eXergiemaschine: Trinkwasser mit Abwärme erwärmen

Abler

Das fünfgeschossige Boarding House in der Metallstrasse 16–20 in St. Gallen, Schweiz, ist gemischt genutzt: Im Erdgeschoss befinden sich eine Bäckerei mit Café und Restaurant sowie ein Empfang, über den die 56 möblierten Appartements zugänglich sind. Das Dachgeschoss beherbergt einen Wellnessbereich und eine Dachterrasse.

Die Bäckerei bietet den Bewohnern des Quartiers Lachen eine Erlebnisgastronomie: In der Sicht-Confiserie können Interessierte beobachten, wie die Schokoladenspezialitäten des Hauses entstehen, oder den Mitarbeitern in der Backstube beim Anfertigen der Brote und Weggli (hochdeutsch: Brötchen) über die Schulter schauen.

Hier wird noch selbst gebacken – und dabei viel Abwärme frei. Nicht nur Öfen und Herde sind in Betrieb, auch die Kälteanlage für die Kühlzellen und Gärapparate erzeugt Abwärme, die in vielen kleineren Backbetrieben oft ungenutzt bleibt. Im Boarding House wird dieser Energieüberschuss für die Trinkwassererwärmung genutzt und kommt so dem ganzen Haus zugute.

Abwärme maximal nutzen

Abler

Da die Abwärme der Kältetechnik auf einem vergleichsweise geringen Temperaturniveau von ca. 38 °C anfällt, würde sie zum Betrieb der Fußbodenheizung in den Übergangsjahreszeiten ausreichen – das Gebäude ist gut gedämmt (U- Wert 0,16 W/(m² ∙ K)) und für eine Niedertemperaturheizung somit bestens geeignet.

Doch Investor Ingmar Abler von der Immobilienverwaltung Abler, Weissbad, und das Planungsbüro Vadea, St. Gallen, hatten mehr mit der Wärme vor und entschieden sich für eine Besonderheit: Sie rüsteten die Heizzentrale mit der von der Schweizer BMS-Energietechnik AG und ihrem deutschen Partner varmeco entwickelten eXergiemaschine aus.

Die eXergiemaschine ist eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe, die im Gegensatz zu einer konventionellen Heizungs-Wärmepumpe für relativ hohe Temperaturen und große Temperaturhübe ausgelegt ist. So kann sie als „Turbo“ in der Heizzentrale eingesetzt werden, der in diesem Fall die Abwärme mit einer Temperatur von 38 °C auf etwa 68 °C anhebt – ausreichend für die hygienische Trinkwassererwärmung in drei Frischwasserstationen.

So funktioniert die eXergiemaschine

Vadea

Zur Integration in eine Warmwasser-Heizungsanlage benötigt die eXergiemaschine, die inklusive ihres Schaltschranks nur so groß wie ein mittlerer Haushaltskühlschrank ist, einen Stromanschluss und einen Schicht-Pufferspeicher. Letzterer ist in den meisten jüngeren Anlagen ohnehin vorhanden.

Am Pufferspeicher wird die Maschine über vier Muffen angeschlossen. Zwei befinden sich etwa in der Mitte, also auf mittlerem Temperaturniveau, einer oben in der warmen Temperaturzone, einer unten. Die eXergiemaschine entnimmt dem Pufferspeicher Wasser auf dem mittleren Temperaturniveau und speist einen Teil davon aufgeheizt oben in den Speicher zurück. Dafür wird dem anderen Teil des mittig entnommenen Wassers über den Wärmepumpenkreislauf Wärme entzogen. Der abgekühlte Volumenstrom wird unten in den Pufferspeicher zurückgeführt.

Der Betrieb der eXergiemaschine führt so zu einer ausgeprägten Temperaturschichtung im Pufferspeicher für eine hohe Vorlauftemperatur zu den Verbrauchern und einem kühlen Vorlauf zur Wärmequelle.

Wann die eXergiemaschine arbeiten muss, ermittelt ihre Steuerung anhand mehrerer Temperatur-Sensoren am Speicher. Ihre Messwerte geben Aufschluss darüber, ob die Temperaturschichtung gut ist oder zum Beispiel durch eine lange Warmwasserzirkulation zerstört wurde und somit der Einsatz der eXergiemaschine sinnvoll ist.

Abwärme speichern und Temperatur schichten

Im Referenzprojekt Boarding House arbeitet die eXergiemaschine nach demselben Prinzip, allerdings für die Abwärmenutzung mit zwei Speichern. Planerin Alina Scheiwiller von Vadea: „Wir haben dort einen 2130-l-Niedertemperaturspeicher und einen 3400-l-Speicher für höhere Temperaturen vorgesehen. Beide wurden als Sonderspeicher vor Ort zusammengeschweißt, damit sie leicht eingebracht werden konnten und in der Technikzentrale nicht zu viel Platz wegnehmen.“

Mit diesem Gesamtvolumen lassen sich die stetig anfallende Abwärme speichern und die für Wohngebäude dieser Art typischen morgendlichen Bedarfsspitzen ausgleichen. Die Temperaturschichtung erstreckt sich auf beide Speicher, die miteinander gekoppelt sind. Die warme Seite der eXergiemaschine ist am Hochtemperaturspeicher angeschlossen, die kalte Seite am Niedertemperaturspeicher.

Fernwärme deckt den Restbedarf

Scheiwiller: „Mit 10 kW Nennwärmeleistung stellt die eXergiemaschine genügend thermische Energie aus der Abwärme bereit, um das Gebäude im Sommer und an milden Frühlings- und Herbsttagen mit Warmwasser zu versorgen. Im Winter und bei Spitzenlast deckt Fernwärme den zusätzlichen Bedarf. Dadurch und durch den hohen Wirkungsgrad der eXergiemaschine (COP ca. 5,0) ergibt sich ein sehr energieeffizientes Wärmesystem.“

BMS

Aufgrund der Energieeinsparung rechnet sich die Technik zur Wärmerückgewinnung binnen weniger Jahre – und dies ohne Berücksichtigung der positiven Nebeneffekte. Denn die eXergiemaschine hebt nicht nur die Vorlauftemperatur an, sie kühlt zugleich auch den Rücklauf zur Abwärmequelle bzw. zur eigentlichen Wärmeerzeugung. Dies wirkt sich unter anderem positiv auf den Wirkungsgrad einer Kälteanlage aus und hilft, vom Fernwärmebetreiber geforderte Rücklauftemperaturen in allen Lastsituationen einzuhalten, sogar bei längerer Warmwasserzirkulation. ■

Dieser Artikel erschien zuerst in der Heftausgabe 02-2022 des TGA Fachplaners unter dem Titel „Trinkwassererwärmung mit Bäckerei-Abwärme“.

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