nPro ist aus der Forschung entstanden und wird dort weiterhin genutzt: als Rechenkern für techno-ökonomische Fallstudien, als Referenz für die Validierung eigener Modelle und als Werkzeug in Reviews zur Fernwärmeplanung. Diese Seite stellt die Arbeiten vor, die nPro einsetzen oder zitieren, und ordnet ein, wofür das Tool in jeder von ihnen verwendet wurde.
Warum wissenschaftliche Nachvollziehbarkeit zählt
Planungsentscheidungen für Quartiersenergiesysteme und Wärmenetze müssen belastbar sein – gegenüber Auftraggebern, Fördergebern und in Gremien. nPro macht seine Rechenwege deshalb nicht nur in der Dokumentation transparent, sondern stützt sie auf Methoden, die zuvor in Fachzeitschriften mit Peer-Review veröffentlicht wurden. Wer mit nPro rechnet, kann seine Vorgehensweise damit zitierfähig belegen.
Inzwischen ist um das Tool herum eine eigene Literaturlage entstanden. Sie lässt sich in drei Gruppen einteilen, die die folgenden Abschnitte der Reihe nach behandeln:
- Das Referenzpaper zu nPro – die zentrale Beschreibung des Tools.
- Anwendungen – Fallstudien, Forschungsprojekte und Abschlussarbeiten, die mit nPro rechnen.
- Reviews und Werkzeugvergleiche – Übersichtsarbeiten, die nPro in die Toollandschaft einordnen.
Das Referenzpaper zu nPro
Grundlage aller Verweise ist der Artikel, der das Tool selbst beschreibt:
Das Paper dokumentiert die Kette, die nPro in einem Projekt abarbeitet: die Generierung von Lastprofilen für Raumwärme, Trinkwarmwasser, Raumkühlung, Prozesskühlung und Strom einschließlich Elektromobilität, die darauf aufbauende Dimensionierung und Simulation thermischer Netze bis hin zu 5GDHC-Systemen sowie die Optimierung der Energiezentrale. Beschrieben werden insbesondere die MILP-basierte Auslegung der Erzeuger (s. Optimierungsmodell) und die quasi-statische Netzsimulation mit einer Parametrisierung, die physikalisch fundiert ist und für Planer handhabbar bleibt.
nPro in Fallstudien und Forschungsprojekten
Betriebstemperaturen in einem Wärmenetz der 4. Generation
Die Arbeit untersucht an einem realen deutschen Netz, was eine Absenkung der Betriebstemperatur wirklich kostet und bringt. Verglichen werden drei Fahrweisen: eine konstante Vorlauftemperatur von 60 °C, eine von 50 °C sowie eine gleitende Vorlauftemperatur zwischen 40 und 50 °C. nPro dient dabei als Rechenkern für Netz und Energiezentrale und bildet ab, wie sich die Wärmebereitstellung von der zentralen Wärmepumpe zur dezentralen Nachheizung mit elektrischen Durchlauferhitzern verlagert – mit den entsprechenden Folgen für Netzverluste, CO₂-Emissionen, Primärenergiebedarf und Gesamtkosten.
Für die Praxis ist das ein Musterbeispiel dafür, wie sich mit den Heizkurven und Temperaturniveaus in nPro ein systematischer Szenarienvergleich aufsetzen lässt, statt eine Temperaturabsenkung pauschal zu bewerten.
Hybride Inselenergiesysteme: nPro und TOPSIS
Die Autoren der Technischen Universität Irkutsk kombinieren nPro mit einem Entscheidungsverfahren. Untersuchungsgegenstand ist die Versorgung des Dorfes Ust-Sobolewka in der russischen Region Primorje: 190 Einwohner, 170 km zum nächsten Rayonzentrum, bislang versorgt durch ein Dieselkraftwerk. Ein netzfernes Inselsystem also, gerade kein klassisches Fernwärmeprojekt.
Im ersten Schritt rechnen die Autoren mit nPro zehn Varianten eines Hybridsystems. Das betrachtete Technologieportfolio umfasst Windenergieanlagen, Photovoltaik, PVT-Kollektoren, Solarthermie, Luft-Wärmepumpen, Biomasse- und Elektrokessel sowie thermische und elektrische Speicher; der Dieselgenerator bleibt als Reserve im System und wird über den Netzanschluss-Baustein abgebildet – eine in der nPro-Dokumentation beschriebene Ersatzmodellierung. Die Variantenschar entsteht dabei nicht durch manuelles Durchprobieren, sondern indem schrittweise Obergrenzen für Investitionsausgaben und CO₂-Emissionen gesetzt werden; nPro optimiert jede Variante unter der jeweiligen Nebenbedingung. Im zweiten Schritt verdichten die Autoren dieses Variantenfeld mit der TOPSIS-Methode zu einem Ranking, bewertet nach Investitionsausgaben, LCOE, LCOH und CO₂-Emissionen.
Die vorzugswürdige Konfiguration kombiniert Dieselgenerator, Windenergie, Photovoltaik, Wärmepumpe, Biomassekessel und Wärmespeicher und erreicht 0,118 €/kWh LCOE bei 0,195 €/kWh LCOH. Interessant ist auch ein Nullergebnis: Solarthermie wurde angeboten, aber in keiner der zehn Konfigurationen ausgewählt – die Optimierung entschied sich durchgängig für PVT oder für Wärme aus Wärmepumpe und Kessel.
Die Arbeit zeigt damit zwei Dinge. Erstens lässt sich die Energiezentralen-Optimierung von nPro als Variantengenerator für nachgelagerte Entscheidungsverfahren nutzen. Zweitens hebt der Werkzeugvergleich der Autoren die Web-Oberfläche als Vorteil gegenüber Werkzeugen mit aufwendiger lokaler Installation hervor.
Optimaler Energiemix eines kleinen Fernwärmesystems
Die Autoren der Universität „Ss. Cyril and Methodius” in Skopje entwickeln mit nPro ein Fernwärmekonzept für ein Cluster öffentlicher Bestandsgebäude in Ohrid (Nordmazedonien) – Schulen, Kindergärten, Büros, ein Krankenhaus, ein Studentenwohnheim, eine Sporthalle und ein Schwimmbad. Die Gebäude bestehen, das Netz ist geplant; die Arbeit ist damit eine Machbarkeitsstudie für einen Neubaufall, nicht die Analyse eines bestehenden Netzes.
Die Bedarfsermittlung erfolgt in nPro gebäudescharf über Flächen und spezifische Verbrauchskennwerte. Ergebnis: 6.740 MWh Wärmebedarf der Gebäude bei 3.385 kW Spitzenlast, zuzüglich 749 MWh Netzverluste – also 7.490 MWh Wärmelast an der Energiezentrale bei 3.470 kW. Der Strombedarf am Übergabepunkt liegt bei 1.710 MWh und 453 kW einschließlich Pumpenstrom.
Die Energiezentrale kombiniert Solarthermie, ein erdgasbetriebenes BHKW, eine Wärmepumpe, einen Hochtemperatur-Wärmespeicher und eine PV-Anlage. Die Auslegung ergibt 2.125 m² Kollektorfläche, 722 kWel BHKW-Leistung, 500 kWth Wärmepumpe, 1.050 kWp PV und einen Speicher von 1.740 m³ bzw. 40,4 MWh. Auf der Wärmeseite deckt die Wärmepumpe 43,7 % (3.274 MWh), das BHKW 31,6 % (2.364 MWh) und die Solarthermie 24,7 % (1.854 MWh) – bei einem angenommenen COP von 4. Im Sommer läuft die Wärmeversorgung allein über Solarthermie und Speicher, das BHKW steht still. Die Wirtschaftlichkeitsrechnung über 20 Jahre ergibt einen positiven Kapitalwert bei einer Amortisationsdauer von etwa sieben Jahren.
Für die Praxis belegt die Arbeit zwei häufig gestellte Fragen. Erstens ist nPro auch weit unterhalb der Größenordnung großer Stadtnetze sinnvoll einsetzbar – hier ein Quartiersnetz mit unter 8 GWh Jahresabgabe. Zweitens hängt die Anwendung nicht am deutschen Kontext: Klimadaten für Ohrid und mazedonische Energiepreise gehen unmittelbar ein, ebenso lassen sich Technologiekosten frei anpassen.
Oberflächennahe Geothermie im Bestandsquartier
Das Verbundprojekt untersucht, unter welchen technischen, wirtschaftlichen und rechtlichen Randbedingungen sich oberflächennahe Geothermie in bestehenden Quartieren erschließen lässt. Getragen wird es von einem Konsortium aus Fraunhofer IEE und IEG, der Stiftung Umweltenergierecht, dem Institut für Solarenergieforschung (ISFH), GASAG Solution Plus, Trianel sowie fünf Stadtwerken. Untersuchungsgegenstand sind fünf reale innerstädtische Bestandsquartiere in Münster, Solingen, Bensheim, Schleswig und Berlin.
nPro ist in diesem Projekt das Werkzeug für den Variantenvergleich. Für jedes Quartier wurden neun Versorgungsvarianten durchgerechnet: kaltes Netz und warmes Netz jeweils ohne Regeneration sowie mit 50 % und 75 % solarer Regeneration des Erdsondenfeldes, dazu eine zentrale Luft-Wärmepumpe und zwei dezentrale Varianten mit Luft- bzw. Sole-Wasser-Wärmepumpe. Die Wirtschaftlichkeitsbewertung erfolgt nach VDI 2067 über 20 Jahre, einschließlich BEG-, BEW- und progres.NRW-Förderung.
Methodisch interessant ist die Arbeitsteilung mit der Erdsondensoftware EED, die iterativ verläuft: In nPro werden die Lastgänge je Gebäude mit getrennter Betrachtung von Raumwärme und Trinkwarmwasser hinterlegt, das Netz ausgelegt und die Energiezentrale dimensioniert; der simulierte Lastgang der Nettoquellwärme geht anschließend in die Sondenauslegung ein. Die resultierenden Quelltemperaturen – gebildet als stündliche 50-Jahres-Mittelwerte – werden dann in nPro zurückgespielt und die Rechnung wiederholt. Dasselbe Vorgehen gilt für die PVT-Kollektoren zur Regeneration, deren Wärmeertrag von der mittleren Kollektortemperatur abhängt. Die Kennlinien der Referenzwärmepumpen und die Kollektorparameter stammen aus Prüfstandsmessungen am ISFH und wurden direkt in nPro hinterlegt.
Für Untersuchungen, die über erste Abschätzungen hinausgehen, hat sich im Projekt zusätzlich das Tool nPro als praxistauglich erwiesen.
Abschlussbericht UrbangroundheatFraunhofer IEE
nPro in Abschlussarbeiten
Abschlussarbeiten sind ein guter Indikator dafür, wie schnell ein Werkzeug erlernbar ist und wie selbständig sich damit arbeiten lässt – und im Abgleich mit anderen Modellen zeigen sie, wo die Stärken des Tools liegen.
Anwendungstutorial im Vergleich mit REopt
Die Arbeit ist als Anwenderhandbuch für zwei Planungswerkzeuge angelegt und grenzt dabei deren Zuständigkeiten gegeneinander ab: REopt für die standortbezogene Optimierung einzelner Liegenschaften im US-Kontext, nPro für Quartiersenergiesysteme mit Netzmodellierung und gebäudescharfem Ansatz.
Im nPro-Teil rechnet Syntrilalas fünf Systeme für ein Quartier in Chania (Griechenland). Stromseitig sind das ein netzgekoppeltes PV-Wind-System sowie zwei Inselvarianten mit Batterie bzw. mit Wasserstoffspeicher; wärmeseitig eine geothermische Versorgung mit Wärmespeicher und ein Biomasse-BHKW mit Wärmespeicher. Verglichen wird jeweils innerhalb der beiden Gruppen. Bei den Wärmesystemen erweisen sich beide Varianten als wirtschaftlich tragfähig; die geothermische Lösung liegt beim Kapitalwert trotz höherer Investition vorn und wird auch nach Kapitaleffizienz und internem Zinsfuß als vorzugswürdig eingeordnet.
Der Wert dieser Arbeit liegt weniger im Ergebnis als im Nachweis der Erlernbarkeit: Ein Diplomand baut sich die Bedarfsermittlung, die Energiezentralen-Auslegung und die Wirtschaftlichkeitsrechnung selbständig auf und dokumentiert den Weg dorthin Schritt für Schritt.
Modellabgleich mit einer Co-Simulation
Baars entwickelt ein hochaufgelöstes Co-Simulationsframework für ein geplantes Wärmenetz der 4. Generation im Eindhovener Pilotquartier Generalenbuurt-Zuid. Über die FMI-Schnittstelle werden EnergyPlus-Gebäudemodelle mit einem Netzmodell in Matlab/Simulink gekoppelt, mit einem Kommunikationszeitschritt von zehn Minuten.
Zur Plausibilisierung des eigenen Modells rechnet die Autorin dasselbe Quartier – 22 Reihenhäuser, 2.816 m², Vorlauf 53 °C, Rücklauf 30 °C, TMY-Wetterdaten für Eindhoven – zusätzlich in nPro und stellt die Wärmebedarfsgänge gegenüber. Beide Modelle zeigen denselben Jahresverlauf und dieselbe Größenordnung; im Stundenmittel überlagern sich die Kurven während der Heizperiode weitgehend. Auf dieser Grundlage bewertet Baars ihre Co-Simulationsergebnisse als valide.
Damit beschreibt die Arbeit die Arbeitsteilung, die auch die Reviews nennen, von der anderen Seite her: Wer den Bedarf eines Quartiers in der Konzeptphase belastbar abschätzen will, kommt mit den Standardlastprofilen und der Gradtagmethode zu Ergebnissen, die einem um Größenordnungen rechenintensiveren Modell standhalten.
nPro in Reviews und Werkzeugvergleichen
Übersichtsarbeiten zur Fernwärmemodellierung führen nPro mittlerweile regelmäßig in ihren Werkzeugtabellen.
Die Autoren verbinden eine systematische Literaturauswertung von 118 Arbeiten mit einer Befragung von elf Werkzeugentwicklern und Fachleuten. nPro wird darin als eines von elf Werkzeugen detailliert eingeordnet – neben TRNSYS, Dymola, IDA ICE, EnergyPLAN, STANET, ROKA, heatbeat, NetSim, EcoStruxure District Energy und pandapipes.
Die Einordnung beschreibt die Rechenkette genau: nPro bildet die Netzkomponenten über Energiebilanzen ab, berechnet Wärme- und Druckverluste strangweise in stündlicher Auflösung und rechnet quasi-statisch, wobei die hydraulische und die thermische Simulation sequenziell ablaufen. Anders als die meisten der verglichenen Werkzeuge deckt nPro dabei Modellierung, Optimierung und Simulation gemeinsam ab. Als Stärke halten die Autoren die Auslegung von 5GDHC- bzw. Anergienetzen fest und rechnen nPro zu den Werkzeugen, die Netze der 4. und 5. Generation überhaupt abbilden können; die Modellierung von Kältenetzen und Niedrigexergienetzen mit Netztemperaturen von 0 bis über 120 °C wird ausdrücklich genannt, ebenso die technische Eignung für Multi-Energie-Systeme einschließlich Wasserstoff.
Arbeiten Sie wissenschaftlich mit nPro?
Diese Übersicht wird laufend ergänzt. Wenn Sie nPro in einer Publikation, einem Forschungsprojekt oder einer Abschlussarbeit eingesetzt haben, freuen wir uns über einen Hinweis – wir nehmen die Arbeit gern in diese Liste auf. Für Lehre und Forschung gibt es zudem eigene Nutzungskonditionen; sprechen Sie uns dazu einfach an.