125 Jahre IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 14/1997, Seite 46 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Erdgas-Modernisierungskonzept für öffentliche Gebäude

Ing. Eige Clasen Teil 2

Nachdem Teil 1 grundsätzliche Aspekte von Kesselmodernisierungen erläutert hat, vergleicht der vorliegende Teil 2 die alte und die neue Anlagen eines Schulgebäudekomplexes.

Modellfall

Ausgangszustand

Die Kesselanlagen von 6 Schulgebäuden werden über Heizöl-EL-Brenner befeuert. Wegen des beträchtlichen Alters der Tank- und Kesselanlagen sowie wegen der schlechten Ausnutzung des Brennstoffes (hohe Energiekosten sowie hohe Schadstoffemissionen) soll ein dem heutigen Stand der Technik entsprechendes Konzept erarbeitet werden. Das heißt, die Heizungsanlagen sollen den Anforderungen des Energieeinspargesetzes (Heizungsanlagen-Verordnung) entsprechen, so wenig wie möglich Emissionen verursachen und, da im Etat eine größere Investition nicht vorgesehen ist, so energiesparend arbeiten, daß der Aufwand für die Investition (Annuität) möglichst über die Kosteneinsparung getragen werden kann. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Dienstleistungsmodelle (Contracting) in die Überlegungen einzubeziehen. Als Brennstoff soll Erdgas verwendet werden, u.a. wegen der Reduzierung der Schadstoffemissionen.

Bild 5: Auf Erdgas umgestellte Heizzentrale.

Vorstellung der geplanten Umstellmaßnahmen

Zur Bestimmung der Nennwärmeleistungen der Heizkessel wird der Wärmebedarf der Gebäude nach der DIN 4701 über die Hüllflächen ermittelt. Die Kesselleistungen müßten anhand der ermittelten Wärmeverluste teilweise halbiert werden können, ohne eine Reserveleistung vorzuhalten (Wartungs- und Reparaturgarantie der ausführenden Firma), wodurch wiederum, bedingt durch geringere Stillstandsverluste, höhere Jahresnutzungsgrade erreicht werden. Die Anlagen müssen zweistufig bzw. als Mehrkesselanlagen (bei Brennwertkesseln nicht erforderlich) mit Kesselfolgeschaltung mit eingeschränktem Stand-by-Betrieb ausgeführt werden und wasserseitig bei Betrieb je eines Kessels vom Netz getrennt werden können (Bilder 5 und 6). Die Kesselwassertemperatur soll sich kontinuierlich der Außentemperatur anpassen.

Bild 6: Erdgasbefeuerte Brennwertkessel mit Kondensat-Neutralisation.

Um einer möglichen Feuchtebildung in den Kaminen vorzubeugen, ist für eine Belüftung über Nebenluftöffnungen bzw. für die Installation einer feuchteunempfindlichen Abgasanlage (bei Brennwertkesseln) zu sorgen. Durch den Einbau einer motorisch betrieben Nebenluftöffnung wird ein gleichmäßiger Schornsteinzug sowie eine Unterbindung der Wärmeverluste der Kessel durch Kaminzug während der Stillstandszeiten erreicht. Zeitschaltuhren mit einem Wochenprogramm sollten die Heizzentralen einschließlich der Umwälzpumpen bei Ruhebetrieb abschalten, wobei ein z.B. im Lehrerzimmer installierter Testraumfühler die Raumtemperatur überwachen und bei Bedarf die Heizung in Betrieb nehmen würde. Damit während kälterer Tage die gewünschte Raumtemperatur zum geforderten Zeitpunkt erreicht werden kann, sollten die Kesselanlagen ab einer Außentemperatur von z.B. +1C nicht abgeschaltet, sondern mit abgesenkter Kesselwassertemperatur betrieben werden. Die Aufheizung erfolgt dann in Vollast und mit der maximalen für die Auslegung der Heizflächen vorgegebenen Vorlauftemperatur, bevor die Kesselwassertemperatur wieder gleitend bis zu einer Rücklauftemperatur von z.B. 30C witterungsgeführt geregelt wird.

Damit das Rücklaufwasser die genannte Temperatur nicht unterschreitet sowie zur Erreichung eines günstigen Betriebsverhaltens, sollten geeignete widerstandsarme Kesselkreisregelungen installiert werden. Die Aufgabe der Regelungen der schon vorhandenen Heizkreise würden zum Teil auf die Kompensation von äußeren Störgrößen (z.B. Sonneneinstrahlung) begrenzt, da die notwendige Temperaturänderung über die Regelung des Kesselwassers erfolgen soll. Die Bürotrakte, die Hausmeisterwohnungen sowie einzelne Klassenräume (bei Elternabenden usw.) sollten wegen der unterschiedlichen Frequentierung separat beheizt werden können. Auch die Turnhallen würden separate Heizkreise bzw. Heizkessel erhalten, weil hier zusätzlich noch die für die Luftheizung erforderliche höhere Wärmeträgertemperatur zu berücksichtigen ist. Weiterhin ist zu überprüfen, ob der Einbau von neuen Ausblasgittern (Weitwurfdüsen) zur Vermeidung von unnötigen Temperaturschichtungen (hoher Energieverbrauch) in der Halle sinnvoll ist. Auch durch diese Maßnahme kann der Energieverbrauch gesenkt werden. Über eine Sommer-/Winterschaltung würden die Kessel ab einer bestimmten Außentemperatur ein- bzw. ausgeschaltet. Anlagen, bei denen die Warmwasserbereitung zentral durchgeführt wird, sollten Vorrangschaltungen vorgesehen werden, welche bei Bedarf die witterungsgeführte Regelung überbrücken.

Bild 7: Anpassung der Hydraulik über Mengenregelung, Differenzdruckregler, Überströmventil und voreinstellbare Thermostatventile. (Bild: Danfoss)

Hierbei müßten, um zu hohe Vorlauftemperaturen zu vermeiden, alle Heizgruppen während der Ladezeiten separat regelbar bzw. abschaltbar sein. Während der wärmeren Jahreszeit würde die Vorrangschaltung bei Warmwasserbereitung den Heizkessel kurzzeitig in Betrieb nehmen. Die Warmwasserzirkulation muß sowohl zeit- als auch temperaturabhängig gesteuert werden. Zur Kompensation von Fremdwärmeeinflüssen in den Räumen sowie zur Korrigierung von hydraulischen Fehlerquellen kämen Heizkörperthermostatventile zum Einsatz, welche gegen Manipulation und Zerstörung geschützt sind (Behördenmodell). Um Strömungsgeräusche weitgehend zu unterbinden, müßten die jeweiligen Wasserströme begrenzt werden. Darum sollte die Auswahl der Ventile nach kV-Wert-Tabellen erfolgen. Die beim Schließen von Heizkörperventilen auftretenden erhöhten Fließgeschwindigkeiten können zudem wirkungsvoll durch differenzdruckgesteuerte Heizungsumwälzpumpen (nach der Heizungsanlagenverordnung ab 50 kW Kesselleistung erforderlich) sowie durch Differenzdruckregler in den jeweiligen Steigesträngen vermieden werden.

Die Begrenzung des Wasserstromes in den Heizsträngen sowie in den Heizkörpern ermöglicht zudem eine gleichmäßige Aufheizung aller im System befindlichen Heizkörper (Bild 7).

Die genannten Programme könnten über Zeitschalt- und Regeleinheiten gesteuert werden, die jedoch starr eingestellt sind bzw. nicht auf die wechselnden Anforderungen eingehen können (Außentemperatur, Wind, Regen). Somit könnte es z.B. nach Ende der Betriebspausen zu lange dauern, bis die gewünschten Raumtemperaturen erreicht werden. Eine gute Lösung wäre der Einsatz von Optimierungsanlagen mit einer Adaption der Heizkurve bzw. eine DDC-Anlage, die Fehler erkennen und beseitigen soll, wobei auch die Fernübermittlung von wichtigen Daten denkbar ist. Durch diese Maßnahmen wird zu jeder Zeit der optimale Betriebspunkt während der Wärmeerzeugung und Verteilung gewährleistet. Außerdem wird ein Fehlverhalten von Reglern und Stellgliedern schnell erkannt, so daß ein unnötiger Energieverbrauch verhindert werden kann.

Bild 8: Einfluß von Kesselüberdimensionierung und Betriebsbereitschaftsverlust auf den Jahresnutzungsgrad.

Bei Räumen, in denen die gewünschte Raumtemperatur nicht erreicht wird, ist, um nicht das gesamte Heizungssystem mit höheren Vorlauftemperaturen betreiben zu müssen, eine Vergrößerung der Heizkörper vorzunehmen.

Kostenermittlung und Erstellung eines Finanzierungsmodells

Der Energiebedarf ist u.a. abhängig vom Jahresnutzungsgrad (VDI 2067) des Wärmeerzeugers.

darin bedeuten:

hK = Kesselwirkungsgrad

fs = Faktor für Verschmutzung

bvH = Vollbenutzungsstundenzahl in h/a

qB = Betriebsbereitschaftsverlust

ba = Betriebsbereitschaftszeit in h/a

Die in der VDI 2067 genannte Gleichung ist um das Verhältnis K/N = Nennwärmeleistung des Kessels/Normwärmebedarf ergänzt worden, um die Überdimensionierung der Kesselanlage berücksichtigen zu können (Bild 8).

Um einen praxisnahen Kostenvergleich zwischen den vorhandenen Öl- und den neu zu erstellenden Gasanlagen zu erhalten, kann der feuerungstechnische Wirkungsgrad sowie der Betriebsbereitschaftsverlust für jeden Heizkessel meßtechnisch ermittelt werden. Bezüglich des Jahresnutzungsgrades der Neuanlagen übernehmen die jeweiligen Kesselhersteller Garantieverpflichtungen. Die Wirkungsgradverbesserung wird durch die Beziehung 1 - halt/hneu ermittelt. Zur energiewirtschaftlichen Beurteilung der einzelnen Komponenten der Heizungsanlagen sollte die VDI-Richtlinie 3808 zugrunde gelegt werden (Bild 9). Nach Erhalt eines Angebotes über die Investitionen sind alle Voraussetzungen erfüllt, um eine Rentabilitätsrechnung und ein Finanzierungsmodell erstellen zu können. Die Erneuerungs-, Umstell- und Optimierungsarbeiten werden mit einem Kapitaleinsatz von 500000 DM bewertet, so daß sich bei einer Laufzeit von 20 Jahren und einem Zinssatz von 8 %/a bei einem Instandhaltungsaufwand von 1%/a ein Kapitaldienst von rd. 56000 DM/a (11,2%/a) ergibt. Einschließlich dem Gemeinkostenanteil, den Kosten für Wartung, Messungen, Pumpenstrom und dem Entgelt für die Dienstleistung Wärmelieferung beläuft sich der Festkostenaufwand auf ca. 110000 DM/a. Der Anteil der Energiekosten errechnet sich bei einem Jahreserdgasbedarf von 3966 MWh/a (Hu) bzw. von 4394 MWh/a (Ho) bei einem angenommenen Erdgaspreis von 4,45 Pf/kWh (Ho) zu 195000 DM/a. Bei den so ermittelten Gesamtjahreskosten für den Nutzer der Dienstleistung in Höhe von 305000 DM/a ist ein Wärmepreis von 76,90 DM/MWh Nutzenergie in Anrechnung zu bringen.

Bild 9: Voraussichtliche Energieeinsparung und Umweltentlastung nach der Umstellung auf Erdgas bei Nutzung der Brennwerttechnik.

Weiteres Vorgehen

Bedingt durch das beträchtliche Alter der Wärmeversorgungsanlagen würden auch ohne eine Umstellung auf Erdgas auf die Kommune beträchtliche Kosten zukommen, da die Erneuerung von Heizöltanks und Heizkesseln zu erwarten wäre (BImschV). Bei dem sich auf niedrigem Stand befindlichen Energiepreisniveau ergeben sich zwar erhebliche Energieeinsparungen bedingt durch das Modernisierungskonzept; eine schnelle Refinanzierung der Investitionen dürfte jedoch kaum erreichbar sein. Somit ist auch die Finanzierung der erforderlichen Maßnahmen über das Energie- und Betriebskosten-Budget des laufenden Jahres nicht möglich. Es müßten Mittel aus dem Haushalt der Stadt oder Gemeinde bereitgestellt werden, was jedoch bei der allgemein schlechten Finanzlage nicht unproblematisch ist. Somit könnten sich Notlösungen anbieten, die, bezogen auf eine vernünftige Energieverwendung in öffentlichen Gebäuden, unbefriedigend wären.

Hier sind jetzt Investoren gefragt, die der Kommune eine Dienstleistung anbieten, durch die die Gebäude mit Energie beliefert würden, und zwar erzeugt und verteilt mit moderner Technik. Auch muß garantiert werden, daß die umgestellten Anlagen wirtschaftlich und mit geringen Schadstoffemissionen betrieben werden.

Die Finanzierung der Umstell-, Erneuerungs- und Optimierungsarbeiten sowie den Betrieb der Wärmeversorgung übernimmt das Energiedienstleistungsunternehmen (EDU). Die anfallenden Kosten werden über den Wärmepreis mit der Stadt verrechnet (Versorgungs-Contracting). Zu dem Dienstleistungsangebot des EDU gehören neben der Planung, der Kalkulation, der Ausführung und Einregulierung auch die Wartung und der Betrieb der Wärmeerzeugungsanlage.

Können erforderliche Investitionen über Einsparungen ganz oder teilweise finanziert werden, handelt es sich um ein sogenanntes Einspar-Contracting. Hierbei wird mit dem Kunden eine Reduzierung des Energieverbrauchs vertraglich vereinbart.

Es liegt im Interesse des EDU, daß die zur Ermittlung des Wärmepreises zugrundegelegten Jahresnutzungsgrade erreicht werden, da ansonsten die höheren Wärmegestehungskosten nicht an den Kunden weitergegeben werden können und das EDU Verluste erwirtschaftet.

Nach der Klärung aller Umstellmodalitäten und nach der Zustimmung durch den Rat der Stadt oder Gemeinde können jetzt die Heizungsanlagen entsprechend den vorher beschriebenen Optimierungsmaßnahmen erneuert werden.

Brenner mit Gebläse werden auf den maximal möglichen CO2-Wert sowie auf eine wirtschaftliche Abgastemperatur eingestellt. Bei Gasbrennern ohne Gebläse würde zur Erreichung eines guten Verbrennungsergebnisses die vom Kesselhersteller angegebene Nennwärmebelastung eingehalten. Auch die Regelanlagen müssen exakt einreguliert werden. So sind zum Beispiel die Heizkurven der witterungsgeführten Kesselwassertemperaturregelungen bei geöffneten Thermostatventilen unter Berücksichtigung von Meßwertaufzeichnungen einzustellen. Bei der Einregulierung der Thermostatventile, welche durch eine Kappe gegen Verstellen des Sollwertes geschützt sind, werden ebenfalls dokumentierende Meßgeräte eingesetzt. Da für die meisten Heizungsanlagen keine Unterlagen über die hydraulischen Verhältnisse im Rohrnetz vorliegen, gilt das gleiche Verfahren auch für die Einstellung von differenzdruckgesteuerten Umwälzpumpen und von Differenzdruckreglern (Sollwert = Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf).

Um die gewünschten und gegebenenfalls vertraglich abgesicherten Ergebnisse erzielen bzw. einhalten zu können, muß bestimmt werden, daß die eingestellten Regelsollwerte nur mit Zustimmung eines Energiebeauftragten in Abstimmung mit dem EDU verändert werden dürfen. Weiterhin wird darauf zu achten sein, daß während der Ruhezeiten Türen und Fenster geschlossen sind, um einen unnötigen Luftwechsel zu unterbinden. Die Einhaltung der auch durch Verordnungen festgeschriebenen Raumtemperaturen wird durch Digitalthermometer und Temperaturschreiber kontrolliert.

Praxiserfahrungen

Um die tatsächliche Energieeinsparung der zu vergleichenden Heizperioden ermitteln zu können, muß der Energieverbrauch auf Grundlage der Gradtagszahlen bereinigt werden. Die Gradtagszahl ist die Summe der Differenzen zwischen der mittleren Raumtemperatur von 20C und den Tagesmitteln der Außentemperaturen über alle Heiztage, wobei die Außentemperatur von 15C als Heizgrenztemperatur angesehen wird.

Die Gradtagszahl der Heizperiode errechnet sich aus

Gt = z (20C - tm)

Darin bedeuten:

Gt = Gradtagszahl in dK/a

z = Zahl der Heiztage in d/a

tm = Tagesmittel der Außentemperatur eines Heiztages in C

Das Tagesmittel der Außentemperatur wird aus drei täglich zu messenden Lufttemperaturen ermittelt, nämlich aus den Außenlufttemperaturen um 7:00, 14:00 und 21:00 Uhr.

Die Heiztage sowie die anderen zur Ermittlung der Gradtagszahl erforderlichen meteorologischen Daten können bei den Wetterdiensten erfragt werden.

Somit können die Heizöl-EL-Verbräuche früherer Jahre mit den Verbräuchen der auf Erdgas umgestellten Heizungsanlagen unter den gegebenen klimatischen Verhältnissen verglichen werden. Die Vorausberechnung ergibt nach der Umstellung eine Energieeinsparung von rd. 34%, was auch mit Erfahrungswerten aus der Praxis übereinstimmt. Somit reduzieren sich bei einer installierten Nennwärmeleistung der Heizkessel von insgesamt 3 MW die Schadstoffemissionen um 1819 kg/a SO2 oder 99,6 % und 774 kg/a NO2, was rd. 75% entspricht. Die Verminderung beim CO2 ergibt einen Wert von 786 t/a oder 50% (Bild 9).

Zusammenfassung

Wie das Beispiel zeigt, werden durch die Umstellung von Heizungsanlagen im kommunalen Bereich auf Erdgas einschließlich der begleitenden Maßnahmen erhebliche Energieeinsparungen erreicht, wobei auch die Entlastung der Umwelt durch den Einsatz von Erdgas im hohen Maße die Anerkennung von Bürgern und Politikern findet. Besonders erfreulich ist zudem, daß erneuerungsbedürftige Heizungsanlagen im kommunalen Bereich auf den neuesten, technischen Stand gebracht werden können, ohne den Haushalt der Stadt oder Gemeinde über Gebühr zu belasten.

Je nach Finanzlage müssen sich die Kommunen die Frage stellen, ob sie die Heizungsanlagen ihrer Gebäude in eigener Regie planen, installieren und unterhalten wollen oder ob sie sich eines Energiedienstleistungsunternehmens bedienen. Durch die sogenannten Contracting-Modelle kann die Wärmeerzeugung und Verteilung in eine Hand gegeben werden. Das hat den Vorteil, daß ein versiertes Fachunternehmen sich um günstige Investitionen bei optimaler Anlagenauslegung und -Technik sowie um eine energiesparende Betriebsweise bemüht.


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