Aufrufe
vor 3 Jahren

11 | 2015

EnergieForum Effiziente

EnergieForum Effiziente Nahwärmenetze durch optimierte Dimensionierung Wärmeverluste verringern, Überdimensionierung vermeiden NETZPLANUNG | Viele wirtschaftliche Versorgungslösungen mit Nahwärme lassen sich durch Ausschöpfen von Effizienzpotenzialen bei der Netzplanung auch außerhalb der verdichteten Bebauung in Städten umsetzen. Dafür sind die Qualität des Planungsprozesses und die Auswahl der optimalen System bestandteile ausschlaggebend. Die sichere Versorgung mit Wärme steht an erster Stelle, darf aber nicht dazu führen, dass hohe Verluste die Wärmegestehungskosten in die Höhe treiben. Bei der Dimensionierung von Nahwärmenetzen gilt es, Effizienzpotenziale zu heben. Bilder (5): Rehau hand von fünf konkreten, in der Praxis bewährten Maßnahmen nachvollziehen. Stets im Fokus steht der Leitgedanke „Überdimensionierung vermeiden“. Größere Temperaturspreizung, geringere Rohrleitungsdimension Grundlage für die eigentliche Rohrleitungsdimensionierung sind die erforderlichen Volumenströme, die sich aus der Netzstruktur, dem Wärmebedarf der anzuschließenden Gebäude und einer Fixierung der Vor- und Rücklauftemperatur ergeben. Die Temperaturspreizung als Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur sollte dabei so groß wie möglich sein, um die Leitungsdimension so gering wie möglich halten zu können. Das Heizsystem des zum Anschluss an ein Wärmenetz vorgesehenen Gebäudes spielt dabei eine entscheidende Rolle, insbesondere der hydraulische Abgleich der Heizkreise. Ist dieser nicht oder nur unzureichend vorhanden, kommt es zu hohen Rücklauftemperaturen im Heizkreis wie auch im Nahwärmenetz. Eine Erhebung aus dem Jahr 2012 verdeutlicht, dass acht von zehn Heizungsanlagen hydraulisch ineffizient eingestellt sind und betrieben werden 1 ). Eine Energiegenossenschaft im Landkreis Würzburg, die ein Wärmenetz seit 2013 betreibt, zeigt, dass es anders geht. Die Umsetzung des hydraulischen Abgleichs bei den an das Wärmenetz angeschlossenen Gebäuden ist der wesentliche Erfolgsfaktor, um das Netz mit Rück- Nahwärmenetze müssen unter Beachtung von Effizienzkriterien konzipiert und dimensioniert werden. So können sie von den Energieversorgern langfristig wirtschaftlich betrieben werden und den Abnehmern gleichzeitig die Versorgung mit Wärme garantieren. Dabei gilt: je geringer die Wärmeverluste, desto höher die Effizienz. Effizienzpotenziale bei der Netzkonzeption und -planung wurden in der Vergangenheit vielfach nicht oder nur in geringem Umfang ausgeschöpft. Die Folge: überdimensionierte Netze mit Wärmeverlusten bis 25 % trotz teilweise hoher Wärmebedarfsdichten. Unter energetischen und wirtschaftlichen Aspekten sind der Betrieb derartiger Netze ineffizient und die Kosten für die Wärmegestehung unnötig hoch. In der Regel gilt eine Wärmebedarfsdichte von 1,5 MWh/(m ∙ a) als Mindestanforderung. In Stadtrandlagen und im ländlichen Raum wird diese Bemessungsgrenze jedoch häufig nicht erreicht. Dennoch können Nahwärmenetze an solchen Standorten sinnvoll und wirtschaftlich sein, insbesondere dann, wenn dort (Ab-)Wärmequellen vorhanden oder günstig zu erschließen sind. Entscheidend dabei ist, die Wärmeverluste möglichst gering zu halten. Dies gelingt durch eine intelligente Konzeption des Netzes, das Ausschöpfen der Effizienzpotenziale im Rahmen der Planung und Auswahl der passenden Systembestandteile. Wie dies bewerkstelligt werden kann, lässt sich anlauftemperaturen von 40 °C betreiben zu können. Bei einer Vorlauftemperatur von 75 bis 80 °C wird somit eine Temperaturspreizung von 35 bis 40 K im Netz erzielt (Bild 1). Immobilien in vergleichbaren Netzen, deren Heizungssystem ohne hydraulischen Abgleich betrieben werden, führen zu deutlich höheren Rücklauftemperaturen und einer Temperaturspreizung von maximal 20 K. Bei einer Netzauslegung mit einer Spreizung von 35 bis 40 K kann im Vergleich zu Werten von 20 K die Leitung im Wärmenetz deutlich kleiner dimensioniert werden. Daraus folgen geringere Wärmeverluste und vor allem auch eine Reduktion der Investitionskosten für Material und Verlegung. Tabelle 1 zeigt dazu ein Beispiel zum Transport einer Leistung von 300 kW. Für den Hausbesitzer gilt darüber hinaus: Nach durchschnittlich 3,5 Jahren amortisiert sich die Investition eines hydraulischen Abgleichs ganz unabhängig vom Anschluss an ein Wärmenetz durch den geringeren Wärme- beziehungsweise Brennstoffverbrauch 2 ). Ermittlung der Gleichzeitigkeitsfaktoren In der Praxis werden Rohrleitungen oft überdimensioniert, da bei der Berechnung der erforderlichen Größe die gleichzeitige maximale Leistungsbreitstellung für alle Anschlüsse zugrunde gelegt wird. Dies tritt 1 ) www.co2online.de, 2012. 2 ) www.meine-heizung.de. 44 BWK Bd. 67 (2015) Nr. 11

EnergieForum Bild 1 Temperaturverlauf Vorlauf und Rücklauf mit Spreizung von 35 bis 40 K; 20. bis 22. November 2014. Wärmeleistung kW 300 300 Vorlauf-/Rücklauf-Temperatur °C 80/60 80/50 Temperaturspreizung K 20 30 mittlere Betriebstemperatur °C 70 65 Gewählte Rohrleitungsdimension (PMR) Duo 75 · 6,8/202 Duo 63 · 5,8/182 spezifischer Druckverlust etwa Pa/m 190 215 Strömungsgeschwindigkeit etwa m/s 1,2 1,2 Wärmeverluste 1) W/m 16,8 13,1 % 100 78 1) Angaben gemäß Technischer Information Rehau, Stand März 2014 Tabelle 1 Beispiel Rohrleitungsdimension und Wärmeverluste bei Temperaturspreizung 20 vs. 30 K. in der Realität praktisch nie auf, da zum Beispiel das Nutzerverhalten in den einzelnen Gebäuden sehr unterschiedlich ist. Daher kann die Summe aller einzelnen Leistungen um den Gleichzeitigkeitsfaktor reduziert werden. Gleichzeitigkeitsfaktoren liegen – je nach Anzahl der Anschlussnehmer – nach bisherigen Erfahrungswerten und Berechnungen bei 0,9 bis 0,7, bei Einsatz dezentraler Speicher sind sogar Werte bis 0,5 möglich. Das heißt, berücksichtigt man bei der Planung einen Wert von 0,7 an Stelle von 1,0, reduziert sich die Wärmeleistung um 30 %, und die Rohrleitung kann entsprechend kleiner dimensioniert werden. Zur Ermittlung des Gleichzeitigkeitsfaktors wird jeder Trassenabschnitt des Wärmenetzes einzeln danach analysiert, wie viele Gebäude über diesen Strang zu versorgen sind und welcher Faktor hier angewendet werden kann. Der Gleichzeitigkeitsfaktor des Trassenabschnitts direkt an der Heizzentrale ist am kleinsten und dient auch zur Bestimmung der in der Heizzentrale bereitzustellenden maximalen Wärmeleistung. Bild: CDE, Christian Deml Engineering Bild 2 Netzstruktur mit Hauptstrang (kritischer Pfad) und Nebensträngen. Minimierung der Leitungs - dimension in Nebensträngen Durch Minimierung der Leitungsdimensionen der Nebenstränge kann eine weitere Reduktion von Investitions- und Betriebskosten erzielt werden: Ist die Netzstruktur unter Einbeziehung aller Parameter und Randbedingungen ermittelt, gilt es, den kritischen Pfad zu bestimmen. Dieser wird als Hauptstrang bezeichnet. Daneben finden sich im Trassenverlauf weitere in der Regel kürzere Stränge, die Nebenstränge (Bild 2). Bei diesen Nebensträngen liegt der Ansatz zur Optimierung: Leitungsquerschnitte können in einem iterativen Prozess soweit minimiert werden, bis maximal zulässige Grenzgeschwindigkeiten erreicht werden beziehungsweise der Druckverlust in einem Nebenstrang das Niveau des Druckverlustes im Hauptstrang erreicht. In den optimierten Nebensträngen resultieren daraus deutlich höhere spezifische Druckverluste, die jedoch ohne Auswirkung auf die Pumpenauslegung bleiben, gepaart mit geringeren Wärmeverlusten aufgrund kleiner gewählter Rohrleitungsdimensionen. Immobilien, die nachträglich an das Netz angeschlossen werden sollen, sind bei diesem Prozess einzubeziehen. Uno- versus Duo-Leitungen Nahwärmenetze weisen immer eine Vorlauf- und eine Rücklaufleitung auf, die im Erdreich verlegt sind. Maßgebend für die Wärmeabgabe von den Rohrleitungen an das umgebende Erdreich ist die Größe der wärmeaustauschenden Fläche. Mit den zuvor beschriebenen Maßnahmen wurde die Medienleitung bereits so klein wie möglich dimensioniert. Die Reduktion der wärmeaustauschenden Fläche gelingt darüber hinaus durch die Zusammenfassung von zwei Medienleitungen in einem Rohraußenmantel, einer so genannten Duo-Leitung. Die wärmeabgebende Fläche wird durch diesen Zusammenschluss minimiert (Bild 3). Zunehmend finden Duo-Leitungen bei Wärmenetzplanern Berücksichtigung, doch auch Uno-Leitungen werden aufgrund ihrer größeren Flexibilität beziehungsweise des kleineren Rohraußendurchmessers und den daraus resultierenden Vorteilen bei der Verlegung weiterhin häufig eingesetzt. Die flexiblen polymeren Rohrleitungssysteme, wie die von Rehau, weisen im Rohraußenmantel eine Wellenstruktur auf, durch die der Kraftaufwand beim Verlegen gering gehalten wird. Diese Struktur lässt eine Verlegung mit sehr kleinen Radien zu. Rohrdimensionen bis zur Abmessung d75 können so als Duo- Leitung eingesetzt werden. Je nach Abmessung sind die spezifischen Wärmeverluste von Duo-Leitungen verglichen mit Uno-Leitungen 30 bis 35 % geringer. Weiteres Einsparpotenzial liegt in den geringeren Tiefbaukosten, da der Graben für eine Duo-Leitung schmaler gehalten werden kann als für zwei Einzelleitungen. Verstärkte Dämmung zahlt sich aus Im Erdreich verlegte Rohrleitungssysteme lassen sich durch Ummantelung mit BWK Bd. 67 (2015) Nr. 11 45

Ausgabenübersicht