Kälte und Wärme zugleich erzeugen

Gebäude, in denen häufig zeitgleich Wärme und Kälte benötigt werden, gibt es viele, z.B. Supermärkte oder Tankstellen mit Waschstraße. Aber auch in Bürogebäuden, Krankenhäusern oder Universitäten wird an kalten Tagen Klimakälte benötigt, etwa zum Kühlen der hausinternen Rechenzentren und Kommunikationszentralen. Der in der Vergangenheit deutlich gestiegene Anteil des Gebäudekühlbedarfs an den Gebäudebetriebskosten wird u.a. durch einen hohen Glasanteil in der Fassade sowie durch höhere IT-Wärmelasten (Bürorechner, Serverräume) verursacht. Bei vollverglasten Gebäuden mit Nord-Süd-Ausrichtung ist es nicht selten, zeitgleich auf der einen Gebäudeseite kühlen und auf der anderen heizen zu müssen.
Bei solchen Gebäuden werden heute oft getrennte Systeme für die Wärme- und Kältebereitstellung installiert, z.B. eine Wärmepumpe und ein Kaltwassererzeuger. Nutzenergie mit einer (Luft- oder Wasser-)Wärmepumpe bzw. einem Kaltwassererzeuger zu gewinnen, ist umso effizienter, je geringer die Temperaturdifferenz ist, um die der Temperaturträger abgekühlt oder aufgeheizt werden muss. Das bedeutet, dass Kälte effizienter in den Nachtstunden bzw. Wärme effizienter zur Mittagszeit erzeugt werden kann. Dazu kommt, dass auch die bestmöglichen Kaltwassererzeuger nicht vermeiden können, dass während des Betriebes Abwärme entsteht, die ungenutzt an die Umwelt abgegeben wird.

Spannungsdreieck:

Investitionskosten, Betriebskosten­ersparnis, Amortisation

Als Energiequellen zur Erzeugung von Wärme bzw. Kälte stehen neben der Umweltenergie (Solarkollektoren, Brunnenwasser, Flusswasser oder Erdwärme) in vielen industriellen Anwendungen auch Prozessenergien zur Verfügung. Mögliche Energiequellen im industriellen Bereich sind z.B. Prozessgase, Abgase, Warm- und Heißwasser sowie Dampf. Im Sinne einer nachhaltigen Energienutzung sind die Planer gefordert, die Gewerke nicht mehr einzeln zu betrachten, sondern alle zur Verfügung stehenden Energiequellen in Last- und Nutzerprofilen zu analysieren und sie in die Bilanz einzubeziehen. Die Profile zeigen, wann welcher Bedarf mit welcher Energiequelle bzw. -senke in Beziehung steht. Eine solche Aufstellung erlaubt bereits die Unterteilung in Grund- und Spitzenlastzeiten und schränkt auf diese Weise die Auswahl möglicher Technologien ein. Das jeweils erforderliche Temperaturniveau von Warm- und Kaltwasser ist ein weiteres Ausschlusskriterium bei der Auswahl der geeigneten Technologie.
Auch Konzepte mit einem hohen ökologischen Anspruch müssen bezahlbar sein. Nicht jede mögliche Energiequelle oder -senke ist zu vertretbaren Kosten nutzbar. Einen Anhaltspunkt für mögliche Optimierungen liefern daher die zu erwartenden Betriebskosten pro Jahr. Das sich ergebende Spannungsdreieck aus Investitionskosten, Betriebskostenersparnis und Payback (Amortisation) gibt für die planerische Bewertung aller Alternativen den finanziellen Rahmen vor. Der Schlüssel zur ressourcenschonenden Anlagennutzung liegt in der zeitlichen Verknüpfung der Erzeugertechnologien (z.B. Wärmepumpe, Brennwertkessel, Wärmerückgewinnung auch aus der Kälteerzeugung) mit Speichersystemen (Wasserspeicher, Latentwärmespeicher).

Kälte und Wärme simultan aus Hybridgerät

Wenn sich Kälte- und Wärmebedarf etwa die Waage halten und die Nutzenergie über Wasserkreisläufe bereitgestellt wird, ist ein Hybridgerät, das simultan kühlen und heizen kann, in der Regel eine energieeffiziente Lösung. Hier wird auf der einen Seite Kälte erzeugt und mit einem Kälteübertrager an ein Kaltwassernetz übergeben. Die zwangsläufig auf der anderen Seite entstehende Wärme speist das Gerät via Wärmeübertrager in das Heizungsnetz ein. Ist die Energiebilanz der gleichzeitig laufenden Kälte- und Wärmepumpenprozesse nicht ausgewogen, wird sie über einen dritten Wärmeübertrager ausgeglichen. Als einfachste Lösung bietet sich der Wärmeübertrag mit Außenluft an; alternativ können aber auch (Brunnen-)Wasser oder Geothermie als externe Energiesenke oder -quelle genutzt werden. Je nach Auslegung kann eine geothermische Anlage im Verbund mit einer wie zuvorbeschriebenen Hybridanlage als Speichersystem eingesetzt werden. In diesem Fall würde im Kühlbetrieb überschüssige Ener­gie an das Erdreich abgegeben und dort gespeichert und bei Bedarf über eine Wärmepumpe wieder entnommen.
Die gleichzeitige Kälte- und Wärmebereitstellung spart meist massiv Energiekos­ten. Um die Wirtschaftlichkeit eines Hybridgerätes zu zeigen, wurde mithilfe der Planungssoftware „TRNSYS“ der jährliche Energiebedarf für ein fiktives Mannheimer Data-Center mit Büroflächen bestimmt. In einer Simulation wurden die Investitions- und Betriebskosten eines Hybridgerätes mit denen einer Referenztechnik – bestehend aus Kessel mit modulierendem Brenner und witterungsgeführter Regelung und Kaltwassererzeuger – verglichen und die Amortisationszeit bestimmt.

Wirtschaftlichkeitsberechnung für Grundlastbetrieb

Als Investitionskosten wurden Cirka-Listenpreise veranschlagt. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wurde für Standardgeräte über einen Zeitraum von 15 Jahren in Anlehnung an die VDI 2067 durchgeführt. Dabei wurde angenommen, dass Strom 0,15 Euro/kWh und Gas 0,05 Euro/kWh kosten. Die Preissteigerungen bei der Energie wurde mit 3,5% kalkuliert. Für die drei Betriebsmodi des Hybridgerätes „nur Heizen“, „nur Kühlen“ und „simultan Heizen und Kühlen“ wurde zur Vereinfachung der Rechnung bei der Kühlung die Systemtemperatur 7/12°C angesetzt und für die Heizung 45/40°C. Für das Data-Center wurde eine Mindestkühllast von 100 kW angenommen und als maximale Kühllast 139kW. Die maximale Heizlast beträgt 169kW. Damit ergibt sich für das Gebäude ein jährlicher Bedarf an Kälte­energie von 967030 kWh und ein jährlicher Wärmebedarf von 137619 kWh.

Kurze Amortisationszeit

Der Unterschied zwischen dem Hybridgerät und der konventionellen Lösung beträgt für das Data-Center bei den Investitionskosten knapp 5000 Euro zu ungunsten der Hybridtechnologie. Dieser anfängliche Nachteil wird durch die Betriebskosten jedoch in weniger als einem Jahr wieder gutgemacht: Die Betriebskosten des Hybridgerätes betragen pro Jahr etwa 37100 Euro, während die Betriebskosten für den Kaltwassererzeuger und den Heizkessel zusammen bei etwa 44300 Euro pro Jahr liegen. Damit beträgt die Differenz pro Jahr cirka 7200 Euro und die Investition in die Hybridtechnik für den Grundlastbetrieb hätte sich bereits im ersten Jahr amortisiert (Tabelle 1). Besonders über den betrachteten Zeitraum hinweg geht die Kostenschere zugunsten des Hybridgerätes immer weiter auseinander. Nach 15 Jahren würde die eingesparte Summe dieser Modellrechnung entsprechend knapp 140000 Euro betragen (Bild 1).

Hybridbetrieb für Grundlast optimal

Das Hybridgerät arbeitet am effizientesten, wenn simultan Kühl- und Heizbedarf bestehen. Es sollte daher als Grundlastmaschine für den Fall zeitgleich auftretender Kühl- und Heizlast dimensioniert werden. Bei dem zuvor genannten Rechenbeispiel besteht nur eine geringe prozentuale Differenz zwischen Grund- und Spitzenlast, weswegen das Hybridgerät in diesem Fall auf die maximale Last ausgelegt werden konnte.
Bei anderen Anwendungen, etwa einem Bürogebäude mit großzügig verglaster Nord- und Südfassade, ist der gleichzeitige Heiz- und Kühlbedarf deutlich geringer als der Spitzenbedarf an Wärme und Kälte. Zudem ist das Heizen bzw. Kühlen nicht das ganze Jahr über erforderlich. Hier arbeitet ein Hybridgerät in den Übergangsjahreszeiten, wenn das Außenthermometer in Deutschland zwischen 8°C und 16°C anzeigt (etwa 3000 Stunden pro Jahr), im Optimum, denn dann transportiert es Wärme aus überhitzten Räumen in die zu heizenden Bereiche. Bei einem solchen Bürokomplex ist die Dimensionierung des Hybridgeräts in der Größenordnung des maximalen simultanen Heiz- bzw. Kühlbedarfs sinnvoll. Für die Spitzenlasten an kalten Wintertagen bzw. bei hochsommerlicher Hitze sollten konventionelle Lösungen die Anlage ergänzen. Bei den Investitionen sind der Hybridanlage dann der Spitzenlastkessel und der Spizenlastkaltwassererzeuger hinzuzurechnen. Für den Leistungsbereich des Hybridbetriebs ergeben sich jedoch auch in der Spitzenlastzeit geringere Betriebskosten gegenüber einem Parallelbetrieb konventioneller Technik. Diese Kombination aus Hybrid- und Spitzenlastgeräten wäre mit auf Maximallast ausgelegtem Kaltwassererzeuger und Heizkessel zu vergleichen. Aufgrund der größeren Investitionen für die Hybridlösung plus Spitzenanlagen ist eine längere Amortisationszeit zu erwarten. Die genaue Dauer hängt von diversen Faktoren wie dem Verhältnis von Maximallast und (simultaner) Grundlast, den Anlagengrößen und der Betriebsstundenzahl des Hybridbetriebs ab.

Wärmepumpe und Kaltwassererzeuger in einem Gerät

„HeaMo“ steht für „Heat in Motion“ (Wärme in Bewegung). Beim simultanen Heizen und Kühlen fällt beim „GEA HeaMo“ keine Abwärme an, da das Gerät den Wärmeüberschuss aus einem Teil eines Gebäudes in einen anderen übertragen kann. Das Gerät wird optimalerweise so ausgelegt, dass möglichst häufig das zeitgleiche Heizen und Kühlen genutzt werden kann. Daher bieten sich die Geräte als Grundlastmaschinen an, die für einen Mehrbedarf an Heiz- oder Kühlleistung z.B. durch separate Kaltwassererzeuger und Wärmepumpen ergänzt werden können. Im „GEA HeaMo“ sind Wärmepumpe und Kaltwassererzeuger hydraulisch und regelungstechnisch kombiniert und verwenden in einem Kältemittelkreislauf drei Wärmeübertrager. Bei zeitgleichem Heiz- und Kühlbedarf wird auf der einen Seite Kälte erzeugt und mit einem Wärmeübertrager an das Kaltwassernetz übergeben. Die dabei entstehende Wärme speist das Gerät auf der anderen Seite in das Heizungsnetz ein. Im optimalen Fall, wenn Heiz- und Kühlbedarf etwa gleich groß sind, sind nur zwei Wärmeübertrager aktiv. Da Heiz- und Kühllast aber nicht immer gleich groß sind, führt ein dritter Wärmeübertrager überschüssige Energie ab bzw. entzieht dem Medium Luft oder Geothermie die notwendige Energie. Das Gerät ist in zwei verschiedenen Baureihen erhältlich: Die „AIR“-Version zur Außenaufstellung umfasst 16 Modelle mit Heizleistungen von 35 bis 350 kW und Kühlleistungen von ca. 30 bis 310 kW und nutzt Außenluft als Energiequelle. Um auch in den Wintermonaten eine hohe Betriebsstundenzahl zu erreichen, ist die „AIR“-Version für einen erweiterten Einsatzbereich erhältlich. Sie gestattet den reinen Heizbetrieb bis zu -10°C Außentemperatur während die Standardausführung bis -5°C einsetzbar ist.
Die Geräte der „GEO“-Version sind für die Innenaufstellung vorgesehen und nutzen einen Geothermiekreislauf zum Wärmeübertrag. Insgesamt 18 Modelle umfasst die Serie, die den Bereich von 50 bis 550 kW Heiz- bzw. Kühlleistung abdecken. Bis zu vier „GEA HeaMo“-Geräte lassen sich zu einem regelungstechnischen Verbund zusammenfassen.

Autor: Tim Krambrökers, Product Manager Refrigeration Systems, GEA Air Treatment GmbH, Herne

Bilder: GEA Air Treatment

www.gea-airtreatment.de