Zum Inhalt springen

Zortström-Technologie für die Energieeffizienz

Das Royal Papworth Hospital in Cambridge am Cambridge Biomedical Campus wurde seit 2014 neu errichtet und ging Anfang 2019 in Betrieb. Für eine bedarfsgerechte Verteilung von Wärme und Kälte ist hier die Zortström-Technologie verantwortlich. Der Neubau hat eine Kapazität von 300 Betten und benötigt insgesamt inklusiver der medizinischen Geräte 2,4 Megawatt (MW) Heiz- und 3 MW Kühlleistung. Vier der so genannten „Zortström“ des österreichischen Unternehmens Zortea übernehmen die Aufgabe, Wärme und Kälte bedarfsgerecht zu verteilen.

Im neuen Komplex, der 130 Meter lang ist und eine Grundfläche von 40 000 m² hat, sind neben der Pathologie und Radiologie auch noch 7 Operationssäle, 5 Katheterlabore, 2 Hybridsäle und über 300 Betten untergebracht. Da ist es leicht nachvollziehbar, dass an Heizung, Kühlung und Betriebssicherheit allerhöchste Ansprüche gestellt wurden. Die Technikzentrale wurde vom Vorarlberger Unternehmen Enercret errichtet. Enercret ist auf Geothermie spezialisiert und liefert schlüsselfertige Heiz- und Kühlanlagen für Großprojekte. Zunächst plante das Unternehmen in Cambridge, Geothermie und Wärmepumpen als Erzeuger und eine Lastverteilung über druckverlustreduzierte Stangenverteiler zu installieren, jedoch wäre hierbei ein System entstanden, bei dem sich Pumpen wechselseitig beeinflussen und der Aufwand wäre einfach zu groß geworden. Schlussendlich entschied sich das Unternehmen für Zortström-Verteiler des Hohenemser Erfinders Rembert Zortea.

In den Zortström-Sammel- und Verteilzentren wird das Wasser in mehreren, getrennten Temperaturstufen von den Erzeugern gesammelt und den Verbrauchern bedarfsgerecht zur Verfügung gestellt. Zortea-Geschäftsführer Martin Steinhart erläutert zum Projekt: „Das System übernimmt dabei auch die Funktion als Speicher, hydraulische Weiche und – über Sensoren in den Temperaturschichten – die Steuerung der Erzeuger.“
Die Eckdaten sehen wie folgt aus:

  • Geothermiefeld mit 124 Erdsonden
  • 6 mehrstufige Wärmepumpen, die vom Geothermiefeld gespeist werden
  • Leistung der Wärmepumpen: je 500 kW
  • 1 Blockheizkraftwerk, 3 Kältemaschinen und 3 Gaskessel dienen der Sicherheit und der Spitzenlastabdeckung
  • benötigte Wärme: 6 Stufen zwischen 30 und 75 °C
  • benötigte Kälte: 5 Stufen zwischen 5 und 18 °C


Die gesamte Anlage wird gesteuert von vier Zortström. Diese sind in der Lage, die Vielzahl an Wärme- und Kältequellen effizient zusammenzuschließen und dem Lastprofil der Abnehmer entsprechend bereitzustellen. Die Eckdaten der Zortström sehen wie folgt aus:
Sole-Zortström:

  • hat einen Durchmesser von 1400 mm
  • fasst knapp 4000 Liter in vier verschiedenen Temperaturstufen
  • steuert den Energiefluss aus den Erdsonden zu den sechs Wärmepumpen
  • freie Kühlung ist möglich
  • Überschusswärme wird im Boden gespeichert
  • die Energie aus absoluten Kühllastspitzen wird über das Dach abgelassen

Kälte-Zortström:

  • hat einen Durchmesser von 2,2 m
  • fasst 17 700 Liter in 7 Temperaturstufen
  • an der Erzeugerseite sind die Wärmepumpen, die Kältemaschinen sowie der Sole-Zortström angebunden

Wärme-Zortström:

  • hat einen Durchmesser von 1,8 m
  • kann über 11 000 Liter in 6 Stufen aufnehmen
  • an der Erzeugerseite sind die Wärmepumpen, die Kältemaschinen sowie der Sole-Zortström angebunden

Hochtemperatur-Zortström:

  • hat 3 Stufen
  • hat einen Durchmesser von 2 m
  • fasst über 8000 Liter
  • ist verbunden mit dem Blockheizkraftwerk und den drei Gaskesseln


Diese 4 Zortström stellen insgesamt eine effiziente und vor allem sichere Versorgung des Gebäudes sicher, und zwar in insgesamt 11 Temperaturzonen. Durch die Verbindung der Wärmepumpen mit den Kälte- und Wärme-Zortström kann gleichzeitig Kälte und Wärme bereitgestellt werden. Die installierten Wärmepumpen werden über die Temperatur in den Zonen angesteuert und der Gleitschichtraum dient als Puffer, optimiert ihre Laufzeiten und reduziert Schaltzyklen. Die Verbraucher im System sind hydraulisch entkoppelt und holen sich bei Bedarf die Energie ab. Eine gegenseitige Beeinflussung und ein wechselseitiges Hochschaukeln bleiben aus. Durch die Nutzung der Energie aus den Rückläufen wird insgesamt zusätzlich die Gesamteffizienz gesteigert.

Das hier vorgestellte System mit 4 Zortström-Sammel- und -Verteilzentren steuert die gesamte Energiezentrale:

  • sie aktivieren vorrangig die Wärmepumpen, die einem gemeldeten Absinken der Soll-Temperatur entgegenwirken
  • sie schalten entsprechend die nötige Leistung zu
  • ggf. starten sie die Erzeuger für die Spitzenlastabdeckung
  • sie räumen den Wärmepumpen und dem Blockheizkraftwerk Vorrang ein, damit ein möglichst hoher Anteil am Energiebedarf produziert wird
  • sie stellen sicher, dass Gaskessel und Kältemaschinen nur bei Lastspitzen kurz zugeschaltet werden

 
Das gesamte System bietet aber noch mehr Vorteile. So spart es Kosten im laufenden Betrieb und bereits während der Installation konnten viele Dreiwegeventile eingespart werden. Stefan Wehinger sagt: „Insgesamt hat der Kunde etwa ein Fünftel der Kosten im Bereich der Technikzentrale eingespart. Allein bei der Regelung wurde sicher die Hälfte der Investitionskosten eingespart.“ Im Dezember 2017 wurde der Probebetrieb gestartet und festgestellt, dass die sechs Wärmepumpen, die in etwa 30 % der installierten Leistung entsprechen, ungefähr 80 % der Lastenergie lieferten. Wehinger: „Die positiven Grundannahmen haben sich im Testbetrieb bestätigt.“