Das JoHo mit einer Kapazität von 570 Betten, 2100 Mitarbeitern und 14 medizinische Fachabteilungen blickt auf eine lange Historie zurück. Die Lage des Hospitals fordert kompakte Lösungen. Darüber hinaus sind in Pandemiezeiten die Anforderungen an Hygiene zum Schutz der Patienten und des Klinikpersonals wichtig. Die keim- und schadstofffreien Wärmerückgewinnungssysteme tragen zur Sicherung des Klinikbetriebes bei.
Wie zahlt sich dieses Wirtschaften aus?
Die für ein Krankenhaus erforderlichen Lüftungs- und Klimaanlagen gehören zu den größten Energiefressern und kosten dementsprechend. Aber welche Stellschrauben gibt es um diese Kosten dauerhaft zu senken?
Die Luftmengen ergeben sich durch die hygienischen und thermischen Anforderungen und sind kaum beeinflussbar. Ein Prüfen der möglichen Teillastzustände sollte jedoch in Betracht gezogen werden.
Ein prinzipieller Ansatz ergibt sich mit dem Einsatz von Wärmerückgewinnungssystemen. Dabei wird der Fortluft die Wärme oder Kälte entzogen und in verschiedenen Weisen der Außenluft wieder zugeführt. Damit ist nur noch ein Bruchteil der Lufterwärmung/-kühlung erforderlich. Aber WRG ist nicht gleich WRG, wenn zwei das gleiche machen, ist es noch lange nicht dasselbe!
Die verschiedenen WRG-Systeme sind Rotations-WRG und Akkumulatoren als Regeneratoren, Kreuzstrom-Plattenaustauscher als Rekuperator und die Kreislaufverbund-Systeme (KVS) als Mischung von beidem. Mit der absoluten Trennung von Außen- und Fortluft für eine astreine Hygiene, den hohen Austauschgraden und Effizienzwerten sind die KVS universell einsetzbar. Ab ca. 75 Prozent Rückwärmzahl sind die KVS multifunktional einsetzbar und bieten weit über die Wärme-/ Kälterückgewinnung weitere Funktionen an, z.B. Indirekt adiabatische Kühlung, Freie Kühlung, Entfeuchtungskälterückgewinnung oder Kältemaschinenrückkühlung.
Diese und viele weitere Zusatzfunktionen entstanden bei der Entwicklung des KVS mit der Gegenstrom-Schicht-Wärmetauscher-Technologie (GSWT) aus dem Hause SEW aus Kempen. Eine zentralen Rolle kommt dem speziellen Gegenstrom-Schicht-Wärmeaustauscher (GSWT) zu. Mit dem modularen Aufbau und mit einer Vielzahl an parallelen Wärmetauscher-Modulen kann jede Luftleistung bewältig werden; auch die Rückwärmzahl und Effizienz sind damit konstruktiv einstellbar. Die energetischen Rückwärmzahlen gemäß der EN 13053 sind auch im Einbauzustand nachweisbar.
Basis für multifunktionale und hocheffiziente Wärme-/Kälterückgewinnungssysteme ist die Redundanz des GSWT und bietet neben der hohen Energieeinsparung auch eine hohe Betriebssicherheit.
Mit der ersten GSWT-Anlage 1999 war der Grundstein für eine sehr interessante Entwicklung gelegt. Die Anlage OP mit einer Luftleistung von ca. 70.600 m³/h hatte bereits sieben Zusatzfunktionen:
Nacherwärmung, Ind. adiab. Kühlung, Entfeuchtungskühlung, Entfeuchtungskälterückgewinnung, Freie Kühlung, integrierte Kältemaschine mit Kältemaschinenrückkühlung über die Fortluft.
Für diese Funktionen ist eine erhöhte Redundanz/Betriebssicherheit und ein hoher Austauschgrad erforderlich. (Bild 1)
Bild: SEW GmbH
Nacherwärmung
Da die WRG in der Regel nicht die gewünschte Zulufttemperatur im Winter erbringt, muss nacherwärmt werden. Dabei wird der luftseitige Nacherwärmer durch einen Wasser-/Wasser-Plattentauscher ersetzt. Dieser ist im KVS integriert und erwärmt das KV-Fluid bis die gewünschte Zulufttemperatur erreicht ist. Für die o.g. Anlage wird das KV-Fluid von 19,2 °C auf nur 26 °C erwärmt. Damit lässt sich die Außenluft von –12 °C auf 22 °C erwärmen.
Für dieses Temperaturniveau kann auch der Heizungsrücklauf angezapft werden und verbessert die Rücklaufauskühlung. Das ist die Wirkung des GSWT. Die Ansteuerung erfolgt wie bei einem luftseitigen Nacherwärmer.
Freie Kühlung
Diese Funktion bietet für den Winter- und Übergangsfall Kälte ohne Kältemaschine an, z.B. für Medizingeräte wie MRT, CT oder EDV-Anlagen. Die bereitgestellte Kälte 8/14 °C wird mit einer überragenden Leistungszahl erstellt. Für die Anlage im JoHo werden 30 kW bei 8/14 °C ab einer Außenluft von 5 °C und kälter erzielt.
Auch wenn nur 1 K von 14 °C auf 13 °C erbracht wird, liegt die Leistungszahl dieser „Kälteerzeugung“ bei 1:10.
Bild: SEW GmbH
Bild: SEW GmbH
Bild: SEW GmbH
Indirekt adiabatische Kühlung (IAVK)
Bislang konnte ein KVS immer dann, wenn die Ablufttemperatur unter der Außentemperatur war Kälterückgewinnung anbieten. Um diesen Effekt zu verstärken setzt SEW seit 1985 einen Fortluftbefeuchter ein. Dieser Oberflächenbefeuchter kann mit Stadtwasser betrieben werden und erzeugt keine Aerosole. Damit kann die erforderliche Kältemaschine für die o.g. Anlage um 200 kW kleiner ausgeführt werden, dementsprechend fällt der Elektroanschluss um ca. 70 kW geringer aus.
Entfeuchtungskühlung
Mit der IAVK lässt sich die Luft leider nicht soweit kühlen, dass damit entfeuchtet werden kann. Also muss nachgekühlt werden. Dies geschieht im JoHo mit einer voll integrierten Kältemaschine. Der sonst übliche luftseitige Kühler entfällt und damit auch der anteilige Strom für den Ventilator. In 22 Jahren kommen allein dadurch 660.000 kWh Strom zusammen. Darüber hinaus wird zur Entfeuchtung Kaltwasser von 8 / 18 °C anstelle 6 / 12 °C erforderlich. Dies wirkt sich effizienzsteigernd auf den Kältemaschinenbetrieb aus.
Entfeuchtungskälterückgewinnung
Diese Funktion wird seit 1994 verwendet und erwärmt die entfeuchtete Luft z.B. von 14 °C auf 18 °C auf. Das Fluid von der Fortluft kommend wird nach der IAVK ein weiteres Mal gekühlt, so dass die Kältemaschine um weitere 70 kW reduziert werden kann.
Kältemaschinenrückkühlung
Mit den o.g. Funktionen konnte die Kältemaschine um ca. 270 kW kleiner ausgeführt werden. Mit der ohnehin vorhandenen Fortluftmenge konnte die Abfuhr der Kompressorwärme von 336 kW erbracht werden. Gegenüber einer Lösung ohne GSWT-System wäre eine Kältemaschine mit 517 kW und ein Rückkühlwerk von 660 kW (740 kW bei Berücksichtigung der Verteilverluste) erforderlich gewesen. Insbesondere in der Innenstadt und den knappen Platzverhältnissen ist dies mehr als nur eine Alternative.
In den letzten 20 Jahren sind zehn weitere GSWT-Systeme hinzugekommen. Nicht alle Systeme haben dieselbe Ausstattung oder die hohe Luftleistung. Addiert man jedoch die eingesparten Heiz-, Kälte-, Rückkühl- und Elektroleistungen, so ergeben sich imposante Werte. (Bild 2, Bild 3, Bild 4)
Mit jeder neuen Anlage steigt die Betriebskosteneinsparung und die Einsparkurve wird immer steiler und für Investitionen steht immer höhere Betriebskosteneinsparungen zur Verfügung (Bild 5). Darin sind die Investitionen der WRG-Systeme, deren Wartungskosten und Betriebskosteneinsparungen aufgetragen. In 2022 werden über 2,5 Mio. Euro netto eingespart worden sein.
Mit den jährlichen Einsparungen von ca. 365.000 Euro sind Investitionen in neue Anlagen oder Sanierungen mit entsprechender Qualität und Effizienz jederzeit durchführbar. Die Anlagen amortisieren sich innerhalb ihrer Lebensdauer mehrfach selbst.
Aber was macht man, wenn diese Investitionsmöglichkeiten nicht zur Verfügung stehen?nEine Möglichkeit besteht in einer anderen Herangehensweise. Bislang werden zunächst die Volumenströme ermittelt, danach die Heiz- und Kühllasten und dann kommt die Auslegung der Heiztechnik, die Kältemaschine und das Rückkühlwerk. Erst danach wird über eine Wärmerückgewinnung gesprochen. Leider ist dann die mögliche Substitution der vorzuhaltenden Leistungen kaum noch möglich. Faktisch müsste man dann eine zweite Planung machen, was zeitlich und wirtschaftlich nicht erbringbar ist.
Legt man jedoch nach den Heiz- und Kühllasten das WRG-System aus und kommt durch Redundanz / Betriebssicherheit und multifunktionale Anwendung auf kleinere Leistungen, dann kommen diese Einsparungen dem WRG-System zugute und der Anschaffungspreis relativiert sich.
Bild: SEW GmbH
Fazit
Mit einer etwas anderen Herangehensweise bei der Planung, mit einer spezielle Wärmetauschertechnologie und dem konsequenten Investieren erreicht man den Punkt, dass in jedem Jahr Mittel für weitere Investitionen rein aus den Betriebskosteneinsparungen heraus getätigt werden können. Die Nachhaltigkeit ergibt sich dadurch, dass einmal ‚weg’-substituierte Heiz- und Kühlleistungen auch bei zukünftigen Sanierungen nicht mehr beplant werden müssen – oder es stehen Reserven zur Verfügung. Das Johannes-Hospital Dortmund ist damit Vorreiter und Referenz für einen umweltgerechten und nachhaltigen Betrieb der RLT-Anlagen. ■
Bild: SEW GmbH
Das Gebäude in 3D
Das St. Johannes-Hospital ist auch virtuell zu sehen. Scannen Sie den QR-Code und schauen Sie selber.
