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16 Projektierung von Beleuchtungsanlagen

Basis für die Innenraumbeleuchtung von Arbeitsstätten bilden die Daten und Vorga-ben der Norm DIN EN 12 464-1; für die Beleuchtung von Arbeitsstätten im Freien giltDIN EN 12 464-2 und für Räume mit Bildschirmarbeitsplätzen DIN 5035-7 (Beleuch-tung mit künstlichem Licht; Teil 7: Beleuchtung von Räumen mit Bildschirmarbeits-plätzen). Des Weiteren bestehen besondere Normen und/oder Richtlinien z.B. für Mehr-zweckhallen und für die Straßenbeleuchtung.

Bei der Planung einer Beleuchtungsanlage kommt es allgemein auf folgende Gestal-tungs- und Gütemerkmale an:

Lichtfarbe, Farbwiedergabe und die Wahl eines geeigneten Lampentyps,das Vermeiden von Blendung durch die Wahl des geeigneten Leuchtentyps,Festlegen des Wartungswertes der Beleuchtungsstärke,die ausgewogene Leuchtdichteverteilung im Raum,die Ermittlung der erforderlichen Lampen- und Leuchtenzahl,die Berücksichtigung einer geeigneten Lichtrichtung durch die Anordnung der Leuch-ten im Raum sowie unter Berücksichtigung des Einfalls von Tageslicht,die Vermeidung stroboskopischer Effekte infolge Lichtflimmern.

Die Schwerpunkte der Aussagen nachfolgender Abschnitte betreffen die Innenraum-beleuchtung von Arbeitsstätten.

16.1 Lichtfarbe, Farbwiedergabe und die Wahl des geeignetenLampentyps

a) Zur Lichtfarbe enthält DIN EN 12 464-1 wenig konkrete Aussagen, da die «rich-tige» Lichtfarbe eher eine Frage der persönlichen Einstellung und des Geschmacks ist.Für spezielle Räume oder Tätigkeiten, z.B. für die medizinische Betreuung, zur Textil-herstellung und -verarbeitung, zum Kunststopfen, für die Farbprüfung und -kontrol-le, zur Bearbeitung von Holz, Keramik, Fliesen, Glaswaren, Edelsteinen, Lederwaren undÄhnlichem, wird jedoch eine Beleuchtung mit einer Farbtemperatur T $ 4000 K (nwoder tw) gefordert.

Untersuchungen über den zweckmäßigen Einsatz weißer Lichtfarben führteA.A. KRUITHOF im Zusammenhang mit L-Lampen bereits im Jahr 1941 durch. Bild16.1 zeigt dazu ein entsprechendes Diagramm. Fällt die jeweilige Farbtemperatur-Beleuchtungsstärke-Kombination einer Beleuchtungsanlage in den rot unterlegtenBereich, wird das Licht von vielen Menschen als angenehm bewertet. Generell kanndaraus geschlossen werden, dass eine tageslichtartige Lichtfarbe (T $ 5000 K) erst beihöheren Beleuchtungsstärken als angenehm empfunden wird. Bei niedriger Beleuch-tungsstärke (z.B. 200 lx) wird tageslichtweiß (tw) meist als «kalt» und die beleuchtete

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Bel

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Folkerts, Hausgeräte-, Beleuchtungs- und Klimatechnik: Vogel Buchverlag: ISBN 978-3-8343-3067-3

1750 2500 3000 4000 5000 10000K

twtageslichtweiß

nwneutralweiß

wwwarmweiß

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50000

Farbtemperatur T

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euch

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E

behaglich

Bereich nichtuntersucht

Empfindung:Kalt/Fahl

Bild 16.1Behaglichkeitskurvenach KRUITHOF.Behaglichkeitsbereichder BeleuchtungsstärkeE in Abhängigkeit vonder Farbtemperatur Tdes Lichtes

Umgebung dann als «fahl» (bleich, ohne Farbe) eingestuft (schraffierter Bereich unter-halb des «Behaglichkeitsfeldes»). Der obere schraffierte Bereich war seinerzeit nichtnäher untersucht worden. Er wird heute eher als unproblematisch betrachtet. Die Farb-temperatur wird jedoch mit steigender Beleuchtungsstärke von einem Betrachter i.d.R.höher, also tageslichtähnlicher empfunden, als es ihrem tatsächlichen Wert entspricht.

Zum Einsatz der Lichtfarben ww, nw und tw im gewerblichen Bereich lassen sichfolgende allgemeine Empfehlungen angeben:

Sollen künstliches Licht und Tageslicht (Außenlicht) miteinander gemischt werden,sind Lampen mit der Lichtfarbe tw (eventuell nw) zu bevorzugen.Die Lichtfarbe ww ist bei Beleuchtungsstärken unter 300 lx die bessere Wahl.Die Lichtfarbe ww sollte bevorzugt in Räumen eingesetzt werden, die der Entspan-nung dienen. Sie ist auch geeignet für den Einsatz in Verkaufsräumen der Textil-und Bekleidungsbranche sowie für Empfangs- und Sitzungsräume.Für Beleuchtungsstärken zwischen 300 lx…1000 lx ist die Lichtfarbe nw meistproblemlos einsetzbar.

Diese Hinweise gelten allerdings nicht europaweit. Verkaufsstatistiken für L-Lampenzeigen, dass in wärmeren Klimazonen (z.B. Italien) Lampen der Lichtfarbe tw unterpraktisch allen Bedingungen bevorzugt werden. In den meisten Ländern Skandi-naviens wird dagegen die Lichtfarbe ww eindeutig bevorzugt. In Finnland allerdings,das ein mehr kontinentales Klima aufweist, werden L-Lampen in etwa so wie bei unsin Deutschland eingesetzt.

b) Zur Farbwiedergabeeigenschaft sagt DIN EN 12 464-1 aus, dass Lampen mit einemFarbwiedergabeindex Ra < 80 in Räumen, in denen Menschen längere Zeit arbeiten

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oder sich aufhalten, nicht mehr eingesetzt werden sollen. In Tabelle 13.2 sind den aus-gewählten Bereichen entsprechende Mindestgrößen des Ra-Wertes zugeordnet. Die Ra-Werte für weitere Bereiche sind DIN EN 12 464-1 zu entnehmen. Die Forderung nachguter Farbwiedergabe der Beleuchtungsanlage am Arbeitsplatz ist nicht allein mit derZumutbarkeit für den dort tätigen Menschen begründet. Auch die Sicherheitsfarben(Kennzeichnung der Not-Aus-Taster an Maschinen, allgemeine Sicherheitsschilder, dieFluchtweg-Beschilderung usw.) müssen leicht und zweifelsfrei erkennbar sein.

c) Wahl des geeigneten Lampentyps: Für den Einsatz in Arbeitsstätten werden allge-mein stabförmige L-Lampen bevorzugt. Die Kombination aus Nutzbrenndauer, Licht-ausbeute und Beschaffungskosten bilden bei diesem Lampentyp eine höchst ökonomi-sche Kombination im Vergleich mit anderen Lampentypen. Außerdem sind L-Lampenmit unterschiedlich weißen Lichtfarben (ww, nw, tw) sowie guten bis sehr gutenFarbwiedergabeeigenschaften (Ra $ 80) erhältlich. Bei größeren Raumhöhen (etwaüber h = 6 m) sollten aber auch punktförmigere Lichtquellen wie Quecksilberdampf-Hochdrucklampen, Halogen-Metalldampflampen, eventuell Halogen-Glühlampen, inBetracht gezogen werden. Der Lichtstrom punktförmigerer Quellen lässt sich geziel-ter bündeln und damit aus größerer Höhe leichter auf die Nutzebene lenken.

Punktförmigere Lichtquellen können als Akzentbeleuchtung auch eine L-Lampen-Allgemeinbeleuchtung wirkungsvoll ergänzen. Als Beispiel sei eine Empfangshalleangeführt, die mit L-Lampen der Lichtfarbe ww (z.B. Typen 827, 830 oder 930) aus-geleuchtet wird. In einer solchen Halle könnten Blumenkübel oder andere Blickfängeran verschiedenen Punkten aufgestellt werden, die von punktförmigeren Lampen mitbeispielsweise tageslichtweißer Lichtfarbe angestrahlt werden.

In den vergangenen Jahren wurden vermehrt Kompakt-Leuchtstofflampen, insbeson-dere innerhalb repräsentativer Räume, eingesetzt. Die angebotenen Leuchten zu die-sem Lampentyp sind deutlich kompakter als die für stabförmige T8-L-Lampen und er-gänzen dadurch die Raumdekoration vorteilhaft. Der Energieverbrauch ist allerdingsum etwa 15…20% höher als der von stabförmigen T8-Lampen bei vergleichbaremLichtstrom. Deshalb scheint die sinnvollere Lösung der vermehrte Einsatz stabförmi-gerer T5-L-Lampen zu sein. Hierfür wird bereits eine große Zahl optisch sehr anspre-chender kompakter Leuchten angeboten, und der Energieverbrauch dieses Lampen-typs ist im Vergleich zu T8-L-Lampen nochmals reduziert.

16.2 Vermeiden von Blendung durch die Wahldes geeigneten Leuchtentyps

Die Leuchten-Grundtypen sind in Kapitel 14 ausführlich beschrieben. In der Praxis er-folgt die Auswahl anhand der Herstellerkataloge. Eine Vorentscheidung ist bereits ge-troffen, sobald die Lampenart (z.B. L-Lampe) festgelegt wurde. Die einzig richtigeLeuchte für die Allgemeinbeleuchtung eines bestimmten Arbeitsbereiches gibt esnicht. Bei der Leuchtenauswahl sind Wirtschaftlichkeit, Raumästhetik und persönli-

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cher Geschmacks des Auftraggebers in Einklang zu bringen. Allgemeine Auswahlre-geln lauten etwa:

In Arbeitsräumen mit geringer Höhe, in denen auch sperrige Gegenstände verar-beitet und/oder transportiert werden, sind Deckeneinbau- oder -unterbauleuchtenaus Sicherheitsgründen zu bevorzugen.In Werkstätten und ähnlichen Bereichen ohne Bildschirmarbeitsplätze (BAP) sindWannenleuchten mit einer LVK Typ B (vorwiegend direkt strahlend) durchaussinnvoll. Die lichtdurchlässigen Seitenflächen leiten das Licht auch an die Deckeund schaffen somit ein Lichtklima, das meist als «natürlich» empfunden wird(auch in der Natur ist tagsüber der Himmel beleuchtet).Generell dominieren in Arbeitsräumen Leuchten vom Typ A (direkt strahlend).In Räumen mit BAP, bei denen die Bildschirmarbeit eine Tätigkeit unter mehreren ist,sind Leuchten mit einem Ausstrahlungswinkel γ # 60° bzw. 65° und einer Leucht-dichtebegrenzung L # 1000 cd/m2 im Bereich der seitlichen Dunkelzone zweckmäßig.Wenn Monitore mit geringer Entspiegelung eingesetzt sind (Bildschirm-GüteklasseIII oder bei fehlender Güteklassenangabe) kommen Leuchten mit einer Leucht-dichte L # 200 cd/m2 oberhalb des Ausstrahlungswinkels γ # 60° bzw. 65° in Be-tracht. In diesem Fall sollte jedoch auch geprüft werden, ob es vielleicht wirt-schaftlicher ist, anstelle der Anschaffung dieser teureren Leuchten die PC-Monitore zu ersetzen.In Räumen, in denen die Bildschirmarbeit die eigentliche Aufgabe ist, kommenBAP-Leuchten (γ # 50° bzw. 55° und L # 200 cd/m2) in Betracht.In Räumen mit h > 2,5 m und BAP haben sich Leuchten vom Typ C (direkt/indi-rekt strahlend, z.B. BAP-Leuchten mit seitlicher Abschirmung auf L # 200 cd/m2)und ca. 0,55 m langer Pendelaufhängung bewährt.Bei Raumhöhen h $ 3 m und BAP sind auch Leuchten vom Typ E (indirekt strah-lend) vorteilhaft einsetzbar.

Nach dieser Vorentscheidung für einen bestimmten Leuchtentyp ist der unter den vor-gesehenen Raumbedingungen und der Leuchtenanordnung im Raum in Betrachtkommende UGR-Wert der Leuchte zu bestimmen. Dieser ist anschließend mit demhöchstzulässigen UGRL-Wert nach DIN EN 12 464-1 bzw. Tabelle 13.2 (innerhalbdieses Buches) zu vergleichen.

16.3 Festlegen des Wartungswertes der Beleuchtungsstärke

Die für einige Arbeitsstätten geltenden Wartungswerte der Beleuchtungsstärke sind Tabelle13.2 zu entnehmen. Eine umfangreichere Auswahl für Arbeitsstätten in Innenräumen ent-hält die Norm DIN EN 12 464-1. Der Wartungswert geht in die Berechnungsformeln zurBestimmung der erforderlichen Lampen- und Leuchtenzahl für die Allgemeinbeleuchtungeines Raumes ein. Einzelheiten dazu werden in Abschnitt 16.5 behandelt.

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16.4 Ausgewogene Leuchtdichteverteilung im Raum

Gute Sehbedingungen am Arbeitsplatz verringern die Unfallgefahr, die Fehlerhäufig-keit und damit auch den Arbeitsstress. Die Sehleistung eines Menschen wird nicht al-lein durch die Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche beeinflusst. Die Leuchtdichte-verteilung am Arbeitsplatz und der den Arbeitsplatz umgebenden reflektierenden Flä-chen haben einen maßgeblichen Anteil. Zu geringe Leuchtdichteunterschiede erschwe-ren beispielsweise das Erkennen von Details an Werkstücken oder führen zum Ver-wechseln von Münzen an Kassenarbeitsplätzen. Zu hohe Leuchtdichten oder zu großeLeuchtdichteunterschiede dagegen verursachen Blendung. Eine «ausgewogene» Leucht-dichteverteilung am Arbeitsplatz zu erreichen ist damit ein höchst ökonomisches Ziel.

Gute Sehbedingungen werden am Arbeitsplatz beispielsweise erreicht, wenn dieLeuchtdichte des jeweiligen Werkstücks etwa 3-mal so groß ist wie die der unmittel-baren Arbeitszone. Weiter muss dafür gesorgt werden, dass Leuchtdichteunterschiedeim erweiterten Sichtbereich eines Arbeitsplatzes das Verhältnis 10 : 1 nicht überstei-gen (Bild 16.2). Wie schon in Abschnitt 13.4 beschrieben, treten hohe Leuchtdichtenggf. an den Lichtaustrittsflächen von Leuchten und an Fensterflächen auf. Kritischsind Fensterflächen mit großflächigem Ausblick auf den freien Himmel oder auf einehelle Gebäudefassade. Geeignete Vorhänge oder Jalousien mit einem auf die jeweiligeInnenwand abgestimmten Reflexionsgrad bieten hier die angemessene Lösung.

Da Leuchtdichtemessungen in der Praxis gewisse Probleme bereiten (siehe Abschnitt13.4), wird in DIN EN 12 464-1 anstelle von Leuchtdichtewerten ersatzweise die Ein-haltung entsprechender Reflexionsgrade bzw. Reflexionsgradbereiche für die die Ar-beit umgebenden Flächen empfohlen. Die Einhaltung dieser Reflexionsgrade gewähr-

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Günstig :Helligkeitsunterschied

ca. 3 : 1

Günstig:Helligkeitsunterschied

10 : 1#

Bild 16.2 Ausgewogene Leuchtdichteverteilung (Helligkeitsunterschiede) im Arbeitsbereich

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25 Wärmepumpen

25.1 Arbeitsweise einer Wärmepumpe

Im Allgemeinen kann Wärme nur von Medien hoher Temperatur auf Medien mitniedriger Temperatur übertragen werden (Bild 25.1).

Dazu findet man im täglichen Leben genügend Beispiele:

der 70 °C warme Heizkörper gibt Wärme an die 20 °C warme Raumluft ab.Die Kochplatte ist stets heißer als der Kochtopf bzw. das Kochgut.Der Transistor leitet seine Wärme über den etwas kühleren Kühlkörper an dienoch kühlere Umgebung ab.

Eine Wärmepumpe ist jedoch in der Lage, einem Medium mit geringer TemperaturWärmeenergie zu entziehen und diese einem Medium mit höherer Temperatur zuzu-führen.

Während der Vorgang in Bild 25.1 selbsttätig verläuft, muss für den Transport derWärme in Bild 25.2 zusätzlich Energie aufgebracht werden. Im Allgemeinen handeltes sich dabei um elektrische Energie.

Es gibt aber auch Wärmepumpen, die mit Verbrennungsmotoren betriebenwerden.

Der beschriebene Vorgang ist vom Kühlschrank her bekannt. Dort steht allerdingsim Vordergrund die Kühlung der Speisen (Wärmeentzug), und die geringfügige Er-wärmung der Raumluft wurde meist als lästige Nebenerscheinung angesehen.

Der Wärmepumpenkreislauf besteht im Wesentlichen aus den in Bild 25.3 gezeigtenBauteilen. Eine genaue Funktionsbeschreibung des Kältemittelkreislaufs befindet sichin Abschnitt 4.1.

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Bild 25.1 Wärmeleitung vom Medium mit hoher Temperatur zu Stoffen niedriger Temperatur

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Bild 25.2Wärmepumpe pumptWärmeenergie auf einhöheres Temperaturniveau

Bild 25.3 Funktionsprinzip und Kreisprozess in einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe [Terra Therm]

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25.2 Wärmepumpenarten

Luft-Wasser-WärmepumpeVorteile: Die Außenluft ist als Wärmequelle überall und in unbegrenzter Menge ver-

fügbar. Es fallen nur geringe Kosten für die Installation an.Nachteile: Es entsteht eine hohe Geräuschentwicklung durch Lüftergeräusche.

Die Wärmequelle hat nur eine geringe Temperatur, wenn im Wintereine hohe Heizleistung benötigt wird. Bei sehr gut gedämmten Gebäu-den ist trotz der dann geringen Arbeitszahlen ein wirtschaftlicher Be-trieb möglich.

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1. Wärmequelle 2. WärmeabgabeWarmwasserheizungbevorzugt als Niedertemperatur-heizung, z.B. Fußbodenheizungmit einer Vorlauftemperatur vonmax. 45 °C, aber auch Radia-torenheizung mit einer Vorlauf-temperatur bis max. 60 °C.

WarmluftheizungDie erwärmte Luft wird überKanäle direkt den Räumenzugeführt.

Wasserkreislaufa) Grundwasserb) Sole, die ein Rohr durch-

fließt, das 1,20–1,50 m tiefim Erdreich verlegt ist

c) Flusswasserd) Abwasser

Wasser -Wasser-Wärmepumpe(Bild 25.5)

Wasser Luft- Wärmepumpe(nicht gebräuchlich)

Lufta) Außenluftb) Abluft

Luft- Wasser-Wärmepumpe(Bild 25.4)

Luft - Lut Wärmepumpe

-Luft-

-Luft--Wasser-

-Wasser-

Bild 25.4Innerhalb einesGebäudes aufgestellteKompakt-Luft-Wasser-Wärmepumpe mitPufferspeicher und Zu-und Abluftschlauch fürdie Außenluftzu- und-abführung[Stiebel Eltron]

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Wasser-Wasser-WärmepumpeVorteil: Man hat eine gleichmäßige Temperatur der Wärmequelle, deshalb ist ein

wirtschaftlicher Betrieb (monovalent) bei allen Außentemperaturen möglich.

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Bild 25.5Wasser-Wasser-Wärmepumpeim geöffneten Zustand

Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Bild 25.6 Wasser-Wasser-Wärmepumpe mit Förder- und Schluckbrunnen sowieFußbodenheizung [Siemens]

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26 Kraft-Wärme-Kopplung

Der Begriff Kraft-Wärme-Kopplung steht für alle Systeme, bei denen in einer Anlageaus der zugeführten Energie zeitgleich mehrere Nutzenergien erzeugt werden, wie bei-spielsweise mechanische Energie, elektrische Energie, Wärme und/oder Kälte. Weil diemiteinander gekoppelte Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme im Vorder-grund der Anwendungen steht, wird im Weiteren ausschließlich darauf Bezug genom-men.

Die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme, z.B. in Blockheizkraftwerken(BHKW) vermeidet, wie in Bild 26.1 gezeigt, die hohen Wärmeverluste bei der Erzeu-gung von elektrischer Energie ohne Nutzung der Abwärme in konventionellen Konden-sationskraftwerken (Wärmekraftwerken).

Entscheidend für eine wirtschaftliche Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung ist einmöglichst kontinuierlicher Wärme- und Strombedarf, wie z.B. in einem Gebäude mitbeheiztem Schwimmbad oder in einem Gewerbebetrieb mit hohem Wärmebedarf.Während die nicht selbst genutzte elektrische Energie problemlos in das öffentlicheVersorgungsnetz eingespeist werden kann, muss die nicht genutzte Wärme ansonstenungenutzt in die Umwelt abgegeben werden. Damit wird der vom Grundsatz her sehrgute Wirkungsgrad von Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung wesentlich verschlechtert.

Die in das Netz eingespeiste Energie wird entsprechend dem Gesetz für die Erhal-tung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz – KWKG) vergütet. Die Netzbetreiber sind nach dem Gesetz

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Bild 26.1 Umwandlungsverluste und Energienutzung bei herkömmlichen Kondensationskraft-werken, zentralen Heizkraftwerken und dezentralen Blockheizkraftwerken (die Differenz zwi-schen übertragener und genutzter Energie resultiert aus den Übertragungsverlusten)

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verpflichtet, Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung an ihr Netz anzuschließen und diein diesen Anlagen erzeugte elektrische Energie abzunehmen.

Der Betreiber hat neben dem Anspruch auf Zahlung einer angemessenen Vergütung,je nach Art der Anlage, einen Anspruch auf Zahlung eines Zuschlags in Höhe vonmaximal 5,11 Cent/kWh. Die Zahlung des Zuschlags endet spätestens 10 Jahre nachInbetriebnahme der Anlage bzw. dessen Höhe wird bis zum Jahr 2010 in mehrerenStufen reduziert. Weitere Details sind dem Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG)zu entnehmen.

26.1 Blockheizkraftwerke (BHKW)

Ein Blockheizkraftwerk ist eine Kombination aus Antriebsmotor und Generator zurErzeugung der elektrischen Energie. Die anfallende Abwärme wird zum Heizen, zurWarmwasserbereitung oder ähnliche Zwecke genutzt. Der wesentliche Vorteil istdarin zu sehen, dass die elektrische Energie ohne größere Übertragungsverluste dezen-tral, d.h. verbrauchsnah, erzeugt wird und gleichzeitig die Abwärme genutzt werdenkann. So stehen einem Abgasverlust von lediglich 10% rund 90% an nutzbarerEnergie gegenüber, die sich wiederum in ca. 35% elektrische Energie und ca. 55%Nutzwärme aufteilen (Bild 26.1).

Blockheizkraftwerke eignen sich für größere Einfamilienhäuser mit Schwimm-bad, Mehrfamilienhäuser ab vier Wohnungen, Schulen, Verwaltungsgebäude, öf-fentliche Schwimmbäder und ähnliche Einrichtungen. Für Standard-Einfamilien-häuser ist in der Regel der Bedarf an Wärmeenergie, insbesondere außerhalb derHeizperiode, für einen wirtschaftlichen Betrieb zu gering. Besonders interessant istder Betrieb eines Blockheizkraftwerkes für Gewerbebetriebe, die einen hohenBedarf an elektrischer Energie und Wärme haben, wie beispielsweise Hotels,Bäckereien und Fleischereien.

26.1.1 Miniatur-Blockheizkraftwerke (Mini-BHKW)

Miniatur-Blockheizkraftwerke (Bild 26.2) sind kleine, anschlussfertige Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen. Motor, Generator und Wärmetauscher sind in einem Block zu-sammengefasst, der als kompakte Einheit einschließlich der notwendigen Steuerungs-und Regelungseinrichtungen geliefert wird. Sie werden ab einer unteren elektrischenLeistung von ca. 5 kW und einer thermischen Leitung von ca. 10 kW eingesetzt.Moderne Anlagen können modulierend oder mit veränderbaren Drehzahlen betriebenwerden. Damit ist eine automatische Anpassung der Ausgangsleistung an den aktuel-len Strom- und Wärmebedarf möglich.

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Bild 26.2 Wirkungsprinzip eines Mini-Blockheizkraftwerkes[PowerPlus Technologies GmbH]

Bild 26.3 Mini-Blockheizkraftwerk mitEinzylinder-Viertaktmotor für denBetrieb mit Heizöl, Biodiesel oder Gas[Senertec Kraft-Wärme-Energiesysteme]

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Der Platzbedarf der Mini-BHKWs entspricht einschließlich des zur Wärmespeiche-rung notwendigen Pufferspeichers dem eines vergleichbaren Heizkessels (Bild 26.3).Die Lärmbelastung kann aufgrund der sehr guten Schalldämmung in der Regel ver-nachlässigt werden.

Als Brennstoff werden vorrangig Erdgas, Heizöl oder Biodiesel verwendet. DieMineralölsteuer wird auf Antrag erstattet, wenn das BHKW einen Jahreswir-kungsgrad von mindestens 70% erreicht. Die Abgaswerte liegen bei modernen An-lagen weit unter den Grenzwerten der in Deutschland gültigen Technischen Anleitungzur Reinhaltung der Luft (TA Luft).

26.2 Brennstoffzellen

Obwohl das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle bereits seit etwa 150 Jahren bekannt ist,steht sie erst jetzt vor ihrer tatsächlichen Bewährungsprobe im praktischen Einsatz in derGebäudetechnik. Neue Werkstoffe und Technologien haben erhebliche Verbesserungenhinsichtlich des Wirkungsgrades, der Lebensdauer und der Baugröße der Anlagen ermög-licht. In der stationären Versorgung von Gebäuden mit elektrischem Strom und Wärmebietet die Brennstoffzelle als eine weitere Art der Kraft-Wärme-Kopplung zukünftig einerhebliches Potential zur Reduktion von klimaschädlichen Emissionen.

Im Vergleich zu konventionellen Blockheizkraftwerken (BHKW) erreichenBrennstoffzellen eine höhere Stromkennzahl, d.h., sie erzeugen mehr Strom als Wär-me. Bei einem Gesamtwirkungsgrad von ca. 80% liegt der elektrische Wirkungsgradbei ca. 45%, der thermische bei ca. 35%.

26.2.1 Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle ist als eine Sonderform eines galvanischen Elementes anzusehen.Während bei galvanischen Elementen die Entnahme von elektrischer Energie durchihre Kapazität begrenzt ist, wird die Brennstoffzelle durch kontinuierliche Zuführungvon chemischer Energie ständig nachgeladen. Technisch läuft in der Brennstoffzelleeine umgekehrte Elektrolyse ab, in der durch Oxidation des Brennstoffs mit Sauerstoffdie bei diesem Vorgang frei werdende Energie einerseits als elektrische Energie undandererseits als Wärme genutzt werden kann.

Während bei der Elektrolyse von Wasser dieses in die Bestandteile Wasserstoff undSauerstoff zerlegt wird, werden in der Brennstoffzelle beispielsweise Wasserstoff undSauerstoff zu reinem Wasser umgewandelt (Bilder 26.4 und 26.5). Durch die direkteUmwandlung der chemischen Energie in elektrische Energie und Wärme erreicht dieBrennstoffzelle den bereits genannten hohen Wirkungsgrad von bis zu 80%.

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Bre

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Um die erzeugte elektrische Energie universell nutzen zu können, wird der von derBrennstoffzelle erzeugte Gleichstrom mittels Wechselrichter in Wechsel- bzw. Dreh-strom umgewandelt. Die elektrische Energie kann direkt genutzt oder als Überschussin das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist werden (Bild 26.6).

Der zum Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Sauerstoff kann der Raumluftoder der zugeführten Außenluft entnommen werden und steht somit unbegrenzt zurVerfügung. Der als weiteres Oxidationsmittel erforderliche Wasserstoff kann entwe-der direkt, d.h. in reiner Form, zugeführt werden oder er wird mittels eines vorge-schalteten Reformers aus fossilen Energieträgern, wie z.B. Erdgas, gewonnen.

Beim Betrieb einer Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff treten keine schädlichenEmissionen auf. Mit Ausnahme von Wasser entstehen keine Abfallprodukte wieKohlendioxid (CO2), Stickoxide (NOx) oder Schwefeloxide (SOx). Als Nachteil ist

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Bild 26.4 Wirkungsprinzipien von Elektrolyse und Brennstoffzelle

Bild 26.5Funktionsprinzip einerPEM-Brennstoffzelle(PEM = Proton ExchangeMembran)[Vaillant]

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anzusehen, dass reiner Wasserstoff in der Natur nicht vorkommt, sondern mit relativhohem Energieaufwand, beispielsweise durch Elektrolyse aus Wasser, gewonnen wer-den muss (Bild 26.4).

Bei Brennstoffzellen zum stationären Einsatz in der Gebäudetechnik wird sich des-halb zunächst Erdgas als Energieträger durchsetzen, aus dem im Reformerbetriebwasserstoffreiches Gas gewonnen wird. Erdgas als Brennstoff bietet den Vorteil, dassdie in vielen Fällen bereits vorhandene Versorgungsinfrastruktur weiter genutzt wer-den kann. Nachteilig sind das beim Reformerbetrieb anfallende Kohlendioxid (CO2),der für den Ferntransport des Gases notwendige Energieaufwand und die Endlichkeitder fossilen Energieträger. Emissionen, die im Wesentlichen durch Verunreinigungenim zugeführten Erdgas entstehen, wie z.B. Schwefeloxide und Kohlenmonoxid, sindin der Praxis nur von geringer Bedeutung.

26.2.2 Einsatz von Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung

Brennstoffzellen-Heizgeräte erzeugen bis zu 50% weniger CO2 und benötigen etwa25% weniger Primärenergie, um im Vergleich zu heutigen Techniken die gleicheMenge an Heizwärme und elektrischer Energie bereitzustellen. Wie herkömmlicheBlockheizkraftwerke (BHKW) sind sie besonders für den Einsatz in Mehrfamilien-häusern und in anderen Gebäuden mit konstantem, hohem Wärmebedarf geeignet.

In der Gebäudetechnik kommen vorrangig Brennstoffzellen in PEMFC-Technologie(Polymer-Elektrolyte-Membrane-Fuel-Cell) zum Einsatz (Bild 26.7). Ihr wesentlicherVorteil liegt in der relativ niedrigen Arbeitstemperatur zwischen 60 °C und 80 °C, diebesonders für den Heizbetrieb und die Warmwasserbereitung von Interesse ist. Diederzeit verfügbaren Leistungen liegen im Bereich von 1...250 kWelektrisch bei Leis-

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Bild 26.6 Schema des Brennstoffzellenprozesses beim Betrieb mit Erdgas[Hamburg Gas Consult – HGC]

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tungsdichten von ca. 1 W/cm2 Zellenfläche und Leistungsgewichten von ca. 2 kg/kW(Tabelle 26.1).

Als wesentliche Vorteile von Brennstoffzellen sind zu nennen:

q hohe Wirkungsgrade bei der Erzeugung von elektrischer und thermischer Energiebei deren gleichzeitiger Nutzung;

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Tabelle 26.1 Technische Daten für eine Brennstoffzelle zum Einsatz in Mehrfamilienhäusernund kleineren Gewerbebetrieben [Vaillant]

Typ BZH

Hersteller Vaillant

Elektrische Leistung (regelbar) 1...4,6 kWel

Thermische Leistung (regelbar) 1,5...7 kWth

Elektrischer Netz-Wirkungsgrad >35%

Gesamtwirkungsgrad >80%

Brennstoff Erdgas

Vor-/Rücklauftemperatur max. 70 / 55 °C

Lebensdauer des Systems 15 Jahre, 80 000 h

Inspektionsintervall jährlich

Wartungsintervall alle 2 Jahre

Bild 26.7 Mit Erdgas betriebene Brennstoffzelle [Vaillant]

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