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Hydraulische Einbindung von BHKWs

Insbesondere im Baubestand sind viele Parameter zu berücksichtigen, damit die Aggregate wirtschaftlich und störungsfrei arbeiten

Reihen- und Parallelschaltung.

Beispiel Heizwassertemperatur im Hauptrücklauf Wohnanlage.

Umbau einer Umlenkschaltung.

Klassischer Einzelfall hydraulischer Bypass.

Ausführung Heizwasser-Pufferspeicher.

Reihenschaltung BHKW in der Praxis.

Parallelschaltung in der Praxis.

Einbindung Gemischkühlung Stufe 2.

 

BHKW-Anlagen auf Basis von Verbrennungsmotoren haben sich in den letzten Jahrzehnten etabliert und Einzug in viele Heizzentralen gefunden – auch und insbesondere im Baubestand. Hintergründe hierfür sind ihre Energieeffizienz und die damit verbundene Wirtschaftlichkeit sowie Anreize aus dem Ordnungsrecht. BHKW-Anlagen gelten als Ersatzmaßnahme für das Erfüllen des Erneuerbare-Wärme-Gesetzes und können bzgl. EnEV mit eingerechnet werden. Der wirtschaftliche Erfolg eines BHKW-Projektes steht und fällt mit der richtigen hydraulischen Einbindung. Sie ist deshalb eine Kernaufgabe bei der Planung.

Für die Planung von BHKW-Anlagen gilt der Grundsatz: „keep it simple“. Eine klare und sauber definierte Einbindung ohne aufwendige Regelungstechnik ist immer vorzuziehen. Komplizierte Lösungen mit komplexer Regelung bedürfen einer aufwendigen Betreuung durch das Betriebspersonal sowie einer laufenden Prozessoptimierung. Die möglicherweise marginale Steigerung der Anlageneffizienz steht nicht in Relation zum Aufwand.

Einbindung im Baubestand: Wie vorgehen?
Zu Beginn eines Projektes muss zunächst der Betrieb der Heizkesselanlage analysiert und ausgewertet werden. Zu klären sind dabei u. a. Einsatztemperaturen, mögliche Teillastbetriebe, auftretende Abnahmeleistungen und Volumenströme der Heizkesselanlage. In diesem Zusammenhang empfiehlt sich ein Gespräch mit dem Betriebspersonal bzw. dem zuständigen Haustechniker, um die vorstehenden Fragen zu klären.
Außerdem müssen die gewünschten Vorlauftemperaturen und die maximalen Rücklauftemperaturen – Stichwort Brennwertnutzung bei Heizkesseln und BHKW – definiert werden. Mithilfe der gewonnenen Parameter kann eine Entscheidung getroffen werden, ob eine Reihenschaltung oder eine Parallelschaltung gewählt wird. Dazu später mehr.
Da zur heizwasserseitigen Einbindung der BHKW-Anlage nicht immer eine Unterbrechung der Wärmeversorgung möglich ist, ergeben sich zusätzliche Anforderungen, welche sich auf die hydraulische Einbindung auswirken können. Das betrifft insbesondere die Festlegung der Einbindepunkte. In der Regel empfiehlt sich der Einbau des BHKWs bei Reihenschaltung in den Gesamt-Rücklauf. Bei der Pa­rallelschaltung empfiehlt sich die Einbindung am Hauptverteiler oder direkt in die Gesamt-/Hauptleitungen. Die Erfahrung hat aber auch gezeigt, dass jede Heizzentrale individuell aufgebaut ist und sein eigenes Betriebsverhalten aufweist. Daher ist eine sorgfältige Planung besonders wichtig.

Optimierung des Wärmenetzes
Eine Stolperfalle bei der Planung von BHKW-Anlagen sind zu hohe Heizwasser-Rücklauftemperaturen. Nicht selten werden im Anlagenbestand unzulässig hohe Temperauren von über 75 °C vorgefunden. Sind die Rücklauftemperaturen zu hoch, kann das Schmieröl des BHKWs nicht mehr ausreichend gekühlt werden und es findet eine Zwangsabschaltung des Aggregates statt. Die Anlage muss dann in der Regel manuell entstört werden.
BHKW-Anlagen mit derartigen Betriebs­problemen weisen viele Störabschaltungen in Verbindung mit zu geringen Laufzeiten auf. Die Lösung des Problems stellt eine Optimierung des Wärmenetzes dar. Hierbei sind die hydraulischen Verbraucherschaltungen zu untersuchen und entsprechend anzupassen. Häufig können durch einfache Maßnahmen wie Schließen von Überströmungen oder Umbau von Umlenkschaltungen sehr gute Erfolge erzielt werden.
Wichtig bei der Optimierung des Wärmenetzes ist aber, dass sämtliche Heizkreise sorgfältig betrachtet und ggfs. angepasst werden. Denn eine einzelne Überströmung kann schon zu sehr hohen Temperaturen führen. Nach Optimierung werden nicht nur Pumpenstromverbrauch und Wärmeverluste eingespart, sondern auch die Betriebsverhältnisse verbessert. Weitere Vorteile ergeben sich durch die Erhöhung der Speicherkapazität von Heizwasser-Pufferspeichern und die Nutzung von Brennwert-Technik sowie der Einsatzmöglichkeit von weiteren rationellen Ener­gietechniken. Im Pufferbehälter kann mehr Wärme gespeichert werden, da sich die Temperaturspreizung zwischen Wärmenetz-Rücklauf und BHKW-Vorlauf erhöht.

Nicht zu empfehlen: Hydraulische Weiche
Hydraulische Weichen werden klassischerweise dazu eingesetzt, um zwei hydraulische Kreise voneinander zu entkoppeln. In der Regel sind dies der Erzeugerkreis und der Verbraucherkreis. Dies ist eine bewährte Technik bei Niedertemperatur-Heizkesseln mit Kesselkreispumpen. Aufgrund der möglichen Überströmung vom Vorlauf in den Rücklauf wird die Einbindung mit einer hydraulischen Weiche jedoch bei Brennwertkesseln und bei BHKW-Anlagen nicht empfohlen. Die hydraulische Entkopplung zwischen den Netzpumpen und den Erzeugerpumpen sollte hier über einen Heizwasser-Pufferspeicher realisiert werden. Fließt im Verbraucherkreis eine größere Heizwassermenge als im Erzeugerkreis, so entlädt sich der Pufferspeicher und es werden zusätzliche Wärmeerzeuger angefordert. Ist die Fördermenge im Erzeugerkreis größer, so wird der Pufferspeicher beladen und es werden Wärmeerzeuger abgeschaltet. Dem Pufferspeicher kommt damit neben seiner Hauptaufgabe, der Verringerung des Taktens (Ein-/Ausschalten) der BHKWs
in Schwachlastzeiten, eine regelungstechnische Funktion zu. Eine sinnvolle Dimensionierung des Heizwasser-Speichers liegt bei einer Mindestlaufzeit eines BHKW-Aggregates von einer Stunde. Beispiel: BHKW 90 kW Heizleistung, Netzrücklauftemperatur 60 °C, BHKW-Vorlauftemperatur 85 °C, Mindestlast Sommer = 0 kW.
Volumenstrom durch BHKW-Strang V = 90 kW : ((1,163 x (85° – 60 °C)) = 3,1 m³/h.
Dimensionierung Pufferspeicher: 3,1 m³ + ca. 10 % = 3,5 m³
Erfahrungen zeigen, dass ein ausreichend dimensionierter Pufferspeicher ebenso wichtig für den erfolgreichen Betrieb eines BHKW-Projektes ist, wie die Gesamthydraulik an sich. Gerade große Motoren von über 500 kW Leistung, welche einige Minuten zum Anfahren benötigen und durch die Motorblockgröße entsprechend große Wärmeausdehnungen aufweisen, sollten möglichst selten ein- und ausgeschaltet werden. Hilfreich hierfür ist ein großzügig dimensioniertes Pufferspeichervolumen. Um eine saubere Temperaturschichtung im Pufferspeicher zu realisieren, sind außerdem strömungsberuhigte Zulaufstrecken sowie Lochbleche im Behälter oben und unten vorzusehen.

Parallel- oder Reihenschaltung?
Ob zwischen BHKW(s) und Heizkessel(n) eine Reihen- oder eine Parallelschaltung gewählt wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die folgenden Punkte sollen bei der Auswahl der richtigen Variante Hilfestellung leisten:

Vorteile der Reihenschaltung

  • Einfache Hydraulik
  • Einfache Regelungstechnik (in der Regel kann die Kesselsteuerung unverändert bleiben).

Zu beachten ist hierbei:

  • Die Heizkessel müssen durch die Rücklaufvorwärmung eine kleinere Temperaturspreizung überwinden, was ggfs. zu einer Vergrößerung der Kesselkreispumpen führen kann (Erhöhung Volumenstrom). Im Extremfall könnte sonst ein Heizkessel nicht seine volle Heizleistung ins Wärmenetz abgeben, bevor ein zweiter Heizkessel zuschaltet.
  • Separate Brennwert-Wärmetauscher sind in den Hauptrücklauf einzubinden (ggfs. mit separaten Pumpen).
  • Bei Einbindung in den Hauptrücklauf ist eine Abschaltung der Gesamtanlage erforderlich. Bei Einbindung des Pufferspeichers über zwei T-Stücke kann die Unterbrechung kurz gehalten werden, der Speicher im Winter außer Betrieb genommen (Einsparung von Wärmeverlusten) und die Einbindeleitungen klein dimensioniert werden.

Vorteile Parallelschaltung

  • Flexible Erweiterbarkeit von Erzeugern.
  • Pufferspeicher können im Winter für den Heizkessel genutzt werden.


Zu beachten ist hierbei:

  • Es wird eine übergeordnete Steuerung benötigt, um die Wärmeerzeuger anzufordern und die gewünschte Soll-Vorlauftemperatur zu erzeugen.
  • Wenn möglich, Heizkessel mit variabler Heizwassermenge vorsehen.
  • Pufferspeicher ausreichend groß dimensionieren, damit neben dem BHKW auch die Heizkessel Mindestlaufzeiten erzielen können.

Regelungstechnik: von Standard- bis Sonderlösungen
Bei Anwendung einer Reihenschaltung kann meist eine recht einfache Regelungstechnik gewählt werden. Die Heizkessel-Steuerung (Kesselfolge) entspricht dabei einer üblichen Standardlösung. Das BHKW wird je nach Ladezustand des Pufferspeichers an- oder abgefordert. Die meis­ten BHKW-Hersteller haben solche Steuerungen in Verbindung mit Pufferspeichern standardmäßig im Programm.
Bei Anwendung einer Parallelschaltung empfiehlt sich der Einsatz einer übergeordneten Steuerung. Große Heizzentralen werden mit frei programmierbaren Steuerungen (SPS) ausgestattet. Für kleine Heizzentralen gibt es mittlerweile kostengünstige Standard-Regelungen mit vorkonfigurierten Software-Bausteinen, welche gerade in Verbindung mit Brennwertkesseln eine gute Lösung darstellen.
Aufgrund der Verschiedenheit jeder Heizungsanlage gibt es auch eine Vielzahl an technischen Lösungen und Varianten. Bei kleinen BHKW-Anlagen unter 150 kW haben verschiedene BHKW-Hersteller gut funktionierende Lösungen ausgearbeitet, welche standardisiert angeboten werden. Zu nennen sind hier zum Beispiel Varianten mit gleitender Vorlauftemperaturregelung und Speicherentladepumpen. Bei größeren BHKW-Anlagen über 200 kW ergeben sich aufgrund des Einsatzes von Turbolader-Motoren zusätzliche Varianten der hydraulischen Einbindung. Hierbei wird das im Turbolader komprimierte und dadurch erhitzte Brennstoff-Luft-Gemisch über einen Gemischkühler entwärmt. Der Hochtemperatur-Anteil des Gemischkühlers wird üblicherweise in die Heizung eingespeist, der Niedertemperatur-Anteil mit ca. 40 °C kann sinnvoll in Vorwärmstufen oder Niedertemperatur-Anwendungen (z. B. Fußbodenheizung) genutzt werden.

Kontrolle bei der Ausführung
Die Bauausführung insbesondere in Bezug auf die geplante Anlagenhydraulik ist von der Bauleitung sorgfältig zu überwachen. Folgende Fehler zeigen sich immer wieder:

  • Vertauschen von Vorlauf- und Rücklaufleitungen.
  • Falscher Anschluss von Wärmetauschern (Gleichstrom statt Gegenstrom).
  • Falscher Einbau von 3-Wege-Ventilen (Beimisch- bzw. Verteilfunktion).
  • Falsche Reihenfolge von Leitungsabgängen.

Zusammenfassung
Die richtige hydraulische Einbindung einer BHKW-Anlage ist die Grundvoraussetzung für einen erfolgreichen und wirtschaftlichen Anlagenbetrieb. Es wird empfohlen, den Betrieb der Heizkesselanlage im Vorfeld zu analysieren und ausreichend zu erfassen. Eine eventuell erforderliche Wärmenetzoptimierung ist meist eigenwirtschaftlich realisierbar und verbessert zudem den Betrieb und die Wirtschaftlichkeit der Wärmeerzeuger. Zielführend ist es, die Anlagenhydraulik möglichst einfach zu halten und großzügig dimensionierte Pufferspeicher einzusetzen. Werden die Grundregeln befolgt, kann ein vollautomatischer BHKW-Betrieb mit geringer Störanfälligkeit erzielt werden.

Autor: Dipl.-Ing. Frank Peetz, Midiplan GmbH & Co. KG

Bilder: Midiplan

www.midiplan.de

 


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