Wärmeleistung von 16 auf 5 MW gesenkt

Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik in Klinikgebäuden, die vor 40 bis 50 Jahren errichtet wurden, sind nicht nur großzügig dimensioniert, sondern meist auch redundant aufgebaut. Bei einem Ölpreis von damals rund 0,8 Cent/kWh spielten Begriffe wie Energieeffizienz, Klimaschutz und Nachhaltigkeit – wenn überhaupt – eine eher untergeordnete Rolle. Auch bei der Planung und Realisierung der HLK-Anla­gen im Reinhard-Nieter-Krankenhaus (RNK) in Wilhelms­haven führte ein stark ausgeprägtes Sicherheitsdenken, ein Hang zur nächst größeren Dimension sowie der Wunsch nach oft 100 %iger Redundanz zu völlig überdimensionierten Anlagen. Durch die Sicherheitszuschläge arbeiteten die Wärmeerzeuger überwiegend im Teillastbetrieb, ergo mit einem schlechten Wirkungsgrad und einem niedrigeren Gesamtnutzungsgrad.

Über 18 MW Gesamtwärmeleistung für 600 Betten

Das heute rund 600 Betten umfassende Krankenhaus in Wilhelmshaven war ein Beispiel dafür, wie durch Überdimensionierung, hohe Redundanzansprüche und nicht mehr zeitgemäße Regelungsstrategien der Energieverbrauch pro Bett unakzeptable Werte erreichte. Bei der energetischen Analyse für die Sanierung der Anlagen im Rahmen von Energiespar-Contracting durch die Building Technologies Division (BT) von Siemens wurde folgendes Wärmeangebot dokumentiert:

3 bivalente Niederdruckdampfkessel à 4 MW (davon einer seit kur­zem außer Betrieb),

1 Hochdruckdampfkessel mit 1,5 MW,

1 Hochdruckdampfkessel mit 2,5 MW.

Zu dieser Auslegungs-Gesamtwärmeleistung von 16 MW kamen vier Erdgas-betriebene BHKW mit einer Gesamtleistung von etwa 2000 kW_th und 800 kW_el, die als Ergänzung zur bestehenden Anlage durch den örtlichen Versorger aufgestellt und betrieben wurden. Die produzierte Wärme aus dieser Kraft-Wärme-Kopplungs­anlage (KWK) wurde als Heizungswärme der Liegenschaft zugeführt. Zur Lastoptimierung der BHKW wurden zusätzlich drei Pufferspeicher mit je 25 m³ aufgestellt. Die zu diesem Zeitpunkt vorgehaltene, wenn auch nicht direkt genutzte Wärmeleistung pro Bett lag damit bei etwa 30 kW.

Sinkender Kesselwirkungsgrad durch bauliche Veränderungen

Die an sich positiv zu bewertende KWK-Anlage mit vorrangiger Wärmelieferung führte jedoch zu einer negativen Rückkopplung auf die Wärmeerzeuger bzw. deren Einbindung in das Wärmekonzept. Durch die Bereitstellung von Wärme aus den BHKW sowie die Einbindung der Pufferspeicher sank der Wirkungsgrad der Kesselanlage, da die Bereitstellungsverluste durch die geringere Wärmeabnahme praktisch gleich blieben. Hinzu kam die Auslagerung der Wäscherei, die zu einem weiteren Absinken der Grundlast führte. In der Konsequenz wurde daraufhin ein Niederdruckdampfkessel außer Betrieb genommen, zwei weitere Dampfkessel (Hochdruck- und Niederdruckdampf) blieben jedoch aus Redundanzgründen in Betrieb.

Messungen im Rahmen der Analyse zeigten, dass der hohe Gasverbrauch der beiden Dampfkessel im Wesentlichen durch Bereitschafts- und Leitungsverluste verursacht wurde. Selbst aus den eigens erstellten Lastkurven war der eigentliche Verbrauch durch den Nutzer nicht ersichtlich. Da die Anlagen aber stets zuverlässig arbeiteten und genügend Wärme zur Verfügung stand, sah man lange Zeit keinen Anlass für technische Veränderungen. Erschwerend für die detaillierte Beurteilung der Energieflüsse im Gebäude war die fehlende Zählerstruktur. Als Basis für die Beurteilung der Gesamtenergieströme und des tatsächlichen Wärmebedarfs wurden deshalb die Abrechnungen des Energieversorgers herangezogen. Die darin dokumentierten, fortlaufend steigenden Energiekosten gaben letztlich auch den Ausschlag für dieses Projekt.

„Fugenlüftung“ statt Wärmerückgewinnung

Ähnlich wie der Zustand der Wärmeversorgung waren zum Zeitpunkt der Bestandsaufnahme für das Energiespar-Contracting auch die raumlufttechnischen (RLT) Anlagen des Krankenhauses: Alles funktio­nierte zur Zufriedenheit, da gut gepflegt, nur die energetische Effi­zienz war auf dem Stand der 1970er Jahre stehen geblieben. Auch nach dem Einbau neuer RLT-Anlagen in den Erweiterungsbauten blieben die Bestandsanlagen so gut wie unangetastet. Bei der Begutachtung stellte sich heraus, dass für die RLT-Anlagen des OP-Trakts weder eine effiziente Befeuchtungsregelung noch eine Wärmerückgewinnungsanlage existierte. Bei der Analyse der RLT-Anlage für das Bettenhaus zeigte sich zum Beispiel, dass ein Großteil der Luftmengen durch den Überdruckbetrieb über Fensterfugen und andere Undichtigkeiten in der Fassade ungenutzt ins Freie entweichen konnte.

Pflanzenöl-BHKW refinanziert Pflichtmaßnahmen

Bei vielen energetischen Sanierungen durch ein Energiespar-Contracting besteht der berechtigte Kundenwunsch, so genannte Pflichtmaßnahmen kostenneutral mitzufinanzieren, obwohl sich diese nicht direkt energiereduzierend auswirken. Im Falle des RNK war es mög­lich, dass Building Technologies, eine Division von Siemens, als Contractor sowohl die energetische Sanierung als auch den Einbau einer neuen Niederspannungshauptverteilung (NSHV) und einer Netz­ersatzanlage (NEA) übernehmen konnte. Die energetische Sanierung umfasste die Erneuerung von Wärmeerzeugern, Trinkwassererwärmern, Kälteversorgung, Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik so­wie Ge­bäude­automation. Bei näherer Betrachtung zeigte sich, dass mit einem konventionellen Lösungsansatz die definierten Aufgaben im Rahmen von Energiespar-Con­tracting wirtschaftlich nicht zu realisieren waren. Erfahrungen von Building Technologies bei anderen Energiespar-Contracting-Projekten ließen jedoch den Schluss zu, dass durch die Einbindung erneuerbarer Energie und den daraus resultierenden gesetzlichen Vorteilen die vom Krankenhaus gewünschten Pflichtmaßnahmen mitfinanziert werden können.

Eine Überprüfung des aktuellen Wärmelastganges des Krankenhauses ergab, dass mit einer auf Pflanzenöl basierenden KWK-Anlage aufgrund der damit möglichen Ökostromvergütung nach dem Erneuerbare Energiengesetz (EEG) die Finanzierung des Projektes abgesichert werden könnte. Simulationen der Versorgungssicherheit, beispielsweise der Ausfall der KWK-Anlage wegen Wartungsarbeiten, ergaben, dass selbst in einem solchen Fall die Wärmeversorgung des Krankenhauses nicht gefährdet ist. Etwaige Engpässe bei der Brennstoffversorgung werden durch nunmehr drei Energieträger (Pflanzenöl, Erdgas, Heizöl) zusätzlich entschärft. Diese Absicherung war die Basis für folgendes Wärmekonzept:

Wärme-Grundlast über zwei Pflanzenöl-BHKW,

Einbindung der bestehenden drei Pufferspeicher à 25 m³,

Wärme-Mittellast über einen gasbefeuerten Brennwertkessel ,

Wärme-Spitzenlast über zwei bivalent befeuerte Niedertemperaturheizkessel.

Die Kraftstoffversorgung der beiden BHKW mit Pflanzenöl erfolgt durch zwei je 30 000 l fassende Tanks. Nachträglich installierte das RNK noch einen 100 000 l Vorratstank zur Optimierung der Kraftstoffbeschaffung und Bevorratung. Die Tanks sind beheizt und werden über einen eigens errichteten Tankplatz befüllt. Komplettiert wird die Tankanlage durch Biokraftstofftanks zur Spülung der BHKW-Motoren, Harnstofftanks für die Katalysatoren zur Stickoxidreduzierung der BHKW-Abgase sowie Frisch- und Altöltanks.

Zur mittelspannungsseitigen Einspeisung des erzeugten BHKW-Stroms wurden eine neue Niederspannungs- und Mittelspannungsschaltanlage, ein Trafo und ein Mittelspannungszähler nach Vorgabe des örtlichen Versorgers installiert. Der zurückliegende Winter mit Außentemperaturen bis -15 °C bot die Möglichkeit, das neue Wärme­konzept unter Auslegungsbedingungen zu testen. Mit Erfolg! Notwendige Reserven wurden gehalten und das hydraulische Zusammenspiel funktionierte einwandfrei. Insgesamt stellen die Wärmeerzeugungsanlagen des Krankenhauses heute rund 3,9 MW Heizleistung zur Verfügung.

Schlankeres Dampfsystem

Ein wesentlicher Anteil an den hohen Energieeinsparungen des RNK liegt in der Neuordnung der überdimensionierten und nicht mehr zeitgemäßen Dampfversorgung.

Die noch vorhandenen Dampfabnehmer der Liegenschaft, wie etwa die zentrale Sterilisation, die Küche oder einige RLT-Anlagen, werden jetzt über zwei nahe der Küche neu installierte gasbefeuerte Schnelldampferzeuger mit je 250 kW Nennwärmeleistung versorgt. Hierbei kamen gleich zwei energetisch positive Effekte zum Tragen: Einerseits konnten die sehr langen Dampfleitungen zwischen Kesselhaus und Dampfabnehmern stillgelegt werden; für den Hoch- und Niederdruckdampf waren dies je ca. 150 m. Andererseits ergab sich aus der Netzauftrennung die Möglichkeit, die Dampfdruckstufe zu reduzieren. Die fünf Dampfkessel mit 10 bar bzw. 1,5 bar wurden durch zwei Kessel mit 5 bar ersetzt. Sie gewährleisten eine ausreichend hohe Temperatur für die Sterilisation und versorgen über eine Druckreduzierungsstation auch die Küche mit Niederdruckdampf. Mit ausschlaggebend für diese Maßnahmen war die in der Liegenschaft bereits vorhandene Infrastruktur an Gasleitungen, so dass hier wenig Zusatzinvestitionen notwendig waren.

Im Zuge der Erneuerung der Heizungsanlage wurden auch die Hauptwärmeverteilung und die beiden Trinkwassererwärmungsanlagen (Hochdruck-/Niederdrucksystem) erneuert. Beide Systeme wiesen hohe Redundanzen auf, waren aber auch technisch und physikalisch veraltet. So wurden sämtliche Trinkwarmwasserspeicher durch effi­ziente Plattenwärmeübertrager ersetzt. Daraus ergeben sich bei gleicher Redundanz und deutlich weniger energetischen Verlusten erhebliche Verbesserungen in der Trinkwasserhygiene.

Eine Pflichtmaßnahme: Ersatz der R22-Kälteanlage

Eine wichtige, auf die Zukunft ausgerichtete Maßnahme bestand in der sachgerechten Entsorgung der bislang im Kesselhaus installierten R22-Flüssigkeitskühlsätze sowie deren Rückkühler. Als Ersatz wurden zwei Kältemaschinen auf einer Freifläche neben dem Kesselhaus installiert. Es handelt sich um Kompaktmaschinen mit integrierten Rückkühlern; ein Aggregat ist mit einer Freikühlfunktion ausgestattet. Wegen der Neuplatzierung der Kälteaggregate sowie Schwachstellen im kaltwasserseitigen Regelungskonzept kam dem hydraulischen Abgleich im Kaltwassernetz eine essentielle Bedeutung zu. Damit wurden die Hydraulik verbessert, Kurzschlüsse in der Beimischschaltung unterbunden und Energieverluste reduziert. Auch kann das Kältenetz jetzt im Winter mit reduziertem Volumenstrom betrieben werden; die Kälte wird dabei aus der freien Kühlung „gewonnen“.

Die Sanierung der Kälteanlage war eine vom Krankenhaus gewünschte Pflichtmaßnahme, die sich jedoch nicht allein aus den Energie­einsparungen finanziert. Ein eindeutiger Nachweis der Einspa­rungen aus diesen Maßnahmen ist aufgrund der bisher fehlenden Verbrauchsmessungen nicht möglich. Deutlich ist jedoch die rapide Verbesserung der Leistungszahlen der neuen Kältemaschinen, wie eine Lastmessung der im Umbau nicht veränderten Kälteverbraucher zeigte.

GLT wählt wirtschaftlichsten Energieträger

Eine weitere Pflichtmaßnahme war die komplette Migration der vorhandenen Gebäudeleittechnik auf den aktuellen technischen Stand. Durch diverse Um- und Erweiterungsbauten war Gebäudeleit- und MSR-Technik von Siemens im RNK bereits vorhanden, allerdings in der gesamten Bandbreite vom autarken Analogregler bis zur digitalen Automation auf BACnet-Standard. Zielsetzung war es daher, sämtliche Anlagen auf den aktuellen Stand der Technik zu bringen und auf der Gebäudeleittechnik darzustellen. Durch das neue Brennstoffkonzept hat das RNK die Option, verschiedene Energieträger einzusetzen. Zusätzlich ermöglichte die neue Gebäudeleittechnik, die Anlagen in Abhängigkeit des günstigsten Energiepreises zu fahren.

Neue NEA auch für die Spitzenlastoptimierung

Die Überschreitung der vertraglich vereinbarten Stromleistung kostet den Strombezieher viel Geld, weil sich dadurch die Bezugsgröße für das ganze Jahr erhöht. Bei der Neudimensionierung des veralteten Netzersatzaggregates (NEA) des Krankenhauses wurde nicht nur die Auslegungsleistung von 630 kVA auf 1 MVA erhöht, sondern auch eine Schaltung gewählt, die eine Nutzung des NEA als BHKW zur Abdeckung von Stromspitzen erlaubt. Die größere Dimensionierung des NEA gestattet es jetzt, die gesamte Liegenschaft bei Netzausfall quasi unterbrechungsfrei mit Strom zu versorgen. Entsprechen­de Erweiterungen und Schaltungen sind in der neuen NSHV bereits berücksichtigt. Auch diese Maßnahme amortisiert sich nicht aus Energieeinsparungen, sondern ist als Pflichtmaßnahme deklariert.

Zusammenarbeit auf Augenhöhe

Ein für den Contractor und Auftraggeber wichtiger Anspruch ist die Integration des RNK-Betriebs­personals in den gesamten Analyse-, Planungs- und Realisierungsprozess. Schon bei den ersten Begehungen der Liegenschaft im Zuge der Ausschreibung wurde auf das umfassende Wissen des technischen Personals über die Liegenschaft und deren gebäudetechnischen Anlagen zurückgegriffen und technische Konzepte für einen sicheren Betrieb der Anlagen gemeinsam besprochen. Eine besondere Herausforderung für das Personal waren die Umbaumaßnahmen im laufenden Betrieb. Durch die stete Leistungsbereitschaft und den Willen, das neue Konzept und die innovative Technik voll zu unterstützen, konnten auch zeitkritische Termine eingehalten werden, beispielsweise die komplette Umstellung der Heizung mitten in der Heizperiode. Aus der engen Zusammenarbeit von Building Technologies mit dem Technikpersonal ergeben sich auch in der Zukunft weitere Optionen der Betriebsoptimierung und damit die Möglichkeit, die Energiekosten weiter zu senken.