Wirtschaftliches Heizen und Kühlen eines Produktionsgebäudes

Auf 1100 m² überbauter Fläche wurde für die mittelständische Stolz & Seng Kunststoffspritzguss und Formenbau GmbH in Donaueschingen ein moderner Industriebau errichtet (Bild 1). Für 1,1 Mio. € entstand ein Gebäude mit 1600 m² Nutzfläche für die Produktion. Neben den bisherigen Produkten wie Mikroteile und Bandumspritzungen werden dort neue Produkte wie Filter und Siebe im klimatisierten, hochmodernen Fertigungsbereich produziert. Die Produkte finden unter anderem ihre Anwendung in den Branchen Medizintechnik, Wasseraufbereitung, Automobilindustrie, Telekommunikation und allgemeiner Maschinenbau.

Das erste Konzept

Als das Unternehmen Stolz & Seng Kunststoffspritzguss und Formenbau GmbH eine Erweiterung der Produktion und Verwaltung plante und mit der Planungs- und Konzeptionsphase begann, wurde zuerst ein Konzept mit zwei Dachventilatoren welche die Produktionsflächen mit Frischluft versorgen sollte, erstellt. Die Lüftung sollte außerdem ohne eine Wärmerückgewinnung ausgeführt werden. Des weiteren sollte die Beheizung des gesamten Gebäudes sowie der Zuluft, über eine Ölheizung mit 180 kW erfolgen, und nur der Werkzeugbau klimatisiert werden. Dieses Konzept wurde anschließend ausgearbeitet und ausgeschrieben.

Die alternative Lösung

Diese Ausschreibung wurde auch an den schon bereits dort tätigen Kälte-Klima- Fachbetrieb Held Kälte-Klimatechnik GmbH gesendet. Um einen besseren Überblick zu erhalten, machte der Kälteanlagenbaumeister Thorsten Held sofort nach Erhalt der Ausschreibung einen Vororttermin mit der Bauherrschaft aus. Nach einem kurzen Gespräch und nach Rücksprache mit dem zuständigen Planungsberater der Daikin Airconditioning Germany GmbH, Dipl.-Ing. Jörg Wacht, konnte sich ein anderes Konzept durchsetzen. Im Gebäude sollte nun die energetisch zeitgemäßere Daikin-VRV-Technologie mit Wärmerückgewinnung sowie mit zusätzlichen Kreuzstromwärmetauschern aus dem Hause Daikin ausgestattet werden.

Da die Zeit drängte – der Auftrag für die Heizanlage wurde bereits vergeben – wurde innerhalb von einer Woche eine Heiz- bzw. Kühllastberechnung und eine Energiekostenberechnung durchgeführt. Das zu diesem Zeitpunkt noch handschriftliche Konzept der Anlage und die Energiekostenberechnung wurde kurzerhand der Bauherrschaft vorgestellt. Dieses Konzept weckte nicht nur bei der Bauherrschaft, sondern auch bei dem Architekturbüro Rebholz aus Bad Dürrheim großes Interesse. Der Bauherr war vom vorgeschlagenen VRV-System des Herstellers Daikin (www.daikin.de) mit Wärmerückgewinnung, das gleichzeitiges Kühlen und Heizen an den unterschiedlichsten Innengeräten eines Kreislaufs ermöglicht, rasch überzeugt. Die überschüssige Wärme eines Raums mit Kühllast wird dabei einem Raum mit Heizbedarf zugeführt. Bei der Firma Stolz & Seng Kunststoffspritzguss und Formenbau GmbH könnte z. B. die Wärme aus der Produktion zum Heizen der Büroräume genutzt werden.

Zunächst aber wurden noch diverse Zweifel über eine Klimaanlage, die auch Heizen und nicht nur Kühlen und sogar beides gleichzeitig kann, angemeldet. Um diese Zweifel gänzlich zu beseitigen wurde kurzerhand ein Vororttermin mit der Bauherrschaft und dem Architekten bei einer der zahlreichen vom Anlagenbauer Held Kälte-Klimatechnik GmbH realisierten Daikin VRV-Anlagen vereinbart. Als sich der Bauherr und der Architekt von der einwandfreien Funktionsweise und Zuverlässigkeit der Daikin VRV-Anlagen überzeugt hatten, war die Sache entschieden.

Wie funktioniert das System?

Die Inneneinheiten des VRV-Inverter-System lassen sich sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen nutzen. Dabei regeln sie jeweils individuell die Raumtemperatur mittels eines eigenen elektronischen Expansionsventils, welches in 2000 Einzelschritten arbeitet und somit kaum Temperaturschwankungen im Raum zulässt. Die Temperaturschwankungen liegen in etwa bei + 0,5°C bis -0,5°C um die gewünschte Raumtemperatur. Die Umschaltung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb erfolgt dezentral in angeordneten Umschaltboxen. Diese Boxen erlauben die 100-prozentige Wärmeverschiebung von Raum zu Raum (Bild 2). Während in einem Raum B das Kältemittel in der dortigen, als Verflüssiger geschalteten Inneneinheit kondensiert und dabei den Raum durch Wärmeabgabe beheizt, wird in einem anderen Raum A flüssiges Kältemittel verdampft. Durch den Verdampfungsvorgang nimmt die dort installierte Inneneinheit Wärme auf und der Raum wird somit gekühlt. Da sich diese Vorgänge gleichzeitig in einem geschlossenen Kreislauf abspielen, wird der im zu kühlenden Raum A aufgenommene Wärmestrom in den Raum B „verschoben“, also vollständig genutzt. Dasselbe kann auch, mit bis zu 64 Inneneinheiten, mit mehreren Umschaltboxen realisiert werden. Dabei kann entweder jeder einzelnen Inneneinheit oder jedem Raum mit mehreren Inneneinheiten oder jeder Gruppe von Räumen mit gleicher Orientierung im Gebäude bzw. gleicher Nutzungsart eine Umschaltbox zugeordnet werden (Bild 3).

Der in Bild 2 dargestellte Betriebszustand ist der Idealfall mit vollständiger Weiternutzung der Abwärme an gewünschter Stelle. Betriebszustände, bei denen mehr Heizenergie gefordert wird als Abwärme im Gebäude verfügbar ist, wie im Winter bei tiefen Außentemperaturen zu erwarten ist, oder bei denen viele Räume individuell gekühlt werden sollen und kaum oder gar keine Heizenergie gefordert wird, also im Sommerbetrieb, machen den überwiegenden Teil der Betriebszeit einer üblichen Anlage dieses Systems aus. Alle diese Betriebszustände werden unter Einbezug zweier in der Außeneinheit befindlicher Wärmetauscher abgedeckt. Sie verfügen jeweils über eine eigene Umschaltmöglichkeit zwischen Verflüssigungs- und Verdampfungsbetrieb und zudem über je ein eigenes elektronisches Expansionsventil sowie 4-Wege-Ventil. Die Außeneinheit ist somit in der Lage, alle Betriebszustände über das Jahr verteilt mit jeweils angepasster Wärmetauscherleistung zu fahren. Dabei hat die Abwärmenutzung stets die höchste Priorität, d. h. die Wärmetauscher der Außeneinheit werden nur bei Bedarf eingesetzt.

Die installierte Lösung

Im Januar 2007 wurde ein VRV-System mit Wärmerückgewinnung und einer Kälteleistung von 84,5 kW sowie einer Heizleistung von
95 kW von der Firma Held Kältetechnik GmbH aus Donaueschingen in sechs Wochen mit vier Mitarbeitern installiert. Da der Produktionsbereich (Produktionshalle & Werkzeugbau) des Unternehmens Stolz & Seng Kunststoffspritzguss und Formenbau GmbH ganzjährig gekühlt werden muss, wird mit dem VRV-System mit Wärmerückgewinnung die überschüssige Wärme in den Büros und Nebenräumen genutzt. Die nicht konditionierten Nebenräume (z. B. WC) erhalten ihre Wärme durch die Abwärme der 80 kW Kaltwassererzeugung für die Kunststoffspritzmaschinen über einen Plattenwärmetauscher, kombiniert mit einer Fußbodenheizung. Die Anlage wurde in vier Bereiche aufgeteilt: Bürotrakt, Werkzeugbau, Produktionshalle und Qualitätssicherung mit Versand. Für die Bereiche Bürotrakt und Werkzeugbau wurde eine Umschaltbox vorgesehen und aus energetischen Gründen in den Bereichen Produktionshalle, Qualitätssicherung und Versand jeweils zwei Umschaltboxen (Bild 3). Versorgt werden die vier Bereiche durch eine REYQ 30 Außeneinheit (Bild 4) für die in Tabelle 1 aufgeführten Leistungen und Innengeräte-Typen.

Die Büros wurde alle mit den leisesten, auf dem Markt erhältlichen, vierseitigen Eurorasterkassetten vom Typ FXZQ (Bild 5) ausgestattet. Im Werkzeugbau wurden die normalen vierseitigen Kassetten vom Typ FXFQ, bedingt durch die Frischluftmenge von jeweils 125 m³/h, eingesetzt. Die Produktionshalle erhielt für die Frischluftversorgung eine Lüftungsanlage (Bild 6) mit 8000 m³/h – mit Option auf eine spätere Erweiterung. Eingebaut wurden daher zwei Kreuzstromwärmetauscher vom VAM 2000 mit jeweils 2000 m³/h mit nach geschalteten Kanalanschlussgeräten vom Typ FXMQ 125 mit jeweils 14,0 kW Kühlleistung und 16,0 kW Heizleistung (Bild 7).

Die Steuerung der Lüftungsanlagen erfolgt über die Außentemperatur. Sollte die Außentemperatur unter +5 °C und über +26 °C liegen, wird ein By-pass aktiviert, und es werden 50 % der Raumluft beigemischt. Innerhalb der Grenzwerte wird die Anlage mit 100 % Frischluftanteil betrieben. Die Zugabe der konditionierten Luft in die Produktionshalle erfolgt über motorbetriebene Push 2 DN 355 Verdrängungsauslässe des Herstellers Schako (www.schako.de), mit Umschaltung der Luftausblasrichtung bei der Kühl- und Heizfunktion (Bild 8). Die Zugabe im Werkzeugbau erfolgt über die Frischluftanschlüsse an den FXFQ-Geräten (Bild 9).

Die Büromitarbeiter können die Geräte individuell mittels einer Kabelfernbedienung vom Typ BRC1D52 inkl. Timer und Auskühl- bzw. Überhitzungsschutzfunktion einstellen. Die Steuerung des kompletten Daikin-Systems erfolgt über ein zentrales Schaltfeld, einen so genannten „Intelligenten“ Touch-Controller mit Energiekostenerfassung sowie Störmeldung, Temperaturbereichsvorgaben usw.

Investitions- und Betriebskosten

Das komplette VRV-System mit Wärmerückgewinnung und Lüftungsversorgung wurde Anfang Februar 2006 in Betrieb genommen. Die installierte Anlage versorgt ca. 1200 m² klimatisierte Nutzfläche der Stolz & Seng Kunststoffspritzguss und Formenbau GmbH für einen Endpreis von 100 000 €.

Die gesamten Betriebskosten des VRV-Systems mit Wärmerückgewinnung und Lüftungsversorgung betrugen von Februar 2006 bis Dezember 2007 ca. 4600 €, bei einem Strompreis von 0,15 Cent/kWh und Wartungskosten von 980 €/a. Was für den genannten Zeitraum von 23 Monaten umgerechnet auf die Nutzfläche von 1200 m² den Betrag von 3,86 €/m² ergibt und damit rund 2 € pro m² und Jahr.

Ein Vergleich der entstandenen Kosten für das eingebaute VRV-System von Daikin mit Erfahrungswerten für konventionelle Systeme die mit Öl und Gas betrieben werden, so müssen wir feststellen, dass die Kosten mindestens um 40 % niedriger liegen.

Fazit

Die Stolz & Seng Kunststoffspritzguss und Formenbau GmbH erhielt mit dem Einsatz dieser Technik ein besonders wirtschaftliches System, um die enormen Mengen von Wärme, die in Ihrer Produktionshalle entsteht, sinnvoll zu nutzen. Damit kann ganzjährig geheizt und gekühlt werden verbunden mit einer hohen Zuverlässigkeit sowie geringem Platzbedarf. Das schon in der Wärmepumpenversion als betriebswirtschaftlich und technisch als optimal eingestufte VRV-System zeigt hier in der Wärmerückgewinnungs-Ausführung kombiniert mit einer Lüftungsversorgung, welches zusätzliche Energie- und damit Kosteneinsparpotential in fast jedem Produktionsbetrieb mit Verwaltungstrakt liegt. Die Vorteile liegen in dem hohen Komfort in Form von Bedienung und Behaglichkeit, sowie den niedrigen Verbrauchskosten.