nPro: Software-Tool zur Berechnung und Auslegung von Wärmenetzen

Wärmenetze planen und berechnen

Die Planung von Wärmenetzen besteht im Allgemeinen aus mehreren Schritten. Zum einen muss die Planung der Wärmenetztrasse vorgenommen werden. Bei der Trassenplanung wird versucht die Gesamtlänge des Wärmenetzes soweit wie möglich zu minimieren, um Investitionskosten zu reduzieren. Die Rohrdurchmesser-Dimensionierung erfolgt dann für konventionelle Wärmenetze nach den üblichen Auslegungsverfahren, wobei Gleichzeitigkeitsfaktoren berücksichtigen werden. Für vermaschte Netze sowie kalte Nahwärmenetze mit dezentralen Wärmeeinspeisepunkten ist die Wahl geeigneter Rohrdurchmesser jedoch ungleich komplexer: Hier kann nicht nur ein einzelner Auslegungszeitpunkt betrachtet werden, sondern es muss das Betriebsverhalten für ein ganzes Jahr analysiert werden. Für die Planung und Wirtschaftlichkeitsabschätzung von Wärmequellen spielen Temperaturniveau, verfügbare Leistung, örtliche Distanz und zeitliche Schwankungen eine Rolle. Für die meisten Wärmenetze bedarf zudem es einer Energiezentrale (auch Heizzentrale/Technikzentrale genannt), in der Wärmeerzeuger und Pufferspeicher installiert werden. Die optimale Dimensionierung von verschiedenen Wärme- und Kälteerzeugern im Zusammenspiel mit erneuerbaren Energien ist hierbei von Bedeutung und kann ebenfalls nur über eine Betriebsanalyse für ein gesamtes Jahr optimiert werden. Immer wichtiger wird außerdem das Thema Mess- und Regelungstechnik: Welche Sensoren werden in welchem Subsystem benötigt? Welche Regellogik wird im System implementiert? Wo werden Messdaten gesammelt, ausgewertet und visualisiert?
Zusammenfassend ergeben sich die folgenden Punkte für die Planung von Wärmenetzen:

• Trassenplanung: Wo verläuft das Wärmenetz?
• Dimensionierung: Welche Rohrdurchmesser müssen vorgesehen werden?
• Planung der Wärmequellen: Welche lokalen Wärmequellen können genutzt werden?
• Planung der Energiezentrale: Welche Wärmeerzeuger müssen zusätzlich zu den Wärmequellen installiert werden?
• Mess- und Regelungskonzept: Welche Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik (MSR) wird installiert?
• Wirtschaftlichkeitsanalyse: Unter welchen ökonomischen Randbedingungen ist der Bau des Wärmenetzes wirtschaftlich?

Abbildung 1: Wärme- und Kälteversorgung mit erneuerbaren Energien, Geothermie und Power-to-heat

Schritte für die Wärmenetzsimulation

Zur Planung eines Wärmenetzes wird häufig ein Simulationsmodell des Netzes und der Erzeuger erstellt. Auf diese Weise kann der spätere Betrieb des Quartiers bereits in einer frühen Planungsphase analysiert werden (digitaler Zwilling). Dies hilft, frühzeitig Optimierungsmöglichkeiten zu identifizieren und in einem frühen Stadium bereits planerisch einzugreifen. Zur hydraulischen und thermischen Netzsimulation sind mehrere Arbeitsschritte notwendig:

• Analyse der Energiebedarfe: Erstellung von Bedarfsprofilen für ein oder mehrere Auslegungsjahre
• Erstellung eines digitalen Abbilds des geplanten Wärmenetzes (ggfs. aus GIS-Daten)
• Durchführung der dynamischen Simulationen mit geeigneter Simulationssoftware
• Analyse des Netzverhaltens im Betrieb: Druckverhältnisse, Wärmeverluste, Netzschlechtpunkte
• Sensitivitätsanalyse: Einfluss unterschiedlicher Rohrdurchmesser, Dämmstärken, etc.

Wie hilft das nPro-Tool bei der Wärmenetzplanung?

Mit dem nPro-Tool werden die wesentlichen Arbeitsschritte der Quartiersplanung abgedeckt: Für Raumwärme, Trinkwarmwasser, Raumklimatisierung, Prozesskälte, Nutzerstrom und Elektromobilität können Bedarfsprofile mit einer stündlichen Auflösung erstellt werden. Bedarfsprofile einzelner Gebäude können unter Berücksichtigung des Gebäudeenergiesystems und Simulation des Wärmenetzes zu einem Gesamtbedarf für Wärme, Kälte und Strom an der Energiezentrale aggregiert werden. Hierbei können thermische und hydraulische Verluste sowie Gleichzeitigkeitsfaktoren berücksichtigt werden. Zur Netzdimensionierung können Rohrdurchmesser der einzelnen Wärmenetzabschnitte halb-automatisiert bestimmt und optimiert werden. Neben Wärmenetzen deckt nPro auch speziell kalte Nahwärmenetze ab. In einem zweiten Modul können hybride Energiesysteme ausgelegt werden, beispielsweise für die Energiezentrale eines Wärmenetzes. Neben konventionellen Wärmeerzeugern, wie BHKWs und Kesseln, können auch Wärmepumpen, erneuerbare Energien (Photovoltaik, Windkraft und Solarthermie) sowie Wasserstofflösungen berechnet werden. Die Auslegung gliedert sich dabei in 2 Teile: Im ersten Berechnungsschritt werden die Anlagen auf Basis eines techno-ökonomischen Optimierungsmodells dimensioniert. In einem zweiten Schritt kann das dimensionierte Energiesystem für ein ganzes Jahr simuliert werden. Das Ergebnis der Jahressimulation wird dann hinsichtlich Systemeffizienz und Wirtschaftlichkeit dargestellt und der Betrieb jeder Anlage visualisiert.
Insgesamt deckt das nPro-Tool damit die Schritte der Lastprofilerzeugung, Wärmenetzberechnung sowie Auslegungsoptimierung ab und ist damit ideal geeignet für den Vergleich verschiedener Energiekonzepte in der frühen Planungsphase. In der Dokumentation zum Tool findet sich auch ein Überblick über den gesamten Funktionsumfang des Tools.

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