Autarke Heiz- und Warmwasserversorgung

Die Wärmepumpenanlage ist seit März 2011 in Betrieb und arbeitet seitdem zuverlässig. Sie deckt nach aktuellen Messungen über 85 % des Wärmebedarfs der Mensa (siehe Bild „Wärmebedarfsdeckung“, gelbe Fläche, zeigt noch den geplanten 2/3 Deckungsgrad). Außerdem ist die Reduzierung der Wärmeverluste im Nahwärmenetz ersichtlich (rote Fläche). Im Sommer treten keine Netzverluste mehr auf. Die erreichte Verringerung des Wärmebedarfs in der Heizperiode 2010/2011 (blaue Fläche) ist Ergebnis vorangegangener Modernisierungsmaßnahmen. Schon nach einer Betriebszeit von ca. zwölf Monaten herrschte große Zufriedenheit beim Endkunden und beim Planer. Die Erwartungen hinsichtlich der technischen Parameter und des Betriebsverhaltens wurden voll erfüllt und in den folgenden Jahren zum Teil sogar übertroffen.

Die verwendeten „thermeco₂“-Wärmepumpen können aufgrund der hochdruckseitig transkritischen Prozessführung hohe Vorlauftemperaturen mit hohem COP bereitstellen. Damit eröffnen diese Maschinen neue Einsatzmöglichkeiten im Gebäudebestand. Eine Steigerung der Wärmepumpeneffizienz ist durch die Reduzierung der Heizungsrücklauftemperaturen möglich. Bei dem Projekt in Soest ergriff der Planer im Zuge der Anlagenmodernisierung wirksame Maßnahmen zur Absenkung der Rücklauftemperaturen. Durch diese Maßnahmen und die „thermeco₂“-Technologie kann die erwartete Jahresarbeitszahl um mehr als 10 % übertroffen werden.

Projektaufgaben und Projektziele

Die Mensa an der Fachhochschule Südwestfalen in Soest ist zur Wärme- und Warmwasserversorgung in ein Nahwärmenetz eingebunden. Der Betrieb des Nahwärmenetzes wird durch unwirtschaftliche Lastzustände gekennzeichnet, die zu hohen Betriebskosten in der Liegenschaftswärmeversorgung führen. Insbesondere im Sommer, wenn die Mensa der einzige Wärmeverbraucher im gesamten Liegenschaftsnetz ist, betragen die Wärmeverluste der Erzeugung und Verteilung laut Betreiber mehr als 80 %, im Jahresdurchschnitt mehr als 30 %. Hinzu kommt der Energieaufwand für den Betrieb der Umwälzpumpen.

Im Mensagebäude gibt es einen bisher ungenutzten Abluftstrom sowie Abwärme einer Kleinkälteanlage. Vor dem Hintergrund dieser verfügbaren Abwärmequellen soll die Warmwasserversorgung ganzjährig und die Wärmeversorgung außerhalb der Heizperiode mittels einer Wärmepumpe autark erfolgen, um die Wärmekosten und die anrechenbaren CO₂-Emissionen zu reduzieren. In dieser Zeit kann der Nahwärmenetzanschluss stillgelegt werden. Damit entfallen Elektroenergiekosten für den Betrieb der Umwälzpumpen, der Gebläsebrenner sowie Wärmeverluste im Rohrleitungsnetz und bei der Erzeugung.

Durch die Abwärmenutzung der Kleinkälteanlage soll sich deren Rückkühltemperaturniveau von 40-50 °C auf 20 °C reduzieren, sodass der COP dieser Kältemaschine deutlich verbessert werden kann und darüber hinaus Kosten für den Betrieb von Rückkühlanlagen (Ventilatoren) eingespart werden.

Technische Lösung

Wärmepumpenauswahl

Für herkömmliche Wärmepumpen ist der Einsatzfall aufgrund der hohen Vorlauftemperaturen der bestehenden Heizungsanlage und den in einem großen Temperaturbereich schwankenden Wärmequellen ungeeignet.

Fündig wurde der Planer bei Dürr thermea, einem deutschen Hersteller von transkritischen CO₂-Hochtemperaturwärmepumpen. Die CO₂-Wärmepumpe wurde gewählt, da sie die Möglichkeit bietet, die bestehenden Netztemperaturen zu liefern, darüber hinaus mit Vorlauftemperaturen bis zu 90 °C noch Reserven hat und auch parallel zu der Fernwärmeeinspeisung betrieben werden kann. Weiterhin ist durch die hochwertige und flexible Steuerung der Wärmepumpe Betriebssicherheit in allen denkbaren Betriebssituationen gegeben.

Für die Lösung der Aufgabe wurde der Maschinentyp „thermeco₂ HHR 45“ in Wasser/Wasser-Ausführung in Zusammenarbeit mit dem Planer ausgewählt. Es handelt sich um den kleinsten Typ der Baureihe „thermeco₂ HHR“, die aus fünf Grundtypen im Leistungsbereich 45 bis 1500 kW besteht.

Die Maschine ist mit einem frequenzgeregelten halbhermetischen Hubkolbenverdichter ausgerüstet, der auf einen hochdruckseitig transkritischen CO₂-Kreislauf mit innerem Wärmeübertrager arbeitet. Da sich aufgrund der hochdruckseitig transkritischen Prozessführung das Kältemittel bei der Wärmeabgabe an das Heizmedium nicht verflüssigt, spricht man im Folgenden nicht von Kondensatoren, sondern von Gaskühlern.

Einbindung der Wärmepumpe in das Wärmequellensystem

Als Wärmequelle dienen die Abluft der Lüftungsanlage der Mensa und die Abwärme der Kleinkälteanlage. Das Abluftregister und die Wärmerückgewinnung der Kälteanlage sind hydraulisch in Reihe in den Wärmequellenkreislauf eingebunden (siehe Grafik „Wärmequellenkreislauf“). Dabei stellt die neu installierte WRG in der Abluftanlage den mit Abstand größten Teil der benötigten Wärmequellenkapazität.

Der 300 Liter-Abwärmespeicher gehört zur Bestandsanlage und konnte weiter verwendet werden. Der eingebaute Rohrwendelkondensator überträgt die Abwärme (ca. 3,8 kW Dauerleistung) der Kleinkälteanlage auf das Wärmequellenwasser. Bei längerem Stillstand der Wärmepumpe kann der Abwärmespeicher durch den Kondensator der Kleinkälteanlage auf über 50 °C erwärmt werden. Dieser Betriebszustand führt bei herkömmlichen Wärmepumpen zu Störungen und Abschaltungen. Die interne Regelung der „thermeco₂“-Wärmepumpe wurde entsprechend angepasst, um diese kurzzeitig hohen Wärmequellentemperaturen sicher zu verarbeiten.

Im Wärmequellenkreislauf sorgt eine drehzahlgeregelte Umwälzpumpe für die notwendige Druckdifferenz von maximal 0,68 bar zur Durchströmung des Verdampfers und des Lüftungsregisters sowie der übrigen Anlagenteile. Die Pumpe wird von der übergeordneten Gebäudeleittechnik (GLT) eingeschaltet und erhält im Betrieb ebenfalls von der GLT ein 0...10 V-Signal zur Drehzahlregelung.

Führungsgröße für die Drehzahlregelung der Wärmequellenpumpe ist die Verdampferaustrittstemperatur. Wenn die Austrittstemperatur unter den Sollwert abfällt, wird die Drehzahl der Pumpe erhöht, damit die Temperatur nicht weiter, im schlechtesten Fall bis in den Frostbereich, abfällt. Hier würde die Maschine über den Saugdruckwächter abschalten.

Bauseits wurde die Verdampferaustrittstemperatur mit Temperaturfühlern in Tauchhülsen erfasst. Da die Zeitkonstante dieser Temperaturmessstellen verhältnismäßig groß ist, wurde die Drehzahl ausgehend von der Startdrehzahl der Verdampferpumpe anfangs nicht schnell genug angehoben, so dass es im Inbetriebnahmezeitraum zu Saugdruckstörungen kam. Der Fehler trat insbesondere dann auf, wenn die Küche noch nicht in Betrieb war und noch wenig Abwärme anfiel. Diese Saugdruckstörungen konnten durch eine Anhebung der Startdrehzahl der Pumpe vermieden werden. Eine mögliche, allerdings aufwendigere Lösung des Problems wäre der Einsatz schnellerer Temperaturfühler gewesen.

Einbindung der Wärmepumpe in das Wärmeversorgungssystem

Das vorhandene Heizungssystem des Mensagebäudes umfasst nebenstehende Heizkreise. In der Übergangszeit ist vorrangig die Fußbodenheizung in Betrieb. Im Sommerbetrieb wird wenig Heizleistung zum Nachheizen in der Lüftungsanlage benötigt. Ganzjährig wird die Warmwasserbereitung betrieben.

Wärmepumpe

Speicherung und Verteilung

Um die effizienzverbessernden niedrigen Heizungsvor- und -rücklauftemperaturen zu erreichen, hat der Kunde unter anderem folgende Anpassungen der Bestandsanlage durchgeführt:

1.) Einsatz von zwei in Reihe geschalteten Heizungspufferspeichern

2.) Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Speicherentladung zur bedarfsgerechten Versorgung der unterschiedlichen Verbrauchertemperaturniveaus

3.) Vorregelungen Vorlauftemperatur des Heizungsverteilers und des Fußbodenregelkreises gemäß Heizkurve

4.) Rücklauftemperaturauskühlung durch Reihenschaltung der Hochtemperaturheizkreise und der Fußbodenheizung.

Die zwei in Reihe geschalteten Heizungspufferspeicher ermöglichen eine Wärmeentnahme auf zwei verschiedenen Temperaturniveaus ohne eine starke Durchmischung der thermischen Schichten. Die Verbraucher mit niedrigen Temperaturanforderungen erhalten eine bedarfsgerechte Versorgung aus dem mittleren Bereich des Speichers 2, während die Trinkwasserversorgung am oberen Bereich des Speichers 1 angekoppelt ist.

Betriebszustand 1: Ausschließlicher Betrieb der Warmwasserbereitung

Wenn nur die Warmwasserbereitung Wärme aus den Pufferspeichern nutzt, ist der Bypass­anschluss des 3-Wegeventils geschlossen. Das Trinkwasserladesystem wurde dahingehend verändert, dass das kalte Frischwasser immer in einem Durchlauf auf Speichersolltemperatur erwärmt wird. Anschließend wurden die Abschalttemperaturen der Ladung neu festgelegt. Durch diese Maßnahmen konnte die Anzahl der Ladezyklen pro Tag von 12 auf 7 verringert werden. Dadurch treten hohe Rücklauftemperaturen nur in kurzen und ausgeprägten Spitzen auf.

Die Rücklauftemperaturen der bestehenden Warmwasserbereitungsanlagen sind solange niedrig, wie im unteren Bereich des Trinkwasserspeichers noch kaltes Trinkwasser vorliegt. Wenn der Speicher fast durchgeladen ist, kommen kurzzeitig hohe Rücklauftemperaturen zustande, die sich im Sommer mit den niedrigen Rücklauftemperaturen der Lüftungsanlage und im Winter auch mit den niedrigen Rücklauftemperaturen der Fußbodenheizung mischen, so dass die Gaskühlereintrittstemperatur an der Wärmepumpe stets unter 35 °C (max. 40 °C) liegt.

Betriebszustand 2: Ausschließlicher Betrieb des Heizungsverteilers

In diesem Betriebspunkt wird die vom Verteiler geforderte Vorlauftemperatur am 3-Wege-Mischventil bedarfsgerecht vorgeregelt.

Wenn der Heizungspufferspeicher 2 zu stark entladen ist und der Sollwert unterschritten wird, kann Wasser aus dem Heizungspufferspeicher 1 beigemischt werden. Diese Schaltung hat den Vorteil, dass Rücklaufwasser mit hohen Temperaturen (z.B. 50 °C) nochmals gemischt und zum Verteiler gebracht werden kann. Die Wärmepumpe wird erst dann wieder eingeschaltet, wenn die Temperatur unten im Speicher 2 unter 40 °C fällt oder die Temperatur oben im Speicher 1 unter der Solltemperatur liegt, so dass die Solltemperatur nicht mehr zur Verfügung gestellt werden kann.

In der Mensa wurde wie beschrieben eine Reihenschaltung der Wärmeverbraucher eingeführt. Zuerst werden die statischen Heizflächen und Lüftungsregister mit hohen Vorlauftemperaturanforderungen versorgt. Der gesammelte Rücklauf dieser Verbraucher und der Warmwasserbereitung wird anschließend als Vorlauf der Fußbodenheizung genutzt und weiter abgekühlt. Diese Reihenschaltung bringt effektiv niedrigere Rücklauftemperaturen, die sich positiv auf den COP der Wärmepumpe auswirken. Durch Reihenschaltung der Verbraucher mit einer Fußbodenheizung am Ende der Kette konnte die Rücklauftemperatur um über 5 K abgesenkt werden (Messwerte).

Im vereinfachten Schema ist die Fließrichtung des Wassers in den verschiedenen Betriebszuständen Fernwärmeversorgung und Wärmepumpenversorgung dargestellt. Durch die Anordnung der Verteilerabgänge in der dargestellten Reihenfolge ist auch ein Parallelbetrieb der Fernwärme mit der Wärmepumpe möglich. Dazu liefert die Verteilerpumpe einen konstanten Differenzdruck, der die Rückschlagklappe des Fernwärmeanschlusses geschlossen hält. Bei großem Wärmebedarf der Verbraucher sinkt der Differenzdruck am Verteiler ab. In diesem Fall öffnet die Rückschlagklappe, so dass zusätzliche Wärme von der Fernwärme eingespeist wird. Der Abgang zur Warmwasserbereitung am Vorlaufverteiler ist im Normalbetrieb geschlossen und kann bei Ausfall der Wärmepumpe manuell aktiviert werden.

Betriebserfahrungen

Aus der ständigen Überwachung des COP und der Jahresarbeitszahl zeigte sich, dass der COP bei den aktuellen Betriebsbedingungen, Wärmequelle 20 °C / 10 °C am Verdampfer und Warmwasser 30 °C / 75 °C am Gaskühler, deutlich über 3,5 liegt. Die Jahresarbeitszahl erreicht einen Wert von über 3,2 und liegt somit über den Erwartungen. Die besten COPs sind in der Übergangszeit, bei laufender Fußbodenheizung, zu erzielen, so dass die Jahresarbeitszahl über 10 % höher ausfällt als geplant.

Nachfolgend ist der Verlauf der wichtigsten Temperaturen über einen Zeitraum von 18 Stundenbeschrieben. Der Heizbeginn liegt um 04:00 Uhr und der Küchenschluss um 16:00 Uhr. Die Temperatur des Warmwasservorlaufs auf der Heizungsseite ist konstant 75 °C, während die Rücklauftemperatur entsprechend des Speicherladezustandes der Trinkwarmwasserbereitung schwankt. Es gibt sieben Ladezyklen des Trinkwasserspeichers. Jeder Zyklus dauert ca. 30 Minuten. Vor der Optimierung des Trinkwarmwasserladesystems gab es durchschnittlich zwölf Ladezyk­len täglich. Anfängliche Schwankungen der Vorlauftemperatur um den Sollwert konnten durch Abstimmung des Regelbereiches der Pumpe mit der Anlagenkennlinie beseitigt werden. Je nach Pumpen- und Rohrnetzkennlinie kann eine kleine Änderung der Pumpendrehzahl zu einer großen Änderung des Fördervolumenstromes führen, so dass eine genaue Austrittstemperaturregelung unmöglich wird. Im konkreten Fall musste das Signal zur Drehzahlverstellung in kleineren Schritten erhöht werden (0,1 V- statt 1 V-Schritte).

Vom Betreiber wird der größte Vorteil der verwendeten Wärmepumpe gegenüber „herkömmlichen“ Maschinen in der Flexibilität gesehen. Die Wärmepumpe kann sowohl verdampfer- als auch gaskühlerseitig ein enorm großes Temperaturband abdecken, so dass immer Reserven für „extreme“ Betriebszustände vorhanden sind. Beispielsweise beim Einsatz der Maschine als Kältemaschine kann ein zu klein dimensionierter Rückkühler kompensiert werden, indem einfach kurzzeitig der Vorlauf angehoben wird.

Der Einsatz der Hochtemperaturwärmepumpe führt für den Liegenschaftsbetreiber zu Energiekosteneinsparungen und leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Entlastung der knappen öffentlichen Kassen.

Nach sechs Betriebsjahren ist festzustellen, dass die geplanten Einsparungen deutlich übertroffen werden. Dazu tragen die höhere Jahresarbeitszahl aber auch viele vorher unberücksichtigte Nebeneffekte bei:

Höhere thermische Leistung der Maschine durch optimierte Betriebsbedingungen erhöht Wärmedeckungsgrad und jährliche Außerbetriebnahmedauer der Fernwärme bei gleichen Investitionskosten.

Elektroenergiekosten für den Betrieb der Fernwärme-Umwälzpumpen, der Gebläsebrenner sowie Wärmeverluste im Rohrleitungsnetz und bei der Erzeugung entfallen.

Deutliche Leistungs- und COP-Verbesserung der Kleinkälteanlage. Kosten für den Betrieb von Rückkühlanlagen (Ventilatoren) werden eingespart.

Der Einsatz des umweltfreundlichen Kältemittels Kohlendioxid ist absolut zukunftssicher. Aus Betreibersicht ist sowohl die gute und langfristig preisgünstige Verfügbarkeit, als auch der geringe Bürokratieaufwand im Umgang mit dem Kältemittel vorteilhaft.