Bürogebäude des Bundesumweltministeriums

(c) Bundesumweltministerium

Sechs Bundesministerien haben ihren Hauptsitz in Bonn. Eines von ihnen ist das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU). Untergebracht ist der erste Dienstsitz des Ministeriums in einem in den 80er Jahren errichteten Bürogebäude. Dieses wurde ab 2012 saniert und in diesem Zuge auch mit einer neuen Kältezentrale ausgestattet. Die nun in der Tiefgarage arbeitende Kältezentrale umfasst Kältemaschinen, Schaltschränke und Anlagenkomponenten zur Freikühlung. Sie nutzt das natürliche Kältemittel Ammoniak (R-717) – und Brunnenwasser. 

Kältemittel ohne Einfluss auf Ozonabbau und Treibhauseffekt

Bei der Sanierung wurden die 25 Jahre alten Kältemaschinen einschließlich der dazugehörigen Kühltürme außer Betrieb gesetzt und demontiert. Verwendet wurde hier noch das Ozonschicht schädigende Kältemittel R-22 mit hohem Treibhauspotential (GWP=1.810). Ersatz bieten nun zwei Kältemaschinen mit höherer Effizienz und feinstufiger Leistungsregelung zwischen 10 und 100 Prozent. Sie benötigen keine Rückkühlanlage auf dem Dach, da zur Kühlung Brunnenwasser zum Einsatz kommt. Betrieben werden die Kältemaschinen mit Ammoniak, da dieses natürliche Kältemittel eine gute Energieeffizienz sicherstellt, aber weder ein Ozonabbaupotential noch einen nennenswerten direkten Einfluss auf den Treibhauseffekt hat. 

Es mussten allerdings einige sicherheitstechnische Einrichtungen ergänzt werden. So wurde für diesen Raum der neuen Kältezentrale eine mechanische Lüftungsanlage erforderlich. Ebenso wurden im Aufstellraum der Kälteanlagen drei Ammoniaksensoren installiert. Sollte Kältemittel austreten, wird die mit Ammoniak belastete Luft über einen Ventilator und über Absaugrohre in den Fortluftschacht der Tiefgarage eingeblasen und vermischt mit der Abluft der Tiefgarage nach außen abgegeben.

Konzeption des neuen Kältesystems

In folgendem Bild ist der Aufbau der Anlage skizziert. Herzstücke sind hier die zwei Ammoniak-Kältemaschinen mit höherer Effizienz und feinstufiger Leistungsregelung des Verdichters zwischen 10 und 100 Prozent. 

Das in den Verdampfern der Kältemaschinen gekühlte Kaltwasser (blaue Linien) gelangt dann in den Gebäudekreis. Hier wird das Kaltwasser über Pumpen zu den Verbrauchern transportiert. Das können beispielsweise raumlufttechnische Anlagen, Kühldecken oder Umluftkühlgeräte sein. Um einen sicheren und stabilen Anlagenbetrieb zu gewährleisten, sind die Kältemaschinen und die Gebäudeversorgung über eine sogenannte „hydraulische Weiche“ entkoppelt.

Im Verflüssiger der Kältemaschine entsteht Abwärme (rote Linien), die in der Regel über Kühltürme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Dies ist oftmals im Sommer problematisch: Hier werden im Gebäude die größten Kälteleistungen gebraucht, sodass viel Abwärme abgegeben werden muss. Aber gerade im Sommer sind die Außentemperaturen so hoch, dass dies nicht immer problemlos möglich ist. Entweder leidet dann die Anlageneffizienz oder die Kälteanlagen können im schlimmsten Fall ausfallen.

Rückkühlung und Freikühlung durch Brunnenwasser

Das neue Konzept sieht vor, dass die Rückkühlung der Kältemaschinen über Brunnenwasser erfolgt, das ganzjährig mit einer Temperatur von rund 14° C verfügbar ist. Damit ist eine ausreichende Rückkühlung auch im Sommer möglich und vor allem energieeffizient. Um einen sicheren und stabilen Anlagenbetrieb zu gewährleisten und um Korrosionen in den angeschlossenen Wasserkreisläufen auszuschließen, trennt ein Plattenwärmeübertrager das Brunnenwasser vom Kälteanlagensystem.

Die Nutzung der Brunnenanlage hat noch einen weiteren entscheidenden Vorteil im Hinblick auf die Energieeffizienz: in der Übergangszeit und im Winter („Winterbetrieb“), wenn der Kältebedarf im Gebäude niedrig ist, kann das Gebäude direkt mit der Brunnenanlage verbunden werden (grüne Linien). Die Kältemaschinen kommen bei dieser „Freikühlung“ dann nicht zum Einsatz. Allein über die Brunnenanlage ist eine Versorgung mit einer Kälteleistung von 1.000 kW möglich. 

Zusätzlich wurden im Rahmen der Sanierung die vorhandenen Versorgungspumpen der einzelnen Verbraucherkreise gegen drehzahlgeregelte Pumpen ausgetauscht. Aus anlagentechnischen Gründen sind die Pumpen in den Erzeugerkreisen nach wie vor ungeregelt, damit ein stabiler Anlagenbetrieb sichergestellt werden kann.

Zentrale Steuerung der Anlage

Die gesamte Anlage ist an eine intelligente Gebäudeleittechnik des BMU angebunden, von der aus diese zentral überwacht und gesteuert wird. Die Gebäudeleittechnik sorgt unter anderem dafür, dass bei geringem Kältebedarf des Gebäudes im Winterbetrieb die Kältemaschinen nicht in Betrieb gehen, sondern die gesamte Kühlleistung dann über das Brunnenwasser gedeckt wird.

Zur regelmäßigen Optimierung der einzelnen Verbraucher wurden in die vorhandenen Verbraucherkreise Kältemengenzähler zur Verbrauchserfassung eingebaut. Mit dem so ermöglichten Anlagenmonitoring fallen erhöhte Verbräuche direkt auf und können analysiert werden. So fallen Fehlfunktionen oder Defekte frühzeitig auf und können zeitnah behoben werden.

Fazit

Durch den Einsatz des natürlichen Kältemittels Ammoniak und der Brunnenanlage zur Rückkühlung und Freikühlung wurde ein zukunftsfähiges Konzept umgesetzt, das als Vorbild zur umweltschonenden und energieeffizienten Versorgung vergleichbarer Gebäude dient. Besonders hervorzuheben ist hierbei auch die Rolle der Gebäudeleittechnik in Verbindung mit dem Anlagen-Monitoring. Denn nur Betreiber, die die Wirkungsweise und den Energiesatz ihrer Anlagen kennen, können über ein intelligentes Regelungssystem einen energieoptimierten Betrieb sicherstellen.