Energetische Untersuchung heizungstechnischer Versorgungskonzepte von Gebäuden

Diplomarbeit von Dietmar Stephan

Problemstellung:

Die Tatsache der auf hohem Niveau verharrenden Kosten für den Bezug klassischer Energieträger stellt insbesondere die Bewirtschafter großflächiger Gebäudeeinheiten vor neue Herausforderungen. Von ihnen ist wachsender finanzieller Mehraufwand gefordert, um weiterhin die vereinbarten Nutzungsparameter absichern zu können.

Diese sich extern generierenden Ausgaben gilt es zu minimieren.

Gelingt es, zusätzlich über gebäudeinterne Maßnahmen steigende Kosten zu kompensieren, gewinnen Attraktivität und Rentabilität des Objektes gleichermaßen, was insbesondere für Büro- und Gewerbeimmobilien von Bedeutung ist.

Gang der Untersuchung:

Mit der Diplomarbeit hat sich der Verfasser das Ziel gesetzt, einen Leitfaden zu erstellen, der es ermöglicht, Potential zur Verbesserung der Effizienz von Anlagen zur Beheizung von Gebäuden zu erkennen.

Dazu sind zunächst am Beispiel einer mit Nichtwohngebäuden bebauten Liegenschaft Möglichkeiten zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit einzelner Teilabläufe innerhalb des bestehenden Nahwärmeversorgungsnetzes aufzuzeigen und zu diskutieren. Aus den Lösungsansätzen der Problemfelder des Beispielobjektes sollen Leitlinien erarbeitet werden, mit deren Hilfe Konzepte zur Erhöhung der Effektivität der heizungstechnischen Versorgung, unabhängig vom Gebäudetyp (Wohn- oder Nichtwohngebäude), entwickelt werden können.

Da die überwiegende Nachfrage nach Konzepten zur Reduzierung des Energieeinsatzes aus dem Segment der Bestandsimmobilien älterer Baujahre zu erwarten ist, dienen die zu Beginn der Diplomarbeit beschriebenen Verfahren zur überschlägigen Einschätzung des Wärmebedarfs (Konstruktion einer Bedarfslinie, flächenbezogene Verbrauchswerte) dazu, den Ist- Zustand mit vertretbarem Aufwand zu erfassen.

Die daran anschließend aufgezeigte Bandbreite der am Markt verfügbaren Systeme zur Erwärmung des Heizungswassers charakterisiert diese jeweils kurz und versucht durch den Vergleich von Kennwerten, beispielsweise von Niedertemperatur- und Brennwerttechnik, erste nachvollziehbare Aussagen hinsichtlich derer Wirtschaftlichkeit zu treffen.

Den Verfahren der alternativen Wärmeerzeugung (Solarthermie, Wärmepumpe, Kraft- Wärme- Kopplung bzw. Verwertung von Biomasse) wurde dabei besonderes Augenmerk geschenkt, da die Bedeutung der Träger erneuerbarer Energien in Analogie zu den steigenden Bezugskosten für Heizöl und Erdgas zunimmt.

Jedoch entscheidet das Zusammenwirken der strukturellen Bedingungen am Einsatzort nicht unwesentlich über die Wirtschaftlichkeit des umzusetzenden Projektes.

Ein weiterer Punkt widmet sich dem Einsatz von Elektroenergie, die mit hohen Erzeugungs- und Transportverlusten behaftet, jedoch zum Antrieb der Umwälzpumpen notwendig ist.

Bei der Betrachtung der Förderung des Heizungswassers werden insbesondere die Wechselwirkungen zwischen technisch möglichen Lösungsvarianten und deren wirtschaftlichen Auswirkungen herausgearbeitet.

Letztendlich wird auf die Notwendigkeit der Beurteilung der Qualität der Anlagenregelung hingewiesen, denn nur eine optimale Abstimmung zwischen Wärmeerzeugung, -transport und -abforderung gewährleistet einen nicht mehr als notwendigen Primärenergieeinsatz.

Die im einleitenden Abschnitt dargelegten Erkenntnisse und aufgestellten Thesen bilden die Grundlage der Energetischen Untersuchung einer mit Gebäuden verschiedener Nutzung bebauten Liegenschaft, der Geschäftstelle des Staatsbetriebes Sachsenforst in Graupa.

Hierzu wurden die bestehenden heizungstechnischen Versorgungskonzepte analysiert und Vorschläge zur Änderung und/ oder Ergänzung der vorhandenen Anlage unter der Maßgabe erarbeitet, dass die Darstellung dieser Vorschläge, insbesondere deren Rentabilitätsnachweis, für den Auftraggeber oder einen mitunter fachfremden Entscheidungsträger nachzuvollziehen ist.

Deswegen orientiert sich die Wirtschaftlichkeitsrechnung der technischen Neukonzeptionen, Austausch der Niedertemperatur- gegen Brennwert- Kessel oder ein BHKW bzw. der Verzicht auf Standart- Pumpen, an der in der VDI 2067 Blatt 1 beschriebenen Annuitätsmethode.

Die eigens für die einzelnen Substitutionsbereiche Erzeugung bzw. Transport und Verteilung entwickelten Tabellen und Arbeitsblätter mit hinterlegten Wirtschaftlichkeitsberechnungen sowie exakte Quellenangaben zu allen Kosten und Kostenentwicklungstendenzen veranschaulichen eindrücklich das Anliegen einer allgemeinen Verständlichkeit.

Neben Aufnahme und Auswertung der Regelverläufe der Hauptheizkreise runden Hinweise zu Veränderungen betriebsinterner Abläufe die Energetische Untersuchung ab.

Der Leitfaden arbeitet zunächst die sich bei der Energetischen Untersuchung der Geschäftstelle des Staatsbetriebes Sachsenforst heraus kristallisierenden Schwerpunkte auf.

Im Ergebnis dazu stellt der Leitfaden ein Gerüst zur Verfügung, mit dessen Hilfe systematisch Potential zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit einzelner Teilbereiche innerhalb der heizungstechnischen Versorgung, unabhängig vom Typ des Gebäudes, erschlossen werden kann.

Um die mit Hilfe des Leitfadens entwickelten Optimierungsvorschläge dem Auftraggeber transparent darlegen zu können, stehen Formblätter und Rechenvorlagen zur Verfügung.

Inhaltsverzeichnis:

	Abbildungsverzeichnis	5
	Tabellenverzeichnis	6
	Formelzeichen, Indizes	8
0.	Aufgabenstellung	11
1.	Grundlagen einer Energetischen Untersuchung	12
1.1	Allgemeines	12
1.2	Teilbereiche einer Heizungsanlage	15
1.2.1	Erzeugung	15
1.2.1.1	Wärmebedarfsermittlung	15
1.2.1.2	Klassische Wärmeerzeugung	19
1.2.1.3	Alternative Wärmeerzeugung	22
1.2.2	Transport und Verteilung	29
1.2.3	Regelung	34
1.2.4	Tangierende Bereiche	35
2.	Energetische Untersuchung - Sachsenforst Graupa	37
2.1	Leistungsbeschreibung	37
2.2	Abschnitte der Energetischen Untersuchung	39
2.2.1	Heizzentrale	39
2.2.1.1	Wärmebedarf des Gebäudekomplexes	39
2.2.1.2	Analyse der Kesselanlage	44
2.2.1.3	Konzept - Brennwerttechnik	45
2.2.1.4	Konzept - Kraft- Wärme- Kopplung	50
2.2.2	Umwälzpumpen	56
2.2.2.1	Analyse der Stromverbrauchskosten	56
2.2.2.2	Amortisationsverfahren	59
2.2.2.3	Annuitätsmethode und Restwert	60
2.2.2.4	Konzept - Austausch	68
2.2.3	Regelung	71
2.2.3.1	Analyse des Betriebsverhaltens	71
2.2.3.2	Konzept - Anlagentechnik	74
2.2.3.3	Konzepte - Nutzerverhalten	76
2.2.4	Betriebsdatenerfassung und -verarbeitung	79
3.	Leitfaden zur Energetischen Untersuchung	81
3.1	Grundlagen	81
3.2	Analyse einer Heizungsanlage	82
3.3.1	Erzeugung	83
3.3.1.1	Wärmebedarf	83
3.3.1.2	Gerätetechnische Umsetzung	86
3.3.2	Transport- und Verteilung	87
3.3.3	Regelung	88
3.4	Darstellung der Konzepte	90
3.5	Arbeitsblätter	91
3.5.1	Anschlussleistung und Lufttemperatur	91
3.5.2	Austausch Heizungskessel	92
3.5.3	Systemvergleich - Brennwertkessel - BHKW	97
3.5.4	Austausch - Heizungsumwälzpumpen	102
	Literaturverzeichnis	105
	Erklärung zur selbständigen Anfertigung	107
	Anlagen

Textprobe:

Kapitel 1.2.1.3 Alternative Wärmeerzeugung:

Mehrheitlich basiert das Beheizen von Gebäuden auf einem Verbrennungsprozess fossiler Energieträger. Das Bestreben des Betreibers der Anlage ist dabei aus ihr den maximalen Nutzen mit minimalem Einsatz zu ziehen, was bedeutet den gekauften Brennstoff bestmöglich zu verwerten. Getrieben von dieser Forderung haben die am Markt agierenden Unternehmen den Wirkungsgrad der angebotenen Kessel und Thermen schrittweise verbessert.

Der heutige Stand der Technik, die Brennwertnutzung (Tabelle 1.1), markiert gewissermaßen einen Endpunkt gerätetechnischer Lösungen. Damit lag der Gedanke nahe die zweite Gruppe der Primärenergien, die Träger der erneuerbarer Energien, auf ihre Verwertbarkeit untersuchen. Regenerative Energien entspringen in der Umwelt ablaufenden Prozessen, die eine fortdauernde Verfügbarkeit von Sonnenlicht und -wärme, Windenergie, Erdwärme und Biomasse gewährleisten.

Von diesen Quellen ist die auf der Erdoberfläche auftreffende Solarstrahlung am augenscheinlichsten wahrzunehmen. Im Territorium des Freistaates Sachsen betrug die Mittlere Jahressumme der Globalstrahlung (direkter plus diffuser Anteil) im Zeitraum von 1981 bis 2000 zwischen 950 und 1050 W/ m2. Ein beachtliches Wärmeangebot welches die Solarthermie nutzt.

Bei ihr absorbieren Flach- bzw. Vakuumröhrenkollektoren große Teile der einfallenden elektromagnetischen Wellen, wandeln sie in länger wellige Wärmestrahlung um und erwärmen somit das Heizwasser. Das Witterungs- und tageszeitlich bedingt schwankende solare Angebot und unregelmäßige Abforderungen verlangen eine zusätzliche Zwischenspeicherung der gewonnenen Energiemengen. Wesentlich problematischer ist hingegen die Tatsache, dass in den Sommermonaten kein Bedarf besteht Räume zu erwärmen, hingegen in der Heizperiode meist nur der diffuse Anteil (Tageshelligkeit bei Bewölkung) der Gesamtstrahlung genutzt werden kann. Aus diesem Grund sind thermische Solaranlagen überwiegend in der Trink- und Brauchwassererwärmung vorzufinden, da dort eine gewisse Kontinuität der Abnahme zu erwarten ist. Hingegen lassen sich Projekte im Heizungsbereich, wofür der Bau eines Langzeitspeichers erforderlich ist, ohne Inanspruchnahme weit reichender Subventionen nur durch die Kombination der Erwärmung von Nutz- oder Trinkwasser wirtschaftlich umsetzen.

Deswegen ist die Zielstellung der überwiegenden Anwendungen in den Zeiträumen Frühling und Herbst die Kessellaufzeiten zu reduzieren oder den Erzeuger gänzlich abzuschalten.