Schlussbericht
(Deutsch)
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Das Konzept zur Sanierung der zentralen Energieerzeugung und -verteilung der im Jahr 1972 erstellten Grossüberbau ung “Im Blander“ in Brugg umfasst fünf Hauptkomponenten:
- Lithiumbrom id-Wasser-Absorptionswärmepumpe (Abs.-WP), die Umweltenergie aus dem Grund wasser entzieht und durch einen Low-NOx-Heisswasserkessel angetrieben wird;
- mod ulierender Low-NOx-Kessel mit Rekuperator für Spitzen- und ggf. Vollastdeckung;
- für Heizung und Warrnwasser gemeinsame Wärmeverteilung auf im Sommer sehr tiefem Temperaturniveau (“kalte“ lokale Fernieltung);
- dezentrale Elektro-Wärmepumpen in den Unterstationen (UST) der einzelnen Gebaude, welche als Wärmequelle die “kalte“ Femleitung benutzen und der Warmwassererwärmung dienen;
- Kleinwärmepumpen zur Kompensierung der Zirkulationswärmeverluste (Zirkulationshochhaltung).
Die Neuartigkeit dieses Sanierungskonzepts führte zu einem vom Bundesamt für Energiewirtschaft und dem Kanton Aargau finanzierten Messprojekt mit dem Ziel, eine detaillierte energietechnische Beurteilung durchzuführen.
Die Sanierung erfolgte in zwei Etappen: Im Sommer 1991 wurde die Wärmeverteilung (Fernleitung, Unterstationen in den einzelnen Gebäuden) umgebaut, ein Jahr später folgte die Erneuerung der Heizzentrale. (Die Gebäudehülle wird vorerst nicht in die Sanierung miteinbezogen.)
Aufgrund diverser Probleme verzögerte sich sowohl die Inbetriebnahme der Elektro-WP in den Unterstationen als auch der Abs.-WP. Statt wie vorgesehen im Herbst 92 konnte die Abs.-WP erst im März 95 mit der korrekten hydraulischen Einbindung in Betrieb genommen werden. Dies bedingte eine dreimalige Verlängerung des Messprojekts um total zweieinhalb Jahre. Heute arbeitet die Anlage gut. Die Feinoptimierung gewisser Betriebszustände ist allerdings noch nicht abgeschlossen. Der vorliegende Schlussbericht fasst die gemachten Erfahrungen bis Ende April 96 zusammen.
Die Überbauung “Im Bilander“ weist etliche Besonderheiten auf (Einrohr-Wärmeverteilung, fehlende oder mangelhafte Lärmdärnmung, Mischung von Hoch- und Flachbauten, schlechte Bauhüllen), welche eine Sanierung sehr anspruchsvoll machen. Im nachhinein kann festgestellt werden, dass es vernünftiger und auch effizienter gewesen wäre - und das gilt für alle komplexen Projekte -‚ die Realisierung der Sanierung auf mehrere, aufeinander aufbauende Teilschritte zu verteilen (Kp. 11.2).
Das gewählte Sierungskonzept überzeugt auch im Rückblick. Die bisher erreichte Energieverbrauchsreduktion gegenüber dem früheren Durchschnittsverbrauch beträgt - aufgrund der vorhandenen Daten auf ein ganzes Jahr hochgerechnet - rund 54% (+1-10% ) und liegt somit dem Sanle rungsziel von 55% Einsparung sehr nahe. Die Endenergieeinsparung unter Berücksichtigung der Strombereitstellung (Kraftwerkwirkungsgrad = 0,58 für modernes thermisches Kraftwerk) beträgt - ganzjähriger Betrieb der Abs.-WP vorausgesetzt - trotz dem Strommehrverbrauch der dezentralen Elektro-WP immer noch rund 52% gegenüber dem Zustand vor der Sanierung.
Die für den Sommerbetrieb unter dem Aspekt Endenergieverbrauch optimale (“kalte“) Fernleitungsvorlauftemperatur liegt bei rund 43°C (Kp. 9). Bei dieser Temperatur ist der Endenergieverbrauch der Gesamtanlage am kleinsten. Die Optimierungsfunktion beeinflussende, von der Fernleitungstemperatur abhängige Grössen sind dabei die Heizzahl der Abs.-WP, die Wärmeverluste der Fernleitung sowie die Leistungszahlen der Elektro-WP der Unterstationen.
Im Vergleich mit gedanklichen Modifikationen des gewählten Konzepts - nur Kesselbetrieb oder Verzicht auf „kalte“ Fernleitung und dezentrale Elektro-WP- schneidet die realisierte Variante deutlich besser ab bezüglich Endenergieausnutzung (inkl. Strombereitstellung; Kp. 8). Als Nachteil der realisierten Variante kann der hohe Grad an Komplexität mit Elektro-WP, Abs.-WP und Kessel, der zu einem entsprechend hohen Wartungsaufwand führen wird, betrachtet werden.
Die Absorptionswärmepumpe als Komponente arbeitete von Beginn an zuverlässig. Die entstandenen Probleme sind einzig auf Fehler in der hydraulischen und regeltechnischen Einbindung zurückzuführen, die auf mangelnder Erfahrung allerseits und zum Teil unkorrekten Anweisungen seitens der Lieferfirma basierten.
Eine Abs.-WP ist ein relativ träges System mit klar vorgegebenen Temperatur- und Durchflussbedingungen und von einem Heizkessel deutlich abweichenden Eigenschaften (Kp. 7.4.3, (Cl)). Die daraus sich ergebenden Konsequenzen sind (Kp. 7.4.3, (C4)):
(1) Regeltechnisch: Die Umweltenergie nutzende Abs.-WP hat im Zentrum der Regelstrategie zu stehen. Die spezifischen Eigenheiten der Subsysteme Abs. -WP, Heizkessel und Wärmebezüger müssen bekannt sein und sind als Teil des Gesamtsystem zu betrachten. Die Tragheit des “Mensch-Raumheizungs-Systems“ ist voll auszunutzen: In einem breiten Band schwankende Vorlauftemperaturen der Fernleitung sind zuzulassen. Bedingt durch die begrenzte maximale Vorlauftemperatur der Abs.-WP von 51 °C sollten die Vorlauftemperaturen der Wärmeverteilung so niedrig wie immer möglich gefahren werden. Zentrale und Unterstationen sollten durch ein gemeinsames Leitsystem integral gesteuert werden. Vorteilhaft wäre wahrscheinlich der Einsatz von Fuzzy Logic. Das heutige System (Leitsystem in der Heizzentrale, separate speicherprogrammier bare Steuerungen in den Unterstationen) macht eine Optimierung der Gesamtanlage sehr schwierig.
(2) Hydraulisch: Die Abs.-WP benötigt eine minimale Eintrittstemperaturen in den AbsorberNerflüssiger zur Verhinderung von Kristallisation der Lithiumbromid-Lösung. Bei variablen Heizungsrücklauftemperaturen, wie dies in der Überbauung “Im Bilander“ der Fall ist, ist somit eine Temperaturhochhaltung erforderlich (welche nachträglich im März 95 eingebaut wurde).
Die gemessene Leistung und Heizzahl der Abs.-WP (Kp. 7.4.3) entsprechen den von der Lieferfirma angegebenen Nennwerten. Für den Sommerbetrieb weist die Abs.-WP eine zu grosse Leistung auf. Dadurch werden nie stabile Temperaturverhältnisse erreicht. Die gemessenen Tagesheizzahlen sind durch Nutzung der Speicherkapazität des gesamten Fernleitungsnetzes (Temperaturschwankungsbreite 20°C bis 50°C) mit 1,42 bis 1,45 2 (+1-6%) (ohne Strom für Umwälzpumpen) trotz dem befriedigend. Für den wichtigeren Winterbetrieb ist die Abs.-WP gut ausgelegt. Die Tagesheizzahlen liegen zwischen 1,30 und 1,452 (ohne Strom). Höhere Werte sind bei den aufgrund der schlechten Bauhülle erforderlichen hohen Vorlauftemperaturen nicht möglich. Über die Jahresheiz zahl können noch keine durch Messungen abgesicherte Aussaqen gemacht werden. Gemäss Hochrechnung dürfte sie bei 1,43 2 (+1..lo%) (ohne Strom) resp. 1,38 (+1-10%) (inkl. Strom) liegen.
Der ideale Einsatz von Absorptionswärmepumpen sind Fälle, bei denen die antreibende thermische Energie als Abwärme zur Verfügung steht, also z.B. im industriellen Umfeld, und bei welchen die Abs.-WP ganzjähng - sei es zu Heiz- und/oder Kühizwecken - arbeiten kann, um die relativ hohen Investitionskosten besser zu amortisieren. Der Einsatz für Warmwassererwärmung und Raumheizung wie in der Überbauung „Im Bilander erfüllt wohl die Anforderung eines ganzjährigen Energiebedarfs, allerdings mit sehr grossen jahreszeitlichen Schwankungen. Ideal bei der Anlage in der Überbauung „Im Bilander“ ist die Energiequelle des Grundwassers mit stabilen, relativ hohen Temperaturen von 10°C bis 13°C während des ganzen Jahres. Das wegen der schlechten Bauhülle erforderliche hohe Temperaturniveau für die Heizung im Winterhalbjahr und das Fehlen von Abwärme auf 115°C stellen auf der anderen Seite Nachteile dar.
Die Elektro-WP (Kp. 7.3.7) der Unterstationen arbeiteten 1995 mit einer Jahresarbeitszahl (ohne Hilfsantriebe) von 5,22 (+1-2%), allerdings bei Fernleitungstemperaturen, die zeitweise noch über dem Sollwertbereich von 20°C bis 50°C lagen.
Der gemessene Jahresgesamtnutzungsgrad der WW-Aufbereitung (inkl. Speicher- und Zirkulationsverlusten) ist unter Berücksichtigung der schwierigen Verhältnisse in der Uberbauung “Im Bilander“ mit 66% bis 70% (+1-15%) gut (Kp. 7.3.7). Dazu tragen nicht unwesentlich die Kleinwärme pumpen zur Zirkulationshochhaltung bei, für deren Betriebsoptimierung ein paar Vorschläge gemacht werden (Kp. 7.3.6). die Heizzentrale (Kp. 7.4.7) erreicht in der konventionellen Betriebsart (d.h. ohne Abs.-WP) einen sehr guten Jahresgesamtnutzungsgrad von 99% (+1-2%) (bezogen auf H ‚ohne Strom).
In der Schweiz war bisher weder von Lieferanten- noch Anwenderseite Erfahrung mit grösseren Absorptionswärmepumpen für Raumheizung vorhanden. Die Anlage in der Überbauung “Im Bilander“ hat deshalb dank dem vom BEW und Kanton Aargau finanzierten Messprojekt zu ein paar grundlegenden Erkenntnissen geführt, die für weitere Anwendungen der Absorptionstechnologie von Nutzen sein dürften. Dieser Technologie mit ihren Vorteilen wie grosses Primärenergieeinsparpotential (da praktisch nur mit thermischer Energie und im Idealfall mit Abwärme angetrieben), gute Umweltverträglichkeit und lange Lebensdauer ist durchaus ein vermehrter Einsatz zu wünschen.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Krüsi,P.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The housing estate „Im Bilander‘ in Brugg comprises 6 buildings with a total of 342 flats. Beginning in 1991 the centralized heating and domestic hot water supply system was renewed and modified. The concept for Hie new System is centered around a L1Br-H 20absorption heat pump utilizing ground water (10°C/6°C 1) as heat source and a gas fired hot water boller to supply the generator (11 5°C/1 09°C 1) Other teatures are
- an 011/gas fired boiler for peak heating demand
- a combined energy distribution to the buildings tor both heating and hot water on 10w temperature level,
- decentralized electric water-to-water heat pumps to increase the temperature tor the domestic hot water using the 10w temperature energy from Hie distribution net as heat source,
- small electric air-to-water heat pumps to compensate for the heat losses of the bot water circulation within the buildings.
To gain more knowledge about the performance of an absorption heat pump tor space heating and domestic bot water - a novel application in Switzerland at the time - the Swiss Federal Office of Energy and the State ofArgovia financed a monitonng project.
After a delay of 2% years due to a number ot ditterent problems not related to the absorption heat pump as such the machine works now correctly both in summer mode with a daily thermal COP of 1.42 to 1.45 2 (sinGe March 95) and also in winter mode with a daily thermal COP of 1.30 to 1.45 2 (since the beginning of March 96). Momentary COP values of up to 1,61 have been measured. No measured tigures can so tsr be given tor the yearly performance tactor. lt is calculated to be around 1.43 2 (without electricity for auxiliary pumps) and 1 .38 2 (including electricity tor auxiliary pumps).
The predicted energy savings of the new energy supply and distribution System of 55% compared to the average consumption before 1990 can nearly be reached as an extrapolation assuming full year Operation ot the absorption heat pump indicates (savings of 54%). The energy supply by the heat pump will be around 76% of the total demand. The savings in primary energy are around 52% assuming a conversion efficiency of 0.58 tor electncity.
Although there are not yet data available on the longterm performance of the absorption heat pump, three conclusions can be made already at this stage:
(1) the use of absorption heat pumps tor space heating and domestic hot water is feasible,
(2) the absorption heat pump beirig a slow acting system has to be in the center ot the control strategy,
(3) caretul analysis of energy demand and required temperatature levels is essential to reach optimal sizing and Operation with high COP.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Krüsi,P.
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