Das Fraunhofer FEP arbeitet an innovativen Lösungen auf den Gebieten der Vakuumbeschichtung, der Oberflächenbehandlung und der organischen Halbleiter. Grundlage dieser Arbeiten sind die Kernkompetenzen Elektronenstrahltechnologie, Sputtern, plasmaaktivierte Hochratebedampfung und Hochrate-PECVD sowie Technologien für or- ganische Elektronik und IC- / Systemdesign.
Johnson Controls ist ein Anbieter von Produkten und Serviceleistungen im Bereich Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Kältetechnik, industrieller Kühl- und Kältetechnik, Gebäudeautomation sowie Sicherheitstechnik und Brandschutz. Bereits seit 1997 ist Johnson Controls mit seiner Niederlassung in Dresden als Ausrüster des Fraunhofer FEP mit der MSR- sowie Gebäudeleittechnik tätig.
Hoher Kühlwasserbedarf
Resultierend aus den Arbeitsgebieten des Fraunhofer FEP benötigen die Versuchsanlagen eine umfangreiche und stabile Kühlwasserversorgung auf einem Temperaturniveau von ungefähr 25 °C. Das in den Versuchsanlagen erwärmte Kühlwasser (ca. 28 °C) fließt dabei zu einem Sammeltank zurück und wird von dort aus – abgekühlt durch einen Kühlturm – wieder den Versuchsanlagen zur Verfügung gestellt. Im aktuellen Fall liegt die thermische Leistung unter Berücksichtigung der gegebenen Gleichzeitigkeiten der Versuchsdurchführung bei maximal 500 kW.
Die Versuchsanlagen des Fraunhofer FEP befinden sich fast ausschließlich in großen Technikumshallen. Die Temperierung dieser Hallen erfolgt mittels zentraler Raumlufttechnik (RLT). Als Heizmedium steht hier aus Fernwärme umgewandelte Nahwärme zur Verfügung. Die maximale thermische Leistung dieser RLT-Geräte liegt insgesamt bei ungefähr 400 kW.
Aufgrund des im Institut vorhandenen Fachwissens über den gleichzeitigen Abwärmeanfall und die benötigte Heizenergie hatten die Techniker die Idee, eine Wärmepumpenanwendung zu konzipieren, die beides nutzbringend verbindet.
Erfolgreiches Projekt in der Vergangenheit
Bereits in einem ähnlichen Fall haben Fraunhofer FEP und Johnson Controls gemeinsam eine Wärmepumpe zur Nutzung der Abwärme (15 kW) aus einem IT-Serverraum zur Versorgung der Heizung des Büro-Gebäudes realisiert. Die als Abfallprodukt“ im Wärmepumpenprozess anfallende Kälte“ wird dabei für die aktive Kühlung des Serverraumes genutzt.
Diese Anwendung war technisch und wirtschaftlich so erfolgreich, dass nun der nächste größere Schritt gegangen werden sollte. Dokumentiert wird der wirtschaftliche Erfolg der bereits früher realisierten Lösung durch einen Return on Invest von unter drei Jahren. Üblicherweise erreichen Wärmepumpenanwendungen eine Leistungszahl von ca. 4,5. Die beschriebene Anlage weist jedoch eine Leistungszahl von ca. 7,5 auf. Dabei stellt die Leistungszahl das Verhältnis von gewonnener thermischer Energie zu aufgewendeter elektrischer Energie dar.
Neue Wärmepumpe nicht von der Stange“
Für die ausgewogene Dimensionierung der neuen Wärmepumpe musste ein Leistungsbereich ermittelt werden, der möglichst hohe Vollbenutzungsstunden garantiert. Aufgrund von verschiedenen Messungen wurde die Wärmepumpe wie folgt ausgelegt: Heizleistung 115 kW, Kühlleistung 90 kW.
Für dieses Projekt konnte nicht auf eine Standardlösung zurückgegriffen werden. Johnson Controls als Lieferant der Wärmepumpe installierte ein System aus zwei Verdichtern (je 50 Prozent), von denen einer stufenlos regelbar und der zweite einstufig ausgelegt wurde. Heizungsseitig wurde die Wärmepumpe in den RLT-Zubringerkreis eingebunden.
Die Anpassung der Regelung und Hy-draulik war schwierig. Eine ausschließliche Versorgung des RLT-Kreises hätte in den Nachtstunden und am Wochenende aufgrund des Institutsbetriebes zum Stillstand der Wärmepumpe geführt. Somit wurde in dem statischen Heizkreis (Leistung max. 50 kW) ein – wenn auch kleiner – zusätzlicher Abnehmer gefunden, der eine Teillast übernehmen kann. Hinzu kommt, dass der Wärmeanfall in den Versuchsanlagen am Wochenende ohnehin sehr eingeschränkt ist.
Weitere Anpassungen notwendig
Alle Aufgabenstellungen – ob im laufenden Institutsbetrieb oder bei Anforderungen an Um- / Erweiterungsbauten – wurden gemeinsam mit Johnson Controls (Niederlassung Dresden) durchgeführt. Den Projektbeteiligten war klar, dass Anpassungen auch nach erfolgter Inbetriebnahme unvermeidbar sind. Man rechnete von vornherein mit einem erheblichen Aufwand für Inbetriebnahmen und nachgelagerte Anlagenoptimierungen. Außerdem musste der Betreiber vor Ort seine Anlage sowie die zugehörige Peripherie / Anlagenfahrweise sehr gut kennen. Die Fähigkeit des Betreibers, selbst Optimierungen im Betrieb auszuführen, waren dringend notwendig und für den Erfolg unverzichtbar. Hierfür war es erforderlich, dass Johnson Controls alle Parameter der Anlage offenlegte und für Optimierungen freigab.
Während der umfangreichen Inbetriebnahme wurden auch Schwachstellen (hy-draulisch und regelungstechnisch) an anderen – aber nun von der Wärmepumpe zu versorgenden – Anlagen festgestellt und behoben. Der Regelbetrieb der Anlage wurde im November 2016 gestartet. Über das normale Maß hinaus wurden viele Mess- und Zähleinrichtungen installiert. Sie sollen den wirtschaftlichen und störungsfreien Betrieb der Anlagen sicherstellen und dokumentieren helfen. Mit ersten Aussagen hinsichtlich der Betriebserfahrungen und Wirtschaftlichkeit wird im Sommer 2017 gerechnet.
Gerd Obenaus,
Leiter Technik Fraunhofer FEP, Dresden
