Ausgangslage

• Die saisonale Speicherung von Wärme und Kälte ist ein wichtiger Baustein für eine effiziente, erneuerbare Energieversorgung von Gewerbeliegenschaften mit gleichzeitigem Heiz- und Kühlbedarf. Grossvolumige Wasserspeicher, die sich aus bestehenden Infrastrukturen wie Klärbecken ergeben, bieten dabei ein bisher kaum genutztes Potenzial in der Schweiz.
• Das Gewerbegebäude Rorguet weist aufgrund seines hohen Glasanteils, der gemischten Nutzung und der im Erdgeschoss betriebenen Lebensmittelkühlung (Coop Pronto Shop) einen ganzjährigen Bedarf an Heizung, Warmwasser und Kühlung auf. Die Abwärme aus der gewerblichen Kälteanlage lässt sich sinnvoll im Speicher zwischenlagern und für die Wärmepumpenanlage nutzen.
• Wassergefüllte Grossspeicher können durch die thermische Aktivierung des umgebenden Erdreichs ihre nutzbare Kapazität deutlich erhöhen, was für eine stabile Betriebsführung mit Wärmepumpen entscheidend ist.

Projektbeschrieb

Die NUR Werkstatt AG errichtete auf dem Grundstück der ehemaligen ARA Meilen an der Seestrasse 931 in Meilen ein viergeschossiges Gewerbegebäude mit Coop-Tankstelle, Velogeschäft, Fitnessstudio und Büros (Energiebezugsfläche 1'436 m²). Das frühere Klärbecken wurde dabei nicht abgebrochen, sondern als offener Wasserspeicher von rund 1'700 m³ weiterverwendet und bildet das Untergeschoss des Neubaus. Zur Wärmeübertragung wurden 108 vertikale Wärmetauscherplatten (System ICESOL, Energie Solaire S.A.) mit einer beidseitig nutzbaren Fläche von 190 m² in 18 Paketen im Becken montiert. Zwei Wärmepumpen (CTA OH 1-50e Duo und CTA OH 1-18es) in Master-Slave-Schaltung entziehen dem Speicher im Winter Wärme und geben im Sommer die Kühlabwärme wieder zurück; bei tiefen Speichertemperaturen ist auch passive Direktkühlung möglich. Die Anlage wird über eine frei programmierbare Steuerung (Netlogger, Huber Energietechnik AG) mit Fernwartung via Internet überwacht und geregelt.

Projektziele

• Messung der relevanten Systemtemperaturen und Energieströme zwischen Anlage und Eisspeicher über mindestens 15 Betriebsmonate als Grundlage zur Überprüfung der Auslegungsparameter.
• Erarbeitung einer Regelstrategie für den optimalen Abtauprozess der vertikalen Wärmetauscherplatten auf Basis von Messdaten der realen Anlage sowie Korrelation zwischen Wärmepumpendaten und Eisbildung.
• Entwicklung und Validierung eines mathematischen Modells zur Vorhersage des Temperaturverlaufs im Eisspeicher unter Berücksichtigung von Transmissions-, Lüftungs- und Regenwasserverlusten.

Erkenntnisse

Die in den ersten 15 Betriebsmonaten gemessene Energiebilanz zeigte, dass der Wärmeeintrag in den Speicher (175 MWh) den Wärmeentzug (36 MWh) deutlich überstieg, da die Abwärme der gewerblichen Kältemaschine rund fünfmal höher ausfiel als in der Planung angenommen; die Speichertemperatur lag stets zwischen 7.9 °C und 30.2 °C, eine Eisbildung trat nie auf. Das entwickelte thermische Modell, das Transmissions-, Lüftungs- und Regenwasserverluste berücksichtigt, sagte die Speichertemperaturen mit einem maximalen Fehler von 2.6 °C und einem mittleren Fehler von 0.1 °C korrekt voraus (Korrelation 0.99). Die Transmissionsverluste über die ungedämmten Betonwände ins Erdreich machten mit 78 % den grössten Anteil der Gesamtverluste aus (Lüftungsverluste 8 %, Regenwasserverluste 13 %), was zeigt, dass das umliegende Erdreich als zusätzliche thermische Kapazität wirkt und die Speichertemperaturen dämpft. Ohne diese Erdreichaktivierung wären die Speichertemperaturen im Sommer auf rechnerisch rund 60 °C angestiegen.

Ausblick

Das validierte Modell steht für die Auslegung künftiger Eisspeicher und ähnlicher Grosswasserspeicher zur Verfügung und erlaubt die Vorhersage saisonaler Temperaturverläufe auf Basis der gebäudeseitigen Energiebilanz. Die erarbeitete Regelstrategie für den Abtauprozess ist auf andere Anlagen mit vertikalen Plattenwärmetauschern übertragbar.

Projektpartner

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