Sanierung beim SWR Baden-Baden
Umbau einer Heizzentrale plus Wärmeverteilung
Seit dem allerersten Neubau im Jahr 1950 [1] ist die Funkhöhe des SWR in Baden-Baden auf ein stattliches Areal von 178.000 m² angewachsen. Heute versorgen drei Energie-zentralen 18 Gebäude mit Wärme und Kälte für Heizung, Brauchwasser, Lüftungs- und Klimatechnik. 2014 wurde das Gesamtsystem der „unteren Funkhöhe“ saniert. Was wie der „Gordische Knoten“ schien, spart heute Energiekosten und CO2-Emissionen bei einer attraktiven Amortisation für den Betreiber. Aber wie wurde dieser Knoten entflochten?
Umfangreiche Voranalyse
Die Vorarbeiten starteten bereits im Juni 2011. Ein halbes Jahr analysierte und dokumentierte Stefan Schwenk zusammen mit seinen Kollegen von der Fachgruppe Klimatechnik Baden-Baden die größte der drei SWR-Heizzentralen sowie das weit verzweigte Verteilnetz der unteren Funkhöhe nebst Gebäuden mit allen Unterverteilungen. Er ahnte, dass in den Katakomben der Liegenschaft große Einsparmöglichkeiten schlummern. In dieser Dokumentationsphase machte Schwenk Skizzen, Fotos und ergänzte fehlende technische Daten – sofern ermittelbar. Einbezogen wurden außerdem Bestandsunterlagen, Pläne und Raumbeschreibungen, das Raumbuch, Anlagenschemen, Grundrisspläne der Heizzentrale, Energieverbräuche und Brennerprotokolle aller Heizkessel. Am Ende war in mühevoller Kleinarbeit die Grundlage für eine umfassende Potential- und Detailanalyse geschaffen.
Was ist hydraulisch sinnvoll?
Zu dieser Frage findet man in der Ausarbeitung einleitend die folgende Information: ‚Das Ziel dieser Analyse ist es, ein durchschaubares Konzept in die Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung zu bringen. Hierbei wird das Hauptaugenmerk auf ein hydraulisch sinnvolles System gelegt.’ [2] Diese Aufgabenstellung war eine der schwierigsten Anforderungen an die planende Abteilung. Denn „wenn neue Wärmeerzeuger eingesetzt werden, muss man sich zwangsläufig mit dem dahinter angeordneten System beschäftigen, zumal das Verteilnetz ‚Heizung’ andere Betriebsbedingungen aufweist, als das Verteilnetz ‚Klima’“, erklärt Hans-Günther Olbrich. „Dabei ist die hydraulische Trennung zwischen Erzeugung und Verteilung eine grundlegende Maßnahme. Die sinnvolle Zusammenfassung diverser Verteilergruppen stellt dann eine weitere Herausforderung dar.“ Aufgrund des teils überalterten Anlagenbestandes ging es also auch um einen Kesselaustausch durch zeitgemäße Alternativen. Und jetzt wird es spannend, ja ist nochmals der Experte gefragt. Denn welches Verteilnetz passt zu welchem Wärmeerzeuger und warum ist die hydraulische Trennung zwischen Wärmeerzeugung und Verteilung generell sinnvoll? Fachmann Olbrich weiß dazu Folgendes: „Bereits in früheren Jahren wurde der Einsatz hydraulischer Weichen als sinnvoll erachtet. Heute gibt es kaum noch sanierte Anlagen, die ohne Systemtrennung auskommen. Allerdings gibt es bei Wärmeerzeugern mit unterschiedlichen Temperaturdifferenzen auch Grenzen. Beispiel:
‚Schüttet’ man diese erzeugte Wärme in einen Topf, bleibt der Nutzen niedriger Rücklauftemperaturen einer CO2-Wärmepumpe ungenutzt. Also erstellt man eine Systemtrennung mittels Speicher, dessen Konzeption jeder Erzeugertemperatur gerecht wird. Unterschiedliche Rücklauftemperaturen werden so eingebunden, wie es für das Wärmeprofil (am Speicher unten) notwendig ist. Dies gilt ebenfalls für das Verteilnetz. Die eingesetzten Umwälzpumpen sind dann bezüglich der Umlaufwassermengen definierbar und transportieren die ‚richtige’ Wärme,
a. vom Erzeuger zum Speicher
b. vom Speicher zu den Verbrauchern.“
Geringere Kosten im Betrieb
Blättert man weiter in der Potential- und Detailanalyse, findet sich eine andere Anforderung: ‚Ein weiteres wichtiges Ziel ist es, die laufenden Betriebskosten nachhaltig zu senken. Der Einsatz neuer, energiesparender Umwälzpumpen gehört dazu und wird zu einer Verringerung des Stromverbrauchs beitragen.’
Da auf der unteren Funkhöhe Standardumwälzpumpen im Einsatz waren, roch es geradezu nach Einsparungen. Stefan Schwenk und Hans-Günther Olbrich befassten sich umfassend mit dieser Möglichkeit. Das Ergebnis: Die Energiekosteneinsparung durch drehzahlgeregelte Umwälzpumpen ist groß und sinnvoll. Aber der Eins-zu-Eins-Austausch ‚alt gegen neu’ genügt nicht. Die Umwälzpumpen müssen angepasst werden, weil vorhandene Pumpen praktisch immer überdimensioniert sind.
Und jetzt wird es erneut spannend, ja braucht es tatsächlich eine große Erfahrung. Denn wie Olbrich weiß, ist es bei Liegenschaften wie der unteren Funkhöhe meist auch sinnvoll, Heizungssysteme mit größeren (!) Temperaturdifferenzen – also kleineren Umlaufwassermengen – zu betreiben. Bei gewachsenen Rohrsystemen reduziert man damit die Druckverluste enorm – und damit automatisch auch die Energiekosten. Geringere Umlaufwassermengen bekommt man aber nur mit drehzahlgeregelten Umwälzpumpen in den Griff – ein weiteres Argument für eine Modernisierung. Spätestens jetzt wird die richtige Dimensionierung zur Expertensache, und vor allem Erfahrung ist an dieser Stelle gefragt. Ein Ergebnis vorweg: Nur durch die richtige Änderung auf kleinere Pumpen und die Verringerung der Umlaufwassermengen bei der Wärmeversorgung der unteren Funkhöhe ergeben sich zukünftig Betriebskosteneinsparungen von jährlich rund 6.500 €. Die Investitionen für diese Änderungen lagen bei 22.000 €, was einen ROI innerhalb von vier Jahren bedeutet.
Die Lösung des Knoten
Die wesentlichen Ansatzpunkte zur Lösung des Gordischen Knotens eines gewachsenen Heizungs- und Verteilnetzes sind nun also bekannt. Aber wie genau sieht es heute auf der unteren Funkhöhe aus? Und was wurde verändert?
Zunächst musste der als neutral einzustufende Allgemeine Technische Vergabeausschuss (ATV) innerhalb des öffentlich rechtlichen Rundfunks die Potential- und Detailanalyse eingehend prüfen und bewilligen. Dabei überzeugte das Gremium vor allem der schriftlich geführte Nachweis, dass die Investitionen nach sechs bis sieben Jahren eingespielt sein werden. Da im Falle des SWR in Baden-Baden Investor gleich Betreiber ist und außerdem die Planungsabteilung im Hause sitzt, werden ausschließlich nachhaltige Entscheidungen auf qualitativ hochwertiger Basis getroffen. Oder einfach gesagt: Es wurde und wird nicht am falschen Ende gespart!
„Mein Team hat mehrere Lösungswege analysiert und sorgfältig miteinander verglichen“, erinnert sich Christian Maug, Leiter der Fachgruppe Gebäudemanagement-Klimatechnik in Baden-Baden. „Die Entscheidung des ATV fiel dann auch nicht für die preisgünstigste, sondern für die nachhaltigste Variante. Wir konnten dem Gremium glaubhaft aufzeigen, dass die Einbindung erneuerbarer Energie trotz deutlich höherer Investition eine sparsame und vor allem eine umweltfreundliche Lösung darstellt. Denn jede zukünftige Verteuerung der Energiekosten schlägt mehr zu Buche, als eine kalkulierbare Investition. Mit der Einbindung der CO2-Wärmepumpe können außerdem die Schadstoffemissionen deutlicher reduziert werden“ (Tabelle 1). Die besagte Wärmepumpe und ein neuer Brennwertkessel mit Zweistoffbrenner (Feuerung 2 MW, Brennraum 3 MW) ersetzen heute den 1984 eingebauten alten Heizkessel.
Der Weg zum ‚Stand der Technik’
Jede Lösung braucht aber zunächst eine Aufgabenstellung. Denn schließlich fallen die zuvor genannten Zahlen nicht vom Himmel, sondern sind der Unterschied zwischen Istzustand und geplantem Stand der Technik.
Istzustand
Als die Potential- und Detailanalyse bewilligt war und die Ausschreibungsphase startete, fand sich in der Heizzentrale im VT-Bau der unteren Funkhöhe folgender Istzustand. Drei Heizkessel versorgten den gesamten Gebäudekomplex mit Wärme – zwei davon als Brennwertkessel. Die verfügbare Wärmeleistung betrug zu diesem Zeitpunkt insgesamt 10,75 MW (Tabelle 2). Die Kesseltemperaturen (70/90 °C) wurden über die Regeltechnik gleitend gefahren. Drei Umwälzpumpen mit Leistungen von 2 x 4,8 kW und 2,2 kW und einer maximalen Gesamtfördermenge von 450 m³/h sorgten pro Kessel im Wärmebedarfsfall für den Wärmetransport zu einem gemeinsamen Kesselverteiler. Von diesem aus versorgten wiederum zwei baugleiche Hauptpumpen (2 x 6,7 kW Leistung, Gesamtfördervolumen 500 m³/h) die Unterverteiler. Diese liefen nur parallel, wenn mindestens zwei Heizkessel in Betrieb waren.
Als zusätzlicher Wärmeerzeuger war (und ist noch heute) ein BHKW an den Kesselverteiler angebunden und trägt zur Grundlast des Systems bei. Die thermische Leistung liegt bei 207 kW, die elektrische Leistung bei 143 kW. Für dieses BHKW bezahlt der SWR allerdings keine Betriebskosten, sondern einen bezugsabhängigen Wärmelieferpreis im Rahmen eines Contractingmodells. Betreiber ist die MEG-Mittelbaden. Diese Sondersituation wurde bei den Kalkulationen berücksichtigt.
Direkt im Heizraum gab es zwei Unterverteiler für Hoch- und Niedertemperatur. Danach verzweigte sich das Wärmeverteilnetz weiter zu verschiedenen kleineren Unterverteilern, die bislang unverändert geblieben sind – und vorerst auch bleiben. Für die Kantinenküche waren vier Warmwasserspeicher zu je 500 l in der Heizzentrale aufgestellt.
Sehr umfangreich gestaltete sich die Erfassung der beheizten Gebäudeflächen und Erhebung der Heizlast – sowohl für das Heizungssystem, als auch für die Klima- und Lüftungsanlagen. Deren Gesamtfördervolumen beträgt im theoretisch möglichen Maximalfall 522.000 m³/h. „Gebäude für Gebäude, Raum für Raum, Anlage für Anlage – jede individuelle Nutzung, bis hin zur täglichen Nutzungsdauer, Gleichzeitigkeitsfaktoren, Wärmerückgewinnung oder Mischlufteinrichtungen wurden betrachtet“, erinnert sich Stefan Schwenk. Schließlich ergab sich bei einer Gesamtfläche von 75.127 m² für das Heizsystem eine Heizlast von 3.800 kW und für die Lüftungsanlagen von weiteren 1.400 kW – rein rechnerisch also von insgesamt 5.200 kW.
Dem gegenüber gestellt wurden dann die tatsächlichen Verbrauchswerte anhand der erfassten Daten zwischen 2008 und 2010 (Diagramm 1). Aus dem Jahresmittel und dem Nutzungsgrad der Heizungsanlage ergab sich eine jährliche Heiz- und Lüftungswärmemenge von 7.215 MW/a (Tabelle 3). Um diesen Wert zu verringern, müssen Maßnahmen am Gebäude vorgenommen werden, die aber kein Bestandteil der Aufgabenstellung waren. Schlussendlich ergibt sich bei 1600 Volllaststunden der Heizkessel eine Heizlast von 4,5 MW. Vergleicht man diesen Wert mit den errechneten 5,2 MW, so ist eine hohe Übereinstimmung gegeben. Für die Ausarbeitung von Lösungsvorschlägen nahm die Fachgruppe Klimatechnik eine Heizlast von 5 MW an.
Der heutige Idealzustand
Ohne einen winterlichen Wärmeversorgungsengpass befürchten zu müssen, war jetzt schon klar, dass der ineffiziente 1984 installierte 4,2 MW Kessel entfallen kann. Da mit den restlichen 6,75 MW allerdings keine Redundanz mehr gegeben war, musste ein geeigneter Ersatz her. Die Wahl fiel auf den Bosch-Brennwertkessel mit Zweistoffbrenner und 3 MW Feuerungsraum sowie 2 MW Brennerleistung für einen optimalen Wirkungsgrad.
Dazu kam parallel die neue CO2-Wärmepumpe des Fabrikats thermeco2. Sie deckt die Grundlast bis zu 400 kW (Diagramm 2) und speist ihre Wärme in den neuen Pufferspeicher ein, während gleichzeitig die erzeugte Kälte zur Gebäudekühlung verwendet wird. Da beim SWR sogar im Winter Kühllasten anfallen, steht die Kälteleistung jetzt praktisch kostenlos zu Verfügung. Im Sommerbetrieb versorgt die Wärmepumpe die Nacherhitzer der Klimaanlagen und deckt additiv einen Teil der Kühllast ab. Kessel und Wärmepumpe sind heute in eine Kesselfolgeschaltung eingebunden.
Ein weiteres zentrales Element im neuen hydraulischen Verteilnetz ist der 10.000 l fassende Pufferspeicher. Alle Wärmeerzeuger speisen ihre Heizwärme in diesen auf verschiedenen Ebenen ein. Dies geschieht über ein ausgeklügeltes Rohrlabyrinth im Inneren, was allerdings das Speichervolumen auf 7.200 l verkleinert. Der große Vorteil: Die Schichtung der Wärme im Speicher bleibt jederzeit stabil. So kann damit gezielt auf Hoch- und Niedertemperaturniveau eingespeist oder entnommen und verteilt werden. Letzteres passiert heute über den neuen Hauptverteiler, der Hoch- und Niedertemperatur vereint. Dahinter befinden sich jetzt die logisch angeordneten Versorgungsleitungen zu den in Gruppen zusammengelegten Unterverteilern (Tabelle 4). Die Wärme gelangt schlussendlich auf dem richtigen Temperaturniveau zu den Radiatoren, Konvektoren, Nacherhitzern oder Fußbodenheizungen in den Gebäuden und den Lüftungszentralgeräten.
Heute werden auch keine unnötigen Wassermengen mehr durch das Verteilnetz der unteren Funkhöhe gepumpt. Durch die hydraulische Entkoppelung von Wärmeerzeugung und Verteilung mit leistungsgeregelten Versorgungspumpen und durch den intelligenten Aufbau des Verteilnetzes inklusive zugehöriger Regelungstechnik, hat sich die Umlaufwassermenge um sage und schreibe 33 % verringert.
Wenn dann der Knoten platzt
Neuer Heizkessel, neue Wärmepumpe, neuer Pufferspeicher, neues Hydrauliknetz, neue Versorgungspumpen – schön und gut. Aber was kostet das alles und was bringt es? „Damit der Knoten platzt, wurden in den Anlagenrück- und Neubau sowie das Wärmeverteilnetz etwas über 1. Mio. € investiert“, blickt Stefan Schwenk heute zurück. Gleichzeitig spart der SWR als Betreiber seit Inbetriebnahme im September 2014 jährlich knapp 160.000 € Betriebskosten ein. So hat sich der Invest spätestens 2021 amortisiert, bei weiter steigenden Energiepreisen sogar noch früher. „Bedenkt man außerdem, dass für manche der jetzt erneuerten Komponenten auf Grund ihres Alters bald Instandsetzungsmaßnahmen fällig geworden wären, so rechtfertig dies unser proaktives Handeln zusätzlich.“ Und welchen Nutzen hat die Umwelt? Durch die Sanierung mit der Wärmepumpe spart der SWR in Baden-Baden über 600 t CO2 /a ein. Das sind Minderungen von über 40 %.
Den Gordischen Knoten konnte die Fachgruppe Klimatechnik also lösen. In welcher Höhe sich die erwarteten Einsparungen letztendlich einstellen, wird sich spätestens nach dem Winter 2015/16 zeigen. Im nächsten Schritt sollen dann die gesamten Unter- und Nebenverteiler nebst Pumpen in Angriff genommen werden. Und man darf schon jetzt gespannt sein, wie viel Einsparpotentiale die Entfesselungskünstler auf der Funkhöhe dann wieder entknoten werden.
