Effizienztechnik im Gewerbebau

Für die Klimatisierung und die Wärmeversorgung waren Split-Klimageräte sowie ein mit fossilem Brennstoff befeuerter Heizkessel vorgesehen. Der Investor schlug alternativ einen energetisch optimierten Entwurf vor, mit dem er den Mieter davon überzeugte, vom üblichen Rahmen abzurücken. Diese Alternative beinhaltet ein zentrales Heiz-, Kühl- und Lüftungsgerät, das zusätzlich als Wärmepumpe dient und Geothermie als Umweltenergie nutzt. Weil das neue Konzept Pilot­charakter haben könnte, entschloss sich die Drogeriekette zusätzlich einen Teil der Investitionskosten zu übernehmen. Die erste Auswertung der Betriebskosten bestätigte die positive Einschätzung: Vom Zeitpunkt des Bezugs im Dezember 2008 bis zum Mai 2010 mussten für die Beheizung und Kühlung der rund 1000 m² großen Verkaufs- und Nutzflächen, lediglich 1200 € aufgewendet werden.

Keine weitere externe Wärmepumpe notwendig

Das Kernstück des umgesetzten Anlagenpaketes ist ein „Resolair“-Zentralklimagerät, das alle Heiz-, Kühl- und Lüftungsfunktionen übernimmt. Neben dem hohen Wärmerückgewinnungsgrad des Systems ergeben sich zusätzliche Vorteile durch die kompakte und somit Platz sparende Bauweise. Für den Kühlbetrieb ist das Komfort-Klimagerät werkseitig mit einer Kompressions-Kälte­anlage und einem Direktverdampfer ausgestattet. Durch die hydrau­lische Verschaltung im Kältekreis ist ein reversierbarer Betrieb möglich. Das Zentralklimagerät lässt sich entweder als Kälte­maschine für die Klimatisierung oder als Wärmepumpe für die Erwär­mung des Heizungswassers einsetzen.

Für die Anforderungen des Objektes wurde lediglich ein dritter Verdichter integriert, der den Betrieb im Teillastbereich zusätzlich optimiert. Für die Wärmeerzeugung, die monovalent durch die Wärmepumpe erfolgt, ergeben sich durch den dritten Verdichter zusätzliche Sicherheitsreserven.

Den größten Teil der Primärenergie liefern Erdsonden, die eine Gesamtentzugsleistung von bis zu 84 kW erzielen. Hierzu wurden sechs Doppelsonden jeweils 140 m tief abgeteuft. Die Temperatur des verwendeten Wasser-Glykol-Gemischs beträgt während der Heizperiode konstant 10 bis 12 °C. Die Soleleitungen sind direkt an das Zentralgerät angebunden. Hier wird die Geothermie für das Heizen als Wärmequelle und für das Kühlen als Wärmesenke genutzt. Ein ebenfalls in der Zentrale als Pumpen-Kaltwasser-Wärmeübertrager integrierter Luftkühler regeneriert im Sommer das Erdreich. Im Gegenzug lässt sich die Geothermie zur passiven Kühlung verwenden.

Angepasste Systemtemperaturen

Die Wärmeverteilung erfolgt im Markt über Türluftschleier sowie in den Nebenräumen mit konventionellen Heizkörpern. Die Systemtemperaturen sind an das Wärmepumpenprinzip angepasst. Das Temperaturniveau ist auf eine Vor- und Rücklauftemperatur von 45/35 °C ausgelegt und wird gleitend gefahren. Dabei erfolgt eine permanente Anpassung der Heizkurve an die Außentemperatur und die inneren Lasten. Die niedrigen Systemtemperaturen erfordern im als konventionelle Warmwasserheizung ausgeführten Anlagenteil jedoch größere Heizkörperflächen. Das sei durchaus so beabsichtigt, erklärt Reinhold Buckmüller, Geschäftsführer des Investors und in Personalunion Inhaber des für die Haustechnikplanung federführenden Büros: „Was die Energieeffizienz betrifft, sind für diese Anlagenkonfiguration kleine Wärmekörper bei hohen Systemtemperaturen suboptimal. Wir verfolgen den Ansatz, das Temperaturniveau und die Temperaturspreizung auf den optimalen Betriebspunkt des Wärmeerzeugers auszulegen. Beim Einsatz von Wärmepumpen ist das entscheidend und maßgeblich für die Leistungszahl. Leider hat sich diese Kenntnis noch nicht überall durchgesetzt. Für die Warmwasserheizung hat dies zwangsläufig größere Übertragungsflächen zur Folge. Trotzdem ist dies wirtschaftlicher, weil die Energieeinsparungen höher sind als die etwas teureren Heizkörper.“

Für die Klimatisierung des Verkaufsraumes wird die konditionierte Zuluft über Kanäle geführt und zugfrei durch Deckenauslässe mit Dralleffekt in den Verkaufsraum gelenkt. Die Abluft wird innerhalb der druckdicht ausgeführten Decke abgeleitet. Hierzu sind lediglich an den Rändern der Decke offene Schattenfugen eingesetzt.

Sommer- und Winterbetrieb

Die gesamte Kühllast wird im Sommerbetrieb über die Lüftung abgeführt, wobei im Verkaufsraum eine Lufttemperatur von 26 °C eingehalten werden muss. Die Temperierung der Außenluft erfolgt zweistufig: Im ersten Schritt wird die Außenluft über ein Register vorgekühlt, das direkt an die Geothermie angebunden ist (passive Kühlung). Im Auslegungspunkt steht in den Sommermonaten eine Soletemperatur von 16 bis 18 °C zur Verfügung. Mit der passiven Kühlung lässt sich eine Luftaustrittstemperatur von etwa 19 °C erreichen. Dies entspricht einer Kühlleistung von rund 23 kW. Reicht die passive Kühlung nicht mehr aus, kommt in Stufe zwei die Kompressionskältemaschine zum Einsatz. Sie ist dem Luftkühler nachgeschaltet und kühlt die Zuluft auf bis zu 15 °C herunter. Die interne Kompressionsmaschine erbringt eine Kälteleistung von 18,4 kW und erreicht dabei eine Leistungszahl von 4,1. Im Störfall, zum Beispiel bei einer Leckage im Sondenkreis, erfolgen automatischer Alarm und gleichzeitig das Umschalten auf die rein mechanische Kälteerzeugung.

Diese Konfiguration erweist sich als sehr energieeffizient, weil nur der nötigste Teil der Kälte tatsächlich mechanisch erbracht werden muss. Bei der Betriebsweise zur passiven Kühlung fällt lediglich der Stromverbrauch der Umwälzpumpe an. Die erzielbaren Leistungszahlen der zweistufigen Funktion führen zu einem um etwa 30 % geringeren Stromverbrauch gegenüber herkömmlichen Kälteanlagen.

Im Heizbetrieb wird die Kälte­maschine zur Wärmepumpe umfunktioniert, wobei sie eine Heizleistung von 52,5 kW erzielt. Durch die relativ konstanten Soletemperaturen erreicht die Wärmepumpe eine Leistungszahl von etwa 3,7. Diese wird auch im Teillastbetrieb erreicht, da das Gerät mit einer mehrstufigen Verdichtertechnik arbeitet. Die Wärmeverteilung erfolgt auf zwei Wegen. Ein Teil wird dem in Einspritzschaltung angeschlossenen Heizregister der Lüftungsanlage zugeführt. Um die Zuluft auf die notwendige Temperatur von 26 °C zu erwärmen, wird eine Vorlauftemperatur von 31 °C benötigt. Die restliche Wärme wird dem Verteiler der Warmwasserheizung zugeführt, der die Türluftschleier und die konventionellen Heizflächen speist.

Mit Wärmerückgewinnung

Ein hohes Energieeinsparpo­tential bietet sich bei den Lüftungs­wärmeverlusten. Hier macht sich der hohe Wärmerückgewinnungsgrad des Zentralklimagerätes positiv bemerkbar, der mehr als 90 % beträgt. Zu den konstruktiven Besonderheiten des Gerätes gehört ein Speicherpaket, das interne Wärmequellen (Beleuchtung, Abwärmen) effizient nutzbar macht. Hierzu sind Speichermassen aus Aluminium integriert, die wechselweise be- oder entladen werden. Die Taktung ist von der Außentemperatur abhängig und wird automatisch gewählt. Je höher die Außentemperatur, desto kürzer ist der zeitliche Wechsel der Luftführung über die Tauscherflächen.

Um weiteres Potential zum Energiesparen auszuschöpfen, wird dem Verkaufsraum nur die tatsächlich benötigte Luftmenge zugeführt. Hierzu wird der Luftvolumenstrom über einen Luftqualitätsfühler geregelt, der permanent den CO₂-Gehalt im Verkaufsraum abgleicht. Für die Klimatisierung des Drogeriemarktes, der eine reine Verkaufsfläche von 650 m² aufweist, ist ein Luftvolumenstrom von maximal 7500 m³/h ausreichend.

Gegenüber der sonst meist verwendeten Kombination aus mehreren Split-Klimageräten sowie einem mit fossilem Brennstoff befeuerten Kessel für die Wärmeversorgung ergeben sich aus dem realisierten Anlagenkonzept zusätzliche Vorteile. Mit Ausnahme der Bedieneinheit für die Temperatureinstellung sind im Verkaufsraum keine technischen Geräte installiert, was einen dauerhaft störungsfreien Verkauf ermöglicht. Auch die in solchen Objekten übliche Verlagerung der Wartungsarbeiten in verkaufsfreie Zeiten entfällt – und damit auch die dementsprechend höheren Wartungskosten. Für die Wertbeständigkeit des Objektes ist auch die Gestaltung der Fassaden relevant. Hier stören keine angehängten Geräte oder Einhausungen von Kondensatoren die Optik. Ein zusätzlicher optischer Pluspunkt ist der Wegfall des Schornsteins, was außerdem zusätzliche Kosteneinsparungen für nicht benötigte Mess- und Kehrgebühren mit sich bringt.

Punktuelle Prioritäten

Das Gebäude wurde in einer durch Betonsäulen gefassten Bauweise errichtet, und die Zwischenräume mit Hohllochziegeln ausgemauert. Anstelle der andernorts üblichen Wandstärke von 24,5 cm ist die Außenwand in einer Stärke von 36,5 cm ausgeführt. Damit entfiel die Anbringung eines Vollwärmeschutzes, ohne große negative Einflüsse auf die Transmissionsverluste hinnehmen zu müssen. Lediglich die Betonstützen sind gedämmt. Im Gegenzug wurden die großen Fensterflächen der Verkaufsräume mit hochwertigem Dämmglas ausgestattet.

Die Einsparung der nicht benötigten externen Wärmepumpe wurde in die Verpressung der Erdsonden reinvestiert. Hier wurde eine Technik angewandt, die gegenüber einer konventionellen Verpressung um etwa 10 % teurer ist. Andererseits erhöhte sich dadurch die Entzugsleistung der Sonden, und es konnte auf eine rechnerisch erforderliche zusätzliche Sonde verzichtet werden. Aufgrund der kompakten Bauweise des Zentralklimagerätes verringerte sich der Platzbedarf für die Technikzentrale erheblich und führte zu einem signifikanten Zuwachs an vermietbarer Ladenfläche.

Fazit

Ein energieeffizienter Betrieb gewerblicher Objekte lässt sich, wie das Beispiel zeigt, auch mit spitzem Bleistift realisieren. Hier wurden die Investitionskosten unter energetischen Aspekten punktgenau eingesetzt. Wie sich dies auf die Betriebskosten auswirkt, beweisen die niedrigen Energiekosten für die Beheizung und Klimatisierung. Für zwei Heizperioden und einen Sommer lediglich 1200 € an Energiekosten aufwenden zu müssen, spricht dabei für sich. Darüber hinaus wurde in Filderstadt deutlich, dass eine effektive Wärmerückgewinnung die Basis für eine hohe Energieeffizienz bildet. So wird der Heizwärmebedarf auf ein Niveau reduziert, das den Einsatz von Umweltwärme erst ermöglicht.