Planungstool für Gebäude & Quartiere

Dimensionierung und Auslegung von kalten Nahwärmenetzen

Die Dimensionierung und Auslegung von kalten Nahwärmenetzen ist komplexer als bei normalen Wärmenetzen. Auf dieser Seite geben wir einen Überblick, was bei der Berechnung und Simulation beachtet werden muss.

Was muss bei der Planung für ein Quartier mit kaltem Nahwärmenetz beachtet werden?

Es gibt einige Planungsschritte, die in den meisten Quartiersprojekten durchgeführt werden. Die Planungsschritte werden dabei nicht nacheinander und einmalig sondern iterativ und mehrfach durchlaufen und so die Systemauslegung nach und nach verfeinert.

  • Energiebedarfe: Erstellung einer Übersicht mit allen zu versorgenden Gebäuden und ggfs. Erstellung von Bedarfsprofilen für Simulationsrechnungen
  • Gesamtbedarfe berechnen: Vereinfachte Berechnung der zu deckenden Wärme- und Kältebedarfe des gesamten Quartiers (Last an der Energiezentrale)
  • Wärmequellen: Analyse, welche Wärmequellen zur Verfügung stehen und genutzt werden sollen
  • Energetische Simulation und vereinfachte Netzberechnung: Um die technische Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit eines Quartiersenergiesystems sicherzustellen, wird empfohlen eine energetische Simulation durchzuführen. Die Simulationsergebnisse können genutzt werden, um die Dimensionierung der Energiezentrale oder benötigten Auslegungsleistungen der Wärmequellen zu ermitteln.
  • Auslegung der Energiezentrale: Je nach Wärmequellen ist die Planung der Energiezentrale, welches das kalte Nahwärmenetz versorgt, mehr oder weniger aufwendig. Die Frage nach der optimalen Dimensionierung von thermischen Speichern (Wärmespeicher und/oder Kältespeicher) ist hierbei eine der komplexesten Fragestellungen.
  • Netzplanung: Die Planung des Wärmenetzes umfasst Entscheidungen zum Trassenverlauf, zur Rohrdimensionierung und zur Auswahl eines geeigneten Rohrtyps.

Planung des Wärmenetzes: Netztopologie und Trassenverlauf

Für die Planung eines kalten Nahwärmenetzes sind eine Vielzahl unterschiedlicher Aspekte zu berücksichtigen. Zum einen ist die Wahl einer geeigneten Netztopologie eine grundlegende Entscheidung. In den meisten Fällen werden Sternnetze geplant, welche sich ausgehend von der Energiezentrale in einer Baumstruktur immer stärker verästeln und so jedes Gebäude erreichen. Alternativ kann je nach geographischen Gegebenheiten des Quartiers auch ein Ringnetz vorteilhaft sein. Bei Ringnetzen existiert ein geschlossener Ring aus warmem und kaltem Leiter, von dem aus Äste zu den Gebäuden abgehen. Der Vorteil des Ringnetzes im Vergleich zu einem Sternnetz ist, dass es eine höhere Redundanz aufweist und daher eine höhere Resilienz gegen Ausfälle einzelner Stränge. Auch die Frage, ob in Zukunft noch weitere Gebäude oder Quartiere an das Wärmenetz angeschlossen werden sollen, ist wichtig bei der Beantwortung einer optimalen Netztopologie und eines geeigneten Trassenverlaufs.

Simulation von Energiebedarfen

Eine wichtige Grundlage für die energetische Simulation und Optimierung von Quartiersenergiesystemen im Allgemeinen und kalten Nahwärmenetzen im Speziellen sind Energiebedarfsprofile. Energiebedarfe sollten hierbei für Wärme, Kälte und Strom erstellt werden sowie alle anderen relevanten Wärmequellen oder -senken. Häufig werden Profile für ein einzelnes Jahr mit einer zeitlichen Auflösung von einer Stunde verwendet. Dies ermöglicht die Berücksichtigung von Schwankungen in der Energieerzeugung durch erneuerbare Energien (Photovoltaik, Windenergie, Solarthermie) sowie von den Energiebedarfen. Energiebedarfsprofile können in nPro für alle wichtigen Energieformen erzeugt werden: Raumwärme, Trinkwarmwasserbedarfe, Raumklimatisierung, Prozesskälte, Nutzerstrom/Allgemeinstrom sowie Ladeprofile für Elektromobilität. Während für die Planung von herkömmlichen Wärmenetzen häufig nur Raumwärme- und Trinkwarmwasserbedarfe relevant sind, sind für die Konzeptionierung von sektorübergreifenden Energiesystemen alle auftretenden Energiebedarfe des Quartiers von Bedeutung.

Simulation von kalten Nahwärmenetzen

Um die thermo-hydraulischen Verhältnisse (Drücke und Temperaturen an verschiedenen Stellen des Netzes und Zeitpunkten im Jahr) zu analysieren und damit die Netzauslegung zu optimieren, werden häufig Wärmenetzsimulationen durchgeführt. Diese können meist jedoch erst in der Feinplanung eines Quartiers erfolgen, da hierfür eine Vielzahl von Eingabeparametern notwendig sind. Beispielsweise müssen der Trassenverlauf und die Rohrdurchmesser bekannt sein. Ferner sind Angaben zum verwendeten Rohrtyp, Wärmeträgerfluid und geplanten Netzpumpen notwendig. Da diese Angaben in der frühen Planungsphase von Quartieren nicht verfügbar sind, wird im nPro-Tool eine quasi-statische Netzsimulation durchgeführt, welche weniger Eingabewerte benötigt. Hierbei werden statische Wärmeverluste und -gewinne sowie Druckverluste ermittelt.

Berechnung und Optimierung

Im Rahmen der Feinplanung kann eine vorläufige Auslegung im Hinblick auf verschiedene Parameter optimiert werden. Zu diesem Zweck müssen Simulationsmodelle für ein Quartier verfügbar sein, welche entweder mit kommerziellen Tools oder mit Hilfe von Modellierungsumgebungen (wie Modelica) erstellt wurden. Zum einen können Rohrdurchmesser des Wärmenetzes optimiert werden. Dazu können Netzschlechtpunkte oder Leistungen der Netzpumpen, die durch die Simulation berechnet wurden, analysiert werden. Zum anderen kann das Lade- und Entladeverhalten von thermischen Speichern analysiert werden, um die Auslegung von Speichern zu optimieren.

Dimensionierung von Speichern

Eine optimale Dimensionierung von thermischen Speichern für kalte Nahwärmenetze zu erreichen ist meistens nicht einfach und Bedarf guter Simulationsmethoden sowie Erfahrung. Dies gilt zum einen für kleine dezentrale Speicher in den Gebäuden aber besonders auch für zentrale Speicher auf Netzebene. Die Dimensionierung von großen thermischen Speichern ist komplex, da viele verschiedene Optimierungskriterien Einfluss nehmen: Zum einen soll der Speicher möglichst oft verwendet werden, das heißt man möchte die Vollladezyklen über das Jahr maximieren. Zum anderen muss die Speichergröße zu den Erzeugungskapazitäten der Anlagen passen, sodass bestimmte Taktzeiten der Erzeuger nicht unterschritten werden. Ferner spielen auch die Bedarfe von Wärme- und Kältelasten im Quartier eine Rolle, um den Ausgleich von Wärme- und Kältebedarfen durch den Einsatz von zentralen Speichern zu maximieren.

Im nPro-Tool kann eine Vordimensionierung von Erzeuger- und Speichertechnologien mit wenigen Klicks vorgenommen werden.

Quellen

  1. Buffa et al.: 5th generation district heating and cooling systems: A review of existing cases in Europe, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 104:504-522, 2019.

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