Schulhaus Teufenthal Neue Wärmeerzeugung Schulareal Variantenstudie

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1 Gemeinde Teufenthal Herr Niklaus Boss, Gemeinderat Kirchweg Teufenthal Rheinfelden, 28. August 2018 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Jobst Willers T jobst.willers@willers.ch _6jw Bericht Neue Heizzentrale

2 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 2 / 23 Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung und Empfehlung Ausgangslage Zielsetzung Verfügbare Energieträger Basisdaten Konzept Aktueller Energiebedarf Erforderlicher Leistungsbedarf Varianten Wärmeerzeugung Gaskessel Monovalente Holzkesselanlage Bivalente Pelletanlage Zusatzmassnahmen Heizung/Sanitär Komfortverbesserung Sekretariat Warmwasseraufbereitung Schulhaus Kostenzusammenstellung Erneuerung Heizverteiler Neuer Gaskessel Monovalente Holzfeuerung Bivalente Holzfeuerung Wirtschaftliche & ökologische Rahmenbedingungen Wärmegestehungskosten [WGK] CO 2-Emissionen und Umweltbelastung Solaranlage Grundlage - Begehung am 26. Juli 2018 mit Herrn Säuberli und Willers - Energieverbrauchsdaten - Offerten Schmid AG Anhang Wirtschaftlichkeits-Berechnung der Varianten _6jw Bericht Neue Heizzentrale

3 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 3 / 23 1 Zusammenfassung und Empfehlung Die Untersuchung hat ergeben, dass es für das Schulhais Teufenthal einen wirtschaftlichen und ökologischen Lösungsansatz für eine neue Wärmeversorgung gibt. Im Kataster für Erdwärmenutzung ist eine Erdsonden-Wärmepumpe auf dem Schulareal nicht möglich. Eine alternative Wärmeversorgung mittels Luft/Wasser-Wärmepumpe ist aus baulichen Gründen, wegen der Lärmproblematik, der niedrigen Leistungszahl und tiefen Vorlauftemperaturen nicht behandelt worden. Eine Grundwasser-Wärmepumpe ist im Gebiet gemäss Grundwasserkarte des Kantons Aargau möglich aber durch erforderlichen hohen Heizungsvorlauf wenig energieeffizient. Die Versorgungsvariante mit einem Erdgaskessel ist durch vorhandene Erdgas-Infrastruktur möglich und besticht durch niedrige Investitionskosten. Die Holzfeuerungsanlage qualifiziert sich über die CO 2-Bilanz und ist unbestritten die nachhaltigste Lösung für eine neue Wärmeversorgung. Die Hackschnitzel-Anlage ist von der Investition mit CHF ca. 25% teurer als die Alternative mit Pelletkessel, hat aber um CHF geringer Jahresenergiekosten wie die Pelletkessel-Varianten. Fällt die Wahl auf Hackschnitzel, kann dieser Brennstoff aus der Region bezogen werden. Wir empfehlen eine Holzfeuerungsanlage zu bauen. Sollten die finanziellen Mittel nicht beschafft werden können, empfehlen wir eine Contracting-Lösung mit dem AEW zu prüfen. Für eine Sonnenenergie-Nutzung kommt nur eine Photovoltaik PV in Frage. Bei einer thermischen Solaranlage für Warmwasser und Heizungsunterstützung ist die Leitungsführung an der Fassade zu aufwändig und damit die Wirtschaftlichkeit nicht gegeben. Für eine PV-Anlage auf dem Süddach des Schulhauses sind die Realisierbarkeit und die Kostensituation besser. Zudem könnte der Eigenstromverbrauch um 20% gedeckt und ein sichtbarer Beitrag der Gemeinde Teufenthal an erneuerbaren Energien realisiert werden _6jw Bericht Neue Heizzentrale

4 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 4 / 23 2 Ausgangslage Auf dem Schulgelände Teufenthal wird das Verwaltungsgebäude, das Schulhaus und die Turnhalle, mit Wärme versorgt. Aufgrund dem in die Jahre gekommenen Ölkessel sollen im Zuge der Erneuerung der Heizzentrale alternative Wärmerzeugungs-Strategien auf diesem Areal untersucht werden: Turnhalle Schulhaus Verwaltung Abbildung: Situationsplan Schulgelände Teufenthal 3 Zielsetzung Gewährleistung einer wirtschaftlichen und nachhaltigen Wärmeversorgung für das Schulareal _6jw Bericht Neue Heizzentrale

5 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 5 / 23 4 Verfügbare Energieträger Unter Berücksichtigung der örtlichen Gegebenheiten/Energiequellen wurden nachfolgende Energieträger geprüft: Energieträger Holzschnitzel /Pellets Verfügbarkeit / örtliche Gegebenheit Holz als Energieträger in Form einer Holzschnitzel-/Pelletfeuerung ist möglich und wird in den nachfolgenden Kapiteln betrachtet. Holzschnitzel eignen sich für Leistung <70 kw, wenn der Wassergehalt <40% ist. Der Kanton Aargau ist sehr restriktiv bei Holzheizung (Feinstaub bewilligungsfähig) Photovoltaik Das Süddach vom Schulhaus ist für eine PV-Anlage geeignet. Aussenluft Grundwasser Aussenluft als Wärmequelle ist in nahezu unendlicher Menge vorhanden, hat jedoch den Nachteil, dass sie gerade in der Zeit mit der höchsten Leistungsanforderung die tiefsten Temperaturen aufweist. Somit ist die Effizienz dieser Wärmepumpenanlagen gemessen am COP sehr tief. Die Lärmbelastung für das Schulhaus ist zu berücksichtigen. Eine Grundwasser-Wärmepumpe ist eine energieeffiziente Anlage und auf dem Areal möglich. Der geforderte Vorlauf von 75 C ist für eine Grundwasser-Wärmepumpe zu hoch. Ein schlechter Wirkungsgrad <2,5 wäre die Folge Erdwärme Auf dem Areal ist keine Erdwärmenutzung möglich Heizöl Erdgas Einen Ersatz des Ölkessels ist möglich aber aus ökologischer Hinsicht und vorhandener Alternativen nicht ratsam. Das Schulhaus kann mit Erdgas aus dem Versorgungs-Netz versorgt werden. Der Kindergarten hat bereits eine Gasleitung. Der Betrieb einer Gasheizung ist problemlos und wartungsarm _6jw Bericht Neue Heizzentrale

6 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 6 / 23 5 Basisdaten Konzept 5.1 Aktueller Energiebedarf Der heutige Schulbetrieb mit der Ölheizung hat untenstehenden Energiebedarf. Neu wird das Trinkwarmwasser der Turnhalle mit 16 Duschen über den Heizkessel erzeugt. Wärmebedarf (gemittelt ) Energie Ölbezug Wärmebedarf für Warmwasser Q ww Heizwärmebedarf Q h + Q ww 350 MWh/Jahr 50 MWh/Jahr 400 MWh/Jahr 5.2 Erforderlicher Leistungsbedarf Wärmebedarf (gemittelt ) Heizwärmebedarf Q h + Q ww Vollastbetriebsstunden Schulhaus Mindestkesselleistung 400 MWh/Jahr Bh/a kw _6jw Bericht Neue Heizzentrale

7 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 7 / 23 6 Varianten Wärmeerzeugung Folgende zentrale / dezentralen Versorgungskonzepte werden evaluiert: 1) Gaskessel mit Erschliessung an bestehendes Gasnetz 2) Monovalente Hackschnitzelanlage mit separatem Silo-Anbau an Heizzentrale 3) Monovalente Pelletanlage mit integriertem Pelletlager in der Heizzentrale 4) Bivalente Pelletanlage mit integriertem Pelletlager in der Heizzentrale _6jw Bericht Neue Heizzentrale

8 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 8 / Gaskessel Konzeptschema Konzeptbeschrieb Für eine ökologischere Heizungsanlage wie bisher bietet sich ein Gaskessel mit 250 kw an. Der Gasbrenner ist modulierend und kann bis auf 30% der Nennleistung runter regulieren. Ein Wärmespeicher ist daher nicht erforderlich. Die bestehende Kaminanlage ist zu sanieren _6jw Bericht Neue Heizzentrale

9 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 9 / Monovalente Holzkesselanlage Konzeptbeschrieb Für einen ökologischen bietet sich eine Holzschnitzelfeuerung mit 250 kw an. Bei Holzkesseln kommen prinzipiell Wärmespeicher zum Einsatz. Zum einen um eine hydraulische Trennung zwischen Wärmeerzeuger und Netz zu schaffen, und zum anderen um die Brennerlaufzeiten zu optimieren. Für grössere Anlagen bietet sich für den Austrag und die Zuführung der Holzschnitzel zum Brenner ein Schubbodensystem mit Stokerschnecke an. Ein Elektrofilter in der Abgasstrecke ist zwingend erforderlich. Bei dem Pellet-Kessel erfolgt der Pellettransport pneumatisch und ist das flexiblere Fördersystem Konzeptschema Heizzentrale mit Holzkessel, Wärmespeicher _6jw Bericht Neue Heizzentrale

10 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 10 / Aufstellungsplan Holzschnitzel-Kessel Schnitzel-Bunker wird an Heizzentrale angebaut, Wärmespeicher in der Zentrale Bei dieser Variante ist ein Elektrofilter zwingend erforderlich. Die Raumhöhe muss im Bereich des Kessels und Filters angepasst werden. Der Kamin kann weiter verwendet werden, erfordert jedoch eine Sanierung _6jw Bericht Neue Heizzentrale

11 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 11 / Aufstellungsplan Pellet-Kessel Pellet-Lager in Heizzentrale integriert, Rückbau des Informatikraums zugunsten der Speicher Bei dieser Variante ist ein Elektrofilter ebenso eingerechnet. Die Raumhöhe muss im Bereich des Kessels und Filters gleichfalls angepasst werden. Der Kamin kann weiter verwendet werden, erfordert jedoch eine Sanierung. In die Fassade sind 2 Anschlussstutzen für die Befüllung des Pelletlagers vorzusehen _6jw Bericht Neue Heizzentrale

12 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 12 / Bivalente Pelletanlage Konzeptschema Heizzentrale mit zwei Pelletfeuerungen und Wärmespeicher _6jw Bericht Neue Heizzentrale

13 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 13 / Aufstellungsplan Pelletkessel Rückbau des Informatikraums zugunsten des Pellet-Lager, Wärmespeicher in Heizzentrale Bei dieser Variante ist ein Elektrofilter nicht zwingend. Die Raumhöhe ist ausreichend. Der Kamin kann weiter verwendet werden, erfordert jedoch eine Sanierung und Anpassung, da jeder Pelletkessel einen eigenen Zug erhält. In die Fassade sind 2 Anschlussstutzen für die Befüllung des Pelletlagers vorzusehen _6jw Bericht Neue Heizzentrale

14 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 14 / Bewilligung von Feuerungsanlagen Feuerungsanlagen sind bewilligungspflichtig. Das Gesuch für die Erstellung, den Umbau und den Betrieb von wärmetechnischen Anlagen ist vollständig ausgefüllt, bei der Standortgemeinde/-stadt einzureichen. Feuerungen mit Brennstoff Öl und Gas bis 1000 kw und Holzfeuerungen bis 70 kw werden in lufthygienerechtlicher Hinsicht direkt von der Gemeinde/Stadt bewilligt und danach kontrolliert. Alle anderen Feuerungsanlagen liegen im Zuständigkeitsbereich der Baudirektion und benötigen zusätzlich eine entsprechende kantonale Bewilligung. Für die Bearbeitungsdauer der Baudirektion sind 8 Wochen zu veranschlagen. Neben dem vollständig ausgefüllten Gesuchsformular sind zusätzliche Angaben insbesondere für die Bestimmung der Kaminhöhe erforderlich. Bei grossen Anlagen, insbesondere bei Feststofffeuerungsanlagen, ist möglichst frühzeitig mit der kantonalen Fachstelle die erforderliche minimale Kaminmündungshöhe abzuklären. Die Kaminempfehlungen des BAFU sind hierfür massgebend Versorgungssicherheit Da bei einer Holzfeuerung eher mit Störungen zu rechnen ist, wären Überlegungen bezüglich Versorgungssicherheit ratsam. Wenn diese nicht vorgesehen wird, bedeutet dies, dass während der Zeit der Störungsbehebung keine Heizwärme zur Verfügung gestellt werden kann. Die Variante mit zwei Pellet-Kessel bietet diese Redundanz _6jw Bericht Neue Heizzentrale

15 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 15 / 23 7 Zusatzmassnahmen Heizung/Sanitär 7.1 Komfortverbesserung Sekretariat Im Winter ist es im Schulsekretariat häufig zu kalt, sodass der Nutzer sich mit Elektroöfen behelfen muss. Um diese Situation zu beheben müssen die Heizgruppen neu einreguliert werden, d.h. dem betreffenden Heizungsstrang eine höhere Wassermenge geben. Ausserdem soll die Heizkurve um 2K parallel nach oben verschoben werden. 7.2 Warmwasseraufbereitung Schulhaus Das Schulhaus hat derzeit drei elektrisch betriebene Boiler. Dies ist nach Energiegesetz nicht mehr zulässig und muss abgeändert werden. An der TWW-Aufbereitung der Turnhalle sind 16 Duschen und diverse Waschbecken angeschlossen. Der neue Boiler ist mit einer Grösse von 1m 3 ausreichend dimensioniert. Die Heizgruppe Lüftung bietet sich für eine hydraulische Einbindung in das Heizungsnetz an. Die beiden anderen elektrisch betriebenen Boiler können durch dezentrale Wärmepumpenboiler ersetzt werden. Investitionskosten +/- 20% exkl. MwSt. TWW-Aufbereitung Turnhalle WP-Boiler BKP 23 Elektroanlagen Elektroarbeiten BKP 24 Heizung, Lüftung Hydraulische Einbindung BKP 25 Sanitäranlagen Apparate Installation BKP29 Honorare HLK-Planung Total Investitionen CHF _6jw Bericht Neue Heizzentrale

16 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 16 / 23 8 Kostenzusammenstellung 8.1 Erneuerung Heizverteiler Investitionskosten +/- 20% exkl. MwSt. BKP 23 Elektroanlagen Elektroarbeiten (Ausführung, Planung) BKP 24 Heizung, Lüftung, Klima Erneuerung Heizverteiler BKP29 Honorare HLK-Planung Total Investitionen CHF Neuer Gaskessel Investitionskosten +/- 20% exkl. MwSt. BKP 23 Elektroanlagen Elektroarbeiten (Ausführung, Planung) BKP 24 Heizung, Lüftung, Klima Wärmeerzeugung (Gaskessel) Kaminsanierung Erdgasanschluss Gasstrecke BKP29 Honorare GA (Ausführung, Planung, SGK) HLK-Planung Total Investitionen CHF _6jw Bericht Neue Heizzentrale

17 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 17 / Monovalente Holzfeuerung Investitionskosten +/- 20% exkl. MwSt. Hackschnitzel 250kW Pellet 250kW BKP 21 Rohbau Aushub/Baustelleneinrichtung Schnitzel-Bunker Bunker aus Beton Metallbau Schnitzel Bunker Aushub/Betonbau Heizzentrale Maurerarbeiten Baumeisterarbeiten BKP 23 Elektroanlagen Elektroarbeiten (Ausführung, Planung) BKP 24 Heizung, Lüftung, Klima Wärmeverteilung Heizkessel Transportanlage Silosystem Zubehör Dienstleistung Sanierung Kamin BKP29 Honorare Bauingenieur Architekt Behörden (Bewilligung) GA (Ausführung, Planung, SGK) HLK-Planung Total Investitionen CHF _6jw Bericht Neue Heizzentrale

18 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 18 / Bivalente Holzfeuerung Investitionskosten +/- 20% exkl. MwSt. Pellet 110 kw / 150 kw BKP 21 Rohbau Aushub/Betonbau Heizzentrale Maurerarbeiten Baumeisterarbeiten BKP 23 Elektroanlagen Elektroarbeiten (Ausführung, Planung) BKP 24 Heizung, Lüftung, Klima Wärmeverteilung Heizkessel Transportanlage Silosystem Zubehör Dienstleistung Sanierung Kamin BKP29 Honorare Bauingenieur Behörden (Bewilligung) GA (Ausführung, Planung, SGK) HLK-Planung Total Investitionen CHF _6jw Bericht Neue Heizzentrale

19 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 19 / 23 9 Wirtschaftliche & ökologische Rahmenbedingungen Nachfolgend aufgeführt sind die relevanten Annahmen für die Wirtschaftlichkeitsrechnung. Grundlagen Wirtschaftlichkeitsberechnung Betrachtungszeitraum: 20 Jahre Kapitalzins: 3.5 % Annuität a -1 Energieträger Kosten Energie Primärenergiefaktor SIA MB 2031/2009 Treibhausgas- Emissionskoeffizient SIA MB 2031/2009 [CHF/MWh] [-] [kg/mj]/[kg/kwh] Pellet (6to) / Holzschnitzel (trocken) / Heizöl EL / Erdgas / Elektrizität (CH Verbrauchmix) / Kosten, Primärenergiefaktor und Treibhausgas-Emissionskoeffizient je Energieträger _6jw Bericht Neue Heizzentrale

20 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 20 / Wärmegestehungskosten [WGK] Der Wärmegestehungspreis ist eine Kennzahl für die Gegenüberstellung verschiedener Energieversorgungskonzepte und zur Ermittlung der Wirtschaftlichkeit. WGK [Rp/kWh] kw 250 kw 250 kw 1x110kW, 1x150kW Gaskessel monvalent Hackschnitzelkessel monvalent Pelletkessel bivalente Pelletkessel _6jw Bericht Neue Heizzentrale

21 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 21 / CO 2-Emissionen und Umweltbelastung Untenstehendes Diagramm stellt die jährlichen CO 2-Emissionen je Variante grafisch dar. 150 to CO 2 /a Bewertung Klima-Umweltschutz CO 2 -Reduktion Ölkessel 250kW Gaskessel 250kW Holzschnitzel-Kessel 250 kw Im Vergleich zu den CO 2-Emissionen von Erdöl HEL, erreicht man mit Holz eine Reduktion von ca. 87%. Die CO 2 Last von Erdgas liegt nur leicht tiefer als die von Heizöl _6jw Bericht Neue Heizzentrale

22 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 22 / Solaranlage Detaillierter untersucht wurde nur die Stromerzeugung mit einer Photovoltaik-Anlage PV. Eine thermische Solaranlage wurde wegen der fehlenden Wirtschaftlichkeit und einer Leitungsführung mit Vorund Rücklauf an der Fassade auch aus ästhetischen Gründen verworfen. Eine PV-Anlage auf dem Süddach des Schulhauses macht aus ökologischer und wirtschaftlicher Sicht Sinn. Kosten der PV-Anlage (Offerte Eniwa) CHF Fördergeld / Entschädigung EIV ca. CHF Netto-Investition Gemeinde (inkl. MwSt.) CHF _6jw Bericht Neue Heizzentrale

23 Neue Wärmeerzeugung Schulareal Seite 23 / 23 Für die Wirtschaftlichkeit ergibt sich folgende Situation: kwh/a CHF/a Jahresertrag der PV-Anlage Davon Eigenverbrauch (CHF 18,2/kWh) Netzeinspeisung (Ø CHF 5,5/kWh) Unterhalt PV-Anlage Total Ertrag Eine PV-Anlage auf dem Süddach des Schulhauses würde sich nach ca. 15 Jahren amortisiert haben. Für eine genaue Berechnung der Solarerträge müsste der Lastgang vom Stromverbrauch der Gemeinde analysiert werden und dann der Eigenverbrauch und die Netzeinspeisung errechnet werden _6jw Bericht Neue Heizzentrale