Hydraulische Herausforderungen für kalte Wärmenetze

In den letzten Jahren und besonders den letzten Monaten ist die Nachfrage für neue, innovative Wärmenetzlösungen stark gestiegen. Ein Konzept, welches immer wieder untersucht und umgesetzt wird sind kalte Wärmenetze. Diese Wärmenetze binden Quellen auf niedrigem Temperaturniveau ein (z. B. Abwärme aus Rechenzentren oder Geothermie) und verteilen diese auf diesem Temperaturniveau. Dezentrale Wärmepumpen in den Gebäuden nutzen das kalte Wärmenetz als Quelle und heben die Temperatur auf das individuell notwendige Niveau in den Gebäuden an. Mehr Informationen zu kalten Wärmenetzen finden Sie in unseren Referenzen und Demos: https://heatbeat.de/de/referenzen/shamrockpark/, https://heatbeat.de/de/simulation/kalte-nahwaerme/

In unserer Juli-Ausgabe des heatbeat Research Newsletter möchten wir einen Forschungsbeitrag vorstellen, der die hydraulischen und thermischen Herausforderungen dieser Netze zusammenfasst und Lösungsansätze bietet. Der Artikel wurde von T. Sommer, A. Sotnikov, M. Sulzer, V. Scholz, S. Mischler, B. Rismanchi, K. Gjoka und S. Mennel am Institute of Building Technology and Energy der Hochschule Luzern verfasst. In dem Artikel „Hydrothermal challenges in low-temperature networks with distributed heat pumps” zeigen die Forschenden Herausforderung für den Betrieb von dezentralen Wärmepumpen in kalten Wärmenetzen auf. Insbesondere geringe oder stark fluktuierende Volumenströme sind gegenüber dem Betrieb in konventionellen Netzen zu beachten. Die Forschenden untersuchen den Einfluss des Volumenstroms durch den Verdampfer auf die Wärmepumpeneffizienz (Coefficient of Performance) und führen eine neue Bewertungsgröße „Agentenautorität“ ein, welches dem Konzept der Ventilautorität ähnelt. Die entwickelten Bewertungsgrößen werden auf zwei Case Studies in der Schweiz und Australien angewendet. Neben den reinen physikalischen Bewertungsgrößen werden in einer Case Study auch weiche Faktoren eingeführt, welche zum Beispiel die Erweiterbarkeit oder die Regelbarkeit des Netzes bewerten. Der Artikel ist unter https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124527 verfügbar.

Betriebsrandbedingungen und Effizienzen von Wärmepumpen

Wärmepumpen können nicht mit belieben Temperaturen, Temperaturdifferenzen und Volumenströmen im Verdampfer betrieben werden. Diese Betriebsgrenzen der Wärmepumpen markieren wichtige Randbedingungen kalter Wärmenetze. Um eine gute Wärmeübertragung im Verdampfer zu garantieren, muss eine turbulente Strömung durch den Wärmeübertrager am Verdampfer gewährleistet sein. Dies resultiert in einem minimal zulässigen Volumenstrom und verhindert in besonders kalten Netzen auch das Einfrieren des Wärmeträgermediums (Wasser als Medium). Auch die Eingangstemperatur in den Verdampfer muss in Grenzen gehalten werden. So wird sichergestellt, dass im Kältekreislauf der Wärmepumpe die Arbeitsdrücke und Temperaturen des Kältemittels nicht über- bzw. unterschritten werden.

Während der Einfluss der Temperatur auf die Effizienz der Wärmepumpe oft berücksichtigt wird (je höher die Temperaturdifferenz, desto niedriger die Effizienz), zeigen die Forschenden um Sommer et al., dass auch der Volumenstrom einen Einfluss auf den Coefficient of Performance der Wärmepumpe hat. Der Volumenstrom beeinflusst die Effektivität der Wärmeübertragung im Verdampfer und bestimmt somit auch die Verdampfung des Kältemittels. Bei sehr geringen Volumenströmen besteht die Gefahr, dass das Kältemittel nicht mehr vollständig verdampft. In diesem Fall greift die interne Regelung der Wärmepumpe ein und senkt den Druck und damit auch die Temperatur der Verdampfung. Dadurch entsteht eine höhere Temperaturdifferenz innerhalb der Wärmepumpe und die Effizienz sinkt. Große Volumenströme haben generell bessere Effizienzen der Wärmepumpe zur Folge, erhöhen aber auch die notwendige Energie zur Umwälzung im Wärmenetz. Neben den Temperaturen müssen die Volumenströme in kalten Wärmenetzen deshalb besonders überwacht werden.

Agentenautorität zur Bewertung von veränderlichen Volumenströmen

Die Agentenautorität beschreibt das Verhältnis des Druckverlustes eines Agenten im Netz zum gesamten Druckverlust des Netzes. Wobei ein Agent ein Abnehmer oder eine Einspeisung sein kann. Damit ist dieses Konzept der Ventilautorität in der klassischen Definition sehr ähnlich, beinhaltet jedoch auch die Druckverluste von Einbauten (Wärmeübertrager, Wärmepumpen, etc.). Die Agentenautorität liegt zwischen 0 und 1, bei einer Agentenautorität von 1 sind alle Teilnehmer am Netz hydraulisch entkoppelt, das heißt sie beeinflussen sich gegenseitig nicht. Die Forschenden leiten her, dass der Volumenstrom in einem Netzwerk gut regelbar bleibt und den Anforderungen, die oben aufgestellt wurden, einhalten kann, wenn die Volumenstromänderungen in etwa 20 % des Auslegungsvolumenstrom betragen, dazu muss die Agentenautorität bei etwa 0,7 liegen.

Maßnahmen, um Schwankungen im Volumenstrom in kalten Wärmenetzen zu kontrollieren

Um die minimalen Volumenströme und deren Schwankungen gering zu halten, beschreiben die Forschenden mehrere mögliche Maßnahmen:

1. Höhere Volumenströme aufzwingen (d. h. die Temperaturdifferenz über den Verdampfer verringern): Dies vermeidet zwar Schwankungen nicht, jedoch wird so verhindert, dass die minimalen Volumenströme in den Verdampfern erreicht werden. Höhere Volumenströme bringen höhere Pumpkosten mit sich
2. Agentenautorität erhöhen: Die Agentenautorität kann zum Beispiel durch hydraulische Widerstände in den Agenten oder durch größere Rohrdurchmesser im restlichen Netz erhöht werden. Sie bewirkt, dass Schwankungen in einzelnen Agenten sich weniger stark auf andere Netzteile auswirken.
3. Bypässe einbauen: Indem Bypässe eingebaut werden können höhere Volumenströme im Netz umgesetzt werden (ähnlich zu 1), jedoch erhöht das auch die Rücklauftemperatur des Netzes. Höhere Volumenströme bewirken höhere Pumpkosten.
4. Hydraulische Trennung von Netz und Wärmepumpe: Indem Netz und Wärmepumpe durch einen weiteren Wärmeübertrager in den Agenten getrennt werden, kann der Volumenstrom durch die Wärmepumpe besser kontrolliert werden. Neben zusätzlichen Investitionen reduziert die hydraulische Trennung jedoch auch die Effizienz des Netzes.
5. Intelligente Regelung: Die beste Methode, um die minimalen Volumenströme ein- und Schwankungen kleinzuhalten ist eine intelligente Regelung der einzelnen Agenten. Dabei wird sichergestellt, dass Volumenstromänderungen langsam stattfinden, so dass die Interkation zwischen den Agenten geringgehalten wird. In einigen Fällen kann es helfen, kleine Bypässe zu integrieren, so dass nur ein Teil der Volumenstromänderung an die Wärmepumpe weitergegeben wird. Diese Methode hat weitere Vorteile wie die Sicherstellung eines robusten Betriebs und ein Monitoring und somit eine gute Überwachung des Netzes außerdem können Druck und Volumenströme im Netz besser optimiert werden.

Use Cases in der Schweiz und Australien

Die Erkenntnisse der Forschenden werden auf zwei Use Cases angewendet. Der erste Use Case ist ein kaltes Wärmenetz in der Schweiz (13 Gebäude und 1200 Meter Trassenlänge). Eine Analyse des Netzes zeigt, dass durch eine großzügige Auslegung der Rohre bereits eine hohe Agentenautorität von etwa 0.93 für den letzten Verbraucher erreicht wird. Volumenstromschwankungen in einzelnen Agenten bewirken deshalb nur geringe Schwankungen im gesamten Netz. Außerdem ist der Anteil der Umwälzpumpen am gesamten Strombedarf (Wärmepumpen) gering. Diese beiden Eigenschaften des Netzes führen dazu, dass eine Optimierung des Volumenstroms durch eine intelligente Regelung in einem Gebäude nur sehr geringen Einfluss (etwa 0.3 %) hat.

Der zweite Use Case ist ein neu zu errichtendes Netz für den Campus der Universität Melbourne. Es werden drei unterschiedliche Systemkonfigurationen verglichen. Ein gerichtetes kaltes Netz, ein bi-direktionales Netz sowie eine neuartige Netzformation mit lediglich einem Rohr (Reservoir Netzwerk). Die drei Konzepte werden mit Hilfe von insgesamt 13 Indikatoren bewertet. Neben physikalischen und energetischen Aspekten (z. B. Agentenautorität, niedriger Strombedarf der Wärmepumpen und Umwälzpumpen), wurden auch weichere Faktoren wie die Regelbarkeit, Resilienz und Erweiterbarkeit bewertet. Insgesamt wurde das gerichtete kalte Wärmenetz vor dem Reservoir und bi-direktionalem Netz für diesen Use Case am geeignetsten eingestuft. Die Bewertung hängt jedoch auch immer von der zur Verfügung stehenden Quelle und den individuellen Agenten im Netz ab.

Weiterführende Informationen

Insbesondere für die ausführliche Bewertung der Usee Cases und der Herleitung der Agentenautorität empfehlen wir den Artikel von Sommer et al. in voller Länge. Der Artikel ist unter https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124527 verfügbar. Die nächste Ausgabe unseres Newsletters erscheint am 1. August 2022. Bis dahin folgen Sie uns gerne auf LinkedIn wo wir kleinere Anwendungsbeispiele und Informationen mit Ihnen teilen.

Die nächste Ausgabe unseres Newsletters erscheint am 3. August.