Fallstudie: Solares Wärmenetz mit Wärmespeicher
In dieser Fallstudie wird ein Quartier mit Wärme- und Kältenetz teilweise mit Hilfe von Solarthermie versorgt. Der gesamte Planungsprozess kann im nPro-Tool durchgeführt werden: Von der Bedarfsberechnung über die Rohrdimensionierung bis hin zur Auslegung der Komponenten in der Energiezentrale und der Solarthermie-Anlage.
Quartier
Es wird eine Energieversorgung für ein beispielhaftes Quartier mit 6 Gebäuden geplant. Als Standort des Quartiers wird Berlin (Deutschland) angenommen.
Bedarfsanalyse
In einem ersten Planungsschritt werden die Bedarfe für Wärme, Kälte und Strom für jedes Gebäude ermittelt. Es wird angenommen, dass alle Gebäude Raumwärme und Trinkwarmwasser über ein Wärmenetz beziehen. Raumklimatisierung sowie Prozesskälte (z. B. Serverkälte) wird über ein separates Kältenetz gedeckt. Als Strombedarfe werden allgemeine Nutzerstrombedarfe (z. B. für Beleuchtung) sowie Bedarfe für Elektromobilität angenommen. Die Bedarfsprofile können in nPro mit wenigen Klicks für jedes der 6 Gebäude erstellt werden. Jahresprofile mit stündlicher Auflösung sind für die Berechnung des Quartiers von großer Wichtigkeit, da zeit- und saisonabhängige erneuerbare Quellen (hier Solarthermie) genutzt werden sollen.
| Gebäude | Nutzung | Nutzfläche | Heizwärme- bedarf |
TWW- Bedarf |
Kühl- bedarf |
Strom- bedarf |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | Hotel | 20000 m² | 1700 MWh | 640 MWh | 980 MWh | 3000 MWh |
| B | Büro | 18000 m² | 1170 MWh | 144 MWh | 1062 MWh | 936 MWh |
| C | Einzelhandel | 24500 m² | 1593 MWh | 74 MWh | 784 MWh | 2352 MWh |
| D | Museum | 16500 m² | 1073 MWh | 83 MWh | 578 MWh | 859 MWh |
| E | Theater | 6700 m² | 503 MWh | 40 MWh | 101 MWh | 563 MWh |
| F | Restaurant | 2500 m² | 188 MWh | 125 MWh | 50 MWh | 358 MWh |
Last an Energiezentrale
Nach dem Hinzufügen aller Gebäude zum Quartier, können in nPro die Lastverläufe in stündlicher Auflösung dargestellt werden. In Abbildung 2 bis 5 sind die Bedarfsprofile an der Energiezentrale für Wärme, Kälte und Strom abgebildet.
Rohrdimensionierung
In nPro können für Wärmenetze die Durchmesser der Rohre halb-automatisch dimensioniert werden. In diesem Auslegungsbeispiel werden für die Wärmenetzberechnung die in Tabelle 1 aufgelisteten Annahmen getroffen.
| Parameter | Wärmenetz | Kältenetz |
|---|---|---|
| Relative Wärme-/Kälteverluste | 12 % | 8 % |
| Pumparbeit (Anteil an Wärme-/Kältelieferung) | 1 % | 2 % |
| Gleichzeitigkeitsfaktor | 0,9 | 0,9 |
| Temperaturspreizung | 20 K | 10 K |
| Rohrrauhigkeit | 0,1 mm | 0,1 mm |
In Abbildung 6 ist beispielhaft die Dimensionierung des Strangs zu den Gebäuden B, C und D dargestellt. Das nPro-Tool schlägt in einer Vorauslegung drei Rohrdurchmesser für den betreffenden Abschnitt vor. In diesem Fall sind dies die Durchmesser DN150, DN200 und DN250. nPro berechnet dann zu jedem der vorgeschlagenen Durchmesser das maximale Druckgefälle sowie weitere Kennzahlen wie die jährliche Pumparbeit oder maximalen Strömungsgeschwindigkeiten. Auf Basis dieser Informationen kann der Benutzer den optimalen Rohrdurchmesser auswählen.
Die für dieses Quartier optimierten Rohrdurchmesser für das Wärme- (rot) und Kältenetz (grau) sind in Abbildung 7 dargestellt.
Auslegung der Energiezentrale
Für das vorliegende Quartier soll eine Wärme- und Kälteversorgung sowie eine Stromversorgung unter anderem mit Solarthermie realisiert werden. Für die Auslegung wird angenommen, dass an der Energiezentrale zusätzlich ein Anschluss an ein bestehendes Fernwärmenetz zur Grundlastdeckung vorhanden ist. Wärme aus der Solarthermie soll zum einen direkt im Quartier genutzt werden. Gleichzeitig soll überschüssige Wärme in das Fernwärmenetz eingespeist werden können. Die Wärmeerzeugung aus Solarthermie ist für Anstellwinkel von 60° und 15° in den Abbildungen 8a bzw. 8b dargestellt.
In Abbildung 9 ist der Betrieb des von nPro optimierten Energieversorgungssystems abgebildet. Die Kältelasten werden über Kompressionskältemaschinen gedeckt. Die optimale Solarthermie-Fläche beträgt 5000 m² und beträgt damit der maximal installierbaren Fläche für dieses Quartier. Die Solarthermie-Anlage produziert 442 kWh Wärme pro m² Kollektorfläche und Jahr. 24,3 % des Wärmebedarfs im Quartier wird über die Solarthermie-Anlage gedeckt, die restlichen 75,7 % über den externen Fernwärme-Anschluss. Der Strom für die Gebäudebedarfe und die Kompressionskältemaschinen wird direkt aus dem Stromnetz bezogen. In Abbildung 10 ist der Wärmebezug aus dem externen Fernwärmenetz dargestellt. Es ist zu erkennen, dass im Sommer aufgrund der Solarthermie und des Wärmespeichers nahezu keine Wärme mehr aus dem externen Fernwärmenetz bezogen werden muss.
Der Betrieb des Wärmespeichers (Abbildung 11) zeigt, dass der Speicher im Sommer in den Nachmittagsstunden beladen wird und in den Abend-/Nachtstunden entladen wird. nPro erlaubt auch eine Analyse der Wirtschaftlichkeit des Energieversorgungssystems. In Abbildung 12 ist die Entwicklung des Kapitalwerts über die Laufzeit des Systems dargestellt. Ein positiver Kapitalwert am Ende der Projektlaufzeit zeigt an, dass die Investition wirtschaftlich ist. Die ökologische Analyse in nPro zeigt zudem, dass die CO2-Emissionen für dieses Quartier 4365 t pro Jahr betragen.
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