Der Heizungsverteiler als System-Manager - Modernisierung des Heizungssystems im Klinikum Rheine: Umstellung von Angebotsheizung auf Bedarfsheizung

Das Gesundheitszentrum Rheine vereint in einem historischen Gebäudekomplex das Mathias Spital und die Mathias Fachhochschule. Denkmalgeschützte Altbauten und moderne Architektur gehen auf dem Klinikareal teilweise ineinander über. Im Verlauf zahlreicher Um- und Erweiterungsbauten ist auch das Heizungs-Verteilnetz mitgewachsen, das aus einer Hauptverteilung und acht Unterverteilungen besteht. Im Jahr 2009 stand die Modernisierung der Wärmeversorgung an. Alte Heizkessel wurden gegen modulierende Gas-Brennwertkessel getauscht; ein BHKW zur Deckung der Wärmegrundlast nachgerüstet. Damit die neuen Wärmeerzeuger energieeffizient arbeiten können, galt es vor allem auch die Wärmeverteilung zu optimieren. „Eine wesentliche Planungsgrundlage für die Sanierung war, die bislang uneffiziente Wärmeverteilung so zu modernisieren, dass sowohl alle Gebäudeteile bedarfsgerecht mit Wärme versorgt als auch die vorgesehenen Spreizungen erzielt werden“, sagt Werner Beckmann, Technischer Leiter des Gesundheitszentrums Rheine.
Ergebnis nach der Modernisierung des Heizsystems: Das BHKW erzielt pro Jahr über 8000 Betriebsstunden, und die Spitzenlastkessel verrichten auch als solche ihren Dienst: „Die Brennwertkessel schalten sich nur dann dazu, wenn dazu die Freigabe von der Regelung kommt. Das BHKW hat Vorrang und läuft auch in den Sommermonaten nahezu ohne Unterbrechung durch“, berichtet Beckmann stolz. Der hydraulischen Optimierung sei es zu verdanken, dass sich die Investition in das BHKW für das Gesundheitszentrum innerhalb von nur einem Jahr nahezu amortisiert habe. Das Heizsystem sei nun in der Lage, den Spital- und Hochschulkomplex genau nach Bedarf mit Wärme zu versorgen.

Bedarfsgerechte Wärmeerzeugung und -verteilung

Vor der Modernisierung förderten ungeregelte Blockpumpen das Heizwasser mit über 80°C Vorlauftemperatur ins Netz – ganzjährig konstant und unabhängig davon, ob auch tatsächlich gerade Wärme benötigt wurde. Im Teillastbetrieb waren die Spreizungen entsprechend gering. Die bestehenden Unterverteilungen arbeiteten mit Misch-Regelventilen sowie mit druckbeaufschlagten Verteilern, weil durch die Entfernungen zwischen Haupt- und Unterverteilung Zubringerpumpen nötig sind. Die Druckbeaufschlagung beeinflusste jedoch das Regelverhalten der Mischventile grundlegend. „An den bestehenden Stangenverteilern für die Unterverteilungen war dadurch keine stabile Regelung möglich“, sagt Engelbert Gallin, verantwortlicher Fachplaner und Geschäftsführer des Planungsbüros Plancad Ingenieurgesellschaft mbH aus dem westfälischen Nottuln. Eine funktionierende Temperaturmischung sei jedoch Voraussetzung dafür, dass die unterschiedlichen Wärmeabnehmer mit ihren Auslegungstemperaturen versorgt werden. „Die Radiatorenheizkreise sind für 70/50°C ausgelegt, während die Vorlauftemperatur für die Fußbodenheizkreise nicht höher als 38 bis 40°C (bei 6 bis 8 K Spreizung) sein darf.“
 
Im Zuge der Modernisierung wurde der Hauptverteiler im Kesselhaus durch das Zortström Sammel- und Verteilsystem mit drei Temperaturstufen ersetzt. „Durch die hydraulische Entkopplung entsprechen die Volumenströme auf der Wärmeerzeuger- und Abnehmerseite genau der Wärmemenge, die jeweils gerade gebraucht wird“, sagt Fachplaner Gallin. Die stufenweise Temperaturschichtung im Verteiler bewirke, dass die Wärmeabnehmer mit ihren jeweiligen Systemtemperaturen versorgt würden. Vor der Modernisierung zeigten die Thermometer in den Kesselkreisen eine minimale Spreizung von 3K an (VL/RL 82/79°C). Vom Zortström-Verteiler erhalten Brennwertheizkessel und BHKW jetzt bei 80°C Vorlauf eine Rücklauftemperatur zwischen 45 und 55°C.

Wärmeenergie aus dem Rücklauf wird weiterverwertet

Noch deutlicher zeigt sich die Wirkungsweise des behälterförmigen Sammel- und Verteilsystems daran, dass noch nicht verbrauchte Wärmeenergie innerhalb des Systems weiterverwendet wird: Der Verteilerinhalt der mittleren Ebene nimmt die Rückläufe der Hochtemperaturkreise auf. Dieses Temperaturniveau reicht aus, um vorlaufseitig die Fußbodenheizkreise zu versorgen. Bei konventionellen Verteilsystemen vermischen sich die Rückläufe in einer gemeinsamen Verteilerkammer auf ein Temperaturniveau, das für die Versorgung von Heizkreisen mit niedrigerer Systemtemperatur nicht mehr nutzbar, als Rücklauf zu Brennwert-Abgaswärmetauschern und BHKWs aber zu hoch ist. „Die Weiterverwendung der Wärme aus dem Rücklauf für die Versorgung von Niedertemperaturkreisen lässt sich mit Zortström ohne zusätzliche Regelungskomponenten realisieren. Bei konventionellen Systemen wäre die Nutzung der Wärme aus dem Rücklauf nur mit aufwendigen hydraulischen Schaltungen möglich“, sagt Fachplaner Engelbert Gallin. Hinzu käme, dass an den Verteilerabgängen von Stangenverteilern stets unterschiedliche Drücke anstehen, die keine stabile Regelung erlauben. Bei der Planung von Neuanlagen setzt das Planungsbüro Plancad deshalb generell auf die hydraulische Entkopplung in der Verteilung und auf Feinjustierung direkt am Verbraucher.

Hydraulische Entkopplung senkt Pumpenstromverbrauch

Den Unterschied zu konventionellen Verteilsystemen macht das anlagenspezifisch berechnete Verteilervolumen, das die Heizwasserströme voneinander entkoppelt: „In balkenförmigen Verteilern entstehen durch die unterschiedlichen Wassermengen Strömungsstörungen, durch die sich die Pumpen an den Verteilerabgängen gegenseitig beeinflussen. Drehzahlgeregelte Pumpen versuchen dann, die dadurch entstehenden Druckdifferenzen auszugleichen. Bei Pumpen mit digitaler Watt-Anzeige lässt sich hier sogar ein deutlicher Anstieg der Leistungsaufnahme ablesen“, erläutert Rembert Zortea aus Hohenems in Vorarlberg/Österreich, Entwickler und Hersteller der Zortström-Technologie. Aus dem Verteilervolumen eines Zortström fördern drehzahlgeregelte Umwälzpumpen dagegen nur den tatsächlich benötig­ten Massenstrom, ohne dass durch die benachbarten Verteilerabgänge Druckunterschiede ausgeglichen werden müssen. Unter dieser Voraussetzung lässt sich mit drehzahlgeregelten Umwälzpumpen auch die erwartete Reduzierung des Pumpenstromverbrauchs senken.
Bei der Modernisierung der Wärmeerzeugung für das Klinikum Rheine wurde auf den Einsatz effizienter Technologien geachtet. Die Gas-Brennwertkessel sind mit einer Bedarfsregelung ausgerüs­tet, die für einen modulierenden, last- und volumenstromabhängigen Betrieb sorgt. Für die Wärmeerzeugung lautete das Planungsziel, lange Brenner- und Aggregatlaufzeiten und damit hohe Nutzungsgrade zu erzielen. Eine Voraussetzung hierfür ist auch, dass die Massenströme im Leitungsnetz und an den Unterverteilern bedarfsgerecht die Wärme dorthin transportieren, wo sie benötigt wird. Im Klinikum Rheine wurden bereits neun Heizungsverteiler durch Zortström ersetzt. Pufferspeicher sucht man in dieser Anlage überdies vergeblich. Das Wasservolumen im Zortström-Verteiler, beim Hersteller Zortea als Gleitschichtraum bezeichnet, wirkt für die Energieverteilung als durchleitendes Puffervolumen. „Die Anlagenhydraulik ist jetzt so umgebaut, dass Wärmeenergie nur noch dem tatsächlichen Wärmebedarf entsprechend verbraucht wird“, fasst Werner Beckmann die Erfahrungen nach mittlerweile vier Jahren Betriebszeit seit der Umrüstung zusammen.

Bilder: Zortea Gebäudetechnik GmbH

www.zortea.de