Wärme- und Heizungstechnik


Allgemeines

Durch den allgemein hohen Dämmstandard besteht bei Industriegebäuden meist nur ein geringer Wärmebedarf. Während der Betriebszeiten wird dieser oftmals bereits durch die abgegebene Wärme der Produktionsmaschinen und Kompressoren etc. sowie die innerbetriebliche Nutzung der Abwärme gedeckt. Somit ist der Einbau einer kostengünstigen Heizungstechnik ökonomisch wie ökologisch sinnvoll. Dabei sollten jedoch auch die individuellen betrieblichen und baulichen Gegebenheiten beachtet werden. Ein neu entstehender holzverarbeitender Betrieb kann beispielsweise den bei der Produktion entstehenden Holzabfall in Biomasse-Warmlufterzeugern verwerten und so die Energiekosten minimieren.

Um wärmetechnisch möglichst effizient zu arbeiten, sollte jede Form von Abwärme genutzt und in den Heizungskreislauf eingespeist werden. Bei modernen Hallenbauten hier ist vor allem auf eine optimierte Gebäudekühlung im Sommer und Abwärmenutzung im Winter zu achten. Eine installierte Photovoltaik-Anlage, die während der Produktionszeiten Eigenstrom liefert, wirkt sich zusätzlich positiv auf die Energiebilanz und damit die Stromkosten aus.

Für den Neubau von Anlagen zur Vermeidung oder Nutzung von Abwärme können Fördermittel beansprucht werden. In diesem Zusammenhang sind unbedingt die Regelungen zum Maßnahmenbeginn zu beachten. Häufig ist vor einer Auftragsvergabe der Antrag zu stellen und die Bewilligung abzuwarten.


Abwärme

In Unternehmensgebäuden, insbesondere in den Produktionshallen, wird Wärme im Überschuss produziert. Es ist daher naheliegend, diese zu nutzen und durch Wärmetauscher zum größtmöglichen Teil in den Heizkreislauf einzuspeisen. Die Installation von Wärmetauschern kann nachträglich erfolgen oder bei einem Neukauf von Maschinen bereits mitberücksichtigt werden.

Wie zuvor bereits ausgeführt sind Investitionen zur Abwärmenutzung oder -vermeidung förderfähig.

Wichtig: Förderungen müssen vor dem Kauf der Anlage beantragt werden.

Abwärmequellen

  • Druckluftanlagen
  • Raumlufttechnische Anlagen
  • Trocknungsanlagen
  • Kälteanlagen
  • Maschinen- und Werkzeugkühlung
  • Abgase von Verbrennungsanlagen
  • Thermische Nachverbrennung
  • Prozessabluft
  • Dampf
  • Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK)
  • Abwasser
  • Solarthermische Prozesswärme

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Abwärmequellen in der Industrie

Vorgehensweise

Um das effizienteste Verhältnis von Aufwand und Kosten zu erzielen, empfiehlt sich eine Überprüfung der Abwärmenutzung in folgender Reihenfolge:

  1. Vermeidung von Abwärme
  2. Prozessinterne Wärmerückgewinnung
  3. Betriebsinterne Nutzung
  4. Außerbetriebliche Nutzung

Vermeidung von Abwärme

Grundsätzlich sollte Abwärme möglichst vermieden werden. Probate Mittel hierfür sind eine effiziente Wärmedämmung sowie eine Anpassung der Prozessführung. Auf diese Weise lässt sich dieses Ziel mit dem geringsten Aufwand an Kosten und Planung realisieren.

Materialien für Wärmedämmung in der Industrie

  • EPS (expandiertes Polystyrol)
  • XPS (extrudierter Polystyrol-Hartschaum)
  • PUR (Polyurethan) Stein- und Glaswolle
  • Graphitfilze Schaumglas
  • PF (Phenolharz-Platten) Holzfaserplatten
  • Zellulose VIP (Vakuum-Isolationspaneele)
  • Aerogel-Matten Niedrigemissionslacke

Prozessinterne Wärmerückgewinnung

Der kürzeste Weg der Wärmeenergie besteht in der Rückführung in den Ursprungsprozess. So kann beispielsweise die Abluft einer Anlage aufgefangen und der Zuluft zugeführt werden.

Zur Veranschaulichung ein konkretes Beispiel anhand einer KFZ-Lackierkabine:

Für den Trocknungsvorgang wird eine Objekttemperatur von 60 °C benötigt. Nach Beendigung des Vorgangs wird die Abluft durch ein Wärmetauschersystem geleitet, in dem die Wärme für vier Stunden in Keramikspeichern gehalten wird. Diese Wärme kann nun für die nächste Trocknungsarbeit zur Luftvorwärmung genutzt werden.

Betriebsinterne Nutzung

Dies ist eine klassische Methode, die Abwärme von verschiedenen Anlagen zu nutzen, wenn die Wärme nicht in den gleichen Prozess zurückgeführt werden kann. Beispielsweise kann warme Abluft ohne Umwandlung direkt über Luftkanäle in die nächste Halle geleitet werden, um diese zu heizen.

Die Abwärme kann auch über Wärmetauscher an ein anderes Medium (wie z. B. Wasser) übergeben und so in den Pufferspeicher eingespeist werden. Auf diese Weise können somit der Heizungs- und/oder der Warmwasserkreislauf erwärmt werden.

Außerbetriebliche Nutzung

Bei manchen Betrieben entsteht so viel Abwärme, dass sie an andere Abnehmer abgegeben werden kann. So könnte zum Beispiel eine Bäckerei ihren Wärmeüberschuss an eine benachbarte Schreinerei abgeben, welche mit Ihren eigenen Anlagen kaum Wärme produziert. Auch eine Abgabe an private Abnehmer ist auf diese Weise denkbar.

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Nutzungsmöglichkeiten für Abwärme in der Industrie

 

Zu diesem Bereich ist eine Förderung in Form eines Zuschusses oder zinsgünstigen Kredits durch die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) möglich.

Beispielrechnung

Wärmerückgewinnung eines Druckluftkompressors:

Aufnahmeleistung:                        12 kW Aufnahmeleistung

Betriebsstunden:                            2400 h/a

Teillast:                                               50 %

Brennstoffkosten:                           8 Cent/kWh

 

Mit Wärmerückgewinnung:

Nutzbare Abwärmemenge:         15400 kWh/a

Kosteneinsparung:                         1.200 €/a bei Investitionskosten von 7.000 €

Amortisationszeit                           8 Jahre

Quelle: Bayerisches Landesamt für Umwelt

Anwendungsmöglichkeiten

  • Dampfturbine (Wirkungsgrad bis 45 %)
  • ORC-Anlagen (Wirkungsgrad 10-20 %)
  • Stirlingmotor (Wirkungsgrad 10-20 %)
  • Dampfkolben- und Dampfschraubenmotor (Wirkungsgrad 8-20 %)
  • Thermo-Elektrische-Generator (Wirkungsgrad 7 %)

Gasheizung

Der Unterschied zwischen Gastherme und Gaskessel bezeichnet üblicherweise den Größenunterschied der Anlage. Eine Gastherme ist kleiner und wird zumeist an der Wand installiert. Ein Gaskessel ist leistungsfähiger und muss daher bodenständig platziert werden. Die Erwärmung des Heiz- und Warmwassers kann über das Durchlaufprinzip oder die Installation eines Puffer- bzw. Warmwasserspeichers erfolgen. Dieser kann auch direkt im Gerät integriert werden; die Auslegung erfolgt anhand der zu beheizenden Fläche.

Beide Varianten arbeiten nach auf dem neuesten Stand der Technik mit der Brennwerttechnik, sodass sie auch die Wärmeenergie des kondensierenden Abgases nutzen und so einen höheren Wirkungsgrad erzielen.

Gaskessel

Gaskessel

Auf einen Blick

Rohstoffkosten: 36-57 Cent/m³

Energiekosten: 4-7 Cent/kWh (Stand: August 2018)

Förderung: Nur in Kombination mit regenerativen Energien (z. B. Solar)

Vorteile:

  • Automatische Steuerung über Regelungssystem
  • Geringer Platzbedarf für Therme
  • Kein Tanksystem bei vorhandenem Fernanschluss nötig
  • Langfristig Nutzung von Power-to-Gas möglich

Nachteile:

  • Fossiler Rohstoff
  • Unterirdischer Gastank nötig, falls kein Fernanschluss vorhanden
  • Preis voraussichtlich steigend

Wärmepumpe

Im Prinzip funktioniert eine Wärmepumpe wie ein Kühlschrank: Wärme wird dem innenliegenden Raum entzogen und auf der Rückseite wieder abgegeben. Dies geschieht mittels eines Kältemittels, welches bei Kühlschranktemperatur verdampft und durch die entstehende Verdunstungskälte dem Kühlraum Wärme entzieht. Im Fall einer Wärmepumpe entsprechen die Umgebungsluft, das Erdreich (Geothermie) oder das Grundwasser dem Kühlraum des Kühlschranks. Das Kältemittel nimmt die Wärme aus einer der Quellen auf, wird im Verdichter auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, übergibt die Wärme im Kondensator an den Heizkreislauf des Gebäudes (von gasförmig zu flüssig) und wird in einer Drossel wieder auf Ausgangsdruck entspannt.

Leistungszahl (COP-Wert, SCOP-Wert) und Jahresarbeitszahl (JAZ)

Eine Wärmepumpenheizung arbeitet wirtschaftlich, sobald die Leistungszahl einen Wert von ≥ 3,5 aufweist. Die Leistungszahl (der sogenannte Coefficient-for-performance– oder COP-Wert) beschreibt das Verhältnis von nutzbarer thermischer Energie zur aufgewendeten (meist elektrischen) Leistung. Das bedeutet: Aus 1kWh aufgewendeter Energie (Strom) werden 3,5 kWh nutzbare Energie (Wärme) erzeugt.

Der COP-Wert allein ist jedoch wenig aussagekräftig, da er nur für einen bestimmten Betriebspunkt (wie z. B. eine Außentemperatur von -2 °C) gültig ist. Ist es kälter, wird auch der COP-Wert schlechter.

Eindeutiger ist der saisonale COP-Wert oder SCOP-Wert: Dieser bezeichnet den Durchschnittswert von verschiedenen Leistungszahlen gemessen an mehreren Betriebspunkten (also bei verschiedenen Temperaturen). Anhand dieses Durchschnitts lässt sich der Wirkungsgrad zuverlässiger benennen.

Die Jahresarbeitszahl JAZ ist die über den Zeitraum eines Jahres ermittelte Kennzahl für die Effizienz einer Wärmepumpe inklusive der gesamten Hausheizanlage. Somit bildet sie also auch auftretende Temperaturschwankungen ab. Die JAZ sollte deutlich über 3,5 liegen, um einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe zu gewährleisten.

Beste Voraussetzungen für die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpe bieten sogenannte Niedertemperaturheizsysteme, also Fußbodenheizungen mit geringer Vorlauftemperatur oder Wandheizungen. Bei gut gedämmten Gebäuden sind auch Niedertemperaturheizkörper denkbar. Für einen schlecht gedämmten Altbau mit hohen Vorlauftemperaturen sind Wärmepumpen ungeeignet.

Welche Wärmequelle sinnvoll eingesetzt werden kann, sollte vor Ort von einem Fachmann untersucht werden. Luft-Wärmepumpen haben im Vergleich die schlechtesten JAZ-Werte, sind jedoch am günstigsten in der Anschaffung. Wasser und Erdwärmepumpen sind teurer, weisen dafür aber bessere JAZ-Werte auf (bei Wasser > 5), da die Temperatur von Grundwasser und Erdreich über das Jahr betrachtet nahezu konstant bleibt. Die Temperatur der Umgebungsluft hingegen liegt im Winter oft bei unter 0 °C. Unter diesen Umständen kann die Wärmepumpe zwar weiterhin Wärme erzeugen, sie arbeitet aber weniger effizient. Wird das Grundwasser als Wärmequelle genutzt, sind hierzu die gegebenenfalls erforderlichen Genehmigungen einzuholen (Wasserschutzgebiet etc.).


Kombination mit Photovoltaik-Anlage:

Da sich die aufgewendete Leistung einer Wärmepumpe aus der kostenlos verfügbaren Wärmeenergie der Umgebung und elektrischer Energie (Stromverbrauch durch Verdichter) zusammensetzt, bietet sich die Koppelung mit einer PV-Anlage an, um einen noch effizienteren Wirkungsgrad zu erzielen.

Sonstiges:

Im Winter können Luftwärmepumpen nur bis zu einer gewissen Außenlufttemperatur arbeiten, daher empfiehlt sich eine bivalente Betriebsweise, d.h. die Zuschaltung einer zusätzlichen Heizung (z. B. Elektroheizstab), die bei Bedarf das Heizungs- und Warmwasser im Pufferspeicher erwärmt.

Luftwärmepumpe

Luftwärmepumpe

Auf einen Blick

Rohstoffkosten: Keine (nur Stromkosten für Verdichter und Ventilator)

Energiekosten:

  • 6-7 Cent/kWh (Luft)
  • 5 Cent/kWh (Wasser)
  • 4,5 Cent/kWh (Erde)

Förderung: Ab 1.500 € (Luft) bzw. ab 4.500 € (Wasser, Sole)

Vorteile:

  • Geringer Platzbedarf
  • Aufstellung meist im Freien
  • Hohe Benutzerfreundlichkeit
  • Steuerung über PC oder mobile Geräte (Handy, Tablet)
  • Heizen und Kühlen möglich

Nachteile:

  • Einsatz von klimaschädlichen Kältemitteln
  • Hoher Installationsaufwand bei Wasser-Wasser- und Sole-Wasser-Wärmepumpen (Grabungen, Bohrungen)

Sonstiges:

Da sich die entstehenden Vibrationen über Erdreich und Mauerwerk über weite Strecken übertragen können, sollte auf eine schallentkoppelte Aufstellung geachtet werden.


Fernwärme

Fernwärme bezeichnet die Versorgung mehrerer Gebäude mit Wärme durch einen Erzeuger. Die Wärmeerzeugung erfolgt meist in großen Blockheizkraftwerken – also mit Biomasse, Abfällen oder fossilen Brennstoffen befeuerten Heizkraftwerken – oder über Abwärme aus Industrieprozessen. Im Heizraum wird lediglich eine Übergabestation benötigt, welche das erforderliche Heiz- und Warmwasser im Durchlauf erwärmt. Die meisten Gemeinden bieten Informationen über vorhandene Fernwärmenetze an.

Auch die Abwärme-Informationsbörse des Energieatlas Bayern eignet sich zur Recherche geeigneter Wärmelieferanten. Diese finden Sie online hier.

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Einbaubeispiel Wärmeübergabestation

Auf einen Blick

Energiekosten: Variabel, ca. 10 Cent/kWh

Förderung: Keine (meist nur für den Wärmelieferanten)

Vorteile:

  • Hohe Zuverlässigkeit
  • Gute Öko-Bilanz bei Nutzung regenerativer Energiequellen
  • Wenig Technik im Heizraum nötig
  • Keine Kaminkehrergebühren
  • Geringe Investitionskosten

Nachteile:

  • Bindung an den Energielieferanten
  • Wärmenetz muss errichtet werden

Hackschnitzelheizung

Ähnlich wie bei einer Pelletheizung werden bei diesem Heizungstyp die Holzhackschnitzel automatsch zugeführt, jedoch ist für die Lagerung des Brennstoffes ein dreimal so großer Lagerraum einzuplanen. Die Ascheentleerung erfolgt entweder über eine Aschebox oder ein Ascheaustragsystem. Benutzerfreundlichkeit und Komfort sind vergleichbar mit denen von Pelletheizungen, als problematisch erweist sich aber häufig die Qualität der gelieferten Hackschnitzel, insbesondere beim Feuchtigkeits- und Aschegehalt. Je nach Anlagentechnik können auch andere biogene Brennstoffe eingesetzt werden (Getreide, Stroh, Heu, Pellets).

Hackschnitzelheizung-Fördersystem

Hachschnitzelheizung mit Fördersystem

Auf einen Blick

Rohstoffkosten: 100-130 €/t, Stand: August 2018

Energiekosten: 3,1 Cent/kWh

Förderung: Ab 3.000 €

Vorteile:

  • Günstiger Brennstoff
  • Vollautomatischer Betrieb
  • Technisch ausgereift

Nachteile:

  • Hoher Platzbedarf
  • Größere Störanfälligkeit als Pelletheizungen
  • Regelmäßige Ascheentsorgung (Aschebox) und gelegentliche Reinigung nötig

Sonstiges:

Häufig keine Hackschnitzel in ausreichender Qualität verfügbar (rein, getrocknet etc.).


KWK – Kraft-Wärme-Kopplung

Skizze-KWK

KWK bezeichnet als Überbegriff unterschiedliche strom- und wärmeproduzierende Anlagen. Hierzu zählen Blockheizkraftwerke, Brennstoffzellen, Gas- und Dampfturbinen oder Verbrennungsmotoren. Ursprünglich wurde diese Technologie zum Einsatz in Kraftwerken und der Industrie entwickelt, inzwischen existieren jedoch auch Anlagen zur Verwendung bei geringerem Wärmebedarf.

Der Gesamtwirkungsgrad (also der elektrische und der thermische Wirkungsgrad) solcher Anlagen liegt bei über 90 %. Der Betrieb erfolgt mit Erdgas, Heizöl, Wasserstoff oder regenerativen Brennstoffen wie Pflanzenöl, Biogas oder Holz. Ausschlaggebend für die Wirtschaftlichkeit einer KWK sind lange Laufzeiten im Volllastbetrieb.

Der Grad der Wirtschaftlichkeit ergibt sich aus den Betriebs- und Wartungskosten sowie Erlöse durch Strom- und Wärmeverkauf. Hinzu kommen zahlreiche Gesetze wie das KWK-Gesetz oder das Energiesteuergesetz und der daraus ableitbaren Rückvergütung für die Energiesteuer. Bei Einsatz von Biomasse (Biogas oder Holz) sind weiterhin die Bestimmungen des Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) zu beachten.

Auf einen Blick

Rohstoffkosten: Abhängig vom Brennstoff (Gas, Wasserstoff, Öl…)

Förderung: > 1.900 €

Vorteile:

  • Vollautomatisch,
  • Erzeugung von Wärme und Strom für Eigenverbrauch und Einspeisung
  • Abdeckung von Stromspitzen

Nachteile:

  • Exakte Berechnung vieler Faktoren notwendig
  • Beachtung von Vergütungen, EEG-Umlage etc.
  • Hohe Investitionskosten

Einsatzmöglichkeiten

  • Bei hohem Strombedarf
  • Zur Abnahme von Stromspitzen bei Einschaltvorgängen oder zu Produktionsspitzenzeiten
  • Bei konstant erforderlicher Prozesswärme

Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle erzeugt durch einen chemischen Vorgang Strom und Wärme. Der elektrische Wirkungsgrad liegt hier bei ca. 40 %, der Gesamtwirkungsgrad bei 80-90 %. Derzeit besteht hierzu die größte Herausforderung in einer möglichst CO2-armen Erzeugung und Bereitstellung des Wasserstoffs.

Die meisten Brennstoffzellentypen können zusätzlich mit reformiertem Erdgas betrieben werden, sodass das System in einer Übergangsphase der Installation mit Erdgas betrieben werden kann, um später auf Wasserstoff umzustellen.

Da die Brennstoffzelle selbst nur Wasserdampf an die Umgebung abgibt, führt eine direkte Wasserstoffversorgung vor Ort zu einer wenig komplexen Anlage ohne Schadstoffemissionen – ein direkter und zukunftsorientierter Beitrag zur lokalen Emissionsminderung.

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Brennstoffzellen-Heizung

Auf einen Blick

Energiekosten: Variabel (Gas, Wasserstoff)

Förderung: 7.000-10.000 € Zuschuss

Vorteile:

  • Gute Regelbarkeit der Leistung
  • Hohe elektrische Wirkungsgrade (40-65 %) auch im Teillastbereich
  • Geringer Wartungsaufwand
  • Hohe Zuverlässigkeit
  • Niedrige Schall- und Schadstoffemissionen (50 % weniger CO2-Ausstoß als bei Gasheizung), bei direkter Wasserstoffversorgung vollständig emissionsfrei
  • Vergleichbare Größe mit konventionellen Heizkesseln
  • Sehr leise

Zur Optimierung der Umweltbilanz empfiehlt sich die Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff, der in der Region aus erneuerbaren Energien gewonnen wird.

Nachteile:

  • Geringe Betriebserfahrung
  • Hohe Investitionskosten
  • Durch Umwandlungsverluste keine Direktverwendung von Primärenergie wie Erdgas möglich
  • Entweder Wasserstoffinfrastruktur oder Reformer (Bereitstellung des Wasserstoffs aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas) notwendig