Der moderne Hochschulcampus ist für etwa 1500 Studenten ausgelegt, die Gebäude sind in eine grüne Parklandschaft eingefügt. Wenn gegen Mittag hungrige Studenten die Mensa stürmen, ist die Küche schon Stunden im Betrieb. Dabei ist viel Energie im Einsatz, etwa für Lüftung und Kühlung, Warmwasser und Heizung. In der Kantine der Fachhochschule Südwestfalen in Soest dient seit 2011 die Abluft aus der Lüftungs- und Kälteanlage als Wärmequelle für eine thermeco2-Hochtemperaturwärmepumpe. Die Maschine des Typs HHR 45 gewinnt daraus so viel Heizenergie, dass sie damit 85 Prozent des Wärmebedarfs der Mensa deckt.
Hohe Einsparungen nachgewiesen
Während der Sommermonate wird das Gebäude autark mit Warmwasser und Heizung versorgt. In den vergangenen sechs Jahren wurden laut Betreiber durch das innovative Wärmeversorgungskonzept, das mit Unterstützung von Dürr thermea entstand, 178 000 Euro Energiekosten eingespart und die CO2-Emissionen der gesamten FH Soest um 18 Prozent gesenkt. Seit Inbetriebnahme wurden so 900 t CO2-Emissionen vermieden, was dem jährlichen CO2-Ausstoß von 50 Mittelklasse-Pkw entspricht. Das liegt über den damals gesteckten Einsparzielen. Bei einem eingesetzten Investitionsvolumen von rund 100 000 Euro ergibt sich ein Return on Investment von nur 3,4 Jahren, was einer Rendite von 30 Prozent entspricht.
Das Mensagebäude ist an das Nahwärmenetz der Hochschule angeschlossen. Durch den Einsatz der Hochtemperaturwärmepumpe kann diese Nahwärmeleitung außerhalb der Heizperiode komplett abgeschaltet werden. Dann reicht allein die Rückgewinnung aus der Abwärme, um die Mensa zu beheizen und heißes Wasser bereitzustellen. Die Wärmepumpe kühlt den Abluftstrom von 21 °C auf 17 °C (gemäß Schema auf S. 50) und nutzt die gewonnene Energie zur Aufheizung von Warmwasser und für die Gebäudeheizung. Bei einer Gesamtheizleistung von 45 kW liefert die robuste thermeco2-Maschine eine Vorlauftemperatur von 80 °C. Sie deckt auf der Wärmequellen- und auf der Wärmesenkenseite betriebssicher ein großes Temperaturband ab. Die Erwartungen hinsichtlich der technischen Parameter und des Betriebsverhaltens wurden übertroffen. Die Jahresarbeitszahl ist mit 3,4 höher als geplant. Mit der Abschaltung des Nahwärmenetzes im Sommer wurden außerdem die Netzverluste deutlich reduziert.
Umweltfreundliche Wärmepumpentechnik
Die Umweltfreundlichkeit der neuen Technologie beschränkt sich nicht nur auf Energieeffizienz. Als Arbeitsstoff verwendet die Hochtemperaturwärmepumpe das klimafreundliche Kältemittel R744 (CO2). Mit dem Verzicht auf die stark treibhauswirksamen HFKW-Kältemittel, die noch häufig in Wärmepumpen eingesetzt werden, hat sich die FH-SWF Soest speziell vor dem Hintergrund der F-Gase-Verordnung (EU) Nr. 517/2014 für eine zukunftssichere und betreiberfreundliche Lösung entschieden.
Die Wärmepumpe entzieht dem Abluftstrom bei niedriger Temperatur (15 °C) Wärmeenergie und bringt diese auf ein für Heizzwecke geeignetes Temperaturniveau; es wird eine Vorlauftemperatur von 80 °C erreicht. Durch die hohe Vorlauftemperatur war es möglich, das vorhandene Heizsystem weiter zu betreiben und insbesondere die hygienische Warmwasserbereitung vollständig zu übernehmen. Durch die Wärmepumpe kann zudem das 70/50 °C-Heizungssystem im Teillastbereich effizient versorgt werden. Sie hat zudem eine Gesamtkälteleistung von 30 kW bei 21/10 °C und eine elektrische Leistungsaufnahme von 15 kW.
Projektaufgaben und Projektziele
Die Mensa an der Fachhochschule Südwestfalen in Soest ist zur Wärme- und Warmwasserversorgung in ein Nahwärmenetz eingebunden. Dessen Betrieb war durch unwirtschaftliche Lastzustände gekennzeichnet, die zu hohen Betriebskosten in der Liegenschaftswärmeversorgung führten. Insbesondere im Sommer, wenn die Mensa der einzige Wärmeverbraucher im gesamten Liegenschaftsnetz ist, betrugen die Wärmeverluste der Erzeugung und Verteilung mehr als >80 Prozent, im Jahresdurchschnitt mehr als 30 Prozent. Hinzu kam der Energieaufwand für den Betrieb der Umwälzpumpen.
Im Mensagebäude gab es einen bis dahin ungenutzten Abluftstrom sowie die Abwärme einer Kleinkälteanlage. Vor dem Hintergrund dieser verfügbaren Abwärmequellen sollte die Warmwasserversorgung ganzjährig und die Wärmeversorgung außerhalb der Heizperiode mittels einer Wärmepumpe autark erfolgen, um die Wärmekosten und die anrechenbaren CO2-Emissionen zu reduzieren. In dieser Zeit kann der Nahwärmenetzanschluss stillgelegt werden. Damit entfallen Elektroenergiekosten für den Betrieb der Umwälzpumpen, der Gebläsebrenner sowie Wärmeverluste im Rohrleitungsnetz und bei der Erzeugung.
Durch die Abwärmenutzung der Kleinkälteanlage sollte sich deren Rückkühltemperaturniveau von 40 bis 50 °C auf 20 °C reduzieren, was den COP dieser Kältemaschine deutlich verbessern und darüber hinaus Kosten für den Betrieb von Rückkühlanlagen (Ventilatoren) einsparen sollte.
Wärmepumpenauswahl
Für herkömmliche Wärmepumpen ist der Einsatzfall aufgrund der hohen Vorlauftemperaturen der bestehenden Heizungsanlage und den in einem großen Temperaturbereich schwankenden Wärmequellen ungeeignet. Anders bei transkritischen CO2-Hochtemperaturwärmepumpen, wie sie Dürr thermea herstellt.
Die CO2-Wärmepumpe wurde gewählt, da sie die Möglichkeit bietet, die bestehenden Netztemperaturen zu liefern, darüber hinaus mit Vorlauftemperaturen bis zu 90 °C noch Reserven hat und auch parallel zu der Fernwärmeeinspeisung betrieben werden kann. Weiterhin ist durch die flexible Steuerung der Wärmepumpe Betriebssicherheit in allen Betriebssituationen gegeben.
Der Maschinentyp thermeco2 HHR 45 in Wasser/Wasser-Ausführung ist mit einem frequenzgeregelten halbhermetischen Hubkolbenverdichter ausgerüstet, der auf einen hochdruckseitig transkritischen CO2-Kreislauf mit innerem Wärmeübertrager arbeitet. Da sich aufgrund der hochdruckseitig transkritischen Prozessführung das Kältemittel bei der Wärmeabgabe an das Heizmedium nicht verflüssigt, spricht man nicht von Kondensatoren, sondern von Gaskühlern.
Einbindung der Wärmepumpe in das Wärmequellensystem
Als Wärmequelle dienen die Abluft der Lüftungsanlage der Mensa und die Abwärme der Kleinkälteanlage. Das Abluftregister und die Wärmerückgewinnung der Kälteanlage sind hydraulisch in Reihe in den Wärmequellenkreislauf eingebunden. Dabei stellt die neu installierte WRG in der Abluftanlage den mit Abstand größten Teil der benötigten Wärmequellenkapazität.
Der 300-Liter-Abwärmespeicher gehört zur Bestandsanlage und konnte weiterverwendet werden. Der eingebaute Rohrwendelkondensator überträgt die Abwärme (ca. 3,8 kW Dauerleistung) der Kleinkälteanlage auf das Wärmequellenwasser. Bei längerem Stillstand der Wärmepumpe kann der Ab-wärmespeicher durch den Kondensator der Kleinkälteanlage auf über 50 °C erwärmt werden. Die interne Regelung der thermeco2-Wärmepumpe wurde entsprechend angepasst, um diese kurzzeitig hohen Wärmequellentemperaturen sicher zu verarbeiten.
Im Wärmequellenkreislauf sorgt eine drehzahlgeregelte Umwälzpumpe für die notwendige Druckdifferenz von maximal 0,68 bar zur Durchströmung des Verdampfers und des Lüftungsregisters sowie der übrigen Anlagenteile. Die Pumpe wird von der übergeordneten Gebäudeleittechnik (GLT) eingeschaltet und erhält im Betrieb ebenfalls von der GLT ein 0 ... 10 V-Signal zur Drehzahlregelung. Führungsgröße für die Drehzahlregelung der Wärmequellenpumpe ist die Verdampferaustrittstemperatur.
Wenn die Austrittstemperatur unter den Sollwert abfällt, wird die Drehzahl der Pumpe erhöht, damit die Temperatur nicht weiter, im schlechtesten Fall bis in den Frostbereich, abfällt. Hier würde die Maschine über den Saugdruckwächter abschalten.
Bauseits wurde die Verdampferaustrittstemperatur mit Temperaturfühlern in Tauchhülsen erfasst. Da die Zeitkonstante dieser Temperaturmessstellen verhältnismäßig groß ist, wurde die Drehzahl ausgehend von der Startdrehzahl der Verdampferpumpe anfangs nicht schnell genug angehoben, sodass es im Inbetriebnahmezeitraum zu Saugdruckstörungen kam. Der Fehler trat insbesondere dann auf, wenn die Küche noch nicht in Betrieb war und noch wenig Abwärme anfiel. Diese Saugdruckstörungen konnten durch eine Anhebung der Startdrehzahl der Pumpe vermieden werden. Eine mögliche allerdings aufwendigere Lösung des Problems wäre der Einsatz schnellerer Temperaturfühler gewesen.
Speicherung und Verteilung
Um die effizienzverbessernden niedrigen Heizungsvor- und Rücklauftemperaturen zu erreichen, hat der Anlagenbetreiber unter anderem folgende Anpassungen der Bestandsanlage durchgeführt:
Einsatz von zwei in Reihe geschalteten Heizungspufferspeichern;
Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Speicherentladung zur bedarfsgerechten Versorgung der unterschiedlichen Verbrauchertemperaturniveaus;
Vorregelungen Vorlauftemperatur des Heizungsverteilers und des Fußbodenregelkreises gemäß Heizkurve;
Rücklauftemperaturauskühlung durch Reihenschaltung der Hochtemperaturheizkreise und der Fußbodenheizung.
Die zwei in Reihe geschalteten Heizungspufferspeicher ermöglichen eine Wärmeentnahme auf zwei verschiedenen Temperaturniveaus ohne eine starke Durchmischung der thermischen Schichten. Die Verbraucher mit niedrigen Temperaturanforderungen er-halten eine bedarfsgerechte Versorgung aus dem mittleren Bereich des Speichers 2, während die Trinkwasserversorgung am oberen Bereich des Speichers 1 angekoppelt ist.
Betriebszustand 1: Ausschließlicher Betrieb der Warmwasserbereitung
Wenn nur die Warmwasserbereitung Wärme aus den Pufferspeichern nutzt, ist der By-passanschluss des 3-Wege-Ventils geschlossen. Das Trinkwasserladesystem wurde dahingehend verändert, dass das kalte Frischwasser immer in einem Durchlauf auf Speichersolltemperatur erwärmt wird. Anschließend wurden die Abschalttemperaturen der Ladung neu festgelegt. Durch diese Maßnahmen konnte die Anzahl der Ladezyklen pro Tag von 12 auf 7 verringert werden. Dadurch treten hohe Rücklauftemperaturen nur in kurzen und ausgeprägten Spitzen auf.
Die Rücklauftemperaturen der bestehenden Warmwasserbereitungsanlagen sind solange niedrig wie im unteren Bereich des Trinkwasserspeichers noch kaltes Trinkwasser vorliegt. Wenn der Speicher fast durchgeladen ist, kommen kurzzeitig hohe Rücklauftemperaturen zustande, die sich im Sommer mit den niedrigen Rücklauftemperaturen der Lüftungsanlage und im Winter auch mit den niedrigen Rücklauftemperaturen der Fußbodenheizung mischen, sodass die Gaskühlereintrittstemperatur an der Wärmepumpe stets unter 35 °C (max. 40 °C) liegt.
Betriebszustand 2: Ausschließlicher Betrieb des Heizungsverteilers
In diesem Betriebspunkt wird die vom Verteiler geforderte Vorlauftemperatur am 3-Wege-Mischventil bedarfsgerecht vorgeregelt. Wenn der Heizungspufferspeicher 2 zu stark entladen ist und der Sollwert unterschritten wird, kann Wasser aus dem Heizungspufferspeicher 1 beigemischt werden. Diese Schaltung hat den Vorteil, dass Rücklaufwasser mit hohen Temperaturen (z. B. 50 °C) nochmals gemischt und zum Verteiler gebracht werden kann. Die Wärmepumpe wird erst dann wieder eingeschaltet, wenn die Temperatur unten im Speicher 2 unter 40 °C fällt oder die Temperatur oben im Speicher 1 unter der Solltemperatur liegt, sodass die Solltemperatur nicht mehr zur Verfügung gestellt werden kann.
In der Mensa wurde eine Reihenschaltung der Wärmeverbraucher eingeführt. Zuerst werden die statischen Heizflächen und Lüftungsregister mit hohen Vorlauftemperaturanforderungen versorgt. Der gesammelte Rücklauf dieser Verbraucher und der Warmwasserbereitung wird anschließend als Vorlauf der Fußbodenheizung genutzt und weiter abgekühlt. Diese Reihenschaltung bringt effektiv niedrigere Rücklauftemperaturen, die sich positiv auf den COP der Wärmepumpe auswirken. Durch Reihenschaltung der Verbraucher mit einer Fußbodenheizung am Ende der Kette konnte die Rücklauftemperatur um über 5 K abgesenkt werden (Messwerte).
Durch die Anordnung der Verteilerabgänge ist auch ein Parallelbetrieb der Fernwärme mit der Wärmepumpe möglich. Dazu liefert die Verteilerpumpe einen konstanten Differenzdruck, der die Rückschlagklappe des Fernwärmeanschlusses geschlossen hält. Bei großem Wärmebedarf der Verbraucher sinkt der Differenzdruck am Verteiler ab. In diesem Fall öffnet die Rückschlagklappe, sodass zusätzliche Wärme von der Fernwärme eingespeist wird. Der Abgang zur Warmwasserbereitung am Vorlaufverteiler ist im Normalbetrieb geschlossen und kann bei Ausfall der Wärmepumpe manuell aktiviert werden.
Fazit
Vor der Optimierung des Trinkwarmwasserladesystems gab es durchschnittlich zwölf Ladezyklen täglich. Anfängliche Schwankungen der Vorlauftemperatur um den Sollwert konnten durch Abstimmung des Regelbereiches der Pumpe mit der Anlagenkennlinie beseitigt werden. Je nach Pumpen- und Rohrnetzkennlinie kann eine kleine Änderung der Pumpendrehzahl zu einer großen Änderung des Fördervolumenstromes führen, sodass eine genaue Austrittstemperaturregelung unmöglich wird. Im konkreten Fall musste das Signal zur Drehzahlverstellung in kleineren Schritten erhöht werden (0,1-V- statt 1-V –Schritte).
Vom Betreiber wird der größte Vorteil der thermeco2-Wärmepumpe gegenüber herkömmlichen“ Maschinen in der Flexibilität gesehen. Die Wärmepumpe kann sowohl verdampfer- als auch gaskühlerseitig ein großes Temperaturband abdecken, sodass immer Reserven für extreme“ Betriebszustände vorhanden sind. Beispielsweise beim Einsatz der Maschine als Kältemaschine kann ein zu klein dimensionierter Rückkühler kompensiert werden, indem einfach kurzzeitig der Vorlauf angehoben wird.
Der Einsatz der thermeco2 Hochtemperaturwärmepumpe führte zu hohen Einsparungen. Dazu tragen die höhere Jahresarbeitszahl und viele Nebeneffekte bei:
Die höhere thermische Leistung der Maschine durch optimierte Betriebsbedingungen erhöht Wärmedeckungsgrad und die jährliche Außerbetriebnahmedauer der Fernwärme bei gleichen Investitionskosten;
Elektroenergiekosten für den Betrieb der Fernwärme-Umwälzpumpen, der Gebläsebrenner sowie Wärmeverluste im Rohrleitungsnetz und bei der Erzeugung entfallen;
Es kam zu einer deutlichen Leistungs- und COP-Verbesserung der Kleinkälteanlage. Kosten für den Betrieb von Rückkühlan- lagen (Ventilatoren) werden eingespart.
Dipl.-Ing. (FH) Jan Hübner,
Sales and Project Management, Dürr thermea GmbH, Ottendorf-Okrilla
