In dieser Fallstudie wird ein Quartier mit Wärme- und Kältebedarfen über ein kaltes Nahwärmenetz versorgt. Der gesamte Planungsprozess lässt sich im nPro-Tool durchführen: von der Bedarfsberechnung über die Rohrdimensionierung und die Auslegung der Wärme- und Kälteerzeuger bis zur Wirtschaftlichkeitsrechnung. Als Wärmequellen dienen eine Abwasser-Wärmequelle und ein Erdsondenfeld, das vollständig regeneriert wird.
Ausgangslage und Projektanlage
Versorgt wird ein Mischgebiet in Ulm: 36 Gebäude, die über ein kaltes Nahwärmenetz (Anergienetz) sowohl mit Wärme als auch mit Kälte versorgt werden. Für den Standort stellt nPro die Daten eines typischen Wetterjahres (Testreferenzjahr) bereit; alternativ lassen sich eigene Wetterdaten hochladen.
Beim Anlegen des Projekts wird der Projekttyp Quartier gewählt und als Projektvorlage die Kombination aus kaltem Nahwärmenetz (0–35 °C) und Kühlung durch das Wärmenetz. Die Vorlage setzt einige Parameter passend zum Netztyp vor, etwa die Netztemperaturen. Alle Werte bleiben anschließend frei anpassbar.
Das Versorgungsgebiet
Das Quartier bringt genau die Nutzungsmischung mit, für die sich ein Anergienetz anbietet. In den Wohngebäuden nutzen dezentrale Booster-Wärmepumpen das Netz als Wärmequelle und decken damit Raumwärme und Trinkwarmwasser. Zwei Bürogebäude werden zusätzlich klimatisiert und speisen ihre Abwärme in das Netz ein. Hinzu kommt ein Einzelhandelsgebäude, das neben der Klimatisierung auch Prozesskälte benötigt. Dieser Kältebedarf fällt ganzjährig an und liefert damit auch im Winter Abwärme.
Insgesamt sind 36 Gebäude mit 12.744 m² Nutzfläche an das Netz angeschlossen, davon 33 Wohngebäude mit 7.403 m². Hinzu kommen zwei Grundstücke für die Energiezentralen, die selbst keinen Bedarf haben und in der Gebäudeübersicht mitgeführt werden.
Parameter des Wärmenetzes
Das Netz wird in nPro im Detail parametrisiert. Als Wärmeträgerfluid dient in diesem Fall-Beispiel Sole mit 25 % Ethylenglykol-Gehalt, die Netztemperatur verläuft gleitend als Funktion der Außenlufttemperatur. Die Wärmeverluste werden berücksichtigt, ergänzt um einen Aufschlag von 20 % für Armaturen. Bei einem Anergienetz nimmt das Netz auf dem Weg nämlich auch Wärme aus dem Erdreich auf. Dimensioniert wird nach den Auslegungskriterien Druckgefälle und Fließgeschwindigkeit.
Die Gleichzeitigkeitsfaktoren folgen für die Raumwärme dem Ansatz nach Winter et al. mit einem unteren Grenzwert von 0,65 und für das Trinkwarmwasser dem Ansatz der TU Dresden. In der Netztopologie sind Maschen zugelassen und freie Leitungsenden werden automatisch entfernt. Für den Erdboden werden eine Wärmeleitfähigkeit von 1,5 W/(m K) bei 1 m mittlerer Verlegetiefe angesetzt und die Erdbodentemperatur berechnet.
Die Netztemperaturen werden über zwei Stützstellen definiert: 8/5 °C bei −10 °C Außenlufttemperatur und 12/9 °C bei +2 °C. Damit läuft das Netz genau umgekehrt zu einem klassischen Wärmenetz: Im Winter ist es kälter, weil die Wärmepumpen aufgrund der erhöhten Heizlast dem Netz viel Wärme entziehen, im Sommer wärmer, weil die Last geringer ist und sogar Abwärme eingespeist wird. Die Temperaturspreizung von 3 K bleibt über den gesamten Verlauf erhalten.
Auf dieser Grundlage berechnet nPro die Rohrdimensionierung, die Netztemperaturen, die Wärmeverluste und die Pumparbeit. Die Ergebnisse dazu folgen im nächsten Abschnitt.
Ergebnisse der Netzsimulation
Anlagen in den Gebäuden
Aus den Bedarfsprofilen und den Netztemperaturen dimensioniert nPro die Anlagen in jedem Gebäude. Im Quartier ergeben sich 36 Booster-Wärmepumpen mit zusammen 619 kWth, die 1.215 MWh Nutzenergie mit einem Strombedarf von 252 MWh bereitstellen. Das entspricht einer Jahresarbeitszahl von 4,8. Dazu kommen 36 Wärmeübergabestationen mit 528 kWth und Trinkwarmwasserspeicher mit insgesamt 10.800 l.
Auf der Kälteseite zeigt sich die Stärke des kalten Netzes: Für den gesamten Kältebedarf des Quartiers wird lediglich eine Netz-Kältemaschine mit 7,8 kWth benötigt. Der übrige Kältebedarf wird passiv über Wärmeübertrager aus dem Netz gedeckt, ganz ohne Kältemaschine.
Rohrdimensionierung
nPro bestimmt die Nennweite für jeden Netzabschnitt. Die Nennweiten reichen von DA40 in den Hausanschlüssen bis DA200 an den beiden Einspeisepunkten.
Das Netz enthält dabei eine Masche: Der Ring verbindet die beiden Energiezentralen im Nordosten und an der Ortsstraße miteinander. In vermaschten Abschnitten ist die Durchflussrichtung nicht mehr eindeutig, weil sie vom jeweiligen Lastfall abhängt. nPro dimensioniert diese Abschnitte deshalb einheitlich auf den ungünstigsten Fall. Sichtbar wird das an den durchgehenden DA180 im Ring.
Neben den Nennweiten lassen sich auf der Karte auch die Energiemengen der Gebäude darstellen, etwa die ins Netz eingespeiste Abwärme. Im Nordwesten des Quartiers wird dadurch unmittelbar sichtbar, welche Gebäude als Wärmelieferanten auftreten: Einzelhandel und Bürogebäude speisen zwischen 23,4 und 37,6 MWh Abwärme aus der Kältebereitstellung ein, während die Wohngebäude ausschließlich beziehen.
Netzeigenschaften, Pumparbeit und Druck
Das Netz ist 1,1 km lang, davon 0,84 km Verteilleitungen und 0,22 km Hausanschlüsse. Bei 1.215 MWh Wärmebedarf ergibt das eine Wärmeliniendichte von 0,79 MWh/m und eine Wärmedichte von 317 MWh/ha auf 3,8 ha Quartiersfläche.
Bemerkenswert ist die Pumparbeit: Mit 5 MWh entspricht sie nur 0,49 % des Strombedarfs im Quartier. Das oft genannte Gegenargument gegen kalte Netze, also ein hoher Pumpaufwand wegen geringer Temperaturspreizung, fällt in diesem Beispiel nicht ins Gewicht. Der Volumenstrom der Netzpumpe liegt bei 70 m³/h, die maximale Pumpleistung bei 2,3 kW.
Der Druckverlust zum Netzschlechtpunkt beträgt insgesamt 1,17 bar und verteilt sich auf Energiezentrale, Wärmeübergabestation, Rohrleitungen und Rohreinbauten. Neben dem Druckverlauf, wahlweise mit oder ohne Einfluss der geodätischen Höhe, gibt nPro auch die Verteilung der Nennweiten über die Netzlänge aus, getrennt nach Verteilleitungen und Hausanschlüssen.
Die Temperaturprofile zeigen den Zusammenhang, der ein Anergienetz auszeichnet: Vor- und Rücklauf liegen ganzjährig zwischen 5 und 12 °C, während die Erdbodentemperatur in 1 m Tiefe saisonal zwischen 0 und 20 °C schwankt. Im Winter gibt das Netz dadurch Wärme an das Erdreich ab, im Sommer nimmt es Wärme auf. Über das Jahr summiert sich das zu 105 MWh Wärmeverlusten und 31 MWh Wärmegewinnen.
Wärme, Kälte und Stromeinsatz
Die Ergebnisübersicht rechnet die Bedarfe der Gebäude schrittweise zur Last an der Energiezentrale um. Aus 1.215 MWh Wärmebedarf werden 960 MWh Wärmeeinspeisung an der Energiezentrale:
Zunächst decken die Booster-Wärmepumpen 252 MWh aus Strom, weitere 37,3 MWh stammen aus der Wärmerückgewinnung in den Gebäuden. Der Wärmebezug aus dem Netz sinkt damit auf 926 MWh. Im Netz kommen 40,3 MWh Wärmerückgewinnung zwischen Gebäuden und 31 MWh Wärmegewinne hinzu, während 105 MWh als Wärmeverluste anfallen. Die Maximalleistung reduziert sich von 549 kW Heizlast auf 384 kW an der Energiezentrale.
Auf der Kälteseite läuft die Rechnung parallel: Von 120 MWh Kältebedarf werden 86 MWh als Abwärme ins Netz eingespeist, davon 40,3 MWh direkt zwischen den Gebäuden wiederverwendet. An der Energiezentrale bleiben 85 MWh Kälteeinspeisung, also dieselbe Abwärme, die das Netz gleichzeitig als Wärmequelle nutzt.
Der Strombedarf des Quartiers beträgt 260 MWh, davon 252 MWh für die Booster-Wärmepumpen, 3,3 MWh für die Netz-Kältemaschine und 5 MWh Pumparbeit. Nutzerstrom und Elektromobilität sind in diesem Fall-Beispiel nicht berücksichtigt.
Das Jahresprofil der Einspeisung an der Energiezentrale zeigt die saisonale Arbeitsteilung: Von November bis April dominiert die Wärme mit Spitzen um 380 kW, im Juli und August kehrt sich das Bild um und die Kälte übernimmt. In den Übergangsmonaten treten beide Lasten gleichzeitig auf. Das ist genau die Situation, in der sich Wärme- und Kältebedarf im Netz teilweise ausgleichen.
Energieversorgungssystem
Erzeugerstruktur
Die Wärme- und Kältebereitstellung an der Energiezentrale übernehmen zwei Quellen, die sich saisonal ergänzen: eine Abwasserwärmequelle, in nPro als Wärmequelle 1 angelegt, die über einen Wärmeübertrager Niedertemperaturwärme in das Netz einspeist, sowie ein Erdsondenfeld, angelegt als Geothermie-Sonden 1, das sowohl Wärme liefert als auch Kälte bereitstellt und dabei regeneriert wird. Ergänzt wird das System um eine Photovoltaikanlage, deren Fläche von der Optimierung bestimmt wird und die einen Teil des Betriebsstroms der Booster-Wärmepumpen direkt im Quartier deckt.
Welche Technologien mit welcher Kapazität gebaut werden, bestimmt die Auslegungsoptimierung in nPro anhand der Investitions- und Betriebskosten. Die Rollenverteilung zwischen den beiden Quellen ergibt sich dabei aus der Rechnung selbst und muss nicht vorgegeben werden. Sie fällt eindeutig aus: Die Wärmequelle 1 übernimmt mit 160 kWth und 4.382 Volllaststunden die Grundlast, die Geothermie-Sonden 1 ergänzen sie mit 224 kWth und 1.324 Volllaststunden. Die Photovoltaikanlage legt die Optimierung auf 73 kWp bei 456 m² aus.
Vom Strombedarf des Quartiers verbleiben damit rund 213 MWh als Netzbezug, während 21,4 MWh ins Stromnetz eingespeist werden.
Wärmequelle 1: Abwasserwärme
Die Abwasserwärme wird über den Baustein Wärmequelle 1 abgebildet und mit einem konstanten Wärmepotenzial von 160 kW angesetzt. Für die Quellentemperatur wird ein Jahresprofil hinterlegt: Sie bewegt sich zwischen 9 und 19 °C bei einem Jahresmittel von 13,8 °C, im Winter am unteren Ende, wenn die Wärme gebraucht wird, und im Sommer am oberen.
Weil das Temperaturniveau ganzjährig über der Netztemperatur liegt, ist keine zusätzliche Wärmepumpe erforderlich; die Quelle speist direkt über den Wärmeübertrager ein. Die Kapazität des Wärmeübertragers ermittelt die Optimierungsrechnung.
Zwei Betriebsmodi sind aktiv: Die Quelle wird zum Heizen genutzt und erzeugt Wärme zur Regeneration des Sondenfelds. Damit trägt sie nicht nur zur Wärmeversorgung bei, sondern lädt im Sommer auch das Erdreich.
Geothermie-Sonden 1: Sondenfeld
Das Sondenfeld wird über den Baustein Geothermie-Sonden 1 mit der Technologie Sonden abgebildet und sowohl im Heizbetrieb als auch im Kühlbetrieb genutzt. Letzteres ist die Grundlage der passiven Kühlung im Quartier. Die Entzugstemperatur liegt als Profil vor, mit einem Jahresmittel von 11,7 °C und einem Wertebereich von 3,3 bis 18,4 °C.
Entscheidend für die Auslegung ist die Vorgabe zur Regeneration: Aktiviert sind “Regeneration erzwingen” und “vollständige Regeneration” mit Niedertemperaturwärme. Damit wird dem Erdreich über das Jahr genau so viel Wärme zurückgeführt, wie ihm entzogen wurde. Das Sondenfeld arbeitet dadurch nicht als dauerhafte Wärmequelle, sondern als saisonaler Speicher, geladen aus Abwasserwärme und der Abwärme der Kältebereitstellung.
Energieflussbild
Nach der Betriebssimulation stellt nPro die Energieflüsse des Gesamtsystems dar. Die Stärke der Linien ist proportional zur übertragenen Energiemenge; beim Überfahren mit dem Mauszeiger werden die Werte angezeigt.
Gut erkennbar ist die Doppelrolle des Sondenfelds: Von der Geothermie führt eine Linie zum Wärmebedarf und eine weitere zum Kältebedarf. Die Wärmequelle 1 speist ausschließlich auf der Wärmeseite ein, während die Photovoltaikanlage in das Stromnetz des Quartiers einspeist und damit den Betriebsstrom der Wärmepumpen mitdeckt.
Auslegung der Erdsonden
Auf Grundlage des simulierten Entzugsprofils legt nPro das Sondenfeld im Detail aus. Ergebnis sind 40 Sonden mit je 150 m Länge, also 6.000 Bohrmeter auf einer Sondenfeldfläche von 2.560 m². Der spezifische Wärmeentzug beträgt 37,3 W/m und liegt damit im üblichen Auslegungsbereich.
Wärmeentzug und Wärmeeinspeisung liegen mit jeweils 230 MWh und 224 kW exakt gleich. Das ist keine Zufälligkeit, sondern Folge der erzwungenen Regeneration.
Die Wirkung zeigt sich in den Temperaturen: Am Sondeneintritt liegt das Minimum im ersten Jahr bei 2,1 °C und nach 50 Jahren bei 0,6 °C, am Sondenaustritt sind es 16,4 beziehungsweise 14,9 °C. Über ein halbes Jahrhundert Betrieb driften die Temperaturen also nur um etwa 1,5 K. Bei ausgeglichener Wärmebilanz kühlt das Erdreich nicht aus.
Die Simulation liefert außerdem den Jahresverlauf der Fluidtemperaturen am Sondenein- und -austritt. Er folgt der saisonalen Arbeitsweise des Speichers: Im Winter sinken die Temperaturen bis auf etwa 1 °C, im Sommer steigen sie beim Laden auf über 20 °C.
Wärmeerzeugung und Regeneration
Wie das Sondenfeld über das Jahr gefahren wird, macht die Betriebssimulation sichtbar. Von November bis April überwiegt die Wärmeerzeugung mit Leistungen bis zu 224 kW. Von Mai bis September kehrt sich der Betrieb um: Dann dominiert die Regeneration, mit Rückspeiseleistungen bis etwa 160 kW.
In den Übergangszeiten wechseln beide Betriebsarten innerhalb weniger Stunden: Das Feld liefert morgens Wärme und wird mittags aus Kälteabwärme wieder geladen. Genau diese stündliche Auflösung ist nötig, um die Bilanz über das Jahr zu schließen.
Wirtschaftlichkeit
Zum Abschluss bewertet nPro das Energiesystem wirtschaftlich, und zwar nach der Kapitalwert- und Annuitätenmethode in Anlehnung an die VDI 2067, einschließlich Ersatzinvestitionen und Restwerten. Angesetzt werden ein Betrachtungszeitraum von 20 Jahren und ein kalkulatorischer Zinssatz von 5 %.
Kennzahlen
Das Projekt trägt sich unter den getroffenen Annahmen: Der Kapitalwert liegt nach 20 Jahren bei +1.572.179 €, die Amortisationsdauer beträgt 7 Jahre und der interne Zinsfuß 17,8 %, deutlich über dem angesetzten kalkulatorischen Zinssatz von 5 %. Die Energiegestehungskosten belaufen sich auf 0,13 €/kWh, was bezogen auf die Nutzfläche 13,67 €/m² im Jahr oder 1,14 €/m² im Monat entspricht.
Jede Kennzahl trägt in nPro einen Berechnungshinweis, der den zugrunde liegenden Rechenweg offenlegt. Die Zahlen stehen also nicht für sich, sondern bleiben bis auf die Eingangsgrößen nachvollziehbar.
Separat ausgewiesen werden die Förderungen: Auf die Anfangsinvestition von 2.199.555 € entfallen 789.893 € Förderung, also eine Förderquote von 35,9 %. Über den gesamten Betrachtungshorizont, einschließlich der Betriebskostenförderung, summiert sich die Förderung auf 839.742 €, was einer Gesamtförderquote von 28,3 % entspricht.
Kostenaufstellung
Die Kostenaufstellung schlüsselt sämtliche Positionen über den Betrachtungszeitraum auf. Die Investitionskosten von 2.038.516 € verteilen sich auf die Gebäudeenergiesysteme (1.182.045 €), das Wärmenetz (306.825 €), die Energiezentrale (269.646 €) und sonstige Kosten (280.000 €).
Die Verteilung ist typisch für ein kaltes Netz: Der größte Block entfällt nicht auf die Trasse, sondern auf die dezentralen Anlagen in den Gebäuden, also die 36 Booster-Wärmepumpen samt Übergabestationen und Speichern. Das Netz selbst macht nur rund 15 % der Investition aus.
Auf der Kostenseite kommen Energiekosten (525.905 €), Wartungskosten (331.834 €) und sonstige Betriebskosten (124.622 €) hinzu. Dem stehen Erlöse von 3.753.314 € gegenüber, die nahezu vollständig aus der Deckung der Energiebedarfe stammen, sowie die Förderung von 839.742 €.
Über die Schaltflächen lassen sich die Berechnungsdetails des ersten Jahres einblenden, die Tabelle um eine Spalte je Jahr erweitern und die Hierarchie bis zur einzelnen Anlage aufklappen.
Kapitalwertverlauf
Der Verlauf zeigt die Jahressummen als Balken und den kumulierten Kapitalwert als Linie. Im ersten Jahr schlägt die Anfangsinvestition mit gut einer Million Euro negativ zu Buche, bereits gemindert um die Förderung, die im selben Jahr anfällt. Danach erwirtschaftet das System jährliche Überschüsse, und der Kapitalwert wird nach 7 Jahren positiv.
Der erhöhte Balken im letzten Jahr enthält die Restwerte jener Anlagen, deren technische Lebensdauer über den Betrachtungshorizont hinausreicht, allen voran das Wärmenetz und die Erdsonden.
Video-Tutorial zu kalter Nahwärme
Ein ausführliches Video-Tutorial zur Berechnung kalter Nahwärmenetze finden Sie hier:
