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Artikel

CIBSE-Fallstudie London Olympic Park Energy Center

--CIBSE 15.30, 29. Juli 2014 (BST)

Artikel aus der August-Ausgabe 2011 des CIBSE-Journals von Andy Pearson.

Einführung

Mit der Entwicklung von Stratford im Osten Londons wurde nicht nur der Olympiapark, sondern auch ein Fernwärmesystem geliefert, das von zwei innovativen Energiezentren angetrieben wird.

Bis zum Beginn der Olympischen und Paralympischen Spiele in London ist noch ein Jahr vergangen, aber bereits das Erbe der Spiele 2012 ist für eine Wohnsiedlung im Osten Londons offensichtlich. Ein Energiezentrum, das gebaut wurde, um ein effizientes, kohlenstoffarmes Heiz- und Kühlsystem für die Spiele und die langfristige Regeneration des Gebiets im gesamten Olympiapark zu bieten, liefert bereits ein Genesis-Gehäuse mit fünf Wohnblöcken, einer Pflegeeinheit, Geschäftsräume und Einzelhandelsgeschäfte neben dem Standort.

Das Fernwärmenetz ermöglicht kohlenstoffarmes Heizen und Kühlen von zwei hochmodernen Energiezentren, die kombinierte Kühl-, Wärme- und Stromsysteme (CCHP-Systeme) und Biomassekessel enthalten. Die als Kings Yard und Stratford City bekannten Zentren und das dazugehörige Netz von Heiz- und Kühlnetzen wurden vom Energieversorger Cofely, einem Geschäftsbereich von GDF Suez, im Rahmen eines Ausschreibungsverfahrens zu einem Preis von £ 113 Mio. geplant, gebaut und finanziert.

Das Kings Yard-Energiezentrum westlich des Olympiaparks ist das größere der beiden Pläne. Es versorgt das nationale Netz mit Strom und heizt und kühlt die permanenten und temporären olympischen Austragungsstätten des Parks sowie das Olympische Dorf. Das Energiezentrum in Stratford City wird auch Strom für das Netz liefern, aber die Wärme- und Kälteenergie wird hauptsächlich für das Westfield-Einkaufszentrum und die dazugehörigen Geschäfts- und Büroentwicklungen am Eingang des Parks bereitgestellt.

Die Entwicklung des größten im Vereinigten Königreich zu errichtenden Fernenergiesystems, das rechtzeitig und mit ausreichender Kapazität für den Olympiapark und den angrenzenden Einzelhandelspark errichtet wurde, war nur ein Teil der Aufgabe. Ebenso wichtig ist, dass nach Abschluss der Spiele die Energiezentren in den nächsten 40 Jahren von Cofelys spezialisiertem Geschäftsbereich Cofely District Energy weiterentwickelt und betrieben werden, um die Legacy-Gebäude des Parks und die umgebenden Entwicklungen mit geringem Aufwand zu versehen Kohleheizung und -kühlung. Die Herausforderung besteht darin, dass der Energiebedarf der Parkanlagen während der Spiele bekannt ist, der zukünftige Energiebedarf der Altbauten des Parks ist jedoch weniger gut definiert.

Derzeitige Anlageninstallation und zusätzliche Ausrüstung, die für die Zeit nach den Olympischen Spielen geplant sind, und Kapazitäten (MW)

Modulares Design

Der Ansatz bestand darin, die Energiezentren in einem modularen Format zu konzipieren und zu bauen, damit in Zukunft Anlagen hinzugefügt werden können, sobald die Altlasten bekannt sind. Der Versorger hatte zwei Jahre nach Baubeginn Zeit, um die beiden Energiezentren und das standortweite Netz von 16 km Heizungs- und Kühlungsrohrleitungen zu bauen.

Beide Energiezentren sind in Gebäuden untergebracht, die vom Architekten John McAslan & Partners entworfen wurden. Bei den Zentren handelt es sich um große, braune rechteckige Kästen, die in ein Geflecht aus vorrosteten, perforierten Fassadenplatten mit einem 45 m hohen Turm an einem Ende der Kesselkamine eingehüllt sind. Die verrostete Fassade wurde erst installiert, nachdem die wichtigsten Elemente auf dem Stahlrahmen des Gebäudes positioniert waren. Um die Installation künftiger Anlagen zu ermöglichen, wurden Teile der Gebäudehülle leicht entfernt.

Innerhalb des gigantischen Kings Yard-Energiezentrums ist der modulare Ansatz des Schemas sofort ersichtlich. Angrenzend an die beiden riesigen 20-MW-Zweistoffkessel für Gas- / Ölbrennstoff bieten drei weitere Kessel Platz. Alle Rohrleitungen und Rauchabzüge sind vorhanden, so dass in Zukunft Kessel mit minimaler Störung hinzugefügt werden können, während das System unter Spannung steht. Gleich neben dem 3, 3-MW-Gas-Blockheizkraftwerk (BHKW) befinden sich die Rohrleitungsanschlüsse in vier leeren Schächten, falls erforderlich, für weitere Einheiten. Im Sommer, wenn der Heizbedarf geringer ist, kann die aus den BHKWs gewonnene Wärme für den Betrieb einer 4-MW-Absorptionskältemaschine verwendet werden. Selbst wenn der Absorptionskühler nicht läuft, können zwei 7-MW-Kühler auf Ammoniakbasis für die Kühlung sorgen. Wieder wurde Platz für eine zusätzliche zukünftige Kältemaschine bereitgestellt. Die Wasserkühlmaschinen leiten die Wärme über fünf Dachkühltürme ab.

Während der Spiele wird die Hauptnachfrage nach Kühlung vom International Broadcast Center und der Handball Arena kommen. Nach den Spielen wird die Handball Arena zu einem Community-Sportzentrum, aber die große und bislang unbeantwortete Frage lautet: Was wird mit dem Broadcast Center, insbesondere hinsichtlich der Nutzung der installierten Kühlkapazität?

Um sicherzustellen, dass die Kühlung auch unter leichten Lastbedingungen effizient bereitgestellt werden kann, umfasst der Kühlwasserkreislauf einen riesigen zylindrischen Kühlwasserpufferbehälter. Der 750-Kubikmeter-Behälter erhöht die Kapazität des Kühlwassersystems um 4, 7 MWh, so dass die Ammoniak- oder Absorptionskältemaschinen bei niedrigen Lasten ohne Unterbrechung laufen und den Behälter beladen können. Ein ähnliches System arbeitet im Heißwasserkreislauf, wobei der Pufferbehälter mit einer Kapazität von 27, 5 MWh den unterbrechungsfreien Betrieb des BHKW und der Riesenkessel des Systems ermöglichen soll. Ein dritter Tank enthält aufbereitetes Zusatzwasser für das Warm- und das Kühlwassersystem. Die riesigen Tanks befinden sich außerhalb des Gebäudes neben der östlichen Fassade.

Die derzeit installierte Leistung der Anlage beträgt 46, 6 MW Heizung, 18 MW Kühlung und bis zu 6, 68 MW elektrische Leistung, abhängig von den Lasten. Wenn die gesamte Anlage installiert ist, wird das Energiezentrum das Potenzial haben, bis zu 122, 5 MW Heizung, 25 MW Kühlung und 10, 02 MW elektrische Energie zu erzeugen.

Im Gegensatz zu Kings Yard verfügt das Energiezentrum von Stratford City über keine freie Kühlkapazität und eine geringere zukünftige Kapazität für die Wärmeerzeugung, da das Energiezentrum hauptsächlich für die Erfüllung der bestehenden Kühl- und Heizlasten des neuen Westfield Shopping Centers und der dazugehörigen Büroentwicklung errichtet wurde . Dieses Energiezentrum verfügt über zwei 3, 3-MW-KWK-Motoren. eine 4 MW Absorptionskältemaschine; fünf 7-MW-Ammoniak-Kühler; und zwei 20 MW Doppelbrennstoff-Gas- / Ölkessel. Damit haben sie eine Stromleistung von 46, 2 MW Wärme und 39 MW Kühlung sowie bis zu 3, 34 MW elektrische Leistung, je nach Last.

Das Energiezentrum in Stratford City kann mit einem zusätzlichen Heizkessel und zwei BHKW-Motoren weitere 26, 2 MW Wärme hinzufügen. Die Gesamtkapazität des Centers wurde durch einige Redundanzen erweitert, so dass die Systeme auch dann ununterbrochen laufen können, wenn Anlagen zur Wartung offline sind.

Die beiden Energiezentren haben das Potenzial, insgesamt 194, 9 MW Wärme, 64 MW Kühlung und 30 MW elektrische Energie zu liefern. Es wurde vereinbart, die CO2-Emissionen im Jahr 2012 aufgrund der KWK-Dienste um 20% zu senken und 2013 auf 30% zu steigern. Bei Vollbetrieb kann die Regelung bis zu 12.000 Tonnen CO2 pro Jahr einsparen im Vergleich zu herkömmlichen Energieversorgungen.

Verknüpfen

Während die Energiezentralen für einen unabhängigen Betrieb konzipiert wurden, verbinden zwei riesige Heizungsnetze die beiden Gebäude. Dadurch kann die Heizanlage unter Lastbedingungen effizient betrieben werden. Derzeit werden die Wärmelasten von Kings Yard geliefert. Da jedoch mehr Veranstaltungsorte fertiggestellt sind und die Wärmelasten mit dem Herangehen der Spiele ansteigen, wird die Kapazität schrittweise online gestellt, bis jedes Zentrum mit der Auslegungskapazität arbeitet.

Unterstationen befinden sich strategisch im Netz, um die Räume mit Heizung und Kühlung zu versorgen. Diese auf einem Gestell montierten Einheiten wurden im Werk Milton Keynes vorgefertigt und umfassen einen oder zwei Wärmetauscher, je nachdem, ob Heizung und / oder Kühlung vorgesehen sind, wobei Bedienelemente und Leitungen angebracht sind. Ein Sekundärkreislauf überträgt Wärme von der Unterstation zum Verbraucher. Insgesamt wurden 75 Umspannwerke installiert, die sowohl den permanenten als auch den temporären olympischen Austragungsorten und den Altanlagen dienen.

Das Netzwerk arbeitet als regelbarer Temperaturkreis mit variablem Volumen, dessen Volumen durch Änderung der Drehzahl der Umwälzpumpen variiert wird. Das System ist so eingerichtet, dass es einen Differenzdruck am Indexpunkt aufrechterhält, der den Druckpunkt darstellt, der am weitesten vom Energiezentrum entfernt ist. In der Realität bedeutet dies, dass zwischen Druck- und Rücklaufleitung eine ausreichende Druckdifferenz besteht, um das Heiz- oder Kühlwasser an dieser Stelle durch den Wärmetauscher zu drücken.

Neben den zwei von McAslan entworfenen Gebäuden umfasst das Kings Yard-Projekt ein denkmalgeschütztes Edwardian-Gebäude, das renoviert wurde. Dies ist das einzige erhaltene Gebäude des Olympiaparks; Es befindet sich neben dem Energiezentrum und wird einen 3, 5 MW-Biomassekessel und einen Holzschnitzelspeicher beherbergen sowie den Raum für ein zukünftiges Besucherzentrum bieten. Der Heizkessel soll Ende 2011 betriebsbereit sein. Derzeit wird nach einem Holzschnitzellieferanten gesucht, der die Nachhaltigkeitskriterien der Olympic Delivery Authority (ODA) erfüllt. In Zukunft ist Platz für einen zweiten Biomassekessel vorhanden. Ein 16 km langes Netz vergrabener Leitungen sorgt für Fernwärme und -kühlung im gesamten Olympiapark (siehe Kasten).

Das Heizungsnetz arbeitet bei Temperaturen von 95 ° C Vorlauf 55 ° C, während das Kühlwassernetz bei 6 ° C Vorlauf und 12 ° C Rücklauf arbeitet.

Legacy-Schemata

Ein Schema dieser Größenordnung ist nicht billig. Die Kosten für die neuen Energiezentren und Fernwärmenetze wurden von Cofely finanziert, der ihre Investitionen durch die langfristigen Betriebsrechte der neuen Infrastruktur zurückerhalten wird.

Derzeit steigt der Energiebedarf an, während die Vorbereitungen für die Spiele zunehmen. Die Spiele und die Paralympics werden eine achtwöchige Nachfragespitze liefern. Nach den Spielen sinkt die Nachfrage für etwa ein Jahr, während die temporären Veranstaltungsorte entfernt werden. Die verbleibenden Veranstaltungsorte werden in alte Gebäude umgewandelt, und das Dorf des Athleten wird in Häuser umgewandelt.

Das erste Erbe, das wahrscheinlich nach den Spielen errichtet wird, wird eine Wohnsiedlung sein, die auf dem Gelände der temporären Basketballarena errichtet wird. Kritisch hat sich die für diesen Bereich geplante Entwicklungsmischung geändert. Ursprünglich war geplant, ein Wohngebäude mit hoher Dichte mit 12.000 Häusern zu entwickeln, die sich hauptsächlich in Hochhäusern befinden.

Die Vorschläge haben sich jedoch dahingehend geändert, dass das System jetzt 5.000 weniger Insassen hat und einen höheren Anteil an Familienwohnungen mit geringerer Dichte aufweist. Aufgrund des Umfangs der benötigten Fernenergieleistung und der damit verbundenen hohen Wärmeverluste sind Wohnungen mit niedriger Dichte aus Fernwärmeperspektive traditionell unhaltbar. Es werden jedoch Optionen geprüft, um sicherzustellen, dass das System auf möglichst effiziente Weise miteinander verbunden ist.

Es wäre ideal, wenn nach den Spielen neue Entwicklungen mit einer hohen Wärmelast auf den Standort gezogen werden. Das Energiezentren-System ist wärmegeführt, was bedeutet, dass der Energieversorger Wärme verkaufen muss, um den Betrieb der KWK- und Biomassekesselanlagen zu ermöglichen und die Kohlenstoffintensität der zugeführten Wärme zu reduzieren. Die idealen Unternehmen, die sich auf dem Gelände niederlassen möchten, sind Hotels, Freizeit- und Gesundheitseinrichtungen, da sie hohe Warmwasserbelastungen haben. Es ist auch hilfreich, wenn die Lasten in Gruppen zusammengefasst werden, um das Rohrleitungsnetz zu minimieren. Es ist auch vorteilhaft, wenn die Lasten aus einer Vielzahl von Unternehmen stammen, um die Nachfrage den ganzen Tag über auszugleichen.

Das Projekt wurde bei seiner Mission zum Verkauf von Wärme unterstützt, indem der Olympiapark zum "Exklusivitätsbereich" erklärt wurde. Diese Bezeichnung berechtigt den Energieversorger, der einzige Anbieter von Heizung und Kühlung am Standort zu sein. Es wurde eine "Preissteuerungsformel" eingeführt, um den Preis zu regulieren, zu dem Wärme verkauft werden kann, um sicherzustellen, dass die Kosten für den Endverbraucher niedriger sind als bei herkömmlichen Mitteln.

Ursprünglich beinhaltete der Projektgeschäftsplan den Verkauf von 20% der Heizkapazität der Energiezentren außerhalb der Parkgrenze. Nach Änderungen an den alten Plänen dürfte sich diese Zahl jedoch erhöhen. Die der Genesis Housing Group zugeführte Wärme ist die erste Anlage außerhalb der Grenzen des Olympiaparks, die vom Fernwärmenetz profitiert.

Rohrleitungsinstallation des Heiz- und Kühlnetzes

Eines war sicher: Das 16 km lange Fernwärmenetz für Fernwärme und -kühlung, das die beiden Energiezentren mit den olympischen Austragungsstätten verbindet, musste für die Spiele eingerichtet werden. Diese Leistung war nur in den zwei Jahren vom Baubeginn bis zum Betrieb möglich, da die gesamte Installation in 3D modelliert wurde (siehe Design: 3D-Modellierung).

Es war nicht genügend Zeit, um auf die Errichtung der Veranstaltungsorte zu warten und den Standort zu gestalten, bevor das Heiz- und Kühlnetz installiert wurde. Stattdessen wurde das Stromnetz abschnittsweise installiert, sobald Flächen verfügbar wurden. Es war eine herausfordernde Operation, bei der das Hauptnetz unter Eisenbahngleisen und über Brücken führte, um alle Veranstaltungsorte des Parks zu erreichen. Im Laufe der Zeit wurden diese Abschnitte schrittweise zusammengefügt, sobald weitere Bereiche der Website zur Verfügung standen, bis das Netzwerk fertiggestellt war.

Das Netz besteht aus vorisolierten Kohlenstoffstahlrohren mit 50 mm Polyurethan-Isolierung, die in einer Polyethylen-Außenhülle eingeschlossen sind. Die Rohre haben ein eingebautes Leckerkennungssystem. Die Rohre wurden in Längen von 12 m mit Durchmessern von bis zu 400 mm installiert und miteinander verschweißt. Sobald die Leckalarmkabel verbunden wurden, wurde ein Muff um die Rohrverbindung gewickelt und eine Isolierung in den vom Muff erzeugten Hohlraum eingespritzt.

Die Rohre sind so eingegraben, dass die Oberseite des Rohrs mindestens 1 m unter der Oberfläche liegt. Durch die Verwendung von vergrabenen Rohrleitungen sind die Netzwerkverluste mit einem Temperaturabfall von etwa 1 ° C pro Kilometer gering. Der Vorteil der Website besteht darin, dass nur wenige verdeckte Hilfsprogramme zu vermeiden waren. Allerdings war der Boden nicht immer auf dem fertigen Niveau, da der Standort noch immer neu konfiguriert wurde. Infolgedessen mussten einige Rohre über 2 m auf temporären Stützen über dem Boden installiert werden, bis das endgültige Bodenniveau festgelegt war.

Design: 3D-Modellierung

Das Projektdesign-Team verwendete 3D-Pakete, um das Schema zu entwickeln und die Energiezentren virtuell zu bauen, bevor mit dem Bau begonnen wurde.

Das Design wurde unter Verwendung einer Vielzahl von Softwarepaketen entwickelt, darunter AutoCAD 2010, AutoCAD MEP und 3D CADduct. Zur Montage der Energiezentren wurde das Stahlwerkslayout vom Hersteller importiert. Das bestehende Edwardianische Gebäude, in dem sich der Biomassekessel befindet, wurde jedoch anhand von 2D-Zeichnungen in AutoCAD modelliert, bevor er in ein Designpaket importiert wurde. Das Schema wurde in AutoCAD gezeichnet, wobei CADduct nebeneinander liege, sodass die Entwickler auf die CADduct-Bibliothek für Rohrformstücke und andere Dienste zugreifen konnten. Die größeren Anlagenteile wie die Kessel wurden vom CAD-Team modelliert und in die Konstruktion importiert.

Um das Modell zu rendern, wurde Navisworks verwendet. Die Designer verwendeten das gerenderte Modell, um das Design anzuzeigen und auf Kollisionen visuell zu prüfen oder Kollisionserkennungssoftware auszuführen. Das Modell wurde auch verwendet, um Lieferwege für die Installation zukünftiger Anlagen zu ermitteln. Sobald die Designer mit einem Schema zufrieden waren, wurde es zusammen mit dimensionierten Abschnitten und Plänen als Modell veröffentlicht. Diese werden als PDF-Dateien erstellt und in einer Projectwise-Datenbank veröffentlicht, sodass die Unterauftragnehmer auf die aktuelle Zeichnung zugreifen können.

Neben dem Energiezentrum wurde das Rohrleitungsverteilungsnetzwerk in 3D modelliert, indem Bodendaten importiert und in ein Modell des Standorts umgewandelt wurden. Das Modell verfügt über alle 75 Unterstationen, damit Teams, die an einzelnen Gebäuden arbeiten, die Verbindung zum Heizungsnetz modellieren können. Dieses Modell wurde in das Olympic Delivery Graphic Information System-Modell der Website hochgeladen.


Ein 3D-Bild, das in lila die Gantry mit den Biomassekesselabgasen zeigt, die das vorhandene Gebäude mit dem neuen Energiezentrum des Olympiaparks verbinden. Dachkühltürme sind in rot und die Pufferspeicher hinten in braun dargestellt.

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