Energieoptimierung im Quartier Freiham ermöglicht Anschluss von mehr Fernwärmekunden

Zum neuen Bildungscampus Freiham gehören eine Grund- und Förderschule (Bild), ein Gymnasium und eine Realschule sowie ein Zentrum mit Zweifachsporthalle und Mensa. (Bild: Ralf Dunker)

Die Energieeinsparungen im Bildungscampus Freiham sind beachtlich. „Gegenüber den Plandaten haben wir den Wärmeverbrauch etwa halbiert“, sagt Markus Falke, Mitarbeiter der Abteilung Hochbau/Energiemanagement im Baureferat der Landeshauptstadt München. Dank der Optimierung auf Basis eines kontinuierlichen Anlagen-Monitorings kommen die Schulgebäude und der benachbarte Sportpark statt mit 55 kWh/m² (Planwert) mit ungefähr 25 bis 30 kWh/m² aus, berichtet er. Sogenannte eXergiemaschinen stellen sicher, dass dieses Niveau auch unter schwierigen Betriebszuständen beibehalten wird, etwa bei einem hohen Anteil der Warmwasserzirkulation am Wärmebedarf oder bei hohem Warmwasserbedarf. Das senkt die Wärmekosten und entlastet das Geothermie-Fernwärmenetz.

Schulcampus Freiham für bis zu 3000 Schüler:innen ausgelegt

Der Bildungscampus Freiham wurde im Herbst 2019 eröffnet und ist das bislang größte Schulbauprojekt in München. Da das weiterhin im Bau befindliche Quartier Freiham später 25000 Menschen Wohnraum bieten soll, ist das Schulzentrum mit Grund- und Förderschule, Gymnasium und Realschule für bis zu 3000 Schüler und Schülerinnen konzipiert. Der benachbarte Sportpark inklusive seines Schwimmbads wurde im Jahr 2020 eingeweiht.

Beheizt werden die Objekte mit Fernwärme aus dem zehn Jahre jungen Geothermie-Heizwerk Freiham. Um mit der aus 2500 Meter Tiefe geförderten, 90 Grad heißen Erdwärme möglichst viele Wärmekunden bedienen zu können, wurde in Freiham ein Niedertemperaturnetz mit einer flexiblen Vorlauftemperatur von maximal 70 °C umgesetzt; im Sommer fällt die Temperatur oft auf 60 °C. Entsprechend gering sollte die Rücklauftemperatur ausfallen; gewünscht sind unter 35 °C, denn: „Je größer die Temperaturspreizung zwischen dem Vor- und dem Rücklauf ist, desto mehr Energie kann das Netz bereitstellen“, erläutert Falke.

Fernwärme-Rücklauftemperatur von maximal 35 °C angestrebt

Vor allem im Sommer, wenn in den Schul- und Sportgebäuden nur Warmwasser – und das auch nur tagsüber – benötigt wird, ist eine niedrige Rücklauftemperatur alles andere als selbstverständlich. Denn zugunsten der Hygiene hält eine Warmwasserzirkulation die Leitungen auf etwa 60 °C. Die damit einhergehenden Wärmeverluste müssen durch Nachheizen ausgeglichen werden. Doch der Verlust beim Zirkulationsbetrieb ist so gering, dass der Warmwasserrücklauf nur wenige Grad kühler ist als der Vorlauf. Die angestrebten 35 °C oder weniger im Fernwärmerücklauf zu unterschreiten, ist insbesondere in den Nachtstunden oder in den Sommerferien daher kaum möglich – außer man sorgt stets für eine ideale Temperaturspreizung in den Wärmeanlagen. Genau das machen die eXergiemaschinen, die varmeco und der Schweizer Partner BMS-Energietechnik entwickelt haben.

Die Geothermie-Anlage in Freiham bezieht etwa 90 °C heißes Wasser aus 2500 m Tiefe und stellt Wärme in einem höchst effizienten Niedertemperatur-Netz für Gebäude im wachsenden Stadtquartier Freiham bereit (Bild: Ralf Dunker)

eXergiemaschine stellt die ideale Temperaturschichtung her

„Die eXergiemaschine ist eine spezielle elektrische Wärmepumpe, mit der wir die Temperaturschichtung im Wärmesystem optimieren können“, erklärt Robert Müller. Er ist ein Planer und Bauleiter aus Schwindegg, den die Stadt für das Projekt einbezogen hat. In dem Schulcampus und im Sportpark sind die Maschinen zusammen mit je einem Niedertemperatur(NT)-Speicher und einem Hochtemperatur(HT)-Speicher installiert. Die eXergiemaschine erfüllt dabei eine Doppelfunktion: Einerseits ist sie ein Temperatur-Booster und lädt den HT-Speicher bzw. den Vorlauf zu Verbrauchern auf. Dadurch ist ein Nachladen mit Fernwärme seltener nötig und bei geringen Fernwärmetemperaturen dient die eXergiemaschine als Nacherhitzer. Dabei nutzt sie bevorzugt selbsterzeugten PV-Strom, was die Wirtschaftlichkeit zusätzlich steigert. Andererseits kühlt sie den Rücklauf zur Fernwärme-Übergabestation, der unten am NT-Speicher angeschlossen ist. Aufgrund getrennt regelbarer Pumpen lassen sich die Heiz- und Kühlwirkung der eXergiemaschine gradgenau vorgeben. „Bei dieser Geothermie-Anwendung ist das Unterschreiten von 35 Grad beim Rücklauf ein wichtiges Kriterium“, so Planer Müller. „Ist der Rücklauf zu warm, springt die eXergiemaschine an.“

Drei-Wege-Ventile optimieren die Energieflüsse

Zugunsten bestmöglicher Energieflüsse hat Planer Müller jeweils vor und nach den Heizspeichern Drei-Wege-Ventile vorgesehen. Beim Rücklauf von den Verbrauchern sorgen Drei-Wege-Ventile für ein optimales, von der Temperatur abhängiges Einspeisen in das Speichersystem. Am Vorlauf zu dem Warmwassernetz dient das Drei-Wege-Ventil als Mischer, um die Einspeisetemperatur konstant zu halten. So kann die eXergiemaschine den HT-Speicher bei hoher Leistung der lokalen PV-Anlage zum Beispiel auf über 70 °C laden und den Überschussstrom sinnvoll nutzen; das Drei-Wege-Ventil mischt die Temperatur passend für das Trinkwarmwassernetz herunter.

eXergiemaschinen ermöglichen mehr Anschlüsse ans Geothermie-Wärmenetz

Insgesamt acht eXergiemaschinen mit einer thermischen Leistung von jeweils 20 kW werden nach Abschluss der Nachrüstung in Freihamer Schulen und im Sportpark arbeiten: eine im Bildungscampus, zwei weitere an anderen Schulen und fünf im Sportcampus. Eine Investition, die sich lohnt, denn so lassen sich nicht nur die Anschlussbedingungen des Fernwärmenetzes einhalten, sondern auch der Fernwärmeverbrauch senken. Außerdem wird die Trinkwarmwasserhygiene verbessert.

Klimaschutz, der sich rechnet

Von Nutzen sind die eXergiemaschinen nicht nur für die Stadt München als Betreiberin des Bildungscampus und Sportparks in Freiham. Auch für den Fernwärmeanbieter, die Stadtwerke München, entsteht ein Vorteil. Dank des stets kühlen Rücklaufs können Netzkapazitäten besser genutzt und mehr Fernwärmekunden angeschlossen werden. So entsteht eine Win-win-Situation mit hoher Klimaschutzwirkung.