Projekt 07739/01

Konzeptstudie zur umweltfreundlichen Energieversorgung eines Gebäudekomplexes

Projektdurchführung

NEK Ingenieur-Gesellschaft mbH
Frankfurter Str. 2
38122 Braunschweig

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Für den Bau des Kirchlichen Bildungsseminars Elstal des Bundes Evangelisch-Freikirchlicher Gemeinden in Deutschland ist eine möglichst umweltschonende Energieversorgung zu konzipieren, wobei sich die Ziele im einzelnen wie folgt darstellen:

· Minimierung des Wärme- und Elektroenergiebedarfs unterschiedlich genutzter Gebäude
· Minimierung des Einsatzes an fossilen Brennstoffen
· Minimierung der Kosten solar erzeugter Nutzwärme
· Realisierung eines besonders umweltschonenden Energiekonzeptes mit Demonstrationscharakter


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer Kern der Untersuchung bestand aus der Simulation des größten Neubaus (Diakonisches Zentrum) sowie der Simulation der Wärmeerzeugung und -verteilung. Die Simulationen wurden am Institut für Solarenergieforschung GmbH, Hameln-Emmerthal (ISFH) mit dem Programm TRNSYS durchgeführt.
Das Diakonische Zentrum wurde mit einem 20-Zonen-Gebäudemodell simuliert. Dabei wurden drei verschiedene Wärmeschutzstandards von Wärmeschutzverordnung 1995 bis Niedrigenergiehaus-Standard untersucht. Bei der Berechnung des Lüftungswärmebedarfs wurden raumlufttechnische Anlagen mit Abluft-Wärmerückgewinnung für Küche, Speisesäle und Aula berücksichtigt.
Die Wärmeversorgung wurde für Kombinationen dreier Wärmeerzeuger - Gas-Brennwertkessel, Solarkollektoranlage und Blockheizkraftwerk - simuliert. Für die Solaranlage wurden sowohl die Kollektorfläche als auch die Speichergröße variiert. Für das Blockheizkraftwerk wurde die Wärme- und Strombilanz mit Hilfe des Programms EXCEL durch Überlagerung von Wärme- und Strombedarf ermittelt. Bei der Simulation ist ein 2-Leiter-Wärmenetz angesetzt worden, da dies bereits vorhanden ist.
Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wurde angelehnt an die Annuitätsmethode nach VDI 2067, wobei als Ergebnis die Kosten je eingesparter bzw. je solar erzeugter kWh angegeben wurden. Zur Berechnung der Emissionseinsparung kam das Gesamt-Emissionsmodell integrierter Systeme (GEMIS) zum Einsatz.


Ergebnisse und Diskussion

Die Simulation des Diakonischen Zentrums ergab für den geplanten Wärmeschutzstandard einen spezifischen Heizwärmebedarf von 83 kWh/m2a. Durch erhöhte Dämmschichtdicken bzw. Verringerung der Wärmeleitfähigkeit der Dämmstoffe läßt sich der Wärmebedarf auf 70 kWh/m2a mit Mehrinvestitionen in Höhe von 1,3 Mio. DM reduzieren. Die Kosten je eingesparter kWh betragen 0,31 DM. Gegenüber dem in Elstal zu zahlenden Gaspreis von ca. 4 Pf/kWh ist die Wirtschafltichkeit dieser Maßnahme nicht gegeben. Der Grund für die hohen Mehrkosten liegt in dem für diese Gebäudenutzung typischen großen A/V-Verhältnis.
Die Energieeinsparung durch den Einsatz von Wärmeschutzglas kF = 1,4 anstatt kF = 1,8 W/m2K ist nicht mit einem separaten Simulationslauf berechnet worden. Es kann aufgrund der geringen Mehrkosten und der deutlichen k-Wert-Verbesserung nach einer überschlägigen Berechnung von der Wirtschaftlichkeit dieser Maßnahme ausgegangen werden.
Die anlagentechnische Simulation hat u. a. gezeigt, daß die vorgesehene Warmwasserzirkulation das Temperaturniveau des Netzrücklaufs erhöht. Im Sommer, wenn vorwiegend Warmwasserbedarf vorliegt, steigt die Netzrücklauftemperatur deshalb zeitweise auf über 40°C an. Durch eine Intervallsteuerung der Zirkulationspumpen kann die Temperatur auf ca. 30°C gesenkt werden.
Durch den Einsatz eines Brennwertkessels können gegenüber einem Niedertemperaturkessel rund 155 MWh/a Primärenergie einspart werden. Infolge der vergleichsweise geringen Mehrkosten für den Gasbrennwertkessel entstehen je eingesparter kWh nur Kosten in Höhe von ca. 2 Pf.
Thermische Solarenergie kann auf dem Gelände des Kirchlichen Bildungsseminars nur für einen geringen Teil des Gesamtwärmebedarfs genutzt werden. Eine große Solaranlage mit saisonalem Speicher kann aus Platzgründen nicht installiert werden. Es wurden daher 9 Varianten für eine vergleichsweise kleine Anlage mit verschiedenen Kollektorflächen (300, 450, 600 m2) und verschiedenen spezifischen Speichergrößen (50, 75, 100 l/m2) simuliert.
Aufgrund der gemessen am Gesamtwärmebedarf knappen Auslegung der Kollektorfläche ergibt sich erst bei der 600 m2-Anlage ein leichter sommerlicher Überschuß. Die Jahreswirkungsgrade liegen bei 50 %. Es werden je nach Kollektorfeldgröße Deckungsraten von 6,5 % bis 12 % bezogen auf den Gesamt-wärmebedarf erzielt. Die Speichergröße hat wegen der zeitnahen Nutzung der solar erzeugten Wärme nur sehr geringen Einfluß auf den Nutzwärmeertrag. Die spezifischen Systemkosten für die Solaranlage liegen je nach Auslegung zwischen 550 und 650 DM je m2 Kollektorfläche. Diese vergleichsweise geringen Kosten sind durch den Einsatz des sog. Kollektordaches (Solar Roof) erzielbar.
Als weitere bivalente Beheizungsvariante wurde der Einsatz einer Kraft-Wärmekopplungsanlage in Form von Blockheizkraftwerk-Modulen (BHKW) untersucht. Sowohl die kleinere Variante mit einem Modul (94 kWtherm, 55 kWelt) als auch die größere Variante mit zwei Modulen führen zu einem positiven wirtschaftlichen Ergebnis. Dies wird vor allem durch den hohen Anteil des Eigenverbrauchs am selbst erzeugten Strom und die Reduzierung des Leistungspreises erreicht. Bedingt durch die schlechten Kraftwerkswirkungsgrade in Ostdeutschland wird eine hohe Einsparung an Primärenergie erzielt. Selbst bei gleichzeitigem vorrangigem Betrieb einer 450 m2-Solaranlage ist die Wirtschaftlichkeit einer 1-Modul-BHKW-Anlage noch gegeben.
Möglichkeiten der Einsparung an Elektroenergie bieten sich vor allem im Bereich der Großküche. Hier kann ein größerer Anteil der benötigten Wärme mit Gas statt mit Strom bereitgestellt werden.
Da im Zuge der bisherigen Planung bereits ein energiesparendes Beleuchtungskonzept realisiert wurde, sind darüberhinausgehende Einsparungen nur schwer zu erreichen.


Fazit

Die im Projekt erzielten Ergebnisse haben gezeigt, daß der Einsatz einer thermischen Solaranlage unter den gegebenen Bedingungen an der Grenze zur Wirtschaftlichkeit liegt. Auch die Gas-Brennwerttechnik und BHKW-Nutzung zählen in Elstal zu den wirtschaftlichen Maßnahmen. In welcher Kombination die untersuchten Systeme eingesetzt werden, hängt von der Entscheidung des Bauherrn ab.
Eine zusätzliche Dämmung der Gebäude führt zu vergleichsweise hohen Kosten pro eingesparter Kilowattstunde und kann daher aus wirtschaftlichen Gründen nicht empfohlen werden.