Teil 1: Energieeffiziente Sanierung im Supermarkt: Master- und Slave Einheit

Neubauten von Supermärkten werden heute als energetisches Gesamtkonzept gedacht, indem beispielsweise die bei der Gewerbekälteerzeugung anfallende Abwärme für die Gebäudeheizung oder Brauchwassererwärmung genutzt wird. Doch auch bei Sanierungen von Lebensmittelmärkten gibt es verschiedene Modernisierungsmaßnahmen, die bei einem bestehenden Wärmerückgewinnungssystem Einsparpotentiale ermöglichen.

Ein Beispiel ist die energetische Sanierung eines Lebensmittelsupermarkts in Mainz. Dieser umfasst 1.400 m² und wurde von einer großen Lebensmittelmarktkette als Mustermarkt ausgewählt, um ein Sanierungskonzept mit Wärmepumpen zu testen. 2022 wurde dieses Konzept umgesetzt und mittlerweile auch in zwei weiteren Märkten der Kette angewandt. Weitere Supermärkte folgen deutschlandweit.

Status Quo und Herausforderung: Sanierung eines 1.400 m² großen Lebensmittelmarktes in Mainz

Das bisherige Heiz- und Kühlkonzept des Lebensmittelmarktes umfasste eine Warmwasser- und Kaltwasserbereitstellung, die durch Schnittstellen mit der Gewerbekälteanlage verbunden war.

Status Quo: Heizbetrieb

Im Heizbetrieb wurde die Abwärme der Gewerbekälteanlage über einen Plattenwärmetauscher in einen Pufferspeicher verschoben. Dabei reichte die Abwärme aus, um den Markt während der Heizperiode ausreichend zu beheizen. Doch Engpässe entstanden in der Wärmeversorgung, wenn die Wärmerückgewinnungsleistung unzureichend oder gar nicht vorhanden war. Der Grund dafür war, dass es keine Spitzenlastabdeckung für starke Lastfälle gab.

Herausforderung: Klimatisierung der Verkaufsfläche

Für den Kühlfall existierte ebenfalls eine Schnittstelle zur Gewerbekälteanlage über Plattenwärmetauscher. Im Sommer wurde der Pufferspeicher mit Kaltwasser zur Kühlung beladen. Die Herausforderung bei diesem Lebensmittelmarkt lag in der Klimatisierung der Verkaufsfläche über die Verbundanlage der Gewerbekälte. Diese entsprach nicht den kältetechnischen Erwartungen an ein modernes Kühlsystem. Und das sollte geändert werden.

Ziele und Vorgaben zur Sanierung des Supermarktes

Durch energetische Modernisierungsmaßnahmen sollten bei diesem Muster-Lebensmittelmarkt

• die bei der Gewerbekälteerzeugung entstehende Abwärme für die Gebäudeheizung und Brauchwassererwärmung genutzt,
• durch die Implementierung eines Wärmerückgewinnungssytems weitere Einsparpotentiale gehoben und
• die Betriebssicherheit gesteigert werden.
  
  

Für den 1.400 m² großen Lebensmittelmarkt waren dabei folgende Vorgaben bei der Sanierung zu berücksichtigen:

• ganzjährige Bereitstellung der Kalt- und Warmwasserversorgung
• Nutzung des umweltfreundlichen Kältemittels R290 (Propan)
• geringe CO₂-Emissionen
• Förderfähigkeit der Wärmepumpen
• möglichst wenig Umbau des vorhandenen hydraulischen Systems (weitere Verwendung des vorhandenen Pufferspeichers für Warm- oder Kaltwasser)
• hohe Energieeffizienz
• Komplettlösung, inklusive autarker Regelung
  
  

Sanierung des Lebensmittelmarktes: Die technische Umsetzung

Swegon entwickelte für diesen Lebensmittelsupermarkt ein individuelles Konzept, das in das Bestandssystem eingebunden wurde und so eine ganzjährige Kalt- und Warmwasserbereit-stellung sichert. Dazu wurden förderfähige Wärmepumpen eingesetzt, die mit dem umweltfreundlichen und natürlichen Kältemittel Propan (R290) befüllt sind und über eine intelligente Reglungstechnik verfügen.

Wärmepumpen als Master- und Slave-Einheit mit HYZER-Reglung

Um eine hohe Energieeffizienz zu erreichen, wurden zwei Titan Sky Hi HP R0 5.1 Wärmepumpen von Swegon als Master- und Slave-Einheit kombiniert, die mit der systemoptimierten Regelung HYZER untereinander kommunizieren.

Zwei Titan Sky Hi HP R0 5.1 von BlueBox - Master und Slave

Diese Reglung ermöglicht eine intelligente Kaskadenschaltung. Das bedeutet, dass die Wärmepumpen abhängig von der Last entweder alleine oder im Parallelbetrieb gefahren werden. So werden die Wärmepumpen jederzeit in ihrem optimalen Betriebsbereich genutzt. Auch das Abtauen der Wärmepumpe wird über die HYZER Reglung optimiert. Da das Abtauen nur nach Bedarf geschieht, werden die Abtaufrequenzen deutlich reduziert, während gleichzeitig die Effizienz der Wärmepumpe als auch der Komfort im Verkaufsraum gesteigert werden. Um das zu konkretisieren: Wird bei einer der beiden installierten Wärmepumpen die Abtaufunktion angefordert, dann fährt im Gegenzug die zweite Wärmepumpe hoch, um Komfortverluste, wie eine zu niedrige oder zu hohe Raumtemperatur, zu vermeiden.

Konzept-Schema: Master- und Slave-Wärmepumpen-Kombination mit variabler Volumenstrom-Reglung durch HYZER

Über die bereits erwähnte Kaskadenreglung ist eine automatisierte Stör-, Redundanz- und Zeitumschaltung der Wärmepumpen sichergestellt. Das Besondere am HYZER-System ist, dass es zusätzlich die Hydraulik optimiert regelt: Verschiedene Sensoren sind mit Berechnungsalgorithmen kombiniert, und zusammen überwachen sie die vom Gebäude abgenommenen Heiz- oder Kühlleistungen. Anhand dieser Ergebnisse regelt das HYZER-System sowohl die Leistungsabgabe der Wärmepumpen als auch die Volumenströme im Hydrauliksystem - und das bedarfsgerecht. Dadurch reduziert sich die elektrische Leistungsaufnahme der eingebundenen Komponenten, wie Wärme- oder Umwälzpumpen, auf ein Minimum. Zudem wird der Energieverbrauch in Echtzeit aufgezeichnet, was eine strukturierte Datenanalyse der Energieeinsparung ermöglicht.

HYZER: Die Reglung für verschiedene Projektanforderungen

Die Reglungseinheit HYZER ist modular aufgebaut und eignet sich deshalb für unterschiedliche Projektanforderungen (Größe, Komplexität, Anwendungen) und wird an die Wünsche des Kunden angepasst. Im Fall des Lebensmittelmarktes in Mainz lieferte Swegon eine eigenständige Regelung mit klar definierten Schnittstellen zur Gebäudeleittechnik. Somit konnte die vorhandene Hydraulik des Marktes weitgehend beibehalten werden. Lediglich eine hydraulische Weiche wurde zur Entkoppelung zwischen Primär- und Sekundärkreislauf als effizienzsteigernde Ergänzung eingebunden. Die Wärmeverteilung über Sekundär-Umluftgeräte, Türluftschleier und statische Heizflächen konnte ebenfalls bestehen bleiben.

Regelungseinheit HYZER schematisch dargestellt

 

Abschließend ist zu sagen, dass die Wärmepumpenkaskade inklusive variabler Volumenstromregelung autark ist. Das bedeutet, dass das System auch bei größeren Projekten eingesetzt werden kann. Es ist in der Lage, weitere externe Geräte, wie Rückkühler, Kühltürme, Spitzenlastkessel und die Regelung der Verbraucherseite zu managen.