Projekt
Die Volkswohnung GmbH vermietet in Karlsruhe ca. 18.000 Wohnungen, wovon zwei Drittel mit Fernwärme versorgt werden. Für die Umstellung der über 25 Jahre alten Niedertemperatur (NT)-Gaskessel auf eine nachhaltige und emissionsarme Wärmeversorgung wurde innerhalb des Forschungsvorhabens „Smartes Quartier Karlsruhe-Durlach“ ein Quartierskonzept umgesetzt. Dabei erzeugt ein Blockheizkraftwerk (BHKW) Wärme für einen Teil der Gebäude und Strom für den Betrieb von Wärmepumpenanlagen in zwei weiteren Gebäuden. Diese Gebäude wurden dabei mit verschiedenen Wärmepumpensystemen ausgestattet. Eines davon ist hybrides Wärmepumpen-System, das PVT-Kollektoren zur Wärmequellenerschließung verwendet.
- 65% Erneuerbare Energien
- Sanierung
- Wärmepumpe
- Wohngebäude
Bautafel:
GRÖSSE
30 Wohneinheiten
BEHEIZTE WOHNFLÄCHE
2.200 m²
AUSGANGSZUSTAND
Baujahr 1963
Sanierung Gebäudehülle 1995 auf U-Wert von 0,42 W/m²K
Wärmeversorgung zentral über NT-Gaskessel
Verbrauch für Heizwärme ca. 59 kWh/m²a und Trinkwarmwasser ca. 32 kWh/m²a
MAßNAHMEN
selektiver Heizkörpertausch zur Reduktion der Heizkreistemperatur
2021 Einbau der Wärmepumpe und Einbindung in Quartierskonzept (Eigenstromversorgung über BHKW)
neuer Gas-Brennwert-Kessel zur Spitzenlastdeckung
Anlagenbeschreibung
Es wurde eine Hochtemperatur-Wärmepumpe (max. Vorlauftemperatur von 75° C) mit einer thermischen Leistung von 55 kWth installiert. Ein Gas-Brennwert-Kessel (90 KWth) dient zur Deckung von Spitzenlasten. Die hohe thermische Leistung des Gas-Kessels wurde aufgrund der Redundanz und sicheren Wärmeversorgung gewählt.
Die Anlage wird als Hybridsystem betrieben mit Einsatz der Wärmepumpe und Gaskessel bei einer Außentemperatur von 0 bis -5 °C (bivalent parallele Betriebsweise) ab -5 °C wird nur der Gaskessel zur Spitzenlastversorgung eingesetzt. Als Wärmequellen werden die Außenluft sowie die Solarstrahlung über die PVT-Kollektoren genutzt.
Das Trinkwarmwasser wird zentral über das Heizsystem erzeugt und über eine zentrale Frischwasserstation mit Zirkulation verteilt. Die drei Pufferspeicher umfassen je 850 Liter.
Ziele & Erfolge
Senkung der Heizkreistemperaturen: Raumweise Heizlastberechnungen und die Prüfung der Leistung vorhandener Heizkörper ergaben eine mögliche Absenkung der Heizkreistemperatur auf 55/45 °C. Dafür wurden neun Prozent der Heizkörper getauscht und ein hydraulischer Abgleich vorgenommen.
PVT als Strom- und Wärmequelle: Die PVT-Kollektoren erzeugen Strom für die Mieter und sammeln auf der gleichen Fläche die Wärme aus Solarstrahlung und Außenluft über den Kollektor, die über einen Solekreislauf zur Wärmepumpe transportiert wird. Im Sommer entstehen dabei hohe Soletemperaturen, die auf 20 Grad reduziert werden, passend zur Größe des Verdampfers der Wärmepumpe. Im Winter sind die Temperaturen durch die Außenluftkopplung geringer.
Hochtemperatur-Wärmepumpe erzeugt Trinkwarmwasser (TWW) im Sommer mit hoher Effizienz: Die Wärmepumpe kann Temperaturen bis 75 °C erreichen. Somit ist eine Trinkwassererwärmung auf hohe Temperaturen möglich. Im Sommer wird das TWW allein durch die Wärmepumpe und mit hoher Effizienz erzeugt; es ergibt sich eine mittlere Arbeitszahl für die TWW-Bereitstellung von 3,0. Im Winterbetrieb unterstützt der Gas-Brennwertkessel die Wärmeerzeugung. Diese wird bei 0 °C Außentemperatur dazugeschaltet und übernimmt ab -5 °C die Wärmeversorgung. Die hohe thermische Leistung des Gas-Kessels wurde aufgrund der Redundanz und sicheren Wärmeversorgung gewählt.
Quartiers- und Contractingkonzept: Die Wärmepumpe wird zum Teil mit Strom aus Eigenerzeugung des BHKW im Quartier versorgt. Die Wärmeerzeuger werden über ein Contractingmodell der Tochtergesellschaft Karlsruher Energieservice GmbH (KES) betrieben.
Lessons learned
Die Inbetriebnahme der Wärmepumpe wurde durch zu hohe Schallemissionen verzögert; Die Leistungselektronik (Frequenzumformer) war nicht auf einen geräuscharmen Betrieb optimiert und Vibrationen der Wärmepumpe wurden über den Baukörper im Gebäude übertragen. Durch Anpassung der Steuerung (Sanftanlauf) konnten die Frequenzumformer ausgebaut werden und die Wärmepumpe wurde mit speziellen Gummimatten vom Baukörper entkoppelt. Im Ergebnis läuft die Anlage innerhalb der Schall-Grenzwerte und beschwerdefrei.
Beim Einsatz von PVT als Wärmequelle ist die Auswahl der passenden Sole-Wärmepumpe zu beachten. Diese sind üblicherweise auf die Wärmequelltemperatur eines Erdreich-Kollektors ausgelegt. Dieser generiert im Sommer geringere und im Winter höhere Quelltemperaturen als ein PVT-Kollektor. Im Winter treten durch die Außenluft-Anbindung tiefere Soletemperaturen auf (< -5 °C) als bei erdreichgekoppelten Kollektoren. Die Wärmepumpe sollte daher auch auf tiefe Quelltemperaturen ausgelegt sein.
Durch die Auswertung von Messwerten im Betrieb der Anlage (Monitoring) zeigt sich Optimierungspotenzial; Teile der Heizungsanlage (Speicher) werden auch dann durchströmt, wenn sie nicht genutzt werden, was zu Bereitstellungsverlusten führt. Dies kann durch Anpassung der Regelung verhindert werden. Weiteres Potenzial für Effizienzsteigerung ergibt sich z. B. durch die Nutzung höherer Außentemperaturen und solarer Einstrahlung zu bestimmten Zeiten. Durch die Anpassung von Zeitprogrammen kann die Quelltemperatur angehoben werden und damit die Effizienz weiter erhöht werden. Voraussetzung dafür ist die entsprechend große Dimensionierung des Speichers.
Dank der Nutzung der PV-Fläche auch als Wärmequelle ist kein zusätzlicher Platz für eine Außenluft-einheit oder einen Erdkollektor notwendig. Es werden keine Geräusche erzeugt (wie z. B. über Ventilatoren) und durch die Montage auf dem Dach ist die Anlage vor Vandalismus geschützt.
Weitere Informationen zum Forschungsvorhaben: Smartes Quartier Karslruhe-Durlach (gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), Förderkennzeichen 03ET1590B).
