Nachhaltiges St.-Georg Klinikum in Leipzig

Einbau des Schichtspeichers mit einem Volumen von rund 60 m³.
Bild: Ratiotherm

Gefördert wird das innovative Klimaschutz-Modellprojekt vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit mit rund 5,5 Millionen Euro. Damit übernimmt das St. Georg Klinikum eine Vorreiterrolle, da es in Leipzig bisher keine vergleichbaren Komplexprojekte zum Umbau des Hochtemperatur-Wärmeversorgungsnetzes hin zum multivalenten Energieverteilnetz gibt. Mit der Bewilligung des Pilot-Projektes kann das vorhandene Versorgungsnetz für eine Dekarbonisierung umgebaut werden und beispielhaft eine effiziente Wärmeversorgung demonstrieren sowie als Grundlage für weitere Maßnahmen in der Stadt Leipzig dienen. Das Netz ist im Laufe des Jahres 2025 in Betrieb genommen worden.

Modellprojekt zur energetischen Optimierung

Schweißung der Schichtspeicher ist vor Ort möglich – Einbau in enge Kellerräume wird somit erleichtert.
Bild: Ratiotherm

Das angestrebte Modellprojekt zur energetischen Optimierung eines Quartiers lässt sich nur durch die Kombination vieler Einzelmaßnahmen erreichen. CO₂-Reduzierung sollte hier nicht durch den Wechsel des Primärenergieträgers erfolgen – zumal dieses Szenario auch nur begrenzt übertragbar wäre. Es wurden viele Einzelmaßnahmen umgesetzt, die in Summe mehr Energie einsparen als jede Maßnahme für sich genommen und das im laufenden Klinikbetrieb. Die Teilmaßnahmen bauen logisch aufeinander auf und können auch als Einzelmaßnahmen durchgeführt werden. Jedoch nur die geregelte Kombination dieser Einzelmaßnahmen auf Basis aussagefähiger Messergebnisse führte im System zu einer wesentlich höheren Anlageneffizienz.

Konkret unterteilte sich das Projekt in folgende Einzelmaßnahmen und Phasen:

Bestandsaufnahme beinhaltet u.a. den Einbau eines Energiemanagementsystems

Erneuerung der Beleuchtung (Straßen- und Beleuchtung erhalten moderne LEDs und werden mit Bewegungsmeldern kombiniert)

Hydraulischen Abgleich optimieren (erforderliche Wärmemenge für jeden Raum wird ermittelt und die daraus notwendige Heizwassermenge und Pumpenleistung errechnet)

Energetische Optimierung der Lüftungsanlagen (Austausch der alten Elektromotoren gegen moderne und hocheffiziente DC-Fan-Grids)

Einbau von Pufferspeichern für jedes der umgerüsteten Gebäude (insgesamt 26 Stück, einer davon mit einem Volumen von 60.000 l)

Einbau von rund 60 Wärmepumpen mit zusammen 1,4 MW Heizleistung

Herausfordernde Ziele in der Kommunikation und Planung

Die Trinkwarmwasser-Kaskaden erwärmen immer nur so viel Wasser, wie benötigt wird.
Bild: Ratiotherm

Aus energetischer Sicht ließen sich für das Projekt klare Ziele festmachen, die durch die Transformation des Energienetzes umgesetzt werden sollten. An erster Stelle standen Einsparungen der eingesetzten Energie in Höhe von rund 30 % im Mittelpunkt der Bestrebungen. Damit einhergehend sollten 3.000 t CO₂ pro Jahr eingespart werden. Was aber viel wichtiger war und als große Herausforderung zwischen den beteiligten Gewerken, den Planern und Zulieferern von Energietechnik galt, war die nahtlose und geräuschlose Fortsetzung der Tätigkeiten im Krankenhaus ohne Störungen im Betriebsablauf. Das bedeutete, dass hier große Herausforderungen in der Kommunikation und Planung im Vorfeld abgestimmt werden mussten. Dazu Herr Landgraf vom verantwortlichen Planungsbüro I pro K Ingenieurgesellschaft mit Sitz in Leipzig: „Wir haben von Anfang an sehr gut mit Ratiotherm als Speicher-, Technik- und Wärmepumpenlieferanten zusammengearbeitet. Durch sorgfältige und umsichtige Planung konnten wir das Projekt geräuschlos und zielführend in die einzelnen Abschnitte überführen. Es hat sich dabei herausgestellt, dass das Unternehmen individuell auftretende Probleme mit intelligenten Ansätzen löst und uns als Ingenieurbüro dabei stark entlastet hat. Für diese Art der Zusammenarbeit sind wir sehr dankbar!“

Verbaute Technik und Wissenswertes – ­Wärmepumpen-Kaskaden

Den Schichtspeicher Oskar gibt es für jede Anforderung und mit unterschiedlichsten auf ihn abgestimmten Anbaumodulen und Kombinationen.
Bild: Ratiotherm

Eines der Herzstücke des gesamten Projektes ist ein Schichtspeicher mit rund 60 m³ Volumen. Die patentierte Schichtspeichertechnik und die Möglichkeit, bis zu 18 Wärmequellen an diesen Speicher anzuschließen, waren letztlich auch ausschlaggebend für Auswahl dieses Lösungsansatzes. Darüber hinaus wurden noch 25 weitere Schichtspeicher für das Projekt geliefert. Die Größen variieren dabei zwischen 1.000 und 9.500 l, je nach Bedarf und Leistungsspezifikationen, die vor Ort geschweißt wurden. Darüber hinaus betrug das Liefervolumen bei Wärmepumpen rund 60 Stück. Hauptsächlich wurden hier Kaskadenlösungen ebenfalls aus dem Hause Ratiotherm verbaut, um die höheren Leistungsanforderungen, die das Projekt mit sich bringt, abdecken zu können. Die hier verbauten Wärmepumpen-Kaskaden von Ratiotherm können sowohl als Sole/Wasser-als auch als Wasser/Wasser-Wärmepumpe ausgeführt werden. Die Kaskaden-Wärmepumpe besteht aus einer Sockelplattform und zwei oder drei voneinander unabhängigen Wärmepumpen-Modulen, die von 9 – 40 kW Heizleistung in Modulbauweise beliebig miteinander kombiniert werden können.

Bei der Energiewende gilt die Wärmespeicherung als wichtiger Bestandteil eines Heizungssystems.
Bild: Ratiotherm

Durch eine Vielzahl an Leistungsmodulkombinationen lässt sich die Leistung der Kaskaden-Wärmepumpen (auch ­nachträglich) ideal auf die Erfordernisse zuschneiden. Außerdem lassen sich Leistungsmodule schnell ergänzen, austauschen oder im Schadensfall ersetzen. Hierdurch werden die Betriebssicherheit und die Leistungsflexibilität erhöht. Ein weiterer Vorteil der Kaskaden-Bauform ist die Möglichkeit sehr hohe Leistungen zu erzielen, ohne in eine Dichtheitsprüfungspflicht zu fallen. Jedes Leistungsmodul besteht aus einem vollständigen Kältekreislauf sowie einer Kondensatpumpe und einer eigenständigen Steuerung. Eine von ratiotherm patentierte Technologie ermöglicht die Nutzung von Quelltemperaturen im Bereich von 10° bis 55° C bei dem Modell „WP Max-HiQ KK“. Bei dem Modell „WP Max-LoQ KK“ kann die Quelltemperatur zwischen -5° bis 15° C betragen. Durch das umweltfreundliche Kältemittel R513A sind Vorlauftemperaturen von 72° C möglich. Vorteil der abgesenkten Netztemperatur sind deutlich verringerte Wärmeverluste im Gegensatz zu den Vorlauftemperaturen im Verteilnetz von bisher 80 °C. Seit der Umstellung wird die Temperatur nun erst am Ort des Bedarfs durch Booster auf das erforderliche Niveau angehoben.

Frischwasserstationen für hohe Hygieneanforderungen

Durch kompakt zusammengefasste Einspeisung und Entnahme, werden Wärmeverluste vermieden.
Bild: Ratiotherm

Neben den Kaskaden-Wärmepumpen kommen im St. Georg Klinikum auch eine Vielzahl an Frischwasserstationen zum Einsatz. Die einzelnen Komponenten der Trinkwasser-Kompaktstationen bzw. Trinkwasser-Kaskadenerwärmung bieten einige Vorteile: So wird bei diesen Stationen genau die Menge frisches Trinkwarmwasser bereitgestellt, die der Nutzer abnimmt. Das führt zu einer hohen Energieeffizienz sowie einer Minimierung der Verluste.Darüber hinaus lassen sich durch die in der Trinkwasser-Kompaktstation eingesetzte Technik der Erwärmung, hohe Durchflussmengen erzielen, zudem lässt sich die abrufbare Wassermenge stufenlos regeln.

Bei Großanlagen müssen verschiedene technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums gemäß der Trinkwasserverordnung eingehalten werden. Demnach müssen Anlagen mit einem Trinkwasservolumeninhalt von mehr als 400 l und/oder einem Rohrleitungsinhalt größer 3 l zwischen dem Ausgang der Trinkwassererwärmung und der Entnahmestelle mindestens einmal am Tag gleichmäßig auf mindestens 60 °C aufgeheizt werden. Zudem darf die Temperatur im zirkulierenden Warmwassersystem nicht mehr als 5 °C unter der Speicheraustrittstemperatur liegen. Je größer also das Volumen des bevorrateten Trinkwarmwassers ist, desto mehr Wärmeenergie wird für die vorgeschriebene Entkeimung des Systems benötigt. Diese Aufgaben erledigt die hier verbaute Frischwassertechnologie in Kombination mit einer darauf abgestimmten Regeltechnik effizient und zuverlässig.

KI-optimierte Energiemanagement-Software

Damit ein so komplexes Projekt wie „KUWEA“ erfolgreich verlaufen und die gewünschten Ziele erreichen kann, ist eine individuelle Regelungstechnik erforderlich.  Der Heiztechnik-Hersteller hat für dieses Projekt mit dem Produkt „SiMon“ eine frei programmierbare Software, die Aufgaben, wie intelligentes Energiemonitoring und Energieanalyse übernimmt. Die Energiemanagement-Software kann beliebig viele Datenpunkte in Echtzeit über ein neuronales Netz erfassen. Hauptmerkmal ist die integrierte, selbst lernende Optimierungsfunktion, basierend auf künstlicher Intelligenz. Daraus resultiert eine zu jeder Zeit optimale Erzeugung von Energie, da die Software direkten Einfluss auf das Energiemanagement nehmen kann und diese in der Regel nach den vorausberechneten Wärmeanforderungen ansteuern kann.