Per Bypass zur Energieeffizienz

Das Royal Papworth Hospital in Cambridge ist Großbritanniens führendes Zentrum für Herz- und Lungentransplantationen. Der Neubau mit 300 Betten geht Anfang 2019 in Betrieb. Gebäude und medizinische Geräte benötigen insgesamt 2,4 Megawatt (MW) Heiz- und 3 MW Kühlleistung. Vier „Zortström“ des österreichischen Unternehmens Zortea sorgen in der Energiezentrale dafür, dass Wärme und Kälte bedarfsgerecht verteilt werden.

Das Royal Papworth Hospital gilt in medizinischen Fachkreisen als sehr renommiert. Dort wurde die erste erfolgreiche Herz-, Lungen- und Lebertransplantation weltweit durchgeführt, Prinz Philip bekam in dem Klinikum einen Stent eingesetzt. Seit 2014 wird die Klinik am Cambridge Biomedical Campus komplett neu errichtet, etwa 20 Kilometer vom bisherigen Standort entfernt. Der Campus soll eines der führenden biomedizinischen Zentren der Welt werden, mit dem neuen Krankenhaus als Herzstück.
Die Dimensionen sind beeindruckend: Der signifikante, ovale Baukörper zieht sich über eine Länge von 130 m und bietet eine Grundfläche von 40 000 m². Darin untergebracht sind 7 Operationssäle, 5 Katheterlabore, 2 Hybridsäle und über 300 Betten. Auch Pathologie und Radiologie finden im Neubau Platz. Die Anforderungen an Heizung und Kühlung sind dementsprechend hoch. Auch für die Betriebssicherheit gelten höchste Standards.
Mit der Ausführung der Technikzentrale wurde Enercret beauftragt. Das Vorarl­berger Unternehmen ist auf Geothermie spezialisiert und liefert schlüsselfertige Heiz- und Kühlanlagen für Großprojekte. Die ursprüngliche Planung für die Energieversorgung sah Geothermie und Wärmepumpen als Erzeuger und eine Lastverteilung über druckverlustreduzierte Stangenverteiler vor. Durch diesen klassischen Ansatz wäre ein komplexes System mit sich wechselseitig beeinflussenden Pumpen entstanden, das nicht mit vertretbarem Aufwand zu regeln gewesen wäre, beschreibt Enercret-Geschäftsführer Stefan Wehinger die Herausforderung. Er setzte auf den Zortström-Verteiler des Hohenemser Erfinders Rembert Zortea.

Zortström als Lösung
In den Zortström-Sammel- und Verteilzentren wird Wasser in mehreren, getrennten Temperaturstufen von den Erzeugern gesammelt und den Verbrauchern bedarfsgerecht zur Verfügung gestellt. „Das System übernimmt dabei auch die Funktion als Speicher, hydraulische Weiche und – über Sensoren in den Temperaturschichten – die Steuerung der Erzeuger“, erläutert Zortea-Geschäftsführer Martin Steinhart. Beim Projekt in Cambridge speist das Geothermiefeld mit 124 Erdsonden 6 mehrstufige Wärmepumpen mit einer Leistung von je 500 kW. 1 Blockheizkraftwerk, 3 Kältemaschinen und 3 Gaskessel dienen der Sicherheit und der Spitzenlastabdeckung. Wärme wird in 6 Stufen zwischen 30 und 75 °C benötigt, Kälte in 5 Stufen zwischen 5 und 18 °C.
Herzstück der Anlage sind vier Zortström, die diese Vielzahl an Wärme- und Kältequellen effizient zusammenschließen und dem Lastprofil der Abnehmer entsprechend bereitstellen. Der Sole-Zortström hat einen Durchmesser von 1400 mm und fasst knapp 4000 l in vier verschiedenen Temperaturstufen. Er steuert den Energiefluss aus den Erdsonden zu den sechs Wärmepumpen. Auch eine freie Kühlung ist möglich. So wird das Geothermiefeld optimal genutzt. Überschusswärme wird zum größten Teil in den Boden geleitet und dort gespeichert. Lediglich die Energie aus absoluten Kühllastspitzen wird von zwei Rückkühlern über das Dach abgelassen.
Der Kälte-Zortström mit einem Durchmesser von 2,2 m fasst 17 700 l in 7 Temperaturstufen, der Wärme-Zortström mit 1,8 m Durchmesser kann über 11 000 l in 6 Stufen aufnehmen. An beide sind auf der Erzeugerseite die Wärmepumpen, die Kältemaschinen sowie der Sole-Zortström angebunden. Am 3-stufigen Hochtemperatur-Zortström mit 2 m Durchmesser und über 8000 l Fassungsvermögen hängen das Blockheizkraftwerk sowie die drei Gaskessel.
Die 4 Zortström ermöglichen die effiziente und sichere Versorgung des Gebäudes in insgesamt 11 Temperaturzonen. Die Wärmepumpen verbinden Kälte- und Wärme-Zortström. Sie können dadurch gleichzeitig sowohl Kälte als auch Wärme bereitstellen. Die Wärmepumpen werden über die Temperatur in den Zonen angesteuert. Der Gleitschichtraum im Zortström dient als Puffer, optimiert ihre Laufzeiten und reduziert Schaltzyklen.
Durch Zortström sind die Verbraucher hydraulisch entkoppelt. Sie holen sich die Energie bedarfsgerecht ab, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Ein wechselseitiges Hochschaukeln von Pumpen, wie es bei konventionellen Installationen häufig vorkommt, wird verhindert. Energie aus den Rückläufen wird für die jeweils nächs­te Temperaturzone genutzt und steigert die Gesamteffizienz.

Effizient, einfach und sicher
Das System mit den 4 Zortström-Sammel- und -Verteilzentren steuert die gesamte Energiezentrale: Melden die eingebauten Sensoren, dass die Soll-Temperatur in einer Zone absinkt, aktivierten sie vorrangig die entsprechenden Wärmepumpen und schalten stufenweise die erforderliche Leis­tung hinzu. Reicht dies nicht aus, werden die Erzeuger für die Spitzenlastabdeckung gestartet.
Damit die Wärmepumpen und das auf Dauerbetrieb ausgelegte Blockheizkraftwerk einen möglichst hohen Anteil am Ener­giebedarf produzieren, räumt ihnen die Steuerung Vorrang ein und stellt sicher, dass Gaskessel und Kältemaschinen nur bei Lastspitzen kurz zugeschaltet werden.
Das System spart nicht nur Kosten im Betrieb. Schon bei der Installation konnten beispielsweise viele Dreiwegeventile eingespart werden. „Insgesamt hat der Kunde etwa ein Fünftel der Kosten im Bereich der Technikzentrale eingespart“, sagt Stefan Wehinger: „Allein bei der Regelung wurde sicher die Hälfte der Inves­titionskosten eingespart.“
Mitte Dezember 2017 startete der Probebetrieb – und damit ein Jahr, bevor die ersten Patienten und Ärzte das Krankenhaus bevölkerten. Die 6 Wärmepumpen – etwa 30 % der installierten Leistung – liefern 80 % der Lastenergie. „Die positiven Grundannahmen haben sich im Testbetrieb bestätigt“, freut sich Stefan Wehinger.

Bilder: Zortea Gebäudetechnik

https://zortea.at/en