Der Begriff „Green Solution“ steht stellvertretend für eine neue Herangehensweise in der Gebäudetechnik. In Zeiten immer strengerer CO2-Emissionsvorschriften und steigender Energiepreise müssen moderne Bürokomplexe nicht nur äußerlich überzeugen, sondern vielmehr aus ökonomischer und ökologischer Sicht.
Die Umschreibung „Green Solution“ soll dabei verdeutlichen, dass ein neues Bauvorhaben besonders umwelt- und ressourcenschonend ausgeführt wird. Im Optimalfall erzeugt so ein Neubau mehr Energie als er tatsächlich verbraucht. Da dies bei Industriegebäuden kaum machbar ist, spricht man hier von einer Green-Solution-Lösung, wenn der Energiebedarf laut Energieeinsparverordnung (EnEV) deutlichunterschritten wird. Der einzige Nachteil an dem Begriff „Green“ ist, dass er nicht geschützt ist und es keine Definition darüber gibt, ab wann ein Gebäude als Green Solution bezeichnet werden darf.
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung und Wärmepumpe kombiniert
Die Leica Camera AG hat sich ganz bewusst für ein nachweisbares „Green Building“ entschieden, um einerseits die Betriebskosten zu minimieren und um andererseits als innovatives Unternehmen wahrgenommen zu werden. Zu diesem Zweck wurde der neue Firmenhauptsitz so ausgeführt, dass er im Betrieb 25 Prozent weniger Primärenergie verbraucht als von der EnEV vorgesehen.
Um das zu erreichen, ist neben baulichen Maßnahmen ein durchdachtes Energiekonzept notwendig. Dieses besteht bei Leica in den Hauptteilen aus einer innovativen Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung und einer Wärmepumpenkomponente. Das Ganze ist so ausgelegt, dass in den normalen Betriebszeiten keine Energie ungenutzt an die Umwelt abgegeben werden muss. Einzig in Spitzenlastzeiten kann es vorkommen, dass konventionelle Anlagenkomponenten unterstützend eingreifen müssen.
Dabei stellten sich dem Betreiber zwei entscheidende Fragen: Wie hoch sind die Mehrinvestitionen und wie groß sind die Energieeinsparungen gegenüber einem konventionellen System? Um das herauszufinden, muss das gesamte innovative System durch konventionelle Komponenten ausgetauscht und eingehend untersucht werden.
Von der Lastauslegung zum Gebäude- und Energiekonzept
Jedes gute Energiekonzept basiert zunächst auf einer detaillierten Lastberechnung. Im Fall von Leica ging das so weit, dass sogar die Einflüsse der Sonnenstände auf das Gebäudeinnere mit einer aufwendigen Simulation berechnet wurden. Aus den so gewonnenen Daten entwickelte man anschließend ein innovatives Gebäudekonzept mit vielen regenerativen Komponenten.
Das wichtigste bauliche Merkmal ist da-bei ein Doppelwandkonzept (s. Bild auf S. 22 oben), das im Erdgeschoss hinter einer Glasfassade realisiert wurde. Dadurch verringern sich die äußeren Lasteinflüsse auf den Gebäudekern auf ein Minimum. Diese Einsparungen werden durch einen Hohlraum realisiert, der durch eine Doppelwand entsteht. Dabei befindet sich hinter den Fensterflächen eine kernaktivierte Wand, die den Hohlraum entweder kühlt oder heizt. Dadurch werden alle durch die Umwelt hervorgerufenen Lasteinträge direkt abgefahren. Zusätzlich reflektiert ein innenliegender Sonnenschutz eintreffende Sonnenstrahlen direkt nach außen.
Bis vor wenigen Jahren war man in der Gebäudetechnik noch der Überzeugung, dass Luft fast die komplette Gebäudekonditionierung übernehmen kann. In den letzten Jahren hat diesbezüglich ein Umdenken stattgefunden. Man ist zu der Einsicht gekommen, dass es wirtschaftlich besser ist, die meisten Lasten mithilfe von Wasser abzufahren. Grund dafür ist, dass die spezifische Wärmekapazität von Wasser rund viermal so hoch ist wie die von Luft. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass der Massenstrom viermal kleiner wird. Daraus wiederrum resultieren geringere Transport- und Verlustkosten im Verteilernetz.
Auf dieser Grundlage wurde der neue Firmenkomplex geplant. Eine Betonkernaktivierung fährt dabei den größten Teil der Grundlast ab. Zusätzlich kann das Gebäude im Sommer über Kühldecken abgekühlt und im Winter über eine Fußbodenheizung beheizt werden. Einzig für den erforderlichen Frischluftanteil und für eventuelle Spitzenlasten muss konditionierte Zuluft über RLT-Anlagen in das Gebäude eingeblasen werden.
Um diesen doch zum Teil sehr unterschiedlichen Temperaturniveaus Rechnung zu tragen, wird auf der Energieerzeugerseite ein hochkomplexes Anlagensystem eingesetzt. Bei diesem innovativen System handelt es sich um zwei Teilsysteme, die intelligent miteinander verknüpft wurden, nämlich um eine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung und um ein Wärmepumpensystem mit angeschlossenem Erdspeicher.
Die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung besteht dabei aus zwei Blockheizkraftwerken und einer Absorptionskälteanlage. Durch diese Kombination erlangen die BHKWs hohe Jahreslaufzeiten von rund 5000 h. Der in dieser Zeit produzierte Strom wird vorrangig selbst verbraucht und nur bei Überproduktionen in das öffentliche Netz eingespeist. Das Wärmepumpensystem besteht neben der eigentlichen Wärmepumpe aus einem Erdsondenfeld und dem integrierten Sprinklertank des Gebäudes. Durch diese Verknüpfung ergeben sich zwei Vorteile.
COP-Erhöhung und ErdbodenEnergiespeicher
Den wohl wichtigsten Punkt stellt dabei die COP-Erhöhung der Wärmepumpe durch die Sprinklertankabkühlung dar. Dabei wird die Sole vom Erdsondenfeld zunächst über den Tank geführt und anschließend der Wärmepumpe zur Verfügung gestellt. Dieser Verlauf erwärmt zum einen die Sole von rund 10 °C auf 15 °C und zum anderen erhält der Tank so ein konstantes Temperaturniveau von 15 °C. Der so abgekühlte Sprinklertank versorgt damit im nächsten Schritt die Produktionsmaschinen mit Kühlwasser. Die erwärmte Sole hingegen steigert den COP-Wert der Wärmepumpe.
Der zweite Vorteil dieses Systems ist, dass der Erdboden als Energiespeicher genutzt wird. Zu diesem Zweck muss er allerdings zyklisch beladen werden, um seine Funktion nicht zu beeinträchtigen. Ziel ist es, das Gebäude in den Übergangszeiten ohne den Einsatz von Kältemaschinen abzukühlen. Um das zu erreichen, muss der Boden im ersten Schritt im Winter mit überschüssiger Kälteenergie der Wärmepumpe beladen werden. Die so gespeicherte Kälteenergie wird dann in den Übergangsmonaten zurückgewonnen und dem Gebäude zugeführt.
Um ein zu starkes Auskühlen des Erdbodens zu verhindern, muss dieser in den Sommermonaten mit der überschüssigen Wärmeenergie der Wärmepumpe regeneriert werden. Geschieht dies nicht, wird die Energiespeicherfunktion des Bodens innerhalb kürzester Zeit zunichtegemacht. Durch diese Art der Energiespeicherung muss in den Sommermonaten so gut wie keine Wärmeenergie vernichtet werden.
Innovatives vs. konventionelles Energiesystem
Die Hauptaufgabe der Bachelorarbeit bestand nun darin, zu überprüfen, inwieweit das speziell für Leica entwickelte Energiesystem Vorteile gegenüber einem konventionellen Vergleichssystem aufweist. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf den Punkten Wirtschaftlichkeit, Ökologie und Energieverbrauch.
Um später belegbare Aussagen zu erhalten, musste zunächst ein adäquates Vergleichssystem geschaffen werden. Dazu wurden im ersten Teil die Blockheizkraftwerke durch einen Gasbrennwertkessel und die Absorptionskältemaschine durch eine Kompressionskältemaschine ersetzt. Der Wärmepumpenteil wurde durch einen Gasbrennwertkessel, einen Kaltwassersatz und einen Trockenrückkühler ausgetauscht. Die Leistungen aller Systeme blieben dabei unverändert. Die Laufzeiten für Wärmepumpe und Blockheizkraftwerke wurden angenommen und betragen je rund 5000 h pro Jahr. Daraus lassen sich auch die Betriebszeiten der anderen Komponenten ableiten.
Berechnungsgrundlagen
Für die Bestimmung der CO2-Emission kann bei den gasbetriebenen Komponenten mit dem Äquivalent vom mco2 = 0,202 t/MWh gerechnet werden. Das geschieht nach der Formel
m.co2 = mco2 Q.Gas
Bei den kältetechnischen Komponenten, die ein Kältemittel als Arbeitsmedium haben, muss die CO2-Emission über den TEWI-Wert bestimmt werden. Dieser fasst drei Emissionsarten zusammen:
TEWI = [GWP L n] + [GWP m (1 αRückgewinnung )] + (n E β)
Der erste Term berücksichtigt dabei auftretende Leckageverluste der Anlage. Der mittlere soll Verluste bei der Rückgewinnung des Kältemittels mit einbeziehen und der letzte Term bewertet die indirekten Emissionen. Dazu zählen hauptsächlich die Stromerzeugung im Kraftwerk und die Übertragungsverluste.
Für das konventionelle Vergleichssystem kommt noch eine weitere Komponente zum Tragen, nämlich die CO2-Emissionen der Stromerzeugung im Kraftwerk. Zur Berechnung gibt es auch dafür ein passendes Äquivalent (mco2 = 0,55 t/MWh).
Grundlegend ist angenommen worden, dass der Strompreis zurzeit bei 23 ct/kWh liegt und der Gaspreis bei 5,5 ct/kWh. Alle weiteren Kalkulationsdaten beziehen sich auf Katalogpreise und Erfahrungswerte.
Komponentenersatz in drei Schritten
Der erste Schritt bestand darin, das bestehende innovative Gesamtsystem zur besseren Übersichtlichkeit in zwei Blöcke (Systemblock I und Systemblock II) aufzuteilen. Der erste Block besteht dabei aus den beiden Blockheizkraftwerken, dem Spitzenlast-Gasbrennwertkessel, der Absorptionskältemaschine und den beiden Spitzenlast-Kompressionskältemaschinen. Die drei Spitzenlastmaschinen fanden keine weitere Betrachtung. Der zweite Block enthält die Wärmepumpe, das Erdsondenfeld und den Sprinklertank.
Im darauffolgenden Schritt wurde zunächst der innovative Systemblock I durch ein konventionelles Vergleichssystem ersetzt. Dazu kamen anstelle der BHKWs ein großer Gasbrennwertkessel und anstelle des Absorbers eine Kompressionskältemaschine zum Einsatz. Durch diesen Austausch konnte dann ein aussagekräftiger Vergleich vorgenommen werden. Dieser enthält unter anderem Angaben über Energieverbräuche, Investitions- und Wartungskosten. Der Systemblock II wurde durch ein Verbundsystem aus Gasbrennwertkessel, Kaltwassersatz und Trockenrückkühler ausgetauscht. Im Anschluss erfolgte auch hier die Betrachtung der wichtigsten Merkmale.
Im dritten und letzten Schritt wurden beide Systemblöcke wieder zusammengeführt und die wichtigsten Merkmale in der Tabelle 1 zusammengefasst. Diese ist aber noch wenig aussagekräftig und bedarf einer genaueren Betrachtung. Auffällig sind sofort die sehr unterschiedlichen Energieverbräuche. Während das innovative System beim Gasverbrauch mehr als doppelt so hoch liegt, fällt dafür im Gegenzug der Strombedarf gänzlich weg. Das liegt daran, dass die beiden Blockheizkraftwerke durch die Verbrennung von Gas sowohl große Teile des Wärmeenergiebedarfs als auch den kompletten Strombedarf des Gebäudes abdecken. Allein dadurch spart das innovative System Stromkosten von mehreren hunderttausend Euro pro Jahr ein.
Ein weiterer Vorteil der effizienten Gasverbrennung vor Ort ist die deutlich geringere CO2-Emission gegenüber gekauftem Strom aus dem öffentlichen Netz. Es ist festzuhalten, dass das innovative System durch das weitestgehend autarke Netz nur Gas als Betriebsmedium braucht. Vergleicht man jetzt die Kosten nur für den Energiebedarf, erfordert das konventionelle System allein hier schon rund 20000 Euro mehr.
„Öffentliche“ CO2-Emissionen nicht vergessen!
Der nächste Punkt der Untersuchung bezieht sich auf die CO2-Emissionen beider Systeme. Dazu muss der TEWI-Wert und der Emissionswert zunächst kombiniert und ausgewertet werden. Nach den reinen Zahlenwerten schneidet das konventionelle System deutlich besser ab als das innovative. Allerdings ist bei dieser Betrachtung ein entscheidender Punkt nicht berücksichtigt. Denn beim konventionellen System fehlt noch die Einbeziehung der „öffentlichen“ CO2-Emissionen durch die Stromproduktion in Kraftwerken. Sie lassen sich durch die Tatsache einschätzen, dass in Deutschland von einem Gesamtnutzungsgrad der öffentlichen Stromgewinnung von rund 34 Prozent auszugehen ist; der Rest sind Verluste. Das bedeutet, dass der tatsächliche Primärenergiebedarf beim konventionellen System deutlich höher liegt. Zudem verändert sich dadurch das maßgebliche CO2-Äquivalent (0,55 t/a) erheblich.
Berücksichtigt man jetzt zusätzlich noch, dass die Blockheizkraftwerke deutlich mehr Strom produzieren, als das innovative System verbraucht, bleibt für das restliche Gebäude eine große nutzbare Differenz übrig. Diese müsste Leica beim konventionellen System dazukaufen. Das bedeutet, dass auf die reinen CO2-Emissionen beim konventionellen System nochmal rund 1 350 t CO2 pro Jahr an Kraftwerksemissionen dazukommen. Gut zu erkennen ist das beispielhaft in der Grafik unten für den Systemblock I.
Amortisationszeit und Primärenergieverbrauch entscheiden
Im letzten Betrachtungsschritt der Tabelle 1muss noch auf die anfallenden Kostenblöcke eingegangen werden. Hier ist deutlich zu erkennen, wo die Vor- und Nachteile des innovativen und des konventionellen Energiesystems liegen. So sind die Investitionskosten für das innovative System rund doppelt so hoch wie bei einem konventionellen Vergleichssystem. Andererseits muss bei ihm mit Betriebskosten von knapp unter 300000 Euro pro Jahr gerechnet werden, während beim innovativen System ein Überschuss von gut 11000 Euro zu verzeichnen ist.
Ein entscheidendes Kriterium für den Einsatz eines innovativen Systems ist die Amortisationszeit der Mehrinvestitionen.Dabei muss man berücksichtigen, dass Blockheizkraftwerke bei dieser starken Belastung im Durchschnitt nur eine 10jährige Lebensdauer haben und danach komplett ausgetauscht werden müssen. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass die Amortisationszeit diese Grenze nicht überschreiten darf und eher deutlich darunter liegen sollte. Bei den hier getroffenen Annahmen amortisieren sich die Mehrinvestitionen nach knapp fünf Jahren und zwei Monaten.
Die beiden wichtigsten Punkte dieser Betrachtung sind noch einmal separat grafisch dargestellt (s. Bild oben), nämlich der Primärenergieverbrauch und die tatsächlichen CO2-Emissionen. Gerade der Primärenergieverbrauch ist eine wichtige Kennzahl für die Wirtschaftlichkeit einer Anlage. Je niedriger diese ausfällt, umso weniger werden fossile Energieträger belastet. Das bei Leica eingebaute System verbraucht dabei im Vergleich zu einem konventionellen Vergleichssystem nur ein knappes Drittel der Primärenergie. Dieser gute Wert kommt dadurch zustande, dass Leica einzig Gas als Primärenergie benötigt und alle weiteren Energien sparsam vor Ort erzeugt. Das verringert vor allem die Übertragungsverluste auf ein Minimum und spart so Primärenergie ein.
Ein ähnliches Bild zeichnet sich auch bei den CO2-Emissionen ab. Auch hier schneidet das innovative System bedingt durch die dezentrale Energiegewinnung deutlich besser ab als das konventionelle. Denn die hohen Übertragungsverluste der öffentlichen Stromerzeugung und der in Deutschland herrschende Strommix treiben die CO2-Emissionen in die Höhe. Durch die intelligente Verknüpfung der einzelnen Anlagenteile bei Leica lassen sich diese Emissionen gänzlich vermeiden. So bleibt unter dem Strich stehen, dass das innovative System jährlich rund 700 t weniger an CO2 ausstößt als das konventionelle.
Zusammenfassung
Das bei Leica verwirklichte innovative System setzt in dieser Größenordnung Maßstäbe. Nahezu alle Parameter sprechen deutlich für das innovative System. Einzig die hohen Investitionskosten trüben das gute Gesamtbild. Das Herzstück der Anlage bilden dabei zwei Blockheizkraftwerke, die das Gebäude mit Wärmeenergie und Strom versorgen. In den Sommermonaten wird die Kälteenergie mithilfe der überschüssigen Wärmeenergie und einer Absorptionskältemaschine hergestellt. Durch diese Verknüpfung haben die BHKWs eine hohe jährliche Laufzeit von rund 5000 h.
Die produzierte Strommenge wird dabei direkt im Gebäude verbraucht. Davon profitiert auch das Wärmepumpensystem, das dadurch zum Nulltarif betrieben werden kann. Durch das angeschlossene Erdsondenfeld lässt sich neben Wärme- und Kälteenergie auch ein Free-Cooling- Modus realisieren. Durch diese intelligente Verknüpfung der einzelnen Anlagenteile und der Möglichkeit der Energiespeicherung im Erdreich muss übers Jahr betrachtet kaum überschüssige Energie vernichtet werden. Das zeigt sich auch in den Bilanzen der CO2-Emissionen und des Primärenergiebedarfs. -
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B. Sc. Stephan Ernst,
Projektingenieur bei der Imtech Deutschland GmbH & Co. KG, Frankfurt/Main
Dipl.-Ing. (FH) Heiko Stahl,
Projektgruppenleiter bei der Imtech Deutschland GmbH & Co. KG, Frankfurt/Main
Prof. Dr.-Ing. Dominik Cibis,
Akademieleiter Europäische Studienakademie Kälte-Klima-Lüftung ESaK, Maintal
