Optimierung von Heizungssystemen

Kesselanlagen, die zur Beheizung und Trinkwassererwärmung in Mehrfamilienhäusern oder größeren Gebäudekomplexen dienen, kommen in Deutschland lediglich auf einen durchschnittlichen Jahresnutzungsgrad von 70 %. So die Daten der jährlichen Techem-Studie, die 140 000 solcher Anlagen im Bestand untersucht. Dem gegenüber stehen theoretisch mögliche Normnutzungsgrade – bezogen auf den unteren Heizwert – moderner Kessel von mehr als 90 %, beziehungsweise sogar mehr als 105 % bei Brennwertkesseln. Also bis zu 35 Prozentpunkte Unterschied zwischen dem, was die Wärmeerzeuger leisten könnten und dem, was die Anlagen im täglichen Einsatz bringen. Sicherlich lässt sich ein auf dem Prüfstand ermittelter Leistungswert nicht eins zu eins in die Praxis übertragen, aber Jahresnutzungsgrade von mehr als 90 % sind realistisch. Ein gewaltiges Einsparpotential. Nicht nur angesichts exorbitant steigender Energiekosten, sondern auch vor dem Hintergrund der aktuellen Umweltschutz- und CO₂-Debatte. Will man diese spürbare Differenz ohne Komfort- und Qualitätseinbußen nutzen, sind in allererster Linie möglichst individuell abgestimmte Anlagen notwendig, um eine Taktung zu verhindern. Das bedeutete bisher aber erhebliche Investitionen in Planung, Ausführung und Materialien. Eine Hemmschwelle, die auch einen Teil der Verbrauchseinsparungen wieder zunichte machte.

Ganzheitliches Konzept

Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet ein System, wie der HAST-AKKU® von Buderus. Das ganzheitliche Konzept für individuelle Anlagen zur Beheizung und Trinkwassererwärmung verbessert den Anlagennutzungsgrad bei Gaskesselanlagen mindestens auf 95 %. Erreicht wird das mit optimierter Auslegung und Auslastung der Wärmeerzeuger, einem abgestimmten sowie hochwertigen Hydraulik- und Regelkonzept, einer Lastgangglättung der Trinkwassererwärmung sowie der einjährigen Optimierung der Anlage nach Inbetriebnahme. Im Detail besteht das vorgefertigte hydraulische Hausanschluss-System aus einem Speicher-Lademodul sowie einem Heizungsmodul mit Verteil- und/oder Regelkreisen mit Strahl- oder Umwälzpumpen. Schaltschranktechnik, Pumpen, Stellglieder, Armaturen, Fühler sowie Dämmung sind im Betriebs- und Regelkonzept bereits integriert.

Die Trinkwassererwärmung erfolgt beim Frischwassermodul im Durchflussprinzip entsprechend den Anforderungen der Trinkwasserverordnung und den Bestimmungen der Deutschen Vereinigung des Gas- und Wasserfaches (DVGW). Die Variante „Legioex^®“ sorgt darüber hinaus für eine permanente thermische Desinfektion von Kaltwasser und Zirkulation in einem thermischen Reaktionsbehälter. Alle Module tragen zur Reduzierung des Platzbedarfs bei und können vom Heizungsfachmann einfach in die Heizzentrale eingebunden werden. Als Haupt-Einsatzgebiete kommen größere Gas-Kesselanlagen, Fernwärmeanlagen und BHKW mit Heizlasten von mehr als 150 kW in Betracht, wie sie in Krankenhäusern, Seniorenresidenzen, Bundeswehrkasernen, Wohnbauten und Schwimmbädern vorkommen. Außerdem kann die Trinkwassererwärmung mit dem Legioex- oder Frischwassermodul auch jederzeit in ein bestehendes System mit „Logano Ecostream“-Heizkessel oder einem „Logano plus“-Gas-Brennwertkessel integriert werden. Aus wirtschaftlichen und energetischen Aspekten ist in jedem Fall der Einsatz von Pufferspeichern auf der Kesselkreisseite sinnvoll. Diese sind, ebenso wie die Abgas-, Druckhalteanlage sowie weiteres abgestimmtes Zubehör, vom Hersteller lieferbar. 

Gute Erfolge

Wie funktioniert das System? Im Wesentlichen besteht es aus in Serie geschalteten Pufferspeichern mit Lade- und Entladeregelkreisen. Diese werden über einen Heizkessel oder Fernwärme aufgeladen. Durch die kontinuierliche Zwischenspeicherung von Wärme in Schwachlastzeiten können die Leistungsspitzen der Verbraucher (Heizung, Lüftung oder Trinkwassererwärmung) bei Spitzenlast durch Nutzung der Energie­reserven im Speicher kompensiert werden. Insbesondere in Fernwärme-Hausanschlussstationen kann durch das Puffervolumen eine Glättung des Lastganges und somit eine Reduzierung der Anschlussleistung um bis zu 50 % erreicht werden.

Die heizungsseitigen Pufferspeicher können außerdem kontinuierlich beladen werden, so dass sich die Lastgänge bei der Trinkwassererwärmung glätten lassen. Kesselleistungen können reduziert und Taktungen vermieden werden, der Betrieb der Anlage ist deutlich effizienter. Bei der Variante Legioex® erfolgt eine sichere Vollstromdesinfektion, die mithilfe eines Reaktionsbehälters die Legionellen länger als drei Minuten bei mehr als 70 °C unschädlich macht und danach die Wassertemperatur wieder auf 60 °C senkt. Dabei werden die Vorschriften der Trinkwasserverordnung und des DVGW-Arbeitsblatts W551 eingehalten. Mit einer leistungsgerechten, volumenstromgeregelten Speicherbeladung optimiert der HAST-AKKU® das System zusätzlich.

Maßgeblich an der Systemoptimierung beteiligt sind die bedarfsreale Auslegung der Komponenten sowie das individuell für jede Anlage konfigurierte Betriebs- und Regelungskonzept mit Schaltschranktechnik. Das Grundprinzip der Regelung ist werkseitig auf drei Winter- sowie eine Sommerbetriebsart ausgelegt, um eine Taktung der Anlage weitgehend zu vermeiden. Die Regelung wird nicht nur individuell für jede Anwendung konfiguriert, sondern im Auftragsfall erfolgt eine Detailauslegung sowie eine weitere Anlagenoptimierung während des ersten Betriebsjahres. Ziel ist eine maximale Brennerlaufzeit auf unterer Modulation und somit eine Reduzierung der Startvorgänge auf ein Minimum. Angestrebt werden weniger als zehn Starts für den kleinen Kessel und unter 200 Starts für den großen Kessel im Jahr. Im Idealfall soll der kleinere Kessel für die Trinkwassererwärmung 365 Tage im Jahr laufen. Dazu werden die Kessel so angesteuert, dass der Betrieb immer bei optimalem Nutzungsgrad stattfindet und ein Brennwertnutzen möglichst über die gesamte Heizperiode sichergestellt ist.

Dieser praktisch ungetaktete Kesselbetrieb ermöglicht Jahresnutzungsgrade von mehr als 95 % – bezogen auf den unteren Heizwert. Was nicht nur eine signifikante Senkung der Verbrauchs- und damit auch der Energiekosten nach sich zieht, sondern auch eine beachtliche CO₂-Reduzierung von bis zu 30 % im Vergleich zu Bestandsanlagen. Ein Vergleich zwischen einem Gebäude mit einem jährlichen Wärmebedarf von 1000 MWh und einem Auto, bei dem die Abgaswerte von 160 auf 120 g/km reduziert werden, verdeutlich die Dimensionen der möglichen Einsparung von CO₂-Emissionen: Wenn man die beim Gebäude durch den Einbau eines HAST-AKKU®-Systems mögliche CO₂-Einsparung von jährlich 75 t der Einsparung von 0,6 t je PKW und Jahr gegenüberstellt, ergibt sich, dass ein einziges so ausgerüstetes Objekt soviel CO₂ einspart wie 125 optimierte Autos.

Lohnende Investition

Ab 180 Wohneinheiten mit dem Frischwassermodul, beziehungsweise ab 250 Wohneinheiten mit dem Legioex®-Modul, rechnet sich der HAST-AKKU® schon durch reduzierte Investitionskosten. Wer in Anlagen dieser Größenordnung auf diese Technik verzichtet, zahlt also schon bei der Investition und später nochmals im laufenden Betrieb drauf.

Aber auch wenn durch den Einbau des Systems Mehrinvestitionen entstehen, sind diese wirtschaftlich zu vertreten. Denn die hohen Einsparungen beim Energieverbrauch halten die Amortisationszeiten gering.

Das folgende Beispiel verdeutlicht diese Aussage. Angenommen wurde eine Anlage mit einem Wärmebedarf von 750 MWh/a für Heizung und Trinkwassererwärmung (125 kWh/m²a, 60 m²/WE, 100 WE). Bei einem spezifischen Energiepreis von 0,05 Euro/kWh im ersten Jahr, einer allgemeinen Preissteigerungsrate von 1,6 % und einer solchen von 8,3 % für Erdgas (stat. Bundesamt ab 2000), einem Zinssatz von 7 % sowie einer Nutzungsdauer von 15 Jahren, ergibt sich eine Amortisationszeit von etwa drei Jahren.

Die überschlägige Wirtschaftlichkeitsberechnung nach VDI 2067 (Tabelle 1) fertigt Buderus für jede selbst berechnete HAST-AKKU®-Anlage an.

Bei Fernwärmeanlagen entsteht die Einsparung vorrangig durch die Reduzierung der Anschlussleistung. Weil das System momentan nicht benötigte Energie speichert und bei Lastspitzen freigibt, reduziert er die Anschlussleistung und somit auch den Volumenstrom. Die bisher realisierten Anlagen für Fernwärme senkten den Anschlusswert um 30 bis 50 %.

Bei einer Reduzierung der Fernwärmeanschlussleistung von 200 kW und spezifischen Anschlusskosten von beispielsweise 50 € je kW/a entspricht dies einer Einsparung von 10 000 €/a. Ein Vorteil für den Fernwärmeanbieter ist die Reduzierung und Glättung der Rücklauftemperaturen und damit eine Erhöhung der Netzkapazität.

Praktisch akzeptiert

Insgesamt scheinen die Argumente für das individuell vorgefertigte, ganzheitliche System auch in der Praxis gut anzukommen. Denn seit Vorstellung des HAST-AKKU® sind bereits mehr als 70 Anlagen realisiert worden.

Ein ausgeführtes System befindet sich in der Wohnanlage Rupprechtensembleblöcke in Berlin-Lichtenberg. Bei einer Bedarfskennzahl nach DIN 4708 von N = 216 sind auf einer beheizten Fläche von 19 506 m² 313 Wohneinheiten untergebracht.

Die Kesselanlage aus dem Jahr 1991 bestand aus drei Gas-Brennwertkesseln mit je 755 kW, die eine statische Zweirohrheizung bedienten. Eine zentrale Trinkwassererwärmung versorgte nach dem Speicherladeprinzip drei 1200 l-Warmwasserspeicher. Außerdem verfügte das System über drei Kessel-, sechs Heizungs-, eine Speicher-Lade- sowie eine Zirkulationspumpe. In den Jahren 2006 und 2007 wurde das Gebäude saniert. Darunter fiel – neben neuen Fenstern und der Dämmung der Böden und Kellerdecken – die komplette Erneuerung der Haustechnik. Die Betriebstemperaturen der statischen Zweirohrheizung wurden auf 70/55 °C gesenkt.

Dabei ließ der Bauherr, die Berliner HOWOGE Wärme GmbH, auch eine neue Heizungsanlage installieren. Zum Einsatz kamen ein Buderus Brennwertkessel „Logano plus SB735“mit 723 kW Leistung sowie ein Brennwertkessel „Logano plus SB615“ mit 283 kW Leistung (bei 75/60 °C). Mit dem HAST-AKKU®-System, bestehend aus einem Speicherlademodul, einem Heizungsmodul, vier Verteilermodulen sowie dem Modul Legioex® für die Trinkwassererwärmung, wurde die Pumpenanzahl von elf auf vier reduziert. Die Trinkwassererwärmung erfolgt seitdem nach dem Durchflussprinzip mit Vollstromdesinfektion.

Die vorhandenen Trinkwasserspeicher werden als Heizungs-Pufferspeicher weiter verwendet.

Nach genau einem Betriebsjahr (18. Dezember 2006 bis 18. Dezember 2007) wurde Bilanz gezogen: Der Jahresnutzungsgrad der Altanlage von circa 60 bis 70 % erhöhte sich auf 102,95 %. Bezugspunkt ist wiederum der untere Heizwert H_i von 9,98 kWh/m³ (Angabe GASAG). Gleichzeitig sank der Verbrauch an Elektroenergie für die Heizungspumpen von 16 150 auf 2476 kWh/a und für die Pumpen für die Trinkwassererwärmung von 7096 auf 3753 kWh im Jahr.

Fazit

Ein ganzheitliches Konzept für individuelle Anlagen zur Heizungs- und Trinkwassererwärmung verbessert den Anlagennutzungsgrad deutlich. Bei der genannten Referenzanlage in Berlin-Lichtenberg wurden Jahresnutzungsgrade von mehr als 100 % realisiert. Gleichzeitig wurde der elektrische Energieverbrauch auf rund 25 % gesenkt.

Dank der optimierten Auslegung und Auslastung der Wärme­erzeuger, des abgestimmten Hydraulik- und Regelkonzepts und der Lastgangglättung der Trinkwassererwärmung schont der HAST-AKKU® nicht nur die Umwelt, sondern auch den Geldbeutel des Anlagenbetreibers.