Hydraulisch optimierte ­Kälte-Wärme-Kopplung

Im Spannungsfeld von Kostendruck, Wettbewerb und Sozialverantwortung müssen Unternehmen des Lebensmitteleinzelhandels (LEH) komplexe Marktanforderungen sowie Verkaufs- und Betriebsziele in Einklang bringen. Die hoch energieintensive Gebäudebewirtschaftung stellt einen maßgeblichen Kostenfaktor im LEH dar und belastet zusätzlich dessen Klimabilanz. Insbesondere Kälteprozesse zum Konservieren und Lagern von Lebensmitteln, aber auch der weiter zunehmende Bedarf an Raumklimatisierung fallen mit einem hohen Primärenergieverbrauch ins Gewicht. Dass sich energetische Gesamtwirkungsgrade bei der Kälteerzeugung etwa durch die Weiterverwendung des thermischen Sekundärprodukts Abwärme signifikant steigern lassen, ist seit langem bekannt. Dennoch scheitert bei wassergeführten Systemen eine effiziente Einbindung der grundsätzlich nutzbaren Niedertemperaturen vielfach an einer unzureichenden Qualität der Anlagenhy­draulik. Dabei gilt diese als entscheidendes Kriterium für einen optimierten Systembetrieb – speziell bei Multivalenzlösungen.

Multivalente, primär regenerativ geführte Systeme mit fossiler Spitzenlastsicherung erfordern eine präzise Koordination unterschiedlicher Volumenströme auf Erzeuger- und Verbraucherseite, um die Wärmeversorgung störungsfrei und produktiv realisieren zu können. Bei konventionellen Infrastrukturen – oft Stangenverteiler mit drehzahlgeregelten Pumpen – führen häufige und hohe Lastwechsel dazu, dass sich der Pumpenbetrieb einzelner Kreise gegenseitig negativ beeinflusst und der Energieverbrauch in der Folge drastisch steigt. Gleichzeitig sind die im Versorgungssystem geführten Volumenströme und ihre Rücklauftemperaturen oft zu hoch, sodass integrierte Erzeuger nicht effizient arbeiten können. Zu den hieraus resultierenden Hydraulik-Problemen und der unzureichenden Betriebsweise von Anlagenteilen gesellen sich nicht selten technische Defizite bei der Einspeisung und dem Speichern thermischer Energie. Die Folge sind verschenkte wertvolle Energieressourcen, die trotz eines hohen technologischen Entwicklungsstands der Erzeuger- und Verbraucheranlagen kaum verhindert werden können.

Die Zortström-Historie:
Von der Pionier-Technologie zum modernen Engineering

Mit der Problematik einer gestörten Systemhydraulik und deren Auswirkungen auf die qualitative, ökonomische und ökologische Gebäudebewirtschaftung beschäftigt sich das österreichische Unternehmen Zortea bereits seit Anfang der 1960er Jahre. In mehreren Entwicklungsstufen entwarfen die TGA-Experten eine Technologie, deren Kernfunktion zunächst in der vollständigen hydraulischen Entkopplung aller systemimmanenten Versorgungskreise bestand. Auf diese Weise maximierte die unter dem Produktnamen Zortström auf den Markt gebrachte Anlage bereits von Beginn an die Betriebssicherheit von thermischen Versorgungssystemen und erzielte dabei Pumpenstromeinsparungen von bis zu 90%. In einem zweiten Adaptionsschritt optimierte Zortea sein Sammel-, Speicher- und Verteilzentrum für den Einsatz und die Zusammenführung verschiedener fossiler und regenerativer Erzeuger. Dabei wurden die Temperaturschichtungen innerhalb der Zortström-Anlage für einen gezielten Temperaturab- und -aufbau präzisiert und so die Grundlage für flexibel kombinierbare und gleichzeitig hocheffizient arbeitende Multivalenzlösungen mit allen verfügbaren Erzeugertypen (Brennwerttechnik, Fernwärme, Wärmepumpen, Solarthermie, BHKWs und Abwärmenutzung) geschaffen. Die Entwicklung eines integrierten Puffers bzw. Gleitschichtraums führte schließlich zu einer weiteren, wesentlichen Systemvereinfachung und Effizienzsteigerung durch eine bedarfskonforme thermische Einspeisung und Entnahme.

Im geschlossenen Zortström-Kreislauf kann die zugeführte Energie gleich mehrfach genutzt werden – etwa dann, wenn sich der Rücklauf aus einem Heizkreis mit hoher Temperatur als Vorlauf für Verbraucher mit niedrigerem Temperaturbedarf weiterverwenden lässt. So lassen sich auch Abwärmekapazitäten, beispielsweise aus der Stromproduktion eines BHKW oder aus der Kälteerzeugung durch Kältemaschinen effektiv weiterverwenden. Gleichzeitig können moderne Erzeugertechnologien und Verbundsysteme ihr volles Leistungspotenzial ausschöpfen, da sie unter optimalen Betriebsbedingungen und mit maximalen Laufzeiten arbeiten. Auf Grundlage kontinuierlicher Forschungs- und Anpassungsprozesse ist die inzwischen vielfach patentierte Zortström-Technologie somit in der Lage, eine hocheffiziente Zusammenführung und Verteilung von Wärme und Kälte sicherzustellen. Sie erfüllt dabei das Leistungsspektrum eines energetischen Komplettsystems, indem sie gleichzeitig als Steuerungs- und Regelungsinstrument eingesetzt wird, die Funktion eines Pufferspeichers übernimmt und als hydraulische Weiche dient. Mehr als 7.000 Anlagen hat Zortea bis heute geplant und europaweit installiert.

Unbeschränkte Integrationsfähigkeit – Technologie für jedes Einsatzfeld und alle Erzeuger

Grundsätzlich ist die Zortström-Technologie in jede Versorgungsumgebung integrierbar, unabhängig von Zustand und Alter des Gebäudes oder der Art der Objektnutzung. Zu den besonders prädestinierten Einsatzfeldern zählen Standorte des Lebensmittel­einzelhandels, die in der Regel immer einen hohen Parallelbedarf an Wärme und Kälte aufweisen. Eine funktionierende Kopplung von Kälteproduktion und Abwärmenutzung bietet hier weitreichende Möglichkeiten der Effizienzsteigerung, der Kostenreduktion und der Umweltentlastung. Im niedersächsischen Großburgwedel zeigt das Sanierungsprojekt des E-Centers Cramer aus dem Edeka-Verbund, wie ein intelligentes Wärmerückgewinnungskonzept zukunftsorientierte Betriebs- und Nachhaltigkeitsziele in Einklang bringen kann. Mit einer hohen Anpassungsfähigkeit an die jeweiligen Herausforderungen ihrer Zeit folgt die 1947 als kleiner Kolonialwarenladen gegründete Wilhelm Cramer GmbH einer über Jahrzehnte hinweg gepflegten Unternehmenskultur. Heute zählt die Reduktion des Ressourcenverbrauchs und die Verringerung der Treibhausgas-Emissionen zu den zentralen Aufgaben einer betrieblich wie gesellschaftlich verantwortungsvollen Geschäftsführung. Durch bauliche und technologische Modernisierungen wurden hierfür wesentliche Grundlagen mit dem Ziel geschaffen, den Gesamtenergiehaushalt des Marktgebäudes signifikant zu verbessern. Neben der Investition in ein stromsparendes Beleuchtungskonzept und der Umstellung auf klimaschonende Kältetechnik setzten die Planer auch auf eine neue Gebäudewärmeversorgung durch Wärmerückgewinnung (WRG) aus den Kälteerzeugungsprozessen. Dabei wird die Abwärme aller Kühlmöbel am Standort effizient zur Raumbeheizung eingesetzt – mit erzeugten Temperaturen von 40/30°C und einem thermischen Output von 180 kW. Ergänzt wird das Verfahren durch den Betrieb einer 60 kW Wärmepumpe.

Eine maximal effiziente Einbindung der Abwärme bei einem gleichzeitig optimierten Wärmepumpenbetrieb realisiert die Hy­drauliklösung von Zortea mit zwei Zortström Multi-PG-H-Anlagen (6-stufig mit einem Durchmesser von 900 mm, einer Höhe von 2.340 mm und einem Inhalt von 1.387 l sowie 5-stufig mit einem Durchmesser von ebenfalls 900 mm, einer Höhe von 2.190 mm und einem Fassungsvermögen von 1.291 l). Durch eine komplette hydraulische Entkopplung aller ankommenden und abgehenden Volumenströme können diese vollständig unabhängig voneinander, ohne wechselseitige Beeinflussung und in allen Betriebszuständen gleichbleibend stabil bewegt werden, auch bei hohen Druck- oder Temperaturdifferenzen. Sowohl die Erzeuger- als auch die Verbraucherseite lassen sich durch die präzise Temperaturvorhaltung mit der jeweils optimalen Arbeitstemperatur bzw. den gewünschten Soll-Vorlauftemperaturen ansteuern; erzeugte Niedertemperaturen und die niedertemperierte Energie der Rückläufe kann wiederum aktiv durch Einbindung in eine tiefere Temperaturstufe genutzt werden.

Die Verbundlösung aus Wärmerückgewinnung und Wärmepumpeneinsatz wurde so geplant, dass sie in der Übergangszeit den gesamten thermischen Bedarf des Gebäudes am Standort Großburgwedel deckt. Eine Zuschaltung der Brennwerttechnik bleibt damit auf die Sicherung von Spitzenlasten und zur Unterstützung der Brauchwarmwasserbereitung begrenzt.

Fazit

Rückgewinnungsverfahren können durch Mehrfachnutzung der eingesetzten Primär­energie maximale Wirkungsgrade erzielen und gelten – speziell in Kombination mit weiteren Regenerativ-Technologien – als Schlüsselinstrument für eine wirtschaftliche und umweltentlastende Energieversorgung. Ob sich eine Effizienzausschöpfung von Multivalenzsystemen in der Betriebspraxis realisieren lässt, ist oft weniger eine Frage des technologischen Entwicklungsstands der Erzeugerseite, als die einer hohen Hydraulikqualität. Eine frühzeitige planerische Berücksichtigung des Faktors Hydraulik, aber auch eine spätere technische Adap­tion im Bestand können die Umsetzungsmöglichkeiten einer nachhaltigen Wärme- und Kälteversorgung deutlich erweitern.