Realistische Trinkwarmwasser-Bedarfsprofile für Fernwärmenetze

wir freuen uns, Ihnen die zweite Ausgabe unseres heatbeat Research Newsletters vorzustellen. Nachdem wir uns in Ausgabe 1 mit der Einbindung von Abwärme und Solarthermie beschäftigt hatten, wenden wir unseren Blick in dieser Ausgabe auf die Bedarfsseite. Die Interaktion zwischen der Bedarfsseite und dem Netz gewinnt in vielen Systemen an Bedeutung. Insbesondere spielt das Thema der Wärmebedarfe für die Trinkwarmwasserbereitung in immer mehr Fällen eine wichtige Rolle. Das ausgewählte Paper zeigt dazu Methoden, wie realistische Bedarfsprofile erstellt werden können und welchen Einfluss die Gestaltung der Übergabestation auf die Bedarfe, Verluste und Rücklauftemperaturen hat.

Kurzfassung für Eilige

Unsere zweite Ausgabe widmen wir dem Paper District heating load profiles for domestic hot water preparation with realistic simultaneity using DHWcalc and TRNSYS von Hagen Braas et al. vom Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik am Institut für Thermische Energietechnik der Universität Kassel. Darin werden Methoden vorgestellt, um die Wärmebedarfe für die Trinkwarmwasserbereitung in Fernwärmenetzen mit realistischen Profilen und Gleichzeitigkeiten abzubilden. Darüber hinaus werden unterschiedliche Ausführungen von Übergabestationen und deren Einfluss auf die zu erreichenden Rücklauftemperaturen untersucht.

Zum einen zeigen die Ergebnisse auf, das mit der freien Software DHWcalc Zapfprofile für Trinkwarmwasser mit realistischen Gleichzeitigkeitsfaktoren erstellt werden können. Zum anderen liefern die Simulationen der Übergabestationen Erkenntnisse darüber, dass mit direkter Trinkwarmwasserbereitung im Jahresmittel niedrigere Rücklauftemperaturen als bei Nutzung eines TWW-Speichers im Gebäude erreicht werden können. Gleichzeitig ergeben sich ohne Nutzung eines Speichers, wie zu erwarten, deutlich höhere Spitzenlasten. Des Weiteren zeigt das Paper für alle Varianten die Verhältnisse von Wärmebedarfen zu Verteil- und Speicherverlusten auf.

Aus unserer Sicht adressieren die Forschenden mit dieser Arbeit ein wichtiges Thema bei der Analyse von Nah- und Fernwärmenetzen. Sowohl für die Auslegung als auch die Bewertung des Betriebs reichen statische Bedarfswerte in vielen Fällen nicht aus. Das Paper zeigt dafür Lösungen, indem stochastische Zapfprofile individuell für jedes Gebäude generiert werden. Darüber hinaus werden die Bedarfe und Verluste sowie die Gleichzeitigkeitsfaktoren für die TWW-Wärme genauer analysiert und mit anderen Quellen abgeglichen. Damit liefert die Arbeit gute Vergleichswerte für eigene Anwendungsfälle.

Ausführliche Zusammenfassung

Das Paper District heating load profiles for domestic hot water preparation with realistic simultaneity using DHWcalc and TRNSYS von Hagen Braas et al. adressiert wichtige Fragestellungen zum Einfluss des Trinkwarmwasserbedarfs bei der Untersuchung und Bewertung von Fernwärmenetzen. Besonders vor dem Hintergrund sinkender Heizwärmebedarfe durch höhere Gebäudedämmstandards und mildere Winter spielt der TWW-Bedarf dabei eine immer wichtigere Rolle. In dieser Forschungsarbeit werden dazu drei Aspekte besonders untersucht:

• Bedarfe und Verluste: Für verschiedene Gebäudegrößen und unterschiedliche Übergabestationen werden die Wärmebedarfe zur TWW-Bereitung ermittelt und ins Verhältnis zu Verteil- und Speicherverlusten gesetzt.
• Rücklauftemperaturen: Durch die Simulation verschiedener Verschaltungen für die Übergabestationen wird deren Einfluss auf die erreichbaren Rücklauftemperaturen untersucht.
• Gleichzeitigkeit: Es werden Methoden gezeigt, um stochastische Bedarfsprofile für TWW mit realistischen Gleichzeitigkeitsfaktoren zu erzeugen. Dadurch können deutliche bessere Ergebnisse erzielt werden als mit statischen Standardprofilen.

Wie im Titel des Papers bereits erwähnt arbeiten die Forschenden mit den beiden Software-Lösungen DHWcalc und TRNSYS. Dabei ist DHWcalc eine freie Software die vom Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik am Institut für Thermische Energietechnik der Universität Kassel selbst entwickelt und kostenlos zum Download angeboten wird. Diese Software hat sich bereits in zahlreichen wissenschaftlichen Veröffentlichung als gut geeignete Lösung zur Erstellung von Zapfprofilen gezeigt, mit deren Hilfe die natürlichen Variationen der TWW-Entnahme realitätsnah abgebildet werden können.

Mit Hilfe der Simulations-Software TRNSYS werden darüber hinaus verschiedene Schaltungen für die Übergabestationen modelliert. Diese Modelle nehmen die mit DHWcalc erstellten Zapfprofile als Eingangsdaten auf und simulieren auf dieser Basis den Betrieb der Übergabestationen und deren mögliches Zusammenspiel mit dem Netz. Von besonderem Interesse sind dabei die Rücklauftemperaturen, die bei gleicher Vorlauftemperatur mit verschiedenen Schaltungen erreicht werden können.

Insgesamt werden in dieser Arbeit 4 verschiedene Schaltungen für Wärmeübergabestationen simuliert. Dabei werden Übergabestationen für Einfamilienhäuser sowie für Mehrfamilienhäuser unterschieden. Diese Modelle unterscheiden sich hauptsächlich darin, dass das Einfamilienhaus mit einem einzigen Wärmeübertrager an das Fernwärmenetz angeschlossen ist, während die Übergabestationen für das Mehrfamilienhaus über 2 Wärmeübertrager verfügen. Mit der Aufteilung der Wärmeübertragung in Vor- und Nacherhitzer kann die Rücklauftemperatur für das primärseitige Wärmenetz über den Nacherhitzer weiter abgekühlt werden, um eine höhere Effizienz zu erreichen, wenn das Gebäudesystem sich im Zirkulationsbetrieb befindet. Sowohl für das Einfamilienhaus als auch für das Mehrfamilienhaus werden je eine Variante mit und eine ohne TWW-Speicher betrachtet. Für alle diese Varianten wird eine konstante Vorlauftemperatur aus dem Fernwärmenetz von 70 °C angenommen.

Aus dieser Betrachtung ergeben sich interessante Ergebnisse für die verschiedenen untersuchten Varianten: Aus den Simulationen ermitteln die Forschenden spezifische TWW-Wärmebedarfe zwischen 8,5 und 11 kWh/m²a für verschiedene Einfamilienhäuser. Bei den untersuchten Mehrfamilienhäusern liegen die Werte zwischen 11,7 und 12,5 kWh/m²a. Im Verhältnis dazu werden durch die Simulationen Verteilverluste im Gebäude von 8 - 13 kWh/m²a ermittelt. In den Varianten mit TWW-Speicher kommen nochmals stark unterschiedliche Speicherverluste dazu, die bei kleinen Einfamilienhäusern mit bis zu 14 kWh/m²a angegeben werden, bei größeren Mehrfamilienhäusern aber bis unter 1 kWh/m²a absinken.

Neben diesen Bedarfs- und Verlustwerten analysiert das Paper auch die erreichbaren Rücklauftemperaturen für die unterschiedlichen Schaltungen der Übergabestationen. Dabei wird herausgearbeitet, dass die Übergabestationen ohne TWW-Speicher im Jahresdurchschnitt etwa 8 - 9 K geringere Rücklauftemperaturen erreichen können als die Stationen mit TWW-Speicher. Als weitere Anhaltspunkte für niedrigere Rücklauftemperaturen erwähnen die Forschenden stärkere Rohrdämmung im Gebäude sowie ein Vermeiden von zirkulierendem Warmwasser, was bei der Nacherhitzung zu hohen Rücklauftemperaturen führt.

Als weiteren wichtigen Aspekt betrachtet das Paper die Gleichzeitigkeit der TWW-Bedarfe im Quartier sowie den Einfluss verschiedener Übergabestationen auf die Spitzenleistungen. Für ein kleines Einfamilienhaus ohne TWW-Speicher wird ermittelt, dass der Hauptteil des Wärmebedarfs in der Jahresdauerlinie weniger als 300 Stunden ausmacht, während der Zirkulationsbetrieb sich über etwa 6000 Stunden erstreckt. Während wie bereits erwähnt für das System ohne TWW-Speicher niedrigere Rücklauftemperaturen erreichbar sind, wird für diese Variante eine Spitzenlast von 42 kW angegeben. Im Gegensatz dazu kommt ein ideal beladener Speicher im Modell mit 3 kW Spitzenlast aus.

Mit Blick auf die Gleichzeitigkeit zeigt das Paper einen Vergleich zwischen den Ergebnissen des Papers und verschiedenen Literaturwerten für Einfamilienhäuser mit und ohne TWW-Speicher. In guter Übereinstimmung mit den Literaturwerten zeigt sich, dass der Gleichzeitigkeitsfaktor mit Speicher von dem Ausgangswert 100 % für ein Gebäude über etwa 40 - 50 % für 20 Gebäude zu etwa 30 - 45 % für 100 Gebäude abnimmt. Ohne Speicher sind die Effekte stärker ausgeprägt mit einem Faktor von etwa 15 - 20 % für 20 Gebäude und Gleichzeitigkeiten von rund 10 % für 100 Gebäude. Darüber hinaus zeigt sich in dieser Betrachtung, dass sich die Ergebnisse bei stündlicher Betrachtung gegenüber dem ursprünglichen Zeitschritt von 3 Minuten bereits stark verändern und damit der gewählte Zeitschritt einen deutlichen Einfluss auf die Ergebnisse hat.

Insgesamt liefert das Paper aus unserer Sicht einen guten Überblick und viele interessante Aspekte bei der Betrachtung der TWW-Bedarfe im Kontext von Fernwärmenetzen. Auch wenn in den Untersuchungen die Heizwärmeversorgung nicht mit betrachtet wird, lassen sich aus dieser Arbeit viele Anhaltspunkte und Vergleichswerte für eine ganzheitliche Betrachtung der netzgebundenen Wärmeversorgung im Quartier ableiten. Und da, wie eingangs erwähnt, der Einfluss der TWW-Bedarfe durch höhere Gebäudestandards und mildere Winter eine immer wichtigere Rolle spielt, kommt diesen Ergebnissen besondere Bedeutung für die Zukunft zu. Dies deckt sich mit den Projekterfahrungen bei heatbeat, wo sich die Einflüsse der TWW-Bedarfe in der dynamischen Simulation und ganzheitlichen Bewertung von Nah- und Fernwärmenetzen verstärkt zeigen. In unseren Untersuchungen legen wir Wert darauf, dass das Gebäude und dessen dynamischer Energiebedarf als integraler Bestandteil des Fernwärmenetzes abgebildet wird. So können wir zum Beispiel Interaktion zwischen TWW-Bedarf, Rücklauftemperaturen und Netzeffizienz detailliert untersuchen.

Weitere Informationen zum Thema

Den vorgestellten Artikel finden Sie im Original unter https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117552. Weitere Informationen sowie den kostenfreien Download von DHWcalc und das zugehörige Handbuch finden Sie auf der Homepage des Fachgebiets Solar- und Anlagentechnik . Eine neue Version mit den im Paper beschriebenen Funktionen ist zurzeit noch in der Entwicklung. Bei Interesse kann aber bereits eine Vorab-Version per Email angefragt werden.

Darüber hinaus haben die Forschenden unter dem Titel Systematic investigation of building energy efficiency standard and hot water preparation systems’ influence on the heat load profile of districts von Best et al. ein weiteres Paper veröffentlicht, dass sich eingehend mit dem Einfluss von Gebäudestandards und der Art der Warmwasserbereitung auf das Wärmebedarfsprofil von Quartieren beschäftigt.

Feedback zur zweiten Ausgabe

Auch zum Ende dieser zweiten Ausgabe laden wir Sie gerne ein, uns Feedback zu geben, damit wir Ihnen den größtmöglichen Nutzen bieten können. Haben Sie Ideen wie wir den Newsletter für Sie noch nützlicher gestalten können? Dann schreiben Sie uns gerne an newsletter@heatbeat.de