Wärmepumpen in Kaskade im KB 4

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• Der Investor des Bürohauses KB 4 hat sich für ein Luft/Wasser-Wärmepumpen-System entschieden, das als monovalenter Wärmeerzeuger und als Kälteerzeuger fungiert und zeitgleich heizen und kühlen kann.
• Installiert wurden dafür neun reversierbare Wärme-pumpen als Kaskade mit einer System-Modulation von 7 bis 207 kW (reiner Heizbetrieb) sowie zwei Warmwasser- und ein Kaltwasserpufferspeicher.
• Die Wärmeübergabe erfolgt über eine Bauteilaktivierung und Heizkörper, die Kühlung über eine zentrale Lüftungsanlage.
• Das Pilotprojekt wurde bereits auf ein weiteres Gebäude übertragen.

Der Businesspark Airport City direkt am Düsseldorfer Flughafen könnte keine bessere Verkehrsanbindung haben – direkt am Flughafen, an einem Bahnhof, an der Autobahn. Noch dazu liegt das 23 ha große Areal in der Landeshauptstadt Nordrhein-Westfalens und inmitten der Rhein-Ruhr-Region, einer der stärksten Wirtschaftsregionen der Welt.

Mehrere Unternehmen haben sich bereits in den zahlreichen Bürogebäuden der Airport City angesiedelt, darunter die Gerresheimer Gruppe. Das weltweit führende Unternehmen bei der Herstellung von Spezialprodukten aus Glas- und Kunststoff für die Pharma- und Healthcare-Branche hat seinen Hauptsitz im Gebäude KB 4, benannt nach seiner Adresse Klaus-Bungert-Straße 4.

Das KB 4 bietet auf fünf Geschossen rund 4300 m² hochmoderne Büroflächen. Jede Etage ist in zwei verschieden große Mieteinheiten teilbar, die sich nach Bedarf flexibel aufteilen lassen – vom Einzelbüro bis zur Business-Lounge. Im Untergeschoss befinden sich Lager- und Archivräume sowie eine Tiefgarage. Mitte 2014 wurde das Objekt, in das Strabag Real Estate rund 17 Mio. Euro investiert hat, nach rund einjähriger Bauzeit fertiggestellt. Ende 2014 wurde das Gebäude von einer Gesellschaft des Thalanx-Konzerns übernommen.

Enge Zusammenarbeit zwischen Planungsbüro und Hersteller

Den aktuellen Standards in Bürogebäuden entsprechend war eine planerische Aufgabe die Klimatisierung der Räume. Neben einem Wärmeerzeuger musste daher auch ein System zur Kühlung installiert werden. Bei der Planung der Anlage mussten selbstredend die gesetzlichen Vorgaben berücksichtigt werden. § 3 des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG) sieht vor, dass Eigentümer von Neubauten mit einer Nutzfläche von mehr als 50 m² den Wärme- und Kälteenergiebedarf durch die anteilige Nutzung erneuerbarer Energien decken. Als erneuerbare Energien im Sinne des EEWärmeG gelten dafür Umweltwärme, Geothermie, solare Strahlungsenergie und Biomasse.

Das Planungsbüro Bodzian aus Duisburg hat sich zum Ziel gesetzt, nicht nur die gesetzlichen Vorgaben zu erfüllen, sondern auch eine möglichst effiziente und sinnvolle Lösung für das KB 4 zu finden. Intensiv wurden Ideen gesammelt, wieder verworfen oder konkretisiert und weiterentwickelt. So lange, bis der planende Ingenieur Frank Müller ein Konzept gefunden hat, das den Ansprüchen des Planungsbüros und den Bedürfnissen des Kunden gerecht wurde. Während der gesamten Entwicklungsphase des energetischen Konzepts wurde das Planungsbüro dabei von Mitsubishi Electric unterstützt.

Bernd Brinkmann, Planerberater NRW bei Mitsubishi Electric: „Durch eine kontinuierliche Zusammenarbeit zwischen Planerberater, Ingenieuren und unseren technischen Experten tragen wir als Hersteller dazu bei, eine optimale Lösung zu finden, die den hohen Qualitätsansprüchen sowohl auf Seiten des Planungsbüros als auch von unserer Seite entspricht.“

Warum nicht auf ein System setzen, das den kompletten Wärmeenergiebedarf des Gebäudes abdeckt und gleichzeitig kühlen kann? Reversierbare Luft/Wasser-Wärmepumpen können sowohl Wärme als auch Kälte erzeugen. Sie erfüllen die im EEWärmeG vorgeschriebene Deckung des Wärme- und Kälteenergiebedarfs zu mindestens 50 % durch erneuerbare Energien (bei der Nutzung von Geothermie oder Umweltwärme), können darüber hinaus den Wärme- und Kälteenergiebedarf eines Gebäudes vollständig übernehmen und dazu beitragen, die EnEV-Anforderungen mit geringem Aufwand zu erfüllen.

Bedarfsgerechte Wärme- und Kälteerzeugung

Auf dieser Basis wurde für das KB 4 ein Konzept entwickelt, bei dem mit neu in Kaskade geschalteten Luft/Wasser-Wärmepumpen Abb. 2 auf eine zweite Anlage zum Kühlen des Gebäudes bzw. auf einen zweiten Wärmeerzeuger verzichtet werden konnte. Die Anlage erlaubt zudem, zeitgleich zu heizen und zu kühlen.

Brinkmann: „Über die MSR-Technik wird sichergestellt, welches der Außengeräte jeweils Kälte- oder Wärmeenergie erzeugt, zum anderen wird festgelegt, wie viel Leistung zum jeweiligen Zeitpunkt erbracht werden soll. Damit können wir beide Energien bedarfsgerecht und zeitgleich erzeugen.“ Die neun Wärmepumpen vom Typ PUHZ-SHW230YKA der Mr.-Slim-Serie sind auf eine Heizleistung von 207 kW ausgelegt.

Die Außengeräte sind mit Vollinvertertechnologie ausgestattet, bei der die Leistung stufenlos an den Bedarf angepasst wird. Der Regelverdichter liegt bei einer Maschine zwischen 30 und 100 %. So wird eine Modulation ab etwa 7 kW – bei einer Wärmepumpe im Teillastbetrieb – bis zu 207 kW bei neun Geräten im Volllastbetrieb erreicht.

Zur Regelstrategie gehört, die einzelnen Wärmepumpen möglichst im Teillastbetrieb arbeiten zu lassen. Das ist effizienter als z. B. vier Wärmepumpen ihre volle Leistung erbringen zu lassen, während die anderen fünf ausgeschaltet sind.

Um auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen die Heizlast zuverlässig bereitzustellen, sind die Geräte mit der Zubadan-Technologie ausgestattet. Diese „Flash-Injection“ gewährleistet bei tiefen Außentemperaturen einen stabilen Kältemittelkreislauf. Dadurch sind 100 % Heizleistung bis – 15 °C möglich, ohne dass ein weiterer Wärmeerzeuger, beispielsweise ein elektrischer Heizstab, zugeschaltet werden muss. Die einwandfreie Funktion der Geräte wird sogar bis zu Außentemperaturen von – 28 °C gewährleistet. „Mit der Zubadan-Technologie arbeiten die Wärmepumpen auch im Winter wirtschaftlich, weil sich dieses System als monovalenter Wärmeerzeuger einsetzen lässt“, erklärt Ulf Berens, Geschäftsführer der ausführenden Fachfirma Kältetechnik Berens. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Einheiten aufgrund ihrer konstanten Heizleistung wesentlich kleiner dimensioniert werden können als Modelle ohne Zubadan-Technologie.

Reibungslose Kommunikation zwischen Wärmepumpen und Gebäudeleittechnik

Die neun Außenmodule sind zwar in Kaskade geschaltet, aber jede Maschine kann individuell im Heiz- oder Kühlbetrieb arbeiten. An kalten Tagen können neun Geräte Wärme erzeugen, an sehr heißen laufen alle neun Wärmepumpen bei Bedarf im Kühlbetrieb. In Übergangszeiten, wenn es aufgrund der Sonneneinstrahlung in den Büros auf der Südseite so warm wird, dass eine Klimatisierung nötig ist, während auf der kühlen Nordseite noch geheizt werden muss, kann ein Teil der Geräte Wärme erzeugen und der Rest kühlen.

Für eine bestmögliche Nutzung der Umweltwärme sind die Außenmodule u-förmig auf dem Dach des Gebäudes installiert Abb. 2. Durch die Anordnung wird die Fortluft in den Raum zwischen den Wärmepumpen geblasen und dadurch die Ansaugluft erwärmt bzw. gekühlt, sodass die Gesamtanlage im Mischbetrieb mit höherer Effizienz arbeiten kann. Im reinen Heiz- und Kühlbetrieb wird durch die Anordnung eine gegenseitige Beeinflussung minimiert und damit das Temperaturpotenzial der Außenluft ausgenutzt.

Die Bedarfssteuerung wird durch eine spezielle Regelungstechnik ermöglicht. Zu jeder Wärmepumpe wurde ein Anschlussset „PAC-IF012B-E“ installiert Abb. 3. Mit diesem lässt sich eine Vielzahl von Wärmeübertragern mit den Außengeräten der Mr.-Slim-Serie verbinden. So können diese zum Beispiel an zentrale oder dezentrale Lüftungsgeräte oder Türluftschleier angeschlossen werden. Im KB 4 wurde die Wärmepumpen-Anlage über die Anschlusskits in die übergeordnete Gebäudeleittechnik eingebunden. Über externe Signale können so verschiedene Einstellungen vorgenommen werden: die Leistungsvorgabe in acht Stufen von 30 bis 100 %, der Modus Heizen oder Kühlen sowie ein Kompressor-Stopp. Darüber hinaus werden alle relevanten Betriebsdaten ausgegeben, darunter der Verdichterbetrieb, der Betriebsmodus und der Abtauvorgang.

Jedes Gerät ist separat über Kältemittelleitungen an einen eigenen Wärmeübertrager angeschlossen. Diese übertragen die Energie wasserbasiert an zwei Warmwasser- und einen Kaltwasserpufferspeicher Abb. 4. Dadurch gibt es keinen Kältemittelkreislauf im Inneren des Gebäudes. Die drei Pufferspeicher geben das Wasser bedarfsgerecht an den Warmwasser- oder Kaltwasserkreislauf im Gebäude ab. Durch den Einsatz der Pufferspeicher wird unnötiges Takten der Wärmepumpen vermieden, sie können so wirtschaftlicher arbeiten.

Die Wärmeübergabe erfolgt über eine Betonkernaktivierung für die Grundlast. Zusätzlich wurden Heizkörper montiert, um zu Spitzenlastzeiten und in Spitzenlastzonen ausreichend Wärme zur Verfügung zu stellen. Die Kühlung des Gebäudes erfolgt über eine zentrale raumlufttechnische Anlage Abb. 5. Dies entspricht den planerischen Vorgaben, die einen Verzicht auf Klimageräte vorsehen.

Für das KB 4 wurde bewusst ein System gewählt, das auch bei niedrigen Außentemperaturen noch effizient arbeitet. Auf einen weiteren Wärmeerzeuger oder eine überdimensionierte Auslegung konnte so verzichtet worden. Brinkmann: „Es war für alle Beteiligten ein Pilotprojekt, mit einer klassischen Luft/Wasser-Wärmepumpe eine solch große Bürofläche ganzjährig zu klimatisieren.“ Mit Erfolg: Da das Konzept auch im Betrieb alle Erwartungen erfüllt, wird bereits eine nahezu identische Lösung im baugleichen Nachbargebäude A-ERO realisiert.

ist staatlich geprüfter Kältetechniker und Regionalleiter Düsseldorf bei Mitsubishi Electric Europe B.V., Living Environment Systems, Ratingen, www.mitsubishi-les.de