Hydraulik, Sensorik & Co: Wärmequellen-Management für Wärmepumpen
Um die Energiewende voranzutreiben, müssen erneuerbare Energien fossile Energieträger ersetzen. Im Gebäudesektor sind dafür Wärmepumpensysteme prädestiniert. Eisspeicher, kombiniert mit Wärme aus Luft, Erde, Wasser und / oder Solarenergie ermöglichen mit Antriebsstrom aus erneuerbaren Energien eine kosteneffiziente Bereitstellung von Heiz- und Kühlenergie ohne den Einsatz fossiler Energieträger und ohne Treibhausgasemissionen.
Für einen wirtschaftlichen Betrieb sind allerdings energieeffiziente Lösungen erforderlich, denn auch die „Ernte“ erneuerbarer Energien ist mit Kosten verbunden. Ein wichtiger Faktor für den energieeffizienten Betrieb ist die in allen Situationen passende Anlagenhydraulik. Für die optimale Verteilung von Wärme bzw. Kälte und ein effizientes Management der Energiequellen sind Antriebe, Regelventile, Regelkugelhähne, Drosselklappen, Sensoren usw. erforderlich.
Wird die komplexe Technik – wie heute noch üblich – individuell in einer Technikzentrale zusammengeführt, ist der Aufwand für die Planung, Installation und Inbetriebnahme erheblich, schwer zu kalkulieren und es ist spezielles Know-how erforderlich.
Hier kommt das Unternehmen Building Equipment Cologne (BE Cologne) mit seinem Portfolio an standardisierten hydraulischen Unterstützungseinheiten (Bild 1) ins Spiel. Die mit Armaturen, Stellorganen und Sensoren von Belimo ausgerüsteten Hydraulikmodule erleichtern mit praxiserprobten Konzepten die Planung und Umsetzung deutlich.
Systeme mit Eisspeicher
Ein Eisspeicher (auch als Eis-Energiespeicher bezeichnet) kann sowohl zum Heizen als auch zur Kühlung eingesetzt werden und ist nahezu wartungsfrei. Beim Heizen entzieht eine Kältemaschine (Wärmepumpe) Energie aus dem mit Wasser gefüllten Behälter. Dabei kühlt sich das Wasser ab und vereist. Bei nahezu konstanter Temperatur wird beim Wechsel des Aggregatzustands von flüssigem Wasser zu festem Eis Kristallisationsenergie (latente Wärme) frei. Die beim Phasenwechsel von Wasser zu Eis freigesetzte Energie entspricht der Energiemenge, die benötigt wird, um Wasser von 0 °C auf 80 °C zu erwärmen.
Beim Kühlen wird die niedrige Eis-Temperatur im Behälter genutzt und zu den zu kühlenden Komponenten geführt. Der große Vorteil: Für die Bereitstellung der Kühlenergie muss keine Kältemaschine eingesetzt werden, es ist lediglich der Hilfsenergieeinsatz für die Pumpen und die Steuerung erforderlich.
Gleichzeitig wird der Eisspeicher durch die Bereitstellung von Kühlenergie für den Heizfall thermisch regeneriert1). Die Kombination mit Wärme aus Luft, Erde, Wasser und / oder solarer Einstrahlung erhöht die Effizienz des Gesamtsystems. [1) nach Projektkonstellation kann bei einem hohen Kühlbedarf die vorhandene Infrastruktur auch dazu verwendet werden, eine Kältemaschine vorausschauend unter günstigeren Bedingungen (nachts) zu betreiben, die elektrische Netzanschlussleistung zu senken oder die Kälteerzeugung netzdienlich zu betreiben.]
Solche Wärmepumpensysteme erfordern allerdings eine recht komplexe Technik: Es muss ein intelligentes Energiequellen-Management betrieben werden, um die saisonal schwankende Leistungsfähigkeit der einzelnen Energiequellen bestmöglich und vorausschauend auszunutzen.
Dazu muss die Systemregelung anhand der zur Verfügung gestellten Daten und zuvor determinierter Parameter steuern, wann welche Energiequelle den effizientesten Betrieb gewährleistet. Darüber hinaus muss die Systemregelung berücksichtigen, dass saisonal für die Sommermonate Eis im Energiespeicher aufbewahrt werden muss, um hiermit das Gebäude kostenminimal zu kühlen und dass vor dem Wintereinbruch der Energiespeicher aufgetaut und ggf. beladen ist, um als wärmere Energiequelle zu dienen.
Faktum ist allerdings, dass bislang in der Branche nur wenige Planer und Anlagenerbauer über das Know-how verfügen, solche komplexen Konzepte mit den daran gestellten Erwartungen solide umzusetzen.
Vorkonfigurierte Hydraulikmodule
Um Planern und Anlagenerbauern ein adäquates Tool an die Hand zu geben, hat BE Cologne verschiedene hydraulische Unterstützungseinheiten (Bild 2) entwickelt. Planer und Anlagenbauer müssen sich dadurch nicht mehr mit der komplexen Technik bis ins Kleinste auseinandersetzen und die Detailplanung der Technikzentrale entfällt.
Das „Gehirn“ der Technikzentrale wird innerhalb der hydraulischen Unterstützungseinheiten vorgefertigt und muss anschließend nur noch über einfachen Rohrleitungsbau an die Energiequellen, die Wärmepumpeneinheit und die Gebäudetechnik angeschlossen werden, also fast Plug-and-play. Die Einheiten müssen nicht wie bei konventioneller Bauweise an einer Wand oder einem Installationsträger montiert werden, sie sind frei aufstellbar.
Die vorgefertigten Unterstützungseinheiten bieten weitere Vorteile: Durch die Fertigung unter optimalen Werkstatt-Bedingungen werden sie dem bei BE Cologne üblichen strengen Qualitätsmanagement und einer Inhouse-Funktionsprüfung unterzogen. Dadurch wird die Fehlerquote deutlich reduziert.
Außerdem kann die Fertigung der Module im Vorfeld geschehen und ist nicht an bauliche oder zeitliche Bedingungen vor Ort, z. B. durch den Verzug anderer Gewerke, gebunden. Insgesamt wird die Durchlaufzeit für den Aufbau einer Technikzentrale durch die modulare Bauweise stark verkürzt. Entsprechend verkürzt sich auch die Einsatzdauer der Monteure vor Ort, was zu weiteren Kosteneinsparungen führt.
Verschiedene Ausführungen
BE Cologne bietet verschiedene standardisierte Unterstützungseinheiten an. Die Einheiten WPMP / WPMS (Wärmepumpen-Modul; Wärmepumpen-seitige hydraulische Unterstützungseinheit primär/sekundär) und QMM (Quellenmanagement-Modul; Quellen-seitige hydraulische Unterstützungseinheit) dienen jeweils als Schnittstelle zwischen einer Sole/Wasser-Wärmepumpe und zwei ausgewählten Energiequellen im Bereich von 17 bis 180 kW Heizleistung.
Für Ein- und Mehrfamilienhäuser gibt es die Kompakt-Modul-Serie. Sie ist für Anlagengrößen von 6 bis 17 kW dimensioniert. Die Energiequellen müssen bei diesen Einheiten aus einem Energiespeicher sowie einem Solar/Luft-Kollektor bestehen. Der Energiespeicher kann beispielsweise als Eisspeicher, als Flächenkollektor, mit Erdkörben oder mit vergleichbarer Technik ausgeführt werden. Als Solar/Luft-Kollektoren können ein Aluminium-Energiezaun, Flach- sowie Schrägdachkollektoren oder vergleichbare Technik eingesetzt werden.
Die Module übernehmen die Funktion des intelligenten Energiequellen-Managements für beide Energiequellen und ermöglichen die Regeneration des Energiespeichers (Flächenkollektor, Erdkörbe, etc.) bzw. des darin vorhandenen Mediums (Eisspeicher). Mit der in den Modulen verbauten Sensorik sind diese in der Lage, den Betrieb der verwendeten Energiequellen ohne eine datentechnische Verbindung zur Wärmepumpe zu verwalten und stets den effizientesten Betrieb für das Gesamtsystem zu gewährleisten.
Die Sensorik ist über einen Schaltschrank innerhalb der Unterstützungseinheit elektrisch vormontiert und wird dann mit einer entsprechenden Systemsteuerung (z. B. Viessmann Vitocontrol), die die hydraulischen Komponenten auf Basis der von der Sensorik zur Verfügung gestellten Messdaten steuert, verbunden. Außerdem ermöglichen die Einheiten u. a. die natürliche Kühlfunktion, beispielsweise über die QMM sowie eine Sole/Wasser-Wärmepumpe mit NC-Funktion (Natural Cooling). Die Wärmepumpen-Module unterstützten ebenfalls eine AC-Funktion (Active Cooling).
Alle Unterstützungseinheiten werden in einer Rahmenkonstruktion gefertigt. Diese dient zur Stabilisation der Komponenten, zum Transport und zum Einbau in den Technikraum. Die Module sind bis zur Schnittstelle für den Leitungsbau mit einer Kältedämmung ummantelt. Die Anschlussarbeiten an die Energiequellen und an die Wärmepumpe erfolgen durch den Fachbetrieb.
Zuverlässige Komponenten
In den vorkonfigurierten Unterstützungseinheiten setzt BE Cologne diverse Komponenten von Belimo ein (Bild 3): Sensoren zur Druck- und Temperaturmessung, dicht schließende 2- und 3-Wege-Regelkugelhähne mit energieeffizienten Drehantrieben motorisiert sowie Hubventile inklusive Antrieb. Die Hubventile sind einfach und sicher in der Handhabung, zuverlässig und wartungsfrei im Betrieb.
Ebenso finden sich Belimo-Absperrklappen in den Unterstützungseinheiten. Diese sind universell als dichtschließende 2-Weg- oder 3-Weg-Armatur für Auf-, Zu-, Umschalt- und Regelanwendungen (als Misch- und Verteilventil) einsetzbar. Multifunktionale Antriebe gewährleisten eine hohe Flexibilität.
Einige Antriebe sind mit Near Field Communication (NFC) ausgestattet. Damit lassen sie sich in wenigen Minuten über ein Smartphone mit der App Belimo Assistant in Betrieb nehmen und leicht parametrieren. Zudem lassen sich die Betriebszustände visualisieren. Auch die eingesetzten Druck- und Temperatursensoren bieten einige Vorteile: Ein universelles kompaktes Gehäusedesign mit einer integrierten modularen Kabelverschraubung, einer Push-in-Klemme, einem Einrast-Deckel, der sich ohne Werkzeug öffnen und schließen lässt, und eine abnehmbare Montageplatte für eine einfache Installation und Inbetriebnahme.
Die Sensorik liefert die Messdaten, die die übergeordnete Systemsteuerung verwendet, um die Antriebe der Ventile und Drosselklappen zu steuern. Hierdurch wird beispielsweise die Flussrichtung des Entzugsmediums (Wasser-Glykol-Gemisch) in den Rohrleitungen verändert. So wird der Wärmepumpe Energie zum Heizen oder zur Trinkwassererwärmung zur Verfügung gestellt, aktiv Kälte zur Temperierung des Gebäudes erzeugt, Kälte oder Wärme in den Energiespeicher eingelagert oder eine freie Kühlung des Gebäudes ermöglicht, indem im Sommer nachts Wärme aus dem Gebäude über die Solar/Luft-Kollektoren abgeführt wird.
Unterstützungseinheiten im Einsatz
Ein Logistikzentrum in Hamburg war im Jahr 2020 eines der ersten Großprojekte, in dem hydraulische Unterstützungseinheiten von BE Cologne eingesetzt worden sind. Neben einer rund 5000 m2 großen Logistikhalle entstand ein 3-geschossiges Büro- und Verwaltungsgebäude. Das Energiekonzept basiert auf einer Sole/Wasser-Wärmepumpe Viessmann Vitocal 300-G, einem Eisspeicher, Solar/Luft-Kollektoren als Regenerationsflächen und einer Photovoltaik-Anlage.
Aufgrund engster Platzverhältnisse wurde die Technikzentrale durch BE Cologne modular vorgebaut (Bild 4). Für das Projekt wurden Unterstützungseinheiten (Hydraulic Support Units HSU) für ein Wärmepumpensystem mit einer Leistung von 60 kW konzipiert und gefertigt.
Die HSU-60 besteht hier aus einem Quellenmanagement-Modul (QMM), dessen Aufgabe es ist, die vorhandenen Energiequellen effizient zu managen sowie einem Wärmepumpen-Modul (WPM), welches die Schnittstelle zwischen Quellenmanagement-Modul, der Wärmepumpeneinheit sowie des sekundärseitigen Puffersystems bildet.
Bei diesem Projekt ersparte die Verwendung der HSU-60 dem ausführenden Anlagenbauer aus Köln eine Vielzahl von Anfahrten nach Hamburg. Entsprechend sanken die Stunden vor Ort, „auf der Straße“ und die allgemeine Zeit der Monteure auf der Baustelle. Darüber hinaus ließen sich weitere Effizienzgewinne in Form von niedrigeren Kosten in den Bereichen Auslöse, Spesen und Übernachtungskosten erzielen. Und: Durch die Zeitersparnis konnten weitere Projekte realisiert werden.
Bei einem global agierenden Zulieferer der Nutzfahrzeugindustrie östlich von Köln, entstand 2021 ein dreigeschossiges Bürogebäude mit insgesamt 2100 m2 Bürofläche. Auch hier wurde großer Wert auf klimafreundliche und nachhaltige Technik gelegt. Das Projekt umfasst eine Sole/Wasser-Wärmepumpe Viessmann Vitocal 300-G-Pro mit 140 kW Leistung, einen Eisspeicher mit rund 350 m3 Fassungsvermögen sowie 43 Solar/Luft-Kollektoren mit einer Gesamtlänge von ca. 26 km Entzugsrohr.
Aufgabe war es, die beiden Energiequellen effizient zu managen, um einen hohen Wirkungsgrad sowie die Wirtschaftlichkeit des Systems zu garantieren. Über die Temperierung des Gebäudes hinaus, sollte die Anlagentechnik auch Kühlleistung für die Server bereitstellen. In Kooperation mit Metternich Haustechnik (BE Cologne ist ein Ableger des Anlagenbauers) wurde hier eine HSU-140 verbaut (Bild 1).
Die HSU-140 besteht aus einem Quellenmanagement-Modul (QMM), einem Wärmepumpen-Modul Primär (WPMP) und einem Wärmepumpen-Modul Sekundär (WPMS), welche als Schnittstellen zwischen dem QMM-Modul, der Wärmepumpeneinheit sowie der sekundärseitig verbauten Kühl- und Heizungspuffer eingesetzt werden. Sämtliche steuerungs- und regelungstechnisch relevanten Komponenten, wie Hocheffizienzpumpen, Stellantriebe für Hubventile, Temperatursensoren, Wärmemengenzähler, Drosselklappen und Durchflusssensoren, wurden auf einen in der HSU verbauten Schaltschrank aufgelegt und konnten vor Ort steckerfertig an die übergeordnete Steuerungs- und Regelungseinheit Vitocontrol 200-M angeschlossen werden.
Durch die Verwendung der vorgefertigten Unterstützungseinheiten konnte Metternich Haustechnik eine Zeitersparnis von mehreren Mann-Wochen bei den hydraulischen sowie elektrotechnischen Installationsarbeiten vor Ort erzielen.
Autarke Kompakt-Modul-Serie
In Isselburg wurde 2021 eine der ersten hydraulischen Unterstützungseinheiten der Kompakt-Modul-Serie bei einem Privatkunden installiert. Der Kunde entschied sich für das Vitoset von Viessmann. Dieses beinhaltet eine Viessmann-Standard-Wärmepumpe im Bereich von 6 bis 17 kW Heizleistung, einen oder mehrere Eisspeicher aus Kunststoff (Vitoset Eis-Energiespeicher), Aluminium-Energiezäune oder Solar/Luft-Kollektoren sowie ein Kompakt-Modul von BE Cologne. In diesem Fall kamen eine Vitocal-Wärmepumpe 222-G BWT 221.B06 mit 6kW Heizleistung, ein Eisspeicher, Solar/Luft-Kollektoren und das Kompakt-Modul 10 (Bild 5) zum Einsatz.
Das besondere an der Kompakt-Modul-Serie ist die selbstständige Einregulierung des Systems. Die Module beinhalten sämtliche Sensorik, die es für diese Autarkie benötigt, weitere Sensorik im Außenbereich ist nicht notwendig. Und es ist keine datentechnische Verbindung zur Wärmepumpe nötig.
Die vorgefertigte Hydraulik kann durch die Rahmenkonstruktion direkt an einer Wand befestigt werden. Es müssen lediglich die Rohrleitungen zu den Energiequellen und zur Wärmepumpe verlegt werden. Und der Schaltschrank muss an eine 230-V-Stromversorgung angeschlossen werden. Das Kompakt-Modul regelt sämtliche Betriebszustände selbstständig über die vorkonstruierte Steuerungs- und Programmierungseinheit (in der Rahmenkonstruktion befestigter Schaltschrank).
Heizen, Kühlen, Regenerieren, Warmwasserbetrieb – in jedem dieser Betriebszustände wird durch das Kompakt-Modul stets die für die Wärmepumpe beste Energiequelle gewählt. Dadurch entsteht eine hohe Wirtschaftlichkeit der Anlage. Gleichzeitig verringert das Kompakt-Modul trotz des komplexen Wärmepumpensystems den Installationsaufwand erheblich und minimiert die Fehleranfälligkeit.
