Kompakt informieren
- In Dienstleistungsgebäuden mit niedriger Heizgrenztemperatur erreicht ein BHKW mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung wirtschaftliche Laufzeiten.
- Werden die Kühllasten über die Raumoberflächen auf einem hohen Temperaturniveau abgeführt, ist eine hohe Deckung durch Freikühlung realisierbar.
- Die Vorkühlung nur selten voll ausgelasteter Räume (z.B. ein Konferenzbereich) erlaubt eine defensive Auslegung der Lüftungs- und Kühlleistung.
Viele Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen (KWKK) kleiner Leistung passen nicht zum Nutzungsprofil des Gebäudes, sind oft überdimensioniert oder verfügen über einen zu geringen Energiepuffer, um Wärmeüberschüsse bzw. zusätzlichen Kühlbedarf auszugleichen. Geringe Jahresbetriebsstunden, verschleißfördernder Taktbetrieb und dadurch oft höhere spezifische Strom-, Wärme- und Wartungskosten als bei konventionellen Wärme- und Kälteerzeugungsanlagen sind die Folge. Doch es gibt auch positive Beispiele: Beim Umbau eines Möbelhauses zu einem Finanz-Center der Volks- und Raiffeisenbank e.G. Schweinfurt-Land Abb.: 1 in der Gemeinde Sennfeld scheinen Architekt, Bauherr, Fachplaner und Anlagenbauer alles richtig gemacht zu haben.
Bettina Richter Abb.: 2, Geschäftsführerin vom Planungsbüro Rauch+Richter GbR, Gochsheim, erklärt das erfolgreiche Energiekonzept so: „Wir legten zuerst – zusammen mit dem Bauherrn und dem Architekten – den energetischen Standard des Gebäudes fest. Dann strukturierten wir die bankspezifische IT-Ausstattung und erst dann überlegten wir uns, welche Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik am besten dazu passt.“
Zielpunkt für die Planung war ein Gebäudeenergiebedarf für Strom, Wärme und Kälte von 100 bis 120 kWh/(m2 a). Wichtig für die Entscheidungsfindung war außerdem, dass die Raumtemperatur im Sommer zwischen 22 und 26 °C schwanken darf und damit das Speichervermögen des Gebäudes mit in das Energiekonzept eingebunden werden konnte. Durch die Nachdämmung der vorhandenen Außenwände mit 20 cm Vollwärmeschutz auf einen Gesamt-U-Wert von ca. 0,2 W/(m2 K) ergab sich unter Berücksichtigung der inneren Lasten durch Beleuchtung und Computer ein Heizwärmebedarf von nun noch 12 bis 15 W/m2.
Die Kühllast konnte durch eine Dreischeibenverglasung mit integriertem, automatisiertem Sonnenschutz und Tageslichteinspiegelung, eine hocheffiziente, bedarfsorientierte Beleuchtung sowie den Einsatz von energiesparender Bürokommunikationstechnik auf 20 bis 25 W/m2 festgelegt werden. Eine Simulationsrechnung der Heizlast des 2700 m2 Nutzfläche umfassenden Gebäudes bestärkte das Planungsbüro darin, von einer eher niedrigeren Heizlast auszugehen. So lag die Heizlast nach DIN EN 128311) bei 39 kW, die der thermischen Gebäudesimulationsrechnung nach Riuska (Grundlund Oy, Helsinki) bei nur 30 kW. Im praktischen Betrieb kommt das Gebäude während der Heizperiode sogar an fast allen Tagen mit nur 20 kW Heizleistung aus; eventuelle Lastspitzen während der Aufheizzeit an sehr kalten Tagen werden mit einem 2-m3-Pufferspeicher kompensiert.
KWKK überzeugt durch Nachhaltigkeit
Der hohe Anspruch des Bauherrn an eine langfristige Senkung des Primärenergiebedarfs führte zu einer ganzen Reihe an Systembetrachtungen mit thermischen Gebäudesimulationen durch das beauftragte Planungsbüro. Der Energie-, Betriebskosten- und Primärenergiebetrachtung über einen Zeitraum von 30 Jahren lagen folgende Eckwerte zugrunde:
- Die elektrische Leistungsaufnahme des Gebäudes liegt ganzjährig fast konstant bei über 20 kW
- Server/Sicherungsserver und Geldautomat benötigen ganzjährig Kühlung
- Kühlphase der Büros beginnt bereits ab –3 °C
- Dimensionierung des Flächenheiz/-Kühlsystems erlaubt Systemtemperaturen von 18/24 °C, dadurch ist ein hoher Anteil an freier Kühlung möglich.
Untersucht wurden folgende Energiekonzepte:
1. BHKW (20 kWel/40 kWth) mit Absorptionskältemaschine (AKM, Nennkälteleistung 35 kW), Stand-by-Spitzenlastheizkessel (35 kW), Freikühler mit adiabater Befeuchtung (mit Übernahme der Kühlturmfunktion für die AKM, Rückkühlleistung 94 kW), Lüftungsgerät (Nennvolumenstrom 7600 m3/h) mit adiabater Abluftbefeuchtung (Kühlleistung 22,6 kW), Hocheffizienz-Wärmerückgewinnung (80…89 %) und eingebauter Wärmepumpe mit Direktverdampfer mit Kühlfunktion (Kühlleistung 18,2 kW)
2. wie 1., jedoch ohne Absorptionskältemaschine; stattdessen eine elektrisch angetriebene Kompressionskältemaschine
3. wie 1., jedoch mit Kühlturm anstatt Freikühler
4. zwei Klein-BHKW, à 12,5 kWel / 25 kWth, elektrisch angetriebene Wärmepumpe mit Erdsondenfeld, Wärmeleistung 45 kW, Kälteleistung 35 kW, Kältepufferspeicher mit 25 m3
5. zwei Klein-BHKW, à 12,5 kWel / 25 kWth mit Absorptionskältemaschine, Nennkälteleistung 35 kW, Kältepufferspeicher 10 m3
6. VRV-System zum Heizen, Kühlen und Lüften
7. BHKW (Rapsöl) 20 kWel / 40 kWth, Absorptionskältemaschine 35 kW, Spitzenlastheizkessel 35 kW und Freikühler (wie 1.).
Primärenergetisch gesehen wäre das Energiekonzept Nr. 7 mit dem Rapsöl-BHKW und Absorptionskältemaschine die beste Lösung gewesen. Der zeitweise stark volatile Rapsölpreis sowie ethische Gründe (Nutzungskonkurrenz Nahrungsmittel und Brennstoff) führten allerdings zu einer Abwertung des Rapsöl-BHKW.
Am meisten überzeugte den Bauherrn Variante 1, und zwar wegen der guten Primärenergiebilanz sowie der langfristig niedrigen Betriebs- und Betriebsmittelkosten für das Gebäude. Besonders hervorzuheben ist bei diesem Konzept der Freikühler Abb.: 3 mit einer realistischen Einsatzzeit an 6510 h/a, bezogen auf ein nutzbares Temperaturniveau des Kühlmediums von 18 °C. Ein weiteres Argument für den Freikühler ist seine Doppelfunktion als sehr energieeffiziente Rückkühleinrichtung für die Absorptionskälteanlage. Dadurch kann auf einen konventionellen Kühlturm verzichtet werden.
Wärmegeführter BHKW-Betrieb
Die Umsetzung von Variante 1 in die Praxis hat sich auch im realen Betrieb als richtig erwiesen. Durch die Wahl eines modulierenden BHKW (5…20 kWel, 10…40 kWth) sowie ein im Sommer und in der Übergangszeit weitgehend konstanter Kältebedarf von 30 bis 40 kW ist das Prinzip Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung optimal umgesetzt. Im Kühlfall läuft das BHKW mit maximaler Leistung, das heißt, für den Absorber steht eine Austreibertemperatur von 80…85 °C zur Verfügung. Durch die großzügig dimensionierten Freikühler sind Rückkühltemperaturen von 35/28 °C möglich, was sich günstig auf den Wirkungsgrad des Absorbers auswirkt. Hinzu kommen milde Kaltwasservorlauftemperaturen von 16 bis 18 °C zur Versorgung der Kühldecken und thermisch aktivierten Wand- und Fußbodenflächen.
Anstatt 35 kW bei Nennbedingungen leistet der Absorber unter diesen günstigen Rahmenbedingungen über 40 kW. Überschüssiges Kaltwasser aus dem Absorber und dem Rückkühlwerk wird in einen 10-m3-Pufferspeicher, überschüssige Wärme aus dem BHKW in einen 2-m3-Pufferspeicher mit Frischwasserstation für die Trinkwassererwärmung geleitet; somit können sowohl Kälte- als auch Wärmelastspitzen abgefedert werden.
Durch das konsequente „Downsizing“ und die optimale Balance zwischen Strom- und Wärme- bzw. Kältebedarf in Kombination mit den Pufferspeichern kommt das BHKW Abb.: 4 nach den vorliegenden Erfahrungen auf Laufzeiten von bis zu 5000 h/a. Die als Backup vorgesehene regelungstechnisch verriegelte Heiztherme musste bisher nur in Ausnahmefällen in Betrieb genommen werden, zum Beispiel während der Wartung des BHKW. Regelungstechnisch sind kurzzeitige Wärmedefizite bewusst einkalkuliert und akzeptiert; sie werden durch hohe Speichervermögen des Gebäudes kompensiert.
Bei der Entscheidungsfindung für den Absorber wurden vom Planer zunächst mehrere Fabrikate in Erwägung gezogen. Letztendlich überzeugte der Hersteller Yazaki in Bezug auf Energieeffizienz, Einbaumaße und Preis-Leistungs-Verhältnis Abb.: 5. „Ein Absorber gleicher Leistung eines deutschen Herstellers hätte doppelt so viel Platz benötigt“, erklärt Richter. „Da bei unserem Konzept thermische Leistung auch in Form von Pufferspeichern abgedeckt wird, kam uns die kompakte Bauweise der Yazaki-Maschine sehr entgegen.“ Eingebaut ist ein Kleinabsorber vom Typ WFC SC10, der vom langjährigen Yazaki-Vertriebspartner Johnson Controls, Mannheim (ehemals York) geliefert wurde.
Verteiler für mehrere Temperaturen
Anlagen mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung sind bekannt für ihre anspruchsvolle Hydraulik. Besonders komplex sind Heiz- und Kühlsysteme, bei denen Regelzonen mit unterschiedlichen Vorlauf- und Rücklauftemperaturen nötig sind bzw. verschiedene Wärmeerzeuger, Kälteerzeuger und Pufferspeicher mit unterschiedlichen hydraulischen Widerständen in ein Leitungssystem eingebunden werden müssen. Richter hat die hydraulischen Tücken frühzeitig erkannt und die Wärme- bzw. Kälteverteilung deshalb in Zortström-Technologie Abb.: 6 aufgebaut. Auf der Heizungsseite werden vier Temperaturstufen „gefahren“, (95, 75, 40 und 30 °C), auf der Kaltwasserseite drei Temperaturstufen (24, 20 und 15 °C). Da die so geschaffenen Sammel- und Verteilzentren gleichzeitig als hydraulische Weiche wirken, lassen sich die für BHKW und Absorber vorgegebenen Volumenströme und Temperaturdifferenzen ungestört einhalten.
Als Wärme- bzw. Kälteverteilsystem wählte das Planungsbüro eine Kombination aus Vier-Leiter- und Zwei-Leiter-System. Das Vier-Leiter-System deckt die Versorgung von der Technikzentrale bis in die Steigschächte ab. Das Zwei-Leiter-System versorgt die jeweilige Nutzungseinheit, also die einzelnen Geschosse, Schulungsräume Serverräume oder den Geldautomaten. Damit kann im gesamten Gebäude ganzjährig geheizt und gekühlt werden. Die Erfahrungen im laufenden Betrieb haben gezeigt, dass bereits ab einer Außentemperatur von –3 °C die Raumheizung abschaltet und ab 0 °C in Teilbereichen bereits gekühlt werden muss.
Mehrstufige Wärmerückgewinnung
Alle Büros sowie die Schulungs- und Konferenzräume sind mit einer Grundlüftung ausgestattet, die nach dem hygienisch notwendigen Mindestluftwechsel von 25 m3/(h Pers) ausgelegt ist. Die Belüftung der Büros erfolgt über kombinierte Zu-/Abluftgitter in Form von Walzenauslässen mit integriertem Telefonieschalldämpfer mit saisonalen Zulufttemperaturen von 19 °C im Sommer und 21 °C im Winter. Die Luftaufbereitung erfolgt in einem Zentralgerät mit adiabater Abluftbefeuchtung, einem zweistufigen Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager sowie einer integrierten Kompressions-Kälteanlage mit Wärmepumpenschaltung zur Nachkühlung der Zuluft. Die Regelung ist so geschaltet, dass zur Kühlung primär die adiabate Abluftbefeuchtung genutzt wird. Erst wenn diese nicht mehr ausreicht, geht das Kälteaggregat in Betrieb. Zusätzlich zur Flächenkühlung durch den Absorber stehen somit weitere 64,8 kW Kälteleistung über das Lüftungssystem zur Verfügung.
Bei Veranstaltungen wird die Luftmenge für die Büros um etwa 15 % zugunsten einer erhöhten Luftmenge für den Konferenzraum Abb.: 7 zurückgenommen. Dadurch konnte das Zentralklimagerät mit 7600 m3/h Nennluftvolumen vergleichsweise klein ausgelegt werden. Unterstützung erhält die Raumklimatisierung im Konferenzbereich (140 m2, max. 120 Personen) durch eine regelungstechnisch festgelegte Vorkühlfunktion, d.h. bei großen Veranstaltungen kann die Speichermasse des Fußbodens zusätzlich drei Stunden vor Veranstaltungsbeginn thermisch aktiviert werden (Kühlleistung ca. 20 W/m2). Durch die Vorkühlfunktion über die Lüftung stehen weitere 50 W/m2 Kühlleistung zur Verfügung. Das Raumklima im Konferenzbereich lässt sich dadurch trotz defensiv ausgelegter Lüftungs- und Kühlleistung über die Dauer einer Veranstaltung gut stabilisieren.
Fazit
Konsequentes Optimieren von gebäudetechnischen Anlagen bereits in der Vorphase, der Einsatz hocheffizienter Komponenten sowie deren intelligente hydraulische und regelungstechnische Verknüpfung können den Primärenergiebedarf eines Gebäudes drastisch senken, wie das Beispiel Volks- und Raiffeisenbank, Schweinfurt-Land zeigt.
Empfehlenswert ist eine thermische Gebäudesimulation, da Lastberechnungen nach DIN erfahrungsgemäß zu überdimensionierten und damit energetisch ineffizienteren Anlagen führen. Bei ganzjährigem Kühlbedarf – wie im beschriebenen Beispiel – lohnt sich in den meisten Fällen eine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung für die Grundlastversorgung mit Strom, Wärme und Kälte. Großzügig dimensionierte Kühlflächen an Decken, Wänden und Fußboden verlängern die Möglichkeit der freien Kühlung ganz beträchtlich, beim vorliegenden Projekt auf rund 6500 h/a. Durch die Doppelnutzung des Wärmeübertragers als hocheffizienten Rückkühler für die Absorptionskälteanlage und als Freikühler mit adiabater Kühlung für die Gebäudetemperierung relativiert sich dessen Mehrpreis.
1) DIN EN 12831 Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast, August 2003 und DIN EN 12831 Beiblatt 1 Heizsysteme in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast – Nationaler Anhang NA, Juli 2008
Mehr Infos zum Thema im TGAdossier Mini-KWK: Auf https://www.tga-fachplaner.de/ einfach Webcode 716 eingeben.
Wichtig für TGA-Planer, Anlagenbauer und Bauherren
TGA-Planer: Eine Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 fördert die Überdimensionierungen und verringert so die Effizienz. Abhilfe schafft eine thermische Gebäudesimulation.
Anlagenbauer: Ohne durchdachte Hydraulik können Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs-Konzepte, insbesondere mit Absorptionskältemaschinen, ihre Planungswerte nicht erreichen.
Bauherren: Ein höherer Toleranzbereich für die Raumtemperatur ermöglicht die Einbeziehung der Speichermassen des Gebäudes in das Energiekonzept und führt zu geringeren Betriebskosten.
Wolfgang Schmid
ist freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München, wsm@tele2.de
Bautafel
VR-Finanz-Center Schweinfurt
Bauherr Volks- und Raiffeisenbank e.G. Schweinfurt-Land
Nutzfläche ca. 2700 m²
Architekt Architekturbüro Werner Haase, Karlstadt
TGA-Fachplaner Planungsbüro Rauch+Richter, Gochsheim
Ausführung Heizung, Kälte Ress, Bad Königshofen
Ausführung Sanitär Herold-Haustechnik, Schweinfurt
Ausführung Lüftung Bechert Haustechnik, Schweinfurt
Ausführung Regelungstechnik Klimakon, Karlstadt
BHKW Spilling Energie Systeme, Hamburg
Absorptionskältemaschine Yazaki Europe, Köln, Lieferant: Johnson Controls Mannheim (ehemals York)
Rückkühler/Freikühler Michelbach, Zirndorf
RLT-Zentralgerät Menerga, Mülheim an der Ruhr
Zortström-Verteiler Zortea Gebäudetechnik, Hohenems/Österreich
Tipp
Für TGA-Planer ist KWKK ein attraktives Marktsegment.
Der Markt für kleine KWK-Anlagen ist bisher überschaubar. Zwar gibt es mittlerweile ein breites Modul-Angebot, bis Ende 2009 wurden aber nur rund 26500 Anlagen installiert. Laut einer Untersuchung von trend:research bleibt der Absatz in den nächsten zehn Jahren überschaubar: Im Leistungsbereich bis 15 kWel geht das Referenzszenario der Potenzialanalyse „nur“ von einem Zubau von 66500 Anlagen aus Webcode 288103. Ein stärkerer Zubau erfordere eine deutlich bessere staatliche Förderung. Allerdings weist die Studie auch auf das Potenzial der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) hin, weil sich dadurch die Laufzeit der Anlagen verlängern lässt.
Das Beispiel der Volks- und Raiffeisenbank Schweinfurt-Land zeigt, dass solche Lösungen mit einer hohen Integrationstiefe sehr wirtschaftlich sind. Erfolgsfaktor ist dabei eine exakte Ermittlung der thermischen Lasten im Jahresverlauf. Eine Lastberechnung nach Standardnormen birgt die Gefahr der Überdimensionierung. Die beste Wirtschaftlichkeit versprechen eine punktgenaue Auslegung und eine Leistungsmodulation des BHKW, denn eine KWK-Anlage kann sich nur durch ihren Betrieb refinanzieren. „Eine Nummer kleiner“ ist darum bei Unwägbarkeiten die bessere Wahl.
Das Referenzprojekt zeigt einen Markt auf, der bisher weitgehend brach liegt. Das Nutzungsprofil des Gebäudes lässt sich auf eine Vielzahl von Dienstleistungsgebäuden übertragen. KWKK bietet damit TGA-Planungsbüros die Chance, sich durch die Erarbeitung eines speziellen Know-hows ein attraktives Marktsegment zu erschließen.
Jochen Vorländer, Chefredakteur TGA Fachplaner
