Hochtemperatur-Wärmepumpen ermöglichen effiziente und zukunftssichere Wärmeversorgung
Am früheren Standort der Pfanni-Werke in München ist inzwischen das Werksviertel entstanden, ein urbanes Quartier zum Wohnen, Arbeiten, Einkaufen, das immer noch wächst. Die werkkraft GmbH hat für das Werksviertel eine ihrer Quartierlösungen entwickelt und installiert. Kernpunkt bei der Realisierung: ein intelligentes Energiekonzept, das Ökologie und Effizienz unter einen Hut bringt.
BU1: An der Stelle des ehemaligen Pfanni-Werks ist in der Nähe des Münchner Ostbahnhofs ein urbanes Quartier entstanden: Heute bietet das Werksviertel diverse Möglichkeiten zum Wohnen, Arbeiten und Einkaufen. Quelle: URKERN, Ivana Bilz
Max Lautenbach, Geschäftsführer bei der werkkraft GmbH, wählt ein anschauliches Beispiel, den Gedanken der Quartierlösungen zu erklären: „Wir müssen immer den 360°-Blick behalten und in Komplettlösungen denken. Die verfügbaren Energieträger zusammenfassen, kombinieren und so steuern, dass eine effiziente und nachhaltige Energieversorgung entsteht. Sie können sich das wie einen Kasten mit Bausteinen vorstellen. Wir haben etwa 50 verschiedene „Steine“, mit denen wir individuelle Lösungen bauen, die ressourcenschonend und möglichst CO2-neutral sein sollen.“
Basis des Energiekonzepts für das Werksviertel sind zwei Blockheizkraftwerke (BHKW). Mit ihrer Hilfe wird ca. 80% des Strombedarfs im Viertel abgedeckt. Der Reststrom kommt aus dem öffentlichen Netz. Die BHKW nutzen Erdgas als Energiequelle, das zusätzlich auch noch einen Gaskessel befeuert. Die Wärme, die bei der Stromerzeugung entsteht, dient zu einem Teil der Deckung des Wärmebedarfs im Viertel. Ein Teil der BHKW-Abwärme wird über zwei Absorptionskältemaschinen zur Kälteversorgung der Verbraucher genutzt (siehe Grafik- Energieflussdiagramm).
Umweltwärme und Wärmerückgewinnung
Außerdem wird Umweltwärme aus Grundwasser gewonnen. Zwei dezentrale Grundwasserwärmepumpen steuern zur Wärmeversorgung Mittellast-Wärme bis maximal 65°C bei und unterstützen im Sommer die Kälteversorgung, indem sie die Spitzenlast-Kälte übernehmen. „Das Viertel wächst und braucht immer mehr Energie. Wir haben die Wärmelücke gesehen und überlegt, wie wir die decken können, indem wir auch hier die Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung nutzen. In diesem Fall verwenden wir die Abwärme der Absorptionskältemaschinen, die über Rückkühlwerke in die Umgebung abgegeben wurde“, sagt Max Lautenbach. „Ohne die zentralen Hochtemperatur-Wärmepumpen 61XWHZE von Carrier, die 2020 installiert wurden, hätten wir die Wärmeversorgung nicht so effizient sicherstellen können.“
In Zusammenarbeit mit der Carrier Klimatechnik GmbH, der deutschen Tochter der Carrier Corporation, wurden Simulationen gefahren, um die optimale Einbindung der Maschinen zu ermitteln. Aber nicht nur die Technik stellte das Team der werkkraft GmbH wie die Carrier Mannschaft vor Herausforderungen. Die beiden AquaForce 61XWHZE Wärmepumpen mussten auf beengtem Raum in einem Gebäude unter einer Kindertagesstätte untergebracht werden – das hieß besondere Anforderungen an den Schutz vor Lärm und bedingt durch das HFO-Kältemittel R-1234ze, spezielle Vorkehrungen für Zu- und Abluft. Die Wärmepumpen bekamen ihr eigenes „Haus“ als Maschinenraum im Keller, der alle Sicherheitsvorschriften erfüllt und den Schall dämmt.
Zukunftssicher: GWP kleiner als 1
Das Kältemittel R-1234ze ist ein wichtiger Baustein im Streben der werkkraft GmbH nach einer umweltgerechten Lösung. Erst vor kurzem war Global Warming Potential (GWP) wieder Diskussionsgegenstand im Europaparlament. Die F-Gas-Bestimmungen sind im Laufe der letzten Jahrzehnte mehrfach angepasst und verschärft worden.
Carrier hat seine Hochtemperatur-Wasser/Wasser-Wärmepumpen speziell für R-1234ze konstruiert. Sie erreichen eine hohe Energieeffizienz dank Doppelrotor-Schraubenverdichtern mit Hochleistungsmotor und Schieber zur Leistungsregulierung, der eine exakte Anpassung der Wärmeleistung an die Last gestattet. Zum niedrigen Energieverbrauch tragen daneben überflutete Rohrbündel-Wärmetauscher mit erhöhtem Wärmeaustausch-Wirkungsgrad und ein Economiser-System mit elektronischem Expansionsventil bei. Spezialdichtungen am Verdichter, neue Überstromventile, die für den Betrieb mit R-1234ze und hohe Temperaturen entwickelt wurden, und ein spezieller Schaltkasten mit verstärkter Abdichtung und einem integrierten Gebläse sind Bestandteil des Sicherheitskonzepts.
Der Hydraulik-Kniff: COP von 4
Die beiden Carrier AquaForce Wärmepumpen müssen die Wassertemperatur von 40 auf 80 °C anheben. „Das war sowieso nur mit dem neuen Kältemittel möglich“, sagt Max Lautenbach. Standardmäßig wären die beiden Wärmepumpen parallelgeschaltet worden. Aber das Carrier Team war mit der erreichten Effizienz so nicht zufrieden. Gemeinsam mit Carrier Controls, der Abteilung für Regelungstechnik, wurde eine andere Lösung gefunden: Die Verflüssiger der beiden Wärmepumpen sind in Reihe miteinander verrohrt. Die erste hebt die Temperatur von 40 auf 60 °C, die zweite erledigt den Rest der Temperaturdifferenz. Carrier Controls entwickelte dafür eine projektspezifische Regelung. Gegenüber der marktüblichen Standardlösung erbringt diese Schaltung eine Effizienzverbesserung von ca. 15%.
Die Wärmepumpen machen die zuvor ungenutzte Abwärme der Absorptionskältemaschinen als Energiequelle nutzbar. In der gewählten Anordnung erreichen sie einen Wirkungsgrad von 4, d.h. aus 1 kW elektrischer Energie werden 4 kW Wärme erzeugt.
Visualisierungssoftware zur Kontrolle und Optimierung
Da die Carrier Hochtemperaturwärmepumpen in der Wärmeversorgung des Werksviertels eine erhebliche Rolle spielen, hat Carrier sie in sein i-Vu Control System, eine webbasierte Gebäudeleitsoftware, integriert. Im Projekt Werksviertel sind Gaswarnanlage, Pumpen und Regelventile in das System integriert. Auch die Sicherheitsvorkehrungen, die sich aus dem Einsatz des Kältemittels ergeben, sind in das System eingebunden, so zum Beispiel eine Spannungsabschaltung bei Gasalarm. Eine USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) sorgt dafür, dass auch im Notfall der Abluftventilator betrieben werden kann. Um die Reihenschaltung zu ermöglichen, mussten die Carrier Regeltechniker das Programm erheblich anpassen. „Das war regelungstechnisch wirklich nicht trivial“, meint Franz Max Lautenbach anerkennend.
BU2: Da sich die AquaForce Wärmepumpen in einem Gebäude unter einer Kindertagesstätte befinden, gibt es besondere Anforderungen an den Lärmschutz sowie an Vorkehrungen für Zu- und Abluft. Quelle: Carrier
Neues Element im Baukasten
Die Zusammenarbeit mit Carrier habe bestens geklappt, heißt es bei der werkkraft GmbH. Man kennt sich bereits, das Werksviertel ist nicht das erste gemeinsam realisierte Projekt. Die neue Generation von Hochtemperaturwärmepumpen hat sich als umweltgerechte und zuverlässige Lösung erwiesen, wenn sehr hohe Wassertemperaturen gebraucht werden. Sie können sowohl natürliche Wärmequellen als auch Abwärme nutzen und ermöglichen so nachhaltige Energielösungen. Der von Max Lautenbach zitierte „Kasten mit Bausteinen“ hat einen weiteren Baustein gewonnen.
https://www.carrier.com/commercial/de/de/