Zielsetzung und Vorgehen
Die in nPro implementierten Verfahren zur Bestimmung der Anschlussleistungen von Wärmeübergabestationen sowie zur Dimensionierung des Rohrnetzes wurden anhand eines beispielhaften Quartiers mit Wärmenetz überprüft. Es handelt sich um ein typisches Neubauquartier in Nordrhein-Westfalen (Deutschland), dessen Gebäudestruktur für viele Quartiersprojekte in Deutschland repräsentativ ist. Als Referenz dienen die Planungsunterlagen dieses Quartiers, in denen die Anschlussleistungen gebäudescharf und die Nennweiten trassenscharf ausgewiesen wurden. Nachfolgend werden die Ergebnisse der Berechnungsschritte gegenübergestellt.
Beschreibung des Quartiers
Das untersuchte Quartier besteht aus Wohngebäuden im Neubaustandard sowie einer Kindertagesstätte. Bei den Wohngebäuden handelt es sich um 18 Einfamilienhäuser (16 Reihenhäuser und 2 freistehende Gebäude) sowie 5 Mehrfamilienhäuser. Insgesamt werden 24 Übergabestationen mit 105 Wohneinheiten und einer Nutzfläche von rund 8.500 m² versorgt.
| Gebäudetyp | Anzahl | Wohn-/Nutzeinheiten | Nutzfläche je Gebäude |
|---|---|---|---|
| MFH 1, Neubau | 1 | 14 | 850 m² |
| MFH 2, Neubau | 1 | 24 | 1250 m² |
| MFH 3, Neubau | 1 | 22 | 1470 m² |
| MFH 4, Neubau | 1 | 16 | 1400 m² |
| MFH 5, Neubau | 1 | 11 | 600 m² |
| EFH (Reihenhaus), Neubau | 16 | 1 | 110 m² |
| EFH (freistehend), Neubau | 2 | 1 | 220 m² |
| Kita, Neubau | 1 | 1 | 700 m² |
Teil 1: Anschlussleistungen der Wärmeübergabestationen
Die Anschlussleistungen der Wärmeübergabestationen des Wärmenetzes ergeben sich aus dem Zusammenwirken von Zapfprofil, Gleichzeitigkeiten, der Art der Trinkwarmwasserbereitung und Speicherbewirtschaftung. Nachfolgend werden die in nPro berechneten Anschlussleistungen den ausgewiesenen Werten der Referenzplanung gegenübergestellt.
Annahmen und Randbedingungen
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Standort / Klimadatensatz | Deutschland (Köln) |
| Gebäudestandard Wohngebäude | KfW 55, Neubau |
| Gebäudestandard Nichtwohngebäude | Neubau, Nutzung Kindergarten |
| Vorlauf-/Rücklauftemperatur (Netz) | 70 / 48 °C |
| Vorlauf-/Rücklauftemperatur (Gebäude) | 65 / 45 °C |
| Zapfprofil | Standard (16 l/min, ca. 35 kW) |
| TWW-Erwärmung | MFH, Kita: dezentral; EFH: zentral |
| Nachladedauer TWW-Speicher | MFH, Kita: 30 min; EFH: 60 min |
Ergebnisse
Nachfolgend sind die Ergebnisse der Auslegung der Wärmeübergabestationen in nPro dargestellt.
| Gebäude | Anzahl | Anschlussleistung Referenz | Anschlussleistung nPro | Abweichung | Mittlere absolute Abweichung |
|---|---|---|---|---|---|
| Mehrfamilienhäuser | 5 | 368 kW | 380,0 kW | 3,3 % | 4,6 % |
| MFH 1 (14 WE) | 1 | 65 kW | 65,0 kW | 0,0 % | |
| MFH 2 (24 WE) | 1 | 95 kW | 100,0 kW | 5,3 % | |
| MFH 3 (22 WE) | 1 | 87 kW | 86,0 kW | -1,1 % | |
| MFH 4 (16 WE) | 1 | 75 kW | 76,0 kW | 1,3 % | |
| MFH 5 (11 WE) | 1 | 46 kW | 53,0 kW | 15,2 % | |
| Einfamilienhäuser | 18 | 184 kW | 190,6 kW | 3,6 % | 5,1 % |
| EFH (Reihenhaus) | 16 | 10 kW | 10,5 kW | 5,0 % | |
| EFH (freistehend) | 2 | 12 kW | 11,3 kW | -5,8 % | |
| Kita | 1 | 58 kW | 56,0 kW | -3,4 % | 3,4 % |
| Quartier | 24 | 610 kW | 626,6 kW | 2,7 % | 4,9 % |
Die mittlere absolute Abweichung der Anschlussleistungen beträgt über alle 24 Übergabestationen 4,9 %. Sie liegt bei den Mehrfamilienhäusern bei 4,6 %, bei den Einfamilienhäusern bei 5,1 % und bei der Kindertagesstätte bei 3,4 %, sodass alle Gebäudetypen über das gesamte Leistungsspektrum vergleichbar gut abgebildet werden. Lediglich ein Gebäude weicht mit 15,2 % ab. Da die Randbedingungen der Referenzplanung nicht in allen Details bekannt sind, lässt sich diese Abweichung auf unterschiedliche Annahmen zur Trinkwarmwasserbereitung zurückführen.
Teil 2: Dimensionierung des Rohrnetzes
Aus den Anschlussleistungen der Gebäude ergeben sich über die Auslegungsspreizung zwischen Vor- und Rücklauf die Massenströme, die unter Berücksichtigung der Gleichzeitigkeit zu den einzelnen Trassenabschnitten aufsummiert werden. Die Nennweite eines Abschnitts folgt anschließend aus dem zulässigen spezifischen Druckgefälle und dem verfügbaren Rohrsortiment. Nachfolgend werden die in nPro gewählten Nennweiten den trassenscharf ausgewiesenen Nennweiten der Referenzplanung gegenübergestellt.
Annahmen und Randbedingungen
Für die Dimensionierung wurde in nPro der Trassenverlauf nachgebildet und ein zur Referenzplanung passender Rohrtyp verwendet. Weitere Randbedingungen sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt.
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Rohrtyp Verteilleitungen | Kunststoff (Einzelrohr) |
| Rohrtyp Hausanschlussleitungen | Kunststoff (Doppelrohr) |
| Vorlauf-/Rücklauftemperatur | 70 / 48 °C |
| Maximales Druckgefälle | 200 Pa/m |
| Rauigkeit | 0,007 mm |
| Verfügbare Nennweiten | DN 20 bis DN 150 |
| Gesamte Trassenlänge | 485 m |
Ergebnisse
Nachfolgend sind die Ergebnisse der Rohrnetzdimensionierung in nPro dargestellt.
Von den insgesamt 63 Trassenabschnitten erhalten 56 Abschnitte in beiden Werkzeugen dieselbe Nennweite. Die verbleibenden 7 Abschnitte beziehen sich auf 3 Stellen im Rohrnetz und werden in nPro jeweils eine Dimension kleiner oder größer ausgelegt als in den Planungsunterlagen des Referenzprojektes. Da die Referenzplanung über den Rohrtyp hinaus keine weiteren Auslegungsparameter ausweist, lässt sich die Abweichung auf unbekannte Annahmen zur Rohrrauigkeit oder zum zulässigen Druckgefälle zurückführen, die beide unmittelbar in die Nennweitenwahl eingehen. Die Trassenabschnitte mit abweichenden Nennweiten sind in Abbildung 4 dargestellt und rot hinterlegt.
Einordnung der Ergebnisse
Die nachfolgende Abbildung zeigt zusammenfassend den Vergleich der Ergebnisse in nPro und den Planungsdaten des Referenzprojektes.
Insgesamt bilden die in nPro implementierten Verfahren sowohl die Anschlussleistungen der Wärmeübergabestationen als auch die Nennweiten des Rohrnetzes mit guter Übereinstimmung zur Referenzplanung ab. Die mittlere absolute Abweichung der Anschlussleistungen beträgt über alle 24 Übergabestationen 4,9 %. Mit 4,6 % bei den Mehrfamilienhäusern, 5,1 % bei den Einfamilienhäusern und 3,4 % bei der Kindertagesstätte werden alle Gebäudetypen über das gesamte Leistungsspektrum vergleichbar gut abgebildet. Bei der Rohrnetzdimensionierung wählen beide Werkzeuge in 56 von 63 Trassenabschnitten dieselbe Nennweite, was einer Übereinstimmung von 89 % entspricht. Die verbleibenden Unterschiede sind darauf zurückzuführen, dass die Randbedingungen der Referenzplanung nicht in allen Details dokumentiert sind und daher nicht vollständig nachgebildet werden konnten.
Quellen
- Planungsunterlagen des untersuchten Quartiers (nicht öffentlich)