Dietmar Stephan
Energetische Untersuchung heizungstechnischer Versorgungskonzepte von Gebäuden
Entwicklung eines Leitfadens
ISBN: 978-3-8366-0687-5
Druck Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2008
Zugl. Hochschule Mittweida (FH), Mittweida, Deutschland, Diplomarbeit, 2007
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http://www.diplom.de, Hamburg 2008
Printed in Germany
1
Referat:
Ziel der Diplomarbeit ist es einen Leitfaden zu erstellen, der es ermöglicht Potential
zur Verbesserung der Effizienz von Anlagen zur Beheizung von Gebäuden zu erken-
nen.
Dazu werden zunächst am Beispiel einer mit Nichtwohngebäuden bebauten Liegen-
schaft Möglichkeiten zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit einzelner Teilabläufe
innerhalb des Nahwärmeversorgungsnetzes aufgezeigt und diskutiert.
Letztendlich sind aus den Lösungsansätzen der einzelnen Problemfelder Leitlinien
erarbeitet worden, mit deren Hilfe Konzepte zur Erhöhung der Effektivität der hei-
zungstechnischen Versorgung, unabhängig vom Gebäudetyp, entwickelt werden
können.
3
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
30
1.2.3
Regelung
34
1.2.4
Tangierende Bereiche
36
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
4
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
Anlagen
5
Abbildungsverzeichnis
Abb.
Benennung
1.1
Bedarfslinie _ Konstruktion
18
(Norm- Außentemperatur Riesa : -16 °C)
1.2.
Belastungsprofil _ Heizungsumwälzpumpe (Stadt Pirna)
30
1.3
Vergleich _ Pumpengattungen
33
2.1
Nahwärmenetz _ schematische Darstellung
38
3.1
Bedarfslinie _ schematische Konstruktion
86
6
Tabellenverzeichnis
Tab.
Benennung
1.1
Heizkessel _ Kennwerte
20
1.2
Lastzustände _ prozentuale Verteilung
30
2.1
Gasverbrauch _ 01.2004 - 10.2006
39
2.2
Gasverbrauch _ flächenbezogene Wärmemengen
40
2.3
Heizenergieverbrauchskennwerte _ Benchmark
40
2.4
Bedarfslinie _ Wertepaare
41
2.5
Einsatz von Brennwerttechnik _ fiktive Ersparnis 2004
45
2.6
Einsatz von Brennwerttechnik _ fiktive Ersparnis 2005
46
2.7
Kesselaustausch _
48
Investitionskosten und Rechnerische Nutzungsdauer
2.8
Kesselaustausch _ Kosten des Betreibens
48
2.9
Kesselaustausch _ Annuitäten der Jahresgesamtzahlungen
49
2.10
Systemvergleich _ Brennwert- Kessel - BHKW _
53
Investitionskosten und Rechnerische Nutzungsdauer
2.11
Systemvergleich _ Brennwert- Kessel - BHKW _
53
Kosten des Betreibens
2.12
Systemvergleich _ Brennwert- Kessel - BHKW _
55
Annuitäten der Jahresgesamtzahlungen
2.13
Pumpenaustausch _ Stromkosten
57
2.14
Pumpenaustausch _ Varianten
58
2.15
Pumpenaustausch _ Amortisationszeiten
59
2.16
Pumpenaustausch _ Annuitäten der Investitionen
61
2.17
Pumpenaustausch _ Annuitäten für das Betreiben
63
2.18
Pumpenaustausch _ Annuitäten der Stromkosten
64
2.19
Pumpenaustausch _ Annuitäten der Jahresgesamtzahlungen
65
2.20
Pumpenaustausch _ Restwerte und Ersparnis Stromkosten
67
2.21
Pumpen _ Wärmeverteilungsnetz
68
2.22
Pumpenaustausch _ allgemeine Empfehlungen
70
2.23
Messung Schindelbau _ Auswertung Temperaturverlauf
74
7
Tab.
Benennung
2.24
Messungen 133.9 und 133.10 _ Bewertung eingestellter
75
Regelparameter
3.1
Heizenergieverbrauchskennwerte _ Benchmark
84
8
Formelzeichen
Zeichen
Einheit
Benennung / Erklärung
a
Annuitätsfaktor
N
A
, Cent
Annuität
b
Barwertfaktor
a
b
preisdynamischer Annuitätsfaktor
c
kJ/ kg * K
spezifische Wärmekapazität
f
s
-1
Netzfrequenz
g
m/ s²
Fallbeschleunigung
P
g
G
, Cent
Gasgrundpreis
P
a
G
, Cent
Gasarbeitspreis
H
m
Förderhöhe
K
, Cent
Kosten
m
&
kg/ h
Massestrom
n
min
-1
Drehzahl
Inv
Ers
n
Anzahl der Ersatzinvestitionen
P
W
Leistung
p
P
Polpaarzahl
p
Pa, bar
Druck
Q
kWh
Wärmemenge
Q&
kW/ h
Wärmestrom
q
Aufzinsungsfaktor
r
Preisänderungsfaktor
W
R
, Cent
Restwert
P
m
S
, Cent
Strommischpreis
t
s, h
Zeit
T
a, d, h
Betrachtungszeitraum
A
T
a
Amortisationszeit
9
Zeichen
Einheit
Benennung/ Erklärung
N
T
a
Rechnerische Nutzungsdauer
V
m³
Volumen
V&
m³/ h
Volumenstrom
wirk
W
kWh
Wirkarbeit
Differenz
Wirkungsgrad, Nutzungsgrad
°C
Temperatur
kg/ m³
Dichte
Indizes
Zeichen
Benennung/ Erklärung
a
Jahr
ab
abgegeben
B
Betreiben
Bedi
Bedienung
el
elektrisch
Ersp
Ersparnis
Erzg
Erzeugung
förd
förder(n)
G
Gas
Geb
Gebäude
ges
gesamt
I
Investition
Ins
Instandsetzung
M
Motor
m
gemittelt
max
maximal
10
Zeichen
Benennung/ Erklärung
min
minimal
N
Norm
L
Luft
Lftg
Lüftung
P
Pumpe
R
Raum
L
R
Rücklauf
Trsm
Transmission
S
Strom
syn
synchron
th
thermisch
Verbr
Verbrauch
Verl
Verlust
Vert
Verteilung
L
V
Vorlauf
zu
zugeführt
W
Wasser
Wart
Wartung
Whzg
Wiederaufheizung
11
0
Aufgabenstellung
Entwicklung eines Leitfadens zur Energetischen Untersuchung heizungstech-
nischer Versorgungskonzepte von Gebäuden
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 kom-
pensieren, gewinnen Attraktivität und Rentabilität des Objektes gleichermaßen, was
insbesondere für Büro- und Gewerbeimmobilien von Bedeutung ist.
Im Rahmen der Diplomarbeit sollen zunächst am Beispiel einer mit Gebäuden ver-
schiedener Nutzung bebauten Liegenschaft, der Geschäftstelle des Staatsbetriebes
Sachsenforst in Graupa, Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz der Nahwär-
meversorgung aufgezeigt und diskutiert werden.
Dazu sind bestehende Konzepte zu analysieren und Vorschläge zur Änderung und/
oder Ergänzung der vorhandenen heizungstechnischen Anlage zu erarbeiten.
Die Rentabilität dieser Vorschläge ist fundiert und nachvollziehbar zu belegen.
In Auswertung der sich heraus kristallisierenden Schwerpunkte sind Leitlinien zu
erstellen, die es ermöglichen Potential zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit ein-
zelner Teilbereiche innerhalb der heizungstechnischen Versorgung, unabhängig vom
Gebäudetyp (Wohn- oder Nichtwohngebäude), zu erkennen.
Um aus dem dabei gewonnenem Datenmaterial Optimierungsvorschläge entwickeln
und bei Bedarf dem Auftraggeber transparent darlegen zu können, sind diese Ziel-
stellung unterstützende Formblätter und Rechenvorlagen zu entwerfen.
12
1
Grundlagen einer Energetischen Untersuchung
1.1
Allgemeines
,, Rund 40 % der gesamten Endenergie, die in Deutschland für alle Anwendungsbe-
reiche zur Verfügung gestellt wird, wird in privaten Haushalten und beim Autofahren
verbraucht."
Wiederum zwei Drittel von diesem Anteil werden für das Beheizen von Gebäuden
und die Warmwasserversorgung (59 %) sowie den Betrieb der vielfältigen elektri-
schen Verbraucher (8 %) verwendet.
1
Und die Bezugspreise der bereitstehenden Primärenergieträger, Erdöl und -gas, ver-
harren bei den erreichten Maximalwerten. Fernerhin ist auf Grund wachsender Nach-
frage, insbesondere aus den prosperierenden Volkswirtschaften Asiens, zukünftig
keine gegenläufige Entwicklung zu erwarten.
Neben dem Finanziellen rücken immer mehr Aspekte des Klimaschutzes in den Fo-
kus, die ebenfalls auf eine Minimierung von Wandlungs- und Übertragungsverlusten
drängen. Jeder, ob Eigentümer oder Betreiber einer Heizungsanlage, ist somit gefor-
dert diesen Rahmenbedingungen Rechnung zu tragen.
Die nächstliegende Reaktion, das Begleichen der Preissteigerungsraten durch den
Nutzer, bleibt in ihrem Umfang begrenzt. Soll jedoch das Gesamtkostenniveau län-
gerfristig festgeschrieben oder gar reduziert werden, ist es notwendig das zu bewirt-
schaftende Objekt allumfassend zu betrachten.
Zeitgemäßes Management einer Immobilie achtet darum auf die Wechselwirkungen
zwischen den drei über das Flächenmanagement (FM) miteinander verbundenen
Leistungsbereichen Technisches (T-), Infrastrukturelles (I-) und Kaufmännisches Ge-
bäudemanagement (KGM).
Damit ist es möglich mit dem im Technischen Gebäudemanagement eingebetteten
Energiemanagement, falls es konsequent angewandt wird, die Vermietbarkeit zu
verbessern bzw. finanzielle Mittel des Eigennutzers für andere Verwendungen frei zu
stellen.
1
http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htm, Lexikon Energiewelten,
Energieverbrauch - Haushalte, verfügbar am 09.03.2007
13
Das Energiemanagement ist nach DIN 32736 (08.2000) in die Leistungsbereiche
Energetische Untersuchung
a)
Gewerke übergreifende Analyse der Energieverbraucher
b)
Ermitteln von Optimierungspotentialen
c)
Planen der Konzepte unter betriebswirtschaftlichen Aspekten
d)
Berechnen der Rentabilität
Praktische Umsetzung
e)
Umsetzen der Einsparungsmaßnahmen
f)
Nachweisen der Einsparungen
2
einteilbar.
So basieren die im ersten Schritt der Energetischen Untersuchung entwickelten
Konzepte (c, d) auf der Analyse (a, b) des Betriebsverhaltens sowie des baulichen
Zustandes der Anlage.
Im Analyseteil laufen verschiedene Schritte wie
-
Bewertung von Energie- und Medienabrechnungen und der dazugehö-
rigen Versorgungsverträge
-
Verbrauchserfassung und -auswertung unter Berücksichtigung des
Verhaltens und der Anforderungen der Nutzer
-
Anlagen-Ist-Zustandsaufnahme vor Ort
-
Beurteilung von Wärmeverteilung und -erzeugung
-
Durcharbeiten der technischen Unterlagen
nebeneinander ab.
Im zweiten Teil des Energiemanagements werden die sich amortisierenden Konzep-
te praktisch umgesetzt (e), wobei die dokumentierten Verbrauchswerte (f) des fort-
laufenden Betriebes eine Rückkopplung zu den erbrachten Planungsleistungen si-
cherstellen.
2
DIN 32736.- Gebäudemanagement - Begriffe und Leistungen, Seite 3, Abschnitt 3.1.3
14
Energiemanagement ist in heizungs-, lüftungs-, klima- und elektrotechnischen Anla-
gen anwendbar, wobei zwischen den Gewerken keine konkret definierbaren Schnitt-
stellen zu erwarten sind.
Die Diplomarbeit beschränkt sich, bedingt durch die dem Ingenieurbüro übertragene
Aufgabenstellung, auf die Bearbeitung der bei der Energetischen Untersuchung von
Heizungsanlagen auftretenden Fragen.
Einleitend erfolgt dazu die Darstellung der fachlichen Grundlagen zur Analyse der
Teilbereiche eines Heizungskreislaufes - Erzeugung, Transport und Verteilung, Re-
gelung - und weiterer diese tangierenden Fragestellungen.
Die Auswahl der für die Nutzenübergabe in den zu beheizenden Raum verantwortlich
zeichnenden Wärmeübertragungsflächen wird dabei nicht untersucht, da man bei
einer eventuellen Überdimensionierung ihre Leistungsminimierung in der Praxis eher
mittels regelungstechnischer Einstellungen als durch kostenintensiven Austausch
vornimmt.
Als praktische Umsetzung schließt sich die Energetische Untersuchung, beginnend
mit der Analyse der Nahwärmeversorgung, der Liegenschaft Staatsbetrieb Sachsen-
forst, Geschäftsstelle Graupa an.
Anschließend werden die für die Themenbereiche Wärmeerzeugung, -transport und -
verteilung sowie Betriebsverhalten der Anlagen des Gebäudekomplexes erarbeiteten
Konzepte bewertet und diskutiert.
Die in Auswertung der bearbeiteten Problemfelder erstellten Leitlinien sollen als ein
Grundgerüst bei der Begutachtung der Beheizung anderer Gebäude nach energeti-
schen Gesichtspunkten Verwendung finden, wobei diesbezüglich entworfene Form-
blätter und Rechenvorlagen das Angebot abrunden.
Die Struktur des Leitfadens orientiert sich, wie die Darstellung der anderen Schwer-
punkte der Diplomarbeit (theoretische Grundlagen, objektbezogene Umsetzung), an
den drei großen Teilbereichen einer Heizungsanlage.
15
1.2
Teilbereiche einer Heizungsanlage
1.2.1
Erzeugung
1.2.1.1
Wärmebedarfsermittlung
Um Räume in der vorgesehen Weise nutzen zu können, sind in ihnen dem menschli-
chen Empfinden von Behaglichkeit entsprechende Bedingungen zu schaffen und
aufrecht zu erhalten. Faktoren wie Schallschutz, Beleuchtung, Temperatur sowie Gü-
te und Strömungsgeschwindigkeit der Luft bestimmen in Abhängigkeit der Tätigkeit
der sich darin aufhaltenden Personen, ob sie ihre Umgebung als angenehm oder auf
das Wohlbefinden störend einwirkend wahrnehmen.
Die eingangs genannten physikalischen Größen beeinflussen somit in allen Arbeits-
bereichen Quantität und Qualität der angestrebten Arbeitsergebnisse.
Für die Konzeption wärmetechnischer Anlagen bedeutet dies, die jeweiligen für die
Art der Nutzung optimalen Temperaturwerte, unter Beachtung der einwirkenden
Störgrößen, zum gewünschten Zeitpunkt wertmäßig sicher zu stellen.
Dazu muss neben anderem gewährleistet werden, dass selbst unter ungünstigsten
äußeren Rahmenbedingungen eine den Bedarf deckende Wärmemenge verfügbar
ist.
Aus diesem maximalen Wärmebedarf, der neben baulichen Gegebenheiten die auf
die Raumsituation(en) störend einwirkenden Transmissions- (
Trsm
Verl
Q
,
) bzw. Lüf-
tungswärmeverluste (
Lftg
Verl
Q
,
) und die zusätzlichen Bedarfe für das Wiederaufheizen
nach betriebsbedingter Raumtemperaturabsenkung (
Whzg
Q
) berücksichtigt, kann
die erzeugende Einheit leistungsmäßig auslegt oder in ihrer Dimensionierung über-
prüft werden.
Unter Verwendung geeigneter Software, welche alle Größen der drei wesentlichen
Einflussbereiche (Innenraumbedingungen, Baukörper und Außenklima) mit den bei
Neubauvorhaben üblichen digitalisierten Zeichnungen verknüpft, sind die Norm-
Heizlasten eines Raumes (
R
N
Q
,
), eines Gebäudes (
Geb
N
Q
,
) oder des gesamten Ge-
bäudekomplexes, entsprechend DIN EN 12831 (Heizungsanlagen in Gebäuden -
Verfahren zur Berechnung der Norm- Heizlast) und dem dazugehörigen Nationalen
Anhang NA (DIN EN 12831 Beiblatt 1) nach
16
Whzg
Lftg
Verl
Trsm
Verl
R
N
Q
Q
Q
Q
++++
++++
====
,
,
,
(Gl. 1.1)
bzw.
++++
++++
====
Whzg
Lftg
Verl
Trsm
Verl
Geb
N
Q
Q
Q
Q
,
,
,
(Gl. 1.2)
innerhalb der Ausführungs-/ Werkplanung problemlos berechenbar.
Wesentlich zeitintensiver gestaltet sich die Ermittlung des Wärmebedarfs bei aus-
schließlich in Papierform vorliegenden Zeichnungen.
Der Aufwand aber, welcher bei fehlenden Unterlagen zur Hochbaukonstruktion be-
trieben werden müsste, um den normativ vorgezeichneten Rechenweg beschreiten
zu können, ist schlichtweg unbezahlbar.
Daneben findet für die in der Praxis oftmals anzutreffenden Anlagenerweiterungen,
Stilllegungen von Netzabschnitten und/ oder geänderten Raumnutzungen häufig kei-
ne Korrektur der Unterlagen statt.
Dadurch ist bei der Mehrzahl der zu untersuchenden Objekte, denen aus dem Be-
stand, eine rechnerische Bedarfsbestimmung kaum möglich.
Das Problemfeld ist auch auf messtechnischem Wege schwierig zu erschließen, da
Einrichtungen zur Wärmemengenerfassung meist nicht vorhanden sind.
Aus diesen Gründen wird ein den Kosten angemessenes Verfahren benötigt, mit
dem aus wenigen zu erhebenden Daten eine weiter verwertbare Aussage über den
tatsächlichen Anlagenbedarf getroffen werden kann.
Die damit bestimmte Wärme(anschluss-)leistung zeigt dann im Vergleich mit der vom
Versorger bereitgestellten Bezugsleistung ob energetisches Einsparpotential zu er-
warten ist.
Durch die Konstruktion einer so genannten Bedarfslinie ist die bei Norm- Außen-
temperatur erforderliche thermische Leistung näherungsweise ermittelbar.
Dazu sind die Brennstoffeinsätze über einem längeren Zeitraum täglich, möglichst
zum selben Zeitpunkt, unter Auslassung untypischer Betriebsabschnitte
(So/ Mo, Fr/ Sa, Sa/ So) zu bestimmen, gemäß der verbrennungstechnischen Um-
setzung mit dem stoffspezifischen Heiz- (H
i
) bzw. Brennwert (H
s
) in nutzbare Wär-
17
memengen umzurechnen und gleichmäßig auf die vierundzwanzig Stunden zwi-
schen den Zeitpunkten ihrer Messungen aufzuteilen.
Eine derartige Normierung der Bedarfsabforderungen erscheint gerechtfertig, da die
Verbrauchsverläufe im Tagesgang ebenso wenig wie das Speicherverhalten der Ge-
bäude zu erfassen sind.
Die innerhalb einer Stunde zugeführten Wärmemengen entsprechen damit den not-
wendigen thermischen Anschlussleistungen (
zu
th
P
,
).
Sie bilden mit den dazugehörigen, gemittelten Lufttemperaturwerten (
m
L,
), welche
von der dem Ort der Energetischen Untersuchung nächstgelegenen Wetterstation
einzuholenden und entsprechend der Lage des Zeitpunktes der Messungen zu mit-
teln sind, Wertepaare der Funktion
((((
))))
m
L
zu
th
f
P
,
,
====
(Gl. 1.3) .
Durch die Menge der von diesen Paarungen - Außentemperatur (Abszisse) und
Wärmeleistung (Ordinate) - gebildeten Schnittpunkte verläuft die Bedarfslinie.
Sie berührt oder nähert sich dabei der Mehrzahl Punkte und schneidet die senkrecht
auf der x- Achse stehende, bei Norm- Außentemperatur beginnende Hilfslinie.
Deren weiterer Verlauf bis zum Zielpunkt, dem thermischen Anlagengesamtbedarf
unter Auslegungsbedingungen, ist an unterstehender Beispielabbildung (
Abbildung
1.2 - 1
)
leicht nachvollziehbar.
Die grafische Bestimmung der Wärme(anschluss-)leistung liefert somit ein für das
Energiemanagement brauchbares Ergebnis.
Seine Genauigkeit ist für die Beurteilung von Liefervereinbahrungen und in der Vor-
entwurfsphase zur Neuauslegung von Heizkesseln , Fernwärmeübergabestationen
bzw. Brennstoffbevorratungskapazitäten durchaus hinreichend.
18
Bedarfslinie - Konstruktion
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Außentemperatur [°C]
W
ä
rm
e
le
is
tu
n
g
[
k
W
]
Wertepaare
Abbildung 1.1 _ Bedarfslinie _ Konstruktion (Norm- Außentemperatur Riesa : -16 °C)
Eine weitere Möglichkeit um erste Aussagen zur Anlageneffizienz treffen zu können
besteht im Rückgriff auf flächenbezogene Verbrauchswerte.
Diese eignen sich insbesondere für Anlagen in denen keine Einrichtungen zur konti-
nuierlichen Verbrauchsmessung des Brennstoffes (beispielsweise bei der Versorgung
kleiner Wohneinheiten mit Heizöl oder Flüssiggas) vorhanden sind oder diese nur mit
unvertretbar hohem messtechnischem Aufwand zu realisieren wären.
Dazu ist der Brennstoffeinsatz für den Zeitraum eines (Kalender-)Jahres so genau
wie möglich festzustellen, der ihm innewohnende Energieinhalt zu errechnen und auf
die Bruttogrundfläche
(
BGF) zu beziehen.
Die BGF setzt sich dabei aus der Summe der Nutz- (NF), Technischen Funktions-
(TF) und Verkehrsflächen (VF) aller Grundrissebenen der einzelnen Gebäude zuzüg-
lich derer konstruktiver Umschließungen (KGF), zusammen.
Verwendbare Richtgrößen zur Einschätzung des jeweiligen objektbezogenen
Verbrauchs sind in Auswertung mehr oder minder repräsentativer Datensammlungen
von Verbänden, Unternehmen und anderen Anbietern entstanden.
19
1.2.1.2
Klassische Wärmeerzeugung
Die Erwärmung des Heizungswassers kann örtlich gesehen direkt im Gebäude, in
seiner unmittelbaren Nähe oder an einem weiter vom Verbraucher entfernten Stand-
ort erfolgen. Letztere Variante soll nicht betrachtet werden, weil Verwalter oder Ei-
gentümer der an das Fernleitungsnetz angeschlossenen Abnehmeranlagen bereits
energetisch beaufschlagtes Wasser beziehen und weder Einfluss auf die Erzeugung
noch die damit verbundenen wirtschaftlichen Fragestellungen nehmen können.
Nur wenn Anlagen zur Wärmeerzeugung im Gebäude installiert bzw. Bestandteil der
zu versorgenden Liegenschaft sind, bestehen unmittelbare Gestaltungsmöglichkeiten
auf den Wärmegestehungspreis einzuwirken.
Der Wärmegestehungspreis, die Kosten pro erzeugter Kilowattstunde Wärmemenge,
setzt sich aus den finanziellen Aufwendungen für zu kreditierendes Kapital, Brenn-
stoffbezug und anlagentechnische Umsetzung zusammen.
Besonderes Augenmerk verdient dabei letztgenannter Bereich, da die Güte der
Wandlung chemischer in thermische Energie und deren übertragener Anteil an das
Heizungswasser entscheidend für die Ausnutzung des Endenergieträgers sind.
Die Effektivität der technischen Umsetzung dieses Prozesses beschreibt der im
Dauerbetrieb des Wärmeerzeugers unter konstanter Nennwärmeleistungsabgabe
bestimmte Kesselwirkungsgrad. Er bezieht sich bei allen eingesetzten Kesseln bzw.
Thermen auf den Heizwert (H
i
) des Brennstoffes.
Die drei bei der Verbrennung von Heizöl und Erdgas gleichermaßen vorzufindenden
Heiztechniken arbeiten heiz- und abgasseitig in verschiedenen Temperaturbereichen
(
Tabelle 1.1
). Diese bedingen im Wesentlichen die Höhe der den Kesselwirkungs-
grad beeinflussenden Verluste.
So verursachen in einem Standard- oder Konstanttemperatur- Kessel die gleich
bleibend hohen Temperaturen von Vorlaufwasser (um 90 °C) und Abgas (> 160 °C)
Abstrahlungs- und Stillstandsverluste von ungefähr einem Fünftel der zugeführten
Energie.
20
Gerätespezifische Verbesserungen ermöglichen beim Niedertemperatur- Kessel
einen Betrieb mit niedrigerer und gleitender Vorlauftemperatur, wodurch sich dieser
Verlustanteil auf ca. 1 % verringert.
Darauf aufbauend entziehen Geräte mit Brennwerttechnik dem im Abgasvolumen-
strom vorhandenen Wasserdampfanteil zusätzlich die Kondensationswärme, wo-
durch theoretisch ein Kesselwirkungsgrad von 106 % (Heizöl) bzw.111 % (Erdgas)
3
erreichbar ist.
Standard- Kessel
Niedertemperatur- Kessel
Brennwert- Kessel
Kesseltemperatur
konstant
zwischen 80 und 90 °C
gleitend
zwischen 40 und 80 °C
gleitend
zwischen 30 und 80 °C
Abgastemperatur
> 160 °C
> 120 °C
zwischen 40 und 110 °C
Abstrahl- und Stillstandsverluste
hoch, um 20 %
niedrig, um 1 %
niedrig, um 1 %
Kesselwirkungsgrad, bezogen auf H
i
bis zu 70 %
bis zu 93 %
bis zu 107 %
Kesselwirkungsgrad, bezogen auf H
s
bis zu 66 %
bis zu 93 %
bis zu 96 %
Tabelle 1.1 _ Heizkessel _ Kennwerte (Brennstoff : Gas
4
, H
i
: Heizwert, H
s
: Brennwert)
Der obige Vergleich verdeutlicht die zentrale Bedeutung wirtschaftlich arbeitender
Heizwärmererzeuger bei der Umsetzung individuell finanzieller und gesamtgesell-
schaftlich ökologischer Zielsetzungen. Auf Grund letzterer Bestrebungen verfügte der
Gesetzgeber in der EnEV (Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und
3
http://www.ea-nrw.de/unternehmen/page.asp?TopCatID=&CatID=3915&RubrikID=3915,
Wärmeerzeugung, Absatz 1.4 bzw. 2.2 Effizienz, verfügbar am 19.03.2007
4
Adresse wie
3
,
Wärmeerzeugung, Absatz 2.2 Effizienz, verfügbar am 21.03.2007
21
energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden vom 21.11.2001) im § 9 Abs. 1 den
Austausch mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen beschickter Heizkessel älte-
rer Bauart gegen die für den Neubaubereich verbindliche Niedertemperatur- bzw.
Brennwerttechnik (§ 11/ Abs. 2).
Das dies notwendig ist zeigt beispielsweise ein Norm- Nutzungsgrad (
N
) zwischen
82 und 88 % (4 400 kW)
5
für Standard- Heizkessel, deren Inbetriebnahme ca. 20
Jahre zurück liegt, an.
Der nach DIN 4702 Teil 8 (Heizkessel - Ermittlung des Norm- Nutzungsgrades und
des Norm- Emissionsfaktors) bestimmte gerätebezogene Parameter
N
bildet die
tatsächlichen Verhältnisse während eines Kalenderjahres (266 Heiztage) ab und ist
deswegen aussagekräftiger als der Kesselwirkungsgrad.
Der Norm- Nutzungsgrad verringert sich nach energetischer Sanierung der Umfas-
sungsflächen der (des) versorgten Gebäude(s) weiter, da der Kessel ab dem Zeit-
punkt mit Sicherheit überdimensioniert ist, wodurch sich bei dieser Konstellation die
Substitution betagter Wärmeerzeuger besonders lohnt.
In jedem Fall sollte ein Brennwert- gegenüber einem Niedertemperaturgerät bevor-
zugt werden, da sich seine höheren Investitionskosten über die bessere energetische
Ausbeute mehr als refinanzieren.
Aus technischer Sicht kann ein Brennwertgerät in jede bestehende Anlagen einge-
bunden werden, wobei der Norm- Nutzungsgrad selbst bei ungünstigen Auslegungs-
rücklauftemperaturen (z. Bsp.:
====
L
R
60 °C
====
N
104,2 %)
6
noch über 100 %
liegt. Die Investition in ein Brennwertgerät amortisiert sich, in Abhängigkeit vom jähr-
lichen Brennstoffbedarf mehr oder minder zügig, bereits in der ersten Hälfte seiner
rechnerischer Nutzungsdauer von 20 Jahren
7
.
Trotz dieser tendenziell positiven Aussage bleibt die Notwendigkeit eine Wirtschaft-
lichkeitsrechnung mit Bezug auf die objektbezogene Einsatzsituation bestehen.
5
Viessmann Werke GmbH & Co. KG.: Fachreihe - Mittel- und Großkessel,
Ausgabe 11/ 2004, Seite 9, Bild 7
6
Buderus Heiztechnik GmbH.: Planungsgrundlage - Gas- Brennwertkessel Logano plus GE 315,
GE 515, GE 615, SE 625 und SE 725, Ausgabe 1/ 2000, Seite 6, Bild 6/ 1
7
VDI 2067 Blatt 1.- Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen - Grundlagen und
Kostenberechnung - Seiten 22, Tabelle A 2
22
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 bestmög-
lich 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 gewis-
sermaßen einen Endpunkt gerätetechnischer Lösungen.
Damit lag der Gedanke nahe die zweite Gruppe der Primärenergien, die Träger der
erneuerbarer Energien, auf ihre Verwertbarkeit zu 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 au-
genscheinlichsten wahrzunehmen.
Im Territorium des Freistaates Sachsen betrug die Mittlere Jahressumme der Global-
strahlung (direkter plus diffuser Anteil) im Zeitraum von 1981 bis 2000 zwischen 950
und 1050 W/ m².
8
Ein beachtliches Wärmeangebot welches die Solarthermie nutzt.
Bei ihr absorbieren Flach- bzw. Vakuumröhrenkollektoren große Teile der einfallen-
den elektromagnetischen Wellen, wandeln sie in länger wellige Wärmestrahlung um
und erwärmen somit das Heizwasser.
Das witterungs- und tageszeitlich bedingt schwankende solare Angebot und unre-
gelmäßige Abforderungen verlangen eine zusätzliche Zwischenspeicherung der ge-
wonnenen Energiemengen.
8
http://www.dwd.de/de/wir/Geschaeftsfelder/KlimaUmwelt/Leistungen/Klimakarten/Globalstrahlung/
Globalstrahlung1.htm, Beispiel, verfügbar am 25.03.2007
23
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 Abnah-
me zu erwarten ist.
Hingegen lassen sich Projekte im Heizungsbereich, wofür der Bau eines Langzeit-
speichers erforderlich ist, ohne Inanspruchnahme weit reichender Subventionen nur
durch die Kombination der Erwärmung von Nutz- oder Trinkwasser wirtschaftlich um-
setzen.
Deswegen ist die Zielstellung der überwiegenden Anwendungen in den Zeiträumen
Frühling und Herbst die Kessellaufzeiten zu reduzieren oder den Erzeuger gänzlich
abzuschalten.
Bei der Planung dieser Anlagen wird das Spannungsfeld zwischen einer ausreichen-
den Anzahl von Solarkollektoren zur Absicherung der Gebäudebeheizung und der
damit zwangsläufig verbundenen Überdimensionierung in der warmen Jahreszeit
schnell offensichtlich.
Um den internen Konflikt befriedigend lösen zu können, sind die in der konkreten
Einbausituation monatlich gewinnbaren Wärmemengen und vor allem die davon im
Gebäude verwertbaren Anteile vorab zu bestimmen.
Aus den Aufwendungen und jährlich zu erwartenden Ersparnissen ist mittels dynami-
scher Rechenverfahren die Wirtschaftlichkeit der beabsichtigten Investition bestimm-
bar, und die auszulegende Kollektorfläche kann gegebenenfalls weiter optimiert wer-
den.
Der Solarsystemertrag reduziert in der Bestandsanlage die zu beziehende Brenn-
stoffmenge und in der Austauschsituation zusätzlich die Größe des parallel zu betrei-
benden Wärmeerzeugers.
Andere technische Umsetzungen versuchen die von der Sonne in Umgebungsluft
und Erdreich eingebrachte bzw. in den erdoberflächennahen Schichten vorhandene
Wärme für Heizzwecke zu verwerten.
24
Die dort vorzufindenden Temperaturen reichen jedoch nicht aus, um das Heizungs-
wassers auf dem Wege eines direkten Wärmeaustausches auf den gewünschten
Vorlaufwert, selbst von ca. 35 °C einer Niedertemperaturanlage, zu erwärmen.
Erst durch den Einsatz einer Wärmepumpe (WP), deren Wirkprinzip dem eines ge-
genläufigen Kühlkreislaufes entspricht, ist ein ausreichend hohes Temperaturniveau
erreichbar.
Die im geschlossenen System befindliche Kühlflüssigkeit wechselt dabei, bedingt
durch die ihr zugeführte Umgebungswärme, in den gasförmigen Aggregatzustand.
Anschließend wird der Kältemitteldampf verdichtet, wobei seine Temperatur ansteigt.
Im zweiten Wärmetauscher (Kondensator) findet nun die Übertragung von ,, kompri-
mierter " Umgebungswärme und eingebrachter Verdichtungsarbeit auf das Heizträ-
germedium statt.
Abschließend fließt das verflüssigte und entspannte Kältemittel erneut dem Ver-
dampfer zu, womit der linksgängige Kreisprozess geschlossen wäre.
Im Rückgriff auf diese thermodynamischen Grundlagen lassen sich die baulichen
Aufwendungen bei der Installation der einzelnen Systeme erklären und Vorausset-
zungen für einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb ableiten.
Da in der Regel das Temperaturniveau der von der WP nutzbaren Energienträger
und damit die Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Ausgang des Entnahmekreis-
laufes gering ist, wird eingangsseitig eine große Wärmeübertragungsfläche benötigt.
Für die Erdwärmenutzung (Sohle/ Wasser- WP) bedeutet das entweder HDPE- Rohr
mit 1,20 bis 1,50 m Überdeckung großflächig zu verlegen oder entsprechend der
geologischen Schichtung ein bis zwei Sonden mittels vertikaler Bohrungen in Tiefen
zwischen dreißig und hundert Metern einzubringen.
Ähnlicher Arbeitsaufwand (Förder- und Schluckbrunnen) steht auch bei der energeti-
schen Nutzung des Grundwassers (Wasser/ Wasser- WP) an.
Beim dritten Typ der Luft/ Wasser- WP ist zu Zeiten des größten Bedarfs die Tempe-
raturdifferenz zwischen Umgebungsluft und Heizungsvorlauf am höchsten, wodurch
ein Mehr ein Kompressionsarbeit zu verrichten ist.
Zusätzlich besteht bei niedrigen Außentemperaturen nach unterschreiten des Tau-
punktes die Gefahr des Vereisens der Wärmetauscherflächen.
25
Jedoch erscheint mir die für diesen Einsatzfall vorgesehene elektrische Zusatzhei-
zung mit Blick auf die hohen Wandlungs- und Übertragungsverluste bei der Stromer-
zeugung wenig sinnvoll zu sein.
Daneben wird an dieser Stelle besonders deutlich, dass der Elektroenergieeinsatz
letztendlich über die Effizienz der Wärmepumpenanlage entscheidet.
Die dafür aussagekräftigste Kenngröße ist die Jahresarbeitszahl (
)
a
zu
a
ab
P
Q
/
/
&
====
(Gl. 1.4) ,
die dem Quotienten aus gesamter über ein Jahr hinweg abgegebenen Heizwärme-
menge (
ab
Q&
) und dabei zugeführter Antriebsenergie (
zu
P
) für Kompressor, Pumpe
oder Ventilator und Zusatzheizung entspricht.
Sie ist im Gegensatz zur unter Prüfstandsbedingungen bestimmten Leistungszahl
(
), welche
ab
Q&
nur ins Verhältnis zur elektrischen Arbeit des Verdichters setzt, ob-
jektiver.
Berücksichtigt man, dass bei der Verstromung fossiler Brennstoffe beim Verbraucher
nur ca. ein Drittel des Primärenergieeinsatzes als Endenergie verfügbar ist, sollten
die vorrangig im Wohnungsbau vorzufindenden Elektrowärmepumpen eine Jahres-
arbeitszahl von mindestens 3,5 erreichen.
Zur Versorgung größerer Gebäudeeinheiten bietet sich darum die Absorptionswär-
mepumpe an, welche wesentlich weniger Elektroenergie benötigt.
Der überwiegende Anteil an Hilfsenergie kann bei ihr aus direkt gewandelten Ener-
gieträgern (z.B. Erdgas) zur Verfügung gestellt werden.
26
Als letzte Gruppe wären die unter dem Begriff Biomasse zusammengefassten
nachwachsenden Rohstoffe, Energiepflanzen und organischen Abfälle zu nennen.
Da ihre Lagerung gut möglich ist, unterliegen die Verfahren, im Gegensatz zur So-
larthermie oder Luft/ Wasser- WP, keinen jahreszeitlich bedingten Angebotsschwan-
kungen.
Wärme aus Biomasse ist auf zwei grundsätzlich verschiedenen Wegen gewinnbar.
Ein Beispiel für den direkten Weg wäre der Rückgriff auf feste Brennstoffe, überwie-
gend Hölzer aus der Land- und Forstwirtschaft.
Nach deren Zerkleinerung, Lagerung und Trocknung verbrennen sie in Öfen oder
Kaminen und erwärmen dadurch den jeweiligen Aufstellraum. Diese Methode ist be-
reits im Vorfeld zeit- und arbeitsintensiv und verlangt die Beschickung der Feuerstät-
ten in kurzen Intervallen.
Daraus ist zu schlussfolgern, dass mit einer Einzelraumheizung die Komfortansprü-
che heutiger Nutzer nicht erfüllbar sind.
Um die energetische Ausbeutung des nachwachsenden Rohstoffes Holz in moderne
gebäudetechnische Systeme integrieren zu können, wurden in den letzten Jahrzehn-
ten spezielle Festbrennstoffkessel entwickelt.
Im Angebot sind manuell zu bedienende Kessel mit und ohne Vergasung des Stück-
holzes vor dem Verbrennen sowie voll automatisch arbeitenden Anlagen.
Dabei gelangen immer häufiger mechanisch vorbehandelte Brennstoffe wie Pellets
und Hackschnitzel zum Einsatz, da sie sich maschinell in den Verbrennungsraum
fördern und damit in ihrer Zufuhr dosieren lassen.
Durchschnittlich beträgt der Brennwert eines Kilogramms Holz 40 bis 45 %
9
von dem
eines Liters Heizöl.
Das Beispiel verdeutlicht, dass beim Einsatz von Biomasse als Primärenergieträger
ein Mehrbedarf an Bevorratungsräumen und/ oder Lagerflächen einzukalkulieren ist.
Die dazu notwendigen Mindestgrundstücksgrößen sowie der Rohstoffgestehungs-
preis (Einkauf und Transport) schränken die möglichen Standorte für mit Biomasse-
produkten betriebene Heizungsanlagen ein.
9
http://www.bdholz.de/heizwert.html, Tabelle 1, verfügbar am 29.03.2007
27
Zusätzlich ist zu berücksichtigen, dass die Investitionskosten merklich über den mit
Brenngas und Heizöl betriebenen Wärmeerzeugern gleicher Leistung liegen.
Feststellungen, die auch auf die indirekte Wärmegewinnung anzuwenden sind.
Bei ihr entsteht zunächst in einer separaten Anlage aus den eingesetzten biomasse-
haltigen Reststoffen, Wirtschaftsdüngern oder Energiepflanzen durch sauerstofffreie
Vergärung Biogas.
Von dessen Hauptbestandteilen Methan und Kohlendioxid nutzt man ersteres zur
Verbrennung in einem Motor, welcher einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.
Gleichzeitig werden abströmende Prozess- und gegebenenfalls Abgaswärme auf das
Heizungswasser übertragen.
Diese nach dem Prinzip der Kraft- Wärme- Kopplung (KWK) arbeitenden Energie-
wandlungsanlagen (Blockheizkraftwerke - BHKW) arbeiten wesentlich effizienter als
die einzeln ablaufenden Prozesse.
Ein Vergleich der für ein BHKW und die getrennte Strom- (Kondensationskraftwerk)
und Wärmeerzeugung (Niedertemperatur- Kessel) notwendigen Primärenergieein-
sätze zur
Bereitstellung von 30 kWh Elektroenergie und 59 kWh Wärmemenge
soll das verdeutlichen.
1. Variante - notwendig 100 kWh
BHKW
(HKA HR 5.3 - Hersteller - SenerTec Kraft-Wärme-Energiesysteme GmbH)
Gesamtleistungsaufnahme
17,9 kW
Wirkungsgrade
elektrisch
30 %
thermisch
59 %
10
Primärenergieeinsatz
100 kWh
10
http://www.senertec.de/deutsch/frames.php?urlname=dachs.php,
Technische Daten, verfügbar am 30.03.2007
28
2. Variante - notwendig 136 kWh
Kondensationskraftwerk
Wirkungsgrad
um 40 %
11
Primärenergieeinsatz
75 kWh
und
Niedertemperatur- Kessel
(Logano G125 - Hersteller - BBT Thermotechnik GmbH)
Nennleistung
17,0 - 34,0 kW
Normnutzungsgrad
96 %
12
Primärenergieeinsatz
61 kWh
Die Ersparnis an primärenergetischen Aufwendungen beträgt bei der gekoppelten
Erzeugung rund ein Drittel gegenüber einer getrennten Gewinnung der zwei End-
energiearten.
KWK- Anlagen können auch mit Erdgas und Heizöl betrieben werden und sind des-
wegen in bestehende Versorgungskonzepte von Gebäuden und Gebäudekomplexen
gut integrierbar.
Jedoch ist in den wenigsten Einsatzfällen von einer kontinuierlichen Strom- und
Wärmeabnahme auszugehen.
Grundvoraussetzung für den wirtschaftlichen Erfolg der Investition in ein BHKW ist
deswegen eine Planung, die die bestehenden und zu erwartenden Randbedingun-
gen hinreichend berücksichtigt.
Das bedeutet die Versorgungssituation der anzuschließenden Abnehmer in den Blick
zu nehmen und zunächst die Jahressummen der Heizwärme-, Warmwasser- und
Stromverbrauche zu ermitteln.
11
http://www.vattenfall.de/www/vf/vf_de/225583xberx/228227umwel/228407klima/index.jsp,
Klimaschutz, Effizienzsteigerung, Wirkungsgrad, verfügbar am 30.03.2007
12
http://www.heiztechnik.buderus.de/sixcms/detail.php/431204,
Fachinformationen, Unterlagen, Planungsunterlagen, verfügbar am 30.03.2007
29
Aus der Analyse der zeitlichen Verteilung dieser Bedarfe über den Tag und das Jahr
entstehen Lastprofile (elektrisch, thermisch).
Nach deren Bewertung sind für Blockheizkraftwerke zwei Arbeitsweisen denkbar.
Bei stromgeführtem Betrieb orientiert sich der Einsatz der Anlage am abnehmerseiti-
gen Elektroenergiebedarf. Das BHKW läuft dann meist im Dauerbetrieb, insbesonde-
re wenn man neben dem Eigenverbrauch die Einspeisung in das Netz des örtlichen
Versorgers vorgesehen hat.
In Folge dazu ist ein kontinuierlicher Wärmeabfluss zur weiteren Verwertung sicher
zu stellen, wodurch hohe zusätzliche Investitionskosten zur Zwischenspeicherung
der thermischen Energie entstehen können.
Hat das BHKW die vorrangige Aufgabe Heizungs- und Trinkwasser zu erwärmen,
verlässt es nur bei Abforderungen diesbezüglich den Ruhezustand, Elektroenergie
entsteht dabei gewissermaßen als Nebenprodukt.
Jedoch wird auch hierbei ein Pufferspeicher einzuplanen sein.
Die Mehrzahl der KWK- Anlagen wird wärmegeführt betrieben. Sie sichern dabei,
unter Beachtung der aus Gründen der Rentabilität anzustrebenden Betriebsstunden
(je nach Hersteller 5 - 6000 h/ a), den Grundbedarf und ein parallel zuschaltbarer
Kessel oder zweites BHKW die Lastspitzen ab.
Neben der jährlichen Laufzeit beeinflussen weitere Größen, wie die Ausgaben für
Brennstoffbezug und Wartung oder die aus der Stromersparnis bzw. dem -verkauf
erzielbaren Erlöse, das betriebswirtschaftliche Gesamtergebnis. Sie sollten darum
voll umfänglich bei der Entscheidungsfindung berücksichtigt werden.
1.2.2
Transport und Verteilung
Die Förderung des Heizungswassers zu den einzelnen Gebäuden und innerhalb die-
ser findet in ring- oder strahlenförmig bzw. aus beiden Strukturen konzipierten Vertei-
lungsnetzen statt.
Dabei unterliegt das von den installierten Heizungspumpen umzuwälzende Wasser-
volumen tages- und jahreszeitlich bedingten Schwankungen.
30
Lastzustand
V&
[%]
a
t
[%]
Volllast
100
6
Teillast
75
15
Absenkbetrieb
50
35
Schwachlast
25
44
Tabelle 1.2 _ Lastzustände _ prozentuale Verteilung
13
Die folgende grafische Darstellung zeigt die Aufteilung der Jahresbetriebsstunden
auf die unterschiedlichen Belastungsarten für den Einsatzort Dresden und angren-
zende Gemeinden.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Betriebsstunden/ a
44%
35%
15%
6%
A
n
te
il
L
a
s
tz
u
s
ta
n
d
Volllast
Teillast
Absenkbetrieb
Schwachlast
Abbildung 1.2 _ Belastungsprofil _ Heizungsumwälzpumpe (Stadt Pirna)
Auf Grund nicht verfügbarer Summenhäufigkeitskurve der Außentemperaturen für
den Standort wurden 6400 Jahresbetriebsstunden
14
(Zahl der Stunden mit einer Au-
ßentemperatur unter 15 °C, bezogen auf 24 h - Angabe für Berlin) angesetzt.
13
http://www.blauer-engel.de/deutsch/vergabe/download_uz_de/UZ-105.PDF, Seite 4, Tabelle 1,
verfügbar am 26.02.2007
14
Recknagel, Sprenger, Höhnmann.: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, 66. Auflage 1993,
Seite 11, Bild 112- 8
31
Diese Annahme wird als hinreichend betrachtet, da die meteorologischen Parameter
bezüglich Klimazone (4), Norm- Außentemperatur (-14 °C) und Jahresmittel der Au-
ßentemperatur (9,5 °C)
15
für Dresden und Berlin identisch sind.
Die maximal zu erwartende Leistungsabforderung (Volllast) ist das entscheidende
Kriterium bei der Auswahl einer Heizungsumwälzpumpe.
Jedoch - alle verbleibenden Lastzustände, welche durch 94 % der Jahresbetriebs-
stunden abgebildet werden, bedingen einen verringerten Auslegungsvolumenstrom.
Von anlagentechnischer Seite stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung den
Volumenstrom eines Fluids zu reduzieren.
Die energetisch effektivste Möglichkeit dies zu bewirken ist das Verändern der Dreh-
zahl des Antriebsmotors.
Durch Einstellung der Drehzahl (
M
n
) der antreibenden Maschine wird neben einem
dem Anlagenbedarf angepasstem Volumenstrom (V& ) nur die Förderhöhe (
P
H
) er-
zeugt welche die Anlage für diesen benötigt. Dem entsprechend reduziert sich die
Pumpenförderleistung (
förd
P
), da gilt
P
P
förd
förd
g
H
V
P
====
&
(Gl. 1.5)
mit
M
n
V
~
&
und
2
~
M
P
n
H
.
Die Hersteller von Umwälzpumpen bieten drei Lösungen an, mit denen die Bereitstel-
lung des Heizungswassers dem Bedarf angepasst werden kann.
Bei deren energiewirtschaftlicher Beurteilung ist zu berücksichtigen, dass die Einzel-
wirkungsgrade des Motors und der Pumpe (
P
) den Gesamtwirkungsgrad der För-
dereinrichtung bestimmen.
15
DIN EN 12831 Beiblatt 1.- Heizungsanlagen in Gebäuden - Verfahren zur Berechnung der Norm-
Heizlast - Nationaler Anhang NA, Seiten 5 und 6, Tabelle 1a
32
Den Antrieb von Pumpen übernehmen überwiegend Asynchronmaschinen mit Kurz-
schlussläufern. Die Regelung der Geschwindigkeit des im Ständer rotierenden Mag-
netfeldes bewirkt die Verstellung der Synchrondrehzahl (
syn
n
) des Motors.
p
syn
P
f
n
====
60
(Gl. 1.6)
Die einfachste Variante die Drehzahl zu ändern besteht demnach im zu- oder ab-
schalten von Polpaaren (
P
P ).
Nach diesem Prinzip arbeitet die preiswerte
Standard- Pumpe. Sie bietet drei oder
vier manuell festlegbare Drehzahlen an.
Durch Einstellung auf eine dieser Stufen wird der geringste mögliche Abstand des
Auslegungspunktes der Anlage zur entsprechenden Pumpenkennlinie fixiert.
Werden geringere Volumenströme benötigt können diese nur durch den Einsatz ex-
terner Regeleinrichtungen bereitgestellt werden, wodurch sich der maximal erreich-
bare Wirkungsgrad reduziert.
Anlagentechnisch etwas aufwendiger ist die zweite Möglichkeit, die Änderung der
Netzfrequenz ( f ). Mittels Frequenz-Spannungs-Steuerung, sind Werte im gesamten
Bereich zwischen n
min
und
n
max
stufenlos darstellbar.
Ergänzend ermöglicht ein integrierbarer Regelungsbaustein in Zeiten witterungsbe-
dingter Absenkung der Vorlauftemperatur eine reduzierte Konstantdrehzahl.
Somit steht zu jedem Zeitpunkt eine auf den optimalen Betrieb der
Energiespar-
Pumpe abgestimmte Motorleistung zur Verfügung, interne Verluste bleiben begrenzt
und der Gesamtwirkungsgrad stabilisiert sich auf hohem Niveau.
Noch konsequenter setzt eine auf der ECM- Technologie basierende
Hocheffizienz-
Pumpe das Konzept der gleitenden Drehzahlanpassung um.
Als Pumpenantrieb kommt hierbei ein Synchronmotor mit Dauermagnetrotor zum
Einsatz, dessen im Ständer umlaufendes Magnetfeld mittels elektronischer Kommu-
33
tierung (EC) nahezu verlustfrei erzeugt wird. Weiterhin sind Nassraumkapselung und
Pumpenhydraulik maschinenbautechnisch (M) optimiert.
Durch einen ständigen Soll-Ist-Vergleich erkennt die Pumpe automatisch die Bedürf-
nisse der Anlage und ändert ihre Einstellungen so lange, bis sie ihre optimale Kenn-
linie gefunden hat. Damit empfiehlt sich die Hocheffizienzpumpe insbesondere für
den Austausch bei unbekannten Anlagenverhältnissen.
Von verschiedenen Herstellern beauftragte Untersuchungen ergaben, dass bei der
Substitution von Standard- Pumpen Stromeinsparungen bis zu 75 % erreicht werden
können.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Energieverbrauch in kWh/ a
100%
80%
35%
25%
B
e
d
a
rf
i
n
%
Hocheffizienz- Pumpe
(MAGNA UPE 40 - 120 F)
Energiespar- Pumpe
(UPE 40 - 120 F, bis 2001)
Standard- Pumpe
(UPS 40 - 120 F)
Standard- Pumpe
(UPC 40 - 120, bis 1996)
Abbildung 1.3 _ Vergleich _ Pumpengattungen
(Auslegungsförderstrom : 12 m³, Förderhöhe : 6 m)
Im Ergebnis der Auswertung des vorstehenden Balkendiagramms
16
drängt sich die
Schlussfolgerung auf, dass auf Grund der zu erwartenden hohen Einspareffekte
Umwälzpumpen älterer Baujahre umgehend ausgetauscht werden sollten.
Um dies bezügliche Investitionsentscheidungen zu ermöglichen, ist es aber erforder-
lich die Tragfähigkeit einer derart verallgemeinerten Annahme an den konkret zu er-
wartenden Kosten zu überprüfen.
16
Grundfos GmbH.: Heizungsumwälzpumpen UPE Serie 200, MAGNA UPE, ALPHA,
UPS Serie 100/ 200, Seite 5
34
1.2.3
Regelung
Die von der Heizzentrale zu den Unterverteilungen zu transportierenden Heizwas-
sermengen werden durch die Abforderungen der jeweils angeschlossenen Einheiten
festgelegt.
Deren Bedarf resultiert ursächlich aus dem Ersatz der aus den Einzelräumen ab-
strömenden Wärmemengen, was bei niedrigeren Temperaturen außerhalb der Sys-
temgrenze im Vergleich zum von ihr umschlossenen Gebiet der Fall ist.
Daneben sind für Wohn- und Nichtwohnräume Soll- Werte vorgegeben, welche von
der Art der Nutzung abhängen.
Diese im zeitlichen Bezug sich unstetig ändernden Parameter verarbeiten regelungs-
technische Systeme, unter Berücksichtigung des Speichervermögens des Baukör-
pers, mit dem Ziel die vom Nutzer an den Raum gestellten Komfortansprüche mit
geringstem energetischen Einsatz zu erfüllen.
Dazu durchläuft der dem einzelnen Gebäude oder -abschnitt zugeordnete Regel-
kreis, periodisch wiederkehrenden Betriebsabläufen folgend, Tages- und Wochen-
zyklen.
Neben dieser Grundfunktion reagiert er gleichzeitig auf störende äußere Einflüsse
und/ oder geänderte Temperaturvorgaben.
Als Grundlage für das optimale Arbeiten der Regelung findet zwischen den Kreisen
der Gebäude und der Heizzentrale ein Informationsaustausch über das Datennetz
der Gebäudeleittechnik (GLT) statt.
In Signale gewandelte Temperaturwerte aus den Unterstationen gelangen als Input
zum Zentralrechner der GLT, durch welchen die vom Kessel erzeugte Vorlauftempe-
ratur dem Bedarf der Gebäudeverteiler angepasst wird.
Nur wenn alle Teilsysteme und die speisende Einheit entsprechend den Regelkon-
zeptionen arbeiten, ist eine kostengünstige Bereitstellung des Heizwassers zur Ver-
teilung an die Endverbraucher möglich.
Als Input der Regelabläufe in gebäudetechnischen Anlagen ist es dabei meist aus-
reichend die Temperatur (
) von in Leitungsrohren strömenden oder sich in Spei-
35
chern befindlichen Wassermengen indirekt, d.h. als Funktion (f) einer anderen physi-
kalischen Größe, zu bestimmen
Dazu ist an der Oberfläche des entsprechenden Bauelementes eine Messeinrichtung
anzubringen. Die von einem Widerstandsthermometer (R = f (
)), Thermoelement
(U = f (
)) oder Schwingquarzsensor (F = f ( )) gewonnenen Widerstands- (R),
Spannungs- (U) oder Frequenz- (F) werte können vom Regler als Eingangsgröße
verwendet bzw. unter Einsatz entsprechender Computerprogramme weiter verarbei-
tet werden.
Um technisch bedingte Unregelmäßigkeiten oder gar Fehlhandlungen bei der Erzeu-
gung und Weiterleitung der Wärmeströme korrigieren zu können, müssen diese zu-
nächst mittels geeigneter Messverfahren dargestellt werden. Nach
((((
))))
====
----
====
W
L
R
L
V
W
c
m
c
m
Q
&
&
&
(Gl. 1.7)
besteht eine direkte Proportionalität zwischen dem Wärmestrom (Q& ) und der Diffe-
renz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur (
).
Aus deren Verläufen und den dabei zu erwartenden Nutzungsabforderungen über
einen bestimmten Zeitabschnitt betrachtet können somit Schlussfolgerungen über die
Qualität der regelungstechnischen Einstellungen gezogen werden.
1.2.4
Tangierende Bereiche
Damit das Gesamtsystem effizient arbeiten kann findet zwischen den einzelnen Teil-
bereichen der Heizungsanlage ein Informationsaustausch statt.
Während des Betreibens werden aber neben anlagentechnischen Fragestellungen
solche betriebswirtschaftlicher Natur zu lösen sein.
Auch dieses Problemfeld wird sich mehrheitlich teilbereichsübergreifend darstellen,
weswegen hier die Installation übergeordneter Lösungsstrukturen ebenso angezeigt
ist. Hierzu bietet die Betriebswirtschaftslehre (BWL) das
Controlling an.
36
Im Mittelpunkt des Controllings stehen Kosten, wie beispielsweise die des Brenn-
stoffbezuges.
Auf der Grundlage gesichteten und aufbereiten Datenmaterials (z.B. Abrechnungen)
analysiert der Controller die bisherige (positive oder negative) Entwicklung innerhalb
einer Kostengruppe.
Daraus entwickelt er fachlich untersetzte Szenarien die die Auswirkungen gegenwär-
tiger Zustände und Entwicklungen für die Zukunft, in unserem Beispiel auf die vorge-
gebene Rendite einer vermieteten Gewerbeimmobilie, verdeutlichen.
Seine dabei gewonnen Erkenntnisse informieren den (die) Geschäftsführung/ Eigen-
tümer über den Ist- Zustand, unterstützen bei der Ursachenforschung von Unwirt-
schaftlichkeiten und begleitet anstehende Entscheidungsprozesse.
Wie aufgezeigt hinterfragt im Energiemanagement integriertes Controlling das Ent-
stehen der Kosten des Einkaufs, der Wandlung und Verteilung von Energieträgern.
Es regt bei Bedarf eine Energetische Untersuchung des/ der betroffenen Gebäude(s)
an und bewertet die neu entstandene Versorgungssituation.
Mit den daraus gezogenen Schlussfolgerungen kann das gestellte Ziel erreicht oder
ein Ausgangspunkt für weiter Veränderungen fixiert sein.
Controlling ist demzufolge ein umfassendes Steuerungs- und Koordinationsinstru-
ment um energetische Versorgungskonzepte effektiver zu gestalten.
Ein anderer Ansatz die finanziellen Aufwendungen für die Beheizung von Gebäuden
nachhaltig zu reduzieren wäre das (Einspar)-
Contracting.
Dabei wir das gesamte Energiemanagement (Energetische Untersuchung und Prak-
tische Umsetzung) einem externen Dienstleistungsunternehmen übertragen.
Dieses refinanziert seine Aufwendungen und den Gewinn aus den erzielten Einspa-
rungen. Danach profitiert der Auftraggeber voll umfänglich von der verbesserten An-
lagentechnik
Der Leistungsrahmen ist mit dem Auftragnehmer frei verhandelbar, d.h. er kann Ver-
besserungen der baulichen Substanz (Dämmmaßnahmen) mit einschließen.
Ende der Leseprobe aus 176 Seiten
- nach oben
Details
- Arbeit zitieren
- , 2007, Energetische Untersuchung heizungstechnischer Versorgungskonzepte von Gebäuden, Hamburg, Bedey Media GmbH, https://www.diplom.de/document/229044
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