Fachhochschule Erfurt

Konzepterstellung zur Beheizung und Kühlung einer Vertriebsniederlassung

Stefan Jähn

Inhaltsverzeichnis

1. Vorwort ... 10

2. Ermittlung der Gebäudekennwerte ... 15

2.1. Berechnung der Norm-Heizlast ... 15
2.2. Jahres-Heizwärmeverbrauch ... 15
2.3. Kühllastberechnung nach VDI 2078 ... 16
2.4. Berechnung des Jahreskältebedarfs ... 18

3. Systeme zur Wärmeerzeugung ... 19

3.1. Auswahl des Energieträgers ... 19
3.2. Heizwert- / Brennwertkessel ... 24
3.3. Wärmepumpe ... 26
3.3.1. Wärmequelle Grundwasser ... 27
3.3.2. Wärmequelle Erdreich ... 27
3.3.3. Wärmequelle Luft ... 30
3.4. Pellet-Kessel ... 31
3.5. Blockheizkraftwerke (BHKW) ... 32

4. Systeme der Kälteerzeugung ... 34

4.1. Kompressionskälteanlagen ... 34
4.2. Absorptionskälteanlagen ... 36
4.3. Sorptionsgestütze Kühlung ... 38
4.4. Passive Kühlung von Gebäuden ... 41

5. Vergleich Systeme der Wärme- und Kälteübertragung ... 43

5.1. Wärmeübertragung Bürogebäude ... 43
5.2. Vergleich Wärmeübertragungssysteme der Lagerhalle ... 43
5.2.1. Lufterhitzer ... 45
5.2.2. Deckenstrahlplatten ... 46
5.2.3. Torluftschleieranlagen ... 47
5.3. Verteiler ... 48
5.4. Kälteübertragung ... 49

6. Projektierung Wärmeerzeugungsanlagen ... 51

6.1. Wärmepumpe ... 51
6.1.1. Erdkollektoren ... 53
6.1.2. Erdsonden ... 54
6.1.3. Sole-Umwälzpumpe ... 57
6.1.4. Pufferspeicher ... 60
6.2. Pelletkessel ... 61
6.2.1. Kessel ... 61
6.2.2. Sicherheitstechnische Ausrüstung ... 62
6.2.3. Pufferspeicher ... 62
6.2.4. Pelletlagerraum ... 63
6.2.5. Abgasanlage ... 66
6.3. Kessel zur Beheizung der Lagerhalle ... 67
6.4. BHKW ... 69

7. Projektierung der Wärmeübertragungssysteme für die Lagerhalle ... 72

7.1. Lufterhitzer ... 72
7.2. Deckenstrahlplatten ... 74
7.3. Torluftschleieranlagen ... 77

8. Projektierung Kühlung des Bürogebäudes ... 79

8.1. Kälteübertragung ... 79
8.2. Passive Kühlung mittels Wärmepumpe ... 89
8.3. Kompressionskälteanlage ... 91
8.4. Absorptionskälteanlage ... 92

9. Energie- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen ... 100

9.1. Beheizung des Bürogebäudes ... 101
9.1.1. Pelletkessel und Brennwertkessel ... 102
9.1.2. Wärmepumpe und Brennwertkessel ... 103
9.1.3. Brennwertkessel ... 105
9.2. Beheizung der Lagerhalle ... 109
9.3. Kühlung des Bürogebäudes ... 112
9.3.1. Kompressionskälteanlage ... 112
9.3.2. Absorptionskälteanlage ... 113
9.3.3. Passive Kühlung mit Wärmepumpe ... 114

10. Fazit ... 118

10.1. Beheizung des Bürogebäudes ... 118
10.2. Beheizung der Lagerhalle ... 121
10.3. Kühlung des Bürogebäude ... 122

11. Anhang Teil 1 ... 123

11.1. Selbständigkeitserklärung ... 123
11.2. Literaturverzeichnis ... 124

12. Anhang Teil 2 ... 127

12.1. Berechnung der Norm-Heizlast ... 127
12.1.1. Vereinfachte Berechnungsmethode ... 128
12.1.2. Meteorologische Daten ... 128
12.1.3. Innentemperaturen, Luftwechselrate und Zusatzheizleistung ... 129
12.1.4. Norm-Transmissionswärmeverluste ... 129
12.1.4.1. U-Werte ... 130
12.1.4.2. Wärmeverluste an das Erdreich ... 132
12.1.5. Norm-Lüftungswärmeverluste ... 133
12.1.6. Formblätter ... 134
12.1.7. Norm-Heizlastberechnung für hohe Räume und große Bauten ... 135
12.1.8. Heizlastbestimmung nach DVGW Arbeitsblatt 638/II ... 136
12.1.9. Ergebnisse der Heizlastberechnung ... 138
12.1.10. Berechnung der U-Werte ... 139
12.1.11. Heizlastberechnung ... 142
12.2. Jahres-Heizwärmeverbrauch ... 162
12.2.1. Bürogebäude ... 162
12.2.2. Lagerhalle ... 165
12.3. Kühllastberechnung nach VDI 2078 ... 168
12.3.1. Innere Kühllast ... 168
12.3.2. Äußere Kühllast ... 170
12.3.3. Kühllastberechnung des Bürogebäudes ... 172
12.3.3.1. Gebäudedaten, Vorgabewerte ... 172
12.3.3.2. Berechnung ... 174
12.4. Berechnung des Jahreskältebedarfs ... 177
12.5. BHKW Wirtschaftlichkeitsberechnung ... 179
12.6. Dimensionierung Abgasanlage ... 189
12.7. Berechnung Raumluftzustand ... 193
12.8. Globalstrahlung in Deutschland ... 195
12.9. Zeichnungen ... 199

Einleitung

Aufgrund des steigenden Weltenergieverbrauchs und der aufkommenden Ressourcenknappheit sind die Preise für Gas, Heizöl und Strom in den letzten Jahren stark gestiegen. Das bei der Verbrennung frei werdende Kohlendioxid ist neben anderen Schadstoffen für den weltweiten Temperaturanstieg verantwortlich. So war das Jahr 2005 das wärmste Jahr seit Beginn der Wetteraufzeichnung vor über 100 Jahren [30]! Daher ist heute mehr denn je der verantwortungsvolle Umgang mit den Ressourcen von großer Bedeutung. Aus diesen Gründen sollte jeder Betreiber sich dafür entscheiden, Energiesparmaßnahmen im Rahmen einer Sanierung durchzuführen.
Daraus resultierend ist eine neue Energieeinsparverordnung (EnEV) geplant, die im Jahr 2006 verabschiedet werden soll. Diese beinhaltet, dass beim Verkauf oder Vermietung eines Gebäudes ein Energiepass ausgestellt werden muss. Mit dem Energiepass kann sich der Käufer oder Mieter über die energetische Qualität eines Gebäudes informieren und den Energieverbrauch vergleichen. Damit steigt der Wert von energiesparenden Gebäuden.

Abbildung 1-1 Ausschnitt aus dena Energiepass (Prototyp) (nur in der Download-Version verfügbar)

Aufgrund der gestiegenen Komfortansprüche und der extremer werdenden Witterungsbedingungen werden zunehmend Klimatisierungen eingesetzt. Das zeigt, dass häufig in Pkws Klimaanlagen eingebaut werden und schon im Baumarkt Klimageräte erhältlich sind. Zur Kälteerzeugung werden aufgrund der geringen Investitionskosten am häufigsten Kompressionskälteanlagen eingesetzt. Aus den zuvor genannten Gründen sollten auch zur Klimatisierung alternative Lösungen in Betracht gezogen werden.

Das betrachtete Unternehmen

Bei dem betrachteten Unternehmen handelt es sich um die Bosch Buderus Thermotechnik GmbH, kurz BBT Thermotechnik GmbH, mit dem Hauptsitz in Wetzlar.
Johann Wilhelm Buderus pachtete 1731 die Friedrichshütte bei Laubach in Oberhessen und legte den Grundstein für das Unternehmen. Das Holzkohlenhochofenwerk erzeugte Roheisen zur Stabeisenfabrikation und Gusswaren z.B. Herd- und Ofenplatten.
2003 erfolgte die Übernahme durch Bosch. Durch diesen Zusammenschluss entstand der größte Heiztechnikhersteller in Europa. Die BBT Thermotechnik GmbH hat mehrere Produktionsstätten und Vertriebsniederlassungen im In- und Ausland. Hergestellt werden unter anderem Guss- und Stahlheizkessel, Regelgeräte, Heizkörper, Speicher, Heizeinsätze, Wandheizkessel und Solaranlagen.

Das betrachtete Gebäude ist eine Vertriebsniederlassung der BBT Thermotechnik GmbH in Koblenz. Das Gebäude ist ein standardisierter Industriebau bestehend aus einer Lagerhalle und einem Bürogebäude. Bei der Grundkonzeption ist auf die Beheizung des Lagers und die Klimatisierung des Bürogebäudes verzichtet worden. Die Beheizung des Bürogebäudes erfolgt konventionell mittels Heizkörpern.

Abbildung 1-2 Vertriebsniederlassung Koblenz (nur in der Download-Version verfügbar)

Abbildung 1-3 Grundriss der Vertriebsniederlassung Koblenz (nur in der Download-Version verfügbar)

Ziel der Diplomarbeit:

Unter den zuvor genannten Gesichtspunkten soll das bestehende Energiekonzept der Niederlassung überprüft werden. Unter den technisch umsetzbaren Möglichkeiten soll die effektivste und wirtschaftlichste herausgefunden werden. Auch soll über die Steigerung des Komforts mit möglichst geringen Mitteln nachgedacht werden. Aufgrund des standardisierten Industriebaus sind die Ergebnisse der Diplomarbeit auf andere Niederlassungen übertragbar.

Ziel der Diplomarbeit ist es, unter den technisch möglichen Systemen das wirtschaftlichste herauszufinden. Betrachtet werden hierbei:

1) Beheizung des Bürogebäudes mittels

• Brennwertkessel
• Pelletkessel
• Wärmepumpe
• BHKW

2) Beheizung der Lagerhalle mit

• Deckenstrahlplatten
• Lufterhitzern

3) Kühlung des Bürogebäudes mit

• Wärmepumpe
• Kaltwassersatz
• Absorptionskälteanlage

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