Ein Kraftpaket für Wärme und Strom Solide Grundlast mit doppeltem Nutzen
Der stetige Bedarf von Wärmeenergie für die Warmwasserbereitung sowie der tagtägliche Strombedarf für Gästezimmer und Gastronomie (vor allem für die Kühlung) rückte die Kraft-Wärme-Kopplung in den Fokus des Investors, als es darum ging, eben mehr zu tun, als nur den Heizkessel zu erneuern.
Das erste Haus im unterfränkischen Poppenhausen ist der Brauerei-Gasthof Goldener Stern, dessen Gastronomie sich trotz der Einstellung der einst ansässigen Brauerei zu einem überregionalen Magneten entwickelt hat. Nach verschiedenen Instandhaltungsmaßnahmen und Modernisierungen, vor allem des Restaurants und der Gästezimmer, sollte nun die Energieeffizienz im Sinne einer nachhaltigen Energieeinsparung auf den Punkt gebracht werden.
Die bestehende Anlage war marode, der atmosphärische Gaskessel hatte seine besten Tage weit hinter sich gelassen. Der technische Sanierungszyklus war längst überschritten. Die Anlage konnte kaum noch als betriebssicher betrachtet werden. Neben dem Austausch des Wärmeerzeugers galt es besonders auch darum, die Regelungs- und Steuerungstechnik zu erneuern sowie hydraulische Abgleichungen und Optimierung der Wärmeübertragung an den Raum vorzunehmen. Ergo bestand Handlungsbedarf. Der Investor verlangte über eine Erneuerung der gesamten Anlage hinaus auch eine maximale Anlageneffizienz und eine wirtschaftliche Darstellung der Maßnahme.
Der Haustechnikplaner Manfred Hartman wurde beauftragt, ein umfassendes Heizungsmodernisierungskonzept zu erarbeiten und vorzustellen. Voraussetzung für diesen ersten Schritt war die Ermittlung des spezifischen Anforderungs- und Lastenprofils für dieses Gebäude entsprechend der umfassenden Nutzung. Bei der Bewertung der Jahres-Energieverbräuche wurde sehr schnell ersichtlich, dass es sich im Grunde um zwei wesentliche Bedarfskonstanten handelte: Wärme für Warmwasser und Strom für elektrische Verbraucher, Beleuchtung, Gebäudeautomation und nicht zuletzt für den Kühlbedarf der Gastronomie.
Der bisherige Energiebedarf an Strom betrug real 52755 kWh und an Erdgas 198478 kWh.
Energiebedarfsermittlung
Der Bedarf entstand zum einen in der Küche und des Restaurantbetriebs sowie in der Vermietung von zwölf Gästezimmern des Hotels inkl. Frühstücksbuffet. Entsprechend dem Anforderungsprofil galt es insbesondere für die Bereitstellung von Warmwasser, neben der stetigen Grundlastabsicherung besonders auch notwendige temporäre Spitzenlasten sicherzustellen.
Das Nutzungsprofil ergab einen verhältnismäßig konstanten Bedarf mit Spitzenlasten am Morgen und am Abend. Besonders dem Spitzenbedarf in der Bereitstellung von Warm-Trinkwasser in den Morgen- und Abendstunden – wo es zuweilen Engpässe gegeben hatte – galt es zu entsprechen.
Der ermittelte Trink-Warmwasserbedarf wurde mit insgesamt 800 l ermittelt. Die Spitzenlast wurde in den Morgenstunden von 5.00 bis 8.00 Uhr – und in den Abendstunden von 17.00 bis 24.00 Uhr, ermittelt. Relevant für die Auslegung waren stets der Volllastbetrieb, also die vollständige Ausbuchung des Hotels sowie Erfahrungswerte aus dem Hotel- und Restaurantbetrieb der vergangenen Jahre.
Unabhängig von Stromkostenoptimierung durch den Einsatz energieeffizienter Geräte und Apparate war der Verbrauch (mindestens 50000 kWh) doch groß und vor allem konstant genug, um mit einer Kraft-Wärme-Kopplung ein wirtschaftliches Konzept vorzustellen, das überzeugen konnte und zur Realisierung in Auftrag gegeben wurde.
Ade Warmwasserbevorratung und atmosphärischer Kessel
Hinsichtlich der Art der Trinkwassererwärmung sollte auf Empfehlung des Planers von der Bevorratung im Warmwasserspeicher Abstand genommen und ein Maximum an Trinkwasserhygiene angestrebt werden. Unabhängig der Stagnationsvermeidung – die in Bestandsgebäuden immer ein Restrisiko birgt, da die Leitungswege nicht immer vollständig bekannt sind – wurde eine hygienische Frischwassertechnik mit Warmwasser-(Zwangs)-Zirkulation, die eine stetige Zirkulationstemperatur von 55°C ermöglicht, vorgeschlagen und realisiert.
Sämtliche Rohrleitungen und Komponenten der Heizungsanlage sowie der atmosphärische Gaskessel wurden demontiert.
Der bestehende Gaskessel besaß eine Norm-Wärmeleistung von 130 kW und war – wie so oft in Bestandsanlagen – überdimensioniert. Der Heizwärmebedarf für die Raumheizung wurde mit 58 kW im Auslegungsfall (-16°C) neu berechnet. Diesbezüglich schlugen auch ausgetauschte Fensterflächen mit einem wesentlich höheren Wärmedämmstandard zu Buche. Sämtliche Thermostatventile wurden an den insgesamt 69 Heizkörpern vollständig erneuert, da der Großteil der bestehenden Ventile keinerlei Möglichkeiten zur Feineinstellung des Massenvolumenstroms aufwies. Im Rahmen der vollständigen Spülung der Heizungsversorgungsleitung wurden alle Ventile mit demselben Fabrikat ausgetauscht, um einen vollständigen hydraulischen Abgleich (auch wartungssicher) realisieren zu können.
Die Systemtemperaturen der Heizkreise wurden nach einer Überprüfung sämtlicher Heizkörperleistungen und Austausch einiger weniger Heizkörper von 90°C/70°C auf 70°C/55°C reduziert. Mit dieser Maßnahme konnte der Energieaufwand nachhaltig reduziert werden. Aufgrund der bestehenden Guss-Heizkörper und zum Schutz von Komponenten, wurden in der Heizkreiszentrale Schlammabscheider in den Rücklauf der Hautverteilung installiert, um etwaige Schlammablagerungen, die durch den inneren Abrieb der Gussflächen entstehen können, zu vermeiden.
Anstelle auf Warmwasserbevorratung wurde auf Frischwassererwärmung im Durchflussprinzip gesetzt.
BHKW und Brennwerttechnik
Die zu installierende Gesamtwärmeleistung wurde mit insgesamt 77,5 kW festgelegt und wie folgt aufgeteilt: Thermische Leistung BHKW 12,5 kW und thermische Leistung Brennwertgerät 65 kW. Das installierte BHKW funktioniert nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung: Ein speziell entwickelter Gas-Verbrennungsmotor treibt einen Generator zur Stromerzeugung an. Dieser wandelt die mechanische Energie des Motors in elektrische Energie um. Die dabei entstehende Abwärme wird über einen Plattenwärmetauscher ausgekoppelt und zur Heizung und Warmwasserbereitung verwendet. Die optimierte Nutzung der Abgaswärme trägt hierbei zur hohen Effizienz des BHKWs bei. Auf diese Weise wird die eingesetzte Energie doppelt genutzt und so ein wesentlich höherer Wirkungsgrad als in modernen Großkraftwerken erzielt.
Das BHKW mit variabler Motordrehzahl und einem Gesamtwirkungsgrad von etwa 90 %, wurde mit einer elektrischen Leistung von 1,3 – 4,7 kW und einer entsprechenden thermischen Leistung von 4,0 – 12,5 kW modulierend und eine Gas-Brennwerttherme mit 65 kW als Spitzenlast-Kessel installiert. Mit dieser Leistung konnten kurze Nachladezeiten realisiert werden. Der bisherigen Energieträger war Erdgas und somit ein Versorgungsanschluss vorhanden. Durch die Wärmegewinnung aus dem Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors reduziert sich die Abgastemperatur auf < 90°C. Sowohl für das Brennwertgerät als auch für das BHKW wurden die Abgassysteme saniert bzw. erneuert. Beide Abgassysteme wurden mit einem Kondensat-Ablauf über einen Geruchsverschluss (Siphon) am Abwasser angeschlossen.
Warmwasser-Zirkulationspumpe (rechts) und Gegenstrom-Pumpe der Frischwassererwärmung im Multienergiespeicher (links).
Bereitstellungstechnik mit Pufferspeicher-Kaskade
Im Zentrum der neunen Zentralheizungsanlage steht eine Puffer-Speicher-Kaskade mit einem Heizungswasservolumen von insgesamt 2000 l. Aufgrund der zur Verfügung stehenden Raumhöhe wurde dieses Volumen auf zwei Pufferspeicher aufgeteilt. Dabei wurde auch die Trinkwassererwärmung berücksichtigt und neben einem herkömmlichen Pufferspeicher mit 1000 l Inhalt ein Multienergiespeicher mit gleichfalls 1000 l und integrierter Frischwassererwärmung im Durchflussprinzip aufgestellt. Beide Speicher sind parallel miteinander verbunden und werden sowohl parallel be- als auch entladen.
Die thermische Energie beider Energiequellen konnte so in die Speicher-Kaskade eingebracht werden, dass für die nachrangige Nutzung (Warmwasser, Heizung) die größtmögliche Effizienz zu erreichen ist. Einsatzbezogen wurde der Multienergiespeicher mit der entsprechenden Anzahl von Anschlüssen versehen, die die optimale Zuführung beider Wärmequellen ermöglichen. Diese Anschlüsse sind ihrer Funktion entsprechend mit Schichtleitblechen versehen. Während des Beladens im oberen Speicherbereich erzeugen diese eine schichtenweise Zirkulation. Somit werden Verwirbelungen und somit Durchmischungen unterbunden. Durch die Anschlüsse der jeweiligen Schichtzonen wird das notwendige Bereitschaftsvolumen für die Frischwassererwärmung gewährleistet. Aufgrund des spezifischen Anforderungsprofils besaß hier absolute Komfortsicherheit Vorrang. Neben dem Wärmekomfort an Warmwasser galt es ja auch den hygienischen Anforderungen Rechnung zu tragen. Die Pufferspeicher versorgen vier gemischte Heizkreise mit einer Auslegungstemperatur von 70°C / 55°C.
Nur über das BHKW erfolgt eine vollständige Grundlast-Beladung der Kaskade, um entsprechend hohe Betriebsstunden für das BHKW zu ermöglichen. Zur Spitzenlastabdeckung belädt die Gas-Brennwerttherme bei Bedarf nur das Bereitschaftsvolumen der Puffer-Kaskade, um die Stromerzeugung nicht zu reduzieren. Demnach fungiert der Puffer für das Brennwertgerät mehr als hydraulische Weiche denn als Wärmespeicher. Der Grundlastanteil hingegen verlangt das größere Puffervolumen. Demzufolge wurde das Heizungswasservolumen der Pufferspeicher nach den erforderlichen Betriebsstunden des BHKWs in Abhängigkeit seiner Leistung dimensioniert. Grundlage für die Funktionsweise, nicht nur der Be- und Entladestrategie, ist die punktgenaue Positionierung sämtlicher Sensoren. Das Heizungswasser wurde gemäß VDI-Richtlinien aufbereitet und eine Nachfülleinrichtung mit Systemtrennung installiert.
Die Heizkreisverteilung wurde vollständig neu aufgebaut und mit Luftblasen- sowie Schlammabscheider ausgestattet.
Frischwassererwärmung mit Multienergie-Pufferspeicher
Der Multienergiespeicher beinhaltet ein Edelstahl-Wellrohr zur Frischwassererwärmung im Durchflussprinzip. Die Frischwassererwärmung findet hocheffizient im Gegenstromprinzip über ein wasserseitig getrenntes Doppelrohrsystem statt, das über eine unmittelbar außerhalb am Multienergiespeicher installierte Umwälzpumpe bei Warmwasserentnahme betrieben wird. Die Schüttleistung wurde objektspezifisch auf 40 l pro Minute mit 65°C werkseitig ermöglicht. Dieses System erfüllt alle gesetzlichen Anforderungen der Trinkwasserhygiene sowie der DVGW-Arbeitsblätter 551 und 552. Eine thermostatische Zirkulationsregelung gewährleistet die gebotene Trinkwasserhygiene, vermeidet Stagnation in den Rohrleitungen und einen Temperaturabfall unter 55°C.
Erneuerung der Haustechnikzentrale – aus einer Hand
Die beauftrage Haustechnikfirma übernahm die komplette Neugestaltung des Haustechnikraumes, der vollständig geräumt wurde und konnte mit diesem großen Plus an Service und Kompetenz einmal mehr punkten. Es zeigt aber auch, dass moderne Technik sich nicht verstecken muss und die Zeiten von Ruß und Gestank längst vorbei sind. An den Wänden wurde, nach der umfassenden Demontage sämtlicher Komponenten und Anlagenteile, der Putz ausgebessert, der Boden neu gefliest. Sämtliche Anschluss-Leitungen wurden vollständig entleert, getrennt und gespült. Die Heizkreise wurden komplett neu aufgebaut und allesamt mit energieeffizienten Umwälz-Pumpen ausgestattet sowie ein hydraulischer Abgleich auch in der Verteilung der Bereitstellungstechnik vorgenommen. Auf ausreichende Zugänglichkeit für Inspektions- und Wartungsarbeiten wurde geachtet.
Sehr oft wird die Elektro-Installation in Bestandsgebäuden sträflich vernachlässigt, was sich nicht selten auf die Betriebssicherheit von Heizungsanlagen auswirkt. So nicht in diesem Fall: Durch die Bündelung sämtlicher haus- und bautechnischer Kompetenzen einer ausführenden Firma als Vertragspartner wurde auch die Elektroinstallation im Haustechnikraum inkl. der Unterverteilung, Absicherung, Schaltautomaten usw. vollständig erneuert sowie sämtliche Komponenten der Steuerungs- und Regelungstechnik fachkompetent verklemmt, verdrahtet und Sensoren punktgenau positioniert. Nur so konnte ein reibungsloser Ablauf dieser doch sehr umfassenden Erneuerungsmaßnahme während des Betriebs realisiert und maximale Funktionssicherheit des Gesamtsystems gewährleistet werden. Ausbesserungen der gemauerten Schornsteine wurden ebenso reibungslos erledigt, wie die Verputzer-, Maler- und Fliesenlegearbeiten. Der Zeitplan wurde planungskonform umgesetzt und die gesamte Heizungsanlage im September 2009 während des Betriebs erneuert. Die Inbetriebnahme und Betreibereinweisung erfolgte am 5. Oktober 2009.
Brennwertgerät zur Spitzenlastabdeckung und gemeinsame Abgasführung mit dem BHKW. Links ist die externe Verbrennungsluftzuführung des BHKWs zu sehen.
Bilanz nach dem ersten Betriebsjahr
Die Bilanz nach dem ersten Betriebsjahr zeigt eine sehr gute (stetige) Laufzeit des BHKWs und somit eine konstante (stetige) Stromproduktion, da eine thermische Grundlast für die Trinkwassererwärmung ebenso dauernd anstand wie die Lasten für elektrische Energie. Nur ein sehr geringer Teil elektrischer Energie konnte nicht selbst verbraucht werden und wurde daher in das Netz eingespeist.
Dass in der Summe des aktuellen Verbrauchs etwas mehr Gas verbraucht wurde, ist darauf zurückzuführen, dass nun eine hygienische Trinkwasserversorgung stattfindet, die entsprechenden Energiebedarf verlangt. Dennoch konnte der Verbrauch an elektrischer Energie nachgerade halbiert werden. Unabhängig von Förder-Boni und Zuschüssen entsprechend dem EEG und KWK-Gesetz lässt sich schon hier eine Wirtschaftlichkeit der Anlage belegen. Bemerkenswert ist der Grundlastanteil des BHKWs in der Wärmeerzeugung mit einer mittleren Heizleistung von 10,2 kW.
Allein die Strommenge, die das BHKW im ersten Betriebsjahr produziert hat, entspricht nach aktuellem Stromkostentarif des Betreibers einem Wert von etwa 5750,– Euro. Dem standen Gas-Bezugskosten für das BHKW von etwa 6500,– Euro gegenüber. Diese Brennstoffmenge sorgte aber ebenfalls für den thermischen Grundlastanteil von erzeugten 89421 kWh Wärme. Dieser Anteil musste somit nicht vom Brennwertgerät abgedeckt werden und entspricht einer Gasbezugskostenersparnis von etwa 4500,– Euro auf der Guthabenseite.
Demzufolge lies sich sagen, dass die Stromerzeugung etwa 2000,– Euro an Brennstoffkosten verursacht. Dies würde Stromerstehungskosten von 0,07 Euro pro kWh (zuzüglich Instandhaltungskosten) bedeuten.
Die Vergütungssätze betrugen in diesem Jahr für die selbstverbrauchte Kilowattstunde 0,0511 Euro und ergaben demnach 1470,25 Euro zuzüglich Rückvergütung der Energiesteuer von 5,50 Euro je MWh für den Gasverbrauch des BHKWs von insgesamt 764,50 Euro. Dies ergibt in Summe einen Re-Invest für den selbsterzeugten und selbstgenutzten Strom von 2234,75 Euro.
Für den überschüssigen Strom wurde pro in das Netz eingespeiste Kilowattstunde eine Vergütung von etwa 0,11 Euro erwirtschaftet. Dieser variable Vergütungssatz setzt sich wie folgt zusammen: KWK-Vergütung von 0,0511 Euro, Vergütung von 0,022 – 0,15 Euro für die vermiedene Netznutzung und dem jeweils tagesaktuellen Strompreis (Strombörse) von etwa 0,0415 Euro. Daraus resultiert ein Vergütungsbetrag von etwa 0,11 Euro und bedeutet auch hier ein Guthaben von etwa 360,– Euro.
Elektro-Unterverteilung mit sämtlichen Schalt- und Sicherungsautomaten für den Haustechnikraum und allen haustechnischen Anschlüssen.
Blickwinkel erweitern
Dieses Beispiel aus der Praxis zeigt, dass bei entsprechenden Voraussetzungen allein durch anlagentechnische Maßnahmen Energie eingespart und somit die Energieeffizienz eines Gebäudes nachhaltig gesteigert werden kann. Wichtig ist es, den Blickwinkel bezüglich des Energiebedarfs umfassend zu erweitern, um festzustellen, dass die Hauptkomponenten des Gesamtenergiebedarfs nicht nur Energie für Wärme, sondern auch für Automation, Beleuchtung und sehr oft auch für Kühlung einfordern. Je konstanter und in der Verhältnismäßigkeit des Bedarfs ausgewogener die Anforderungen sich objektspezifisch darstellen, desto mehr kann eine Kraft-Wärme-Kopplung in solchen Anforderungsszenarien einen großen Anteil an Energieeffizienz in Gebäuden ermöglichen.
Autor: Frank Hartmann
Bilder: Forum Wohnenergie