nutzer nutzbar gemacht! Durch hochentwickelte Wärmeübertragersysteme und den Einsatz des modernen, FCKW-freien Kältemittels R 410 A werden diese Verluste gewandelt und neben der Umweltwärme dem Heizsystem als wertvolle Energie zugeführt. Für die Lagerhalle werden als VRF-Inneneinheiten Kanalgerate mit Kühl- und Heizfunktion eingesetzt. Sie sind über 2-Leiterrohrsysteme mit den jeweiligen Außeneinheiten verbunden und können die Bereiche nach Bedarf kühlen/entfeuchten oder beheizen. Die Umschaltung erfolgt zentral am Touch-Controller oder automatisch. Die VRF-Ka­nalgeräte arbeiten im Umluftbetrieb. Die Raumluft wird über die Geräte angesaugt, mit der Filterstufe F5 gefiltert, thermisch nach Erfordernis behandelt und über ein Weitwurfdüsensystem dem Raum wieder zugeführt. Die Anordnung der Weitwurf­düsen erfolgt mittig vor jedem Regalgang, um die gesamte Tiefe der Regalschluchten mit dem Luftstrom zu beaufschlagen und somit ein Optimum an Temperaturkonstanz zu erreichen (Bild 2).

Jedes Kanalgerät misst die Temperatur am Installationsort über einen Raumfühler im Aufenthaltsbereich und regelt auf den Wert, der durch den Nutzer am Touch-Controller vorgegeben wird. Für die je­weiligen Bereiche können unabhängig voneinander die gewünschten Raumtemperaturen im Rahmen der Betriebsmodi vorgegeben werden.

Zur Einhaltung der geforderten, maximalen relativen Raumluftfeuchte von 60 Prozent wurden zwei Anlagen mit Kanalhygrostaten ausgestattet. Diese überwachen den oberen Grenzbereich der relativen Luftfeuchte mit einem Schaltwert von 55 Prozent. Ab diesem Wert werden die an-geschlossenen Außeneinheiten (Gaswärme­pumpen) in den Kühlmodus und die Inneneinheiten in den Entfeuchtungsmodus ge-schaltet. Beim Entfeuchten sinkt durch den kältetechnischen Prozess die Raumtemperatur. Daher muss die Raumtemperatur im Winterbetrieb um mindestens ca. 3 K über der unteren Grenztemperatur von 15 °C liegen, um eine Temperaturunterschreitung im Entfeuchtungsfall zu verhindern.

Im Winterbetrieb kann bei niedrigen Außentemperaturen und die Einlagerung hygroskopischer Güter eine relative Raumluftfeuchte unterhalb der geforderten 30 Prozent r. F. auftreten. Durch die in­stallierten Dampf-Luftbefeuchter mit integrierter Regelung wird die Raumluftfeuchte angehoben (Bild 3). Die Befeuchtungsstrecke wurde in die Weitwurfdüsen integriert.

Die Anlage ist auf die zentrale Überwachungs- und Steuereinheit Intelligent Touch-Controller aufgeschaltet und von hier zu konfigurieren und zu überwachen.

Folgende lufttechnische Behandlungsfunktionen sind möglich:

• Heizen im Umluftbetrieb
• Kühlen im Umluftbetrieb
• Lüften (Luftumwälzung ohne thermodynamische Behandlung)
• Entfeuchten im Umluftbetrieb (Regelung über Hygrostat)
• Außenluftanteil ungeregelt durch transportbedingtes Öffnen der Hallentore

Die eingesetzten VRF-Geräte sind: vier Außeneinheiten (Gaswärmepumpe AWGP­7l0E1) mit je vier Inneneinheiten (Kanalgerät AXMP280M), zwei Verbund-Außeneinheiten (Gaswärmepumpen im Verbund zu je zwei Gaswärmepumpen AWGP7l0E1 mit je sechs Inneneinheiten (Kanalgerät AXMP280M)). Die Außeneinheiten stehen auf dem Dach der Lagerhalle. Das Anlagenschema der Verbundanlage ist Bild 4 zu entnehmen.

b) Mezzanine

Beschreibung wie unter a) mit folgender Spezifizierung der Luftführung: Die Raumluft wird über die VRF-Inneneinheiten (Ka­nalgeräte) angesaugt, mit der Filterstufe F7 gefiltert, thermisch nach Erfordernis behandelt und über ein Textilschlauchsystem dem Raum wieder zugeführt (Bild 5). Die Textilschläuche sorgen für eine komfortable Lufteinbringung auch im Kühlfall und haben sich bei der Arbeitsplatzklimatisierung in thermisch belasteten Bereichen bewährt.

Die eingesetzten VRF-Geräte sind: zwei Außeneinheiten (Gaswärmepumpe AWGP­560El) mit je drei Inneneinheiten (Kanal­gerät AXMP280M). Die Außeneinheiten stehen auf dem Dach der Halle.

c) Verwaltungsgebäude

Beschreibung wie unter a) mit folgender Spezifizierung: Für die Büroräume im Verwaltungsgebäude wurde ebenfalls ein Gas-VRF-Multisplitsystem mit Kühl- und Heizfunktion eingesetzt. Die Raumluft-Kühlung/Entfeuchtung oder -Heizung erfolgt über 4-Wege-Deckenkassetten im Umluftbetrieb. Jede Kassette erfasst die Temperatur am In­stallationsort und regelt auf den Wert, der durch den Nutzer an der Raumfernbedienung oder am Touch-Controller vorgegeben wird. Die Nutzer können unabhängig voneinander ihre gewünschten Raumtemperaturen im Rahmen der Betriebsmodi wählen bzw. vorgeben. Die Anlage ist ebenfalls auf die zentrale Überwachungs- und Steuereinheit Intelligent Touch-Controller aufgeschaltet. Folgende lufttechnischen Behandlungsfunktionen sind möglich:

• Heizen im Umluftbetrieb
• Kühlen im Umluftbetrieb
• Lüften (Luftumwälzung ohne thermo­dynamische Behandlung)
• Entfeuchten im Umluftbetrieb(nur im Kühlmodus)
• Außenluft über Fensterlüftung

Die eingesetzten VRF-Geräte sind: eine Außeneinheit (Gaswärmepumpe AWGP560E1); Inneneinheiten: im EG sechs AXZP22M, eine AXZP28M, eine AXZP36M und eine AXAP22M; im 2. OG:drei AXZP22M, eine AXZP28M, eine AXZP36M und eine AXZP45M. Die Außeneinheiten stehen auf dem Dach des Ver­waltungsgebäudes.

d) Brandschutz

Bei einer Brandalarmmeldung schaltet die BMA über den Brandmeldeeingang am Intelligent Touch-Controller in den Not-Aus-Modus. Hierbei werden alle VRF- Außen- und Inneneinheiten der Anlagen a) bis c) abgeschaltet. Eine Rauchausbreitung über die Klimageräte wird so verhindert.

Zusammenfassung

Der Beitrag beschreibt die Planung und Ausführung der Vollklimatisierung (Lüftung, Heizung, Kühlung/Entfeuchtung und Befeuchtung) für den Neubau des Großprojektes Logistik-Center Rheinfelden mit Logistikhalle und Büro- und Sozialflächen. Aufgrund der niedrigeren Jahreskosten und weiterer, für diesen Anwendungsfall wesentlichen Vorteile, entschied sich der Investor für eine gasmotorisch betriebene VRF-Vollklimaanlage. Diese ausgefeilte Systemtechnik, die den Luft-Kältemittel-Anlagen zuzuordnen ist, wurde mit Luft/Luft-Wärmepumpen-Heizfunktion ausgeführt. Sie erfüllt die neuesten Umwelt- und Energiestandards: 20 Prozent unter EnEV 2009 und Einhaltung des EEWärmeG! Die Logistikhalle wird seit Juni 2013 als Medikamentenlager genutzt. Parallel zur Inbetriebnahme der Vollklimaanlage wurde eine sehr aufwendige Zertifizierung für Pharmaunternehmen durchgeführt. Die Auswertung von 70 Messstellen ergab, dass die Forderungen der Aufgabenstellung mit ausreichender Sicherheit erfüllt werden. -

Literatur

[1] Trogisch, A.: Planungshilfen Lüftungstechnik, 4. Auflage, VDE Verlag Berlin, Offenbach 2011

[2] Arndt, U.: Gasmotorische Klima­anlagen/Wärmepumpen. KK DIE KÄLTE + Klima­technik 12/2009, S. 3236, Alfons W. Gentner Verlag, Stuttgart

[3] Schwarze, S.: Gaswärmepumpen decken den Wärme- und Kältebedarf. Vortrag IKK ­Building Forum, ISH 2009. VDKF-Information Nr. 34 / MärzApril 2009

[4] Werksunterlagen Eschenfelder KKU GmbH, Marl

Radeberg