Wärmen und kühlen mit Flusswasser
In der nachfolgenden dargestellten Anwendungen aus der Praxis zeigt am Beispiel einer modernen Stadthalle, wie sich verschiedene Nutzungsarten energetisch sinnvoll miteinander kombinieren lassen.
Singen braucht eine neue Stadthalle. Die Pläne für den Bau der neuen Stadthalle gab es schon sehr lange: Seit den siebziger Jahren ist dies nun der vierte Anlauf und diesmal hatte er Erfolg. Es wurde zuerst eine Standortgutachten erstellt, um den aktuellen Bedarf und die richtige Größe zu ermitteln. Auf dieser Grundlage wurde im Juni 2002 dann Europaweit ausgeschrieben. Siegerin in diesem Wettbewerb wurde die Anbietergruppe Züblin. Am 26.10.2004 beschloss der Gemeinderat, die Halle zu bauen, der Bauvertrag wurde am 29.07.2005 unterzeichnet. Am 15.09.2007 war es dann soweit die Stadthalle konnte eröffnet werden.
Die neue Stadthalle in Singen ist in jeder Hinsicht ein sehr fortschrittliches und mustergültiges Projekt, sie wurde nicht nur multifunktionell, sondern auch unter modernsten ökologischen Gesichtspunkten geplant. Das Dach ist mit einer Photovoltaikanlage ausgestattet welche jährlich rund 70.000 Kilowattstunden sauberen Strom erzeugt. Das entspricht etwa dem Jahresbedarf von 20 Haushalten. Die CO2-Einsparung gegenüber dem bundesdeutschen Strommix beträgt immerhin rund 42 Tonnen CO2 jährlich.
Unter ökologischen, aber auch wirtschaftlichen Gesichtspunkten wird das Heizen und Kühlen der Stadthalle sowie des benachbarten Hotels ein besonderes Konzept umgesetzt. Die Initiative hierfür ergriff vor allem die Abteilung „Gebäudemanagement“ der Stadtverwaltung.
Randbedingungen der Stadthalle Singen
Neben der täglichen Nutzung der Stadthalle für Konferenzen und Messen finden hier auch viele Veranstaltungen wie Konzerte und Theater Aufführungen statt. Die Stadthalle bietet bei Veranstaltungen über 1800 Personen Platz. Dazu kommt noch das Hotel was direkt an die Stadthalle angrenzt und auch in die Wärme und Kälteversorgung eingebunden ist.
Dies stellt natürlich einen hohen Kälte und Wärmebedarf dar.
Die Anlagentechnik
In der Stadthalle wurde neben einer Fußboden-Heizung/ Kühlung eine RLT Anlage zur Deckung des Wärmebedarfs und zur exakten Regelung der raumklimatischen Anforderungen sowie zur exakten Einhaltung der Luftqualität über die Außenluft eingebaut. Für den extremen Fall das das Flusswasser in einem harten Winter so kalt werden sollte das man daraus keine Energie mehr zum wärmen ziehen kann, wurde die Fernwärme Leitung des benachbarten Rathauses mit eingebunden.
Die Grundidee
Die Firma Held Kälte und Klimatechnik plante und führte die Anlagentechnik für die Kalt und Warmwassererzeugung aus. Die Idee dabei war mit dem Wasser der Aach zu wärmen und zu kühlen. Der Fluss Aach entspringt einer Quelle mit einer durchschnittlichen Schüttung von ca. 10000 L/sec. Diese Quelle wird von der Donau, die zwischen den Orten Immendingen und Fridingen fast vollständig versinkt, gespeist.
Nach einem unterirdischen Lauf von ungefähr 14 km tritt das Donauwasser als Aach wieder an das Tageslicht. Durch das unterirdische Verweilen wird das Wasser im Sommer abgekühlt und im Winter erwärmt. Die maximale Wassertemperatur im Sommer steigt daher nicht über +19°C und sinkt im Winter nicht unter +7°C. Durch diese geologische Besonderheit kann das Wasser über lange Zeiten zur freien Kühlung in den Kühlregistern der Lüftungsanlage verwendet werden. Gleichzeitig wird, wenn Wärme entzogen wird, durch die Wärmepumpe aus dem Kühlwasser die benötigte Energie entzogen.
Funktionsbeschreibung
Wärmepumpenanlage zum kühlen und Wärmen der Stadthalle. Mit der Anlage soll gleichzeitig gewärmt und gekühlt werden. Diese Funktion wird mit Dreiwegeumschalt-ventilen erreicht. Im Sommer wird die Verflüssigerwärme an das Flusswasser abgegeben, im Winter wird die zum wärmen notwendige Energie dem Flusswasser entzogen. In den Übergangszeiten, wenn keine oder wenig Wärme erforderlich ist, wird mit dem kalten Flusswasser eine Art freie Kühlung realisiert.
Tabelle 1: Wesentliche Sollwerte der Wärmepumpe |
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Sollwerte: |
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Heizen |
| Vorlauf |
| max + 50°C |
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| Rücklauf |
| + 32°C |
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Kühlen |
| Vorlauf |
| + 8°C |
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| Rücklauf |
| + 14°C |
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Kühlen bei |
| Vorlauf |
| min. + 4°C |
Wärmepumpenbetrieb | Rücklauf |
| + 8°C | |
Anlagenschema 1
Wärmen:
Der Sollwert für die Heizungsvorlauftemperatur wird von der bauseitigen MSR Steuerung durch ein Analoges Signal von 0 – 10V vorgegeben. Die Verflüssigerpumpen werden von den Frequenzumrichtern druckabhängig geregelt. Der max. Heizungsvorlauf ist auf +50°C eingestellt. Das Regelventil Y2 im Kaltwasserkreislauf hat den Weg 1 – 3 geöffnet, das Aach Wasser wird abgekühlt. Unabhängig davon kann aus der hydraulischen Weiche kaltes Wasser für die Kühlregister entnommen werden. Das Wasser zum Plattenwärmeübertrager kann bis minimal +4°C abgekühlt werden. Die Verflüssigerpumpen werden nach dem erforderlichen Sollwert der Warmwassertemperatur geregelt. Das Regelventil Y1 im Heizungsvorlauf hat den Weg 1 – 2 geöffnet. Bei einer Überschreitung des max. Heizungsvorlaufes wird die Wärmepumpe automatisch zurückgefahren
Kühlen:
Der Sollwert für die Kühlwasservorlauftemperatur wird von der bauseitigen MSR mittels analogen Signals von 0 – 10V übertragen. Der Einsatzsollwert für die Wärmepumpe ist +14°C. Solange das Flusswasser kühl genug ist, wird mit diesem gekühlt, danach wird die Wärmepumpe dazugeschaltet. Die Kaltwassersollwerte werden extern über ein Signal von 4 – 20 mA vorgegeben. Das Regelventil Y1 hat den Durchgang 1-3 geöffnet. Die entzogene Wärme wird über den Plattenwärmeübertrager an das Aachwasser abgeführt.
Die Verflüssigerpumpen werden durch die Fu´s auf einen Sollwert von + 32°C Verflüssigungstemperatur geregelt, so dass die Wärmepumpe einen optimalen Wirkungsgrad hat. Das Regelventil Y2 hat den Weg 1 – 2 geöffnet.
Freie Kühlung:
Solange die durch das kalte Aachwasser erreichte Kaltwasservorlauftemperatur für die Kühlung des Fußbodens und der Kühlregister ausreicht, wird nur die Kühlwasserpumpe betrieben. Die Kühlwasserpumpe arbeitet mit vollem Volumenstrom, die Flusswasserpumpe ist drehzahlgeregelt, mit steigender Aachwassertemperatur wird die Drehzahl erhöht. Das Regelventil Y2 hat den Weg 1 – 3 geöffnet.
Tabelle 2: Wesentliche technische Daten der Wärmepumpe | ||||
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Model |
| DAIKIN |
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Typ |
| EWWD 650 DJYNN/A |
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| 2 Kreise, Monoschraubenverdichter | ||
Kälteleistung |
| 650 kW |
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Heizleistung |
| 660 kW |
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EER |
| 5,0 |
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COP |
| 3,8 |
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Schallpegel ( in 1m Entfernung) | 48,2 dBA |
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Abmessungen | 1880 x 4305 x 860 ( H x B x T ) | |||
Das Herzstück der Wärmepumpe – ein Monoschraubenverdichter
Die Idee des Schraubenverdichters beruht auf der seit der Neuzeit bekannten archimedischen Schraube. Gleichwohl scheiterten seither alle Konstruktionsversuche eines Kältemittelsverdichters an der komplizierten Schraubengeometrie.Erst im Jahre 1930 gelang es dem schwedischen Ingenieur Alfred Lysholm, den ersten funktionsfähigen Doppel-Schraubenverdichter herzustellen. Im Jahre 1960 entwickelte der Franzose Bernard Zimmern einen völlig neuen Schraubenverdichter, der nach dem „Mono-Schraubenprinzip“ arbeitete und wesentliche Vorteile gegenüber dem damals bekannten Schraubenverdichter hatte. Firmen wie Daikin Industries LTD, erwarben in den 60er und 70er Jahren die Lizenzrechte an diesem Verdichter und haben diesen seither stetig weiterentwickelt und verbessert. Daikin zählt heute zu den führenden Herstellern von Swing-, Scroll- und Monoschraubenverdichtern und setzt diese seit Jahrzehnten erfolgreich in seinen Kälte und Klimasystemen ein.
Der Mono-Schraubenverdichter besteht aus nur fünf beweglichen Teilen und zeichnet sich durch eine sehr hohe Zuverlässigkeit aus. Der Verdichter verfügt über einen Hauptrotor, der ohne Getriebe direkt mit dem E-Motor gekoppelt ist. Die Verdichtung erfolgt über zwei tangential gegenüberliegend liegende Stern-Nebenrotoren, deren Sternprofil das Negativbild des Hauptrotors darstellt. Die Dichtflächen der Sternrotoren sind aus einem extrem robusten, mit Kohlenstoff imprägnierten verschleißarmen Verbundwerkstoff gefertigt. Die damit entstehende Abdichtung zwischen Metall am Hauptrotor und Verbundmaterial an den Nebenrotoren ist selbst schmierend und verringert die Notwendigkeit von Öl als Druckabdichtung. Der Mono-Schraubenverdichter versteht sich insofern als ölarmer Verdichter mit geringem Ölwurf in den Kältekreislauf. 
Eine Besonderheit die den Mono-Schraubenverdichter als Rotationsverdichter auszeichnet ist, dass durch die Sternrotoren eine kontinuierliche Doppelverdichtung erreicht wird. Da der Verdichtungsprozess auf beiden Seiten des Hauptrotors synchron abläuft führt dies neben einer geringen Verdichterbaugröße zu einer kompletten Aufhebung der durch den Verdichtungsdruck und die rotierenden Massen erzeugten radialen Momente. Eine Ausgleichsbohrung im Hauptrotoreliminiert die axialen Schubkräfte des Saugdruckes, die sonst auf die Lagerstellen wirken würden. 
Der Geräuschpegel des Mono-Schraubenverdichters ist aufgrund des doppelwandigen Verdichtergehäuses und des teilintegrierten Ölabscheiders besonders niedrig. Der Druckstutzen des Verdichters ist konstruktiv als Schalldämpfer ausgeführt. Mit der Doppelverdichtung auf beiden Seiten des Hauptrotors ergeben sich Schallwellen, deren Amplitude um eine Halbwelle versetzt ist, so dass sich diese akustisch aufheben.
CO2-Emissions- und Kosteneinsparung im Wärmepumpenbetrieb
Betrachtet man die Wärmepumpe gegenüber einem konventionellen Heizsystem mit Öl oder Gas, wird hier ein gewaltiger Beitrag zur CO2-Emissionseinsparung gebracht.
Wenn wir mit einem Wärmebedarf von 657.400 kWh/a rechnen, spart der Betreiber gegenüber einem Gasheizsystem pro Jahr 20 % CO2 ein. Nimmt man für denselben Wärmebedarf von 657.400 kWh/a, einen Gas Wärmepreis von 0,082€/kWh und einem Strompreis von 0,13€/kWh an, ist ein theoretisches Einsparpotenzial von 58 % seiner Jahresheizkosten möglich.
Fazit
Die Gesamtanlage wurde nach Inbetriebnahme und Probelauf im Herbst 2007 an den Nutzer übergeben. Seit dem wärmt und kühlt die installierte Technik zur vollen Zufriedenheit der Betreiber und nicht zuletzt, natürlich auch der vielen Besucher.
Das Planungskonzept des Bauherrn, des Fachplaners und des Anlagenbauers, in welches sich die hier geschilderte Anlagentechnik einordnet, ist damit erfolgreich umgesetzt worden.
Dieses Projekt sollte man als Leuchtturmprojekt für andere sehen, hier zeigt sich das dass Zusammenspiel moderner Anlagentechnik und Umweltbewusster Planung ein voller Erfolg sein kann.
Projektdaten
Bauvorhaben: Neubau Stadthalle Singen
Bauherr: Stadt Singen
Planung und Ausführung Anlagentechnik: Kältetechnik Held GmbH, Donaueschingen
Ausführungszeitraum: 2007
Autor
Patrick Söder, Kälteanlagenbaumeister,
seit 2007 Planungsberater Kaltwassersysteme bei Daikin Airconditioning Germany GmbH
