Fachhochschule Bielefeld Studienarbeit

Fachhochschule Bielefeld Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik Studienrichtung Regenerative Energien

Studienarbeit ___________________________________________________________________ Technische Machbarkeitsstudie und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer KraftWärme-Kälte-Kopplungsanlage für das Klinikum Lippe - Detmold

___________________________________________________________________ Marco Bäckeralf Matr. Nr. 201550 Robert Ewendt Matr. Nr. 201551 ___________________________________________________________________ Betreuer:

Prof. Dr. –Ing. Rolf Schwarze Carsten Bartels (Klinikum Lippe – Detmold)

- Februar 2005 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Abstract

Abstract Energie ist eine sehr wichtige Ressource der Volkswirtschaft. Die ausreichende Verfügbarkeit an Energie steht in allen Industrieländern an erster Stelle. Denn in diesen Ländern sind Industrie, Gewerbe sowie die Privathaushalte stark von der Energieversorgung abhängig. Sie beeinflusst die Produktion eines Unternehmens, die Versorgung von öffentlichen Gebäuden und auch den Lebensstandard jedes Einzelnen im täglichen Leben. Zurzeit werden über 90 %1 der Weltenergieversorgung durch fossile und nukleare Brennstoffe gedeckt. Diese Vorräte sind zwar sehr groß, aber dennoch endlich. Zu den immer knapper werdenden fossilen Energieträgern und den damit verbundenen Preiserhöhungen, kommt auch die steigende Umweltbelastung durch die verschiedenen Schadstoffemissionen hinzu. Somit wird ein effizienter Umgang mit fossilen Energieträgern immer wichtiger. Mit vorhandenen Techniken, wie der Kraft-WärmeKopplung (KWK) und der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) ist es möglich Energie effizienter zu nutzen und den Forderungen der Energieeinsparung und des Ressourcenschutzes gerecht zu werden. Investitionen in neue und energiesparende Techniken müssen aber ebenso ökonomisch wie ökologisch vertretbar sein, denn auch finanzielle Ressourcen sind gerade in öffentlichen Einrichtungen stark begrenzt. Besonders sinnvoll wird eine derartige Investition dann, wenn ohnehin Erneuerungen des vorhandenen Anlagenparks anstehen. Hierbei sollte aber immer eine mögliche Investition in energieeffiziente Anlagen durch vorherige Analyse abgesichert werden. Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Studienarbeit mit der wirtschaftlichen Analyse einer Kraft-Wärme-KälteKopplungs-Anlage im Klinikum Lippe-Detmold. Durch die Gegenüberstellung mit einer konventionellen Verdichteranlage werden hierbei die verschiedenen Kostengruppen der beiden Techniken aufgezeigt und entsprechend bewertet. Im ersten Schritt werden alle bisherigen Kosten für die Wärme- und Kälteerzeugung des Klinikums Lippe-Detmold dargelegt. Anschließend werden verschiedene Kälteerzeugungskonzepte entwickelt und diese mit Hilfe der Kostenvergleichsrechnung gegenübergestellt. Die letzten Punkte beinhalten eine Bewertung und Zusammenfassung der Ergebnisse. Den Abschluss dieser Studienarbeit bildet das folgende Ergebnis: Die technischen Gegebenheiten der vorhandenen Wärmeerzeugung im Klinikum Lippe-Detmold lassen keinen ökonomischen Spielraum für eine Wärme-Kälte-Kopplungs-Anlage. In diesem Fall muss weiterhin eine Kompressor-Anlage, die mit elektrischer Energie betrieben wird, die Kälteversorgung sicherstellen. Als günstigste Variante kommt hier ein Konzept mit zwei Schraubenverdichtern zum tragen, die die benötigte Kälte bereitstellen.

1

Quelle: Vorlesungsunterlagen Energiewirtschaft (EER) Version 6/2002

-I-

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ABSTRACT ...............................................................................................................................I ABBILDUNGSVERZEICHNIS ...........................................................................................IV ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS..........................................................................................VI 1. EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG.................................................................. 1 2. VORSTELLUNG DES UNTERSUCHTEN KRANKENHAUSES................................. 4 3. GRUNDLAGEN DER THERMODYNAMIK .................................................................. 6 3.1. EINFÜHRUNG IN DIE KÄLTETECHNIK ................................................................................ 6 3.2. TEMPERATUR ................................................................................................................... 8 3.3. DRUCK ............................................................................................................................. 9 3.3.1. Luftdruck .................................................................................................................. 9 3.3.2. Überdruck und absoluter Druck ............................................................................... 9 3.4. ENTHALPIE ..................................................................................................................... 10 3.5. ENTROPIE ....................................................................................................................... 11 3.6. DICHTE UND SPEZIFISCHES VOLUMEN ............................................................................ 12 3.7. AGGREGATZUSTAND ...................................................................................................... 12 3.8. PHASENDIAGRAMM ........................................................................................................ 12 4. TECHNOLOGIEN DER KÄLTEERZEUGUNG .......................................................... 14 4.1. ERZEUGUNGSSYSTEME MIT MECHANISCHEN ANTRIEBEN ............................................... 14 4.1.1. Komponenten mechanischer Systemen zur Kälteerzeugung ................................. 14 4.1.2. Funktionsprinzip des Kältemittelkreislaufes .......................................................... 16 4.1.3. Mechanische Verdichter zur Kälteerzeugung ........................................................ 18 4.2. ERZEUGUNGSSYSTEME MIT THERMISCHEN ANTRIEBEN.................................................. 26 4.2.1. Allgemeines zu Systemen mit thermischen Antrieben .......................................... 26 4.2.2. Funktionsprinzip einer Absorptions-Kältemaschine.............................................. 28 4.2.3. Funktionsprinzip einer Adsorptions-Kältemaschine.............................................. 33 4.2.4. DEC-Verfahren ...................................................................................................... 37 4.3 ZUSAMMENFASSUNGEN DER TECHNOLOGIEN.................................................................. 39 5. TECHNISCHE GRUNDLAGEN DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG ................... 40 5.1. ALLGEMEINES ZUR KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG ............................................................ 40 5.2. KONZEPTE DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG .................................................................. 41 5.2.1. BHKW mit Diesel oder Gasmotor ......................................................................... 41 5.2.2. Gasturbinen BHKW ............................................................................................... 43 5.2.3. Gas und Dampf (GuD) ........................................................................................... 46 5.3. PLANUNG UND BETRIEB EINER KWK-ANLAGE ............................................................. 48 5.3.1. Jahresdauerlinie...................................................................................................... 49 5.3.2. Tagesganglinie ....................................................................................................... 49 5.3.3. Modulare Bauweise................................................................................................ 50 5.3.4. Einbindung in das elektrische Netz........................................................................ 51 5.3.5. Hauptkomponenten einer BHKW-Anlage ............................................................. 51 5.3.6. Energieeinsparung mit Kraft-Wärme-Kopplung.................................................... 53 5.4. ZUSAMMENFASSUNG DER KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG .................................................. 54 6. BESCHREIBUNG DES IST-ZUSTANDES .................................................................... 55 6.1. WÄRMEERZEUGUNG UND WÄRMEVERBRAUCH .............................................................. 55 6.2. KÄLTEERZEUGUNG UND KÄLTEVERBRAUCH.................................................................. 56 - II -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Inhaltsverzeichnis

6.3. BESCHREIBUNG DES VORHANDENEN BHKW´S .............................................................. 57 6.4. WÄRMEERZEUGUNG BHKW.......................................................................................... 57 6.5. STROMKOSTEN, STROMERZEUGUNG UND STROMEINSATZ ............................................. 57 6.6. GASVERBRAUCH UND GASKOSTEN................................................................................. 58 6.7. BETRIEBS- UND WARTUNGSKOSTEN DES BHKW .......................................................... 59 6.8. SUBSTITUTION DES STROMS ........................................................................................... 59 6.9. WÄRMEPREISBERECHNUNG ............................................................................................ 59 6.10. ENERGIEFLUSSBILD DES BHKW´S ............................................................................... 60 7. MÖGLICHE ZUKÜNFTIGE ENTWICKLUNG DES KLINIKUMS ......................... 61 8. WIRTSCHAFTLICHE GRUNDLAGEN ZUR BERECHNUNG................................. 63 8.1. ANNUITÄTSFAKTOR AN ................................................................................................... 63 8.2. ANSCHAFFUNGSKOSTEN K0............................................................................................ 63 8.3. ANLAGEKOSTEN KA ....................................................................................................... 64 8.4. WARTUNGSKOSTEN KW ................................................................................................. 64 8.5. BETRIEBSKOSTEN KB ..................................................................................................... 64 9. VORSTELLUNG DER MÖGLICHEN KONZEPTE ZUR KÄLTEVERSORGUNG .................................................................................................................................................. 65 9.1. KONZEPT 1 ..................................................................................................................... 65 9.2. KONZEPT 2 ..................................................................................................................... 67 9.3. KONZEPT 3 ..................................................................................................................... 69 9.4. KONZEPT 4 ..................................................................................................................... 70 9.5. KONZEPT 5 ..................................................................................................................... 73 9.6. ZUSAMMENFASSUNG DER KONZEPTE ............................................................................. 77 10. BEWERTUNG DER VERSCHIEDENEN KONZEPTE............................................. 79 11. AUSWAHL EINES KONZEPTES ZU KÄLTEVERSORGUNG............................... 80 12. ZUSAMMENFASSUNG ................................................................................................. 81 13. QUELLEN UND LITERATUR...................................................................................... 82 14. TECHNISCHE DATEN .................................................................................................. 84 14.1. KOLBENKOMPRESSOREN DER BAUREIHE FRIGO.W.NRM .......................................... 84 14.2. SCHRAUBENKOMPRESSOR DER BAUREIHE FRIGO.SCREW.W.NRM ......................... 91 14.3. KOLBENVERDICHTER DER BAUREIHE LCHHM-WL .................................................... 96 14.4. ABSORPTIONSKÄLTEMASCHINEN DER BAUREIHE YIA ................................................. 99

- III -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Abbildungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ABB. 1: ABB. 2: ABB. 3: ABB. 4: ABB. 5: ABB. 6: ABB. 7: ABB. 8: ABB. 9: ABB.10: ABB.11: ABB.12: ABB.13: ABB.14: ABB.15: ABB.16: ABB.17: ABB.18: ABB.19: ABB.20: ABB.21: ABB.22: ABB.23: ABB.24 ABB.25: ABB.26: ABB.27: ABB.28: ABB.29: ABB.30: ABB.31: ABB.32: ABB.33: ABB.34: ABB.35: ABB.36: ABB.37: ABB.38: ABB.39: ABB.40: ABB.41: ABB.42: ABB.43: ABB.44: ABB.45: ABB.46: ABB.47: ABB.48:

LAGEPLAN DES KLD................................................................................................... 4 ÜBERBLICK ÜBER DIE GEBÄUDE DES KLD.................................................................. 5 PRINZIP DER KÜHLUNG ............................................................................................... 6 KELVIN- CELSIUSSKALA ............................................................................................. 8 TEMPERATUR- ENTHALPIE- DIAGRAMM FÜR WASSER .............................................. 10 ENTROPIE IN VERSCHIEDENEN ZUSTÄNDEN VON WASSER......................................... 11 PHASENDIAGRAMM EINES KÄLTEMITTELS ................................................................ 13 VEREINFACHTER AUFBAU EINES KÄLTEMITTELKREISLAUFES................................... 16 VERDICHTEREINTEILUNG .......................................................................................... 18 HERMETISCHER HUBKOLBENVERDICHTER ................................................................ 19 HALBHERMETISCHER HUBKOLBENVERDICHTER ....................................................... 20 OFFENER HUBKOLBENVERDICHTER .......................................................................... 20 SCHNITT DURCH EINEN SCHRAUBENVERDICHTER, .................................................... 21 HAUPT- UND NEBENLÄUFER EINES SCHRAUBENVERDICHTES IM SCHNITTBILD ........ 22 HAUPT- UND NEBENLÄUFER EINES SCHRAUBENVERDICHTES ................................... 22 SCROLL-SPIRALEN .................................................................................................... 23 ARBEITSWEISE EINES SCROLL-VERDICHTERS ........................................................... 23 PRINZIP EINES TURBOVERDICHTERS,......................................................................... 25 EINORDNUNG DER THERMISCHEN ANTRIEBE,............................................................ 26 FUNKTIONSWEISE EINER EINSTUFIGEN ABSORPTIONSKÄLTEANLAGE ........................ 29 KONSTRUKTIVER AUFBAU EINER ABSORPTIONSKÄLTEMASCHINE ............................ 31 ARBEITSBEREICHE, HEIZMITTELTEMPERATUREN, WÄRMEVERHÄLTNISSE ............... 32 ZEOLITH-GRANULATE ............................................................................................... 33 SILICAGEL-KIESEL .................................................................................................... 33 PRINZIPAUFBAU EINER ADSORPTIONSKÄLTEMASCHINE / .......................................... 34 FUNKTION EINER ADSORPTIONSKÄLTEMASCHINE / ................................................... 35 KONSTRUKTIVER AUFBAU EINER ADSORPTIONSKÄLTEMASCHINE ............................ 36 EINFACHER AUFBAU EINER DEC-ANLAGE, .............................................................. 37 VEREINFACHTES PRINZIPBILD EINES MOTOR – BHKW´S ......................................... 41 MOTOR-BHKW ........................................................................................................ 42 GASTURBINEN-BHKW ............................................................................................. 43 GASTURBINEN IM SCHNITTBILD ................................................................................ 44 GASTURBINEN -BHKW............................................................................................. 45 GUD-ANLAGE ........................................................................................................... 46 GUD-ANLAGE IM SCHNITT........................................................................................ 47 JAHRESDAUERLINIE ................................................................................................... 49 TAGESGANGLINIE ...................................................................................................... 49 MODULARER AUFBAU EINER KWK - ANLAGE ......................................................... 50 ENERGIEFLUSSBILD VERSCHIEDENER ENERGIEFORMEN ............................................ 53 LEISTUNGSBILANZ DER KÄLTEVERSORGUNG ............................................................ 56 ENERGIEFLUSSBILD BHKW...................................................................................... 60 TABELLE KONZEPT 1................................................................................................. 65 TABELLE KONZEPT 2................................................................................................. 67 TABELLE KONZEPT 3................................................................................................. 69 TABELLE KONZEPT 4................................................................................................. 71 TABELLE KONZEPT 5................................................................................................. 73 KONZEPTVERGLEICH ................................................................................................. 77 KOSTENVERLAUF ...................................................................................................... 78 - IV -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

ABB.49: ABB.50: ABB.51: ABB.52: ABB.53: ABB.54: ABB.55: ABB.56: ABB.57: ABB.58: ABB.59:

Abbildungsverzeichnis

TECHNISCHE DATEN FRIGO.W.NRM 550.S.2, QUELLE: FIRMA GFKK.................. 87 TECHNISCHE ZEICHNUNG FRIGO.W.NRM 550.S.2, QUELLE: FIRMA GFKK .......... 88 TECHNISCHE DATEN FRIGO.W.NRM 332.F.2.G4, QUELLE: FIRMA GFKK ............ 89 TECHNISCHE ZEICHNUNG FRIGO.W.NRM 332.F.2.G4, QUELLE: FIRMA GFKK .... 90 TECHNISCHE DATEN FRIGO.SCREW.W.NRM 580.V.2, QUELLE: FIRMA GFKK .. 94 TECHNISCHE DATEN FRIGO.SCREW.W.NRM 260.V.2, QUELLE: FIRMA GFKK .. 95 KÄLTEMITTELKREISLAUF LCHHM – WL / QUELLE: FIRMA YORK......................... 96 BAUGRÖßE LCHM 100 WL, QUELLE: FIRMA YORK ............................................... 97 BAUGRÖßE LCHM 170 WL, QUELLE: FIRMA YORK ............................................... 98 BAUGRÖßE YIA 2B1 UND 5C3, QUELLE: FIRMA YORK ........................................... 99 BAUGRÖßE YIA 2B1 UND 5C3.................................................................................. 99

-V-

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis A a AKM an APKälte APtherm

Fläche [m2] Jahr Absorptionskältemaschine Annuitätsfaktor [1/a] Arbeitspreis der Kälteenergie [€/kWh] Arbeitspreis der thermischen Energie [€/kWh]

BHKW

Blockheizkraftwerk

COP CO2 CT

Coefficient of performanc, Leistungszahl ζ [−] Kohlendioxid Computertomograph

D DEC

Diffusor Desiccatice and Evaporative Cooling

EVU

Energieversorgungsunternehmen

F FCKW

Kraft [N] Fluorchlorkohlenwasserstoff

H h Ho Hu H2O / LiBr

Enthalpie [J] spezifische Enthalpie [J/kg] spezifischer Brennwert [J/kg] spezifischer Heizwert [J/kg] Wasser-Lithiumbromid

i

Kalkulationszinssatz [%/a]

K K0 KA KB KGasges KStromges KStromSub KLD Kw kW kWh KWK KWKK

Kelvin [K] Anschaffungskosten [€] Anlagekosten [€/a] Betriebskosten [€/a] Gaskosten gesamt [€/a] Stromkosten gesamt [€/a] Stromsubstitution [€/a] Klinikum Lippe-Detmold Wartungskosten [€/a] Kilo Watt Kilo Watt Stunden Kraft-Wärme-Kopplung Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

MRT

Magnetresonanztomograph

n NH3 / H2O

Nutzungsdauer, Nutzungsjahre [a] Ammoniak-Wasser - VI -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Abkürzungsverzeichnis

p Pel PKälte Ptherm

Druck [Pa];[N/m2] Elektrische Leistung [W] Kälteleistung [W] Thermische Leistung [W]

TmBHKW TmKälte

Volllaststunden des BHKW ´s [h] Volllaststunden der Kälteerzeugungsanlagen [h]

p abs p amp

Absoluter Druck [bar];[Pa] atmosphärischer Druck [bar];[Pa]

pe p0 pC

Überdruck [bar];[Pa] Verdampfungsdruck [bar];[Pa] Verflüssigerdruck [bar];[Pa]

Q& C Q&

Verflüssigungswärmestromes, Verflüssigungswärmeleistung [W]

Q& th Q&

Thermischer Wärmestrom, thermische Wärmeleistung [W]

Heiz

Heizwärmestrom, Heizwärmeleistung [W]

q

Verdampferwärmestromes, Verdampferwärmeleistung [W] Schmelzwärme [J]

r

Verdampfungswärme [J]

S

Entropie [J/K]

TC TH T0 TU

Verflüssigertemperatur [K] Heiztemperatur [K] Verdampfertemperatur [K] Umgebungstemperatur [K]

U ∆U

Innere Energie [J] Änderung der Inneren Energie [J]

tR tV

Rücklauftemperatur [°C] Vorlauftemperatur [°C]

W Welektr.BHKW Wtherm.BHKW V v

Energie [kWh] Erzeugte elektrische Energie BHKW [kWh] Erzeugte thermisch Energie BHKW [kWh] Volumen [m3] spezifisches Volumen [m3/kg]

εK εKC ηΚC ηN ηW ρ

Kälteleistungszahl [-] Kälteleistungszahl des Carnot-Prozess [-] Gütegrad [-] Nutzungsgrad [%] Wirkungsgrad [%] Dichte [kg/m3]

0

- VII -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Einleitung und Problemstellung

1. Einleitung und Problemstellung2 In den fast 4.000 deutschen Krankenhäusern sowie Vorsorge- und Rehabilitationseinrichtungen stehen knapp 800.000 Betten zur Verfügung. Die Auslastung der Betten in den Häusern ist in den letzten Jahren mit ca. 84 Prozent relativ konstant geblieben, während die durchschnittliche Verweildauer tendenziell abnehmend ist und derzeit bei etwa zwölf Tagen liegt. Die Verweildauer ist hierbei ein entschiedener Punkt in der Kostenstruktur einer Klinik. In den Krankenhäusern entfallen ca. 8 bis 9 Prozent der Sachkosten auf die Energie- und Wasserversorgung. Die Sachkosten machen ca. 35 % der Gesamtkosten aus. Der Anteil der Energie- und Wasserkosten liegt dabei im Bereich von 3 % der Gesamtkosten. Insgesamt fallen jährlich Energie und Wasserkosten von fast zwei Milliarden Euro an d.h. im Durchschnitt eine halbe Million Euro pro Krankenhaus. Der wachsende Kostendruck im Gesundheitswesen und der Anstieg der allgemeinen Betriebskosten im medizinischen Bereich zwingen die Krankenhausverwaltungen zur Ausnutzung aller Möglichkeiten der Kostensenkung. Hinzu kommt, dass das Krankenhaus-Finanzierungsgesetz auch durch den geänderten § 18, Abs. 1 die Betreiber zum wirtschaftlichen Betrieb verpflichtet. Dies umfasst selbstverständlich auch die Energieversorgung. Dabei existiert in den Krankenhäusern (viele erbaut in den 60er Jahren) noch ein großer Bestand alter, sanierungsbedürftiger Anlagen. Gerade hier bleiben noch erhebliche Einsparpotentiale ungenutzt, obwohl eine Vielzahl ausgereifter und bewährter Technologien zur Verfügung steht. Der rationelle Umgang mit Energie kann jedoch nicht nur finanzielle Entlastung bringen. Ein reduzierte Verbrauch fossiler Energieträger und damit ein verringerter Ausstoß des klimarelevanten Kohlendioxids (CO2) und anderen Luftschadstoffen stellt ein Beitrag zur Umweltentlastung dar und trägt zur Schonung knapper Ressourcen bei. Energie wird in Krankenhäusern für unterschiedliche Einsatzgebiete in Form von Wärme, Kälte und Strom benötigt. Die häufig sehr komplexe Vernetzung einzelner Energieformen wird maßgeblich durch die Infrastruktur und Versorgungsaufgabe des Krankenhauses bestimmt und kann von Haus zu Haus sehr unterschiedlich sein. Ebenso führt der Einsatz unterschiedlicher Energieträger zu verschiedenen Anlagetechniken und hiermit verbundenen spezifischen Betriebskosten und Emissionen. Die wesentlichen Wärmeverbraucher sind Raumheizungen und Lüftungsanlagen. Als weiterer Wärmeabnehmer ist der Bereich der Desinfektion und Sterilisation zu nennen. Während die Raumheizung und in vielen Fällen die Lüftungsanlage mit Heizungsanlagen auf Warmwasserbasis zu versorgen sind, benötigen die anderen oben genannten Abnehmer in der Regel höhere Temperaturniveaus.

2

Quelle: vgl. Energie im Krankenhaus, Ein Leitfaden für Kostensenkung und Umweltschutz durch rationelle Energieverwendung, Energieagentur NRW, www.ea-nrw.de

-1-

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Einleitung und Problemstellung

Bei den Kälteverbrauchern sind die Klimaanlagen, Rechnerkühlung der EDVAnlagen sowie Arznei- und Lebensmittellager aufzuzählen. Hinzu kommen üblicherweise noch die verschiedenen medizinischen Großgeräte und deren Rechner, die bei einer bestimmten Temperatur gehalten werden müssen, damit sie betriebssicher arbeiten. Zur Erzeugung der Kälte werden üblicherweise elektrisch betriebene Kompressionskältemaschinen eingesetzt. Diese haben aber eine erhebliche Stromaufnahme und können somit einen großen Anteil zum elektrischen Energieverbrauch des Krankenhauses beitragen. Die meisten Kompressionskältemaschinen sind älterer Bauart und in der Regel mit einem FCKW-haltigem Kältemittel befüllt. Im Zuge der Klimadiskussion in Verbindung mit dem Treibhauseffekt sind auch hier neue Maßstäbe zu setzen, die Handlungsbedarf auch aufgrund gesetzlicher Vorgaben erfordern. Hinzu kommt die Nutzungsdauer von technischen Anlagen. Sie ist zeitlich begrenzt und ab einem bestimmten Zeitpunkt ist eine Instandsetzung nicht mehr sinnvoll, da die Amortisationszeit die Nutzungsdauer übersteigt. Durch die im Krankenhaus häufig wirtschaftlich einsetzbare Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit Hilfe eines Blockheizkraftwerkes (BHKW) lässt sich gegenüber konventioneller Strom- und Wärmeversorgung eine erhebliche CO2-Einsparung erzielen. Dieses wird besonders deutlich, wenn ein Erdgas betriebenes BHKW eingesetzt wird. Erdgas hat einen geringeren CO2-Emissionsfaktor3, als z.B. Heizöl. Durch die gleichzeitige Bereitstellung von Strom und Wärme können weitere Kosten (Stromeinkauf u. Wärmeeinkauf) gemindert werden. Darüber hinaus läst sich die Ausnutzung einer KWK-Anlage noch steigern, wenn man die anfallende Abwärme des Motors nicht nur in den Wintermonaten sondern auch in den Sommermonaten nutzen kann. Bei geeigneten Rahmenbedingungen ist dieses z.B. mit einer wärmegetriebenen Absorptionskältemaschine möglich. Der Effekt wird noch verbessert, wenn die erzeugte Kälte das ganze Jahr über benötigt wird und somit die Abwärme zu jeder Zeit abgenommen werden kann. Da Wärme und Kälte im Klinikum Lippe-Detmold das ganze Jahr über parallel benötigt werden, ist der Einsatz eines BHKW´s mit gekoppelter Absorptionskältemaschine (AKM), der so genannten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK), eine durchaus zu untersuchende Alternative. Zurzeit wird die Kälteenergie von zwei Kompressionsmaschinen (Fa. Carrier) mit einer Kälteleistung4 von einmal 540 kW und 300 KW erzeugt. Die vorhandene Anlage mit einem Alter von 14 Jahren hat die in der Regel technische Nutzungsdauer5 von 15 Jahren schon bald erreicht. Deshalb ist es notwendig jetzt über sinnvolle Alternativen nachzudenken, da eine fortwährende Kälteversorgung sichergestellt werden muss.

3

Quelle: Energieagentur NRW, www.ea-nrw.de CO2-Emissionsfaktoren: Erdgas: 0,201 kg/kWhHU, Heizöl EL: 0,266 kg/ kWhHU 4 Quelle: Interne Unterlagen KLD, Technische Zeichnung: Kaltwasserkreislauf Klimaanlagen Haus 1 5 Quelle: Bundesministerium der Finanzen, Tabellenliste, AfA-Tabellen

-2-

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Einleitung und Problemstellung

Aus diesem Grund wird eine energetische und insbesondere wirtschaftliche Untersuchung mit den im Klinikum Lippe-Detmold vorherrschenden Rahmenbedingungen durchgeführt. Dabei wird erstens ein Austausch der vorhandenen alten Kompressionskältemaschinen gegen neue Modelle energetisch und wirtschaftlich unter den vorhandenen Bedingungen geprüft. Als zweites wird untersucht, ob der Ersatz der bestehenden Kompressionskältetechnik durch eine neue wärmegetriebene Kältemaschine möglich ist. Hierbei wird besonders das bestehende BHKW mit seiner nutzbaren Abwärme technisch und wirtschaftlich betrachtet, um eine eindeutige Aussage treffen zu können.

-3-

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung Krankenhaus

2. Vorstellung des untersuchten Krankenhauses6 Das Klinikum Lippe-Detmold, im Folgenden KLD genannt, ist aus dem ehemaligen Kreiskrankenhaus Detmold, gelegen in der Röntgenstr. 18, 32756 Detmold, entstanden. Es wurde im Jahre 1849 von Dr. med. Carl Piderit als „Lippisches Landeskrankenhaus“ gegründet. Im Jahre 1998 schlossen sich die bis dahin eigenständigen Krankenhäuser Klinikum Lippe-Detmold, Klinikum Lippe-Lemgo und Klinikum Lippe-Bad Salzuflen zur Klinikum Lippe GmbH zusammen. Als einziger Gesellschafter fungiert der Kreis Lippe, d.h. das Klinikum befindet sich vollständig in öffentlicher Trägerschaft. Das Ziel der Einrichtung ist es „als modernes Dienstleistungsunternehmen der Bevölkerung des Kreises Lippe eine bedarfsgerechte medizinische Versorgung bei gleichzeitiger Sicherung der wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit anzubieten.“ Das heutige KLD zählt mit zurzeit 766 Betten zu den Großkliniken, in der jährlich mehr als 25.000 Patienten medizinisch betreut werden. Mit ca. 1.300 Mitarbeitern zählt das Klinikum zu einem der größten Arbeitgeber in der Region. Das KLD liegt verkehrsgünstig in unmittelbarer Nachbarschaft der Innenstadt von Detmold. Daraus resultiert auch, dass kaum ansprechende Fläche zur weiteren Expansion zur Verfügung steht. Die folgende Abbildung Nr.1 zeigt die zentrale Lage des Klinikums Lippe-Detmold.

Abb. 1: Lageplan des KLD Quelle: Patientenbroschüre, aktuelle Ausgabe 2003 6

Quelle: Patientenbroschüre: Aktuelle Ausgabe 2003, Informationsmaterial: Technische Abteilung KLD

-4-

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung Krankenhaus

Das KLD-Gelände umfasst eine Grundstücksfläche von ca. 54.000 m2 und zeichnet sich durch eine deutliche Hanglage in Nordwest-Südostrichtung mit einem Höhenunterschied von ca. 10 m aus. Der in folgender Abbildung Nr.2 dargestellte Lageplan gibt einen Überblick über den derzeitigen Gebäudebestand sowie dessen Anordnung auf dem Klinikumgelände. Aufgrund der historischen Entwicklung und der damit verbundenen schrittweisen Erweiterungen stellt sich die Bebauung des Geländes als sehr inhomogen dar. Aufgrund einer Zielplanung erfolgten in den letzten zehn Jahren zahlreiche Neubau-, Umbau-, Renovierungs- und Modernisierungsmaßnahmen, die primär dazu dienten, eine Verbesserung des Patientenumfeldes, der wirtschaftlichen Lage, der Funktionsfähigkeit der Anlagen sowie der Konkurrenzfähigkeit des Unternehmens zu gewährleisten.

Abb. 2: Überblick über die Gebäude des KLD Quelle: Patientenbroschüre, aktuelle Ausgabe 2003

-5-

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Grundlagen Thermodynamik

3. Grundlagen der Thermodynamik7 3.1. Einführung in die Kältetechnik Die Kältetechnik ist ein Teil der Wärmelehre bzw. der Thermodynamik. Die Thermodynamik beschäftigt sich mit dem Verhalten von festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen. Der Begriff „Thermodynamik“ teilt sich in zwei Komponenten auf: „Thermo“ „Dynamik“

= =

Wärme Lehre von der Bewegung

Die Thermodynamik befasst sich also mit „Wärmebewegung“ (Zuführung und Ableitung von Wärme). Der Begriff „Kälte“ existiert in der Thermodynamik streng genommen nicht. Kälte ist vielmehr „nicht vorhandene Wärme“. Denn Kälte entsteht nur dadurch, dass Wärme von einem Ort zu einem anderen Ort mit höheren Temperaturen transportiert wird. Wenn von Kälteerzeugung die Rede ist, ist im eigentlichen Sinne damit Kühlung gemeint. Die Aufgabe der Kälteerzeugung ist die Herstellung und Aufrechterhaltung eines Zustandes niedrigerer Temperatur als ihn die Umgebung aufweist. Da eine Temperatursenkung aber nur durch den Entzug von Wärme herbeigeführt werden kann, ist die Kälteerzeugung demnach gleichbedeutend mit Wärmeentzug. Die folgende Abbildung Nr. 3 zeigt das Prinzip der Kühlung. Eine Kälteanlage nimmt einen Wärmestrom an der Kühlstelle auf, transportiert ihn ab und gibt ihn an einer anderen Stelle wieder ab. Die Kühlanlage muss ständig einen Wärmetransport gewährleisten, um die gewünschte Temperatur aufrecht zu erhalten. Hierzu ist die Verrichtung von Arbeit notwendig.

Abb. 3: Prinzip der Kühlung Quelle: Klima-Plan, www.klima-plan.de 7

Quelle: Webasto Klima-Kälte, Klima-Plan www.klima-plan.de, Vorlesungsunterlagen der Thermodynamik 2003

-6-

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Grundlagen Thermodynamik

Um nicht immer neues Kältemittel verwenden zu müssen durchläuft das Kältemittel einen Kreiskauf und gibt die aufgenommene Wärme an einem anderen Ort wieder ab. Es gelten hier die zwei Hauptsätze8 der Thermodynamik: 1. Hauptsatz In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energien konstant. Die Zuführung von Wärmeenergie und mechanischer Arbeit vergrößern die innere Energie eines Systems. Energie kann weder aus dem Nichts entstehen noch vernichtet werden. Sie geht nur in eine andere Energieform über. Es gibt auch keine Vorrichtung (Maschine, System), die mehr Energie abgibt, als ihr zugeführt wird (Perpetuum mobile 1. Art). Nach dem ersten Hauptsatz sind nur Vorgänge möglich, bei denen die Energiesumme konstant bleibt. Beispielsweise wäre die restlose Umwandlung von Wärme in mechanische Energie kein Verstoß gegen den ersten Hauptsatz. Dennoch ist sie unmöglich, denn der zweite Hauptsatz engt die möglichen Prozesse weiter ein. 2. Hauptsatz Wärme kann nur dann in Arbeit umgewandelt werden, wenn zugleich ein Teil der Wärme von einem wärmeren auf einen kälteren Körper übergeht (Prinzip der Wärmekraftmaschine). Wärme kann von einem kälteren auf einen wärmeren Körper nur unter Aufwand mechanischer Arbeit übertragen werden (Prinzip der Kältemaschine). Eine Einrichtung, die im Widerspruch dazu nur einem Wärmebehälter Wärmeenergie entzieht und den gleichwertigen Betrag mechanischer Energie abgibt, wäre ein Perpetuum mobile 2. Art. Beispiel: Ein Stein kühlt sich ab und schnellt in die Höhe.

8

Quelle: Taschenbuch der Physik, 17 Auflage 2001, Horst Kuchling, Verlag Leibzig

-7-

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Grundlagen Thermodynamik

3.2. Temperatur Die Temperatur eines Stoffes kann man sich als Maß für die Intensität der Bewegungen von Materialbausteinen, wie Atomen, Molekülen und Molekülgruppen vorstellen. Die Temperatur eines Stoffes, eines Gegenstandes oder einer Umgebung wird durch das Maß der gespeicherten Wärmeenergie bestimmt. Wärme ist eine Energie, die Moleküle zum Schwingen bringt. Diese Schwingungen bewirken eine Temperaturerhöhung. Je höher das Maß der Wärmeenergie, desto stärker schwingen die Moleküle, desto höher ist die Temperatur eines Stoffes. Die tiefste erreichbare Temperatur beträgt -273,15 °C. Dieser Wert wird als absoluter Nullpunkt bezeichnet. Die thermodynamische Temperaturskala beginnt beim absoluten Nullpunkt mit 0 K (Kelvin). Die folgende Abbildung Nr. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Celsius- und der Kelvinskala. Damit entsprechen 0°C einem Kelvinwert von 273,15 K bei einem Druck von 1 bar.

Abb. 4: Kelvin- Celsiusskala Quelle: Webasto Klima – Kälte, www.webasto.de

Warum der Druck bei Temperaturbetrachtungen eine wichtige Rolle spielt, wird in den folgenden Punkten erläutert.

-8-

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Grundlagen Thermodynamik

3.3. Druck Unter dem Begriff „Druck“ (p) versteht man die auf eine Flächeneinheit wirkende Kraft. Als Druckeinheit wird Pascal (Pa) verwendet. Diese Einheit wird auch als Newton je m2 (N/m2) bezeichnet.

Druck p =

Kraft F Fläche A

[Pa]; [N/m2]

Die vom „Pascal“ abgeleitete gesetzliche Einheit „Bar“ (bar) ist ebenfalls als Einheit zur Druckangabe zugelassen. Dabei gilt folgende Umrechnung: 1 bar = 100 000 Pa = 105 Pa 1 bar = 1000 mbar 3.3.1. Luftdruck Der Luftdruck pamb wird mit einem Barometer gemessen. Die Erde ist von einer ca. 200 km hohen Lufthülle umgeben, wobei die Dichte der Luft und damit auch der Luftdruck mit zunehmender Höhe abnimmt. Der durch das Gewicht der Luft verursachte Druck an der Erdoberfläche beträgt in Meereshöhe im Mittel pamb =1,013 bar. Der Luftdruck ändert sich auch Aufgrund von klimatischen Einflüssen in der Atmosphäre: • •

Wird die Luft erwärmt, dehnt sie sich aus, steigt nach oben und fließt in der Höhe seitlich ab, der Luftdruck fällt. Die in der Höhe abgekühlte Luft sinkt in einiger Entfernung wieder zur Erde. Dabei verdichtet sie sich, der Luftdruck steigt.

3.3.2. Überdruck und absoluter Druck In der Praxis werden üblicherweise Manometer verwendet, die nur den Überdruck messen. Sie messen den Überdruck pe gegenüber dem Umgebungsdruck pamb (Luftdruck). Um den absoluten Druck pabs zu erhalten, muss zur Manometeranzeige der Umgebungsdruck addiert werden. Der Absolutdruck wird für die Berechnung und Ermittlung von Stoffdaten benötigt. p abs = p amb + p e pabs pamb pe

[bar]

absoluter Druck atmosphärischer Luftdruck (Umgebungsdruck) Überdrück (Manometeranzeige) -9-

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Grundlagen Thermodynamik

3.4. Enthalpie Die Enthalpie H wurde früher mit dem Begriff „Wärmeinhalt“ bezeichnet. Die Enthalpie gibt an, wie viel Wärmeenergie in einem Stoff enthalten ist. Die Enthalpie H ist die Summe aus innerer Energie und dem Produkt aus Druck und Volumen. Als innere Energie bezeichnet man die gesamte im System vorhandene Energie. Meist interessiert jedoch nur die Änderung der inneren Energie ∆U. Die innere Energie ist eine Zustandsgröße d.h. nur vom jeweiligen Zustand (p, V, T) eines Stoffes abhängig. Die spezifische Enthalpie h ist auf 1 kg eines bestimmten Stoffes bezogen. H = U + p ⋅V

H U p V

[J]

Enthalpie Innere Energie Druck Volumen

Am Beispiel von Wasser wird die Enthalpie erläutert. In der folgenden Abbildung Nr. 5 ist die spezifische Enthalpie von Wasser in verschiedenen Zuständen dargestellt.

Abb. 5: Temperatur- Enthalpie- Diagramm für Wasser Quelle: Webasto Klima – Kälte, www.webasto.de

- 10 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Grundlagen Thermodynamik

Einem festen Stoff wird ständig Wärme zugeführt. Zunächst erhöht sich die Temperatur des Stoffes. Ist der Schmelzpunkt erreicht, bleibt die Temperatur konstant und der Stoff beginnt zu schmelzen. Die zum Schmelzen einer Substanz erforderliche Wärmeenergie heißt Schmelzwärme q. Nachdem sich alle Teilchen des Stoffes aus dem festen Verband des Kristallgitters herausgelöst haben und sich in der Schmelze frei bewegen können, steigt die Temperatur bei weiterer Wärmezufuhr an. Sie stiegt, bis eine weitere Änderung des Aggregatzustandes erreicht wird. Dieses ist der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand. Diesen Vorgang nennt man Verdampfen und die notwendige Energie wird als Verdampfungswärme r bezeichnet. Auch bei dieser Änderung des Aggregatzustandes erhöht sich die Enthalpie des Stoffes, die Temperatur bleibt jedoch konstant. Für die Kältemittel können Werte für spezifische Enthalpie bei verschiedenen Zuständen oder Temperaturen aus Tabellen oder Diagrammen entnommen werden. 3.5. Entropie Entropie S ist ein Maß für die Unordnung eines Systems. Ungeordnete, entropiereiche Zustände sind wahrscheinlicher als geordnete Zustände. Geordnete Zustände gehen sehr leicht in ungeordnete Zustände über. Um aus einem ungeordneten System ein geordnetes zu erstellen ist die Zuführung von Energie notwendig. Beispiel:

Abb. 6: Entropie in verschiedenen Zuständen von Wasser Quelle: Eigene Zeichnung

Für ein Glas mit Wasser ist die Anzahl der Moleküle astronomisch hoch. In einem zweiten Glas mit Eisstücken schaut das Durcheinander im Vergleich zum Glas mit Wasser ungeordneter aus, aber die Anzahl der verschiedenen Anordnungen der Eisstücke ist begrenzt. Die Wassermoleküle im Wasserglas können auf viel mehr Arten angeordnet werden, sie haben eine größere Vielzahl und damit eine größere Entropie. Zustand geringer Entropie = unwahrscheinlicher Zustand Zustand hoher Entropie = wahrscheinlicher Zustand

- 11 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Grundlagen Thermodynamik

Wird ein Stoff z.B. Wasser jetzt erwärmt beginnen die Molekühle zu schwingen und die Unordnung wird größer. d.h. die Entropie steigt. Die Entropie eines Stoffes nimmt mit einer Erhöhung der Temperatur zu. Die Einheit der Entropie S wird in Joule pro Kelvin angegeben. Entropie S

[J/K]

3.6. Dichte und spezifisches Volumen Die Dichte ρ ist die Masse eines Stoffes bezogen auf ein Volumen von 1 m3.

Dichte ρ =

Masse m Volumen V

[kg/m3]

Das spezifische Volumen v ist das Verhältnis des Volumens eines Stoffes zu einer Masse von 1 kg.

spez.Volumen v =

Volumen V Masse m

[m3/kg]

3.7. Aggregatzustand Ein Stoff erfährt bei ständiger Erwärmung oder Abkühlung mehrere Aggregatzustandsänderungen. In welchem Aggregatzustand sich ein Stoff befindet ist von seiner Temperatur und dem auf ihn wirkenden Druck abhängig. Während der Änderung des Aggregatzustandes bleibt die Temperatur so lange konstant, bis sich der gesamte Stoff in den anderen Zustand umgewandelt hat. 3.8. Phasendiagramm Je geringer der Druck ist, der auf den Stoff wirkt, desto leichter haben es die Moleküle, sich aus dem Verband loszureißen und desto niedriger ist die Verdampfungstemperatur. Die Auswirkungen von Druckänderung werden anhand des folgenden Beispieles erläutert: Wasser verdampft in Meereshöhe bei einer Temperatur von 100°C. Dort herrscht etwa der Umgebungsdruck von pamb = 1,013 bar. Wird dem Wasser auf einem Berg Wärmeenergie zugeführt, so verdampft es bei niedrigeren Temperaturen. Auf dem Berg von 2000 m Höhe herrscht ein Umgebungsdruck pamb von etwa 0,8 bar. Die Verdampfungstemperaturen von Wasser liegen in der Höhe bei ca. 93,5°C.

- 12 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Grundlagen Thermodynamik

Die Temperatur- und Druckabhängigkeiten verschiedener Aggregatzustandsänderungen eines Stoffes werden in Phasendiagrammen dargestellt. In der Abbildung Nr. 7 ist ein Phasendiagramm dargestellt. Die drei Zweige des Diagramms grenzen Gebiete ab, in denen jeweils nur die feste oder nur die flüssige oder nur die gasförmige Phase existieren kann. Den Punkt, in dem alle drei Gebiete aneinander grenzen nennt man den Tripelpunkt. Hier liegen alle drei Phasen nebeneinander vor.

Abb. 7: Phasendiagramm eines Kältemittels Quelle: Webasto Klima – Kälte, www.webasto.de

In den Punkten, die auf den Kurven liegen existieren zwei Phasen nebeneinander. Den Kurvenabschnitt zwischen Trippelpunkt T und dem kritischen Punkt K nennt man die Dampfdruckkurve der Flüssigkeiten oder auch die Siedekurve. Da die Phasenänderungen eines Stoffes im Bereich der Kältetechnik sehr wichtig sind, wird dies am Beispiel des Wassers ausführlich erklärt. Entlang der Dampfdruckkurve existieren Wasser und Wasserdampf nebeneinander. Bei der Umwandlung von Wasser in Wasserdampf muss zunächst eine große Wärmemenge zugeführt werden, damit sich alle Flüssigkeitsteilchen von ihren Anhangskräften befreien können. Dabei kommt es vor, dass ein Teil schon dampfförmig und der andere Teil noch flüssig ist. Den zu Beginn der Dampfbildung vorliegenden Dampf nennt man, da noch Flüssigkeit vorliegt, Nassdampf. Dampf, der keine Flüssigkeitsanteile mehr enthält und dieselbe Temperatur wie die Siedetemperatur hat, wird als gesättigter Dampf bezeichnet. Wird durch weitere Wärmezuführung die Temperatur des Dampfes erhöht, wird der Dampf als überhitzter Dampf bezeichnet. Diese hier beschriebenen Phasenumwandlungen erfolgen bei Abkühlung von überhitztem Dampf in umgekehrter Richtung. - 13 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

4. Technologien der Kälteerzeugung9 Zum besseren technischen Verständnis werden hier die verschiedenen Technologien zur Kälteerzeugung beschrieben. Es werden mechanische und thermische Antriebe in ihrem Aufbau und Funktion gegenübergestellt und erläutert. Ebenso dienen die technischen Grundlagen einiger Verfahren der Kälteerzeugung als spätere Entscheidungskriterien in der wirtschaftlichen Beurteilung und Auswahl. 4.1. Erzeugungssysteme mit mechanischen Antrieben Die am meisten verbreiteten Kältemaschinen arbeiten mit einer mechanischen Verdichtung des Kältemittelgases. Zur Verfügung steht hier eine große Auswahl von entsprechenden Verdichterbauarten und Verschaltungen, die einen großen Leistungsbereich abdecken können. Diese Anlagen sind mit einem speziellen Kältemittel befüllt, das je nach Anlagenart und Verwendungszweck eingesetzt wird. Das Kältemittel ist notwendig um den Verdichterkreislauf überhaupt aufrechterhalten zu können. Dazu sind die speziellen physikalischen Eigenschaften des Kältemittels, wie Temperatur, Druck und Dichte wichtig. Einige Kältemittel sind wegen ihrer hohen Umweltbelastung verboten worden. In den letzten Jahren wurden nur noch Kältemittel eingesetzt, die eine geringe Umweltbelastung aufweisen. 4.1.1. Komponenten mechanischer Systemen zur Kälteerzeugung10 Der Kälteprozess ist im Wesentlichen in vier Bausteine gegliedert. Diese werden nacheinander vom Kältemittel in den entsprechenden Aggregatzuständen durchströmt und schließen damit den Kältemittelkreislauf. Die Aufgaben und der einzelnen Bausteine werden nacheinander erläutert. •

Verdichter Der Verdichter ist das Herz der Kälteanlage und hat die Aufgabe das dampfförmige Kältemittel vom geringeren Verdampfungsdruckniveau auf das höhere Verflüssigungsdruckniveau zu verdichten. Zudem muss er die für die erforderliche Kälteleistung notwendige Fördermenge (Kältemittelmassenstrom) sicherstellen. Die verschiedenen Verdichtertypen werden im Abschnitt 4.1.3. genauer erklärt.

9

Quelle: Bericht, Fernwärme Forschungsinstitut in Hannover: Innovative Kälteversorgung in öffentlich genutzten Gebäuden, 1999 10 Quelle:vgl. Bock-Kompressoren, www.bock.de

- 14 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

•

Technologie Kälteerzeugung

Verflüssiger Der Verflüssiger hat die Aufgabe, Wärme aus dem Kältemittelkreislauf abzuführen. Diese Wärme wird an die Umgebungsluft abgegeben. Da ein Wärmestrom nur dann fließen kann, wenn eine Temperaturdifferenz vorhanden ist, muss die Verflüssigungstemperatur immer über der Eintrittstemperatur der Umgebung liegen. Im Verflüssiger kondensiert das gasförmige Kältemittel unter Abgabe von Wärme.

•

Expansionsventil Das Expansionsventil hat die Aufgabe das flüssige Kältemittel von einem höheren Druck auf einen niedrigeren Druck zu entspannen. Dabei wird das flüssige Kältemittel auf die Verdampfungstemperatur abgekühlt. Eine weitere Aufgabe des Drosselorgans besteht darin, dem Verdampfer nur soviel flüssiges Kältemittel zuzuführen, wie bei dem jeweiligen Betriebszustand verdampfen kann. Wird dem Verdampfer zuviel Kältemittel zugeführt, gelangt unverdampftes Kältemittel zum Verdichter. Die Flüssigkeit führt zu einem Defekt am Verdichter. Wird dem Verdampfer zu wenig flüssiges Kältemittel zugeführt, so wird die Oberfläche des Versampfers nicht ausgenutzt. Dadurch kann bereits im Verdampfer eine Arbeitsüberhitzung auftreten, so dass die Verdichtungstemperatur unzulässig hoch wird.

•

Verdampfer Der Verdampfer hat die Aufgabe Wärme von der zu kühlenden Umgebung aufzunehmen und an das Kältemittel abzugeben. Dabei muss die Verdampfungstemperatur tiefer liegen als die Umgebungstemperatur. Durch die gleichzeitige Saugwirkung des Kältemittelverdichters und die Verengung des Expansionsorganes kann die gewünschte Verdampfungstemperatur erreicht werden.

- 15 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

4.1.2. Funktionsprinzip des Kältemittelkreislaufes Die folgende Abbildung Nr. 8 zeigt den vereinfachten Aufbau eines Kältemittelkreislaufes.

Abb. 8: Vereinfachter Aufbau eines Kältemittelkreislaufes Quelle: Bericht, Fernwärme Forschungsinstitut Hannover, 6/2000

Arbeitsweise einer Kälteanlage Am Verdampfer wird die Wärmeenergie von dem zu kühlenden Medium durch das Kältemittel aufgenommen. Das Kältemittel besitzt aufgrund des niedrigen Druckes eine geringe Verdampfungs- oder Siedetemperatur. Aus diesem Grund verdampft das Kältemittelgas und wird vom Verdichter angesaugt und komprimiert. Unter Zuführung von Energie komprimiert der Verdichter das Gas auf den Verflüssigungsdruck. Dabei steigt die Temperatur des verdichteten Gases. Durch die Erhöhung der Temperatur beim Verdichten, kann nun im Verflüssiger die Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Dabei kondensiert das Kältemitte und gelangt zum Expansionsventil. Das Expansionsorgan entspannt das flüssige Kältemittel auf den Verdampferdruck, womit der Kreisprozess geschlossen ist.

- 16 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Kreisprozess einer Kälteanlage Von 1 nach 2: Unter Zuführung von Arbeit wird das Kältemittel vom Verdampfungsdruck p0 auf den Verflüssigerdruck pC verdichtet. Dabei steigt auch die Verdampfertemperatur T0 auf die Verflüssigertemperatur TC an. Von 2 nach 3: Das Kältemittel wird unter Abgabe des Wärmestromes Q& C mit der Temperatur TC und dem Druck pC im Verflüssiger verflüssigt. Von 3 nach 4: Mit einem Expansionsventil wird das Kältemittel von dem Verflüssigerdruck pC auf den Verdampfungsdruck p 0 entspannt. Dabei fällt die Temperatur von TC auf T0 ab. Von 4 nach 1: Unter Aufnahme des Verdampferwärmestromes Q& 0 wird das Kältemittel bei der Temperatur T0 und dem Druck p0 verdampft. Damit ist der Kältemittelkreislauf geschlossen. Energetische Bewertung des Kreisprozesses Für eine energetische Bewertung des Kreisprozesses wird für Kompressionskältemaschinen die Kälteleistungszahl εK gebildet. Sie ist der Quotient aus „Nutzen“ Q0 zu „Aufwand“ Pel . . Wobei Pel . die aufgenommene elektrische Leistung des Gerätes ist.

εK =

Q& 0 Pel.

[−]

Die Leistungszahl εK ist kein Wirkungsgrad und kann daher Werte über eins annehmen. Hierbei werden zwei dem Kreisprozess zugeführte verschiedene Energieströme unter denselben Rahmenbedingungen verglichen. Zum Vergleich von Kreisprozessen mit verschiedenen Rahmenbedingungen wird der Idealprozess von Carnot zur Hilfe genommen. Die Kälteleistung εKC ist nur von den Temperaturen abhängig.

ε KC =

T0 Tc − T 0

- 17 -

[−]

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Die Kälteleistungszahl des Carnot-Prozesses ist die maximal erreichbare Leistungszahl, weil im Carnot-Prozess alle Zustandsänderungen reversibel sind. Die Qualität eines realen Kreisprozesses wird durch eine Art „Wirkungsgrad“, dem Gütegrad ηΚC beschrieben.

η KC =

εK

- 19 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

•

Technologie Kälteerzeugung

Halbhermetische Hubkolbenverdichter (Deckelmotorverdichter) Unter dem Begriff halbhermetischer Verdichter ist eine Kombination aus Verdichter und Elektromotor zu verstehen. Diese befinden sich gemeinsam in einem kältemitteldichten Gehäuse. Hierbei besteht die Möglichkeit das Gehäuse zu öffnen und der Motor kann vom Verdichter getrennt werden. Der Einsatzbereich findet sich hier in der mittleren Kälteleistung wieder. Die Abbildung Nr. 11 zeigt einen halbhermetischen Hubkolbenverdichter.

Abb.11: Halbhermetischer Hubkolbenverdichter Quelle: Bitzer Kühlmaschinenbau

•

Offene Verdichter mit mechanischer Wellenabdichtung Offene Verdichter führen die Antriebswelle nach außen. Eine Gleitringdichtung sorgt für die nötige Abdichtung zwischen Gehäuse und Antriebswelle. Ein großer Vorteil von offenen Verdichtern liegt in der Unabhängigkeit der Antriebsmaschine. Es können Elektromotoren, Gasmotoren oder Gasturbinen als Antrieb verwendet werden. Dieser Verdichtertyp wird im großen Leistungsbereich eingesetzt. Abbildung Nr. 12 zeigt einen offenen Hubkolbenverdichter.

Abb.12: Offener Hubkolbenverdichter Quelle: Bock - Kompressoren

- 20 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Die Hubkolbenverdichter haben aufgrund ihrer robusten Bauweise ein sehr weites Einsatzgebiet. Ihr Einsatz reicht von Wärmepumpen bis hin zur Tiefkühlung in zweistufiger Ausführung. Hierbei verwiesen wir auf entsprechende Fachliteratur. Schraubenverdichter12 Schraubenverdichter werden in zweiwelliger parallelachsiger Ausführung aufgebaut. Diese Verdichtertypen arbeiten mit einer rotierenden Bewegung. Sie besitzen ein Minimum an beweglichen Teilen, hohe Robustheit, hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer. Dazu kommt, dass die Schraubenverdichter meist sehr kompakt aufgebaut sind, was wiederum einen Platzvorteil mit sich bringt. Die typische Ausführung eines Schraubenverdichters ist in folgender Abbildung Nr. 13 dargestellt.

Abb.13: Schnitt durch einen Schraubenverdichter, Quelle: Bericht, Fernwärme Forschungsinstitut Hannover

Der Antrieb erfolgt mit einer Drehstrom-Asynchronmaschine (2), die in einem verlängerten Verdichtergehäuse eingebaut ist. Der Schraubenverdichter selbst hat zwei unterschiedlich geformte Rotoren, die in einem eng umschlossenen Gehäuse berührungsfrei umlaufen. Der Hauptläufer (3) hat im Stirnschnitt konkav gestaltete Zähne, der Nebenläufer (4) konvex geformte Zähne. Die heute allgemein übliche Zahnkombination besteht aus vier Zähnen am Hauptläufer und sechs Zähnen am Nebenläufer. Die Abbildung Nr. 14 und Nr. 15 zeigt den Haupt- und Nebenläufer eines Schraubenverdichters.

12

Quelle: Webasto Klima – Kälte, Bericht Fernwärme Forschungsinstitut Hannover

- 21 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Abb.14: Haupt- und Nebenläufer eines Schraubenverdichtes im Schnittbild Quelle: Webasto Klima-Kälte

Abb.15: Haupt- und Nebenläufer eines Schraubenverdichtes Quelle: Webasto Kälte-Klima

Das Gas tritt durch den Sauggasfilter (1) in dem Motorraum des Verdichters ein. Über Bohrungen gelangt das Gas in den Verdichterraum. Bei der Drehung der Rotoren werden die Zahnlückenräume infolge ihrer Schraubenform verändert, und zwar so, dass sie auf der einen Seite vergrößert und auf der anderen Seite verkleinert werden. Die Vergrößerung der Zahnlückenräume bewirkt das Ansaugen des Gases und die Verkleinerung verdichtet das Gas und schiebt es zum Auslass weiter. Die Höhe der Verdichtung ist durch fest eingebaute Steuerkanten gegeben. Die Schrauben werden gegeneinander mit Öl abgedichtet, dadurch gelangt viel Öl in den Kreislauf. Dieses Öl wird über einen internen Ölabscheider (6) zurückgehalten und über einen Filter den Lagerschmierstellen und der Haupteinspritzung wieder zugeführt. Das Kältemittelgas verläst den Verdichter über das druckseitige Rückschlagventil (5). Die Regelung des Schraubenverdichters erfolgt stufenlos, was ein großer Vorteil dieser Technik ist.

- 22 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Scroll-Verdichter13 Der Scroll-Verdichter zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion aus. Als Scroll wird eine Evolventenspirale14 bezeichnet, die bei Paarung mit einer dazu passenden Scrollform (feste Spirale) zwischen den beiden Elementen eine Reihe sichelförmiger Gastaschen bildet. In der Abbildung Nr. 16 sind die beiden Spiralen des ScrollVerdichters abgebildet.

Abb.16: Scroll-Spiralen Quelle: Webasto Kälte-Klima

Das Arbeitsprinzip des Scroll-Verdichters wird anhand der folgenden Abbildung Nr. 17 schematisch dargestellt.

Abb.17: Arbeitsweise eines Scroll-Verdichters Quelle: Bitzer Kühlmaschinenbau

13

Quelle: Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH Quelle: Brockhaus Enzyklopädie, Band 6, Seite 691, Evolvente von lat. hervorrollen, abwickeln Evolventenspirale 14

- 23 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Die bewegliche Spirale rollt sich in der festen Spirale auf einer orbitierenden15 Bahn ab. Die Spiralen berühren sich gegenseitig an zwei gegenüberliegenden Flanken. So entstehen mehrere Kammerpaare, die von außen nach innen wandern. Das Kammervolumen verkleinert sich dabei stetig. Der Kältemitteldampf wird dadurch auf der Saugseite angesaugt und durch Volumenreduzierung verdichtet. Im Zentrum der Spiralen wird das Gas aus dem Arbeitsraum zur Hochdruckseite ausgeschoben. Tatsächlich befinden sich im Betrieb mehrere Gastaschen in verschiedenen Verdichtungszuständen, daher ist der Ansaug- und der Auslassvorgang nahezu kontinuierlich. Dieser kontinuierliche Gasfluss des Scroll-Verdichters führt zu geringen Pulsationen, wodurch die Geräuschentwicklung gering gehalten wird. Die Anwendungen dieser Verdichterart liegen ebenfalls im Klimabereich.

15

Quelle: Brockhaus Enzyklopädie, Band 16, Seite 237 / 238, Orbit von lat. Orbita orbitierende

- 24 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Turboverdichter Bei den Turboverdichtern handelt es sich nicht um Verdränger- sondern um Strömungsmaschinen. Turboverdichter werden in axiale- und radiale Verdichter unterteilt. Bei Axialverdichter strömt die Luft in axialer Richtung durch eine Reihe rotierender und stationärer Schaufeln. Bei Radialverdichtern wird das Gas dem Zentrum des rotierenden Laufrades zugeführt. Abbildung Nr. 18 zeigt einen Radialverdichter im Schnittbild. Der Druckanstieg wird dadurch bewirkt, dass man das beschleunigte Gas vor Erreichen des nächsten Laufrades durch einen Diffusor16 leitet. Die kinetische Energie (Geschwindigkeitsenergie) wandelt sich dabei in statischen Druck um. Durch den zentrisch zur Verdichterachse liegenden Saugstutzen wird das Gas angesaugt. Das Medium wird vom Laufrad aufgenommen und durch die Fliehkraftwirkung nach außen zum Diffusor gefördert und beschleunigt. Die dem Gas dabei erteilte Geschwindigkeitsenergie wird im Diffusor in Druck umgewandelt.

Abb.18: Prinzip eines Turboverdichters, Quelle: Bericht, Fernwärme Forschungsinstitut Hannover

Turboverdichtermaschinen werden vorwiegend für einen großen Leistungsbereich gefertigt und finden häufig ihren Einsatz in der Klimatechnik. Die kompletten Aggregate kühlen meistens mit Wasser, das in Klimaanlagen zur indirekten Kühlung der zu klimatisierenden Luft verwendet wird.

16

Quelle: Brockhaus Enzyklopädie, Band 5, Seite 496 / 498, Diffusion von lat. diffundere, diffusum < ausströmen, sich verbreiten>, Diffusor

- 25 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

4.2. Erzeugungssysteme mit thermischen Antrieben 4.2.1. Allgemeines zu Systemen mit thermischen Antrieben Thermisch Antriebe zur Klimatisierung werden in zwei Bereiche gegliedert. Zum einen gibt es die geschlossenen Systeme zu dem die Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen zählen. Hierbei ist der gesamte Kreislauf des Prozesses in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht. Bei offenen Systemen steht der Prozess direkt mit der Umgebung in Verbindung. Die Abbildung Nr. 19 zeigt die Einordnung der thermischen Antriebe. Weitere thermische Möglichkeiten zur Klimatisierung werden hier nicht behandelt und es wird auf die entsprechende Literatur verwiesen.

Abb.19: Einordnung der thermischen Antriebe, Quelle: Eigene Zeichnung

Der Unterschied zwischen einem mechanischen Verdichtungsprozess und einem Sorptionsprozess besteht darin, dass an Stelle der mechanischen Verdichtung eine „thermische Verdichtung“ des Stoffpaares Kälte-/Lösungsmittel tritt. Das Funktionsprinzip beruht dabei auf der Fähigkeit von Flüssigkeiten, Gase bei einer niedrigen Temperatur und niedrigem Druck aufzunehmen und bei hoher Temperatur und hohem Druck wieder abzugeben. Der Einsatz von Sorptionsanlagen zur Klimatisierung bietet sich vor allem dort an, wo „billige Wärme“ zur Verfügung steht. Diese Wärme kann entweder direkt oder indirekt dem Sorptionsprozess zugeführt werden. Bei direkter Wärmezuführung handelt es sich um gas- oder ölbefeuerte Sorptionsanlagen. Die indirekte Wärmezuführung wird mit Dampf- oder Heißwasserkreisläufen realisiert.

- 26 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Für einen eventuellen technisch sinnvollen Antrieb von Sorptionsprozessen kommen folgende Wärmequellen in Frage:

•

Abwärme aus technologischen Prozessen

•

Wärme aus Kraft-Wärme-Kopplung (BHKW)

•

Fernwärme

•

Solarwärme

•

Geothermie

Energetische Bewertung thermischer Kreisprozesse Als Antriebsenergie für thermische Kältemaschinen dient ein Heizwärmestrom Q& Heiz mit einer Heiztemperatur TH. Dabei liegt die Heiztemperatur deutlich über der Umgebungstemperatur TU. Hierbei wird die Summe aus Kälteleistung Q& 0 und Heizleistung Q& an die Umgebung abgeführt. Heiz

Q& U =Q& 0 +Q& Heiz

[W ]

Bei thermischen Systemen kann nur die Heizwärme mit ihrem temperaturabhängigen Exergiegehalt17 genutzt werden. Dieser Nachteil hat im Besonderen bei Absorptionskältemaschinen einen großen apparativen Aufwand und vermehrten Kühlwasserverbrauch zur Folge. Der Vorteil liegt aber in der sonst so wenig nutzbaren thermischern Energie, wie Dampf oder Heißwasser, vor allem dort wo sie als „billiges Abfallprodukt“ zur Verfügung steht. Somit ist der Nutzen dieser Antriebsenergie ein wichtiger Punkt im Sinne von rationeller Energieverwendung. Als qualitative Kennzahl der thermisch angetriebenen Systeme ist das Wärmeverhältnis bzw. Leistungszahl ζ oder COP (coefficient of performanc) gebräuchlich. Es setzt die Kälteleistung zur aufgewendeten Heizleistung in Beziehung.

COP = ζ =

Q& 0 Nutzkälte = & Q Heiz Antriebswärme

17

[−]

Quelle: Vorlesungsskript Energiewirtschaft Schwarze 9/2002, Seite 12: Exergie ist im Gegensatz zur Anergie der Teil der Energie, der sich in jede andere Energieform umwandeln lässt, letztlich auch in Anergie. Die Exergie eines Systems ist die maximale Arbeit, die von diesem System übertragen worden ist, wenn es mit der Umgebung bei Umgebungstemperatur ins thermodynamische Gleichgewicht gekommen ist. Elektrische Energie besteht nur aus Exergie.

- 27 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Das Wärmeverhältnis dient zur Bewertung des Heizenergieverbrauches, berücksichtigt aber nicht die unterschiedliche thermodynamische Wertigkeit der verschiedenen Energieströme. Daher ist der COP kein „echter“ Wirkungsgrad. 4.2.2. Funktionsprinzip einer Absorptions-Kältemaschine Die Kälteerzeugung mit einer Absorptionskältemaschine18 (AKM) ist die bekannteste und auch verbreiteste Art der thermischen Kälteerzeugung. Die AKM hat als Unterschied zur Verdichterkältemaschine keinen mechanischen, sondern einen thermisch wirkenden Verdichter. Die Verdichtung geschieht mittels kombiniertem Lösungsmittel- und Kältemittelkreislauf. Die Verbindungsstellen beider Kreisläufe finden sich im Absorber und Austreiber. Elektrische Energie wird bei diesem Prozess vorwiegend für die Lösungsmittel- und Kältemittelpumpe benötigt. Dieser Anteil an Energie stellt jedoch nur einen Bruchteil dar im Vergleich zum Energieaufwand bei mechanischen Verdichtern (Kompressionskältemaschinen). Absorptionskältemaschinen erzeugen Kälte, indem das in der Anlage befindliche Stoffpaar durch Wärmezufuhr getrennt und mittels Wärmeabfuhr wieder vereinigt wird. Es handelt sich bei diesem Kreisprozess also um einen chemischen Vorgang. Die thermischen Rahmenbedingungen werden im Wesentlichen durch das eingesetzte Stoffpaar bestimmt. In der Kältetechnik haben sich zwei Arbeitspaare behauptet. Wasser-Lithiumbromid (H2O / LiBr) Hier dient das Wasser als Kältemittel und die Lithiumbromid-Lösung als Absorber. Bei diesem Stoffpaar werden Nutztemperaturen über 0°C erzielt. Das begrenzte Einsatzgebiet liegt an dem Gefrierpunkt des Wassers. Somit wird das Stoffpaar in der Klimatisierungstechnik mit Temperaturen von ca. 6°C bis 12°C genutzt. Ammoniak-Wasser (NH3 / H2O) Bei diesem Stoffpaar dient die Ammoniaklösung als Kältemittel und das Wasser als Absorber. Durch die chemischen Eigenschaften des Ammoniaks können Nutztemperaturen unter 0°C erreicht werden und somit ergibt sich ein Einsatzgebiet in der Tieftemperaturtechnik bis -60°C. Für die in Gebäuden überwiegend erforderliche Klimakälte (Nutztemperaturen über 0°C) hat sich Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid als Absorber behauptet. Die wässrige Lithiumbromidlösung hat als Absorptionsmittel zwei günstige Eigenschaften. Zum einen eine hohe Affinität für das Kältemittel Wasser d.h. schnelle Absorption. Zum anderen einen wesentlich höheren Siedepunkt als Wasser, wodurch ein leichtes Austreiben des Wassers möglich ist. Hinzu kommt noch die ungiftige Eigenschaft des Kältemittels Wasser. 18

Quelle: Brockhaus Enzyklopädie, Band 1, Seite 76, Absorption von lat. absorbere, absorptum < aufsaugen, aufnehmen in Flüssigkeiten>

- 28 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Die Bauteile einer Absorptionskältemaschine bestehen im Wesentlichen aus folgenden Komponenten:

•

Austreiber

•

Absorber

•

Kondensator (Verflüssiger)

•

Verdampfer

•

Lösungsmittelpumpe

•

Kältemittelpumpe

•

Wärmetauscher

•

Expansionsventile

Die Funktionsweise einer Absorptionskältemaschine kann anschaulich anhand der Abbildung Nr. 20 erläutert werden.

Abb.20: Funktionsweise einer einstufigen Absorptionskälteanlage Quelle: BHKW-Infozentrum, www.bhkw-infozentrum.de

- 29 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Im Austreiber wird die zunächst reiche Lösung durch die zugeführte Antriebswärme zum sieden gebracht, wobei das Kältemittel Wasser ausgetrieben wird und verdampft. Als Antriebswärme kann Solarwärme, Heißdampf, Heißwasser oder Fernwärme dienen. Die Temperaturen hängen jeweils von der Antriebswärme ab und liegen zwischen 80 und 140 °C. In vielen Fällen wird Heißwasser genutzt, dass durch die Abwärme eines BHKW´s aufgeheizt wird. Der auf dem höheren Druckniveau entstandene Kältemitteldampf wird dem Kondensator zugeführt. Im Kondensator wird die Wärme mittels Kühlwasser-Rohrschlangen aus dem Kältemitteldampf abgeführt, wobei der Wasserdampf sich wieder verflüssigt. Austreiber und Kondensator arbeiten auf einem Druckniveau von ca. 100 mbar. Diese Seite wird auch als Hochdruckseite bezeichnet. Um das Kältemittel dem Verdampfer zuzuführen, wird das Kondensat durch ein Entspannungsventil auf einen Druck von ca. 10 mbar abgesenkt. Dabei senkt sich auch gleichzeitig die Temperatur (adiabatische19 Drosselung). Verdampfer und Absorber arbeiten also auf der Niederdruckseite. Dem Verdampfer wird aus der zu kühlenden Umgebung (Geräte, Räume) ein Wärmestrom mittels Rohrschlangen zugeführt. Das flüssige Kältemittel Wasser verdampft somit bei einer Temperatur von ca. 5 bis 6°C und einem Druck von ca. 10 mbar. Dieses beruht auf der Tatsache, dass Wasser bei einem Luftdruck nahe dem Vakuum schon bei niedrigen Temperaturen verdampft. Der Kälteträger Kaltwasser kühlt sich dabei von ca. 12°C auf 6°C ab. Diese Wärme ist die Nutzkälte, die durch Kühlleitungen z.B. in den Kühldecken zur Klimatisierung benötigt wird. Um eine kontinuierliche Wärmeabfuhr zu gewährleisten wird mit der Kältemittelpumpe eine Besprühung der Kaltwasser-Rohrschlangen durchgeführt. Der somit im Verdampfer entstandene Kältemitteldampf wird nun von einer an Kältemittel verarmten Lösung im Absorber absorbiert, also gewissermaßen vom Absorber angesaugt. Hierbei muss der Absorber Wärme abführen, denn um so kälter das Lösungsmittel ist, desto mehr Kältemittel kann es aufnehmen. Der Kältemitteldampf kondensiert und geht mit dem Lösungsmittel in eine Mischung. Das nun vorliegende flüssige Zweistoffgemisch (Wasser-Lithiumbromid) wird über eine Lösungsmittelpumpe in den Austreiber gefördert. Dabei erhöht sich der Druck wieder auf ca. 100 mbar. Nach der Lösungsmittelpumpe durchströmt die nun wieder kältemittelreiche Lösung den Lösungswärmetauscher bevor sie wieder in den Austreiber gelangt und somit den Kreislauf schließt. Im Wärmetauscher wird sie von der aus dem Austreiber zurückfließenden kältemittelarmen heißen Lösung aufgewärmt. Das erhöht den Effekt, dass sich die heiße zurückfließende kältemittelarme Lösung abkühlt, um im Absorber mehr Kältemitteldampf aufnehmen zu können. Damit ist auch die Lösung beim Eintritt in den Austreiber bereits vorgewärmt und es muss weniger Antriebswärme zugeführt werden. Die Abfuhr der Abwärme vom Absorber und Kondensator erfolgt üblicherweise durch einen Kühlturm. Im Klinikum Lippe - Detmold würde die Abwärme über die Zentralgeräte der Abluftanlage erfolgen. Hierzu wird in den Abluftgeräten ein zusätzlicher Wärmetauscher mit vorgeschaltetem Befeuchter installiert. 19

Quelle: Brockhaus Enzyklopädie, Band 1, Seite 140, adiabatisch

- 30 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Absorptionskältemaschinen sind durch das Fehlen mechanisch beweglicher Teile nahezu wartungsfrei und weisen eine hohe Lebensdauer auf. Die Maschine arbeitet nahezu vibrations- und geräuschfrei. Der Platzbedarf einer Absorptionskälteanlage ist jedoch deutlich größer als bei Kompressionskälteanlagen. Dieses kann insbesondere bei der Ersetzung einer bestehenden Kompressionskälteanlage durch eine wärmegetriebene Kälteanlage zu Schwierigkeiten führen. Durch den niedrigen Druck nahe dem Vakuum ist es wichtig, dass das System eine hohe Dichtigkeit gegenüber der Umgebung aufweist. Denn schon bei einer Druckerhöhung von wenigen Millibar würde die erzielbare Kaltwassertemperatur um einige Grad ansteigen. Die auf dem Markt befindlichen einstufigen Wasser/Lithiumbromid - Absorptionskältemaschinen werden von Herstellern vorwiegend in der Zwei-Kessel-Bauweise angeboten. Diese Bauart hat sich gegenüber der Ein-Kessel-Bauweise weitgehend durchgesetzt. In Abbildung Nr. 21 wird der konstruktive Aufbau einer einstufigen heißwasserbetriebenden Absorptionskältemaschine der Firma York dargestellt.

Abb.21: Konstruktiver Aufbau einer Absorptionskältemaschine Quelle: Firma York

- 31 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Die minimalen Antriebstemperaturen zum Betrieb der Absorptionskälteanlagen werden durch die thermo-physikalischen Eigenschaften der verwendeten Stoffpaare festgelegt. Reichen diese niedrigen Antriebstemperaturen zum Betrieb der Anlage nicht mehr aus, so kann die Absorptionskälteanlage in mehreren Stufen aufgebaut werden. Zweistufige Anlagen (Double-Lift-Prozess) haben im Niederdruck und Hochdruckbereich jeweils einen Absorber und einen Austreiber. Durch das zweimalige Austreiben des Kältemittels sind höhere Heizleistungen erforderlich, jedoch auf einem niedrigeren Temperaturniveau. Bei diesem Betrieb von niedrigeren Antriebstemperaturen und höheren Heizleistungen reduziert sich die Leistungszahl entsprechend. Dazu steigen bei zweistufigen Absorptionskältemaschinen auch noch der Platzbedarf und die Investitionskosten. Durch prozessinterne Wärmerückgewinnung und durch Mehrstufigkeit des Prozesses lassen sich Verbesserungen der Energieausnutzung erreichen. Aus der Abbildung Nr. 22 gehen übliche Heizmitteltemperaturen und zugehörige Wärmeverhältnisse ein- und mehrstufiger Absorptionskältemaschinen mit Lithiumbromid-Lösung für den Klimakältebereich hervor. Stufigkeit der Kälteanlage 2 stufig 1 stufig 1 stufig

Wärmeverhältnis ζ 150 - 180°C 1,1 - 1,2 100 - 140°C 0,70 80 - 100°C 0,65 HeizmittelTemperatur

Abb.22: Arbeitsbereiche, Heizmitteltemperaturen, Wärmeverhältnisse Quelle: Gesellschaft für Versorgungstechnik, GfV

Zur Erzielung guter Wärmeverhältnisse sind bei niedrigen Verdampfungstemperaturen relativ hohe Heizmitteltemperaturen einzustellen. Bei Standard Absorptionskälteanlagen, die mit Heißwasser oder Heißdampf betrieben werden liegen die Antriebstemperaturen zwischen 80 und 140 °C. Da die Nutzkälte bei solchen Anlagen bei ca. 6°C liegt steigt mit der Heizmitteltemperatur auch die Leistungszahl. Bei Tiefkühlen d.h. Verdampfungstemperaturen unterhalb von 0 °C liegen die Heizmitteltemperaturen zwischen 120 und 180 °C. Bei Nutzung der Kraft-WärmeKältekopplung, wobei die Abwärme von z.B. einem BHKW genutzt werden soll, ist eine Prüfung der zur Verfügung stehenden Heizmitteltemperatur notwendig. Bei zu geringen Heizmitteltemperaturen werden die gewünschten Kühltemperaturen nicht mehr erreicht. Hier können eventuell heißgekühlte BHKW-Motoren ihren Einsatz finden, die Temperaturen über 120°C zur Verfügung stellen. Absorptionskälteanlagen finden große Anwendung in Verwaltungsgebäuden, Krankenhäusern, der Lebensmittelindustrie, Hotels, Flughäfen, Brauereien und vielen öffentlichen Gebäuden.

- 32 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

4.2.3. Funktionsprinzip einer Adsorptions-Kältemaschine Bei einer Adsorptionskältemaschine20 erfolgt die Adsorption des verdampfenden Kältemittels (Adsorbat21) durch einen festen Stoff (Adsorbens22). Dieser Stoff besteht in dem meistem Fällen aus Granulat. Im Bereich der Klimatechnik kommen die Stoffpaarungen Wasser/Zeolith und Wasser/Silicagel zum Einsatz. Zeolith Abbildung Nr. 23 ist eine Sammelbezeichnung für alle Metall-Alumo-Selikate. Dieser feste Stoff kommt in der Natur als Kristall vor und ist ungiftig und unbrennbar. Es sind 40 natürliche und über 140 synthetische Zeolithe bekannt. Zeolithe haben die Eigenschaft Wasserdampf anzusaugen (zu adsorbieren), in seine Struktur einzubinden und dabei Wärme abzugeben.

Abb.23: Zeolith-Granulate Quelle: Zeo-tech, www.zeo-tech.de

Silicagel Abbildung Nr. 24 ist eine besondere Form der Kieselsäure mit Porenstruktur, die Wasser und andere Verbindungen in den Hohlräumen reversibel aufnehmen kann. Durch Erhitzen dieses Stoffes kann das aufgenommene Wasser wieder ausgetrieben werden.

Abb.24 Silicagel-Kiesel Quelle: Hobby-photo, www.hobby-photo.de

20

Quelle: Brockhaus Enzyklopädie, Band 1, Seite 155, Adsorbiere 21 Quelle: Brockhaus Enzyklopädie, Band 1, Seite 154, Adsorbat 22 Quelle: Brockhaus Enzyklopädie, Band 1, Seite 154, Adsorbens

- 33 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Die folgende Abbildung Nr. 25 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Adsorbers, der im Wesentlichen aus vier Grundkomponenten besteht:

•

Verdampfer

(untere Kammer)

•

Kondensator

(obere Kammer)

•

Austreiber

(mittlere Kammer)

•

Sammler

(mittlere Kammer)

Der Austreiber und der Sammler sind die Hauptkomponenten einer Adsorptionskältemaschine. Sie arbeiten in einem vorgegebenen Zyklus miteinander d.h. sie tauschen alle 10 Minuten ihre Funktion. Dieses ist notwendig um den Prozess der Kühlung gewährleisten zu können. In den einzelnen Kammern sind Rohrbündelwärmetauscher untergebracht. Die beiden Wärmetauscher in der Austreiber- und Sammlerkammer sind um die Rohrbündel und dem Adsorptionsstoff gepackt. Die Austreiberund Sammlerkammer sind jeweils mit gesteuerten Ventilklappen versehen, um den Funktionswechsel zu ermöglichen.

Abb.25: Prinzipaufbau einer Adsorptionskältemaschine / Quelle: Bericht, Heißwasserbetriebende Sorptionsanlagen zur Klimakälteerzeugung

- 34 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Arbeitsweise einer Adsorptionskältemaschine Die Abbildung Nr. 26 zeigt die Arbeitsweise einer Adsorptionskältemaschine.

Abb.26: Funktion einer Adsorptionskältemaschine / Quelle: Bericht, Heißwasserbetriebende Sorptionsanlagen zur Klimakälteerzeugung

Für den Betrieb der Anlage wird mittels einer Vakuumpumpe ein Druck von 10 mbar erzeug und gehalten. Auf Grund des Vakuums verdampft das eingesprühte Wasser im Verdampfer bei einer Temperatur von 4 bis 7°C und entzieht dem Kühlwasserkreislauf die Wärme (QKälte). Der Kühlwasserkreislauf ist üblicherweise in Zwischendecken untergebracht, indem zu kühlenden Raum. Der nicht verdampfte Anteil wird am Boden der Verdampferkammer über eine kleine Kältemittelpumpe angesaugt und in die Leitung zwischen Kondensator und Verdampfer eingespeist (Abb. 25). Der erzeugte Wasserdampf gelangt auf Grund des Druckunterschiedes zwischen den einzelnen Kammern in die gekühlte rechte Sammelkammer (Abb. 25). Die vom Kühlwasser durchströmte Kammer bewirkt eine Kondensation des Dampfes. Das Wasser wird durch das trockene Granulat adsorbiert. Dabei entsteht die Wärmeenergie QKühlung, die mit Hilfe des Kühlwasserkreislaufs abgeführt wird. Im gleichen Zyklus erfolgt in der linken Kammer (Desorber23) durch Wärmezufuhr QHeiz die Austreibung des zuvor mit Wasser gesättigten Granulats. Der ausgetriebene Wasserdampf gelangt nun in die obere Kondensatorkammer, wo er an den durchströmenden Kühlwasserrohren kondensiert. Dabei wird die Wärmeenergie QKühlung ebenfass durch den Kühlwasserkreislauf abtransportiert. Über eine Rohrleitung und dem Expansionsventil gelangt das Kältemittel Wasser zu dem Verdampfer. Hier schließt sich der Kreislauf und der Prozess beginnt neu. 23

Quelle: Brockhaus Enzyklopädie, Band 1, Seite 155, Desorber Kammer in der die Desorption stattfindet. Desorption

- 35 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Nach Ablauf eines Zyklus, von ca. 10 Minuten, vertauschen Sammler und Austreiber ihre Funktion. Dabei wird das gesättigte Granulat in der Sammler-Kammer regeneriert d.h. getrocknet und kann somit wieder Wasserdampf aufnehmen. Der Heißwasser und Kühlwasserkreislauf wird durch elektropneumatisch angesteuerte Ventile gegeneinander vertauscht. Die Steuerung des Adsorbers erfolgt durch die Messung der Kaltwassereintritts- und Austrittstemperaturen am Verdampfer. Wird eine der eingestellten Kaltwassertemperaturen unterschritten, so schaltet die Maschine den Heißwasserstrom zum Desorber auf Bypass. Dadurch sinkt die Wasserdampfproduktion im Austreiber und reduziert die Kälteleistung im Verdampfer. Werden die eingestellten Kaltwassertemperaturen überschritten, so schaltet die Maschine um und beginnt einen neuen Arbeitszyklus. Weltweit gibt es zwei Firmen, die Adsorptionskältemaschinen mit dem Stoffpaar Wasser/Silicagel-Granulat zur Serienreife herstellen und vertreiben. In der folgenden Abbildung Nr. 27 wird die Adsorptionskältemaschine der japanischen Firma Nishiyodo Co.Ltd. (Typ NAK) dargestellt.

Abb.27: Konstruktiver Aufbau einer Adsorptionskältemaschine Quelle: Bericht, Heißwasserbetriebende Sorptionsanlagen zur Klimakälteerzeugung

- 36 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

4.2.4. DEC-Verfahren Das Desiccatice and Evaporative Cooling (DEC) stellt ein weiteres Verfahren zur Klimatisierung dar. Die DEC-Anlage ist ein offener Sorptionsprozess und wird zur Endfeuchtung und Befeuchtung (Kühlung) von Luft eingesetzt. Es sind zwei Arten von DEC-Anlagen zu unterscheiden, die mit einem rotierenden Adsorptionsrad und die andere mit einer stationären Adsorptionsspeichermasse. Bei sorptionsgestützter Klimatisierung sind Kühlung und Entfeuchtung getrennt zu betrachten. Die Funktionsweise einer DEC-Anlage wird anhand der Abbildung Nr. 28 erläutert.

Abb.28: Einfacher Aufbau einer DEC-Anlage, Quelle: Bericht , Fernwärme Forschungsinstitut Hannover

Die Luftfeuchte der Außenluft (1und 2) wird über ein sich langsam rotierendes Sorptionsrad (Entfeuchtung) angesaugt und reduziert. Dieses geschieht mit einem speziellen Sorptionsmittel, wie z.B. Silicagel, das sich im Sorptionsrad befindet. Wie auch bei der Absorptionskältemaschine gibt das Sorptionsmittel bei der Aufnahme von Feuchtigkeit Wärme ab. Das heißt, durch die Adsorption der Wasserdampfmolekühle an das feste Sorptionsmittel wird Energie freigesetzt und führt zur Erwärmung des Luftstroms. Nach dem Sorptionsrad hat die Außenluft ein höheres Temperaturniveau als die Abluft des zu klimatisierenden Bereiches. Daher wird sie über ein rotierendes Wärmerückgewinnungsrad (2 und 3) abgekühlt. Die Wärme wird an die Abluft abgegeben. Anschließend wird die vorgekühlte Außenluft durch die Verdunstungskühlung (3 und 4) auf die richtige Luftfeuchtigkeit und die gewünschte Temperatur (16 bis 18 °C) gebracht. An kälteren Tagen kann die gewünschte Temperatur durch Wärmezufuhr (Heizen) erreicht werden. - 37 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

Um ein gleich bleibendes Raumklima zu erhalten, muss die sich langsam wieder erwärmende Luft abtransportiert werden. Dieses geschieht ebenfalls mit Hilfe der Verdunstungskühlung (5 und 6). Die Abluft wird in der Sprühkammer mit Wasser besprüht und kühlt sich wieder ab. Damit kann sie im Wärmerückgewinnungsrad die Außenluftwärme wieder aufnehmen und somit kühlen. Damit nun wieder eine Entfeuchtung und Trocknung der Außenluft stattfinden kann ist ein Aufheizen (7 und 8) der Abluft notwendig. Je nach Anlage liegen die Temperaturen dabei bei ca. 45 bis 90°C. Das Aufheizen ist notwendig um das gebundene Wasser im Sorptionsmittel zu erwärmen und wieder auszutreiben (verdampfen), damit es wieder neue Feuchtigkeit aufnehmen kann. Diese Wärmezufuhr stellt einen relativ hohen Energiebedarf zum Umwälzen der Luftströme dar. Eine mögliche Energieeinsparung liegt in der Wärmeerzeugung durch Solarkollektoren. Hier kann die Sonne ein Teil der benötigten Wärmeenergie bereitstellen, den Rest liefert eine konventionelle Nachheizung mit Holz, Gas oder ÖL. Als Kollektoren kommen sowohl Solarluftkollektoren als auch Vakuumröhren- und Flachkollektoren zum Einsatz. Bei Flachkollektoren wird die Solarwärme in einem Pufferspeicher gesammelt und über einen Wärmetauscher an das Sorptionsrad abgegeben.

- 38 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technologie Kälteerzeugung

4.3 Zusammenfassungen der Technologien Die verschiedenen Technologien sollen hier nur einen kurzen Überblick über die Möglichkeiten der Kälteerzeugung aufzeigen. Die mechanischen Verdichter finden meistens ihre Vorteile in den relativ niedrigen Anschaffungskosten und dem leichteren Ersatz von vorhandenen Verdichteranlagen gleicher Bau- und Funktionsweise. Dabei ist natürlich nach Leistungsstärke und Verdichterart zu unterscheiden. Denn auch unter den mechanischen Verdichtern gibt es Vor- und Nachteile. So erzeugt z.B. ein offener Verdichter mit Dieselmotor höhere Geräuschemissionen als ein Schraubenverdichter, der mit einem Asynchronmotor angetrieben wird. Hinzu kommt bei einem Schraubenverdichter, die gute Leistungsregulierung und lange Lebensdauer der Maschine. Die verschieden hohen Investitionskosten zwischen mechanischen Verdichtern sind hier natürlich auch in die Betrachtung mit einzubeziehen. Als ein großer Nachteil der mechanischen Verdichtertechnik ist der hohe Energieeinsatz zu sehen. Denn alle Verdichterarten benötigen zum Betrieb entweder elektrische Energie oder andere Energieformen wie Erdgas, Diesel oder Benzin. Der Einsatz solcher Energiearten hat natürlich hohe Betriebskosten zur Folge, die sich in der Jahresabrechnung bemerkbar machen. Bei den thermischen Verdichtern spielen die Betriebskosten meisten eine untergeordnete Rolle, wenn die benötigte Heizenergie zur Verfügung steht. Die thermische Energie ist üblicherweise schon vorhanden und kann im optimalen Fall zum Betrieb von z.B. einer Absorptionskältemaschine genutzt werden. Als weiterer Vorteil ist hier auch die lange Lebensdauer zu nennen, die durch das Nichtvorhandensein von mechanischen beweglichen Teilen zustande kommt. Hier sind in vielen Fällen die hohen Investitionskosten der ausschlaggebende Punkt in der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Als weiterer Nachteil ist der große Platzbedarf einer solchen Anlage zu nennen. Dieses kann beim Umbau bzw. Ersatz einer alten Kompressoranlage zu Problemen führen. Auch bei den thermischen Verdichtern unterscheiden sich die verschiedenen Bauarten in ihren Investitionskosten, Betriebskosten, Leistungsstärke und der Wartungsintensität voneinander. Welche Art von Kälteanlagen also ob mit mechanischem- oder thermischen Verdichter die bessere Lösung für den jeweiligen Anwendungsbereich ist, entscheidet schließlich eine technische und insbesondere wirtschaftliche Untersuchung mit den vor Ort herrschenden Rahmenbedingungen. Denn schon durch die örtlichen Gegebenheiten werden die verschiedenen Technologien in ihrer Auswahl eingeschränkt oder sogar ganz ausgeschlossen. Somit verbleiben nur wenige Varianten in der näheren Betrachtung. Zudem kommt noch die wirtschaftliche Analyse der verbleibenden Technologien, die dann meistens den entschiedenen Ausschlag gibt.

- 39 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

5. Technische Grundlagen der Kraft-Wärme-Kopplung 5.1. Allgemeines zur Kraft-Wärme-Kopplung24 KWK-Anlagen versorgen den Verbraucher mit den beiden wichtigsten Energiearten, Strom und Wärme. Die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme wird hierbei sinnvoll zur Bereitstellung von z.B. Heizwasser, Dampf oder Trocknungswärme verwendet. Durch die Nutzung dieser Abwärme werden die Verluste geringer gehalten und somit der Verbrauch an Primärenergie vermindert. Viele große Einrichtungen, wie z.B. Krankenhäuser sind ab einer bestimmten Größe wegen ihrer spezifischen Verbrauchsstruktur gut für den Einsatz von Kraft – Wärme Kopplungsanlagen geeignet. Dieses wird üblicherweise mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW) realisiert. Blockheizkraftwerke basieren auf dem technischen Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung d.h. der gleichzeitigen Bereitstellung von Strom und Wärme. Bei der herkömmlichen Stromerzeugung mit fossilen Brennstoffen wird mehr als 60% der eingesetzten Energie in Wärme umgewandelt. Diese wird in der Regel ungenutzt als Abwärme in die Umwelt abgegeben. Mit einer BHKW – Anlage kann ein Großteil dieser Wärme zu Heizzwecken genutzt werden. Sie kann je nach Exergiegehalt als Prozesswärme oder zur Nah-Fernwärmeversorgung genutzt werden. Insgesamt kann sich bei richtiger Ausnutzung der Anlage ein Gesamtnutzungsgrad von 85 bis 90 Prozent ergeben. Dieser hohe Nutzungsgrad ist auch durch relativ kurze Übertragungswege möglich, denn das Kraftwerk ist üblicherweise in direkter Nähe der Verbraucher aufgebaut. Eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage kann durch verschiedene Technologien realisiert werden. Dazu zählen die verschiedenen Motoraggregate, aber auch Gas und Dampfanlagen (GUD) in größeren Industriebetrieben. Hauptprinzip ist dabei, wie schon erwähnt die dezentrale Nutzung der (gleichzeitig) bereitgestellten Elektrizität und Wärme. Im den folgenden Kapiteln werden die drei gebräuchlichsten Kraft-WärmeKopplungsanlagen beschrieben. Weitere Möglichkeiten der KWK-Technik und die speziellen Verschaltungen werden hier nicht behandelt. Hier verweisen wir auf entsprechende Fachliteratur.

24

Quelle: Zahlen und Grundlagen der BHKW Kraft-Wärme-Kopplung / www.bhkw-infozentrum.de

- 40 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

5.2. Konzepte der Kraft-Wärme-Kopplung Es gibt eine Reihe von Konzepten, die es ermöglichen einen Prozess auf Basis einer Kraft-Wärme- Kopplung durchzuführen. Im folgenden Abschnitt werden die drei häufigsten Techniken beschrieben. 5.2.1. BHKW mit Diesel oder Gasmotor Definition BHKW: Als BHKW (Blockheizkraftwerk) wird eine Anlage für Kraft-WärmeKopplung bezeichnet, die als "Block" fertig montiert, geliefert und betrieben wird. Grundprinzip • •

Umwandlung von mechanischer Energie (Gas- oder Dieselmotor) in elektrische Energie durch den Generator Verwendung der heißen Motorabgase zur Bereitstellung von Wärme

Die folgende Abbildung Nr. 29 zeigt das Grundprinzip eines Motor-BHKW´s.

Abb.29: Vereinfachtes Prinzipbild eines Motor – BHKW´s Quelle: www.energietech.at

- 41 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

Die Verbrennungskraftmaschine (Motor) treibt einen Generator an und stellt dadurch dem Verbraucher elektrischen Strom zur Verfügung. Der Motor kann auch direkt eine Maschine oder einen Verdichter (z. B. bei der Drucklufterzeugung) antreiben. Die Abwärme, welche im Motorblock anfällt (Kühlwasser, Öl), wird im Allgemeinen über einen Wärmetauscher zur Heizwassererwärmung oder Warmwassernutzung verwendet. Da der Energiegehalt im Abgas am größten ist, kann je nach Auslegung einer Anlage, diese zur Dampferzeugung (Prozesswärme) und/oder mittels Wärmetauscher zur Brauchwassererwärmung genutzt werden. Einsatzgebiete • •

zur dezentralen Strom- und Wärmeversorgung kleinerer bis mittlerer Leistungen von ca. 15 - ca. 300 kWel Beispiele sind: Wohnsiedlungen, Industrie (Trocknungsprozesse), Krankenhäuser, Kläranlagen (Klärgasnutzung)

Die Abbildung Nr. 30 zeigt ein Motor BHKW der Firma MAN.

Abb.30: Motor-BHKW Quelle: MAN Dezentrale Energiesysteme

Mögliche Brennstoffe






Gas Biogas (Klärgas, Deponiegas), Diesel Gas aus Biomassevergasung, Methanol, Rapsöl Vergasungsprodukte

- 42 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

5.2.2. Gasturbinen BHKW

Grundprinzip • •

Umwandlung von mechanischer Energie (Turbine) in elektrische Energie durch den Generator Verwendung der heißen Turbinenaustrittsgase zur Bereitstellung von Wärme

Die folgende Abbildung Nr. 31 zeigt das Grundprinzip eines Gasturbinen-BHKW´s.

Abb.31: Gasturbinen-BHKW Quelle: www.energietech.at

Die Hauptkomponenten des Gasturbinenprozesses sind:

• • •

Verdichter Brennkammer Gasturbine

- 43 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

Zum besseren Verständnis wird die Gasturbine in ihrem Aufbau und Funktion erläutert. Die folgende Abbildung Nr. 32 zeigt den Aufbau einer Gasturbine im Schnittbild.

Abb.32: Gasturbinen im Schnittbild Quelle: www.energietech.at

Aus der Umgebung angesaugte Luft wird im Verdichter komprimiert und anschließend der Brennkammer zugeführt, wo unter der Zugabe von Brennstoff (Gas, Öl,...) eine Verbrennungsreaktion stattfindet. Das durch die Verbrennung entstehende Rauchgas wird in einer Turbine entspannt. Die Turbine treibt einerseits den Verdichter und andererseits den für die Stromerzeugung notwendigen Generator an. Das Abgas verlässt mit einer Temperatur von ungefähr 400-600 °C die Turbine und tritt beim einfachen Gasturbinenprozess ohne weitere Nutzung ins Freie. Will man diese Wärme noch zusätzlich nutzen so benötigt man im allgemeinen einen Wärmetauscher, welcher die Wärmeenergie auf ein anderes Medium (meist Wasser) überträgt. Bei diesem Prozess wird der Wärmeinhalt der Turbinenabgase vollständig zur Bereitstellung von Wärme verwendet (Abb. 31). Diese Wärme steht nun für Heizzwecke, Trocknungsprozesse oder sonstige Prozesse (z.B. Absorptionskälteanlagen), bei denen Wärme benötigt wird, zur Verfügung.

- 44 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

Einsatzgebiete • •

Zur Erzeugung elektrischer Leistung und Wärme ab ~ 30 kWel Bei relativ konstantem Wärmebedarf

Die Abbildung Nr. 33 zeigt ein Gasturbinen-BHKW der Firma MAN.

Abb.33: Gasturbinen -BHKW Quelle: MAN Dezentrale Energiesysteme

Mögliche Brennstoffe • • •

Gas Erdöl Vergasung von Kohle

- 45 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

5.2.3. Gas und Dampf (GuD) Grundprinzip • • •

Umwandlung von mechanischer Energie (Gasturbine und Dampfturbine) in elektrische Energie durch den Generator Verwendung der heißen Gasturbinenaustrittsgase zur Erzeugung von Dampf für die Dampfturbine Verwendung der Wärmeenergie des Turbinenaustrittsdampfes zur Bereitstellung von Wärme

Die folgende Abbildung Nr. 34 zeigt das Grundprinzip einer GuD-Anlage.

Abb.34: GuD-Anlage Quelle: www.energietech.at

Der GuD-Prozess stellt eine Kombination des Dampf- und des Gasturbinenprozesses dar. Die Abgase der Gasturbine dienen der Erzeugung von Hochdruckdampf, welcher dann in einer Dampfturbine entspannt wird. Die elektrische Leistung wird einerseits durch die Gasturbine und andererseits durch die Dampfturbine erzeugt. Der aus der Dampfturbine austretende Dampf kann weiter zur Bereitstellung von Wärme verwendet werden.

- 46 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

Einsatzgebiete • •

Für Wärme- und Strombedarf größerer Leistungen (> 10 MW elektrisch) Wenn konstante Prozesswärme benötigt wird (z.B.: Papierfabrik)

Die Abbildung Nr. 35 zeigt einen Schnitt durch eine GuD-Anlage.

Abb.35: GuD-Anlage im Schnitt Quelle: www.energietech.at

Mögliche Brennstoffe • • •

Gas Erdöl Brennstoffe durch die Vergasung von Biomasse oder Kohle

- 47 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

5.3. Planung und Betrieb einer KWK-Anlage 25 Ein BHKW kann wärmegeführt oder stromgeführt ausgelegt und gefahren werden. Auf dieser Grundlage resultieren auch die Anzahl der eingesetzten Module und deren Zuschaltung. Der Vorteil von mehreren Modulen besteht zum einen in der größeren Versorgungssicherheit und zum anderen in der besseren Regelbarkeit der Erzeugerleistung. Als Planungsgrundlage für ein BHKW ist es notwendig den Wärme- und Strombedarf des zu versorgenden Objektes zu ermitteln. Für die wärmegeführte Auslegung ist grundsätzlich der Wärmebedarf des zu versorgenden Objektes zu bestimmen. Dabei kann es sich um einen Einzelverbraucher oder mehrere Verbraucher, wie z.B. ein Krankenhauskomplex, handeln. Bei Zusammenschluss mehrerer Verbraucher zu einem Versorgungsnetz sind entsprechende Gleichzeitigkeitsfaktoren zu berücksichtigen. Zu dem ermittelten Leistungsbedarf sind noch Verteilungsverluste zuzurechnen. Neben der Jahreshöchstlast ist aber auch der Minimalleistungsbedarf als Auslastungskriterium zu berücksichtigen. Weiterhin ist für die Wärmebedarfsermittlung das von den Verbrauchern abgefragte Temperaturniveau erforderlich, da sich hieraus die Einsatzmöglichkeiten unterschiedlicher BHKW - Techniken heraus lesen lassen. Zur Erfassung des Wärmebedarfs ist der tages- und jahreszeitliche Verlauf entscheidend. Dieser sollte durch Mittelwerte über kleine Zeitintervalle ermittelt werden und dann als geordnete Jahresdauerlinie dargestellt werden. Die Berechnung des mittleren Wärmebedarfs erfolgt in Anlehnung an entsprechende DIN- und VDI – Blätter.

25

Quelle: vgl. Informationsbroschüre Blockheizkraftwerke: Allgemeines, Einsatz und Technik, Carsten Bartels, Klinikum Lippe – Detmold

- 48 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

5.3.1. Jahresdauerlinie Grundlage der BHKW-Planung bildet die thermische Jahresdauerlinie. Dabei gibt die Jahresdauerlinie Auskunft darüber, wie viel Stunden pro Jahr eine bestimmte (thermische) Leistung in dem Versorgungsobjekt benötigt wird. Die folgende Abbildung Nr. 36 zeigt eine solche Jahresdauerlinie.

Abb.36: Jahresdauerlinie Quelle: www.energietech.de

5.3.2. Tagesganglinie Zusätzlich müssen noch die Tagesganglinie des Strom- und Wärmeleistungsbedarfs erhoben werden, um dadurch den gleichzeitigen Strom- und Wärmebedarf abschätzen zu können. Während in der Industrie häufig auf vorhandenes Datenmaterial zurückgegriffen werden kann, ist im kommunalen Bereich die Durchführung einer zweibis dreiwöchigen Ist-Aufnahme unumgänglich. Die Abbildung Nr. 37 zeigt eine übliche Tagesganglinie.

Abb.37: Tagesganglinie Quelle: BHKW - Infozentrum

- 49 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

5.3.3. Modulare Bauweise Die Kennlinienfelder der ausgewählten KWK-Aggregate werden anschließend in die jeweiligen Jahresdauerlinien eingebettet. Abbildung Nr. 38 zeigt den modularen Aufbau einer KWK-Anlage.

Abb.38: Modularer Aufbau einer KWK - Anlage Quelle: BHKW - Infozentrum

BHKW-Anlagen werden meist in modularer Bauweise, also mit mehreren Aggregaten, errichtet. Dadurch wird u. a. eine höhere Verfügbarkeit der elektrischen und thermischen Leistung bei Ausfall eines Aggregats oder bei Wartungsarbeiten erreicht. Außerdem kann der Betrieb im unwirtschaftlichen Teillastbereich durch Anund Ausschalten von Motoren- oder Motorengruppen umgangen werden. Durch die modulare Bauweise kann die Jahresdauerlinie besser abgedeckt werden. Im praktischen Betrieb sind die einzelnen Module nicht genau passend zur Jahresdauerlinie ausgelegt. Wie in Abbildung Nr. 36 zu sehen ist zeigt ein Überstand des Moduls an, das hier der Wärmespeicher geladen wird. Im Gegensatz dazu steht die Entnahme aus dem Speicher, wenn die Module unterhalb der Kurve liegen. Zur Abdeckung von Wärmebedarfsspitzen ist ein Spitzenkessel einzuplanen. Dieser kann dann an besonders kalten Tagen den Wärmebedarf decken. Bei stromgeführten BHKW´s wird der Überschuss an elektrischer Energie ins Netz geleiten und an das Energieversorgungsunternehmen verkauft. Bei zunehmendem Energiebedarf, die die BHKW-Anlage nicht liefern kann, muss dann elektrische Energie eingekauft werden.

- 50 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

5.3.4. Einbindung in das elektrische Netz Die Einbindung in das elektrische Netz (eigenes oder EVU) kann durch folgende Betriebsarten realisiert werden. Inselbetrieb Beim Inselbetrieb fährt das BHKW unabhängig vom Netz. Es ist somit als Netzersatzanlage einsetzbar. Der Einsatz als Notstromaggregat ist aber nur bedingt möglich, da oftmals eine Abhängigkeit von netzgebundener Primärenergie (Erdgas) vorhanden ist. Weiterhin gestaltet sich die Wärmeabgabe u.U. als problematisch. Im Inselbetrieb unterliegt das BHKW - Modul aufgrund betrieblicher Anforderungen großen Schwankungen. Hieraus resultieren erhebliche Frequenzabweichungen bei relativ konstanter Spannung. Eine derartige Betriebsweise führt daher zu hohen mechanischen Belastungen der Motoren. Parallelbetrieb Im Netzparallelbetrieb werden die Motoren bei konstanter Frequenz des Netzes betrieben. Die mechanischen Belastungen sind daher stark verringert. Zusätzlich kann bei konstanter Leistungsabgabe der optimale Betriebspunkt des Moduls gewählt werden. Für diese Betriebsart ist allerdings ein höherer Aufwand für Steuerung- und Regelungstechnik zu betreiben. 5.3.5. Hauptkomponenten einer BHKW-Anlage In den meisten Fällen setzt sich eine BHKW-Anlage aus folgenden Hauptkomponenten zusammen:

•

Motortechnik (Gas-Ottomotor, Dieselmotor, Gas-Diesel-Motor) zur Erzeugung mechanischer Energie bzw. über den Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie. Als zweiter Energiestrom ist die thermische Energie zur Wärmeerzeugung nutzbar. Beim Generator kommen in der Regel Synchrongeneratoren zum Einsatz. Diese lassen sich für jeden Einzelfall auslegen und benötigen im Gegensatz zu Asynchronmaschinen keinen Blindstrom aus dem Netz.

•

Eine Druckhaltungsanlage ist in jeder Heizungs- Fernwärmeanlage notwendig. Hierbei kann es sich um eine statische oder dynamische, eine offene oder geschlossene Anlage handeln.

•

Wärmetauschersysteme zur Rückgewinnung der Wärmeenergie aus dem Abgas: Um möglichst hohe Wirkungsgrade zu erreichen, wird die hohe Abgasenthalpie ausgenutzt, indem das Abgas in einem Abhitzkessel heruntergekühlt wird. Die Abgaswärmetauscher sind mit Sicherheitseinrichtungen, wie Sicherheitstemperaturwächter und Sicherheitstemperaturbegrenzer auszustatten. Dieses ist notwendig, da sie als Heißwasserkessel oder auch Dampfkessel betrachtet werden (Wassertemperaturen größer 100°C). - 51 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

•

Wärmetauschersysteme zur Rückgewinnung der Wärmeenergie aus Motorkühlwasser: Die Motorkühlwassertemperaturen sind herstellerbedingt auf bestimmte Maximalwerte begrenzt. Dadurch werden die Vor- und Rücklauftemperaturen des Heizkreises bestimmt. Zur Verhinderung von Wärmestaus im Motor ist nach dem Abschalten ein zeitliche begrenzter Weiterlauf der Kühlwasserpumpe erforderlich.

•

Wärmetauschersysteme zur Rückgewinnung der Wärmeenergie aus dem Ölkreislauf: Die thermische Energie des Motoröls darf nur nach Absprache des Herstellers ausgekoppelt werden, da das Öl die geforderte Viskosität bei einer bestimmten Temperatur besitzt. Meistens wird die Ölwärme zusammen mit der Kühlwasserwärme ausgekoppelt.

•

Eine Netzumwälzung gewährleistet den Transport der Wärme vom Erzeuger zum Verbraucher.

•

Elektrische Schalt- und Steuereinrichtungen zur Stromverteilung bzw. zum Kraftmaschinenmanagement. Die gesamte Steuerung erfolgt über die Leittechnik. Diese steuert und regelt das Zu- und Abschalten der einzelnen Komponenten des BHKW´s und übernimmt die Einbindung in das elektrische Netz.

•

Insbesondere im Bereich der Raumwärmebereitstellung wird das BHKW System meistens durch einen Spitzenkessel und eventuell einen Wärmespeicher ergänzt. Spitzenlastkessel dienen zur Bereitstellung von zusätzlicher thermischer Energie, die von dem Motor nicht erzeugt wird. Wärmetauscher dienen zur Aufnahmen von thermischer Energie, die gezielt erzeugt oder verbraucht wird. Dadurch wird eine teilweise stromorientierte Fahrweise eines wärmegeführten BHKW´s ermöglicht.

- 52 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

5.3.6. Energieeinsparung mit Kraft-Wärme-Kopplung26 Die Verminderung des Energieverbrauches kann durch eine Vielzahl möglicher Vorgehensweisen erreicht werden. Bei bestehenden Gebäuden muss als erstes eine Analyse des Energieverbrauches durchgeführt werden, um möglich Schwachstellen ausfindig zu machen. Anschließend werden diese Energieverluste durch Gegenmaßnahmen verringert. Dies kann durch eine bessere Wärmedämmung oder durch Nutzung energiesparender Verbraucher, wie neuer Kühlschrank, Energiesparlampen, etc. geschehen. Aber auch neue Regelungstechniken oder eine neue organisatorische Strategie im Bereich der Energienutzung kann zu erheblichen Einsparungen führen. Die anschließend noch aufzubringende Energiemenge sollte möglichst effizient bereitgestellt werden. Hier bietet sich die Kraft-Wärme-Kopplung an, welche gleichzeitig Strom und Wärme bei einer effizienten Nutzung der Primärenergie bereitstellt. Gegenüber einer getrennten Strom- und Wärmebereitstellung weist ein Blockheizkraftwerk einen großen Effizienzvorteil auf. Die Abbildung Nr. 39 zeigt das Energieflussbild eines BHKW´s gegenüber einer konventionellen Energieerzeugung mit Kohle und Öl.

Abb.39: Energieflussbild verschiedener Energieformen Quelle: Vorlesung Energiemanagement 2004

26

Quelle: BHKW-Infozentrum, Vorlesung Energiemanagement 2004

- 53 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Grundlagen Kraft Wärme Kopplung

Abbildung Nr. 39 zeigt den Energiefluss der verschiedenen Energieformen und ihre Verluste. Bei dem gekoppelten Einsatz mit einem BHKW werden aus 100 % Energieeinsatz 34% Strom und 53 % Wärme erzeugt. Die Verluste liegen bei nur 13 %. Bei der konventionellen Energieerzeugung entstehen mit den üblichen Wirkungsgraden Verluste von insgesamt 72 %. Durch die Differenz der Verluste von 59 % ergibt sich Primärenergieeinsparung von 37 % bezogen auf den gesamten Energieeinsatz. Das zeigt deutlich die Energieeffizienz eines BHKW´s.

5.4. Zusammenfassung der Kraft-Wärme-Kopplung Die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme (KWK) ist eine bewährte, umweltfreundliche, rationelle und wirtschaftliche Technik der kommunalen und industriellen Energienutzung. Die Abwärme dieser Anlagen wird vorwiegend als Heizwärme oder Prozesswärme genutzt. Die Auslastung und die Brennstoffausnutzung der Kraft-WärmeKopplungsanlage ist im starken Maße davon abhängig, in welchem Umfang die erzeugte Wärme genutzt werden kann. Bei einer reinen Heizwärmenutzung ist häufig in der Sommerzeit eine verringerte Auslastung unvermeidlich. Hinzu kommt in vielen Einrichtungen eine benötigte Versorgung mit Klimakälte vor allem in den Sommermonaten. Der Antrieb einer Absorptionskältemaschine durch die Abwärme eines KWK - Prozesses stellt dann eine attraktive und flexible Versorgungslösung dar. So lässt sich durch die Abwärmenutzung zur Kälteerzeugung der im Sommer geringe Heizwärmebedarf durch einen höheren Kältebedarf kompensieren. Insgesamt kann damit eine während des ganzen Jahres gleichmäßige Auslastung der Kraft-WärmeKopplungsanlage erreicht werden.

- 54 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Beschreibung IST-Zustand

6. Beschreibung des Ist-Zustandes27 Die Beschreibung und Bewertung des Ist-Zustandes der Energiedaten basiert auf dem Informationsmaterial der Technischen Abteilung des Klinikums Lippe-Detmold. Die Energiezahlen stammen aus dem Jahr 2003. Unter Absprache mit der technischen Leitung werden sich voraussichtlich keine großen Änderungen im Energieverbrauch in der näheren Zeit einstellen. 6.1. Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch Die Wärme im KLD wird derzeit zu gut 40% über ein BHKW erzeugt. Die restlichen 60% werden über das Fernwärmenetz der Stadtwerke Detmold bezogen.

•

Der Anschluss an das Fernwärmenetz erfolgt durch zwei Wärmeübertrager mit einer thermischen Leistung von jeweils 2000 kW. Primärseitig sind diese mit der Vorlauftemperatur von 110°C und der Rücklauftemperatur von 65°C angeschlossen. Auf der Sekundärseite betragen die Auslegungstemperaturen im Vorlauf 90°C und im Rücklauf 62°C.

•

Das erdgasbetriebene und wärmegeführte BHKW hat eine thermische Leistung von Ptherm = 490 kW und eine elektrische Leistung von Pel = 288 kW. Die vom BHKW erzeugte Wärmemenge wird zur Speicheraufladung der Warmwasserbereitung genutzt und dem Heizungssystem an der hydraulischen Weiche zur Verfügung gestellt.

•

Als Reservewärmeerzeuger dient ein mit Erdgas betriebener Warmwasserkessel des Fabrikates Omnical mit einem thermischen Leistungsbereich von 2900 kW bis 3150 kW. Der Kessel wird nur bei Ausfall der Fernwärme betrieben.

Das KLD hat einen Gesamtwärmebedarf28 pro Jahr von: Wärmeerzeugung BHKW: Wärmeeinkauf: Gesamtwärmebedarf:

4.052.790 kWh/a 5.217.000 kWh/a 9.269.790 kWh/a

27

Quelle: Informationsmaterial Energiebedarf (Strom, Gas, Wärme, Kälte): Kosten der Energieerzeugung, Technische Abteilung des KLD´s 28

Quelle: Gesprächsnotiz mit Herrn Bartels, Zahlen aus dem Jahr 2003

- 55 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Beschreibung IST-Zustand

6.2. Kälteerzeugung und Kälteverbrauch Derzeit wird die benötigte Kälte von zwei Hubkolbenkompressor-Kältemaschinen des Typs Carrier 30 HR 190 und Carrier 30 HR 110 mit einer Kälteleistung von 540 kW und 300 kW erzeugt. Die Anlage befindet sich in der Technikzentrale des Haus 1 und ist rund 14 Jahre alt. Sie soll in näherer Zukunft ausgetauscht werden. Kälte wird im KLD ganzjährig benötigt und dient hauptsächlich zur Klimatisierung. Außerdem werden medizinische Großgeräte wie CT, MRT etc. und deren Rechner mit der Kälteenergie versorgt. Die folgende Abbildung Nr. 40 zeigt die Leistungsbilanz der Kälteversorgung der gesamten Gebäude. Die Neubauten wurde als Zielplanung schon mit aufgeführt, da die neue Kälteanlage gleich darauf passend ausgelegt werden soll. Da aber nicht alle Kälteverbraucher gleichzeitig arbeiten wurde mit Hilfe eines Gleichzeitigkeitsfaktors29 gerechnet, was dann auf die erforderliche Gesamtleistung schließen lässt. Leistungsbilanz der Kälteversorgung Kälteleistung RLT - Neubau 1 bis 3 Kälteleistung RLT - Haus 1 UG 2 Kälteleistung RLT - Haus 1 UG 3/2 Kälteleistung RLT - OP-Haus 1 3.UG Kälteleistung RLT - OP-Haus 1 EG

200 83 109 57 200

kW kW kW kW kW

Erforderliche Kälteleistung mit Gleichzeitigkeit

649 kW

Abb.40: Leistungsbilanz der Kälteversorgung Quelle: Erläuterungsbericht M21: Raumlufttechnische Anlagen, 2003

Für die Errechnung der Volllaststunden TmKälte der Kälteerzeugung existieren keinerlei Aufzeichnungen. Unter Absprache mit Herrn Bartels wurden 2000 Volllaststunden für die gesamte Kältemaschinenanlage festgelegt. Die benötigte Kälteleistung PKälte beläuft sich auf 649 kW. Daraus ergibt sich eine erforderliche Kältemenge W Kälte von:

W Kälte = PKälte ⋅ TmKälte = 649kW ⋅ 2000

29

h kWh = 1.298.000 a a

Quelle: vgl. Erläuterungsbericht M21: Raumlufttechnische Anlagen, 2003

- 56 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Beschreibung IST-Zustand

6.3. Beschreibung des vorhandenen BHKW´s Das BHKW befindet sich ebenfalls in der Technikzentrale des Haus 1. Es handelt sich um eine mit Erdgas betriebene Kolbenmaschine des Typ MAN E 2842 LE-S mit folgenden technischen Daten: Elektr. Leistung Pelektr: Therm. Leistung Ptherm: Wirkungsgrad η: Feuerungswärmeleistung: Volllaststunden BHKW30 TmBHKW: Stromeigenbedarf: Nutzungsgrad Wärme: Durchschnittl. Vorlauftemp. Durchschnittl. Rücklauftemp.

288 490 0,87 894 8271 2 0,85 80 °C 60 °C

kW kW kW h/a kW

6.4. Wärmeerzeugung BHKW Mit dem BHKW wird derzeit eine Wärmemenge Wtherm.BHKW von: Wtherm.BHKW = Ptherm ⋅ TmBHKW = 490kW ⋅ 8.271

h kWh = 4.052.790 a a

erzeugt. 6.5. Stromkosten, Stromerzeugung und Stromeinsatz Die Strombezugskosten ergeben sich aus den folgenden Komponenten:

30

•

Leistungspreis = Leistungsabnahme pro ¼ Stunde x Leistungspreis

•

Arbeitspreis o Hochtarif = Arbeit im Hochtarif x Arbeitspreis im Hochtarif o Niedrigtarif = Arbeit im Niedrigtarif x Arbeitspreis im Niedrigtarif

•

Blindarbeit = Blindarbeit x Blinarbeitspreis

• • • •

Mess- und Verrechnungspreis Stromsteuer Umlagen zum Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz Umlagen zum Erneuerbare-Energien-Gesetz

Quelle: Gesprächsnotiz mit Herrn Bartels, Zahl aus dem Jahr 2003

- 57 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Beschreibung IST-Zustand

Insgesamt ergibt das einen gemittelten Preis im Jahr 2003 von: Strombezugskosten KB:

0,08006 €/kWh

Die Angaben für den Stromeinsatz beziehen sich nur auf die im Haus 1 angeschlossenen Verbraucher, da auch nur dies mit dem BHKW versorgt wird, und beläuft sich auf: Stromeinsatz:

5.442.528 kWh/a

Die, durch das BHKW, erzeugte Strommenge wird derzeit nicht gemessen. Sie kann aber durch die Volllaststunden und die BHKW Leistung errechnet werden. Daher wird zurzeit in etwa eine Strommenge durch das BHKW von: h kWh Welektr .BHKW = Pelektr ⋅ TmBHKW = 288kW ⋅ 8.271 = 2.382.048 a a

erzeugt. Die Restmenge von 3.060.480 kWh/a31 wird über das öffentliche Netz der Stadtwerke Detmold gedeckt. Das ergibt Stromkosten in der Höhe von: K Stromges = W ⋅ K B = 3.060.480

€ € kWh ⋅ 0,08006 = 245.022,03 a kWh a

6.6. Gasverbrauch und Gaskosten Der Gasverbrauch lag für das BHKW im Jahr 2003 bei: Gasverbrauch:

8.205.420

kWh Ho a

Die Gasbezugskosten ergeben sich aus den Komponenten:

• •

Leistungspreis Arbeitspreis

= Gasabnahme pro Tag x Leistungspreis = Arbeit x Arbeitspreis

Gemittelt ergibt das einen Preis für das Jahr 2003 von: Gasbezugskosten KAP:

31

0,02755

€ kWh Ho

Quelle: Strombezugsrechung Jahr 2003

- 58 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Beschreibung IST-Zustand

Das ergibt Gesamtgaskosten im Jahr 2003 von: K Gasges = W ⋅ K AP = 8.205.420

€ € kWh ⋅ 0,02755 = 226.059,32 a kWh a

6.7. Betriebs- und Wartungskosten des BHKW Die gesamten Betriebs- und Wartungskosten des BHKW beliefen sich für das Jahr 2003 auf 35.790,43 €. Dieser Kosten beinhalten alle Wartungsarbeiten und Instandhaltungskosten. Es ist davon auszugehen das sich dieser Wert in den folgenden Jahren kaum verändert.

6.8. Substitution des Stroms Bei der Erzeugung von 3.444.872 kWh thermischer Energie wird gleichzeitig eine Strommenge von 2.382.048 kWh erzeugt. Diese Strommenge braucht anschließend nicht mehr extern von den Stadtwerken Detmold gekauft werden, sondern kann direkt im Krankenhaus verbraucht werden. Das führt zu einer Kostensubstitution von: K Stromsub. = Welektr . BHKW ⋅ APStrom = 2.382.048

€ € kWh ⋅ 0,08006 = 190.706,76 a kWh a

6.9. Wärmepreisberechnung Im weiteren Verlauf dieser Arbeit sollen thermische und elektrische Kühlverfahren verglichen werden. Dazu müssen die Kosten, zu welchen das BHKW Wärme produziert, errechnet werden. Da mit einem BHKW aber Wärme und Strom gleichzeitig erzeugt wird, der Wärmepreis aber nur gesucht ist, werden die gesamten Erzeugungskosten um die eingesparten Stromkosten reduziert und dann durch die produzierte thermische Energie geteilt. Das führt zu folgender Rechnung:

APtherm =

K B + K W − K Stromsub. = Wtherm. BHKW

226.084,34

€ € € + 35.790,43 − 190.706,76 a a a = 0,02066 € kWh kWh 3.444.872 a

Über das Fernwärmenetz der Stadtwerke bezieht das Krankenhaus Heizenergie zu einem Preis von 0,04703 €/kWhtherm. Die eigenerzeugte Wärme ist daher in jedem Fall vorzuziehen. - 59 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Beschreibung IST-Zustand

6.10. Energieflussbild des BHKW´s In der folgenden Abbildung Nr. 41 wird der Energiefluss des BHKW´s dargestellt. Es zeigt in welche Teile sich die eingesetzte Energie umwandelt. Da die umgewandelten Energiemengen zu jedem Zeitpunkt unter den benötigten Energiemengen des KLD liegen, läuft das BHKW immer zu hundert Prozent. Eine Wärme- oder Stromgeführte Fahrweise gibt es daher nicht.

Abb.41: Energieflussbild BHKW Quelle: Eigene Zeichnung

- 60 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Entwicklung des Klinikums

7. Mögliche zukünftige Entwicklung des Klinikums32 Für die zukünftige Kälteerzeugung im Klinikum Lippe-Detmold stehen nach Absprache mit der technischen Leitung des Klinikums und der Hersteller von Kälteerzeugungsanlagen zwei grobe Möglichkeiten zur Verfügung. Zum einen ist es die konventionelle mechanische Verdichtertechnik, die mit Kolben- oder Schraubverdichtern realisiert werden kann. Als weitere Variante ist die thermische Verdichtertechnik mit dem Einsatz einer Absorptionskältemaschine in betracht zu ziehen. Zum Betrieb der mechanischen Verdichter wird elektrischer Strom als Antriebsenergie zugeführt. Bei der thermischen Verdichtertechnik wird Wärme als Antriebsenergie benötigt. Diese Wärme könnte das vorhandene BHKW zur Verfügung stellen und mit der Absorptionskältemaschine eine Einheit bilden, der so genannten Kraft-WärmeKältekopplung (KWKK). Hinzu käme noch eine bessere Auslastung des BHKW´s. Das Klinikum Lippe-Detmold ist besonders geeignet für die Anwendung der gekoppelten Kraft-Wärme-Kälteerzeugung, da neben Strom und Wärme auch Kälte das ganze Jahr über benötigt wird. Das Prinzip besteht in der Kombination eines Blockheizkraftwerkes (BHKW) mit einer Absorptionskältemaschine (AKM), die mit der Motorabwärme des BHKW´s beheizt wird. Das BHKW ist bereits vorhanden und in Betrieb. Hierbei würde eine AKM mit dem Stoffpaar Wasser-Lithiumbromid (H2O / LiBr) ihren Einsatz finden. Als Kältemittel dient Wasser, da hierbei die mit halogenierten Kältemittel verbundenen Umweltprobleme und die Anforderungen bei Ammoniak (Toxizität)33 nicht bestehen, ergibt sich hieraus ein besonderer Vorteil für den Einsatz derartiger Anlagen. Die Vorteile der AKM sind:

• • • • • • •

Hohe Brennstoffausnutzung Hohe Auslastung der KWK – Anlage Gute stufenlose Regelbarkeit der AKM bei wirtschaftlichem Teillastbetrieb Flexible Abdeckung des Kälte- und Wärmebedarfs durch wahlweise Versorgung der Wärme – und Kälteabnehmer Geringer Strombedarf Geringer Wartungsaufwand Lange Lebensdauer

32

Quelle: vgl. Erläuterungsbericht M21: Raumlufttechnische Anlagen Quelle: Brockhaus Enzyklopädie, Band 22, Seite 285, Toxizität 33

- 61 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Entwicklung des Klinikums

Der Einsatz einer AKM für die Kälteerzeugung ist daher geplant. Durch die steigenden inneren Kältelasten insbesondere der zu kühlenden medizinischen Großgeräte wie CT, MR etc. und deren Rechner wird Kälteleistung ganzjährig, auch im Winter, erforderlich. Die Absorptionskältemaschine würde in der Technikzentrale OP-Trakt 3.UG Heizzentrale aufgestellt werden. Die Abfuhr der Abwärme des Absorbers kann über die Zentralegeräte der Abluftanlage erfolgen. Hierzu würde in den Abluftgeräten ein zusätzlicher Wärmetauscher mit vorgeschaltetem Befeuchter installiert werden. Eine ansonsten übliche Kühlturmanlage wäre damit nicht erforderlich. Durch die Aufteilung der bereitzustellenden Kälteleistung auf zwei Erzeugungsanlagen könnte die Versorgungssicherheit der sensiblen Kälteverbraucher (Rechnerräume etc.) hergestellt werden.

- 62 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Wirtschaftliche Grundlagen

8. Wirtschaftliche Grundlagen zur Berechnung34 Die verschiedenen Konzepte zur Kälteversorgung im Klinikum Lippe-Detmold werden anhand einer wirtschaftlichen Berechnung miteinander verglichen. Als einheitlicher Vergleichswert aller Konzepte dient hierzu der Arbeitspreis Kälte in Euro pro Kilowattstunde. 8.1. Annuitätsfaktor an Als Grundlage zur Berechnung dient die dynamische Investitionsrechnung mit der Annuitätsmethode. Die Vorteile dieser dynamischen Berechnung gegenüber statischen Berechnungsverfahren liegen in dem hohen Realitätsbezug. So werden bei dieser Methode nicht nur die Nutzungsjahre einer Investition berücksichtigt, sonder auch der Kalkulationszinssatz gleichmäßig auf die Jahre der Nutzung verteilt. Das Ergebnis ist der jährliche Mehrgewinn bzw. die Kosten eines Investitionsobjektes durch Transformation des Kapitalwertes in gleich hohe Zahlungen. Der Kalkulationszins i wird hier auf 6% festgelegt. Die Nutzungsjahre n der Kompressionskältemaschinen sind mit mindestens 10 Jahren angesetzt. Bei der Absorptionskälteanlage ist die Nutzungsdauer auf mindestens 15 Jahre festgelegt. Die längere Lebensdauer der Absorptionskälteanlage beruht auf der Tatsache der fehlenden mechanischen beweglichen Teile. Annuitätsfaktor an:

i ⋅ (1 + i ) n an = (1 + i ) n − 1

1 a  

8.2. Anschaffungskosten K0 Die Anschaffungskosten K0 sind von den einzelnen Lieferanten festgelegt. Sie beinhalten die Lieferung der Anlage bis zum Klinikum Lippe-Detmold. Der Einbau der neuen Anlage, sowie ein evtl. Umbau der vorhandenen Rohrsysteme ist als weiterer Kostenfaktor einzurechnen. Da diese Installationsmaßnahmen aber bei jedem Konzept durchgeführt werden müssen ist zu prüfen, ob sie evtl. auch aus der Rechnung herausgenommen werden können. Anschaffungskosten K0: K0

[€]

34

Quelle: Vorlesungsunterlagen, Energiemanagement: Energielieferung Vorlesungsunterlagen, Finanzierung und Investition: Investitionsrechnung

- 63 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Wirtschaftliche Grundlagen

8.3. Anlagekosten KA Die Anlagekosten KA werden mit dem Annuitätsfaktor und den Anschaffungskosten berechnet. Sie berücksichtigen die Abschreibung für Abnutzung (AfA) und den Zins für die Dauer der Nutzung. Der Kalkulationszins wird am Anfang festgelegt und ist somit als konstante Größe in der Rechnung vorhanden. Auf dem freien Markt kann der Zins aber im Laufe der Nutzungsjahre in einem bestimmten Bereich schwanken. Dieses Problem lässt sich nur durch die Wahl eines erfahrungsgemäß geeigneten Zinssatzes minimieren. Anlagekosten KA:

KA =K 0 ⋅ a n

€ a  

8.4. Wartungskosten KW Die Wartungskosten KW der Anlage werden mit p = 5% des Anschaffungspreises berücksichtigt. Dieser Prozentsatz gilt für alle vorgestellten Konzepte. Wartungskosten KW : K0 ⋅ p KW = 100%

€ a  

8.5. Betriebskosten KB Die Betriebskosten KB der einzelnen Konzepte werden je nach zugeführter Energieform berechnet. Dazu werden die Volllaststunden Tm, der Arbeitspreis AP und die Leistung P der einzelnen Aggregate berücksichtigt. Betriebskosten KB : KB = P ⋅ Tm ⋅ AP

€ a  

- 64 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung der Konzepte

9. Vorstellung der möglichen Konzepte zur Kälteversorgung Durch die vorhandenen räumlichen und technischen Rahmenbedingungen sind die Möglichkeiten zur Kälteversorgung im Klinikum Lippe-Detmold begrenzt. Die folgenden fünf Konzepte sollen die zukünftigen Möglichkeiten zur Kälteerzeugung aufzeigen. Dabei sind die verschiedenen Konzepte auf die vorhandenen Bedingungen abgestimmt, um möglichst geringe Zusatzkosten zu verursachen. Aus Gründen der Versorgungssicherheit arbeiten die meisten Lösungskonzepte mit zwei Aggregaten. Die Leistungen der Maschinen sind bewusst auf den derzeitigen Stand der Altanlage festgesetzt, denn somit können Leistungsspitzen und Teilleistungen optimal abgedeckt werden. Eine Erhöhung der Kälteleistung ist aktuell nicht vorherzusagen. Die Maschinen arbeiten so die meiste Zeit unter Volllast, was wiederum zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führt. Die Konzepte beinhalten konventionelle Kompressionsmaschinen und die Möglichkeit des Einsatzes von Absorptionskälteanlagen. Im Folgenden werden die Aggregate mit den technischen Daten vorgestellt. Die vorhandenen Richtpreise beinhalten die Lieferung des Aggregates bis zum Klinikum Lippe-Detmold einschließlich der Inbetriebnahme. Nicht in diesen Preisen enthalten ist die Demontage und Entsorgung der Altanlage. Die Anpassung der neuen Anlage an das Rohrleitungssystem, die Elektrik und mögliche Umbauarbeiten in vorhandenen Schaltschränken sind in den Preisen ebenso nicht enthalten. 9.1. Konzept 1 Das erste Konzept beinhaltet den Ersatz der vorhandenen Anlage durch zwei neue Kolbenkompressionsmaschinen zur Kälteerzeugung. Der Vorteil dieser Möglichkeit liegt im dem einfachen Austausch der Altanlage gegen eine Neuanlage. Der Betrieb der Kolbenkompressoren wird weiterhin durch den Einsatz von elektrischem Strom gewährleistet. Es gibt somit keine thermische Einbindung an das BHKW. Die Angebotspreise stammen von der Gesellschaft für Kälte - und Klimatechnik GfKK aus Köln. Kolbenkompressoren Typ FRIGO W. NRM 550 S.2 FRIGO W. NRM 332.F.2.G4 Gesamt

Kälteleistung [kW] 519,70 308,90

Leistungsaufnahme el. [kW] 122,30 78,20

Preise [€] 43.580 28.940

828,60

200,50

72.520

Abb.42: Tabelle Konzept 1

- 65 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung der Konzepte

Berechnung des Arbeitspreises Kälte Konzept 1 Bei einem Kalkulationszinssatz von 6 % und einer Nutzungsdauer von mindestens 10 Jahren ergibt sich ein Annuitätsfaktor von:

0,06 ⋅ (1 + 0,06)10 1 i ⋅ (1 + i ) n = = 0,1359 a= n 10 a (1 + i ) − 1 (1 + 0,06) − 1 Bei einem Gesamtpreis K0 = 72.520 € ergeben sich Anlagekosten von: KA =K 0 ⋅ a = 72.520€ ⋅ 0,1359

1 € = 9.853,14 a a

Beim ersten Konzept ergeben sich Wartungskosten in Höhe von: € K 0 ⋅ p 72.520€ ⋅ 5% KW = = = 3.626,00 100% 100% ⋅ a a

Um die Volllaststunden an die neue Kälteleistung anzupassen ist es notwendig diese neu zu berechnen. Die Volllaststunden von 1.566 h/a ergeben sich aus der Berechnung:

TmKonzept1 =

WKälte kWh h 1 = 1.298.000 ⋅ = 1.566 PKälte a 828,60kW a

Bei diesem Konzept mit zwei Kolbenkompressoren ergeben sich Betriebskosten für elektrischen Strom von: € € h KStrom = Pelekt ⋅ TmKonzept1 ⋅ APStrom = 200,50kW ⋅ 1.566 ⋅ 0,08006 = 25.145,47 a kWh a

Berechnung der Gesamtkosten Konzept 1: KGes = KA + KW + KStrom KGes = 9.853,14

€ € € + 3.626,00 + 25.145,47 a a a

KGes = 38.624,61

€ a

- 66 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung der Konzepte

Berechnung des Arbeitspreises Kälte Konzept 1:

KGes APKälte = = WKälte

€ a = 0,0298 € kWh kWh 1.298.000 a 38.624,61

9.2. Konzept 2 Das zweite Konzept sieht ebenfalls einen Austausch mit konventioneller Technik vor. Die Altanlage wird gegen zwei neue Schraubenkompressionsaggregate ersetzt. Diese werden ebenfalls mit elektrischer Energie betrieben und sorgen somit für die Erzeugung der notwendigen Kälteleistung. Ebenso wie beim ersten Konzept gibt es keine Einbindung an das BHKW. Die Angebotspreise stammen auch von der Gesellschaft für Kälte - und Klimatechnik GfKK aus Köln. Schraubenkompressoren Typ FRIGO.SCREW.W:NRM 580.V.2 FRIGO.SCREW.W:NRM 260.V.2 Gesamt

Kälteleistung [kW] 588,30

Leistungsaufnahme el. [kW] 119,20

Preise [€] 46.400

255,60

55,20

32.680

843,90

174,40

79.080

Abb.43: Tabelle Konzept 2

Berechnung des Arbeitspreises Kälte Konzept 2 Bei einem Kalkulationszinssatz von 6 % und einer Nutzungsdauer von mindestens 10 Jahren ergibt sich ein Annuitätsfaktor von:

a=

0,06 ⋅ (1 + 0,06)10 1 i ⋅ (1 + i ) n = = 0,1359 n 10 a (1 + i ) − 1 (1 + 0,06) − 1

Bei einem Gesamtpreis K0 = 79.080 € ergeben sich Anlagekosten von: KA =K 0 ⋅ a = 79.080€ ⋅ 0,1359

1 € = 10.744,44 a a

- 67 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung der Konzepte

Beim zweiten Konzept ergeben sich Wartungskosten in Höhe von: € K 0 ⋅ p 79.080€ ⋅ 5% = = 3.954,00 KW = 100% 100% ⋅ a a

Die Volllaststunden von 1.538 h/a ergeben sich aus der Berechnung:

TmKonzept 2 =

WKälte kWh h 1 = 1.298.000 ⋅ = 1.538 PKälte a 843,90kW a

Bei diesem Konzept mit zwei Schraubkompressoren ergeben sich Betriebskosten für elektrischen Strom von: € € h = 21.475,62 KStrom = Pelekt ⋅ TmKonzept 2 ⋅ APStrom = 174,40kW ⋅ 1.538 ⋅ 0,08006 a kWh a

Berechnung der Gesamtkosten Konzept 2: KGes = KA + KW + KStrom KGes = 10.744,44

€ € € + 3.954,00 + 21.475,62 a a a

KGes = 36.174,06

€ a

Berechnung des Arbeitspreises Kälte Konzept 2:

APKälte =

KGes WKälte

€ a = 0,0279 € = kWh kWh 1.298.000 a 36.174,06

- 68 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung der Konzepte

9.3. Konzept 3 Die dritte Variante zeigt zwei Kolbenkompressoren der Firma York zur Kälteversorgung des Krankenhauses. Als Antriebsenergie dient auch hier der elektrische Strom und ebenfalls gibt es hier keine Einbindung an das BHKW. Kompressor Typ LCHM 170 WL R407C LCHM 100 WL R407C Gesamt

Kälteleistung [kW] 566 322 898,00

Leistungsaufnahme el. [kW] 137,30 72 209,30

Preise [€] 49.973 29.243 79.216,00

Abb.44: Tabelle Konzept 3

9.3. Berechnung des Arbeitspreises Kälte Konzept 3 Bei einem Kalkulationszinssatz von 6 % und einer Nutzungsdauer von mindestens 10 Jahren ergibt sich ein Annuitätsfaktor von:

a=

0,06 ⋅ (1 + 0,06)10 1 i ⋅ (1 + i ) n = = 0,1359 n 10 a (1 + i ) − 1 (1 + 0,06) − 1

Bei einem Gesamtpreis K0 = 79.216 € ergeben sich Anlagekosten von: KA =K 0 ⋅ a = 79.216€ ⋅ 0,1359

1 € = 10.762,92 a a

Bei dem dritten Konzept ergeben sich Wartungskosten in Höhe von: € K 0 ⋅ p 79.216€ ⋅ 5% = = 3.960,80 KW = 100% 100% ⋅ a a

Die Volllaststunden von 1.445 h/a ergeben sich aus der Berechnung:

TmKonzept 3 =

WKälte kWh h 1 = 1.298.000 ⋅ = 1.445 PKälte a 898,00kW a

- 69 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung der Konzepte

Bei diesem Konzept mit zwei Kolbenkompressoren ergeben sich Betriebskosten für elektrischen Strom von: € € h KStrom = Pelekt ⋅ TmKonzept 3 ⋅ APStrom = 209,30kW ⋅ 1.445 ⋅ 0,08006 = 24.220,50 a kWh a

Berechnung der Gesamtkosten: KGes = KA + KW + KStrom KGes = 10.762,92

€ € € + 3.960,80 + 24.220,50 a a a

KGes = 38.944,22

€ a

Berechnung des Arbeitspreises Kälte Konzept 3:

APKälte =

KGes WKälte

€ a = 0,0300 € = kWh kWh 1.298.000 a 38.944,22

9.4. Konzept 4 Das vierte Konzept sieht einen Ersatz der Altanlage gegen eine Absorptionskältemaschine vor. Diese Technik, der Absorption hat einige Vorteile gegenüber der konventionellen Verdichtertechnik. Sie ist aber an verschiedene Bedingungen geknüpft, um wirtschaftlich arbeiten zu können. Mit Unterstützung der Firma York wurde für diesen Anwendungsfall der Typ YIA 5C3 ausgewählt. Dieser Absorber hat eigentlich eine Nennkälteleistung von 1570 kW. Da aber nur eine Heißwassertemperatur von 80°C zu Verfügung steht, reduziert sich die Leistung des Absorbers um über die Hälfte auf 649 kW. Optimal wäre eine Heißwassertemperatur von 115°C. Dieses ist aber mit der bestehenden BHKW Anlage nicht zu erreichen. Die Heizleistung der Anlage beträgt 910 kW. Zum Beheizen der Anlage soll das BHKW mit seiner thermischen Leistung von 490 kW zu 100 Prozent eingebunden werden. Die restliche Heizenergie von 420 kW soll aus dem öffentlichen Fernwärmenetz bezogen werden.

- 70 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung der Konzepte

Aus dem Verhältnis von Nutzenergie zu Heizenergie ergibt sich ein COP von: COP =

PNutz 649kW = = 0,713 PHeiz 910kW

Absorber Typ YIA 5C3

Kälteleistung [kW] 649,00

Leistungsaufnahme el. [kW] 5,50

Heizleistung [kW] 910,00

Preise [€] 147.897

Abb.45: Tabelle Konzept 4

Berechnung des Arbeitspreises Kälte Konzept 4 Bei einem Kalkulationszinssatz von 6 % und einer Nutzungsdauer von mindestens 15 Jahren ergibt sich ein Annuitätsfaktor von:

0,06 ⋅ (1 + 0,06)15 1 i ⋅ (1 + i ) n = = 0,1030 a= n 15 a (1 + i ) − 1 (1 + 0,06) − 1 Bei einem Gesamtpreis K0 = 147.897 € ergeben sich Anlagekosten von: KA =K 0 ⋅ a = 147.897€ ⋅ 0,1030

1 € = 15.227,88 a a

Bei dem vierten Konzept mit einer Absorptionskältemaschine ergeben sich Wartungskosten in Höhe von: € K 0 ⋅ p 147.897€ ⋅ 5% KW = = = 7.394,85 100% 100% ⋅ a a

Hier ändert sich bei den Volllastsunden nichts, da diese Anlage voll auf die zu benötigende Kälteleistung ausgelegt ist:

TmKonzept 4 =

WKälte kWh h 1 = 1.298.000 ⋅ = 2.000 PKälte a 649,00kW a

- 71 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung der Konzepte

Bei diesem Konzept mit einem Absorber ergeben sich Betriebskosten für elektrischen Strom von: € € h KStrom = Pelekt ⋅ TmKonzept 4 ⋅ ApStrom = 5,50kW ⋅ 2000 ⋅ 0,08006 = 880,66 a kWh a

Hinzu kommen die Betriebskosten für die notwendige Wärmerzeugung aus dem BHKW von: € € h KWärme / BHKW = PthermBHKW ⋅ TmKonzept 4 ⋅ APthermBHKW = 490kW ⋅ 2000 ⋅ 0,02066 = 20.246,80 a kWh a

Da die Wärmeleistung des BHKW´s für den Betrieb des Absorbers nicht ausreicht ist es notwendig die Fernwärmeleistung hinzuzuziehen. Dadurch ergeben sich weitere Betriebskosten.

KFernwärme = Ptherm / Fernwärme ⋅ TmKonzept 4 ⋅ APthermFernwärme € € h KFernwärme = 420kW ⋅ 2000 ⋅ 0,04703 = 39.505,20 a kWh a

Berechnung der Gesamtkosten Konzept 4: KGes = KA + KW + KStrom + KWärme / BHKW + KFernwärme KGes = 15.227,88

€ € € € € + 7.394,85 + 880,66 + 20.246,8 + 39.505,20 a a a a a

KGes = 83.255,39

€ a

Berechnung des Arbeitspreises Kälte Konzept 4:

APKälte =

KGes WKälte

€ a = 0,0641 € = kWh kWh 1.298.000 a 83.255,39

- 72 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung der Konzepte

9.5. Konzept 5 Dieses Konzept besteht aus einem Mix von 2 Anlagetypen der Firma YORK. Primär soll mit einem Absorber gekühlt werden, der die gesamte Wärme des BHKW nutzen kann. Wenn diese Kühlleistung von 330kW nicht mehr ausreicht, wird zusätzlich ein konventioneller Kolbenkompressor zugeschaltet. Bei dieser Möglichkeit kann die Absorptionskältemaschine mit der vorhandenen Abwärme des BHKW betrieben werden und somit die Effizienz des Blockheizkraftwerkes steigern. Denn auch in den Sommermonaten wird die Wärme des BHKW genutzt. Ein weiterer Vorteil liegt in den niedrigeren Stromkosten, denn der Kolbenkompressor muss nicht die gesamte Kälteleistung abdecken. Durch die zwei getrennten Aggregate ist auch hier die Versorgungssicherheit gegeben. Typ YIA 2B1

Kälteleistung [kW] 330,00

Leistungsaufnahme el. [kW] 3,60

Heizleistung [kW] 490

Preise [€] 106.883

566

137,3

0

49.973

896,00

140,90

490,00

156.856,00

LCHM 170 WL R407C Gesamt

Abb.46: Tabelle Konzept 5

Berechnung des Arbeitspreises Kälte des Konzept 5 Bei dem fünften Konzept handelt es sich um einen Mix aus einer Absorptionskältemaschine, für die die Wärmeleistung des BHKW´s noch ausreicht. Hinzu kommt ein Kolbenkompressor für die Abdeckung der restlichen Kälteleistung. Beide Aggregate sind aus dem Angebot der Firma YORK entnommen. Zur richtigen Berechnung dieses Konzeptes werden die einzelnen Betriebsmittel getrennt berechnet. Kolbenkompressor: Bei einem Kalkulationszinssatz von 6 % und einer Nutzungsdauer von mindestens 10 Jahren ergibt sich ein Annuitätsfaktor von:

0,06 ⋅ (1 + 0,06)10 1 i ⋅ (1 + i ) n = = 0,1359 a= n 10 a (1 + i ) − 1 (1 + 0,06) − 1

- 73 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung der Konzepte

Bei einem Preis des Kompressors K0 = 49.973,00 € ergeben sich Anlagekosten in Höhe von: KA =K 0 ⋅ a = 49.973,00€ ⋅ 0,1359

1 € = 6.789,73 a a

Beim Mix - Konzept ergeben sich Wartungskosten für den Kompressor in Höhe von: € K 0 ⋅ p 49.973€ ⋅ 5% KW = = = 2.498,65 100% 100% ⋅ a a

Um die Volllaststunden an die neue Kälteleistung anzupassen ist es notwendig diese neu zu berechnen. Die Volllaststunden von 1.127 h/a ergeben sich aus der Berechnung:

TmKonzept 5 Kompressor

WKälte − (TmKälte ⋅ PKälte ( Absorber )) = = PKälte ( Kompressor )

1.298.000

kWh h − (2.000 ⋅ 330kW ) h a a ⋅ = 1.127 a 566kW

Bei diesem Konzept ergeben sich Betriebskosten für elektrischen Strom von: € € h KStrom = Pelekt ⋅ TmKonzept 5 Kompressor ⋅ APStrom = 137,30kW ⋅ 1.127 ⋅ 0,08006 = 12.390,54 a kWh a

Für den Kompressor ergeben sich Gesamtkosten von:

KKompressor = KA + KW + KStrom KKompressor = 6.789,73

€ € € + 2.498,65 + 12.390,54 a a a

KKompressor = 21.678,92

€ a

Absorptionskältemaschine: Bei einem Kalkulationszinssatz von 6 % und einer Nutzungsdauer von mindestens 15 Jahren ergibt sich ein Annuitätsfaktor von:

a=

0,06 ⋅ (1 + 0,06)15 1 i ⋅ (1 + i ) n = = 0,1030 n 15 a (1 + i ) − 1 (1 + 0,06) − 1 - 74 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung der Konzepte

Bei einem Preis des Kompressors von K0 = 106.883 € ergeben sich Anlagekosten von: KA =K 0 ⋅ a = 106.883€ ⋅ 0,1030

1 € = 11.004,97 a a

Beim Mix - Konzept ergeben sich Wartungskosten für den Absorber in Höhe von: € K 0 ⋅ p 106.883€ ⋅ 5% KW = = = 5.344,15 100% 100% ⋅ a a

Die Volllaststunden für den Absorber werden mit 2000 h/a angegeben, da dieser zu 100 Prozent im Betrieb ist:

WKälteAbsorber kWh h 1 = 660.000 ⋅ = 2.000 PKälteAbsorber a 330,00kW a Bei diesem Konzept ergeben sich Betriebskosten für elektrischen Strom von: TmKonzept 5 Absorber =

€ € h KStrom = Pelekt ⋅ TmKonzept 5 Absorber ⋅ APStrom = 3,6kW ⋅ 2.000 ⋅ 0,08006 = 576,43 a kWh a

Hinzu kommen die Betriebskosten für die notwendige Wärmerzeugung aus dem BHKW von: € € h KWärme = PthermBHKW ⋅ TmKonzept 5 ⋅ APthermBHKW = 490kW ⋅ 2000 ⋅ 0,02066 = 20.246,80 a kWh a

Für den Absorber ergeben sich Gesamtkosten in Höhe von: KAbsober = KA + KW + KStrom + KWärme KAbsorber = 11.004,97

€ € € € + 5.344,15 + 576,43 + 20.246,8 a a a a

KAbsorber = 37.172,35

€ a

- 75 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Vorstellung der Konzepte

Als Gesamtkosten des Mix-Konzeptes ergeben sich: KMix = KKompressor + KAbsorber = 21.678,92

€ € € + 37.172,35 = 58.851,34 a a a

Berechnung des Arbeitspreises Kälte des Mix-Konzeptes:

KMix = APKälte = WKälte

€ a = 0,0453 € kWh kWh 1.298.000 a 58.851,43

- 76 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Zusammenfassung der Konzepte

9.6. Zusammenfassung der Konzepte In der folgenden Abbildung Nr. 47 werden alle Konzepte noch mal aufgeführt, um die Ergebnisse auf einen Blick miteinander vergleichen zu können. Die darauf folgende Abbildung Nr. 48 zeigt die einzelnen Kostenfunktionen. Es werden die Gesamtkosten eines Jahres in Abhängigkeit der Betriebsdauer der Anlage dargestellt. Konzept 1 Kolbenkompressor Gfkk 0,1359

Konzept 2 Schraubkompressor Gfkk 0,1359

Konzept 3 Kolbenkompressor YORK 0,1359

Konzept 4 Absorber YORK 0,1030

Anlagekosten [€/a]

9.853,14

10.744,44

10.762,92

15.227,88

6.789,73

11.004,97

Wartungskosten [€/a] Betriebskosten Strom [€/a]

3.626,00

3.954,00

3.960,80

7.394,85

2.498,65

5.344,15

25.145,47

21.475,62

24.220,50

880,66

12.390,54

576,432

Annuitätsfaktor [1/a]

Betriebskosten Wärme BHKW [€/a]

20.246,80

Betriebskosten Fernwärme [€/a] Gesamtkosten [€/a] Arbeitspreis Kälte [€/kWh]

39.505,20 38.624,61 0,02976

36.174,06 0,02787

38.944,22 0,03000

Abb.47: Konzeptvergleich

- 77 -

83.255,39 0,06414

Konzept 5 Kompressor Absorber YORK YORK 0,1359 0,1030

20.246,80

21.678,92

37.172,35 0,04534

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Zusammenfassung der Konzepte

Kostenfunktion 90000 80000 70000

Kosten [€]

60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Betriebsstunden [h] Konzept 1 Kolben - Kompressor Gfkk Konzept 3 Kolbenkompressor YORK

Konzept 2 Schraub - Kompressor Gfkk Konzept 4 Absorber YORK

Konzept 5 Mix Kompressor - Absorber Abb.48: Kostenverlauf

- 78 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Bewertung der Konzepte

10. Bewertung der verschiedenen Konzepte Die konventionellen Verdichtertechniken zeichnen sich durch ihre relativ geringen Anschaffungskosten aus. Ein mechanischer Verdichter kostet rund die Hälfte eines thermischen Verdichters. Auch wenn die Lebensdauer eines thermischen Verdichters um ein drittel höher ist, kann der daraus resultierende geringere Annuitätsfaktors diese Anlagekosten nicht kompensieren. Dies setzt sich auch bei den Wartungskosten fort. Da diese pauschal mit 5% der Anschaffungskosten angenommen wurden, sind die Wartungskosten der mechanischen Verdichteranlagen um rund die Hälfte günstiger. Bei den Betriebskosten muss man hingegen differenzieren. Die Stromkosten der Kompressor- und Schraubenverdichter sind wesentlich höher, da die Nutzenergie bei diesem Verfahren direkt aus dem elektrischen Strom gewonnen wird. Hier ist die Absorbertechnik klar im Vorteil. Sie Verbraucht nur einen Bruchteil des Stromes der mechanischen Verdichter. Jedoch benötigen die Absorber eine weitere Energiequelle, nämlich die Heizwärme. Wärme kann relativ günstig erzeugt werden. Aber, bedingt durch den schlechten Wirkungsgrad der Absorber, muss sehr viel mehr Wärme eingesetzt werden um die gleiche Kältemenge zu erzeugen. Besonders im vierten Konzept, welches einen einzigen Absorber beinhaltet, brauchen die Wärmekosten jeden finanziellen Vorteil wieder auf. Aber auch im fünften Konzept, wo nur ein kleiner Absorber eingesetzt werden soll, betragen allein die Wärmekosten so viel, wie fast die gesamten Betriebskosten eines der ersten drei konventionellen Konzepte. Diese hohen Betriebskosten für Wärme lassen sich dadurch erklären, dass der Wärmebedarf der Anlage enorm hoch ist. Wärme kostet mit rund 2 Cent pro kWh zwar nur ein viertel so viel wie Strom, aber es muss ein Vielfaches mehr Wärme eingesetzt werden, um die gleiche Nutzenergiemenge zu erhalten. Die Kompressoren haben eine Leistungszahl von ca. 4. Das heißt es muss, um 1 kWh Kälte zu erzeugen, 0,25 kWh Strom eingesetzt werden. Die Absorber haben bei einer Temperatur von 80°C eine Leistungszahl von ca. 0,7. Hier benötigt man für die gleiche Kältemenge, 1,4 kWh Wärme. Gegen eine solch hohe Differenz der Leistungszahlen kann die günstigere Heizenergie nicht konkurrieren. Nur bei einer wesentlichen Anhebung der Heiztemperatur auf 160°C steigt die Leistungszahl so weit an, dass ein Absorber günstiger würde als ein Kompressor. Dagegen sprechen aber die technischen Eigenschaften des vorhandenen BHKW´s, dass solch hohe Temperaturen nicht bereitstellen kann.

- 79 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Auswahl eines Konzeptes

11. Auswahl eines Konzeptes zu Kälteversorgung Durch die technischen, örtlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen ist der Einsatz einer thermischen Verdichteranlage mit der vorhandenen Technik wirtschaftlich nicht möglich. Zwar würde eine Absorptionskältemaschine mit der vorhandenen Abwärme des BHKW´s von 80°C funktionieren, diese würde aber auf keinen Fall wirtschaftlich arbeiten. Selbst beim Mix-Konzept ist der Arbeitspreis gegenüber den anderen Techniken einfach zu hoch. Somit kommt die Absorbertechnik für die zukünftige Kälteversorgung nicht in Frage. Auch aus ökologischer Sicht macht der Einsatz eines thermischen Verdichters keinen Sinn. Denn für einen Absorber muss fast 6 mal soviel Endenergie eingesetzt werden um die gleiche Menge Nutzenergie zu erhalten. Da Strom mit dem vorhandenen BHKW zu einem Wirkungsgrad von knapp 30% erzeugt wird, fällt auch die CO2 Bilanz zugunsten der mechanischen Verdichter aus. Die mechanischen Verdichtertypen haben sich aufgrund ihres geringeren Arbeitspreises durchgesetzt. Anhand der in Kapitel 10 aufgezählten Gründe, des errechneten Arbeitspreises für die Kälte und des Kostenverlaufes in Abbildung Nr. 48 wird das Konzept 2 favorisiert. Es sieht zwei, mit elektrischem Strom betriebene, Schraubenverdichteraggregate vor. Insgesamt ist hier der Arbeitspreis für jede erzeugte kWh Kälte am günstigsten. Dadurch ist ein wirtschaftlicher Betrieb gegenüber den anderen Anlagen garantiert. Die erzeugte Wärme des BHKW´s wird hierbei nicht berührt und kann weiterhin zu Heizzwecken im Klinikum verwand werden. Somit wird ein Mehreinkauf von Fernwärme vermieden, was zur weiteren Kostenreduzierung beiträgt. Bei der vorgeschlagenen Schraubenverdichteranlage sind die Anlagekosten um etwa 1.000 € höher als bei der Hubkolbenkompressionsanlage. Dennoch geben die um ca. 4.000 € günstigeren Betriebskosten hier den Ausschlag für die Schraubenverdichter. Die Baugröße der zwei Schraubkompressoren ist größer als die der Hubkolbenkompressoren. Dies stellt jedoch kein Problem dar, da im Technikkeller des KLD nach dem Ausbau der vorhandenen Kompressoren ausreichend Platz vorhanden ist.

- 80 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Zusammenfassung

12. Zusammenfassung Zusammenfassend kann man sagen, dass trotz der relativ guten Ausgangssituation der wirtschaftliche Betrieb einer Absorptionskältemaschine schwer erreichbar ist. Ein ökonomisch und ökologisch sinnvoller Betrieb ist nur mit einem mechanischen Schraubenverdichter möglich. In dem hier untersuchten Fall liegt der ganzjährige Betrieb eines BHKW´s im Volllastbereich vor. Die Kälte wird zu großen Teilen im Sommer verwandt. Trotz dieser Vorraussetzungen kann ein ökonomisch sinnvoller Betrieb nicht garantiert werden. Denn im speziellen Fall des Klinikums Lippe-Detmold liegt das Problem nicht an unerreichten Volllaststunden. Hier sind die speziellen technischen Gegebenheiten der Grund. Das vorhandene BHKW gibt eine Heißwassertemperatur von max. 80°C ab. Mit dieser Temperatur kann jedoch eine Absorptionskältemaschine nicht im Nennbetrieb arbeiten. Entweder braucht eine solche Maschine eine höhere Temperatur oder, wenn das technisch nicht möglich ist, muss die Absorberfläche vergrößert werden. Eine größere Absorberfläche bedeutet, es muss eine größere Maschine eingesetzt werden, welches wiederum mit höheren Anlagekosten und mehr Platzbedarf verbunden ist. Darüber hinaus würden die Investitionskosten einer solchen Anlage überproportional steigen. Trotz einer größeren Maschine erreicht man damit nur eine Leistungszahl von 0,7. Dadurch ist ein wirtschaftlicher Betrieb dieser Konzeptform nicht möglich. Ein wirtschaftlich sinnvoller Betrieb ist hier nur mit einem strombetriebenen Kompressor möglich der unabhängig von den technischen Randbedingungen eines BHKW´s agieren kann. Wenn dann noch auf eine effiziente Technologie, wie die eines Schraubverdichters, gesetzt wird, ist der Betrieb auch ökologisch sinnvoll. Denn mit dieser Art der Kältebereitstellung wird in unserem Fall bis zu 80% der Endenergie eingespart, wie der Vergleich der Energieaufnahmen35 im Konzept 2 und Konzept 4 zeigt.

35

Quelle: Vergleich Abb 43: Tabelle Konzept 2 / Leistungsaufnahme Elektr. und Abb 45: Tabelle Konzept 4 / Heizleistung

- 81 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Quellen und Literatur

13. Quellen und Literatur Patientenbroschüre des Klinikum Lippe - Detmold (KLD), Allgemeines zum Krankenhaus, aktuelle Ausgabe Jahr 2003 Absprachen, Technische Abteilung des KLD´s Erläuterungsbericht M21, Raumtechnische Anlagen, Kälteversorgung, Kälteerzeugung, Technische Abteilung des KLD´s, Jahr 2003 Übersichtsplan Kältemaschinen Carrier (Kompressionsmaschinen alt), Kaltwasserkreislauf - Klimaanlagen Haus 1 (Neu), Technische Abteilung des KLD´s, Jahr 2001 Informationsmaterial Energiebedarf (Strom, Gas, Wärme, Kälte), Kosten der Energieerzeugung, Technische Abteilung des KLD´s, Jahr 2003 Kältetechnik, Kamprath – Reihe, Paul Berliner, Vogel-Verlag, 1992 Pohlmann Taschenbuch der Kältetechnik, 16. Auflage 1976, Maake-Eckert, Verlag C.F.Müller Karlsruhe Informationsbroschüre Wärme macht Kälte, Kraft-Wärme-Kopplung mit Absorptionskältemaschinen, Gesellschaft für Versorgungstechnik mbH (GfV) Detmold, Jahr 2003 Informationsbroschüre BHKW in Krankenhäusern, Gesellschaft für Versorgungstechnik mbH (GfV) Detmold, Jahr 2003 Informationsbroschüre Blockheizkraftwerke, Allgemeines, Einsatz und Technik, Carsten Bartels, Klinikum Lippe – Detmold, Jahr 2004 Informationsbroschüre Energie im Krankenhaus, Ein Leitfaden für Kostensenkung und Umweltschutz durch rationelle Energieverwendung, Energieagentur NRW, Jahr 2004, www.ea-nrw.de Informationsbroschüre Kraft – Wärme – Kälte – Kopplung, Kälteversorgung mit KWKK, BINE – Informationsdienst, Fachinformationszentrum Karlsruhe, Jahr 2003 Informationsbroschüre Kältetechnik, Heißwasserbetriebene Sorptionsanlagen zur Klimakälteerzeugung, HLK Heizung Lüftung Klimatechnik Jahr 2002 Bericht, Fernwärme Forschungsinstitut Hannover, Strategien der Kältebereitstellung unter okölogischen und ökonomischen Kriterien, Jahr 2000 Ruhr-Universität Bochum, Leistungsuntersuchungen an einem Schraubenverdichter Jahr 1999 Informationsmaterial Absorptionskältemaschinen, Firma York international, www.york-international.de Grundlagen der Thermodynamik und Kältetechnik, Klima-Plan, www.klima-plan.de - 82 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Quellen und Literatur

Grundlagen der Kälte- und Klimatechnik, Webasto Klima-Kälte, www.webasto.de Zeichnungen und Abbildungen, Bock-Kompressoren, www.bock.de Zeichnungen und Abbildungen, Bitzer-Kühmaschinenbau, www.bitzer.de Grundlagen der BHKW Kraft – Wärme – Kältekopplung, www.bhkw-infozentrum.de Vorlesungsunterlagen, Energiemanagement, Energielieferung, Jahr 2004 Vorlesungsunterlagen, Finanzierung und Investition, Investitionsrechnung, Jahr 2004 Vorlesungsunterlagen, Energiewirtschaft, EER Version 9/2002 Brockhaus Enzyklopädie, 24 Bände, 19. Auflage 1998 Fremdwörterbuch „Duden“, 2. Auflage 1983, Dudenverlag Mannheim, Wien, Zürich Bundesministerium der Finanzen, AfA Tabellen, www.bundesministerium.de Wirtschaftlichkeitsrechnung für Ingenieure, 3. Auflage 1985, Warnecke, Bullinger, Hichert, Voegele, Hanser Verlag Firmenunterlagen, Gesellschaft für Kältetechnik und Klimatechnik mbH (GfKK), Technische Unterlagen Kolben- und Schraubenverdichter, Jahr 2004 Firmenunterlagen, York International, Technische Datenblätter Kompressoren und Absorber, Jahr 2004 Formeln und Einheiten, Taschenbuch der Physik, 17 Auflage 2001, Horst Kuchling, Verlag Leibzig

- 83 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

14. Technische Daten36 14.1. Kolbenkompressoren der Baureihe FRIGO.W.NRM Das erste Konzept beinhaltet die Kolbenkompressoren der Baureihe FRIGO.W.NRM. Diese Baureihe ist für den Einsatz in gewerblichen und industriellen Anlagen entwickelt und hergestellt worden. Die Modelle FRIGO.W.NRM 550.S.2 und FRIGO.W.NRM.F.2.G4 sind Flüssigkeitskühler mit eingebauten wassergekühlten Verflüssigern. Hauptmerkmale

•

Die besonderen Konstruktionsmerkmale bieten eine einfache Installation und Wartung, leichte Inspektion und schnelles Austauschen von Teilen.

•

Die Geräte enthalten das MP 99 Mikroprozessor-Regelsystem zur Steuerung und Überwachung sämtlicher Funktionen sowie die Möglichkeit zur Kommunikation mit Fernüberwachungssystemen.

•

Die Maschinen werden im Werk komplett zusammengebaut, mit Kältemittel gefüllt und mit der kompletten Regelung ausgestattet.

•

Die Geräte dieser Baureihe sind bauseits lediglich wasser- und elektroseitig anzuschließen.

•

Die Geräte sind gemäß ISO 9001 entwickelt, hergestellt und geprüft worden, um dem hohen Qualitätsstandard zu entsprechen.

•

Jedes Bauteil ist gemäß den wichtigsten europäischen Sicherheitsvorschriften ausgewählt worden.

•

Jedes Gerät durchläuft eine Reihe von Werks-Prüfungen zur Sicherstellung des Qualitäts- und Leistungsstandards.

•

Die Geräte entsprechen den EU 98/37, EU89/336, EU73/23, EU 97/23 Vorschriften und weiteren Neubearbeitungen.

36

Quellen: Firme GfKK: Datenblätter und technische Zeichnungen Verdichter der Baureihe FRIGO, Firma YORK: Datenblätter und technische Zeichnungen Verdichter der Baureihe LCHHM-WL, YIA

- 84 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

Hauptbauteile Die Baureihe FRIGO.W.NRM besteht aus folgenden Hauptbauteilen.

•

Grundrahmen aus stabiler, feuerverzinkter Stahlrohrkonstruktion beim 550.S.2 Feuerverzinkter Stahlblechprofil mit Epoxydharzlakierung beim 332.F.2.G4

•

Halbhermetischem Kolbenverdichter mit eingebautem Wicklungsschutz und elektrischer Kurbelwannenheizung.

•

Druckseitiges Absperrventil am Verdichter.

•

Gummischwingungsdämpfer für Verdichter.

•

Rohrbündelverdampfer mit je einem Kältekreislauf pro Verdichter, Stahlmantel mit ausziehbarem Kupferrohr sowie mit dampfdiffusionsdichtem Schaumstoff isoliert.

•

Wärmetauscher mit wasserseitigen Flansch-Anschlüssen werden mit Gegenflanschen geliefert.

•

Wärmetauscher mit wasserseitigen Victaulic-Anschlüssen werden mit Lötstutzen zum Anschluss an das Wassernetz geliefert.

•

Wassergekühlte Verflüssiger für Stadt-, ‚Brunnen- oder Kühlturmwasser sind in Rohrbündelbauart und mit Sicherheitsventil versehen.

Bauteile je Kältemittelkreislauf:

•

Thermostatisches Expansionsventil am äußeren Druckausgleich.

•

Flüssigkeitsschauglas mit Feuchtigkeitsanzeige.

•

Magnetventil in der Flüssigkeitsleitung.

•

Filtertrockner

•

Serviceventil in der Flüssigkeitsleitung und am Verdampfer.

•

Saugleitung aus Kupferrohr.

•

Flüssigkeitsleitung aus Kupferrohr.

•

Pumpdownsystem zur Abschaltung des Gerätes.

•

Betriebsfüllkältemittel sowie Kältemittelöl.

•

Flexible Leitungen zum Anschluss an den Druckschalter. - 85 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

•

Hochdruckschalter.

•

Drucktransmitter zur Überwachung, Regelung und Begrenzung von Hoch-, Nieder- und Öldruck.

•

Temperatursensoren am Wasserein- und Wasseraustritt des Verdampfers.

•

MP 99 Mikroprozessor-Regelsystem.

IP 42 Schalttafel ausgerüstet mit:

•

Hauptschalter mit Türverriegelung

•

Schaltschütze für jede einzelne Last

•

Magnetothermische Schalter für jede einzelne Last (Sicherungen bei Nennlast über 65A)

•

Steuerstrom und Mikroprozessoreinspeisung mittels Trafo

•

Teilwindungsanlauf

•

Netzspannung 400 V / 50 Hz

- 86 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

Technische Daten des Kolbenkompressors FRIGO.W.NRM 550.S.2

Abb.49: Technische Daten FRIGO.W.NRM 550.S.2, Quelle: Firma GfKK

- 87 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

Technische Zeichnung des Kolbenkompressors FRIGO.W.NRM 550.S.2

Abb.50: Technische Zeichnung FRIGO.W.NRM 550.S.2, Quelle: Firma GfKK

- 88 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

Technische Daten des Kolbenkompressors FRIGO.W.NRM 332.F.2.G4

Abb.51: Technische Daten FRIGO.W.NRM 332.F.2.G4, Quelle: Firma GfKK

- 89 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

Technische Zeichnung des Kolbenkompressors FRIGO.W.NRM 332.F.2.G4

Abb.52: Technische Zeichnung FRIGO.W.NRM 332.F.2.G4, Quelle: Firma GfKK

- 90 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

14.2. Schraubenkompressor der Baureihe FRIGO.SCREW.W.NRM Das zweite Konzept besteht aus zwei Schraubenverdichtern der Baureihe FRIGO.SCREW.W.NRM. Diese Baureihe ist für den Einsatz in gewerblichen und industriellen Anlagen entwickelt und hergestellt worden. Die Modelle FRIGO.SCREW.W.NRM 580.V.2 und FRIGO.SCREW.W.NRM 260.V.2 sind Flüssigkeitskühler mit eingebauten wassergekühlten Verflüssigern. Hauptmerkmale

•

Die besonderen Konstruktionsmerkmale bieten eine einfache Installation und Wartung, leichte Inspektion und schnelles Austauschen von Teilen.

•

Die Geräte enthalten das MP 99 Mikroprozessor-Regelsystem zur Steuerung und Überwachung sämtlicher Funktionen sowie die Möglichkeit zur Kommunikation mit Fernüberwachungssystemen.

•

Die Maschinen werden im Werk komplett zusammengebaut, mit Kältemittel gefüllt und mit der kompletten Regelung ausgestattet.

•

Die Geräte dieser Baureihe sind bauseits lediglich wasser- und elektroseitig anzuschließen.

•

Die Geräte sind gemäß ISO 9001 entwickelt, hergestellt und geprüft worden, um dem hohen Qualitätsstandard zu entsprechen.

•

Jedes Bauteil ist gemäß den wichtigsten europäischen Sicherheitsvorschriften ausgewählt worden.

•

Jedes Gerät durchläuft eine Reihe von Werks-Prüfungen zur Sicherstellung des Qualitäts- und Leistungsstandards.

•

Die Geräte entsprechen den EU 98/37, EU89/336, EU73/23, EU 97/23 Vorschriften und weiteren Neubearbeitungen.

- 91 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

Hauptbauteile Die Baureihe FRIGO.SCREW.W.NRM besteht aus folgenden Hauptbauteilen.

•

Grundrahmen aus feuerverzinktem Stahlblechprofil und mit Epoxydharzlakierung.

•

Interner Rahmen aus feuerverzinktem Profistahl

•

Halbhermetischem Schraubenverdichter mit eingebautem Wicklungsschutz und elektrischer Kurbelwannenheizung.

•

Thermostat auf der Druckseite zur Regelung des Ölkühlsystems.

•

Ölabscheider auf der Druckseite

•

Ölspiegelüberwachung

•

Gummischwingungsdämpfer für Verdichter.

•

Rohrbündelverdampfer mit je einem Kältekreislauf pro Verdichter, Stahlmantel mit ausziehbarem Kupferrohr sowie mit dampfdiffusionsdichtem Schaumstoff isoliert.

•

Wärmetauscher mit wasserseitigen Gegenflanschen geliefert.

•

Wärmetauscher mit wasserseitigen Victaulic-Anschlüssen werden mit Lötstutzen zum Anschluss an das Wassernetz geliefert.

•

Wassergekühlte Verflüssiger für Stadt-, Brunnen- oder Kühlturmwasser sind in Rohrbündelbauart und mit Sicherheitsventil versehen.

- 92 -

Flansch-Anschlüssen

werden

mit

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

Bauteile je Kältemittelkreislauf:

•

Thermostatisches Expansionsventil am äußeren Druckausgleich.

•

Flüssigkeitsschauglas mit Feuchtigkeitsanzeige.

•

Magnetventil in der Flüssigkeitsleitung.

•

Filtertrockner

•

Serviceventil in der Flüssigkeitsleitung und am Verdampfer.

•

Saugleitung aus Kupferrohr.

•

Flüssigkeitsleitung aus Kupferrohr.

•

Pumpdownsystem zur Abschaltung des Gerätes.

•

Betriebsfüllkältemittel sowie Kältemittelöl.

•

Flexible Leitungen zum Anschluss an den Druckschalter.

•

Hochdruckschalter.

•

Drucktransmitter zur Überwachung, Regelung und Begrenzung von Hoch-, Nieder- und Öldruck.

•

Temperatursensoren am Wasserein- und Wasseraustritt des Verdampfers.

•

MP 99 Mikroprozessor-Regelsystem.

IP 42 Schalttafel ausgerüstet mit:

•

Hauptschalter mit Türverriegelung

•

Schaltschütze für jede einzelne Last

•

Magnetothermische Schalter für jede einzelne Last (Sicherungen bei Nennlast über 65A)

•

Steuerstrom und Mikroprozessoreinspeisung mittels Trafo

•

Teilwindungsanlauf

•

Netzspannung 400 V / 50 Hz

- 93 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

Technische Daten des Schraubenverdichters FRIGO.SCREW.W.NRM 580.V.2

Abb.53: Technische Daten FRIGO.SCREW.W.NRM 580.V.2, Quelle: Firma GfKK

- 94 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

Technische Daten des Schraubenverdichters FRIGO.SCREW.W.NRM 260.V.2

Abb.54: Technische Daten FRIGO.SCREW.W.NRM 260.V.2, Quelle: Firma GfKK

- 95 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

14.3. Kolbenverdichter der Baureihe LCHHM-WL Kältemittelkreislauf Flüssiges Niederdruck(ND)-Kältemittel tritt in den Verdampfer ein und wird mit Hilfe der Energie des im Verdampfermantelraum fließenden Kaltwassers verdampft und überhitzt. Der ND-Dampf wird in den Verdichter gesaugt, in welchem sich Druck und Überhitzung erhöhen. Wärme wird über den wassergekühlten Verflüssiger abgeführt. Das vollständig verflüssigte und unterkühlte Kältemittel tritt dann durch das Expansionsventil, wird entspannt und dabei weiter unterkühlt, bevor es in den Verdampfer zurückkehrt.

Abb.55: Kältemittelkreislauf LCHHM – WL / Quelle: Firma York

- 96 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

Baugröße des LCHM 100 WL

Abb.56: Baugröße LCHM 100 WL, Quelle: Firma York

A B 2640 875 X 6"

C D 1785 375

E 32

F 200

G 605

G1 710

H 890

J 470

K 300

L1 300

L2 300

Y 4"

Die Maße A bis L2 sind in mm angegeben. Die Maße X und Y geben die lichte Weite der Anschlussrohre in Zoll an.

- 97 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

Baugröße des LCHM 170 WL

Abb.57: Baugröße LCHM 170 WL, Quelle: Firma York

A

B

C

2905 1240 825

D

E1

F

J

815

1525 1380 120

K

L

M

1380 1950 260

N

P

R

230

8"

4"

Die Maße A bis N sind in mm angegeben. Die Maße P und R geben die lichte Weite der Anschlussrohre in Zoll an. Des Weiteren soll der Arbeitsfreiraum um die gesamte Maschine, laut Hersteller, 1m betragen.

- 98 -

Studienarbeit KWKK Klinikum Lippe - Detmold

Technische Daten

14.4. Absorptionskältemaschinen der Baureihe YIA Baugröße des YIA 2B1 und 5C3

Abb.58: Baugröße YIA 2B1 und 5C3, Quelle: Firma York Modell

2B1 5C3

Nennkälteleistung kW 830 1570

Pumpenleistung ges kW Welle 3,6 5,5

A mm 4940 6770

Abmessungen B C mm mm 1580 2640 1770 302

Betriebsgewicht

Störgewicht

kg 7900 13620

kg 11730 21080

Abb.59: Baugröße YIA 2B1 und 5C3

Die Werte für die Nennkälteleistung werden nur erreicht wenn Heißwasser mit 115/109°C zu Verfügung steht. In unserem Betriebsfall sind wesentlich geringere Leistungen zu erwarten. Das Störgewicht ist das Maximalgewicht, das sich ergibt, wenn bei einem durch externe Gründe verursachten Bruch eines Wärmetauscherrohres der Inhalt eines angeschlossenen Wasserkreislaufes die Anlage vollständig füllt.

- 99 -