Die größte solare Kälteanlage der Schweiz

Unter der Prämisse, jährlich in ein internes technisches Projekt zur Verminderung der CO₂-Emission zu investieren, hat sich die 1805 gegründete, weltweit tätige Privatbank Pictet & Cie für eine solare Kälteanlage mit rund 600 m² Kollektorfläche entschieden, die zu Spitzenzeiten über drei Yazaki-Absorptions­kälte­maschinen rund 210 kW Kälteleistung liefert. Zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme im Juni 2008 galt die Anlage auf dem Dach des neuen Verwaltungsgebäudes im Genfer Stadtteil Acacias als größte ihrer Art in der Schweiz und als eine der größten in Europa überhaupt. Die Investition von Pictet in eine solare Raumkühlanlage ist Teil der Firmenphilosophie sowie eines umfassenden CO₂-Einsparprogramms des Bankhauses mit dem Ziel, von 2007 (Referenzjahr) bis 2020 die CO₂-Bilanz der Pictet-Gruppe um 40 % zu verbessern. Die Reduzierung des CO₂-Ausstoßes beinhaltet nicht nur den Energieverbrauch von Pictet-Gebäuden, sondern auch den von Geschäftsreisen sowie einem Programm „Papier – Abfall –Wasser“ (mehr dazu im Infokasten „Pictet Bank mit ganzheitlichem CO₂-Minderungs­programm“).

In acht Stufen zur passgenauen Heizwassertemperatur

Bereits bei der Planung des im Jahr 2006 bezogenen neuen Verwaltungsgebäudes an der Route de Acacias 60 legte man größten Wert auf eine hohe Gebäudeenergie­effi­zienz. Beispielsweise wurde die Wärmedämmung der Gebäudehülle so bemessen, dass alle Räume ohne Komfortverzicht über Deckenpaneele beheizt und dank eines effizienten Sonnenschutzes mit minimalem Energieaufwand gekühlt werden können. Der notwendige Luftwechsel in den Büros erfolgt über eine zentrale Minimal­lüftungsanlage. Da die Sonnenkollektoren und die thermisch angetriebenen Absorptionskältemaschinen erst nach Bezug des Gebäudes installiert wurden, steht als Backup für die solarthermische Großanlage eine komplette Heizkesselanlage mit Erdgas und Heizöl als Brennstoff zur Verfügung.

Um die Dachfläche auf dem neuen Verwaltungsgebäude optimal zu nutzen, wurden die direkt durchflossenen Vakuum-Röhrenkollektoren (Conergy Xinox) in Süd-Ost- und in Süd-West-Ausrichtung montiert. Der gegenüber einer direkten Süd-Ausrichtung kalkulierte Leistungsverlust von etwa 5 % konnte durch eine bessere Flächenausnutzung kompensiert werden. Das Absorber­blech in den evakuierten Glasröhren ist in einem Winkel von 30 ° justiert und damit auf einen maximalen sommerlichen Energiegewinn ausgerichtet. Wie üblich bei großen Solaranlagen sind die 364 Kollektoren nach dem Prinzip „Tichelmann“ verrohrt. Damit wird eine gleichmäßige Durchströmung der Kollektorfelder erreicht. Eine Besonderheit bei der Regelstrategie ist die Aufteilung der Pumpenleistung auf zwei vierstufige Umwälzpumpen unterschiedlicher Leistung. Durch die insgesamt achtteilige Stufung kann auf einfache Weise das Durchflussvolumen variiert und damit das Temperaturniveau für das Heizmedium festgelegt werden, zum Beispiel niedrige Temperaturen für die Temperierung der Heiz-/Kühldecken, Temperaturen um die 60 °C zur Trinkwassererwärmung und Temperaturen zwischen 75 und 100 °C für den Antrieb der Absorptionskältemaschinen. Die drei von Walter Meier (Klima Schweiz) AG installierten Yazaki-Absorptionskältemaschinen vom Typ „WFC SC20“ mit je 70,5 kW Nennkälteleistung liefern rund 10 bis 15 % der Gesamtkälteleistung der Liegenschaft. Zusätzlich zur thermischen Solaranlage ist auf dem Dach eine Photovoltaik-Anlage mit rund 250 m² Kollektorfläche und einer Leistung von 31 kW_p installiert. Damit kann im Idealfall der elektrische Strom für die gesamten gebäudetechnischen Anlagen des neuen Verwaltungsgebäudes generiert werden.

Eine weitere an die Notstromversorgung des Gebäudes angeschlossene Pumpe sorgt dafür, dass sich bei Ausfall des Stromnetzes das Wasser im Kollektorkreislauf nicht überhitzt. Steigt die Temperatur im Kollektorkreis auf mehr als 125 °C an, wird die überschüssige Wärme über einen mit Stadtwasser gekühlten Plattenwärmeübertrager (300 kW) in das Abwassernetz abgeführt.

Höhere CO₂-Einsparung

durch solare Wärme­nutzung

Nach Inbetriebnahme der solaren Kälteanlage legte das Technische Management der Bank den Schwerpunkt zunächst auf die solare Raum­kühlung, um die in der Liegenschaft bereits vorhandene Kälteanlage mit einer Gesamtleistung von rund 2000 kW Nennkälteleistung zu entlasten. Diese enorm hohe Kälteleistung ist in erster Linie zur Kühlung der Rechnerräume erforderlich sowie zur Kühlung des angrenzenden Gebäudes Acacias 48 mit rund 25000 m² Bürofläche. Die Kälteleistung wird durch einen Carrier Turbo-Kaltwassersatz Typ „19XR-4242“ sowie einen McQuay-Schrauben­verdichter Typ „PFS 272.2.B“ bereitgestellt und so geregelt, dass der „Turbo“ etwa bei 80 % Volllast, die „Schraube“ bei möglichst niedriger Teillast betrieben wird. Beide Aggregate sind über die Gebäudeautomation optimiert, damit sie jeweils eine möglichst hohe Leistungszahl (COP, Coefficient of Performance) erreichen.

Bei der Analyse der CO₂-Bilanz dieser Betriebsweise zeigte es sich, dass die bevorzugte Nutzung der solaren Kälteanlage die CO₂-Bilanz des Gebäudes nicht in dem Maße entlastet, wie es sich der Bauherr erhofft hatte. Das hängt damit zusammen, dass in der Schweiz Strom zum größten Teil aus Wasserkraft zur Verfügung steht und damit die CO₂-Relevanz der mechanischen Kälteerzeugung geringer ist, zumal die Anlage bei der Pictet-Bank COP-optimiert gefahren wird. (Zum Vergleich: Euro-Mix = 630 g CO₂/kWh, CH-Mix = 143 g CO₂/kWh; Quelle: www.CO2Monitor.ch)

Sonne ersetzt Heizöl, Erdgas und Strom

Eigentümer und Energieberater hielten es deshalb für sinnvoller, zunächst einen möglichst hohen Anteil an Heizöl- bzw. Erdgas-produzierter Wärme über die Solaranlage zu substituieren und nur die sommerlichen solaren Wärmeüberschüsse für die solare Kühlung einzusetzen. Die aktuelle Betriebsstrategie ist folgende:

1. Priorität – ganzjährig – hat die Trinkwassererwärmung für die Großküche, die werktäglich etwa 800 Teller Essen ausgibt. Die Wärme wird in zwei à 2500 l fassenden Heizwasserspeichern gepuffert; das Warmwasser für die Küche über eine Frischwasserstation bedarfsabhängig erwärmt. Die Erfahrung zeigt, dass der Warmwasserbedarf für die Küche praktisch ganzjährig komplett über die Solar­thermie-Anlage gedeckt werden kann. Die ursprünglich dafür vorgesehenen Wärmeerzeuger gehen nur noch in Ausnahmefällen in Betrieb. ­  

Das verbleibende solare Wärmeangebot wird im Winter und in der Übergangszeit primär für die Raumtemperierung (Heizdecken) genutzt. Darüber hinaus steht für die beiden von Pictet betriebenen Gebäude „Acacias 60“ und „Acacias 48“ Abwärme aus der Großkälteanlage für Heizzwecke zur Verfügung, die über eine Ringleitung eingespeist wird. Zwischengespeichert wird die Abwärme in drei 25 000 l fassenden Pufferspeichern, um die Anlage zur Wärmerückgewinnung der Kondensatorwärme von den „Wärmebedarfsanlagen“ zu entkoppeln. Der Energieverbrauch der mit fossilen Brennstoffen befeuerten Heizkesselanlage ging dadurch von 2007 bis 2009 um rund 70 % zurück.

Im Sommer wird die Solarthermieanlage so gefahren, dass zunächst der Warmwasserbedarf für die Küche bereitgestellt wird (ca. 60 °C Heizwasser-Vorlauftemperatur). Nach Beendigung des Küchen­betriebs am frühen Nachmittag wird der Volumenstrom der Um­wälzpumpe des Kollektorkreislaufes so weit reduziert, dass Heizwasser mit etwa 88 °C für die drei Absorptionskältemaschinen zur Verfügung steht. Die Yazaki-Maschinen können mit einer Temperatur im Bereich von 75 bis 100 °C gefahren werden.

Die über die Solaranlage generierte Wärme spart äquivalent etwa 25 000 l Heizöl ein und vermindert den CO₂-Ausstoß um etwa 80 t/a. Zusammen mit der Auskoppelung der Kondensatorwärme aus der Kälteerzeugung für Heizzwecke werden in der Pictet-Zentrale in Genf jährlich mindestens äquivalent 60 000 l Heizöl eingespart und damit die CO₂-Belastung um über 200 t reduziert.

Fazit

Die solare Kühlung ist marktreif, aber als alleinige Kältelösung wirtschaftlich nur schwierig darzustellen. Dennoch gibt es Interessenten, die im Vorgriff auf kommende Energie­preis­steigerungen, mögliche CO₂-Steuern oder aufgrund ihrer Unternehmensphilosophie solche Lösungen favorisieren. Die Erfahrungen bei der Pictet-Bank zeigen, dass man solar erzeugte Wärme in erster Linie für die Trinkwassererwärmung und für Heizzwecke nutzen muss, um die Wirtschaftlichkeit der Investition abzusichern und die CO₂-Bilanz eines Unternehmens zu entlasten. Über entsprechend dimensionierte Pufferspeicher lassen sich solare Wärme­überschüsse im Sommer und in der Übergangszeit für den Antrieb von Absorptionskältemaschinen nutzen. Die größte Schwachstelle heutiger solarer Kälteanlagen besteht im Mangel an planerischem Know-how und der fehlenden Bereitschaft, thermische Solaranlagen in ein Gesamtenergiekonzept zu integrieren.