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INNOVATION

ENERGETISCHE SANIERUNG DES KINDERGARTENS WACKEN
GASABSOPTIONSWÄRMEPUMPE UND SOLARER EISSPEICHERREGENERIERUNG


Entscheidungsfindung

In dem im Jahre 1994 erbauten Kindergarten wurde zu seiner Zeit eine konventionelle Gaskesselanlage eingebaut. Im Zuge einer, im Jahre 2010 anstehenden, energetischen Sanierung der Kita, wurden die architektonischen aufwendigen undichten Dachgauben entfernt und Türen sowie Fensteranlagen saniert. Während der Planungsphase der Sanierung wurde über ein neues Konzept der Heizungsanlage, durch den Austausch der Kesselanlage, diskutiert und nachgedacht. Es wurden mehrere ökologische und ökonomische sinnvolle Varianten erarbeitet und untersucht. Dabei war es der Gemeinde Wacken ein wichtiges Bestreben eine innovative, wirtschaftlich und nachhaltige Systemlösung umzusetzen.

Im Vordergrund stand dabei der Verbrauch und die stetig steigenden Verbrauchskosten auf ein akzeptables Niveau zu bringen. Die Entscheidung fiel auf ein Wärmepumpensystem, welches auf Umweltwärme beruht und somit der Verzicht auf eine einfache Erneuerung der Anlage durch einen neuen Gasbrennwertkessel. Die daraus folglich zur Verfügung stehenden Varianten unterschieden sich in der Nutzung des Energieträgers. Bedingt durch die vorhandene Heizungsanlage, mit statischen Heizkörpern und systembedingten hohen Heizmitteltemperaturen, wurde sich für eine Gasabsorptions-wärmepumpenanlage entschieden. Als weitere Entscheidungsgrundlage diente der bereits vorhandene Erdgasanschluss des Versorgers, da durch diesen eine Endenergie eingesetzt werden kann, welche einen vorteilhaften Primärenergiefaktor besitzt. Hierdurch kann auf die bei der Nutzung von elektrischer Energie auftretenden Umwandlungs- und Streckenverluste verzichtet werden.

Aufgrund der besonderen Situation, dass die Gemeinde Wacken ein Wassereinzugsgebiet mit einer Vielzahl von Trinkwasserentnahmestellen ist, welche die Haushalte in einem großen überregionalen Bereich versorgen, war eine ausführliche Abstimmung mit dem geologischen Landesamt nötig. Die Klärungs- und Abstimmungsgespräche ergaben, dass von einer Geothermischen-Wärmepumpenanlage mit 3 Tiefensonden, im Bereich bis zu 95 m Bohrtiefe, Abstand genommen werden musste. Die Nutzung von Flächenkollektoren und oberflächennahe Erdsonden wurde aufgrund der anschließenden Totalsanierung der bestehenden Grünfläche mit Spielanlagen sowie dem zeitgleich fortlaufenden Betrieb der Kindertagesstätte ebenfalls verworfen. Durch die beschriebenen Gegebenheiten fiel die Wahl auf ein System mit einem Erdwärmespeicher in Kombination mit Solarluft- und Solarkollektoren zur Regenerierung während der Sommer- und fortlaufend während der Heizperiode.

Prinzip der Heizungsanlage

Das Prinzip der Anlage besteht im Nutzen der vorhanden Umweltwärme zu Heizzwecken durch Transferieren der vorhanden Temperaturen in andere Nutztemperaturen, bei gleichzeitiger Pufferung von Umweltwärme in Erdwärmespeichern. Die Gasabsorptionswärmepumpe benötigt zum Antrieb Gas. Die durch den Antrieb anfallende Abwärme wird ebenfalls als Heizenergie dem System zur Verfügung gestellt. Die fehlende Heizenergie wird der Umwelt entzogen. Im Falle der Kita Wacken wurden hierzu drei Betonspeicher mit jeweils 12 m³ Wasserinhalt in den Erdboden eingebracht und einmalig mit Wasser gefüllt. Über ein spezielles Rohrschlangensystem entzieht die Wärmepumpe, mit einem unterkühlten Glykolkreislauf, dem Behälterwasser die Wärme. Hierbei sinkt die Temperatur bis das Wasser gefriert. Dabei wird dem Wasser bei dem Phasenübergang die sogenannte Kristallisationswärme zusätzlich entzogen. Durch die im Erdreich eingebetteten Behälter wird diesem ebenfalls Umgebungswärme entzogen. Gleichzeitig und nachlaufend muss jedoch der Solareisspeicher mit Wärme wieder geladen werden. Dies erfolgt durch Solarluft- und Solarkollektoren auf dem Dach der Kindertagesstätte. Dem gesamten System stehen somit mehrere Umweltwärmequellen zur Verfügung:

Wärme aus dem Erdreich
Die Wärme aus dem Erdreich wird hierbei direkt durch die Behälterwandungen dem Speichermedieum des Solareisspeichers zugeführt.

Wärme aus direkter Sonneneinstrahlung.
Die Wärme aus der direkten Sonneneinstrahlung wird über eine Solarkollektoranlage dem Heizungspufferspeicher zu geführt. Hierbei wird Wasser über die Sonnenkollektoranlage erhitzt und über Rohrleitungen in dem Heizungspufferspeicher gespeichert.

Wärme aus der Umgebungsluft
Die Wärme aus der Umgebungsluft wird über einen Rohrwärmeübertrager, der ebenfalls auf dem Dach der Kita montiert ist, dem Eisspeicher über einen weiteren Rohrsystem zugeführt.

Funktionsweise

Die Sonnenenergie erwärmt zunächst den Solar-Heizungspufferspeicher mit Rohrbündeltauscher zur Trinkwasserbereitung. Über die Solarluftkollektoren wird der Solareisspeicher im Erdreich geladen. Dieses geschieht grundsätzlich immer dann, wenn die Lufttemperatur über der Temperatur des Eisspeichers ist. Also auch bei niedrigen Lufttemperaturen tagsüber und in der Nacht. Gleichzeitig wird durch das Erdreich der Behälter erwärmt. Ist die Behältertemperatur niedriger als die Erdreichtemperatur, so wird dem Speicher Wärme zugeführt. Ist die Behältertemperatur höher als die Erdreichtemperatur, so wird Überhangenergie im Erdreich zwischengespeichert. Das Erdreich erwärmt sich hierbei und gibt diese Energie zu einem späteren Zeitpunkt zu einem Großteil wieder an den Eisspeicher zurück. Wasser ist ein einfacher, kostengünstiger und sehr guter Wärmespeicher. Wird nun während der Heizphase Wärme über die Wärmepumpe dem Eisspeicher entzogen, so kühlt sich das Wasser ab und wird gleichzeitig durch Umweltwärme wieder temperiert. Kann jedoch nicht ausreichend bzw. keine Umweltwärme mehr generiert werden, so sinkt die Temperatur des Wassers weiter, bis die Eisbildung des Wassers einsetzt. Hierbei kommt nun die Kristallisationswärme des Wassers zum Tragen (Latentwärmespeicher). Wasser und Eis von 0°C stehen solange gleichzeitig zur Verfügung, bis die gesamte Kristallisationsenergie aus dem noch flüssigen Wasser entzogen wurden. Somit stehen 36m³ Wasser zur Eisbildung durch Wärmeentzug dem Heizsystem zur Verfügung. Zum Vergleich: Erhitz man 1kg Wasser von 0°C auf 80°C, ist die benötigte Wärmeenergie identisch, wie die Energieabgabe von 1kg Wasser in 1 kg Eis während des Aggregatzustandswechsels. Setzt nunmehr die Kristallisationsphase durch ständigen Wärmeentzug des Behälters ein, so setzt die Vollentladung des Systems ein. Da aber immer das Erdreich wärmer als 0°C ist, wird hierüber ständig der Behälter regeneriert. Zusätzlich ist an sehr kalten und klaren Wintertagen die Einstrahlung auf die installierten Solarkollektoren so groß, dass ebenfalls über diese die Behälter mit Wärme aus direkter Sonneneinstrahlung bzw. aus Umgebungsluftwärme bei milden Tagen und Nächten regeneriert werden können. Der Wärmepumpe wird die nötige Umweltwärme im Eisspeicher durch Niedertemperaturspeicherung bereitgestellt. Der Vorteil liegt in der Speicherung der Wärmeenergie auf einem niedrigem Niveau und somit dem Entfall von Wärmeverlust an die Umgebung.

Innovation

Die Innovation des Projekts ist die Nutzung bzw. Verschaltungen alter bekannter Techniken. Zum einen die Nutzung niedriger Temperaturen und Bereitstellung dieser Energie für schlechte (kalte) Tage in dem man diese speichert und zum Anderen, dass Nutzen systembedingter Anlagenparameter, hier die Systemheizungstemperatur bei ältere Gebäudeeinheiten. Diesen Vorteil kann bei Neuplanungen noch vorangetrieben werden, indem man z.B. den entwärmten Energieträger (Eis im Eisspeicher) für kältetechnische Prozesse oder Systemkühlungen nutzen kann.

Erfolg des Projektes

- Es wurden CO2 Emissionsminderungen von rd. 219,2 t in 15 Jahren ermittelt.
- Die Heizenergieverteilung im Gebäude wurde durch den hydraulischen Abgleich optimiert
- Die Heizkosten werden sinken und die KITA-Beiträge müssen nicht gleichlautend wie die Energiepreise steigen bzw. mit ihnen angepasst werden.
- Interesse der KITA-Kinder an der Technik
- Nachfragen von den Bürgern und anderen Interessierten
- Durch den Einsatz eines Durchflußwassererwärmers wurde das Legionellenrisiko minimiert.

ERFOLGREICHE TEILNAHME AN DER ENERGIEOLYMPIADE 2012

Die Gemeinde Wacken hat mit dieser innovativen Art der Heizung erfolgreich an der Schleswig-Holstein weiten Energieolympiade teilgenommen. Unter Federführung des Gemeindevertreters Dirk Rubel wurden die umfangreichen Antragsunterlagen erstellt und das Konzept bei der Jury vorgestellt. Dieser außergewöhnliche Beitrag zur Energieeinsparung wurde von der Jury am 20.06.2012 in Neumünster mit einem Sonderpreis in Höhe von € 5.000,- prämiert. Dieses Preisgeld werden wir für Maßnahmen verwenden, die der weiteren Energieeinsparung dienen.

DOWNLOAD eKO Broschüre 2012 | ca. 6,80 mb





 

 



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