Optimierte Anlagenhydraulik und Temperaturversorgung

Biomasse-Nahwärme und Wärmerückgewinnung im Verbund – ein unter wirtschaftlichen wie ökologischen Gesichtspunkten vielversprechendes Energiekonzept. Ist aber die energetische Infrastruktur eines Gebäudes veraltet und die Anlagenhydraulik gestört, dann geht die Effizienzrechnung meist nicht mehr auf. Ein Sport- und Badbetrieb im Touristenort Lenzerheide (Schweiz) zeigt Folgen und Lösungen einer verbreiteten Problemlage im Objektbestand auf.

Vor rund 40 Jahren entstand das Sportzentrum Lenzerheide im schweizerischen Kanton Graubünden als zentraler Anziehungspunkt für Sportler, Urlauber und Erholungsuchende. Mit zunehmenden Besucherzahlen und einer steigenden Nachfrage nach differenzierten Angeboten entwickelten sich in den vergangenen Jahren auch die Raumkapazitäten des Freizeitobjekts weiter, das ursprünglich lediglich ein Hallenbad sowie ein überdachtes Eisfeld umfasste. Seit 2008 lockt die neu integrierte Wellness-Oase H₂Lai Touristen aus aller Welt in die Gemeinde Vaz/Obervaz. Von der luxuriösen Sauna- und Wasserlandschaft über Fitnesseinrichtung, Minigolfanlage und Restaurant bis hin zur ganzjährig nutzbaren Eishalle bietet das erweiterte Sportzentrum seinen Gästen heute ein vielseitiges, modernes und komfortorientiertes Leistungsspektrum. Sein Betrieb ist entsprechend energieintensiv.
„Der thermische Bedarf eines solchen multifunktional genutzten Objekts ist immens“, erklärt Urs Kormann, Teamleiter des Ingenieurbüros Amstein + Walthert AG in Chur. „Gleichzeitig muss eine Vielzahl unterschiedlicher Temperaturvorgaben eingehalten werden – bei der Raumbeheizung, der Bereitstellung von Trinkwarmwasser, der Eisflächenkühlung und Hallenklimatisierung sowie der Badewassertemperierung. Allein für den Betrieb der Schwimm-, Bade- und Wellnessbecken stellt das H₂Lai rund 1 Mio. l Warmwasser in verschiedenen Temperaturen zur Verfügung. Vor diesem Hintergrund stehen Effizienzgewinn und Versorgungsstabilität ganz klar im Fokus der energetischen Gebäudebewirtschaftung.“

Einbinden statt vernichten: ­Niedertemperaturen nutzbar machen
Erzeugerseitig wird ein nachhaltiger Energiebezug durch Anbindung an das gemeindeeigene Biomasse-Nahwärmenetz umgesetzt. Die seit 2003 als Energiestadt zertifizierte Gemeinde Vaz/Obervaz setzt zur Wärmeerzeugung naturbelassene Holzschnitzel aus der Region ein; die Biomasseheizung liefert dem Sportzentrum so Wärmeenergie mit einer Spitzenkapazität von 1,5 MW. Als vorrangig angesteuerte Wärmequelle dient heute jedoch eine 425-kW-Ammoniak-Kälte-Anlage; sie produziert die benötigte Kälte für den Betrieb der Eishalle. Die dabei entstehende Abwärme lässt sich mittels Wärmerückgewinnung für Heizvorgänge im angrenzenden Wellnessbad nutzbar machen. Grundsätzlich zählen NH3-basierte Kältelösungen zu den favorisierten Verfahren speziell im sogenannten Großkälte-Einsatz, da sie laut Planer Kormann ein besonders günstiges Verhältnis von Kälteleistung zu Antriebsleistung (COP-Wert) aufweisen. Wird darüber hinaus die Abwärme aus dem Kälteerzeugungsprozess im eigenen energetischen Versorgungskreislauf weiterverwendet, verbessert sich die Anlageneffizienz zusätzlich.
„Bis vor wenigen Jahren war eine effiziente Einbindung der (Abwärme-)Niedertemperatur in das Wärmenetz des Gebäudekomplexes allerdings noch gar nicht realisierbar“, berichtet Urs Kormann. „Stattdessen mussten die Techniker vor Ort Sorge dafür tragen, dass die anfallende thermische Energie kontinuierlich eliminiert wurde. Für diese Notkühlung mussten regelmäßig mehrere Tausend Liter Trinkwasser aufgewendet werden.“ Der wesentliche Grund für die insgesamt unzureichende und ineffiziente Wärmeversorgung des Sport- und Wellnesszentrums lag nicht – wie oft vermutet – auf der Erzeugerseite. Probleme verursachte vielmehr eine veraltete energetische Infrastruktur und ein Verteilsystem, das den neuen Anforderungen nach der Gebäudeerweiterung 2008 nicht mehr gerecht werden konnte. Konventionelle Lösungen wie der in Lenzerheide einst verbaute Balkenverteiler können im Betrieb gerade bei Laständerungen und Spitzenlastabfrage mitunter an ihre Leistungsgrenzen stoßen. Die Folgen sind dann z. B. eine Unterversorgung der Heizkreise oder Störungen in der Netzhydraulik, die entstehen, wenn sich der Pumpenbetrieb einzelner Kreise gegenseitig negativ beeinflusst. Erhält etwa eine kleine Pumpe am Verteiler nicht die erforderliche Wassermenge, stimmen die Druckverhältnisse zwischen Vor- und Rücklauf nicht mehr. So besteht die Möglichkeit, dass sich die Pumpe daraufhin selbsttätig reguliert und sich auf eine höhere Drehzahl einstellt. Entsprechend würde dann auch die Aufnahme an elektrischem Strom steigen. Alle weiteren Pumpen innerhalb des Systems reagieren dann in gleicher Weise, um den notwendigen Differenzdruck aufzubauen. Das Ergebnis wäre ein gegenseitiges Hochschaukeln des Pumpenbetriebs, verbunden mit einem deutlichen Anstieg des Energieverbrauchs.

Verteilertechnologie – zentrales Element im Sanierungskonzept
Um den Komfortstandard einer modernen Sport- und Freizeiteinrichtung zukünftig sicher gewährleisten zu können und darüber hinaus die kommunalen Nachhaltigkeitsziele zu erfüllen, vergab die Gemeinde 2013 den Auftrag für die Komplettsanierung der energetischen Infrastruktur und ihrer Gebäudetechnik an die Fachplaner der Amstein + Walthert-Gruppe. Im ersten Schritt erstellten die Experten eine Zustandsanalyse der gesamten Gebäudetechnik und legten auf Basis der erhobenen Daten die Sanierungsprioritäten und die zugehörigen Kostenfolgen für eine mehrjährige Budgetplanung fest. Die Umsetzung des Sanierungskonzepts, das eine Modernisierung aller Gebäudeautomatisations- und Wärmeversorgungsanlagen vorsah, erfolgte bereits ein Jahr später und konnte innerhalb eines Zeitraums von nur drei Monaten abgeschlossen werden. Im Fokus des Sanierungsprojekts stand insbesondere eine konzeptionell optimierte Einbindung der bestehenden Ammoniak-Kälteanlage für die Eisproduktion. Ebenfalls angepasst wurden die Trinkwassererwärmung sowie die thermische Versorgung durch die Biomasse-Heizung. Für die Realisierung einer effizienzoptimierten und zugleich hydraulisch ausbalancierten Energieversorgung favorisierten die Ingenieure die Installation eines Zortström-Sammel-, Speicher- und Verteilzentrums. Das dabei eingesetzte Verfahren beruht auf der hydraulischen Entkopplung von unterschiedlichen Volumenströmen und der Vorhaltung von Wärmeenergie, die in beliebig vielen Temperaturstufen exakt voneinander getrennt wird. Im Zortström lassen sich so thermische Kapazitäten verschiedener Kälte- und Wärmequellen – unabhängig ob konventionell und regenerativ – ohne eine gegenseitige Beeinflussung zusammenführen, mit einer optimalen Temperaturverteilung im Speicher sammeln und bedarfsgeführt an Abnehmer auf der Verbraucherseite verteilen.
„Auf diese Weise können auch die Rückläufe aus einem Hochtemperatur-Heizkreis effizient als Vorlauf für eine niedrigere Temperaturbereitstellung genutzt oder – wie nach der energetischen Sanierung des Sportzentrums – Niedertemperaturen aus dem Wärmerückgewinnungsprozess der Kälteerzeugung weiterverwendet werden,“ erläutert Martin Steinhart, Geschäftsführer der Zortea Gebäudetechnik GmbH. „Die Einbindung eines Zortström als hydraulischer Nullpunkt ermöglicht einen Anlagenbetrieb unter technisch optimalen Bedingungen mit maximalen Laufzeiten und ohne hydraulische Störungen. Sie dient so gesehen als Effizienzhebel für den Einsatz regenerativer Erzeugertechnologien und Rückgewinnungsverfahren, deren theoretische Potenziale im Realbetrieb leider oft verschenkt werden.“

Fazit
Für das Sport- und Wellnesszentrum Lenzerheide entwarfen die Hydraulik-Experten eine Zortström-Anlage mit insgesamt fünf Temperaturstufen zwischen 25 und 70 °C. Diese regelt einerseits die Energieflüsse aus der Abwärmenutzung und dem Nahwärmenetz und versorgt auf der Verbraucherseite alle Abnahmepunkte mit den individuell vorgegebenen Wassertemperaturen. Die Sicherung des Wärmeausgleichs und der Spitzenlastabdeckung erfolgen durch Kopplung mit einem 44 000 l fassenden Pufferspeicher.
Ein positives Fazit ziehen auch die Planer von Amstein + Waltert unter das Zortström-Integrationsprojekt. „Heute genießen die Gäste des Sport- und Wellnesszentrums H₂Lai einen hohen Komfortstandard, der durch die hohe Präzision und Stabilität der optimierten Wärme- und Kälteversorgung erzielt werden kann. Gleichzeitig wird die Abwärme aus dem Kälteerzeugungsprozess fast das ganze Jahr vollumfänglich genutzt; entsprechend liegt auch der Trinkwasserverbrauch für die Notkühlung nun bei nahezu null,“ resümiert Teamleiter Kormann abschließend.

www.zortea.at