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Abwasserwärmenutzung an der Grundschule im Aischbach, Tübingen
demo-best_tuebingen Adresse: Sindelfinger Straße 1, 72070 Tübingen
Bauherr und
Antragsteller:
Fachbereich 8 - Hochbau und Gebäudewirtschaft
der Universitätsstadt Tübingen
Ansprechpartner: Wilfried Kannenberg,
Technischer Geschäftsführer der Stadtwerke Tübingen

 

 

Projektbeschreibung

 

Allgemeine Daten
b01_foto_eingangsbereich
Eingangsbereich der Grundschule - Südseite

 

Projektadresse Grundschule im Aischbach
Sindelfinger Straße 1
72070 Tübingen
Deutschland
Baujahr 1971
Sanierung 2008/2009
Anzahl der Schüler / Lehrer 181 Schüler
20 Lehrer
Anzahl der Klassenzimmer 8 Klassenzimmer,
8 weitere Räume
Standard-Klassenzimmer 70 m²

 

Beheizte Nettogrundfläche
(EBF - Energiebezugsfläche)
2.774 m²
Hauptnutzfläche
1.425 m²
A/V 0,52 1/m

Projektübersicht

Im Zuge der 2008 gestarteten Klimaschutzkampagne "Tübingen macht blau" hat die Stadt Tübingen es sich zur Aufgabe gemacht, eine effizientere Nutzung herkömmlicher wie auch die Erschließung alternativer Energiequellen voranzutreiben. Aus diesem Grund wurde für das Sanierungsprojekt "Grundschule im Aischbach" eine Potenzialstudie beauftragt, um die Möglichkeiten der Nutzung von Abwasserwärme im Stadtgebiet Tübingen zu erfassen.
Resultierend aus der positiven Einschätzung zur Nutzbarmachung dieses Potenzials, wurde mit der anstehenden Sanierung das Pilotprojekt zur Wärmegewinnung aus Abwasser im Jahr 2008 gestartet [1].


Umgesetzte Maßnahmen

- Vollwärmeschutz der Fassaden; Dämmung: 16 cm Mineralwolle
- Neuer Dachaufbau mit Gefälledämmung 22 bis 28 cm
- Erneuerung sämtlicher Fenster durch Holz/Alu-Rahmen-Fenster mit Dreifach-Wärmeschutzverglasung
- Erneuerung aller Außentüren, auch hier mit Dreifach-Wärmeschutzverglasung
- Verschließen alter Oberlichter ohne dadurch den Anteil der künstlichen Beleuchtung zu erhöhen
- Austausch alter Oberlichter durch dreischalige Lichtkuppeln
- Ersatz der beiden alten Gas-Heizkessel durch zwei Gasabsorptionswärmepumpen (je 40 kW) mit vorgeschalteter Abwasserwärmenutzung als Wärmequelle und einem Erdgas-Spitzenlastkessel als außentemperaturgeführte Anlage inkl. 3.000-Liter-Pufferspeicher.
- Einbau von Hocheffizienz-Umwälzpumpen in die Heizanlage
- Absenkung der Vorlauftemperaturen von ursprünglich 90 °C auf max. 60 °C (Spreizung je 20 °C)
- Installation von Einzelraumregelungen für die Heizkörper in den Klassenräumen und feststellbare Thermostatventile in den Flur- und Funktionsbereichen
- Touch-Screen Regelungstableau zur optimalen Nutzungsanpassung durch das Hausmeisterpersonal
- Montage einer Photovoltaik-Anlage mit einer Leistung von 78 kWp

 

Lage

b02_lage_tuebingen
Standort der Schule in Deutschland
Breitengrad 48,53 °N
Längengrad 9,05 °O
Höhenlage 341 m über NN
Mittlere Jahrestemperatur 6,4 °C
Mittlere Wintertemperatur (Oktober - April) 1,8 °C
Klimabeschreibung / Referenzstation Klimazone TRY: 6
Bad Marienberg

 

Gebäudetyp / Baujahr
Gebäudetyp Baujahr
vor 1910 1910-1930 1930-1950 1950-1970 1970-1990 nach 1990
Dorfschule X
Mehrgeschossige
Schule
Mittelflur-Schule
Seitenflur-Schule
Pavillon-Schule
Hallen-Schule
Zentral-Schule
Kammform-Schule
Offenes-Konzept-Schule
Cluster-Schule

 

Gebäude
b03_lageplan
Lageplan der Grundschule

 

 

Die Grundschule im Aischbach liegt zentral in der Weststadt Tübingens auf einem kleinen Grünstreifen in der Übergangszone zwischen einem Mischgebiet und einem Wohngebiet.
Verschattet wird die Schule durch die komplexe Form ihres Baukörpers und den dicht angrenzenden Baumbestand.
b04_grundriss-EG
Erdgeschossgrundriss des Schulgebäudes

Gebäudehüllflächen

Das Gebäude wurde 1971 aus Betonfertigteilen mit 4 cm Kerndämmung, innen und außen Sichtbeton gefertigt (U-Wert: 0,79 W/m²K). Die Holzfenster waren einfachverglast (U-Wert: 3,3 W/m²K) und im Brüstungsbereich mit ca. 5 cm Holzpaneelen gedämmt. Das Dach wurde als Stahlbetonrippendecke mit Flachdachdämmung und Kiesschüttung erstellt.



Anlagentechnik, Beleuchtung

Vor der Sanierung wurde die Schule durch zwei konventionelle Erdgaskessel beheizt. Die Belüftung der Klassenräume erfolgte über Schwingfenster. Lediglich die WC- und Sanitärräume verfügten über eine Abluftanlage.
In den Klassenzimmern waren Langfeldleuchten und in den Fluren Leuchtstoffröhren installiert.

 

Energieeinsparung

 

Konzept

Das Schulgebäude der Grundschule im Aischbach wurde im Zuge des kommunalen Klimaschutzprogramms "Tübingen macht blau" so saniert, dass der Energieverbrauch deutlich reduziert und die CO2-Bilanz verbessert wurde.Die Durchführung der energetischen Sanierung des Gebäudes ging mit der Einrichtung der Pilotanlage zur Wärmegewinnung aus Abwässern einher. Dafür ist die Lage der Schule besonders günstig, da die Hauptsammler der Tübinger Kanalisation auf der Nordseite des Schulgeländes verlaufen und somit die Soll-Werte der Potenzialstudie erreicht werden konnten. In dem Feldtest der Tübinger "Lokalen Agenda 21" wurden die an den Abwasserwärmetauscher gekoppelten Gas-Absorptionswärmepumpen der Anlage hinsichtlich der erreichten Energieeinsparung bewertet.
.



b05_grundprinzip
Grundprinzip der Abwasser-Wärmegewinnung

 

Abwasser bietet eine gute Basis um Wärmetauscher zum Einsatz zu bringen, da es im Winter eine Durchschnittstemperatur von etwa 10 °C aufweist und sich im Sommer meist nicht über 20 °C erwärmt. Mit speziellen Wärmetauschern, die direkt an der Kanalsohle installiert werden, kann dem Abwasser Wärme entzogen und über eine Wärmepumpe dem Gesamtsystem der Heizanlage beigesteuert werden.
Die Technik zur Abwasser-Wärmegewinnung kann entweder nachträglich in den vorhandenen Kanal über die Schächte eingesetzt oder bei einer Sanierung des Kanalabschnittes schon direkt in die neu eingebrachten Kanalrohre integriert sein.


Gebäudehüllflächen

 

Die Gebäudehülle erhielt einen vollflächigen Wärmeschutz durch ein Wärmeverbundsystem. Der Dachaufbau wurde erneuert und eine Gefälledämmung eingesetzt. Sämtliche Fenster und Außentüren erhielten eine Dreifach-Wärmeschutzverglasung, die Oberlichter im Dachbereich wurden durch dreischalige Lichtkuppeln ersetzt.

Zusammenstellung der U-Werte der Gebäudehüllflächen
Bauteil U-Wert
[W/m²K]
Beschreibung
Außenwand 0,19 Wärmedämmverbundsystem, 16 cm, WLG 035
Fenster 1,10 3-fach-Wärmeschutzverglasung
mit Holz-Aluminium-Rahmen
Außentüren 0,90 3-fach-Wärmeschutzverglasung
Dach 0,14 Flachdach mit Gefälledämmung, 22 - 28 cm, WLG 035
Boden nicht saniert

Heizung / Lüftung / Beleuchtung

 

b06_ausgeruestetes-kanalrohr
Mit den Wärmetauschern ausgrüstetes
Kanalrohr

b07_waermetauscherelement
Wärmetauscher-Element

Die Anlage zur Abwasser-Wärmegewinnung ist so konzipiert, dass für die Beheizung der Schule mit dem Wärmetauscher und der Wärmepumpenanlage jährlich etwa 80 % der benötigten Heizenergie aus den Abwässern der umliegenden Gebäude gewonnen werden.

b08_funktionsprinzip
Funktionsprinzip des Abwasser-Wärmetauschers

Mit der Kombination aus zwei Gas-Absorptionswärmepumpen und einem Erdgaskessel werden neben dem Schulgebäude auch die angrenzende Turnhalle und die benachbarte Kindertagesstätte beheizt. Der Erdgaskessel dient der Abdeckung der Spitzenlasten, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpen erhöht wird.
Das alte Heizungsverteilsystem bleibt bestehen, allerdings wird es mit einer geringeren Vorlauftemperatur von 55 °C betrieben.

b09_heizanlagenschema
Schema der Heizanlage


Nach dem Austausch der Kesselanlagen und der Reduzierung der Systemtemperaturen wurden nutzerabhängige Raumtemperaturregelungen vorgesehen.
Die Klassenräume erhielten elektronisch gesteuerte Einzelraumregelungen, während die Thermostatventile in den Fluren und Funktionsbereichen auf einen Sollwert von 18 festgestellt wurden.

Die Lüftung der Klassenräume erfolgt weiterhin manuell per Fensterlüftung und kann mittels CO2-Wächtern kontrolliert werden. In den Sanitärräumen sind Abluftanlagen installiert.

Die Beleuchtung in den Klassenräumen und in den Fluren wurde optimiert unter Ausnutzung des bestehenden Angebots an der Versorgung mit Tageslicht.

 

Energieverbrauch

 

Durch die energetischen Sanierungsmaßnahmen wurde der Verbrauch an fossilen Energieträgern und der CO2-Ausstoß mit der neuen Kombinations-Heizanlage auf etwa ein Drittel der Verbrauchswerte vor der Sanierung gesenkt werden.

 

Gesamte und spezifische, auf die beheizte Nettogrundfläche bezogene, Energieverbrauchswerte vor und nach der Sanierung [6]
Energieverbrauch
[MWh]
Vor der
Sanierung
(2008)
Nach der
Sanierung
(2010)
Wärme 384 122
Strom 37 44
Energieverbrauch
[kWh/m²a]
Vor der
Sanierung
(2008)
Nach der
Sanierung
(2010)
Heizung Endenergie 140,1 44,4
Primärenergie 154,1 48,9
Strom Endenergie 13,6 16,1
Primärenergie 35,3 41,8

 

Kosten

 

Aufteilung der technischen Baukosten [2]

Investitionskosten / Bauteil EUR
Abwasserwärmetauscher
Gasabsorptionswärmepumpen
215.000
Gas-Spitzenlastkessel 36.000
Wärmeleitung 35.000

Aufteilung nach Kostengruppen der Gesamtbaukosten und der spezifischen, auf die beheizte Nettogrundfläche bezogenen Baukosten [2]

Position Baukosten
[EUR] [EUR/m²]
Baukonstruktion - KG 300 1.729.120 623
Technische Anlagen - KG 400 376.497 136

 

 

Zusammenfassung

 

Die Auswertung der Daten aus der Tübinger Pilotanlage zur Wärmegewinnung aus Abwasser macht deutlich, wo auch für andere Kommunen ein bislang ungenutzes Potenzial zur Erreichung hoch gesteckter Klimaziele liegen könnte. Allerdings zeigt das Beispiel der Grundschule im Aischbach auch, dass derartige Anlagen erst ab einer gewissen Größe wirtschaftlich zu betreiben sind. Deshalb bedarf es noch weiterer Projekte mit deren Erfahrungen und Ergebnisse die eingesetzte Anlagentechnik weiterhin verbessert werden kann. Auch in einer vom Bundesland Nordrhein-Westfalen beauftragten Studie zur Abwasser-Wärmegewinnung wurde darauf hingewiesen, dass diese Form der Energiegewinnung noch in der Entwicklung steckt, zukünftig jedoch jedes zehnte Gebäude mit aus dem Abwasser gewonnener Wärme versorgt werden könnte.
Ebenso ist zu bedenken, dass im Sommer bei meist konstanten Abwassertemperaturen von ca. 20 °C der Prozess der Wärmegewinnung auch umgekehrt zur Kühlung von Räumen verwendet werden könnte.

 

Empfehlungen
-

Erweiterung des Wirkungsbereichs um die Wirtschaftlichkeit der Anlage zu erhöhen

-

Messtechnische Datenerfassung und Einregulierung der notwendigen technischen Parameter

- Gebäude mit durch energetische Maßnahmen verringertem Energiebedarf harmonieren besser mit den Anlagenkomponenten der Abwasserwärmenutzung

 

Zusätzliche Informationen

Literatur, Quellenangaben
[1] Klinger, Horst; Butz, Jan: Potenzialstudie Abwasserwärmenutzung im Stadtgebiet von Tübingen, Erläuterungsbericht
[2] Klinger, Horst; Butz, Jan: Machbarkeitsstudie Abwasserwärmenutzung Aischbachschule Tübingen, Erläuterungsbericht
[3] Kannenberg, Wilfried: Energie (Wärme) aus Abwasser, Pilotprojekt Schulzentrum Aischbachschule Tübingen, PPT-Präsentation
[4] Müller, Ernst A.: Heizen mit Abwasser - neuer Markt für Contracting, Artikel in Impulse 1/2010
[5] Kannenberg, Wilfried: Lieferung von umweltfreundlicher Heizwärme - mit Contracting, PPT-Präsentation, 2010
[6] Energiebericht 2010 der Stadtwerke Tübingen

 

Projektpartner

Architektur Klaus Sonnenmoser, Freier Architekt BDA B.A.U., Tübingen - www.sonnenmoser.eu ,
Mitarbeit: Abdulalim Yildiz, freier Architekt, Tübingen - www.architekt-yildiz.de
Bauphysik und Anlagentechnik - Institut für Sozial- und Umweltforschung, Dr. Kleinmann GmbH, Weiskirch - www.isuf.de
- Plangruppe Emhardt, Möglingen - www.plangruppe-emhardt.de
Messprogramm Klinger und Partner, Ingenieurbüro für Bauwesen und Umwelttechnik GmbH, Stuttgart- www.klinger-partner.de
Förderung Gefördert als Pilotprojekt durch das Wirtschaftsministerium des Landes Baden-Württemberg

 

Links

Fachinformationen über Kläranlagen und Kanalisationsthemen:
pfeil-rechts_blau www.klaerwerk.info

Informationen der Stadtwerke Tübingen GmbH:
pfeil-rechts_blau www.swtue.de

 

 

Abbildungsnachweis

Foto im Datenkopf – aus [1], Stadtwerke Tübingen

 

Foto Eingangsbereich – entnommen der Website: www.architekt-yildiz.de/projekte, (19-11-2012)

 

Lageplan, Erdgeschoss-Grundriss, Schema Heizanlage und Foto Abwasserkanal – aus [3 und 5] Präsentationen Wilfried Kannenberg

 

Schema Grundprinzip der Abwasserwärmegewinnung – aus Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit - Untersuchung der Voraussetzungen für Projekte zur Wärmerückgewinnung aus dem Abwasser, Dezember 2010, Seite 7; Quelle: EnergieSchweiz für Infrastrukturanlagen, 2009

 

Foto Wärmetauscher-Element – entnommen der Website www.klinger-partner.de/projekte-abwasserwärme, (19-11-2012)

 

Schema Funktionsprinzip des Abwasser-Wärmetauschers – aus TüWelt, Kundenmagazin der Stadtwerke Tübingen GmbH, September 2009, Seite 6

 

 

 

 

 
© 2013
Fraunhofer-Institut für Bauphysik