Die ZWP Ingenieur-AG (vormals Zibell, Willner & Partner GmbH) ist eine deutschlandweit tätige Ingenieurgesellschaft für technische Gebäudeausrüstung und Facility Management und beschäftigt derzeit rund 200 Mitarbeiter. Im Zuge der Erweiterung der eigenen Firmenzentrale in Köln setzte das Unternehmen eine Referenzanlage um, anhand derer die Kunden aus erster Hand erleben können, welche Ersparnisse sich in Hinsicht auf die CO2-Bilanz und Lebenszykluskosten eines Bauwerks mit einer modernen, umweltgerechten Gebäudetechnik erzielen lassen.
Der Anbau weiterer Büroflächen im Erdgeschoss war notwendig geworden, weil die Nutzfläche des viergeschossigen Gebäudes von rund 3000 m2 nicht mehr ausreichte. Um den mit den Jahren gewachsenen Flächenbedarf zu decken, wurde deshalb das Erdgeschoss um ein rund 700 m2 großes Großraumbüro erweitert. Das Gebäude aus den 50er-Jahren wird größtenteils vermietet, während die übrigen Flächen von der Ingenieurgesellschaft selbst als Büroräume genutzt werden.
Energieeffizient heizen und kühlen
Ausgehend von dem Wunsch, den neuen Bürotrakt im Sommer auch zu kühlen, wurde im Zuge der Erweiterung intensiv über eine Modernisierung der Anlagentechnik nachgedacht. Es ging dabei darum, eine eigene Referenzanlage zu erstellen, um potenziellen Kunden die Funktionsweise einer effizienten Gebäudeklimatisierung vor Ort anschaulich demonstrieren zu können, so Dipl.-Ing. Hans-Georg Gontermann, Geschäftsführer der ausführenden Firma Fries & Hüttermann GmbH. Die Herausforderung bestand also darin, eine anlagentechnische Lösung zu entwickeln, mit der sowohl die neuen als auch die alten Büroflächen zusätzlich zur Beheizung auch energieeffizient gekühlt werden können.
Die Wärmeversorgung erfolgte bis dahin über Fernwärme, mit der der Altbau über eine Deckenstrahlungsheizung beheizt wurde. Dieses System wurde im Prinzip auch auf den Erweiterungsbau übertragen, nur dass hier nicht Stahl-, sondern Kunststoffrohre zum Einsatz kommen. Die Wärmeverteilung entspricht damit einer Bauteilaktivierung, wie sie in neuen Gewerbeimmobilien verwendet wird. Die Vorteile dieser Flächentemperierung liegen in der gleichmäßigen Wärmeverteilung sowie den niedrigeren Vorlauftemperaturen. Grundsätzlich galt es bei dem Anlagenkonzept jedoch zu berücksichtigen, dass der Altbau vollkommen andere thermische Reaktionen als der Neubau zeigt. Gelöst wurde dieser Sachverhalt durch die Einrichtung getrennter Regelkreise für die beiden Gebäudeteile.
Reversible Grundwasser-Wärmepumpe
Der ursprüngliche Ansatz, den Fernwärmeanschluss beizubehalten und zusätzlich einen Kühlturm auf dem Dach des Anbaus zu installieren, wurde angesichts der hohen Bebauungsdichte der Umgebung schnell wieder verworfen. Ausschlaggebend hierfür waren sowohl die zu erwartenden, höheren Geräuschemissionen als auch die damit verbundene Beeinträchtigung des optischen Gesamtbildes. Alternativ dazu wurde ein Konzept entwickelt, bei dem eine reversible Wärmepumpe die Versorgung des Gebäudes mit Wärme und Kälte übernimmt. Der Vorteil lag darin, dass auf diese Weise nur ein Gerät für die Energiebereitstellung benötigt wird, das sich zudem noch bequem im Keller aufstellen ließ, so Gontermann.
So wurde der Fernwärmeanschluss bei der Erweiterung durch eine reversible Dynaciat Wärmepumpe ersetzt. Als Wärmequelle wird die im Grundwasser enthaltene thermische Energie genutzt. Dazu wurden zwei 25 Meter tiefe kombinierte Saug- und Schluckbrunnen erstellt. Sie dienen im Sommer als Wärmesenke für die Kühlung und im Winter als Wärmequelle für die Beheizung des Gebäudes. Durch die Umschaltung der Fließrichtung ergeben sich dabei günstige Wassertemperaturen und ein geringer Wasserbedarf.
Wärmerückgewinnung und direkte Kühlung
Während der Altbau über in die Betondecke eingelegte Stahlrohrregister beheizt und gekühlt sowie über das Öffnen der Fenster natürlich gelüftet wird, entschloss man sich im Erweiterungsbau aus Behaglichkeitsgründen und in Hinsicht auf die zukünftige Vermietbarkeit eine Lüftungsanlage zu integrieren. Wenn man dauerhaft eine hochwertige und attraktive Büroimmobilie am Markt anbieten möchte, die Mitarbeitern ein angenehmes Arbeitsklima gewährleistet, kommt man an einer modernen und energieeffizienten raumlufttechnischen Anlage bei einem Großraumbüro heutzutage nicht mehr vorbei, erläutert Dipl.-Ing. Hermann-Josef Bendel, Leiter der Qualitätssicherung bei ZWP.
Eingesetzt wurde hier eine zweiteilige Climaciat Airtech Lüftungszentrale, die aus einem Zuluft- sowie einem Abluftklimagerät besteht und das Großraumbüro sowie die Innenzone des Altbaus versorgt. Die beiden Aggregate konnten aufgrund ihrer modularen Bauweise platzsparend im Untergeschoss an der Decke der Tiefgarage montiert werden. Die Abluft wird dabei an der Fassade unter der Decke abgesaugt und von dort zum Abluftgerät geführt. Anschließend wird die gefilterte und temperierte Luft dann bei konstanten 22 °C als Quelllüftung über in den Boden integrierte Auslässe in den Innenbereich eingeblasen.
Zum Energiekonzept des Gebäudes gehört ebenfalls, dass die Zuluft zunächst einmal nur über die Wärmerückgewinnung vorgewärmt wird. Erst wenn dies nicht mehr ausreicht, um die Luft auf das gewünschte Temperaturniveau von 22 °C zu heben, wird über die Wärmepumpe nachgeheizt. Analog dazu kann dieser Prozess in den heißen Sommermonaten auch umgekehrt werden. Das Gebäude wird dann sowohl über die Lüftung als auch über die Bauteilaktivierung gekühlt. Zudem arbeitet das Lüftungsgerät überwiegend mit einer energiesparenden Direktkühlung. Das heißt, die Vortemperierung der Außenluft erfolgt im Sommer unmittelbar über das Brunnenwasser und nicht über den Betrieb der Wärmepumpe.
Anforderungsprofil bestimmt Fließrichtung
Das Regelkonzept der komplexen Anlagentechnik wurde von der Kölner Ingenieurgesellschaft selbst entworfen und dabei im Hinblick auf eine optimale Nutzung der technischen Möglichkeiten und einen geringen Energieeinsatz entwickelt. Generell können zwei Anforderungsprofile unterschieden werden.
Im Winterbetrieb wird das Wasser vom nördlichen zum südlichen Brunnen gepumpt und die Wärmepumpe ist für die Heizung zuständig. Über den Verdichter mit Scroll-Kompressor können aus dem Brunnenwasser dabei bis zu 170 kW Wärmeleistung erzeugt werden. Bei diesem Prozess wird das Brunnenwasser auf rund 12 °C abgekühlt und wieder in die Grundwasserblase eingeleitet. Das warme Wasser aus dem Kondensator beheizt dann über die Rohrregister in den Geschossdecken das gesamte Gebäude mit einer Vorlauftemperatur von maximal 30 °C. Über einen weiteren Wärmeübertrager wird das zentrale Lüftungsgerät versorgt und die Außenluft für das Großraumbüro auf 22 °C erwärmt.
Im Sommerbetrieb verläuft die Fließrichtung des Brunnenwassers in entgegengesetzter Richtung. In der Regel kann der Kältebedarf des Gebäudes hier ohne Einsatz der Wärmepumpe mittels Direktkühlung über das Grundwasser gedeckt werden. Nur bei hohen Außentemperaturen wird die Wärmepumpe mit einer Kühlleistung von bis zu 155 kW zugeschaltet. Die Abwärme wird dann über einen Wärmeübertrager an das Grundwasser zurückgeführt. Die Brunnenpumpen sind darauf eingestellt, eine Ableittemperatur von 17,5 °C und eine Wassermenge von 50 m³/h nicht zu überschreiten, um eine übermäßige Erwärmung des Grundwassers zu vermeiden.
Geringer Primärenergiebedarf
Um herauszufinden, wie hoch der Primärenergiebedarf nach der Umstellung auf den Wärmepumpenbetrieb und den Erweiterungsbau tatsächlich ist, wurde ein Bericht über die realisierbaren Energieeinsparungen erstellt. Darüber hinaus wurden Leistung und Effizienz der Wärmepumpe in enger Kooperation mit der nahe gelegenen Fachhochschule im Rahmen einer Diplomarbeit ermittelt. Dabei zeigte sich, dass die Erwartungen an die Wärmepumpe mit einem gemessenen COP von bis zu 7,5 voll erfüllt werden konnten.
Der Primärenergiebedarf des Bürogebäudes beträgt nun 137 kWh/m²a und unterschreitet damit sogar die Anforderungen an den Neubaustandard für gewerblich genutzte Immobilien. Ein direkter Vergleich über die tatsächlichen Einsparungen ist allerdings schwierig, weil wir ja vorher keine Kühlung im Gebäude hatten, so Bendel. Bei dieser Lösung standen jedoch nicht nur die Referenzanlage sowie eine wirtschaftliche Betriebsweise im Vordergrund, sondern es ging auch darum, einen deutlichen Beitrag zur Minderung der CO2-Emission zu leisten.
Fazit
Der Eigentümer nutzte die bei der ZWP Ingenieur-AG vorhandene Kompetenz, um zur Versorgung des Erweiterungsbaus eine technisch anspruchsvolle Lösung zu finden. Hier wurde ein System zum Lüften, Heizen und Kühlen des Gebäudes konzipiert, das energiesparende Prinzipien wie die Direktkühlung oder die Wärmerückgewinnung nahtlos integriert. Wir haben uns hier eine Referenzanlage geschaffen, mit der wir dem Kunden den Nutzen und das komplexe Zusammenspiel einer reversiblen Wärmepumpe mit einem zentralen Lüftungsgerät anschaulich präsentieren können, resümiert Bendel. Die Anlage sorgt bei hoher Energieeffizienz für eine behagliche Atmosphäre im Gebäude, die die Gesundheit der Menschen positiv beeinflusst und zudem geeignete Bedingungen für ein angenehmes Arbeitsumfeld schafft. -
Objektdaten ZWP-Zentrale, Köln
Objekt: Bürogebäude in Köln
Bauherr: An der Münze GbR
TGA Planung: ZWP Ingenieur-AG, Köln
Umsetzung: Fries & Hüttermann GmbH, Wuppertal
Bürofläche: 3000 m2 Altbau, ca. 700 m2 Anbau
Grundwasser-Wärmepumpe: Dynaciat LGP 500 V mit R 410A
Wärmeleistung maximal 170 kW Kälteleistung maximal 155 kW
Zuluft/Abluft: Climaciat Airtech 50 Zentrallüftungsgerät
Wirkungsgrad Wärmerückgewinnung 60 % Luftvolumenstrom maximal 3500 m2
Primärenergiebedarf nach EnEV 2007/DIN V 18599:137 kWh/(m2a)
Anforderung modernisierter Altbau: 217 kWh/(m2a)
Anforderung Neubau: 155 kWh/(m2a)
Dipl.-Ing. Tim Geßler
Fachjournalist, Die Agentur Kommunikations-Management Schellhorn GmbH, Haltern am See
