Diese Arbeit zeigt energetisch sinnvolle Maßnahmen für Tiefkühllagerhäuser auf, die wirtschaftlich darstellbar sind. Dabei wird zunächst die ökologische und ökonomische Bedeutung der Tiefkühllogistikbranche in der Bundesrepublik Deutschland beschrieben. Anschließend wird dargestellt, wie die Gebäudestruktur und –form den betrieblichen Anforderungen folgt und welche Randbedingungen für das Lagergut gelten.
Im nächsten Abschnitt werden typische Verbrauchswerte anhand von Daten, die während der vergangenen 12 Jahre an 18 Standorten aufgezeichnet wurden, ermittelt und analysiert. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird das „Standard-Tiekühllagerhaus“ für weitere Untersuchungen definiert. Die Gebäudehülle wird im ersten Kapitel des Hauptteils dieser Arbeit näher betrachtet.
Im zweiten Kapitel des Hauptteils werden sogenannte Unterfrierschutzheizungen, die unterhalb der Bodenplatte das Gefrieren des Bodens verhindern, betrachtet. Energieeinsparpotentiale durch verschiedene Ausführungsvarianten werden verglichen. Außerdem wird untersucht, welche Maß-nahmen notwendig sind, um dieses Bauteil gänzlich zu streichen.
Sehr sensible Bauteile stellen die Tore, über die der Warenumschlag abgewickelt wird, dar. Zu diesem Thema werden aktuelle, technische Entwicklungen vorgestellt und untersucht.
Der eigentliche Warenübergang vom LKW in das Tiefkühllager und umgekehrt wird im darauffolgenden Kapitel: Be- und Entladung analysiert. Das fünfte Kapitel behandelt sogenannte Türrahmenheizungen. Es wird geprüft, inwiefern eine Bedarfsgesteuerte Taktung der Heizbänder wirtschaftlich darstellbar ist. Das Kapitel schließt mit einem Vergleich der Investitionskosten für unterschiedliche Kälte-anlagen. Das achte Kapitel stellt die alternative Energiebereitstellung mit Erdgas als Primärenergieträger vor. Dabei wird ein Blockheizkraftwerk mit zwei unterschiedlichen Kälteanlagen kombiniert und die jeweiligen Lebenszykluskosten mit dem konservativen Betrieb einer Kompressionskältemaschine verglichen.
In dem vorletzten Kapitel, wird kurz auf die heute in der Tiefkühlbranche sehr verbreitete Strombeschaffung an der Strombörse eingegangen. Abschließend werden alle Erkenntnisse in einem Gebäudeentwurf zusammengefasst.
A. Einleitung
B. Kenngrößen TK-Lager
C. Schwachstellenanalyse/Optimierung
1. Gebäudehülle
Materialien und Bauteilaufbauten
Gebäudeform und Ausrichtung
2. Unterfrierschutzheizung
3. Torsysteme
4. Be- und Entladung
5. Türrahmenheizung
6. Beleuchtung
7. Kälteanlage
Verdichter
Verdampfer
Verflüssiger
Kältemittel
Kaskaden
8. Energieursprung
9. Energiebeschaffung
10. Das perfekte TK-Lager
D. Fazit
E. Literaturverzeichnis
F. Abbildungsverzeichnis
G. Tabellenverzeichnis
H. Anhang
A. Einleitung
Für Unternehmer ist die kostengünstigste Energieversorgung immer vorrangig. Nur in Ausnahmefällen wird auf Umwelteinflüsse Rücksicht genommen. Häufig gelingt es, mittels Staatlicher Anreize und Sanktionen, neue, umweltfreundliche Technologien marktfähig zu machen. Diese Arbeit zeigt energetisch sinnvolle Maßnahmen für Tiefkühllagerhäuser auf, die wirtschaftlich darstellbar sind.
Dabei wird zunächst die ökologische und ökonomische Bedeutung der Tiefkühllogistik-branche in der Bundesrepublik Deutschland beschrieben. Anschließend wird dargestellt, wie die Gebäudestruktur und –form den betrieblichen Anforderungen folgt und welche Randbedingungen für das Lagergut gelten.
Im nächsten Abschnitt werden typische Verbrauchswerte anhand von Daten, die während der vergangenen 12 Jahre an 18 Standorten aufgezeichnet wurden, ermittelt und analysiert. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird das „Standard-Tiekühllagerhaus“ für weitere Untersuchungen definiert.
Die Gebäudehülle wird im ersten Kapitel des Hauptteils dieser Arbeit näher betrachtet. Heutige Ausführungsstandards der Wände, des Dachs und der Bodenplatte werden vorgestellt und Schwachstellen aufgedeckt. Optimierungsansätze und dadurch erzielbare Einsparungen zeigen, inwieweit sich Investitionen an dieser Stelle rechnen. Welche Möglichkeiten durch die Abweichung von dem „Standard-Tiefkühllagerhaus“ bezüglich der Energieeinsparung bestehen zeigt die letzte Grafik dieses Kapitels.
Im zweiten Kapitel des Hauptteils werden sogenannte Unterfrierschutzheizungen, die unterhalb der Bodenplatte das Gefrieren des Bodens verhindern, betrachtet. Energieeinsparpotentiale durch verschiedene Ausführungsvarianten werden verglichen. Außerdem wird untersucht, welche Maßnahmen notwendig sind, um dieses Bauteil gänzlich zu streichen.
Sehr sensible Bauteile stellen die Tore, über die der Warenumschlag abgewickelt wird, dar. Zu diesem Thema werden aktuelle, technische Entwicklungen vorgestellt und untersucht.
Der eigenlichte Warenübergang vom LKW in das Tiefkühllager und umgekehrt wird im darauffolgenden Kapitel: Be- und Entladung analysiert.
Das fünfte Kapitel behandelt sogenannte Türrahmenheizungen. Diese, in den Türrahmen eingebrachten Heizbänder, verhindern das Zufrieren der Durchgänge. Es wird geprüft, inwiefern eine Bedarfsgesteuerte Taktung der Heizbänder wirtschaftlich darstellbar ist.
Die technischen Entwicklungen der jüngsten Zeit ermöglichen den Einsatz neuer Leuchtmittel. Eine Gegenüberstellung der LED (Light Emitting Diod) mit den, in Tiefkühllagern bisher üblichen Halogen-Metalldampflampen zeigt die Unterschiede zwischen den beiden Lichtstrahlern.
Das Herz jedes Tiefkühllagerhauses stellt die Kälteanlage dar. In Kombination mit den Wärmetauschern und dem Expansionsventil ermöglicht sie den Wärmeabtransport aus dem Gebäude. In diesem Abschnitt werden aktuelle Erkenntnisse der Kältetechnik zusammengefasst und insbesondere die erzielbaren COPs (Coefficien Of Performance) bei Variation einzelner Bauteile untersucht. Das Kapitel schließt mit einem Vergleich der Investitionskosten für unterschiedliche Kälteanlagen.
Das achte Kapitel stellt die alternative Energiebereitstellung mit Erdgas als Primärenergieträger vor. Dabei wird ein Blockheizkraftwerk mit zwei unterschiedlichen Kälteanlagen kombiniert und die jeweiligen Lebenszykluskosten mit dem konservativen Betrieb einer Kompressionskältemaschine verglichen.
In dem vorletzten Kapitel, wird kurz auf die heute in der Tiefkühlbranche sehr verbreitete Strombeschaffung an der Strombörse eingegangen.
Abschließend werden alle Erkenntnisse in einem Gebäudeentwurf zusammengefasst.
B. Kenngrößen TK-Lager
Der VDKL, Verband deutscher Kühlhäuser und Kühllogistikunternehmen e.V., zählt nach eigenen Angaben aktuell 321 gewerbliche Kühlhäuser mit einer Gesamtkapazität für rund 3 Millionen Europaletten landesweit zu seinen Mitgliedern [1, p. 25]. Ein Gesamtraumvolumen von fast 10 Millionen m³ wird das gesamte Jahr über auf minus 18 °C und Kälter gekühlt[1, p. 26]. Bei einem durchschnittlichen Energieverbrauch von 46 kWh/m³(Kühlvolumen)*a (Anlage 1) ergibt sich ein jährlicher Energieverbrauch von 560 GWh für die Warenlagerung in Tiefkälte. Unter Berücksichtigung des Primärenergiefaktors für Strom von 3,0 [2, p. 29] beträgt der Anteil an dem Primärenergieverbrauch der Bundesrepublik Deutschland, mit 13.500 PJ [3, p. 14], 0,4 Promille.
In der jährlichen Erhebung des deutschen Tiefkühlinstituts, ist seit dem Jahr 1983 eine stetige Steigerung der Nachfrage nach Tiefkühlprodukten zu erkennen [4, pp. 12-13]. So war der Gesamtumsatz in der Tiefkühlkostbranche im Jahr 2013, verglichen zum Vorjahresumsatz, um 3,3 % gestiegen [4, p. 15]. Während im Jahr 1992 der Tiefkühlkostverbrauch pro Kopf in Deutschland bei 23,1 kg 5 lag, wird heute ein Verbrauch von 41,6 kg 6 angegeben. Das bedeutet eine Konsumsteigerung von 80 % in 21 Jahren und durchschnittlich 3,8 % pro Jahr.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 1: Pro-Kopf-Verbrauch von Tiefkühlkost in Deutschland 1992 – 2013, verändert nach: 5 und6
Der steigende Absatz erfordert zusätzliche Lager- und Umschlagskapazitäten, die einerseits durch eine Optimierung der vorhandenen Lagerbestände und andererseits durch moderne Neubauten bereitgestellt werden. Dabei bewirken steigende Energiepreise und der wachsende Wettbewerb in der Branche starke Bemühungen, durch bauliche und technische Maßnahmen, die Energiekosten zu senken. Während im Jahr 1990 der durchschnittliche Energieverbrauch eines Tiefkühllagerhauses bei 53 kWh/m³ 7 lag, erzielen moderne Lager Energieverbrauchswerte von 15 kWh/m³[8, p. 6].
Der im Jahr 2009 erstmals erschienene „VDKL-Energie-Leitfaden für eine Verbesserung der Energieeffizienz in Kühlhäusern“ 9, stellt eine bis dahin beispiellose Hilfestellung für Kühlhausbetreiber, mit Vorschlägen zur Energieoptimierung, dar. Konkrete Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen einzelner Maßnahmen bleiben in diesem Leitfaden aus. An dieser Stelle soll diese Arbeit anknüpfen. Es werden einzelne Betriebsabläufe und Bauteile näher beleuchtet und Optimierungsmöglichkeiten herausgearbeitet. Zunächst jedoch wird allgemein die Gebäudestruktur und der Betrieb erläutert.
Zur Vermittlung des Betriebs eines Tiefkühllogistikgebäudes werden eingangs die einzelnen Schritte in einer Tiefkühlkette beschrieben.
„Die Verordnung über tiefgefrorene Lebensmittel (TLMV) ist eine der wesentlichen Grundlagen für die Tiefkühlkette. Hier ist u.a. definiert, was tiefgefrorene Lebensmittel sind: Im Sinne der TLMV sind tiefgefrorene Lebensmittel solche, die einem geeigneten Gefrierprozess unterzogen wurden und deren Temperatur an allen Punkten mindestens -18 °C beträgt“[10, p. 3]. Folgende Punkte durchlaufen Tiefkühlprodukte auf Ihrem Weg zum Endverbraucher:
- Hersteller/Kühlhaus
- Dienstleistungskühlhaus oder Großhandelslager
- Auslieferungslager
- Verkaufstruhe im Lebensmitteleinzelhandel oder Tiefkühllager in der Gastronomie
- Tiefkühlgeräte [10, p. 3]
In dieser Arbeit werden die zweite und dritte Station, Dienstleistungskühlhaus oder Großhandelslager und Auslieferungslager, näher betrachtet. Eine Studie des Deutschen Tiefkühlhausinstitutes zeigt, mittels der „Treibhausgas-Fußabdrücke“ verschiedener Tiefkühlwaren, welchen Anteil, an der Gesamtemission über alle Stationen, dem Bereich Transport und Lagerung zugeordnet werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2: Anteil der Distribution an den Treibhausgasemissionen von Tiefkühlkost, nach: [97, p. 21]
Die Tortendiagramme zeigen, dass die Distribution generell einen sehr viel geringeren Anteil an den Klimaeinflüssen entlang des Produktweges hat, als häufig angenommen. Gleichzeitig ist erkennbar, dass die Anteile in Abhängigkeit von den Produktgruppen stark variieren. Während bei Hühnerfrikassee lediglich 2 % der Gesamtemission auf die Distribution entfallen, sind der Transport und die Lagerung von Erbsen mit 19 % deutlich relevanter für die Bilanz. Zur Distribution der Produkte gehört auch die Zwischenlagerung in Tiefkühllagerhäusern.
Die einzelnen Arbeitsschritte, die in dem Kettenglied, Kühlhaus, anfallen, sind in der Grafik als Kreisprozess nochmals dargestellt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3: Arbeitsschritte in einem Tiefkühllogistikgebäude, nach: [10, p. 6]
Die Ware wird vom Hersteller, oder von einem Logistikunternehmen, mit speziellen LKWs, deren Ladefläche auf mindestens -18 °C gekühlt ist, zu einem Kühlhaus geliefert. Dort wird die meist auf Paletten gestapelte Ware mit Hilfe von Gabelstaplern oder Schnellläufern über eine Be-/Entladerampe in den Lagerraum gebracht und bis zum Abruf in Regalen verstaut. Häufig werden die Pakete in Handarbeit zerlegt und für die Auslieferung an den Einzelhandel oder die Gastronomie neu kombiniert. Diese Arbeit wird im Weiteren als Kommissionierung bezeichnet. Kommissioniert wird entweder in dafür vorgesehenen, abgetrennten Räumen, oder in den ebenerdigen Regalfächern. Um die Beladung der LKWs, bei der Auslieferung der Ware zu beschleunigen, werden die LKW-Chargen vor dem Abholtermin im vorderen Bereich der Halle, zusammengetragen. Dieser Regalfreie Bereich wird als Bereitstellungsbereich bezeichnet. Die LKWs werden innerhalb weniger Minuten über die Be-/Entladerampen beschickt.
Gegenstand dieser Arbeit sind Logistikgebäude die sowohl für Langzeit-, als auch Kurzzeitlagerung ausgelegt sind und eine Kommissionierung ermöglichen. Diese Betriebsform bedingt die Gebäudestruktur und die verwendeten Regalsysteme. Aus der Kurzzeitlagerung resultiert ein hoher Warenumschlag, der über Tore abgewickelt werden muss. Die Anzahl der Tore ist demnach abhängig von der Umgeschlagenen Warenmenge. Hinter den Toren befindet sich der bereits erwähnte Bereitstellungsbereich. Hier sind keine Regale oder andere Einbauten angeordnet. Um die Ware an dieser Stelle vorab entsprechend der Beladung der LKWs zu sortieren, muss die Tiefe dieser Fläche mindestens der Länge eines LKW-Aufliegers zuzüglich Bewegungsraum entsprechen. Ware die nur für einen kurzen Zeitraum eingelagert werden soll, wird in den dahinter angeordneten Festregalen verstaut. Zwischen diesen Regalen befinden sich Andienungsgänge für den Gabelstaplerverkehr. Das unterste, ebenerdige, Fach wird für die Warenkommissionierung genutzt. Ein Quergang trennt den Bereich mit Festregalen von den Verschieberegalblöcken. Die auf Rollen gelagerten, dicht aneinander stehenden Regale öffnen bei Bedarf eine Fahrgasse für die Andienung.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4: Typisches Grundrissschema eines Tiefkühllagerhauses, (eigene Darstellung)
Die Gebäudehöhe ist durch Brandschutzvorschriften beschränkt. „In Lagergebäuden und Gebäuden mit Lagerbereichen müssen bei Lagerguthöhen (Oberkante Lagergut) von mehr als 7,5 m selbsttätige Feuerlöschanlagen angeordnet werden“[11, p. 10]. Die Wirksamkeit von selbsttägigen Feuerlöschanlagen ist an verschiedene Randbedingungen gebunden, die eine reine Deckenbesprinklerung nur bis zu einer Sprinklerkopfhöhe von 12,20 Metern zulassen[12, p. 226]. Die Regale sind demnach auf maximal fünf Fächer mit je 2,30 Meter begrenzt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 5: 3-D-Modell eines Tiefkühllagerstandortes bestehend aus drei Bauabschnitten, (eigene Darstellung)
Neben dem hier behandelten Lagertyp werden andere Ausführungsvarianten wie zum Beispiel vollautomatisierte Hochregallager realisiert. Allerdings kann bei dieser Bauweise der oben beschriebene Betrieb nicht realisiert werden. Eine Entkopplung der Langzeitlagerung, in solche Hochregallager ohne Personenverkehr, ist jedoch aus energetischer Hinsicht sinnvoll. In Kapitel 10, Das perfekte TK-Lager, wird näher auf dieses Thema eingegangen.
Neben den oben bereits aufgeführten Lebensmitteln, werden viele weitere Güter in Tiefkühllagerhäusern zwischengelagert.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 6: Übersicht eingelagerter Produkte, nach: 1
Neben der Produktgruppe „Allgemeine Tiefkühlkost“ wird vor allem Fleisch, Fisch und Eiskrem in Tiefkühllagerhäusern gelagert. Eiskrem zählt dabei zur Saisonalen Ware. Die über das Jahr produzierte und eingelagerte Ware wird während der Sommermonate weitestgehend an den Einzelhandel ausgeliefert. Besonders hohe Auslastungsgrade erzielen die Lagerhäuser insbesondere während Krisenzeiten die bestimmte Lebensmittel treffen. Während der BSE- oder der Schweinegrippe-Krise sank die Nachfrage nach den betroffenen Produkten schlagartig. Um Überschüssige Ware nicht entsorgen zu müssen, werden nicht betroffene Produkte während Krisenzeiten in Tiefkühlhäusern zwischengelagert. Hinter der „Nicht Ernährungsgüter“-Produktgruppe stecken größtenteils medizinische Produkte wie beispielsweise Blutplasma 13. Während für diese Ware eine Lagertemperatur von -25 °C bis -30 °C empfohlen wird [13, p. 16], sind die Anforderungen für Lebensmittel mit -18 °C für Fleisch und -20 °C für Eiskrem geringer[10, pp. 22-28].
C. Schwachstellenanalyse/Optimierung
Zunächst werden mittels einer Bestandsanalyse typische, spezifische Energieverbrauchswerte von Tiefkühllagerhäusern ermittelt und auf das Raumvolumen bzw. die Anzahl der Palettenstellplätze bezogen. Der Durchschnittswert über alle Häuser wird im Weiteren als Bezugswert verwendet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 7: Volumen-/Palettenbezogene Energieverbräuche der Standorte, (eigene Darstellung)
Der durchschnittliche Jahresenergieverbrauch der betrachteten 18 Tiefkühllagerhäuser im Zeitraum zwischen dem Jahr 2001 und dem Jahr 2013 lag bei 46 kWh/m³(Kühlvolumen)*a und 360 kWh/Palettenstellplatz*a (Anlage 1). Bei einer mittleren Lagergröße von 95.000 m³ beträgt der Energieverbrauch je Standort und Jahr 4.370 MWh/a. Dieser Verbrauch hat folgende Ursachen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 8: Energieverbraucher in einem Tiefkühllager, verändert nach: [9, p. 38] und [14, p. 21]
Das Diagramm verdeutlicht, dass mit 74 % die Kälteanlage den größten Energieverbraucher darstellt. Daneben sind die Büros, gemeinsam mit Werkstätten und LKW- Kühlstationen, mit einem deutlich geringeren Wert, die zweitgrößten Verbraucher. Die übrigen 9 % fallen auf die Beleuchtung, den Antrieb für die Regalanlagen und die Gabelstaplerladestationen.
Der übliche „Coefficient of Performance“ für alte Kompressionskältemaschinen liegt bei 1,7 (Kapitel 7, Kälteanlage). das bedeutet, dass aus einer Einheit Strom im Jahresmittel, 1,7 Einheiten Kälte erzeugt werden. Damit wird die bereitgestellte Kälteenergie wie folgt berechnet:
Diese Kühlenergie wird durch folgende Wärmeeintragsmechanismen verbraucht.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 9: Hauptursachen für die Erwärmung eines Tiefkühllagers, (eigene Berechnung, vgl. Anlage 2)
Die Hauptursache, für die erforderliche Kühlleistung, ist der Wärmeeintrag durch den Austausch zwischen Gebäudeinnenraum und Umgebung über die Tore in der Gebäudehülle. Transmissionswärmeeinträge sind mit 24 %, nach der Infiltration durch Tore, die wichtigste Ursache für die Erwärmung der Gebäudeinnenluft. Die, über Leuchtmittel abgestrahlte Wärme, ist verglichen mit anderen elektrischen Geräten im Tiefkühllager, mit 23% der Gesamtwärmeeinträge nicht zu vernachlässigen. Als letzter, wichtiger Punkt, ist der Wärmeeintrag über angelieferte Ware, mit höherer Temperatur als die Raumtemperatur, zu nennen. Hierdurch werden 14 % der Gesamtwärmeeinträge verursacht. Diese Wärmeeinträge können nur durch regelmäßige Kontrollen und Mitarbeiterschulungen vermieden werden und werden in dieser Arbeit nicht weiter betrachtet. Tiefkühllagerhäuser weisen eine sehr hohe Luftdichtigkeit und damit sehr geringere Wärmeeinträge durch Undichtigkeiten auf. Die Luftwechselrate bei 50 Pascal Druckdifferenz liegt bei drei untersuchten Standorten zwischen 0,09 1/h und 0,14 1/h (Anlage 3). Der Wärmeeintrag durch Undichtigkeiten kann damit vernachlässigt werden.
Die Zuordnung des Gesamtenergieverbrauchs zu den Verbrauchern ermöglicht im Weiteren eine quantitative Berechnung von verursachten Kosten. Der Strompreis wird dazu mit 0,15 €/kWh angenommen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 10: Kostenverteilung auf die Wärmeeintragsursache, (eigene Berechnung, vgl. Anlage 2)
Für ein Standard-Tiefkühllager mit einem Kühlvolumen von 95.000 m³ und einer Höhe von 13 m bildet obige Grafik die Energiekosten, aufgegliedert nach Ursprung, ab.
1. Gebäudehülle
Die wichtigsten Einflussgrößen auf die Wärmelast durch Transmission sind im Energie-Leitfaden des VDKL aufgeführt9:
- Wärmeleitfähigkeit des Dämmmaterials
- Dämmschichtdicke
- Reflexionsgrad der Oberfläche
- Qualität der Bauausführung
- Temperaturdifferenz zwischen Kühlraum und Umgebung
- Alterungsbeständigkeit des Dämmmaterials
- Sperrwert der Dampfsperre
Diese Einflussgrößen werden im Folgenden teilweise untersucht und teilweise ergänzt.
Materialien und Bauteilaufbauten
Der Großteil der genannten Einflussgrößen ist von den verwendeten Materialien und den Bauteilaufbauten abhängig. Die Einzelnen Bauteile, Wände, Dach und Bodenplatte, werden nach heutigem Stand der Technik folgendermaßen ausgeführt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 11: Dachaufbau und Fassadenanschluss
Normgerecht wird das Dach als einschaliges, nicht belüftetes Dach, nach Flachdachrichtlinie[15, p. 9] ausgeführt. Die Tragschicht wird kostengünstig aus Trapezblechen erstellt. Auf die raumseitige Dampfsperre kann aufgrund des Temperaturverlaufs, ganzjährig von innen nach außen steigend, verzichtet werden. Die PUR-Dämmung der Wärmeleitgruppe 024 wird zweilagig auf das Trapezblech gelegt und mittels Tellerdübeln dort verankert. Eine 2 mm starke, hoch reflektierende, Dampfsperrbahn verhindert den Wasser- und Feuchtigkeitseintritt. Anfallendes Regenwasser wird über ein Dachgefälle zu Öffnungen in der aufgehenden Attika geführt und durch diese über ein Fallrohr abgeleitet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 12: Bodenaufbau und Fundamentanschluss
Die Erstellung der Bodenplatte folgt zeitlich nach Fertigstellung der Außenwände und des Dachs. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Oberfläche des Industriebodens während der Nachbehandlungszeit nicht der Witterung ausgesetzt ist. Die 20 cm hohe Perimeterdämmung unter der Bodenplatte und die darunterliegende Unterfrierschutzheizung verhindern das Einfrieren des tragenden Bodens. Die zwischen Sauberkeits- und Dämmschicht angeordnete Dampfsperre hält Feuchtigkeit zurück. Gegen aufsteigendes Wasser schützt eine 30 cm starke kapillarbrechende Kiesschicht unterhalb der Sauberkeitsschicht.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 13: Isolierpaneele mit Nut – Feder – Verbindung, (Romakowski GmbH & Co. KG)
Die diffusionsdichten Isolierpaneele werden entweder vertikal als hallenhohe Elemente, oder horizontal, als kleinere Elemente, verlegte und an einer Stahl-Unterkonstruktion befestigt. Die Elemente fungieren gleichzeitig als dämm- und raumabschließende Schicht.
Für die genannten Konstruktionen ergeben sich folgende U-Werte.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 14: Bauteil-U-Werte und Flächenanteile, (eigene Berechnung, vgl. Anlage 4)
Die durch Transmission verursachten Kosten des oben beschriebenen Standard-Tiefkühllagerhauses werden unter Berücksichtigung der Bauteilkenngrößen entsprechend Abb. 15: Transmissionseinträge durch die Bauteiltypen, verteilt:
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Abb. 15: Transmissionseinträge durch die Bauteiltypen, (eigene Berechnung, vgl. Anlage 5a)
Das Diagramm drückt aus, dass der Großteil der Wärme über den Fußboden in das Gebäude eingetragen wird. Über die fast gleichgroße Dachfläche gelangt etwas weniger Wärmeenergie in das Gebäudeinnere. Wärmeeinträge über die Außenwandflächen verursachen Energiekosten von jährlich 25.000 €. Transmissionseinträge über Außentüren, Innenwände zwischen Tiefkühl- und zum Beispiel Frischebereichen oder Innentüren können aufgrund der geringen Flächenanteile vernachlässigt werden.
Durch Transmission verursachte Wärmeeinträge können durch eine dickere Dämmung, eine geringere Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffs und einen höheren Reflexionsgrad der Außenflächen reduziert werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 16: Mögliche Maßnahmen um die Transmissionseinträge zu verringern, (eigene Darstellung)
Der U-Wert der Außenwände unterschreitet mit 0,10 W/m²K die Anforderungen der Energieeinsparverordnung 2014 [16, p. 68] um über 70 %. Der erforderliche U-Wert von Außenwänden zur Erzielung des Passivhaus-Standards mit einem Energiebedarf von weniger als 15 kWh/m²a [17, p. 282] von 0,15 W/m²K [17, p. 285] wird ebenfalls unterschritten. Inwieweit eine dickere Dämmung dennoch sinnvoll ist wird im nächsten Abschnitt geklärt. Die außenliegenden Oberflächen sollten im kurzwelligen Bereich der Sonnenstrahlung einen geringen Absorptionsgrad aufweisen. Auf diese Weise wird eine Erwärmung durch direkte Sonneneinstrahlung minimiert. Helle oder metallische Oberflächen weisen hierbei mit Absorptionsgraden zwischen 0,25 und 0,35 die besten Werte auf [18, p. 647].
Die Perimeterdämmung unterhalb des Fußbodens hat in obiger Detailzeichnung eine Dicke von 20 cm. Nach eigener Recherche existiert derzeit keine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung für Lastabtragende Dämmung mit einer Aufbauhöhe größer als 30 cm. Die zulässige Dämmstärke sollte, aufgrund der hohen Wärmeeinträge über die Bodenflächen, ausgereizt werden.
Der Dachaufbau weist, genauso wie die Außenwände, einen sehr niedrigen U-Wert auf. Die Wirtschaftlichkeit einer weiteren Erhöhung der Dämmstärke wird im folgenden Abschnitt geklärt. In jedem Fall ist eine Minimierung des Absorptionsgrades, durch helle Oberflächen, anzustreben.
Abb. 17: Kosteneinsparungen durch energetische Bauteiloptimierung zeigt die Einsparpotentiale bei Durchführung der in Abb. 16: Mögliche Maßnahmen um die Transmissionseinträge zu verringern, dargestellten Maßnahmen gegenüber dem Ausgangsszenario nach Abb. 15: Transmissionseinträge durch die Bauteiltypen. Die Minimierung der Absorptionsgrade wurde nicht berücksichtigt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 17: Kosteneinsparungen durch energetische Bauteiloptimierung, (eigene Berechnung, vgl. Anlage 4b und 5b)
Bei einer Nutzungsdauer von 15 Jahren können, ohne Berücksichtigung von Inflation, Strompreisentwicklung und Zinsen, nach obigem Diagramm insgesamt zirka 300.000 € in die Maßnahmen investiert werden.
Gebäudeform und Ausrichtung
Neben den einzelnen Bauteilen beeinflusst die Gebäudeform und Ausrichtung den Energiebedarf. Grundsätzlich ist ein möglichst geringes Oberflächen zu Volumen-Verhältnis günstig[14, p. 31]. Um den Zusammenhang zu verdeutlichen werden nachfolgend die Wärmeeinträge für drei Tiefkühllagerhäuser mit unterschiedlichen Abmessungen, bei sonst gleichen Bedingungen, berechnet:
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Der Grundriss der drei Varianten wird mit 100 m x 100 m festgelegt. Die Gebäudehöhe variiert mit 5 m, 15 m und 30 m. Die Wärmeeinträge für die drei unterschiedlichen Gebäudehöhen errechnen sich zu:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 19: Energiebedarf bei unterschiedlichen A/V-Verhältnissen, (eigen Berechnung, vgl. Anlage 2)
Obgleich ausschließlich die Gebäudehöhe variiert, verändern sich die Volumenbezogenen Wärmeeinträge erheblich. Während bei dem 5 Meter hohen Lagergebäude jährliche Wärmeeinträge von 75 kWh/m³ heruntergekühlt werden müssen, sinkt dieser Wert bei einem 30 Meter hohen Hochregallager auf 14 kWh/m³. Der Energieaufwand je Palettenstellplatz ist demnach um 80 % geringer. Versprünge in der Dämmebene durch einzelne, vorgesetzte LKW-Überladeschleusen oder Einhausungen von Verdampfern, die auf das Dach gestellt werden (Penthousekühler), verschlechtern das A/V-Verhältnis und müssen deshalb vermieden werden.
Bei der Entwurfsplanung ist außerdem zu berücksichtigen, dass die Tore für den Waren-Ein- und Ausgang nach Norden ausgerichtet werden. Sie stellen eine Schwachstelle in der Gebäudehülle dar. Die direkte Sonneneinstrahlung ist deshalb zu vermeiden [9, p. 41].
2. Unterfrierschutzheizung
Kontrovers wird in der Tiefkühllogistikbranche das Thema: Unterfrierschutzheizung diskutiert. Sie ist unterhalb der Lastabtragendenden Perimeterdämmung angeordnet und verhindert das Eindringen von Frost in den tragenden Boden. Drei Ausführungsvarianten sind gebräuchlich [19, p. 52]:
a. Strombetriebene Unterfrierschutzheizung
b. Glykol-Wasser Unterfrierschutzheizung
c. Warmluft Unterfrierschutzheizung
Bei der Strombetriebenen Variante wird die Wärme mittels Heizschliefen, die unterhalb der Sauberkeitsschicht ausgelegt werden, erzeugt. Die Wärmebetriebene Unterfrierschutzheizung besteht aus in der Sauberkeitsschicht angeordneten Wasserleitungen, die mit einem erwärmten Wasser-Glykol-Gemisch durchspült werden. Häufig wird zur Erwärmung der Flüssigkeit ein Teil der Abwärme der Kälteanlage genutzt. Selten kommt es zur Ausführung einer Warmluft-Unterfrierschutzheizung. Hier wird entweder das gesamte Gebäude auf Stelzen gestellt, oder es werden Kunststoffrohre in den Boden eingebracht und mit Warmluft beschickt
Abb. 20: Grundriss eines Tiefkühllagerhauses mit Glykol-Unterfrierschutzheizleitungen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 20: Grundriss eines Tiefkühllagerhauses mit Glykol-Unterfrieschutzheizleitungen, veranschaulicht den betriebenen Aufwand, um den Untergrund redundant zu temperieren. Die blauen und roten Schleifen stellen Zu- und Rücklauf von Heizsträngen dar. Sie werden über Regulierventile mit einem, durch die Abwärme der Kälteanlage, erwärmten Wasser-Glykol-Gemisch beschickt. Die Schläuche werden an Bewehrungsmatten befestigt und anschließend mit einer 10 cm dicken Estrichschicht vor Beschädigungen geschützt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 21: Elektrische Unterfrierschutzheizung
Deutlich kostengünstiger (Anlage 6) ist der Einbau einer Elektrischen Unterfrierschutzheizung entsprechend Abb. 21: Elektrische Unterfrierschutzheizung. Die anschlussfertigen Heizmatten werden auf der Sauberkeitsschicht verlegt. Maßnahmen zum Schutz vor Beschädigungen sind bei dieser Ausführungsvariante nicht erforderlich. Die folgende Dampfsperre sowie die darauf liegende Dämmung schützen die Heizleitungen vor äußeren Einwirkungen ausreichend. Die Investitionskosten der elektrischen Variante sind zwar niedriger als die der Wasser-Glykol-Variante, die Betriebskosten könnten diesen Vorteil jedoch über die Gebäudelebensdauer betrachtet, aufheben.
Die folgende Wirtschaftliche Gegenüberstellung der beiden häufigsten Systeme zeigt, dass die hohen Investitionskosten einer Glykol-Unterfrieschutzheizung eine sehr lange Amortisationszeit haben. Erträge und Kosten aus Zinsen sowie Strompreissteigerungen werden in dieser Berechnung nicht berücksichtigt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 22: Gegenüberstellung Glykol- und Elektrische Unterfrierschutzheizung, (eigene Berechnung, vgl. Anlage 6 und Anlage 7)
Die Investitionskosten für die Heizrohre in dem dafür vorgesehenen Estrich unter der Dämmung, sowie die aufwändigen Ventilstationen und der zusätzliche Rohrbündelwärmetauscher sind die Ursache für die lange Amortisationszeit der Glykolheizung. Die Betriebskosten fallen bei der elektrischen Unterfrierschutzheizung aufgrund des höheren Strombedarfs deutlich teurer aus. Die Rückkühlung des Kältemittels, das bei der Glykolheizung durch den Rohrbündelwärmetauscher fließt, muss bei der Variante mit Elektrischer Heizung über die Verflüssiger der Kälteanalge gewährt werden. Damit ist die Pumpenleistung bei beiden Varianten gleich. Die Wartungskosten fallen aufgrund des einfachen Aufbaus bei der Elektrischen Unterfrierschutzheizung deutlich geringer aus. Insgesamt errechnet sich die Amortisationszeit der hohen Investitionskosten für die Glykol-Unterfrierschutzheizung zu 17 Jahren.
Bei dieser Gegenüberstellung wurde der höhere Wärmeeintrag bei ständigem, nicht steuerbarem Betrieb der Glykol-Unterfrierschutzheizung nicht berücksichtigt. Eine Berücksichtigung der dadurch zusätzlich erforderlichen Kühlenergie verlängert die Amortisationszeit weiter [20, p. 44].
Die Behauptung, dass bei ausreichend dicker Perimeterdämmung unter dem Fahrbeton gänzlich auf eine Unterfrieschutzheizung verzichtet werden kann [21, p. 131], ist nur für sehr kleine Tiefkühlhäuser nachvollziehbar [22, p. 21]. Die rechnerische Ermittlung der erforderlichen Dämmstärke, ab der auf eine Unterfrierschutzheizung verzichtet werden kann ist aufwendig. Eine dynamische Berechnung an einem 3-D-Modell ist erforderlich um zu berechnen, ob die Umgebungswärme ganzjährig ausreichend Energie liefert um das gefrieren des Bodens zu verhindern. Die wichtigsten Parameter sind dabei:
- Das Außenklima
- Die Wärmeleitfähigkeit des Bodens
- Die Temperatur im Tiefkühllagerhaus
In jedem Fall ist es sinnvoll die maximal zulässige Dämmstärke von 30 cm auszunutzen und die elektrische Unterfrierschutzheizung temperaturgeführt zu steuern, um Energieverbräuche zu minimieren [22, p. 22]. Die Dämmschicht ist auf 30 cm begrenzt, da aktuell keine Perimeterdämmung mit einer Allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung für eine größere Aufbauhöhe bekannt ist [23, p. 173].
Zusammenfassend sind folgend die Vor- und Nachteile einer Glykol-Wasser-Unterfrieschutzheizung gegenüber einer elektrischen Unterfrierschutzheizung aufgeführt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 23: Vor- und Nachteile einer Glykol-Wasser-Unterfrierschutzheizung, (eigene Darstellung)
Eine statische Berechnung der Temperaturverhältnisse, die sich langfristig unter der Tiefkühlhalle einstellen, ist mit folgenden Vereinfachungen möglich:
- In 10 m Tiefe liegt die Erdtemperatur ganzjährig konstant bei 7 °C
- Der Einfluss der Bebauung auf die Bodentemperatur unterhalb von 10 m wird vernachlässigt
- Die Einflüsse des Außenklimas in den Randbereichen bleiben unberücksichtigt
Bei den genannten Vereinfachungen wird angenommen, dass die Bodentemperatur in 10 m Tiefe konstant 7 °C beträgt. Die von der Sonne eingestrahlte Wärmeenergie einerseits und die terrestrische Wärmeströmung vom Erdinneren zur Erdoberfläche andererseits beeinflussen die als Erdwärme bezeichnete thermische Wärmeenergie. Ab einer Tiefe von etwa 10 m – 20 m endet der Einfluss der Sonneneinstrahlung und der terrestrische Wärmestrom bestimmt die Temperatur [24, p. 6].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 24: Vertikaler Boden-Temperaturverlauf, [25, p. 21]
Die abgebildeten Temperaturverläufe sind standortabhängig und spiegeln den Strahlungseintrag der Sonne wieder. Ab einer Tiefe von 10 m bis 15 m entspricht die im Boden gemessene Temperatur der Jahresmitteltemperatur des Standortes. Neben dem Klima beeinflusst die Konsistenz des Bodens die genauen Verläufe der Kurven [25, p. 21].
Für die statische Berechnung der Temperatur unter der Bodenplatte wird ausgeblendet, dass die Bebauung den Sonnenstrahlungseintrag im Bereich des Gebäudes verhindert und dadurch eventuell die Bodentemperatur sinkt. Es wird davon ausgegangen, dass der terrestrische Wärmestrom ausreichend Energie liefert um in 10 m Tiefe 7 °C zu erhalten.
Auf allen vier Seiten der TK-Halle grenzt die Bodenplatte größtenteils an Außenklima, weil das Geländeniveau gegenüber dem Bodenplattenniveau um 0,50 m bis 2,00 m abgesenkt ist.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 25: Einflüsse auf die Bodentemperatur im Randbereich, (eigene Darstellung)
Im Randbereich liegt an der Bodenplatte also nicht die konstante Erdreichtemperatur von 7 °C in 10 m Tiefe an, sondern die stark schwankende Außentemperatur. An dieser Stelle sollte der Untergrund in den Wintermonaten mit einer Unterfrierschutzheizung erwärmt werden. Um den Wärmebedarf so gering wie möglich zu halten ist die Perimeterdämmung möglichst stark auszubilden.
Im folgenden Abschnitt wird berechnet, welche Dicke die Dämmung unterhalb der Bodenplatte aufweisen muss, damit keine Unterfrierschutzheizung erforderlich ist, sondern die Erdwärme ausreichend Energie liefert um mindestens positive Bodentemperatur unter dem Kiesfilter zu gewähren.
Dabei werden vier Szenarien betrachtet:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
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