Mithilfe einer Großwärmepumpe kann Produktionsabwärme für die Gebäudeheizung nutzbar gemacht werden.
Eine Großwärmepumpe macht bei der SFS Group Schweiz AG Abwärme aus Produktionsprozessen für die Gebäudeheizung auf dem Firmenareal in Heerbrugg nutzbar. Mit der Bereitstellung von Heizwassertemperaturen von bis zu +75 °C ersetzt die Wärmepumpe einen fossilen Heizkessel. Kernstück der Wärmepumpe ist ein Kompaktschraubenverdichter der CSV-Serie von Bitzer. Die Gesamtplanung und Ausführung des Anlagenkonzepts samt MSR-Technik lag in Händen der Scheco AG.
Die SFS Group ist Anbieter für applikationskritische Präzisionskomponenten und Baugruppen, mechanische Befestigungssysteme, Qualitätswerkzeuge und Bewirtschaftungslösungen. Für die Kühlung von Produktionsprozessen verwendet das Unternehmen an seinem Standort in Heerbrugg Grundwasser aus einer firmeninternen Grundwasserfassung. Das Kühlwasser wird anschließend in einem Wasserbecken mit einem Fassungsvermögen von 80 m3 aufgefangen, bevor es in einen nahegelegenen Fluss zurückgeleitet wird.
Um die Energie der industriellen Abwärme nicht ungenutzt zu lassen und die Gesamtenergieeffizienz zu erhöhen, sollte eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe eingesetzt und in das bestehende Heizsystem für die Gebäudeheizung integriert werden. Denn die SFS Group will Schritt für Schritt den Anteil erneuerbarer Energien im Unternehmen erhöhen, um ihre CO2-Emissionen zu reduzieren. Für das Projekt wurde ein Partner für die vollständige Planung und Ausführung der Wärmepumpenanlage gesucht.
Individuelles Anlagenkonzept
Für die technisch-ökonomische Realisierung der Wärmepumpe unter Berücksichtigung der spezifischen Kundenanforderungen kam es auf ein maßgeschneidertes Anlagenkonzept an, um Synergien bestmöglich zu nutzen. Das Herzstück der Anlage ist ein effizienter Kompaktschraubenverdichter der CSV-Serie von Bitzer.
Gefordert wurde, die neue Wärmepumpe in das bestehende Heizsystem zu integrieren und dabei eine klare Priorisierung der Energiequellen zu berücksichtigen. Bisher wurden die Gebäude auf dem Areal von vier Gas-/Ölheizkesseln sowie durch die Wärmerückgewinnung aus der Abwärme der Drucklufterzeugung mit der benötigten Heizwärme versorgt.
Für die Gebäudeheizung wird nun in einem ersten Schritt die aus der Druckluft erzeugte Wärme vollständig genutzt, bevor die Wärmepumpe bedarfsgesteuert zum Einsatz kommt. Erst bei einem hohen Bedarf wird die fossile Wärmeerzeugung dazugeschaltet. Diese Priorisierung gestattet die bestmögliche Ausnutzung der vorhandenen Energiequellen auf dem Betriebsareal.
Wegen der strengen Sicherheitsanforderungen war ein spezielles Konzept für die Wärmepumpe notwendig.
Umweltfreundliche Alternative zur fossilen Wärmeerzeugung
Das Auffangbecken für das Kühlwasser aus der Produktion, das als Energiequelle für die Wärmepumpe dient, befindet sich im Untergeschoss eines anderen Gebäudes als die Heizzentrale, in der die Wärmepumpe aufgestellt ist. Entscheidend für die Auslegung der Wärmepumpe war die exakte Analyse der Quelle (Produktionskühlwasser) unter Beachtung der variierenden Volumenströme auf der Primärseite. Diese resultieren von unterschiedlichen Produktionsmaschinen, die sich gerade im Einsatz befinden und Kühlwasser benötigen.
Im Sommer 2023 wurde das Auffangbecken für die Integration in den Wärmequellenkreislauf mit einem Schichtblech, einer Umwälzpumpe und Temperaturfühlern ausgestattet. Es wurde zudem hydraulisch über zwei Plattenwärmeübertrager in den Zwischenkreislauf integriert.
Für die Anbindung zur Heizzentrale konnte auf eine bestehende Fernleitung zurückgegriffen werden, die bereits mit der Errichtung des Gebäudes, in dem sich das Wasserbecken befindet, vorbereitend für zukünftige Projekte unter der Straße verlegt wurde. Das Wasser des Zwischenkreislaufs gelangt so in den Plattenverdampfer der Wärmepumpe, der dem Wasser Wärme entzieht und auf das Kältemittel überträgt.
Kriterien für die Verdichterauswahl
Für die Auswahl der Anlagenkomponenten der Wärmepumpe war entscheidend, dass dieses Projekt sowohl eine variable Quelle als auch unterschiedliche Betriebsarten auf Seiten der Wärmesenke erforderte. Daher musste sichergestellt werden, dass die Wärmepumpe auch unter stark wechselnden Betriebsbedingungen zuverlässig die benötigte Heizleistung liefert.
Das Herzstück der Anlage ist dabei der Verdichter. Bei der Modulation hatte sich ergeben, dass der Einsatzbereich und die Regulierung des Verdichters variabel gestaltet werden müssen. Daher fiel die Wahl auf einen Kompaktschraubenverdichter der CSV-Serie von Bitzer, der durch einen weiten Leistungsmodulationsbereich gekennzeichnet ist.
Der sauggasgekühlte Einbaumotor sowie der integrierte, kältemittelgekühlte Frequenzumrichter sind aufeinander abgestimmt und vereinen Effizienz mit Kompaktheit. Zudem hat der Verdichter ein schnelllaufendes Schraubenprofil, das mithilfe von Strömungssimulationen entwickelt wurde und Drehzahlen bis zu 6400 min-1 erlaubt.
Die kontinuierliche Kältemittelkühlung der Leistungselektronik des integrierten Frequenzumrichters sichert einen zuverlässigen Betrieb der Anlage. Zudem beinhaltet die CSV-Schraubenverdichterserie eine automatische Vi-Anpassung an die herrschenden Systembedingungen wie die gegebenen Druckverhältnisse im jeweiligen Betriebspunkt, wodurch der Verdichter jederzeit im optimalen und damit effizienten Bereich betrieben wird.
Dem Auftraggeber war es wichtig, Synergien bestmöglich zu nutzen.
Sicherheitskonzept für die Wärmepumpe
Angesichts des Aufstellungsortes und der strengen sicherheitstechnischen Anforderungen entschied man, die Anwendung mit einem A2L-Niedrig-GWP-Kältemittel zu betreiben. Um den Vorgaben gerecht zu werden, entwickelte Scheco ein kundenspezifisches Sicherheitskonzept für die Wärmepumpe. Dabei befinden sich alle kältemittelführenden Anlagenteile in einem speziell abgetrennten Raum innerhalb des Maschinenraums. Dieser Raum ist mit Schutzeinrichtungen wie einer Gaswarnanlage und einer Lüftung ausgestattet.
Die Steuerung der Wärmepumpe erfolgt über den Sicherheitsschaltschrank außerhalb dieses Raumes, der im Falle einer Kältemittelundichtigkeit die Lüftung in Betrieb setzt und alle Komponenten der Wärmepumpe von der Spannungsversorgung trennt.
Diese baulichen Gegebenheiten erforderten kompakte Anlagendimensionen, was der CSV-Verdichter wegen seines integrierten Frequenzumrichters sowie des sauggasgekühlten Motors ermöglicht. Um für Auswertungen und Optimierungen jederzeit auf detaillierte Betriebsdaten des Verdichters zugreifen zu können, ist dieser außerdem über ein Gateway im Schaltschrank an das Bitzer Digital Network (BDN) angeschlossen. Der Zugriff ist für Scheco jederzeit über die Online-Plattform myBITZER möglich.
Plus für Umwelt und Wirtschaftlichkeitsrechnung
Die neue Wärmepumpe bei der SFS Group liefert eine Heizleistung von bis zu 930 kW und kann Heizwassertemperaturen bis +75 °C für die Beheizung der Gebäude auf dem Areal zur Verfügung stellen. Diese Leistung ermöglicht es, einen fossilen Öl-/Gas-Kombinationsheizkessel vollständig durch die Wärmepumpe zu ersetzen. Mit einem effizienten COP-Wert ist das klimafreundliche System eine wirtschaftlich attraktive Alternative. Zudem konnte die SFS Group für die Investition in die Anlage eine Förderung des Schweizer Bundesamts für Energie in Anspruch nehmen.
Alle kältemittelführenden Anlagenteile befinden sich in einem speziell abgetrennten Raum innerhalb der Heizzentrale, um den hohen Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden.
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