Vor allem im Sommerhalbjahr stehen Fernwärmeanbieter vor einem Problem: In Wohngebäuden führt ein Zirkulationsbetrieb in den Warmwasserverteilungen in Verbindung mit geringen Heizlasten zu einem sehr ineffizienten Betrieb: Die Rücklauftemperatur an den Fernwärmeanschlüssen ist dadurch sehr hoch. Stadtwerke Augsburg Energie testet deshalb seit April 2020 eine Lösung, die Abhilfe verspricht: Die eXergiemaschine Bild 1, eine Entwicklung von varmeco und BMS-Energietechnik, Schweiz.
Wasser/Wasser-Wärmepumpe in Kombination mit einem Pufferspeicher.
Stadtwerke Augsburg / Thomas Hosemann
Die eXergiemaschine ist eine spezielle Wasser/Wasser-Wärmepumpe und arbeitet in Kombination mit einem Pufferspeicher. In diesem stellt sie eine optimale Temperaturschichtung her, wobei der Pufferspeicher gleichzeitig Wärmequelle und Wärmesenke ist. Ist die Temperaturschichtung im Speicher, zum Beispiel durch einen langen Zirkulationsbetrieb bei einer geringen Warmwasserzapfung zerstört, zieht die eXergiemaschine Wasser aus der Speichermitte.
Ein Teil davon wird erwärmt und oben im Speicher eingespeist, der andere Teil gelangt abgekühlt unten in den Speicher. Auf der Verbraucherseite entsteht so wieder die gewünschte, hohe Vorlauftemperatur und in Richtung der Wärmequelle eine niedrige Rücklauftemperatur. Aus Sicht der Quelle (in diesem Fall des Fernwärmeanschlusses) ergibt sich so eine hohe Temperaturspreizung, was den Wirkungsgrad steigert. Gleichzeitig wird die Zahl der Speicherladezyklen verringert.
Stadtwerke Augsburg Energie testet das Prinzip in einem fast 50 Jahre alten Wohnblock im Stadtteil Hammerschmiede Bild 2, den sie seit 2012 im Contracting mit Wärme beliefert. Hermann Egger, Leiter Anlagentechnik: „Wir liefern dort seit 2012 Wärme und haben die Heizzentrale damals von einer Erdgaszentralanlage auf Fernwärme umgestellt. Weil wir einen Fernzugriff auf die Technik der Anlage haben und ihre Betriebsdaten und die wichtigsten Temperaturen in der Gebäudeleittechnik ablesen können, ist es ein ideales Testobjekt für die eXergiemaschine.“
Zirkulation erhöht Rücklauftemperatur
Stadtwerke Augsburg / Thomas Hosemann
Rund 90 Wohneinheiten werden über den 320-kW-Fernwärmeanschluss der Heizzentrale versorgt. Diese wurde kürzlich modernisiert und mit zwei neuen 1000-l-Wärmespeichern sowie mit Frischwassererwärmern von varmeco ausgerüstet. Warmwasser stellt eine Zweier-Kaskade mit Frischwassererwärmern FWE 50 (bis 50 l/min je Gerät bei 60 °C) bereit. Dabei arbeitet einer der Frischwassererwärmer auch der Warmwasserzirkulation zu.
Die große Menge zirkulierenden Wassers führte jedoch bei geringer Zapfung und Heizlast trotz Exergieoptimierung der Durchlauferwärmung nach wenigen Stunden zu einer Temperatur von etwa 55 °C in den Wärmespeichern. „Dies passiert mit der eXergiemaschine nicht mehr“, berichtet Egger.
Egger verspricht sich von der Optimierung der Temperaturschichtung nicht nur eine technische Verbesserung der hygienischen Warmwasserbereitstellung, sondern auch wirtschaftliche Vorteile: „Mit einem Rücklauf auf niedriger Temperatur, wie ihn die eXergiemaschine ermöglicht, arbeitet das Fernwärmenetz effizienter. Denn erzeugerseitig wird seltener nachgeladen und wir können unser Heizkraftwerk mit einem höheren Wirkungsgrad betreiben.“
Erste Ergebnisse sind vielversprechend
Der Praxistest in dem – heizungstechnisch gesehen sehr transparenten – Objekt in Hammerschmiede soll das Potenzial der eXergiemaschine über alle Jahreszeiten sichtbar machen. In dem Versuchsobjekt ist ein Nullserien-Modell mit 15 kW thermischer Leistung installiert; die Serienmodelle der eXergiemaschine bieten 5, 10, 20 oder 40 kW maximale Wärmeleistung.
Die ersten Ergebnisse im Sommerbetrieb waren vielversprechend: Während die Rücklauftemperatur ohne eXergiemaschine oft auf über 55 °C stieg, konnte sie mit der eXergiemaschine auf 31 °C gesenkt werden. Gleichzeitig steigt die Temperaturspreizung im Speicher auf über 40 K (Vorlauf 73 °C) und die Zahl der Nachladungen durch den Fernwärmeanschluss wurde nahezu halbiert.
