Energiekonzept und Monitoring der HDM Stuttgart

Das Energiekonzept umfasst neben einer Bauteilaktivierung zur Abdeckung der Wärmegrundlast und Gebäudekühlung energieminimierte raumlufttechnische Anlagen, eine Ganzjahreskälteerzeugung mit Wärmerückgewinnung sowie eine saisonale Energiespeicherung über 40 Erdsonden á 70 m Tiefe.

Das Gebäude ist an das Fernwärme- und Fernkältenetz der Uni Stuttgart angeschlossen. Damit wird der Bedarf abgesichert, der nicht über die internen Erzeuger gedeckt werden kann. 20 % des Wärme- und Kältebedarfs werden aus Abwärme und dem saisonalen Erdsondenspeicher gedeckt. Der spezifische Bezug an Fernwärme lag mit Abschluss des Monitorings im Jahr 2018 bei 49 kWh/m² a.

Nutzung

Das Gebäude der Fachhochschule hat eine Nutzfläche von 4.200 m² und Nettogrundfläche von 7.189 m² und beherbergt die Räumlichkeiten für ca. 1.000 Studenten der Medientechnik.

Das Gebäude hat eine gemischte Nutzung. Das Erdgeschoss und die erste Etage dienen der Lehre mit Hörsälen, Seminarräumen, PC-Pool-Räumen und einer großen Bibliothek. Im Untergeschoss sind außerdem Audio- und Videostudios mit den notwendigen Nebenräumen untergebracht. Das 2. und 3. Obergeschoss werden von den Professoren und wissenschaftlichen Mitarbeitern überwiegend büroartig genutzt.

Das Gebäude weist eine außergewöhnliche Geometrie auf. Durch seine Nutzung – u. a. weist der Studiobereich eine sehr hohe Dichte von EDV-Anlagen auf – ergeben sich hohe Kühllasten.

Gebäudetechnik

Die thermische Speicherfähigkeit der Betonmassen wurde durch den weitgehenden Verzicht auf abgehängte Decken erhalten. Zusätzlich wurde eine Betonkernaktivierung (BKA) mit einbetonierten Rohren installiert. Diese ermöglicht eine direkte Kühlung über die Erdsonden und im Winter eine Beheizung mit der Abwärme der Kältemaschinen.

Die einzelnen Bausteine des Energiekonzeptes sind aus Bild 3 ersichtlich. Hier sind alle Wärme und Kälteerzeuger, die zugehörigen Verbraucher sowie der saisonale Erdspeicher dargestellt.

Die Wärmeübergabe erfolgt über stationäre Heizflächen und die BKA. Dabei wird die Grundlast über die BKA aus der Abwärme der Kältemaschine gedeckt. Die verbleibende Heizlast erbringen die Heizkörper, die flexibel auf innere Lasten reagieren können und eine Überwärmung verhindern.

Die Grundkühlung erfolgt regenerativ über die Betonkernaktivierung. Dazu wird das kühle Wasser aus den Erdsonden genutzt. Räume mit hohen inneren Lasten, wie Serverräume, EDV-Poolräume und die Audio- und Videostudios sind zusätzlich mit Umluftkühlgeräten ausgerüstet. Die Kälteversorgung erfolgt hier über eine Kompressionskältemaschine. Im Winter dient die Abwärme der Kältemaschine zur Beheizung des Gebäudes.

Innenliegende Räume und Bereiche mit hoher Personenbelegung sind maschinell be- und entlüftet. Dies erfolgt über zwei Lüftungsgeräte mit insgesamt 40.000 m³/h Luftmenge. Diese haben eine multifunktionale Wärmerückgewinnung (WRG) mit adiabatischer Abluftkühlung.

In den Wasser-Glykol-Zwischenkreislauf der WRG sind die Erdsonden hydraulisch eingebunden. Im Kühlfall wird aus einer Kombination von adiabatischer Abluftkühlung und Erdkälte eine Zulufttemperatur von 19 °C erreicht. Dies wird ausschließlich über regenerative Energie erreicht.

Im Heizfall wärmt das Wasser aus den Erdsonden das Wasser/Glykol-Gemisch auf 4 °C vor. Mit der Wärme aus der Abluft wird dann die Zuluft, rein regenerativ, auf 18 °C im Winter erwärmt.

Ein wichtiger Baustein sind die 4.000 lfd. Meter Erdsonden. Über sie wird das Erdreich als saisonaler Speicher mit seiner mittleren Temperatur von 10 °C aktiviert. Im Sommer wird damit die Zuluft und die BKA regenerativ gekühlt. Das Erdreich erwärmt sich dabei etwas. Im Winter wird bei Außenlufttemperaturen ab 4 °C der WRG im Lüftungsgerät Wärme zugeführt. Das Erdreich kühlt sich dann wieder ab und wird für den nächsten Sommer regeneriert. Die Erdsonden arbeiten damit als saisonaler Speicher.

Bild 4 zeigt noch einmal vereinfacht die Heiz- und Kühllast des Gebäudes in Abhängigkeit von der Außentemperatur. Der ganzjährig anfallende Kältebedarf für die inneren Lasten von bis zu 50 kW wird dabei genutzt, um mit der Abwärme das Gebäude in der Grundlast zu heizen.

Die Erdsonden als saisonaler Speicher übernehmen im Sommer die Kühlung der Betonkernaktivierung und einen Teil der RLT-Kühlung. Im Winter wird das Erdreich mit der kalten Außenluft in der RLT-Anlage regeneriert.

Monitoring

Um das Potential der Anlagentechnik auszuschöpfen, wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Betreiber von 2015 bis 2018 ein Monitoring durchgeführt. Ziel war es, die Anlage an die tatsächlichen Betriebsbedingungen anzupassen und zu zeigen, dass die Anlage die „versprochenen“ Verbrauchsdaten der Planung erreicht.

Die Auswertung der ersten Verbrauchswerte ergab, dass der tatsächliche Verbrauch über den Planungswerten lag. In enger Zusammenarbeit mit allen Beteiligten wurden die Ursachen für diese Abweichung ermittelt. Hier exemplarisch einige der vielen großen und kleinen Fehlerquellen:

• Durch eine falsche Vorrangschaltung wurden die Serverräume im Winter mit der Fernkälte gekühlt. Damit hatte die interne Kältemaschine keine Laufzeiten und lieferte keine Abwärme.
• Über den Wasser-Glykol-Zwischenkreislauf der Wärmerückgewinnung kann wahlweise nachgekühlt oder nachgewärmt werden. Ein mechanischer Fehler im Kühlventil führte dazu, dass trotz 0 % Anzeige auf der GLT das Ventil auch im Winter nicht geschlossen war. Der Nacherhitzer heizte dagegen und es ergab sich ein zu hoher Wärmeverbrauch des Lüftungsgerätes.

Weitere Optimierungen im Rahmen des Monitorings waren Anpassungen von Sollwerten und von Betriebszeiten für einzelne Räume, aber auch in der Zentralen Betriebstechnik.

Wie Bild 5 zeigt, konnte durch die Vielzahl der Einzelmaßnahmen des Monitorings der Bezug an Fernwärme um 40 % reduziert werden. Auch die spezifischen Verbrauchswerte für das Gebäude liegen auf einem sehr niedrigen Niveau, wie Tabelle 1 zeigt. Der Wärmeverbrauch von 67 kWh/m² a wird dabei zu 25 % durch die Abwärme der Kältemaschine gedeckt. Die Werte sind für ein anspruchsvolles Nichtwohngebäude mit vollflächiger Kühlung sehr gut.

Fazit und Ausblick

Um den CO₂-Fußabdruck unsere Gebäude zu reduzieren, brauchen wir komplexe energetische Konzepte. Diese ergänzen eine hochwertige Gebäudehülle und führen zu Energieverbräuchen, die deutlich unterhalb der EnEV-Grenzwerte liegen.

Die komplexe Anlagentechnik erfordert eine intensive Inbetriebnahme. Die Praxis zeigt, dass eine VOB-Inbetriebnahme nicht immer ausreicht, um eine fehlerfreie Anlage zu errichten. Das durchgeführte Monitoring hat einen wichtigen Beitrag geleistet, um die Anlage in den planerisch vorgesehenen Betriebszustand zu bringen. Es konnten verbliebene Fehler in der Anlage und in der Regelung beseitigt werden.

Weiterhin wurde im Rahmen des Monitorings der Betreiber unterstützt. Die gemeinsame Fehlersuche und die gemeinsame Optimierung der Sollwerte der Anlage, haben den Nutzer geholfen, sich mit seiner neuen Anlagentechnik vertraut zu machen.

Durch die Nutzung von Speichermassen, Flächenkühlsystemen in Kombination mit einem saisonalen Erdspeicher, lässt sich eine Kühlung von Büros und Seminarräumen weitgehend regenerativ realisieren. Das immer noch anzutreffende Argument, dass eine Kühlung zu hohen Energieverbrauchen führt und die Umwelt belastet, trifft bei richtiger Anlagentechnik nicht zu.

Ein großer Anteil der Kühllast wird auch von der adiabatischen Abluftkühlung der multifunktionalen WRG erbracht. Wir haben bei diesem Projekt, aber auch bei vielen anderen Lüftungsanlagen gute Erfahrungen damit gemacht.

Die höchsten Einsparungen auf der Wärmeseite wird durch die Abwärmenutzung der Kältemaschine im Winter erzielt. In unserem Fall lässt sich damit der Jahreswärmebezug um 25 % reduzieren. Die dazu notwendige Anlagentechnik ist minimal und amortisiert sich nach 1 – 2 Jahren!

Zum Abschluss noch ein Ausblick zum Verbesserungspotenzial, wie es sich uns im Ergebnis des Monitorings darstellt: Die WRG der Lüftungsanlage liefert nicht ausreichend Kälte, um das Erdreich wieder zu regenerieren. Es wäre daher sinnvoll, die Kältemaschine hydraulisch so einzubinden, dass damit das Erdreich im Winter zusätzlich gekühlt wird. Damit würde sich der Abwärmeanteil zur Beheizung des Gebäudes erhöhen. Wenn dieser Betrieb bei Windstromüberschuss im Stromnetz gefahren wird, verbessert sich die CO₂-Bilanz des Gebäudes noch weiter.