Niedrig-Exergie Wärme- und Kälteversorgungskonzepte für Gewerbegebäude

Für den Laborneubau des Fraunhofer ISE in Freiburg wurde ein Wärme- und Kälteversorgungskonzept mit niedrigem Exergieeinsatz entwickelt. Um den hohen Bedarf an Prozesskälte für Versuchs- und Produktionsanlagen zu decken, Lastschwankungen auszugleichen und damit die Versorgung zu sichern, wurde ein 500 m³-großer, unterirdischer Kaltwasser-Schichtenspeicher in das Gebäude integriert. Die kurzzeitige Kaltwasserspeicherung reduziert die notwendige Kälteleistung, nutzt freie Kühlung über Außenluft und ermöglicht einen energetisch und wirtschaftlich effizienten Betrieb der Kälteerzeuger. Dabei waren bauphysikalische und anlagentechnische Probleme zu lösen.

Im Zentrum des Energieversorgungskonzepts steht eine hocheffiziente Wärmepumpe mit magnetgelagerten Turboverdichtern, die gleichzeitig Wärme und Kälte bereit stellt und Prozessabwärme nutzt. Die Wärmepumpe ist kombiniert mit einem gebäudeintegrierten Kaltwasser-Schichtspeicher, der eine Doppelfunktion im Wärme und Kälteversorgungskonzept hat. Im Heizbetrieb fungiert er als Wärmequelle für die Wärmepumpe. Im Kühlbetrieb dient er der Speicherung von Kälte sowie der Schaffung einer redundanten Kälteversorgung für die sensible Prozesstechnik des Laborgebäudes. Der Speicher wird primär durch Außenluft und durch das unter dem Speicher anstehende Erdreich und Grundwasser rückgekühlt. Nachts sinkt im Allgemeinen der Kältebedarf, die verfügbare Kälteleistung der Kältemaschine oder der Rückkühler wird dann für die Speicherbeladung genutzt. Der Kaltwasservorrat kann zum Beispiel am nachfolgenden Tag für die Spitzenlastdeckung eingesetzt werden und so Bezugsspitzen im Netz reduzieren Durch diese flexible Betriebsweise und das moderne Gebäudekonzept wird eine erhebliche Reduktion des Primärenergiebedarfs möglich.

Die Funktion des gesamten Systems hängt stark vom thermischen Schichtungsbetrieb im Speicher ab. Aufgrund der geringen Dichtedifferenzen des Wassers im Temperaturbereich von 16 bis 22 °C wurden die Be- und Entladeeinrichtungen sehr sorgfältig gestaltet. Von der Professur für Technische Thermodynamik der TU Chemnitz wurden dazu eigene Modelle entwickelt und unter anderem die Radialdiffusoren konzipiert, die Be- und Entladen in einer Schicht ohne Verwirbelung ermöglichen.

Um das Energiekonzept und die Performance der Anlagen zu überprüfen, führen wir ein Langzeit-Monitoring durch.