Validierung: Rohrdimensionierung, Druckverluste und Wärmeverluste

Zielsetzung und Vorgehen

Für die Planung von Wärmenetzen sind zwei Berechnungsgrößen von zentraler Bedeutung: der Druckverlust (maßgeblich für die Dimensionierung (Wahl der Nennweite) sowie die Auslegung der Netzpumpen) und der Wärmeverlust (maßgeblich für die Effizienz des Netzes). Um die in nPro implementierten Verfahren zu überprüfen, wurden die Ergebnisse mit der Software isoConnect vom Rohrhersteller isoplus verglichen.

Damit ausschließlich methodische Unterschiede sichtbar werden, wurden in beiden Programmen identische Rohrtypen und identische Randbedingungen verwendet. Das bedeutet insbesondere gleiche Werte für Umgebungs- und Bodentemperaturen, die Wärmeleitfähigkeit von Mediumrohr, gleiche Rohrrauheit, gleicher Rohrabstand sowie gleiche Verlegetiefe bzw. Überdeckung.

Alle im Folgenden angegebenen prozentualen Abweichungen beziehen sich auf die Ergebnisse von isoConnect als Referenzwert.

Randbedingungen

Allgemeine Randbedingungen

Die folgenden Randbedingungen gelten für alle Vergleichsrechnungen und wurden in nPro und isoConnect identisch angesetzt. Strahlungseinflüsse wurden in beiden Tools nicht berücksichtigt.

Betrachtete Fälle

Verglichen werden drei Fälle, die sich in Rohrtyp und Netztemperatur unterscheiden. Innerhalb jedes Falls werden jeweils drei Leitungen mit einer Länge von 100 m und unterschiedlicher Transportleistung bzw. Verlegeart betrachtet.

Rohrspezifische Parameter

Die Eigenschaften der Rohrleitungen unterscheiden sich je nach Rohrtyp. In beiden Programmen wurden jeweils dieselben Werte hinterlegt.

Fall 1: Einzelrohr bei 80 °C Vorlauftemperatur

Der erste Fall bildet ein Wärmenetz mit getrennt verlegtem Vor- und Rücklauf ab. Verglichen werden nacheinander die gewählte Nennweite, der spezifische Druckverlust und der spezifische Wärmeverlust. Da nPro den Druckverlust als einen Wert je Trasse ausgibt, isoConnect dagegen getrennt für Vor- und Rücklauf, wird für isoConnect jeweils der Mittelwert beider Leitungen herangezogen.

Beide Programme wählen für alle drei Leitungen dieselbe Nennweite. Die Abweichung im spezifischen Druckverlust liegt bei rund 0,2 %. Die Wärmeverluste stimmen mit Abweichungen von unter 4 % ebenfalls gut überein. Bei den erdverlegten Leitungen berechnet nPro geringfügig niedrigere, bei der Freileitung geringfügig höhere Verluste als isoConnect.

Fall 2: Doppelrohr bei 80 °C Vorlauftemperatur

Bei Doppelrohrsystemen sind Vor- und Rücklauf in einem gemeinsamen Mantelrohr eingebettet. Dadurch ist der Wärmeverlust deutlich geringer als bei Einzelrohren, gleichzeitig muss die Wärmeübertragung zwischen den beiden Mediumrohren in der Berechnung berücksichtigt werden.

Auch beim Doppelrohr wählen beide Programme dieselbe Nennweite, und die Druckverluste weichen um weniger als 0,2 % voneinander ab. Die Wärmeverluste liegen in nPro um rund 3 % über den Werten von isoConnect.

Fall 3: Einzelrohr bei 110 °C Vorlauftemperatur

Der dritte Fall untersucht, ob die Übereinstimmung auch bei höheren Netztemperaturen und damit größeren Temperaturdifferenzen zum Erdreich erhalten bleibt. Rohrtyp und Verlegung entsprechen Fall 1, die Netztemperaturen wurden auf 110/70 °C angehoben.

Die Nennweiten stimmen erneut in allen drei Leitungen überein. Bei den Wärmeverlusten bleibt die Abweichung mit rund 3 bis 4 % auf demselben Niveau wie bei 80 °C Vorlauftemperatur, und es zeigt sich dasselbe Muster: erdverlegt berechnet nPro etwas niedrigere, freihängend etwas höhere Verluste. Beim Druckverlust wächst die Abweichung gegenüber Fall 1 von rund 0,2 % auf gut 3 %. Ursache sind die bei hohen Temperaturen stärker voneinander abweichenden Stoffwerte des Wassers, die über Dichte und Viskosität direkt in Massenstrom und Rohrreibung eingehen.

Einordnung der Abweichungen

In allen drei Vergleichsfällen wählen nPro und isoConnect dieselben Nennweiten. Die spezifischen Druckverluste weichen bei 80/40 °C um weniger als 0,2 % und bei 110/70 °C um gut 3 % voneinander ab. Maßgeblich sind hier die temperaturabhängigen Stoffwerte von Wasser und die Bestimmung des Reibungsbeiwerts, deren Einfluss mit steigender Netztemperatur zunimmt. Die spezifischen Wärmeverluste stimmen mit Abweichungen von rund 3 bis 4 % ebenfalls gut überein, wobei nPro bei erdverlegten Einzelrohren geringfügig niedrigere und bei freihängender Verlegung geringfügig höhere Werte berechnet. Dahinter stehen unterschiedliche Ansätze für den äußeren Wärmeübergang sowie für den Erdreichwiderstand und die gegenseitige thermische Beeinflussung von Vor- und Rücklauf. Für die Planungspraxis liegen diese Unterschiede deutlich innerhalb der Unsicherheit, die aus den Annahmen zu Erdreicheigenschaften, Verlegetiefe und Betriebstemperaturen ohnehin resultiert.

Quellen