Anlass und Ziele
Das übergeordnete Ziel der Durchführbarkeitsstudie ist die Neuausrichtung der Wärmeversorgung unter Einbindung von Wärmepotenzialen auf Basis von Umweltwärme.
Das Erlebnisbad Schweich deckt einen Großteil des Wärmebedarfs im Sommerfall über eine bestehende Solarabsorberanlage ab. Diese Anlage verursacht hohe Betriebs- und Wartungskosten aufgrund von saisonaler Befüllungs- und Entleerungsvorgängen sowie häufiger werdende Leckagen. Die ca. 30 Jahre alte Solarabsorberanlage ist zu erneuern oder zu.
Zusätzlich besteht ein Anschluss an ein Gebäudenetz, welches die Warmwasserversorgung und den Heizbetrieb, im Winterfall, der Gebäude sicherstellt. Das Gebäudenetz wird von einem erdgasbetriebenen BHKW sowie von zusätzlichen Erdgas-Spitzenlastkesseln gespeist. Diese Abhängigkeit vom BHKW und die daraus resultierenden realen Treibhausgasemissionen sollen mit dem neuen Wärmeversorgungskonzept des Erlebnisbades Schweich reduziert werden.
Projektbeschreibung
Aktuelles Wärmekonzept
Das derzeitige Wärmekonzept sieht die Nutzung von solarer Wärme mittels einer Absorberfläche von ca. 1000 m² mit einer geschätzten max. Leistung von 770 kW vor. Zusätzlich wird ein Nahwärmeanschluss von 200 kW genutzt, um Wärmelasten abzufangen (Spitzenlast), welche vom Solarabsorber nicht abgedeckt werden können. Bei starker Bewölkung ist der Betrieb des Nahwärmenetzanschlusses nicht ansatzweise lastabdeckend und Schwimmbeckentemperaturen können nicht gehalten werden.
Grundlagenermittlung
Es muss zwischen Prozesswärme, Warmwassererwärmung und Heizwärmebedarf bei dieser Studie unterschieden und doch im Wärmekonzept zusammengeführt werden.
Das mit Wärme zu versorgende Freibad hat kein vollständiges Mess- und Regelkonzept zum Zeitpunkt der Durchführbarkeitsstudie. Es gibt einen Messpunkt an der Wärmeübergabestation, welcher nur die gelieferte Wärme vom Gebäudenetz aufzeichnet. Die erzeugte Wärmemenge zu den Wärmeerzeugern „Solarabsorberanlage“ und die übertragene Wärme zwischen der Solarabsorberanlage und dem Warmwasserspeicher, mittels Wärmeübertrager, sind nicht bekannt. Die notwendige elektrische Energie zur Nutzung eines elektrischen „Heizstabs“ zur unterstützenden Erwärmung des Warmwasserpufferspeichers ist nicht separat gemessen worden.
Aufgrund fehlender Verbrauchswerte ist zum Zeitpunkt der Grundlagenermittlung die Aufarbeitung mit theoretischen Werten beschlossen worden.
Prozesswärme:
Die notwendige Heizleistung zu den Schwimmbecken wurde über die VDI 2089-3 berechnet. Insgesamt benötigen die Beckenanlagen eine Gesamtleistung von 360 kW um die Wärme- und Verdunstungsverluste auszugleichen.
Warmwassererwärmung:
Die notwendige Heizleistung von max. 188 kW zur Warmwasserbereitung ist über die Anzahl der Duschen mit entsprechender Frequentierung ermittelt worden.
Gebäudebeheizung (Winterbetrieb)
Das Umkleidegebäude beinhaltet eine vermietete Bürofläche. Die Bürofläche wird nach Norm-Raumtemperaturen beheizt. Das übrige Gebäude wird frostfrei beheizt, in ausgewiesenen Räumen wird eine Raumtemperatur von 15°C vorgesehen um den Bautenschutz zu gewährleisten. Insgesamt wird eine Norm-Heizleistung von 88 kW benötigt.
Nach Analyse der Anlagentechnik sind mögliche Anpassungen der Wärmeübertragungsflächen des Nahwärmenetzanschlusses nicht ausreichend um den Wärmebedarf der Schwimmbecken sowie den Warmwasserbedarf zu decken. Des Weiteren ist die hydraulische Verteilung nach Aussagen des Betreibers nicht vorteilhaft zu betreiben. Die Absorber müssen vor der Saison gefüllt und nach der Saison aufwändig entleert werden. Die Notwendigkeit resultiert aus der Einbindung des Solarabsorbers. Das erwärmte Wasser vom Kollektorfeld wird direkt in die Schwimmbecken eingeleitet und stellt somit ein offenes System dar. Eine Systemtrennung wird empfohlen.
Im Jahr 2024 sind ca. 93.000 kWh an der Wärmeübergabestation übertragen worden. Der Großteil der benötigten Wärme ist über die Solarabsorberanlage bereitgestellt worden. Für den Sommerbetrieb ist diese Form der Wärmeerzeugung zielführend und nachhaltig.
Ohne das exakte Stundenprofil der Anlage lässt sich nur eine Abschätzung des tatsächlichen Wärmebedarfs und dessen Lastspitzen durchführen.
Lösungsansatz
Die hydraulische Entkopplung von Schwimmbeckenerwärmung und Solarabsorberanlage ist geboten, was durch einen neuen Heizkreisverteiler sowie die Einbindung eines separaten Wärmeübertragers zusätzlich zu einem neu zu errichtenden Pufferspeicher erreicht wird.
Ein neuer Heizkreisverteiler soll die hydraulische Trennung (druckloser Verteiler) der einzelnen Heizkreise verbessern. Die Druckverluste des Gesamtsystems lassen sich so reduzieren und verbessern den Einsatz von elektrischer Energie zum Antrieb der Umwälzpumpen.
Variantenübersicht
Variante1: Solarluftabsorber + Wärmenetz + L/W-Wärmepumpe
Das Wärmekonzept der Variante 1 sieht den multivalenten Betrieb einer Luft-Wasser-Wärmepumpen-Kaskade (R290) mit der Nutzung der neu zu errichtenden Solarluftabsorberanlage auf dem Hallendach vor (Ersatzanlage). Zur Spitzenlastabdeckung wird die Wärmeübergabestation mit 200 kW Anschlussleistung des Nahwärmenetzes der Schule weiterhin genutzt. Über die Solarluftabsorberanlage wird eine max. Leistung von ca. 800 kW in der Saison nutzbar. Das Temperaturniveau ist physikalisch begrenzt, weshalb eine Nutzung im Winter wenig sinnvoll ist.
Variante 2: Wärmenetz + L/W-Wärmepumpe
Das Wärmekonzept der Variante 2 sieht den multivalenten Betrieb einer Luft-Wasser-Wärmepumpen-Kaskade (R290) vor. Zur Spitzenlastabdeckung wird die Wärmeübergabestation mit 200 kW Anschlussleistung des Nahwärmenetzes der Schule nicht genutzt. Die Auslegung der Wärmepumpen-Anlage erfolgt bis zu einer Heizleistung von je 135 kW und zusammen 540 kW (bei einer Normaußentemperatur von 7°C).
Variante 3: Wärmenetz + W/W-Wärmepumpe via Flussthermie
Das Wärmekonzept der Variante 3 sieht den multivalenten Betrieb einer Wasser-Wasser-Wärmepumpen-Kaskade (R290) vor. Zur Spitzenlastabdeckung wird die Wärmeübergabestation mit 200 kW Anschlussleistung des Nahwärmenetzes der Schule nicht genutzt. Die Auslegung der Wärmepumpen-Anlage erfolgt bis zu einer Heizleistung von je 180 kW und zusammen 540 kW (bei einer Wassertemperatur von 20°C).
Die Warmwasserbereitung erfolgt ganzjährig über eine der Wärmepumpen. Wie in den anderen Varianten wird eine Frischwasserstation-Kaskade mit vorgelagertem Pufferspeicher den Warmwasserbedarf decken.
Fazit
Wirtschaftlichkeit:
Die Wirtschaftlichkeit ist für diesen Variantenvergleich über einen Zeitraum von 30 Jahren in Anlehnung der VDI 2067 berechnet worden.
In der Variante 1 resultierten die niedrigsten Wärmegestehungskosten von 27 ct/kWh.
Variante 2 folgt mit 31 ct/kWh und die Variante 3 mit 45 ct/kWh.
CO2-Emissionsreduktion zum Status Quo
Variante 1: -4,3 TCO2eq./a (-14%)
Variante 2: +10,7 TCO2eq./a (+36%)
Variante 3: +11,5 TCO2eq./a (+38%)
Empfehlungen
Es wird empfohlen, die Variante 1 weiter zu verfolgen, weil diese aus wirtschaftlicher Sicht und aus Sicht der einzusparenden CO2-Emissionen am besten geeignet ist.