Berechnung der Pumparbeit bei Wärmenetzen
Ein kleiner Teil der für den Betrieb eines Wärmenetzes notwendigen Energie wird für die Umwälzung des Wärmeträgermediums benötigt. Dieser Energieaufwand wird als Pumparbeit bezeichnet. Auf dieser Seite wird erläutert, wie die Pumparbeit in nPro berechnet wird und welche Annahmen dabei getroffen werden.
Zentrale und dezentrale Pumpkonzepte
Unter Pumparbeit versteht man den für die Umwälzung des Wärmeträgermediums durch das Wärmenetz benötigten jährlichen Energieaufwand. Die Wasserzirkulation kann auf zwei Arten realisiert werden:
- zentrale Umwälzpumpe, und
- dezentrale Umwälzpumpen.
Bei der ersten Methode wird eine zentrale Umwälzpumpe in der Energiezentrale verwendet. Diese Methode ist vor allem bei größeren Wärmenetzen üblich, da sie eine höhere Effizienz und eine bessere Regelbarkeit ermöglicht. Bei der zweiten Methode wird die Umwälzung des Wärmeträgermediums durch dezentrale Pumpen realisiert, die in den Gebäuden installiert sind. Diese Methode ist vor allem bei kalten Nahwärmenetzen üblich, bei denen die Umwälzpumpen der dezentral installierten Wärmepumpen verwendet werden können.
Annahmen für die Berechnung der Pumparbeit
Als Ansatz für die Berechnung wird auf die in dem Planungshandbuch Fernwärme von EnergieSchweiz/Bundesamt für Energie BFE auf Seite 134 ff. beschriebene Vorgehensweise zurückgegriffen. Hierbei wird die nominale Pumpenleistung mit den Vollbetriebsstunden der Wärmeabnehmer multipliziert. Die Vollbetriebsstunden der Wärmeabnehmer werden bestimmt, indem der Gesamtwärmebedarf durch die maximale Wärmeleistung geteilt wird. Die nominale Pumpenleistung wird anhand des durch die Pumpe maximal zu überwindenden Druckverlustes sowie des maximalen Volumenstroms berechnet. Dazu wird die folgende Formel genutzt:
\[\text{Maximale Pumpleistung} = \text{Gesamtdruckverlust} \times \text{Volumenstrom}\]
Die Pumparbeit über das gesamte Jahr wird dann mit der folgenden Formel berechnet:
\[\text{Pumparbeit} = \frac{\text{Maximale Pumpleistung} \times \text{Volllaststunden}}{\text{Pumpenwirkungsgrad}}\]
Als hydraulischer und elektrischer Pumpenwirkungsgrad wird im Planungshandbuch ein Wert von 75 % empfohlen, der in nPro auch fest hinterlegt ist.
Pumparbeit bei zentraler Umwälzpumpe
Bei einer zentralen Umwälzpumpe wird davon ausgegangen, dass die gesamte Pumparbeit nur von einer Pumpe in der Energiezentrale bereitgestellt wird. Bestimmend für die maximale Pumpleistung ist deshalb ausschließlich der Druckverlust im Pfad des Netzschlechtpunkts (von der Energiezentrale über den Vorlauf, die Wärmeübergabestation und den Rücklauf). Für die Berechnung der Volllaststunden muss deshalb der Wärme- bzw. Kältebedarf für alle an das Netz angeschlossene Abnehmer betrachtet werden und durch die an der Energiezentrale maximal erforderliche Leistung geteilt werden. Die daraus resultierenden Volllaststunden können mit der maximal berechneten Pumpleistung multipliziert werden und ergeben somit den Energiebedarf für die Pumparbeit über das Jahr.
Pumparbeit bei dezentralen Umwälzpumpen
Soll die Pumparbeit für ein Wärmenetz mit dezentralen Umwälzpumpen berechnet werden, muss für jedes an das Netz angeschlossene Gebäude einzeln die Pumparbeit bestimmt und anschließend über alle Gebäude aufsummiert werden. Dazu wird der maximale Druckverlust zwischen der Energiezentrale und jedem angeschlossenen Gebäude berechnet. Dieser setzt sich zusammen aus den Druckverlusten in der Energiezentrale, den Druckverlusten in den Rohren und den Verlusten durch Armaturen und Bögen. Anhand dieser Berechnungen kann dann die maximale Pumpleistung für jedes Gebäude bestimmt werden. Daraufhin können, wie bei der zentralen Umwälzpumpe, die Volllaststunden für jedes Gebäude berechnet werden. Diese werden mit den maximalen Pumpleistungen multipliziert und über alle Gebäude aufsummiert. Das Ergebnis ergibt den jährlichen Strombedarf für die Netzumwälzpumpen.
Was versteht man unter dem Netzschlechtpunkt?
Der Netzschlechtpunkt stellt den kritischen Punkt in einem Wärmenetz dar, an dem der maximale Druckverlust auftritt. Dieser Punkt ist entscheidend für die Berechnung der Pumparbeit, da er für die Leistung der zentralen Pumpe maßgeblich ist.
Relativer Strombedarf
Der relative Strombedarf der Netzpumpe gibt das Verhältnis von der Pumparbeit zur insgesamt gelieferten Wärme- oder Kältemenge an. Er liegt üblicherweise zwischen 1 und 2 %. Im AGFW Arbeitsblatt FW 401-1 wird ein Wert von 1,5 % angegeben.
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