1. Matrikelnummer:

Diplomarbeit Untersuchung von Lösungsvarianten hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und Kostenoptimierung von heizungstechnischen Bestandsanlagen unte...
Author: Leopold Gerstle
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Diplomarbeit

Untersuchung von Lösungsvarianten hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und Kostenoptimierung von heizungstechnischen Bestandsanlagen unter Einbeziehung von Fernwärme und Blockheizkraftwerken vorgelegt am:

17. August 2009

von:

Sascha Keller Am Tonloch 7 06193 Götschetal OT Sennewitz

Studienrichtung:

Versorgungs- und Umwelttechnik

Seminargruppe:

VU 06/1

Matrikelnummer:

4060313

Praxispartner:

Imtech Deutschland GmbH und Co.KG Reideburger Straße 65 06116 Halle/Saale

Gutachter:

Herr Dipl.-Ing. Kai-Olaf Schulz (Firma Imtech) Herr Dipl.-Ing. Ingolf Tiator

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Inhaltsverzeichnis  A. Abbildungsverzeichnis ........................................................................................ IV B. Tabellenverzeichnis ............................................................................................ VI C. Formelverzeichnis.............................................................................................. VII D. Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................ X E. Nomenklatur ....................................................................................................... XI 1

Einführung.............................................................................................................1

2

Heizungsanlagen mit Fernwärmeversorgung........................................................5

3

4

5

2.1

Grundlagen ...................................................................................................5

2.2

Wichtige Bestandteile der Anlage .................................................................7

Kraft – Wärme (– Kälte) – Kopplung ...................................................................13 3.1

Grundlagen .................................................................................................13

3.2

BHKW – Technologie..................................................................................16

3.3

Betrachtungen zur Absorptionskältemaschine ............................................20

3.4

Verbund von BHKW und Absorptionskältemaschine .................................24

3.5

Innovative BHKW – Technologien...............................................................27

Bestandsanlage des Krankenhauses St. Elisabeth.............................................33 4.1

Heizung.......................................................................................................35

4.2

Strom ..........................................................................................................37

4.3

Kälte............................................................................................................39

Verbrauchsanalyse und Energiebilanz für das Krankenhaus..............................41 5.1

Allgemeines ................................................................................................41

5.2

Energetische Berechnung...........................................................................43

5.2.1

Verfahren zur Ermittlung des Energiebedarfes.........................................43

5.2.2

Wärmeerzeuger ........................................................................................44 I

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Sascha Keller VU 06/1

5.2.2.1 KWK – Anlage und weitere Wärmeerzeuger ............................................44 5.2.2.2 Endenergieaufwand Gas ..........................................................................49 5.2.3

Kälteerzeuger............................................................................................50

5.2.3.1 Kompressionskältemaschine....................................................................50 5.2.3.2 Absorptionskältemaschine........................................................................54 5.2.3.3 Rückkühlung.............................................................................................55 5.2.4 6

7

Beispielrechnung ......................................................................................57

Darstellung der Versorgungsmöglichkeiten und - konzepte ................................59 6.1

Notwendige Vorbetrachtungen....................................................................59

6.2

Erstellung der Optimierungsvarianten .........................................................68

6.2.1

1. Vergleich: BHKW’s mit und ohne HTBN ...............................................68

6.2.2

2. Vergleich: AKM, AKM mit Kältetrasse und KKM ...................................70

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ............................................................................71 7.1

Grundlagen und Notwendigkeit ...................................................................71

7.2

Kosten.........................................................................................................71

7.2.1

Kapitalgebundene Kosten .........................................................................71

7.2.2

Bedarfsgebundene Kosten........................................................................74

7.2.3

Betriebsgebundene Kosten.......................................................................75

7.2.4

Sonstige Kosten........................................................................................76

7.3

Erlöse..........................................................................................................77

7.4

Gesamtzahlungen .......................................................................................77

7.5

Beispielrechnung.........................................................................................78

7.6

Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ...........................................79

8

Kriterien zur Findung einer Vorzugsvariante .......................................................82

9

Zusammenfassung .............................................................................................86

10 Anhang A ............................................................................................................90 11 Anhang B ............................................................................................................91 II

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

12 Anhang C............................................................................................................94 13 Quellenverzeichnis ............................................................................................ XV 14 Ehrenwörtliche Erklärung................................................................................ XVIII

III

Diplomarbeit

A.

Sascha Keller VU 06/1

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Contracting als umfassender Optimierungsprozess ...............................3 Abbildung 2: Schema einer Hausanschlussstation für einen direkten Anschluss zum Fernwärmenetz .........................................................................................................10 Abbildung 3: Indirekter Anschluss einer Warmwasserheizung an ein Heißwasser Fernwärmenetz .........................................................................................................10 Abbildung 4: Prinzip des Zweirohrsystems mit unterer Verteilung;............................11 Abbildung 5: Erzeugung von Strom ohne gekoppelte Wärmenutzung ......................13 Abbildung 6: Anlagennutzungsgrad mit Verwendung der Abwärme zu Heizzwecken im Zuge der KWK ......................................................................................................14 Abbildung 7: Schema einer GuD - Anlage.................................................................14 Abbildung 8: Grundprinzip eines gasturbinenbetriebenem BHKW’s..........................17 Abbildung 9: Mögliches Grundprinzip eines motorbetriebenem BHKW’s ..................18 Abbildung 10: Energiefließbild der verschiedenen Energieerzeuger .........................19 Abbildung 11: Grundprinzip der Kompressionskältemaschine ..................................20 Abbildung 12: Fließbild einer Absorptionskälteanlage...............................................21 Abbildung 13: Darstellung des AKM - Kreisprozesses (einstufig) im log p, 1/T Diagramm..................................................................................................................22 Abbildung 14: konstruktiver Aufbau einer AKM .........................................................23 Abbildung 15: Arbeitsbereiche, Heizmitteltemperaturen und Wärmeverhältnisse von AKM in Abhängigkeit der Stufigkeit der Kälteanlage ................................................24 Abbildung 16: Möglichkeit der Brennwertnutzung unter Einbindung von BHKW Modulen mit Brennwertkesseln als Folgeerzeuger....................................................27 Abbildung 17: Wirkungsgradsteigerung in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur und dem Brennstoffeinsatz........................................................................................28 Abbildung 18: vereinfachtes Prinzip der Kondensationsbrennwerttechnik ................29 Abbildung 19: vereinfachtes Schema der Hochtemperaturbrennwertnutzung...........30 Abbildung 20: Blockheizkraftwerke konventionell......................................................31 Abbildung 21: Blockheizkraftwerk mit HTBN .............................................................31 Abbildung 22: Möglichkeit der Einbindung eines HTBN - Moduls in eine Anlage mit mehreren BHKW - Modulen ......................................................................................32 IV

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Abbildung 23: Frontansicht des Krankenhauses St. Elisabeth ..................................33 Abbildung 24: Lageplan des Krankenhauses mit derzeitiger und alternativer Anlagentechnik..........................................................................................................35 Abbildung 25: Art der Teillastregelung für Absorptionskältemaschinen.....................54

V

Diplomarbeit

B.

Sascha Keller VU 06/1

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Übersicht über bestehende Kälteerzeugungsanlagen ..............................39 Tabelle 2: Übersicht der jährlichen Verbräuche des KH St. Elisabeth.......................41 Tabelle 3: Aufteilung des Strombedarfes in Erzeuger und Tarifbereiche ..................42 Tabelle 4: Änderung der Aufteilung in Erzeuger- und Tarifbereiche..........................43 Tabelle 5: Zuordnung der Nutzungsarten zu den verschiedenen Kennwerttabellen .52 Tabelle 6: Arten der Teillastregelung von wassergekühlten KKM .............................53 Tabelle 7: Standardkennwerte für Nennkälteleistungszahlen von wassergekühlten Kompressionskältemaschinen...................................................................................53 Tabelle 8: Übersicht für die Standardwerte des Nennwärmeverhältnisses für Absorptionskältemaschinen.......................................................................................55 Tabelle 9: Übersicht zum spezifischen Elektroenergiebedarf verschiedener Rückkühlwerke ..........................................................................................................56 Tabelle 10: Übersicht der geforderten Auslegungstemperaturen ..............................69 Tabelle 11: CO2 – Einsparungen im Jahr 2005 durch zugebaute und modernisierte KWK- Anlagen...........................................................................................................84 Tabelle 12: Substitutionsmöglichkeiten und Grad der Ausschöpfung bis 2006 .........86 Tabelle 13: Übersicht die bestehenden Kälteverbraucher zur Ermittlung der Kühllast ..................................................................................................................................90

VI

Diplomarbeit

C.

Sascha Keller VU 06/1

Formelverzeichnis

ζ

Gleichung 3-1.....26 Gleichung 5-1......44 Gleichung 5-2......45 Gleichung 5-3......45 Gleichung 5-4......46 Gleichung 5-5......46 Gleichung 5-6......46 Gleichung 5-7......46 Gleichung 5-8......47 Gleichung 5-9......47 Gleichung 5-10....47 Gleichung 5-11....48

Gleichung 5-12....48

Gleichung 5-13....49

Gleichung 5-14… 49

Gleichung 5-15….50

VII

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Gleichung 5-16…..51

Gleichung 5-17…..54 Gleichung 5-18…..55 für KKM für AKM

Gleichung 5-19….56 Gleichung 5-20…..56

Gleichung 5-21…. 56 Gleichung 5-22 .....57 Gleichung 6-1 .......61

Gleichung 6-2 .......62 Gleichung 6-3 .......62

Gleichung 7-1 72

Gleichung 7-2.......72 Gleichung 7-3 .......72 Gleichung 7-4 .......72 Gleichung 7-5.......73

Gleichung 7-6 .......73

VIII

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Gleichung 7-7.........73

Gleichung 7-8........73 Gleichung 7-9........74 Gleichung 7-10......74 Gleichung 7-11......74 Gleichung 7-12 ......74 Gleichung 7-13......75 Gleichung 7-14 .....75 Gleichung 7-15 .....75 Gleichung 7-16 .....75 Gleichung 7-17 .....76 Gleichung 7-18 .....77

IX

Diplomarbeit

D.

Sascha Keller VU 06/1

Abkürzungsverzeichnis

Abb AKM AWT BA BHKW BV BWN CO2 COP DIN EnEV EVH EnergieStG EVU Fa FCKW FKW GKA Glt GuD - HKW H2O HAST HKW HT HTBN HZL i.d.R. KKM KKL KM KWK KWKK LiBr MAG MRT ND – HWK NT o.g. SO2 TA Vbh VDI WÜ

Abbildung Absorptionskälteanlage/-maschine Abgaswärmetauscher Bauabschnitt Blockheizkraftwerk Bauvorhaben Brennwertnutzung Kohlenstoffdioxid Coefficient of Performance Deutsches Institut für Normung Energieeinsparverordnung Energieversorgung Halle Energiesteuergesetz Energieversorgungsunternehmen Firma Fluor – Chlor – Kohlenwasserstoff Fluor - Kohlenwasserstoffe Gaskesselanlage Gebäudeleittechnik Gas- und Dampf – Heizkraftwerk Wasser Hausanschlussstation Heizkraftwerk Hochtarif Hochtemperatur - Brennwertnutzung Heizungsanlage in der Regel Kompressionskälteanlage/-maschine Kältekreislauf Kältemittel Kraft – Wärme – Kopplung Kraft – Wärme – Kälte – Kopplung Lithiumbromid Membranausdehnungsgefäß Magnetresonanztomograph Niederdruck - Heißwasserkessel Niedertarif oben genannte Schwefeldioxid Technische Anleitung Vollbenutzungsstunden Verein deutscher Ingenieure Wärmeübertrager X

Diplomarbeit

E.

Sascha Keller VU 06/1

Nomenklatur

Bezeichnung

Bedeutung

Einheit

A0 A1, A2, …, AN AB AB,B AB,W AN AN,B AN,E AN,K AN,S AN,V AV1 a β (Beta)

Investitionskosten



Barwert der ersten, zweiten bis n-ten Ersatzbeschaffung



Summe der betriebsgebundenen Kosten Betriebskosten für die Bedienung Betriebskosten für die Wartung Annuität der Gesamtkosten / Gesamtannuität Annuität der betriebsgebundenen Kosten Annuität der Erlöse Annuität der kapitalgebundenen Kosten Annuität der sonstigen Kosten Annuität der bedarfsgebundenen Kosten Summe der bedarfsgebundenen Kosten im ersten Jahr Annuitätsfaktor Anteil der KWK

€ €/a €/a €/a €/a €/a €/a €/a €/a € kg/a bzw. l/a €

BBrst

Brennstoffmenge

BRW

Barwert des Restwertes Preisdynamischer Annuitätsfaktor für betriebsgebundene Zahlungen Preisdynamischer Annuitätsfaktor für Instandsetzungszahlungen Preisdynamischer Annuitätsfaktor für bedarfsgebundene Zahlungen Barwertfaktor der betriebsgebundenen Zahlungen Barwertfaktor der Instandsetzungszahlungen Barwertfaktor der bedarfsgebundenen Zahlungen Stromkennzahl Nennkälteleistungszahl Jährlich produzierter Strom der KWK – Anlage Jährlich produzierter Strom der KWK – Anlage für den Standardfall Anlagennutzungsgrad Nutzungsgrad des KWK - Wärmeerzeugers Nutzungsgrad des Heiznetzes Nutzungsgrad des Wärmeerzeugers Frequenz Instandsetzungsfaktor in % der jährlichen Investitionskosten Primärenergiefaktor Primärenergiefaktor Strom mittlerer Nutzungsfaktor für die Rückkühlung

baB baIN baV bB bIN bV C EER ECHP ECHP,a ηa,ges (Eta) ηCHP (Eta) ηHN (Eta) ηHP (Eta) f fK fP fP,strom fR,av

XI

-

kWhel/a kWhel/a Hz % von A0 -

Diplomarbeit

fR,av,n fW hi i j KG,B KK kS KStr KW KWa n PLVa PLVa,v p0 pC ρÖl q Q0 Qc,f,elektr Qc,f,R,elektr Qc,f,therm Qc,outg Qc,outg,a Qc*,outg,a Qc,outg,a,n Qc,out,therm QE Qelektr QH Qh Qh,f,a Qh,f,CHP,a Qh,f,HP,a Qh,outg,a Qh,outg,CHP Qh,outg,CHP,a Qh,outg,j Qh*,outg,j Qh,outg,HP Qh,outg,HP,a QK QP

Sascha Keller VU 06/1

nutzungsabhängiger, mittlerer Nutzungsfaktor Wartungsfaktor in % der Investitionskosten im Jahr unterer Heizwert Zinssatz Preisänderungssatz Spezifische Kosten für Gehälter Kosten des Energieaufwandes für die Kälteerzeugung Schüttdichte des Festbrennstoffes Kosten des Energieaufwandes für die Stromerzeugung Kosten des Energieaufwandes für die Wärmeerzeugung Kosten des Energieaufwandes für die Wasserversorgung Anzahl der Ersatzbeschaffungen im Betrachtungszeitraum mittlerer Teillastfaktor nutzungsabhängiger, mittlerer Teillastfaktor Verdampfungsdruck Verdichtungsdruck Dichte von Heizöl EL Zinsfaktor Kältebedarf Elektrischer Endenergiebedarf Endenergiebedarf für die Rückkühlung thermischer Endenergiebedarf Jährliche Nutzkälteabgabe der Erzeuger auf Nutzungsart n bezogene gesamte Erzeugernutzkälteabgabe für Klimakälte auf Nutzungsart n bezogene Erzeugernutzkälteabgabe für Klimakälte des RLT – Systems auf Nutzungsart n bezogene Erzeugernutzkälteabgabe für Klimakälte des Raum – Systems Erzeugernutzenergie Wärmeversorgung (thermisch) Jahresendenergiebedarf elektrische Leistung des BHKW - Moduls Heizwärmebedarf Auslegungsheizlast des betrachteten Objektes Endenergie der gesamten Wärmeerzeugungsanlage Endenergie für das KWK - Wärmeerzeugungssystem Endenergie für das Wärmeerzeugungssystem jährliche Nutzwärmeabgabe der Erzeugeranlage jährliche Nutzwärmeabgabe der KWK - Anlage jährliche Nutzwärmeabgabe der KWK – Anlage für den Standardfall Erzeugernutzwärmeabgabe an das Heizsystem Erzeugernutzwärmeabgabe für die RLT - Heizfunktion jährliche Nutzwärmeabgabe der KWK - Anlage jährliche Nutzwärmeabgabe der KWK – Anlage für den Standardfall Energieaufwand der Kälteerzeugung Wärmeäquivalent der Pumpenarbeit XII

% von A0 kWh/kg % %/a €/h €/kWh kg/m³ €/kWh €/kWh €/m³ bar bar kg/l kWh kWh/a kWh/a kWh/a kWh/a kWh/a kWh/a kWh/a kWhth kWh/a kWel kWh/a kW kWh kWh kWh kWh/a kWh/a kWh/a kWh/a kWh/a kWh/a kWh/a kWh/a kWh

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Nennrückkühlleistung Spezifischer Elektroenergiebedarf die Erzeugernutzwärmeabgabe an das Lüftungssystem Energieaufwand der Stromerzeugung Heizlast des Gebäudes thermische Leistung des BHKW - Moduls

kW kW/kW kWh/a kWh/a kW kWh/a m³/a kWh/a -

tAu,min tB tc,op,mth tc*,op,mth tR tR,op tR,op,n tV tV,max U Vbh Vbha

Energieaufwand der Wärmeerzeugung Energieaufwand der Wasserversorgung die Erzeugernutzwärmeabgabe für Trinkwarmwasser Preisänderungsfaktor Preisänderungsfaktor für betriebsgebundene Zahlungen Preisänderungsfaktor für Erlöse Preisänderungsfaktor für Instandsetzungszahlungen Preisänderungsfaktor für kapitalgebundene Zahlungen Preisänderungsfaktor für sonstige Zahlungen Preisänderungsfaktor für bedarfsgebundene Zahlungen Betrachtungszeitraum technische Nutzungsdauer Verdampfungstemperatur Außentemperatur Mindest - Außentemperatur Bediendauer der Anlage monatliche Bedarfszeit der Raumkühlung monatliche Bedarfszeit des Kühlregisters Rücklauftemperatur mittlere Betriebszeit jährliche Betriebszeit des Rückkühlers, nutzungsabhängig Vorlauftemperatur maximale Vorlauftemperatur Spannung Vollbenutzungsstunden Vollbenutzungsdauer der Anlage

VBrst

Brennstoffvolumen

ζ (Zeta)

Wärmeverhältnis

QR,outg qR,elektr Qrv,outg,j QStr Qth Qtherm QW QWa Qw,outg,j r rB rE rIN rK rS rV T TN t0 tAU

XIII

kWth

a a °C °C °C h/a h h °C h/a h °C °C V h/a h/a m³/a bzw. l/a -

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Vorwort Die vorliegende Diplomarbeit wurde im Rahmen des 6. Praxissemesters in der Firma Imtech Deutschland GmbH & Co. KG in der Niederlassung Halle/Saale erstellt. Ziel der Arbeit ist das Erreichen des Titels Diplom-Ingenieur für Versorgungs- und Umwelttechnik (BA). Mein besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. Kai-Olaf Schulz (Firma Imtech, Niederlassungsleiter in Halle) für das entgegengebrachte Vertrauen und die wertvolle Unterstützung während der dreijährigen Studienzeit, sowie der fachlichen Kritik an der vorliegenden Arbeit. Ebenfalls zu großem Dank verpflichtet bin ich meinem Mentor Herrn Dipl.-Ing. Ingolf Tiator für die intensive Unterstützung und die wertvollen Ratschläge und Hinweise. Bei allen Kollegen und Freunden, sowie allen Firmen die mich bei der Arbeit unterstützt haben, möchte ich mich ebenfalls herzlich bedanken. Nicht zuletzt möchte ich bei meiner Freundin und meinem Vater für das Vertrauen und den Rückhalt danken, ohne die diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre.

XIV

Diplomarbeit

1

Sascha Keller VU 06/1

Einführung ,,Die Energie kann als Ursache für alle Veränderungen in der Welt angesehen werden‘‘. (Werner Heisenberg)

Die Weltenergieversorgung stellt, durch die Endlichkeit fossiler Brennstoffe, nach wie vor die zentralste Frage in den modernen Wirtschaften dar. Die damit eng verbundene Nachfrage nach neuen Lösungsvarianten der Versorgungstechnik, welche zudem geringere Schadstoffbelastungen bedingen und auch finanziell günstige Alternativen darstellen sollen, unterliegt einem stetigen Wachstum. Zur Bekräftigung der vorhergehenden Aussage kann auch o.g. Zitat verwendet werden, da der Begriff Energie ein breites Verwendungsspektrum bietet und Grundlage nahezu jeglichen Handelns bedeutet, da die Aufrechterhaltung des gestiegenen Lebensstandards der Menschen, vorrangig in den Industrieländern, ohne eine ausreichende Versorgung mit Energie nicht mehr vorstellbar ist. Es wird hierbei aber nicht nur auf ökologische Gesichtspunkte ein Augenmerk gelegt. Ökonomische Aspekte werden diesbezüglich immer ein zentrales Kriterium der Entscheidungsfindung sein. Das wachsender Kostendruck und verringerte finanzielle Spielräume oft die wirtschaftliche Situation bestimmen, ist dabei ein erhebliches Problem, denn es bewegt

den

Kunden

dazu,

seine

Interessen

vorrangig

auf

preiswerte

Lösungsvarianten auszurichten. Dies bedeutet jedoch nicht immer, dass die hierdurch erarbeitete Lösung, eine sichere und technisch optimale Anlage darstellt. Auch wirtschaftlich muss diese Anlage nicht bestmöglich geplant worden sein, sollte der Fall eintreten, dass mehr auf Investitions-, als auf Betriebskosten geachtet wurde. Somit bleibt das Problem, dass die Entscheidung für ein Anlagenkonzept vom Kunden vorrangig durch kaufmännische Interessen getätigt wird, bestehen. Dieser Fakt bedingt, dass auch weiterhin energetisch ungünstigere Anlagen aufgrund von finanziellen Vorteilen den Vorzug finden und technische Vorteile von Anlagen, welche höhere Investitionskosten bedeuten, nicht berücksichtigt werden.

1

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Ein Grund hierfür liegt auch darin, dass einige Fachplaner zu sehr auf ihre, auch teilweise veralteten, Anlagenkonzepte zurückgreifen und aktuelle, vor allem auch regenerative, Systemlösungen daher keine Verwendung finden. In der heutigen Zeit ist ein umfangreiches Wissen über neue Technologien jedoch essentiell notwendig, denn nur dann kann eine ausführliche und genügende Energieberatung des Auftraggebers erfolgen und die wichtige Umsetzung von Konzepten, welche in der Beschaffung kostenintensiver sein mögen, realisiert werden. Für soziale Einrichtungen, wie z.B. Krankenhäuser, ist dies jedoch diffizil. Obwohl diese eigenverantwortlich, zu sozial tragbaren Pflegesätzen, wirtschaftend sein sollen, unterliegen sie einer dualen Finanzierung. Hierunter versteht man die Trennung

der

Investitionskosten

Kosten

in

werden

Investitionskosten dabei

durch

die

und

pflegesatzfähige

Bundesländer

Kosten.

aufgebracht.

Die

pflegesatzfähigen bzw. Betriebskosten der Krankenhäuser werden von den Patienten und ihren Krankenkassen durch Erlöse aus Pflegesätzen getragen. Die Kosten fallen somit in jedem Falle auf den Steuerzahler zurück. Daraus kann man schlussfolgern, dass es im Interesse jedes Einzelnen liegen sollte, eine Senkung der Kosten zu erfahren, was nur durch Einsatz und Verwendung technisch und daraus resultierend auch wirtschaftlich optimaler Anlagenkonzepte realisiert werden kann. Dass unter den Krankenhäusern ein verstärkter Wettbewerbsdruck entstanden ist, fördert diese Aussage weiterhin. Daher ist es für diese unentbehrlich geworden, Möglichkeiten zur Optimierung der Ausgaben bzw. Minimierung der Kosten zu finden. Dies ist für ein Hospital vorrangig nur in den Bereichen Personal und Energieverbrauch möglich. Das man daher, unter gesellschaftlichen und umweltbedingten Gesichtspunkten gesehen, als ersten Lösungsweg die Senkung der Energiekosten bzw. des Energieverbrauches in Erwägung ziehen sollte, ist die einzig logische Konsequenz. Eine, für Steuerzahler und die Betreiber von Krankenhäusern, interessante Variante der Kosten- und Energieeinsparung ist das sogenannte Contracting. Darunter versteht man eine Dienstleistung für Investitionsprojekte mit wirtschaftlicher und effizienter Technik, wobei die Investition hierfür von einem externen Dritten (z.B. das Energieversorgungsunternehmen) geplant, finanziert und durchgeführt wird. 2

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Die daraus resultierenden Energieeinsparungen dienen zur Finanzierung der Investitionskosten und der Leistungen des Contractors. Ist die Vertragslaufzeit abgelaufen profitiert der Nutzer alleine von den niedrigeren Energiekosten aufgrund der Energieeinsparungen. Dadurch eignet sich Contracting vor allem Anlagenbetreibern, welche nicht das erforderliche Eigenkapital besitzen bzw. über keine Kenntnisse zur Planung und Finanzierung von wirtschaftlichen und effizienten Anlagen verfügen. Es bestehen dabei 2 Arten des Contracting: Anlagen- und Energiesparcontracting. Der Begriff Anlagen - Contracting beinhaltet dabei nur Anlagen zur Energieumwandlung. Die Refinanzierung erfolgt hier über den Verkauf der produzierten Endenergie. Die Tendenz geht somit heutzutage immer mehr in Richtung Energiespar – Contracting,

welches

darüber

hinaus

Maßnahmen

zur

Energieeinsparung,

Rückgewinnung und Verlustminderung umfasst. Hierbei soll die Refinanzierung aus Nutzenergie- bzw. Endenergieeinsparung erfolgen. Dadurch verlagert man das Risiko auf den Contractor, was in Abbildung (Abb.) 1 ersichtlich wird.

Abbildung 1: Contracting als umfassender Optimierungsprozess; Quelle: [THEN]

Energiespar – Contracting unterscheidet 4 Varianten: ,,shared savings’’ (festes Verhältnis der Einsparungen, z.B. 20% Kunde, 80% Contractor), ,,contract energy management’’ (festgelegte Minderung der Energierechnung), ,,first out’’ (Kunde zahlt

3

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

alte Energierechnung bis zur Refinanzierung weiter) und ,,guarenteed saving leases‘‘ (Kunde least Energiesparende Einrichtungen, Contractor garantiert Einsparungen). Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird versucht, eine Lösung zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Kostenoptimierung einer heizungstechnischen Bestandsanlage zu finden. Dabei sollen die zu erwartenden Vor- und Nachteile aufgezeigt und Kriterien zur Auswahl einer Vorzugsvariante erarbeitet werden, welche zu dem in ihrer zu erwartenden Wirtschaftlichkeit verglichen werden sollen. Die Wärmeversorgung durch Blockheizkraftwerke (BHKW's) und Fernwärme des Krankenhauses St. Elisabeth in Halle, eine Anlage die durch die Firma Imtech im Bestand teilweise erneuert wurde, soll dabei als Referenzobjekt betrachtet und erläutert werden.

4

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

2

Heizungsanlagen mit Fernwärmeversorgung

2.1

Grundlagen

Eine Heizung ist eine Einrichtung zur Erwärmung von Objekten oder Räumen. Die eigentliche Aufgabe der Heizung wurde immer in der Erwärmung des menschlichen Lebensraumes im Winter gesehen. Genauer gesagt besteht die Aufgabe darin, die Wärmeabgabe des menschlichen Körpers in der kalten Jahreszeit durch Erwärmung der Umgebung derart zu regulieren, dass sich ein Gleichgewicht zwischen Wärmeproduktion

und

Wärmeabgabe

wärmephysiologisch behaglich fühlt.

einstellt

und

der

Mensch

sich

1

Es gibt verschiedene Faktoren, welche einen Einfluss auf die Behaglichkeit besitzen. Jedoch werden nicht alle von der Heizung beeinflusst. Diese beeinflusst nur die Empfindungstemperatur. Unter dem Begriff ,,Empfindungstemperatur’’ subsumieren sich die beiden Faktoren Lufttemperatur und die mittlere Wandtemperatur. Somit werden weit reichende Anforderungen an die Heizungsanlage (HZL) gestellt: •

Aufrechthaltung einer in vertikaler und horizontaler Richtung sowie zeitlich gleichmäßiger Empfindungstemperatur;



Vorhandensein

von

schnell

wirkenden

Regelungsmöglichkeiten

zur

individuellen Anpassung der Empfindungstemperatur; •

Qualitätseinhaltung der Raumluft (im umweltlichem und geräuschlichem Sinne);



Ermöglichung einer leichten Reinigung;



Sie soll ästhetisch sein;



Kostengünstig in Anschaffung und Betrieb;



Umweltfreundlichkeit;

Natürlich gibt es keine Heizung, die all diese Forderungen erfüllt. Alle Typen die man heute in der Heizungstechnik findet, haben ihre Vor- und Nachteile.

1

[RS] S. 427 f.

5

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Der Stand der Technik ist dennoch heutzutage sehr hoch. Die Wahl der Heizung hängt von vielen zu beachtenden Faktoren ab. 2 Unter "Heizung" versteht man sowohl Begriffe wie Gebäudeheizung, Raumheizung, Zentralheizung,

Fernheizung,

Festbrennstoffheizung

Fahrzeugheizung,

(Pelletheizung),

als

Gasheizung, auch

Elektroheizung,

Bezeichnungen

für

Anlagenkomponenten, z.B. Heizkessel (bzw. allgemein: Wärmeerzeuger) und Heizkörper. Unter

Fernheizung

bzw.

Fernwärme

versteht

man

dabei

eine

Art

der

Energieversorgung, bei der das Wärmeübertragermedium an einer zentralen Stelle erwärmt wird und anschließend durch Rohrleitungsnetze den Abnehmern zur Nutzung zugeführt wird. Es existieren verschiedene Unterscheidungsmöglichkeiten für Fernwärmeanlagen, wie z.B. die Einteilung nach der Art der zu beheizenden Gebäude und der Art des Anschlusses an die Hausanlage. Bei der Unterteilung nach der Art der beheizten Gebäude wird unterschieden in: - Blockheizungen: vom Hausbesitzer selbst betriebene Heizung; - Fabrikheizungen: Nutzung der Wärme als Heiz- und Betriebswärme in den Fabriken; - Stadtheizung:

kommerzielle Versorgung von Gebäuden und Betrieben der Industrie über einheitliches Fernwärmenetz.

Im weiteren Verlauf dieser Arbeit soll dabei nur die Stadtheizung näher erläutert werden, da der praxisrelevante Hintergrund dieser Arbeit auf dem Bauvorhaben (BV) St. Elisabeth in Halle an der Saale liegt und dort diese Art zum Einsatz kommt. Weiterhin können Fernwärmeanlagen nach der Art des Anschlusses an die Hausanlagen unterschieden werden. Unter diesem Aspekt wird zwischen direktem und indirektem Anschluss unterschieden. Eine nähere Erläuterung hierfür findet sich unter Punkt 2.2. 2

Vgl. [RS] S. 428

6

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Eine Fernwärmeanlage kann dabei nach verschiedenen Betriebsweisen gefahren werden. Diese Betriebsweisen können dabei konstant, gleitend oder konstant – gleitend sein. Konstant bedeutet hierbei den Betrieb der Fernwärmeanlage mit ganzjährig gleichbleibenden Vorlauftemperaturen tV, z.B. 120°C. Diese wird vorrangig zur Brauchwassererwärmung und bei Heizungssystemen verwendet, welche mit konstanter

Temperatur

betrieben

werden,

z.B.

industrielle

Anlagen

oder

Lüftungsanlagen mit Konstanttemperaturen. 3 Bei einer gleitenden Betriebsweise wird die tv in Abhängigkeit der Außentemperatur gleitend betrieben. Die Betriebsweise kann nur für die Heizungsversorgung

tAU

verwendet werden. Unter einer konstant – gleitenden Betriebsweise versteht man die Fahrweise des Fernwärmenetzes in Abhängigkeit von tAU mit dem Unterschied, dass die Temperatur, auch außerhalb der Heizperiode auf einer konstanten tV

von

mindestens 60 – 70 °C gehalten wird. Die Energieversorgung Halle GmbH (EVH) betreiben ihr Fernwärmenetz mit einer konstant – gleitenden Betriebsweise, da das Netz eine maximale Vorlauftemperatur tV,max von 120°C bei einer minimalen Außentemperatur von tAU,min = -15°C besitzt und ab tAU = 15°C mit einer konstanten tV = 75°C gefahren wird.

2.2

Wichtige Bestandteile der Anlage

In einer Anlage, welche zur Energieversorgung mit Fernwärme dient, gibt es 4 grundlegende Komponenten: 1. Wärmeerzeuger, z.B. Kraftwerk oder Kesselhaus inkl. Komponenten zur Weiterleitung und Behandlung des Heizwassers, wie Pumpenstation, Wasseraufbereitung etc.; 2. Fernwärmerohrnetz (Primärnetz), welches das Wärmeübertragermedium zu den einzelnen Abnehmern führt;

3

Vgl. [ITHA] S. 316

7

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

3. Übergabestation bzw. Hausanschlussstation (bei indirektem Anschluss mit Wärmetauscher), wodurch die Wärme aus dem Fernwärmerohrnetz an die Hausanlage übergeben wird; 4. Hausanlage (Sekundärnetz), welche die Wärme innerhalb des Gebäudes zu den einzelnen Wärmeverbrauchern leitet. Auf die verschiedenen Wärmeerzeuger soll hierbei nicht näher eingegangen werden, da der für das Bauvorhaben relevante Typ des Heizkraftwerkes unter Punkt 3.1 dieser Arbeit näher erläutert wird. Unter dem Begriff Fernwärmerohrnetz werden prinzipiell 2 Arten von Leitungen unterschieden. Dies sind zum Einen die Transport- und zum Anderen die Verteilleitungen. ,,Transportleitungen

bringen

die

Wärmemengen

an

die

Gebiete

hoher

Wärmebedarfsdichte, während Verteilleitungen die Verteilung und Übergabe an die Verbraucher übernehmen‘‘. Als Wärmeübertragermedium kommt heutzutage nahezu ausschließlich aufbereitetes Wasser zum Einsatz. In alten Anlagen und Fernwärmenetzen wurde teilweise auch Dampf als Wärmeträger eingesetzt. Der Vorteil beim Einsatz von Dampf liegt darin, dass keine Umwälzpumpen und keine Druckhalteeinrichtungen benötigt werden. Zudem wird ein sehr hohes Temperaturniveau erreicht. Die Nachteile dieser Versorgungsart sind jedoch weitreichender, denn es sind geringere Stromausbeuten, sowie große Wärmeverluste zu verzeichnen. Zudem stellen die Temperatur-, Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse eine hohe Belastung für die Rohrleitungen dar. Weiterhin sind neben den größeren Rohrquerschnitten (im Niederdruckbereich gegenüber Einsatz von Wasser) auch Kondensatrückführungen, mit den damit verbundenen Problemen der Korrosion, zum Betrieb der Anlage notwendig. Außerdem ist die Anlage schwer zu regeln. Bei Einsatz von Wasser entstehen die Nachteile, dass es Umwälzpumpen bedarf und die Dampferzeugung anderweitig realisiert werden muss, wie z.B. durch externe Dampferzeuger (Dampfkessel). Dies erfordert eine zusätzliche Druckhaltung, jedoch besitzt die Anlage dadurch eine gute Regelbarkeit. 8

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Sascha Keller VU 06/1

Der größte Vorteil des Heizwassers besteht darin, dass mit großen Spreizungen kleinere Massenströme für die gleiche Heizleistung erzielt werden können. Dieses ist in mehrfacher Hinsicht ein günstiger Umstand, denn neben den verringerten Kosten für das Fernwärmenetz, können auch kleinere Pumpen, mit dementsprechend kleinerer Anschlussleistung und der damit verbundenen Stromeinsparung, eingesetzt werden. Heißwasserumwälzpumpen sind dabei Sonderkonstruktionen, welche bei sehr hohen Wassertemperaturen auch mit gekühlten Lagern ausgestattet werden. Hierbei

gilt

es

unbedingt

Geschwindigkeitsverhältnisse

zu

im

beachten,

dass

die

stimmen,

damit

der

Netz

Druckzur

und

jeweiligen

Wassertemperatur gehörende Sättigungsdruck nicht unterschritten wird. Ist die Geschwindigkeit

jedoch

so

hoch,

dass

der

statische

Druck

unter

den

Verdampfungsdruck der Flüssigkeit fällt, kommt es zur Dampfblasenbildung. Steigt der Druck danach wieder an, wird der Verdampfungsvorgang beendet. Der in den Blasen entstandene Dampf kondensiert an den Außenwänden, wodurch diese schlagartig zusammen fallen. Es kommt zur Implosion. Die daraus resultierenden Wasserschläge (kurzzeitige Druckstöße), vorrangig auf der Saugseite der Pumpe, sind die Ursache für Kavitation. Diese bedingt Verschleiß und Zerstörung von mechanischen Bauteilen der Pumpe. Dem Fernwärmeversorgungsnetz ist die Hausanschlussstation der jeweiligen Abnehmer bzw. des jeweiligen Kunden nachgeschaltet. Sie kann dabei auch als Übergabestation bezeichnet werden und ist das Bindeglied der Hausanschlussleitung und der Hauszentrale. ,,Ihre Aufgabe besteht darin, die Wärme in der vertragsgemäßen Form (Druck, Temperatur und Heizwassermenge) an die Hauszentrale weiterzuleiten‘‘. 4 Dieser liegen 2 mögliche Anschlussvarianten zugrunde. Es wird zwischen direktem und indirektem Anschluss unterschieden. Unter dem Begriff ,,direkter‘‘ Anschluss (siehe Abb. 2) versteht man dabei, dass die Hausanlage (hauseigenes Rohrnetz und die damit zu versorgenden Abnehmer) direkt mit dem Fernheizmedium durchströmt wird.

4

[TABHW]

9

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Sascha Keller VU 06/1

Abbildung 2: Schema einer Hausanschlussstation für einen direkten Anschluss zum Fernwärmenetz; Quelle: [RS]

Beim ,,indirekten‘‘ Anschluss ist dem Fernwärmenetz (in der Hausanschlussleitung) und der Hausanlage ein Wärmeübertrager zwischengeschaltet. Dabei haben sich hartgelötete

Plattenwärme-

oder

Rohrbündeltauscher

bewährt,

wobei

der

Plattenwärmetauscher vorrangig für den Fernwärmeanschluss genutzt wird und der Rohrbündeltauscher überwiegend bei Dampf angewandt wird. Der wesentliche Vorteil des indirekten Anschlusses (siehe Abb. 3) besteht darin, dass

schwankende

Wassertemperaturen

und

eventuell

im

Fernwärmenetz

auftretende Druckschwankungen nicht auf die Hausanlage übertragen werden.

Abbildung 3: Indirekter Anschluss einer Warmwasserheizung an ein Heißwasser Fernwärmenetz; Quelle: [RS]

10

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Sascha Keller VU 06/1

Es gelten deshalb die gleichen sicherheitstechnischen Bestimmungen wie für normale Kesselanlagen nach der DIN EN 12828. Für das BV St. Elisabeth kommt ein indirekter Anschluss zum Einsatz, da der Wärmeverteilungsanlage,

ein

Wärmetauscher

(in

der

Hausanschlussstation)

vorgeschaltet ist. Für Leistungen im kleineren bis mittleren Bereich werden heutzutage industriell gefertigte

Kompaktanschlussstationen

verwendet,

was

den

Montageaufwand

erheblich vereinfacht und eine Senkung der Anschlusskosten mit sich bringen kann. Der letzte Bestandteil der Anlage ist die Hausanlage, welcher prinzipiell aus dem im Gebäude (für die Heizung) verlegten Rohrleitungen und den Heizflächen inkl. deren Regeleinrichtungen besteht. Bei einem Fernwärmeanschluss ist das Rohrsystem, bei Neuanlagen, als Zweileitersystem auszuführen. Ein Einrohrsystem ist bei Neuanlagen nicht zulässig. 5 Das Zweirohrsystem mit unterer Verteilung (siehe Abb. 4) ist dabei das meist ausgeführte System zur Verteilung der Wärme.

….. Vorlauf ….. Rücklauf

Abbildung 4: Prinzip des Zweirohrsystems mit unterer Verteilung;

Gegenwärtig zeichnet sich jedoch ein eindeutiger Trend in Richtung der Rohrleitungsführung nach Tichelmann ab. Dabei handelt es sich ebenfalls um ein Zweileitersystem, wobei hier die Summe der Gesamtanschlusslänge (Vor- und Rücklauf) vom Verteiler zu jedem Heizkörper gleich groß ist. 6 Wird die Anlage indirekt an das Fernwärmenetz angeschlossen, so bestehen für die Wahl der Heizflächen im Gebäude keine Einschränkungen. Dies gilt ebenso für den Rohrwerkstoff. 5 6

[TABHW] Vgl. [RS] S. 654

11

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Die Regelung der Anlage hat dabei als zentrale Temperaturregelung zu erfolgen. Diese erfolgt vorrangig in der Hauszentrale bzw. zentral durch die Glt. Bei der technischen Schaltung ist zu beachten, dass eine größtmögliche Auskühlung des Heizwassers anzustreben ist, die vertragsgemäße Rücklauftemperatur darf bei Neuanlagen keinesfalls überschritten werden. Das Heizwasser darf dabei nicht verunreinigt werden, d.h. es muss in der gleichen Qualität zurückgeliefert werden, wie es geliefert wird. Zudem ist eine unbefugte Entnahme des Fernheizwassers nicht gestattet. Für den jeweiligen Bedarfsfall (nach Entnahme) ist jedoch eine automatische Nachspeisung aus dem Primärnetz heut Stand der Technik. Dem Benutzer müssen Eingriffsmöglichkeiten zur Regelung und eventuellen Reduzierung der Raumtemperatur gegeben sein. Es gelten zudem die allgemeinen gesetzlichen und technischen Bestimmungen und Vorschriften. Hierunter zählen vor allem die EnEV, die DIN 4109 (Schallschutz im Hochbau),

TA

Lärm

(Technische

Anleitung),

die

VDI

2058

sowie

die

AVBFernwärmeV (Verordnung über allgemeine Bedingungen für die Versorgung mt Fernwärme)

und die TAB’s (technische Anschlussbedingungen) des jeweiligen

Fernwärmelieferanten.

12

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Sascha Keller VU 06/1

3

Kraft – Wärme (– Kälte) – Kopplung

3.1

Grundlagen

In herkömmlichen Kraftwerken (Kondensations – Dampfkraftwerke) wird mittels Einsatz fossiler Brennstoffe Dampf erzeugt. Dieser wird anschließend in einer Turbine entspannt und diese dadurch angetrieben. Die Turbine ist mit einem Generator verbunden, welcher gleichzeitig mit dieser betrieben wird. Im Generator wird die Antriebsenergie in Strom umgewandelt. Der größte Teil der gleichzeitig im Prozess entstandenen thermischen Energie wird dann über den Kühlturm (Kondensator) des Kraftwerkes an die Umwelt abgegeben und somit vernichtet (siehe Abbildung 5).

Abbildung 5: Erzeugung von Strom ohne gekoppelte Wärmenutzung; Quelle: [BHKW]

Zentrale Heizkraftwerke (HKW) verwenden die Verdampfungswärme im Abdampf zu Heizzwecken, indem anstelle des Kondensators der Wärmeverbraucher geschaltet wird. Das Druck- und Temperaturniveau des Prozesses ist im Vergleich zum herkömmlichen Kraftwerk höher, sodass die Verwendung der Heizwärme, auch aus wirtschaftlichen Gründen, energetisch sinnvoll ist. Die somit gleichzeitige (gekoppelte) Erzeugung von Strom und Wärme bezeichnet man als Kraft – Wärme – Kopplung (KWK). International wird diese als ,,Cogeneration‘‘ bezeichnet. 7

7

[BHKW]

13

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Der Gesamtwirkungsgrad kann dabei deutlich gesteigert werden (siehe Abb. 6).

Abbildung 6: Anlagennutzungsgrad mit Verwendung der Abwärme zu Heizzwecken im Zuge der KWK; Quelle: [BHKW]

,,Der Anteil der elektrischen Energie wird allerdings gegenüber der Stromerzeugung in einem Kraftwerk entsprechend geringer‘‘. 8 Das Hauptmotiv für die Nutzung der KWK ist die Möglichkeit, die zur Verfügung stehenden fossilen Energieträger so effizient wie möglich zu nutzen. Als Brennstoffe kommen je nach Technologie Erdgas, Diesel, Kohle, Biogase oder Biomasse in Frage. Die Betriebsweise kann wärme- oder stromgeführt sein, wobei KWK – Systeme üblicherweise zur Wärmebedarfsdeckung ausgelegt werden. 9 In HKW's kommen heutzutage entweder Verbrennungsmotoren, Gasturbinen, Dampfturbinen oder Gas- und Dampfturbinen (GuD) für die Umwandlung der thermischen in elektrische Energie zum Einsatz.

8 9

[RS] S. 525 [BHKW]

14

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Sascha Keller VU 06/1

Abbildung 7: Schema einer GuD - Anlage; Quelle: [RS]

Das GuD – HKW (siehe Abbildung 7) ist dabei eine moderne Form der Kraftwerke, da hierbei die höchsten elektrischen Wirkungsgrade (zwischen 40 – 50%) realisierbar sind. Der Gesamtwirkungsgrad liegt zwischen 80 – 85%. Das Kraftwerk der EVH (HKW Dieselstraße), welches das Krankenhaus mit Energie versorgt, ist ein solches GuD – HKW mit einem Primärenergiefaktor von 0,065. Dieser Faktor spiegelt das Verhältnis von eingesetzter (Primärenergie) zu abgegebener Energie (Endenergie) wieder. Der Faktor 0,065 liegt dabei deutlich unter den standardisierten Pauschalwerten für Fernwärme (0,7) oder Gas/Öl (1,1). Je niedriger dieser Wert dabei ist, desto geringer sind auch die Anforderungen (nach EnEV) an die Dämmung des Gebäudes, was ein erhebliches Einsparpotential bietet. Es findet hierbei jedoch nicht nur eine Energieeinsparung statt. Über diese hinaus werden

brennstoffbedingte

Emissionen

wie

SO2 (Schwefeldioxid) und CO2

(Kohlendioxid) stark vermindert, was hinsichtlich der heutigen Treibhausproblematik eines der wichtigsten Kriterien für eine Versorgungsanlage ist. Jedoch gibt es auch für diese Anlage einen Nachteil. Dieser liegt in der fehlenden Wärmeabnahme bzw. geringen Auslastung des Netzes im Sommer, was durch das Fernbleiben der Heizlast bedingt ist. Allerdings

besteht

auch

hier

die

Möglichkeit

einer

Verbesserung

der

Wirtschaftlichkeit, indem Kälteanlagen mit thermisch angetriebenen Verdichtern zur Bereitstellung

von

Kälte

für

Prozesskühlungs-

und

Klimatisierungsaufgaben

eingesetzt werden. Hierdurch kann zumindest ein Teil der bereitgestellten Wärme 15

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verwendet werden. Den Umstand die erzeugte Wärme zur Bereitstellung von Kälte zu verwenden bezeichnet man als Kraft – Wärme – Kälte – Kopplung (KWKK). Diese kann neben der Ausführung mittels Blockheizkraftwerken oder Gasturbinen auch anderweitig ermöglicht werden, z.B. durch Versorgung mit Fernwärme (Fernwärme – Kälte – Kopplung). Eine genauere Erläuterung hierzu wurde unter Punkt 3.4 erreicht.

3.2

BHKW – Technologie

Bei der Betrachtung von Blockheizkraftwerken untersucht man Kleinkraftwerke, welche

grundsätzlich zwischen den Antriebsvarianten durch Gasturbinen und

Verbrennungsmotoren unterschieden werden. Dem Grunde nach finden BHKW’s vorrangig ihre Anwendung in Einrichtungen, wo die Gleichzeitigkeit der Strom- und Wärmeabnahme garantiert ist, d.h. eine möglichst hohe Eigennutzung der zur Verfügung gestellten Energien erfolgt. Prinzipiell muss man hier zwischen zwei Fahrweisen unterscheiden: stromgeführt oder wärmegeführt. Stromgeführt bedeutet dabei, dass das Modul auf eine Anforderung eines Strombedarfes im Netz zugeschaltet wird, wobei diese Anforderung in den meisten Fällen eine Lastkennlinie für den Strombedarf ist. Für diese Betriebsweise ist immer ein Notkühler vorzusehen, da die gleichzeitig erzeugte Wärme an die Umwelt abgegeben wird, für den Fall das im Gebäude keine Wärmebedarf besteht bzw. die Wärme nicht zwischengespeichert werden kann (Gebäude oder Pufferspeicher). Eine wärmegeführte Betriebsweise bedeutet hingegen, dass ein BHKW auf Grundlage eines Temperatursollwertes gefahren wird, was bedeutet, dass zu diesem Zeitpunkt im System ein Wärmebedarf angefordert wird, woraufhin das BHKW zuschaltet. Der erzeugte Strom kann dabei im Gebäude selbst verwendet werden bzw. auch in das öffentliche Netz des EVU eingespeist werden. Es ist jedoch vorteilhaft den Strom möglichst vollständig selbst zu verbrauchen, da der Verkaufspreis des, durch das BHKW, erzeugten Stromes deutlich unter dem Einkaufpreis des EVU – Stromes liegt. Daraus ergibt sich das der durch

16

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Eigennutzung erzielte Gewinn erheblich höher als der durch Verkauf erlangte Nutzen ist. 10 Wie vorher beschrieben können diese Kleinkraftwerke mit Gasturbinenantrieb oder mit Otto- oder Dieselmotoren betrieben werden, wobei heutzutage auch Stirling – Motoren zunehmend Anwendung finden. Zum Betrieb derer können neben fossilen Brennstoffen, wie Benzin, Diesel, Erdgas und Öl, auch regenerative Energieträger, z.B. Biomasse (Pflanzenöl oder Biogas) biogene Brennstoffe (Deponie-, Schwach-, Gruben- und Klärgas), eingesetzt werden. Da in Deutschland ein gut ausgebautes Erdgasnetz vorhanden ist, finden erdgasbetriebene BHKW – Anlagen heutzutage vorrangig ihre Anwendung. Eine gute Verfügbarkeit und die daraus resultierende dauerhafte Versorgungssicherheit des Erdgases sollte dabei weiterhin diskutiert werden, vor allem aus politischen Hintergründen. Das Gasturbinen – BHKW stellt dabei eine ,,jüngere‘‘ Technologie dar. Diese Maschinen finden vorrangig im industriellen Bereich ihre Anwendung. Durch neuere Entwicklungen

wird

diese

BHKW



Technologie

aber

auch

für

den

Raumwärmesektor immer interessanter werden. Der prinzipielle Aufbau dieses BHKW’s ist aus Abbildung 8 ersichtlich.

10

Vgl. [ITHA] S. 324

17

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Sascha Keller VU 06/1

Abbildung 8: Grundprinzip eines gasturbinenbetriebenem BHKW’s; Quelle: [BHKWPL]

Daraus ist zu erkennen, dass Gasturbinen Verbrennungskraftmaschinen sind, welche die Energie direkt in eine drehende Bewegung umsetzen. Nach dieser Antriebsleistung erzeugen die in der Turbine ausgedehnten Rauchgase die Nutzwärme. Sie verlassen diese mit einem sehr hohen Luftüberschuss und einer Temperatur zwischen ca. 450 – 600°C. Der Vorteil dieser Maschine für die KWK ist dabei die Wärmeabfuhr über das Abgas bei einem sehr hohen Temperaturniveau. Die Stromausbeute und der Gesamtnutzungsgrad sind jedoch niedriger als bei BHKW’s mit Verbrennungsmotoren. Das Leistungsspektrum reicht dabei von 0,5 – 150 MWel, wobei Anlagen über 5 MWel elektrische Wirkungsgrade von 30 – 35 % erreichen, Anlagen unter 1 MWel nur ca. 20%. Die Basis für Mikroturbinen bilden die fundierten technischen Kenntnisse über die Turboladertechnik. Der Strom wird in der Anlage über einen schnelllaufenden Permanent – Magneten erzeugt. Dieser ist direkt auf der Antriebswelle der Turbine angeordnet. Dadurch läuft der Generator mit der gleichen Drehzahl wie die Turbine. Der dadurch erzeugte, hochfrequente Wechselstrom (f=1.600 Hz) wird über eine Leistungselektronik der Turbine gleichgerichtet und dann in Wechselstrom mit einer Spannung von 400 V und einer Frequenz von 50 Hz gewandelt.

18

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Aufgrund der Einbringung der Rekuperatortechnik können die elektrischen Wirkungsgrade bis auf 28% angehoben werden. Der Rekuperator ist dabei ein Bauteil, welches die Wärmeenergie aus den Turbinenabgasen nutzt um die Verdichteraustrittsluft aufzuwärmen, bevor diese in die Brennkammer gelangt. Somit vermindert sich auch der Brennstoffeinsatz. Die Wirkungsgrade der Verbrennungsmotor – betriebenen BHKW’s werden jedoch nicht erreicht. Dafür zeichnet sich diese Anlage durch deutlich geringere Wartungskosten aus. Ein mögliches Grundprinzip des Motor – BHKW’s wird in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9: Mögliches Grundprinzip eines motorbetriebenem BHKW’s; Quelle: [BHKWPL]

Wird

der

Strom

in

der

Anlage

netzparallel

verwendet,

kommen

i.d.R.

Asynchrongeneratoren zum Einsatz. Synchrongeneratoren werden hingegen für den Ersatzstrom- und Inselbetrieb der Anlage eingesetzt.11 Zur Veranschaulichung der möglichen Energieeinsparpotentiale wurde die folgende Abb. 10 eingefügt.

11

Vgl. [RS] S. 752

19

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Sascha Keller VU 06/1

Abbildung 10: Energiefließbild der verschiedenen Energieerzeuger; Quelle: [ASUE]

Das Wärmepotential des BHKW’s kann auf verschiedene Art und Weise genutzt werden.

Dabei

vorrangig

zu

betrachten

ist

der

Kühlerkreislauf-

und

Abgaswärmetauscher. Aber auch die Nutzung über eine Öl- und Generatorkühlung ist, je nach Art und Aufbau der Anlage, möglich. Der Kühlwasserkreislauf ist dabei das erste Medium, welches der Erhitzung des Heizwassers

auf

ein

bestimmtes

Temperaturniveau

dient.

Mit

dem

Abgaswärmetauscher wird dieses Heizwasser dann auf seine zugewiesene Vorlauftemperatur gebracht. Die tatsächlich auskoppelbare Wärmemenge hängt jedoch vom Temperaturniveau des Sekundärkreislaufes (Verbraucherkreislauf) ab. Das bedeutet, dass die optimale Auslegung der Anlage nur in Verbindung mit den nachgeschaltenen Verbrauchern realisiert werden kann, da die im System benötigte Vorlauftemperatur und deren Auskühlung

durch

die

Verbraucher

den

Einfluss

auf

die

erreichbaren

Wärmenutzungsgrade bestimmen. Die Erstellung eines ordentlich durchdachten Betriebsführungskonzeptes, was eben diese Wärmeabnahme durch die Verbraucher berücksichtigt, ist somit essentiell notwendig. Bei Nutzung der KWKK ist deren Betriebsverhalten unbedingt mit einzuschließen.

3.3

Betrachtungen zur Absorptionskältemaschine

20

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Sascha Keller VU 06/1

Bei einer genaueren Betrachtung ist es falsch, von Kälteerzeugung zu sprechen, da aus physikalischer Sicht der Begriff Kälte nicht existiert. Es bedeutet im ursprünglichen Sinne, dass Wärmeenergie aus einem Bereich, in welchem sie unerwünscht ist, abgeführt wird. Die damit entzogene Wärme muss dann an ein anderes Medium bei entsprechend höherer Temperatur abgegeben werden. Da allerdings laut dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik Wärme immer nur von einem Körper höherer Temperatur zu einem Körper niederer Temperatur strömt und niemals umgekehrt, bedeutet dies, dass hierfür die Zufuhr von Energie notwendig ist, in dem Fall die Arbeit der Kältemaschine erforderlich wird. Dieses Prinzip ist die Grundlage der Kältetechnik. Es gibt dabei 2 Arten der Energiezufuhr zum Verdichter. Dies kann zum Einen durch elektrische Energie (bei Kompressionskältemaschinen) und zum Anderen durch thermische Energie (Absorptionskältemaschinen) realisiert werden. Eine gute Möglichkeit für die Erläuterung der Absorptionskältemaschine (AKM) ist der Vergleich mit der Kompressionskältemaschine (KKM). Die Prinzipien wurden zur Veranschaulichung in den Abbildungen 11 und 12 dargestellt.

Abbildung 11: Grundprinzip der Kompressionskältemaschine; Quelle: [MOCK]

Die im Kreisprozess arbeitende Anlage besteht aus dem Verdichter, dem Verflüssiger (Kondensator), dem Expansionsventil und dem Verdampfer. Das im Prozess zirkulierende Kältemittel (KM) gelangt im flüssigen Zustand in den Verdampfer, wo es unter möglichst hoher Verdampfer-/Kühlleistung verdampft (bei Temperatur t0 und Druck p0). Der

Dampf

wird

vom

Verdichter

angesaugt.

In

Verdichtungsarbeit zugeführt und somit sein Druck erhöht. 21

diesem

wird

dem

KM

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Sascha Keller VU 06/1

Das erwärmte KM gelangt von da aus in den Kondensator, in welchem dieses durch den Entzug latenter Wärme abkühlt und somit verflüssigt wird. Im Expansionsventil erfolgt anschließend die Entspannung vom Verdichtungsdruck pC auf den Verdampfungsdruck p0. Dabei bleibt ein Teil der Flüssigkeit im verdampften Zustand. Somit liegt Nassdampf vor. Durch den Entzug der Verdampfungswärme, findet eine Temperaturverringerung des KM auf t0 statt. Der Nassdampf gelangt in den Verdampfer. Der Kreislauf ist damit geschlossen.

Abbildung 12: Fließbild einer Absorptionskälteanlage; Quelle: [RS]

Aus

Abb.

12

wird

ersichtlich,

Absorptionskältemaschine,

dass

welcher

aus

der

thermische

dem

Verdichter

gesamten

der

sogenannten

Lösungsmittelkreislauf besteht, hier die Aufgaben des Verdichters analog zur KKM übernimmt.

Dieser

besteht

aus

4

Grundbauteilen:

Absorber,

Austreiber,

Lösungsmittelpumpe und Lösungsmittelwärmeübertrager. Das Zweistoffsystem, in welchem eine Flüssigkeit eine andere absorbiert und wieder von ihr getrennt wird, ist das wichtigste Kennzeichen einer AKM. Der aufgenomme (absorbierte) Stoff besitzt hierbei die Funktion des Kältemittels, der aufnehmende

22

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Stoff stellt das Lösungsmittel dar. Beide zusammen werden als Arbeitspaar bezeichnet. Es wird zwischen 2 Arbeitsstoffpaaren unterschieden: Wasser / Ammoniak (NH3/H2O) und Lithiumbromid / Wasser (LiBr/H2O). Letzteres Paar wird dabei zu Klimatisierungszwecken eingesetzt, da hier Wasser als Kältemittel dient und demnach ca. 4°C die untere Grenze des Systems darstellen. Wird Ammoniak als Kältemittel verwendet, so sind Temperaturen von bis zu -60°C möglich, was den Einsatz für z.B. Prozesskühlung ermöglicht. Zur detailierten Erläuterung der Funktionsweise der AKM wurde das log p, 1/T – Diagramm als Veranschaulichung eingefügt (siehe Abb. 13).

Abbildung 13: Darstellung des AKM - Kreisprozesses (einstufig) im log p, 1/T - Diagramm; Quelle: [RS]

Der im Verdampfer entstehende Kältemitteldampf wird bei der AKM, wie oben bereits geschrieben, nicht mechanisch verdichtet. Er wird von einem Lösungsmittel absorbiert, wobei dies bei einem niedrigen Verdampfungsdruck geschieht. Es entsteht die sogenannte reiche Lösung. Die Lösungsmittelpumpe bringt diese, mit Kältemittel angereicherte, Lösung dann auf einen höheren Verflüssigungsdruck und führt sie dem Austreiber (Kocher) zu. In diesem wird durch die Zufuhr von thermischer Energie (Wärme) das Kältemittel wieder ausgetrieben. Hierfür kann Warmwasser, Dampf oder auch Brenngas als Wärmequelle verwendet werden. Dabei bleibt eine ,,arme‘‘ Lösung übrig, welche 23

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über ein Drosselorgan wieder zum Absorber zurückströmt. Diese wird dort über Rohre verrieselt, damit eine möglichst große Oberfläche zur Absorption des Kältemitteldampfes

zur

Verfügung

steht.

Zudem

wird

die

frei

werdende

Lösungswärme an das, die Rohre durchströmende, Kühlwasser abgegeben. Das im Kocher ausgetriebene Kältemittel wird dann im Verflüssiger bei einem Druck pc verflüssigt, aufgrund der Wärmeabgabe an Kühlwasser oder – luft, und anschließend zum Expansionsorgan (Expansionsventil) geführt. In diesem wird es auf einen Druck p0 gedrosselt, sodass es im Verdampfer, mit der zu p0 gehörigen Verdampfungstemperatur t0, Wärme aus dem zu kühlenden Medium aufnehmen kann. Somit entsteht wieder ein Kältemitteldampf, welcher anschließend zum Absorber strömt und dort wieder absorbiert werden kann. Der Kältekreislauf ist geschlossen. Die Darstellung der einzelnen Bauteile erfolgte in Abb. 14 anhand einer Maschine der Fa. Johnson Controls (ehemals York). Verflüssiger Austreiber

Verdampfer Absorber Lösungsmittelwärmetauscher

Lösungsmittelpumpe

Abbildung 14: konstruktiver Aufbau einer AKM; Quelle: [YORK]

Die im Absorber entstehende reiche Lösung und die nach dem Austreiber übriggebliebene arme Lösung werden im Lösungsmittelkreislauf durch einen Gegenstrom - Wärmeaustauscher, den ,,Temperaturwechsler‘‘, geführt. In diesem wird die kalte (reiche) Lösung durch die warme (arme) Lösung vorgewärmt, wobei sich die arme Lösung gleichzeitig abkühlt. Somit wird, wie vorher bereits beschrieben wurde, beim Kreislauf der AKM der Verdichter durch das System Absorber – Temperaturwechsler – Austreiber zuzüglich Lösungsmittelkreislauf mit Lösungspumpe ersetzt. Die Lösungspumpe ist hierbei das einzige bewegte Teil des Kältekreislaufs.

24

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Sascha Keller VU 06/1

Durch prozessinterne Wärmerückgewinnung und Mehrstufigkeit des Prozesses lassen sich Verbesserungen der Energieausnutzung erreichen. Aus

der

Abb.

Wärmeverhältnisse

15

gehen (auch

üblich siehe

Heizmitteltemperaturen Punkt

3.4)

ein-

und und

zugehörige mehrstufiger

Absorptionskältemaschinen mit Li/Br – Lösung für den Klimakältebereich hervor. Stufigkeit der Anlage Zweistufig Einstufig einstufig

Heizmitteltemperaturen 150 – 180 °C 100 – 140°C 80 – 100°C

Wärmeverhältnis ζ 1,1 – 1,2 0,7 0,65

Abbildung 15: Arbeitsbereiche, Heizmitteltemperaturen und Wärmeverhältnisse von AKM in Abhängigkeit der Stufigkeit der Kälteanlage; Quelle: [GFV]

3.4

Verbund von BHKW und Absorptionskältemaschine

Die unter Punkt 3.1 erwähnte KWKK ist im Grunde genommen die Ergänzung einer KWK – Anlage um eine Absorptionskältemaschine (AKM). Im Vergleich zur KWK, welche als ,,Cogeneration‘‘ bezeichnet wird, hat für die KWKK der internationale Begriff ,,Trigeneration‘‘, in deutschsprachigen Ländern auch Totalenergieverbund genannt, immer mehr Anwendung gefunden. Der Begriff KWKK begründet sich durch die Nutzung der, im Sommer im Überschuss zur Verfügung stehenden, Wärme. Aus dieser wird, über den thermischen Verdichter der AKM, Kälte erzeugt (Funktionsprinzip siehe Punkt 3.3). Kommt dieses System zum Einsatz, erfolgt ein Anstieg des Wärmeverbrauchs im Sommer, was einen höheren Nutzungsgrad des Heizkraftwerkes zur Folge hätte. Durch den Betrieb von AKM ist es möglich, die Verwendung bzw. Anschaffung von Kompressionskältemaschinen (KKM) zu vermeiden. Dies würde sich positiv auf die Stromkosten auswirken. Hierbei ist ebenfalls zu vermerken, dass Kosten für thermische Energie geringer als Stromkosten sind. Zudem kann durch die Verringerung der elektrischen Anschlussleistung gegenüber dem Einsatz von KKM und der daraus resultierenden Vermeidung von Stromspitzen, durch derartige Systeme, ein erheblicher Anteil Primärenergie eingespart werden bzw. die zur Verfügung gestellte Primärenergie bestmöglich ausgenutzt werden.

25

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Dieser Aspekt wird durch die erhebliche Senkung des damit verbundenen CO2 – Ausstoßes zudem verstärkt. Für eine genaue Auskunft, ob sich der Einsatz eines KWKK - Systems eignet, ist neben der Heiz- und Kältelastberechnung eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unabdingbar. Daraus würde ebenfalls erkenntlich werden, inwiefern sich weitere Vor- und Nachteile

der

AKM

auswirken,

wie

z.B.

geringer

Wartungs-

und

Instandhaltungskostenaufwand, jedoch höhere Investitionskosten. Der

Betrieb

mit

dem

Arbeitspaar

LiBr/H2O

ist

zudem

für

die

meisten

Verwendungszwecke völlig ausreichend und dieses ist weder für die Umwelt, noch für die Ozonschicht gefährlich im Gegensatz zu den, für Kompressionskältemaschinen vorgeschriebenen,

FKW's. Diese sind nach dem Verbot von

FCKW's heutzutage einzusetzen, jedoch besitzen auch diese ein nicht zu vernachlässigendes Ozongefährdungspotential. Bei einem Verbund mit einem BHKW (wärmegeführt) kann die notwendige Heizleistung des Austreibers der AKM über den Abgaswärmetauscher (AWT) zur Verfügung gestellt werden, da diese ein relativ niedriges Wärmeniveau (ca. 80 – 160°C) benötigen. Mit diesem kann zwar eine höhere Heiztemperatur, im Vergleich zur Wärmebereitstellung durch den Kühlkreislauf (KKL), erreicht werden, jedoch ist der Volumenstrom dabei kleiner. Der Volumenstrom des Kühlkreislaufes ist größer, aber das Temperaturniveau des AWT wird hiermit nicht erreicht. Einige Hersteller bieten, zur Ausnutzung des KKL, bereits heißgekühlte Motoren an, wobei diese sehr teuer in der Investition sind. Daraus lässt sich ableiten, das die größte Effizienz erreicht wird, wenn der AWT zum Betrieb der AKM, einhergehend mit der Versorgung der Kälteverbraucher, genutzt wird und die über den KKL nutzbar gemachte Wärme zur Versorgung der Wärmeverbraucher im System dient. Durch den Einsatz von Pufferspeicher für die Kälte- und Wärmeverbraucher ist eine weitere Optimierung der Anlage möglich, da hierdurch ein Nachteil der AKM (relativ langer Anfahrvorgang zum Erreichen der eingestellten Vorlauftemperatur) beseitigt werden kann.

26

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Positiv zu bemerken ist hierbei, dass die Hersteller heutzutage über ein breites Spektrum an Modulen verfügen, wodurch es ihnen möglich ist diese für sehr viele Einsatzgebiete flexibel anzupassen. Für die Auslegung der AKM bzw. zur Aussage über deren Effektivität wird das Wärmeverhältnis ζ (Zeta) verwendet. Dieses wird bestimmt durch:

ζ

Gleichung 3-1

QP ist dabei das Wärmeäquivalent der Pumpenarbeit, welches jedoch praxisrelevant vernachlässigt werden kann, da es nur ca. 1% der Heizwärme QH beträgt und somit keinen entscheidenden Einfluss auf obige Gleichung besitzt. Heutzutage wird bei einer AKM ein Wärmeverhältnis von ca. 0,7 erreicht (einstufig). Bei einer KKM wird gewöhnlich ein COP (Coefficient of Performance) von ca. 4 - 5 erreicht. Aufgrund des geringeren Wärmeverhältnisses, im Vergleich zum COP der KKM, werden für die AKM i.d.R. doppelt so große Verflüssigerleistungen benötigt. Hier muss zusätzlich die beim Vorgang der Absorption frei werdende Wärme abgeführt

werden.

Der

Einsatz

von

AKM

verlangt

außerdem

einen

Verdunstungsrückkühler um ein entsprechend tiefes Temperaturniveau zu erreichen. Diese benötigen während des Betriebes ständig Frischwasser, welches zudem vorher aufbereitet werden muss (qualitätsabhängig). KKM können hingegen auch mit Trockenkühlern betrieben werden. Hierdurch begründen sich die ca. 2-3fach höheren Investitionskosten der AKM zur KKM.

3.5

Innovative BHKW – Technologien

Eine weitere sinnvolle und interessante Betrachtung für Innovationen bzw. Verbesserungen der BHKW - Technologie beruht auf der Anwendung der Brennwertnutzung (BWN). 27

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Sascha Keller VU 06/1

Eine BWN beschränkt sich in der Gegenwart zumeist auf die Anwendung bei Erdgasverbrennungen

in

Niedertemperaturheizsystemen

mit

niedriger

Rücklauftemperatur und ist daher bei einem Einsatz von Blockheizkraftwerken kaum gebräuchlich,

da

herkömmliche

Kondensationssysteme

einen

niedrigen

Wassertaupunkt besitzen. Hersteller, wie z.B. die Fa. Mephisto, bieten jedoch Aggregate an, welche ebenfalls eine Einbindung von BHKW’s mit Brennwertnutzung ermöglichen. Diese sind ebenfalls für höhere Leistungsbereiche serienmäßig vorhanden. Ein Einbau dieser würde auch die Verwendung von Brennwertkesseln als Folgeerzeuger für höhere Wärmebedarfsbereiche sinnvoll machen. Ein Prinzip dieser Einbindung ist in Abb. 16 dargestellt.

Abbildung 16: Möglichkeit der Brennwertnutzung unter Einbindung von BHKW - Modulen mit Brennwertkesseln als Folgeerzeuger; Quelle: [MEPH]

Diese Module können durch Umschalten der Heizkurven auf ein niedrigeres Niveau in der Auslegung der Systemtemperaturen verändert werden. Durch Vorhandensein der Erdgasleitungen könnten demnach auch Brennwertkessel zur Wärmeversorgung als Folge- bzw. Spitzenlasterzeuger eingesetzt werden. Dagegen spricht jedoch die Verwendung einer AKM zur Nutzung der KWKK.

28

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Sascha Keller VU 06/1

Eine Nutzung dieser negiert sich, da bei Verringerung der Vorlauftemperaturen die Betriebsvoraussetzungen

wegfallen

würden,

d.h.

die

notwendigen

Heißwassertemperaturen im Vorlauf nicht erreicht werden könnten. Die von einer AKM resultierenden Rücklauftemperaturen (Heißwassertemperaturen) würden zudem eine Brennwertnutzung zunichte machen. Dementgegen wurde ein neues Verfahren entwickelt, welches die durch das BHKW realisierte Kraft – Wärme – Kopplung mit einer Brennwertnutzung auf erhöhtem Temperaturniveau kombiniert, die sogenannte Hochtemperaturbrennwertnutzung (HTBN). 12 Dabei handelt es sich um eine Anlage mit einem BHKW verbunden mit einem offenen

Sorptionswärmetransformationsprozess.

Dieser

gestattet

die

Brennwertnutzung auch bei Rücklauftemperaturen zwischen 30 - 90°C zu realisieren.13 Dabei ist auch der gleichzeitige Einsatz einer Absorptionskälteanlage zur Erhöhung der BHKW – Nutzungsdauer möglich. Verschiedene

Modelle

und

Referenzen

ergaben

dabei

eine

Gesamtwirkungsgradsteigerung (siehe Abb. 17) von erdgasbetriebenen Motor – BHKW – Anlagen zwischen 5 und 15 % bei Heizungsanlagen, welche mit den Temperaturen 90/70°C betrieben werden.

Abbildung 17: Wirkungsgradsteigerung in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur und dem Brennstoffeinsatz; Quelle: [BHF]

Diese Werte erhöhen sich bis auf ca. 25 % beim Einsatz von Biomasse (z.B. Holz). Dadurch kann eine Brennstoffeinsparung mit den damit verbundenen geringeren

12 13

Vgl. [DBSU] Vgl. [BHF] S. 6

29

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

CO2 – Emissionen ermöglicht werden. Die Höhe der erreichbaren Wirkungsgradsteigerung ist dabei vom Feuchtegehalt des Abgases, sowie der mit dem HTBN – Modul erreichbaren Entfeuchtung, abhängig. 14 Untersuchungen haben gezeigt, dass sich bei den erzielten Einsparungen Amortisationszeiten von 2 – 6 Jahren ergaben, abhängig von der BHKW – Größe. Liegt ein entsprechender Bedarf an Wärme oder Kälte vor, so ist der Parallelbetrieb von HTBN und AKM eine energetisch günstige Variante der Anlagenkonzipierung, da die Effektivität der KWK in BHKW – Modulen weiter verbessert werden kann. Die

vorher

beschriebene

konventionelle

Kondensationsbrennwerttechnik.

Diese

Brennwertnutzung ermöglicht,

durch

beruht

auf

Abkühlung

der des

Rauchgases unterhalb des Taupunktes (im Rauchgaswärmetauscher), eine Nutzung der latenten Wärme im Niedertemperaturbereich (siehe Abb. 18).

Abbildung 18: vereinfachtes Prinzip der Kondensationsbrennwerttechnik; Quelle: [BHF]

Das HTBN – Modul besteht grundlegend aus den Komponenten Absorber, Austreiber (Desorber), Kondensator und einem Lösungskühler. Hierbei wird das Prinzip der offenen Sorptionswärmetransformation angewandt. Das neue Verfahren (siehe S. 28 Abb. 19) vereint dabei 2 physikalisch – chemische Effekte.

14

Vgl. [BHF] S. 6

30

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Abbildung 19: vereinfachtes Schema der Hochtemperaturbrennwertnutzung; Quelle: [BHF]

Der Absorber dient im System der Entfeuchtung und zeitgleichen Abkühlung des Rauchgases. Zur Realisierung dessen wird eine Abgaswäsche mit einem hygroskopischen Waschmittel angewandt, z.B. Calciumnitrat oder LiBr. Es wird dadurch ermöglicht, den Wasserdampftaupunkt bis ca. 40 K über den Normalpunkt anzuheben. Dadurch kann die benannte Salzlösung einen Großteil der Feuchte des im BHKW entstehenden Rauchgases entziehen. Das Rauchgas verlässt den Absorber mit einer geringen Restfeuchte von ca. 15 % relative Feuchte. Die

dadurch

aufgenommene

Feuchtigkeit

wird

der

Salzlösung

im

Desorber/Austreiber entzogen, welcher seine Energie aus den ca. 500°C heißen Abgasen des BHKW's bezieht. Die Lösung wird durch den Entzug des Wassers somit regeneriert. Der im Desorber entstehende Wasserdampf wird anschließend dem Prozess durch den Kondensator entnommen. Dort gibt der Wasserdampf seine Wärme ab. Diese Kondensationswärme besitzt ein Temperaturniveau von ca. 100°C, welche dann für Heizzwecke in Form von latenter Wärme zur Verfügung stehen. Die durch den Desorber erhitzte Salzlösung wird anschließend im Lösungskühler auf die Heizungsrücklauftemperatur herunter gekühlt, sodass der Kreislauf erneut stattfinden kann. Der darin enthaltene Lösungswärmetauscher dient gleichzeitig dem

31

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Vorwärmen des Heizungsvorlaufs durch Abgabe der fühlbaren (sensiblen) Wärme an den Heizkreis. Diese Technik ist zudem auch im Bestand realisierbar, d.h. eine Nachrüstung ist problemlos durchzuführen, da lediglich die Wärmeauskopplung des Moduls geändert werden muss. Daher erweist sich der Einsatz der HTBN bei BHKW’s als besonders günstig. Das Modul wird bei der Nachrüstung anstelle des Abgaswärmetauschers in die Abgasstrecke integriert (siehe Abb. 20 und 21). Der

Abgasschalldämpfer

kann

bei

z.B.

Platzbedarf

entfallen

geräuschdämmenden Eigenschaften des integrierten Absorbers.

Abbildung 20: Blockheizkraftwerke konventionell; Quelle: [BHF]

Abbildung 21: Blockheizkraftwerk mit HTBN; Quelle: [BHF]

32

durch

die

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Auch eine Integration des HTBN – Moduls bei Anlagen mit mehreren BHKW – Modulen ist möglich (siehe S. 32 Abb. 22). Dabei würde nur ein zentrales Brennwertmodul nötig sein. Somit wird eine kompakte Gestaltung

dieser

Anlagen

ermöglicht

bei

gleichzeitiger

Minderung

der

Investitionskosten. Ein weiterer Vorteil wäre die Erhöhung der Vollbenutzungsstunden und der damit verbundenen kürzeren Amortisationszeit durch eine Abstimmungsmöglichkeit der Anlage auf den Grundlastbetrieb.

Abbildung 22: Möglichkeit der Einbindung eines HTBN - Moduls in eine Anlage mit mehreren BHKW - Modulen; Quelle: [BHF]

Die eingesetzten Lösungsmittel sind ungiftig, chemisch stabil und recyclebar, wodurch keine zusätzlichen Kosten für eine spezielle Entsorgung, besondere Genehmigungen oder bauliche Sondermaßnahmen (Auffangbecken etc.) entfallen. Sie besitzen zudem gute thermodynamische Eigenschaften, jedoch nur ein eingeschränktes Lösungsgebiet. Ein Nachteil der Lösungsmittel wird bei unkontrollierter Abkühlung deutlich, da sie dann zur Auskristallisation neigen. Das

entstehende

Kondensat

kann

nach

Abwassersystem eingeleitet werden. 33

dem

Neutralisationsbad

in

das

Diplomarbeit

4

Sascha Keller VU 06/1

Bestandsanlage des Krankenhauses St. Elisabeth

Das Krankenhaus St. Elisabeth und St. Barbara (siehe Abbildung 23) in Halle an der Saale besteht seit nun mehr als 100 Jahren und stellt heutzutage ein modernes, ,,akademisches Lehrkrankenhaus der Martin - Luther - Universität Halle - Wittenberg‘‘ und ein Haus der Schwerpunktversorgung mit 525 vollstationären Betten dar. Es verfügt über 11 Kliniken in den Fachgebieten Chirurgie, Innere Medizin, Psychotherapie und Psychosomatik, Frauenheilkunde und Geburtshilfe, Kinder- und Jugendmedizin, Kinderchirurgie, Kinder- und Jugendpsychiatrie und -psychotherapie, Anästhesiologie (Erwachsene und Kinder) mit Intensivmedizin, Radiologie (MRT, CT) sowie über ein Sozialpädiatrisches Zentrum‘‘. 15

Abbildung 23: Frontansicht des Krankenhauses St. Elisabeth;

Unter diesem Punkt sollen die wichtigsten Sanierungsmaßnahmen und neu eingebrachten Systemkomponenten der verschiedenen Gewerke, analog zur Studienarbeit16 des Autors, kurz aufgezeigt werden.

15 16

[KHSA] Thema: ,,Wärmeversorgung mit nach EnEV vorgeschriebenen Niedertemperaturheizkesseln‘‘

34

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Hierbei soll die Veranschaulichung jedoch Gewerke übergreifend geschehen, da eine Optimierung einer Heizungsanlage nicht nur das Gewerk Heizung an sich betrifft, sondern unter bestimmten Voraussetzungen auch durch Maßnahmen im Bereich anderer Gewerke der Versorgungstechnik erzielt werden kann. Ziel der Studienarbeit war es, eine Bestandsaufnahme zum oben genannten BV in Hinsicht auf die, für die Wärme – und Warmwasserversorgung, wichtigsten Daten zu erstellen. Dadurch wurde eine Gegenüberstellung des alten zum neuen Konzept erwirkt, um zu erfahren, inwiefern sich die geplanten Anlagenänderungen sinnvoll auswirken und ob weitere Optimierungsmöglichkeiten, in Hinblick auf die Anlagenausführung und somit der Wirtschaftlichkeit des Systems, bestehen. Damit eine genügende Übersichtlichkeit, in Hinsicht auf die derzeitigen bzw. alternativen Standorte der Anlagentechnik, gegeben werden kann, wurde in Abb. 24 (siehe S. 35) ein Lageplan mit den dafür notwendigen Informationen eingefügt. Der eigentliche Hintergrund der Sanierung und Umstellung auf ein anderes Energieversorgungskonzept liegt darin, dass ein bestehender Versorgungsvertrag zwischen dem EVU EnviaM in Halle und dem Krankenhaus St. Elisabeth im vergangenen Jahr ausgelaufen ist. Wie im weiteren Verlauf der Arbeit ersichtlich wird,

ist

das

Krankenhaus

bestrebt,

weitere

Einsparungen,

vorrangig

im

Energiesektor, zu vollziehen. Daher wurde durch die EVH Halle ein neues Konzept zur Energieversorgung für das BV gesucht. Aufgrund dessen hat man ein neues Contracting – Modell für das Krankenhaus erstellt. Mit der Umrüstung und Erneuerung der Anlagen bzw. Anlagenteilen ist man bestrebt eine wirtschaftlichere Fahrweise dieser zu erreichen und somit die Kosten im Betrieb deutlich zu vermindern. Dies geschieht allerdings nicht nur im Bereich der Wärmeversorgung, sondern gilt ebenfalls für die Kälte- und Stromversorgung des Objektes. Die signifikanten Änderungen sollen nun kurz dargestellt werden, wobei mit den Umstellungen im Gewerk Heizung begonnen werden soll. 35

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Abbildung 24: Lageplan des Krankenhauses mit derzeitiger und alternativer Anlagentechnik;

4.1

Heizung

Wie aus den Unterlagen ersichtlich wurde, ergibt sich für das Krankenhaus eine Gesamtheizlast

von

Qth

=

6.010,95

kW.

Unter

Einbeziehung

eines

Gleichzeitigkeitsfaktors für die RLT – Anlage und die Warmwasserbereiter erhält man eine notwendige Heizlast von Qth = 4.402,53 kW. Im System der alten Anlage, welche sich im Untergeschoss des Klostergebäudes befand, wurde das Krankenhaus durch 2 Niederdruck - Heißwasserkessel (ND – HWK) der Fa. Strebel und 3 BHKW’s (stromgeführt) mit der notwendigen Wärme versorgt. Über diese Anlage wurde eine thermische Energie von 3,39 MW zur Verfügung gestellt.

36

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Der andere Teil der Anlage befindet sich im Keller des Neubaus. Er besteht aus 3 ND – HWK vom Typ Dynatherm und 2 HD – DK (Hochdruck – Dampfkessel) vom Typ Vapotherm der Fa. Fröling. Diese Anlagen sind Eigentum des Krankenhauses, werden aber dennoch vom EVU mit dem nötigen Brennstoff versorgt. 17 Die dadurch bereitgestellte thermische Energie beträgt 2,02 MW. Daraus ergibt sich eine Heizleistung von 5,41 MW, welche insgesamt zur Verfügung gestellt wird. Das neue Versorgungskonzept wurde im Zuge einer Diplomarbeit von Herrn BARTSCH18 für die EVH erstellt. Dieses sieht vor, die Wärmeversorgung durch die bestehende Kesselanlage komplett einzustellen und auf Fernwärmeversorgung, im Zuge der Realisierung des Contracting – Modells zwischen dem Krankenhaus und dem EVU, umzustellen. Der Umfang der Umstellung auf Fernwärmeversorgung umfasst bei diesem BV nicht nur die Errichtung einer HAST (Hausanschlussstation). Im Zuge dessen erfolgt ebenso die Demontage der vorhandenen Gas – Kesseln (Eigentum EnviaM), welche nun nicht mehr benötigt werden. Die, im Neubau vorhandenen, ND – HWK des Krankenhauses bleiben weiterhin bestehen, die Leistung von 2,02 MW wird für den Bedarfsfall vorgehalten. Auf der Erzeugerseite stehen weiterhin durch die BHKW – Anlage und die HAST insgesamt 3,1 MW zur Verfügung. Im Neubau wurde ein weiterer WÜ (Wärmeübertrager) aufgestellt, da die Wärmeversorgung vorrangig durch Fernwärme und BHKW – Anlage erfolgen soll. Der Bau hat zurzeit eine Anschlussleistung von 1.200 kW, welche durch die zwei bestehenden Wärmeübertrager (je 600 KW) erzielt wird. Aufgrund der Leistungsüberrechnung der WÜ's mit neuen Systemtemperaturen (tV/tR = 90/55°C) können diese je 350 kW übertragen, sodass ein weiterer WÜ mit einer Übertragungsleistung von 1,1 MW vorgesehen wurde. Somit konnte eine Leistungserhöhung der übertragbaren Leistung auf 1.800 kW realisiert werden. 17

Vgl. [DANB] S. 11 Thema: ,,Konzepterstellung zur Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Wärmeversorgung des Krankenhauses St. Elisabeth‘‘ 18

37

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Weiterhin wurden die bestehenden BHKW’s durch neue und kleinere ersetzt werden, welche im neuen System wärmegeführt gefahren werden sollen. Somit soll ermöglicht werden, die Vbh (Vollbenutzungsstunden) derer zu erhöhen. Die bestehende Pufferspeicheranlage soll dabei weiterhin genutzt werden. Diese sind wichtig bei Installation einer BHKW – Anlage, da die Speicher von den BHKW’s gefüllt werden, insofern keine Wärmeabnahme im System erfolgt. Dies bedeutet eine Laufzeitverlängerung der BHKW’s. Zudem werden sie im System als hydraulische Weiche verwendet. Die BHKW – Module inkl. Pufferspeicherbatterie sollen dabei lediglich zur Grundlastabdeckung des Krankenhauses dienen. Wird die Lastdeckung durch diese nicht mehr gewährleistet, so soll die Fernwärme zur Bedarfsdeckung zugeschalten werden. Beide Anlagen werden dabei netzparallel betrieben.

4.2

Strom

Die Umstellung der Fahrweise der BHKW’s betrifft zudem die Stromversorgung des Krankenhauses. Die Spitzenstromlast beträgt dabei 1.100 kW, wobei hier nur der in der Anlage maximal zur Verfügung gestellte Strom der Notstromaggregate (inkl. BHKW’s) als Grundlage genommen werden konnte, da keine Informationen zu den einzelnen Verbraucher – Anschlussleistungen in Erfahrung gebracht werden konnten. Die BHKW’s im alten Versorgungssystem wurden stromgeführt betrieben, wobei angedacht war die Stromkosten des Krankenhauses zu senken. Die Abnehmer waren dabei einerseits Teile der Anlage, wie z.B. Pumpen, und zum anderen Verbraucher im Objekt (automatische Türen, Computer, MRT, etc.). Die dabei gleichzeitig erzeugte Wärme wurde zur Wärmebedarfsdeckung im Krankenhaus benutzt. Lag hierfür keine Anforderung im System vor, wurde die überschüssige Wärme in 4 bestehende Pufferspeicher, mit einem Volumen von je 8 m³, gefüllt. Waren diese ausgelastet, wurde die Wärme über einen Notkühler an die Umwelt abgegeben. Daneben bestand durch die Betreiber des Objekts der Wunsch, weitere Sicherheiten für den Netzersatzbetrieb einzurichten. Dies bedeutet, dass das Krankenhaus auch 38

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

im Notfall die wichtigsten medizinischen Apparate und zu versorgenden Objekte mit Strom beliefern könnte, bis die normale Versorgung wieder hergestellt worden ist. Der Nachteil der stromgeführten Fahrweise besteht darin, dass bei nicht vorhandener Abnahme der Wärme keine wirtschaftliche Fahrweise der BHKW’s erreicht werden kann. Dies begründet sich aus der Bedingung nach dem Energiesteuergesetz, dass ein Anlagenbetreiber keine Steuerrückerstattung auf den eingesetzten Brennstoff erhält, wenn ein vorgeschriebener Jahresnutzungsgrad von 60% durch die vorhandene BHKW – Anlage unterschritten wird. 19 In der Bestandsanlage war dies allerdings der Fall, wenn die BHKW’s im Netzersatzbetrieb

gefahren

wurden

und

die

dabei

erzeugte

Wärme,

bei

Nichtabnahme im System, als überschüssige Wärme über den Notkühler abgegeben wurde. Durch die Umstellung der Fahrweise der BHKW’s erfolgt die Stromversorgung durch diese, wenn im System ein Wärmebedarf vorhanden ist. Die eigentliche Versorgung erfolgt aus dem Netz der EVH. Eine Einspeisung des erzeugten Stromes ist möglich, jedoch nicht angedacht – er soll weitestgehend der eigenen Bedarfsdeckung dienen. Zur Unterstützung dessen wurde ein Zeitregime für die Pufferspeicher angedacht, sodass die Entleerung dieser (in der Nacht) sichergestellt wird. Aufgrund dessen wird der Betrieb der BHKW’s in den Morgenstunden gewährleistet, da hier Stromspitzen im System auftreten und diese somit zu einem großen Teil durch diese gedeckt werden können. Ein weiterer Vorteil dessen ist, dass die abgedeckten Stromspitzen in der Hochtarifzeit (06.00 – 22.00 Uhr) stattfinden, welcher, im Vergleich zum Niedertarif (22.00 – 06.00 Uhr), kostenintensiver ist. Die Module stellen außerdem eine weitere Sicherheit bei Stromausfall dar. Durch diese wird dann ein Inselbetrieb realisiert, wobei sie Folgeerzeuger für die bestehenden Notstromaggregate sind. Jedoch erfolgt die Versorgung der Peripherie der Wärmeversorgungsanlagen über das Notstromnetz. Somit ist ein komplett unabhängiger Betrieb der BHKW’s, ohne führende Notstromaggregate, nicht möglich.

19

Vgl. §3 Abs. (1) Satz 2 und Zusatzbemerkung nach dem EnergieStG

39

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Da die Planung 3 BHKW’s zur Grundlastdeckung berücksichtigt hat, kam der Typ GG 140 der Fa. Sokratherm zum Einsatz. Dieser besitzt eine elektrische Leistung von 140 kWel je Modul. Folglich wird durch die 3 Module eine elektrische Leistung von insgesamt 420 kWel zur Verfügung gestellt. Daraus ergibt sich eine Differenz von 680 kWel zur vorher erwähnten Spitzenstromlast von 1.100 kWel. Diese Differenz wird aus dem Netz der EVH nachgespeist.

4.3

Kälte

Im

Krankenhaus

fand

ebenfalls

eine

Umstellung

der

Versorgung

von

Kälteverbrauchern statt. Im alten System wurden diese mannigfaltig versorgt. Eine Übersicht zu den vorhandenen Kälteanlagen wurde in Tabelle (Tab.) 1 dargestellt. Tabelle 1: Übersicht über bestehende Kälteerzeugungsanlagen; Quelle: [DANB]

Typ der Kältemaschine

Herstellerfirma

Versorgungsort

Kälteleistung QK [kW]

KKM KKM KKM KKM Freie Kühlung AKM

Trane Trane Trane Climaveneta

Krankenhaus gesamt Krankenhaus gesamt Krankenhaus gesamt 2. BA Neubau Krankenhaus gesamt Krankenhaus gesamt

208 208 53 131 110 400

York

Durch die ungünstige bzw. längenmäßig zu große Leitungsführung und damit zu hohe

Wärmeverluste,

konnten

die

für

den

Absorber

notwendigen

Heißwassertemperaturen nicht erreicht werden, was zur Folge hatte, dass die Maschine nicht in Betrieb gehen konnte aufgrund von Störungsanzeigen und die Kälteleistung somit nicht zur Verfügung stand. Die vorhandene Maschine der Firma (Fa.) Climaveneta versorgte nur den 2. Bauabschnitt (BA) des Neubaus. Der übrige Teil des KH wird entweder über die freie Kühlung oder über die 3 KKM der Fa. Trane versorgt, wobei entweder die 110 kW der freien Kühlung oder die 469 kW der Trane – Maschinen genutzt werden mussten, da beide Kühlsysteme nicht 40

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

gleichzeitig in Betrieb gehen konnten, aufgrund der Tatsache, dass beide an ein Rückkühlwerk angeschlossen sind. 20 Dadurch standen zur Versorgung des KH max. 469 kW Kälteleistung der installierten 979 kW (ohne 131 kW der Climaveneta - Maschine im 2. BA Neubau) zur Verfügung bei einem Bedarf von ca. 1000 kW (siehe Anhang A S. 90). Diese beinhalten einen Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,8, da, in Abstimmung mit dem Bauherren, nicht die gesamte Kältelast anhand der Verbraucher benötigt wird, da nicht alle gleichzeitig versorgt werden müssen.21 Aufgrund der Tatsache der ungenügenden Versorgung mit der erforderlichen Kälteleistung waren die Betreiber des KH in Zeiten hohen Kältebedarfes gezwungen, einige Verbraucher vom Netz zu trennen. Aufgrund dessen bestand ein Handlungsbedarf. Im neuen Konzept wurde nun der Austausch der installierten AKM gegen eine Turbo – KKM vorgesehen, um die Deckung der Kältelast zu gewährleisten. Zudem soll die bereits bestehende Maschine (Fa. Climaveneta) in das System eingebunden werden, was der Erhöhung der Versorgungssicherheit dienen soll. Die Einbringung dieser Maschine ins System erhöht die zur Verfügung gestellte Kälteleistung auf ca. 600 kW, sodass die neue Kältemaschine eine Leistung von mind. 400 kW zur Verfügung stellen sollte. Das Rückkühlwerk (Dunstkühlturm) der AKM inkl. Wasseraufbereitungsanlage (im Nebenraum) wurde an die neue Versorgung, durch die KKM, angepasst. Dabei wurde der bereits bestehende Dunstkühlturm der Fa. Gohl Typ DT 2/63 Z auf einen DT 2/46 Z reduziert. Beide Geräte sind in den äußerlichen Abmaßen vollkommen identisch, jedoch benötigt der letztere Typ weniger Luftdurchsatz (ca. 84.000 m³/h zu 50.000 m³/h) woraus sich eine geringere Leistung des Lüfters ergibt (ca. 20 kW zu 4,8 kW).

20 21

Vgl. [DANB] S. 12 Vgl. [DANB] S. 16

41

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

5

Verbrauchsanalyse und Energiebilanz für das Krankenhaus

5.1

Allgemeines

Einsparmaßnahmen im Bereich der Raumwärme haben einen großen Effekt bei der Reduzierung von Betriebskosten und des CO2 – Ausstoßes, denn die Bereitstellung der

Raumwärme

ist

die

Gesamtendenergiebilanz

größte für

Einzelposition

Deutschland.

bei Zur

der

Betrachtung

Unterstützung

der einer

Betriebskostensenkung durch energetische Optimierung und als aktive Maßnahme gegen den Klimawandel gilt es vorrangig hier anzusetzen. Um jedoch eine Beurteilung der Einsparmaßnahmen durchführen zu können, auch zum

Vergleich

der

Maßnahmen

untereinander,

ist

es

zweckmäßig

eine

Verbrauchsanalyse mit einer daraus resultierenden Verbrauchsanzeige anzufertigen. Dies begründet sich aus dem Umstand, dass anhand der Verbräuche eine Aussage über die Auslastung der verschiedenen Energieerzeugungsanlagen getroffen werden kann. Leider konnten dem Autor bezüglich der Verbrauchsdaten des Krankenhauses keine Angaben gemacht werden. Dementsprechend konnten nur gemittelte Wert der Jahre 2005 und 2006 zur Verbrauchsanzeige und zur späteren Konzepterstellung benutzt werden. Die dabei relevanten Werte wurden in Tab. 2 übersichtlich dargestellt. Tabelle 2: Übersicht der jährlichen Verbräuche des KH St. Elisabeth; Quelle: [EVH]

Energieart

Bereitgestellte Leistung [kW]

Jährlicher Verbrauch [kWh/a]

Wärme Kälte Strom

5.000 1.000 1.100

6.000.000 785.000 4.750.000

Für den Stromverbrauch ist dabei wichtig, dass dieser in Hoch- und Niedertarif unterschieden wird, da ansonsten keine hinreichend genaue Aussage über das wirtschaftliche Verhalten der BHKW’s getätigt werden kann.

42

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Die Aufteilung ergab sich dabei zu: Tabelle 3: Aufteilung des Strombedarfes in Erzeuger und Tarifbereiche; Quelle: [DANB]

Gesamtverbrauch [kWh/a] Anteil der beiden Erzeuger [kWh/a]

4.600.000 EVU: 2.494.600

BHKW: 2.105.400

Unterteilung in Hoch- (HT) und Niedertarif (NT) [kWh/a]

HT: 1.716.285

NT: 778.315

HT: 1.630.459

NT: 474.941

Anteil in %

68,8

31,2

80,9

19,1

Dabei wurde aus den Verbrauchstabellen ersichtlich, dass in den Wintermonaten des Jahres überwiegend das BHKW für die Stromerzeugung im Einsatz war. Die Einspeisung des EVU war dementsprechend sehr gering. In den Sommermonaten hingegen war dieses Verhältnis seitenverkehrt, d.h. dass die BHKW’s einen ausgesprochen kleinen Anteil an der Stromproduktion besaßen, in den Monaten Juni – August sogar 0 kWhel im Niedertarifbereich. Dieser Verlauf der BHKW – bezogenen Stromerzeugung ist untypisch für eine stromgeführte Fahrweise. Man kann diesen enormen Unterschied nur damit erklären, dass z.B. die Wärmeerzeugungsanlagen (Kessel und Peripherie) ein deutlich größeres

Ausmaß

gegenüber

den

Kälteerzeugungsanlagen

(Kompressionskälteanlagen und Peripherie) haben. Zudem kann der Fall eingetreten sein, dass die im Sommer gleichzeitig erzeugte und kaum verwertbare Wärme der BHKW’s nicht vollständig abtransportiert bzw. ins Freie abgegeben werden konnte, sodass diese in ihrer Leistung herunter moduliert werden mussten bzw. dann ausgeschaltet haben. Laut der Leistungsvorgabe des EVU ändert sich der Stromverbrauch auf 4.750.000 kWh/a. Unter Beibehaltung der prozentualen Anteile und den aus den Berechnungen erhaltenen Ergebnissen (siehe Anhang B) würde sich die Aufteilung wie folgt ändern:

43

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Tabelle 4: Änderung der Aufteilung in Erzeuger- und Tarifbereiche

Gesamtverbrauch [kWh/a]

4.750.000

Anteil der beiden Erzeuger [kWh/a]

EVU: 2.178.340

BHKW: 2.571.660

Unterteilung in Hoch- (HT) und Niedertarif (NT) [kWh/a]

HT: 1.498.698

NT: 679.642

HT: 2.080.473

NT: 491.187

Anteil in %

68,8

31,2

80,9

19,1

5.2

Energetische Berechnung

5.2.1 Verfahren zur Ermittlung des Energiebedarfes Für die im weiteren Verlauf dieser Arbeit angefertigte Wirtschaftlichkeitsanalyse ist es notwendig eine Übersicht über den jährlichen Endenergiebedarf der zu betrachteten Anlage

zu

erstellen.

Dieser

dient

als

Grundlage

für

sämtliche

weiteren

Berechnungen. Dafür werden die Verfahren der DIN V 18599-7 und 9 angewandt, da im

Rahmen

dieser

Arbeit

nur

ein

Augenmerk

auf

die

Wärme-

und

Kälteerzeugeranlagen gelegt wird. Diese Norm stellt den aktuellen Stand der Technik dar, trotz der Definition als Vornorm. Sie kann ebenso für neu zu errichtende Gebäude, wie auch für Anlagen und Maßnahmen im Bestand verwendet werden. Teil 7 dieser Norm (Endenergie für die Erzeugung von Kälte) ist dabei anzuwenden, da ein Vergleich zwischen der elektrischen Endenergie für KKM und der thermischen Endenergie für AKM unterschieden werden soll. Normalerweise müsste man, bei Verwendung mehrerer Erzeuger, auf das detailierte Verfahren laut Anhang B dieser Norm zurückgreifen. Da jedoch der Grundgedanke für die Erstellung der Versorgungskonzepte ist, dass die Maschinen im Einsatzfall der alleinigen Versorgung einzelner Versorgungsorte dienen sollen, kann hier auf das Kennwertverfahren der Norm zurückgegriffen werden. Die darin zu beachtenden Einflussgrößen werden in den folgenden Unterpunkten weiterführend erläutert. Außerdem wird vom Autor festgelegt, dass die Anteile für Übergabe und Verteilung bei beiden Systemen gleich sind. Dadurch können diese vernachlässigt werden, sodass nur die Endenergien für die Kälteerzeugung verglichen werden. 44

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Da die Betrachtung für die Wärmeversorgungsanlagen auf Grundlage des Einsatzes von Blockheizkraftwerken erfolgt, wird Teil 9 (End- und Primärenergiebedarf von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen) dieser Norm verwendet. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, in welchem der Endenergieaufwand, welcher der Wärmeerzeugung bei der gleichzeitigen und voneinander abhängigen Erzeugung von Wärme und Strom zuzurechnen ist, ermittelt wird. Der

erzeugte

Strom

wird

dabei

dem

Gesamtsystem

Gebäude

bzw.

der

Wärmeerzeugungsanlage gutgeschrieben, so wie es im Krankenhaus St. Elisabeth ebenfalls angedacht ist. Die Festlegung, als Betrachtungszeitraum ein Jahr zu wählen (anstatt monatlich), hat sich dabei als zweckmäßig erwiesen. Weitere

Erläuterungen

zu

den,

im

Rahmen

dieser

Arbeit,

betrachteten

Erzeugeranlagen wurden in den Konzepten (siehe Punkt 6.2.1 und 6.2.2) näher aufgeführt.

5.2.2 Wärmeerzeuger 5.2.2.1

KWK – Anlage und weitere Wärmeerzeuger

Prinzipiell ist es notwendig den Typ der einzusetzenden BHKW’s definieren zu können, da dessen Leistungsdaten für die Berechnung essentiell sind. Weiterhin wird die Heizlast des Gebäudes benötigt. Hierbei fließen alle Werte für die Versorgung von statischer und dynamischer Heizung, sowie auch der Bedarf zur Warmwasserbereitung mit ein. Mit dieser Wärmeabgabe der Wärmeerzeugungsanlage und den für die Anlage geltenden Vollbenutzungsstunden kann dann in der folgenden Gleichung der Jahreswert als Summe aus den Monatswerten berechnet werden:

Gleichung 5-1

jährliche Nutzwärmeabgabe der Erzeugeranlage [kWh/a] die Erzeugernutzwärmeabgabe an das Heizsystem; 45

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

die Erzeugernutzwärmeabgabe für die RLT-Heizfunktion; die Erzeugernutzwärmeabgabe an das Lüftungssystem; die Erzeugernutzwärmeabgabe für Trinkwarmwasser.

Ist

der

jährliche

Wärmeverbrauch

aufgrund

von

zur

Verfügung

gestellten

Verbrauchswerten ermittelbar, so können, unter Einbeziehung der Heizlast, die exakten jährlichen Vollbenutzungsstunden durch Umstellung folgender Gleichung errechnet werden: Gleichung 5-2 Auslegungsheizlast des betrachteten Objektes [kW]

Vbha   

Vollbenutzungsdauer der Anlage [h/a]

Anschließend kann, die durch die KWK – Anlage (BHKW) erzeugte Wärmeabgabe berechnet werden. Hierfür ist wichtig, den Typ zur Realisierung der KWK ausgewählt zu

haben,

da

dessen

thermische

und

elektrische

Leistung,

sowie

die

Feuerungsleistung für die weiteren Berechnungsschritte benötigt werden. Mit den Daten über das Modul kann folglich die Stromkennzahl errechnet werden. Diese gibt eine Aussage darüber, wie hoch der Anteil der elektrischen Leistung gegenüber der thermischen Leistung beim BHKW – Modul ist. Dies geschieht nach folgender Gleichung:

Gleichung 5-3

Stromkennzahl des BHKW’s elektrische Leistung des BHKW - Moduls [kWel] thermische Leistung des BHKW - Moduls [kWth]

46

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Mit der anhand der Verbräuche erstellten geordneten Jahresdauerlinie für das betrachtete Objekt und dem ausgewählten BHKW – Modul können dann die jährlichen Vollbenutzungsdaten des/der Modul(e) ermittelt werden. Daraus lässt sich die Wärmeabgabe der KWK – Anlage wie folgt ermitteln: Gleichung 5-4 jährliche Nutzwärmeabgabe der KWK - Anlage [kWh/a]

Vbh   

Vollbenutzungsdauer der KWK - Anlage [h/a]

Anhand der jährlichen Nutzwärmeabgabe der Wärmeerzeugungsanlagen und der jährlichen Nutzwärmabgabe des BHKW – Moduls kann dann die, durch weitere Wärmeerzeuger/- versorger, bereitgestellte Nutzwärmeabgabe berechnet werden: Gleichung 5-5 jährliche Nutzwärmeabgabe der KWK - Anlage [kWh/a]

Der durch das BHKW erzeugte Strom kann analog zur Wärmeerzeugung dessen berechnet werden. Hier wird lediglich die elektrische Leistung anstatt der thermischen Leistung verwendet:

Gleichung 5-6 jährlich produzierter Strom der KWK - Anlage [kWhel/a]

Anhand der aus Gleichung 5-1 (bzw. 5-2) und 5-4 ermittelten Werte kann somit der Anteil der KWK – Anlage an der jährlich erzeugten Nutzwärmeabgabe ermittelt werden. Dies wird berechnet mit der Gleichung:

Gleichung 5-7

47

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Anteil der KWK – Anlage an der erzeugten Wärme [-]

Sollten für die Anlage im Bestandsfall keine weiteren Informationen bezüglich der Daten des BHKW’s vorliegen, so kann der Anteil an der Wärmeerzeugung, der Anteil anderer Wärmeerzeuger und die Stromproduktion des BHKW’s ebenso überschlägig berechnet werden mit folgenden Werten für den Standardfall:

-

Mit diesen Werten können die jeweiligen Abgaben wie folgt berechnet werden: -

Wärmeabgabe weiterer Wärmeerzeuger:

 

-

Gleichung 5-8

Wärmeabgabe KWK - Anlage: Gleichung 5-9

-

erzeugter Strom aus KWK - Anlage: Gleichung 5-10

48

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Anhand der vorher ermittelten Werte können nun die jeweiligen Nutzungsgrade der installierten bzw. geplanten Erzeugungsanlagen berechnet werden. Dies geschieht wie folgt: -

Nutzungsgrad für weitere Wärmeerzeuger:

Gleichung 5-11

Nutzungsgrad des Wärmeerzeugers Endenergie für das Wärmeerzeugungssystem [kWh]

-

Nutzungsgrad der KWK – Anlage:

Gleichung 5-12

Nutzungsgrad des Wärmeerzeugers Endenergie für das KWK - Wärmeerzeugungssystem [kWh]

Die Endenergie für die Wärmeerzeugungssysteme müsste in dem Fall nach DIN V 18599 Teil 1 geschehen. Da alle Werte zur energetischen Berechnung für das Krankenhaus gegeben sind wird im Rahmen dieser Arbeit darauf nicht weiter eingegangen. Für den Nutzungsgrad weiterer Wärmeerzeuger kann dabei alternativ auch, falls bekannt, der Wirkungsgrad (z.B. bei Kesseln) eingesetzt werden. Wird nur ein Modul für die KWK – Anlage eingesetzt bzw. mehrere Module gleicher Art, so kann hier ebenso für die Endenergie des Systems die für das oder die Gerät(e) erforderliche Feuerungsleistung bzw. der benötigte Brennstoffeinsatz eingesetzt werden. Hierfür müsste dann für die Stromproduktion der Wert für die elektrische Leistung und für die erzeugte Wärmeleistung der Wert für die thermische Leistung des Gerätes eingesetzt werden.

49

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5.2.2.2

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Endenergieaufwand Gas

Der Endenergieaufwand kann, durch die Abfolge der Berechnungen unter 5.2.2.1 nun wie folgt berechnet werden:

Gleichung 5-13

Endenergie der gesamten Wärmeerzeugungsanlage [kWh] Nutzungsgrad des Heiznetzes [-]

mit

= 0,90 bei Berücksichtigung des Heiznetzes zur Übergabestation

und

= 1 insofern ein zusätzliches Heiznetz vorhanden ist.

Zudem ist es möglich, als Alternative die Stromproduktion aus dem oben angezeigten

Endenergieaufwand

Primärenergiefaktoren

für

den

unter

elektrischen

der Strom

Berücksichtigung und

den

der

verwendeten

Endenergieträger auszugliedern. Dazu wird folgende Gleichung benutzt:

Gleichung 5-14

Primärenergiefaktor für Strom Primärenergiefaktor für verwendeten Endenergieträger

Bei der Summenbildung nach DIN V 18599-1 wäre der Primärenergiefaktor bzw. der Emissionsfaktor des verwendeten Endenergieträgers einzusetzen.

50

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Sollte sich nach oben gezeigter Gleichung 5-14 ein negativer Endenergieaufwand ergeben, so ist dieser gleich Null zu setzen.

5.2.3 Kälteerzeuger 5.2.3.1

Kompressionskältemaschine

Als Vorbemerkung muss dabei gesagt werden, dass bei den nachfolgenden Erläuterungen ausschließlich der Endenergiebedarf wassergekühlter KKM untersucht wird, da eine luftgekühlte Maschine für die Versorgungskonzepte nicht betrachtet wurde. Der Endenergiebedarf für KKM wird anhand der Nennkälteleistung EER und dem mittleren Teillastfaktor PLVav ermittelt. Dies geschieht nach folgender Gleichung:

Gleichung 5-15

Endenergiebedarf (elektrisch) [kWh/a] jährliche Nutzkälteabgabe der Erzeuger [kWh/a] Nennkälteleistungszahl (DIN V 18599 – 7 Tab.) [-] mittlerer Teillastfaktor (DIN V 18599 – 7 Tab.) [-]

Der Teillastfaktor berücksichtigt dabei das reale Verhalten des Verdichters bei Teillast, da die Nennkälteleistung unter diesen Bedingungen variieren kann. Zudem beinhaltet er den Einfluss der Kühlwassertemperatur (bei wassergekühlten Maschinen) und den Einfluss der Wärmeübertrager im Teillastbetrieb, durch deren Überdimensionierung zu diesem Zeitpunkt. Außerdem muss beachtet werden, ob die Kältemaschine innerhalb ihrer Nutzungsart (z.B. Krankenhauszimmer) für die reine Raumkühlung gedacht ist oder zusätzlich RLT – Systeme versorgt werden. Wird nur ein System versorgt, so ist der Faktor direkt zu verwenden. 51

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Werden beide Systeme versorgt, so muss je nach dem dafür zutreffenden Fall, der Teillastfaktor entsprechend der prozentualen Anteile der beiden Möglichkeiten berechnet werden. Dies geschieht nach folgender Gleichung:

Gleichung 5-16

nutzungsabhängiger, mittlerer Teillastfaktor auf Nutzungsart n bezogene Erzeugernutzkälteabgabe für Klimakälte des Raum – Systems [kWh/a] auf Nutzungsart n bezogene Erzeugernutzkälteabgabe für Klimakälte des RLT – Systems [kWh/a] auf Nutzungsart n bezogene gesamte Erzeugernutzkälteabgabe für Klimakälte [kWh/a] Zusätzlich

muss

unterschieden

werden,

ob

mehrere

Nutzungsarten

im

Versorgungsbereich der Kältemaschine auftreten. Diese müssten dann anhand der entsprechenden prozentualen Anteile an der jährlichen Erzeugernutzkälteabgabe gewichtet werden. Die verschiedenen Nutzungsarten sind in Tab. 5 (siehe S. 52) einzusehen. Die im Krankenhaus St. Elisabeth auftretenden, relevanten Nutzungsarten entsprechen jedoch alle derselben Tab. A2 laut DIN V 18599-7. Somit kann der Teillastfaktor

direkt verwendet werden.

Ist die Nutzungsart nicht bekannt, so wird die Nutzungsvariante 1 für das Einzelbüro angewandt.

52

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Tabelle 5: Zuordnung der Nutzungsarten zu den verschiedenen Kennwerttabellen; Quelle: [DIN V 18599/7]

Für

wassergekühlte

KKM

werden

dabei

verschiedene

Verdichter-

und

Regelungsarten betrachtet (siehe S. 53 Tab. 6). Diese sind dabei für das Kennwertverfahren gültig.

53

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Tabelle 6: Arten der Teillastregelung von wassergekühlten KKM; Quelle: [DIN V 18599/7]

Die Standardwerte der Nennkälteleistungszahlen für das Kennwertverfahren sind dabei nach folgender Tabelle 7 zu wählen. Diese können für die einzelnen Maschinen je nach Hersteller und Bauart schwanken. Tabelle 7: Standardkennwerte für Nennkälteleistungszahlen von wassergekühlten Kompressionskältemaschinen; Quelle: [DIN V 18599/7]

Dabei ist zu beachten, dass bei fehlenden Informationen über das verwendete Kältemittel (bei Bestandsanlagen) R134a anzunehmen ist. 54

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Ist darüber hinaus die Verdichterbauart nicht bekannt, so kann diese überschlägig anhand oben stehender, üblicher Nennkälteleistung ermittelt werden. Bei den Kühlwasserein- / austrittstemperaturen gelten die angezeigten 27/33°C für Verdunstungskühler und die 40/45°C für Trockenkühler.

5.2.3.2

Absorptionskältemaschine

Für die Ermittlung des Endenergiebedarfes von Absorptionskältemaschinen kann das Verfahren analog zu Punkt 5.2.3.1 angewandt werden. Hierbei muss jedoch das Wärmeverhältnis ζ (siehe Gleichung 3-1) zur Berechnung hinzugezogen werden. Somit ergibt sich der Bedarf nach folgender Gleichung:

 

Gleichung 5-17

Endenergiebedarf (thermisch) [kWh/a] jährliche Nutzkälteabgabe der Erzeuger [kWh/a]

Die Auswahl des mittleren Teillastfaktors erfolgt ebenfalls anhand des Verfahrens für KKM (siehe 5.2.3.1). Für das Kennwertverfahren werden dabei nur einstufige H2O/LiBr – AKM mit Heizmedienregelung betrachtet (siehe Abb. 24).

Abbildung 25: Art der Teillastregelung für Absorptionskältemaschinen; Quelle: [DIN V 18599-7]

Standardwerte für das Wärmeverhältnis wurden in Tabelle 8 (siehe S. 55) dargestellt. Die

dabei

leer

stehenden

Spalten

signalisieren

randbedingungen.

55

nicht

zulässige

System-

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Tabelle 8: Übersicht für die Standardwerte des Nennwärmeverhältnisses für Absorptionskältemaschinen; Quelle: [DIN V 18599]

5.2.3.3

Rückkühlung

Für die Berechnung der Endenergie der Rückkühlung bedient man sich nachstehender Gleichung:

Gleichung 5-18 Endenergiebedarf für die Rückkühlung [kWh/a] Nennrückkühlleistung [kW] spezifischer Elektroenergiebedarf [kW/kW] mittlerer Nutzungsfaktor für die Rückkühlung [-] mittlere Betriebszeit [h/a]

56

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Die Berechnung erfolgt dabei unterteilt in:

und

für KKM

Gleichung 5-19

für AKM

Gleichung 5-20

Anhand der Gleichungen lässt sich bereits erkennen, dass bei gleichen Kälteleistungen die zu erwartenden Rückkühlleistungen für AKM deutlich höher ausfallen, als bei KKM, wodurch sich größere Verflüssiger ergeben. Der spezifische Elektroenergiebedarf des Rückkühlers wird anhand der unten aufgeführten Tab. 9 ausgewählt. Tabelle 9: Übersicht zum spezifischen Elektroenergiebedarf verschiedener Rückkühlwerke; Quelle: [DIN V 18599/7]

Für den mittleren Nutzungsfaktor gelten die gleichen Grundbestimmungen wie für den mittleren Teillastfaktor analog zu 5.2.3.1. Wird nur ein Kühlungssystem mit der Kältemaschine versorgt, so ist der Nutzungsfaktor direkt zu verwenden. Ist dies nicht der Fall, so muss dieser, je nach prozentualem Anteil der Versorgung von Raum- und RLT – Systemen, wie folgt berechnet werden:

Gleichung 5-21

nutzungsabhängiger, mittlerer Nutzungsfaktor [-]

57

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Hierbei gilt ebenso, dass bei nur einer Nutzungsart in der Anlage der nutzungsabhängige mittlere Nutzungsfaktor wieder direkt angewandt werden kann. Wie in vorhergehenden Punkten bereits definiert wurde, wird auf die Gewichtung für unterschiedliche Nutzungsarten nicht näher eingegangen, da dies für den praxisrelevanten Bezug dieser Arbeit nicht notwendig ist. Als Letztes gilt es dabei, die mittlere nutzungsabhängige Betriebszeit der Rückkühlung zu bewerten. Diese ergibt sich entweder aus der Jahressumme der monatlichen Bedarfszeiten des Kühlregisters oder aus der monatlichen Bedarfszeit der Raumkühlung innerhalb einer Nutzungsart. Dabei ist der Maximalwert zu wählen. Die Berechnung erfolgt mit der Gleichung:

Gleichung 5-22 die jährliche Betriebszeit des Rückkühlers, nutzungsabhängig [h]

 

die monatliche Bedarfszeit des Kühlregisters [h]  

die jährliche Betriebszeit des Rückkühlers, nutzungsabhängig [h]

Die Gleichung zur Betrachtung bei mehreren Nutzungsarten bleibt unberücksichtigt.

5.2.4 Beispielrechnung Zur Veranschaulichung des Berechnungsganges wurde anhand des Krankenhauses St. Elisabeth eine Beispielrechnung durchgeführt, welche im Anhang C (S. 94-100) detailiert aufgeführt und eingefügt wurde. Diese orientiert sich inhaltlich anhand der unter Punkt 6 näher erläuterten Versorgungskonzepte, welche im Rahmen dieses Projektes betrachtet wurden. Dabei werden auf der Wärmeerzeugerseite 3 BHKW’s zur Grundlastdeckung betrachtet. Sie decken dabei einen Anteil der thermischen Leistung von 3.967.704 kWh/a. Als Spitzenlasterzeuger, zur Deckung der verbleibenden 2.032.296 kWh/a, dienen darüber hinaus zum Einen die Fernwärmestation und zum Anderen die 58

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vorgehaltenen ND – HWK. Da eine Vorrangschaltung der Fernwärme definiert wurde, besitzen die ND – HWK einen sehr kleinen Anteil an der Erzeugung (nur Maximalfall). Somit wurde der vorher erwähnte Restwärmebedarf für die weiteren Betrachtungen wie folgt aufgeteilt: - Fernwärme:

2.000.000 kWh/a

- ND – HWK:

32.296 kWh/a

Auf Grundlage dessen ergaben sich alle weiteren Ergebnisse, wie z.B. die daraus resultierenden Betriebsstunden und der Brennstoffbedarf. Der Endenergieaufwand für Gas wird demnach mit einem Jahreswärmebedarf von 4.000.000

kWh/a

errechnet,

da

für

die

Fernwärme

nur

die

in

den

Wärmebereitstellungskosten errechnet werden müssen. Weitere

Ausgangdaten

für

den

Berechnungsvorgang

werden

Lösungsvarianten näher erläutert. Für die Kälteerzeugerseite muss hierbei notwendigerweise festgehalten werden, dass

alle

weiteren

Betrachtungen

bezüglich

der

Kompressions-

und

Absorptionskältemaschine darauf basieren, dass diese lediglich zur Lastdeckung von einzelnen Bereichen eingesetzt werden sollen. Dies erklärt sich durch die Idee des Autors, die Kältemaschine näher an die Wärmeerzeugungsanlagen zu setzen, damit deren Betrieb (im Falle einer AKM) gesichert ist bzw. die Voraussetzungen dafür garantiert

werden

können,

da

keine

zu

hohen

Wärmeverluste

über

die

Verteilungsleitungen entstehen. Somit wird festgelegt, dass von den 785.000 kWh/a Kältebedarf die 373.500 kWh/a für die vorher beschriebenen Bereiche abzudecken sind. Diese zu versorgen, bedeutet eine weitere Laufzeitenverlängerung der BHKW’s, da deren erzeugte Systemtemperaturen zum Betrieb der Anlage ausreichend sind.

59

Diplomarbeit

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6

Darstellung der Versorgungsmöglichkeiten und - konzepte

6.1

Notwendige Vorbetrachtungen

Eine, im Zuge eines Contracting – Vertrages, bestehende Heizungsanlage zu optimieren obliegt immer einer gewissen Schwierigkeit, da demzufolge Preise zur Errichtung und Unterhaltung der Anlage angewandt werden, welche prinzipiell nur schwer unterboten werden können. In der für das EVU erarbeiteten Diplomarbeit wurden für das Krankenhaus 2 grundlegende Konzepte erstellt. Im ersten Konzept handelt es sich dabei um die Installation des Fernwärmeanschlusses und der BHKW’s, verbunden mit der gleichzeitigen Demontage der bestehenden Gaskesselanlage. Im zweiten Konzept wurde die Erneuerung der GKA in Verbindung mit den vorher beschriebenen BHKW’s untersucht. Dabei wurde zudem eine Variantenunterscheidung für die Kälteerzeuger durchgeführt. Diese beinhalten dabei Lösungen mit einer AKM inkl. neuer Kühlturm (Variante1), KKM inkl. Umbau bestehendes Rückkühlwerk (Variante 2) und KKM inkl. 2 neuen Trockenkühlern (Variante 3).22 Im

Rahmen

dieser

Versorgungskonzepte

Arbeit erstellt

sollen werden.

jedoch Hierbei

keine werden

vollständig lediglich

neuen

alternative

Lösungsvarianten zu möglichen Anlagen- und Kostenoptimierungen aufgezeigt und untersucht, welche vorher unberücksichtigt blieben. Die dabei bereits betrachteten Möglichkeiten der Versorgung sollen an dieser Stelle noch einmal ausführlich auf ihre Einsatzmöglichkeit hin untersucht werden. Prinzipiell bestehen dabei viele Möglichkeiten, welche jedoch allein aufgrund der Anlagenkonzipierung stark eingeschränkt werden können. Demzufolge ist z.B. der Einsatz von Wärmepumpen nicht möglich, da sich zum Einen das Krankenhaus inmitten der Stadt befindet, wo durch die Infrastruktur sämtliche Möglichkeiten

zur

Erdbodennutzung

negiert

werden.

Die

Möglichkeit

der

Erdsondenbohrungen entfallen dabei durch die Voraussetzung, dass große bauliche Maßnahmen vermeiden werden sollen.

22

[DANB] S. 66 f.

60

Diplomarbeit

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Zum Anderen macht der Wunsch des Einsatzes von BHKW’s die Einbindung, aufgrund der damit verbundenen Systemtemperaturen (90/70°C), nicht möglich. Solarthermische

Anlagen

Warmwasserbereitung

mit

Wärmeversorgungsanlagen Warmwasserbereitung

durch

bieten an

ebenfalls die

durch

angeschlossen diese

keine

würde

Alternative,

die

ist. sich

BHKW’s

Die

da

betriebenen

Unterstützung

somit

die

negativ

auf

der die

Vollbenutzungsstunden der BHKW’s auswirken. Hinzu kommt wiederrum die Maßgabe der Unterbindung größerer Veränderungen in der Bausubstanz, aufgrund der aufwendigen Restaurationen der Gebäude in der vergangenen Zeit. Ein Einsatz derer würde sich demnach nicht rechtfertigen. Dies gilt ebenso für Photovoltaikanlagen, zudem hier das Problem besteht, dass durch diese nach heutigem Stand der Technik der Wirkungsgrad von BHKW’s nicht annähernd erreicht wird. Eine weitere Überlegung ist, anstatt der Fernwärme einen Kessel zu installieren, welcher die gleiche Anschlussleistung wie diese zur Verfügung stellt. Zur weiteren Veranschaulichung soll dabei nicht nur auf herkömmliche Brennstoffe, wie Öl, zurückgegriffen, sondern auch alternative Brennstoffe berücksichtigt werden. Hierunter zählen zum Einen der Brennstoff Anthrazit. Eine weitere Möglichkeit wäre Braunkohlenstaub

oder

andere

feste

Brennstoffe.

Diese

Brennstoffe

sind

ausreichend verfügbar und ebenso in Deutschland einheimisch. Die dafür notwendigen Logistikbedingungen sind geschlossen, d.h. ohne Probleme belastbar. Zudem besteht für diese der Vorteil, dass sie relativ preisstabil (moderat preisgleitend), da unabhängig vom Rohöl- und Erdgasmarkt, sind. Zur Verwendung von lagerungsnotwendigen Brennstoffen wie Heizöl oder auch festen Brennstoffen wurde ausgesagt, dass diesbezüglich keine Kapazitäten zur Verfügung stehen. Setzt man nur einen Kessel ein (anstatt der 2 Kessel in der alten Anlage), würde weiterer Platz für die notwendigen Öltanks bestehen. Dies verstößt jedoch gegen die Aufstellbedingungen für lagerungsnotwendige Brennstoffe, da diese in einem Raum aufzustellen sind, welcher ausschließlich für die Lagerung des Brennstoffes gedacht

61

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

ist und in welchem nur Rohrleitungen verlaufen dürfen, die zum Betrieb der Anlage selbst notwendig sind. Somit müsste eine Alternative zur Aufstellung derer gefunden werden. Zudem ist der Einsatz von nur einem Kessel zur Deckung einer Leistungsbreite von 50 kW – 2500 kW regelungstechnisch sehr aufwändig, was den Einsatz von 2 Kesseln mit nahezu gleicher Leistung aufgrund der besseren Regelfähigkeit sinnvoll macht. Sie

würden

dabei

netzparallel

zu

den

BHKW’s

eingebunden.

Die

Systemtemperaturen zur Auslegung der Kessel bleiben somit bei 90/70°C bestehen. Da sie jedoch nur der Spitzenlastversorgung dienen und dabei einen Anteil von ca. 2.000.000 kWh/a decken sollen, kann die Heizölmenge relativ gering gehalten werden, was dennoch eine mehrmalige Lieferung nach sich ziehen würde. Zur Untersuchung dessen müsste der für die Wärmebedarfsdeckung erforderliche Brennstoffbedarf bzw. das Brennstoffvolumen ermittelt werden. Zur Durchführung der Berechnung

benötigt

man

Herstellerangaben

zu

einem

dafür

geeigneten

Beispielkessel, da die reine Annahme eines Anlagennutzungsgrades wenig anschaulich und nur ungenügend genau ist. Zur Errechnung der erforderlichen Heizölmenge wurde ein Kessel der Fa. Buderus vom Typ Logano S825L gewählt. Mit

dem

Heizwärmebedarf

Anlagennutzungsgrad

Qh

=

2.000.000

kWh/a

und

dem

= 0,89 für den Kessel ergibt sich nach folgender

Gleichung der Jahresendenergiebedarf

:

Gleichung 6-1

62

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Unter Zuhilfenahme des Heizwertes hi = 11,7 kWh/kg für Heizöl EL und des berechneten Jahresendenergiebedarfs ergibt sich bei Division beider Werte der Brennstoffbedarf

nach folgender Gleichung: Gleichung 6-2

Dividiert man diesen Wert mit der Dichte von Öl (

= 0,86 kg/l) so erhält man das

Brennstoffvolumen aus:

Gleichung 6-3

Da keine großen Lagerungsmöglichkeiten vorhanden sind, wurden zur Untersuchung Öltanks der Baureihe EuroLentz aus Kunststoff zum Vergleich herangezogen. Diese besitzen in ihrer größten Ausführung ein max. Volumen von 2.500 l. Unter Berücksichtigung der nötigen Wand- und Deckenabstände würden in einen möglichen Raum in der Nähe des geplanten Aufstellortes max. 4 Tanks dieser Baureihe passen. Dies bedeutet, es steht eine max. Kapazität von 10.000 l zur Verfügung. Auf die Gesamtmenge hin gerechnet müssten folglich, bei konstant gleicher Abnahme, die Tanks ca. 22mal im Jahr bzw. in einem Zeitintervall von ungefähr 17 Tagen vollgetankt werden. Allein daraus lässt sich bereits erkennen, dass die Wahrscheinlichkeit einer besseren Wirtschaftlichkeit und Kostenoptimierung durch den Einsatz von ölbefeuerten Kesseln nicht gegeben ist bzw. nicht erreicht werden wird.

63

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Nach der vorher durchgeführten, überschlägigen Berechnung kann ebenfalls die Betrachtung zu einem Festbrennstoffkessel erfolgen. Das Beispiel zur Erläuterung soll mit Anthrazit erfolgen. Dies ist eine Kohleart, welche einen besonders niedrigen Anteil an flüchtigen Bestandteilen besitzt. Es ist ein einheimisch vorhandener Rohstoff, welcher ausreichend zur Verfügung steht. Er zeichnet sich dabei weiterhin durch einen hohen Kohlenstoffanteil, einen hohen Heizwert (8,8 – 9,1 kWh/kg je nach Körnung), eine große Härte und geringen Ascheanteil aus. 23 Diese

Eigenschaften

stellen

ihn

als

günstige

Alternative

für

Wärmeerzeugungsanlagen dar, auch aufgrund der beschriebenen Preisstabilität infolge der Entkopplung vom Erdgas- und Heizölmarkt. Die Kesselleistungen reichen dabei von Werten 0 für Anlagen, welche durch den Verkauf von Energie (Wärme, Kälte,

etc.) Gewinn erwirtschaften. Die Bedingung muss gegeben sein, damit die betrachtete Anlage wirtschaftlich ist, denn diese kann nur erfüllt werden, wenn die Annuität der Erlöse größer ist als die Annuität der Kosten. -

2.

< 0 für Anlagen, bei denen keine Erlöse zu verbuchen sind. Die

günstigste Anlage ist jene mit den geringsten Kosten.

78

Diplomarbeit

7.5

Sascha Keller VU 06/1

Beispielrechnung

Zur Verdeutlichung des vorher erläuterten Rechenverfahrens wurde für die unter Punkt 6 erläuterten Versorgungsvarianten eine Beispielrechnung bezüglich der Kosten und der daraus resultierenden Amortisationszeiten der beschriebenen Anlagen durchgeführt. Für die Betrachtung einer Wirtschaftlichkeit ist es dabei wichtig, gewisse Randbedingungen festzulegen bzw. einen Rahmen zu definieren, in welchem der Autor die einfließenden Hintergründe darstellt. Die dafür notwendigen Auslegungsdaten bzw. Berechnungsgrundlagen wurden entweder aus den Definitionen der Konzepte (siehe 6.2.1/6.2.2) entnommen oder auf Grundlage der unter 5.2.4 erläuterten Berechnungsschritte und der technischen Betrachtung des Berechnungsbeispiels durchgeführt. Als Berechnungsgrundlage wurden weiterhin die jeweiligen Verbräuche definiert, welche in den vorherigen Kapiteln dargestellt wurden. Es wird festgelegt, dass folgende Werte als Grundlage der Berechnung dienen: -

Wärmeverbrauch von 6.000.000 kWh/a,

-

Kälteverbrauch von 785.000 kWh (bzw. 373.500 kWh/a) und

-

Stromverbrauch von 4.750.000 kWh/a.

Zur weiteren Veranschaulichung und damit auch die wirtschaftliche Seite der Berechnung ordnungsgemäß nachvollzogen werden kann, muss hierbei erwähnt werden, dass die im Rahmen dieser Arbeit, angefertigte wirtschaftliche Betrachtung aus Sicht der Fa. Imtech durchgeführt wurde. Es ist nicht möglich, die Kosten und Erlöse des für das Krankenhaus erstellten Vertrages zu bewerten. Um trotzdem eine hinreichende Genauigkeit zu erlangen, wurden die in der Berechnung verwendeten Energiepreise durch Rücksprache mit dem Geschäftsbereich Imtech Contracting ermittelt. Somit ist davon auszugehen, dass die eingesetzten Werte sich den realen Preisen annähern, jedoch nicht den Anspruch auf Genauigkeit und Verbindlichkeit erfüllen, da es sich um reine Annahmen handelt. Die Angaben für Investitionskosten (z.B. für AKM, KKM, Kühlturm, etc.) basieren auf für die Fa. Imtech erstellten und gültigen Herstellerangeboten. Diese schließen

79

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

teilweise die Peripherie der Anlagen (z.B. notwendige Rohrleitungen etc.) mit ein. Ist diese nicht der Fall, so wurden die dafür entstehenden Kosten extra aufgeführt.

7.6

Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Als

Ergebnis

der

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

der

zwei

untersuchten

Vergleichsvarianten hat sich ergeben, dass der Einsatz bzw. die Errichtung eines Hochtemperatur – Brennwertmoduls für die bestehende Heizungsanlage eine äußerst günstige Möglichkeit ist, die Kosten im Betrieb deutlich zu senken und durch die eindeutige Senkung des CO2 – Ausstoßes einen Beitrag zum Umweltschutz zu leisten. Die dabei errechnete Amortisationsdauer der Anlage von knapp 5,9 Jahren spricht dabei für sich, denn bei einer angenommen Nutzungsdauer der Anlage von 15 Jahren würde man ca. 9 Jahre lang jährliche Einsparungen von ca. 20.700 € realisieren können. Dieser Betrag scheint verschwindend gering im Vergleich zu den gesamten jährlichen Ausgaben eines Krankenhauses, über deren Höhe nur gemutmaßt werden kann. Der sich nach den 9 Jahren ergebende Gesamtbetrag der Einsparungen könnte dann allerdings in voller Höhe für neuere Anlagentechnik zur Verfügung stehen, wobei angemerkt werden muss, das ein Wert von ca. 186.300 € (ohne Zinsen bei Anlage des Geldes) mehr als die Hälfte der Investitionskosten einer neuen BHKW – Anlage für das Krankenhaus decken könnte (bei einem Wert von ca. 350.000 € für 3 Module). Bei Errichtung dieses Moduls in der Anlage könnten in Verbindung einer AKM weitere Einsparpotentiale dargelegt werden. Dabei kommt der Einsparung von Brennstoff, die sich deutlich auf die bedarfsgebundenen Kosten auswirken könnte, große Bedeutung zu. Laut Wissen des Autors bestehen einige Referenzobjekte in Verbindung mit der HTBN, welche bisher ausschließlich Zufriedenheit der Kunden hervorrufen. Deshalb sollte

der

Einsatz

eines

solchen

Moduls

angestrebt

werden,

da

weitere

Optimierungsmöglichkeiten der Heizungsanlage in Verbindung mit der Fernwärme schwer zu realisieren sein werden. Dabei muss jedoch angemerkt werden, dass sich die errechneten Werte nur dann einstellen können, wenn der jährliche Bedarf an Wärme als gleichbleibend angesehen werden kann, damit die Einsparung der Primärenergie auch als konstant 80

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

angenommen werden kann. Für die Berechnung im Rahmen dieser Arbeit wurde der vorher genannte Fakt bindend angenommen. Im 2. Vergleich hat sich dabei ergeben, dass die durch Einsatz der Turbo KKM derzeit realisierte Lösung die wirtschaftlichste Variante zur Kälteversorgung darstellt. Dieses Ergebnis war dabei, aufgrund der Diplomarbeit der EVH, zu erwarten. Der aktuelle Vergleich wurde jedoch, wie bereits beschrieben, aus Sicht der Fa. Imtech durchgeführt. Da hierbei alle weiteren Anlagen nicht berücksichtigt wurden, ergaben sich daraus andere Ergebnisse und Bewertungsmöglichkeiten, welche die Empfehlung zum Einsatz einer Absorptionskälteanlage durchaus zulassen. Die reine Betrachtung zwischen den beiden Versorgungsvarianten der Kälteanlagen hat dabei aufgezeigt, dass sich beim Vergleich der jährlichen Gesamtannuitäten durch den Einsatz der Absorptionskälteanlage in Verbindung mit den BHKW’s ein Vorteil gegenüber der Kompressionskältemaschine ergibt. Dieser

Fakt

ergibt

sich

vorrangig

durch

die

deutlich

günstigeren

Wärmeerzeugungskosten gegenüber den Strombezugskosten. Zudem wurde die Berechnung unter der Annahme durchgeführt, dass der bei der Wärmebereitstellung gleichzeitig erzeugte Strom ausnahmslos im Objekt selber verbraucht wird. Dadurch konnte

den

Kosten

für

die

Wärmebereitstellung

die

Einsparung

der

Netzbezugskosten des Stromes gegengerechnet werden, woraus sich greifbare Einsparungen im Betrieb ergeben. Demgegenüber stehen jedoch die vernehmlich höheren Investitionskosten für die Absorptionskälteanlage, da KKM günstiger in der Investition und allgemein betrachtet marktgängiger sind als AKM. Dieses gilt ebenso für die damit verbundene Rückkühleinrichtung, da bei gleichen Kälteleistungen die Rückkühleinrichtungen für AKM deutlich größer sind, was schon bei der energetischen Berechnung der Anlage zum Vorschein kam. Außerdem muss ausgesagt werden, dass sich der COP – Wert der KKM im Teillastbereich deutlich steigert.

24

Würden also Bemühungen angestrebt werden, die

KKM vorrangig im Teillastbereich zu betreiben, würde sich der energetische Vergleich deutlich in Richtung der KKM verbessern

24

COP = 5,0 bei 100%, COP = 6,4 bei 75%, COP = 7,5 bei 50%, COP = 11,1 bei 25%; Quelle:[IMT08]

81

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Es muss zudem bedacht werden, dass trotz allem die Notwendigkeit besteht, die AKM

an

einem

anderen

Ort

aufzustellen,

möglichst

nah

an

den

Wärmeerzeugungsanlagen, damit die Versorgungssicherheit gegeben werden kann und schon bekannte Probleme nicht neuerlich auftreten können. Dafür wurde die Betrachtung der Kältetrasse in die Berechnung mit einbezogen, welche letztendlich alleine aussagekräftig über den Einsatz der AKM ist. Daraus resultieren wiederrum größere Investitionskosten, welche letztendlich die Gesamtannuitäten der AKM schlechter und somit weniger wirtschaftlich darstellen. Hierbei muss jedoch bedacht werden, dass unter Einbeziehung der Norm – Werte Rohrleitungen und Dämmungen eine deutlich höhere Nutzungsdauer aufweisen. Sie wären somit eine einmalige Investition in einem Zeitraum, in welchem die jeweilige Kältemaschine bereits erneuert werden müsste. Dadurch könnte sich auf längere Zeit gesehen eine bessere Variante der Kälteversorgung durch die AKM ergeben. Es kann somit festgestellt werden, dass die Anlagenvarianten in Abhängigkeit ihrer Einsatzbedingungen und der verfügbaren Antriebsenergien Vor- und Nachteile haben.

82

Diplomarbeit

8

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Kriterien zur Findung einer Vorzugsvariante

Die Aufstellung allgemeiner Kriterien zur Findung einer Vorzugsvariante ist vom Prinzip her schwierig, da eine Anlagenkonzipierung viele Faktoren in sich vereint. Darunter zählen nicht nur zu berücksichtigende Wünsche von Bauherren bzw. auch allgemeine bauliche Gegebenheiten, sondern vielmehr auch bereits bestehende Anlagen und Anlagenteile, welche in der Erstellung und Konzipierung neuer Versorgungsmöglichkeiten definitiv berücksichtigt werden müssen. Somit sollten bei geplanten Energiesparmaßnahmen generell folgende Fragen gestellt werden: • Wie hoch ist der Investitionsaufwand? • Welche vorhandenen Anlagen und Anlagenteile können zur Versorgung mit benutzt werden? • In welchem Zeitraum würden sich Neuanschaffungen amortisieren? Dieser Umstand und die Tatsache, das weiterhin etliche Beiträge aus dem Bereich ,,Energie‘‘ veröffentlicht werden, zeigen auf, dass dieses Thema nach wie vor sehr aktuell ist. Dabei wurden im Bereich Industriebau und Versorgungstechnik deutliche Fortschritte auf dem Gebiet der Energieeinsparung erzielt, da bereits seit langem Möglichkeiten der optimalen Energieausnutzung untersucht und berücksichtigt werden. Für eine rationelle Energieanwendung bei heizungs- und klimatechnischen Anlagen ist es dabei notwendig, dass schon in der Phase der Grundsatzentscheidung eine sinnvolle Zusammenarbeit von Projektanten verschiedener Gewerke vorgenommen wird, um alle Möglichkeiten zur Vermeidung von Energieverlusten nutzen zu können. Bemerkenswert bleibt dabei die Erkenntnis im Bereich der Klimatisierung, dass langfristige Einsparungen der Brennstoffkosten die Mehrausgaben für eine derartige Anlage mehr als ausgleichen können. Dabei sollte primär darauf geachtet werden, dass Energie zum Betrieb dieser Anlagen genutzt wird, welche als Abwärme aus Prozessen zur Verfügung steht. 83

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Diese Aussage ist dabei vergleichbar mit dem Betrieb und Nutzen eines BHKW’s, da hierbei die Wärme erst durch Betrieb dieser zur Verfügung gestellt wird, allerdings auf günstigem Wege Strom zur weiteren Verwendung erzeugt wird. Die Nutzung dieser Energien scheint dabei die billigste, sicherste und produktivste Energiealternative zu sein. Von daher ist der Einsatz eines BHKW’s in Krankenhäusern anzustreben, auch aufgrund der Einsatzmöglichkeit als Notstromaggregat für den Netzersatzbetrieb. Pufferspeicher und die Integration eines Hochtemperatur – Brennwertmoduls sollten bei gegebenen Platzverhältnissen ebenfalls berücksichtigt werden, da diese durch die Verringerung des Verschleißes durch zu häufige An- und Abfahrvorgänge bzw. durch

die

Nutzung

von

vorher

unbeachteten

Energiereserven

eindeutige

Optimierungsmöglichkeiten darstellen. Das bedeutet es sollte immer auf sinnvolle Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung geachtet werden, da anhand dessen ein großer Teil des Primärenergiebedarfes in Heizungsanlagen bzw. auch anderen versorgungstechnischen Anlagen eingespart bzw. mehrfach genutzt werden kann. Für den Betrieb der BHKW’s und der Anlagen zur Versorgung bei Spitzenlastfällen sollten darüber hinaus Energieträger eingesetzt werden, welche eine genügende Versorgungssicherheit garantieren. Bei Einsatz der Anlagen mit Erdgas kann ausgesagt werden, dass dieses Kriterium durchaus erfüllt wird, da die örtliche Infrastruktur des Erdgasnetzes bereits sehr gut ausgebaut ist. Zudem sollte durch den Energieträger kein unnötiger Platz verbraucht werden, da vorrangig in Bestandsobjekten kaum Reservemöglichkeiten zur Einrichtung von Brennstofflagerräumen und – plätzen zur Verfügung stehen. Besteht darüber hinaus die Notwendigkeit, Änderungen an der Bausubstanz vornehmen zu müssen, damit diese Räume für die Nutzung erschlossen werden können, erscheint der Umfang für die Erneuerung nicht gerechtfertigt. Dies sind allerdings nur Annahmen, welche fallspezifisch untersucht werden sollten. Zudem sollte die Aussage, dass lagerbedürftige Brennstoffe (außer Öl) bei Vorhandensein eines Erdgasanschlusses keine Rechtfertigung erlangen können, mit Blick auf die Endlichkeit fossiler Energieträger zukünftig kritischer betrachtet werden.

84

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Dies begründet sich darüber hinaus auch durch die Bindung des Erdgaspreises an den Ölpreis. Da außerdem BHKW’s zur Nutzung regenerativer Brennstoffe bereits konzipiert und zudem zahlreich betrieben werden, obliegt diese Problematik immer einer Einzelfallbetrachtung. Ist

darüber

hinaus

die

Möglichkeit

des

Anschlusses

an

eine

Fernwärmeversorgungsleitung gegeben, so sollte die Möglichkeit wahrgenommen werden. Gegenwärtig zeichnet sich ein eindeutiger Trend in diese Richtung ab. Das die Motivation dabei meist durch die günstigen Preise für die Energiebereitstellung erfolgt, ist auf der einen Seite richtig, andererseits jedoch nicht ausreichend genug betrachtet, da in Zeiten immer größeren Energiebewusstseins die Konzepte der EVU zur optimalen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen (sehr gute Primärenergiefaktoren) bzw. deren Bestrebungen zur ständigen Aktualisierung ihrer Anlagen auf den neuesten Stand der Technik (Modernisierung auf GuD – Heizkraftwerke) als exemplarisch angesehen werden können. Das erklärte Ziel der CO2-Minderungen (z.B. im Jahr 2005 nach Daten der Tab. 11) durch den Erhalt, die Modernisierung und den Zubau von KWK-Anlagen wird somit streng verfolgt. Tabelle 11: CO2 – Einsparungen im Jahr 2005 durch zugebaute und modernisierte KWKAnlagen; Quelle: [FFE]

Abschließend sollten, wie bereits erwähnt wurde, Überlegungen gefördert werden, welche die Betrachtung der Versorgungstechnik Gewerke übergreifend durchführen.

85

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Zudem sollte der Einsatz von Anlagen, welche ihre Begründung in Aussagen wie ,,Die haben wir schon immer eingebaut, die sind einfach besser‘‘ finden, mehr denn je kritisch hinterfragt werden, da allein anhand dessen vermieden werden kann, dass neue Anlagen alleine durch Gewohnheits- und kaufmännische Interessen errichtet werden. Somit kann vermieden werden, dass weiterhin energetisch ungünstigere Anlagen aufgrund von finanziellen Vorteilen den Vorzug finden und technische Vorteile von Anlagen, welche höhere Investitionskosten bedeuten, nicht berücksichtigt werden.

86

Diplomarbeit

9

Sascha Keller VU 06/1

Zusammenfassung

In der Heizungstechnik wird als aktuell gültiges Ziel die Steigerung der Energieeffizienz und die Substitution fossiler durch regenerative Energieträger benannt. Dieses Ziel unterteilt sich dabei in 2 Zielgruppen: •

qualitativ:

Gewährleistung Versorgungssicherheit, Klimaschutz, Effizienz, Kosten/Preisstabilität und ausgewogener Energiemix;



quantitativ:

,,20/20/20‘‘ – Verordnungen, d.h. 20% Energieeinsparung bis 2020 + Anteil von 20% durch erneuerbare Energien

Es muss allerdings erwähnt werden, dass das Substitutionspotential begrenzt ist. Laut Studien wurde in 2006 ca. 2560 TWh an Energie verbraucht. Von diesen ist aber

ein

Anteil

von

ca.

59%

substituierbar.

Einige

der

alternativen

Nutzungsmöglichkeiten sind dabei jedoch schon nahezu ausgeschöpft, andere bieten wiederrum ein erhebliches Nutzungspotential, wie in Tab. 12 ersichtlich wird. Tabelle 12: Substitutionsmöglichkeiten und Grad der Ausschöpfung bis 2006; Quelle: [VISS]

Die

Energieträger

Höhe der substituierbaren Energiemenge [TWh]

Grad der bisherigen Ausschöpfung der Energiequelle [%]

Wasser Biomasse Wind Sonne Erdwärme

25 320 205 405 530

92 38 15 1,3 0,4

restlichen

41%

des

Gesamtenergieverbrauches

bleiben

dabei

nicht

substituierbar. Diesem Fakt kann nur durch Effizienzsteigerungen entgegengewirkt werden, wie z.B. durch den Einsatz der Brennwerttechnik etc. Die

Rolle

des

Wärmesektors

ist

dabei

die

größte

Möglichkeit

Energieeinsparmaßnahmen durchzuführen, da nach aktuellem Stand nur ein Anteil von ca. 12% der bestehenden Heizungsanlagen dem Stand der Technik entspricht. 87

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Aus diesem Grund war es erklärtes Ziel der Arbeit, eine energieeffizientere Lösung für eine bestehende Heizungsanlage in einem Krankenhaus zu finden und die dazu nötigen Komponenten unter energetisch und wirtschaftlich sinnvollen Aspekten zu forcieren. Dafür wurde zuerst die bestehende Heizungsanlage und die darin vorkommenden Wärmeerzeugungsanlagen in ihrem Aufbau, ihrer Funktionsweise und ihren Nutzungsmöglichkeiten beispielhaft erläutert. Damit ein gesamter Überblick gegeben werden konnte, wurden alternative Aufbauarten der Anlagen aufgezeigt. Die Hauptbestandteile einer durch Fernwärme versorgten Heizungsanlage wie Wärmeerzeuger, Fernwärmerohrnetz, Übergabe- und Hausanschlussstation und die Hausanlage wurden in ihren verschiedenen Aufbau- und Funktionsmöglichkeiten beschrieben. Weiterhin sind Arten von Kraft – Wärme – Kopplungsanlagen aufgezeigt worden. Die BHKW – Technologie wurde dabei beispielhaft erläutert. Dafür wurden Aufbau, Funktions- und Betriebsweise in die Erläuterungen integriert. Zudem sind Erweiterungsmöglichkeiten der KWK, in Form von Nutzung der KWKK und der HTBN aufgezeigt worden. Darüber hinaus wurden Motivationen zum Einsatz dieser Technologien gegeben. Zur Annäherung an die KWKK erfolgte deshalb eine kurze Einführung und Erläuterung des Aufbaus und der Funktion von AKM. Damit deren Betrieb eindeutiger beschrieben werden konnte, wurde als Vergleichsmoment ein Überblick zur KKM mit ihren Hauptbauteilen gegeben. Die aus den vorhergehenden Ermittlungen gewonnenen Erkenntnisse über die Anlagentechnik

wurden

dann

unter

Berücksichtigung

von

praxisbezogenen

Gesichtspunkten (durch Bezug auf bereits ausgeführte Anlagen) bezüglich ihres tatsächlichen Nutzens untersucht. Es

konnte

dabei

festgestellt

werden,

dass

nicht

alle

Möglichkeiten

zur

energieeffizienten Anlagenausnutzung berücksichtigt und ausgeschöpft wurden. Die Möglichkeiten der Einbindung der alternativen Versorgungsmöglichkeiten wurden dabei in Hinsicht auf ihre Vor- und Nachteile untersucht, z.B. der große apparative Aufwand von AKM, aber auch die Möglichkeit zur Nutzung der BHKW – Wärme als Antriebsenergie.

88

Diplomarbeit

Als

Sascha Keller VU 06/1

praxisbezogener

Hintergrund

für

die

Möglichkeiten

der

alternativen

Anlagentechnik und der dadurch realisierbaren Vorteile wurde die Anlage des Krankenhauses St. Elisabeth in Halle eingefügt. In diesem wird die Wärmeversorgung durch die Verbindung von BHKW’s, Fernwärme und eine redundante GKA realisiert. Die Kälteversorgung erfolgt durch mehrere Teilanlagen, wobei nur die neu errichtete KKM näher betrachtet wurde. Die installierte Anlage stellt dabei beispielhaft das Prinzip eines Energie – Contracting dar. Jedoch kann allein durch ein umfangreiches technisches Wissen über die verschiedenen Anlagenkomponenten deren Einsatz nicht erzwungen werden. Von daher wurden die Grundlagen des Berechnungsverfahrens der DIN V 18599 zur Ermittlung des Endenergiebedarfes für Heizungsanlagen mit Blockheizkraftwerken und für Kälteanlagen mit KKM, AKM und Rückkühlung in ihrem Ablauf allgemein erläutert.

Die

dadurch

ermittelten

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

mit

Werte

einbezogen,

wurden

anschließend

welche

auf

in

die

Grundlage

der

Annuitätsmethode durchgeführt wird. Somit ergaben sich Einzahlungs- und Auszahlungsbarwerte, welche in gleiche Jahresbeträge (Annuitäten) umgerechnet wurden. Die errechneten Werte stellen somit die abgezinsten Jahresgesamtkosten der Anlagentechniken, bezogen auf den Betrachtungszeitraum, dar. Zur Veranschaulichung des Sachverhalts wurde eine Beispielrechnung einer hypothetischen

Anlage

durchgeführt,

jedoch

anhand

von

praxisrelevanten

Bedingungen in Hinsicht auf Leistungsdaten, Kosten und anderen Gegebenheiten (reeller Platzbedarf etc.). Dabei konnte festgestellt werden, dass die HTBN tatsächlich eine eindeutige Optimierung der ohnehin effizienten BHKW – Technologie darstellt. Ursache hierfür sind

die

enormen

Einsparpotentiale

durch

zusätzlich

nutzbar

gemachte

Energiereserven, trotz hoher Investitionskosten. Zudem konnte das weit verbreitete Urteil, das sich AKM aufgrund ihrer hohen Investitionskosten gegenüber KKM nicht rechnen würden, widerlegt werden, da durch die Verbindung mit der thermischen Antriebsenergie der BHKW’s, die Vorteile dieser zum Tragen kommen können.

89

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Weitere Vorteile der AKM, durch primärenergetische Betrachtungen, konnten dadurch aufgezeigt werden. Somit konnten Rechtfertigungen zum Einsatz derer und auch zur Stärkung einer Gewerke übergreifenden Planung gegeben werden. Abschließend wurden wichtige Kriterien für eine konkrete Planung aufgezeigt, durch welche vorrangig dazu motiviert werden sollte, eine im Gebäude installierte bzw. zu installierende Anlagentechnik immer als ein Gesamtsystem zu verstehen und gewöhnliche und starre Vorgaben für eine Planung außen vor zu lassen. Durch die erreichten Ergebnisse kann davon ausgegangen werden, dass die betrachteten Vergleiche in Zukunft verstärkt angewandt und durchgeführt werden und somit an Bedeutung gewinnen.

90

Diplomarbeit

10

Sascha Keller VU 06/1

Anhang A

Tabelle 13: Übersicht die bestehenden Kälteverbraucher zur Ermittlung der Kühllast; Quelle: [DANB]

Bauabschnitt

Kälteverwendung

Klimakälte 1. UG 1. BA

Klimakälte 5. OG

CT, MRT

Technische Kälte

Foyer

Technische Kälte

Kinderzentrum

Klimakälte

Ort der Versorgung

Leistung [kW]

OP OP Nebenräume Zentralsterilisation Intensivstation CHA /NFA Röntgen Arztzimmer EG Kältezentrale Cafe Barbara Elisabethsaal Prosektur Herzkatheterlabor Endoskopie Funktionsdiagnostik Entbindung Neonathologie MRT Lüftung Kabine MRT Kühlung Schaltraum MRT Heliumkompressor MRT 2x Deckenkühler CT Umluftkühler CT 2x Deckenkühler CT 1x Deckenkühler Röntgen Dunkelkammer Röntgen Filmentwicklung Röntgen DAS Rechnerraum Strahlentherapie Technik Strahlentherapie Röntgentiefengerät Strahlentherapie Deckenkühler Strahlentherapie Klima Lüftung Labor und Ärzte RLT – Zentrale 1 Lüftung Kinderambulanz Lüftung Labor Lüftung IMC / IST Summe: Gleichzeitigkeit25: Resultierende Gesamtleistung:

145,00 55,00 55,00 85,00 53,00 146,00 70,00 10,00 55,00 7,00 9,00 17,00 22,00 18,00 30,00 15,00 11,00 4,00 7,00 28,00 5,00 17,00 5,00 4,00 4,00 4,00 25,00 4,00 17,00 67,00 32,00 60,00 9,00 50,00 83,00 1.228,00 0,80 982,40

25

In Abhängigkeit mit dem Bauherren abgestimmte Berücksichtigung wie viele Verbraucher gleichzeitig versorgt werden müssen, durch manuelle Betätigungsmöglichkeiten der Verbrauchereinrichtungen; [DANB] S. 16

91

Diplomarbeit

11

Sascha Keller VU 06/1

Anhang B

Ausgangsdaten zur energetischen Berechnung der Wärme- und Kälteerzeugung: • Heizlast 4.450 kW • Kühllast 1.000 kW • Jahreswärmeverbrauch 6.000.000 kWh/a • Jahreskälteleistung 975.000 kWh/a • BHKW – Daten: elektrische Leistung 140 kW, thermische Leistung 216 kW, Brennstoffeinsatz 392 kW • Wärmeerzeugung Fernwärme 2.000.000 kWh/a • Wärmeleistung Fernwärme ca. 2.400 kW • Wärmeerzeugung Kessel Neubau 32.296 kW/a • Heizleistung Kesselanlage 2.020 kW • Kältelast durch KKM/AKM 450/445 KW • Kälteerzeugung KKM / AKM 373.500 kWh/a • Kälteleistung Kompressionskältemaschine 450 kW, Kälteleistungszahl 5 • Kälteleistung Absorptionskältemaschine 445 kW, Wärmeverhältnis 0,69 • Systemtemperaturen Heizung 90°C / 70°C • Systemtemperaturen Kaltwasser 6°C / 12°C • Systemtemperaturen Kühlwasser 27°C / 32°C (Kühlturmbetrieb) • Nutzungsart laut Tabelle A2 DIN 18599 Teil 7 (siehe S. 91 Anhang B) • Mittlerer Nutzungsfaktor zu 50% Raum- und 50% RLT – Kühlung gemittelt

92

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Berechnung für die Wärmeerzeugerseite: Wärmeerzeuger Qh,outg [kWh/a]

BHKW 1

BHKW 2

BHKW 3 Fernwärme 6.000.000

Theoretische Vollbenutzungsdauer der Anlage [h/a] Qh,outg,CHP bzw. Qh,outg,HP [kWh/a] ECHP [kWh/a] Betriebsstunden in h/a Anteil β der KWK Stromkennzahl C Anlagennutzungsgrad [-]

1348

1.667.520

1.244.808

1.055.376

2.000.000

32.296

1.080.800

806.820

684.040

-

-

7720

5763

4886

833,3

16

0,65

-

-

0,908

-

0,88

0,66

Endenergieaufwand Gas Qh,f [kWh/a]

6.342.811

Qh,f ohne Stromproduktion [kWh/a]

1.662.811

Berechnung mit HTBN: Nutzbar gemachte Leistung [kW]

80 - 100

Gesamtenergiegewinn [kWh/a]

444.116,8

Endenergieaufwand Gas Qh,f [kWh/a] mit Hochtemperatur Brennwertnutzung Einsparung CO2 Emission mit Hochtemperatur Brennwertnutzung

26

GKA

5.898.694,2

444.116,8 kWh/a * 202 g/kWh 26 = 89,71 t/a

brennstoffspezifische CO2 – Emission Erdgas; [VDEW]

93

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Berechnung für die Kälteerzeugerseite:

Kälteerzeuger

Kompressionskältemaschine, Turbo, Kühlturmbetrieb

Absorptionskältemaschine, Kühlturmbetrieb

Berechnungsverfahren

Berechnung nach DIN

Berechnung mit Herstellerangaben

Berechnung nach DIN = Berechnung nach Herstellerangaben

EER

5,2

5

0,69

PLVav

1,16

1,16

1,315

Qc,f,elektr bzw. Qc,out,therm kWh/a (Erzeugung)

61919,76

64396,55

411638,29

Qr,outg

536,54

540,00

1089,93

qr,elektr

0,018

0,018

0,018

fr,av = fr,vr

0,34

0,34

0,34

Qc,outg

450

450

445

Qc,f,R,elektr (Rückkühlung)

2626,89

2643,84

5336,29

Betriebs-stunden in h/a

800

800

800

Qc,f,elektr [Mwh/a]

64,55

67,04

5,34

Qc,f,therm [MWh/a]

0

0

411,64

94

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12

Sascha Keller VU 06/1

Anhang C

Ausgangsdaten zur wirtschaftlichen Berechnung der Wärme- und Kälteerzeugung: 1. Allgemeine Berechnungsgrundlagen Bezeichnung

Wert

Einheit

Betrachtungszeitraum T Annuitätsfaktor a Zinssatz i Aufzinsungsfaktor q

15 0,103 6,00 1 + (i/100) = 1,06 1 + (j/100) mit j siehe 7.2.1

[a] [-] [%] [%]

1,027 1,03 1,033 1,03 1,03 1,03

[%] [%] [%] [%] [%] [%]

11,4468

-

11,6638 11,8862 11,6638 11,6638 11,6638

-

1,1786

-

1,2009

-

1,2238 1,2009

-

1,2009

-

1,2009

-

Preisänderungsfaktor r

kapitalgeb. Zahlung rK bedarfsgeb. Zahlung rV betriebsgeb. Zahlung rB sonstige Zahlung rS Zahlung Instandhaltung rIN Einzahlung rE Barwertfaktor (BWF) kapitalgeb. Kosten bK BWF verbrauchsgeb. Kosten bV BWF betriebsgeb. Kosten bB BWF sonstige Kosten bS BWF Instandhaltungskosten bIN BWF Einzahlung bE Preisdynamischer Annuitätsfaktor (PDAF) kapitalgeb. Kosten baK PDAF verbrauchsgeb. Kosten baV PDAF betriebsgeb. Kosten baB PDAF sonstige. Kosten baS PDAF Instandhaltungskosten baIN PDAF Einzahlung baE

95

[%]

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Sascha Keller VU 06/1

2. Allgemeine Energiekosten Energieart

Tarifart

Erdgas Wärme (Fernwärme) Strom Strom Wasser Abwasser

Preis

HT NT Hinweis:

0,05 €/kWh 0,04 €/kWh 0,13 €/kWh 0,10 €/kWh 1,29 €/m³ 1,89 €/m³

Für den Grundpreis der Energiekosten wird ein Anteil von 30% als Zuschlag zu den jährlichen Verbrauchskosten gerechnet.

3. Kosten- und Gewinnaufstellung für 1. Vergleich:

Komponente Nr.

Nutzungsdauer TN [a]

Instandsetzungsfaktor fK [%]

Ersatzhäufigkeit n

1

15

1,5

0

zu 1

-

-

0

2

40

1

0

3

20

1

0

Bauteilbezeichnung Hochtemperatur Brennwertmodul Anlieferung und Einbringung Montage Rohrleitung etc. Isolierung Rohrleitung etc.

Investitions -kosten [€] 97.751,48 2.000 15.415,60 7.707,80

Gesamtkosten:

122.874,88

Bauteilbezeichnung

Investitions -kosten [€]

4. Kostenaufstellung für 2. Vergleich: a. Absorptionskälteanlage:

Komponente Nr.

Nutzungsdauer TN [a]

Instandsetzungsfaktor fK [%]

Ersatzhäufigkeit n

4

15

1,5

0

5

20

2

0

Absorptionskälteanlage Rückkühlwerk Gesamtkosten:

96

106.338 29.200 135.538

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

b. Errichtung der Kältetrasse:

Komponente Nr.

Nutzungsdauer TN [a]

Instandsetzungsfaktor fK [%]

Ersatzhäufigkeit n

6

40

1

0

7

20

1

0

8

40

1

0

9

20

1

0

Bauteilbezeichnung Rohrleitung Kaltwasser für Kältetrasse Isolierung Rohrleitung Kühlwasser Anbindung Kühlturm Isolierung

Investitions -kosten [€]

47340 23715 8709 4354

Gesamtkosten:

84.118

Bauteilbezeichnung

Investitions -kosten27 [€]

c. Kompressionskälteanlage:

Komponente Nr.

Nutzungsdauer TN [a]

Instandsetzungsfaktor fK [%]

Ersatzhäufigkeit n

10

15

1,5

0

11

20

2

0

27

[IMT08]

97

Kompressionskälteanlage Rückkühlwerk

26855

Gesamtkosten:

98.855

72000

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

5. Berechnungsdurchführung: a. 1. Vergleich Kapitalgebundene Kosten (baK = 1,1786) Komp .

1 2 3

Investitionskosten [€]

Barwert Restwert

Summe der Barwerte

A0

BRW

A0 +A1 – BRW

97.751,48 15.415,60 7707,80

Annuität

Barwert Instandhaltung

Annuität Instandhaltung

Annuität kapitalgeb. Zahlungen

(A0 +A1 – BRW)*a

fK*A0*bIN

fK*A0*baIN

AN,K

17102,31 1798,04 899,02

1760,85 185,13 92,56

11.829,25 1.358,85 803,65 13.991,75

0,00 97.751,48 10068,40 4.020,24 11.395,36 1173,72 804,05 6903,75 711,09 Summe Kapital in [€/a]:

Bedarfsgebundene Kosten(baV = 1,2009) Wärmeerzeugung durch BHKW’s Wärmeerzeugung durch BHKW’s ohne HTBN – Modul, mit FW und mit HTBN – Modul, FW und GKA GKA Neubau Neubau Annuität Elektro [€/a] Annuität Gas [€/a] Annuität Wärme [€/a] Summe Bedarf in [€/a]:

410.267,57

410.267,57

495.110,31

460.443,22

124.893,60

124.893,60

1.030.271,48

995.604,39

Betriebsgebundene Kosten (baB = 1,2238) Wärmeerzeugung durch BHKW’s Wärmeerzeugung durch BHKW’s ohne HTBN – Modul, mit FW und mit HTBN – Modul, FW und GKA GKA Neubau Neubau Wartung und Reinigung BHKW [€/a] Wartung Fernwärme29 [€/a] Wartung GKA [€/a] Bedienung [€/a]

0,40 €/Bh (gemäß VDMA28) * 18369 Bh = 7.347,6

2650,00 8,50 €/h * [20 h/a (GKA) + 100 h/a (BHKW)] = 1020,00

424,00 (inkl. Störungsbeseitigung) 2650,00 8,50 €/h * [20 h/a (GKA) + 100 h/a (BHKW)] = 1020,00

14.002,23

14.002,23

424,00 (inkl. Störungsbeseitigung)

Summe Bedarf in [€/a]:

28 29

0,40 €/Bh (gemäß VDMA) * 18369 Bh = 7.347,6

[VDMA 24186 Teil 0 und 2] [DANB] S. LVII

98

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Gesamtkosten / jährlicher Aufwendungsbetrag [€/a]: Jährlicher Differenzbetrag [€/a]: Amortisationsdauer[a]:

1.044.273,71

1.023.598,37

-

20.675,34 +

-

5,85

b. 2. Vergleich Kapitalgebundene Kosten (baK = 1,1786) Komp .

Investition s-kosten [€] A0

Barwert Restwert

Summe der Barwerte

BRW

A0 +A1 – BRW

Annuität

Barwert Instandhaltung

Annuität Instandhaltung

Annuität kapitalgeb. Zahlunge n

(A0 +A1 – BRW)*a

fK*A0*bIN

fK*A0*baIN

AN,K

5 6

106.338 29.200

0,00 106338,00 10952,81 25948,59 3251,41 334,90 Summe Kapital in [€/a]:

18604,58 6811,66

1915,52 701,33

12868,33 1036,22 13904,55

7 8 9 10

47340 23715 8709 4354

12345,83 34994,17 3604,40 2473,86 21241,14 2187,84 2271,23 6437,77 663,09 454,19 3899,81 401,68 Summe Kapital in [€/a]:

5521,64 2766,07 1015,80 507,84

568,51 284,79 104,59 52,29

4172,91 2472,63 767,68 453,97 7867,18

11 12

72000 26855

0,00 72000,00 7416,00 23864,70 2990,30 308,00 Summe Kapital in [€/a]:

20968,56 7820,98

1828,08 681,85

9244,08 989,85 10233,93

Bedarfsgebundene Kosten(baV = 1,2009) AbsorptionskälteAbsorptionskälteanlage inkl. anlage inkl. Rückkühlwerk und Bau Rückkühlung einer Kältetrasse Annuität Elektro [€/a] Annuität Gas [€/a] Wasserverbrauch30 [m³/a] 30

Kompressionskälteanlage inkl. Rückkühlung

0

0

13.605,91

32.132,00

32.132,00

-

1.632,00

1.632,00

1.192,00

Wasserverbrauch durch Verdunstung laut Herstellerdatenblatt; [GOHL]

99

Diplomarbeit

Sascha Keller VU 06/1

Annuität Wasser [€/a] Abwasser31 [m³/a] Annuität Abwasser [€/a] Summe Bedarf in [€/a]

3.286,40

3.286,40

2.400,58

992,00

992,00

592,00

2.927,00

2.927,00

1.746,76

38.345,40

38.345,40

17.753,25

Bemerkung: Die Kosten für den Elektroverbrauch des Absorbers betragen 0 €/a, da angenommen wird, dass der Elektroenergiebedarf durch die BHKW’s gedeckt wird. Durch den Betrieb

des

Absorbers

mit

einem

BHKW

ergibt

sich

eine

gleichzeitige

Stromerzeugung von 271681,27 kWhel/a. Betriebsgebundene Kosten (baB = 1,2238) AbsorptionskälteAbsorptionskälteanlage inkl. anlage inkl. Rückkühlwerk und Bau Rückkühlung einer Kältetrasse Wartung Maschine [€/a] Wartung Rückkühlung [€/a] Bedienung [€/a] Summe Bedarf in [€/a]

Kompressionskälteanlage inkl. Rückkühlung

1350,00

1350,00

720,00

249,49

249,49

238,65

204,00

204,00

8,50

2.207,11

2.207,11

1.183,60

Bemerkung: Der Bedienungsaufwand für die AKM wurde auf den Wert 24 angehoben, da die Anlage ca. alle 14 Tage entlüftet werden muss, deshalb ist aus Sicht des Autors der Norm – Wert von 0 für diese Anlage unangebracht.

31

Empfohlene Abschlämmwassermenge laut Herstellerdatenblatt; [GOHL]

100

Diplomarbeit

Preiserlös [€/a] Summe Erlös in [€/a]:

Sascha Keller VU 06/1

Erlöse (baE = 1,2009) Erlöse durch im BHKW erzeugten Strom Absorptionskälteanlage inkl. Kompressionskälteanlage inkl. Rückkühlung mit/ohne Bau einer Rückkühlung Kältetrasse 29.297,54 35.183,41

-

Bemerkung: Nach Abzug des Elektroenergiebedarfes für die Rückkühlung (5340 kWhel/a) entsteht ein Rest von 266.341,27 kWhel/a zur Eigennutzung im Krankenhaus. Zur Verrechnung wurde der Gestehungspreis des BHKW’s benutzt. Gesamtkosten / jährlicher Aufwendungsbetrag [€/a]: Jährlicher Differenzbetrag [€/a]: Arbeitspreis Kälte [€/kWh]

19.273,64

27.140,83

29.170,78

-

7.867,19

9897,14

0,052

0,0727

0,0781

Bemerkung: Der Arbeitspreis wird durch die Division des jährlichen Aufwendungsbetrages mit der zu realisierenden Jahreskälteleistung der Maschinen in Höhe von 373.500 kWh/a ermittelt.

101

Diplomarbeit

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Sascha Keller VU 06/1

Quellenverzeichnis

[ASUE]

Online im Internet: URL: http://asue.de/themen/umwelt-klimaschutz/grafiken/index.html (Stand 04.08.2009)

[BHF]

Online im Internet: URL: http://www.bhkw-info.de/kwkk/profile/bhf.pdf (Stand 2003) und http://www.bhf-verfahrenstechnik.de/ de/downloads/HTBWT%20de.pps (Stand 2007)

[BHKW]

Online im Internet: URL: http://www.bhkw-info.de/einfuehrung/bhkw_kwk.html (Stand 2007)

[BHKW-PL]

Online im Internet: URL: http://www.bhkw-planung.de/bhkw-planung_planung.html (Stand 27.07.09)

[DANB]

BARTSCH, Nils: Konzepterstellung zur Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Wärmeversorgung des Krankenhauses St. Elisabeth. Diplomarbeit, Energieversorgung Halle GmbH, Fachhochschule Merseburg, Juli 2006

[DBSU]

Projektkennblatt über den Antragstitel ,,Blockheizkraftwerk mit Hochtemperaturbrennwertnutzung durch einen offenen Wärmetransformationsprozeß und integrierter Kälteerzeugungsanlage‘‘ der Martin – Luther – Universität Halle – Wittenberg FB Verfahrenstechnik, Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Osnabrück, 2000

[DSK]

Online im Internet: URL: http://www.dsk-anthrazit-ibbenbueren.de/produkte/qualitaet.shtml (Stand 27.07.09)

[EVH]

Online im Internet: URL: http://www.evh.de/index.asp?MenuID=1178 (Stand 27.07.09)

XV

Diplomarbeit

[FFE]

Sascha Keller VU 06/1

Online im Internet: URL: http://www.ffe.de/taetigkeitsfelder/ energiebedarfsprognosen-struktur-und-marktanalysen/181 (Stand 2005)

[GFV]

Informationsbroschüre Wärme macht Kälte, Kraft-WärmeKopplung mit Absorptionskältemaschinen und BHKW in Krankenhäusern, Gesellschaft für Versorgungstechnik mbH (GfV) Detmold, 2005

[GOHL]

Firma Gohl: Produktunterlagen, Firma Gohl, 2007

[IMT08]

Firma Imtech Deutschland GmbH & Co.KG, Ausführungs – Leistungsverzeichnis zum Bauvorhaben St. Elisabeth in Halle, 2008

[ITHA]

Dipl.-Ing. Ingolf Tiator: Die neue Meisterprüfung Heizungsanlagen, 3. Auflage., Vogel Buchverlag, Zentralverband Sanitär Heizung Klima München, 2006, Stuttgart

[KHSA]

Online im Internet: URL: http://www.krankenhaus-halle-saale.de/?id=917 (Stand 16.06.09)

[MEPH]

Kraft – Wärme – Kopplung mit Brennwert – Blockheizkraftwerken der Baureihe Mephisto, deutsches Prospekt der Kraft – Wärme – Kopplung GmbH, Hannover, Oktober 2006

[MOCK]

Online im Internet: URL: http://www.mock-klimatechnik.de/anlagenbau/klimaanlagetechnik/kaeltekreislauf.jpg (Stand 22.06.09)

[RS]

RECKNAGEL/SPRENGER/SCHRAMEK: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, 74. Auflage. R. Ouldenburg Industrieverlag, München, 2009

[TABHW]

Technische Anschlussbedingungen für Heizwasser für den Anschluss an die Fernwärmenetze der EVH GmbH, 30. August 2000

[THEN]

Online im Internet: URL: http://www.thema-energie.de/energie-imueberblick/contracting/contracting.html (Stand 08.08.09)

XVI

Diplomarbeit

[VDEW]

Sascha Keller VU 06/1

VDEW-Projektgruppe Nutzenergiebilanzen und Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen: Endenergieverbrauch in Deutschland 2002, Frankfurt a.M., 2003

[VISS]

Vortrag und PowerPoint Präsentation der Fa. Viessmann zum Thema ,,Effizienz Plus‘‘, Studienfahrt der Studenten der VU 06/1, 28.05.09

[YORK]

Firma Johnson Controls (ehemals York), Produktunterlagen, 2007

XVII

Diplomarbeit

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Sascha Keller VU 06/1

Ehrenwörtliche Erklärung

“Ich erkläre hiermit ehrenwörtlich,

1. dass ich meine Diplomarbeit mit dem Thema

Untersuchung von Lösungsvarianten hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und Kostenoptimierung von heizungstechnischen Bestandsanlagen unter Einbeziehung von Fernwärme und Blockheizkraftwerken

ohne fremde Hilfe angefertigt habe,

2. dass ich die Übernahme wörtlicher Zitate aus der Literatur sowie die Verwendung der Gedanken anderer Autoren an den entsprechenden Stellen innerhalb der Arbeit gekennzeichnet habe und 3. dass ich meine Diplomarbeit bei keiner anderen Prüfung vorgelegt habe.

Ich bin mir bewusst, dass eine falsche Erklärung rechtliche Folgen haben wird“.

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Ort, Datum

XVIII