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Raumkühlung trotz elektrischer Unterversorgung

Die Merck KGaA hat im Sommer 2017 sieben der zehn Stockwerke des östlichen X-Tower in Weiterstadt mit einer Fläche von circa 15.000 m² angemietet. Hier sollten für 1.000 Mitarbeiter Büros entstehen, doch während der Modernisierung hat sich gezeigt, dass die vorhandene elektronische Anschlussleistung für die Abdeckung der Spitzenlasten mit Kältemaschinen nicht ausreicht. Die Lösung des Problems war ein Eisspeicher, der das Lastprofil im Laufe des Tages ausgleicht und dafür sorgt, dass die Anschlussleistung nun ausreichend ist.

Martin Füllsack war der für das Projekt zuständige Ingenieur bei der Merck KGaA und er sagt: „Aufgrund des langen Leerstands des X-Towers und der veralteten Einzelbüro-Struktur stand außer Frage, dass wir die angemieteten Flächen modernisieren mussten. Wir wollten eine Atmosphäre schaffen, in der sich unsere Mitarbeiter wohlfühlen und die ein angenehmes Arbeiten möglich macht. Zu den Maßnahmen zählte deswegen die Umstrukturierung zu Open Space-Büros ebenso wie eine moderne Raumkühlung.“ Die neue Haustechnik wurde durch die GA-tec Gebäude- und Anlagentechnik GmbH realisiert. Und schon sehr früh in der Planungsphase wurde festgestellt, dass die elektronische Anschlussleistung nicht ausreichen würde, um eine Umluftkühlung mithilfe von konventionellen Kältemaschinen zu realisieren.

Um das Projekt dennoch möglich zu machen, mussten Lastspitzen vermieden werden. Martin Füllsack erklärt dazu: „So kamen wir auf die Idee, einen Eisspeicher zu nutzen: Dieser kann in den Nachtstunden mit einer Kältemaschine geladen werden und am Tag die gespeicherte Kälte wieder abgeben.“ Ortwin Hees, der Niederlassungsleiter der Region Berlin bei GA-tec, fügt hier ergänzend hinzu: „Durch den Einsatz von Eisspeichern, die nachts geladen werden und tagsüber für die Grundlast zuständig sind, muss nur noch für die Spitzenlast die Kältemaschine zugeschaltet werden. Dadurch läuft die Kältemaschine in ihrem energetischen Optimum.“

Für das Modernisierungsvorhaben wurde der Eisspeicher „sp.ICE“ genutzt. Hierbei handelt es sich um eine Entwicklung des Kapillarrohrmatten-Herstellers BEKA Heiz- und Kühlmatten GmbH und der GEFGA Energiesysteme GmbH. Die Funktionsweise ist einfach: Durch einen Wärmetauscher wird in einem Behältnis stehendes Wasser in Eis umgewandelt. Später kann dann die Schmelzwärme genutzt werden. Der Wärmeübertrager selbst besteht aus Kapillarrohrmatten aus Polypropylen. Die Rohre haben jeweils einen Durchmesser von 4,5 mm und einen Abstand zueinander von 10 mm. Die parallel geschalteten Kapillaren laufen in einem Verteilerstamm zusammen. Durch den Innendurchmesser von 2,9mm haben die Rohre laut Hersteller „einen optimierten Wärmedurchgang, da die Eisdecke vor allem durch die Nähe der Rohre zueinander konstruktiv verringert wird“.

Weiterer Vorteil ist die dadurch entstehende große Fläche zur Wärmeübertragung, was die Leistungskenndaten des Eisspeichers verbessert. Der Eisfüllgrad, also der Anteil des Speichers, der mit Eis gefüllt ist, liegt hier bei annähernd 100 %. Die geringen Durchmesser ermöglichen es außerdem, dass das Eigenvolumen des Wärmetauschers gering ausfällt. Nimmt man alle Punkte zusammen, dann ergibt sich eine effiziente Eiserzeugung bei einer mittleren Ladetemperatur von 2,5 °C, und das bei reduzierten Ladezeiten von rund 6 Stunden. Die Größe des Speichers beträgt 6058 mm x 2438 mm x 2591 mm und hat eine Wärmeübertragungsfläche von 1345 m² sowie eine Ladeleistung von 416 kW.

Der Eisspeicher kann als mobile und als stationäre Version ausgeführt werden. Wichtig hierbei: „Für die mobile Version verwenden wir normierte Container, die über eine Dämmebene aus Polystyrol-Hartschaum und eine Dichtebene aus glasverstärkter Polyethylen-Folie verfügen.“ Daraus ergibt sich ein geringerer Stromverbrauch und ein geringerer Platzbedarf.

Merck hatte von Vornherein vor, den Betrieb und die Instandhaltung der Anlage möglichst unkompliziert zu halten und auch den zeitlichen Aufwand zu begrenzen. Der Projekt-Ingenieur von Merck sagt: „Da sich der X-Tower außerhalb unseres Werksgeländes befindet, kann er nicht so überwacht und gesteuert werden wie Anlagen am Hauptstandort.“ Aus diesem Grund hat die GA-tec die Steuerung und Regelung der Anlage autark vom Werksgelände realisiert. Der Zustand ist jederzeit per Fernabfrage überwachbar und steuerbar. Verbaut wurden zwei Eisspeicher mit einer Kapazität von zusammen 4200 kWh, die meistens nachts aufgeladen werden. Am Tage werden dann die Kältemaschinen entsprechend dem Bedarf zugeschaltet. „Im Durchschnitt müssen sie so lediglich eine Leistung von 500 kW und weniger erbringen“, beschreibt Hees von GA-tec das Resultat. „Das ist mit der vorhandenen Anschlussleistung kein Problem.“