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Monovalent Heizen und Kühlen

WÄRMEPUMPEN-KASKADE IM KB 4 IN DÜSSELDORF

WÄRMEPUMPEN-KASKADE IM KB 4 IN DÜSSELDORF

Nichtwohngebäude wie das hochmoderne Bürohaus KB4 im Düsseldorfer Business-Park „Airport City“ haben als Neubauten hohe gesetzliche Anforderungen zu erfüllen. Das gilt besonders für die Beheizung und Kühlung eines Objektes. Mit modernen Technologien lassen sich diese Vorgaben problemlos erfüllen. Zum Beispiel mit reversiblen Wärmepumpen, die einen wirtschaftlichen Einsatz als monovalente Wärme- und Kälteerzeuger ermöglichen.

Das KB 4 -

ein hochmodernes Bürogebäude

Das KB 4, das die Gerresheimer Gruppe für ihren Firmenhauptsitz gewählt hat, bietet auf fünf Geschossen rund 4.300 qm hochmoderne Büroflächen. Jede Etage ist in zwei verschieden große Mieteinheiten teilbar, die sich nach Bedarf flexibel aufteilen lassen – vom Einzelbüro bis zur Business-Lounge. Im Untergeschoss befinden sich darüber hinaus Lager- und Archivräume sowie eine Tiefgarage. Mitte 2014 wurde das Objekt, in das die STRABAG Real Estate GmbH rund 17 Millionen Euro investiert hat, nach rund einjähriger Bauzeit fertig gestellt. Ende des vergangenen Jahres hat eine Gesellschaft des Thalanx-Konzerns das Gebäude übernommen.

Enge Zusammenarbeit zwischen

Planungsbüro und Hersteller

Den aktuellen Standards in Bürogebäuden entsprechend war eine planerische Aufgabe die Klimatisierung der Räume. Neben einem Wärmeerzeuger musste daher auch ein System zur Kühlung installiert werden. Bei der Planung der Anlage galt es, die Vorgaben der Energieeinsparverordnung (EnEV) zu berücksichtigen. So sieht Paragraph 3 des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) vor, dass Eigentümer von Neubauten mit einer Nutzfläche von mehr als 50 qm den Wärme- und Kälteenergiebedarf durch die anteilige Nutzung von erneuerbaren Energien decken. Als erneuerbare Energien im Sinne des Gesetzes gelten dabei Umweltwärme, Geothermie, solare Strahlungsenergie sowie Biomasse.

Das Planungsbüro Bodzian aus Duisburg hat sich zum Ziel gesetzt, nicht nur die gesetzlichen Vorgaben zu erfüllen, sondern auch eine möglichst effiziente und sinnvolle Lösung für das KB 4 zu finden. Intensiv wurden Ideen gesammelt, wieder verworfen oder konkretisiert und weiter entwickelt. So lange, bis der planende Ingenieur Frank Müller ein Konzept gefunden hat, das den Ansprüchen des Planungsbüros und den Bedürfnissen des Kunden gerecht wird. Während der gesamten Entwicklungsphase des energetischen Konzepts wurde das Planungsbüro dabei vom Hersteller Mitsubishi Electric unterstützt. „Durch die kontinuierliche Zusammenarbeit zwischen Planerberater, Ingenieuren und unseren technischen Experten tragen wir als Hersteller dazu bei, eine optimale Anlagen-Lösung zu finden, die den hohen Qualitätsansprüchen sowohl auf Seiten des Planungsbüros als auch von unserer Seite entspricht“, erklärt Bernd Brinkmann, Planerberater NRW bei Mitsubishi Electric.

Wärmepumpen-Kaskade -

Wärme und Kälte nach Bedarf

Die Konzeption der Anlage mit neun in Kaskade geschalteten Luft/Wasser-Wärmepumpen erlaubt das gleichzeitige Heizen und Kühlen. „Über die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik wird sicher gestellt, welches der Außengeräte jeweils Kälte- oder Wärmeenergie erzeugt, zum anderen wird festgelegt, wie viel Leistung zum jeweiligen Zeitpunkt erbracht werden soll. Damit können wir beide Energien bedarfsgerecht und zeitgleich erzeugen“, resümiert Bernd Brinkmann, Planerberater NRW bei Mitsubishi Electric. 
Insgesamt sind die neun Wärmepumpen vom Typ PUHZ-SHW230YKA der Mr. Slim-Serie auf eine Heizleistung von 207 kW ausgelegt. Die Außengeräte sind mit Vollinvertertechnologie ausgestattet, bei der die Leistung stufenlos modulierend an den Bedarf angepasst wird. Dadurch arbeitet das System deutlich effizienter als Anlagen, die nur den On/Off-Modus kennen. Der Regelverdichter liegt bei einer Maschine zwischen 30 und 100 Prozent. D.h., dass eine Modulation von etwa 7 kW – bei einer Wärmepumpe im Teillastbetrieb von 30 Prozent – bis zu 207 kW bei neun Geräten im Volllastbetrieb erzeugen kann. „Die Regelstrategie ist, die einzelnen Wärmepumpen möglichst im Teillastbetrieb arbeiten zu lassen. Das ist effizienter als zum Beispiel vier Wärmepumpen volle Leistung erbringen zu lassen, während die anderen fünf ausgeschaltet sind“, so Brinkmann.

Auch im Winter

überzeugend wirtschaftlich

Um auch bei tiefen Außentemperaturen einen zuverlässigen Dienst leisten zu können, sind die Geräte mit der Zubadan-Technologie ausgestattet. Die sogenannte „Flash-Injection“ gewährleistet bei tiefen Außentemperaturen einen stabilen Kältemittelkreislauf. Dadurch sind 100 Prozent Heizleistung bis zu 15 °C möglich, ohne dass ein weiterer Wärmeerzeuger wie beispielsweise ein elektrischer Heizstab zugeschaltetwerden muss. Die einwandfreie Funktion der Geräte wird sogar bis zu Temperaturen von -28 °C gewährleistet. 

„Aufgrund dieser Technologie arbeiten die Wärmepumpen auch im Winter wirtschaftlich, weil sich dieses System als monovalenter Wärmeerzeuger einsetzen lässt“, erklärt Ulf Berens, Geschäftsführer der ausführenden Kältetechnik Berens. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Einheiten aufgrund ihrer konstanten Heizleistung wesentlich kleiner dimensioniert werden können als Modelle ohne Zubadan-Technologie.

Neun Außenmodule

in Kaskade geschaltet

Die neun Außenmodule sind in Kaskade geschaltet, aber jede Maschine kann individuell im Heiz- oder Kühlbetrieb arbeiten. An kalten Tagen können neun Geräte Wärme erzeugen, an sehr heißen laufen alle neun Wärmepumpen bei Bedarf im Kühlbetrieb. In Übergangszeiten, wenn es aufgrund der Sonneneinstrahlung in den Büros auf der Südseite so warm wird, dass eine Klimatisierung nötig ist, während auf der kühlen Nordseite noch geheizt werden muss, kann ein Teil der Geräte Wärme erzeugen und der Rest kühlen. Für eine optimale Energieausbeute sind die Außenmodule u-förmig auf dem Dach des Gebäudes installiert. Durch die Anordnung wird die Fortluft in den Raum zwischen den Wärmepumpen geblasen und dadurch die Ansaugluft erwärmt bzw. gekühlt, sodass die Anlage effizienter arbeiten kann.

Ganz schön intelligent:

Die Regelungstechnik

Die Bedarfssteuerung wird durch eine spezielle Regelungstechnik ermöglicht. Zu jeder Wärmepumpe wurde ein PAC-IF012B-E Anschlussset installiert. Mit diesem Anschlussset lässt sich eine Vielzahl von Wärmetauschern mit den Außengeräten der Mr. Slim-Serie verbinden. So können diese zum Beispiel an Lüftungsgeräte oder Türluftschleier angeschlossen werden. 
Im KB 4 wurde die Wärmepumpen-Anlage mittels der Anschlusskits in die übergeordnete Gebäudeleittechnik (GLT) eingebunden. Über externe Signale können so verschiedene Einstellungen vorgenommen werden: die Leistungsvorgabe in 8 Stufen von 30 bis 100 Prozent, der Modus Heizen oder Kühlen sowie ein Kompressorstop. Darüber hinaus werden alle relevanten Betriebsdaten ausgegeben, darunter der Verdichterbetrieb, der Betriebsmodus oder der Abtauvorgang. Jedes Gerät ist separat über Kältemittelleitungen an einen eigenen Wärmetauscher angeschlossen. Diese übertragen die Energie wasserbasiert an zwei Warmwasser- und einen Kaltwasserpufferspeicher. Durch diese Konstellationen gibt es keinen Kältemittelkreislauf im Inneren des Gebäudes. 

Pufferspeicher zur

Effizienzsteigerung

Die drei Pufferspeicher geben das Wasser passend und bedarfsgerecht an den Warmwasser- oder Kaltwasserkreislauf im Gebäude ab. Durch den Einsatz der Pufferspeicher wird unnötiges Takten der Wärmepumpen vermieden, und diese können wirtschaftlicher arbeiten. Die Wärmeverteilung erfolgt über eine Betonkernaktivierung, die die Heizgrundlast trägt. Zusätzlich wurden Heizkörper montiert, um zu Spitzenlastzeiten ausreichend Wärme zur Verfügung stellen zu können. Die Kälteverteilung erfolgt über eine zentrale raumlufttechnische Anlage (RLT). Dies entspricht den planerischen Vorgaben, die einen Verzicht auf Klimageräte vorsehen.

Fazit

Ein Ergebnis, das alle Erwartungen erfüllt: Im KB 4 wurde ein Luft/Wasser-Wärmepumpen-System installiert, das nicht nur der gesetzlichen Regelung entspricht, sondern auch als monovalenter Wärmeerzeuger fungiert sowie gleichzeitig heizen und kühlen kann. Dass beide Funktionen vom gleichen System übernommen werden, ist für das KB 4 eine einfachere sowie nachhaltigere Lösung im Vergleich zur klassischen Ausstattung mit Wärmeerzeuger und Klimaanlage.
Bewusst wurde ein System gewählt, das auch bei niedrigen Temperaturen noch effizient arbeitet. Die Geräte sind über ein passendes Anschlussset so geschaltet, dass sie effizient und bedarfsgerecht Kalt- und Warmwasser produzieren können – auch gleichzeitig. Da das Ergebnis alle Erwartungen erfüllt, wird bereits ein nahezu identisches Konzept im baugleichen Nachbargebäude AERO realisiert.