„Gegenüber den Plandaten haben wir den Wärmeverbrauch etwa halbiert“, sagt Markus Falke, Mitarbeiter der Abteilung Hochbau/Energiemanagement im Baureferat der Landeshauptstadt München. Durch die Verbesserung auf Basis eines kontinuierlichen Anlagen-Monitorings kommen die Schulgebäude und der benachbarte Sportpark statt mit 55 kWh/m2 (Planwert) nur mit 25 bis 30 kWh/m2 aus. Sogenannte eXergiemaschinen stellen sicher, dass dieses Niveau auch unter schwierigen Betriebszuständen, etwa bei einem hohen Anteil der Warmwasserzirkulation am Wärmebedarf oder bei hohem Warmwasserbedarf, beibehalten wird. Das senkt die Wärmekosten und entlastet das Geothermie-Fernwärmenetz.
Der im Herbst 2019 eröffnete Bildungscampus Freiham ist das bislang größte Schulbauprojekt in München. Da das Quartier Freiham, das sich weiterhin im Bau befindet, später 25.000 Menschen Wohnraum bieten soll, ist das Schulzentrum mit Grund- und Förderschule, Gymnasium und Realschule für bis zu 3.000 Schüler und Schülerinnen konzipiert. Der benachbarte Sportpark inklusive Schwimmbad wurde 2020 eingeweiht.
Fernwärme aus dem Geothermie-Heizwerk
Beheizt werden die Objekte mit Fernwärme aus dem zehn Jahre alten Geothermie-Heizwerk Freiham. Um mit der aus 2.500 m Tiefe geförderten, 90 °C heißen Erdwärme möglichst viele Wärmekunden bedienen zu können, wurde in Freiham ein Niedertemperaturnetz mit einer flexiblen Vorlauftemperatur von maximal 70 °C umgesetzt; im Sommer fällt die Temperatur oft auf 60 °C. Entsprechend gering sollte die Rücklauftemperatur ausfallen, denn: „Je größer die Temperaturspreizung zwischen dem Vor- und dem Rücklauf ist, desto mehr Energie kann das Netz bereitstellen“, erläutert Falke.
Vor allem im Sommer, wenn in den Schul- und Sportgebäuden nur Warmwasser benötigt wird – und das auch nur tagsüber –, ist eine niedrige Rücklauftemperatur alles andere als selbstverständlich. Denn zugunsten der Hygiene hält eine Warmwasserzirkulation die Leitungen auf etwa 60 °C. Die damit einhergehenden Wärmeverluste müssen durch Nachheizen ausgeglichen werden. Doch der Verlust beim Zirkulationsbetrieb ist so gering, dass der Warmwasserrücklauf nur wenige Grad kühler ist als der Vorlauf. Die angestrebten 35 °C im Fernwärmerücklauf zu unterschreiten ist daher insbesondere in den Nachtstunden oder in den Sommerferien kaum möglich – es sei denn, man sorgt stets für eine ideale Temperaturspreizung in den Wärmeanlagen. Genau das leisten die eXergiemaschinen, die das Unternehmen varmeco gemeinsam mit dem Schweizer Partner BMS-Energietechnik entwickelt hat.
Funktionsweise der eXergiemaschine
„Die eXergiemaschine ist eine spezielle elektrische Wärmepumpe, mit der wir die Temperaturschichtung im Wärmesystem optimieren können“, erklärt Robert Müller. Er ist ein Planer und Bauleiter aus Schwindegg, den die Stadt für das Projekt hinzugezogen hat. In dem Schulcampus und im Sportpark sind die Maschinen zusammen mit je einem Niedertemperatur-(NT)-Speicher und einem Hochtemperatur-(HT)-Speicher installiert. Die eXergiemaschine erfüllt dabei eine Doppelfunktion: Einerseits dient sie als Temperatur-Booster und lädt den HT-Speicher beziehungsweise den Vorlauf zu Verbrauchern auf. Dadurch ist ein Nachladen mit Fernwärme seltener nötig. Bei geringen Fernwärmetemperaturen dient die eXergiemaschine außerdem als Nacherhitzer. Dabei nutzt sie bevorzugt selbsterzeugten PV-Strom, was die Wirtschaftlichkeit zusätzlich steigert. Andererseits kühlt sie den Rücklauf zur Fernwärme-Übergabestation, der unten am NT-Speicher angeschlossen ist. Aufgrund getrennt regelbarer Pumpen lassen sich die Heiz- und Kühlwirkung der eXergiemaschine gradgenau vorgeben. „Bei dieser Geothermie-Anwendung ist das Unterschreiten von 35 °C beim Rücklauf ein wichtiges Kriterium“, so Planer Müller. „Ist der Rücklauf zu warm, springt die eXergiemaschine an.“
Zugunsten bestmöglicher Energieflüsse hat Planer Müller jeweils vor und nach den Heizspeichern Drei-Wege-Ventile vorgesehen. Beim Rücklauf von den Verbrauchern sorgen Drei-Wege-Ventile für ein optimales, von der Temperatur abhängiges Einspeisen in das Speichersystem. Am Vorlauf zu dem Warmwassernetz dient das Drei-Wege-Ventil als Mischer, um die Einspeisetemperatur konstant zu halten. So kann die eXergiemaschine dden HT-Speicher bei hoher Leistung der lokalen PV-Anlage beispielsweise auf über 70 °C laden und den Überschussstrom sinnvoll nutzen. Das Drei-Wege-Ventil mischt die Temperatur für das Trinkwarmwassernetz passend herunter.
Nutzen für Stadt und Fernwärmeanbieter
Nach Abschluss der Nachrüstung werden insgesamt acht eXergiemaschinen mit einer thermischen Leistung von jeweils 20 kW in Freihamer Schulen und im Sportpark arbeiten: eine im Bildungscampus, zwei weitere an anderen Schulen und fünf im Sportcampus. Diese Investition lohnt sich, denn so lassen sich die Anschlussbedingungen des Fernwärmenetzes einhalten und der Fernwärmeverbrauch senken. Außerdem wird die Trinkwarmwasserhygiene verbessert.
Von Nutzen sind die eXergiemaschinen nicht nur für die Stadt München als Betreiberin des Bildungscampus und des Sportparks in Freiham. Auch für den Fernwärmeanbieter Stadtwerke München entsteht ein Vorteil. Dank des stets kühlen Rücklaufs können Netzkapazitäten besser genutzt und mehr Fernwärmekunden angeschlossen werden. So entsteht eine Win-win-Situation mit hoher Klimaschutzwirkung.
