Heizen mit Abwärme

Bei der Drucklufterzeugung steigt die Temperatur der vom Kompressor angesaugten Luft in Abhängigkeit von Druck und Volumen während des Verdichtungsvorgangs an. Um qualitativ hochwertige Druckluft zu erhalten, muß die anfallende Wärme abgeführt werden, damit die Druckluft mit einer möglichst geringen Temperaturdifferenz zwischen angesaugter und verdichteter Luft in das Netz bzw. in die nachgeordneten Druckluft-Aufbereitungskomponen-ten (z. B. Drucklufttrockner) eintreten kann.

Da heute allgemein Schraubenkompressoren mit Öleinspritzkühlung für die Erzeugung von Druckluft eingesetzt werden, nimmt dieses in den Verdichtungsraum eingespritzte Öl die Wärme der verdichteten Luft auf. Anschließend wird das Öl in einem Öl-/Wasserkühler zurückgekühlt. In der luftgekühlten Ausführung wird die für die Rückkühlung erforderliche Kühlluft entweder aus dem Kompressorraum oder – noch besser – von außerhalb des Kompressorraums angesaugt.

Nach dem Kühlen wird dann die erwärmte Kühlluft entweder durch einen Ventilator ins Freie geblasen – was allerdings die reinste Energieverschwendung wäre – oder aber man kann sie zum Heizen nutzen. Denn schließlich enthält diese warme Abluft ca. 96 % der dem Kompressor zugeführten elektrischen Energie. Nur ca. 4 % verbleiben als Restwärme in der Druckluft.

Wärmerückgewinnung lohnt sich um so mehr, je größer die installierten Verdichterleistungen sind. Daß sie sich aber auch schon bei kleineren Anlagen lohnen kann, zeigt die Tabelle 1. Es ist also sinnvoll, gleichzeitig mit der Investition in eine Kompressoranlage über Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung nachzudenken.

Das sich dadurch erhebliche Einsparungen ergeben können, zeigt das Beispiel der Firma Rauch Möbelwerke. Dabei handelt es sich zwar um Investitionen in beträchtlicher Größenordnung. Im Prinzip läßt sich das Konzept aber auch bei kleineren Anlagen in die Planung mit einbeziehen. Vor allem, wenn man bedenkt, daß die Investition in Wärmerückgewinnung durch ihre Langzeitwirkung zu erheblichen Einsparungen bei den Heizkosten führen kann.

Die Rauch Möbelwerke GmbH, Freudenberg bei Miltenberg, zählt mit 1800 Mitarbeitern, einer Produktionsfläche von mehr als 150 000 m² in fünf Werken und einem eigenen Spanplattenwerk zu den größten europäischen Möbelherstellern. Neben dem Werk I im Zentrum von Freudenberg entstand 1968 am Ortsrand das Werk III zunächst mit einer Hallenfläche von ca. 67 000 m². 1997 wurde eine weitere Halle mit einer zusätzlichen Fläche von ca. 17 000 m² errichtet. Beide Hallen verfügen über eigene Druckluftstationen mit Gesamtleistungen von 74 bzw. 46 m³/min. Sie arbeiten auf ein gemeinsames Netz und werden druckabhängig über eine zentrale Steuerung gefahren.

Für die neue Druckluftstation in der Erweiterungshalle hat Rauch drei luftgekühlte Schrau-benkompressoren mit Öleinspritzkühlung und Höchstdruck 9 bar des Herstellers CompAir Demag angeschafft (siehe Tabelle 2).

Beide Stationen – drei Verdichter der ,alten’ Station (zwei Schraubenverdichter, ein Kolbenverdichter) und die drei Anlagen der neuen Station – werden über die übergeordnete CompAir-Steuerung Delcos 6000 mit einer Druckdifferenz von nur 0,25 bar energiesparend und wirtschaftlich gefahren.

Die Druckluft der neuen Station tritt zunächst in einen Druckluftbehälter (Volumen 10 m³) und dann in einem reichlich dimensionierten Kältetrockner (Drucktaupunkt +3°C) ein. Über eine Filterbatterie wird sie in das Netz der neuen Halle eingespeist, das über eine Stichleitung mit dem Netz der alten Halle und damit auch mit der Station in der alten Halle verbunden ist. Zusätzliche Druckluftbehälter im weit verzweigten Netz stellen die erforderliche Zusatzreserve für kurzfristig erhöhten Bedarf einzelner Großverbraucher oder für Anlagen mit schnellen zyklischen Verbräuchen sicher.

Die Kapazität beider Stationen ist so ausgelegt, daß bei Ausfall des größten Verdichters (eine zweistufige Anlage in der alten Station mit einer Liefermenge von 33 m³/min) die Versorgung der Produktion sichergestellt ist. Allerdings werden dann nicht mit der Produktion verbundene Bedarfsfelder vom Netz genommen. Auch an extreme Notfälle haben die Planer gedacht: An beiden Stationen können über vorbereitete Anschlußleitungen externe – z. B. fahrbare – Verdichter angeschlossen werden.

Bei der neuen Druckluftstation sollten alle technischen Möglichkeiten der Energieeinsparung genutzt werden. „Wir fahren sie mit einer besonders energiesparenden Steuerung und nutzen die Verdichter-Abwärme vollständig bei der Heizung unserer neuen Halle“, erläutert Dipl.-Ing. (FH) Andreas Faulhaber, Leiter Werksanlagen und Betriebstechnik bei Rauch. Die neue Halle mit ihrer Grundfläche von ca. 17 000 m² wurde durch eine Mauer in zwei Abschnitte mit ca. 5000 bzw. 12 000 m² geteilt. Der kleinere Teil enthält auch die Anlieferungstore, die ganzjährig großenteils geöffnet sind. Die gesamte Halle wird über zehn Lüftungsgeräte auf dem Hallendach mit einer Kapazität von je ca. 17 000 m³ beheizt.

Dieses Konzept der Beheizung durch Wärmerückgewinnung ist für Außentemperaturen bis zu -12°C ausgelegt. Für Extremtemperaturen sind drei der zehn Lüftungsgeräte zusätzlich an das Kesselhaus angebunden.

Sieben Lüftungsgeräte sind an die Späneabsaugfilter angeschlossen und versorgen den größeren Teil der Halle (ca. 12 000 m²). Hier wird die Wärme der Filterrückluft im 100 % -igen Luftaustausch wiederverwendet.

Der kleinere Hallenabschnitt (ca. 5000 m²), mit seinem besonders intensiven Kälteübergang durch die überwiegend geöffneten Anlieferungstore, wird im Frühjahr und Herbst ausschließlich von der Abwärme der drei CompAir-Verdichter aus der neuen Kompressorstation beheizt. Lediglich im Winter und während längerer Arbeitspausen wie z. B. über Weihnachten wird dieser Hallenbereich zusätzlich mit Wärme vom Kesselhaus temperiert.

Die Verdichterabluft wird durch die Lüfter in den Lüftungsgeräten über Dach transportiert und hierbei durch die Restpressung innerhalb der Verdichtergehäuse unterstützt. Weitere Lüfter und damit weitere Kostenträger und Verschleißteile wurden deshalb nicht erforderlich.

Andreas Faulhaber sieht den Schwerpunkt der Abwärmenutzung von Oktober bis Mai. Im Sommer ließe sich die Abwärme zwar theoretisch in das Kesselhaus einspeisen, was wegen der beachtlichen Entfernungen jedoch unwirtschaftlich ist. Wenn die neue Station im Teillastbereich gefahren wird, leitet Rauch die mengenreduzierte Abwärme zur bestmöglichen Nutzung vorrangig in den Anlieferungsstrang im Bereich der Anlieferungstore ein. Dann wird der restliche Hallenbereich im Hallenumluftverfahren beheizt. Alternativ können auch die in diesem Hallenteil installierten weiteren zwei Lüftungsgeräte abgeschaltet werden.

Die gesamte Abluft aus dem Filtersystem wird bei Rauch zunächst in einen zentralen Abluftkanal geführt. Von hier aus kann sie in Abhängigkeit der aktuellen Abluftmenge der Kompressoren potentialfrei bedarfsabhängig in die drei der Druckluftabwärme primär vorbehaltenen Heizungskanäle über Dach eingeleitet werden. Da die Abwärme der CompAir-Verdichter vorrangig genutzt werden soll, fährt die neue Druckluft-Station im Winter bevorzugt unter Vollast. Die Zuluft tritt über Schallkulissen mit temperaturabhängig steuerbaren Zuluftklappen in den Kompressorraum ein. Im Winter wird sie durch automatische Umschaltung vortemperiert aus der benachbarten Produktionshalle entnommen.

Im Winter 1995/96 sind Heizkosten von 9,63 DM/m² entstanden, im Winter 1996/97 waren es 10,37 DM/m². Beide Werte galten ausschließlich für die damalige große Halle mit ihrer Grundfläche von 67 000 m², wobei die Erhöhung 1996/ 1997 niedrigere Außentemperaturen widerspiegelt. In der folgenden Saison 1997/ 1998 – allerdings mit einem milden Winter – sank dieser Betrag auf 8,15 DM, obwohl er sich jetzt auf die alte und die neue Halle mit einer Gesamtfläche von 84 000 m² bezog. Der Bedarf an leichtem Heizöl hat sich pro Arbeitstag von 3600 DM für die alte Halle mit 67 000 m², auf 3300 DM für die neue Gesamtfläche von 84 000 m² reduziert.

Ausgehend von diesen Zahlen wird sich das neue Konzept schnell amortisieren. Außerdem arbeitet diese Lösung mit Ausnahme der zehn Lüfter praktisch verschleißfrei.

Bei Schraubenkompressoren mit Öleinspritzkühlung bieten sich drei Möglichkeiten der Abwärmenutzung – allerdings mit unterschiedlichem Einspa-rungspotential:

• Wärmenutzung der erwärmten Kühlluft

• Wärmenutzung mittels Energie aus dem Ölkreislauf

• Wärmenutzung mittels Energie aus dem Kühlwasserkreislauf bei wassergekühlten Verdichtern.

CompAir Demag bietet für alle Konzepte detaillierte Berechnungsbeispiele, jeweils bezogen auf die Motorabgabe-leistung der installierten Verdichter.

Basis für die nachfolgenden Rechenbeispiele sind konstante, vorgegebene Werte: Motorabgabeleistung: 75 kW, Motorwirkungsgrad: 0,93. Gesamte Leistungsaufnahme: 75 kW: 0,93 = 80,65 kW, Heizstunden: 2000, Heizölpreis: 0,40 DM/l, Heizwert des Öles: 35,4 MJ/l = 9,87 kWh/l, Heizungswirkungsgrad: 0,7.

Die nutzbare Energie beträgt bei einer 75-kW-Maschine

• mittels erwärmter Kühlluft: 94 % der gesamten Leistungsaufnahme = 75,8 kW

• mittels Energie aus dem Ölkreislauf: 80 % der gesamten Leistungsaufnahme = 64,5 kW

• mittels Energie aus dem Kühlwasserkreislauf: 72 % der gesamten Leistungsaufnahme = 58,1 kW.

Es ergeben sich für die zwei bei Rauch installierten Verdichter, mit einer Antriebsleistung von je 75 kW für die drei technischen Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung, folgende Einsparpotentiale:

• erwärmte Kühlluft: 8777 DM je 75 kW-Maschine

• Energie aus dem Ölkreislauf: 7469 DM je 75 kW-Maschine

• Energie aus dem Kühlwasserkreislauf: 6727 DM je 75 kW-Maschine.

Mithin ergibt sich das höchste Einsparpotential bei der Nutzung der Abwärme, dem auch bei Rauch realisierten Konzept.

„Unser neues Konzept der Drucklufterzeugung mit angeschlossener Abwärmenutzung hat sich inzwischen hervorragend bewährt und zu beachtlichen Einsparpotentialen geführt. Es rechnet sich nach unseren bisherigen Erkenntnissen hervorragend. Deshalb werden wir auch für die ,alte’ Halle mit ihrer Grundfläche von 67000 m² ein entsprechendes Lösungskonzept realisieren, sobald dort eine umfangreichere Dachsanierung ansteht. Ebenso werden wir das Werk I im Ortskern von Freudenberg mit einer Produktionsfläche von 25 000 m² heizungs- und lüftungstechnisch überarbeiten und dabei das Abluftwärme-Konzept der neuen Halle im Werk III einsetzen“, prognostiziert Andreas Faulhaber. n