Nachhaltiges Energiekonzept mit Latent-Energiespeicher
Nach jahrzehntelangem Bemühen konnte am 22. April 2016 die neue Wirkungsstätte der Valerius-Füner-Stiftung und ihrer „Tochter“, der TWK GmbH, eingeweiht werden. Besonderes Augenmerk wurde bei der Planung und beim Bau des Gebäudes auf ein nachhaltiges Energiekonzept gelegt.
Der gute Ruf von Karlsruhe als eines der kältetechnischen Zentren in Deutschland geht auf Prof. Rudolf Plank zurück, der die Kältetechnik 1925 an der TH Karlsruhe etablierte und 1926 das weltweit erste kältetechnische Institut gründete. Einer seiner Schüler, Prof. Valerius Füner, führte die Kältetechnik 1948 am damaligen Staatstechnikum Karlsruhe ein, der heutigen Hochschule Karlsruhe. 1952 baute Prof. Füner mithilfe von Spenden aus der Industrie ein kältetechnisches Labor auf und rief den ersten kältetechnischen Fortbildungslehrgang (kurz: „Kältekurs“) ins Leben.
Er leitete diese Kurse bis 1979. 1980 führte sein Nachfolger an der Fachhochschule Karlsruhe, Prof. Johannes Reichelt, diese Lehrgänge fort und baute sie wesentlich aus. 1980 wurde die Fachhochschule Karlsruhe eine von drei in Deutschland zugelassenen, neutralen DIN-Prüfstellen für Wärmepumpen und Kältetechnik. Die Mess- und Prüfaktivitäten wurden seitdem deutlich erweitert. 1987 erfolgte der Anschluss an die Steinbeis-Stiftung unter der Bezeichnung „Transferzentrum für Kälte- und mobile Klimatechnik Karlsruhe“. 1996 kam es zur Gründung der TWK GmbH – Test- und Weiterbildungszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik. 2001 schließlich gründete Prof. Reichelt mithilfe von Spenden aus der Kälteindustrie die Valerius-Füner-Stiftung und übergab die TWK GmbH 2004 kostenlos an diese Stiftung.
Umzug nach Stutensee
Räumlich hat sich das Institut mehrfach verändert. 1997 wurde in der Floridastraße 1 in Karlsruhe ein Gebäude außerhalb der Fachhochschule Karlsruhe für die kältetechnische Weiterbildung und Prüfstelle bezogen und 2005 eine Laborhalle neben dem bisherigen TWK-Gebäude erstellt. Schon unmittelbar nach dem Einzug, Anfang 1997, in das gemietete Gebäude wurde die Suche nach einem Gebäude oder Grundstück fortgesetzt. Nach erfolgreicher Suche Anfang 2015 konnte auf einem Grundstück in Stutensee-Blankenloch (nördlich von Karlsruhe) das Bauprojekt nach Plänen der Architekten Adolf Knoll und Robert Fox beginnen.
Latent-Energiespeicher statt Erdsonden
Da sich die TWK und die Stiftung als Eigentümerin verpflichtet sahen, den Schulungsteilnehmern und der Öffentlichkeit ein zukunftsfähiges Gebäude mit einem nachhaltigen Energiekonzept zu präsentieren, wurde die Gebäudetechnik besonders sorgfältig geplant und realisiert. Schon sehr früh wurde klar, dass die heterogene Nutzung als Prüfstelle für kältetechnische Komponenten sowie Anlagen und als Bildungseinrichtung für berufliche Aus- und Weiterbildung im Bereich der Wärmepumpen sowie mobile und stationäre Kältetechnik einschließlich Verwaltung versorgungstechnisch über einen Energieverbund mit thermischer Speichermöglichkeit verknüpft werden muss. Die Lösung, mithilfe von Erdwärmesonden überschüssige Wärme aus der Prüfstelle in den Untergrund einzuleiten, um sie für die Gebäudeheizung im Winter wieder nutzen zu können, konnte wegen der für den Standort bestehenden Bohrtiefenbegrenzung auf nur 40 m aus wirtschaftlichen Gründen nicht weiterverfolgt werden. Als Alternative wurde ein unterirdischer Latent-Energiespeicher eingesetzt. Die Prüfstelle liefert während des Jahres mehr Abwärme als das Gebäude zur Beheizung benötigt. Allerdings ist das Abwärmeangebot sehr volatil, d. h. die Verfügbarkeit ist stark schwankend und daher schlecht planbar. Zudem steht die Abwärme nur auf einem niedrigen Temperaturniveau zur Verfügung. Ohne Wärmepumpen und geeignete Speichermöglichkeiten wäre sie nicht nutzbar.
Flächentemperiersysteme
Eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung von industrieller Abwärme sind für Niedertemperaturen geeignete Wärmeübergabesysteme, wie die Industrieflächenheizung in der Prüfhalle und im Erdgeschossfußboden des Schulungsgebäudes. Die aus Spannbeton-Paneelen bestehenden Geschosstrenndecken im EG und OG beinhalten Flächentemperierungssysteme, mit denen die Räume individuell geheizt und gekühlt werden. In den thermisch höher belasteten Schulungsräumen unterstützen zusätzliche Kühlkonvektoren die sommerliche Raumkonditionierung. Auch die Raumlüftungsanlage mit integrierter Wärmerückgewinnung begnügt sich mit niedrigen Medientemperaturen.
Funktionsweise des Energiespeichers
Unter dem Parkplatz ist ein zylinderförmiger Betonbehälter mit ca. 90 m3 Fassungsvermögen als Energiespeicher eingebaut, in dem die Abwärme aus dem Prüfstellenbetrieb gespeichert werden kann. Im Erdreich unter der Bodenplatte liegen Kunststoffleitungen, durch die anfallende Abwärmeenergie aus den Prüfständen zum Energiespeicher geführt wird. Während der Heizperiode holen sich die Sole-/Wasser-Wärmepumpen im Ausstellungsraum die gespeicherte Wärmeenergie zurück und beliefern die Räume mit der erforderlichen Heizwärme von etwa 30 °C. Der Strombedarf liegt bei weniger als 25 % der gelieferten Heizwärmeenergie.
Bei starkem Wärmeentzug und gleichzeitig geringem Wärmeeintrag aus der Prüfstelle wechselt das im Energiespeicher enthaltene Wasser in den Gefrierzustand. Beim Wechsel vom flüssigen in den festen Aggregatzustand steht sehr viel Wärmeenergie zur Verfügung, welche die Wärmepumpen auch bei einer längeren Betriebsruhe der Prüfstelle zur Gebäudeheizung nutzen werden. Sollte sich der Energievorrat im Speicher dem Ende nähern, unterstützen zusätzliche, im Außenbereich aufgestellte Luft-/Wasser-Wärmepumpen die Versorgung des Gebäudes. Wenn der Abwärmeeintrag über dem Wärmebedarf des Gebäudes liegt und die Temperatur im Latent-Energiespeicher den eingestellten Grenzwert übersteigt, sorgt ein zusätzlicher Wasserkühlsatz hinter der Prüfhalle für die Rückkühlung des Energiespeichers.
Partner und Sponsoren
Das gewählte Energieversorgungskonzept wurde im Rahmen des öffentlichen Förderprogramms „Klimaschutz-Plus“ des Ministeriums für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg eingereicht und erhielt einen Zuwendungsbescheid für einen Zuschuss aus Landesmitteln.
Eine Aufteilung der Leistungsabschnitte wurde notwendig, als im Laufe der Projektplanung Zent-Frenger von Uponor übernommen wurde. Die bauteilintegrierten Heiz-/Kühlflächen in den Fertigteildecken waren im Lieferumfang des Bauunternehmers Speeter unter Bauleitung von Hans Anderl enthalten. Die Fa. Kreilac lieferte und montierte im direkten Auftrag die Uponor-Industrieflächenheizung. Die Akustik-Deckensegel und Kühlkonvektoren kamen von Zent-Frenger. Für die Wärme- und Kälteverteilanlagen mit Technikzentrale ist die Fa. Herrmann verantwortlich. Die MSR-Technik wurde von der TWK in Eigenleistung erbracht. Tobias Schaar von Engineering Consult übernahm die Planungsarbeiten im Lüftungs- und Sanitärbereich.
Die eingebauten acht Wärmepumpen wurden der TWK kostenlos zur Verfügung gestellt: Es handelt sich um vier Luft-/Wasser-Wärmepumpen vor dem Haus, drei Sole-/Wasser-Wärmepumpen und eine Warmwasser-Wärmepumpe innerhalb des Hauses von ait-deutschland, Bosch Thermotechnik, EHT Haustechnik (AEG), IDM Energiesysteme, Mitsubishi Electric Europe, Stiebel Eltron, Viessmann-Wärmepumpen und Wolf. Die Wärmepumpen heizen und kühlen das Gebäude nicht nur, sondern dienen auch als Demonstrationsobjekte für Besucher und Lehrgangsteilnehmer (ca. 1.500 pro Jahr), mit denen Laborübungen durchgeführt werden können. Zudem sollen in Verbindung mit den Herstellern Workshops organisiert werden.
Die Firma Combitherm stellte der TWK kostenlos einen Wasserkühlsatz zur Verfügung. Unterstützung gab es dabei von den Firmen Bitzer (Verdichter), Chemours (Kältemittel), Güntner (Verflüssiger), Siemens (Drosselventil) und SWEP (Verdampfer).
Yannick Friess führte unter direkter Betreuung von Fritz Nüßle seine experimentelle und theoretische Master-Thesis am Eis-Latentspeicher durch und erhielt dafür die Bestnote von seinem Betreuer an der Hochschule Karlsruhe, Prof. Michael Kauffeld. Seine Arbeit wurde auf dem Uponor-Kongress mit dem Blue-U-Award ausgezeichnet.
Quellen
Homepage der TWK GmbH
Reichelt, J.: Festschrift anlässlich der Einweihungsfeier am 22. April 2016
Nuessle, F.: Die TGA-Technik im neuen TWK-Gebäude; Festschrift anlässlich der Einweihungsfeier
