Pumpendimensionierung im Wärmenetz

Pumpkonzepte: zentrale Netzpumpe oder passive kalte Nahwärme

nPro unterscheidet zwei Pumpkonzepte, die im Projekt ausgewählt werden:

• Zentrales Pumpkonzept: Eine Netzpumpe in der Energiezentrale fördert das Wasser durch das gesamte Netz. An den Übergabestationen steht ein Differenzdruck zur Verfügung, der über Regelventile abgebaut wird. Das ist der Standard in Nahwärme- und Fernwärmenetzen.
• Dezentrales Pumpkonzept (passive kalte Nahwärme): Das Netz hat keine zentrale Netzpumpe. Stattdessen bewegt jede Übergabestation das Wasser mit einer eigenen Pumpe in ihrer jeweiligen Flussrichtung, beim Wärmebezug vom Vorlauf in den Rücklauf, bei Einspeisung vom Rücklauf in den Vorlauf. Dieses Konzept wird als passive kalte Nahwärme bezeichnet. Kalte Nahwärmenetze mit zentraler Netzpumpe berechnet nPro nach dem zentralen Pumpkonzept.

Zentrales Pumpkonzept: Netzpumpe in der Energiezentrale

Netzschlechtpunkt

Der Netzschlechtpunkt ist die Übergabestation mit dem kleinsten verfügbaren Differenzdruck zwischen Vor- und Rücklauf. nPro bestimmt ihn aus den Knotendrücken der hydraulischen Netzberechnung und nicht über die längste Leitung. Damit wird der Schlechtpunkt auch in vermaschten Netzen und bei ungleich verteilten Lasten richtig erkannt, in denen er nicht zwingend am entferntesten Gebäude liegt. Reine Einspeiser ohne eigenen Wärmebezug kommen als Schlechtpunkt nicht in Frage.

Förderhöhe der Netzpumpe

Die Förderhöhe der Netzpumpe setzt sich aus vier Anteilen zusammen:

mit $\Delta p_{Rohr}$ als Druckverlust der Rohrleitungen in Vor- und Rücklauf zwischen Energiezentrale und Netzschlechtpunkt, $z_{EW}$ als Zuschlag für Einzelwiderstände wie Formstücke und Armaturen (Projekteingabe in % des Rohrleitungsdruckverlusts), $\Delta p_{ÜS}$ als Mindestdifferenzdruck der Übergabestation am Netzschlechtpunkt (Projekteingabe) und $\Delta p_{EZ}$ als Druckverlust der Energiezentrale.

Geodätische Höhenunterschiede gehen nicht in die Förderhöhe ein, da sie sich im geschlossenen Kreislauf zwischen Vor- und Rücklauf aufheben. Sie bestimmen aber das Druckniveau im Netz und sind damit für die Druckhaltung und die Druckstufe der Rohre relevant.

Auslegungsvolumenstrom und Auslegungsfall

Die Netzpumpe wird für den Auslegungsvolumenstrom an der Energiezentrale ausgelegt, der auch der Rohrdimensionierung zugrunde liegt. Berücksichtigt wird nur der Volumenstrom, den die Energiezentrale ins Netz liefert. Fließt in Zeiten mit Einspeiseüberschuss Wasser in Gegenrichtung zur Energiezentrale, wird dieser Volumenstrom von den Einspeisepumpen angetrieben (siehe unten).

Für den Druckverlust der Rohrleitungen vergleicht nPro zwei Zustände: den statischen Auslegungsfall der Rohrdimensionierung und den Zeitpunkt mit der höchsten Last aus der dynamischen Jahressimulation. Maßgebend ist der größere Druckverlust. In zwei Fällen wird ausschließlich der Simulationszustand verwendet:

• Relevante Rückspeisung an der Energiezentrale: Übersteigt der Einspeiseüberschuss an der Energiezentrale 25 % ihrer maximalen Wärmelieferung, ist der statische Auslegungsfall nicht mehr repräsentativ. Das gilt auch, wenn keine detaillierte Rohrdimensionierung durchgeführt wurde.
• Vermaschte Netze: Sind die Knotendrücke des Auslegungsfalls in einem vermaschten Netz nicht konsistent, wird der Druckverlust aus der Simulation auf den Auslegungsvolumenstrom hochgerechnet und eine Warnung ausgegeben:

Der Exponent 1,8 liegt zwischen hydraulisch glatten Rohren (1,75 nach Blasius) und vollständig rauer Strömung (2,0) und bildet den Übergangsbereich ab, in dem Wärmenetzrohre üblicherweise betrieben werden.

Pumpenleistung und Wirkungsgrad

Die hydraulische und die elektrische Leistung der Pumpe im Auslegungspunkt ergeben sich zu:

Der Wirkungsgrad $\eta$ ist der Gesamtwirkungsgrad aus Hydraulik, Motor und Elektronik. Für große Fernwärmepumpen liegt er typischerweise zwischen 65 % und 85 %, nPro setzt als Höchstwert 75 % an. Kleine Pumpen erreichen deutlich geringere Wirkungsgrade, deshalb wird der Wirkungsgrad abhängig von der hydraulischen Leistung berechnet:

mit $\eta_{max} = 0{,}75$, $P_{1/2} = 0{,}03$ kW als hydraulischer Leistung, bei der die Hälfte des Höchstwerts erreicht wird, und $\eta_{min} = 0{,}2$ als Untergrenze. Dieselbe Kennlinie gilt für Netzpumpen, Einspeisepumpen und die Gebäudepumpen in passiven kalten Netzen.

Einspeisepumpen

Sekundäre Energiezentralen und Prosumer, die Abwärme vom Rücklauf in den Vorlauf einspeisen, benötigen eigene Einspeisepumpen. Ihre Förderhöhe ergibt sich aus der Druckdifferenz zwischen Rücklauf und Vorlauf an ihrem Netzknoten zuzüglich ihres internen Druckverlusts (Energiezentrale bzw. Übergabestation):

Dabei wird zusätzlich ein Sommerzeitpunkt mit Einspeiseüberschuss betrachtet, da die Einspeisepumpen dann gegen die ungünstigsten Druckverhältnisse fördern. Die Netzpumpe fördert nur den Anteil, den die sekundären Energiezentralen nicht selbst decken.

Speisen Prosumer dagegen vom Vorlauf in den Rücklauf ein, entnehmen sie Vorlaufwasser wie ein Verbraucher und geben es erwärmt in den Rücklauf ab. Eine Einspeisepumpe ist dann nicht nötig, die Netzpumpe fördert den Einspeisevolumenstrom mit.

Dezentrales Pumpkonzept: passive kalte Nahwärme

In passiven kalten Nahwärmenetzen gibt es keine zentrale Netzpumpe. Die Energiezentrale ist passiv, ihr Druckverlust wird von den Pumpen in den Übergabestationen mit überwunden. Jede Übergabestation erhält eine Pumpe je Flussrichtung, Prosumer mit Bezug und Einspeisung also gegebenenfalls zwei.

Die Förderhöhe einer Station ergibt sich aus der Druckdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf an ihrem Knoten, die sie in ihrer Flussrichtung überwinden muss. Ist diese negativ, steht an der Station ein Drucküberschuss an, der abgedrosselt wird, und die Station benötigt keine Pumpe. nPro wertet dafür bis zu drei Netzzustände aus: den statischen Auslegungsfall, den Zeitpunkt mit der höchsten Last im Winter und einen Sommerzeitpunkt mit Einspeiseüberschuss. Eine Station wird nur nach Zuständen ausgelegt, in denen sie tatsächlich in Betrieb ist, die größte erforderliche Förderhöhe ist maßgebend.

Der Auslegungsvolumenstrom jeder Station folgt aus ihrer Auslegungsleistung und der Spreizung in ihrer Spitzenstunde:

Als Auslegungsleistung wird für den Wärmebezug der größere Wert aus maximaler stündlicher Last und statischer Heizlast des Gebäudes verwendet, ohne Gleichzeitigkeit, da jedes Gebäude seine eigene Pumpe hat. Dichte und Wärmekapazität werden für Wasser bzw. das gewählte Wasser-Glykol-Gemisch angesetzt.

Die berechnete Förderhöhe umfasst nur die Netzseite. Druckverluste im Gebäude, zum Beispiel im Wärmeübertrager oder im Verdampfer der Wärmepumpe, sind nicht enthalten und kommen bei der Pumpenauswahl hinzu. Übersteigt die Förderhöhe einer Station die im Projekt eingestellte maximale Förderhöhe der Gebäudepumpen, gibt nPro eine Warnung für dieses Gebäude aus.

Sekundäre Energiezentralen wie Erdsondenfelder gelten als passiv, wenn ihre verbleibende Förderhöhe höchstens 5 kPa (0,05 bar) beträgt. Benötigen sie mehr, weist nPro mit einer Warnung darauf hin, dass sie ihren Anteil ohne eigene Pumpe nicht vollständig einspeisen könnten. Als Netzschlechtpunkt wird in passiven kalten Netzen das Gebäude mit der größten Förderhöhe einer Bezugspumpe angezeigt. Mehr zur Auslegung kalter Netze finden Sie unter Dimensionierung kalter Netze.

Pumpenstrombedarf

Der Pumpenstrombedarf wird stündlich über das ganze Jahr berechnet. Der Volumenstrom jeder Stunde folgt aus der Last und der Spreizung dieser Stunde, die Förderhöhe wird als konstant angenommen (drehzahlgeregelte Pumpe mit Konstantdruckregelung):

mit $V_a$ als jährlich umgewälztem Wasservolumen. Pumpen mit Schlechtpunktregelung senken die Förderhöhe in Teillast ab, der berechnete Strombedarf liegt damit eher auf der sicheren Seite. Das stündliche Profil aller Pumpen geht als Strombedarf in die Simulation der Energiezentrale ein. Zusätzlich gibt nPro den Pumpenstrombedarf relativ zur gelieferten Wärme und Kälte in % aus.

Ergebnisse der Pumpendimensionierung

Annahmen und Grenzen

• Geodätische Höhenunterschiede sind in der Förderhöhe nicht enthalten, da sie sich im geschlossenen Kreislauf aufheben.
• Die Förderhöhe ist über das Jahr konstant, der Volumenstrom folgt stündlich der Last.
• Instationäre Vorgänge wie Druckstöße beim Anfahren oder Schließen von Armaturen werden nicht betrachtet.
• nPro gibt den Auslegungspunkt aus Förderhöhe und Volumenstrom aus. Die Auswahl eines konkreten Pumpenmodells anhand seiner Kennlinie erfolgt in der weiteren Planung.

Validierung der Pumpendimensionierung

Zur Validierung wurde die Netzpumpe eines realen Quartiersnetzes in Rheinland-Pfalz mit dem Auslegungstool Grundfos Product Center (Stand September 2026) ausgelegt und mit den Ergebnissen von nPro verglichen. Beide Berechnungen basieren auf denselben Gebäudelasten und Nennweiten. Randbedingungen: vermaschtes Netz mit 14 Abschnitten und 11 Versorgungszonen, Summe der Spitzenlasten 4.421 kW einschließlich einer Zone mit 1.169 kW Wärmeeinspeisung, Vorlauftemperatur ca. 85 °C, Rücklauftemperatur ca. 42 °C. In Grundfos wurden eine Rohrrauheit von 0,25 mm, an den meisten Übergabestationen ein Differenzdruck von 0,4 bar und keine zusätzlichen Einzelverluste angesetzt. Die Pumpe wird dort auf den Differenzdruck in den Versorgungszonen geregelt.

Der Auslegungsvolumenstrom stimmt praktisch exakt überein. Die um 15 % höhere Förderhöhe in nPro geht vor allem auf die Zuschläge zurück: nPro berücksichtigt zusätzlich 0,2 bar für die Energiezentrale und 25 % für Einzelwiderstände (0,29 bar), die in Grundfos nicht angesetzt waren. Umgekehrt war in nPro an der Übergabestation 0,3 bar statt 0,4 bar eingestellt. Mit denselben Ansätzen wie in Grundfos ergäbe sich in nPro eine Förderhöhe von 1,16 bar + 0,4 bar = 1,56 bar, knapp 8 % weniger als in Grundfos. Der reine Rohrleitungsdruckverlust liegt in nPro um 10 % niedriger. Unterschiede entstehen hier unter anderem durch die Rohrrauheit, die Stoffwerte und die Aufteilung der Volumenströme in den Maschen des Netzes.

Der Gesamtwirkungsgrad aus der Wirkungsgradkennlinie von nPro liegt mit 74 % nahe am Wert der von Grundfos gewählten Pumpe (69,6 % inklusive Motor und Frequenzumrichter). Die elektrische Leistung im Auslegungspunkt ist in nPro wegen der höheren Förderhöhe um 9 % größer.

Beim jährlichen Pumpenstrombedarf weichen beide Berechnungen nur um 2,3 % voneinander ab. Dahinter stehen allerdings zwei gegenläufige Effekte. Grundfos senkt die Förderhöhe in Teillast ab, bei 25 % Förderstrom auf 47 % der Auslegungsförderhöhe, rechnet aber mit einem pauschalen Belastungsprofil aus vier Laststufen, in dem die Pumpe rund 360.600 m³ pro Jahr umwälzt. nPro rechnet mit konstanter Förderhöhe, dafür mit dem stündlichen Lastprofil der Gebäude, in dem rund 207.000 m³ pro Jahr umgewälzt werden. Je umgewälztem Kubikmeter liegt nPro damit, wie durch die konstante Förderhöhe zu erwarten, auf der sicheren Seite.

Grundfos wählt für diesen Betriebspunkt zwei drehzahlgeregelte Pumpen TPE3 80-210 mit je 3 kW im Parallelbetrieb. nPro gibt den Betriebspunkt aus Förderhöhe und Volumenstrom aus; die Auswahl eines konkreten Pumpenmodells und die Aufteilung auf mehrere Pumpen erfolgen in der weiteren Planung.

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

Quellen