In diesem Band sind die auf der Veranstaltung gehaltenen Vorträge dokumentiert.

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2 Vorwort Am Donnerstag 12. Juni 2008 findet im VDI-Haus in Stuttgart-Vaihingen das Groß- Wärmepumpen-Symposium Wärmepumpen in Industrie- und Großbauten - Energie sparen und Umwelt schützen statt. Veranstalter sind das Institut für Energiewirtschaft & Rationelle Energieanwendung (IER) der Universität Stuttgart, die OCHSNER Wärmepumpen GmbH und der VDI-Arbeitkreis Energietechnik des WIV Württembergischer Ingenieurverein e.v. in Stuttgart. Wärmepumpen größerer Leistungen können zum Heizen und Kühlen von Betriebsund Bürogebäuden, von Wohnsiedlungen, Verwaltungsgebäuden sowie von Hotels und Freizeiteinrichtungen eingesetzt werden. Durch die dabei erzielten Einsparungen an Energie- und Betriebskosten sind Großwärmepumpen als besonders wirtschaftlich zu bezeichnen. Sie eignen sich auch zur Nutzung von (Prozess-)Abwärme jeglicher Art, weshalb ihr Einsatz damit ebenso zur Effizienzsteigerung von Produktionsbetrieben beitragen kann. Ziel des Symposiums ist, technische Rahmenbedingungen, Anwendungsmöglichkeiten und Potenziale von Großwärmepumpen sowie Erfahrungen bei deren Planung und Einsatz in Industrie und Gewerbe darzustellen und zu vermitteln. Die Tagung richtet sich an Haustechnikplaner, Facility Manager, Gebäudetechniker, an Entscheider und Betriebsleiter aus Industrie und Handwerk, an Energie- und Umweltbeauftragte sowie an Teilnehmer/innen aus den Industriebranchen Ernährung, Textil, Holz, Papier, Chemie und Kunststoff. In diesem Band sind die auf der Veranstaltung gehaltenen Vorträge dokumentiert. Voß DI Karl Ochsner Prof. Dr.-Ing. Alfred Copyright Die Texte sind nur zur internen Verwendung auf der Veranstaltung und bei den Tagungsteilnehmern persönlich vorgesehen. Jeder Abdruck - auch auszugsweise und auch im Internet - bedarf der Zustimmung des jeweiligen Autors.

3 Inhalte 1 Einführung in das Thema: Was ist der Nutzen von Groß- Wärmepumpen? DI Karl Ochsner, Ochsner Wärmepumpen GmbH 2 Großwärmepumpen in der Industrie - Potenziale, Hemmnisse und Best- Practice-Beispiele Dipl.-Ing. Jochen Lambauer, IER, Stuttgart 3 Einsatzmöglichkeiten & Leistungen von Großwärmepumpen Ing. Alfred Buchmayr, OCHSNER Wärmepumpen GmbH, Haag/A 4 Kältekreis-Optmierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela, OCHSNER Wärmepumpen GmbH, Haag/A 5 Ansatzpunkte und Beispiele für energieeffiziente Wärmepumpen Dipl.-oec. Steffen Klein, COMBITHERM Apparate- und Anlagenbau GmbH, Fellbach 6 Kältemittel und Verdichter für Industriewärmepumpen Dipl.-Ing. (FH) Rolf Blumhardt, Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH, Sindelfingen 7 Großwärmepumpen zur Fernwärme- und Kälteversorgung Dipl.-Ing. FH Ulrich Pietrucha, Friotherm AG, Winterthur/CH 8 Erforderliche Rahmenbedingungen für den erfolgreichen Einsatz einer Großwärmepumpe, am Beispiel eines Büro- und Entwicklungsstandortes Dipl.-Ing. (FH) Martin Windhab, Bosch Rexroth GmbH, Heilbronn 9 Wärmetrans - ein patentiertes Wärmeerzeugungsverfahren Dipl.-Ing. Karsten Rasche, Ingenieurbüro Rasche Wärmetrans, Leipzig 10 Abwärme-Erfahrungen aus EnBW Netzwerk Energieeffizienz Dipl.-Ing. (BA) Armin Schreijäg, EnBW Vertriebs- und Servicegesellschaft mbh, Ravensburg

4 Der Nutzen von Groß-Wärmepumpen DI Karl Ochsner OCHSNER Wärmepumpen GmbH, Haag/A

5 Was ist der Nutzen von Groß-Wärmepumpen Karl Ochsner Mit Tagespreisen von 139 $ und den aktuell prognostizierten Rohölpreisen von 200 $ pro Barrel erleben wir derzeit den größten bisherigen Ölschock der Geschichte. Der Energiehunger der Menschheit lässt nicht nach. Energieeffizienzmaßnahmen in Wohnbau, Verkehr und Industrie greifen nur langsam und werden auf globaler Ebene nur zu wenig umgesetzt. Inzwischen wächst der Energieverbrauch kontinuierlich an. Die Reserven an fossilen Energieträgern gehen rascher als erwartet zur Neige. Der peak oil, das globale Fördermaximum, wird überschritten. Eine Preiskorrektur zwischen Angebot und Nachfrage stellt sich ein. Spätestens wenn die Rohölpreise 200 $ pro Barrel überschreiten, wird dies jedermann klar sein. Doch nicht die Versorgung allein gilt es sicherzustellen. Es sind auch die klimapolitischen Zielsetzungen, welche durch neue Formen der Energieversorgung zu erreichen sind. Der Klimawandel ist gegenwärtig die größte ökologische Herausforderung, der mit einem Mix an erneuerbaren Technologien und effizienzsteigernden Maßnahmen gegenübergetreten werden muss. Von der Wahl unserer Energieversorgung ist aber auch unser gesamtes Wirtschaftssystem betroffen. Wir haben die Aufgabe, die Wettbewerbsfähigkeit unserer Wirtschaft, der Wirtschaft Europas sicherzustellen, denn nur mit einer starken wirtschaftlichen Basis haben wir die Möglichkeit, eine positive europäische Energie- und Umweltpolitik umzusetzen bzw. global Einfluss zu nehmen und damit die Entwicklung zu steuern. Aus all diesen Gründen müssen wir jetzt handeln: Wir benötigen Lösungen, die rasch umsetzbar sind. Wir benötigen Lösungen, die ohne viele Subventionen realisierbar sind. Wir benötigen Lösungen, die ohne schädliche (ökologische) Nebenwirkungen Energie erzeugen. Wärmepumpen stellen jene Technologie dar, welche all diesen Anforderungen entspricht. Wärmepumpen haben deshalb heute schon das Potenzial die bedeutendste erneuerbare Technologie für den Raumwärmemarkt zu werden. Umgebungswärme oder bodennahe Erdwärme ist überall und absolut unbegrenzt vorhanden und kann mit der Wärmepumpen-Technik genutzt werden. Dabei wird die in Boden, Wasser oder Luft gespeicherte Sonnenenergie durch die Technologie der Wärmepumpe auf ein für den jeweiligen Anwendungsfall entsprechendes Temperaturniveau gebracht. Wirtschaft, Politik und Verwaltung sind nun aufgefordert, die Chancen, welche die Wärmepumpen-Technik bietet, zu erkennen und zu ergreifen. Die Nutzung der Umgebungswärme bietet sehr hohe Potentiale und kann zukünftig eine der tragenden Säulen der erneuerbaren Energieversorgung darstellen. 1

6 Abb.: Heizen und Kühlen mit Erneuerbaren/Ein Szenario der TU Wien Quelle: Biermayr, Haas: Heizen und Kühlen mit Erneuerbaren, Wien 2007 Die Wärmepumpen-Technik ist ausgereift und wird im Bereich Einfamilienhaus bereits mehrheitlich eingesetzt. So beheizt die Stadt Zürich ihr Rathaus bereits seit 1937 mit einer Wärmepumpe die nunmehr älteste in Betrieb befindliche Anlage. Diese frühe Beschäftigung mit der Nutzung von Umgebungswärme resultiert auch in einem Wärmepumpen-Marktanteil von 76 % im Bereich Neubau von Einfamilienhäusern. Aber auch Länder der EU weisen hohe Marktanteile und hohes Marktwachstum aus. In Österreich beispielsweise war von 2006 auf 2007 ein Marktwachstum von 22 % bei Heizungswärmepumpen zu verzeichnen. Wärmepumpen-Technik ist leistbar: Im Neubau sind die Mehrinvestitionen für Wärmepumpen geringfügig. Auch für den Sanierungsbereich ist die Wärmepumpe eine perfekte Lösung, die mit neuen Technologien Heizungs-Vorlauftemperaturen von 65 C erreicht. Damit können auch Radiatorenheizungen, welche im Altbau überwiegend vorhanden sind, versorgt werden. Wärmepumpen bieten als einziges Heizungssystem auch die Möglichkeit zu Kühlen. Diese Funktion hat eine steigende Bedeutung, da der Bedarf an Kühlung aufgrund moderner Gebäudearchitektur und der einsetzenden Klimaveränderung ein starkes Wachstum aufweist. Die Wärmepumpe stellt schließlich eine kostengünstige Alternative zur Wärmedämmung von Gebäuden dar. Mit wesentlich geringerem finanziellen Aufwand können mit ihr vergleichbare Primärenergie-Einsparungen realisiert werden. Diese Einsparungen sind nun auch für Hauseigentümer, welche beabsichtigen ihre Immobilie zu vermieten oder zu verkaufen, von großer Bedeutung. Der verpflichtende Energieausweis beeinflusst den Marktwert des Gebäudes wesentlich. Potential von Wärmepumpen: Wärmepumpen alleine haben das Potential bis zu 1/5 zur Erreichung der Energie- und Klimaziele der EU (20/20/20 Ziele) alleine im Einfamilienhaus-Sektor beizutragen. Im Sektor Großbau, Industrie und Gewerbe, sowie in der Landwirtschaft sind zusätzliche Potentiale enthalten. Daher wäre der Einsatz von Wärmepumpen in diesen bisher kaum beachteten Sektoren ein Gebot der Stunde. 2

7 Der für den verstärkten Einsatz erforderliche Strom kann beispielsweise durch Effizienzsteigerung bei Elektrogeräten, aber auch Kraftwerken aufgebracht werden. Ein heutiger Kraftwerks-Wirkungsgrad von 40 % kann jederzeit mittels GuD (Gas und Dampf Kraftwerke) auf einen Wirkungsgrad von 0,6 (bei gleichzeitiger Wärmenutzung durch ein BHKW bis 0,9) höchst umweltfreundlich und energieeffizient gesteigert werden. Erneuerbare Stromerzeugung kommt hinzu. Wie nachfolgende Abbildung darstellt, ist die Wärmepumpe bereits jetzt die erneuerbare Spitzentechnik: Beim heutigen europäischen Strommix kann 86% emissionsfreie Wärme verfügbar gemacht werden. Abb.2: Energieflussbild Wärmepumpe Der raschen Verbreitung dieser Technologie stehen jedoch auch Hemmnisse gegenüber. Hauptsächlich handelt es sich dabei um fehlendes Wissen sowie um Informationsmängel bei Betreibern, Planern, Architekten, Politikern aber auch der öffentlichen Verwaltung. Diese Hemmnisse müssen beseitigt werden. Unser Großwärmepumpen Symposium in Stuttgart soll ein Schritt in diese Richtung sein. Weiterhin werden folgende Faktoren den Einsatz von Wärmepumpen großer Leistungen positiv beeinflussen: Ein Preis von 200 $ pro Barrel, der bereits erwähnte, steigende Kühlbedarf, der nun verpflichtende EU-Gebäudeausweis und insbesondere die Tatsache, dass die Investition in eine Wärmepumpe eine extrem rentable und zukunftssichere Wertanlage darstellt. 3

8 Groß-Wärmepumpen in der Industrie - Potenziale, Hemmnisse und Best-Practice-Beispiele Dipl.-Ing. J. Lambauer Dipl.-Ing. M. Ohl, Dr.-Ing. M. Blesl, Dr. rer. pol. U. Fahl, Prof. Dr.-Ing. A. Voß Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart Prof. Dr.-Ing. A. Voß, Heßbrühlstrasse 49a, Stuttgart

9 Groß-Wärmepumpen in der Industrie - Potenziale, Hemmnisse und Best-Practice-Beispiele - Groß-Wärmepumpen in der Industrie - Potenziale, Hemmnisse und Best-Practice-Beispiele Dipl.-Ing. J. Lambauer, Dipl.-Ing. M. Ohl, Dr.-Ing. M. Blesl, Dr. rer. pol. U. Fahl, Prof. Dr.-Ing. A. Voß Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart Prof. Dr.-Ing. A. Voß, Heßbrühlstrasse 49a, Stuttgart In Industrie und Gewerbe lassen sich Groß-Wärmepumpenanlagen vorteilhaft zur Bereitstellung von Raum- und Prozesswärme sowie zur Abwärmenutzung einsetzen. Neben der Verwendung der üblichen Wärmequellen (Luft, Erdreich und Grundwasser) sind in der Industrie häufig Wärmequellen auf höherem Temperaturniveau, z. B. Abwärme von Kühlprozessen und Prozessabluft, verfügbar. Diese teilweise nicht direkt nutzbaren Wärmequellen können durch den Einsatz von Groß- Wärmepumpen sowohl innerhalb des Betriebes als auch für die Wärmeversorgung benachbarter Betriebe oder Wohngebiete genutzt werden. Darüber hinaus lassen sich Wärmepumpen vorteilhaft zur Entfeuchtung von Luft, z. B. in Trocknungsprozessen, einsetzen. Ziel des mit finanzieller Unterstützung durch die Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg durchgeführten Forschungsvorhabens war es deshalb, vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten für Groß-Wärmepumpenanlagen in Industrie und Gewerbe in Deutschland zu identifizieren und deren Potenzial abzuschätzen. Für ausgewählte Anwendungsfälle, die potenziell von besonderem Interesse für den Einsatz von Groß-Wärmepumpen sind, wurden detaillierte Machbarkeitsstudien durchgeführt. Die untersuchten Anlagen decken einen Bereich von ca. 90 kw th bis ca. 970 kw th hinsichtlich der durch die Groß- Wärmepumpe bereitgestellten thermischen Leistung ab. Die Untersuchungen zeigen, dass im Moment die meisten der analysierten Anlagen Abwärme als Wärmequelle nutzen und sehr spezifisch auf die jeweiligen Bedingungen und Anforderungen des Unternehmens angepasst und ausgelegt sind. Die Vielzahl der Unternehmen stellt damit Raumwärme für Produktions- und Bürogebäude bereit. Der Anteil der durch die Groß-Wärmepumpe bereitgestellten Nutzenergie liegt zwischen 17 % und 100 %. Die durchgeführte Potenzialanalyse zeigt, dass in Deutschland im Bereich der Brauchwarmwasserbereitstellung in der Industrie ca. 14,6 PJ pro Jahr durch Groß-Wärmepumpen bereitgestellt werden könnten. Für den Bereich der Raumwärme und für Niedertemperatur-Prozesswärme wurde das Potenzial für drei verschiedene Stufen hinsichtlich des darstellbaren Temperaturniveaus von Wärmepumpen berechnet (70 C, 80 C und 100 C). Mit der aktuellen Technologie (Temperaturniveau 70 C) ergibt sich somit ein Potenzial von 231,1 PJ/a, welches durch Groß-Wärmepumpen zur Verfügung gestellt werden könnte. Falls das Temperaturniveau auf 80 C angehoben wird, steigt das Potenzial um weitere 10,6 PJ pro Jahr an. Aus einer Anhebung des Temperaturniveaus auf 100 C würde ein Zuwachs von nochmals ca. 147,9 PJ pro Jahr resultieren. In den Branchen Ernährung und Chemie würde bereits ab einer Ausgangstemperatur von 80 C ein großer Anteil (Ernährung: 40 PJ/a, Chemie: 29 PJ/a) durch Groß-Wärmepumpen abgedeckt werden können. Bei einer Erhöhung auf 100 C könnte sogar der Großteil des Nutzwärmebedarfs des Papiergewerbes durch Groß- Wärmepumpenanlagen zur Verfügung gestellt werden. Die Weiterentwicklung der aktuellen Wärmepumpentechnologie ist also dringend erforderlich, um die darstellbare Temperatur von 70 C auf bis zu 100 C anheben zu können. 1

10 Groß-Wärmepumpen in der Industrie - Potenziale, Hemmnisse und Best-Practice-Beispiele - Dazu sind neue Kältemittel in der Entwicklung. Untersuchungen zum Beispiel mit R 227ea lassen mögliche Temperaturen von ca. 90 C realistisch erscheinen. Durch den Einsatz von R 245fa sollten Temperaturen von über 100 C realisierbar sein. Wann diese neuen Kältemittel auf dem Markt verfügbar sein werden, kann im Moment nach Aussagen von Kältemittelherstellern jedoch noch nicht abgeschätzt werden. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass industrielle Groß-Wärmepumpen (Ausgangstemperatur 100 C) die Möglichkeit bieten, in Deutschland ca. 389,5 PJ Nutzwärme pro Jahr zur Verfügung zu stellen. Dies sind ca. 15 % des gesamten Energiebedarfs und ca. 30 % des Nutzwärmebedarfs der deutschen Industrie im Jahr Bisher wird jedoch nur ein sehr geringer Anteil dieses Potenzials genutzt. Hinsichtlich der CO 2 -Emissionen wäre dadurch eine Einsparung von ca. 6,3 Mio. Tonnen CO 2 pro Jahr möglich. Dies entspricht 6,2 % der gesamten CO 2 -Emissionen der deutschen Industrie im Jahr Neben den technischen Hemmnissen, vor allem die für viele Prozesse noch zu geringe darstellbare Temperatur der aktuellen Wärmepumpentechnologie, verhindert ein Informationsund Erfahrungsmangel über die Einsatzmöglichkeiten von Groß-Wärmepumpen in industriellen Prozessen die schnelle Verbreitung der Technologie. Fazit Gemäß dieser aktuellen Analyse möglicher Anwendungsfälle und Best-Practice-Beispiele lässt sich feststellen, dass die Hauptanwendung von Groß-Wärmepumpen im industriellen Bereich derzeit die Brauchwarmwasser- und Raumwärmebereitstellung darstellt. Für eine Vielzahl von industriellen Prozessen ist die darstellbare Temperatur der aktuellen Groß-Wärmepumpen noch nicht ausreichend hoch. Die Nutzung von Abwärme stellt jedoch zusätzlich zu den Ergebnissen der Potenzialanalyse ein weiteres großes Potenzial für den Einsatz von Groß-Wärmepumpen in der Industrie dar, welches bisher noch nicht untersucht und analysiert wurde. Darüber hinaus zeigt der Kontakt zu Herstellern, potenziellen Betreibern, Planern, Verbänden und Informationsstellen, dass das Wissen über industrielle Groß-Wärmepumpen eher gering ist. Für den Einsatz solcher Groß-Wärmepumpen müssen nach der durchgeführten Hemmnisanalyse bestimmte Rahmenbedingungen (z. B. geeignetes Temperaturniveau der Wärmequelle, Zuverlässigkeit und Umfang der nutzbaren Abwärme, Gleichzeitigkeit von Wärmebedarf und Abwärmeanfall, etc.) eingehalten und beachtet werden, um zufriedenstellende Ergebnisse erzielen zu können. Doch bereits mit der heutigen Technik können Groß-Wärmepumpen in der Industrie einen Beitrag zur Energieeinsparung und zur weiteren Verringerung der CO 2 -Emissionen leisten. Kontakt: Jochen Lambauer Tel: Jochen.Lambauer@ier.uni-stuttgart.de Danksagung Diese Untersuchung wurde in Kooperation mit der Ochsner Wärmepumpen GmbH durchgeführt und von der Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg unter der Fördernummer A als Teil des Projektes Industrielle Großwärmepumpen - Potenziale, Hemmnisse und Musterbeispiele finanziell unterstützt. 2

11 Einsatzmöglichkeiten & Leistungen von Großwärmepumpen Ing. Alfred Buchmayr OCHSNER Wärmepumpen GmbH, Haag/A

12 OCHSNER Großwärmepumpen GWP Symposium Stuttgart 1. Firma OCHSNER Wärmepumpen GmbH 2. Bauarten und Leistungen für kommerziellen Einsatz 3. Wärmequellen und Wärmenutzung 4. Einsatz und Branchen 5. Referenzen 1

13 OCHSNER Großwärmepumpen 1. OCHSNER Wärmepumpen GmbH OCHSNER stellt seit 30 Jahren ausschließlich Wärmepumpen her Über Geräte sind erfolgreich im Einsatz Vollsortiment für: - Heizen - Kühlen - Warmwasserbereitung - Wärmerückgewinnung 2

14 OCHSNER Großwärmepumpen Das Produktionsprogramm für jede Leistung Golf Midi plus Golf Maxi plus Combi Universal Air-Station plus Standard Industrie-WP mit OVi Technologie 4,8 bis 11 kw 10 bis 30 kw 4,8 bis 11 kw 6 bis 25 kw 30 bis 90 kw 100 bis kw 3

15 OCHSNER Großwärmepumpen Produktionsstandorte Haag und Arnstadt 4

16 OCHSNER Großwärmepumpen 2. GWP - Bauarten und Leistungen für den kommerziellen Einsatz mit Scrollverdichter 46 bis 96kW kaskadierbar mit Schraubenverdichter 80kW bis 1MW kaskadierbar mit Turboverdichter 270 bis 400kW kaskadierbar 5

17 OCHSNER Großwärmepumpen Großwärmepumpen mit Schraubenverdichter Serienmäßig OVi -Technik Serienmäßig bis 65 C Vorlauftemperatur und erhöhte Leistungsziffer Serienmäßig kompatibel mit: - LonWorks - Modbus - BACnet - TCP/IP - SNMP - TREND - METASYS 6

18 OCHSNER Großwärmepumpen Großwärmepumpen mit Schraubenverdichter / Wasser-Wasser R134a max. 65 C VLT 8

19 OCHSNER Großwärmepumpen Großwärmepumpen mit Schraubenverdichter / Sole - Wasser R134a max. 65 C VLT 9

20 OCHSNER Großwärmepumpen Notwendige Angaben für ein Angebot: Benötigte Heizleistung? Wärmequelle? Gewünschte Vorlauftemperatur? 46kW x MW Sole od. Wasser Bis 65 C! Zubehör? Regelkonzept? 10

21 OCHSNER Großwärmepumpen Zubehör Standard Schallschutzhaube Fernüberwachung OeCC-Technik (elektr. Kältekreis- Controller) 11

22 OCHSNER Großwärmepumpen Regelkonzept - Anlagendatenblatt Allgemeine Daten zu Kunde, Planer und Betreiber Anlagen-Auslegungsdaten: Heizen, Kühlen, Brauchwasserbereitung Regelung: Witterungsgeführt, Sollwertvorgabe Wärmequellanlage: bei Wasser: Dauerpumpversuch, chem. Analyse bei Sole: Frostschutzanteil, Anbindelänge Wärmeverteilsystem: WNA Umwälzpumpe Zubehör 12

23 OCHSNER Großwärmepumpen 3. Wärmequellen und Wärmenutzung Wärmequellen Grundwasser Oberflächenw. Abwasser mech. Abwärme Erdwärme Geothermie Energiepfähle Prozesswärme 13

24 OCHSNER Großwärmepumpen 3. Wärmequellen und Wärmenutzung Wärmeverteilsysteme Fußboden Wand Radiatoren Konvektoren Warmwasser Sportplätze Eissportplätze Schwimmbäder 14

25 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela OCHSNER Wärmepumpen GmbH, Haag/A

26 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

27 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen Präsentationsinhalte Einleitung Kreisprozess Auswahl der Komponenten Leistungsregelung Einsatzgrenzen Prüfstand Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

28 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen Die OCHSNER Wärmepumpen GmbH wurde 1978 gegründet und ist seit jeher geprägt von Umweltorientierung, Pioniergeist und Innovation Sie begann als einer der ersten Hersteller im europäischen Raum industriell zu produzieren und gilt heute als einer der internationalen Technologieführer in der Branche Immer effizientere Wärmepumpen mit höchstmöglichem Kundennutzen sind das Ergebnis jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

29 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen Das Komplettangebot für alle Wärmequellen deckt sämtliche Bereiche ab Heizungs-Wärmepumpen, auch mit Funktion Heizen- Kühlen Brauchwasser-Wärmepumpen Großwärmepumpen Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

30 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen Ziele der Forschung und Entwicklung Erhöhung der Leistungszahl Erhöhung der Betriebssicherheit Garantie eines wartungsfreien Betriebes Optimierung des Regelverhaltens Optimierung der Abmessungen und des Gewichtes Reduktion der Schallemission Erweiterung der Einsatzgrenzen Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

31 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen Kreisprozess OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen Der rückwärtslaufende Carnot-Prozess im T-S Diagramm als vereinfachter Wärmepumpenprozess Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

32 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen Kreisprozess OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen Leistungszahl ε kann auch über die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle (Verdampfer) und Wärmenutzungsanlage (Kondensator) berechnet werden ε c = = T u...temperatur der Umgebung aus der Wärme aufgenommen wird T...Temperatur der Umgebung an die Wärme abgegeben wird T T T- T u Δ T Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

33 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen Kreisprozess OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen OVi Technik (OCHSNER Vapor injection) Seit 2006 setzt Firma OCHSNER als ein der ersten Hersteller diese Technik bei Wärmequelle Luft ein Wird von OCHSNER bei Großwärmepumpen als Standardausführung eingesetzt Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

34 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen OVi - Unterkühlungs-Kreislauf mit Teilstrom-Dampf-Einspritzung Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

35 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen Kreisprozess Vorteile OVi - Prozess Insbesondere bei hohen Vorlauftemperaturen (Verflüssigungstemperaturen) Erhöhung der Kälteleistung (Heizleistung) OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen Erhöhung der Leistungszahl (bei W10/W50 COP von 3,7 auf 4,1) Monovalenter Betrieb bis -18 C Luft Aussentemperatur Maximale Heizungs-Vorlauftemperatur bis 65 C Serienmäßig bei Wärmequelle Luft Serienmäßig bei Großwärmepumpen Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

36 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen Komponenten Vollhermetischer Scroll Verdichter OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen Quelle: Copeland Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

37 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen Komponenten OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen Halbhermetischer Kompakt-Schrauben Verdichter Quelle: Bitzer Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

38 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen Komponenten Turbo-Verdichter Inverter speed control 2 stage, direct drive, hermetic centrifugal compressor Permanent magnet motor Inlet Guide Vanes Motor and bearing control Quelle: Danfoss-Turbocor Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

39 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen Komponenten Warum Turbo-Verdichter? OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen hocheffiziente 2 Zentrifugal-Turbinen höchstmögliche Leistungszahl im Teillastbetrieb ölfreier Betrieb durch Magnetlager Welle schwebend, daher Reibungsverluste weniger als 2% genaue Anpassung der Leistung an Wärmebedarf einer Anlage durch integrierten drehzahlgesteuerten Antrieb ( bis UPM) niedrigste Schallemission - Schalldruckpegel in 1m Abstand: 78dB(A) bei 350 kw Leistung Startstrom durch den Sanftanlauf weniger als 5 Amp. Gewicht ca. 1/5 eines gleichwertigen Schrauben-Verdichter. Einsatzgrenzen Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

40 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen Standard Kältekreislauf in OCHSNER Großwärmepumpen mit OVi und Zusatzkühlung durch Kältemitteleinspritzung (LI) Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

41 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen OCHSNER Großwärmepumpen mit Schrauben- Verdichter und mit Turbo-Verdichter IWWS170ER2 IWWS340ER2 IWWT400ER2 Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

42 Kältekreis-Optimierung, Regelung und Planungshinweise zu Großwärmepumpen Komponenten Elektronisches Expansions-Ventil OCHSNER Kompetenz bei Wärmepumpen Dipl.-Ing. Thomas Ciepiela Groß-Wärmepumpen-Symposium, Stuttgart-Vaihingen CIT/MUD

43 Ansatzpunkte und Beispiele für energieeffiziente Wärmepumpen Dipl.-oec. Steffen Klein COMBITHERM Apparate- und Anlagenbau GmbH, Fellbach

44 Ansatzpunkte und Beispiele für energieefiziente Wärmepumpen Ansatzpunkte und Beispiele für energieefiziente Wärmepumpen Dipl.-oec. Steffen Klein COMBITHERM Apparate- und Anlagenbau GmbH, Fellbach Einführung: Um Ansatzpunkte für Effizienzverbesserungen bei Großwärmepumpen (Heizleistung >50 kw) zu finden ist es sinnvoll, zunächst einige Begriffsbestimmungen durchzuführen und Aufgabenstellung zu formulieren. Dies geschieht unter anderem vor dem Hintergrund, dass es bei Anlagen größerer Leistung mehr Möglichkeiten gibt, projektspezifische Komponenten wirtschaftlich zu integrieren als bei seriell hergestellten Hauswärmepumpen. Der Blickwinkel kann dabei breiter ausgerichtet werden und die ingenieurstechnischen Aspekte sind anspruchsvoller. Begriffe: Energieeffektivität und das Konzept des Exergiepotenzials Die landläufige Forderung nach Energiesparen führt in der Konzeption von Wärmepumpen und nicht nur da ins Leere, da nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik Energie nicht verloren geht, sondern nur umgewandelt werden kann. Somit kann man Energie im wissenschaftlichen Sinn auch nicht sparen. Abgesehen davon ist E- nergie im Universum praktisch unbegrenzt vorhanden, so dass ein Mangel an Energie nicht zu erkennen ist. Die Begriffe müssen also schärfer definiert werden. An die Stelle des Energiesparens tritt der Begriff der Energieeffizienz: dieser ergibt sich bei Wärmepumpen aus dem Quotienten aus Wärmeleistung und eingesetztem Kraftbedarf, üblicherweise als Heiz-Leistungszahl oder COP bezeichnet und eignet sich ganz gut zum Vergleich verschiedener Anlagentypen. Als Imperativ für die Konzeption von Wärmepumpen greift diese Definition aber zu kurz, da bei einem Leistungsbedarf von 0 sprich ausgeschalteter Anlage die Effizienz am größten wäre. Hier eignet sich der Begriff der Energieeffektivität besser, der eine zu definierende Zielsetzung beinhaltet. Da die Verwendung des Energiebegriffs nicht ausreichend ist, muss hierfür im zweiten Schritt ein Ersatz gefunden werden. Energie selbst ist zwar im Überfluss vorhanden, aber nur ein Teil kann auch genutzt werden. Diese nutzbare Energie wird als Exergie bezeichnet, nicht nutzbare Energie in Ergänzung dazu Anergie. Energie beinhaltet also immer auch ein zu hebendes Exergiepotenzial. 1

45 Ansatzpunkte und Beispiele für energieefiziente Wärmepumpen Aufgabenstellung für die Anlagenplanung: Aus oben Gesagtem folgt zum einen, dass zusätzlich zur Energieefizienz Ziele definiert werden müssen. Im Zusammenhang mit Großwärmepumpen wären hier Anlagenverfügbarkeit, Betriebssicherheit, Rentabilität oder Erfüllung notwendiger Prozessvorgaben denkbar. Aus dieser Perspektive rückt die Effizienz wieder etwas in den Hintergrund, da die Gewichtung der Planungszielsetzung sich nicht auf die Reduzierung des Energieeinsatzes richten darf. Eine effektive Wärmepumpe definiert sich dann durch bestmögliche Erreichung eines Zielbündels. Daneben steht die Suche und Verknüpfung von Exergiepotenzialen, wie sie durch zeitgleichen Bedarf an Heizung und Kühlung entstehen können, oder beispielhaft durch die Nutzung von Geothermie oder Abwärme. Die Exergieanalyse ist bei Großwärmepumpen ein essentieller Bestandteil der Planung und ermöglicht bei entsprechender Anwendung eine deutlich Verbesserung der Anlageneffizienz. Zu guter letzt lassen sich Effizienzsteigerungen durch Verknüpfung verschiedener singulärer Systeme erreichen. Denkbar sind hier BHKWs, Wind- und Wasserkraft oder Wärmerückgewinnungssystem. Da die reine Anlagentechnologie der Wärmepumpen weit fortgeschritten und damit stark ausgereizt ist wird die Aufgabe der Zukunft in der Systembetrachtung liegen, was aufwändige Planungsleistungen voraussetzt, Beispiele: - Geothermiewärmepumpe Liebherr, Ehingen - Kältemaschine mit 2-facher Wärmerückgewinnung Tierpark Hagenbeck, Hamburg - Kombinierte Wärmepumpe und Kältemaschine mit Kühlturmwasser Bosch, Horb - Das Wärmetrans-System 2

46 Kältemittel und Verdichter für Industriewärmepumpen Dipl.-Ing. (FH) Rolf Blumhardt Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH, Sindelfingen

47 Kältemittel und Verdichter für Industriewärmepumpen Kältemittel und Verdichter für Industriewärmepumpen Dipl.-Ing. (FH) Rolf Blumhardt Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH, Sindelfingen Die zur Verwendung in Industriewärmepumpen verfügbaren Kältemittel unterscheiden sich nicht von Kältemitten für Kälteanlagen. Wärmepumpen und Kälteanlagen können identische Kreisläufe mit dem gleichen Kältemittel, mit Verdichter, Verflüssiger, Expansionsorgan und Verdampfer aufweisen. Auch das Temperaturniveau der kalten und warmen Seite gibt keine Auskunft darüber, ob es sich um eine Kälteanlage oder eine Wärmepumpe handelt. Der Unterschied liegt ausschließlich außerhalb des Kältekreislaufes in der Nutzung der kalten Seite bei Verwendung als Kälteanlage oder der warmen Seite bei Wärmepumpenanwendung. Natürlich ist auch die gleichzeitige Nutzung der kalten und warmen Seite möglich. Dies ist in Bezug auf den Energieeinsatz die optimale Kombination. Bei der Wahl des für die geplante Anwendung geeigneten Kältemittels sind mehrere Kriterien zu beachten und zu bewerten. Betriebsdruck. Vakuum vermeiden, Max. Betriebsdruck der Verdichter und Komponenten nicht überschreiten. Verdichtungscharakteristik. Zu hohe Verdichtungsendtemperaturen vermeiden. Hohe Kältemittelleistungsdichte. Direkter Einfluss auf den Verdichterpreis. Leistungszahl. Oft gegenläufig zur Kältemittelleistungscharakteristik. Kompromiss zwischen Preis und Energieeffizienz notwendig. Giftigkeit. Besondere Vorkehrungen zum Personenschutz Brennbarkeit. Vermeidung der Bildung von explosionsfähigen Gemischen, oder Bau der Anlage entsprechend der ATEX Direktive. Agressivität gegenüber Werkstoffen. Ammoniak / Kupfer. Motoren außerhalb des Kreislaufes. Löslichkeit und Mischbarkeit mit Kältemaschinenölen. Umlauf des Öles zusammen mit dem Kältemittel oder separate Ölrückführung von der Niederdruckseite. Die aktuell verfügbaren Kältemittel lassen sich den Gruppen Chlorfreie HFKW-Kältemittel und Gemische (z. B. R134a, R404A, R410A, ) und Halogenfreie Kältemittel ( NH 3, R723, Kohlenwasserstoffe, CO 2 ) zuordnen. Chlorfreie H-FKW-Kältemittel und Gemische Vorteilhaft bezüglich der Hauptanforderungen gute Erfahrungen in einem großen Anwendungsbereich Nachteil: großer Treibhauseffekt im Falle von Emissionen 1

48 Kältemittel und Verdichter für Industriewärmepumpen Kohlenwasserstoffe thermodynamisch Vorteilhaft, vernachlässigbares Treibhauspotenzial Nachteile: brennbar / explosiv hohe Sicherheitsanforderungen große Öllöslichkeit mit üblichen Schmierstoffen hauptsächlich eingesetzt in Systemen mit kleiner Kältemittel-Füllung oder in Spezialanwendungen mit Explosionsschutzausführung Ammoniak (NH3) überzeugende thermodyn. Eigenschaften, kein direktes GWP Nachteile: toxisch hohe Sicherheitsanforderungen korrodiert Kupfermaterial bevorzugte Verwendung in industriellen Kälteanlagen, da unterschiedliche Bewertung der Eigenschaften und Anforderungen Kohlendioxid (CO2) GWP vernachlässigbar, nicht brennbar, nicht toxisch, chemisch inaktiv, extrem hohe Kälteleistung das ideale Kältemittel? Nachteile: extreme Drucklagen, kritische Temp. bei nur 31 C thermodynamisch nachteilig bei hohen Temp. geringere Grenzwerte (in Luft) als bei H-FKW Vorteilhaft in TK-Kaskadenstufen und als Kälteträger Das für die Verwendung in Industriewärmepumpen geeignetste Kältemittel wird, ausgehend von den Betriebsbedingungen ausgewählt. Die von den Verdichterherstellern angebotenen Softwareprogramme sind hierzu das geeignete Werkzeug. Besteht die Wahl zwischen mehreren Kältemitteln muss die Entscheidung entsprechend den Kundenanforderungen (hohe Leistungszahl = höhere Kosten und umgekehrt) getroffen werden. Für Industriewärmepumpen mit Nutzungstemperaturen im Bereich zwischen 45 und 65 C hat sich das Kältemittel R134a hervorragend bewährt. In diesem Bereich sind auch die meisten der realisierten Anlagen angesiedelt. Darunter ist auch der Einsatz von anderen HFKW-Kältemitteln möglich. Nutzungstemperaturen über 65 C bis zu 100 C oder knapp darüber werden immer wieder angefragt. Typische Hochtemperaturkältemittel sind z. B. R227ea und R236fa. Wegen der in diesem Bereich hohen Anforderungen an die Gestaltung der Kälteanlage, die zur Verfügung stehenden Schmierstoffe und die Nähe der Verdichtungsendtemperaturen zum max. zulässigen Wert wurden in diesem Bereich bisher nur wenige - meist Testanlagen - realisiert. 2

49 Großwärmepumpen zur Fernwärme- und Kälteversorgung Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Pietrucha Friotherm AG, Winterthur/CH

50 Ulrich Pietrucha, International Sales, Friotherm AG, Winterthur, Switzerland District heating and cooling with large centrifugal chiller-heat pumps Abstract: With prices for primary energy resources soaring, the recovery of "waste energy" is getting into the focus of attention. The global climate change reminds us to limit the use of primary energy resources to a minimum, thus exploiting "waste energy" potentials wherever feasible. The process of upgrading low grade waste heat is especially interesting where large amounts of such energy are available at one point. This is for example the case in sewage treatment plants, alongside main sewers or at the smoke stacks of waste incineration plants using wet type flue gas cleaning. In all this cases, large amounts of valuable high grade heating energy can be produced with a minimum input of primary energy. 1 INTRODUCTION Described are applications of large centrifugal heat pumps - chillers for the use in large district heating and district cooling systems. Operation of the units is either in heat recovery mode or in combined heating and cooling mode. 2 SYSAV MALMÖ - HEAT RECOVERY FROM WET FLUE GAS CLEANING PROCESS SYSAV Malmö in Sweden has built a new waste-to-energy plant. An important part in this plant was the installation of a 19MW heat pump using the flue gas condensation as heat source. The heat pump is supplying hot water with a temperature of up to 70 C to the district heating system of the community of Malmö. Technical data: Number and type of units 2 UNITOP 28C Refrigerant R134a Cooling capacity / heat source temp. in/out 15'500 kw Heating capacity / heating temp. in/out 19'000 kw Power at terminal 3'500 kw Coefficient of performance Friotherm heat pumps Type UNITOP 28CX-71210U From districtheating-network Heat source capacity 24.3 C 15.5MW Heat sink capacity 19MW 50 C Power consumption 3.5MW Fluegas Flue- gascondensing Flue-gascleaning 34.2 C C Steamturbine Generator Boiler Waste-to-Energy plant SYSAV Malmö Sweden Groß -Wärmepumpen-Symposium- 12.Juni / 4

51 Ulrich Pietrucha, International Sales, Friotherm AG, Winterthur, Switzerland 3 FORTUM FOR NIMROD STOCKHOLM - COMBINED HEATING AND COOLING 3.1 Combined heating and cooling in Nimrod plant Due to the fact that with every cooling process there is also waste heat generated, Friotherm AG, which has worked since many years on chillers with heat recovery, has worked out a concept which allows various operating modes in order to operate the chiller / heat pumps more efficient over a longer period and, making therefore the investment more attractive: There are 4 chiller- / heat pumps installed in the Nimrod plant. The centrifugal compressors are switched in parallel for summer cooling production of 48MW. However during this period heat recovery is not required as there is sufficient capacity available from the existing heat pumps. The same units are producing during spring, autumn and winter a cooling capacity 24MW with a full heat recovery of 35.6MW at a temperature level of 78 C. For heat recovery operation mode the centrifugal compressors are switched in series. Each chiller / heat pump consists of two centrifugal compressors Type Uniturbo 33CX and 28CX and is able to operate at the following modes, described below: Single stage operation 2 compressors in parallel Two stage operation 2 compressors in series Sea water Heating water Cooling capacity 12 MW Heating capacity 9 MW Cooling capacity 6 MW Figure 2: Nimrod Plant: P&I-diagrams showing parallel and two-stage operation 4 VIKEN FJERNVARME OSLO FOR SKOYEN VEST - HOT WATER AT +90 C Commissioning of Norway's largest heat pump took place in December 2005 with a heating capacity of 18'400 kw from a single Unitop 50FY unit. Due to enormous effect in energy savings only 6 months later a second heat pump was ordered, increasing the total plant capacity to kW. With both heat pumps Viken Fjernvarme was enlarging its heating supply by 12% to 1'050 million kwh per year. Groß -Wärmepumpen-Symposium- 12.Juni / 4

52 Ulrich Pietrucha, International Sales, Friotherm AG, Winterthur, Switzerland Technical data: Number of units 2 Type UNITOP 50 FY and UNITOP 34FY Refrigerant R134a Cooling medium Raw waste water Raw waste water flow m3/h Heating water temp. in/out 60 / 90 C Heating water flow 824 m3/h Heat capacity kw Coefficient of performance 2.83 up to >3.2 Figure 3: Skoyen Plant: 50FY design Figure 4: Skoyen Plant 50FY 5 HELSINKI ENERGY FOR KATRI VALA - COMBINED HEATING AND COOLING This is the largest combined chiller heat pump installation in the world producing simultaneously 60MW cooling capacity and 90MW heating capacity = 150MW of cooling + heating capacity. The required electrical input is 30MW i.e. a superb COP of 5 can be achieved (150MW / 30MW). During Winter season the required cooling is done by sea water, while heat is produced by using cleaned waste water as heat source. This installation is intended to operate more than 8000hours per year. Technical data: Summer Winter Number of units 5 5 Type UNITOP 50 FY UNITOP 50 FY Refrigerant R134a R134a Cooling medium District cooling water Sea water, indirect Cooling capacity kw kw Cold water temp. in/out 20.0 / 4.0 C 10.0 / 4.0 C Cold water flow m3/h m3/h Heating water temp. in/out 45.0 / 88.0 C 50 / 62 C up to 88 C Heating water flow m3/h m3/h Power at terminal kw kw Heating capacity kw kw Coeff. of performance produced thermal energy, total 150'565 kw - Coeff. of performance, overall Groß -Wärmepumpen-Symposium- 12.Juni / 4

53 Ulrich Pietrucha, International Sales, Friotherm AG, Winterthur, Switzerland 88 C Districtheating Network 45 C Summer Operation M 30 MW 90 MW 60 MW 4 C 20 C Districtcooling Network 22 C 33 C 5 heat Heatpump pumps Unitop 50FY 50FY Helsinki Ener for Katri Val Harbour of Sörnainen Typical flow sheet Sewage water tunnel Harbour of Sörnainen Figure 5: District heating / cooling production Katri Vala, Helsinki, Finland Winter Operation M 30 MW 62 C 90 MW 60 MW 3 C Districtheating Network 50 C 15 C Districtcoolin Networ g k 5 heat Heatpum pumps Unitop 50FY 10 C 4 C 3 C 15 C 22 C 33 C for Katri Va 12 C 6 C 1 C 13 C Harbour of Sörnainen Typical flow sheet Sewage water tunnel Harbour of Sörnainen Figure 6: District heating / cooling production Katri Vala, Helsinki, Finland Switzerland Friotherm AG P.O.Box 414 Zürcherstrasse 12 CH-8401 Winterthur Tel Fax ulrich.pietrucha@friotherm.com Germany Friotherm Deutschland GmbH Oberhof 13a DE Weißensberg Tel Fax bernd.sontheim@friotherm.de Groß -Wärmepumpen-Symposium- 12.Juni / 4

54 Erforderliche Rahmenbedingungen für den erfolgreichen Einsatz einer Groß-Wärmepumpe am Beispiel eines Entwicklungsstandortes Dipl.-Ing. (FH) Martin Windhab Robert Bosch GmbH

55 Robert Bosch GmbH Postfach Heilbronn Besucher: Robert-Bosch-Allee Abstatt Tel Martin Windhab, FCM-Abt Tel 2700 Martin.Windhab@de.bosch.com 08. Juni 2008 Groß-Wärmepumpensymposium VDI-Haus Stuttgart Sehr geehrte Damen und Herren, Anbei erhalten Sie meinen Vortrag zum Groß- Wärmepumpensymposium am im VDI- Haus in Stuttgart. Erforderliche Rahmenbedingungen für den erfolgreichen Einsatz einer Groß-Wärmepumpe am Beispiel eines Entwicklungsstandortes. 1.0 Allgemein Der Standort Abstatt der Robert Bosch GmbH, (Kreis Heilbronn) Sitz der Bosch Geschäftsbereiche Chassis Systems Brakes und Chassis Systems Control sowie der Bosch Engineering GmbH ist ein Entwicklungszentrum für Fahrsicherheitssysteme und Ingenieurs-Dienstleistungen. Der Standort umfasst heutzutage mit vier Gebäuden eine Nutzfläche von rd m², ein weiteres Gebäude mit über m² wird bis 2010 errichtet. Die Energiezentrale, die den Standort mit Kälte und Wärme versorgt, ist im Untergeschoss des Gebäudes zentralen Funktionen, wie Kantine, Konferenzzentrum, Personalabteilung und Facility-Management untergebracht. Sitz: Stuttgart, Registergericht: Amtsgericht Stuttgart HRB Aufsichtsratsvorsitzender: Hermann Scholl; Geschäftsführung: Franz Fehrenbach, Siegfried Dais; Bernd Bohr, Wolfgang Chur, Rudolf Colm, Gerhard Kümmel, Wolfgang Malchow, Peter Marks; Volkmar Denner, Peter Tyroller

56 Die bestehende Anlagen, also Kältemaschinen, Heizkessel, Wärmepumpe sind nicht nur für die jetzt fertig gestellten 4 Gebäude, sondern auch für die Versorgung von drei weiteren Gebäuden, die in Abstatt noch gebaut werden können, dimensioniert. Etwaige bzw. notwendige Erweiterungen sowie zusätzliche Kältemaschinen, Heizkessel, Kühltürme usw. erfolgen im geplanten Baukastensystem ohne Betriebsunterbrechung. 08. Juni 2008 Seite 2 von 9 Für den Endausbau der Zentrale für insgesamt 7 Gebäude - können folgende Leistungen installiert werden. Kälteleistung Heizleistung Leistung der Kühltürme Heizleistung der Wärmepumpen Kälteleistung der 2 Wärmepumpen 15,5 MW 14,5 MW 18,0 MW 2,3 MW 1,7 MW Die Kälte- und Heizleistungen der Wärmepumpen sind in den vorgenannten Gesamtenergien enthalten. Derzeit beträgt die installierte Kälteleistung 9,5 MW Heizleistung 8,4 MW jeweils einschließlich der Leistung der Wärmepumpe. Die einzelnen Gebäude sind mit Fernleitungen und begehbaren Betonkanälen mit der Energiezentrale verbunden. 2.0 Kälte- und Wärmeversorgung Bei der Festlegung des Energiekonzepts war in erster Linie die Nutzung der Gebäude entscheidend. Rund ein Drittel der Kälteenergie wird für Prüfstände in Form von Kaltwasser mit einer Vorlauftemperatur zwischen 12 C und 26 C und zwei Drittel der Kälteenergie für RLT-Anlagen (=Raumlufttechnik- Anlagen) mit einer Vorlauftemperatur von 7 C bis 12 C gleitend entsprechend der Außentemperatur, benötigt.

57 Für die Verbraucher, die Kaltwasser von 26 C benötigen, wäre es möglich gewesen, dies ausschließlich über Kühltürme zu erzeugen. Hierfür wäre allerdings ein getrenntes Kühlwassernetz erforderlich. 08. Juni 2008 Seite 3 von 9 Untersuchungen bezüglich der Kühlwasserversorgung haben klar aufgezeigt, dass es bedeutend wirtschaftlicher ist, über ein gemeinsames Kaltwassernetz auch die Verbraucher mit höheren Temperaturen (z.b. 18 C - 26 C) mit Kaltwasser aus der Kältezentrale zu versorgen. Von großer Bedeutung ist die zukünftige Flexibilität, die nur bei einem Kaltwassernetz entsprechend groß ist. In diesem Fall ist es ganz entscheidend, dass die Versorgung der Verbraucher im Hinblick auf die Hydraulik optimal konzipiert ist. So werden z.b. die Verbraucher mit höheren Temperaturen den Verbrauchern mit niedrigeren Temperaturen hydraulisch nachgeschaltet. Dadurch können letztendlich auch die Fernleitungen, z.b. für eine Vorlauftemperatur von 7 C und eine Rücklauftemperatur von 20 C und damit für relativ geringe Wassermengen, ausgelegt werden. Die Kaltwassernetzpumpen in der Zentrale fördern das Kaltwasser bis zu den Endverbrauchern mit einer benötigten Vorlauftemperatur von 7 C - 12 C. Diese Vorlauftemperatur wird entsprechend der Außentemperatur von 7 C bis auf 12 C angehoben. Die weiteren Verbrauchergruppen mit Vorlauftemperaturen von 13 C und höher verfügen über interne Pumpengruppen, wobei die Einspeisung des Kaltwassers von 7 C - 12 C jeweils über Durchgangsventile erfolgt. Ganz entscheidend dabei ist die richtige Auswahl der parallel geschalteten Netzpumpen sowohl auf der Kühlwasser- als auch auf der Heizseite. Je nach dem Schlechtpunkt der Anlage werden die einzelnen Netzpumpen zu- und abgeschaltet, wobei die Grundlastpumpe jeweils drehzahlgeregelt ist.

58 2.1 Wärmepumpe 08. Juni 2008 Seite 4 von 9 Ein wesentlicher Faktor des Energiekonzepts ist der Einsatz einer bzw. in Zukunft von zwei Großwärmepumpen zur gleichzeitigen Kälte- und Wärmeerzeugung. Dank des Hydrauliksystems der Kaltwasserversorgung lässt sich eine optimale Nutzung dieser Großwärmepumpen erreichen. Hierzu ist es erforderlich, dass die Leistung der Wärmepumpe so dimensioniert wird, dass sie möglichst mit Volllast das ganze Jahr über ständig in Betrieb ist, um eine optimale Wirtschaftlichkeit zu erreichen. Aufgrund einer 4-jährigen Betriebs-Erfahrung in Abstatt trifft dies zu 100 Prozent zu. Die Wärmepumpe wird in Abhängigkeit des Wärmebedarfs als reine Heizmaschine betrieben und liefert sozusagen als Abfallprodukt immer Kälte. (Aus der Planungshistorie begründet, könnte sie auch als Kältemaschine eingesetzt werden, was aus heutiger Sicht jedoch unsinnig wäre) Die vorher genannte Betriebs-Erfahrung hat gezeigt, dass der Mindestwärme- und der Mindestkältebedarf des Standorts Abstatt der vollen Leistung der installierten Wärmepumpe entspricht. Selbst bei hohen Außentemperaturen im Sommer - also bei hohem Kältebedarf - ist immer noch die erforderliche Heizleistung mindestens so hoch wie die der Wärmepumpe. Grund ist der starke Feuchtegehalt bei hohen Außentemperaturen der eine Nachwärmung der entfeuchteten Luft erfordert. Wenn im Winter und in der Übergangszeit die benötigte Kälteenergie die Kälteleistung der Wärmepumpe übersteigt, kommt die freie Kühlung zum Einsatz. Zusätzlich zur Wärmepumpe kann über freie Kühlung über die Kühltürme das benötigte Kaltwasser von max. 12 C ohne den Einsatz von Kältemaschinen erzeugt werden.

59 Wärmepumpe, freie Kühlung und Kältemaschinen sind hydraulisch in Reihe geschaltet. Dem Kaltwasserrücklauf wird zuerst mit der Wärmepumpe soviel Wärme entzogen, wie zum Heizen benötigt wird. Besteht weiterer Kühlbedarf wird der Wärmetauscher der freien Kühlung aktiviert. Sollte diese Art von Kühlung aufgrund von steigenden Außentemperaturen, immer noch nicht ausreichend sein, gehen die Kältemaschinen, je nach benötigter Leistung, der Reihe nach in Betrieb. 08. Juni 2008 Seite 5 von Kühlwasserversorgung Im Endausbau beträgt die von Kältemaschinen erzeugte Kälteleistung (ohne Wärmepumpen) 13,8 MW. Hierzu sind zehn gleich große Kühltürme geplant, die je nach Ausbau der Kältezentrale im Baukastenprinzip installiert werden. Aus Energie und Platzgründen sind Kühltürme mit offenem Kreislauf vorgesehen. Ein nahezu schwadenfreier Betrieb ist durch Wärmetauscher in der Fortluft der Kühltürme gesichert, der die Luft um ca. 1 C nachwärmt. Diese Heizenergie zur Nachwärmung der Luft steht sehr günstig aus dem Wärmepumpenbetrieb zur Verfügung. Zwischen Kühltürmen und Kältemaschinen ist ein gemeinsames Kühlwassernetz mit mehreren Pumpen vorgesehen. Der Betrieb der Kühltürme erfolgt in Abhängigkeit der Kühlwassertemperatur. Wie zuvor bereits erwähnt, werden die Wärmepumpen (derzeit ist eine installiert) im Betrieb nicht in das Kühlwassernetz eingebunden, da beim Betrieb gleichzeitig Wärme und Kälte erzeugt und die sogenannte Kondensatorwärme direkt zum Heizen benötigt wird. 2.3 Wärmeversorgung Das Heiznetz für sämtliche Verbraucher ist in allen Gebäuden, im Hinblick auf den Wärmepumpenbetrieb, auf Temperaturen von 70/45 C ausgelegt.

60 Die Grundlastwärme wird über die Wärmepumpe erzeugt und damit die Rücklauftemperatur des Sammelheizungsrücklaufs angehoben. Durch das Einhalten der Rücklauftemperatur von 45 C aus den Gebäuden und aufgrund der Heiztemperatur der Wärmepumpe von 50/55 C ist sichergestellt, dass das ganze Jahr über ein Wärmepumpenbetrieb möglich ist. Dies ist auch die absolute Voraussetzung für den wirtschaftlichen Einsatz. 08. Juni 2008 Seite 6 von 9 Die Heizkessel gehen nur in Betrieb, wenn die Wärme der Wärmepumpe nicht mehr ausreicht (Heizkurve). Wie bei der Kälteanlage wird auch das Heizwasser über eine Netzpumpengruppe bis zu den Endverbrauchern gefördert. Auch diese Pumpengruppe wird nach einem Anlagenschlechtpunkt gefahren, wobei entsprechend dem Anlagendruck die einzelnen Pumpen zu- /abschalten. Wie bei der Kälte handelt es sich auch bei der Heizung hydraulisch um ein mengenabhängiges System. 3.0 Betriebserfahrung Von Beginn der Planung an wurde größter Wert auf energiesparende, einfach zu betreibende und leicht zu kontrollierende Systeme gelegt. Aus diesem Grund wurden für alle Kälte- und Wärmeerzeuger, Wärme- und Stromzähler eingebaut, um die Energiemengen und damit auch die Wirkungsgrade und Leistungsziffern dieser Anlagen ständig kontrollieren zu können. Natürlich werden auch die benötigten Wärme- und Kältemengen beziehungsweise die Ein- und Austrittstemperaturen der einzelnen Gebäude gemessen. Dies gilt auch für die zugeführten und die abgegebenen Energiemengen der Kühlturmanlagen (freie Kühlung).