Reduzierter Energieverbrauch - Erhebliche Energieeinsparung durch effiziente Dampf-Kondensat-Systeme

Der Fortschritt bei der Reduzierung des Wärmebedarfs lässt hierzulande sehr zu wünschen übrig, obwohl das Energiekonzept der Bundesregierung bis 2020 eine Einsparung beim Wärmebedarf um 20% vorsieht. Das ist eine riesige Menge, wenn man bedenkt, dass wir in Deutschland allein 40% der Endenergie für Heizung, Lüftung und Kühlung verbrauchen [1]. Die Weiterentwicklung der EE in Verbindung mit dem Ausbau der Netzkapazitäten bis zu einer kompletten Deckung des Bedarfs wird noch lange dauern. In dieser Situation  ist ein absolut naheliegender Schritt eine größere Anstrengung in der Energieeinsparung. Die brachliegenden Kapazitäten, gerade auf dem Wärmesektor, sind gewaltig. Ein Beispiel ist die riesige Energieverschwendung durch das ungenutzte Entweichen von Dampf in die Umgebung. Das zu verhindern und den Dampf stattdessen zu nutzen, stellt bei zahlreichen industriellen Prozessen und auch im Wohnbereich, vor allem bei Fernheizungen, eine enorme Energieeinsparmöglichkeit dar.  

Hohe Energieverschwendung
Seit 1896 ist die Firma W. Bälz & Sohn Dampfspezialist mit weltweit Tausenden von Anlagen. An Dampfnetzen in Fernwärme und Industrie tragen Bälz Dampf-Wasser-Wärmeübergabestationen dazu bei, Ener­gie einzusparen und sind seit Langem zuverlässig in Betrieb.
In vielen alten Anlagen von Industriegebäuden, Krankenhäusern, Wohnanlagen, Schulen, Bundesgebäuden usw. findet man liegende Dampf-Wasser-Wärmeübergabestationen mit primärseitig angeschlossenen offenen Kondensatbehältern. Ihre Temperaturregelung der sekundärseitigen Vorlauftemperatur erfolgt über ein dampfseitiges Regelventil auf der Primärseite. Das hochtemperierte Kondensat aus dem liegenden Wärmeaustauscher fließt in einen offenen Kondensatsammelbehälter (Bild 1 links). Durch die Entspannung des Kondensats dort entstehen Ausdampfverluste, d.h. der sogenannte Brüdendampf geht oftmals ungenutzt über Abdampfleitungen ins Freie. Außerdem führen Wasserschläge auf der Dampfseite durch fehlende Entwässerungen zu materialzerstörenden Dampf-Wasserschlägen. Heftige Geräusche und starker Material-Verschleiß sind die Folge. Bei der Kondensation in offenen Kondensatbehältern wird gleichzeitig der Druck schlagartig reduziert, also vernichtet, um ihn später mit elektrischen Pumpen wieder aufzubauen. Die Kondensatrückführung benötigt deshalb eine Umwälzpumpe, es ist demnach zusätzliche Energie nötig. Die entstehenden Ausdampfungen ergeben je nach Betriebsdruck des Dampfes Wärmeverluste von bis zu 20%, die genutzt werden könnten. Es handelt sich hier häufig um liegende U-Rohr-Apparate mit großem Platzbedarf.
Die Betreiber solcher Anlagen verlieren aber nicht nur riesige Mengen teurer Energie, sondern der fortwährende Zutritt von Luftsauerstoff im offenen System führt zu Korrosion in den Stahl-Kondensatleitungen, sodass erhebliche Korrosionsschäden entstehen. Deshalb müssen die Leitungsnetze immer wieder erneuert werden, mit entsprechend hohen Kosten.  

Energiesparendes System
Die moderne, energiesparende Wärmeübergabestation ist ein geschlossenes Dampf-Kondensatsystem, ohne Kondensatbehälter (Bild 1 rechts). Die  Wärmebertragung geschieht in stehenden Wärmeaustauschern,  deren  Mantel aus Stahl besteht. In ihrem Inneren verlaufen gewendelte Rohre aus leitfähigem Kupfer, aus Stahl oder aus Edelstahl (Bilder 2 und 3). Stehende Wärmeaustauscher sorgen für eine größtmögliche Wärmeübertragung bei vergleichsweise geringem Platzbedarf.
Je nach Bedarf des Betreibers ist eine individuelle, modulare Bauweise der Anlage mit einer Leistung von 50 bis 50000 kW und kondensatseitiger, witterungsabhängiger oder konstanter Regelung möglich und steht auch als fertige Kompaktstation zur Verfügung, um die Komponenten optimal auf die Systemlösung abzustimmen. Die Regelung der sekundärseitigen Vorlauftemperatur erfolgt über ein kondensatseitiges Regelventil. Damit wird im Wärmeübertrager das Kondensat mehr oder weniger angestaut, abhängig vom Lastverhalten, und so maximal gekühlt. Bei Maximallast steht das Kondensatniveau im letzten Drittel des Wärmeaustauschers, die oberen zwei Drittel sind mit Dampf gefüllt, während bei Minimallast die Heizfläche fast vollkommen überflutet ist (Bild 4). Die Anstauzeiten bei stehenden Wärmeübertragern, in denen Dampf/Kondensat durch die Rohre strömt, sind sehr kurz, beispielsweise kleiner als 30 Sekunden bei Leistungen im MW-Bereich. Damit gelingt es, lastabhängige sekundärseitige Temperaturschwankungen schnell auszuregeln. Bei größeren Leistungen werden mehrere Wärmeübertrager parallel gefahren und mehrere parallel geschaltete Kondensatregelventile mit unterschiedlichen Kvs-Werten eingesetzt, um ein stabiles Regelverhalten über den gesamten Lastbereich zu erzielen.
Beim stehenden Wärmeaustauscher ist eine kleinere Dampfmenge nötig, um dem Verbraucher die geforderte Wärmeleistung zuzuführen, da im Gegensatz zu liegenden Wärmeaustauschern zusätzlich zur reinen Dampfenergie auch noch die Kondensatauskühlung verwendet wird, um Wärme zu gewinnen. Das Kondensat kühlt unter Wärmeabgabe an das sekundärseitige Wasser auf eine Temperatur ab, die ca. 5°C höher ist, als die sekundärseitige Rücklauftemperatur.
Der Dampfdruck steht unabhängig von der Last immer voll zur Verfügung und dient zur Kondensatrückbeförderung in die Heizzentrale – ohne Druckerhöhungspumpe.
Der stehende Wärmeübertrager führt der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zufolge im Beispiel bei einer um 78,05 kg/h geringeren Dampfmenge und bei einem Dampfpreis von 45,00 Euro/t zu einer jährlichen Dampf- Kostenersparnis von rund 21000 Euro bei einer Laufzeit von 6000 h/Jahr. Die mit Regelung und Steuerung etwas höheren Investitionskosten von 4500 Euro hätten sich demnach bereits innerhalb weniger Monate amortisiert. Dazu kommt der Gewinn an Wärme, geringere Wartungs- und Instandhaltungskosten und Energieeinsparung durch Entfall von Umwälzpumpen.

Funktionsweise
Das Beispiel einer Anlage in Heilbronn demonstriert die Funktion der Dampf-Kondensat-Wärmeübergabestation (Bild 5). Es handelt sich hier um ein aktuelles Beispiel einer Heizungsanlage mit einem Ferndampfanschluss vom örtlichen Energieversorger (EnBW). Industrielle Anlagen z.B. in der Pharma- Lebensmittel-, Chemie-, Papier- oder Brauerei -Industrie arbeiten ebenso. Der Dampf kommt hier oftmals aus industriellen Prozessen, und die übertragene Wärme fließt entweder in Gebäude-Heizung, Lüftung sowie Trinkwassererwärmung oder in andere Wärmeträger.
Diese Dampf-Kondensat-Wärmeübergabestation ist ein geschlossenes System. Im  stehenden Wärmeaustauscher strömt der Heizdampf in den Apparat und kondensiert in den Rohren. Im unteren Bereich der Heizfläche kühlt das Kondensat aus, vorausgesetzt, das umgebende sekundärseitige Medium, das im Gegenstrom an den Rohren vorbeifließt,  hat eine entsprechend niedrige Temperatur. Die Kondensatanstauregelung mit Kondensattemperaturbegrenzung bewirkt die schnelle Reaktion auf die Sekundärtemperatur. Bei einer Leistung von 400 kW (im Beispiel) regeln lastabhängige sekundärseitige Temperaturschwankungen kurze Anstauzeiten von ca. 15 Sekunden sehr schnell aus. Eine zusätzliche Rücklaufauskühlung kommt über einen kleinen Plattentauscher zustande, wobei sich das Kaltwasser für die Trinkwasserversorgung vorerwärmt.  Die Rücklauftemperatur kann dadurch auf weniger als 30°C gesenkt werden, was auch bei den Fernheizwerken erwünscht ist. Das Kondensat wird unter Ausnützung des Dampfdrucks, ohne zusätzliche Umwälzpumpe, energiesparend zurückgeführt.
Eine Dampfdruckbegrenzung, die bei Dampfdruck über Wasserdruck zur Gewährleistung der Betriebssicherheit erforderlich ist, garantieren automatische Schnellschluss- und Druckbegrenzungsarmaturen. Gleichzeitig sorgen diese für konstanten Druck, auch wenn im Netz stärkere Schwankungen auftreten und sie schließen, wenn der Sicherheitstemperaturbegrenzer auf der Sekundärseite Übertemperatur oder der Sicherheitsdruckbegrenzer auf der Sekundärseite Überdruck meldet. Parallel zu den Sicherheitsaufschaltungen auf die Schnellschlussarmaturen erfolgt ein Dauerschließbefehl auf das Kondensatregelventil.
Die richtige Entwässerung der Dampfzuleitung ist bei  Dampfwärmeübergabestationen besonders wichtig, da nur so durch Wasserschläge verursachte Anfahrgeräusche zu verhindern sind und dadurch die Lebensdauer der Anlage positiv zu beeinflussen ist. Das wird durch eine optimale Dampfleitungsführung erreicht. Sie erreicht die Entwässerung der Rohrleitung vor dem Schnellschlussventil, z.B. durch Gefälle zur nächsten Entwässerung im Ferndampfversorgungsnetz. Hinter dem Schnellschlussventil sorgt der Niveaubegrenzer für den geräuscharmen Kondensatabfluss in das Kondensatnetz.
Um den Anschlusswert der Dampf-Wasser-Wärmeübergabestation zu minimieren, sorgt eine Boilervorrangschaltung dafür,  dass bei Anforderung des Boilers die Heizungsanlage für die Dauer der Boilerladung leistungsmäßig heruntergefahren wird.  Sekundärseitige Regelventile fahren dabei in die  Schließstellung oder arbeiten mit verminderter Last weiter.
Die Gesamtanlage fährt auf der Sekundärseite mit nur einer einzigen Hauptpumpe mit Zeit- und Störumschaltung. Als Regelventile auf der Sekundärseite kamen hier Strahlpumpen (Dreiwegeinjektorventile) ohne zusätzliche Umwälzpumpen zum Einsatz, da sie aufgrund der hohen Temperaturspreizung und tiefen Rücklauftemperaturen für Fernwärmeheizungsanlagen besonders geeignet sind [2].  Zusätzliche, bekannte Vorteile von Strahlpumpen sind die Einsparung von Umwälzpumpen und Armaturen sowie die lange Lebensdauer der Strahlpumpen, die Investitions-, Wartungs- und Instandhaltungskosten reduzieren, was gleichzeitig eine höhere Verfügbarkeit der Anlage bedeutet [3].  Die verbesserte Regelbarkeit der einzelnen Regelkreise bewirkt gleichzeitig eine gesamthydraulische Stabilität der Anlage [4], und der geringere Stromverbrauch führt zu zusätzlicher Einsparung [5]. Die anwenderfreundliche Bedienung der Anlage erfolgt über einen Touchscreen.

Literatur:
[1] www.bmu.de, Energiewende Gebäudesanierung (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit)
[2] Kilpper R., Bälz U.: Umweltfreundliche Wärme durch moderne Technologie. HLH 1/2012 S. 30-33
[3] Prof. Dr. Uwe Bälz, Dr. Renate Kilpper: Heizungssanierung mit regelbaren Strahlpumpen, Moderne Gebäudetechnik, 7-8/2010 S. 10-13
[4] Gebauer M.: Vereinfachung des hydraulischen Abgleichs in Heizungsanlagen. EuroHeatPower 39 / 2010 S. 42-49
[5] Kilpper R., Bälz U.: Energetische Modernisierung einer Heizungsanlage mit Strahlpumpen in der HTBLVA Villach. In: Heizung Lüftung Klimatechnik 8-9/2010 S. 20-22

Autor: Prof. Dr. Uwe Bälz  und Dr. Renate Kilpper-Bälz

Vorteile der geschlossenen Dampf-Wasser-Wärmeübergabestation

• Vereinfachung der Anlage
• Geringere Anzahl von Entwässerungen
• Keine Dampf-Kondensat-Schläge
• Kein Kondensatsammelbehälter mit Schwimmersteuerung und Umwälzpumpe
• Geringer Platzbedarf des stehenden Wärmeübertragers
• Kondensatseitige Regelung der Wärmeübertragungsleistung
• Maximale Kondensatauskühlung
• Niedrige Rücklauftemperatur
• Stabileres Regelverhalten des Kondensatregelventils
• Keine Korrosion durch fehlenden Sauerstoffzutritt
• Ausnützung des Dampfdrucks für die Kondensatrückführung
• Energierückgewinnung ohne Dampfverluste
• Geringere Unterhalts- und Wartungskosten