von 1000 kw abgebildet. Für die beanspruchte elektrische Energie wird vom Energieversorger eine Bereitstellungspauschale

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1 Fachbeitrag aus dem TGA Fachplaner Die Kosten der Kälteversorgung senken Wirtschaftlichkeit von Eisspeichern Zur Kälteerzeugung stehen verschiedene Anlagenkonzepte zur Verfügung, von denen hier ein konventionelles Kaltdampf- Kältemaschinensystem (KMS) im Vergleich zu einem Eisspeichersystem (ESS) betrachtet wird. Die Investitionskosten sind in den meisten Fällen für das Eisspeichersystem höher als für das konventionelle System. Es stellt sich die Frage, ob sich die Mehrkosten amortisieren. Die Betriebskosten hängen von der Gebäudeart ab, so daß sich für den Planungsingenieur abhängig von der Nutzung unterschiedliche Optimierungsaufgaben stellen. Lastprofils kann im Fall des konventionellen Kältemaschinensystems auch direkt auf die Antriebsleistung geschlossen werden, wenn die Leistungszahl ε der Kältemaschine bei Voll- und Teillastbetrieb bekannt ist. Bei der Erstellung von Bild 1 wurde angenommen, daß sie unabhängig von der Leistung ε = 4 beträgt. Unter dieser Annahme ist indirekt das typische Kühllastprofil [1] eines Verwaltungsgebäudes mit einer Spitzenkühllast von 1000 kw abgebildet. Für die beanspruchte elektrische Energie wird vom Energieversorger eine Bereitstellungspauschale gefordert, die sich nach der maximalen Anschlußleistung richtet. Mit einem Leistungspreis von z. B. 270 DM/(kW a) und der abzulesenden elektrischen Spitzenlast ergeben sich ohne ein lastausgleichendes Speichersystem elektrische Bereitstellungskosten von DM/a. Eisspeichersystem Das hier vorgesehene Eisspeichersystem arbeitet nach dem Teilspeicherprinzip. In der Zeit, in der keine Kühllast anfällt (in Gebäuden meist nachts), lädt die Kältemaschine den Eisspeicher auf. Dabei wird ein Teil der über den Tag benötigten Kältearbeit gespeichert. Zur Betriebszeit des Gebäudes, in der die Kühllast anfällt, deckt die Kältemaschine die Grundlast. Durch Entladung des Eisspeichers wird die darüber hinausgehende Spitzenkühllast abgedeckt [2]. In einem konventionellen Kaltdampf- Kältemaschinensystem wird immer die momentan benötigte Leistung bereitgestellt. Es muß daher auf die maximale Kühllast ausgelegt werden, die nur am Auslegungstag auftritt. Zudem variiert an jedem Tag die Kühllast bedingt durch den Einfluß der inneren und äußeren Lasten. Graphische Darstellungen des Verlaufs der Kühllast werden Lastkurve oder Lastprofil genannt. Auf der Grundlage des Bild 2 Kältelastdiagramm mit Eisspeicher (Teilspeicherung) Zur Bilanzierung der Kältearbeit über einen Tag wurden zwei Annahmen getroffen: a) Die gesamte Zeit, in der keine Kühllast anliegt, wird zur Speicherung von Kältearbeit genutzt: t L = 24 h t B [Gl. 1] Dieser Annahme stehen unter Umständen betriebliche oder tarifliche Gegebenheiten entgegen. Solange diese nicht bekannt sind, ist obige Annahme ein plausibler erster Ansatz. Bild 1 Elektrische Antriebsleistung zur Kühlung eines Verwaltungsgebäudes (Konventionelles System ohne Kältespeicher; ε = 4, Q 0,max = 1000 kw) b) Die Kältemaschine arbeitet im Ladebetrieb bei Temperaturen unter 0 C, so daß sich eine geringere Kälteleistung als im 58 TGA Fachplaner

2 Tagbetrieb (Grundlast) einstellt. Hier wurde mit einem Nacht/Tag-Kälteleistungsverhältnis von ν = 0,7 gerechnet. Mit diesen Annahmen ergeben sich die in Bild 2 gezeigten Verläufe von Ladeleistung, Tagesgrundlast und Spitzenlastabdeckung durch den Eisspeicher. Der Kühllastverlauf ist derselbe, der Bild 1 zugrunde liegt. Wird nun die elektrische Leistungsaufnahme berechnet, so ergibt sich der in der Spitze abgesenkte und über den Tag vergleichmäßigte Verlauf nach Bild 3. Die Einzelkosten lassen sich durch verschiedene Methoden der Investitionskostenrechnung zusammenfassen. Dabei können drei Fälle unterschieden werden [4]: Kontrolle der Rentabilität einer einzigen Investition (Wirtschaftlichkeitsproblem). Auswahl zwischen zwei oder mehr Investitionen, die sich gegenseitig ausschließen (Wahlproblem). gestattet es, einmalige Zahlungen bzw. Investitionen sowie laufende Zahlungen mit Hilfe des Annuitätenfaktors während eines Betrachtungszeitraums zusammenzufassen [4]. Die anteiligen Auszahlungen für die Investition, die Betriebskosten sowie die Wartungs- und Instandhaltungsaufwendungen ergeben in Summe die Gesamtannuität. Randbedingungen und Eingangsdaten Es wurden fünf typische Gebäudearten betrachtet: Kaufhaus Messehalle Theater/Oper Krankenhaus Verwaltungsgebäude KA ME TH KR VG Die für sie verwendeten Kühllastprofile beruhen auf Erfahrungswerten [1]. Als Zentralwerte der Parametervariationen wurden festgelegt [u. a. 5]: Bild 3 Resultierende elektrische Anschlußleistung mit Kältespeicher Im Vergleich zum konventionellen System ist die elektrische Spitzenlast von 250 kw auf 134 kw verringert [3]. Auch die jährlichen Bereitstellungskosten für elektrische Energie verringern sich nach diesem Konzept auf ungefähr die Hälfte. Zudem ist es durch die Vergleichmäßigung des Lastprofils über 24 Stunden möglich, nachts die günstigeren Arbeitspreise der Niedrigtarifzeit zu nutzen. Die Größenordnung beider Effekte ist von der Gebäudeart und ihrem speziellen Kühllastprofil abhängig! Sachliche und/oder zeitliche Alternative zu einer bereits verwirklichten Investition (Ersatzproblem). Da hier ein Wahlproblem betrachtet werden soll, ist die Anwendung der Annuitätenmethode sinnvoll und hilfreich. Sie Arbeitspreis (HT) elektr. Energie 16,68 Pf/kWh Arbeitspreis (NT) elektr. Energie 12,59 Pf/kWh Leistungspreis elektrische Energie 270 DM/kW Mischwasserpreis 3,82 DM/m 3 Zinssatz 6,75 % Anlagennutzungsdauer 15 Jahre Grundlagen der Kostenrechnung Einflußgrößen auf die Kosten der Kältebereitstellung sind u. a.: Spitzenkühllast, Form des Lastprofils, Art der Kälteanlage, Zinssatz, Energie- und Wasserkosten, Wartungs- und Instandhaltungsaufwand und die Jahres-Vollbenutzungsstunden. Für die Jahres-Vollbenutzungsstunden sind in Tabelle 1 Erfahrungswerte [1] abgebildet. Bild 4 Gesamtkosten (Annuitäten) bei Kühlung von Messehallen TGA Fachplaner

3 Richtwert Betriebs- Vollbenutzungs- Vollbenutzungs- Gebäudeart stunden stunden stunden Verwaltungsgebäude Krankenhaus Kaufhaus Messe Theater Tabelle 1 Betriebszeiten von Kälteanlagen in unterschiedlichen Gebäudearten Statt dessen werden gemittelte spezifische Kosten über den betrachteten Bereich dargestellt. Sie haben die Dimension [DM/(a kw)] und stellen spezifische Annuitäten a dar: A a = [Gl. 2] Q 0,max Die Ergebnisse, die sich für die einzelnen Gebäudearten und Kälteanlagenkonzepte ergeben, sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Es sei an dieser Stelle schon darauf hingewiesen, daß sich durch die Entscheidung für oder gegen ein Kältespeichersystem größere Unterschiede in den Annuitäten ergeben als durch spätere Änderungen der Verbrauchskosten. Parametervariationen Die Aufteilung der spezifischen Annuität in einen verbrauchs- und einen investitionsgebundenen Anteil wird als Annuitätenverhältnis V a definiert: a V Va = [Gl. 3] a a V : Spezifische verbrauchsgebundene Annuität Bild 5 Abhängigkeit des Annuitätenverhältnisses vom Zinssatz a: Spezifische Gesamtannuität In Bild 5 ist der Einfluß des Zinssatzes auf das Annuitätenverhältnis dargestellt. Zu erkennen ist der abnehmende Anteil der verbrauchsgebundenen Kosten bei höheren Zinssätzen. Die Einflüsse von Kostenänderungen der elektrischen Energie und des Wassers werden mit folgenden Kennzahlen aufgezeigt: a) das Verhältnis der elektrischen Arbeitspreise EV Berechnung spezifischer Annuitäten Die Berechnung der dargestellten Ergebnisse wurde wie folgt durchgeführt: a) Auslegung des Eisspeicher-/Kältemaschinensystems (ESS) bzw. Auswahl der Kältemaschine (KMS) auf der Grundlage des jeweiligen Kühllastprofils b) Bestimmung der Investitionskosten c) Ermittlung der anteiligen Annuität d) Berechnung der Betriebskosten e) Abschätzung der Wartungs- und Instandhaltungskosten f) Addition zur Gesamtannuität Aufgrund der mit höheren Kälteleistungen abnehmenden spezifischen Investitionskosten der Einzelkomponenten ergeben sich leicht degressive Verläufe der Gesamtannuität über der Kälteleistung, die in Bild 4 am Beispiel der Klimatisierung von Messehallen gezeigt sind. Zur grundlegenden Darlegung der Einflüsse von Gebäudeart, Anlagenkonzept und Zinssatz soll hier auf die Angabe von Ausgleichspolynomen verzichtet werden. NT EV = [Gl. 4] HT NT: HT: elektrischer Niedrigtarif elektrischer Hochtarif b) das Leistungspreisverhältnis LPV LP LPV = [Gl. 5] 270 DM/kW LP: Aktueller Leistungspreis 270 DM/kW: Referenz-Leistungspreis 60 TGA Fachplaner

4 c) das Wasserpreisverhältnis WPV MWP WPV = [Gl. 6] 3,82 DM/m 3 MWP: Aktueller Mischwasserpreis 3,82 DM/m 3 : Referenz- Mischwasserpreis [5] WVP hat nur bei offenen oder geschlossenen Verdunstungskühlern einen Einfluß. Der Mischwasserpreis wurde aus Frischwasserpreis plus 35 % des Abwasserpreises berechnet. Bild 6 Einfluß des Verhältnisses von elektrischem Niedrig- zu Hochtarif In Bild 6 ist der geringe Einfluß des Verhältnisses von elektrischem Niedrigzu Hochtarif auf die spezifische Annuität zu erkennen. Für den konventionellen Kaltwassersatz entfällt er völlig, da dieser in den betrachteten Anwendungen nur in der Hochtarifzeit betrieben wird. Bild 7 zeigt den deutlich stärkeren Einfluß des elektrischen Leistungspreises, im besonderen beim Einsatz eines konventionellen Kaltwassersatzes (KMS). Als Grenzwerte können die Änderungen abgelesen werden, mit denen bei Erlaß des Leistungspreises (LPV = 0) und bei Verdoppelung des Referenzwertes zu rechnen ist. Die Auswirkungen veränderlicher Wasserkosten sind Bild 8 dargestellt. Abschließend soll noch der Einfluß unterschiedlicher Vollbenutzungsstunden untersucht werden. Dazu wird zunächst das Jahresbetriebsverhältnis JBV definiert: JBZ JBV = [Gl. 7] RW JBZ: RW: Jahresbetriebszeit Richtwert der Gebäudeart aus Tabelle 1 Bild 7 Einfluß des elektrischen Leistungspreises auf die spezifischen Annuitäten Am Beispiel des Verwaltungsgebäudes kann gezeigt werden, daß bei Variation der Jahresvollbenutzungsdauer um +/ 20 % lediglich eine Änderung der spezifischen Annuität in der Größenordnung +/ 5 DM zu erwarten ist. Ursache für diesen geringen Einfluß sind die relativ niedrigen Arbeitstarife für elektrische Energie. Zur besseren Darstellung zeigt Bild 9 nur den Bereich JBV > 1, Verhältnisse für JBV < 1 können im Diagrammbereich bis 20 % extrapoliert werden. TGA Fachplaner

5 offener Kühlturm 5, , , , geschl. Kühlturm 5, , , , Glykol-Kühler 5, , , , direkt luftgekühlt 5, , , , Tabelle 2 Spezifische Annuitäten der unterschiedlichen Gebäude- und Rückkühlarten (ESS Eisspeichersystem, KMS Konventionelle Kälteanlage) Durch die Einführung spezifischer Annuitäten, die alle Kostenanteile der Kälteversorgung zusammenfassen, konnten die Einflüsse verschiedener Varianten der Kälteerzeugung und unterschiedlicher Gebäudearten auf die Jahresbetriebskosten aufgezeigt werden. Die dargestellten Abhängigkeiten der spezifischen Annuitäten von den einzelnen Einflußgrößen ermöglichen einen Ausblick auf veränderte Verbrauchskosten. Die damit verbundenen Gesamtkostenänderungen sind jedoch gering im Vergleich zu den Kostenvorteilen, die sich aus der grundlegenden Entscheidung für den Einbezug eines Kältespeichers ergeben. Formelzeichen und Abkürzungen t Zeit t B Betriebszeit (Kühllastdauer) t L Ladezeit ESS Q 0 Kälteleistung Q 0,max Spitzenkühllast P el Elektr. Leistungsaufnahme ε Leistungszahl ν A a V a KMS ESS VG TH ME KR KA Nacht-/Tag-Leistungsverhältnis Annuität [DM/a] spezifische Annuität [DM/(a kw)] Annuitätenverhältnis Konventionelles Kältemaschinensystem Eisspeichersystem Verwaltungsgebäude Theater Messehalle Krankenhaus Kaufhaus 62 TGA Fachplaner

6 Es wurden vier Kälteanlagenkonzepte berücksichtigt wassergekühltes System mit offenem Kühlturm (R 134a) solegekühltes System mit geschlossenem Verdunstungskühler (R 134a) solegekühltes System mit luftgekühltem Solerückkühler (R 134a) direktgekühltes System mit luftgekühltem Kondensator (R 407C) J Bild 8 Einfluß des Wasserpreises auf die spezifischen Annuitäten Literatur [1] Grandegger, K.: Technische Unterlagen und Auslegungsprogramm für Eisspeicher. Fa. Fafco Deutschland. Leinfelden-Echterdingen [2] Hilligweg, A.: Kälteanlagen (in: Handbuch Facility Management. Hrsg. W. Lutz). ecomed Verlag. Landsberg [3] Sponsel, C.: Ermittlung von Kennzahlen zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von Eisspeicheranlagen. Diplomarbeit im Fachbereich Maschinenbau und Versorgungstechnik. Georg-Simon-Ohm-Fachhochschule Nürnberg. Dezember 2000 [4] VDI-Richtlinie 2067: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen. VDI-Verlag Düsseldorf [5] Energie- und Wasserversorgung AG Nürnberg. Kostenauskunft September 2000 Dipl.-Ing. (FH) Christian Sponsel studierte Versorgungstechnik an der FH Nürnberg. Zur Zeit ist er bei der Danfoss Socla GmbH tätig, für die er die Gebietsvertretung Bayern übernommen hat Bild 9 Einfluß der Jahresbetriebszeit auf die spezifischen Annuitäten eines Verwaltungsgebäudes Prof. Dr.-Ing. Arnd Hilligweg vertritt im Fachbereich Maschinenbau und Versorgungstechnik der Georg-Simon-Ohm- Fachhochschule Nürnberg die Lehrgebiete Technische Thermodynamik, Kältetechnik und Energiewirtschaft, arnd.hilligweg@fh-nuernberg.de TGA Fachplaner