Ein Neubauprojekt ist eng mit der Bewilligung von Fördergeldern verknüpft. Warum Simulationssoftware im Zusammenspiel mit der Nutzung von Erdwärme unverzichtbar ist.
Die Ingenieurplanungsgesellschaft (IPG) Wohlrab, Landeck & Cie. erstellt „Baukonzepte für die Zukunft“. Von der Grundlagenermittlung bis zur Objektüberwachung und -betreuung übernimmt IPG alle Leistungen der HOAI für Neubauten, Umbauten, Modernisierungen, Instandhaltungen und Instandsetzungen. Dabei verfolgen die Ingenieure immer ein Ziel: Qualität, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit in Einklang zu bringen – was mitunter nicht trivial zu realisieren ist.
Dies gilt insbesondere für das Thema nachhaltiges Bauen. Dieses ist aus der Neubaupraxis faktisch nicht mehr wegzudenken, aber die dafür notwendigen Investitionen haben horrende Höhen erreicht. Ganz abgesehen davon, dass es an Unternehmen mangelt, die solche Lösungen zeitnah umsetzen können. Darüber hinaus locken zwar Fördergelder, doch um diese zu erhalten, muss die Eignung des Bauvorhabens sehr detailliert nachgewiesen werden. Kurz: Um zu einem für alle Seiten erfreulichen und belastbaren Ergebnis zu kommen, setzt die IPG auf Polysun. Damit schafft das Unternehmen valide Informationen und bewahrt die Bauherren vor unliebsamen Überraschungen.
Herausforderung
Im Fokus der Simulation stand der Neubau eines Quartiers und im konkreten Verlauf der Bau von drei Mehrfamilienhäusern als erster Bauabschnitt. Diese sollen regenerativ versorgt werden, um Fördermittel in Anspruch nehmen zu können – eine unabdingbare Grundvoraussetzung für das Vorhaben. Hierzu fanden geologische Voruntersuchungen statt, bei denen für die Häuser Erdwärmesonden zur Deckung der Heizlast favorisiert worden waren. Ausgehend von diesen Sonden sollte dann ein kaltes Nahwärmenetz realisiert werden. Im Detail: Die geplanten Erdwärmesonden dienen als zentrale Wärmequelle mit einer jeweiligen Bohrtiefe von 99 Metern, der maximal zulässigen Tiefe.
Der Abstand der Sonden zueinander sollte sieben Meter betragen, die Versorgung der drei Gebäude war über ein zentrales Nahwärmenetz auf niedrigem Temperaturniveau (kalte Nahwärme) geplant. Zusätzlich war die Installation von dezentralen Wärmepumpen in den einzelnen Gebäuden für die Raumheizung mittels Fußbodenheizung und für die Trinkwassererwärmung als Frischwasserstation vorgesehen. „Eine besondere Herausforderung bei dieser Planung war, dass der Platz für die einzelnen Sonden von vornherein begrenzt war. Dies mussten wir stets berücksichtigen, so dass diese Simulation vor allem den Charakter einer fundierten Machbarkeitsstudie mit sehr unterschiedlichen Varianten hatte“, so Adrian Gebhard, als Ingenieur für IPG tätig.
Lösung
Nachdem in enger Zusammenarbeit mit den geologischen Teams erste Probebohrungen durchgeführt wurden, simulierte der Ingenieur mit Polysun erste Varianten. Im Zuge dieser Arbeiten stellte Adrian Gebhard schnell fest, „dass die geplanten 20 Sonden nicht ausreichen werden, um den jährlichen Heizenergiebedarf vollständig zu decken.“ Aus dieser ersten Vorvariante ergab sich sofort eine weitere wichtige Frage: Wie kann der jährliche Heizenergiebedarf für alle drei Gebäude trotzdem gedeckt werden? Außerdem ist beim Einsatz von Sonden folgendes wichtig: Werden sie dicht verlegt, kühlt das Erdreich im Laufe der Jahre allmählich aus. Dieser Abkühlung kann entgegengewirkt werden, indem das Erdreich in den Sommermonaten mit der Wärme regeneriert wird, die bei der aktiven Kühlung der zugehörigen Gebäude anfällt. Dies wurde in der weiteren Simulation berücksichtigt. Je höher die Anzahl der Sonden, desto intensiver muss der Regenerationsaufwand sein, was sich wiederum in den Kosten niederschlägt.
Ergebnis
„Wir konnten mit Polysun unzählige Varianten durchspielen, so dass wir sehr früh konkrete Klarheit hatten, was bei diesem Neubauprojekt möglich ist und was nicht. Gerade angesichts der engen Vorgaben bezüglich der Fördermittel eine unverzichtbare Entscheidungshilfe. Ohne die Simulation wäre das nicht möglich gewesen“, beschreibt Experte Gebhard das Ergebnis.
Zum Beispiel wurde die Regeneration der Sonden durch eine solarthermische Anlage in Form von Vakuumröhren untersucht. Hier zeigte die Simulation aber schnell, dass die Kosten den gesetzten Budgetrahmen übersteigen würden. Auch eine andere Variante – Flachkollektoren statt Vakuumröhren – bewegte sich außerhalb des möglichen Kostenrahmens.
Fazit: Die Ertragsleistung der Erdwärmesonden ist aufgrund der behördlichen Vorgaben zur maximal zulässigen Wärmeentzugsleistung sehr begrenzt. Eine ausschließliche Versorgung der Liegenschaft über lediglich 20 Erdwärmesonden ohne zusätzliche Regeneration des Sondenfeldes ist ebenso wenig möglich wie eine Regeneration allein über passive Kühlung.
Hier müssen solarthermische Kollektoren eingesetzt oder alternativ die Anzahl der Sonden verdoppelt werden. „All diese präzisen Ergebnisse der Machbarkeitsstudie sind nur durch das Zusammenspiel von geologischer Untersuchung und Simulation möglich geworden. Ohne die Software wären wir dazu sicher nicht in der Lage gewesen“, resümiert Adrian Gebhard.
Adrian Gebhard
Ingenieur bei IPG Wohlrab, Landeck & Cie.
„Wir konnten mit Polysun unzählige Varianten durchspielen, so dass wir sehr früh konkrete Klarheit hatten, was bei diesem Neubauprojekt möglich ist und was nicht. Gerade angesichts der engen Vorgaben bezüglich der Fördermittel eine unverzichtbare Entscheidungshilfe. Ohne die Simulation wäre das nicht möglich gewesen.“
Für ein Seewasserwerk stellte sich die Frage, wie die Wärmebereitstellung in Zukunft sinnvoll erfolgen kann. Dazu wurde das Ingenieurbüro EPRO beauftragt. Das Ergebnis überzeugt!
Im Seewasserwerk Ipsach wird die anfallende Abwärme sinnvoll genutzt. Ermöglicht hat dies EPRO ENGINEERING auf der Basis einer transparenten Entscheidungsgrundlage. Anhand von simulierten Energieflüssen für Bedarf und Erzeugung zeigt das Ingenieurbüro die technischen Möglichkeiten transparent auf und schlägt ökologische Lösungen vor, die wirtschaftlich und kostensparend umgesetzt werden können. Hierzu liefert Polysun, die Simulationssoftware von Vela Solaris, die notwendigen Ergebnisse für die Anlagensimulation.
EPRO Engineering mit Hauptsitz in Gümligen, Schweiz, ist spezialisiert auf die Planung und Umsetzung von ganzheitlichen, nachhaltigen Lösungen für Heizung, Lüftung, Klima, Kälte, Sanitär, Elektro, Gebäudeautomation und Bauklimatik. Der Fachbereich Nachhaltiges Bauen integriert alle „klassischen“ Gewerke der Gebäudetechnik zu einem Ganzen und überzeugt mit durchdachten Lösungen. Das Wissen der rund 50 Mitarbeitenden wird je nach Projekt geschickt verknüpft. Der Einsatz moderner Arbeitsmittel ist dabei zentral und die Simulationssoftware Polysun ein Schlüssel zu einer gesamtheitlichen Betrachtung. So konnte eine überzeugende Lösung für die Planung der Energieversorgung gefunden werden.
EPRO Engineering überzeugt mit Transparenz in der Planung
Das neue Seewasserwerk in Ipsach produziert zukünftig Trinkwasser für 70.000 Personen in der Region Biel/Nidau im Schweizer Kanton Bern. Das bestehende (alte) Seewasserwerk hat nach fast 50 Jahren seinen Dienst getan und wird durch ein neues ersetzt, um den gestiegenen Anforderungen an eine moderne Wasserversorgung gerecht zu werden. Für das Seewasserwerk am Bielersee stellte sich die Frage, wie die Wärmeversorgung in Zukunft sinnvoll erfolgen kann. Dazu wurde das Ingenieurbüro EPRO beauftragt, das für die Planung und Umsetzung der Gewerke HLKS und GA verantwortlich ist.
Abbildung 1 — Das Seewasserwerk in Ipsach liefert Trinkwasser für 70.000 Personen in der Region Biel, im Schweizer Kanton Bern
Eine zentrale Anforderung an die zukünftige Energieversorgung ist, dass die Abwärme der bestehenden Notstrom- und Ozonisierungsanlagen genutzt wird, um den Wärmebedarf für Raum- und Hallenheizung, Brauchwarmwasser und für industrielle Prozesse auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zu decken. Zwei alte Seewasserbecken stehen zur Speicherung der thermischen Energie zur Verfügung.
In der ersten Phase der Planung analysierte EPRO gemeinsam mit dem Kunden die Bezugsprofile im Jahresverlauf, um eine realistische Einschätzung zu erhalten. Im nächsten Schritt erfolgte eine Abschätzung des Wärmeeintrags durch die Notstrom- und Ozonisierungsanlagen über das gesamte Jahr hinweg. In einem dritten Schritt wurden die Wärmeverbraucher und -quellen in der Simulationssoftware Polysun detailliert dargestellt. Dabei wurden auch die thermischen Großspeicher sowie der Einsatz einer 150 kW Wärmepumpe als Backup-System in einer umfassenden Gesamtbetrachtung berücksichtigt.
Abbildung 2: Abbildung der Basisvariante in Polysun zur Definition des Optimierungspotentials
Die Analyse der in Polysun erstellten Basisvariante zeigte verschiedene Optimierungsmöglichkeiten auf:
Zusätzliche Verbraucher können eingebunden werden, da die Wärmeeinträge deutlich die -austräge übersteigen.
Das Brauchwarmwasser sollte idealerweise mit einem Wärmepumpen-Boiler bereitgestellt werden.
Die Dimensionierung der Wärmepumpe kann reduziert werden.
Auch bei der Dimensionierung der Speicher gibt es Potential.
In der nächsten Phase hat EPRO die Optimierungsmöglichkeiten – wiederum in Polysun – simuliert, die Planungsgrundlagen im Detail überprüft und für eine Sensitivitätsbetrachtung aufbereitet, damit selbst bei sehr konservativen Annahmen bei der Abwärme eine zuverlässige Energieversorgung sichergestellt ist.
Das Optimum finden: Mit Simulation Transparenz schaffen
Im weiteren Projektverlauf wurde das Optimierungspotential durch EPRO gemeinsam mit dem Projektteam sukzessive erschlossen. Weitere Wärmebezieher wurden in die Energieversorgung eingebunden. So wurde die ursprünglich geplante elektrische Temperaturhaltung der Notstromanlagen auf eine thermische Temperaturhaltung umgestellt und eine Beheizung der Werkstatt vorgesehen.
Für den Wärmeeintrag der Ozonierungsanlage wurde in einer Sensitivitätsbetrachtung ein konservatives Szenario hinterlegt. Der so gestiegene Nutzenergiebedarf von 150 % und gesunkene Wärmeeintrag von 63 % wurde im Polysun-Modell aktualisiert hinterlegt und die simulierte Anlage deutlich verkleinert – nur ein statt zwei Speicher und Wärmepumpe mit einer Leistung von 50 kW anstatt 150 kW. Die Simulation zeigte, dass die Energieversorgung auch mit der redimensionierten Anlagengröße ganzjährig zuverlässig sichergestellt werden kann. Der zweite Speicher wird dabei eine Redundanzfunktion übernehmen.
Die Lösung überzeugt ökologisch und ökonomisch
Der Einsatz von Simulation in der Planung führt dazu, dass die Energieversorgung des Seewasserwerks in Ipsach nun deutlich effizienter gestaltet werden kann:
Die Abwärmenutzung konnte um 150 % gesteigert werden
Die Wärmepumpenleistung konnte um 66 % reduziert werden
Bei dem Speichervolumen konnte ein Einsparpotential von rund 30 % aufgezeigt werden.
So schont dies auch das Budget mit substanziell tieferen Investitions- und Betriebskosten.
Abbildung 3: Systemübersicht des Seewasserwerks in Ipsach
Moritz Zwahlen
Bereichsleiter Nachhaltiges Bauen, EPRO ENGINEERING und Vorstands- und Gründungsmitglied des Vereins „Gebäudesimulation Schweiz
„Ich war erstaunt, wie einfach die Anlagensimulation in Polysun aufgebaut werden kann. Die Ergebnisse sind zuverlässig und überzeugend. Der Einsatz einer Simulationssoftware in der Planung ist für EPRO ENGINEERING der Schlüssel zu einer ganzheitlichen Betrachtung und zu nachhaltigen Lösungen.“
Florian Dill
Simulationsspezialist bei EPRO
“ Ich habe mich sehr schnell in die Software Polysun einarbeiten und die gewünschten Simulationsmodelle aufbauen können. Dabei wurde ich durch das Team von Vela Solaris im Rahmen einer Einführungsschulung und bei kurzen Rückfragen sehr schnell und kompetent unterstützt.“
Einfacher Standards realisieren, Kontrollierbarkeit und Vergleichbarkeit der Projekte ermöglichen.
GETEC ist ein führender Partner der Industrie und der Immobilienwirtschaft für intelligente, effiziente und grüne Energielösungen in Europa. Das Versprechen „We have the energy for more“ ist die Richtschnur für über 2.400 Mitarbeiter, die mit exzellentem Engineering-Know-how, herausragender Regelungskompetenz, hoher Handlungsgeschwindigkeit und ausgewiesener Nachhaltigkeitsexpertise die Kunden durch eine immer komplexere Energiewelt navigieren und dabei ihren ökologischen Fußabdruck reduzieren. Mit 11.500 Anlagen, die mehr als 5,4 GW thermische Energie erzeugen, ist GETEC von ihren vier regionalen Plattformen in Deutschland, der Schweiz, den Niederlanden und Italien aus in insgesamt neun Ländern aktiv und erwirtschaftet im Jahr 2022 einen Umsatz von 1,6 Milliarden Euro.
Die Herausforderung
In erster Linie sollte Polysun bei dem Tochterunternehmen GETEC Wärme und Effizienz GmbH einen wichtigen Veränderungsprozess anstoßen. Die GETEC Wärme und Effizienz entwickelt nachhaltige Energiekonzepte und ist spezialisiert auf Projekte der Immobilienwirtschaft. Dazu gehören Wohnhäuser ab einer bestimmten Größe, ganze Quartiere, Krankenhäuser und Einkaufszentren. „Bekanntermaßen wird es immer komplexer, unseren Kunden passende Lösungen anbieten zu können“, so Volkmar Börner, der für die Softwareauswahl zuständige Manager der GETEC. Um bei Projekten dieser Größenordnung stets den Überblick zu behalten, merkte das europaweit tätige Unternehmen schnell, dass Excel-Tabellen nicht das Mittel der Wahl sind.
„Als Energiedienstleister muss unsere Kalkulation natürlich absolut verlässlich sein: Wie viel Strom aus dem Erzeugersystem geht in die Wärmepumpe; wie viel nutzt der Kunde direkt? Wie viel davon wird ins Netz eingespeist? Wie verhält es sich im Zusammenspiel mit der Photovoltaikanlage? Teilweise entstehen sehr komplexe Schaltungen, die wir mit hoher Genauigkeit abbilden müssen. Deshalb war für uns klar: Tabellenkalkulation hat ausgedient. Ein adäquates Planungstool musste her“, so der Fachmann.
Die konkrete Frage, die sich die Verantwortlichen der GETEC stellten, lautete deshalb: „Sollen wir individuell programmieren lassen oder besser direkt eine passende Software einkaufen?
Uns war allerdings klar, dass wir für eine Individualsoftware gut und gerne zwei Jahre Entwicklungszeit einplanen müssten. Darüber hinaus ist der Aufwand der Pflege der Softwarelösung im laufenden Prozess nicht zu unterschätzen“, so Börner.
Die Lösung
Aus diesen Gründen startete GETEC einen mehrstufigen Softwareauswahlprozess mit verschiedenen Softwareanbietern, aus dem Polysun als Tool der Wahl hervorging. Überzeugt haben den Energiekonzern vor allem die grafischen Darstellungsmöglichkeiten, die vielen Variablen, die damit durchgespielt werden können, und letztlich die große Funktionsvielfalt. Börner dazu: „Polysun hat beispielsweise im Bereich Hydraulik einen klaren ersten Platz vor allen Mitbewerbern erreicht, so können Regelstrategien besser dargestellt werden.“
Innerhalb der GETEC Wärme und Effizienz GmbH wird Polysun nun abteilungsübergreifend eingesetzt, um verschiedene Varianten der Strom- und Wärmeversorgung zu simulieren und zu planen und um diese dann mit anderen Abteilungen in einen Abstimmungsprozess zu geben. Eine dedizierte Arbeitsgruppe tauscht sich dabei zu der optimalen Abbildung der GETEC-Standardhydrauliken in Polysun aus und baut die interne Expertise stetig aus. „Dabei erstellen die Kolleginnen und Kollegen umfassende Simulationsvarianten, die sie anschließend mit den verschiedenen Abteilungen abstimmen und in diesem Prozess auch ein für uns alle sehr wertvolles Feedback erhalten. Diese internen Anpassungsmöglichkeiten der Software Polysun schätzen wir sehr“, so Volkmar Börner.
Das Ergebnis
So kurios es klingen mag: Die positiven Folgen des Softwareeinsatzes begannen bereits vor der konkreten Nutzung der Softwarelösung. Michael Blümel, Projektingenieur der GETEC Wärme & Effizienz GmbH klärt auf: „Diese Vorgehensweise hilft uns sehr, eine einheitliche Projektsimulation und -planung zu ermöglichen.“ Das bedeutet: Der erste konkrete Mehrwert von Polysun ist es, dass innerhalb der GETEC also ein einheitliches Tool für die Kolleginnen und Kollegen existiert, das Standards schafft, sowie eine deutliche Kontrollierbarkeit und Vergleichbarkeit der Projekte ermöglicht.
Volkmar Börner
Technisches Produktmanagement, GETEC
«Polysun hat im Bereich Hydraulik einen klaren ersten Platz vor allen Mitbewerbern erreicht, so können Regelstrategien besser dargestellt werden.»
GETEC Wärme und Effizienz GmbH, eine Tochter der G+E GETEC Holding GmbH, mit 50 Standorten in neun Ländern Europas
Branche
Energiedienstleistungsunternehmen in einer Konzernstruktur mit einer Vielzahl von Gesellschaften, die ein breites Portfolio an Energiedienstleistungen im liberalisierten Energiemarkt anbieten
Herausforderungen
Stark diversifiziertes Konzernportfolio muss sich an dynamische Marktbedingungen anpassen können (mehr erneuerbare Energien, Sektorenkopplung)
Planung mit Tabellenkalkulation nicht ausreichend
Einheitlichkeit der Planung im Ist-Zustand gefährdet
Ergebnis mit Software Polysun
Einheitliche Planung im Segment Immobilien
Innovative Nutzung der Software (Expertenrunden mit eigenen Standards)
