Großwärmepumpen für Heizung, Kühlung und Warmwasserbereitung
Die drei für die Gebäudetemperierung zuständigen "Geozent Profi"-Energiezentralen verfügen über eine Leistung von jeweils 1,3 MW. Abhängig vom Wärme- und Kältebedarf wählen die Anlagen immer die energieeffizienteste Betriebsweise und schonen gleichzeitig die Wärmequelle Grundwasser so weit wie möglich. Priorität hat dabei der sogenannte Dualbetrieb, mit dem sich Heiz- und Kühlanforderungen im ICE-Werk gleichzeitig abdecken lassen. Für diesen Prozess dienen die zwei Pufferspeicher auf der Bereitstellungsseite als Wärmequelle bzw. -senke für die Kälteerzeugung, während die Brunnenanlage nur unterstützend den Wärme- oder Kälteüberschuss ausgleicht.
Ist ausschließlich Kälteleistung gefordert, arbeiten die Großwärmepumpen möglichst im Naturalkühlbetrieb. Sobald die Temperatur des Grundwassers ausreicht, wird die überschüssige Wärme aus dem Gebäude ohne Nutzung der sauggasgekühlten Schraubenverdichter direkt über die Brunnen abgegeben. Da so nur noch die Antriebsenergie für die Heizungs- und Soleumwälzpumpen benötigt wird, sinken die Betriebskosten erheblich.
Eine weitere Energiezentrale mit 1 MW Leistung ist zudem für die Warmwasserversorgung der ICE-Enteisungs- und Waschanlage zuständig. Diese besprüht die vorbeirollenden Züge mit 2.000 Litern Wasser pro Minute und wird parallel sowohl von der Großwärmepumpe als auch aus einem drucklosen 450.000 l Betonspeicher gespeist. In den Ruhezeiten erwärmt die Energiezentrale den Wasserspeicher nach und nach auf eine Temperatur von maximal 53 °C.
Dabei erhält ein ausgeklügeltes Be- und Entladungskonzept die Temperaturschichtung im Speicher, so dass dieser nicht durchmischt wird und Leistungspotential verloren geht. Auf diese Weise wird die für Warmwasserbereitung zur Verfügung stehende Leistung auf 2 MW verdoppelt. So konnte hier auf eine weitere Energiezentrale verzichtet und gleichzeitig auch das Grundwasser als Wärmequelle geschont werden.
Maßgefertigte Energiezentralen mit integrierter Hydraulik
Alle vier "Geozent Profi"-Energiezentralen wurden für das Projekt maßgefertigt und dabei sämtliche Komponenten wie Verdichter, Kältemittelkreisläufe, Wärmeübertrager und Hocheffizienzpumpen speziell auf den Anwendungsfall hin ausgelegt. Die Anlagen sind mit einer integrierten Hydraulik ausgestattet und können durch geschickte Verschaltung von Wärmeübertragern, drehzahlgeregelten Pumpen und allen erforderlichen Regel- und Stellorganen sämtliche Betriebszustände selbst abdecken und regeln. Dementsprechend musste zwischen den Energiezentralen, dem Quellenspeicher sowie den Pufferspeichern für Kalt- und Warmwasser lediglich die Rohrleitungsinstallation umgesetzt werden.
Dies war besonders wichtig, weil in den beiden Technikzentralen für die sehr hohe Anlagenleistung nur verhältnismäßig wenig Platz zur Verfügung stand. Hier neben den Großwärmepumpen noch eine aufwändige externe Hydraulik zu realisieren, wäre kaum möglich gewesen und hätte den Installationsaufwand maßgeblich erhöht. Demgegenüber sind die Energiezentralen für ein einfaches Handling auf der Baustelle mehrteilig in Modulbauweise konstruiert. So konnten die Anlagen trotz der beengten Räumlichkeiten problemlos eingebracht und anschließend einfach zusammengesetzt werden.
Mithilfe der integrierten Heißgasauskopplung können die Energiezentralen zudem die Solarthermieanlage bei der Trinkwassererwärmung unterstützen. Mit dieser Methode kann eine zweite, höhere Vorlauftemperatur aus dem Wärme- bzw. Kälteprozess ausgekoppelt werden, ohne dabei das gesamte Druckniveau des Verdichters anzuheben. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise im Heizbetrieb bei einer Vorlauftemperatur von 50 °C noch einmal 70 °C für die Warmwasserbereitung gewinnen. Grundsätzlich können etwa zehn Prozent der Verdichterleistung in Form von Heißgas ausgekoppelt werden. Damit stellen die drei für die Gebäudetemperierung zuständigen Energiezentralen zusätzlich also noch einmal jeweils 130 kW für das Trinkwarmwasser bereit.
Herstellereigene Regelung als übergreifender Energiemanager
Den Kern der ganzheitlichen Systemlösung bildet allerdings die frei programmierbare Regelung. Diese steuert die komplexen Abläufe der verschiedenen Heiz- und Kühlprozesse optimal und sorgt im Zuge dessen stets für hydraulisch ausgeglichene Verhältnisse in der Gesamtanlage. Die MSR-Technik basiert dabei auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), die sämtliche Funktionen der Energiezentralen entsprechend den Parametervorgaben regelt und selbst über die jeweils wirtschaftlichste Betriebsart entscheidet.
Deutliche Effizienzvorteile ergeben sich hier etwa daraus, dass die Energiezentralen den komplexen Ablauf des Heiz- und Kühlprozesses, der ja auch gleichzeitig auftritt, über denselben Kältemittelkreislauf zur Verfügung stellen können – und zwar, ohne diesen dafür umschalten zu müssen. Die Regelung gewährleistet dies für vier Großwärmepumpen mit unterschiedlichen Leistungen, die zudem noch in zwei Technikzentralen in 300 m Entfernung voneinander untergebracht sind. Die Drehscheibe für diesen stetig gleitenden Prozess der Energieverschiebung ist der große Quellenverteiler, der im Zuge dessen auch dafür sorgt, dass die fünf Förder- und Schluckbrunnen so wenig wie möglich beansprucht werden.
Weiterhin werden im Rahmen eines Monitorings sämtliche Parameter und Betriebszustände – wie etwa die Pegelstände der Brunnen, Differenzdrücke an jeder Pumpe sowie die Temperaturen an den Pufferspeichern – kontinuierlich überwacht. Alle Betriebsabläufe der Energiezentralen lassen sich zudem mithilfe der integrierten Prozessvisualisierung entweder über das zentrale Servicecenter von Zent-Frenger oder vom Kunden selbst standortunabhängig nachvollziehen. Auf dieser Basis findet auch eine umfassende Fernbedienung, -wartung und -optimierung der Anlagen statt.
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