ALDI 2010 – Hocheffizienter Supermarkt mit geothermiegestütztem

Transcription

ALDI 2010 – HOCHEFFIZIENTER
SUPERMARKT MIT
GEOTHERMIEGESTÜTZTEM
KÄLTEVERBUND
Abschlussbericht 2013
Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und
Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 0327894-A
gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
ALDI 2010 – HOCHEFFIZIENTER
SUPERMARKT MIT
GEOTHERMIEGESTÜTZTEM CO2KÄLTEVERBUND
Abschlussbericht 2013
Förderung durch
BMWi Projektträger Jülich Energietechnologien (ERG1)
Forschungszentrum Jülich GmbH
Herrn Kratz
52425 Jülich
Kurzbezeichnung des Vorhabens
ALDI 2010 – Hocheffizienter Supermarkt mit geothermiegestütztem CO2-Kälteverbund
Förderkennzeichen
0327894-A
Zuwendungsempfänger
ALDI GmbH & Co. KG
Im Wöhr 7-9
76437 Rastatt
Ausführende Stelle
Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE
Bereich Thermische Anlagen und Gebäudetechnik | Abteilung Solares Bauen
Heidenhofstraße 2, 79110 Freiburg
Impressum
Endbericht des Fraunhofer Instituts für solare Energiesysteme zum Projekt:
ALDI 2010 – hocheffizienter Supermarkt mit geothermiegestützem Kälteverbund
Kontakt:
Dipl.-Ing. Nicolas Réhault
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg
Tel.: +49 (0) 761 4588-5352
Fax: +49 (0) 761 4588 9000
E-Mail: [email protected]
Internet: www.ise.fraunhofer.de
Bearbeitung
Dipl.-Ing. Nicolas Réhault – Fraunhofer ISE
Dr.-Ing. Doreen Kalz – Fraunhofer ISE
M.Eng.Felix Ohr – Fraunhofer ISE
Dipl.-Ing. (FH) Sebastian Zehnle – Fraunhofer ISE
Dipl.-Ing. Benjamin Haase – Fraunhofer UMSICHT
Dr. rer. nat. Gesa Böhme – Fraunhofer ISE
Dipl.-Ing. Aljoscha Göbbels – Fraunhofer ISE
Dipl.-Ing. Jun Lu – Fraunhofer ISE
Projektkoordination
ALDI SÜD GmbH&Co KG - Rastatt
Projektlaufzeit
01.06.2010 bis 30.06.2013
Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 0327894A gefördert. Die
Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
Dieser Bericht umfasst 133 Seiten.
Freiburg, 24. Januar 2014
Dipl.-Ing. Nicolas Réhault
Projektbearbeitung
Fraunhofer ISE
ALDI SÜD 2010
Sebastian Herkel
Abteilungsleitung Solares Bauen
ALDI SÜD GmbH & Co KG
4 | 133
Inhalt
1
Einleitung und Motivation ............................................................................... 7
2
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.2.6
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.3.6
2.3.7
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
Projektbeschreibung ......................................................................................... 11
Bauvorhaben und –ablauf .................................................................................... 11
Bauherr und Beteiligte des Bauvorhabens ............................................................ 11
Integraler Planungsansatz .................................................................................... 12
Bauablauf ............................................................................................................ 13
Gebäudedaten ..................................................................................................... 13
Baubeschreibung ................................................................................................. 13
Flächen ................................................................................................................ 13
Winterlicher Wärmeschutz ................................................................................... 13
Sommerlicher Wärmeschutz ................................................................................. 14
Luftdichtheit ........................................................................................................ 14
Grundrisse und Ansichten .................................................................................... 17
Energiekonzept für das Gebäude – Versorgungsstruktur ...................................... 18
Energieversorgungsstruktur des Supermarkts ....................................................... 18
Geothermisch gestützter Kälteverbund ................................................................ 20
Kältemittelwahl .................................................................................................... 25
Kühlstellen ........................................................................................................... 26
Geothermieanlage ............................................................................................... 28
Heizungskonzept ................................................................................................. 33
Lüftungskonzept .................................................................................................. 35
Beleuchtung......................................................................................................... 36
Hintergrund ......................................................................................................... 36
Tageslichtkonzept ................................................................................................ 36
Kunstlichtkonzept ................................................................................................ 39
Steuer- und Regelkonzept der Beleuchtungsanlagen ............................................ 40
Dynamische Gebäudesimulation .......................................................................... 41
Ziel ....................................................................................................................... 41
Klimadaten, Gebäudehülle, Kälteanlagen und Haustechnik .................................. 42
Lichtsimulation ..................................................................................................... 43
3
3.1
3.2
3.2.1
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.4
Monitoringkonzept ........................................................................................... 45
Ziele des Monitorings ........................................................................................... 45
Definition von Kennzahlen für die Bewertung des Gebäudebetriebs .................... 46
Allgemeines ......................................................................................................... 46
Messkonzept und Messtechnik ............................................................................ 53
Stromzähler ......................................................................................................... 54
Massenstromzähler .............................................................................................. 55
Wärmemengenzähler (WMZ) ............................................................................... 56
Datenübertragung und –auswertung ................................................................... 57
4
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.2.1
4.1.2.2
4.1.2.3
4.1.2.4
4.1.2.5
4.1.2.6
4.2
Entwicklung eines Modells für den Kälteverbund ......................................... 58
Grundlagen der Modellierung .............................................................................. 58
Modellstruktur ..................................................................................................... 58
Beschreibung der Baugruppen ............................................................................. 61
Kühlstellen ....................................................................................................... 61
Kältemittelvorlage ............................................................................................ 62
TK-Verdichterverbund ...................................................................................... 63
NK-Verdichterverbund ...................................................................................... 63
Abbildung der Verdichter ................................................................................. 63
Umsetzung des Regelkonzeptes ....................................................................... 67
Validierung des Modells ....................................................................................... 70
Fraunhofer ISE
ALDI SÜD 2010
5 | 133
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.3
4.3.1
4.3.2
Vorgehensweise ................................................................................................... 70
Wahl der Kontrollgrößen ..................................................................................... 71
Vergleich von Simulations- und Messergebnissen ................................................. 71
Untersuchung zur Effizienzsteigerung im transkritischen Betrieb .......................... 82
Grundlagen.......................................................................................................... 82
Untersuchung ...................................................................................................... 84
5
5.1
5.2
5.2.1
5.2.2
5.3
5.4
5.4.1
5.4.2
5.4.2.1
5.4.2.2
5.4.2.3
5.4.2.4
5.4.2.5
5.4.3
5.4.4
5.5
5.5.1
5.5.2
5.5.3
5.5.4
5.5.5
5.5.7
5.6
5.6.1
5.6.2
5.6.3
5.7
5.7.1
5.7.2
5.7.3
Energieanalyse .................................................................................................. 86
Ist/Soll Vergleich ................................................................................................... 86
Klimatische Randbedingungen ............................................................................. 88
Außenlufttemperatur ........................................................................................... 88
Klimakorrektur ..................................................................................................... 88
Ausführung der Messtechnik - Datenqualität ....................................................... 89
Kälteverbund ....................................................................................................... 90
Ziele ..................................................................................................................... 90
Ergebnisse und Analysen ...................................................................................... 91
NK-Verbund ..................................................................................................... 93
TK-Verbund ...................................................................................................... 97
GEO-Verbund (Wärmepumpenschaltung) ......................................................... 97
Kühlstellen ....................................................................................................... 98
Gaskühler ......................................................................................................... 100
Hügelsheimer Filiale ............................................................................................. 101
Fazit ..................................................................................................................... 102
Heizung und hydraulische Kreise .......................................................................... 103
Abwärmenutzung ................................................................................................ 103
Pumpen ............................................................................................................... 105
Geothermiekreislauf ............................................................................................. 106
Solekreislauf......................................................................................................... 108
BKT-Kreislauf ....................................................................................................... 108
Lüftungskreislauf.................................................................................................. 111
Lüftung ................................................................................................................ 112
Ziele ..................................................................................................................... 112
Fazit ..................................................................................................................... 114
Beleuchtung......................................................................................................... 115
Ziele ..................................................................................................................... 115
Fazit ..................................................................................................................... 120
6
6.1
6.2
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.3.4
6.3.5
Komfortauswertungen ..................................................................................... 121
Methodik für die Komfortauswertungen .............................................................. 121
Ergebnisse der Komfortauswertungen.................................................................. 123
Kundenbefragung zur thermischen und visuellen Behaglichkeit ........................... 127
Thermische Behaglichkeit ..................................................................................... 127
Luftqualität .......................................................................................................... 128
Lichtverhältnisse ................................................................................................... 128
Raumklima ........................................................................................................... 128
Zusammenfassung der Komfortauswertungen ..................................................... 128
7
Fazit und Ausblick ............................................................................................. 129
8
8.1
8.2
Publikationen .................................................................................................... 132
Projektwebseite.................................................................................................... 132
Veröffentlichungen und Vorträge......................................................................... 132
Fraunhofer ISE
ALDI SÜD 2010
6 | 133
Einleitung und Motivation
1
Supermärkte sind stark mit dem Lebensstil moderner Gesellschaften verbunden,
insbesondere wegen einer großen Nachfrage für frische und gekühlte Produkte. In
Deutschland spielen Supermärkte eine zentrale Rolle im Einzelhandel: Laut dem EHI
Retail Institute1 realisierte der deutsche Lebensmitteleinzelhandel (LEH) 72,9% seines
Umsatzes in 2012 in Discountern und Supermärkten. Andererseits zählen Supermärkte
zu den Gebäuden mit dem größten Energieverbrauch, mit spezifischen
Primärenergieverbräuchen zwischen 500 und 1300 kWh/m².a [4]. Neben den durch
Stromverbrauch verursachten indirekten Emissionen stammt auch ein Großteil der
Emissionen von Supermärkten aus den Leckagen von HFKW-haltigen Kältemitteln der
Kälteerzeugungssysteme. Laut einer in 2008 veröffentlichten Studie des
Umweltbundesamtes bleiben „Kälteanlagen und Kühlgeräte in Supermärkten mittelbis langfristig in Deutschland das letzte große Einsatzfeld und die stärkste
Emissionsquelle der klimaschädlichen teilfluorierten Kohlenwasserstoffe (HFKW) im
Bereich der stationären Kältetechnik.
Seit mehrehren Jahren setzt sich die LEH-Branche mit steigenden Energiepreisen, einem
immer strengeren gesetzlichen Rahmen für den Bau und den Betrieb von Supermärkten
und einem wachsenden Bedarf an tiefgekühlten Produkten auseinander. Neben der
über die Jahre kontinuierlichen Verschärfung der Energieeinsparverordnung wird auch
die „F-Gas Regelung“ in 2014 erneuert, was strengere Auflagen für den Umgang mit
fluorierten Treibhausgasen mit sich bringt.
Diese Herausforderungen stehen in Verbindung mit einem sehr intensiven Wettbewerb
der LEH-Ketten untereinander Daher haben die meisten großen Lebensmittelgroß- und
Einzelhändler (Tengelmann, REWE, Tegut, Migros, Spar, Edeka,…) in den letzten Jahren
Konzepte für energieeffiziente Kälteerzeugung, Abwärmenutzung und den Einsatz von
natürlichen Kältemitteln in Pilotprojekten getestet. Bei einigen Projekten wurde auch
die Dämmung der Gebäudehülle verbessert, sowie vermehrt Tageslicht genutzt.
Der Endenergieverbrauch von Supermärkten in Deutschland wird vom Stromverbrauch
für Gewerbekälte und Kunstlicht dominiert. Zusammen machen diese beiden
Nutzungen knapp 60% des Endenergieverbrauchs und über 70% des Stromverbrauchs
aus2 3 4. Klimakälte und Raumheizung stellen in diesem Zusammenhang
untergeordnete Größen dar.
1
EHI Retail Institute, Köln: Umsatzanteile der Lebensmittelgeschäfte nach Betriebsformen (2007-2012)
Bremer Energie-Konsens: Lebensmittelhandel aktuell – Energiekosten senken – Umwelt schonen. Ein
praktischer Leitfaden für die effiziente Nutzung von Kühlmöbeln. www.energiekonsens.de, 2007
3
Klimaschutzagentur Baden-Württemberg: Energieeinsparung im Lebensmitteleinzelhandel, 1996
4
Benchmarking ALDI SÜD, Fraunhofer ISE, 2008 (nicht veröffentlichter Projektbericht)
2
Fraunhofer ISE
ALDI SÜD 2010
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praktischer Leitfaden für die effiziente Nutzzung von Kühlm
möbeln. www.energiekonsens.de
e, 2007
Fraunhofer ISSE
ALDI SÜD 2010
ALDI
A
SÜD GmbH
H & Co KG
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Im Kern des Konzepts steht der geothermisch gestützte CO2-Kälteverbund, der mittels
einer konsequenten Abwärmenutzung alle Energiedienstleistungen im Bereich Wärme
und Kälte abdeckt. Dadurch konnten die üblichen Versorgungsanlagen, wie ein
Gaskessel zur Beheizung und ein Klimagerät zur Kühlung des Marktes, entfallen. Die
Fa. Hafner-Muschler übernahm die Entwicklung, die Herstellung und den Betrieb des
Kälteverbunds.
Ein Schwachpunkt von CO2-Kälteanlagen ist, dass sie im Falle eines außenluftgekühlten
Gaskühlers bei hohen Außentemperaturen deutliche Einbußen bei der Leistungszahl
aufweisen. Durch die Kombination mit einer Geothermieanlage zur Unterkühlung des
Kältemittels konnte dieser Effekt reduziert werden.
Weiterhin konnte durch eine Effizienzsteigerung der Kühlmöbel und vermehrte
Tageslichtnutzung eine deutliche Verbesserung der Gebäudehülle, sowie durch eine
Optimierung bzw. Anpassung der haustechnischen Verteilsysteme eine deutliche
Verringerung des Energiebedarfs erreicht werden.
Nach einer simulationsbasierten Untersuchung konnten die optimalen Parameter der
unterschiedlichen Komponente gefunden werden, die zu Primärenergieeinsparungen
von über 29% gegenüber dem heutigen Standardmarkt von ALDI SÜD führen sollten.
Der Nachweis und die Dokumentation der Qualität des Gesamtkonzepts und
insbesondere des effizienten Einsatzes der geothermiegestützten CO2Kälteverbundanlage sind die wesentlichen Ergebnisse des Projekts.
Nach dem Kenntnisstand der Autoren veröffentlicht dieser Bericht zum ersten Mal
Ergebnisse aus dem wissenschaftlichen Monitoring eines Supermarkts. Mit diesem
Projekt wird auch die Gebäudetypologie des EnOB-Programms auf den LEH-Bereich
erweitert. Es trägt dazu bei, zu zeigen wie Supermärkte energieeffizient gebaut und
betrieben werden können. Aus vertraulichen Gründen werden hier keine Analysen zur
Wirtschaftlichkeit geliefert.
Der Arbeitsplan des Projekts orientierte sich an den drei Phasen des EnOB-Programms:



Phase I: Planung und bauliche Realisierung, Inbetriebnahme
Phase II: Wissenschaftliches Messprogramm
Phase III: Langzeitmonitoring
In der Phase I erfolgte eine detaillierte Ausarbeitung und Planung der einzelnen
Gewerke sowie die Umsetzung des Konzepts in einem integralen Planungsprozess mit
Beteiligung aller Akteure. Diese Planungsphase wurde unterstützt von einem
gekoppelten Simulationsmodell, das Gebäudedynamik, haustechnisches System und
Tageslichtnutzung gemeinsam betrachtete und optimieren konnte. Ein detailliertes
wissenschaftliches Monitoringkonzept wurde erarbeitet, um die im Rahmen von EnOB
festgelegten Standards zu erfüllen und eine detaillierte Auswertung des Betriebs und
der Effizienz der Wärme- und Kälteerzeugung, der Belüftung und der
Tageslichtnutzung zu erlauben. Die Ergebnisse aus der Phase I sind in den Kapiteln 2
und 3 dieses Berichts beschrieben.
In der Phase II fand das wissenschaftliche Messprogramm statt. Dieses Arbeitspaket
beinhaltete die Auswertung der Messdaten gemäß dem erarbeiteten Messkonzept und
die Optimierung des Betriebs der Anlagen in Hinsicht auf den Energieverbrauch unter
Einhaltung der betriebsspezifischen Randbedingungen, wie Kühlwarentemperaturen
und Raumklima. Die Messdaten wurden über eine zentrale Datenerfassung
bereitgestellt und an das Fraunhofer ISE kontinuierlich übertragen. Die
Stromverbräuche konnten von Januar 2011 bis Dezember 2013 ausgewertet werden.
Die Daten aus den Wärmezählern wurden von Januar 2011 bis Juni 2013 analysiert. Für
Fraunhofer ISE
ALDI SÜD 2010
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die Betriebsoptimierung des geothermiegestützten Kälteverbundes wurde ein
mathematisch-physikalisches Modell dieser Anlage in der Modellierungsumgebung
Modelica/Dymola erstellt. Die Modellierung und Validierung des Modells erfolgte
anhand der Messdaten und Betriebscharakteristiken der Anlage. Eine automatisierte
Datenaufbereitung und –visualisierung wurde erarbeitet, um Abweichungen und Fehler
im Betrieb der Anlage schnell und effizient zu detektieren, aber auch um
Optimierungspotentiale zu identifizieren. Eine kontinuierliche Optimierung der
unterschiedlichen Systeme wurde im Rahmen dieses Projekts durch regelmäßige
Monitoringtreffen mit den ausführenden Firmen und den Fachplanern organisiert.
Durch die sukzessive Implementierung korrektiver Maßnahmen konnte sich schrittweise
den gesetzten Zielen genähert werden. Neben der energetischen Optimierung der
Anlagen wurde auch der Komfort im Supermarkt durch ein normiertes Verfahren und
an Hand von Kundenumfragen ausgewertet. In den Abschnitten 4, 5 und 6 werden die
Ergebnisse aus dieser Phase dargestellt.
Die Phase III, das Langzeitmonitoring, startete im Juni 2013. Die Messdaten werden
während der nächsten 3 Jahren kontinuierlich an einen Server am Fraunhofer ISE
übertragen und persistent in der EnOB-Datenbank gespeichert. Die Datenbank soll
dazu dienen, die entsprechenden Daten für einen größeren Personenkreis verfügbar zu
machen.
Fraunhofer ISE
ALDI SÜD 2010
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Projektbeschreibung
2
Projektbeschreibung
2.1
Bauvorhaben und –ablauf
2.1.1
Bauherr und Beteiligte des Bauvorhabens
Die Firma ALDI SÜD, vertreten durch ihre Regionalfirma ALDI GmbH & Co KG in
Rastatt, ist Bauherr und Betreiber der betrachteten Filiale in Rastatt. ALDI SÜD ist ein
führendes
internationales
Einzelhandelsunternehmen.
2010
bestand
die
Unternehmensgruppe aus 31 Gesellschaften und mehr als 1740 Filialen in West- und
Süddeutschland. Hinzu kommen etwa 600 in Österreich und der Schweiz, 1.000 in den
USA sowie weiteren 800 Filialen in anderen europäischen Ländern.
In Deutschland werden jährlich ca. 100 Filialen neu gebaut oder saniert. ALDI SÜD setzt
dabei konsequent auf einen einheitlichen Qualitätsstandard, der sich sowohl in der
Architektur als auch in der anlagentechnischen Ausstattung der Märkte wiederfindet.
Energie- und Komfortthemen sind dabei im Fokus der Filialen-Planer. Ein Beleg dafür ist
die Verleihung des „Energiemanagement Awards 2008“ des EHI Retail Institute. Eine
Abwärmenutzung aus der Gewerbekälteanlage gehört ebenso zum Standard wie eine
Lüftung mit Wärmerückgewinnung und ein flächendeckendes Energiemonitoring.
Diesbezüglich ist ALDI SÜD ein Vorreiter der Branche. Zahlreiche Entwicklungen
wurden zusammen mit Komponentenherstellern angestoßen.
Neben dem Fraunhofer - Institut für Solare Energiesysteme (ISE), das für die
wissenschaftliche Begleitforschung zuständig war und Verfasser des vorliegenden
Berichts ist, wurden folgende Firmen im Bauvorhaben, nachfolgend kurz als ALDI
Supermarkt bezeichnet, involviert:
Planungsbeteiligte des Bauvorhabens:
Bauherr:
ALDI GmbH & Co. KG, Filialeentwicklung,
Rastatt
Architektur:
Ingenieur- und Planungsbüro Finzel,
Würzburg
Kälteanlagenplanung:
Tebeg, Würzburg
Hafner-Muschler, Balingen
Lichtplanung:
StartDesign GmbH, Essen
Elektroplanung:
Bechtold Ingenieurgesellschaft mbH,
Karlsruhe
Haustechnikplanung:
PS Planungsbüro für Haustechnik, Ettlingen
Wissenschaftliche
Begleitung & Monitoring:
Fraunhofer - Institut für Solare
Energiesysteme
Wesentliche ausführende Firmen:
Rohbau/Fertigteile:
Hinterlang + Burk GmbH & Co. KG, Bad
Endbach
Kälteanlagen:
Hafner-Muschler GmbH
Gebäudeautomation:
Wurm GmbH, Remscheid
Metalbau/Oberlichter:
Mannl GmbH, Kreuzwertheim
Elektroinstallationen:
Bossert Elektro, Karlsbad – Auerbach
Fraunhofer ISE
ALDI SÜD 2010
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Projektbeschreibung
Fussbodenheizung / Lüftung /
Sanitär::
Karlsruhe
Geothermieanlage:
2.1.2
Alexander Ochs Wärmetechnik GmbH,
Zent-Frenger, Heppenheim
Integraler Planungsansatz
Wie andere Gebäude sind Supermärkte als integrale Systeme anzusehen. V.a. in der
Planungs- und Ausführungsphase, aber auch in der Betriebsphase des Gebäudes,
greifen verschiedene Gewerke ineinander und beteiligte Akteure müssen koordiniert
werden. Beispielsweise muss sich während der Planungsphase der Haustechnikplaner
mit dem Kältetechnikplaner und dem Kälteanlagenbauer abstimmen. Bei der
Betriebsführung gebäudetechnischer Anlagen müssen Wechselwirkungen zwischen
Subsystemen berücksichtigt werden
Im Sinne einer integralen Gebäudeplanung wurde im Rahmen dieses Projekts eine
disziplinübergreifende Zusammenarbeit geplant und koordiniert. In der
Vorplanungsphase wurden bereits Bauherr, Architekten, Fachingenieure und
Wissenschaftler in die Erarbeitung des Gebäudekonzepts eingebunden. Dabei konnten
komplexe Aufgaben gelöst werden, die sich aufgrund der gestellten hohen
Qualitätsansprüche an den Supermarktprototyp ergaben, sowie Zielkonflikte rechtzeitig
identifiziert und entschärft werden. Dies erforderte die Zusammenführung von
Spezialwissen aus unterschiedlichen Gewerken. Abbildung 2 veranschaulicht
schematisch die Aufgaben und Schnittstellen zwischen den unterschiedlichen
Akteuren.
Abbildung 2
Fraunhofer ISE
Projektkonsortium des Supermarkt Bauvorhabens.
ALDI SÜD 2010
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Projektbeschreibung
2.1.3
Bauablauf
Konzepterstellung:
Ausführungsplanung:
Abbrucharbeiten:
Baubeginn:
Inbetriebnahme des Gebäudes:
Eröffnung zum Publikum:
Monitoring und Betriebsoptimierung:
2009/2010
Winter 2010
April 2010
April 2010
Sept. 2010
Oktober 2010
Oktober 2010
bis Juni 2013
2013 bis 2016
Folgeprojekt Langzeitmonitoring:
2.2
Gebäudedaten
2.2.1
Baubeschreibung
Der Neubau ist eine hochwärmegedämmte Betonfertigteilkonstruktion mit Flachdach
und weicht daher in der Baukonstruktion von einer Standardfiliale ab. Die
Dachkonstruktion besteht aus Brettschichtholzbindern (Abbildung 5). Auf den Einbau
einer abgehängten Decke wurde verzichtet, um die Lichtverteilung im Raum nicht
durch Schächte zwischen Oberlicht und Decke zu behindern. Die hölzerne
Dachschalung bleibt somit sichtbar. Zur Tageslichtnutzung wurden 28 gleichmäßig
über dem Verkaufsraum verteilte Dachöffnungen realisiert. Die circa 2 x 2 Meter
großen Flachglasöffnungen wurden in 3-fach Verglasung ausgeführt und sind
ausgestattet mit Microraster im Scheibenzwischenraum (siehe auch 2.4.2).
2.2.2
Flächen
Der neue Supermarkt wurde auf dem Standort eines bestehenden ALDI SÜD
Supermarkts am Biblisweg, 2 in Rastatt errichtet. Im Vorfeld des Baus der neuen Filiale
wurde das bestehende Gebäude zurückgebaut. Der Neubau besteht nur aus einem
Erdgeschoss und hat eine Bruttogeschossfläche von 1825 m². . Insgesamt ergibt sich
eine beheizte Nettogrundfläche von 1675 m².
Tabelle 1 Gebäudeeinteilung und -kenndaten
Bruttogrundfläche
1.825 m2
Beheizte Nettogrundfläche
1.675 m2
Verkaufsfläche
1.103 m²
Bruttorauminhalt
9.209 m3
A/V
0,56 m²/m³
2.2.3
Winterlicher Wärmeschutz
Die Gebäudehülle orientiert sich am Passivhausstandard. In der Tabelle 2 sind die
Wärmedurchgangskoeffizienten
der
unterschiedlichen
Gebäudehüllenteile
zusammengestellt, Abbildung 3 zeigt einen Aufbau einer wärmegedämmten
Außenwand.
Fraunhofer ISE
ALDI SÜD 2010
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Projektbeschreibung
In der Planungsphase wurde eine besondere Aufmerksamkeit der Vermeidung von
Wärmebrücken und der Erfüllung der Luftdichtigkeit gewidmet. Überladebrücken, die
üblicherweise in ALDI SÜD Filialen eingebaut werden, stellen eine massive
Wärmebrücke dar. Die stählerne Konstruktion grenzt von unten an die Außenluft und
trennt die warme Innenluft im Lager nur durch wenige Millimeter Stahl von dieser ab.
Die Torkonstruktion ist zudem nicht ausreichend winddicht. Durch das Zurücksetzen
der Überladebrücke um ca. 50 cm in das Gebäude, kann das wärmegedämmte Tor bis
auf die Grubensohle geführt werden. Die Überladebrücke selbst verbleibt dadurch bei
geschlossenem Tor im Warmen. Umlaufende Dichtungen werden vom Tor an die
Außenwand gepresst.
Tabelle 2 technische Daten der Gebäudehülle
n50< 0,5
Luftdichtigkeit
U-Wert Außenwände
0,18 W/m2K
U-Wert Dach
0,14 W/m2K
U-Wert Dachkuppeln
2.2.4
1,1–1,7 W/m²K
Sommerlicher Wärmeschutz
Oberlichter im Dach wurden angeordnet und konzipiert, um gleichzeitig eine
gleichmäßige Verteilung des Tageslichts im Verkaufs- und Lagerraum zu ermöglichen
und eine Raumüberhitzung durch Reflektion der direkten Sonnenstrahlung zu
vermeiden. Im Absatz 2.4.2 wird das Tageslichtkonzept ausführlich beschrieben.
Um die Aufheizung der Räumlichkeiten im Sommer durch Sonneneinstrahlung an der
Südfassade zu begrenzen, sind die Fensterflächen mit außenliegenden
Lamellenjalousien ausgestattet. Aufgrund des geringen Fensterflächenanteils der
Fassaden ist die Gefahr einer Überhitzung der Räume durch diese Fenster jedoch
gering.
2.2.5
Luftdichtheit
Das Luftdichtheitskonzept wurde vom Architekturbüro Finzel erstellt, um die
Passivhausanforderungen zu erfüllen. Zahlreiche Detailzeichnungen wurden erstellt, um
Undichtigkeiten in der Gebäudehülle zu identifizieren und sachgemäß abzudichten.
Nach Abschluss der Bauarbeiten wurde eine Luftdichtigkeitsprüfung nach
EN13829:2000 Verfahren A – Abnahmemessung im Nutzungszustand, am 9.
September 2010 durch die Firma ieebus durchgeführt. Mit dem DifferenzdruckMessverfahren wurde eine Luftwechselrate von n50=0.47 h -1 bei einer Druckdifferenz
von 50 Pa gemessen. Die gemessene Luftwechselrate liegt somit unterhalb dem
Maximalwert von n50=0.60 h -1, wie sie in den Passivhausanforderungen definiert ist.
Trotz dem guten Ergebnis wurden einigen Mängeln (Übergänge Wand-Decke, Fugen
Sektionaltor, Fenster-Wand Anschlüsse, bauartbedingten Undichtigkeiten der
Schiebetüren) mittels einer Leckageortung festgestellt und, wenn es technisch machbar
war, behoben.
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14 | 133
Projektbeschreibung
Abbildung 3 Außenwand als wärmegedämmte Betonfertigteile – Quelle ALDI SÜD
Abbildung 4 Montage der vorgefertigten Außenwände – Quelle ALDI SÜD
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Abbildung
g 5 Dachkonstruktion aus Brettschichth
holzbindern
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Projektbeschreibung
2.2.6
G
Grundrisse und Ansichte
en
Abbildung
g 6 Grundriss der Filiale
g 7 Schnitt üb
ber die Filiale
Abbildung
g 8 Ansicht vo
on Westen
Abbildung
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Projektbeschreibung
2.3
Energiekonzept für das Gebäude – Versorgungsstruktur
2.3.1
Energieversorgungsstruktur des Supermarkts
Die Energieversorgungsstruktur des Supermarkts wird in drei Bereiche – Bezug,
Wandlung/Erzeugung und Verbrauch gemäß Abbildung 9 unterteilt und folgend
beschrieben.
Abbildung 9 Energieflussschema im Supermarkt
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Projektbeschreibung
Bezug
Die neue Filiale wird ausschließlich mit Strom als Energieträger versorgt. Mit der
Nutzung der Abwärme aus der Kälteerzeugung und des Erdreichs als Wärmequelle
erübrigt sich der Einsatz eines zusätzlichen fossilen oder biogenen Energieträgers.
Während der ersten Betriebsphase der Filiale, die im Rahmen des Monitorings
betrachtet wird, wurde nur Elektrizität aus dem Stromnetz bezogen. Mit einer 70 kWp
Photovoltaik-Anlagebeabsichtigt ALDI SÜD auch Eigenstrom zu nutzen. Aufgrund der
späteren Planung und Installation dieser Anlage wurde ihr Ertrag im Rahmen dieses
Projekts nicht betrachtet.
Wandlung/Erzeugung
Strom wird als Antriebsenergie für den Verdichtungsvorgang im Kaltdampfkälteprozess
des Kälteverbunds verbraucht und in Wärme, die teilweise zu Heizzwecken
wiederverwendet werden kann, umgewandelt. Für die gewerbliche Kälte wird während
dem Kaltdampfprozess Wärme aus zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus, bei –
10 °C und – 30 C, den verschiedenen Kühlstellen entzogen und somit Normalkälte
(NK) bzw. Tiefkälte (TK) erzeugt. Die entzogene Wärme wird im Winter bei einer
maximalen Sollvorlauftemperatur von 35 C an die Heizkreise Betonkerntemperierung
(BKT), Lüftungsanlage und Fußbodenheizung abgegeben. Eine Brauchwassererhitzung
ist nicht vorhanden. Wenn kein Wärmebedarf vorhanden ist, wird diese Wärme
teilweise an die Umgebung, teilweise an ein Erdsondenfeld, das zur
Kältemittelunterkühlung
verwendet
wird,
abgegeben.
Wenn
die
Wärmerückgewinnung aus der Gewerbekälte nicht ausreichend ist, um den
Supermarkt zu beheizen, wird zusätzliche Wärme aus einer Wärmepumpenschaltung
dem Erdreich über das Erdsondenfeld entzogen und auf eine Temperatur von 35 C
angehoben.
Verbrauch
„Kälte“ wird in den unterschiedlichen Kühlstellen auf zwei Temperaturniveaus bei –
10 °C und – 30 °C verbraucht. Die Kühlstellen verbrauchen auch Strom für
Beleuchtungs-,
Lüftungs-,
Abtauund
Regelungszwecken.
Weitere Verbraucher thermischer Energie stellen die Wärmeübergabesysteme wie
Lüftungsanlage, Betonkerntemperierung und Fußbodenheizung dar. Diese verbrauchen
thermische Energie sowohl als „Wärme“ während der Heizperiode, als „Kälte“ aus
dem Erdreich während der Kühlperiode. Ein Teil der von der Lüftungsanlage
geforderten thermischen Energie wird über einen Wärmetauscher rückgeführt. Strom
wird als Antriebsenergie für die Ventilatoren der Lüftungsanlage und die Pumpen direkt
verbraucht.
Zuletzt verbrauchen die Beleuchtungsanlagen Strom, den sie in Licht umwandeln.
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19 | 133
Projektbeschreibung
2.3.2
Geothermisch gestützter Kälteverbund
Die installierte Kälteanlage ist eine sogenannte zentrale Kälteanlage und versorgt alle
Kühlstellen im ALDI Supermarkt. Sie wurde von der Fa. Hafner-Muschler entwickelt,
gebaut, in Betrieb genommen und während der Monitoringphase regelungstechnisch
und baulich optimiert. Sie wird mit dem natürlichen Kältemittel Kohlendioxid (R-744)
betrieben. Ein verzweigtes Rohrleitungssystem verbindet den Verbundkältesatz
bestehend aus mehreren parallel geschalteten Verdichtern mit den Kühlstellen. Die
Kälteanlage verfügt auch über eine Wärmerückgewinnung, die es ermöglicht, die
Abwärme aus der Kälteerzeugung zur Heizzwecken zu nutzen. Dazu ist die Kälteanlage
mit einem Wärmepumpenkreislauf ausgestattet, der Wärme aus einem Erdsondenfeld
entzieht, wenn die Abwärme aus der Kälteerzeugung nicht ausreichend ist. Somit
übernimmt die Kälteanlage die gesamte Wärme- und Kälteversorgung des
Supermarkts.
Die Besonderheit bei der betrachteten Anlage liegt in der Kopplung eines
Erdsondenfelds mit dem Kälteprozess. Als Kältequelle ermöglicht das Erdsondenfeld
das Kältemittel – hier Kohlendioxid - nach einer Gaskühlerstufe über einen
Wasserkreislauf zusätzlich zu unterkühlen. Somit kann die Effizienz des Kälteprozesses
vor allem während dem überkritischen Betrieb der Kälteanlage gesteigert werden.
Abbildung 10 zeigt einen idealisierten einstufigen CO2-Kreisprozess mit transkritischer
Prozessführung im log p,h Diagramm. Von 1 nach 2 erfolgt die einstufige Verdichtung
durch den Kompressor, worauf die hochdruckseitige überkritische Wärmeabgabe an
die Senke folgt (2 nach 3). Zwischen 3 und 4 wird das Kältemittel expandiert, worauf
die niederdruckseitige Wärmeaufnahme auf Seiten der Wärmequelle folgt (4 nach 1).
Die Wärmeaufnahme erfolgt unterkritisch als Verdampfung innerhalb des
Nassdampfgebiets. Die Wärmeabgabe erfolgt oberhalb der kritischen Temperatur von
31,02 °C, weshalb von einer transkritischen Betriebsweise die Rede ist. Durch die
zusätzliche Nutzung des Erdsondenfeldes als Wärmesenke, kann die massenspezifische
Enthalpiedifferenz bei der Wärmeabgabe erhöht werden (3 nach 3‘), Bei der
Wärmeaufnahme kann so ein zusätzlicher Kühlnutzen pro transportierter
Kühlmitteleinheit erreicht werden (4‘ nach 4). Hierdurch steigt die Leistungszahl des
Kreisprozesses. Der Kälteanlagenbauer erwartete durch die Nutzung des Erdreiches als
zusätzliche Wärmesenke eine Steigerung der Jahresarbeitszahl um bis zu 15 %.
Oberhalb des kritischen Punkts findet zwischen den Punkten 2 und 3 keine isotherme
Verflüssigung mehr statt, sondern eine Enthitzung mit Temperaturgleit des
überkritischen Kältemittels. Durch zusätzliche Wärmeübertragung zwischen Kältemittel
und Erdsondenanlage (Punkte 3 und 3‘), wird die spezifische Enthalpiedifferenz erhöht
und
dadurch
die
Leistungszahl
des
Kreisprozesses
verbessert.
Der
Kälteanlagenhersteller erwartete wurde durch die Erdreichkopplung eine Steigerung
der
Jahresarbeitszahl
bis
zu
15 %.
Das Erdsondenfeld dient weiterhin als Wärmequelle einer Wärmepumpen-Schaltung,
die den Heizbetrieb bei tiefen Außenlufttemperaturen unterstützen soll oder im
Sommer zur direkten Kühlung des Supermarktinnenraums über einen
zwischengeschalteten Plattenwärmetauscher zugeschaltet werden kann. Durch die
Nutzung der Erde als Speichermedium sowohl für den Heiz- als auch den Kühlbetrieb,
soll eine schnelle Regeneration des Erdspeichers gesichert werden. Denn im Sommer
wird Wärme dem Erdreich zugeführt und im Winter wieder entzogen. Damit soll eine
langfristige, einseitige Temperaturänderung im Erdboden vermieden werden.
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20 | 133
Projektbeschreibung
Abbildung
g 10 Log p, h Diagramm: Kältemittelun
nterkühlung und Effizienzzsteigerung im
m
überkritischen Betrieb durch
d
die Geo
othermieanlaage (Quelle: Hafner-Musch
H
hler)
Das Verdicchteraggregaat ist in einem
m, vom Verkkaufsraum se
eparierten Ma
aschinenraum
m,
aufgestelltt (siehe Abbildung 12). Die
D Kühlmöbeel im Laden sind so gena
annte RemoteeKühlmöbel, das heißtt sie sind – wie auch
h die Kühlzzellenverdamp
pfer und d ie
Backautom
mat-Verdamp
pfer - über Rohrleitungen
R
n, die gegen
n thermische Verluste unnd
Tauwasserrbildung iso
oliert sind, mit dem Verdichterag
ggregat verrbunden. D ie
m
kältemittellführenden Rohrleitungen
R
n, sowie die TTauwasserabffluß-Rohrleitu
ungen, sind im
Verkaufsraaum in Fußbo
odenkanälen verlegt.
Nachfolgend wird daas Regelkon
nzept der Kälteanlage kurz erläuttert. Für d ie
Konservierrung der Lebeensmitteln so
oll die Kältea nlage zwei Temperaturbe
T
ereiche an deen
unterschiedlichen Kühlstellen, 0..4 °C
° für die No
ormalkühlung (NK) und -23..-20 °C füür
die Tiefkü
ühlung (TK), gewährleiste
en. Zusätzlicch soll durch
h die Kühlun
ng über zw
wei
Direktverdampfern diee Temperaturr des Backraaums auf ein
nen Sollwert von maximaal
27°C geregelt werden.
Ein wichtig
ger Punkt für eine hohe Effizienz von
n CO2-Anlage
en ist die Minimierung deer
Betriebszeiten im traanskritischen Betrieb. A
Andererseits kann die Effizienz dees
transkritiscchen Betrieb
bs, durch ein
ne größtmö gliche Unterrkühlung des Kältemitteels
verbessert werden. Dies
D
wird bei dieser Anlage mit der Einbindung eineer
Erdsonden
nanlage in den Verbun
nd realisiert. Durch die Nutzung der
d
niedrigeen
Erdreichtem
mperaturen wird
w das Kältemittel nach
h dem Gaskü
ühler zusätzlich unterkühllt.
Somit können höhere Enthalpiediffe
E
erenzen und COP´s erreicht werden. Weiterhin
W
kannn
der Superm
markt auch im Sommer über
ü
die Erdssondenanlage
e durch einen zusätzlicheen
Plattenwärrmetauscher gekühlt werd
den.
Der Kältevverbund ist ein
e Boostersyystem. Bei d
dieser Schaltu
ung wird ein
ne zweistufigge
Verdichtun
ng durch zweei in Reihe ge
eschalteten eeinstufigen Ve
erdichtergrup
ppen realisierrt.
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Projektbeschreibung
Die Anlag
ge hat som
mit einen gemeinsamen
g
n Kältemitte
el- und Ölk
kreislauf. Daas
Boostersysstem ist in drei Druck
kabschnitte eingeteilt: Hochdruckab
bschnitt (HD
D),
Mitteldruckabschnitt (M
MD) und Niederdruckab
bschnitt (ND). Abbildung 11 zeigt d ie
schematiscche Anordnung der untersschiedlichen Druckabschn
nitte und Anla
agenteile.
g 11 Vereinfacchtes Fließbild des Kälteveerbunds
Abbildung
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Projektbeschreibung
Der Hochdruckabschnitt beginnt beim NK-Verdichterverbund und verläuft über den
Wärmerückgewinnung (WRG)-Plattenwärmetauscher, den Gaskühler und den
Erdsonden-Plattenwärmetauscher bis zum Hochdruckregelventil. Während dem
Monitoring-Zeitraum wurde der Hochdruck im subkritischen Betrieb konstant geregelt.
Ab Juli 2013 wurde eine außenluftgeführte Hochdruckregelung implementiert, bei der
das Druckniveau anhand der Außenlufttemperatur linear zwischen 45,0 und 66,0 bar
geregelt wird. Durch diese Regelung kann die Leistungsaufnahme der NK-Verdichter
reduziert und Energie eingespart werden.
Im Heizbetrieb wird der transkritische Betrieb freigeschaltet, wenn die
Heißwasservorlauftemperatur den Wert von 31 °C unterschreitet, um somit zusätzliche
Abwärme zu erzeugen, die in die Heizkreisen eingespeist werden kann. Der Druck im
transkritischen Betrieb wird konstant auf einen Sollwert von 75 bar geregelt. In dieser
Betriebsweise, wenn die am Austritt des WRG-Plattenwärmetauschers gemessene
Heißwasservorlauftemperatur 29 °C unterschreitet, wird der Heizbetrieb über die
Schaltung des Wärmepumpenverdichters unterstützt. Das Kältemittel verdampft in dem
Geo-Verdampfer und nimmt die Wärme aus dem Erdsondenfeld über einem
zwischengeschalteten Sole-Kreislauf auf. Über den Wärmepumpenverdichter wird die
eingebrachte Wärme auf das Hochdruckniveau angehoben und dem Heizsystem über
dem Wärmerückgewinnung-Plattenwärmetauscher wieder zur Verfügung gestellt. Der
Sole-Zwischenkreislauf schützt den Wärmepumpen-Wärmetauscher vor Vereisung bei
zu tiefen Verdampfungstemperaturen.
Im Sommer ist der subkritische Betrieb ab einer gewissen Außenlufttemperatur nicht
mehr möglich. Im vorhandenen Fall wird die Anlage ab einer Außenlufttemperatur von
20 °C transkritisch gefahren und der Hochdruck auf einem konstanten Sollwert von
75 bar geregelt.
Nach der Unterkühlungsstrecke wird das Kältemittel durch das Hochdruck-Regelventil
in einer nachgeschalteten Mitteldruckflasche im Mitteldruckabschnitt auf einen Druck
von 35 bar entspannt. In der Mitteldruckflasche entsteht Flashgas, das durch ein
Bypassventil an die Saugleitung der Hochdruckverdichter, nach der Kühlung im
Unterkühler und der Mischung mit dem Heissgas aus den TK-Verdichtern, dem
Sauggas aus den NK-Kühlmöbel und den Backshop-Verdampfern, an die Saugleitung
der Hochdruckverdichter zugeführt wird. Diese Bypassleitung ermöglicht eine Senkung
des Drucks in den MD- und ND-Abschnitten. Hierdurch können StandardDruckkomponenten genutzt werden.
Das flüssige Kältemittel strömt zu den elektronischen Expansionsventilen der Normalund Tiefkühlstellen und expandiert vor dem Eintritt in den NK- und TK-Verdampfern.
Einen zusätzlichen Verdampfer bildet der Wärmepumpen-Wärmetauscher. Nachts, an
Feier- und Sonntagen werden die NK-Kühlregale mit automatisierten „EnergiesparRollos“ abgedeckt. Diese begrenzen den Wärmefluss zwischen dem Verkaufsraum und
den Kühlregalen und somit Stand-by Kälteleistung und Verluste.
Im Laufe des Projekts wurde ein von der Fa. Wurm GmbH entwickeltes Regelverfahren
„Frigotaktplus“ zur Optimierung der Verdampfungstemperaturen in Kühlstellen
implementiert. Das Verfahren basiert auf einer „Online-Modellierung der
Komponenten einer Kälteanlage und soll eine Online-Gesamtoptimierung der
Arbeitspunkte
von
Kühlstellen
und
Verbundanlage
verwirklichen“.
Die
Kühlstellentemperaturen werden stetig geregelt, um die Solltemperaturen mit
möglichst hohen Verdampfungstemperaturen zu erreichen. Dafür werden die
erforderlichen Verdampfungstemperaturen der Kühlstellen ständig neu berechnet. Die
„schlechteste“ Kühlstelle übergibt den Sollwert an den Verbundregler weiter. Somit
wird die Priorität auf die einwandfreie Qualität der Kühlprodukte gelegt.
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Abbildung 12 Kälteverbund der Fa. Hafner-Muschler
Abbildung 13 Gaskühler im Außenbereich des Supermarkts
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Projektbeschreibung
2.3.3
Kältemittelwahl
Für die Kälteerzeugung wurde das natürliche Kältemittel Kohlendioxid ausgewählt.
Kohlendioxid hat eine lange Tradition in der Kältetechnik: Ende des 19.Jahrhunderts
war es ein Standardkältemittel. Erst nach der Entdeckung der günstigen Eigenschaften
der halogierten Kohlenwasserstoffen (FCKWs) hat Kohlendioxid seine Marktposition
Mitte des 20. Jahrhunderts verloren. Seit einigen Jahren und unter der immer
dringenden
Notwendigkeit
die
Ozonschicht
zu
schützen
und
die
Treibhausgasemissionen zu reduzieren, erleben natürliche Kältemittel wie Kohlendioxid
als Ersatz für die klima- und ozonschädigenden HFCKW und FCKW eine Renaissance.
Tabelle 3 Werte von Treibhausgaspotentialen unterschiedlichen Kältemitteln
Kältemittel
R404A
R134a
R410A
R507
R407C
GWP100
[CO2 = 1]]
3750
1610
1890
3800
1600
Kohlendioxid ist kostengünstig und verfügt über gute umwelttechnische und
thermodynamische Eigenschaften. In kleinen Konzentrationen ist Kohlendioxid nicht
toxisch, nicht brennbar und chemisch inaktiv. Es besitzt dazu kein Ozonabbaupotenzial
(ODP=0) und ein vernachlässigbares Treibhauseffektpotential (GWP=1). Daher sind
Rückgewinnung und Entsorgung nicht notwendig. Durch seine sehr hohe
volumetrische Kälteleistung können Anlagen und Komponenten kompakter gebaut
werden. Die hohen Wärmeübergangskoeffizienten im Zweiphasengebiet ermöglichen,
die Verdampfungstemperaturen durchschnittlich um 2 K anzuheben, was wiederum
die Kälteleistungszahl verbessert. Die technische Bezeichnung von Kohlendioxid als
Kältemittel lautet R744.
Ein Nachteil von Kohlendioxid sind die hohen Betriebsdrücke, die besondere
Anforderungen an Komponenten wie Verdichter, Wärmetauscher, Armaturen und
Leitungen stellen. Weiterhin liegt die kritische Temperatur von Kohlendioxid mit 31 C
auf einem sehr niedrigen Temperaturniveau im Vergleich zu anderen marktüblichen
Kältemitteln. Dies erfordert je nach Wärmeträgertemperatur auf der Hochdruckseite
einer transkritischen Betriebsweise, ohne Kondensation des Kältemitteldampfes. Unter
diesen Bedingungen reduziert sich die Energieeffizienz der Anlage gegenüber einem
Kaltdampfprozess mit Verflüssigung signifikant und damit steigen indirekt die CO2Emissionen durch den erhöhten Stromverbrauch.
Dennoch können transkritische CO2 Kälteanlagen heute mit marktverfügbaren und
standardisierten Komponenten gebaut werden. Weiterhin können transkritische
Kälteanlagen, bei denen die Abwärme auf der Hochdruckseite zu Heizzwecken genutzt
wird, sich wirtschaftlich und umwelttechnisch günstig einsetzen lassen. Aus dieser
Grundlage wurde von ALDI SÜD die Entscheidung getroffen, Kohlendioxid als
Kältemittel in dem ALDI Supermarkt einzusetzen.
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Projektbeschreibung
2.3.4
Kühlstellen
Als Kühlstellen bzw. Kühlmöbel werden Geräte oder Bereiche bezeichnet, in denen
durch die Verdampfung vom Kältemittel Wärme aus einem abgegrenzten Raum
entzogen wird, um eine Solltemperatur zur Lagerung unterschiedlicher Lebensmittel
einzuhalten.
Folgende Kühlstellen sind im ALDI Supermarkt vorhanden:




Kühlräume kommen nach der Anlieferung von Kühl- und Tiefkühlprodukten
zur Einhaltung der Kühlkette während der Zwischenlagerung zum Einsatz.
Zwei Kühlzellen für die Pluskühlung (+4 °C) und Tiefkühlung (-23 °C) sind
vorhanden. Sie werden mit Verdampfern gekühlt. Ihre Kälteleistung beträgt
5.0 kW.
Kühlregale dienen der Darbietung von Kühlprodukten wie Molkereiprodukte,
Wurstprodukte etc. auf Plustemperaturen (+4 °C) für den Endkunden. Bei ALDI
SÜD sind die Kühlregale standardweise ohne Glastüren ausgestattet. Im ALDI
Supermarkt sind 7 Kühlregale mit einer Höhe von 2,04 m, eine Gesamtlänge
von 23,75 m und einer entsprechenden Displayfläche von 33.5 m² installiert.
Die Kälteleistung der Kühlregale beträgt 42.2 kW.
Kühltruhen werden sowohl für Normal- als für die Tiefkühlung verwendet. Bei
ALDI SÜD sind sie standardmäßig mit Schiebedeckeln aus 2-fach
Isolierverglasung ausgestattet. Der Truhenblock hat eine gesamte Länge von
24,24 m. Die Kälteleistungen der TK- und der NK-Kühltruhen betragen
16.7 kW bzw. 3.1 kW.
Im Backraum sind zwei Verdampfer installiert, um die Wärme aus dem
Backautomat abzuführen. Die Raumtemperatur wird auf einen Sollwert von
27 °C geregelt. Die Abwärme aus dem Backautomat wird von der zentralen
Kälteanlage für Heizzwecke zurückgewonnen. Die Kälteleistung der
Backraumverdampfer beträgt 15 kW.
Im Rahmen dieses Projekts wurden innovative Konzepte zur Steigerung der
Energieeffizienz der Kühlstellen entwickelt, eingesetzt und getestet:



Remote-Kühltruhen wurden eingesetzt, die kältetechnisch mit der zentralen
Kälteanlage verbunden sind (siehe Abbildung 14). Die Verflüssigung bzw.
Kühlung des Kältemittels erfolgt hier nicht wie bei steckerfertigen Kühltruhen
im Verkaufsraum sondern im außenliegenden Gaskühler. Durch diese
Maßnahme wurde angestrebt, aufgrund der durchschnittlich tieferen
Rückkühltemperaturen, zur Steigerung der Gesamtenergieeffizienz der
Kälteerzeugung beizutragen. Ein weiterer Vorteil ist eine verminderte
Lärmbelästigung, aufgrund der aus dem Verkaufsraum ausgelagerten
Kompressoren. Im Gegensatz zu steckerfertigen Tiefkühltruhen, bei der die
Wärme des Druckgases das Kondensat verdunstet, wird das anfallende
Kondensat beim Abtauen an einem Tauwasserabflusssystem angeschlossen.
Als Expansionsorgane werden elektronische Expansionsventile eingesetzt.
Die Temperaturregelung der Kühlmöbel erfolgt durch die Regelung des
Kältemittelflusses mittels des elektronischen Expansionsventils.
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Projektbeschreibung



Die Belüftung der Tiefkühltruhen und der Kühlregale erfolgt mit
hocheffizienten EC-Motoren .
Alle Kühlregale und Kühltruhen wurden mit LED-Leuchten ausgestattet. Durch
den Wechsel von Leuchtstoffröhren zu LEDs werden ca. 50%
Energieeinsparung für die Beleuchtung und aufgrund einer Reduzierung des
zusätzlichen Wärmeeintrags in die Kühlmöbel erwartet. Zum Zeitpunkt der
Planung dieses Projekts waren Leuchtstoffröhren bei der Beleuchtung von
Kühl-/Gefriermöbeln und in Kühl-/Gefrierräumen Standard. Inzwischen hat
sich die LED-Technologie als Stand der Technik im Bereich der
Kühlmöbelbeleuchtung durchgesetzt.
ALDI SÜD setzt ihr Merchandising-Konzept auf offene Kühlregale, ohne
Glastüren. Um den Wärmeaustausch zwischen Verkaufsraum und Kühlregale
zu begrenzen wurde eine neuartige, automatisch gesteuerte luftdichte
Abdeckung für die Kühlregale von der Fa. Tebeg entwickelt und eingesetzt
(Abbildung 15). Diese wird während der Schließstunden des ALDI Supermarkts
automatisch heruntergefahren. Durch die Wärmedämmung im inneren der
Lamellen der Abdeckung und einer hohen Luftdichtigkeit wird eine höhere
Dämmwirkung als bei Glastüren erreicht. Der Verzicht auf Glastüren, die auch
während der Öffnungszeiten Einsparungen erzielen sollen, erfolgte aufgrund
einer Untersuchung der Fa. ALDI SÜD, die gezeigt hat, dass bei hoher
Kundenfrequenz Glastüren nur während der Nachtstunden wirklich
Einsparungen erbringen. Während des Tages kann es durch ständiges Öffnen
der Türen und die damit verbundene erzwungene Luftströmungen, sogar zu
einem Mehrverbrauch kommen. Durch den Einsatz der Nachtabdeckung
wurde eine Einsparung von mindestens 30% gegenüber nächtlich nicht
abgedeckter Kühlregale erzielt.
Abbildung 14 Remote-Kühltruhen mit isolierter Verglasung und LED-Beleuchtung Quelle ALDI SÜD
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Projektbeschreibung
Abbildung 15 Kühlregale mit Nachtabdeckung als Wärmeisolation – Quelle ALDI SÜD
2.3.5
Geothermieanlage
Auf der Basis von wissenschaftlichen Untersuchungen im Rahmen des EnOBProgramms wurde gezeigt, dass sich die annähernd konstanten Temperaturen des
Erdreichs ab ca. 100 m energetisch und betriebstechnisch besonders gut für die
Kühlung und Heizung von Gebäude eignen1. In dem betrachteten Supermarkt fungiert
der Untergrund sowohl als Kälte- als auch als Wärmequelle, angeschlossen über ein
oberflächennahes Erdsondenfeld
Die Auslegung des Erdsondenfelds erfolgte auf Grundlage einer Berechnung des
Heizwärme- und Kältebedarfs des Gebäudes, die von der Fa. Zent-Frenger erstellt
wurde. Die Parameter des Erdsondenfelds und der Wärmepumpenkomponenten
wurden jeweils für den Heiz- und den Kühlfall ermittelt. Es ergab sich eine erforderliche
minimale Anzahl an Bohrmetern von 560 m. Als Wärmeträgerfluid zwischen den
Kältemittelkreisläufe der Abwärme-Plattenwärmetauscher, dem Plattenwärmetauscher
zur freien Kühlung und dem Erdreich wurde Wasser benutzt. Da während dem Betrieb
der Wärmepumpe Fluidtemperaturen unter 0 C auftreten können, wurde ein
Zwischenkreislauf mit einem Wasser-Glykol-Gemisch mit einem Schmelzpunkt unter
1
„Heating and cooling concepts employing environmental energy and thermo-active building systems for
low energy buildings” - Dissertation Dr.-Ing. Doreen Kalz - 2009.
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Projektbeschreibung
0 C als Wärmefluid zwischen dem Wärmepumpen-Wärmetauscher und dem
Erdsondenkreislauf verwendet. Die Auslegungsdaten des Erdsondenfelds sind in der
Tabelle 4 zusammengefasst.
Tabelle 4 Auslegungsdaten des Erdsondenfelds
Wärmebedarf während der Nacht:
- Verluste durch die Gebäudehülle
+ Wärmeentzug Kühlmöbel - Prozessabwärme aus
Kälteverbund)
Erforderliche geothermische Entzugsleistung
Erfordeliche Anzahl Borhmeter ( 50 W/lfm für de
36 kW
Anzahl Sonden
28 kW
560 lfm
6
Eingebaute Sondenlänge:
582 m (6 x 97 m )
Sondentyp:
Doppel U-Rohr
Medium
Wasser
Ungestörte Erdreichtemperatur:
13,3 C
Mittlere effektive Wärmeleitfähigkeit:
Borhlochwiderstand:
3,03 W/m.K
0,08 m.K/W
Thermal Response Test
Vor dem Einbau der Erdsonden wurde eine Charakterisierung der thermischen
Leistungsfähigkeit des Erdreichs mit Hilfe eines Thermal Response Tests (TRT) von der
Fa. bgm Baugrundberatung GmbH durchgeführt. Die Geologen haben die
Temperaturtiefenprofile aufgenommen, die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden
Gesteins und den thermischen Bohrlochwiderstand bestimmt. Die mittlere ungestörte
Erdreichtemperatur für den Tiefenbereich 0 bis 97 m betrug 13,4 C. Für die Tiefenzone
15 m bis 97 m, außerhalb des Einflussbereichs der Witterung, betrug die mittlere
ungestörte Temperatur 13,3 C. Die mittlere effektive Wärmeleitfähigkeit betrug λeff =
3,03 W/m.K und der thermische Bohrlochwiderstand Rb = 0,08 m2.K/W.
Abbildung 16 zeigt die Temperaturtiefenprofile vor Beginn, unmittelbar im Anschluss
an den TRT und 2 Std. nach dem TRT. Über die gesamte Sondentiefe kühlt sich das
Wasser nicht gleichmäßig ab, wie von dem nicht parallelen Verlauf der
Temperaturtiefenprofile geschlossen werden kann. „Wärmestaus“ sind ersichtlich in
den Tiefenlagen zwischen 55 und 65 m sowie um die 70 m. Diese werden durch Böden
höheren Wärmekapazitäten wie wasserundurchlässige Schluff- und Tonschichten
verursacht. In den übrigen Tiefenabschnitten der Sonde transportiert das fließende
Wasser die Wärme ab. Die Unterschiede zwischen den Temperaturtiefenprofilen vor
und nach dem TRT zeigen deutlich den großen Einfluss des am Standort ergiebigen
Grundwasserstromes. Fließendes Grundwasser soll sich positiv auf den Betrieb dieser
Erdwärmesondenanlage auswirken, da durch die Strömung im Sommer ständig Wärme
aus der Kältemittelunterkühlung abgeführt werden kann. Im Winter wird Wärme durch
Grundwasser nachgeliefert, wodurch die thermische Regeneration des Erdsondenfeldes
unterstützt wird.
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Projektbeschreibung
Abbildung
g 16 Temperaaturtiefenpro
ofile in der E WS vor, unm
mittelbar nacch, und 2 Stdd.
nach dem Thermal Resp
ponse Test (Q
Quelle: bgm G
GmbH).
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Bauliche U
Umsetzung
Abbildung
g 17 zeigt diee Anordnung
g der Erdwärrmesonden (E
EWS) neben der ALDI SÜ
ÜD
Filiale. Dass Erdsondenfeeld besteht aus
a sechs Son
nden mit jew
weils einer Län
nge von 97 m
m.
Die Erdsonden sind als
a Doppel-U
U-Rohr ausgeeführt. Sie sind
s
unter dem
d
Parkplattz
geometriscch linear angeordnet und parallel an d en EWS-Scha
acht angebun
nden.
Abbildung
g 17 Anordnu
ung der Erdw
wärmesonde auf dem Parkplatz der ALLDI SÜD Filia le
(Quelle: bg
gm GmbH).
Abbildung
g 18 zeigt diee Bohrlocharb
beiten unter Einsatz einerr Bohrlochma
aschine, die im
m
Sommer 2010 stattgefu
unden haben
n.
Fraunhofer ISSE
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ALDI
A
SÜD GmbH
H & Co KG
31 | 133
Projektbeschreibung
Abbildung 18 Bohrarbeiten für das Erdsondenfeld – Quelle ALDI SÜD.
Abbildung 19 Anschluss des Erdsondenfelds an die Kälteanlage - Quelle: FhG ISE.
Abbildung 19 zeigt den Anschluss der Zuleitung vom Erdsondenverteiler zum Gebäude
mit dem Kältekreislauf. Von dort werden die Rohrleitungen mit Zweigstellen an drei
Wärmeübertrager
angeschlossen.
Der
jeweilige
Massenstrom
zu
den
Wärmeübertragern kann mittels Ventilen an den Zweigstellen geregelt werden. Der
Kreislauf wird mit einer Umwälzpumpe Wilo IP E 40/120 mit einer Nennleistung von 1,5
kW versorgt. Die Pumpe wird drehzahlgeregelt betrieben, wobei ein konstanter
Differenzdruck von 3,3 bar als konstanter Sollwert vorgegeben wird. Das Schema des
Primärkreislaufs ist in Abbildung 20 dargestellt.
Fraunhofer ISE
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32 | 133
Projektbeschreibung
Abbildung 20 Schema des Primärkreislaufs von den Erdwärmesonden zu den
Wärmeüberträgern
2.3.6
Heizungskonzept
Die Abwärme aus dem CO2-Kreislauf wird auf einem Temperaturniveau von 35 C
genutzt und wird in ein Wärmeübergabesystem gefordert, das dazu geeignet ist bei
einem solch niedrigen Temperaturniveau ausreichend Wärme in die zu
konditionierenden Bereiche zu transportieren. In der neuen Filiale wird die
Temperierung des Verkaufsraums, des Lagerraums und der Eingangsschleuse durch
eine Betonkerntemperierung: (BKT) gewährleistet, welche von der Firma Zent-Frenger
geplant, gebaut und in Betrieb genommen wurde. Mittels der BKT werden
Transmissions- und Lüftungsverluste, aber vor allem der Wärmeabtransport durch die
Kühleinrichtungen kompensiert, ggf. kann die BKT aber auch für Kühlzwecke mit
Kaltwasser beaufschlagt werden. Da die Eingangsschleuse thermisch aktiviert wurde,
wurde auf den Einsatz von Luftschleiern im Bereich der Eingangsschleuse verzichtet.
Eine Brauchwassererhitzung ist nicht vorhanden.
Die BKT ist in vier Hauptkreisen unterteilt, wobei die gesamte aktivierte
Übertragungsfläche ca. 666 m² beträgt. Jeder Kreis wird über einen Verteiler mit
Verteilerventil versorgt. Im stationären Heizfall kann eine Heizleistung von ca. 30 kW,
bei einer Vorlauftemperatur von 30 C, einer Rücklauftemperatur von 26 C und einer
Raumtemperatur von 20 C erreicht werden. Im stationären Kühlfall beträgt die
thermische Leistung 32,91 kW, bei einer Vorlauftemperatur von 16 C, einer
Rücklauftemperatur von 20,4 C und einer Raumtemperatur von 26 C.
Die BKT-Verteilkreise sind als Beimischschaltungen ausgeführt, die über Wilo
Umwälzpumpen vom Typ IP E 40/115 mit einer Nennleistung von 0,55 kW verfügen.
Über ein Dreiwegeventil wird eine die Vorlauftemperatur in Abhängigkeit der
Außenlufttemperatur geregelt. Ausschaltkriterium der BKT-Pumpe im Heizbetrieb ist
ein Unterschreiten des Temperaturhubs zwischen Vorlauf und Rücklauf von 3 K.
Weiterhin wird die Drehzahl der BKT-Pumpe mittels einer 4-Stufenregelung in
Abhängigkeit der Klappenstellung der 4-BKT Verteilerventile geregelt. Der BKTKreislauf verfügt über einen bidirektionalen Wärmemengezähler.
Das Büro und die Sozialräumen werden über einen separaten Kreislauf, der eine
Fußbodenheizung versorgt, beheizt.
Fraunhofer ISE
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33 | 133
Projektbeschreibung
Abbildung 21 Installationsarbeiten der Betonkerntemperierung
Fraunhofer ISE
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34 | 133
Projektbeschreibung
2.3.7
Lü
üftungskonzzept
Da die th
hermische Grundlastkond
G
ditionierung (Heizen und Kühlen) über
ü
die BK
KT
vorgenommen wird, dient die Lüftungsanlag
L
ge lediglich zur Gewäh
hrleistung dees
erforderlichen hygieniscchen Mindestluftwechselss. Hierdurch konnte die Lüftungsanlagge
und das K
Kanalnetz auff ca. ein Dritttel der Größ
ße einer üblicchen Anlage,, die auch zuur
thermischeen Raumluftkkonditionierung eingesetztt wird, verkle
einert werden
n.
Abbildung
g 22 zeigt das
d Schema der Lüftung
gsanlage, die
e mit einem
m Register zuur
Nacherhitzzung/-kühlung,
einem
Rotaationswärmettauscher
für
d ie
Wärmerücckgewinnung ausgestatttet und d
drehzahlgeregelten Ven
ntilatoren aals
Hauptkom
mponenten au
usgestattet ist. Im Winter wird die Zulluft in den Supermarkt m
mit
einer konsstanten Tem
mperatur von 22°C, leich
ht über dem
m Raumtempe
eratursollwerrt,
zugeführt, um das Aufttreten von Zu
ugerscheinun
ngen zu vermeiden. Im Som
mmer wird d ie
Zulufttemp
peratur überr den Luftkü
ühler, der üb
ber das Erdsondenfeld versorgt
v
wirdd,
gekühlt. D
Die Drehzahleen der Zu- und
u
Abluftven
ntilatoren we
erden in Abh
hängigkeit deer
Raumluftq
qualität mittells eines CO2-FFühlers gereg
gelt. Die Lüftu
ungsanlage wird
w mit 100%
%
Außenluft betrieben und
u
fördert einen Nennl uftvolumensttrom von 46
600 m3/h. Deer
Verkaufsraaum wird mit einem Lufftstrom von 4000 m3/h beb und entlüftet und d ie
, Aktenraum
Nebenräum
me (Lager, Personalraum
P
m, Garderobe
e, Vorraum) mit 600 m3/hh.
Der maxim
male Nennlufftvolumenstro
om wurde aauf Basis ein
nes Frischluftvolumentrom
ms
von 40 m3/h pro Person ausgelegt. Bezogen auff das Verkaufsraumvolum
men wird som
mit
ein maximaler Luftwech
hsel von ca. 0,75
0
h-1 erzeu
ugt.
m
Der Backkshop wird separat mit
m
Zu- un
nd Abluftve
entilatoren mit
einem
Nennluftvo
olumenstrom
m von 950 m3/h be- und entlü
üftet. Die Toiletten
T
unnd
Kältemaschinenräume werden
w
mit Abluftventilat
A
toren entlüfte
et.
g 22 Schema der Lüftungsanlage – Queelle (Planungssbüro Peter Sawitzki)
S
Abbildung
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SÜD GmbH
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35 | 133
Projektbeschreibung
2.4
Beleuchtung
2.4.1
Hintergrund
Das natürliche Licht hat einen positiven Einfluss auf das Wohlbefinden und die
Leistungsfähigkeit von Menschen. Studien haben gezeigt, dass neben der
Leistungsbereitschaft der Mitarbeiter, Tageslicht die Kaufbereitschaft von Kunden
fördern kann [1]. Weiterhin steht Tageslicht als Lichtquelle mit einer zeitlichen und
saisonalen variablen Intensivität kostenlos zur Verfügung. In Supermärkten trägt der
Stromverbrauch von Beleuchtungsanlagen mit bis zu 25 % zu den Energiekosten eines
Supermarkts bei. Durch tageslichtabhängige Kunstlichtregelungen können signifikante
Mengen an Energie eingespart werden, und den visuellen Komfort erhöht werden.
Aufgrund der speziellen Nutzungsanforderungen in Supermärkten sind jedoch beim
Umgang mit Tageslicht besondere Maßnahmen zu treffen. Zuerst darf die Qualität der
Waren durch eine übermäßige direkte Lichtstrahlung nicht beeinträchtigt werden.
Hierzu sind geeignete Sonnenschutzmaßnahmen vorzusehen. Dann muss sich für die
Wareninszenierung das einfallende Licht möglichst gleichmäßig im Raum verteilen.
Blendungen und Überstrahlungen müssen vermieden werden. Letztlich muss darauf
geachtet werden, dass die Räumlichkeiten durch direkte Sonneneinstrahlung nicht
überhitzen. Hierzu wurden im Rahmen dieses Projekts spezielle Lichtkuppeln entwickelt
und in einem Simulationsmodell abgebildet, die den direkten Anteil des Sonnenlichtes
nach außen reflektieren. Mit Hilfe des Simulationsmodells wurde bei der Lichtplanung
der neuen Filiale die Einbeziehung des Tageslicht sorgfältig untersucht, um gleichzeitig
die Waren vom direkten Tageslicht zu schützen, ein optimales Raumempfinden für den
Menschen zu erreichen und den Energieverbrauch durch Kunstlichtanlagen zu
reduzieren.
In der DIN EN 12464-1 „Beleuchtung von Arbeitsstätten“ werden die Sollwerte der
Beleuchtungsstärke in Verkaufsstätten auf 300 Lux im Verkaufsbereich und 500 Lux im
Kassenbereich festgelegt. In ALDI SÜD Filialen wird jedoch während der Öffnungszeiten
mit 700 Lux bei einer Höhe von 1,3 Meter über dem Boden höhere Niveaus der
Beleuchtungsstärke im Verkaufsraum praktiziert. Auf Basis der Sollwerte für die
Beleuchtungsstärke und mit Hilfe von Simulationsrechnungen wurden folgende Ziele
bei der Nutzung vom Tageslicht definiert:


2.4.2
Eine Reduzierung des Kunstlichtenergieverbrauchs der neuen Filiale um 29 %
gegenüber einer Standardfiliale.
Ein guter visueller Komfort für Kunden und Mitarbeiter.
Tageslichtkonzept
Um den speziellen Anforderungen eines Supermarkts gerecht zu werden, musste das
Tageslichtsystem speziell entwickelt werden. Durch eine geeignete Anordnung der
Oberlichter im Dach konnte eine gleichmäßige Verteilung des Tageslichts im Verkaufsund Lagerraum erreicht werden. Eine Selektion des einfallenden Lichts wird durch
1
L. Edwards and P. Torcellini, A Literature Review of the Effects of Natural Light on Building Occupants,
National Renewable Energy Laboratory, 2002
Fraunhofer ISE
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36 | 133
Projektbeschreibung
Microrasterelemente
im
Scheibenzwischenraum
einer
dreifachen
Wärmeschutzverglasung ermöglicht. Der Sperr- und Durchlass-Bereich der Oberlichter
ergibt sich aus der Anordnung von speziell geformten Quer- und Längslamellen,
wodurch die die Transmission von Licht nur bei einem bestimmten Einfallwinkel
ermöglicht wird. Die Längslamellen sind in Ost-West Richtung angeordnet, damit nur
diffuses Tageslicht die Innenräume versorgt und die Lamellen sind mit Reinstaluminium
beschichtet, um die direkte Sonnenstrahlung aus Süden zu reflektieren und
Raumüberhitzung und Blendungen zu vermeiden.
Der Entwurf einer neuen ALDI-untypischen Flachdachkonstruktion war notwendig, um
die Oberlichter in das architektonische Konzept zu integrieren.. Insgesamt wurden 28
Dachkuppeln verbaut. Auf eine abgehängte Decke wurde verzichtet, wodurch die
Flachdachkonstruktion aus Brettschicht-Holzbindern sichtbar bleibt (
Abbildung 23).
Die technischen Daten der Verglasungen mit Microraster sind in Tabelle 5 aufgelistet.
Tabelle 5 Technische Daten der Verglasungen – Quelle StartDesign
Scheibenzwischenraum
Gesamtenergiedurchlassgrad(gWert)
Lichttransmission
Wärmedurchgangskoeffizient
Fraunhofer ISE
24 mm
0,14
gerichtet: v = 0 – 55%
diffus: v = 0 – 38%
Verkaufsraum: 1,1 W/m².K
Lager: 1,7 W/m².K
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Projektbeschreibung
Abbildung 23 Innenansicht auf eine Dachkuppel– Quelle StartDesign GmbH
Abbildung 24 Dachkuppel mit intergrierten Microraster – Quelle ALDI SUD GmbH
Fraunhofer ISE
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38 | 133
Projektbeschreibung
2.4.3
Kunstlichtkonzept
Das Kunstlichtniveau der Allgemeinbeleuchtung wird in Abhängigkeit der
Tageslichtintensität geregelt, mit dem Ziel, eine Energieeinsparung von 29 %
gegenüber dem Stromverbrauch einer Standardfiliale für die Innenbeleuchtung zu
erreichen.
Als
Standardfiliale
wird
ein
Supermarkt
verstanden,
der
beleuchtungstechnisch ähnlich wie der ALDI Supermarkt ausgestattet wird, jedoch
ohne Kunstlichtregelung.
Die Innenbeleuchtungsanlagen des ALDI Supermarkts wurden in fünf unterschiedliche
Gruppen unterteilt:



2 Gruppen Allgemeinbeleuchtung mit Reflektorleuchten, T5
Leuchtstofflampen und elektronischen Vorschaltgeräte (EVG). Die
gesamte installierte Leistung beträgt 16,42 kW.
2 Gruppen Kassen- und Effektbeleuchtung für Kosmetik-, Brot-,
Aktionsware-, Obst- und Gemüseregale. Die Kassen sind mit
Reflektorleuchten, T5 Leuchtstofflampen und elektronischen
Vorschaltgeräte (EVG) ausgestattet. Die installierte Leistung für
die
Kassenbeleuchtung
beträgt
1,95
kW.
Für
die
Effektbeleuchtung
wurden
Richtstrahler
als
HalogenMetalldampflampen mit einer Gesamtleistung von 3,86 kW
eingesetzt.
1 Gruppe Lagerbeleuchtung mit Reflektorleuchten, T5
Leuchtstofflampen und elektronischen Vorschaltgeräte (EVG). Die
gesamte installierte Leistung beträgt 0,73 kW.
Hieraus ergibt sich eine durchschnittliche spezifische installierte Leistung von
12,5 W/m²NGF für die Innenbeleuchtungsanlagen.
Die Beleuchtung des Parkplatzes wurde mit Halogen-Metalldampflampen mit einer
Leistung von 3,19 kW ausgeführt. Sie wird in einer separaten Gruppe erfasst. Da es
sich um eine Außenanlage handelt, wurde sie in den Energiebilanzen nicht mit
berücksichtigt.
Die Stromverbräuche der Beleuchtung des Windfangs und der Fassaden sowie der NKund TK-Möbeln werden nicht separat erfasst sondern mit dem Reststrom bzw. mit der
Strommessung der Kühlmöbel.
Fraunhofer ISE
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39 | 133
Projektbeschreibung
2.4.4
Steuer- und Regelkonzept der Beleuchtungsanlagen
Verkaufsraum:
Die Steuerung der Beleuchtungsanlage des Verkaufsraums ist in zwei Regelkreise und
eine Schaltgruppe unterteilt. Die Regelkreise regeln die Allgemeinbeleuchtung der
Nachkassenzone und der Verkaufsfläche. Die Schaltgruppe schaltet die Richtstrahler
der Effektbeleuchtung.
Bei der Allgemeinbeleuchtung sind die elektronischen Vorschaltgeräte (EVG) der
Reflektorleuchten über eine 1-10 V Schnittstelle dimmbar und regeln die Helligkeit des
Kunstlichts über zwei Luxmetern, die sich im Verkaufsraum auf Bodenhöhe befinden.
Das Kunstlicht wird auf eine horizontale Beleuchtungsstärke von 550 lx an diesen
beiden Messpunkten geregelt, um eine Beleuchtungsstärke von 700 lx in 1,30 m Höhe
zu erreichen. Die zwei Regelkreise der Allgemeinbebleuchtung werden gleich geregelt,
sind aber unabhängig voneinander. Bei altersbedingt sinkender Lichtleistung der
Leuchtstofflampen ermöglicht das Dimmen ein zusätzliches Nachregeln. Die
Leuchtstofflampen werden bei Beginn ihrer Lebensdauer mit max. 85% der tatsächlich
installierten Lichtleistung betrieben. Mit dem Nachregeln des Dimmwerts bis auf 100%
kann der Helligkeitsverlust im Laufe der Betriebsdauer der Leuchtstofflampen
ausgeglichen werden. Der Wartungszyklus der Leuchtmittel soll dadurch reduziert
werden.
Im Normalbetrieb kann die Anlage über potentialfreie Kontakte in 4 unterschiedliche
Zustände geschaltet werden.




Alarmbeleuchtung: Diese wird durch die Alarmanlage ausgelöst
und schaltet die Beleuchtungsanlage ungeregelt auf volle
Leistung. Die Richtstrahler bleiben ausgeschaltet.
Die Inventurbeleuchtung kann vom Personal durch einen Taster
aktiviert werden und dient der Beleuchtung von Tätigkeiten mit
höherer Sehaufgabe, die im Verkaufsraum ausgeführt werden,
ohne dass Kunden Zugang haben. Die Beleuchtung wird
abhängig vom Tageslicht auf einem konstanten Wert geregelt.
Dieser entspricht etwa 550 lx Beleuchtungsstärke am Boden. Die
gilt für beide Regelkreise. Der Regelbereich liegt hier bei 10% 85% der Anschlussleistung der Beleuchtung.
Die 3/3-Beleuchtung entspricht der Inventurbeleuchtung. Jedoch
wird diese nicht vom Personal manuell ausgelöst, sondern bei
Freischaltung der Türanlage initiiert.
Die 1/3-Beleuchtung entspricht in der Funktion den
Beleuchtungsmodi 2 und 3 (Alarm- und Inventurbeleuchtung).
Die Aktivierung erfolgt durch das Unscharf-Schalten der
Alarmanlage. Die konstant geregelte Beleuchtungsstärke auf
Höhe der Luxmeter beträgt etwa 180 lx. Die Richtstrahler sind
aus.
Die Richtstrahler der Effektbeleuchtung für Kosmetik-, Aktionsware-, Obst-, Gemüseund Brotregale verfügen über eine tageslichtabhängige Steuerung. Damit können die
Richtstrahler in Abhängigkeit des Tageslichtsniveaus ein- und ausgeschaltet werden.
Aus Marketinggründen wird diese Funktionalität nicht genutzt. Die Waren werden
zeitlich gleichbleibend beleuchtet, um eine attraktive, für den Kunden anziehende
Präsentation des Warenangebots zu gewährleisten.
Fraunhofer ISE
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40 | 133
Projektbeschreibung
Lager:
Es kommt ein Regelkreis mit 2 gekoppelten Präsenzmeldern und integriertem
Helligkeitssensor zum Einsatz. Mittels der beiden Präsenzmelder wird die Anlage
zwischen den Zuständen „Personal anwesend“ und „Personal abwesend“ geschaltet.
Für den Schaltzustand „Personal anwesend“, wird das künstliche Licht so geregelt, dass
sich auf Höhe der Präsenzmelder (1,2 Meter)eine horizontale Beleuchtungsstärke von
120 lx einstellt. Im Schaltzustand „Personal abwesend“ regelt die Beleuchtungsanlage
auf den kleinsten möglichen Dimmwert der Anlage herunter, kurz vor der
Abschaltgrenze. Die Beleuchtungsleistung liegt dann bei etwa 5% der Maximalleistung.
Das Umschalten vom Zustand „Personal anwesend“ zum Zustand „Personal
abwesend“ erfolgt mit einer Latenzzeit von 5 Minuten.
2.5
Dynamische Gebäudesimulation
2.5.1
Ziel
In der Planungsphase hat das Fraunhofer ISE ein komplexes Supermarktmodell mit dem
Simulationsprogramm TRNSYS erstellt, um den primärenergetischen Bedarf der neuen
Filiale zu ermitteln und Energiereduktionsziele gegenüber einer Standardfiliale zu
definieren. Die Verbrauchswerte der Standardfiliale wurden anhand von spezifischen
Energiekennzahlen für die Gewerke Kälteerzeugung, Lüftung, Heizung, Klima und
Beleuchtung aus statistischen Untersuchungen des energetischen Verbrauchs von ca.
300 ALDI SÜD Filialen, die im Jahr 2008 durch die Fraunhofer Institute ISI, UMSICHT
und ISE durchgeführt wurden, definiert. In diesem Abschnitt werden nur die
Grundlagen für die Erstellung dieses Modells erläutert. Weitere Informationen über den
strukturellen Aufbau des Modells können auf Anfrage durch das Fraunhofer ISE
geliefert werden.
Die Gebäudehülle und die unterschiedlichen gebäudetechnischen Anlagen wie Kälte-,
Lüftungs- und Beleuchtungsanlage wurden im Simulationsmodel abgebildet. Mittels
Variation der energetisch einflussreichen Parameter wurde nach optimalen
Anlagenkonfigurationen und Regelungen gesucht, die es ermöglichen, die
Reduktionsziele hinsichtlich des Primärenergiebedarfs der neuen Filiale gegenüber einer
Standardfiliale
zu
erreichen.
Der
EnOB-Bilanzraum,
für
welchen
die
Energiereduktionsziele definiert worden sind, enthält die Gewerke Kälte, Heizung,
Klima, Lüftung und Beleuchtung. In diesem Bilanzraum wird der Stromverbrauch für
die Kassen, IT-Dienste und Infrastrukturen, die Außenbeleuchtung und das
Backautomat nicht berücksichtigt.
Mit dem dynamischen Gebäudemodell konnte somit als Energiereduktionsziel eine
Senkung des Primärenergiebedarfs von 29 % für die Gewerbe Beleuchtung,
Beheizung, Gewerbekälte und Lüftung/Klima definiert werden. Abbildung 25
veranschaulicht die Energiereduktionsziele unter Berücksichtigung des für den EnOBBilanzraums.
Fraunhofer ISE
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Projektbeschreibung
g 25 Primären
nergieverbrau
uch einer Stan
ndardfiliale und der neuen
n Filiale
Abbildung
2.5.2
G
lle, Kälteanl agen und Haustechnik
Kllimadaten, Gebäudehül
Für die thermische Gebäudesimu
G
ulation wurd
den Gebäude
estruktur (Geometrie unnd
Bauteileigeenschaften), Wetterdate
en, Nutzung
gsprofile, so
owie Anford
derungs- unnd
Lastprofile berücksichttigt. Das Ge
ebäudemodelll wurde um
m Anlagenmo
odelle (Kältee-,
Heizungs-,, Lüftungsanlage und Backautomat) ergänzt, um zusätzliche Analysen unnd
Detailuntersuchungen, wie die Besstimmung vo n Energiebed
darfskennwerten oder deen
Einfluss der Anlageenkonzeption und Anllagenleistung
g auf Rau
umklima unnd
Energiebed
darf zu analysieren.
Wetterdateen aus dem
m Testreferen
nzjahr für d
die Klimazone 12 TRY12
2 (Mannheim
m)
wurden als Eingang
gsparameter für die simulierte Filiale verw
wendet. Daas
Mehrzonengebäude, die
d untersch
hiedlichen Baauteile mit ihrer geome
etrischen unnd
physikaliscchen Eigenscchaften sowie die intern
nen Lasten wurden
w
mit der Softwarre
TRNBuild b
beschrieben. Die Kälteanlage wurde m
mit einem ein
nfachen Kenn
nzahlenmodeell
abgebildett. Für die NK-- und TK-Verrbund wurdeen Jahresarbe
eitszahlen von
n 3,7 bzw. 2,,7
berücksichtig
nach
Herstellerangaben
gt.
Kühlmöbel,
Backautomaat,
Betonkerntemperierung
g, Lüftungsan
nlagen und EErdsonden wurden mittelss vereinfachteer
Modelle ab
bgebildet. Ab
bbildung 26 zeigt
z
die Stru ktur des TRN
NSYS_Gebäud
demodells.
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Projektbeschreibung
Abbildung
g 26 Simulatio
onsmodell de
es Supermarkkts
2.5.3
on
Licchtsimulatio
Die zeitlich
he und räum
mliche Verfüg
gbarkeit von Tageslicht im
i Supermarrkt, sowie deer
energetische Bedarf der
d
Beleuchttungsanlagen
n wurden mit
m den Sofftwarepaketeen
Radiance/D
m
Daysim und TRNSYS berrechnet und optimiert. Mit
M Radiance
e und Daysim
wurden die Beleuchtungsstärken, die durch deen natürliche
en Einfluss des
d Tageslichtts
erreicht w
werden können, auf Basis eines
drei-dimensionalen Ge
ebäudemodellls
berechnet. Abbildung
g 27 zeigt eine Erg
gebnisgrafik aus Daysim, die d ie
Beleuchtun
wiedergibt. Die direkte
ngsstärkevertteilung im Supermarkt
S
e und diffusse
Sonnenbesstrahlungstärrke wurden
n dem b ereits erwä
ähnten TRY
Y12-Datensattz
entnommeen.
i aus Radiancce/Daysim mit dem stünd
In TRNSYSS wurde die Ausgabedate
A
dlichen Verlauuf
der Beleucchtungsstärkke für ein Referenzjahr importiert und in die Simulation
S
deer
Kunstlichtaanlage integ
griert. Der Fa
aktor, der d
die Höhe de
er Leistungsa
aufnahme deer
Grundbeleeuchtung steuert, wurd
de für den Verkaufsra
aum und das
d
Lager iin
Abhängigkkeit der Diffeerenz zwisch
hen dem Sol lwert der Be
eleuchtungssttärke und deer
Beleuchtung
vom Tagesslichtsystem verursachten
v
gsstärke berecchnet.
Während der Öffnungszeiten ergib
bt sich der sttündliche Strombedarf au
us der Summ
me
des Stromb
bedarfs für die Grund- un
nd die Effektb
beleuchtung.
Aus der SSimulation ergibt sich ein jährlicher Strombedarff von 53,6 MWh für d ie
Beleuchtun
ngsanlagen. Dieser Wert liegt ca. 30 % unterhalb des Stromverbrauchs eineer
Standardfiliale ohne tag
geslichtabhän
ngige Kunstliichtregelung und wurde als
a Ziel für deen
Stromverbrauch der Beleuchtungsan
nlagen defini ert.
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Projektbeschreibung
Abbildung 27 3D-Tageslichtsimulation des Supermarkts mit
Daysim
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Monitoringkonzept
3
Monitoringkonzept
3.1
Ziele des Monitorings
Um einen dauerhaft energieeffizienten Betrieb zu gewährleisten, sind aus Expertensicht
ein kontinuierliches Monitoring und die Bewertung der relevanten Betriebsgrößen
notwendig. Im Rahmen des Projekts wurde hierfür ein Monitoringkonzept erarbeitet,
dass eine Überwachung des Gebäudebetriebs ermöglicht.
Die Ziele des wissenschaftlichen Monitorings für den ALDI Supermarkt waren:
 Die übergeordnete Bewertung des Energieverbrauchs und eine
Beurteilung hinsichtlich der Erfüllung von festgelegten
Energieverbrauchszielwerten.
 Die Bewertung des Kälteanlagenbetriebs und dem Betrieb anderer
haustechnischer Systeme unter Energieeffizienzkriterien.
 Die Erfüllung von Nutzerkomfortkriterien bezüglich Gewerbekälte,
Raumklima, Tages- und Kunstlicht.
 Die Überprüfung der Regelstrategien und die Sicherstellung
optimaler Regelparameter und Sollwerte.
 Die Zeitnahe und kontinuierliche Überwachung des energetischen
Gebäudebetriebs einschließlich der Identifikation von Fehlern und
Optimierungspotenzialen zur Sicherstellung eines langfristig
effizienten Gebäudebetriebs.
Zahlreiche Gebäudemonitoringprojekte haben gezeigt, dass eine einmalige
Fehlerbeseitigung bzw. Optimierung der versorgungstechnischen Anlagen nicht
ausreicht, um einen dauerhaft energieeffizienten und wirtschaftlichen Betrieb von
haustechnischen Anlagen sicherzustellen. Ein kontinuierliches Erfassen der wichtigsten
Betriebsgrößen, die Umsetzung von Energieeinsparmaßnahmen und der Nachweis der
erzielten
Einsparungen
sind
notwendigen
Bestandteile
eines
Qualitätssicherungsprozess, das in den USA als „Continuous Commissioning“ (CC)
bezeichnet wird. Neben den rein technischen Zusammenhängen spielt hier vor allem
die Einbindung des entsprechenden Personals bzw. Fachkräfte eine Rolle. Im Rahmen
des Projekts wurde ein solches Prozess aufgesetzt und bewertet.
Fraunhofer ISE
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45 | 133
Monitoringkonzept
3.2 Definition von Kennzahlen für die Bewertung des
Gebäudebetriebs
3.2.1
Allgemeines
Grundlage zur Bewertung des energetischen Betriebs des Supermarkts sind Messdaten
aus denen Kennzahlen bzw. Charakteristiken gebildet werden können, die
Informationen über die Güte des Betriebs von Gebäudeteilen liefern. Diese verdichteten
Informationen werden auch als Performance Metrics bezeichnet. Performance Metrics
sollen direkt messbar sein oder indirekt aus messbaren Größen abgeleitet werden
können und eindeutig definiert sein.
Für die Performance Metrics1 gibt es zwei Detaillierungsgrade:
 Level 1 Metrics
Level 1 Metrics sind aggregierte Kennwerte, die sich in einer Zahl
wiedergeben lassen. Typisches Beispiel ist der auf die Nutzfläche
bezogene Energieverbrauch eines Gebäudes in kWh je
Quadratmeter pro Jahr oder Monat.
Diese Kennzahlen erlauben eine schnelle Einordnung des
energetischen Betriebs des betrachteten Systems. Vorrausetzung
ist das Vorhandensein von Zielwerten bzw. Vergleichswerten, die
eine Bewertung bzw. einen Vergleich mit den Messdaten
zulassen.

Level 2 Metrics
Level 2 Metrics sind Kennwerte, die sich nicht mehr in Form eines
einzelnen Wertes darstellen lassen, sondern beispielsweise in
Form eines Kennlinienfeldes einer Anlage dargestellt werden.
Level 2 Metrics ermöglichen eine detailliertere Analyse des
betrachteten Systems.
Für alle zu untersuchenden Anlage bzw. Bereiche des Supermarktprototyps wurden
zunächst Performance Metrics formuliert, um darauf aufbauend die notwendige
messtechnische Ausstattung zu bestimmen.
Um kontinuierlich den Gebäude- und Anlagenbetrieb bewerten zu können, ist es
notwendig, die Performance Metrics mit Referenzwerten zu vergleichen, die einen
Erwartungswert für den "normalen" oder gar "optimalen" Betrieb darstellen.
Folgende Daten dienten in dem vorliegenden Projekt als Referenzwerte:
 Planungswerte für den Energieverbrauch des Gesamtgebäudes
und einzelner
Anlagen
wie
Kälte-,
Lüftungs- und
Beleuchtungsanlagen aus der Planungsphase, die anhand von
Simulationen ermittelt wurden.

1
Historische Daten
Neben Planungswerten werden auch historische Daten als
Procedure for Measuring and Reporting Commercial Building Energy Performance, D. Barley, M. Deru, S.
Pless, and P. Torcellini, National Renewable Energy Laboratory, 2005
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46 | 133
Monitoringkonzept
Referenz verwendet. In diesem Fall wird das Gebäude bzw. die
Anlage "mit sich selbst" verglichen. Zeigen die aktuellen Daten
große Abweichungen zu den historischen Daten, weist das u.U.
auf einen Fehler hin.
Voraussetzung ist hier, dass zum einen genügend Messwerte
vorliegen, zum anderen muss jedoch auch gesichert sein, dass die
Vergleichsdaten aus einer Betriebsperiode stammen, die fehlerfrei
war. Dies festzustellen erfordert einen gewissen Analyseaufwand.

Fraunhofer ISE
Messdaten anderer, ähnlicher Gebäude
Aufgrund der hochindividuellen Ausstattung der Effizienzfiliale
ist lediglich ein Vergleich mit der Standardfiliale möglich.
ALDI SÜD 2010
47 | 133
3.2.2
Perfformance Metrics für den Superm
markt
Die folgendee Tabelle zeigt die Performance Mettrics für die einzeln
nen Bereiche des Anlagenmonitoring
A
gs im Überblick. Die Performance Me
etrics für
die Auswerttung der Kältean
nlage wurden in Anlehnung an den in der VDMA
A Richtlinie 24247
7-79 definierten Energieeffizienzken
E
nnzahlen
festgelegt. Drei Bilanzräume werden gemäß VDMA definiert: Kältemaschine (KM, Bilanzraum I), Kälteanlage (KA, Bilanz-raum II) und
kältetechniscches Anlagensyste
em (KAS, Bilanzrau
um III)
Tabelle 6
Übersicht Perfformance Metrics für die Bereiche des Monitoring
Bereich / Sy
ystem
Endenergie
everbrauch
Primärenerrgieverbrauch
9
Erläuterungen
Auswertung
/
Messtechnik
Auswertung:
Der gesamte Strromverbrauch sowiee der
Stromverbrauch für die Gewerke K
Kälte.
Heizung, Klimaa, Beleuchtung und
wird
als
einzziger
Backautomat
Endenergiebezug
g
beweertet.
Der Primärenergieverbrauch wird anh
hand
des Primärenergiiefaktors des deutscchen
Strommix ermitteelt.
Messtechnik:
Stromzähler
Level 1 Mettrics
Spezifischer
(kWh/m²)
Spezifische
(W/m²)
Lev
vel 2 Metrics
Verbrauch
Leistung
VDMA 24247
7-7 Energieeffizienz von
n Kälteanlagen Teil 7: R
Regelung, Energiemanaagement und effiziente
e Betriebsführung
Sig
gnatur Leistung
verfügbarre
Referenzw
werte
Planwerte
historische Daten
Vergleichsg
gebäude
Bereich / System
Kälteanlage
Erläuterungen
Auswertung
/
Messtechnik
Auswertung:
Die Effizienz der Bereitstellung der Kälte
wird bewertet. Drei Bilanzräume werden
definiert: Kältemaschine (KM, Bilanzraum
I), Kälteanlage (KA, Bilanzraum II) und
kältetechnisches Anlagensystem (KAS,
Bilanzraum III)
Hierfür werden sowohl der Strombezug
der einzelnen Verdichter (TK, NK, Geoverbund) des Gaskühlers und der
Kühlmöbel als auch die Nutzkälte (NKKühlmöbel, TK-Kühlmöbel) sowie die
Abwärme je Aggregat (WRG Platte,
Gaskühler, geothermischer Unterkühler)
erfasst.
Messtechnik:
Stromzähler für TK- , NK-und GeoVerdichter,
Gaskühler
und
Kühlstellengruppen
Coriolis - Massestromzähler zur Messung
des gesamten Kältemittelmassenstroms
und der Kältemittelströme in den TKund NK-Kühlstellengruppen
Temperatur- und Differenzdrucksensoren
für die Erfassung von T0 und Tc zur
Bestimmung der Enthalpiewerte des
Kältemittels
Level 1 Metrics
Spezifischer
(kWh/m²)
ALDI SÜD 2010
Verbrauch
Spezifische
Leistung
(W/m²)
Leistungszahlen
unterschiedlichen
Bilanzgrenzen (COP)
Jahresarbeitszahl (TEPF Total Energy Performance
Factor)
Temperaturen in den Kühlmöbeln
(Sollwerte/Istwerte)
Stellsignale
der
Antriebe
und
Regeleinrichtungen des Kälteverbunds
Fraunhofer ISE
Level 2 Metrics
Energiebilanz
Signatur Leistungen
Signatur Temperaturen
verfügbare
Referenzwerte
Planwerte
Herstellerangaben
historische Daten
Bereich / System
Lüftungsanlage
Fraunhofer ISE
Erläuterungen
Auswertung
/
Messtechnik
Auswertung:
Für die Bewertung der Effizienz und des
Betriebs der Lüftungsanlage werden der
Strombezug,
die
Lufttemperaturen
(speziell vor und nach dem Register und
der WRG) und die Stellsignale der
Antriebe und Regeleinrichtungen erfasst
. Weiterhin wird der Wärme- bzw.
Kälteverbrauch des Registers gemessen.
Messtechnik:
Stromzähler (Ventilatoren, Motor WRG,
Antriebe Klappen, etc.)
Kombizähler (Wärme/Kälte) Register
Temperaturen
luftseitig
Temperaturen
wasserseitig
Raumluftkonditionen (Temperaturen /
Luftqualität , Sollwerte/Istwerte)
Stellsignale
der
Antriebe
und
Regeleinrichtungen
ALDI SÜD 2010
Level 1 Metrics
Spezifischer
(kWh/m²)
Level 2 Metrics
Verbrauch
Spezifische
Leistung
(W/m²)
Effizienz WRG-Rad
Energiebilanz
Signatur Leistungen
Signatur
Raumluftkonditionen
verfügbare
Referenzwerte
Planwerte
Herstellerangaben
historische Daten
Bereich / System
Raumheizung/Kühlung
Fraunhofer ISE
Erläuterungen
Auswertung
/
Messtechnik
Auswertung:
Die Aufteilung und Effizienz der
Bereitstellung von Wärme und Kälte zur
Raumkonditionierung
soll
bewertet
werden. Dafür müssen Wärme- und
Kältemengen
je
Übergabesystem,
Stromverbrauch der Antriebe erfasst
werden. Zur Beurteilung des Betriebs
müssen
weiterhin
Vor
und
Rücklauftemperaturen
sowie
die
Stellsignale
der
Antriebe
und
Stelleinrichtungen erfasst werden. Dies
betrifft die Betonkerntemperierung , die
Fußbodenheizung in den Nebenräumen
und der Register der RLT-Anlage.
Messtechnik:
Stromzähler (alle Pumpen)
Wärme/Kältemengenzähler
Temperaturen
wasserseitig
Raumlufttemperaturen
Stellsignale
der
Antriebe
und
Regeleinrichtungen
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Level 1 Metrics
Level 2 Metrics
Spezifischer
(kWh/m²)
Verbrauch
Spezifische
(W/m²)
Arbeitszahl
Leistung
Energiebilanz
Signatur Leistungen
Signatur
Raumluftkonditionen
verfügbare
Referenzwerte
Planwerte
Herstellerangaben
historische Daten
Bereich / System
Erdsondenanlage
Tageslicht / Kunstlicht
Raumklima/Raumluftqualität
Fraunhofer ISE
Erläuterungen
Auswertung
/
Messtechnik
Auswertung:
Bei der Erdsondenanlage ist neben der
Effizienz des Betriebs insbesondere die
ausgeglichene Jahresbilanz zu prüfen.
Die Stromverbräuche der Pumpen, der
Wärmeund
Kälteentzug,
die
wasserseitigen Temperaturen sowie die
Stellsignale
der
Antriebe
und
Regeleinrichtungen werden erfasst.
Messtechnik:
Stromzähler Pumpe
Wärme/Kältemengenzähler
Temperaturen wasserseitig
Raumlufttemperaturen
Stellsignale
der
Antriebe
und
Regeleinrichtungen
Auswertung:
Der Verbrauch des Kunstlichts wird
beurteilt.
Messtechnik:
Beleuchtungsstärke (2 Sensoren)
Stromzähler
für
Beleuchtung
(Verkaufsraum, Grundbeleuchtung und
Strahler)
Stellsignal für das Kunstlicht
Auswertung:
Es soll die Einhaltung und die
Abhängigkeiten des Raumklimas und der
Raumluftqualität bewertet werden.
Messtechnik:
Raumtemperaturen
Luftqualität
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Level 1 Metrics
Effizienz
Verhältnis
/Wärmeentzug
Spezifischer
(kWh/m²)
Spezifische
(W/m²)
-
Level 2 Metrics
Kälte-
Verbrauch
Energiebilanz
Signatur Leistungen
Signatur
wasserseitige
Temperaturen
verfügbare
Referenzwerte
Planwerte
historische Daten
(evtl. Modell)
Energiebilanz
Signatur Leistung Kunstlicht
Planwerte
historische Daten
Signatur
Raumlufttemperatur/Feuchte
Signatur Raumluftqualität
Behaglichkeitskennfeld
Planwerte
historische Daten
Leistung
Monitoringkonzept
3.3
Messkonzept und Messtechnik
Eine notwendige Voraussetzung für das Energiemonitoring eines Supermarkts ist das
Vorhandensein einer vollständigen und funktionsfähigen Messwerterfassung sowie die
Möglichkeit Daten mit hoher zeitlicher Auflösung daraus zu exportieren. In dieser
Hinsicht wurde ein detailliertes Messkonzept für die Erfassung der wichtigsten
physikalischen Größen und der unterschiedlichen Energieströme im Supermarkt erstellt
und implementiert.
Zusätzlich zu den Datenpunkten, die aus der Gebäudeleittechnik erfasst werden, wurde
die Messtechnik, die für die Energiemessungen und die Aufzeichnung des
Betriebszustandes der unterschiedlichen Räume und Anlagen nötig ist, im Zuge der
integralen Planung in die Ausschreibung der Gebäudetechnik integriert. Die
Anforderungen an die Datenerfassung wurden wie folgt formuliert:






Die Datenerfassung soll für alle Messwerte äquidistante
Zeitreihen liefern, mit einer zeitlichen Auflösung von mindestens
5 Minuten (besser wäre 1 Minute).
Die Daten sollen jeweils als Aktualwerte ohne vorherige
Aufbereitung durch die Gebäudeautomation (GA) erfasst werden
(außer es wird ausdrücklich etwas anderes vereinbart).
Wärmeund
Kältemengenzähler
müssen
eine
Netzstromversorgung erhalten.
Die Auflösung der erfassten Energiemengen sollte mindestens 1
kWh betragen.
Sollten die wasserseitigen Temperaturen ebenfalls über die
Wärme- und Kältemengenzähler erfasst werden (z.B. mit M-Bus
Zählern) ist darauf zu achten, dass die Temperaturen und auch
die Temperaturdifferenz mindestens(!) eine Genauigkeit von 0,1
K haben.
Eine Datenfernabfrage für mehrere Parteien per Internet über
eine gesicherte Verbindung muss ermöglicht werden.
Insgesamt wurden über 400 Datenpunkte aus dem Supermarkt erfasst und
kontinuierlich zu den Servern des Fraunhofer ISE übertragen. Verantwortlich für die
Installation, Inbetriebnahme und Instandhaltung der messtechnischen Einrichtungen
waren die Fa. Hafner-Muschler für die kälte- und haustechnischen Einrichtungen und
die Fa. Bechtold Ingenieurgesellschaft mbH für die lichttechnischen Komponenten.
Fraunhofer ISE
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53 | 133
Monitoringkonzept
3.3.1
Stromzähler
Wie in Abbildung 28 dargestellt, wurden für die Erfassung der elektrischen
Energieströme für jeden Verbraucher Stromzähler installiert und über eine serielle
Schnittstelle in das Wurm-Automationsystem eingebunden. Aufgrund von technischen
Einschränkungen des Wurm-Systems, können die Stromzähler jedoch nur 15-Minuten
Mittelwerten liefern.
ALDI - Stromzähler
∑
∑
Gesamt 8 N1
►
NSHV
∑
Backautomat
BKT-Pumpe
24N1
RLT-Pumpe
23N1
FBH-Pumpe
22N1
Puffer-Ladepumpe
21N1
Solepumpe
20N1
Geo Pumpe
19N1
RLT
18N1
TK Inseln
TK Kühlräume
17N1
NK Inseln
NK Kühlräume
Gerät Backraum
16N1
Kühlregale
15N1
Gaskühler
14N1
Geo Verdichter
13N1
TK Verdichter
12N1
NK Verdichter
11N1
∑
Beleuchtung Gruppe C1
∑
Beleuchtung Gruppe C2
∑
Beleuchtung Lager Gruppe A4
∑
Beleuchtung Verkauf A1/A2
Parkplatz Mastleuchten
Abbildung 28 Schema der Stromzählerstruktur in der Filiale
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54 | 133
Monitoringkonzept
3.3.2
Massenstromzähler
Um die Effizienz des Kälteanlagenbetriebs mit Arbeitszahlen bewerten zu können,
wurden drei Coriolis-Massenstromzähler der Fa. Emerson im für den einphasigen
Bereich in den Saugleitungen der TK- und NK-Verdichtern und in der Druckleitung der
NK-Verdichtern installiert. Die Druck- und Temperaturniveaus des Kältekreislaufs
wurden mit Sensoren erfasst, die in die Regelkreise der Kälteanlage eingebaut wurden.
Aus den Druck- und Temperaturwerten werden massenspezifische Enthalpien vor und
nach jeder Wärmesenke bzw. -quelle mit dem Programm RefProp berechnet. Die
thermische Leistung, die von einer Kühlstellengruppe entnommen wird, ergibt sich
jeweils aus der Multiplikation der massenspezifischen Enthalpiedifferenzen mit dem
entsprechenden Kältemittelmassenstrom. Somit sollen Arbeitszahlen für den TK-, den
NK-Bereich und die Gesamtanlage mit den Daten aus den Stromzählern berechnet
werden.
Abbildung 29 Coriolis-Massenstromzähler in der TK- und NK-Saugleitungen
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55 | 133
Monitoringkonzept
3.3.3
Wärmemengenzähler (WMZ)
Wärmemengenzähler (WMZ) der Fa. Aquametro wurden als bidirektionalen Zählern in
folgenden Wasserkreisen eingebaut:
 Heiz-/Kältekreis Betonkerntemperierung (BKT)
 Heiz-/Kältekreis Pufferspeicher (Primärkreislauf)
 Heiz-/Kältekreis Fußbodenheizung (Sekundärkreislauf)
 Heiz-/Kältekreis Lüftungsanlage (Sekundärkreislauf)
 Wasserkreis Erdwärmesonden (Primärkreislauf)
Die Wärmemengenzählern wurde über eine M-BUS Schnittstelle an das Wurm-System
angeschlossen und liefern Temperatur-, Massenstrom- und Energiedaten für jeden
Kreislauf in minütlicher Auflösung.
3.3.4 Sensoren
Physikalische Größen aus unterschiedlichen Subsystemen des Supermarkts werden mit
diversen Temperatur- und Drucksensoren in minütlicher Auflösung über das WURMSystem erfasst. Die meisten Sensoren sind in Steuer- und Regelkreisen eingebunden.
Die Beleuchtungsstärke im Supermarkt wird mit Luxmetern im Bodenbereich in
minütlicher Auflösung erfasst.
Die globale Sonneneinstrahlung wird mit einem Pyranometer und die
Außenlufttemperatur über einen Temperaturfühler in minütlicher Auflösung erfasst.
Fraunhofer ISE
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56 | 133
Monitoringkonzept
3.4
Datenübertragung und –auswertung
Messdaten aus der Gebäudeleitechnik und aus den M-Bus Geräten werden
kontinuierlich in CSV-Dateien geschrieben und täglich mittels eines DSL-Zugangs (max.
Geschwindigkeit 1 MBit/s) und eines gesicherten Webservers zwischen der Filiale und
dem Server des Fraunhofer ISE übertragen (Abbildung 30).
Abbildung 30 Schema der Datenübertragung zwischen der Filiale und dem Fraunhofer
ISE
Mittels cron-jobs werden die CSV-Dateien mit Messdaten täglich in eine hdf5Datenbank importiert, gefiltert und in 15-Minuten , Stunden-, Tages- und Monatsdaten
verdichtet und persistent gespeichert. Für die Datenverarbeitung und Auswertungen
wird die am Fraunhofer ISE entwickelte Software „Datastorage“ verwendet. Für die
Umgebung wurden Algorithmen entwickelt, die Standard-Visualisierungen basierend
auf Zeitreihen-, Scatter-, und Carpet-Plots der unterschiedlichen Systeme automatisch
generieren. Die Messdaten werden im Rahmen des Langzeitmonitorings von EnOB bis
Mitte
2016 weiter erfasst und ausgewertet.
Über den Webserver
http://enob.ise.fraunhofer.de kann auf Visualisierung der Messdaten zugegriffen
werden.
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57 | 133
Entwicklung eines Modells für
den Kälteverbund
4
Entwicklung eines Modells für den Kälteverbund
Für die Betriebsoptimierung des geothermiegestützten Kälteverbunds, aber auch für die
Auslegung weiterer Anlagen dieser Art, wurde ein mathematisch/physikalisches Modell
dieser Anlage erstellt, das für Simulationsstudien verwendet wurde. Im Rahmen dieses
Projekts wurde das Modell mit Messdaten teilweise validiert. Weiterhin wurde das
Modell eingesetzt, um die Betriebsstrategie der Kälteanlage für den transkritischen
Betrieb zu optimieren.
Die Erstellung des Modells resultiert aus der Zusammenarbeit zwischen dem
Anlagenhersteller und der beiden Fraunhofer Institute ISE und UMSICHT. In dem
vorliegenden Bericht werden die Grundlagen für die Erstellung des Modells sowie die
Ergebnisse aus einer Optimierung für den transkritischen Betrieb erläutert.
4.1
Grundlagen der Modellierung
Das dynamische Modell der beschriebenen CO2-Verbundanlage wurde mit der
Modellierungssprache Modelica in der Umgebung Dymola in der Version 7.4
entwickelt. Für das Modell wurden verschiedene Komponenten aus der ModelicaStandardbibliothek sowie aus der kommerziellen AirConditioning-Bibliothek (ACL)
Version 1.7.1 genutzt.
4.1.1
Modellstruktur
Zur Abbildung einer Anlage dieser Komplexität müssten Vereinfachungen
angenommen werden, um die Rechenzeit zu minimieren. Somit wurden Kapazitäten
für die Darstellung der Rohren lediglich dort abgebildet, wo die numerische Stabilität
des Modells oder einen realitätsnahen Entwurf des Anlagenverhaltens erforderlich war.
Die Struktur des Modells und somit auch die Systemgrenzen entsprechen weitgehend
dem in Abbildung 31 dargestellten Fließbild. Als Eingangsgrößen für das Modell
ergeben sich somit zunächst die offensichtlichen Eingangsgrößen an den vom System
nach außen gerichteten Wärmeübertragern, also wasserseitig die Eintrittstemperatur
und der Massenstrom an der Wärmerückgewinnung, dem Geothermieunterkühler und
dem Geothermieverdampfer. Für den Kondensator wird als Eingangsgröße die aktuelle
Außenlufttemperatur vorgegeben. Als letzte externe Größe wird im Modell die
Kältelast der Kühlstellen gewählt. Um dies zu realisieren, wurde vereinfachend
angenommen, dass die Kühlstellen für die Normalkühlung und die Tiefkühlung jeweils
zusammengefasst werden können. Das in der Modellierungsumgebung Dymola
entstandene Gesamtmodell ist in Abbildung 31 dargestellt.
Fraunhofer ISE
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58 | 133
den Kälteverbund
Abbildung 31 Aufbau des Kälteverbundmodells in Dymola
Die Stoffdaten aller Medien in der ACL basieren auf der NIST1 RefProp2 Datenbank mit
speziellen Erweiterungen zur Verwendung in dynamischen Simulationen. Für alle
Komponenten im CO2-Kreislauf wird bei der Auswahl des Mediums "Co2: short
Helmholtz equation from Span (2000)"gewählt.
Es gibt eine Baugruppe, welche jeweils die Normalkühlung und die Tiefkühlung
abbildet. Hierfür wurde die gleiche Baugruppe verwendet, welche sich lediglich durch
die Parametrisierung in einigen Punkten unterscheidet. Diese Baugruppen wurden dann
jeweils von außen mit der entsprechenden Kältelast beaufschlagt. Zur Bewahrung der
Übersichtlichkeit der Modellstruktur wurden noch weitere Anlagenteile aus mehreren
Komponenten zusammengesetzt und dann als Baugruppe in das Gesamtmodell
eingefügt. So wurden die Verdichterverbunde mit ihren Regelungs- und
Steuerungskomponenten jeweils zusammengefasst, ebenso die Kältemittelvorlage mit
dem Mitteldruckexpansionsventil und der entsprechenden Regelung des
Behälterdrucks.
Um die Rechengeschwindigkeit und die Stabilität des Modells zu erhöhen, wurden für
bestimmte äußere Bedingungen weitere Vereinfachungen in der Modellstruktur
getroffen. So wurde ein Modell zur Abbildung des Betriebs während der Sommerzeit
erstellt, in welchem der gesamte Wärmepumpenstrang entfällt. Da dieser im Sommer
nicht in Betrieb ist, wird das Ergebnis hierdurch nicht verfälscht, während ein Belassen
im System durch die dann zu Null werdenden Massenströme zu numerischen
Problemen führen würde. Ebenso entfiel hier der Anschluss an die
Wärmerückgewinnung, da während der Sommerperiode kein Heizwassermassenstrom
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den Kälteverbund
anliegt. Das entsprechende Modell für den Sommerbetrieb ist in Abbildung 32 zu
sehen. Das entwickelte Modell ist ein steif-hybrides System, wobei steif bedeutet, dass
Größen mit großen und kleinen Zeitkonstanten gleichzeitig auftreten, wodurch die
Schrittweite des Gleichungslösers dann nicht mehr durch die geforderte Genauigkeit
begrenzt wird, sondern durch seine Stabilitätsgrenze. Hybrid bedeutet, dass sowohl
stetige wie auch diskrete Größen im System vorkommen. Als Gleichungslöser für solche
Systeme wurde der DASSL3 Löser für differential-algebraischen Gleichung verwendet.
Dieser Löser arbeitet mit variabler Schrittweite und Rückwärtsdifferentiation mit
variabler, maximal 5. Ordnung.
Abbildung 32 Vereinfachtes Modell für den Sommerbetrieb in Dymola
Fraunhofer ISE
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den Kälteverbund
Die Baugruppen des Gesamtmodells, welche bei der Modellierung verwendet wurden,
werden in den nächsten Abschnitten beschrieben. Die Komponenten, die nicht in
Baugruppen zusammengefasst sind, werden hier nicht weiter beschrieben.
Ausführlichere Informationen können auf Anfrage an das Fraunhofer ISE angefordert
werden.
4.1.2 Beschreibung der Baugruppen
Die Baugruppen wurden jeweils aus mehreren Komponenten zusammengesetzt und
mit Anschlüssen versehen, durch welche sie mit dem Gesamtmodell verbunden
werden. Dies sind zum einen die Ports für die Arbeitsmittelströme, durch welche die
Baugruppen in den CO2-Kreislauf eingebunden werden, und bei einigen Baugruppen
darüber hinaus Signalschnittstellen zur Verbindung mit benötigten Eingangssignalen.
Zusätzlich wurden die Baugruppen mit einer Tabelle für die Initialisierung versehen,
welche einen Zugriff hierauf aus dem Gesamtmodell ermöglicht, sowie einer Tabelle, in
welcher die wichtigsten Werte für die Ergebnisauswertung zusammengefasst sind.
Weiterhin wurde für die wichtigsten Parameter der Baugruppen ebenfalls ein Zugriff
von außen, also aus dem übergeordneten Gesamtmodell heraus, ermöglicht.
4.1.2.1 Kühlstellen
. Die Kühlstelle enthält den Verdampfer, welcher durch das Pipe-Modell der ACL
abgebildet wird und zum Wärmeaustausch mit einer Wand verbunden ist. Dieser
Aufbau entspricht damit in etwa dem der Wärmeübertragermodelle, wobei jedoch der
Wärmestrom auf der anderen Seite der Wand durch eine fest vorgegebene Kältelast
definiert ist. Der Wärmestrom zwischen Verdampferrohr und Wand kann durch die
Wärmeübertragerfläche AKS, welche über die Geometrie vorgegeben werden kann,
und den Wärmeübergangskoeffizienten KS bestimmt werden. Für den
Wärmeübergangskoeffizienten stehen verschiedene Berechnungsmethoden zur
Verfügung, von denen „constant overall heat transfer coefficient, two phase media“
ausgewählt wird. Die Kältelast wird von außen als Eingangsgröße in das System
gegeben und erwärmt die Wand, welche durch das DynamicWall-Modell repräsentiert
wird. Die Komponente Heat aus der ACL dient hier dazu, die Kältelast, welche über
einen RealInput vorgegeben wird, in eine Leistung umzuwandeln, welche dann an die
Wand weitergeleitet wird. Als Kältelast wird hier die von außen auf die Kühlstellen
einwirkende Erwärmung verstanden, welche durch Wärmeleitung aus der Umgebung
bzw. bei geöffneten Kühlstellen auch durch Konvektion, also das Einströmen wärmerer
Luft, auf die Kühlstellen einwirkt. Durch die Wärmeübertragung zwischen der Wand
und dem Verdampfer entsteht dann die eigentliche Verdampferleistung. Unter der
Verdampferleistung wird hier die arbeitsmittelseitig zu beobachtende Energieaufnahme
aus den Kühlstellen verstanden. Die zwischengeschaltete Wärmekapazität CKS der
Wand dient als Kapazität, welche eine vereinfachte Abbildung der durch die Masse der
Verdampfer und der Kühlstellen sowie Kondensations- bzw. Verdampfungsvorgängen
an den Verdampferrohren entstehenden Trägheit ermöglichen soll. Hierdurch wird es
möglich, die durch dynamische Vorgänge in der Anlage stark variierende
Verdampferleistung von der relativ gleichmäßig verlaufenden Kältelast zu entkoppeln.
Für das Verdampferventil wurde die Klasse VarKvValve verwendet. Weiterhin ist die
Überhitzungsregelung innerhalb der Baugruppe integriert. Diese wird in 4.1.2.6
beschrieben.
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den Kälteverbund
4.1.2.2 Kältemittelvorlage
Die Baugruppe für die Kältemittelvorlage beinhaltet den Sammelbehälter, das
Mitteldruckexpansionsventil und die dazugehörigen Regelungskomponenten. Der
Sammelbehälter, welcher auch als Phasentrenner fungiert, basiert auf einer leicht
modifizierten Version des Modells PhaseSeparator aus der ACL. Die Regelung ist in
4.1.2.6 beschrieben. Die Rohrstücke am Einlass und an den Auslässen für verdampftes
und flüssiges Kältemittel, für welche das AdiabaticPipe-Modell der ACL genutzt wird,
dienen als Kapazität, um zu starke Schwankungen der Massenströme und Drücke
abzufedern und somit die numerische Stabilität zu verbessern. Bei der Dimensionierung
des Behälters muss darauf geachtet werden, dass dieser ausreichend groß ist, um
niemals vollständig entleert zu werden. Dieser Fall kann auftreten, wenn im Laufe einer
Simulation der Druck in anderen Teilen der Anlage, insbesondere der Kondensator und
Verdampferdruck, stark ansteigt. in diesem Fall steigt die Dichte in den betroffenen
Teilen stark an und es wird somit ein größerer Anteil an flüssigem Kältemittel aus dem
Phasentrenner abgezogen bis dieser nur noch Dampf beinhaltet. Gleichzeitig darf der
Behälter auch nicht zu groß dimensioniert sein, da seine Kapazität ansonsten die
Dynamik des Systems zu sehr abdämpfen würde und eine realistische Abbildung der
Anlage somit nicht mehr möglich wäre. Der Sollwert für den Druck pKV, der
Durchmesser DKV und die Höhe HKV des Behälters können der Baugruppe von außen als
Parameter vorgegeben werden.
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den Kälteverbund
4.1.2.3 TK-Verdichterverbund
Im TK-Verdichterverbund sind die beiden parallelgeschalteten TK-Verdichter und deren
Regelungs- und Steuerungskomponenten zusammengefasst. Auf die genaue
Realisierung der Verdichtermodelle wird in 4.1.2.5 noch näher eingegangen. Die
Stromteilung und –zusammenführung sind mit den ACL-Komponenten Split bzw.
Junction realisiert. Die mechanische ACL Komponente Speed wird benötigt, um die von
der Regelung als Signal vom Typ Real vorgegebene Drehzahl in eine
Rotationsgeschwindigkeit umzuwandeln und an die Verdichter weiterzuleiten. Der
aktuell anliegende Saugdruck wird vor der Stromteilung gemessen. Der
Saugdrucksollwert wird der Baugruppe über eine Signalschnittstelle von außen
vorgegeben. Hierdurch können etwa die von der Software „Frigotaktplus“ bestimmten
Werte für die entsprechenden Zeiträume übernommen werden. Die Regelung der
Verbundverdichter wird in 4.1.2.6 erläutert. Die Abbildung der Verrohrung am Austritt
des Verdichterverbundes durch eine Komponente der Klasse AdiabaticPipe dient dazu,
einen Druckverlust hinter den TK-Verdichtern abzubilden, da die Validierung zeigt, dass
dies nötig sein kann, um die Austrittstemperaturen der Verdichter besser abzubilden.
4.1.2.4 NK-Verdichterverbund
Der NK-Verdichterverbund ist im Wesentlichen analog zum TK-Verdichterverbund
aufgebaut, jedoch mit drei parallelgeschalteten NK-Verdichtern und deren Regelung,
welche hier komplexer ist als im TK-Verdichterverbund. Die genaue Verschaltung und
Funktionsweise der Regelung ist in VERWEIS beschrieben. Die Abbildung der Verdichter
wird in 4.1.2.5 detailliert erklärt.. Die Stromteilung und -zusammenführung sind um
jeweils einen Fluidport erweiterte Abänderungen der Klasse Split bzw. Junction. Die in
dieser Baugruppe genutzte Abbildung von Rohrstücken durch Komponenten der Klasse
AdiabaticPipe dient hier zur Erzeugung einer Kapazität, durch welche starke
Schwankungen bei den Taktvorgängen der Verdichter abgefangen werden.
4.1.2.5 Abbildung der Verdichter
Da das Betriebsverhalten der Verdichter einen besonders großen Einfluss auf den
Gesamtprozess hat, wurde dieses mithilfe von Hersteller-Messdaten möglichst genau
abgebildet. Als Grundlage dienen hierzu das CO2-Verdichter-Modell R744Compressor
aus der ThermoFluidPro-Bibliothek und das darauf aufbauende Modell
ExternalControlR744 aus der AirConditioning-Bibliothek. Das Modell R744Compressor
basiert wiederum auf dem Modell CompressorBase, innerhalb welchem die
grundlegenden Beziehungen der Kenngrößen eines Verdichters in Gleichungsform
definiert werden. Diese Klasse wurde im Rahmen der Arbeit nicht verändert. Die
eigentlichen Betriebseigenschaften des Verdichters, welche imWesentlichen durch den
Liefergrad, den isentropen Wirkungsgrad und die Wärmeverluste charakterisiert sind,
werden innerhalb der Klasse R744Compressor festgelegt. Die Klasse
ExternalControlR744 ergänzt dieses Modell um ein Kontrollvolumen und Schnittstellen
zur einfacheren Verwendbarkeit wie eine Eingabemaske für Initialisierungswerte und
eine Zusammenfassung der wichtigsten Betriebsparameter in der Ergebnisübersicht.
Diese Klasse wird lediglich verändert, um die jeweils passende Abänderung der Klasse
R744Compressor zuzuweisen. Insgesamt werden hierbei vier abgeänderte Klassen
erstellt: Zwei für die Normalkälteverdichter, wobei zwischen einer Version ohne
Frequenzumformer, genannt R744Compressor_4KTC_10K, und einer Version mit
Frequenzumformer, genannt R744Compressor_4KTC_10K_FU, unterschieden wird. Die
Erweiterung des Modellnamens entspricht hierbei der Typenbezeichnung des realen
Verdichters. Außerdem je eine Klasse für die Tiefkälteverdichter mit Frequenzumformer,
genannt R744Compressor_2JHC_07K_FU, und eine für den Geothermieverdichter mit
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63 | 133
den Kälteverbund
Frequenzumformer, genannt R744Compressor_4JTC_15K_FU. Die zur Abbildung des
Betriebsverhaltens benötigten Daten wurden soweit vorhanden von der Herstellerfirma
Bitzer aus ihren Messdaten zur Verfügung gestellt. Die zur Verfügung gestellten Daten
unterliegen der Geheimhaltung, weshalb die Werte der im Folgenden aufgeführten
Koeffizienten hier nicht angegeben werden können. Für die transkritischen Verdichter
4KTC_10K und 4JTC_15K wurde jeweils ein Polynom zur Beschreibung der elektrischen
Leistungsaufnahme Pel in Abhängigkeit von der Verdampfungstemperatur t0 und dem
Kondensationsdruck pc in der Form:
.
.
.
0
3
2
0
.
.
0.
2
.
0
2
0
.
. 20 .
. 0.
(Gleichung 1)
2
und ein Polynom zur Beschreibung des geförderten Massenstroms m˙ in der Form:
.
.
3
.
0
.
2
0
.
0.
0
.
2
.
2
0
. 20 .
. 0.
(Gleichung 2)
2
zur Verfügung gestellt. Der Massenstrom ist für eine nutzbare Sauggasüberhitzung von
zehn Kelvin gültig, bei hiervon abweichender Überhitzung muss bei einem als von der
Sauggasüberhitzung unabhängig gesehenen Liefergrad der Massenstrom umgerechnet
werden. Diese Umrechnung erfolgt über einen Faktor für den Unterschied zwischen der
Dichte d bei aktueller und der Auslegungs-Sauggasüberhitzung nach
.
:
.
(Gleichung 3)
Weiterhin gelten diese Polynome nur bei Betrieb ohne Frequenzumformer, also für eine
Netzfrequenz von 50 Hz. Da die Verdichter von Motoren mit einer Polpaarzahl von
Zwei angetrieben werden, entspricht diese Netzfrequenz einer Drehzahl von 25 s-1. Für
den Betrieb mit Frequenzumformer müssen weitere Umrechnungen erfolgen. So
berechnet sich der Massenstrom
bei Betrieb mit Frequenzumformer als:
.
30.
50
1450
.
(Gleichung 4)
wobei f der Frequenz entspricht und
eine Veränderung des Liefergrades beim
Betrieb mit Frequenzumformer beschreibt. Diese wird als Polynom in Abhängigkeit von
der Frequenz, der Verdampfungstemperatur, dem Kondensationsdruck und dem
Verdampferdruck p0 nach Gleichung 5 bestimmt.
.
.
.
. 1
Fraunhofer ISE
.
.
. 1
.
.
.
.
.
(Gleichung 5)
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den Kälteverbund
Die Umrechnung der elektrischen
Frequenzumformer erfolgt mit:
.
Leistungsaufnahme
für
30. 50
1450
den
Betrieb
mit
(Gleichung 6)
.
wobei η eine Veränderung des Wirkungsgrades beim Betrieb mit Frequenzumformer
beschreibt. Das entsprechende Polynom lautet:
.
.
.
. 1
.
.
. 1
.
.
.
.
.
(Gleichung 7)
Aus den so ermittelten Werten müssen für die Beschreibung des Verdichters im Modell
noch der Liefergrad  und der isentrope Wirkunsgrad is ermittelt werden. Der
Liefergrad entspricht dem Verhältnis von gefördertem Massenstrom zu theoretisch
förderbarem Massenstrom, welcher sich wiederum als Produkt aus Dichte, Hubvolumen
VHub und Drehzahl n als:
.
.
(Gleichung 8)
berechnet.
Der isentrope Wirkungsgrad berechnet sich als Verhältnis von isentroper
Enthalpieerhöhung his, welche über das Stoffdatenmodell berechnet wird, und der
tatsächlichen Enthalpieerhöhung h nach Gleichung:
∆
(Gleichung 9)
∆
Die tatsächliche Enthalpieerhöhung entspricht dabei nach Gleichung 10 der Differenz
aus elektrischer Leistung und Wärmeverlusten ˙QL, also der dem Arbeitsmittel
zugeführten Leistung geteilt durch den geförderten Massenstrom.
∆
(Gleichung 10)
Die Wärmeverluste entsprechen der Summe aus den direkten Abstrahlverlusten des
Verdichters QAb, für welche von Bitzer ein exponentieller Ansatz in Abhängigkeit von
der Temperatur angegeben wird, und den Verlusten des Frequenzumformers:
. 1
(Gleichung 11)
Der exponentielle Ansatz für die Abstrahlverluste beschreibt die Differenz T zwischen
der berechneten Temperatur im Zylinderkopf TZ und der tatsächlichen
Austrittstemperatur Taus als:
∆
Fraunhofer ISE
.
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.
(Gleichung 12)
65 | 133
ng eines Modells für
Entwicklun
den Kältevverbund
Hierfür mu
uss noch diee theoretisch
he Temperatu
ur im Zylinde
erkopf berecchnet werdenn.
Diese lässst sich mit dem Stoffd
datenmodell als Temperatur eines theoretischeen
Austrittszu
ustandes oh
hne Wärme
everluste beerechnen. Die Differenz aus deer
m
Austrittsen
nthalpie diesees theoretisch
hen Zustandees hZ und der Enthalpie hauus bei einer um
m
T reduzierrten Austritttstemperatur multipliziertt mit dem geförderten Massenstrom
entspricht den Wärmevverlusten des Verdichters:
.
(Gleichung
(
133)
Diese redu
uzierte Tempeeratur entspriicht dann derr tatsächliche
en Austrittstemperatur.
Für die subkritischeen TK-Verdichter 2JHC
C_07K erfollgt die Ab
bbildung dees
Betriebsverhaltens ähn
nlich, jedoch
h aufgrund einer andere
en Datengru
undlage leichht
abgeänderrt. So liegt für die subkritischen Verdichter keine Beschreibung dees
Massenstro
oms vor, son
ndern es ist stattdessen d irekt ein Polyynom für den
n Liefergrad in
Abhängigkkeit von Kond
densationstem
mperatur tc u
und Druckverhältnis in der Form:
.
.
.
.
.
.
.
.
(Gleichung 14)
hnungen entffallen.
verfügbar, wodurch weeitere Umrech
g 33 Lieferg
grad des Ve
erdichters al s Funktion von Druckvverhältnis unnd
Abbildung
Kondensattionstemperaatur
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den Kälteverbund
In Abbildung 4.16 ist der Liefergrad als Funktion des Druckverhältnisses und der
Kondensationstemperatur dargestellt. Für die elektrische Leistungsaufnahme liegt hier
ebenso direkt ein Polynom in Abhängigkeit von Kondensationstemperatur tc,
Verdampfungstemperatur und Hubvolumen in der Form:
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
(Gleichung 15)
vor. Bisher wird dieser Verdichter von Bitzer noch nicht mit angeflanschtem
Frequenzumformer vertrieben, weshalb hierzu auch noch keine konkreten Messdaten
vorliegen. Aufgrund von Erfahrungswerten wird angenommen, dass der Einfluss des
Frequenzumformers in diesem Betriebsbereich nicht so groß ist wie bei transkritischem
Betrieb. Für die elektrischen Verluste durch den Frequenzumformer werden pauschal
5% angesetzt, sodass für die Umrechnung der elektrischen Leistungsaufnahme, welche
analog zu den transkritischen Verdichtern erfolgt, fu= 0, 95 angenommen wird. Für
die Änderung des Liefergrades bei Drehzahlabweichung wird angenommen, dass
dieser bei einer Frequenzänderung von 30 bis 50 Hz um 5% abnimmt. Es wird für den
Abfall eine quadratische Funktion in der Form
1,25. 10 .
50
1
(Gleichung 16)
angenommen. Die weiteren Berechnungen für den isentropen Wirkungsgrad und die
Wärmeverluste des Verdichters verlaufen analog zu den transkritischen Verdichtern. Bei
den Wärmeverlusten werden hier jedoch nur 10% der Verluste des
Frequenzumformers mit einbezogen, da die Messdaten hier für geringere
Wärmeverluste sprechen.
4.1.2.6 Umsetzung des Regelkonzeptes
Es wird hier zwischen kontinuierlich agierenden Regelkreisen und zusätzlichen
Schaltalgorithmen unterschieden. Alle Regelgrößen sollen eine Führungsgröße, welche
einem Sollwert entspricht, halten oder ihr folgen und werden innerhalb eines
geschlossenen Regelkreises beeinflusst. Hierbei entspricht der Sollwert der jeweiligen
Führungsgröße. Dieser wird kontinuierlich mit der Rückführung der Regelgröße r(t)
abgeglichen, woraus sich die Regelabweichung u(t) berechnet. Als Regler fungieren
dann in den einzelnen Regelkreisen entweder einfache PI-Regler oder Kombinationen
aus diesen Reglern und Schaltalgorithmen, welche dann eine Stellgröße y(t) als
Ausgangssignal ausgeben. Diese Stellgröße wirkt auf die Regelstrecke ein und
beeinflusst somit die Regelgröße, welche dann wiederum als Messwert zurückgeführt
wird. Unter der Störgröße, welche von außen auf die Regelstrecke einwirkt, werden
verschiedene Einflüsse wie etwa Schwankungen in der Außentemperatur oder in der
Kältelast zusammengefasst. Aber auch eine Beeinflussung durch andere Regelkreise,
also etwa ein durch die Saugdruckregelung verursachtes Verdichtertakten, kann als
Störgröße wirken. Diese Zusammenfassung als eine Störgröße ist gerechtfertigt, da
lediglich Veränderungen in der Regelgröße gemessen werden, die Ursache hierfür
jedoch nicht registriert wird und keinen Einfluss auf die hierauf folgende Reaktion des
Reglers hat. Als Regelstrecke wird der Teil des Regelkreises bezeichnet, welcher die
physikalische Größe beinhaltet, die geregelt werden soll. Die Regelstrecke beginnt mit
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67 | 133
den Kälteverbund
dem Einwirken der Stellgröße und endet bei der Rückführung der Regelgröße. Die
Integralgleichung des verwendeten PI-Reglers lautet:
.
.
(Gleichung 17)
wobei k die Verstärkung und Ti die Zeitkonstante des Reglers ist. Die Werte für die
Verstärkung und die Zeitkonstante werden so gewählt, dass die Sollwerte im jeweiligen
Regelkreis während einer Simulation gut eingehalten werden. Aufgrund getroffener
Vereinfachungen bei der Abbildung der Regelung lassen sich die gewählten Parameter
nicht direkt auf die reale Anlage übertragen. Das Ausgangssignal y(t) ist auf den
Bereich zwischen ymin und ymax limitiert. Die entsprechenden Werte werden entweder
anhand bekannter Begrenzungen in der Funktionsweise der Anlage gewählt, wie die
begrenzten Drehzahlen der Verdichter, oder anhand physikalisch sinnvoller Annahmen
wie der Tatsache, dass die Kondensatorlüftung keinen unbegrenzt großen
Luftmassenstrom erzeugen kann. Eine weitere Einschränkung bei der Wahl der
Limitierung ist aufgrund der numerischen Gegebenheiten im Rahmen einer Simulation
zu treffen. So liegen die Mindestwerte stets über Null, denn auch wenn ein Ventil in
der realen Anlage vollständig geschlossen werden kann, so würde dies in der
Simulation zu numerischen Problemen führen.
Geothermieverdichterregelung
Die Regelgröße des Geothermieverdichters ist die Heizwasservorlauftemperatur und als
Sollwert sollen 33 °C gehalten werden. Als Stellgröße wirkt hier die Drehzahl des
Verdichters, welche über einen PI-Regler vorgegeben wird. Diese kontinuierliche
Regelung im Drehzahlbereich zwischen 15 und 32,5 s-1 greift jedoch nur, wenn die
Anschaltbedingungen für den Geothermieverdichter gegeben sind. Um dies zu
realisieren, wird der Block WP_Schaltung genutzt. Dieser bekommt als Input-Signal die
Heizwasservorlauftemperatur und die durch den PI-Regler vorgegebene Drehzahl. Als
Output gibt der Block wiederum eine Drehzahl an den Verdichterantrieb weiter. Fällt
die Heizwasservorlauftemperatur unter das Minimum von 29 °C, so gibt der Block die
aktuelle durch den Regler vorgegebene Drehzahl als Output-Signal weiter. Steigt die
Heizwasservorlauftemperatur über 35 °C, wird das Output-Signal auf 0,1 gesetzt. Ein
vollständiges Abschalten des Verdichters ist hier aus numerischen Gründen nicht
möglich.
TK-Saugdruckregelung
Die Regelgröße Saugdruck wird über die Stellgröße Verdichterdrehzahl beeinflusst. Dies
geschieht hier kontinuierlich über die PI-Regler. Der Istwert des Saugdrucks wird vor der
Stromtrennung durch einen PressureSensor aufgenommen und an die Regler
rückgeführt. Der Wert der Führungsgröße wird über einen RealInput von außen
vorgegeben. Der begrenzte Regelbereich mit einer minimalen angelegten Frequenz von
30 Hz und einem Abschalten der Verdichter unterhalb dieses Bereichs ist hier nicht
abgebildet. Stattdessen werden die Verdichterdrehzahlen stetig zwischen 0,1 und 30 s1 geregelt. Um die Genauigkeit der Abbildung in diesem Zusammenhang zu erhöhen,
sind detailliertere Informationen über die entsprechende Schaltlogik notwendig.
NK-Saugdruckregelung
Hier wird die Regelgröße Saugdruck ebenfalls über die Stellgröße Verdichterdrehzahl
beeinflusst. Allerdings kann nur der Verdichter-1 kontinuierlich im Drehzahlbereich
zwischen 15 und 32,5 s-1 geregelt werden. Der Istwert des Saugdrucks wird vor der
Stromtrennung durch einen PressureSensor aufgenommen und an den PI-Regler
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68 | 133
den Kälteverbund
rückgeführt, welcher die Drehzahl für Verdichter-1 vorgibt. Darüber hinaus wird
derWert von dem Sensor an den Steuerblock für die Verdichter-2 und -3 weitergeleitet.
Diese können lediglich bei Bedarf an- und wieder abgeschaltet werden. Die Steuerung
dieser Verdichter erfolgt über den Block Verdichterschaltung, welcher als
Eingangsgrößen den Saugdrucksollwert, den Saugdruckistwert und die Drehzahlen der
Verdichter-1 und -2 bekommt. Als Ausgangssignal werden die Sollwerte der
Drehzahlen für die Verdichter-2 und -3 ausgegeben. Da diese Verdichter ohne
Frequenzumformer betrieben werden, gibt es hier nur die Werte 25 s-1, was dem
Befehl „An“ entspricht, und 0,1 s-1, was dem Befehl „Aus“ entspricht. Die im
eingeschalteten Zustand vorliegende Drehzahl von 25 s-1 entspricht der anliegenden
Netzfrequenz von 50 Hz. Für „Aus“ wird das Signal nicht auf Null gesetzt, um
numerische Probleme zu vermeiden. Diese Sollwerte der Drehzahl werden an Regler
weitergeleitet, welche dann wiederum die tatsächliche Drehzahl an den Verdichtern
regeln. Diese zwischengeschalteten Regler dienen dazu, eine Verzögerung beim
Anfahren der Verdichter analog zu einem realen Anfahrvorgang zu simulieren. Das
Ausgangssignal dieser Regler ist auf die Werte zwischen ymin = 0, 1 und ymax = 25
limitiert. Der Block Verdichterschaltung ist mit Parametern vom Typ Boolean
ausgestattet, über welche ausgewählt werden kann, ob die Verdichter bei der
Initialisierung an- oder ausgeschaltet sein sollen. Im Anschluss wird diese Bestimmung
über when-Schleifen geregelt. Wenn die Simulation initialisiert wird, werden die
entsprechenden Startwerte ausgegeben. Wenn der Saugdruck über dem Sollwert liegt
und Verdichter-1 seine maximale Drehzahl erreicht hat, wird Verdichter-2 angeschaltet.
Wenn Verdichter-2 bereits angeschaltet ist und die genannten Bedingungen eintreten,
wird Verdichter-3 angeschaltet. Fällt der Saugdruck unter den Sollwert und Verdichter1 hat seine minimale Drehzahl erreicht, wird Verdichter-2 ausgeschaltet. Wenn
Verdichter-2 bereits ausgeschaltet ist und die genannten Bedingungen eintreten, wird
Verdichter-3 ausgeschaltet.
Regelung des Sammelbehälterdrucks
In der Kältemittelvorlage soll ein konstanter Druck gehalten werden. Der Sollwert dieser
Führungsgröße wird der Baugruppe als Parameter vorgegeben. Als Stellgröße dient hier
der Kv-Wert des angeschlossenen Dampfventils. Das Modell arbeitet hier mit einem KvWert zwischen 0,0001 und 10 m3/h. Dieser wird über den verwendeten PI-Regler
vorgegeben, dessen Parametrisierung in VERWEIS zusammengefasst ist. Die
Rückführung der Regelgröße an den Regler erfolgt über den RealOutput-Anschluss des
Sammelbehälters. Aufgrund der Beschaffenheit der Modellkomponenten bei der
Regelung der Ventile im Modell weicht die Stellgröße von jener in der realen Anlage
ab. Während die Ventile im Modell über ihren Kv-Wert geregelt werden, werden sie in
realen Anlagen über die Stellung der Ventile geregelt.
Hochdruckregelung
Die Regelgröße Hochdruck wird durch die Stellgröße Kv-Wert, welche an das
Hochdruckventil gegeben wird, in einer kontinuierlichen Regelung beeinflusst. Das
Hochdruckventil arbeitet hier mit einem Kv-Wert zwischen 0,2 und 10 m3/h. Die
Rückführung des Istwertes der Regelgröße an den verwendeten PI-Regler kommt als
Signal von einem hinter dem NKVerdichterverbund eingebrachten PressureSensor. Der
Sollwert für den Hochdruck wird dynamisch durch den Block Hochdrucksollwert
vorgegeben. Dieser basiert auf der Klasse SI2SO mit zwei RealInput- und einer
RealOuput-Schnittstelle. Der aktuelle Sollwert wird hier in Abhängigkeit von den
Eingangssignalen Außentemperatur und Heizwasservorlauftemperatur berechnet und
als Signal an den Regler weitergeleitet. Für den Sommerbetrieb entfällt hier die
Abhängigkeit von der Heizwasservorlauftemperatur.
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den Kälteverbund
Überhitzungsregelung
Die Überhitzungsregelungen, welche in den TK- und NK-Kühlstellen sowie am
Geothermieverdampfer verbaut sind, werden ebenfalls kontinuierlich geregelt.
Stellgröße ist auch hier der Kv-Wert, welcher jeweils an das Verdampferventil gegeben
wird. Hierbei werden die Ventile an den Kühlstellen bei Kv-Werten zwischen 0,05 und
10 m3/h betrieben und das Ventil am Geothermieverdampfer mit einem Kv-Wert
zwischen 0,001 und 2 m3/h. Der aktuelle Istwert der Regelgröße, also der Überhitzung,
wird von einem hinter dem Verdampfer liegenden SuperHeatSensor als Signal an die
jeweiligen PI-Regler zurückgeführt. Die Führungsgröße hat in allen drei Fällen einen
konstanten Wert und kann als Parameter vorgegeben werden.
Kondensatorregelung
Hier ist die Regelgröße die Kondensatoraustrittstemperatur und als Stellgröße fungiert
im Modell der Luftmassenstrom. Dieser wird hier im Bereich zwischen 0,005 und 50
kg/s geregelt. An der realen Anlage kann der Luftmassenstrom nicht unmittelbar
beeinflusst werden und es wird stattdessen die Drehzahl der Ventilatoren als Stellgröße
verwendet. Da hier jedoch weder der Stromverbrauch dieser Ventilatoren noch der
tatsächlich entstehende Luftmassenstrom untersucht werden sollen, bleiben die
getroffenen Vereinfachungen hier ohne relevante Auswirkungen. Der Luftmassenstrom
wird also durch einen PI-Regler ermittelt und der Istwert der Regelgröße wird von
einem TemperatureSensor an diesen Regler zurückgeführt. Die Führungsgröße variiert
hier
dynamisch
mit
der
Außentemperatur,
da
der
Sollwert
der
Kondensatoraustrittstemperatur immer um 2 Kelvin über der Außentemperatur liegen
soll. Diese Berechnung und die Weitergabe des Sollwertes an den Regler erfolgen
durch eine RealExpression.
4.2
Validierung des Modells
4.2.1
Vorgehensweise
Ziel der Modellierung war, Regelungsstrategien zu entwickeln, die es ermöglichen, den
energetischen Betrieb des Kälteverbunds zu optimieren. Im Sommer steigt der
Energieverbrauch der Anlage aufgrund der höheren Temperaturen der Wärmesenken,
die das Schalten der Anlage in einen transkritischen Betrieb verursachen. Die Effizienz
der Kälteanlage wird von diesem Betrieb stark beeinflusst und für jeden
Betriebszustand gibt es einen optimalen Hochdruck, den einer optimalen Leistungszahl
ermöglicht. Das Modell wurde daher in einem ersten Schritt mit Messdaten aus der
ersten Sommerperiode validiert. Zur Validierung des Modells wurde der Lastgang eines
Betriebstages mit dem Modell nachgefahren. Die Validierung geschah am Beispiel des
1. August 2011 und wurde also nur mit dem Modell, welches zur Reduzierung der
Rechenzeit für den Betrieb während der Sommerzeit vereinfacht ist, durchgeführt. Das
Nachfahren des Tageslastgangs geschah durch die Vorgabe der in Abschnitt 4.1.1
beschriebenen Eingangsgrößen über TimeTables an das Modell. Diese Eingangsgrößen
wurden hierzu aus den Messdaten des entsprechenden Tages aufbereitet. Nach der
Simulation des vollständigen Tages wurden die Simulationsergebnisse anhand mehrerer
Kontrollgrößen mit den entsprechenden Größen der Messergebnisse dieses Tages
verglichen. Einzelne Modellkomponenten wurden entsprechend angepasst, um die
Abweichungen zwischen Modell und Messwerten soweit wie möglich zu minimieren.
In einem zweiten Schritt hätte die Validierung des Modells mit Messdaten aus der
Winterperioden ergänzt werden sollen. Aufgrund technischer Probleme an den
Geothermie-Verdichter, die in 5.4.2beschrieben werden, konnte das Modell für den
Winterbetrieb nicht validiert werden.
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den Kälteverbund
4.2.2
Wahl der Kontrollgrößen
Als Kontrollgrößen wurden zum einen geregelte Größen, anhand derer gezeigt werden
kann, wie gut Sollwerte innerhalb des erstellten Modells eingehalten werden können
ausgewählt. Hier wurden die Gaskühleraustrittstemperatur und der Hochdruck
untersucht. Diese Größen wurden sowohl mit den Messwerten als auch mit den
jeweiligen Sollwerten verglichen. Zum anderen sind Größen interessant, welche sich
ohne direkte Beeinflussung im System einstellen. Die Austrittstemperatur des
Geothermieunterkühlers wurde hier genutzt, um dieses Bauteil im Vergleich zu den
Messdaten zu validieren. Zur Validierung der Verdichtermodelle wurden die
Austrittstemperaturen und die elektrische Leistungsaufnahme jeweils für den NK- und
den TK-Verdichterverbund mit den entsprechenden Messwerten verglichen. Als
Kontrollgröße für die Kühlstellen wurden die sich in den Verdampfern einstellenden
Massenströme mit den entsprechenden Messwerten verglichen. Als Kontrollgröße,
welche das Gesamtsystem kennzeichnet, wurde der Verlauf der Leistungszahl für den
untersuchten Zeitraum mit den entsprechenden aus den Messwerten errechneten
Werten verglichen. Diese Kontrollgröße ist von besonderem Interesse, da sie einerseits
das gesamte System beschreibt und somit den zusammengefassten Einfluss aller
Abweichungen darstellen kann. Andererseits stellt die Leistungszahl die entscheidende
Kenngröße für die Effizienz des Betriebs dar. Wenn also die Leistungszahl gut
abgebildet werden kann, so können auch Aussagen über die Effizienz der Anlage in
bestimmten Betriebspunkten getroffen werden.
4.2.3
Vergleich von Simulations- und Messergebnissen
Beim Vergleich zwischen Simulationsergebnissen und Messdaten ist zu beachten, dass
die zeitliche Auflösung der Messdaten deutlich geringer ist als jene der während der
Simulation aufgezeichneten Ergebnisse. Die Ergebnisse der Simulation wurden mit
einer Auflösung von zwei Sekunden geplottet und beim Auftreten von Events, also
beispielsweise beim Abschalten eines Verdichters, wurden zusätzliche Punkte
aufgezeichnet. Die Messdaten liegen je nach Messgröße in einer Auflösung von fünf
bis fünfzehn Minuten vor. So liegen für die elektrische Leistung der Verdichter und
damit auch für die daraus berechnete Leistungszahl nur Werte in Schritten von
fünfzehn Minuten vor. Für die restlichen hier gezeigten Messgrößen liegen die Werte in
Fünf-Minuten-Schritten vor. Hierdurch können kurzfristige Schwankungen der Werte
aus der Simulation in den Messdaten nicht in gleichem Maße auftreten. Darüber hinaus
haben insbesondere Temperatursensoren eine Trägheit, wodurch kurzfristige
Temperaturschwankungen nicht erfasst werden.
Gaskühleraustrittstemperatur
Der Vergleich der Gaskühleraustrittstemperatur aus den Simulationsergebnissen mit
den Messdaten und dem entsprechenden Sollwert ist in Abbildung 34dargestellt.
Zu erkennen ist, dass der Tagesverlauf der Messdaten von den Simulationsergebnissen
gut abgebildet wurde, es jedoch im Bereich der Morgenstunden und gegen Abend in
den Messwerten stärkere Schwankungen gibt, welche vom Modell so nicht abgebildet
werden. Während der Sollwert im Modell sehr genau eingehalten wird, schwanken die
Messwerte in diesen Bereichen stärker um diesen. Eine mögliche Erklärung hierfür ist,
dass die Ventilatoren des Gaskühlers in diesem Bereich nicht stetig geregelt sind,
sondern über eine Zweipunktregelung mit Hysterese an- und abgeschaltet werden. Um
eine genauere Abbildung zu erreichen, werden für eine Anpassung der
Gaskühlerlüftungsregelung im Modell detailliertere Informationen über die reale
Regelung benötigt.
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den Kältevverbund
Abbildung
g 34 Vergleeich der Gaskühlerausttrittstemperattur aus Me
essdaten unnd
Simulation
nsergebnissen
n
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Hochdruck
Der Verlauf des Hochdrucks über den untersuchten Zeitraum ist in Abbildung 35 im
Vergleich zu den entsprechenden Messdaten und dem Verlauf des Sollwertes
aufgetragen. Auch hier ist wieder eine gute Abbildung des Verlaufs über den Tag zu
erkennen. Wiederum in den Morgenstunden und am Abend ist hier in den Messwerten
eine stärkere Schwankung und damit verbunden eine größere Abweichungen vom
Sollwert zu erkennen. Das Hochdruckventil ist hier hauptverantwortlich für die
Regelung des Hochdrucks, jedoch stellen plötzliche Änderungen des Massenstroms,
welche durch Taktvorgänge in den Verdichtern verursacht werden, Störgrößen dar,
welche durch die Regelung kompensiert werden müssen. Im transkritischen Betrieb mit
konstantem Sollwert stellt sich dann zunächst eine nur noch geringe Abweichung ein,
während ab etwa 20 Uhr, also nach Ladenschluss und somit bei Eintritt in den
Teillastbereich durch eine sinkende Kältelast, stärkere Ausschläge zu niedrigeren
Drücken zu erkennen sind. Diese Ausschläge lassen sich voraussichtlich durch
Taktvorgänge in den Verdichtern erklären. Schaltet ein Verdichter ab, da durch die
geringer werdende Kältelast der Saugdruck zu sehr abfällt, so wird der Massenstrom
durch das Hochdruckventil plötzlich verringert. Um trotz des geringeren Massenstroms
den gleichen Hochdruck halten zu können, wird das Hochdruckventil durch den Regler
stärker geschlossen. Da dies nicht unendlich schnell geschehen kann, fällt der
Hochdruck zunächst ab. Steigt der Saugdruck ohne den abgeschalteten Verdichter zu
stark an, wird dieser wieder hochgefahren und das Hochdruckventil muss erneut
geöffnet werden. In bestimmten Betriebsbereichen und bei entsprechender Schaltlogik
der Verdichter kann sich dieser Vorgang dauernd wiederholen. Dies scheint im Bereich
zwischen Betriebsschluss und der Rückkehr in den subkritischen Bereich die Ursache für
die Schwankungen in den Messwerten zu sein. Ähnliche, jedoch weniger stark
ausgeprägte Ausschläge lassen sich auch in den Simulationsergebnissen erkennen. Um
dieses Verhalten der Messwerte in der Simulation genauer abbilden zu können, wären
wiederum genauere Informationen über die Regelung des Hochdruckventils zum Einen
und über die Verdichterschaltung zum Anderen notwendig.
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Abbildung
g 35 Vergleich
h des Hochdrrucks aus Messsdaten und Simulationsergebnissen
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Austrittsttemperatur Geothermie
G
eunterkühlerr
In Abbildu
ung 36 ist deer Verlauf de
er Austrittsteemperatur de
es Geothermieunterkühleers
aus der SSimulation im
m Vergleich zu den Meessdaten auffgetragen. Hier
H
lässt sicch
erkennen, dass es nur sehr geringe
e Abweichung
gen zwischen
n Simulation und Messunng
gibt. Die vorhanden
nen Abweichungen lasssen sich durch
d
eine abweichendde
Eintrittstem
mperatur erkklären, welche der Gaskü
ühleraustrittsttemperatur entspricht
e
unnd
bereits in Abbildung 34 gezeigt wu
urde. So ist zzu erkennen,, dass die Ab
bweichung deer
Austrittstemperatur im
mmer in die gleiche Rich
htung geht wie die Abw
weichung deer
Eintrittstem
nkt. Zu den Zeitpunkten
mperatur zum
m entspreche
enden Zeitpun
Z
mit besondeers
geringen A
Abweichungeen in der Einttrittstemperattur, wie sie im
m Bereich zw
wischen 12 unnd
15 Uhr vvorliegen, sin
nd auch in der Austrittsstemperatur kaum Abweichungen zzu
erkennen. Die Abweichungen sind also nicht aauf Ungenau
uigkeiten in der
d Abbildunng
des Wärmeetauschers zu
urückzuführe
en.
Abbildung
g 36 Vergleich
h der Geothe
ermieunterkü hler-Austrittsstemperatur aus
a Messdateen
und Simulaationsergebn
nissen
Austrittsttemperatur NK-Verdicht
N
ter
Die Austrittstemperaurr des NK-Verdichterverbu
undes ist in Abbildung 37
3 dargestelllt.
Über den TTag gesehen wird der Verlauf der Ausstrittstempera
m
atur gut abge
ebildet und im
Bereich deer Ladenöffn
nungszeiten, also dem Vo
ollastbereich,, ist auch die quantitativve
Übereinstim
mmung sehr gut. Dass die in der Simu
ulation ermitttelte Tempera
atur dauerhaaft
leicht überr der Temperatur aus den Messdaten
n liegt, ist da
arauf zurückzzuführen, dasss
die Messsttelle nicht unmittelbar am
m Austritt derr Verdichter angebracht
a
isst und sich daas
Kältemittel somit schon
n leicht abgek
kühlt hat, bevvor es die Temperaturmesssung erreichht.
In den Morgenstunden lässt sich die höhere Austrittstem
mperatur in der
d Simulatioon
dadurch eerklären, dass hier in der
d
realen A
Anlage zeitw
weise Absch
haltungen dees
drehzahlgeeregelten Verdichters erfo
olgen. Hierau
us resultiert ein
e höherer Saugdruck unnd
somit
eein
gering
geres
Dru
uckverhältnis
und
entsprechend
e
d
geringerre
Austrittstemperaturen. Ab etwa 20 Uhr, also mit Beginn des Teillastbereichs nacch
Ladenschlu
uss, sind wieeder stärkere Abweichung
gen der Austtrittstemperatur im Modeell
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hin zu höh
heren Temperaturen im Vergleich
V
zu d
den Messwerten zu erkennen. Hier lässst
sich die n
niedrigere Teemperatur in den Messd
daten durch den zu diessem Zeitpunkkt
bereits stärker abgefallenen Hochdrruck erklären
n, der hier, wie
w in Abbildu
ung 35 gezeiggt
wurde, bereits deutlich unterhalb de
es Hochdruckks aus der Sim
mulation liegtt.
g 37 Vergleicch der Austritttstemperatu
uren des NK-Verbundes aus
a Messdateen
Abbildung
nissen
Elektrisch
he Leistung NK-Verdicht
N
terverbund
Der Verlau
uf der elektrisschen Leistun
ng des NK-Veerdichterverb
bundes ist in Abbildung 338
abgebildett. Die Messdaaten sind hie
erzu nur in e iner zeitlichen Auflösung von fünfzehhn
Minuten vorhanden, wodurch kurzfristige Schwankun
ngen, wie sie in deen
Simulation
nsergebnissen
n zu erkenne
en sind, mög
glicherweise nicht abgeb
bildet werdenn.
Von diesen kurzzeitigeen Schwanku
ungen in den
n Simulationssergebnissen abgesehen i st
wohl der qua
alitative Verl auf als auch
h die absolutten Werte deer
zu erkennen, dass sow
elektrischeen Leistung gut abgebildett werden.
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g 38 Vergleicch der elektrischen Leistu
ung des NK-V
Verbundes aus Messdateen
Abbildung
nissen
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Austrittsttemperature
en TK-Verdicchterverbun
nd
In Abbildu
ung 39 ist zu
u erkennen, dass
d
der quaalitative Verla
auf der Austrittstemperatuur
des TK-Veerdichterverbu
unds zwar gu
ut abgebildett wird, die durch
d
Simulattion ermitteltte
Temperatu
ur jedoch dau
uerhaft etwa zehn Kelvin unterhalb de
er gemessene
en Temperatuur
liegt. Mögliche Erklärun
ngen hierfür sind ein höheerer als der angenommene Druckverlu st
zwischen den Druckm
messstellen, was
w zu eineem höheren Druckverhältnis über d ie
Verdichterr führen würrde, eine grö
ößere als diee angenomm
mene Saugga
asüberhitzungg,
wodurch auch die Austrittstemp
A
eratur höheer wäre, oder durch das hier nichht
berücksich
htigte Takten
n der TK-Ve
erdichter heervorgerufene
e Verschlechterungen dees
Wirkungsg
grades der Veerdichter während der A
An- und Abfa
ahrvorgänge. Außerdem i st
zu bedenkken, dass für die TK-Verdichter mit veereinfachten Annahmen
A
fü
ür den Betrieeb
mit Frequeenzumformer gearbeitet wird, da hi erfür noch keine
k
genaue
en Messdateen
vorhanden
n sind. Eine endgültige
e
Errklärung diesser Abweichu
ung erfordertt noch näherre
Untersuchungen an der realen Anlage.
g 39 Vergleicch der Austrittstemperatu
uren des TK-Verbundes aus
a Messdateen
Abbildung
nissen
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Entwicklun
den Kältevverbund
Elektrisch
he Leistung TK-Verdicht
T
erverbund
Die Auswirrkungen diesser Abweichung sind jedocch als gering anzusehen, denn,
d
wie in
Abbildung
g 40 zu erkkennen, weiccht die gem
messene elek
ktrische Leisttung des TK
KVerdichterrverbundes kaum
k
von de
er simulierten
n ab. Zwar liegen die Messdaten
M
hieer
wieder nu
ur in einer Auflösung von fünfzeehn Minuten vor, trotzzdem ist d ie
Übereinstim
mmung mit den Simulationsergebnisssen deutlich
h zu erkenne
en. Insgesam
mt
lässt sich ssagen, dass die gemessene
e Leistung geeringfügig üb
ber der simulierten Leistunng
liegt, wass die gleicheen Gründe haben wird
d wie die leicht zu nie
edrig liegendde
Austrittstemperatur. Daas Auffinden
n der Ursachee würde hierr also voraussichtlich beidde
Abweichun
ngen zugleich beheben.
Abbildung
g 40 Vergleicch der elektrrischen Leistu
ung des TK-V
Verbundes aus Messdateen
nissen
Massensttrom NK- und TK-Kühlsttellen
Der sich in
n den Normalkühlstellen einstellende M
Massenstrom ist in
Abbildung
g 41dargestellt. Der Vergleich zwischeen Simulation und Messu
ung zeigt hieer
wieder ein
ne gute Übereinstimmung. Sowohl q
qualitativ als auch quantitativ wird deer
Verlauf hier gut abgebildet. Es zeigen sich jedoch wie
eder Unterschiede in deen
auftretend
den Schwan
nkungen de
er Werte, w
welche durrch das un
nterschiedlichhe
Taktverhalten der Verdichter begrün
ndet sind.
Für die Tiefkühlstellen sind
s
die sich einstellenden
e
n Massenström
me in
Abbildung
g 42dargestellt. Auch hier werden die Messergebnisse von der Simulation
S
guut
abgebildett, wobei die starken Sch
hwankungen , welche in der realen Anlage durcch
Taktvorgän
nge in den TK
K-Verdichtern
n entstehen, nicht mit abg
gebildet werd
den können.
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den Kältevverbund
Abbildung
g 41 Vergleich
h der Massen
nströme durcch die Normalkühlstellen aus
a Messdateen
nissen
Abbildung
g 42 Vergleicch der Masse
enströme du
urch die Tiefk
kühlstellen aus Messdateen
nissen
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den Kältevverbund
Leistungsszahl
Der Verlau
uf der Leistungszahl über den
d Untersucchungszeitrau
um ist in
Abbildung
g 43 dargesttellt. Die Le
eistungszahl bezieht sich
h hier auf den
d
gesamteen
Kälteverbu
m
und und wird
d sowohl für die Simulatiion als auch für die Messsung in jedem
zur Verffügung steehenden Zeitpunkt
Z
aals Verhältnis der Summe deer
Verdampfeerleistungen und der Summe d
der elektriscchen Verdichterleistungeen
berechnet. Aufgrund der
d geringen zur Verfügun
ng stehenden
n Auflösung der
d Messwertte
können ku
urzfristige Au
usschläge, wiie sie beding
gt durch Takttvorgänge zw
wischen 6 unnd
10 Uhr in der Simulattion zu sehen
n sind, durch
h die Messdaten nicht wiedergegebe
w
en
werden. A
An anderer Sttelle bleibt diie Leistungsz ahl in der Sim
mulation stab
biler, währennd
sie in den Messwerten um diese Werte
W
schwankkt, was sich wieder
w
durch
h Unterschiedde
im Taktverrhalten zwiscchen realer Anlage
A
und M
Modell begrün
nden lässt. Abgesehen
A
voon
diesen Unterschieden in der Dynam
mik kann diee Leistungsza
ahl des Gesam
mtsystems m
mit
dem Modeell in guter Nääherung ermittelt werden
n.
g
43
Veergleich
Abbildung
Simulation
nsergebnissen
n
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der
Leistun
ngszahlen
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aus
Messsdaten
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den Kälteverbund
4.3 Untersuchung zur Effizienzsteigerung im transkritischen
Betrieb
4.3.1
Grundlagen
Für jede transkritisch betriebene Kälteanlage gibt es in jedem Betriebszustand einen
optimalen Hochdruck. Dies hängt mit der Form der Isothermen und dem Verlauf der
Kompressionslinie im log(p),h-Diagramm zusammen. In Abbildung 6.1 sind
exemplarisch transkritische Kälteprozesse bei konstanter Verdampfungstemperatur von
6 °C und konstanter Gaskühleraustrittstemperatur von 35 °C, jedoch bei einem
variierten Hochdruck aufgetragen. Für den Prozess mit dem niedrigsten Hochdruck
ergibt sich hier eine Leistungszahl resultierend aus dem Verhältnis von spezifischer
Verdampferleistung h(1)−h(4) zu spezifischer Verdichterleistung h(2) − h(1), welche aus
den Enthalpien an den Punkten 1,2 und 4 als
(Gleichung 18)
berechnet werden kann. Bei einer Erhöhung des Verdichteraustrittsdrucks hin zu 2a
kann bei gleicher Gaskühleraustrittstemperatur eine deutlich größere Absenkung der
Enthalpie während der Enthitzung und somit zunächst eine deutliche Erhöhung der
spezifischen Verdampferleistung auf h(1) − h(4b) erreicht werden. Die Erhöhung der
Verdichterleistung h(2a) − h(1) ist im Vergleich hierzu geringfügig. Daraus folgt:
(Gleichung 19)
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g 44 Transkritischer Proze
essverlauf mi t variiertem Hochdruck eingetragen
e
iin
Abbildung
log(p),h-Diiagramm auss der ACL
Wird der V
Verdichterausstrittsdruck weiter
w
erhöhtt bis zum Punkt 2b, so ermöglicht diees
zwar eine weitere Erh
höhung der spezifischen Verdampferleistung auf h(1) − h(4bb),
diese fällt jjedoch deutliich geringer aus
a als die errste. Gleichze
eitig ist hierfür eine deutlicch
größere Errhöhung derr Verdichterle
eistung auf h
h(2b) − h(1) notwendig. Die Erhöhunng
o nicht me
des Verdichteraustrittsdrucks füh
hrt hier also
ehr unbedin
ngt zu eineer
Verbesseru
ung der Leistungszahl und ab ein em gewisse
en Druck so
ogar zu eineer
Verschlech
hterung der Leistungszah
hl. Es gibt also im tran
nskritischen Betrieb eineen
Hochdruckk, welcher bei konstan
nter Gasküh
hleraustrittste
emperatur eine
e
optima le
Leistungszahl ermögliccht. Es wurrde gezeigt, dass die Lage
L
dieses Druckes einne
besonders starke Abh
hängigkeit von
v
der Gaaskühleraustrittstemperatu
ur und som
mit
indirekt vo
on der Außen
ntemperatur aufweist, wäährend anderre Parameter wie etwa deer
Verdampfeerdruck nur einen
e
geringen Einfluss aauf die Lage des optimale
en Hochdruckks
haben [1], [1]. Diese Untersuchung
U
gen wurden allerdings nur
n für weniger komplexxe
1
Kauf, Friedrich: Determinattion of the optimum high presssure for transcritical CO2-refrigeration cycles. IIn:
Internationaal Journal of Theermal Sciences 38 (1999), Nr. 4, S. 325 – 330
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Kältemaschinenprozesse durchgeführt und insbesondere die hier durchgeführte
Abbildung der Abhängigkeiten der Kompressorwirkungsgrade vom Betriebszustand
kann zu einer Abhängigkeit des optimalen Hochdrucks von den Verdampferdrücken
führen. Außerdem ist der Geothermieunterkühler hier eine Besonderheit, für welche
entsprechende Untersuchungen noch nicht durchgeführt wurden. In [1] wird eine
grafische Methode zur Ermittlung dieses optimalen Hochdrucks vorgestellt, welche
jedoch nur für ideale Prozesse und stationäre Betriebspunkte funktioniert und in [1]
wird ein analytischer Ansatz vorgestellt, welcher die Abhängigkeit der Leistungszahl "
vom Hochdruck beschreibt und so theoretisch eine Ermittlung des optimalen
Hochdrucks über die Ableitung dieser Funktion ermöglicht, jedoch allein aufgrund der
benötigten Zustandsgleichungen fast unmöglich zu lösen ist. Aufgrund der mit diesen
Methoden verbundenen Schwierigkeiten wird in beiden Arbeiten auf eine direkte
Simulation des Prozesses zurückgegriffen, um die Abhängigkeit der Leistungszahl vom
Hochdruck zu ermitteln.
4.3.2
Untersuchung
Eine entsprechende Untersuchung wurde auch mit dem hier entwickelten Modell
durchgeführt, um zu sehen, ob durch Variation des Hochdrucks im transkritischen
Betriebsbereich eine Effizienzsteigerung erreicht werden konnte. Die Untersuchungen
wurden mit dem Modell für den Sommerbetrieb durchgeführt, da hier ausschließlich
der Betriebsbereich relevant ist, in welchem hohe Außentemperaturen einen
transkritischen Betrieb erfordern. Die Untersuchung fanden anhand von stationären
Betriebspunkten statt. Die durchgeführten Simulationsläufe mit dem für den
Sommerbetrieb erstellten Modell zeigen jedoch, dass die in [1] und [1] beschriebene
Methode zur Effizienzsteigerung hier nicht anwendbar ist. Dies ist auf die Verwendung
des Geothermieunterkühlers zurückzuführen. Da der Geothermieunterkühler nicht als
Kondensator ausgelegt ist, muss sich der Kondensationsdruck an der erreichbaren
Gaskühleraustrittstemperatur orientieren. Liegt diese oberhalb des kritischen Punktes
des Kältemittels, muss also in den transkritischen Betrieb gewechselt werden. Die
durchgeführten Simulationen zeigten jedoch, dass auch bei großer Kältelast und hoher
Außentemperatur die Austrittstemperatur aus dem Geothermieunterkühler unterhalb
der kritischen Temperatur von CO2 bleibt. Bei einer angelegten Kältelast von 50 kW im
NK-Bereich und 15 kW im TK-Bereich, wobei alle Verdichter mit maximaler Drehzahl
laufen, und einer Außentemperatur von 40 °C, also einer Gaskühleraustrittstemperatur
von 42 °C, steigt die Austrittstemperatur des Geothermieunterkühlers nicht über
27,5 °C. Es ist also nicht zu erwarten, dass hier während des normalen Betriebs höhere
Temperaturen auftreten. Für die Saugdrucksollwerte sowie Eintrittstemperatur und
Massenstrom des Kühlwassers im Geothermieunterkühler werden hierbei Mittelwerte
aus der Ladenöffnungszeit des 1. August 2011 verwendet. Die für diese Simulation
verwendeten Eingangsgrößen sind in Tabelle 6.1 zusammengefasst. Bei diesen
niedrigen Austrittstemperaturen aus dem Geothermieunterkühler sind die erreichbaren
Enthalpieabsenkungen durch eine Anhebung des Hochdrucks so gering, dass sie die
erhöhte Leistungsaufnahme der Verdichter nicht aufwiegen und somit zu einem
Absinken der Leistungszahl führen. Es ist also hier sinnvoll mit einem möglichst
niedrigen Verdichteraustrittsdruck zu arbeiten. Eine weitere Absenkung des Drucks
unter 75 bar ist aus anlagentechnischen Gründen bei Gaskühleraustrittstemperaturen
ber der kritischen Temperatur zur Wahrung der Betriebssicherheit jedoch nicht
1
Chen, Ying ; Gu, Junjie: The optimum high pressure for CO2 transcritical refrigeration systems with internal
heat exchangers. In: International Journal of Refrigeration 28 (2005), Nr. 8, S. 1238 – 1249
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84 | 133
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realisierbar. Bei einer noch stärkeren Annäherung an den kritischen Punkt bestünde das
Risiko, durch Druckverluste oder eine zu langsame Regelung zu subkritischen Drücken
und somit zu Kondensation im Geothermieunterkühler zu kommen.
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alyse
Energieana
5
Energie
eanalyse
e
5.1
Ist/Soll Vergleich
Im Folgenden werden die Ergebnisse aus den
n Messungen
n dargestellt und mit deen
Zielwerten
n, die auf Grrundlage derr Gebäudesim
mulation deffiniert wurde
en, verglichenn.
Somit soll gezeigt weerden, ob die
e gestellten Anforderung
gen in der Realität
R
erfülllt
wurden.
Die Energiieanalyse berrücksichtigt den
d EnOB-Billanzraum, d.h. nur die Gewerke
G
Kältee,
Heizung, LLüftung, Klim
ma und Beleucchtung werd en im Folgen
nden betrachtet. Der Anteeil
dieser Gew
werken am geesamten Energieverbrauch
h des Superm
markts beträg
gt 26.5 %, w
wie
in Abbildung 45 dargesstellt.
g 45 Aufteilun
ng der Energiieverbräuche im Supermarkt für alle Ve
erbraucher
Abbildung
w
den Prim
märenergieverrbrauch des ALDI Superm
markts für deen
Ein Ziel dees Projekts war,
EnOB-Bilan
nzraum um 29
2 % gegenü
über dem Veerbrauch eine
er ALDI SÜD Standardfilia le
zu senken.
Die Energiereduktionszziele und die Ergebnisse fü
ür die Jahre 2011,
2
2012 und
u 2013 sinnd
in der Abb
bildung 45 un
nd in der Tab
belle 7 ersich
htlich. Dabei wurde
w
der Sttromverbraucch
des Kältevverbunds anhand der re
ealen Witteru
ungen korrig
giert, um diesen mit deen
Zielwerten
n vergleichen zu können.
m
Das gesaamte Energ
giereduktionssziel von – 29% konnte während desm
Monitoring
gzeitraumes nicht erreichtt, sondern m
mit – 23 % nu
ur angenäherrt werden. Deer
Primärenerrgieverbrauch
h für die Kälteerzeugung, die Heizung und die Klim
matisierung m
mit
dem geotthermisch geestützten Kälteverbund kkonnte in 2012 um 20 % reduzieert
werden. Dank derr Tageslichttnutzung kkonnte derr Energieve
erbrauch deer
Beleuchtun
ngsanlagen um
u 25 % re
eduziert werd
den. Mit dem
m neuen Lüfftungskonzeppt
konnte deer Energieverb
brauch der Lü
üftungsanlag
gen in 2012 um
u 67 % ge
egenüber eineer
Standardlö
ösung reduzieert werden.
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Energieana
Diese Ergeebnisse werden in den fo
olgenden Absschnitten fürr jedes Gewe
erk ausführlicch
beschriebeen.
m
Tabelle 6 spezifischer Primärenergieverbrauch der untersch
hiedlichen Ve
erbraucher im
Supermarkkt – Vergleich
h der Referenz- und Zielweerte mit Ergebnissen
Standaard Ziel
kWhPE/
m²NGF.a
55
Gas
Kälteverbund 276
Wärmepu
umpe 0
34
Klima
ung 118
Beleuchtu
18
Lüftung
2011
0
0
256
298
8%
28
8
1
0
0
83 30
0 % 101
10 46
6% 7
2012
2013
(Hocchrechnung)
0
290
1
0
88
6
0
304
4
6
0
89
9
Abbildung
g 46 spezifisccher Primären
nergieverbrau
uch der unte
erschiedlichen
n Verbraucheer
im Superm
markt – Vergleeich der Referenz- und Zieelwerte mit Ergebnissen
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5.2
K
Klimatischee Randbe
edingungeen
5.2.1
Au
ußenlufttem
mperatur
Wetterdateen aus dem
m Testreferen
nzjahr für d
die Klimazone 12 TRY12
2 (Mannheim
m)
wurden alss Eingangspaarameter für die simuliertee Filiale verwendet. Die Ja
ahre 2011 unnd
2012 wareen im Vergleich zu den Werten
W
des Teestreferenzjahres relativ mild.
m
Für beidde
Jahre weicchen die Werrte im Somm
mer und in deer Übergangsszeit deutlich
h vom TRY abb.
Der Winter 2012 war eher
e
mild.
Abbildung
g 47 Jahresdaauerlinie der mittleren Sttundentempe
eraturen auß
ßen in Rastattt,
Biblisweg 2 für 2011, 2012
2
und für das Testrefe renzjahr 12 (Mannheim).
5.2.2
Kllimakorrektu
ur
Im Gegeenteil zu einer
e
Heizungsanlage zeigen die Messungen, dass d ie
Verbundkäälteanlage bei
b
absinke
enden Außeenlufttempera
aturen wen
niger Energ ie
verbrauchtt. Dabei wird vor allem de
er Stromverbrrauch der NK-Verdichter beeinflusst,
b
deer
direkt von
n der Effizien
nz der Rückk
kühlstrecke aabhängt. Um
m die Verbrau
uchswerte auus
Messungen und aus der Sim
mulation verrgleichen zu
u können, wurde einne
Klimabereiinigung des Stromverbra
auchs des N
NK-Verbunds anhand ein
nes einfacheen
linearen Reegressionsmo
odells, das mit Messdaten
n trainiert wu
urde, durchge
eführt. Für daas
m
Jahr 2011 wurde aufgrrund der durcchschnittlich höheren Auß
ßenlufttempe
eraturen als im
Testreferen
nzjahr der Energieverbrauch des NK--Verbunds um - 2,6 % korrigiert. Füür
2012 beträägt diese Korrrektur - 4,7 %.
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Energieanalyse
5.3
Ausführung der Messtechnik - Datenqualität
Das beschriebene Messsystem erlaubt eine automatische und komfortable Auswertung
des Gebäudebetriebs. Jedoch kann die Zeitauflösung der Strom- und der
Massenstromzähler aufgrund von technischen Einschränkungen in das Steuer- und
Regelsystem von Wurm nicht vereinheitlicht werden. Die Massenstromzähler liefern
Messdaten in einer fünfminütigen Auflösung, die Stromzählern jedoch nur alle
fünfzehn Minuten, so dass Arbeitszahlen mit einer viertelstündlichen Auflösung
berechnet werden konnten. Weiterhin waren die Messungen der CoriolisMassenstromzähler mit großen Messungenauigkeiten behaftet, so dass eine für die
Ermittlung von Arbeitszahlen zufriedenstellende Genauigkeit nicht erreicht werden
konnte. Die Ursachen für die Messungenauigkeiten wurden wie folgt identifiziert:
 Die Massenströme wurden bei den Coriolis-Zählern als Instantanwerte
minütlich erfasst, so dass bei einem stark variierenden Durchfluss keine
genauen Mittelwerte berechnet werden können.
 Möglicherweise wurden diese Abweichungen auch durch Schwingungen in
den Leitungen und/oder eine inhomogene Medienqualität verursacht
Weiterhin hat der Kälteanlagenhersteller erkannt, dass die Massenstromzähler hohe
Druckverluste in den Leitungen verursacht haben, die einerseits Messfehlern bei der
Druckmessung hervorgerufen haben und andererseits den Stromverbrauch des
Kälteverbunds erhöhten. Es wurde dann mit ALDI SÜD entschieden, die
Massenstromzähler zurückzubauen.
Jedoch stellt die Leistungszahl entscheidende Kenngröße für die Effizienz des Betriebs
dar. Mit einer höheren Auflösung und eine Impulsmessung ist es möglich
Massenströme in Kältekreisläufe genauer zu erfassen. Über eine neue SPSProgrammierung könnten beispielsweise sekündlich erfasste Daten zu genaueren
Mittelwerten verdichtet werden. Diese Änderung wurde leider im Rahmen dieses
Projekts nicht implementiert werden.
Zwischen Juli und Dezember 2012 ist die Anbindung des M-Bus Systems an die GLT der
Fa. Wurm ausgefallen, was einen Datenverlust verursacht hat. Während diesem
Zeitraum konnten die Energiebilanzen und der Betrieb der hydraulischen Kreise nicht
mit der gewünschten Genauigkeit ausgewertet werden. Die Energiemengen durch die
hydraulischen Kreise wurden während diesem Zeitraum mittels einfachen linearen
Regressionsmodellen ermittelt.
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Energieanalyse
5.4
Kälteverbund
5.4.1
Ziele
Ziel für den geothermisch gestützten Kälteverbund ist eine Minderung des
primärenergetischen Verbrauchs für die Kälte-, Wärme- und Klimakälteerzeugung von
28 % gegenüber einer Standardfiliale. Dabei wurde bei diesem ALDI Supermarkt Strom
als einziger Energieträger bezogen. In einer Standardfiliale werden Strom für die Kälteund Klimakälte und Gas für die Beheizung verwendet.
Der Stromverbrauch des Kälteverbunds ist die Summe der Stromverbräuche folgender
Subkomponenten:
 NK-Verbund
 TK-Verbund
 GEO-Verbund
 Kühlstellen: Mopro-Regale, NK-Inseln/Räume/Backraum, TK-Inseln/Räume
 Gaskühler
 Pumpen
Die vorrangige Aufgabe des Kälteverbunds ist die kontinuierliche Kälteerzeugung auf
drei unterschiedlichen Temperaturniveaus, für die Einhaltung der Temperatursollwerte
in den Kühlzellen, den Kühlmöbeln und im Backraum, um eine einwandfreie Qualität
der Lebensmittel zu sichern.
Des Weiteren
wird die Abwärme aus dem
Rückkühlvorgang
des
überhitzten
CO2-Dampfes
zur
Versorgung
der
Wärmeübergabesysteme genutzt. Mit der Abwärmenutzung aus der Kälteerzeugung
kann auf den Einsatz eines zusätzlichen Wärmeerzeugers verzichtet werden. Drittens
soll der Kälteverbund den Verkaufsraum des Supermarkts im Sommer kühlen, um
angenehme Raumtemperaturen einzuhalten. Dies erfolgt mittels freier Kühlung durch
Nutzung des Erdreichs als Wärmesenke.
Anlagenhersteller ist die Fa. Hafner-Muschler. Mit dieser Anlage hat sie ihre erste
transkritische CO2-Kälteanlage geplant, installiert und in Betrieb genommen. Bei der
Implementierung
von
neuen
Regelkonzepten
wurde
eine
konservative
Herangehensweise verfolgt, um die Hauptfunktionen der Anlage in jeder Situation
sicherzustellen. Der Anlagenbetrieb wurde durch sukzessive Änderungen der
Regelungsparameter im Laufe des Monitorings optimiert.
Ursprünglich war geplant, den energetischen Betrieb der Kälteanlage mithilfe von
Performance-Indikatoren wie COP und EER zu bewerten. Leider konnten diese
Kennwerte aufgrund zu hoher Messabweichungen bei der Massenstromzählung nicht
ermittelt werden. Die Begründung dafür ist in 5.3 beschrieben.
Im nächsten Abschnitt wird der energetische Betrieb des NK-, TK- und Geo-Verbunds,
sowie der Kühlstellen und Gaskühler analysiert. Das hydraulische Anlagenverhalten
wird in Abschnitt 5.5 analysiert.
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alyse
Energieana
5.4.2
Errgebnisse un
nd Analysen
n
Während dem intensivven Monitoring hat der K
Kälteverbund
d die Kälterve
ersorgung deer
unterschiedlichen Kühlstellen erfülltt. Nennensweerte Störungen waren der Ausfall einees
TK-Verdich
hters im Märrz 2011 sow
wie Undichtig
gkeiten im WRG-Plattenw
W
wärmetauscheer
zwischen d
der CO2- und
d der Wassersseite,, aufgru
und derer es zum Eintritt von
v CO2 in d ie
Heizkreise kam. Die Heeizung des Su
upermarkts m
musste im Sep
ptember 2012
2 während caa.
3 Wochen unterbrocheen werden, um dieses Prob
blem zu behe
eben.
Die Beheizzung des Su
upermarkts mit
m Abwärm
me konnte ebenfalls realisiert werdenn,
jedoch ko
onnte die Wärmepump
W
e den Heizzbetrieb bei niedrigen Temperatureen
aufgrund einer technisschen Störung eines Verd
dichters nichtt unterstützen. Dies führtte
zu Komfo
orteinbußen im
i Winter, vor
v allem fü
ür Mitarbeiter im Kassenbereich (siehhe
Analyse zu
ur thermischeen Behaglichk
keit in 6.2).
Der primäärenergetische Verbrauchszielwert von
n 264 kWh/m
m²NGF.a des Kälteverbundds
konnte wäährend der Prrojektlaufzeit nicht erreich
ht werden (siehe Abbildun
ng 48). Jedocch
konnten 2
2011 18 % und 2012 20
2 % Primärrenergieeinsp
parungen geg
genüber eineer
Standardlö
ösung erzielt werden. Die Hochrechnu ng aus dem Stromverbrau
uch des ersteen
Semester 2013 zeigt eine leichtte Erhöhung
g des Energ
gieverbrauchss seitens dees
Kälteverbu
unds. Diese Tendenz so
oll im Rahm
men des La
angzeitmonitorings weiteer
untersuchtt werden.
In Abbild
dung 48 isst deutlich zu erkenn
nen, dass aufgrund der
d
defekteen
Wärmepum
mpenschaltun
ng fast keine
e Energie fürr die Heizungsunterstützu
ung durch d ie
Wärmepum
mpe in 2011 und 2012
2 verbrauchtt wurde. Na
ach der Fehlerbeseitigunng
arbeitete d
die Wärmepu
umpe im erste
en Halbjahr 2
2013 lediglich
h zwischen Mitte
M
März unnd
Mitte Ap
pril. Erste Hochrechnungen ergeeben, dasss mit eine
er normaleen
Wärmepum
mpenfunktion der Kälteverbund mehr Stro
om verbraucchen würdee.
Quantitativve Aussagen können jedoch erst nacch einem volllen Jahr ohne Störung deer
Wärmepum
mpe gemacht werden.
g 48 spezifisscher Primärenergieverbraauch des Kälteverbunds – Ziele unnd
Abbildung
Ergebnissee
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Energieana
Abbildung
g 49 zeigt den Ve
erlauf des monatlichen Stromverrbrauchs deer
unterschiedlichen Teilee des Kältevverbunds. Au
us dieser Grrafik kann vor allem einne
Verbesseru
ung des enerrgetischen Be
etriebs des N
NK-Verbunds zwischen 20
011 und 20112
erkannt w
werden. Dieese liegt an
a unterschiiedlichen Be
etriebsoptimierungen, d ie
nachfolgen
nd beschriebeen sind.
g 49 Mo
onatlicher Stromverbrau
uch
Abbildung
A
mperatur
Monatsmitttelwert der Außenlufttem
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der
Kälteverbundteilen
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5.4.2.1 NK
K-Verbund
Der Anteil des NK-Verb
bunds am gessamten Strom
mverbrauch des
d Supermarkts beträgt caa.
38 %, unter Berückksichtigung des EnOB--Bilanzraums. Tabelle 7 stellt d ie
Verbrauchskennwerte des
d NK-Verbu
unds für 201 1 und 2012 zusammen.
Tabelle 7 V
Verbrauchskeennwerte NK--Verbund
2011
1
2012
111.151 103.84
45
kWhEE
NK-Verbu
und kWhEE/m
m²NGF.a 66.4
4
62.0
kWhEE/m
m²VKF.a 100.8
94.1
Die Korreelation zwiscchen Stromvverbrauch u
und der Au
ußenlufttemp
peratur ist in
Abbildung
g 50 eindeutig
g erkennbar: Über ca. 11 °C steigt die tagesmittlere Leistung dees
NK-Verbun
nds annähern
nd linear zum
m Tagesmitteel der Außen
nlufttemperatur. Unterha lb
dieses „Ch
hange Pointss“ ist die Ste
eigung kleineer aufgrund der öfter vo
orkommendeen
transkritiscchen Betriebssweise.
Zwischen Öffnungstagen und Sonn
n- und Feierttagen sinkt die
d Leistungsa
aufnahme dees
Kälteverbu
unds durchsschnittlich um
u
ca. 45
5 %, aufgru
und des Einsatzes
E
deer
Energiespaarrollos und der Anhebung der Verd
dampfungstem
mperaturen außerhalb deer
Öffnungszzeiten.
Im Gegen
nsatz l zur Außenlufttem
A
mperatur kon
nnte kein ne
ennenswerter Einfluss deer
Kundenanzahl auf den energetische
en Verbrauch
h des Kälteverbunds identifiziert werdeen
(siehe Abb
bildung 51).
in
Abbildung
g 50 Tagesm
mittel der ele
ektrischen Leeistungsaufna
ahme vom NK-Verbund
N
Abhängigkkeit der Außeenlufttempera
atur
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Energieana
Abbildung
g 51 monatliche Kundenanzahl un
nd monatliccher Stromverbrauch dees
Kälteverbu
unds
Zwischen 2011 und 2012 konnte der klim
mabereinigte Stromverbrauch des NK
KVerbunds um 9 % aufg
grund folgend
der Maßnahm
men reduzierrt werden:
 Diie Tag- und Nacht-Sollwerte der Verdampfungstemperaturen in deen
Kü
ühlmöbeln wurden
w
angeh
hoben.
 Ein Heißgasenthitzer, der die Heißgasw
wärme aus den
d
TK-Verdichtern an d ie
Au
ußenluft abg
gibt, wurde zwischen deen TK- und den
d
NK-Stufen eingebauut.
Daabei wird diee Wärme, die in die NK--Stufe eingeb
bracht wird, um ca. 10 %
reeduziert und somit
s
auch die
d Arbeit, diee von den NK
K-Verdichtern
n aufgewendeet
w
werden muss, um die Abw
wärme aus deer TK-Stufe abzuführen. Hierdurch
H
ste llt
sicch eine kon
ntrollierte He
eißgastemperratur der TK
K-Stufe ein wodurch deer
Saaugdruck derr NK-Stufe angehoben weerden kann.
 Deer Sollwert für
f die für die
d BackShop
p Klimatisieru
ung wurde von
v
25 °C auuf
27
7 °C angehob
ben.
Während d
dem Monitorringzeitraum wurde der D
Druck im subk
kritischen Bettrieb auf eineen
konstanten
n Wert gereg
gelt. Nach Abschluss
A
dess Monitoringss wurde im Juli
J 2013 einne
neue Regeelungsstrateg
gie implementiert, bei derr der Druck im
i subkritischen Betrieb iin
Abhängigkkeit der Außeenlufttempera
atur geregeltt wird.
Aus Abbild
dung 52 sind
d die Anteile
e der Betrieb
bsstunden im
m sub- bzw. transkritische
t
en
Betrieb deer Kälteanlag
ge, der Monatsmittelweert der Auße
enlufttemperratur und d ie
Verteilung der Außenlu
ufttemperatur unter und ü
über 20 C au
ufgetragen. Je
J geringer d ie
Anzahl der transkritischen Betriebssstunden ist d
desto höher ist die Energieeffizienz deer
gesamten Kälteanlage.. Aus dieser Grafik ist erssichtlich, dasss die Anlage
e während deer
Übergangsszeit zwischeen Winter un
nd Sommer vor allem in
n 2011 und 2012 selteneer
transkritiscch betrieben wird. Die hat
h zwei Grü
ünde. Zum einen kann die
d Anlage b ei
Temperatu
uren unter 20
2 C subkritisch betrieb
ben werden. Zum anderen sinkt deer
Wärmebed
darf des Supermarkts bei milden Tem
mperaturen und es ist nicht notwendigg,
die Anlagee transkritisch
h zu fahren, um
u zusätzlich
he Abwärme zu erzeugen.
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Im Semesster 2013 sind die trranskritischen
n Betriebsstu
unden aufgrund kältereer
Außenluftttemperaturen
n und der bereits erlä uterten beh
hobenen Feh
hlfunktion deer
Wärmepum
mpenschaltun
ng wieder gestiegen. Diee höchste Anzahlen an transkritische
t
en
Betriebsstu
unden werdeen während den Sommeermonaten und kalten Wintermonate
W
en
aufgezeich
hnet.
Im Winter wird der traanskritische Betrieb
B
freigeeschaltet, we
enn dies aufg
grund einer zzu
geringen R
Rücklauftemp
peratur der Heizungsanla
H
ge erforderlich ist. Durch
h die fehlendde
Wärmepum
mpenfunktion wurde derr transkritisch
he Betrieb ab dem Wintter 2012/201 3
früher freigeschaltet, um
u genügend
d Wärme für die Einhaltung der Raum
mtemperatureen
auszukopp
peln. Dies gin
ng zu Lasten der
d Energieefffizienz.
Im Sommeer sind die Optimierungsm
möglichkeiten
n des transkrritischen Betriebs begrenzzt.
Wie die SSimulationssttudie in 4.3 gezeigt hatt, ist es aufgrund des Einsatzes dees
m
Erdsonden
nfelds energeetisch sinnvoller, den Drucck im transkrritischen Betrrieb auf einem
konstanten
n Wert direkt oberhalb des kriti schen Punk
kts einzurege
eln. In eineer
Weiterentw
wicklung der Anlage könnte e in Gaskühle
er mit ein
ner größereen
Wärmeübeertragerflächee dazu beitra
agen den Greenzwert von 20 °C für die Zuschaltunng
des transkritischen Betrriebs anzuheben. Durch d
diese Maßnah
hme könnte die
d Anzahl deer
transkritiscchen Betriebssstunden gessenkt werden
n. Hierfür mü
üsste die Wirrtschaftlichkeeit
dieser Maaßnahme unttersucht werrden, um daas Kostenoptimum aus einem größeer
dimensionierten Wärm
meübertrager und der B
Betriebskosten
n durch Verrmeidung dees
transkritiscchen Betriebss zu finden.
Abbildung
g 52 Anteil deer Stunden im
m sub- bzw. ttranskritischen Betrieb und
d
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NK-Verbu
und und Bacckraumkühlu
ung
Mit einer g
gemessenen mittleren Stromaufnahmee von ca. 13 kW stellt derr Backautomaat
einenwichttigen Stromvverbraucher dar. Die Abw
wärme aus dem Backautomaten wirrd
mittels zweier Direktverdampfer abg
geführt, um d
den Backraum
m auf eine Te
emperatur voon
27° C zu kkühlen. Die Verdampfer
V
sind mit den N
NK-Verdichte
ern verbunden und werdeen
mit einer Verdampfungstemperatur von -10° C betrieben. Es ergibt sicch eine großße
Temperatu
urdifferenz
zwischen
Verdampfeeroberfläche
und
Raumluft,
d ie
thermodyn
namisch ung
günstig ist, und
u
zu eine r Minderung
g der Energieeffizienz deer
m
gesamten Anlage führt. Diese Schwachstelle wurde im Rahmen
R
des Projekts vom
Anlagenheersteller identtifiziert und in einer weitteren Entwicklung durch die Schaltunng
des Backraaums auf einee höhere Verd
dampfungssttufe korrigiert.
NK-Verbu
und und Ene
ergiesparrolllos
Abbildung
g 53 veran
nschaulicht den Einflu ss der En
nergiesparrollos auf deen
Stromverbrauch des NK
K-Verbunds. Zwischen Taag- und Nach
htbetrieb bzw
w. dem Betrieeb
an Schließtagen, wird die stündliche Leistungsa ufnahme derr NK-Verdichttern durch d ie
Energiespaarrollos um ca. 70 % re
eduziert, wiee folgende Abbildung
A
53
3 verdeutlichht.
Teilweise ist die gemeessene verminderte Leisttungsaufnahm
me natürlich auch an d ie
natürlichen
n Schwankun
ngen der Auß
ßentemperatu
ur gekoppelt..
Abbildung
g 53 Stündlich
her Verlauf der
d Leistungsaaufnahme de
er NK-Verbun
nds [CCH MPPS
11N1]
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5.4.2.2 TK
K-Verbund
Der TK-Veerbund verbraauchte 6 % des Stromverrbrauchs vom
m Supermark
kt. Im Sommeer
steigt
der
Strom
mverbrauch
des
TTK-Verbunds
aufgrun
nd
höhereer
Innenraum
mtemperatureen.
Tabelle 8 V
Verbrauchskeennwerte NK--Verbund
2011
1
2012
17.3
306 19.110
kWhEE
TK-Verbund kWhEE/m
m²NGF.a 10.3
3
11.4
kWhEE/m
m²VKF.a 15.7
7
17.3
Ab März 2012 wurde der Sau
ugdruck dess NK-Verbun
nds angehob
ben, um d ie
Kompressionsarbeit deer NK-Verdich
htern zu redu
uzieren und somit deren energetischeen
Betrieb zu
u verbessern. Dies führte zu einem ssensiblen Ansstieg des Strromverbrauchhs
vom TK-Veerbund (siehee Tabelle 8).
Abbildung
g 54 zeigt deen Verlauf der Verdampffungstemperatur in einerr TK-Insel unnd
verdeutlich
ht die sukzessive Umse
etzung von Optimierung
gsmaßnahme
en. Weiterhiin
werden U
Unregelmäßig
gkeiten seiten
ns des Betri ebs aus dieser Grafik erkennbar:
e
A
Ab
August 20
011 wurde diee Verdampfungstemperattur auf einem
m höheren konstanten Weert
von -32 °C
C auf -30 C angehoben und ab Märrz 2012 wurd
de der Sollw
wert durch deen
Einsatz der Frigotaktplus Software (siehe 2.3.2)) mit vorgege
ebenen Sollw
werten für deen
Tages- und Nachtbetriieb stetig op
ptimiert. Der Ausfall eine
es TK-Verdich
hters im Märrz
2011 veru
ursachte höh
here Verdampfungstempeeraturen in den
d
Kühlinse
eln (hellgrüneer
Balken).
Abbildung
g 54 Carpet-PPlot Verdampfungstemperratur in einem
m TK-Insel
5.4.2.3 GE
EO-Verbund
d (Wärmepu
umpenschalttung)
Der Betrieeb des GEO--Verbunds ko
onnte im Raahmen diese
es Projekts aufgrund eineer
Störung am
m Wärmepumpenverdichter leider niccht ausgewerrtet werden. Durch Ausfaall
dieses wich
htigen Teils konnte
k
die ge
esamte Anlag
ge nicht vollsttändig validiert werden.
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5.4.2.4 Kühlstellen
Zusammen trugen die Kühlstellen zu 20 % des Stromverbrauchs des Supermarkts im
EnOB-Bilanzraum bei. Tabelle 9 fasst die Verbrauchskennwerte der Kühlstellengruppen
zusammen. Der monatliche Stromverbrauch der Kühlstellen (Mopro-Regale, NKInseln/Räume/Backraum, TK-Inseln/Räume) ist in Abbildung 55 dargestellt. Erfasst
wurde der Stromverbrauch für die Beleuchtung, die Umluftventilatoren und die
Steuerung der Kühlstellen. Der monatliche Stromverbrauch bleibt von Monat zu Monat
in etwa konstant. Die Anzahl der Öffnungstage pro Monat hat den größten Einfluss auf
den monatlichen Verbrauch (z.B. Februar 2011 und 2012). Keine weiteren
Verbesserungen über die Projektlaufzeit oder die Beeinflussung des energetischen
Betriebs der Kühlstellen durch die klimatischen Bedingungen sind erkennbar.
Im Verlauf des Projekts hat ALDI SÜD entschieden, das Konzept mit Remote-Kühltruhen
in künftigen Filialen nicht weiter zu verfolgen. Gründe dafür sind die komplexe
Leitungsführung in der Betonplatte und ein Mangel an Flexibilität in der Gestaltung der
Räume durch die festen Kälteleitungsanschlüsse. Ein weiterer Grund ist die
Marktverfügbarkeit von energieeffizienten steckerfertigen Kühltruhen, die seit ein paar
Jahren mit natürlichen Kältemitteln wie z.B. Propan, optimierten Komponenten und
bessere Regelungen erhältlich sind.
Tabelle 9 Verbrauchskennwerte Kühlstellen
2011
2012
kWhEE
57.692 57.877
Kühlstellen
kWhEE/m²NGF.a 34.4
34.5
Gesamt
kWhEE/m²VKF.a 52.3
52.5
12.308 11.879
kWhEE
kWhEE/m²NGF.a 7.3
7.1
Moproregale
kWhEE/m²VKF.a 11.2
10.8
kWhEE/m²display.a 351.7 339.4
12.959 12.852
kWhEE
NK-Inseln
NK-Räume
kWhEE/m²NGF.a 7.7
7.7
Backraum
kWhEE/m²VKF.a 11.7
11.7
32.425 33.147
kWhEE
TK-Inseln
TK-Räume
kWhEE/m²NGF.a 19.4
19.8
kWhEE/m²VKF.a 29.4
30.1
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Abbildung
g 55 monatliccher Stromverrbrauch der K
Kühlstellen
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5.4.2.5 Ga
askühler
Der Anteil des Gaskühlers am gesamten Stro mverbrauch des ALDI Su
upermarkts i st
gering un
nd beträgt nur
n ca.1,0 %.. Während der Sommerrmonate ist der
d Verbraucch
deutlich größer wie in den Wintermonaten, w ie in Abbildu
ung 56 veran
nschaulicht. EEs
liegt einerrseits an der Tatsache, dass die gaanze Abwärm
me im Somm
mer über deen
Gaskühler und das Erd
dsondenfeld abgeführt w
werden muss, weil keine Wärme
W
für d ie
Heizung d
des Supermarrkts benötigtt wird. Andeererseits liegtt es an der transkritische
t
en
Betriebsweeise, bei derr die Wärme
e ohne Phassenwechsel des
d Kältemitttels abgefühhrt
werden muss. Während
d den kalten Wintermonaaten wird durrch Nutzung von Abwärm
me
und Verflü
üssigung des Kohlendioxxids viel weeniger Hilfsen
nergie für die
d Lüfter dees
Gaskühlerss benötigt, um das Kältem
mittel zu unteerkühlen.
g 56 monatliccher Stromverrbrauch des G
Gaskühlers
Abbildung
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5.4.3
Hü
ügelsheimerr Filiale
In Hügelsh
heim (BW) wu
urde eine neue ALDI SÜD
D Filiale gebaut und in September 201 2
eröffnet. M
Mehrere Bau
usteine aus dem Konzep
pt der Rastätter Filiale wurden
w
in daas
Energiekon
nzept überno
ommen. Anhand der Erkeenntnisse auss dem vorlieg
genden Projekkt
wurde eine neue Geneeration des geothermiege
g
estützen Kältteverbunds entwickelt
e
unnd
gebaut, diee in vielerlei Hinsicht
H
optim
miert wurde:
 Neeue, kleinere CO2-Verdich
htern wurden ausgewählt
 Diie
Klimattisierung
erfolgt
e
mit
höhereen
des
Backkraums
Veerdampfungsstemperaturen
 Stteckerfertige Kühltruhen mit
m Propan w
werden anste
elle der Remo
ote-Kühltruheen
veerwendet
 Daas Erdsonden
nfeld besteht aus 5 anstell e von 6 Sond
den
 Diie Geothermiepumpe wurrde kleiner di mensioniert
Die installiierte Kälteleisstung entsprricht in etwa der Kälteleistung der Ra
astätter Filialee.
Die Nettog
grundfläche des
d Supermarkts beträgt cca. 1‘590 m²² und ist som
mit 5 % kleineer
als die Fläcche der Rastäätter Filiale.
Auswertun
ngen aus der Energiemesssungen von September 2012 bis De
ezember 20113
zeigen, daass die Kälteeerzeugungsa
anlagen der hügelsheimer Filiale (Kä
älteverbund +
steckerferttige Kühltruhen) 12 % we
eniger Strom verbrauchten
n als in der Ra
astätter Filialee.
Die Konzeepte für die Lüftungs- un
nd Wärmeübeergabesystem
me (BKT und FBH) wurdeen
ebenfalls übernommen. Bei der Beleuchtung wurde auff das tageslichtabhängigge
Beleuchtun
ngskonzept verzichtet.
v
Abbildung
g
57
Hügelsheim
m/Rastatt
Fraunhofer ISSE
V
Vergleich
spezifischer
ALDI SÜD 2010
Stromverbrauch
Kälteerzeugunng
ALDI
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H & Co KG
10
01 | 133
Energieanalyse
5.4.4
Fazit
Die Energiereduktionsziele für die Kälte- und Wärmeerzeugung mit dem
geothermiegestützem Kälteverbund konnten im Rahmen dieses Projekts nicht erreicht
werden. Gründe dafür waren einerseits Ungewissheiten im Umgang mit dem Betrieb
und der Regelung einer Kälteanlage dieser Art. Entsprechende Erfahrungen mussten
während dem Projekt erst gewonnen werden. Andererseits lag es an der Tatsache, dass
die Kopplung mit dem Erdsonfeld zu einer geringeren Effizienzsteigerung des
Kälteprozess als dem erwarteten Zielwert von 15 % geführt hat. Gründe dafür werden
in 5.5.3 beschrieben. Außerdem waren wichtige Komponenten wie die Verdichter, zum
Zeitpunkt der Erstentwicklung einer solchen Anlage noch nicht in allen Größen
verfügbar, und wurden deshalb überdimensioniert..
Im Verlauf des intensiven Monitoring wurden zahlreiche bauliche und
regelungstechnische Optimierungspotentiale vom Kälteanlagenhersteller und
Monitoringteam identifiziert und umgesetzt. So konnte eine außenluftabhängige
Druckregelung für den subkritischen Betrieb in Juli 2013 endgültig implementiert
werden. Auch die Komplikationen seitens der Wärmepumpenschaltung wurden im
Herbst 2013 behoben, so dass diese Funktion seit einigen Monaten verfügbar ist und
im Rahmen des Langzeitmonitorings ausgewertet werden kann.
Der positive Effekt der isolierenden Nachtrollos konnte im Rahmen des Projekts validiert
werden. Mit dieser Maßnahme kann der Stromaufwand für die Kühlregale um bis zu
70 % an Strom während der Schließzeiten reduziert werden.
Eine weitere Filiale mit einem optimierten Kälteverbund wurde während dem
Monitoringzeitraum von ALDI SÜD gebaut und ausgewertet. Die ersten Ergebnisse
zeigen eine Minderung des Energieverbrauchs von ca. 12 % gegenüber des Rastätter
Supermarkts.
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102 | 133
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Energieana
5.5
Heizung un
nd hydrau
ulische Krreise
5.5.1
Ab
bwärmenuttzung
Die Heizu
ung des Sup
permarkts wurde
w
über d
die Nutzung
g von Abwä
ärme aus deer
Kälteerzeu
ugung gesicheert.
Auf Abbild
dung 58 und
d Abbildung 59 sind die Verläufe derr Abwärmenu
utzung in deen
Wärmesen
nken Wärmerrückgewinnung, Gaskühleer und Erdso
ondenfeld darrgestellt. 201 1
wurde 25 % der Wärm
me aus der Kälteerzeugun
K
ng zu Heizzw
wecken genu
utzt, 65 % deer
Wärme w
wurde an die Umgebung über den Gasküh
hler abgeführt und d ie
restlichen1
10 % in das Erdsondenfe
eld eingespeiist. 2012 wa
aren es bzw. 20 %, 69 %
und 11 %.
Während den Winterm
monaten wurrde über 50 % Abwärme
e zurückgew
wonnen und in
den Heizkrreisen eingespeist. Von ca
a. Mitte Juni b
bis Oktober wurde
w
keine Wärme
W
für d ie
Heizung b
benutzt sondern diese wurde über d
den Gaskühler und das Erdsondenfelld
abgeführt..
Abbildung
g 58 Abwärmenutzung 20
011
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Energieana
Abbildung
g 59 Abwärmenutzung 20
012
Die Wärmemengen aus der Abwärmenutzung vverteilten sich
h auf die untterschiedlicheen
Wärmesen
nken (Heizkreeise und Erdso
ondenfeld) en
ntsprechend der Abbildun
ng 60.
Abbildung
g 60 Entkopplung der Abw
wärme in die unterschiedliichen Wärme
esenken
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Die gemesssenen Heizw
wärmeverbräu
uche des ALD
DI Supermark
kts sind mit 29.1
2
kWh/m² .a
und 20.1
1 kWh/m².a in 2011 bzw. 2012
2 niedrig. Die Verkle
einerung dees
Heizwärmeeverbrauchs zwischen die
esen beiden Jahren liegt vor allem in der Tatsachee,
dass die B
BKT während
d dem ersten Winter miit überschüsssiger Wärme
e beaufschlaggt
wurde, um
m den Superm
markt kurz na
ach Inbetrieb
bnahme in ein
nen stationären Zustand zzu
bringen. A
Allerdings wurde der Supermarkt 20
012 bei tiefe
en Außenluftttemperatureen
aufgrund der defekten
n Wärmepum
mpenschaltun
ng zeitweise
e unterversorgt, was diesse
Minderung
g zwischen 2011 und 2012 erklärt.
Tabelle 10 Heizwärmevverbrauch Gesamt, BKT, F BH und RLT-A
Anlage
2011
1
2012
kWh
48.8
815 33.712
Gesamt
kWh/m²²NGF.a 29.1
20.1
kWh
35.212 19.767
BKT
kWh/m²²NGF.a 21.0
0
11.8
kWh
3.56
69 2.748
FBH
kWh/m²²NGF.a 2.1
1.6
kWh
10.0
034 11.197
RLT
kWh/m²²NGF.a 6.0
6.7
5.5.2
Pu
umpen
Die Pump
pen zählen für 4 % des Strom
mverbrauchs vom Supermarkt unteer
Berücksich
htigung der EnOB-Bilanzgrenzen. Der Verlauf des monatlicheen
Stromverbrauchs der unterschiedlic
u
chen Pumpen
n ist in Abbildung 61 errsichtlich. Einne
Steigerung
g des Stromvverbrauchs der Pumpen im Laufe des Monitoring
gszeitraums i st
auch erken
nnbar. Folgen
nd werden die Pumpen ei nzeln analysiert
Abbildung
g 61 monatliccher Stromverrbraucher derr Pumpen
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Energieanalyse
5.5.3
Geothermiekreislauf
Wärme wurde ganzjährig dem Erdsondenfeld zugeführt, ohne dass während dem
gleichen Zeitraum ein entsprechender Wärmeentzug stattfand. Die Energiebilanz
zwischen zu- und entzogene Wärme in das Erdsondenfeld konnte daher nicht
ausgeglichen werden (siehe Abbildung 62). Die mittlere thermische Leistung des
Erdsondenfelds bei Wärmezufuhr in das Erdreich betrug 7.8 W/lfm und 9.2 W/lfm in
2011 bzw. 2012. Diese Werte liegen weit unter der Planungswerten und werden durch
die geringe Grädigkeit zwischen Wasser- und Erdreichtemperaturen während dem
Teillastbetrieb des Kälteverbunds verursacht. Bei Volllastzuständen im Sommer wurde
eine maximale spezifische Leistung bei Wärmezufuhr in das EWS-Feld von 38 W/lfm
gemessen. Die Jahresarbeitszahlen des Geothermiekreislaufs betrug 8.8 in 2011 und
5.2 in 2012 und sind akzeptabel1. Die Geothermiepumpe verursachte den höchsten
Verbrauch aller Pumpen. Ab März 2012 ist eine eindeutige Erhöhung ihres
Stromverbrauchs auf Abbildung 61 sichtbar. Ursache dafür war ein defekter
Drucktransmitter, der den Istwert für die Druckregelung der Geothermiepumpe vorgab.
Durch den Austausch wurde zwar der Druck auf den definierten Sollwert richtig
geregelt, aber die Pumpe lief durchschnittlich schneller und verbrauchte mehr Strom,
so dass die Arbeitszahl des Kreislaufs sich verschlechtert hat.
Im Rahmen einer Masterarbeit wurde der Primärkreis der Filiale analysiert, der zur
Unterkühlung des Kältemittels und zur Wärmequelle bzw. senke dient. Das
Hauptaugenmerk lag dabei auf der hydraulischen Optimierung. Eine anschließende
Analyse zeigte die Schwachstellen des hydraulischen Systems auf. Das größte Potential
zur Steigerung der Effizienz liegt bei der Pumpenauslegung. Weiterer
Optimierungsbedarf wurden bei der Gestaltung der Rohrnetze, der Anzahl der
Einbauten, der Rohrabmessungen, des hydraulischen Abgleichs, der Planung und der
Betriebsführung identifiziert.
Tabelle 11 Energiekennwerte Geothermiekreislauf
2011
2012
Wärme
ins
Erdreich
kWh
40.000 47.700
JAZ
kWhtherm/kWhEE 8.8
5.2
Wärme aus dem
Erdreich
kWh
855
667
Mittlere Leistung
EWS-Feld
(Wärmezufuhr)
W/lfm
7.8
9.2
Maximale
spez.
Leistung
EWSFeld
W/lfm
38
Unter Berücksichtigung der Stromaufnahme der Geothermiepumpe, hat das
Erdsondenfeld zu einer Effizienzsteigerung der Kälteanlage um ca. 6 % beigetragen.
1
Energy performance of borehole heat exchanger SPF-I between 6.0 and 11.9 kWhtherm/kWhEE „Heating and
cooling concepts employing environmental energy and thermo-active building systems for low energy
buildings” - Dissertation Dr.-Ing. Doreen Kalz - 2009.
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Dieses Erg
gebnis liegt unterhalb
u
de
es vom Anlag
genherstellerr erwarteten Zielwerts voon
15 %, und
d ist auf die Überdimensio
Ü
onierung der G
Geothermiep
pumpe zurück
kzuführen.
Abbildung
g 62 monatlicche Wärmezu
ufuhr in das EErdreich und Arbeitszahl
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Energieanalyse
5.5.4
Solekreislauf
Die Solepumpe lief nur am Anfang des Monitoringszeitraums, bis Februar 2011,
aufgrund eines Fehlers in der Programmierung ihrer Freigabe. Tatsächlich sollte diese
Pumpe erst laufen, wenn der Wärmepumpenverdichter eingeschaltet war, was jedoch
nicht der Fall war. Zwischen Mitte März und Mitte April 2013 lief die Pumpe
gleichzeitig mit dem Wärmepumpenverdichter. Die Betriebsdauer der Wärmepumpen
war leider zu kurz, um diese Schaltung und den entsprechenden hydraulischen
Kreislauf zu validieren.
5.5.5
BKT-Kreislauf
Der BKT-Kreislauf ist der größte Wärmeabnehmer im ALDI Supermarkt. Die
Verbrauchskennwerte des BKT-Kreislaufs sind in der Tabelle 12 zusammengestellt und
der Verlauf der Verbräuche ist in Abbildung 63 dargestellt. Während des MonitoringZeitraums wurde der BKT-Kreislauf ausschließlich mit Wärme versorgt. Nach
Inbetriebnahme des Supermarkts bis März 2011 wurde der BKT-Kreislauf mit
überschüssiger Wärme versorgt. Diese Betriebsart wurde vom Anlagenbetreiber
gewünscht, um die restliche Baufeuchte abzuführen und den Supermarkt schneller in
einen thermisch eingeschwungenen Zustand zu bringen. Aus diesem Grund wurden
höhere Verbräuche und auch Arbeitszahlen während dieses Zeitraums aufgezeichnet.
In
Dezember
2011
wurde
der
Heizkreis
aufgrund
des
fehlenden
Wärmepumpenbetriebs unterversorgt. Während der Sommermonate war er
ausgeschaltet. Im Juni 2013 wurde aufgrund der besonders niedrigen
Außenlufttemperaturen über den BKT-Kreislauf geheizt. Es erfolgte keine freie Kühlung
über das Erdsondenfeld.
Die Energieeffizienz des BKT-Kreislaufs ist gut, mit JAZ von 15.7 in 2011 und 6.3 in
20121. Mit einer ausreichenden Wärmeversorgung aus der Kälteerzeugung bzw. einer
parallelen Wärmepumpe kann dieses Wärmeübergabesystem einen Supermarkt
energieeffizient und komfortabel beheizen.
Tabelle 12 Verbrauchskennwerte BKT-Kreislauf
2011 2012
Wärme
kWh
35212 19767
kWh/m²NGF.a
21.0
11.8
W/ m²TABS
9.1
5.6
Strom
kWh
2236 3118
kWh/m²NGF.a
1.3
1.9
JAZ
kWhtherm/kWhend 15.7
6.3
1
EnOB-Kennwerte: 1.0 bis 5.0 kWhtherm/kWhend – Thesis D. Kalz Fraunhofer ISE - 2009
Fraunhofer ISE
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108 | 133
alyse
Energieana
Abbildung
g 63 monatlicche Verbräuch
he und Arbei tszahl - BKT-Kreislauf
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SÜD GmbH
H & Co KG
10
09 | 133
alyse
Energieana
5.5.6 Fu
ußbodenheizu
ung-Kreislauff
Während dem Monito
oringzeitraum
m wurde diesser Kreislauf ausschließlicch im Heizfaall
betrieben. Hohe Arbeittszahlen überr 30 wurden erreicht (sieh
he Abbildung
g 64), was auuf
eine richtig
ge Dimension
nierung der Zirkulationspu
Z
umpe hinweisst.
Tabelle 13 Verbrauchskkennwerte FB
BH-Kreislauf
2011
2012
Wärme
kWh
569
2.748
8
3.5
kWh/m²²NGF.a
2.1
1.6
Strom
kWh
112
2
95
kWh/m²²NGF.a
0.0
07
0.06
JAZ
kWhthermm/kWhend 30.5
35.6
he und Arbei tszahl - FBH-Kreislauf
Abbildung
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alyse
Energieana
5.5.7
Lü
üftungskreisslauf
Während dem Monito
oringzeitraum
m wurde diesser Kreislauf ausschließlicch im Heizfaall
betrieben, um die Zulu
uft isotherm in den Supeermarkt zu fö
ördern. Die Arbeitszahl
A
dees
Kreislaufs stieg in 2012
m
2 nach Optim
mierung des P umpenbetrie
ebs (siehe Abb
bildung 65) Im
März 2013
3 wurde überdurchschnitttlich viel Wärrme verbraucht. Ursache hierfür
h
war d ie
manuelle U
Umstellung des
d CO2-Sollw
wert im Verkaaufsraum.
Tabelle 14
4 Verbrauchskkennwerte Lü
üftungskreislaauf
2011
2012
Wärme
kWh
97
10.034 11.19
kWh/m²²NGF.a
6.0
0
6.7
Strom
kWh
530
0
369
kWh/m²²NGF.a
0.3
31
0.22
JAZ
kWhthermm/kWhend 18.9
30.3
Abbildung
he und Arbei tszahl - RLT-K
Kreislauf
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alyse
Energieana
5.6
Lü
üftung
5.6.1
Ziele
Für den prrimärenergetiischen Verbra
auch der Lüfttungsanlagen
n im Superma
arkt wurde deer
Zielwert vvon 10 kWh//(m²NGFa) anh
hand des Si mulationsmo
odells definie
ert, was eineer
Minderung
g von 45 % gegenü
über dem Verbrauch einer stan
ndardmäßigeen
Filialenbelü
üftung entspricht. Dabei sollte
s
die Lufftqualität im Supermarkt den Vorgabeen
von ALDI SÜD zufollge, einen maximalen W
Wert von 1600
1
ppm erreichen.
e
Deer
Stromverbrauch der Lü
üftungsanlagen des Supeermarkts setzzt sich aus de
em Verbraucch
der Haupttlüftungsanlage und dem Verbrauch d
der Backshop
p -Lüftung zu
usammen. D ie
Hauptlüftu
ungsanlage wurde
w
mit ein
nem Stromzäähler ausgesttattet. Dageg
gen wurde deer
Stromverbrauch der Baackshop-Venttilatoren anh and der Lauffzeiten des Backshops
B
unnd
der Ventilatornennleisttung berechn
net, da kein e separate Messung
M
für diese Anlagge
vorhanden
n war.
5.6.2
Errgebnisse un
nd Analysen
n
Abbildung
g 66 zeigt deen spezifische
en Primärene rgieverbrauch einer Stand
dardfiliale, daas
definierte Ziel für die betrachtete
b
Filiale und diee Ergebnisse aus 2 ½ Jahrre Monitoringg.
2011 und 2012 konntte das Ziel um 30 bzw. 4
40 % unterscchritten werd
den. Zwischeen
diesen beiden Jahren sind
s
untersch
hiedliche Bettriebsoptimierrungen umge
esetzt wordeen
aber auch Ausfälle derr Lüftungsanlage, die dieese Minderun
m
ng erklären. Während
W
dem
ersten Sem
mester 2013
3 stieg der Stromverbrau
S
uch der Lüfttungsanlage aufgrund deer
Änderung des CO2-Solllwerts im Verrkaufsraum w
wieder sensibe
el an.
Abbildung
g 66 Primären
nergieverbrau
uch der Lüftu
ungsanlagen im Supermarrkt – Vergleicch
mit Zielen
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Energieana
Abbildung
g 67 monatliccher Stromverbrauch der Lüftungsanla
agen und Mo
onatsmittel dees
CO2-Gehaalts im Verkau
ufsraum während Öffnung
gstagen
Der monattliche Verlauff des Stromve
erbrauchs de r Lüftungsanlagen und de
es CO2-Gehaalt
im Verkau
ufsraum an Öffnungstage
Ö
en ist in derr dargestelltt. Aus dieserr Grafik ist ees
ersichtlich,, dass Energieeeinsparunge
en ab Mai 20
011 durch die
e Anhebung des Sollwertees
für den m
maximalen CO2-Gehalt im
m Verkaufsraaum von 10
000 auf 1600 ppm erzieelt
werden ko
onnten. Weitterhin wurde
en die Zeitplääne der Lüftungsanlage ab
a Mitte Aprril
2011 korreekt eingestellt, mit einem Betrieb aussschließlich wä
ährend der Öffnungszeite
Ö
en
des Supermarkts wie in Abbildung
g 53 ersichtliich. Von 07h
h00 bis 20h0
00 erfolgt deer
Normalbettrieb der Anlaage, von 20h00 bis 07h00
0 ist die Anlag
ge ausgescha
altet.
g 68 Carpet-PPlot – Kontrollsignale der ZZu- und Abluftventilatoren
n
Abbildung
In Oktoberr 2012 wurdee der Betrieb der Heizung s- und Lüftun
ngsanlagen während
w
fast 3
am WRG
Wochen unterbrocheen. Grund dafür waar eine Undichtigkeit
U
GPlattenwärrmetauscher.. Dies führtte während diesem Zeitraum zu erhöhten
e
CO
O2
Konzentrationen im Veerkaufsraum.. Nach Wied
derinbetriebna
ahme der He
eizung, wurdde
die Lüftungsanlage wäährend dem ganzen
g
Noveember 2012 ohne
o
Luftqua
alitätsregelunng
betrieben, was zu eineem erhöhten Stromverbra uch führte. Der
D normale Betrieb wurdde
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113 | 133
Energieanalyse
im Dezember 2012 wieder eingestellt. Seit März 2013 verbraucht die Anlage wieder
mehr Strom wegen diverser Verstellungen des CO2-Sollwertes. Hier wurde dem
Supermarktbetreiber empfohlen, den eingestellten Sollwert nochmals zu überprüfen.
5.6.3
Fazit
Mit einem Anteil am Gesamtstromverbrauch von 1,1 % schlägt sich der Betrieb der
Hauptlüftungsanlage nur in geringem Maße in der Energiebilanz des Supermarktes
nieder. Durch die Optimierung des Lüftungsanlagenbetriebes kann daher nur eine
geringe Einsparung erreicht werden. Jedoch wurden Maßnahmen implementiert, die
den
Stromverbrauch
der
Lüftungsanlage
ca.
halbiert
haben.
Eine
Optimierungsmaßnahme ist die Anpassung der maximalen CO2-Konzentration auf
1600 ppm, welcher als Standardwert in allen ALDI-Süd-Filialen angesetzt wird. An
dieser Stelle wurde darauf hingewiesen, dass die DIN 1946 Teil 2 eine maximale
Kohlendioxidkonzentration der Arbeitsplatzraumluft von 1500 ppm (=2700 mg/m³)
fordert und einen Wert von 1000 ppm (=1800 mg/m³) empfiehlt.
Wie weiter oben beschrieben, könnte der DIN-Empfehlungswert von 1000 ppm
aufgrund der Größe der Lüftungsanlage und ihrer guten Energieeffizienz ohne großen
Energiemehraufwand erreicht werden. Der Anteil der Backshopventilatoren entspricht
ca. 25% des gesamten Stromverbrauchs für die Belüftung des Supermarkts. Hier sollte
in zukünftigen Projekten untersucht werden, wie sich die Belüftung dieses Raums
energieeffizienter realisieren lässt, mit z.B. dem Einsatz einer bedarfsgeregelten
Belüftung.
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alyse
Energieana
5.7
Beleuchtun
ng
5.7.1
Ziele
Wie in 2.4
4 beschriebeen weist das Gebäude alls Besonderh
heiten für die
e Beleuchtunng
spezielle O
Oberlichter mit Microrasterelemente so
owie eine tageslichtabhängige Regelunng
der Grund
dbeleuchtung
gsanlage auf. Ein Ziel des Projekts warr der Energie
everbrauch deer
Beleuchtun
ngsanlagen mithilfe
m
dieser Technologieen um 29 % gegenüber den
d Verbraucch
einer Stan
ndardfiliale zu
z senken. Dabei
D
sollte die Grundbe
eleuchtung eine
e
minima le
m
Beleuchtun
ngsstärke von 700 Lux während
w
dem normalen Betrieb des Su
upermarkts im
Verkaufsraaum einhalten
n werden.
Der Referrenzwert für den Primärenergiever brauch der Beleuchtungsanlagen i st
118 kWh/m
m²NGF.a. Er setzt sich
h zusammeen aus de
em Stromve
erbrauch deer
m
Grundbeleeuchtungsanlagen für de
en Verkaufsrraum und das Lager sowie aus dem
Stromverbrauch der Effektbeleuchtung. Als Zielwert wu
urde ein Verbrauch voon
83 kWh/m
m²NGF.a definieert.
5.7.2
Errgebnisse un
nd Analysen
n
Abbildung
g 69 zeigt deen jährlichen Primärenerg
gieverbrauch während de
er zweieinhallb
Jahren dees Monitoring
gs sowie die
e Referenz- und Zielwerte. Aus die
eser Grafik i st
m
ersichtlich,, dass der Primärenerg
gieverbrauch der Beleucchtungsanlagen sich dem
m
nach
Abschl
gesetzten Ziel von 83 kWh/m²
k
.a
luss
des
Mon
nitorings
ann
ähert
und
um
NGF
nur noch cca. 6 % übersschreitet.
g 69 Primäreenergieverbra
auch der Beeleuchtungsa
anlagen im Supermarkt –
Abbildung
mit Zielen
Vergleich m
m
Zwischen 2011 und 20
012 konnte der Energiev erbrauch derr Beleuchtungsanlagen um
ca. 13 % aabgesenkt werden,
w
obwo
ohl die Anzah
hl an Sonnen
nstunden in 2012
2
ca.12 %
geringer w
war als in 2011.
2
Diese Einsparungeen wurden erreicht
e
dank einer Reihhe
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Energieana
sukzessiven Optimierungsmaßnahm
men, die wäährend dem Betrieb dess Supermarkt
kts
umgesetztt worden sind
d. Abbildung
g 70 zeigt deen monatlichen Verlauf der Verbräuchhe
der untersschiedlichen Beleuchtungsgruppen. D ie Reduktion
n des Stromvverbrauchs deer
m
Grundbeleeuchtung zwischen 2011 und 2012 isst eindeutig erkennbar. Während
W
dem
ersten Sem
mester 2013 stieg der Verbrauch
V
geegenüber 2012 wieder aufgrund einees
ungewöhn
nlich trüben Winter
W
2012//2013.
g 70
Abbildung
unden
Sonnenstu
Mon
natlicher
Sttromverbraucch
der
Beleuchtungsa
anlagen
unnd
Die Grund
dbeleuchtung
g des Verkaufsraums verb
brauchte durcchschnittlich ca. 60 % dees
gesamten Stromverbrauchs für die Beleuchtung.
B
. Im Gegente
eil zu den Rich
htstrahlern deer
Effektbeleu
uchtung, die ca. 35 % des Stro
omverbrauch
hs verursach
hen, ist d ie
Grundbeleeuchtung aucch dimmbar. Deswegen wurde der Fokus
F
bei de
er Suche nacch
Optimierun
ngspotentialee auf diese Anlage
A
gesettzt. Die Grundbeleuchtun
ng des Lage rs
m
wurde aauch betraachtet, obw
wohl diesee einen geringeren Anteil am
Gesamtstro
omverbrauch
h von ca. 5 % hat.
Die erste wichtige Än
nderung in der Regelun g der Beleu
uchtungsanlag
gen war einne
Absenkung
g des Sollweerts für die Beleuchtungssstärke von 700 Lx auf 620
6 Lx. Grunnd
m
dafür war eine aus Sicht dem Supermarkttbetreiber au
usreichende Helligkeit im
Supermarkkt. Auf Abbild
dung 73 kann der Effekt dieser Maßn
nahme auf die
e Reduzierunng
der Lastsp
pitzen der Grundbeleucchtung (BEL. Verkauf) ab
b März 2012 identifizieert
werden.
Als weiteere Maßnahme wurde von ALDI SÜD angesstrebt, die Zeitpläne deer
Grundbeleeuchtung entsprechend
e
d den Pllanungsvorga
aben einzu
uhalten. Voor
Ladenöffnung um 08h0
00 und nach Ladenschliesssung um 20h00 sollte da
as Personal nuur
die 1/3 Beeleuchtung wie
w in 2.4.4 beschrieben
b
b
bedienen. Im
m Rahmen de
es Monitoringgs
wurde abeer festgestelltt, dass diese Vorgaben o
oft nicht eing
gehalten wurd
den und ,dasss
m
die 3/3 Beeleuchtung durch das Perrsonal manueell freigescha
altet wurde, was zu einem
Mehrverbrrauch der Beleuchtungsan
nlagen führtee. Abbildung
g 71 zeigt de
en Verlauf dees
Stromverbrauchs der Grundbeleuch
G
tungsanlagen
n an zwei sonnigen Tagen
n. Am 25. M ai
2011 wurrde die 1/3 Beleuchtung
g nicht eingeehalten. In solchen
s
Fälle
en kann diesse
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alyse
Energieana
Betriebsweeise zu eineem Mehrverrbrauch von
n bis zu 10
0 % führen. Durch einne
Sensibilisieerung des Peersonals konn
nte eine bes sere Einhaltu
ung der 1/3 Steuerung aab
Novemberr 2011 identiffiziert werden
n (siehe Abbiildung 73 – Reihe
R
BEL. Ve
erkauf). Jedocch
wurde diese ALDI SÜD
D interne Vorrgabe an ein zelnen Tagen
n nicht imme
er konsequennt
eingehalteen. Hier solltee weiter unte
ersucht werdeen, ob die He
elligkeit im Supermarkt füür
alle Mitarb
beiter und Aufgaben
A
tatssächlich ausrreichend ist, und gegebenenfalls solleen
Lösungen mit einer au
utomatischen
n Schaltung in die unterrschiedlichen Betriebsweisse
untersuchtt werden.
Abbildung
g 71 Stromveerbrauch der Grundbele uchtung und
d 1/3 Steuerung an zw
wei
sonnigen TTagen
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alyse
Energieana
Weiterhin wurden die Zeitpläne
Z
für die Schaltun
ng der Effektb
beleuchtung optimiert. Auuf
Abbildung
g 73 zeigen
n die Carpe
et-plots der Gruppen C1
C und C2 kürzere unnd
regelmäßig
gere Betriebsszeiten ab Jan
nuar 2012.
Als dritte M
Maßnahme wurde
w
die Dim
mmung der LLagerbeleuch
htung ab Anfang Mai 201 1
aktiviert. A
Auf Abbildung
g 73 ist diese
er Effekt für d
die Reihe BEL. Lager deutlich erkennbaar.
Abbildung
g 72 illustriertt den Effekt der
d tageslichttabhängigen Regelung de
er Beleuchtunng
im Verkauffsraum. Die zwischen
z
201
11 und 2012 durchgeführrten Betriebso
optimierungeen
führen zu
u einer Red
duzierung de
er mittleren elektrischen
n Leistungsa
aufnahme deer
Beleuchtun
ngsgruppen im
i Verkaufsra
aum.
g 72 Tagesmittel der elektrischen Leistungsau
ufnahme de
er künstlicheen
Abbildung
ng (Grund- und Effektbele
euchtung) alss Funktion de
er Globalstrah
hlung.
Beleuchtun
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Energieana
Abbildung
g 73 Carpet-PPlot – elektrische Leistun gsaufnahme der Beleuchtungsgruppeen
und globale Strahlung
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Energieanalyse
5.7.3
Fazit
Mit dem Einsatz von speziellen Oberlichtern und einer tageslichtabhängigen
Kunstlichtregelung konnte der Stromverbrauch für die Beleuchtung des Supermarkts im
Rahmen dieses Projekts um 23 % gegenüber dem Stromverbrauch einer Standardfiliale
reduziert werden. Dabei wurde der Sollwert der Beleuchtungsstärke im Verkaufsraum
von 700 Lx auf 620 Lx abgesenkt. Für die Integration der Oberlichter wurde eine neue
Dachkonstruktion mit sichtbaren Holzbalken realisiert. Durch die Oberlichter konnte
auch den Kunden einen Durchblick zum Himmel ermöglicht werden. Wie
Kundenbefragungen es gezeigt haben die Kunden die Lichtverhältnisse im Supermarkt
im Winter sowohl als im Sommer als positiv bewertet.
Durch eine kontinuierliche Überwachung und Analyse der Beleuchtungsanlagen
konnten ineffiziente Betriebszustände und Optimierungspotentiale während dem
Betrieb des Supermarkts identifiziert werden, und Korrekturmaßnahmen organisiert
werden. So wurden zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsjahr Energie
eingespart durch die Absenkung des Sollwerts der Beleuchtungsstärke für die
Grundbeleuchtung und durch die Optimierung der Zeitpläne der unterschiedlichen
Beleuchtungsgruppen. Wie die Erfahrungen mit der Bedienung der 1/3-Schaltung es
gezeigt haben, spielte das Nutzerverhalten auch eine wichtige Rolle in der Einhaltung
der unterschiedlichen Beleuchtungsmodi. Durch Sensibilisierung des Personals zu einem
sparsamen Umgang mit den Beleuchtungsanlagen konnten die Zeitpläne besser
eingehalten werden und die Laufzeit der unterschiedlichen Beleuchtungsgruppen
reduziert werden.
Trotzt diesen positiven Ergebnissen lass sich die Wirtschaftlichkeit dieser Lösung kaum
darstellen. Einerseits verursachten die komplexere Dachkonstruktion, die Oberlichtern
und die tageslichtabhängige Kunstlichtregelung höhere Investitionskosten im Vergleich
zu einer Standardlösung mit Pultdächern und ungeregeltes Kunstlicht. Andererseits
nehmen breite Oberlichter in der Dachhaut den Platz für Photovoltaik-Anlagen weg,
die ALDI SÜD auf ihrer Märkte flächendeckend einsetzt, und die primärenergetisch
sowie wirtschaftlich vorteilhaft sind. Aus diesen Gründen hat sich ALDI SÜD
entschieden, diese Lösung in künftigen Bauvorhaben nicht weiter zu verfolgen. Neben
dem Aspekt der hohen Investitionskosten ist diese Entscheidung auch auf den
Marktdurchbruch der LED-Technologie während der Projektlaufzeit zurückzuführen.
Diese Technologie kann nun sowohl für die Grundbeleuchtung von Supermärkten als
auch für die Effektbeleuchtung als Standardlösung eingesetzt. Mit der LED´s können
Energieeinsparungen über 70 % gegenüber einer konventionellen Beleuchtung mit
Leuchtstoffrohren und Halogenstrahler erreicht werden.
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Komfortauswertungen
6
Komfortauswertungen
6.1
Methodik für die Komfortauswertungen
Die Auswertungen des thermischen Komforts im Supermarkt erfolgten nach den
Berechnungsverfahren der Normen EN ISO 77301 und EN 152512. Diese Normen
beschreiben ein Verfahren für die analytische Bestimmung und die Interpretation der
thermischen Behaglichkeit, für die Berechnung des PMV und des PPD- Indexes und
definiert Kriterien der thermischen Behaglichkeit.
Mit der Anwendung der normierten Verfahren, kann die Konditionierung des
Innenraumklimas durch das neuartige Wärmeübergabe- und Lüftungssystem, objektiv
ausgewertet werden. Die normierten Ergebnisse können für den Vergleich mit
Messungen aus anderen Supermärkten herangezogen werden.
Der thermische Komfort in einem Supermarkt wird in erster Linie zur Beurteilung der
Arbeitsbedingungen des Supermarktpersonals herangezogen, da dieses sich tagsüber
über einen längeren Zeitraum im Supermarkt aufhält. Dabei erstrecken sich die
Tätigkeiten des Supermarktpersonals von leichten sitzenden bis zu schwereren
körperlichen Arbeiten. Zwar ist das Innenraunklima auch ein wichtiges Kriterium zur
Beeinflussung der Kundenzufriedenheit, aber im Vergleich zum Personal verbringen
Kunden beim Einkaufen im Durchschnitt nur 20 Minuten im Supermarkt und behalten
in der Regel ihre Straßenbekleidung an.
Bei dem neuen Kälteverbundkonzept mit Remote-Kühlmöbeln wird die Wärme der
Kühlmöbeln nicht mehr in den Supermarkt abgegeben, sondern diese wird zurückgewonnen und den Wärmeübergabesystemen zugeführt bzw. nach außen abgeführt.
Daraus folgt, dass die durch die Kühlmöbel abgeführte Wärme im Supermarkt im
Winter stetig durch die Wärmeübergabesysteme kompensiert werden muss, um ein
gutes Innenraumklima zu gewährleisten. Durch den Wärmeabtransport der Kühlregale,
bildet sich ein „Kaltluftsee“ im Bodenbereich, dessen Einfluss auf das Innenraumklima
im Kassenbereich aus Komfortgründen möglichst vermindert werden sollte. Dazu
wurde aus ökonomischen und technischen Gründen auf die Türluftschleier nach der
Eingangsschleuse verzichtet, da der Schleusenboden auch thermisch aktiviert wurde.
Die Übergabe von Wärme und Kälte im Supermarkt erfolgt über ein Flächenheiz-/kühlsystem, das stark massebehaftet ist. Vorteil dieses Systems ist, dass große lokale
Temperaturgradienten vermieden werden. Dies führt zu einem gleichmäßigeren
Temperaturprofil zwischen dem Kopf- und Fußbereich. Weiterhin sollte die
Reduzierung der Luftwechselrate, das Auftreten von Zugerscheinungen durch
Luftströmungen minimieren.
1
2
DIN EN ISO 7730: 2005: Ergonomie der thermischen Umgebung - Analytische Bestimmung und
Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und
Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit
DIN EN 15251-2012-12: Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der
Energieeffizienz von Gebäuden - Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik
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uswertungen
Komfortau
Entsprecheend der
Vorgabe
en des SSupermarktbe
etreibers betragen d ie
Raumtemp
peratursollweerte 20 °C im Winter und 24 °C im Som
mmer.
Für die Kaategorisierung des Innenraumklimas w
wurden drei Mindestwerrte der Innennraumtemp
peratur mit entsprechende
en PMV/PPD Indexen fürr den Somme
erfall und drrei
Höchstwerrte für den Winterfall de
efiniert. Diesse Werte un
nd Indexen werden
w
in deer
Tabelle 15 und Tab
belle 16 zu
usammengefaasst. Der PMV/PPD-Inde
P
ex beschreibbt
thermischee Empfindung
g von „zu He
eiß“ bis „zu kkalt“ für den Körper als Ganzes.
G
Tabelle 15 Kategorien des Innenrau
umklimas für den Superma
arkt und PPD
D/PMV Indexeen
für die Heiizperiode nacch EN ISO 77
730 / EN 1525
51
Tabelle 16
6 Kategorien des Innenrau
umklimas für den Superma
arkt und PPD
D/PMV Indexeen
für die Som
mmerperiodee nach EN ISO
O 7730 / EN 1
15251
Der Fühlerr für die Messsung der Inne
enraumtempeeratur befind
det sich unterr einem Balkeen
der Holzd
decke auf einer Höhe von ca. 3
3,5 Meter. Aufgrund der
d
niedrigeen
Temperatu
urgradienten bei Fußbode
enheizsystemeen wurde die
eser Wert bei diesen ersteen
Auswertun
ngen nicht ko
orrigiert.
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22 | 133
Komfortauswertungen
6.2
Ergebnisse der Komfortauswertungen
Abbildung 74,Abbildung 77 und Abbildung 80 zeigen den Zusammenhang zwischen
der Raumtemperatur im Verkaufsraum und dem gleitenden Mittel der
Außenlufttemperatur für die Jahre 2011, 2012 und 2013. Auf Abbildung 75 werden
die Prozentsätze der Anwesenheitsstunden in den unterschiedlichen Komfortkategorien
dargestellt.
Aus diesen Grafiken ist ersichtlich, dass der thermische Komfort im Winter 2011 und
2012 im Allgemeinen gut war, mit einer Einhaltung der Kategorie I während über
80 % der Belegungszeiträume. Jedoch, bei niedrigen Außenlufttemperaturen konnten
nur die Kategorie III erreicht oder sogar unterschreitet werden. Grund dafür war eine
ungenügende Wärmeerzeugung durch den geothermischen Kälteverbund. Laut dem
Kälteanlagenhersteller verhinderte eine defekte Ölrückführung den normalen Betrieb
des Wärmepumpenverdichters. Das Problem wiederholte sich während den Wintern
2011/2012 und 2012/2013, und signifikante Komforteinbüße wurden im Winter 2013
registriert. Vor allem im Kassenbereich bei sitzenden Tätigkeiten haben die Filiale
Mitarbeiter dieses Problems mehrmals gemeldet und elektrische Lufterhitzer benutzt.
Während der drei Sommerperioden in 2011, 2012 und 2013 wurde die obere
Temperaturgrenze der Kategorie I zu über 95 % der Nutzungszeiten eingehalten.
Unterschreitungen der Komfortkategorien I, II und III wurden öfters registriert, wie die
Abbildung 76, Abbildung 79 und Abbildung 82 zeigen. Jedoch haben diese
Unterschreitungen im Sommer wenige Reklamationen vom Personal verursacht.
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uswertungen
Komfortau
g 74 Raumtem
mperatur im Verkaufsraum
m in 2011 un
nd Grenzen der
d Kategorieen
Abbildung
I,II und III
Abbildung
g 75 Winter 2011
2
- Prozen
ntsatz der An
nwesenheitssstunden in Ka
at. I (hellgrünn),
Kat. II (du
unkelgrün), Kat.
K
III (orang
ge) und außeerhalb des Bereichs
B
(rot) während deer
Belegungs- bzw. Nutzu
ungszeit
Abbildung
g 76 Somm
mer 2011 - Prozentsatzz der Anw
wesenheitsstunden in deer
unterschiedlichen Komfortkategorie
en während d
der Belegungs- bzw. Nutzungszeit
Fraunhofer ISSE
ALDI SÜD 2010
ALDI
A
SÜD GmbH
H & Co KG
12
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Komfortauswertungen
Abbildung 77 Raumtemperatur im Verkaufsraum in 2012 und Grenzen der Kategorien
I,II und III
Abbildung 78 Winter 2012 - Prozentsatz der Anwesenheitsstunden in der
unterschiedlichen Komfortkategorien während der Belegungs- bzw. Nutzungszeit
Abbildung 79 Sommer 2012 - Prozentsatz der Anwesenheitsstunden in der
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ALDI SÜD 2010
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Komfortauswertungen
Abbildung 80 Raumtemperatur im Verkaufsraum in 2013 und Grenzen der Kategorien
I,II und III
Abbildung 81 Winter 2013 - Prozentsatz der Anwesenheitsstunden in der
Abbildung 82 Sommer 2013 - Prozentsatz der Anwesenheitsstunden in der
Fraunhofer ISE
ALDI SÜD 2010
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Komfortauswertungen
6.3 Kundenbefragung
Behaglichkeit
zur
thermischen
und
visuellen
Im Rahmen des Projekts wurden zwei Kundenbefragungen im Supermarkt durch die
Fa. KIM durchgeführt. Diese Befragungen fanden im Juli 2012 und Februar 2013 statt.
Ziel war den Einfluss unterschiedlicher Witterungsbedingungen auf das
Behaglichkeitsempfinden der Kunden miteinander vergleichen zu können. Dafür hat
das Fraunhofer Institut ISE einen Fragebogen entwickelt, der Auskunft über die
thermische und visuelle Behaglichkeit in der Filiale in Rastatt geben soll.
So wurden die ALDI-Kunden nach ihrem Empfinden bezüglich:
• der Raumtemperatur
• der Luftbewegung/ Zugluft
• des Temperaturunterschiedes zwischen Boden (Füßen) und Kopfbereich
• der Luftqualität
• der Lichtverhältnisse
• des Raumklimas insgesamt
• sowie nach ihrem Alter
befragt.
Die angewandte Methode, die Stichproben und die detaillierte Ergebnisse für beide
Tage sind in den Berichten der Fa. KIM Anhang detailliert beschrieben. In diesem
Abschnitt werden nur die Hauptergebnisse aus den Berichten der Fa. KIM
wiedergegeben.
6.3.1
Thermische Behaglichkeit
Eine große Mehrheit der Befragten empfand die Raumtemperatur im Sommer (91 %)
sowohl als im Winter (95 %) als „genau richtig“. Diese Ergebnisse unterschieden sich
weder beim Geschlecht noch in den einzelnen Altersgruppen.
Weiterhin wurde gefragt, ob die Kunden eine Luftbewegung bzw. Zugluft verspürten.
Im Winter nahm der überwiegende Teil der Befragten (85 %) keine Luftbewegung
wahr. Beim ersten Messzeitpunkt im Sommer verspürten mehr als doppelt so viele
Kunden, nämlich 34 %, eine Luftbewegung. Dieser signifikante Unterschied zwischen
den beiden Befragungszeitpunkten kann so interpretiert werden, dass eine
Luftbewegung durch leichte Sommerkleidung eher wahrgenommen werden kann als
im Winter. Diese Aussage wurde dabei sowohl im Sommer als auch im Winter von
mehr Frauen als Männern gemacht.
Im Winter haben 82 % der Befragten haben Temperaturunterschied zwischen den
Füßen und dem Kopf verspürt. Im Sommer waren es 57 %; auch hier muss die warme
Winterbekleidung berücksichtigt werden. Lediglich 10 % der Kunden verspürten einen
„schwachen“ Temperaturunterschied (Sommer 2012: 25 %) und 9 % gaben an,
„etwas“ Temperaturunterschied zu verspüren (Sommer 2012: 16 %). Keiner der
befragten Kunden gab ab, einen „starken“ oder „sehr starken„ Temperaturunterschied
wahrgenommen zu haben, hingegen 3 % im Sommer 2012.
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ALDI SÜD 2010
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Komfortauswertungen
Die Antwort auf die Frage „An welcher Stelle empfinden Sie die Temperatur kälter“
verhält sich im Winter genau umgekehrt zu der Sommerbefragung. Gaben im Sommer
2012 68 % der Befragten an, an den Füßen die Temperatur kälter zu empfinden,
waren es im Winter 2013 35 %; dagegen wurde die Temperatur im Winter am Kopf
mit 65 % kälter empfunden als im Sommer 2012 mit 32 %.
6.3.2
Luftqualität
Im Sommer 2012 wurde mit 92 % die Luftqualität signifikant besser empfunden als bei
der Winterbefragung mit 85 %. Im Einzelnen bewerteten 10 % der Befragten die
Luftqualität „sehr gut“ (Sommer 2012: 16 %) und sowohl im Sommer 2012 als auch
im Winter gaben jeweils 76 % an, die Luftqualität sei „gut“ unabhängig vom
Geschlecht. Lediglich 15 % der Befragten empfanden die Luftqualität als „mittel“ oder
„weniger gut“.
6.3.3
Lichtverhältnisse
Im Winter wurden die Lichtverhältnisse von 93 % der Befragten trotz der recht dunklen
Wetterverhältnisse am Befragungstag als „genau richtig“ empfunden. Im Sommer
waren es 91 %. Als „zu dunkel“ bzw. „viel zu dunkel“ bewerteten 6 % der Befragten
die Lichtverhältnisse in der Filiale (Sommer 2012: 7 %).
6.3.4
Raumklima
Die Kunden wurden nach ihrem Empfinden zum Raumklima insgesamt einschließlich
Temperatur, Luftfeuchte, Luftqualität etc. befragt.
Insgesamt gesehen waren mit dem Raumklima 18 % (Sommer 2012: 33 %) der
Befragten „sehr zufrieden“ und 77 % (Sommer 2012: 66 %) „zufrieden“. „Es geht
so“ gaben 5 % der Befragten an. Kein Kunden war unzufrieden mit dem Raumklima
insgesamt. Zum ersten Befragungszeitpunkt im Sommer 2012 schnitt die globale
Beurteilung über das Raumklima signifikant besser ab. Dennoch wurde zu beiden
Befragungszeitpunkten das Raumklima durchschnittlich mit „zufrieden“ beurteilt.
6.3.5
Zusammenfassung der Komfortauswertungen
Zusammenfassend ergibt sich aus den Kundenbefragungen eine positive
Wahrnehmung des Raumklimas in der neuen Filiale sowohl hinsichtlich der thermischen
Behaglichkeit als auch dem visuellen Komfort. Die Auswertungen des thermischen
Komforts im Verkaufsraum haben auch gezeigt, dass eine gute thermische
Behaglichkeit im Winter wie im Sommer erreicht werden kann. Somit können die
neuen Wärmeübergabe- und Lüftungskonzepte positiv validiert werden. Jedoch
wurden Komforteinbüße aufgrund einer ungenügenden Wärmeversorgung während
kalten Wintertagen wiederholt registriert. Diese lassen sich vor allem durch das
Personal an den Kassen wahrnehmen. Die Ursache dieses Problems wurde identifiziert
aber während der Projektlaufzeit leider nicht vollständig behoben.
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ALDI SÜD 2010
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Fazit und Ausblick
7
Fazit und Ausblick
Das Energiekonzept des ALDI Supermarkts ist eine Kombination innovativer
Technologien im Bereich der Gebäudehülle, der Kälteerzeugung, der Beleuchtung und
der haustechnischen Systeme. Im Kern des Konzepts steht ein geothermisch gestützter
Kälteverbund, der mit dem natürlichen Kältemittel CO2 betrieben wird. Alle Kühlstellen
sind an dem zentralen Verdichterverbund kältetechnisch angeschlossen. Die Abwärme
aus der Kälteerzeugung wird genutzt, um den Supermarkt über eine thermisch
aktivierte Betonplatte zu beheizen. Zweck der Kopplung mit einem oberflächennahen
Erdsondenfeld war in erster Linie eine Steigerung der Effizienz des Kälteverbunds, vor
allem während des transkritischen Betriebs. Das Erdsondenfeld dient im Winter als
Wärmequelle für eine Wärmepumpenschaltung, um die Heizung mit Abwärmenutzung
zu unterstützen. Im Sommer dient das Erdsondenfeld als Wärmesenke, um den Markt
zu kühlen. Ein automatisches, thermisch isoliertes, Rollo überdeckt die Kühlregale
außerhalb der Öffnungszeiten, um die thermischen Verluste zu reduzieren.
Für die Betriebsoptimierung des geothermiegestützten Kälteverbunds, aber auch für die
Auslegung weiterer Anlagen dieser Art, wurde ein mathematisch-physikalisches Modell
dieser Anlage erstellt, das für Simulationsstudien verwendet wurde. Im Rahmen dieses
Projekts wurde das Modell teilweise mit Messdaten validiert. Weiterhin wurde das
Modell eingesetzt, um die Betriebsstrategie der Kälteanlage für den transkritischen
Betrieb zu optimieren.
Für die Wärmeübergabe im Supermarkt wurde die Betonplatte im Verkaufsraum
thermisch aktiviert. Die Sozialräume wurden mit einer Fußbodenheizung ausgestattet.
Die Lüftungsanlage dient nur der Förderung der minimal hygienischen Luftmenge.
Somit konnte ihre Größe um 2/3 gegenüber einer Standardanlage reduziert werden.
Die Leistungsaufnahme der Grundbeleuchtung wurde in Abhängigkeit des in den
Supermarkt einfallenden Tageslichts geregelt. Dafür wurden 28 Oberlichter mit 3facher Verglasung und reflektierende Mikrorasterelemente in der Dachhaut installiert.
Für die Integration der Oberlichter wurde eine neue Dachkonstruktion mit sichtbaren
Holzbalken realisiert.
Mit diesem Projekt konnte der jährliche Primärenergieverbrauch des 2010 errichteten
ALDI Supermarktes in Rastatt gegenüber dem Verbrauch einer Standard-Filiale um
23 % reduziert werden. Das Ziel einer Reduktion um 29% konnte annähernd erreicht
werden. Die Diskrepanz zwischen Ziel- und Messwerten des Energieverbrauchs lässt
sich hauptsächlich auf den Kälteverbund zurückführen. Einerseits konnte die Effizienz
des Kälteprozess durch die Kopplung mit der Geothermieanlage um nur 6 % gesteigert
werden anstelle der geplanten 15 %. Ursache dafür ist vor allem auf die Auslegung des
hydraulischen Kreislaufs zurückzuführen. Andererseits hat diese Anlage einen PrototypCharakter. Sie ist die erste transkritische CO2-Kälteanlage mit Booster-Schaltung, die
die Fa. Hafner-Muschler entwickelt und gebaut hat. Zum einen war es notwendig, das
Know-How mit dem Betrieb und der Regelung einer solchen Anlage aufzubauen, zum
anderen
wurden
verschiedene
bauliche
und
regelungstechnische
Optimierungspotentiale, die Energieeinsparungen ermöglichen, im Laufe eines
intensiven Monitorings identifiziert, und in sukzessiven Schritten, allerdings teilweise
erst gegen Ende der Projektlaufzeit implementiert. Zum Beispiel wurde eine
außenlufttemperaturabhängige Hochdruckregelung für die subkritische Betriebsweise
der Anlage erst in Juli 2013 vollständig und erfolgreich implementiert. Daher konnte
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ALDI SÜD 2010
129 | 133
Fazit und Ausblick
diese im Rahmen des intensiven Monitorings nicht ausgewertet werden, soll jedoch
während des Langzeitmonitorings analysiert werden. Verschiedene bauliche
Optimierungsmöglichkeiten der Anlage wurden während des Monitorings vom
Kälteanlagenhersteller erkannt und sind in die Entwicklung und die Herstellung einer
neuen Version des Kälteverbunds eingeflossen. Als wichtigste bauliche Veränderungen
sind die Schaltung der Backraum-Verdampfer auf eine höher Verdampfungsstufe, den
Einsatz von kleineren transkritischen Verdichtern, die Nutzung von energetisch
optimierten steckerfertigen Tiefkühltruhen mit Propan als Kältemittel und die
hydraulische Optimierung der Geothermieanlage zu nennen. Dieser neue Kälteverbund
wurde im Herbst 2012 in einer weiteren ALDI SÜD Filiale in Hügelsheim (BW) installiert
und in Betrieb genommen. Auswertungen aus dem Jahr 2013 zeigen, dass der
Energieverbrauch für die Kälte- und Wärmeerzeugung mit dieser Anlage um weitere
12 % gegenüber der Rastätter Filiale gesenkt wurde. Diese neue Entwicklung zeigt,
dass das gesetzte Energiereduktionsziel mit einer Anlage der hier beschriebenen Art
erreichbar ist. Weiterhin konnten die direkten Treibhausgasemissionen des ALDI
Supermarkts durch die Nutzung des natürlichen Kältemittels CO2 fast vollständig
eliminiert werden. Gegenüber einer Standardfiliale, die z.B. das Kältemittel R404A für
die Kälteerzeugung verwenden würde, können die Treibhausgasemissionen bis zu
40 % reduziert werden.
Jedoch kann ein derartiges Anlagenkonzept mit Erdreichkopplung nur in Fällen einer
städtebaulich und einer geologisch günstigen Situation repliziert werden. Zum einen
wird für den Bau eines Erdsondenfelds viel Platz benötigt, die in verdichteten
städtischen Lagen nicht immer gegeben ist. Zum anderen kann die Leistung des
Erdsondenfelds durch andere vorhandene geothermische Anlagen in dicht verbauten
Lagen beeinträchtigt werden. Weiterhin stellt der Bau eines Erdsondenfelds eine
signifikante Investition dar, die sich nur bei optimaler Auslegung und optimalem
Betrieb wirtschaftlich rentieren kann. Aus diesem Grund ist es für künftige
Supermarktprojekte wichtig, weitere technologische Optionen in Hinsicht auf
Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit zu betrachten, und sie mit diesem Konzept
zu vergleichen. Zum Beispiel werden CO2 -Anlagenkonzepte mit Abwärmenutzung auf
dem Markt angeboten, bei der das transkritische CO2 durch Besprühung des
Gaskühlers während der Temperaturspitzen im Hochsommer gekühlt wird. Weiterhin
haben Kühlmöbelhersteller in den letzten zwei Jahren eine neue Generation von
steckerfertigen Kühltruhen auf den Markt gebracht, die mit natürlichen Kältemittel
betrieben werden. Sie verfügen über optimierte Komponenten, wie elektronische
Expansionsventile, und damit über eine gesteigerte Energieeffizienz, so dass Konzepte
mit Remote angeschlossenen Kühltruhen nicht mehr konkurrenzfähig sind.
Die neuen Heizungs- und Belüftungskonzepte konnten im Rahmen dieses Projekts
erfolgreich eingesetzt und validiert werden.
Mit der thermisch aktivierten Betonplatte konnte die Wärme energieeffizient an den
Supermarkt übergeben werden. Auf den Bau eines Türluftschleiers im Eingangsbereich
konnte verzichtet werden. Mit diesem System ist es möglich, eine gute thermische
Behaglichkeit
zu
erreichen,
wie
normierte
Komfortauswertungen
und
Kundenbefragungen bestätigt haben. Jedoch wurden die Heizkreise bei tiefen
Außenlufttemperaturen aufgrund der defekten Wärmepumpenschaltung an manchen
Tagen unterversorgt. Dieses Problem wurde erst nach Abschluss des intensiven
Monitorings im Dezember 2013 endgültig behoben.
Mit der in Abhängigkeit der Kohlendioxidkonzentration in der Raumluft geregelten
Lüftungsanlage konnte mit dieser Lösung den Energieverbrauch um 2/3 gegenüber
einer Standardlösung reduziert werden.. Dank der Größe und der guten
Energieeffizienz der Lüftungsanlage schlägt sich ihr Betrieb nur in geringem Maße in
der Energiebilanz des Supermarktes nieder. Eine gute Luftqualität mit einer
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ALDI SÜD 2010
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Fazit und Ausblick
Kohlendioxidkonzentration von 1000 ppm kann ohne großen zusätzlichen
Energieaufwand mit dieser Lösung erreicht werden. Beide Heizungs- und
Belüftungskonzepte wurden in das Konzept der neuen Filiale in Hügelsheim
übernommen. Weiterhin strebt ALDI SÜD, auf Basis dieser Erkenntnisse, an, ihre Filialen
flächendeckend mit einer bedarfsgeregelten Lüftung auszustatten.
Mit dem Einsatz von speziellen Oberlichtern und einer tageslichtabhängigen
Kunstlichtregelung konnte der Stromverbrauch für die Beleuchtung des Supermarkts im
Rahmen dieses Projekts um 23 % gegenüber dem Stromverbrauch einer Standardfiliale
reduziert werden. Kundenbefragungen haben gezeigt dass die Kunden die
Lichtverhältnisse im Supermarkt, sowohl im Winter als auch im Sommer, als positiv
bewerten. Durch eine kontinuierliche Überwachung und Analyse der
Beleuchtungsanlagen
konnten
ineffiziente
Betriebszustände
und
Optimierungspotentiale während des Betriebs des Supermarkts identifiziert werden,
und Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden. So wurde zwischen dem ersten und
dem zweiten Betriebsjahr durch eine Absenkung des Sollwerts der Beleuchtungsstärke
für die Grundbeleuchtung und durch eine Optimierung der Zeitpläne der
unterschiedlichen Beleuchtungsgruppen Energie eingespart. Trotzt dieser positiven
Ergebnisse, lässt sich die Wirtschaftlichkeit der aufgezeigten Lösung für ALDI SÜD nicht
darstellen. Einerseits verursachten die komplexere Dachkonstruktion, die Oberlichter
und die tageslichtabhängige Kunstlichtregelung höhere Investitionskosten im Vergleich
zu einer Standardlösung mit Pultdächern und ungeregeltem Kunstlicht. Andererseits
nehmen breite Oberlichter in der Dachhaut den Platz für Photovoltaik-Anlagen weg,
die ALDI SÜD auf ihren Märkten flächendeckend einsetzt, und die primärenergetisch
sowie wirtschaftlich vorteilhaft sind. Aus diesen Gründen hat sich ALDI SÜD
entschieden, die beschriebene Lösung in künftigen Bauvorhaben nicht weiter zu
verfolgen. Neben dem Aspekt der hohen Investitionskosten ist diese Entscheidung auch
auf den Marktdurchbruch der LED-Technologie während der Projektlaufzeit
zurückzuführen. Diese Technologie kann nun sowohl für die Grundbeleuchtung von
Supermärkten als auch für die Effektbeleuchtung als Standardlösung eingesetzt
werden.
Schließlich ergeben sich aus dem Projekt noch ein paar wichtige weiterführende
Forschungsfragen. Zum Beispiel gilt es zu definieren, welchen Dämmstandard
zukünftige Supermärkte erreichen sollen. Im Rahmen dieses Projekts wurde die
Gebäudehülle in Anlehnung an den Passivhausstandard ausgeführt. Nach Aussagen
von ALDI SÜD lässt sich die Wirtschaftlichkeit dieser Bauweise noch nicht darstellen, so
dass derzeit nur die Anforderungen der EnEV befolgt werden. Eine kontinuierliche
Effizienzsteigerung bei der Kälteerzeugung führt jedoch dazu, dass immer weniger
Abwärme produziert und zu Heizzwecken zurückgewonnen werden kann. Durch eine
thermisch hochgedämmte Gebäudehülle kann aber der Wärmebedarf reduziert und
auf die anfallende Abwärme abgestimmt werden.
In den letzten Jahren hat sich die Notwendigkeit gezeigt, Rückkühlsysteme für
transkritische CO2-Kälteanlage hinsichtlich ihrer Effizienz und Wirtschaftlichkeit
weiterzuentwickeln und auszuwerten.
Auch soll weiter untersucht werden, wie sich Tageslicht in Supermärkten wirtschaftlich
mit modernen Technologien wie LED, aber auch unter Berücksichtigung des
notwendigen Platzbedarfs für Photovoltaik-Anlagen kombinieren lässt.
Eine weitere interessante Frage, die untersucht werden soll, ist die künftige Integration
von Supermärkten in dicht verbauten Gebieten, in denen sich andere
Energieverbraucher befinden. Solche Situationen bieten sich für die Realisierung von
lokalen Energienetzen (Nah- wärme und -kälte, Strom) an, welche wiederum neue
ökologische und ökonomische Modelle darstellen.
Fraunhofer ISE
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Publikationen
8
Publikationen
Die Ergebnisse des Projektes wurden in mehreren Veröffentlichungen, Vorträgen und
Veranstaltungen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.
Ergebnisse des Vorhabens wurden in Form eines BINE Themeninfos in Juni 2013
veröffentlicht.
Ein Steckbrief über das Projekt wurde in der Broschüre vom Umweltministerium des
Landes Baden-Württemberg „Energieeffizienz in Unternehmen - Erfolgsbeispiele aus
Baden-Württemberg“ in November 2013 veröffentlicht.
Es wurden keine Schutzrechte oder Patente angemeldet. Es wurden auch keine
Schutzrechtsanmeldungen bzw. Erfindungen Dritter in Anspruch genommen.
8.1
Projektwebseite
Eine Projektwebseite zur Darstellung von Projektinhalte und Zielen wurde eingerichtet.
Diese ist unter der folgenden Adresse erreichbar: http://aldisued.ise.fraunhofer.de/
Die Inhalte der Webseite umfassen folgende Bereiche:
- Projektinhalt und Projektziel
- Vorstellung der Projektpartner
- Vorstellung des Demonstrationsgebäude: Gebäudesteckbrief, Energiekonzept,
Gastzugriff auf tagesaktuelle Messdatenauswertung, Ergebnisse zur
Datenanalyse
Mit dem Gastzugriff können tagesaktuelle, grafische Auswertungen zu folgenden
Bereichen eingesehen werden:
- Bereitstellung von Wärme und Kälte
- Verteilung und Übergabe von Wärme- und Kälte
- Betriebszustände einzelner Verbraucher, z.B. Lüftungsanlage, Heizkreise, etc.
- Auswertungen zum Raumklima
Die Webseite soll nach Projektende noch bis mindestens Dezember 2013
aufrechterhalten werden.
8.2
Veröffentlichungen und Vorträge
Folgende Veröffentlichungen sind im Rahmen des Projekts entstanden:
1
N. Réhault, D. Kalz: Ongoing Commissioning of a high efficiency supermarket
with a ground coupled carbon dioxide refrigeration plant, Proceedings of
ICEBO Conference Manchester 2012.
Im Rahmen des Projekts erarbeitete Ergebnisse und Themen wurden in folgenden
Vorträgen berücksichtigt:
1
2
3
N. Réhault: Monitoring eines energieeffizienten Supermarktes, ZVKKW
Supermarkt-Symposium, Darmstadt Maritim Rhein-Main, 19.04.2012
N. Réhault: Monitoring eines energieeffizienten Supermarktes, ZVKKW
Supermarkt-Symposium, Darmstadt Maritim Rhein-Main, 18.04.2013
N. Réhault: Ongoing Commissioning of a high efficiency supermarket with a
ground coupled carbon dioxide refrigeration plant, ICEBO Conference
Manchester 2012.
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Publikationen
Folgende, weitere Veröffentlichungen und Vorträge sind im Rahmen von des Projekts
geplant:
Das Fraunhofer ISE plant, in einer Fachzeitschrift, z. B. der HLH, die Ergebnisse des
Monitoring vorzustellen.
Die Ergebnisse des Projekts werden beim nächsten EnOB-Status Symposium in Essen in
März 2014 vorgestellt.
Folgende wissenschaftliche Arbeiten wurde im Rahmen des Projekts angefertigt:
1
2
3
Benjamin Haase, Fraunhofer UMSICHT, Dynamische Modellierung einer
geothermiegestützten Supermarkt Wärme- und Kälteversorgung mit CO2 als
Arbeitsmedium
Jun Lu, Fraunhofer ISE, Model Based Analysis of a Geothermal Central Heating
and Cooling System for a Non-Residential Building
Marie Olivier, Refrigeration System using CO2
Fraunhofer ISE
ALDI SÜD 2010
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ALDI 2010 – Hocheffizienter Supermarkt mit geothermiegestütztem

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