Heizen mit dem Kühlregal

Die Abwärme aus Kälteanlagen ist weit mehr als ein Abfallprodukt: Sie lässt sich wirtschaftlich sinnvoll direkt oder indirekt für Wärme benötigende Prozesse wie Heizung und Warmwassererzeugung nutzen...

Kälteanlagen sind einer der größten Energieverbraucher in jedem Supermarkt. Kein Wunder also, dass Unternehmen des LEH angesichts steigender Energiepreise und des harten Wettbewerbs innerhalb der Branche diesen Verbraucher in den Fokus nehmen, um ihn sowohl ökologisch als auch ökonomisch zu optimieren. Ziel vieler Unternehmen ist es, alle Komponenten der Gebäudetechnik möglichst effizient aufeinander abzustimmen – und oft rückt die Kälteanlage ins Zentrum eines solchen Konzepts. Ein möglichst geringer Energieverbrauch sowie ein klimaunschädliches Kältemittel sind wichtige Parameter, hinzu kommt als weiterer Punkt inzwischen immer häufiger die vom Kühlmöbel erzeugte Abwärme. „Unvermeidbare Abwärmemengen können wirtschaftlich sinnvoll direkt oder indirekt in Wärme benötigende Prozesse integriert werden, beispielsweise in Anlagen zur Raumheizung und Warmwassererzeugung“, heißt es bei der Deutschen Energieagentur (dena). Die Abwärmenutzung kann laut dena auf direktem Weg Energiekosten einsparen, da die Aufwendungen für Heizenergie sinken. Indirekt können demnach weitere Energiekosten eingespart werden, wenn sich durch die Nutzung der Abwärme der Kühlbedarf senken lasse. Die Renditen von solchen Abwärmenutzungsmaßnahmen seien in der Regel im zweistelligen Prozentbereich angesiedelt.

Schon die Abluft aus Räumen mit einer Temperatur von 15 bis 26 Grad lässt sich mithilfe von Luft/Wasser-Wärmepumpen zur Unterstützung der Heizung oder zur Warmwasserbereitung verwenden. Bei der Kälteerzeugung fällt häufig höher temperierte Abwärme an, die sich ebenfalls in die Haustechnik einbinden lässt – auch direkt: Wärmetauscher übertragen Wärme von einem warmen Medium auf ein kälteres, ohne dass sich beide Medien direkt berühren oder vermischen. Ein Beispiel für diese Abwärmenutzung auf vorhandenem Temperaturniveau ist bei einer Kälteanlage die Auskopplung des überhitzten Heizgases für eine Vorwärmung von Frischwasser oder für ein Heizsystem mit geringer Vorlauftemperatur. Bei einer solchen direkten Nutzung wird seitens der Kältemaschine kein zusätzlicher Energieaufwand benötigt, um die Abwärme zu nutzen – der Verflüssigungsdruck der Kältemaschine wird nicht mit energetischen Mehraufwand gezielt erhöht, um ein besser nutzbares Temperaturniveau der Abwärme zu erreichen, und es kommen keine zusätzlichen Wärmequellen zum Einsatz. Diese beiden Techniken lassen sich jedoch einsetzen, um Abwärme zu nutzen, die kein ausreichendes Temperaturniveau für eine direkte Nutzung hat. Die Abwärme wird dabei – allerdings mit zusätzlichem Energieeinsatz – von einem niedrigen auf ein höheres und damit besser nutzbares Temperaturniveau angehoben.

Die direkte Nutzung von Abwärme ist zwar laut dena oft die konstruktiv einfachste und kostengünstigste Variante. Die Gebäudetechnik von Supermärkten jedoch ist komplex, zumal wenn die Komponenten miteinander vernetzt sind – die erforderliche Warentemperatur des Kühlgutes hat höchste Priorität, gleichzeitig müssen die Einkaufsumgebung angenehm und alle Bereiche des Gebäudes versorgt sein. Wie ein solches ganzheitliches System aussehen kann, haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg in einem mehrjährigen Projekt entwickelt und mit Aldi Süd teilweise umgesetzt. Ziel des Projekts war die Senkung des Energieverbrauchs um 25 Prozent, ein Schwerpunkt des Konzepts liegt in der Kühlung: Alle Kühlstellen hängen dabei an einem zentralen Kälteverbund. Die Wärme wird nicht in den Raum abgeführt, sondern über eine dreistufige Rückkühlung abgeleitet. Im Winter gewinnt das System die Wärme über einen Wärmetauscher zurück und heizt damit den Verkaufsraum. Die Restwärme führt es über einen Gaskühler und ein Erdsondenfeld in die Umgebung ab. Dabei fließt das erwärmte Wasser über Sonden in die Erde, gibt die Wärme dort ab und wird kühl wieder zurückgeleitet. Da zum Heizen die Wärme verwendet wird, die als Abfallprodukt der Kühlanlagen entsteht, sind Gas- und Ölkessel überflüssig. Das Heizsystem hat auch Auswirkungen auf die Lüftungsanlage: Sie wird nicht mehr als Heizung gebraucht, sondern bringt ausschließlich frische Luft in den Raum, und ist daher um ein Drittel kleiner.

Bei dem ISE-Projekt löst der Kälteverbund steckerfertige Kühlmöbel ab. Energieverbrauch und Abwärme solcher Modelle sind jedoch sehr unterschiedlich. Einer Studie der Dr. Steinmaßl Managementberatung zufolge ist es beispielsweise möglich, aber nicht zwingend, dass steckerfertige Kühlmöbel aufgrund ihrer Abwärme den Einsatz von Teilklimaanlagen nötig machen – speziell bei energieoptimierten TK-Truhen sei die Abwärme gering. Auch Heiko Schulz bestätigt, dass es darauf ankomme, um welchen Bautyp es sich bei dem steckerfertigen Kühlmöbel handelt. Der International Sales Manager bei Liebherr-Hausgeräte im österreichischen Lienz beschreibt ein typisches Szenario: In einem Markt stehen 20 bis 30 steckerfertige, geschlossene Kühltruhen als Insel oder Reihe, jede Truhe hat ein Volumen von maximal 1000 Liter. „Bei einer solchen Anordnung liegt die Abwärmeleistung bei drei bis vier Kilowatt“, so Schulz. Diese geringe Abwärme zu nutzen ist aus seiner Sicht nicht attraktiv, zumal noch Umwandlungsverluste hinzu kämen. Bei offenen Systemen oder bei vertikalen Regalen liege die Abwärmeleistung allerdings höher.

Für Nils Kreuznacht, Bereichsleiter Technische Gebäudeausrüstung bei der STF Energy GmbH, ist die intelligente Planung des Wärmesystems der Schlüssel. Das Unternehmen ist für die Fachplanung eines zweiteiligen Wohn- und Geschäftshauses verantwortlich, das die Stroetmann GmbH & Co. KG gerade in Münster Hiltrup errichtet. Einen Teil des Gebäudes wird ein Edeka-Markt mit 1750 Quadratmeter Verkaufsfläche sowie Lagerflächen, Kühl- und Nebenräumen nutzen. Eine Verbund-Kälteanlage von Carrier soll die verschiedenen Verbraucher versorgen. Die Abwärme des Kälteverbundes – durch Enthitzung des gasförmigen Kältemittels mittels Wasser auf der Sekundärseite – wird zur Beheizung des Edeka-Marktes und der dazugehörigen Neben- und Sozialräume genutzt sowie für die zentrale Warmwasserbereitung der Verkaufstheke, der Vorbereitungsräume der Zonen Fleisch und Fisch sowie aller relevanten Nebenräume. Die Beheizung des Verkaufsraumes erfolgt über eine Lüftungsanlage, die Beheizung der Neben- und Sozialräume sowie der Lagerbereiche über statische Heizflächen und Lufterhitzer. „Durch die intelligente Planung des Wärmesystems, nämlich der Nutzung der Abwärme der Kältetechnik, wird der Energieverbrauch und damit auch die Energiekosten deutlich gesenkt“, saht Kreuznacht: „Gegenüber konventionellen Wärmeerzeugungsmethoden liegen die Einsparungen bei den Energiekosten bei ca. 30 Prozent und die CO2-Reduktion bei ca. 50 Prozent. Außerdem werden Investitionskosten in Anlagen für die Wärmeerzeugung reduziert.“

Ein besonders effizientes und energiesparendes System zur Warenkühlung, Klimatisierung und Beheizung des Marktes war auch die Vorgabe für den Hit-Ullrich-Markt in Berlin-Wilmersdorf. Der Markt befindet sich in einem alten Wohn- und Geschäftsgebäude, das für den Umbau komplett entkernt und um einen fünfstöckigen Neubau erweitert wurde. Bedientheke, Kühl- und Tiefkühlmöbel wurden an eine transkritische CO2-Anlage von Teko angeschlossen. Die Wärmeübertragung zur Beheizung des Marktes an das bauseitige Niedertemperatur-Heizsystem erfolgt mittels Plattenwärmeübertrager. Falls die Rückgewinnung aus den Kühlstellen der Normal- und Tiefkühlung nicht ausreicht, um das gewünschte Temperaturniveau im Markt zu erreichen, ist die Anlage mit einem Gaskühlerbypass und einer WP-Stufe mit luftbeaufschlagten Wärmeübertragern ausgestattet. Das macht eine zusätzliche Heizungsanlage überflüssig.

Ohne fossile Heizung kommt ebenfalls der XL-Markt von Petz Rewe im rheinland-pfälzischen Herdorf aus. Im Einsatz ist auch hier eine transkritische CO2-Kälteanlage, die Abwärme wird zur Beheizung der insgesamt 2100 Quadratmeter Fläche genutzt. Im Kälteverbund wurde eine zusätzliche Wärmepumpen- und Klimafunktion installiert, außerdem wurde Geothermie in den Kühl- und Heizprozess integriert. Die Klimatisierung des Marktes mit Kaltwasser erfolgt größtenteils über die bauseitig installierten Geothermie-Erdsonden, die Kaltwassererzeugung für das Lüftungsgerät zur Frischlufteinbringung über einen an die Kälteanlage angebundenen Plattenwärmeübertrager. Die Beheizung läuft über die Geothermie und die Abwärmenutzung der Kälteanlage, bei Bedarf greifen auch hier ein Gaskühlerbypass und eine integrierte WP-Stufe. Als Seco bei Petz Rewe das erste Mal eine Lösung mit Geothermie und Betonkernaktivierung umsetzte, fiel die Wahl der Unternehmen auf eine R134a/CO2-Kaskade. „Aufgrund der hierbei erzielten Energieeinsparung haben wir uns in Herdorf für eine transkritische CO2-Booster-Anlage mit Parallelverdichtung entschieden“, berichtet Rayk Pothmann von Seco. Das biete unter anderem die Chance, beide Projekte energetisch miteinander zu vergleichen. In einer ersten Auswertung für den Zeitraum von drei Monaten habe die CO2-Booster-Anlage effizientere Ergebnisse gezeigt. Aber Seco wolle beide Technologien natürlich noch weiter beobachten und auswerten.

Auch Kaufland setzt bei dem gerade entstehenden Standort in Bad Neustadt auf eine Integralanlage, die Klima- und Kältetechnik miteinander vernetzt und so gleichzeitig zum Heizen und Kühlen des Gebäudes dient. Zur Beheizung der Filiale wird in erster Linie die überschüssige Abwärme aus der vorhandenen Kälteanlage genutzt. Erst wenn die Außentemperaturen unter den Gefrierpunkt sinken, wird eine Luft-Wasser-Wärmepumpe hinzugeschaltet, auch eine Geothermieanlage ist integriert. Deren Sole-Wasser-Wärmepumpe erschließt jedoch nicht nur im Winter die in den tieferen Erdschichten gespeicherte Wärme, sondern unterstützt im Sommer die Raumkühlung, da sie kaltes Wasser für die Betonkernaktivierung und die Lüftungsanlage liefert. Durch die Kopplung von Heizungstechnik und Kälteanlage kommt Kaufland ohne einen konventionellen Heizkessel aus. Das Unternehmen rechnet daher mit niedrigeren Energiekosten, zudem entfalle ein separates Kältemittel für die Kühlung des Gebäudes.

Die Schweiz ist bei der Abwärmenutzung von Kälteanlagen Deutschland übrigens einen Schritt voraus. „Die Bauverordnung verlangt, dass im Gebäude anfallende Abwärmemengen zu nutzen sind“, erklärt Jakob Nussbaum von der Kältering AG. Das gelte insbesondere für die Abwärme aus der Kälteerzeugung. Zwar gibt es in der Verordnung die Einschränkung, dass die Nutzung der Abwärme nur vorgeschrieben ist, wenn die im Einzelfall wirtschaftlich ist. Wer diese Rentabilität in Frage stellt, muss das allerdings mit einem Ausnahmegesuch nachweisen.