Abwärme für 1000 Wohnungen Ewz betreibt eine Wärmepumpenanlage, die Abwärme aus dem Gebäude der Swiss-com in Zürich nutzt. Die Räume mit den technischen Anlagen werden mit Kältema-schinen gekühlt. Die Abwärme aus diesem Kühlprozess steht mit einer Temperatur von 24 °C zur Verfügung. Eine Wärme-pumpe mit Ammoniak als Kältemittel er-höht die Temperatur auf zwei unterschied-lich hohe Niveaus. Einmal wird damit ein Niedertemperaturnetz, welches das Swiss-com-Gebäude mit Heizwärme versorgt, und zum anderen ein Wärmenetz mit ei-ner Temperatur von 67 °C gespiesen. Mit diesem wird das Brauchwarmwasser des Gebäudes bereitgestellt und 1000 Woh-nungen in zwei angrenzenden Überbau-ungen mit Wärme für Heizung und Wasse-rerwärmung versorgt.
Maschinenraum: Die Wärmepumpe ist in einem separaten Maschinenraum aufge-stellt. Dieser dient der Schalldämmung und vor allem dem Sicherheitscontain-ment, da Ammoniak giftig ist und keines-falls in Nebenräume oder ins Haus gelan-gen darf. Die Wärmeleistung der Wärme-pumpe beträgt 2000 kW. Mit einer Leis-tungszahl von 4,7 wird damit 1600 kW Abbildung 103:
Kombinierte Wärmepumpen/
Kältemaschinen im Coop-Verteil-zentrum Bern (Dr. Eicher + Pauli AG).
Abbildung 104:
Coop-Verteil-zentrum in Bern (Dr. Eicher + Pauli AG).
Abwärme der Swisscom während der Heizperiode genutzt. Dies bedeutet, dass aus 1 kWh Elektrizität und 3,7 kWh Ab-wärme insgesamt 4,7 kWh NutzAb-wärme erzeugt werden.
Damit bei einem Ammoniak-Austritt das Kältemittel abgeführt werden kann, ist eine Lüftungsanlage speziell für diesen Fall installiert. Die Luft wird über Dach wegge-führt. Ausserhalb des Maschinenraumes
Abbildung 105 (links oben): Die eingesetzte Wärme-pumpe ist in einem eigens dafür konzi-pierten Maschinen-raum untergebracht (ewz).
Abbildung 106 (links unten): Im Maschinenraum sind 4 Kolbenver-dichter installiert (ewz).
Abbildung 107: Auf einem Podest im Maschinenraum sind die Wärmetau-scher für Verdamp-fer und Kondensa-tor untergebracht (ewz).
Abbildung 108:
Grundriss der Tech-nikzentrale mit den Elektroschaltschrän-ken und dem Wär- mepumpenmaschi-nenraum (hellblau).
wird die Wärme in grossen 38-m3 -Spei-chern zwischengelagert und bedarfsab-hängig verteilt. Die 1000 Wohnungen der beiden Wohnüberbauungen werden über ein im Erdreich verlegtes Rohrleitungsnetz mit Wärme versorgt.
Abdeckung des Energiebedarfes: Auf der Jahresdauerlinie in Abbildung 92 auf Seite 76 ist ersichtlich, wie viel der be-nötigten Energie über die Wärmepumpe und wie viel über die fossile Spitzende-ckung mit Heizkessel abgedeckt wird. Auf der linken Y-Achse ist der Wärmeleistungs-bedarf des gesamten Wärmeverbundes aufgetragen. Auf der X-Achse die 8760 Stunden eines Jahres. Auf der rechten Y-Achse ist die Summenhäufigkeit der Au-ssentemperatur aufgetragen. Während ca.
700 Stunden pro Jahr liegt die Aussentem-peratur unter 0 °C. Die maximale Wärme-leistung wird nur während sehr wenigen Stunden im Jahr benötigt (rote Spitze):
Demnach ist es wirtschaftlich sinnvoll, diese Energie nicht mit einer teuren Wär-mepumpe zu produzieren, sondern mit einem investitionsgünstigen Wärmeerzeu-ger, also mit Heizkesseln. Diese kommen nur in Zeiten mit Spitzenlast in Betrieb. Der Wärmebedarf sinkt mit steigender Au-ssentemperatur bis zur Heizgrenze bei 12 °C. Bei höheren Aussentemperaturen ist nur noch Wärme für die Wassererwär-mung notwendig (gelb markiert). Der De-ckungsgrad der einzelnen Wärmeerzeuger am gesamten Jahreswärmebedarf ist für die wirtschaftliche Beurteilung der rele-vante Massstab. Hierzu dienen die Flächen im Summenhäufigkeitsdiagramm. Die rote und die gelbe Fläche sind der Wärmebe-darf des Wärmeverbundes. Die gelbe Flä-che stellt den Deckungsanteil der Wärme-pumpe von ca. 80% dar, die rote Fläche entspricht dem Heizkessel mit ca. 20 %.
Dieses Verhältnis bildet unter den für die-ses Beispiel geltenden Randbedingungen das wirtschaftliche Optimum.
Investition und Wärmeabsatz: Die In-vestitionen belaufen sich auf ca. 6 Mio. Fr.
ewz Energiedienstleistungen realisierte dieses Projekt und versorgt mit langjähri-gen Verträlangjähri-gen rund 1000 Wohnunlangjähri-gen mit Wärme. Der Wärmeabsatz liegt bei rund Abbildung 109:
Rohrleitungsnetz im Erdreich mit den weissen
Dehnungs-kissen (Dr. Eicher + Pauli AG).
Abbildung 110: Um die Energie bis zu den zahlreichen Verbrauchern
för-dern zu können, braucht es redun-dante Umwälzpum-pen (ewz).
Abbildung 111: Um die Ausdehnung des Wassers bei
ver-schiedenen Tempe-raturen aufnehmen
zu können, benö-tigt eine solche An-lage Expansionsge-fässe (ewz).
Abbildung 112:
Wärmeverbund Binz in Zürich (Dr. Eicher + Pauli AG) .
12 000 MWh pro Jahr, wovon 9600 MWh von der Wärmepumpe stammen.
Kombinierte Wärme- und Kälteerzeu-gung in einem Industriebetrieb
Mit einer Wärmepumpen-Kältemaschine in einem Industriebetrieb wird Produkti-onsabwärme zu Heizzwecken genutzt.
Dabei können jährlich 2500 Tonnen CO2
eingespart werden.
Anlagenkonzept: Für die Abführung von Abwärme aus der industriellen Produktion wird Grundwasser verwendet. Dieses wird dabei auf 21 °C erwärmt und wurde bisher mit dieser Temperatur in einen nahegele-gen Fluss abgegeben. Diese Abwärme wird nun mit einer Wärmepumpe zurück-gewonnen und mit 70 °C ins Heizungsnetz des Betriebes eingespiesen. Die Anlage ist aber nicht nur als Wärmepumpe konzi-piert. Sobald ein Kältebedarf besteht, wird die Anlage als kombinierte Kältemaschine-Wärmepumpe betrieben, indem die Ab-wärme aus der Kälteproduktion direkt als Wärmequelle genutzt und nur noch der fehlende Teil aus dem erwärmten Grund-wasser gewonnen wird. Wenn der Kälte-bedarf grösser ist als der WärmeKälte-bedarf, wird die überschüssige Wärme über das Grundwasser rückgekühlt. Mit dieser kombinierten Anlage können im Vergleich
zu einer separierten Wärme- und Kälte-produktion Kosten gespart werden.
Fabrikwasser als Wärmequelle: Das Grundwasser wird gefasst und gereinigt und dann als Fabrikwasser zur Prozessküh-lung genutzt. Danach wird es im gesamten Fabrikareal gesammelt und in zwei ge-mauerten unterirdischen 1000-m3-Tanks gespeichert. Mittels Umwälzpumpe wird das Wasser zum benachbarten Gebäude der Wärmepumpe gefördert. Überschüssi-ges Wasser wird, wenn keine Verschmut-zung vorliegt, in den nahegelegenen Fluss abgelassen.
Wärme 70/45°C Rückkühlung 12/20°C
Wärmequelle 22°C
NH3-Kreislauf Kälte 6 /12°C
T
WAR-W Becken Erwärmtes Kühlabwasser
WST-152
Ablaufkanal zum Vorfluter (Rhein)
Kälte-verbraucher
Wärmepumpe / Kältemaschine
Speicher
60m3
Wärme-verbraucher WAR 20°C
WF 12°C
Verdampfer Kondensator 6°C
12°C
45°C 70°C
10°C Speicher
60m3
T T
T T T
Abbildung 113:
Prinzipschema der Wärme-Kälte-Anlage.
Abbildung 114:
Fabrikwasserver-sorgung mit Filter.
Abbildung 115 : Offener
Hubkolben-verdichter (Indust-rieverdichter).
Abbildung 116 : Wärmespeicher.
Kältemittel Ammoniak: Die Wärme-pumpe wird mit dem natürlichen Kältemit-tel Ammoniak betrieben. Dieses hat den Vorteil einer hohen thermischen Effizienz und es schädigt die Umwelt nicht. Ammo-niak ist aber giftig und es braucht Sicher-heitsvorkehrungen, welche den Austritt von Ammoniak in die Umgebung verhin-dern. Neben den Sicherheitsvorkehrungen an der Anlage selbst, wird die ganze Instal-lation in einem separaten Maschinenraum untergebracht. Mit vier Industrieverdich-tern wird bis 2500 kW Wärme respektive 1500 kW Kälte erzeugt.
Verdichter: Zum Einsatz kommen offene Hubkolbenverdichter, sogenannte Indust-rieverdichter. Die Kolbenverdichter sind mit Verdichterregelungen ausgerüstet und werden durch einen Elektromotor ange-trieben. Dieser treibt den Verdichter. Die elektrische Stromaufnahme beträgt etwa 130 kW (Abbildung 115).
Regulierung, Leitsystem: Diese kombi-nierte Wärme- und Kälteanlage verfügt über zwei Verdampfer und zwei Kondensa-toren. Um das Zusammenspiel der Anlage zu regeln, ist eine speicherprogrammier-bare Steuerung (SPS) nötig.
Speicher: Die erzeugte Wärme und Kälte wird bedarfsabhängig in einem Kälte- und einem Wärmespeicher mit einem Inhalt von je 65 m3 gespeichert. Damit Speicher einer konsequenten Temperaturschich-tung möglichst hoch und schmal sein soll-ten, mussten sie aus Platzgründen ausser-halb des Gebäudes aufgestellt werden (Abbildung 116).
Wärme-Kälte-Verteilung: Mit der war-men Fernleitung werden zahlreiche Ge-bäude auf dem Areal mit Wärme versorgt, mit der kalten Fernleitung ein Produktions-gebäude mit Kälte. Da die Wärmepum-penanlage aus Wirtschaftlichkeitsgründen nicht auf den maximalen Wärmebedarf aller Gebäude ausgelegt wurde, muss eine Spitzendeckung verfügbar sein. Diese Spit-zendeckung erfolgt über das alte fossil be-feuerte Dampfnetz. Sobald die Wärme-pumpe die gewünschten 70 °C im Vorlauf nicht erreicht, heizt in jeder Übergabesta-tion ein Dampfumformer seriell nach.
Investitionen und Wirtschaftlichkeit:
Die Investitionen für die Wärmepumpen-Kältemaschine, inkl. Energieauskoppelung Wärme und Kälte, bis zu den Umformer-stationen betrug etwa 4,5 Mio. Fr. Die jährlichen Energiekosten konnten deutlich reduziert werden, was die Anlage wirt-schaftlich macht.