Druckhaltung im Wärmenetz berechnen

Aufgaben der Druckhaltung im Wärmenetz

Eine Druckhaltung erfüllt in Wärmenetzen drei Aufgaben. Sie hält den Druck an jeder Stelle des Netzes oberhalb eines Mindestdrucks, um Unterdruck, Lufteintrag, Verdampfung und Kavitation an Pumpen und Armaturen zu vermeiden. Sie nimmt die temperaturbedingte Volumenänderung des Heizwassers auf. Und sie hält eine Wasservorlage bereit, die kleine Wasserverluste im Betrieb ausgleicht.

Grundsätzlich gibt es zwei Bauarten, die alternativ eingesetzt werden:

• Statische Druckhaltung mit Membran-Ausdehnungsgefäß (MAG): Der Druck wird durch ein vorgespanntes Gaspolster erzeugt. Das System arbeitet ohne Hilfsenergie und ist günstig, der Druck steigt aber mit dem Füllstand. Typischer Einsatz in kleineren Nahwärmenetzen bis ca. 1 MW.
• Dynamische Druckhaltung mit Druckhaltestation: Pumpen oder Kompressoren halten den Druck nahezu konstant. Fast das gesamte Gefäßvolumen ist nutzbar, Nachspeisung und Entgasung sind häufig integriert. In größeren Nahwärme- und Fernwärmenetzen ist das der Standard.

Berechnung in nPro

Die Berechnung orientiert sich an DIN EN 12828 und VDI 4708 Blatt 1 sowie an den für Fernwärmenetze üblichen Ansätzen. Alle Drücke sind Überdrücke.

Ausdehnungsvolumen

Das Ausdehnungsvolumen ergibt sich aus der Dichteänderung des Wärmeträgers zwischen der tiefsten Temperatur und der höchsten Betriebstemperatur. Als tiefste Temperatur wird die Fülltemperatur von 10 °C angesetzt, bei kalten Netzen die tiefere Netztemperatur. Die Dichte wird temperaturabhängig für Wasser bzw. das gewählte Wasser-Glykol-Gemisch berechnet:

mit $V_{VL}$ und $V_{RL}$ als Wasserinhalt von Vor- und Rücklauf, $\rho_{min}$ als Dichte bei der tiefsten Temperatur und $\rho(t)$ als Dichte bei der jeweiligen Maximaltemperatur.

Wie in der Fernwärme üblich, dehnt sich der Vorlaufstrang bis zur maximalen Vorlauftemperatur aus und der Rücklaufstrang nur bis zur maximalen Rücklauftemperatur. Das liefert realistischere Werte als die für Gebäudeheizungen übliche Betrachtung, bei der das gesamte Volumen bis zur höchsten Temperatur erwärmt wird. Als Wasserinhalt wird das Volumen des Rohrnetzes aus dem Netzentwurf verwendet.

Zusätzlich wird eine Wasservorlage von 0,5 % des Wasserinhalts vorgehalten, mindestens 3 Liter:

mit $V_A$ als gesamtem Wasserinhalt der Anlage.

Nennvolumen von Druckhaltestation und MAG

Bei einer Druckhaltestation ist der Druck unabhängig vom Füllstand. Das Nennvolumen beträgt deshalb nur 10 % mehr als die aufzunehmende Wassermenge:

mit $V_n$ als Nennvolumen, $V_e$ als Ausdehnungsvolumen und $V_V$ als Wasservorlage.

Beim Membran-Ausdehnungsgefäß wird das Gaspolster mit steigendem Füllstand komprimiert, sodass nur ein Teil des Gefäßes nutzbar ist:

Der Vordruck $p_0$ in bar entspricht dem im Projekt eingestellten Mindestdruck der Druckhaltung. Der Enddruck $p_e$ wird für ein Standardgefäß mit 6 bar zulässigem Betriebsdruck ermittelt, mit $p_{SV}$ als Ansprechdruck des Sicherheitsventils:

Reicht das Druckband bei hohem Vordruck nicht aus, wird ein 10-bar-Gefäß angesetzt. Zusätzlich darf der Druck an keiner Stelle des Netzes 90 % der Druckstufe der Rohre überschreiten. Das MAG wird nur für Netze bis ca. 1 MW Spitzenlast ausgewiesen, darüber ist eine Druckhaltestation die übliche Lösung.

Zuschlag für Speicher und Erzeuger

Pufferspeicher, Wärmeerzeuger und andere Anlagenteile stehen zum Zeitpunkt der Netzplanung oft noch nicht fest, bestimmen aber häufig den größten Teil des Wasserinhalts. nPro gibt deshalb neben dem Nennvolumen für das Rohrnetz einen Zuschlag je m³ zusätzlichem Wasserinhalt an. Er wird konservativ bis zur höchsten Netztemperatur gerechnet. Beispiel: 72 L + 34 L/m³ bei 20 m³ Pufferspeicher ergibt 72 L + 20 · 34 L = 752 L.

Druckhaltung bei Nahwärme und kalter Nahwärme

Wie stark sich das Wasser ausdehnt, hängt vor allem von der Netztemperatur ab. In Tabelle 1 sind typische Werte je m³ Wasserinhalt für verschiedene Netztypen zusammengestellt (Vordruck 3 bar, MAG mit 6 bar).

Bei kalter Nahwärme dehnt sich das Wasser kaum aus. Das Nennvolumen wird dort überwiegend von der Wasservorlage bestimmt. Zwei Besonderheiten berücksichtigt nPro dabei automatisch: Liegen die Netztemperaturen im Winter unter der Fülltemperatur, wird die tiefere Temperatur als Ausgangspunkt verwendet. Und weil bei Netzen mit Kühlung der Rücklauf im Sommer wärmer sein kann als der Vorlauf, wird der Zuschlag für Speicher auf die höchste Temperatur beider Stränge bezogen. Mehr zu den Grundlagen finden Sie unter kalte Nahwärme, zur Auslegung unter Dimensionierung kalter Netze.

Bei klassischer Nahwärme und Fernwärme bestimmt dagegen die Ausdehnung das Ergebnis. Ein MAG ist dort wegen des Druckfaktors etwa zweieinhalbmal so groß wie das Gefäß einer Druckhaltestation.

Druckstufe der Rohre

nPro ermittelt aus dem höchsten Druck der hydraulischen Druckberechnung im Auslegungsfall die kleinste genormte Druckstufe, getrennt nach dem bei der Rohrdimensionierung gewählten Rohrtyp. Bei Mischnetzen, zum Beispiel mit Stahl-Hauptleitungen und flexiblen Kunststoff-Hausanschlüssen, wird die höchste Druckstufe angezeigt. Instationäre Drücke wie Druckstöße sind nicht berücksichtigt.

Validierung der Druckhaltung

Zur Validierung wurde ein Beispielnetz mit dem Auslegungstool Reflex Solutions Pro der Reflex Winkelmann GmbH (Stand Oktober 2026) nachgerechnet und mit den Ergebnissen von nPro verglichen. Randbedingungen: Wasserinhalt des Rohrnetzes 2.600 L, maximale Vorlauftemperatur 75 °C, maximale Rücklauftemperatur 55 °C, Vordruck 3,0 bar, Ansprechdruck des Sicherheitsventils 6 bar, Wasservorlage 0,5 %, Erzeugerleistung 400 kW. In Reflex Solutions Pro wurde das Auslegungskriterium „Mittlere Anlagentemperatur“ gewählt, das dem in nPro verwendeten Ansatz mit getrennter Betrachtung von Vor- und Rücklauf am nächsten kommt.

Die Abweichungen liegen unter 5 %. Der Druckfaktor des MAG stimmt praktisch überein, die Unterschiede beim Volumen entstehen durch die in Reflex Solutions Pro tabellierten Ausdehnungskoeffizienten gegenüber der in nPro verwendeten Dichtefunktion. Reflex Solutions Pro wählt für dieses Netz ein Gefäß Reflex N 200 (statische Druckhaltung) bzw. eine Druckhaltestation Variomat mit Grundgefäß VG 200. Das zeigt einen Punkt, der für kleine Netze wichtig ist: nPro gibt das rechnerische Mindestvolumen aus, lieferbare Gefäße werden auf die nächste Baugröße aufgerundet. Grundgefäße von Druckhaltestationen beginnen je nach Hersteller bei ca. 200 L.

Weitere Vergleiche von nPro mit etablierten Planungswerkzeugen finden Sie unter Validierung.

Quellen