Auslegung Wärmeübergabestationen in Wärmenetzen
Die Auslegung von Wärmeübergabestationen in Wärmenetzen hängt wesentlich von der Art der Trinkwarmwasserbereitung, dem Einsatz von Pufferspeichern sowie von der Priorisierung zwischen Raumwärme- und Warmwasserbereitung ab. Je nach Konzept ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die maximale Leistungsbereitstellung aus dem Wärmenetz sowie an die Dimensionierung der Übergabestation.
Grundlegendes
Für die Auslegung von Wärmeübergabestationen müssen sowohl die Heizleistung für Raumwärme als auch die Leistung zur Trinkwarmwasserbereitung berücksichtigt und getrennt betrachtet werden. Abhängig davon, ob die Warmwasserbereitung zentral oder dezentral erfolgt, ob ein Pufferspeicher eingesetzt wird und ob eine Vorrangschaltung für die Warmwasserbereitung vorgesehen ist, ergeben sich unterschiedliche Auslegungsfälle. Im Folgenden werden sechs typische Varianten der Trinkwarmwasserbereitung in Wärmenetzen unterschieden, die im nPro-Tool ausgewählt werden können.
| Konzept | Pufferspeicher | Vorrangschaltung |
|---|---|---|
| Zentrale TWW-Erwärmung in Frischwasserstationen | ja | ja |
| ja | nein | |
| nein | ja | |
| nein | nein | |
| TWW-Erwärmung mittels Wohnungsstationen | ja | ja |
| nein | ja |
Berechnung der Trinkwarmwasserleistung
Zentral bei der Auslegungsrechnung ist die Ermittlung der Trinkwarmwasserleistung eines Gebäudes. Dabei werden Gleichzeitigkeiten, zentrale und dezentrale Warmwasserbereitung sowie die maximale Warmwasserlast berücksichtigt. Zuerst wird der Gleichzeitigkeitsfaktor der Trinkwarmwasser-Zapfungen \(f_{GLZ}(Wohneinheiten)\) in Abhängigkeit von der Anzahl der Wohneinheiten \(N_{WE}\) bestimmt. Dieser Faktor beschreibt, wie viele Zapfvorgänge bei mehreren Wohnungen gleichzeitig auftreten. Falls die Warmwasserbereitung zentral oder teilweise zentral erfolgt, wird die Anzahl der gleichzeitigen Zapfvorgänge wie folgt berechnet:
$$n_{Zapfungen} = N_{WE} \cdot f_{GLZ}$$
Anschließend wird der Anteil der dezentral bereitgestellten Trinkwarmwasserleistung \(A_{dezentral}\) bestimmt. Dieser Wert liegt zwischen 0 und 1. Die Leistung eines einzelnen Zapfvorgangs (bei vollem Temperaturhub) wird wie folgt berechnet:
$$\dot{Q}_{Einzelzapfung,voll} = c_p \cdot \rho \cdot \dot{V}_{TWW} \cdot (T_{Zapfung} - T_{Kaltwasser})$$
Der zentral bereitzustellende Anteil der Leistung pro Zapfvorgang ergibt sich zu:
$$\dot{Q}_{Einzelzapfung,voll,zentral} = \dot{Q}_{Einzelzapfung,voll} \cdot (1 - A_{dezentral})$$
Die insgesamt zentral bereitzustellende Trinkwarmwasserleistung ergibt sich aus:
$$\dot{Q}_{zentral,total} = \dot{Q}_{Einzelzapfung,voll,zentral} \cdot n_{Zapfungen}$$
Für den Fall, dass dezentrale Durchlauferhitzer/Untertischgeräte vorgesehen sind, ergibt sich die gesamte installierte elektrische Leistung dieser Anlagen zu:
$$\dot{Q}_{el,dezentral,total} = \dot{Q}_{Einzelzapfung,dezentral} \cdot N_{WE}$$
Für die Ergebnisdarstellung wird zusätzlich der maximale Trinkwarmwasserbedarf berechnet:
$$\dot{Q}_{dhw,max} = \dot{Q}_{Einzelzapfung,voll} \cdot N_{WE} \cdot f_{GLZ}$$
Berechnung des Trinkwarmwasser-Pufferspeichers
Für den Fall, dass kein Speicher für die Trinkwarmwasserbereitung vorgesehen ist, entspricht die benötigte Leistung der zentralen Warmwasserbereitung der maximalen Warmwasserleistung. Falls jedoch ein Pufferspeicher vorgesehen ist, wird die benötigte Leistung der zentralen Warmwasserbereitung anhand der Nachladeleistung des Pufferspeichers berechnet. Die Nachladeleistung hängt von der Entnahmeleistung, der Entnahmezeit und der Nachladedauer des Speichers ab. Zunächst wird der Entnahmevolumenstrom berechnet:
$$\dot{V}_{Entnahme} = \frac{\dot{Q}_{TWW,zentral,total}}{c_p \cdot \rho \cdot \Delta T_{Spreizung}}$$
Anschließend wird das Entnahmevolumen berechnet:
$$V_{Entnahme} = \dot{V}_{Entnahme} \cdot t_{Entnahme}$$
Das benötigte Speichervolumen ergibt sich zu:
$$V_{Speicher} = \frac{V_{Entnahme}}{\eta_{Speicher}}$$
Hierbei wird ein Speicherungsgrad von 85 % angenommen, d.h. das nutzbare Volumen des Speichers beträgt 85 % des tatsächlichen Speichervolumens. Das reale Speichervolumen \(V_{Speicher,real}\) wird anschließend auf diskrete Speichergrößen angepasst: Dabei ist das kleinstmögliche Volumen 200 Liter. Größen bis zu 1000 Liter werden in Schritten von 100 Liter angepasst; bis zu 2000 Liter in Schritten von 200 Liter; bis zu 5.000 Liter in Schritten von 500 Liter; und darüber hinaus in Schritten von 1000 Liter. Der Nachladevolumenstrom ergibt sich damit zu:
$$\dot{V}_{Nachladung} = \frac{V_{Speicher,real}}{t_{Ladung}}$$
Die Nachladeleistung des Speichers folgt damit zu:
$$\dot{Q}_{Nachladung} = c_p \cdot \rho \cdot \dot{V}_{Nachladung} \cdot \Delta T_{Spreizung}$$
Berechnung der Heizleistung (Raumwärme)
Für die Berechnung der Heizleistung (Raumwärme) wird zunächst die maximale Leistungsspitze des Raumwärmebedarfs ermittelt. Das Profil für Raumwärmebedarf wird ggfs. in Grundlast und Spitzenlast aufgeteilt (wenn ein Spitzenlast-Erzeuger aktiviert ist). Anschließend wird der Gleichzeitigkeitsfaktor für die Raumwärme ermittelt. Gebäude mit dem Gebäudetyp "Wohnen" und "Gemischt" gehen mit der Anzahl ihrer Wohneinheiten ein. Alle anderen Gebäude gehen - abhängig von der gewählten Einstellung - entweder mit dem Wert 1 oder dem Wert 0 in die Berechnung ein. Das heißt, Nicht-Wohngebäude gehen unabhängig von der Anzahl der eingestellten Nutzeinheiten mit 1 oder 0 ein. Aus der Summe wird der Gleichzeitigkeitsfaktor für die Raumwärme gemäß der eingestellten Methodik ermittelt. Anschließend wird die maximale Leistungsspitze mit dem Gleichzeitigkeitsfaktor multipliziert, um die effektive Heizleistung zu erhalten. Falls eine dezentrale Warmwasserbereitung über Wohnungsstationen vorgesehen ist, wird zusätzlich eine Vorrangschaltung der Warmwasserbereitung gegenüber der Raumwärme berücksichtigt. Das heißt, die effektive Heizleistung wird ggfs. weiter reduziert, abhängig von der Anzahl der gleichzeitigen Zapfvorgänge und der Anzahl der Wohneinheiten.
Bestimmung der Leistung der Wärmeübergabestation
Zur Auslegung der Wärmeübergabestation müssen zunächst die maximal auftretenden Leistungen, die aus dem Wärmenetz für Raumwärme und Trinkwarmwasser bezogen werden, ermittelt werden. In einem ersten Schritt wird ermittelt, wie groß der Anteil der Leistung ist, der direkt über das Wärmenetz gedeckt werden kann verglichen mit dem Anteil, der ggfs. über Booster-Wärmepumpen oder Booster-Durchlauferhitzer bereitgestellt werden muss. Dieser Anteil ergibt sich aus der Netztemperatur, den COP-Profilen der Wärmepumpen und den Bedarfsprofilen. Sofern Annahmen getroffen werden müssen, wann die Lastspitze für Trinkwarmwasser auftritt, wird zur sicheren Seite abgeschätzt, d.h., dass die Wärmepumpe auch im ungünstigen Fall nicht unterdimensioniert wird. Im Fall einer zentralen Warmwasserbereitung in Frischwasserstationen mit Vorrangschaltung wird lediglich der höhere Wert der beiden Leistungen (Raumwärme oder Warmwasser) für die Dimensionierung der Wärmeübergabestation herangezogen.
Zur finalen Auslegung der Wärmeübergabestation wird das Maximum aus a) der Summe der maximalen Leistungen für Raumwärme und Trinkwarmwasser und b) dem Maximum des kumulierten Lastprofils (Raumwärme, Trinkwarmwasser und ggfs. Kälte) herangezogen. Das heißt, es wird sowohl die statische Leistungsspitze als auch die maximale Leistungsspitze aus den Lastprofilen berücksichtigt. Im Regelfall ist die statische Leistungsspitze für die Dimensionierung der Wärmeübergabestation relevant. Im Falle von Ausgleichseffekten zwischen Wärme- und Kältebedarfen, oder großen Kältebedarfen, kann jedoch die maximale Leistungsspitze aus den Lastprofilen relevant sein.
Leistung der Wärmeübergabestation in Abhängigkeit der Wohneinheiten
In Abbildung 2 ist die Leistung der Wärmeübergabestation in Abhängigkeit der Anzahl der Wohneinheiten in einem Wärmenetz dargestellt. Der Abbildung liegen eine Reihe von Annahmen zugrunde: Die Heizlast pro Wohneinheit wird beispielsweise zu 4 kW angenommen. Es wird deutlich, dass die Leistung mit zunehmender Anzahl an Wohneinheiten steigt, jedoch nicht linear, sondern mit abnehmender Steigung. Dies liegt daran, dass mit zunehmender Anzahl an Wohneinheiten der Gleichzeitigkeitsfaktor für Trinkwarmwasser sinkt, was zu einer geringeren benötigten Leistung pro zusätzlicher Wohneinheit führt.
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