Umbau und energetische Sanierung des Stadtarchivs Stuttgart

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Fritzi Schwarz
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1 Umbau und energetische Sanierung des Stadtarchivs Stuttgart Dr. Jürgen Görres Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz, Abteilung Energiewirtschaft Gaisburgstraße 4, D Stuttgart Telefon 0711/ , Fax 0711/ Juergen.Goerres@stuttgart.de Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 1

2 Landeshauptstadt Stuttgart Einwohner 207 km² Siedlungsfläche Einwohner pro km² städtische Gebäude m² beheizte Fläche Bedarfsstellen Strom MWh/a 37,3 Mio. Euro/a Wärme MWh/a 18,2 Mio. Euro/a Wasser m³/a 8,4 Mio. Euro/a 63,9 Mio. Euro/a Stand 2014 Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 2

3 Inhalt des Vortrags Stadtarchiv Stuttgart Energiekonzept Eisspeicherheizung Erfahrungen Technik Wirtschaftlichkeit Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 3

4 Stadtarchiv m² beheizte Nettogrundfläche Archivgutlagerung Ausstellungen Kulturveranstaltungen geschichtswissenschaftliche Forschung Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 4

5 Sanierung vorher nachher Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 5

Sanierung 2008 2010 Denkmalschutz für Fassade (Straßenseite und Innenhof) Innendämmung

keine Wasserführung im Archivbereich Konditionierung über raumlufttechnische Anlage

6 Sanierung Denkmalschutz für Fassade (Straßenseite und Innenhof) Innendämmung (U-Wert 0,25 W/m²K) Dachdämmung (U-Wert 0,19 W/m²K) Fensteraustausch (U-Wert 1,4 W/m²K) keine Wasserführung im Archivbereich Konditionierung über raumlufttechnische Anlage Bildquelle: Google maps Außendämmung (U-Wert 0,14 W/m²K) Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 6

Anforderungen im Stadtarchiv Archivräume 50 % r. F. 18 C Archivräume Sonderzone 40 % r. F. 18 C Haustechnik Heizen Kühlen Entfeuchten Befeuchten Lesesaal 20 C 50 % r.

7 Anforderungen im Stadtarchiv Archivräume 50 % r. F. 18 C Archivräume Sonderzone 40 % r. F. 18 C Haustechnik Heizen Kühlen Entfeuchten Befeuchten Lesesaal 20 C 50 % r. F. Außenluftbedingungen Sommerfall 35 C / 40 % r. F. Winter -12 C / 50 % r. F. Büros 20 C Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 7

8 tägliche Energiebereitstellung [kwh/d] Lastgänge Heizung und Kälte Lastgang Kälte Lastgang Heizung Heizen Entfeuchten Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 8

9 Kälte-/Wärmeanforderung im Sommer 18 C / 50 % r.f. zur Entfeuchtung der Luft Abkühlung auf 7,5 C 7,5 C Auslegung Kältenetz 8/14 C Vorlauf nicht ausreichend Betrieb Kältemaschinen h,x-diagramm Erwärmung der Luft von 7,5 C auf 20 C Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 9

10 Haustechnik 4 Gasabsorptionswärmepumpen Heizen 4 x 36 kw Kühlen 4 x 17 kw Gaskessel 280 kw 2 Kältemaschinen 2 x 135 kw freie Kälte Außenlufteinheit 200 kw 5 Lüftungsanlagen m³/h Heizen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten Eisspeicher 400 m³ Speicherkapazität kwh Bildquelle: Robur Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 10

11 Energiekonzept Raumheizung Büros Archivräume 18 C / 50 % r.f. Umluft Gas Kältemaschine Gaskessel RLT- Anlagen freie Kühlung Strom Gas Wärmepumpen Wärmetauscher Eisspeicher Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 11

12 Stadtarchiv Kältezentrale (DG) Lüftungszentrale (DG) Archivräume Büros Lesesaal (EG) Heizzentrale (UG) Bildquelle: Google maps Eisspeicher unter Innenhof Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 12

13 Eisspeicherheizung Kältenutzung Wärmepumpe Wärmenutzung Glykolkreislauf Eispanzer um Glykolleitungen Eisspeicher Aufnahme von Erdwärme Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 13

14 Blick in den Eisspeicher Eispanzer Glykolleitung Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 14

15 Vorteile der Eisspeicherheizung hohe Speicherkapazität durch Phasenübergang zeitliche Unabhängigkeit von Wärme- und Kältenutzung Energiespeicherung (Kälte im Winter für den Sommer) witterungsunabhängiges Temperaturniveau Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 15

16 Anwendungsgebiete Gebäude mit jahreszeitenabhängigem Wärme- und Kältebedarf Wärme- und / oder Kälteüberschuss Alternative zu Geothermie Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 16

17 Vergleich installierte und gemessene Leistung Installierte Leistung Heizleistung Kessel 280 kw Wärmepumpen 4 x 36 kw Summe 424 kw Kälteleistung Kältemaschinen 2 x 135 kw Eisspeicher 140 kw Freie Kälte 200 kw Maximum 270 kw Bei Kälteerzeugung ist kein Parallelbetrieb möglich Bedarfsmessung Heizleistung Kälteleistung kw 240 kw kw 196 kw kw 144 kw kw 188 kw Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 17

18 Jährlicher Endenergieverbrauch [kwh/a] Vergleich geplanter und gemessener Endenergieverbrauch Kälte Wärme 0 Planung 2012 Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 18

19 Jährlicher Endenergieverbrauch [kwh/a] Entwicklung Endenergieverbrauch Kälte Wärme Planung Verringerung der Luftvolumenströme Anpassung der Betriebszeiten Heizung Senken der Vorlauftemperaturen Schließen von Bypässen und Überströmungen Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 19

20 Heizleistung [kw] Heizleistung [kw] Jahresdauerlinien Heizleistung 2012 Heizleistung 2013 Heizleistung 2014 Heizleistung Max. Leistung Wärmepumpen: 140 kw Jahresstunden Jahresstunden Kessel theoretisch nur an 25 Stunden im Jahr notwendig Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 20

21 tägliche Wärmeerzeugung [kwh/d] Tatsächliche Deckungsanteile Gaskessel Wärmepumpe Deckungsanteile : Gaskessel 40 % : Wärmepumpe 60 % zahlreiche Defekte und Störungen ab 2015 erfolgt keine Instandsetzung mehr Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 21

22 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Leistung [kw] Taktung der Wärmeerzeuger Wärme Gaskessel Wärme Wärmepumpe Uhrzeit am Messintervall 15 min gibt Taktung unzureichend wieder Zeitraffervideo Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 22

23 Taktung Wärmepumpen-Brenner 1 Sekunde im Film entsprechen ca. 10 Minuten Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 23

24 Taktung der Wärmepumpen Ursachen und Folgen hohe Taktraten der Wärmepumpen mutmaßlich Hauptgrund für geringe Effizienzkennwerte und Verschleiß der Wärmepumpen kein Pufferspeicher auf Heizungsseite Regelungsverhalten zu optimieren Optimierung der Regelparameter Einbau Pufferspeicher (März 2016) vollständiger Ersatz aller vier Wärmepumpen (März 2016) Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 24

25 Heizleistung [kw] COP Umbau Heizleistung Wärmepumpe COP 2, ,1 1,8 1,5 Ersatz aller vier Wärmepumpen ,2 0,9 Einbau Pufferspeicher ,6 0,3 0,0 Inbetriebnahme mittlerer COP seit Umbau: 1,39 (vorher 1,1) Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 25

26 Deckung des Wärmebedarfs konventionell Ist Soll Wärmebedarf 566,4 MWh/a 566,4 MWh/a 566,4 MWh/a Wärmeerzeugung Gaskessel 566,4 MWh/a 459,6 MWh/a - Wärmeerzeugung Wärmepumpen COP Wärmepumpen (Heizbetrieb) 106,8 MWh/a 566,4 MWh/a 1,1 1,35 Gasbedarf 596,2 MWh/a 580,8 MWh/a 419,5 MWh/a Einsparung Gas 15,4 MWh/a 176,7 MWh/a Einsparung Euro 920 Euro/a Euro/a Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 26

27 Deckung des Kältebedarfs konventionell ist soll Kältebedarf 434,5 MWh/a 434,5 MWh/a 434,5 MWh/a Kälteerzeugung Kältemaschinen 434,5 MWh/a 413,9 MWh/a 287,8 MWh/a Kältebereitstellung Eisspeicher 19,2 MWh/a 146,7 MWh/a Arbeitszahl Eisspeicherkühlung 0,20 0,35 Einsparung Strom für Kälte 5,8 MWh/a 40,9 MWh/a Einsparung Euro Euro/a Euro/a Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 27

28 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist soll Mehrinvestition für Eisspeicheranlage Euro Euro Einsparung Gas 920 Euro/a Euro/a Einsparung Strom Euro/a Euro/a Summe Euro/a Euro/a Kapitalrückflusszeit im Sollbetrieb: 20,9 Jahre Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 28

29 Fazit Anlage zur Wärmeerzeugung ist überdimensioniert Kurzzeitspeicherung (ohne Eisspeicher) hätte aufgrund der Gleichzeitigkeit von Wärme- und Kältebedarf vermutlich genügt Gasabsorptionswärmepumpen störungsanfällig elektrisch betriebene Wärmepumpen Pufferspeicher für Wärmepumpen notwendig Kaltwasserspeicher statt Eisspeicher Aufnahme von Umgebungswärme führt zu Verlust von Kälteenergie Langfrist-Speicherung infolge des oft gleichzeitigen Wärme- und Kältebedarfs gering Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Folie 29

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