hbd_faltblatt_baudokumentation_vorlage | Version 1.0
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1 Hydraulisches Prinzipschema 3 Übersicht, Mst. 1:5000 4 Energieflussdiagramm Hardau Amt für Hochbauten N o 13 | 2006 2 Übersicht, Mst. 1:5000 1 3 Objekt Schulhaus Limmat, Limmatstrasse 80 und 90, Ausstellungsstrasse 81, 8005 Zürich Projektorganisation Bauherrschaft Stadt Zürich, Immobilienbewirtschaftung Vertreten durch Stadt Zürich, Amt für Hochbauten Patrick Renold, Werner Kälin, Heinrich Gugerli Beteiligt Elektrizitätswerke der Stadt Zürich EWZ Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL) Stadt Zürich, Entsorgung + Recycling Planer, Berater Gruneko AG, Basel Technisches Büro Holzinger, Wien HKT Goeldner, Halfing D Swiss Technical Services AG, Wallisellen Kenzzahlen Nutzleistung des Gasbrennwertkessels Nutzleistung Wärmepumpe Max. Leistungsbedarf der Schulanlage Energiebedarf der Schulanlage Jahresarbeitszahl (gemäss Auslegung) Investitionskosten (1) Investitionskosten/Leistung kW 90 bis 480 kW 252 kW (geschätzt) 450 MWh/a 800 JAZ 3.4 Fr. 840 000.– Fr./kW 3 330.– Objekt: Heizzentrale Hardau, Bullingerstr. 39, 8004 Zürich Energieflussdiagramm Schulbauten Hardau Umwelt-/Verlustenergie Projektorganisation Bauherrschaft: Stadt Zürich, Immobilienbewirtschaftung und Liegenschaftenverwaltung Vertreten durch: Stadt Zürich, Amt für Hochbauten Ralph Wyer, Thomas Herrmann Planer: Müller.Bucher, Ingenieure FH Gebäudetechnik, Zürich 2 Kennzahlen Nutzleistung der Heizzentrale Max. Leistungsbedarf der 4 Schulbauten Abgaswärmeleistung 2 BHKW, 1 Heizkessel Energiebedarf der Wohnsiedlung Hardau Energiebedarf der 4 Schulbauten Jahresarbeitszahl Investitionskosten Investitionskosten/Leistung kW kW kW MWh/a MWh/a JAZ Fr. Fr./kW 8 650 660 486 16 000 484 8.5 1 300 000.– 1 970.– Endenergie 85% Nutzenergie 15% Nachheizung mit Gaskessel 100% Heizung Elektrizität Pumpen 20 40 Abgase Abgase 395 MWh/a 395 353 Abgasrekuperator 393 413 Heizung und Warmwasser 484 MWh/a - 1 Heizkessel - 2 BHKW 4 Schulbauten Qmax Qmax Tot 0.49 MW Aussenluft 19 Aussen-/ Fortluft 36 Tot 0.66 MW Wärmepumpe 15 67 71 Warmwasser 4 16 19 MWh/a 4 Elektrizität Kompressoren Verbrauchsangaben in MWh/a Stadt Zürich Zwei Pilotanlagen zur Wärmerückgewinnung 2006 Die Energieeinsparung entspricht pro Jahr rund 43 Tonnen Heizöl (3 Tankzüge) Nachhaltiges Bauen gehört zu den Legislaturzielen des Stadtrats von Zürich. Die Energieeinsparung entsprich pro Jahr rund 72 Tonnen Heizöl (5-6 Tankzüge) (1) W Ä R M E D O P P E LT NUTZEN Das bedeutet nicht nur, dass MINERGIE- und eco-Standards in den Bauvorhaben zur Anwendung kommen. Darüber hinaus fördern das Amt für Hoch- (ohne Gasbrennwertkessel, Mess-, Steuer- und Regelungstechnik) bauten und die Immobilien-Bewirtschaftung die Entwicklung und Erprobung Einsicht in die aktuellen Leistungsdaten: www.schulhauslimmat.ch neuer Technologien mit hohem Umweltnutzen. Das Schulhaus Limmat wird seit Januar 2006 mit Wärme aus Abwasser beheizt. In vier neuen Schulbauten des Hardau-Quartiers kommt Abgaswärme zum Einsatz. Impressum: Stadt Zürich, Amt für Hochbauten | Text: Daniel Kurz | Fotos: Visus GmbH, Zürich; Hannes Henz, Zürich | Gestaltungskonzept: blink design, Zürich | Layout: Andy Gulrich | Druck: LITHOP ELECTRONIC MEDIA AG, Zürich | Ausgabe: 2006 Bezugsquelle: Stadt Zürich, Amt für Hochbauten, Lindenhofstrasse 21, Postfach, 8021 Zürich, Telefon: 044 412 11 11, [email protected] W Ä R M E D O P P E LT N U T Z E N Z w e i P i l o t a n l a g e n z u r W ä rmerückgewinnung Anlage ist in einem belüfteten und zusätzlich gesicherten Gehäuse untergebracht. Mit einer Füllmenge von 21 kg Propan ist diese Anlage europaweit die grösste ihrer Art und erbringt den Beweis, dass dieses Gas auch in grösseren Anlagen das Kältemittel der Zukunft sein kann. Das Schulhaus Limmat (Gebrüder Pfister 1911). Foto Theodor Stalder Wärme aus dem Abwasserkanal Das 1909 erbaute Schulhaus Limmat im Stadtkreis 5 ist nicht nur ein historischer Bauzeuge ersten Ranges. Seit Januar 2006 zieht es auch technisch interessierte Besuchergruppen an. Denn seit diesem Datum wird die Wärme für Raumheizung und Warmwasser in dieser grossen Schulanlage (mit 34 Klassenzimmern) zu 85 Prozent über eine Wärmepumpe aus dem nahen Hauptkanal der städtischen Kanalisation gewonnen. Pro Jahr lassen sich dadurch rund 80 Tonnen Heizöl sparen. Eine rentable Investition für langfristig kalkulierende Eigentümer: Berechnungen ergaben 2004, dass sich die Anlage innert 20 Jahren amortisiert. Seither haben stark steigende Energiepreise die Rentabilität der Abwärmenutzung dramatisch verbessert und die Amortisationszeit halbiert. Bis 2004 verfügte die Schulanlage über eine Öl-/Gasheizung mit 970 kW Leistung. Da sie der Luftreinhalte- verordnung nicht mehr entsprach, wurde sie durch einen modulierenden Gaskessel mit 90 bis 480 kW Leistung ersetzt. Dieser Kessel ergänzt in der kältesten Zeit des Jahres, wenn der Wirkungsgrad abnimmt, die Wärme aus dem Abwasser: Das ist wesentlich wirtschaftlicher als eine 100 ProzentLösung. Direkt neben dem Schulhaus Limmat verläuft ein Hauptkanal der städtischen Kanalisation, der die Abwässer aus drei Stadtkreisen der Kläranlage zuführt. Der Kanal ist begehbar und führt das ganze Jahr über genügend Wasser, um die Wärmeversorgung der Schule zu gewährleisten. Am Grund des Abwasserkanals wurden Flachschalen aus hoch legiertem Chromstahl als Wärmetauscher eingebaut. Die dreissig Elemente besitzen eine Oberfläche von total 72 Quadratmetern. Die relativ grosse Fläche berücksichtigt die Erfahrung, dass die Elemente im Kanal unvermeidlich von einer so genannten ‚Sielhaut‘ überzogen werden: einem dünnen Belag aus Schlamm und Bakterien, der isolierend wirkt und den Wärmeaustausch behindert. Neue Wege ging das Amt für Hochbauten auch bei der Systemwahl für die Wärmepumpe: Halogenierte Kohlenwasserstoffe (FCKW), die herkömmlichen Kältemittel für solche Anlagen, kamen nicht in Frage, denn sie sind als hochaktive Treibhausgase bekannt und ihre Verwendung wird in nächster Zeit im EU-Raum nicht mehr erlaubt sein. Die Projektverantwortlichen entschieden sich im Schulhaus Limmat für das hervorragende und umweltneutrale Kältemittel Propan, das in serienmässig gebauten Komponenten verwendet werden kann, sofern sie die Sicherheitsvorschriften erfüllen. Das Problem: Austretendes Propangas kann mit der Umgebungsluft ein hoch explosives Gasgemisch bilden. Zusammen mit Experten der Gebäudeversicherung und der kantonalen Feuerpolizei wurde ein Ausweg gefunden: Die Für die Effizienz eine Wärmetauscheranlage sind die zu überwindenden Temperaturdifferenzen entscheidend: Je geringer der Unterschied, desto höher die Leistung. Das Kanalisationswasser besitzt eine Durchschnittstemperatur von 14 °C, das sind im Jahresdurchschnitt drei Grad mehr als die nahe Limmat, während der Heizperiode im Winter beträgt die Differenz sogar 10 °C. Die hohe Ausgangstemperatur erhöht den Wirkungsgrad der Wärmepumpe, die eine hohe Vorlauftemperatur von 65 °C erreichen muss: Die Jahresarbeitszahl beträgt 3.4, das heisst, dass der benötigte Strom eine vierfache Wärmemenge generiert. öffentlichen Fliessgewässer. Die höheren Investitionskosten werden aber durch die höhere Ausgangstemperatur des Abwassers aufgewogen: Sie bewirkt eine um 15 bis 20 Prozent höhere Leistungsszahl der Wärmepumpe und damit tiefere Betriebskosten. Vier Schulhäuser gratis heizen Die 1976 erbauten vier Türme der Hardau sind Zürichs höchste Hochhäuser; sie gehören zu einer städtischen Siedlung mit rund 1000 Wohnungen. Eine zentrale Heizungsanlage deckt den Wärmebedarf dieser Grosssiedlung von jährlich 16‘000 MWh. In den Jahren 2005 bis 2009 investiert die Stadt Zürich massiv in die Schul- und Sportanlagen im Hardau-Quartier: Die Berufswahlschule und die benachbarte Primarschule wurden erweitert, eine Sporthalle und ein neues Sekundarschulhaus stehen vor der Realisierung. Alle diese Bauten sollen den Minergie-Standard erfüllen. Dies setzt voraus, dass erneuerbare Energie oder Abwärme genutzt wird. Die vier neuen Schulbauten werden mit Abwärme versorgt, die aus den Abgasen von zwei Blockheizkraftwerken und einem Grossheizkessel in der Heizzentrale gewonnen wird. Die Primarschule Hardau (em2n Architekten 2004). Foto Hannes Henz Flachschalen im Abwasserkanal. Foto AHB Die Wärme-Rückgewinnungsanlage im Schulhaus Limmat ist auf 250 kW Wärmeleistung ausgelegt und kostete (ohne den Gaskessel) 840‘000.– Franken. Pro kW Leistung sind das 3‘360.– Franken Investitionssumme. Die Anlagekosten sind damit deutlich höher als im Fall einer Wärmegewinnung über Erdsonden oder aus einem auf 50 °C gekühlt und zur Kondensation gebracht: Die dabei frei werdende latente Wärme steht für die Heizung und Warmwasserversorgung der Schul- und Sportanlagen zur Verfügung. Ein 5000 Liter-Speicher überbrückt die Bedarfsschwankungen und ermöglicht auch jederzeit einen Notbetrieb direkt ab der Heizzentrale. Alle Verbraucher in den Schulhäusern sind auf maximal 40 °C Vorlauftemperatur ausgelegt (das Warmwasser wird durch Wärmepumpen nachgewärmt). Nachdem der Heizungsvorlauf seine Wärme an Radiatoren, Bodenheizungen und an den Verdampfer der Wärmepumpen abgegeben hat, kehrt der Rücklauf mit einer Temperatur von Heizzentrale Hardau. Foto Theodor Stalder Heizzentrale Schulhaus Limmat. Grün: Wärmepumpe. Foto Theodor Stalder Die Heizzentrale der Siedlung Hardau muss aus verschiedenen Gründen auch in Zukunft mit hohen Temperaturen betrieben werden. Die Abgase verlassen die Heizung mit einer Temperatur von 130 bis 160 °C − ein Energiepotenzial, das nun weitestgehend genutzt wird. Auf dem Dach der Energiezentrale wurden RauchgasRekuperatoren aufgestellt. In diesen Wärmetauschern werden die Abgase Rauchgas-Rekuperatoren. Foto Theodor Stalder 20 bis 30 °C zur Zentrale zurück. Die tiefen Temperaturen im System sind für den Erfolg der Anlage entscheidend, denn sie bringen kumulierte Vorteile: Die Kondensation in den Rekuperatoren (und damit ihr Wikungsgrad) ist maximal und die Wärmeverluste in den Transportleitungen bleiben gering. Die hohe Energieeffizienz dieser Anlage kommt in der Jahresarbeitszahl zum Ausdruck, die 8.5 beträgt. Konkret: mit dem Einsatz von 66 MWh (elektrischer) Endenergie werden 484 MWh nutzbare Energie verfügbar. Gewöhnliche Wärmepumpen erreichen nur halb so hohe Leistungszahlen (3.0 bis 4.0). Der Energiegewinn von 400 MWh aus der Rauchgasnutzung mag neben dem Wärmebedarf der Wohnsiedlung gering erscheinen (2,5 Prozent von 16‘000 MWh). Beachtlicher erscheint er angesichts der Tatsache, dass damit drei Schulen und eine Sporthalle rund ums Jahr mit Wärme versorgt werden können.
