Mit ausgefeilter Anlagensteuerung

Das Sammlungsgebäude der Zoologischen Staatssammlung ist kein gewöhnliches Gebäude. Der Baukörper mit seinen zwei Untergeschossen und 13 000 m² Geschossfläche liegt fast zu 100 % unter der Erde. Erd- und Obergeschosse gibt es keine, stattdessen nur ein begrüntes Flachdach. Nicht nur die Magazinräume sind eigentlich Kellerräume, sondern auch die Büros für die rund 65 Mitarbeiter. Diese gruppieren sich um zwei runde, vertiefte Innenhöfe und erhalten so Tageslicht. Über der Erdoberfläche liegt nur das Gebäude für die Werkstätten sowie die Heiz- und Kältezentrale im Westen des Grundstücks. Die Struktur des Gebäudes lässt sich eigentlich nur aus der Luft erfassen.

Der überwiegende Teil des Gebäudes mit den unterirdischen Magazinen wird über Klimaanlagen klimatisiert. Dazu sind zwölf Klimaanlagen installiert. In den Büroräumen gibt es nur Heizkörper. Die ursprüngliche Anlage war für 700 kW Heizlast und 200 kW Kühllast konzipiert.

Konzeption für eine Anlagenerneuerung

2006 wurde die Technikzentrale grundlegend erneuert. Vorher wurden unter Berücksichtigung der Kriterien Investitionskosten, Wirkungs- und Nutzungsgrad, Art und Höhe des Energieverbrauchs, Platz­bedarf und technischer Entwicklungsstand verschiedene Varianten für die Wärme- und Kälteerzeugung untersucht. Vorgabe war, die vorhandenen Klimaanlagen und die Luftführung zu übernehmen, um Bauarbeiten in den Magazinen zu vermeiden. Die Entscheidung fiel schließlich für eine Anlagenkonzeption mit den Komponenten Blockheizkraftwerk, Brennwertkessel, Absorptionskältemaschine und Wärmepumpe/Kompressionskältemaschine.

Ein energieeffizienter Anlagenverbund

Die Wärmeerzeugung erfolgt in der Grundlast über das BHKW. Bei höherer Wärmeleistung wird sie durch die Wärmepumpe ergänzt, bei Spitzenlastbetrieb durch den gasbetriebenen Brennwertkessel. Die Kälteerzeugung erfolgt durch die Absorptionskältemaschine, die bei höherer Kälteleistung durch die Kompressionskältemaschine ergänzt wird. Vorhandene Energien werden dabei optimal genutzt. Beim Entfeuchtungsbetrieb wird die Abwärme aus der Kompressionskältemaschine verwendet, so dass ein zusätzlicher Energieaufwand nicht notwendig ist. Im Winter liefert das Grundwasser über die Wärmepumpe Wärmeenergie und wird so abgekühlt, im Sommer speist die Kompressionskältemaschine in das Grundwasser Wärme ein, welches dadurch erwärmt wird. Mit 270 MWh Entnahme und 240 MWh Einspeisung ist die Wärmebilanz des Grundwassers fast ausgeglichen.

Das Blockheizkraftwerk hat eine thermische Leistung von 115 kW. Der erzeugte Strom von 70 kW wird entweder direkt im Gebäude genutzt oder ins öffentliche Netz eingespeist. Da für eine wirtschaftliche Betriebsweise lange Laufzeiten mit möglichst wenig Betriebsunter­brechungen anzustreben sind, wird die Wärme über den Umweg über die Absorptionskältemaschine auch zur Kälteerzeugung genutzt.
80 kW Kälte können so erzeugt werden. Die mit der Abwärme des BHKW betriebene Absorptionskältemaschine erbringt damit 40 % der notwendigen Kälteleistung. Für den effizienten Betrieb von BHKW und Absorptionskältemaschine ist eine genaue Steuerung von Energieerzeugung und Verteilung abhängig vom Bedarf notwendig.

Der restliche Kältebedarf wird durch eine Kompressionskältemaschine mit 120 kW Kälteleistung gedeckt. Diese Kompressionskältemaschine kann gleichzeitig bei Bedarf als Wärmepumpe arbeiten und Wärme liefern.

Für die Spitzenlastabdeckung der Wärmeversorgung sorgt ein Gas-Brennwert-Kessel mit einer Leistung von 450 kW. Die eingesetzte Anlage hat einen hohen Modulationsgrad und deckt einen Bedarf von 450 bis 75 kW gleitend ab.

Zum effizienten Anlagenbetrieb tragen außerdem verschiedene Pufferspeicher bei. Die Kompressionskältemaschine speist einen Niedertemperatur-Heizwasserspeicher von 4000 l für die Verbraucher Klimaanlagen und Heizanlage der Büros. Ein durch überschüssige Abwärme des BHKW gespeister Hochtemperatur-Latentwärmespeicher liefert Wärme für die Absorptionskältemaschine und das Brauchwarmwasser. Ein Kaltwasser-Pufferspeicher von 4000 l puffert den Kältebedarf ab und dient zur hydraulischen Entkopplung der Kälteerzeuger und des Verbraucherkreises.

Die komplexe Anlagentechnik mit ihren vielen Verzahnungen und hohen Anforderungen an das Zusammenspiel der Hydraulik benötigt eine sicher und genau arbeitende Steuerung- und Regeltechnik. Dafür wurde das Automationssystem DDC3000 von Kieback&Peter installiert. An die Automationsstationen sind insgesamt 750 Datenpunkte angeschlossen. Das Zusammenspiel zwischen Kälte- und Wärmeerzeugung und dem entsprechen Kälte- und Wärmebedarf, die Nutzung der Abwärme und der Energiequelle Grundwasser wird so aufeinander abgestimmt, dass optimale Leistungen entsprechend der Anforderungen mit höchster Effektivität erreicht werden.

Erste Betriebserfahrungen

Dass das Konzept sehr gut funktioniert und die Erwartungen erfüllt, zeigen die Erfahrungen nach dem ersten Betriebsjahr. Im Zeitraum 2001 bis 2005 vor der Sanierung betrug der durchschnittliche Gasverbrauch rund 1338 MWh. Im Zeitraum 2006 bis 2007 nach der Sanierung betrug der Gasverbrauch 1582 MWh. Der Mehrverbrauch an Gas betrug also 244 MWh. Für diesen Mehrverbrauch an Gas konnte der Stromverbrauch von 931 MWh auf 509 MWh gesenkt werden. Das ergibt eine finanzielle Ersparnis von 37 500 € pro Jahr.

Die Mehrkosten der gewählten Anlagenkonstellation gegenüber einer konventionellen Vergleichsanlage mit zwei Brennwertkesseln und zwei Kältemaschinen haben sich damit in dreieinhalb Jahren amortisiert.