Projekt
Im Karlsruher Stadtteil Durchlach wurden in einem Wohnblock mit 20 Wohnungen die über 25 Jahre alten Niedertemperatur (NT)-Gaskessel auf eine nachhaltige und emissionsarme Wärmeversorgung umgestellt. Dafür wurde im Forschungsvorhaben „Smartes Quartier Karlsruhe-Durlach“ ein Quartierskonzept erstellt.
Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) erzeugt Wärme für einen Teil der Gebäude und Strom für den Betrieb von Wärmepumpenanlagen in zwei weiteren Gebäuden. Diese Gebäude wurden mit verschiedenen Wärmepumpensystemen ausgestattet, um unterschiedliche Lösungen zu demonstrieren. In diesem Beispiel werden die Wärmequellen Erdreich und Außenluft genutzt und ein hybrides Wärmepumpen-System eingesetzt, gekoppelt mit einem Gas-Brennwert-Kessel zur Spitzenlastdeckung.
- 65% Erneuerbare Energien
- Sanierung
- Wärmepumpe
- Wohngebäude
Bautafel:
GRÖSSE
30 Wohneinheiten
BEHEIZTE WOHNFLÄCHE
2.200 m²
AUSGANGSZUSTAND
Baujahr 1963
energetische Sanierung 1995 auf U-Wert von 0,42 W/m²K,
Wärmeversorgung zentral über NT-Gaskessel
Verbrauch für Heizwärme ca. 55 kWh/m²a und Trinkwarmwasser ca. 28 kWh/m²a
MASSNAHMEN
2021 selektiver Heizkörpertausch zur Absenkung der Heizkreistemperatur auf 55/45 °C
Einbau Wärmpumpensystem und Einbindung in Quartierskonzept mit Eigenstromversorgung über BHKW
neuer Gas-Brennwert-Kessel zur Spitzenlastdeckung
Anlagenbeschreibung
Es wurden zwei Wärmepumpen in Kaskadenschaltung (42 kWth + 29 kWth) installiert. Ein Gas-Brennwert-Kessel deckt die Spitzenlasten, der Heizungs-Pufferspeicher umfasst 850 Liter. Es werden sowohl Erdreich als auch Außenluft als Wärmequellen verwendet. Für die Nutzung der Wärme im Erdreich wurden 18 Sonden in jeweils 18 Metern tiefen Bohrungen eingesetzt.
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 11 von 115 Heizkörpern (7 Prozent) ausgetauscht und ein hydraulischer Abgleich vorgenommen.
Entwicklung Mehrquellensystem: Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden in diesem Gebäude eine Mehrquellenanlage und die notwendige Hydraulik entwickelt. Dabei wird die Umweltwärme der Außenluft und dem Erdreich über Erdsonden genutzt. Das solegeführte System ermöglicht die einzelne oder parallele Nutzung beider Quellen. Weiterhin sind Vorteile, dass Erdwärme zur Abtauung der vereisten Außenlufteinheit genutzt werden kann und die Regeneration des Erdreichs durch Wärme aus der Außenluft ermöglicht wird.
Deckungsanteil und Effizienz des hybriden Systems: Die Deckungsanteile der Wärmepumpen an der Wärmeversorgung sind durch die maximalen Temperaturen der Wärmepumpen von 63 °C limitiert. Die Auswertung der gemessenen Wärmemengen für die Jahre 2022/2023 ergibt einen Deckungsanteil für die Wärmepumpen von 77 Prozent und für den Gaskessel von 23 Prozent mit einer Jahresarbeitszahl von 3,4 für das Gesamtsystem.
Quartiers- und Contractingkonzept ermöglichen Kostenoptimierung und CO2-Minderung: 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. Durch das Zusammenspiel der Wärmeversorgung im Quartier und die Einbindung von PV auf den Dächern wurden der Primärenergieeinsatz und die CO2-Emissionen signifikant reduziert. Die Wärmegestehungskosten im Quartier liegen für die Jahre 2022/2023 bei etwa 9ct/kWh, die spezifischen CO2-Emissionen bei etwa 10 kg CO2/m² Nutzfläche.
Lessons learned
Im ersten Betriebsjahr wurden viele Optimierungsmöglichkeiten durch ein Monitoring von Messdaten und deren Analyse erkannt. Es zeigten sich z. B. zu geringe Spreizungen der Temperaturen in den Heizkreisen beim Beladen der TWW-Speicher. Potenziale zur Senkung der Rücklauftemperaturen wurden ermittelt und Maßnahmen umgesetzt. Auch im optimalen Zusammenspiel der verschiedenen Wärmeerzeuger wurden im ersten Betriebsjahr Abweichungen zum Planungsstand festgestellt (zu hoher Deckungsanteil durch Gaskessel) und Anpassungen vorgenommen.
Die Kombination mehrerer Wärmequellen ermöglicht mehr erneuerbare Energien zur Wärmeerzeugung zu nutzen und somit eine Effizienzsteigerung. Die Betriebsführung wird durch die Einbindung mehrerer Quellen komplexer und bedarf einer Betriebsüberwachung für den Abgleich von Planungen und realem Betrieb.
Auch beim Einsatz der Messtechnik bedarf es der Qualitätssicherung, z.B. beim korrekten Einbau von Zählern und störungsfreier Datenübertragung. Die Generierung und Verarbeitung von Messdaten ist herausfordernd und zwingende Voraussetzung für eine detaillierte Betriebsanalyse.
Weitere Informationen zum Forschungsvorhaben: Smartes Quartier Karlsruhe-Durlach und HEAVEN (gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), Förderkennzeichen 03ET1590B und 03ET1540B).
