Effizienz von Großwärmepumpen optimieren

Berger Fahrzeugtechnik setzt auf Kühlung aus dem Erdreich

Die Nutzung oberflächennaher Geothermie mittels Wärmepumpe zählt im privaten Wohnbau und Gewerbe längst zu den etablierten Verfahren einer ressourcenschonenden Energieversorgung. Nun holen Großwärmepumpen-Lösungen auch im industriellen Umfeld weiter auf. Speziell bei der Raumkühlung sind die Einsparpotentiale bezogen auf Verbrauch und Emissionsbilanz gegenüber konventionellen Kälteerzeugern immens – vorausgesetzt die aus dem Untergrund gewonnenen Niedertemperaturen lassen sich mittels eines ausgereiften Nutzungskonzepts maximal effizient einsetzen. Die Zortea GmbH liefert hierfür eine Schlüsseltechnologie, die es ermöglicht, Kälte- und Wärmeenergie mit höchster Präzision zu speichern und zu bewegen.

Bereits seit vielen Jahren beschäftigt sich das 1963 gegründete Vorarlberger Unternehmen Zortea aus Hohenems mit der Analyse von grundlegenden Schwachstellen in energetischen Versorgungssystemen und der Frage, wie damit verbundene – oft massive – Leistungseinbußen verhindert werden können. Zu beobachten ist, dass sich die anvisierten Effizienzpotenziale, die einen zügigen Transformationsprozess in der thermischen Gebäudebewirtschaftung voranbringen sollen, in der Betriebspraxis häufig nur unzureichend erschließen lassen – trotz Einsatz weitentwickelter Technologien und optimierter Erzeugerperformance.

Dabei zeigt sich vielerorts, dass eine wirtschaftlich und ökologisch effektive energetische Versorgungslösung weit weniger von der Erzeugerseite abhängt als lange Zeit angenommen. Einen wesentlich höheren Einfluss auf die real erzielbare Effizienz hat hingegen die Qualität der Energieflussführung sowie die des gewählten Speicherkonzepts. Umgekehrt bedeutet dies: Ist die Anlagenhydraulik gestört und können insbesondere Niedertemperaturen aus unterschiedlichen regenerativen und/oder konventionellen Quellen bzw. Gewinnungsprozessen nicht maximal effizient eingespeist und vorgehalten werden, rücken theoretisch mögliche Wirkungsgrade von potenziell intelligenten Systemlösungen in unerreichbare Ferne.

Sammeln, speichern, verteilen: Prozess-Dreiklang für maximale Effizienz

Vor dem Hintergrund dieser weit verbreiteten Problemlage hat die Zortea Gebäudetechnik GmbH bereits Anfang der 1990er Jahre die sogenannte Zortström-Technologie entwickelt. Sie wird bis heute in nahezu allen Anwendungskontexten eingesetzt – von der kleineren Individuallösung für den Hotelbetrieb oder Wohnbau bis hin zu Großausführungen in Gewerbe, Gesundheitswesen und Industrie. In mehr als 5.500 international realisierten Versorgungsprojekten baute das Unternehmen seitdem seine Expertise im Bereich innovativer Hydraulik-Konzepte weiter aus. Heute wie damals ist das grundlegende Funktionsprinzip der patentierten Zortström-Technologie dasselbe: Es beruht auf einer hochpräzisen Zusammenführung, Speicherung und Verteilung von Wärme- und Kälteenergie, unabhängig von der jeweiligen Art und Leistung des integrierten Erzeugers.

Ein großräumiger Schichtspeicher bildet dabei den hydraulischen Nullpunkt zwischen Erzeuger- und Abnehmerseite. In ihm werden Ströme von (multiplen) Energiequellen und Rückläufe der Verbraucherseite zusammengeführt und in exakt getrennten Stufen thermisch geschichtet. An den Zortström lassen sich multivalente Systeme anschließen, deren unterschiedliche Temperaturniveaus den Vorlauf für Kühl- oder Heizkreise mit differenziertem thermischem Bedarf bereitstellen. Die Solltemperaturen jeder Stufe im Zortström lassen sich durch die Leistung der Erzeuger regulieren. So ist es möglich, Niedertemperaturen sowie sämtliche Vor- und Rückläufe der verschiedenen Heiz- und Kühlkreise effizient durch Einbindung in die passende Temperaturstufe zu nutzen. Durch die vollständige Entkopplung aller Volumenströme kann die benötigte thermische Energie exakt nach Anforderung, mit hoher Präzision und ohne wechselseitige Störungseffekte (wie das Aufschaukeln der Pumpen; vgl. Infokasten 2) sowohl auf der Erzeuger- als auch auf der Abnehmerseite bewegt und im Speicher bereitgestellt werden.

Darüber hinaus hat gerade bei Einsatz von Wärmepumpen die Schichtungseffizienz des eingebundenen Speichers einen signifikanten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems. Bereits eine Optimierung der Schichtungseffizienz um 10 % – also etwa von 70 % auf 80 % – führt dazu, dass der elektrische Energiebedarf der Wärmepumpe um 16 % sinkt (vgl. Infokasten 1).

Stückzahl 3.000: eine Perspektive, die Raum braucht

Wie effektiv gerade die Wärmepumpentechnologie auf Basis eines fachgerecht dimensionierten Sammel-, Speicher- und Verteilkonzepts auch große komplexe Anwendungsfelder bedienen kann, zeigt ein Blick nach Radfeld/Tirol. Seit vielen Jahren ist hier die Berger Fahrzeugtechnik GmbH, ein etablierter Hersteller von nutzlastoptimierten Sattelaufliegern und Chassis-Kon­struktionen, ansässig. Der Betrieb ist Teil einer Unternehmensgruppe des österreichischen Ex-Formel-1-Fahrers Gerhard Berger und zählt heute zu den Marktführern im europäischen Leichtbau-Segment. Unter dem Markennamen „BERGERecotrail®“ werden am Standort Radfeld aktuell bis zu 1.500 Fahrzeugen jährlich produziert – mit ehrgeizigen Perspektiven für die Zukunft: In den kommenden Jahren plant Berger sein Fertigungsvolumen deutlich zu steigern; rund 3.000 sollen dann im Zweischichtbetrieb vom Band rollen.

Um die Produktion und Montage der großteiligen Komponenten sukzessive hochfahren zu können, benötigte das Unternehmen zunächst vor allem Platz. Auf ca. 11.500 m² Grundfläche gab Berger der Vision von verdoppelten Stückzahlen den nötigen Raum zum Wachsen: Innerhalb weniger Monate entstand in Radfeld nach (Teil-)Abriss, Umbau und Neubau ein modernes Verwaltungs- und Fertigungsgebäude, das neben ansprechenden Architektur- und Designelementen und einer progressiven Technischen Gebäudeausrüstung auch ein besonders nachhaltiges energetisches Versorgungskonzept aufweist. Mit einer fast ausschließlich regenerativ realisierten Gebäudeklimatisierung folgt der Standortausbau einer „grün orientierten“ Unternehmensstrategie, die sich sowohl in effizienzoptimierten Produkten als auch in einer umweltverträglichen Betriebsführung widerspiegelt.

Die Quelle vor der Haustür: Wärme und Kälte aus der Tiefe

Wie zahlreiche Betriebe der metallverarbeitenden Industrie bewegt sich auch die Berger Fahrzeugtechnik in einem hoch energieintensiven Umfeld mit einer hohen Grundlast in der Wärmeversorgung aber auch im Bereich der Gebäudekühlung. Beide Bedarfsgrößen zukünftig möglichst ressourcenschonend und klimafreundlich zu decken, wurde zum Auftrag für das erfahrene Ingenieurbüro Moser & Partner aus Absam in Tirol, einem mehrfach ausgezeichneten Entwickler umweltorientierter gebäudetechnischer Gesamtlösungen. Die Wahl der Planer fiel wegen besonders geeigneter hydrogeologischer Bedingungen auf das Verfahren der thermischen Grundwassernutzung. Die von den Ingenieuren entworfene Grundwasseranlage ermöglicht es, oberflächennahes Grundwasservorkommen mit einer ganzjährig konstanten Temperatur zwischen 8 bis 12 °C mittels Wasser-Wasser-Großwärmepumpe sowohl für Heiz- als auch für Kühlzwecke nutzbar zu machen.

Fördern lässt sich das Wasser über eine zweiseitige Brunnenanlage aus bis zu 20 m Tiefe. Während das Wasser über den sogenannten Saugbrunnen zur Anlage transportiert wird, sorgt ein Schluckbrunnen dafür, dass dieses nach dem Wärmeentzug wieder in das Erdreich zurückgelangt. Die bei diesem Vorgang entzogene Wärme wird über einen Wärmetauscher auf den Kältemittelkreis der Wärmepumpe übertragen. Grundsätzlich können Wärmepumpen-Systeme bei diesem Vorgang potenziell sehr hohe Wirkungsgrade erzielen, sofern sich Taktung, Arbeitstemperaturen und Laufzeiten auf einem optimalen Niveau stabilisieren lassen und die Stromaufnahme möglichst gering ausfällt. Eine ausbalancierte Anlagenhydraulik und eine hocheffiziente Speicherlösung sind hierfür unbedingte Voraussetzungen.

Um eine entsprechend optimale Peripherie für die Arbeit der Wärmepumpen zu schaffen, entwarfen die Planer ein Gesamtkonzept, das neben zwei Niedertemperaturwärmepumpen mit je 450 kW Heizleistung, einer Hochtemperaturwärmepumpe mit 185 kW und einem Plattenwärmetauscher zur Grundwasser-Kühlung mit einer Leistung von 1.050 kW auch zwei Zortström-Anlagen vorsah. Die Technologie war den Experten aus früheren Projekten bekannt und ließ einen exakt anforderungsgerechten, komplett störungsfreien und insbesondere energetisch hocheffizienten Versorgungsbetrieb erwarten.

WP-Betrieb und Zortström-Technologie im Einklang

Zur Bereitstellung von Kälte zwischen 8 und 18 °C baute Zortea für den Standort Radfeld einen 6-stufigen „Zortström Multi-K“. Parallel dazu versorgt eine „Multi-PG-H“-Anlage die Gebäude mit Wärme in fünf Temperaturstufen zwischen 35 und 70 °C. Schon im Vorfeld bedurfte die korrekte Dimensionierung der integrierten Komponenten in der neuen Versorgungstruktur eines besonderen Fachwissens und einschlägiger Praxiserfahrung, da keinerlei Referenzwerte zur Ermittlung der thermischen Bedarfsgrößen vorlagen. Hinzu kam, dass sämtliche Bau- und Installationsmaßnahmen während des laufenden Produktions- und Verwaltungsbetriebs umgesetzt werden mussten. Die platzsparende Ausführung und einfache Installation der Zortström-Anlagen erwiesen sich dabei als Zeit- und Kostenvorteil. Ihre eigentliche Schlüsselfunktion für eine effiziente, sichere und präzise Energieerzeugung, -vorhaltung und -verteilung verdeutlicht sich mit Blick auf den gesamten energetischen Arbeitsprozess:

In der Sommerzeit liefert das Brunnenwasser über einen Wärmetauscher fast die gesamte benötigte Kälte, rund 1 MW. Diese wird in die exakt dafür ausgelegte Temperaturstufe auf einem höheren Kühltemperaturniveau in den Zortström eingeschichtet. Die Niedertemperaturkreise am Kälte-Zortström werden über eine Kältemaschine versorgt. Der Kältekreis „Kühlregister Lüftungsgeräte“ kann aufgrund der hohen Rücklauftemperatur von 17 °C mit Brunnenwasser vorgekühlt werden und lässt sich anschließend über eine Kältemaschine auf die Zieltemperatur nachkühlen. Die optimale Dimensionierung des Kälte- und des Wärme-Zortström ermöglicht dabei eine ideale Laufzeit der Kältemaschine wie auch der Wärmepumpen. Die Wärmepumpe, welche die Niedertemperaturkälte zur Verfügung stellt (ca. 20 % der benötigten Kälteleistung, Rest Brunnenwasser), liefert gleichzeitig auch Wärme für die Warmwasser-Bereitung (150 kW).

Während der Heizperiode unterstützt die Niedertemperaturabwärme der Druckluftkompressoren sowie der Kältetrockner das Brunnenwasser: Dieses wird primärseitig nachgewärmt, um das Verhältnis von Wärme-/Kälte zu Antriebsleistung (COP) der Wärmepumpen zu verbessern. Die Wärmepumpen verfügen über eine Gesamtleistung von sekundär 185 kW + 450 kW + 450 kW = gesamt 1.085 kW. Da das Gebäude auf Niedertemperatur ausgelegt wurde, kann der Gesamtwärmebedarf mit einem besonders hohen Wirkungsgrad von den Wärmepumpen abgedeckt werden. Die exakte Schichtung im Zortström unterstützt die effiziente Verteilung der Wärme sowie den Wirkungsgrad der Wärmepumpen selbst wesentlich, da die von den Wärmepumpen erzeugte Temperatur von 45 °C exakt an die Verbraucher weitergegeben werden kann. Durch die hydraulische Entkopplung an beiden Zortström-Anlagen (Kälte und Wärme) wird darüber hinaus eine Pumpenstromeinsparungen von 70-90 % erzielt.

Fazit

In den kommenden Jahren werden sich aufgrund des Klimawandels auch die energetischen Lastprofile in der industriellen Objektbewirtschaftung mehr und mehr in Richtung Kälteseite verschieben. Entsprechend wichtig ist es, natürlichen, umweltschonenden Kälteversorgungslösungen schon heute den Vorrang gegenüber hoch verbrauchsintensiven konventionellen Verfahren einzuräumen. Mit ihrem Energieversorgungskonzept auf Basis der thermischen Grundwassernutzung hat die Berger Fahrzeugtechnik einen zentralen Baustein für einen ökonomisch und ökologisch nachhaltigen Betrieb erfolgreich etabliert. Dass die zugrunde gelegte Effizienzrechnung wie erhofft aufging, ist – neben dem Einsatz einer hochleistungsfähigen Großwärmepumpen-Technologie – nicht zuletzt auch das Resultat optimaler Anlagenhydraulik und einer passgenauen Erzeuger-Verbraucher-Regulierung. Sie erst ermöglicht es, das hohe, in der Praxis oft unzureichend ausgeschöpfte Potenzial regenerativer Energiequellen und verbrauchsoptimierter Erzeuger tatsächlich effektiv zu nutzen.

Infokasten 1: Referenzprojekt Fraunhofer-inHaus-Zentrum Duisburg: Funktionierende Hydraulik und Pumpenstromeinsparung im Test- und Forschungsbetrieb

Permanente Hydraulikstörungen bei der Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Bereich der intelligenten Raum- und Gebäudesysteme am Fraunhofer-inHaus-Zentrum in Duisburg waren Anlass, das bestehende Hydrauliksystem auf eine 4-stufige Zortström-Anlage umzubauen. Ziel der Neuinstallation war es, versorgungstechnisch optimale Voraussetzungen zu schaffen, um die wissenschaftlichen Tests am Institut zukünftig störungsfrei und gleichmäßig nach Testvorgaben durchführen zu können. Auf Grundlage des Entkopplungsprinzips der Volumenströme ließen sich die Hydraulikstörungen komplett beheben. Testverbraucher, die vormals energetisch unterversorgt waren, können nun nach Bedarf mit der benötigten Kälte bedient werden. Die Pumpenstromaufwände sanken um ca. 70-85 %, sämtliche Kühlkreise, alle Anschlüsse von Durchmesser DN100 neben DN25 funktionieren gleichzeitig ohne jegliche gegenseitige hydraulische Beeinflussung.

Infokasten 2: Gestörter Pumpenbetrieb: Ursache von Versorgungsmängeln und hohen Betriebskosten

Drehzahlgeregelte Pumpen werden auf Differenzdruck zwischen Vor- und Rücklauf eingestellt, um die berechnete Wassermenge zu befördern. Bei klassischen Systemen – etwa bei Balken- oder Stangenverteilern – entsteht dadurch eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Versorgungskreise: Erhält eine kleine Pumpe am Verteiler nicht die erforderliche Wassermenge, so kann der benötigte Differenzdruck zwischen Vor- und Rücklauf nicht erreicht werden. Folglich reguliert sich die Pumpe von selbst und stellt sich so auf eine höhere Drehzahl ein. Entsprechend steigt auch die Aufnahme an elektrischem Strom. Alle weiteren Pumpen – unabhängig von ihrer jeweiligen Leistungsklasse – reagieren nun in gleicher Weise, um den notwendigen Differenzdruck aufzubauen. Das Ergebnis ist ein gegenseitiges Hochschaukeln der Pumpenarbeit, das mit einem signifikanten Anstieg des Energieverbrauchs einhergeht.

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