Kalte Nahwärme

In unserem Showcase zeigen wir die wichtigsten Punkte auf, die es bei der Konzeptionierung und Planung von kalten Wärmenetzen zu beachten gilt. Dazu nutzen wir unseren heatbeat Digital Twin, und demonstrieren, wie wir mit dynamischen Simulationen bereits früh detaillierte Einblicke zur besseren Ausgestaltung von kalten Wärmenetzen geben können.

Kalte Nahwärme - Ein kurzer Überblick

Kalte Nahwärme nutzt eine oder mehrere zentrale Wärmequellen auf niedrigem Temperaturniveau. Dies können zum Beispiel Geothermiefelder, Abwasserwärme oder weitere Abwärmequellen sein. Die Abwärme wird auf niedrigem Temperaturniveau in einem Wärmenetz verteilt und stellt in den Gebäuden mit Hilfe dezentraler Wärmepumpen effizient Raumwärme und Trinkwarmwasser bereit. Oft kann das kalte Wärmenetz im Sommer zur passiven Kühlung der Gebäude genutzt werden.

Vorteile der kalten Nahwärme sind:

• Geringe Netzverluste oder sogar Gewinne durch das Erdreich
• Nutzung von Niedertemperaturwärme, die sonst nicht genutzt werden kann
• Zentrale Erschließung investitionsintensiver Quellen (z. B. Erdwärme)
• Verwendung kostengünstiger ungedämmter Rohre
• Individuelle Anforderungen der Gebäude (z. B. Temperaturen) können bedient werden
• Elektrifizierung der Wärmeversorgung und damit Möglichkeit zur Nutzung lokal erzeugten regenerativen Stroms (z. B. aus PV-Anlagen)
• Kalte Wärmenetz sind oft förderfähig (z. B. Wärmenetzsysteme 4.0 bzw. Bundesförderung effiziente Wärmenetze, siehe unseren Newsletter zur BEW Förderung)

Auslegung und Planung des kalten Nahwärmenetzes

Für unseren Showcase nutzen wir ein fiktives Quartier. Das Quartier besteht aus 100 Wohngebäuden (80 SFH, 20 DH/MFH) mit einer Brutto-Grundfläche von insgesamt 22.000 m². Alle Gebäude haben einen hohen Dämmstandard und somit geringe Wärmeverluste. In allen Gebäuden sind dezentrale Wärmepumpen geplant, welche sowohl zu Heizzwecken als auch zur Trinkwarmwasserbereitung genutzt werden. Dazu sind Pufferspeicher in den Gebäuden installiert.

Wärmequellen für kalte Nahwärme

Wichtigste Voraussetzung für die erfolgreiche Umsetzung kalter Nahwärme ist die Möglichkeit eine zentrale Quelle zu erschließen. In unseren Projekten wurden schon folgende Quellen erschlossen:

• Geothermie (Sonden und Erdwärmekollektoren)
• Abwasser
• Abwärme aus Rechenzentren
• Eisspeicher
• Umgebungsluft
• Flußwasser

In unserem fiktiven Beispiel nutzt das kalte Nahwärmenetz Erdwärme. Wir nehmen an, dass die Quelle eine maximale Entzugsleistung von 250 kW hat. Die Temperatur der Quelle beträgt zwischen 3 °C und 18 °C, sie schwankt im Jahresverlauf und wird im Digital Twin als Quelle modelliert. Zur Abdeckung von Spitzenlasten wird zusätzlich eine zentrale Wärmepumpe installiert, welche die Außentemperatur als Quelle nutzt und mit einem Pufferspeicher (6 m³) gekoppelt ist. Der Strom der Wärmepumpe kann mit einer eigenen Photovoltaik-Anlage (~150 m² für etwa 29 kWPeak) bereitgestellt oder über das Netz der öffentlichen Versorgung bezogen werden.

Gebäudeenergiebedarfe

Der Digital Twin erfasst alle Gebäudeeigenschaften und bildet daraus individuelle Gebäudemodelle zur Ermittlung der dynamischen Wärme- und Kältebedarfe sowie den Energiebedarf für die Trinkwarmwasserbereitung. Hierbei berücksichtigen wir neben Speichern auch Verteilverluste innerhalb der Gebäude (z. B. in Mehrfamilienhäusern). Der dynamische Energiebedarf und die erwartete Heizleistung der Gebäude ist für die dynamische Bewertung des Energiesystems unverzichtbar. Weitere Informationen zu diesem Vorgehen sind in unserem ersten Showcase zu einem konventionellen Wärmenetz zu finden.

Dimensionierung des kalten Nahwärmenetzes

Im Gegensatz zu konventionellen Wärmenetzen, wo eine möglichst hohe Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf erreicht werden soll, sind die Temperaturdifferenzen in kalten Nahwärmenetzen deutlich kleiner. Üblicherweise liegt die Temperaturdifferenz zwischen 3 und 8 K. Sie richtet sich nach der maximal möglichen Spreizung der dezentralen Wärmepumpen. Dies führt zu hohen Volumenströmen und großen Rohrdurchmessern. Für die Dimensionierung müssen daher mehrere Punkte beachtet werden. Ein wichtiger Aspekt ist dabei, dass die Gebäude nicht ihren gesamten Wärmebedarf aus dem Netz decken, sondern die dezentralen Wärmepumpen das Netz für den Bezug der Quellwärme nutzen, und damit auch ein kleinerer Anteil der Wärmebedarfe über den Stromeinsatz der dezentralen Wärmepumpen gedeckt wird.

Die Temperaturdifferenzen zwischen Erdreich und thermischen Netz sind ebenfalls gering. Aufgrund dieser geringen Temperaturdifferenz kann in Projekten mit kalter Nahwärme oft auf eine Dämmung der verlegten Rohre verzichtet werden, so dass kostengünstigere Rohre aus Kunststoff verwendet werden können. In unserem Digital Twin berücksichtigen wir bei der Dimensionierung der einzelnen Rohrsegmente sowohl die tatsächlich vorliegenden Temperaturdifferenzen als auch den Betrieb der Wärmepumpe. Für unser Beispiel haben wir die Dimensionen des Rohrnetzes wie im Folgenden dargestellt ermittelt.

Wir berücksichtigen in der Auslegung außerdem auch die Druckzustände im thermischen Netz. Besonders bei der Verwendung von flexiblen Kunststoffrohren sind nur geringe Absolutdrücke zulässig. Unser Digital Twin simuliert die Druckzustände an jedem Punkt im Netz. Unter Annahme einer Schlechtpunktregelung zeigt die folgende Animation, wie sich die Drücke im Vorlauf (rot) und im Rücklauf (blau) im Verlauf eines Tages mit hoher Wärmelast entwickeln:

Wie groß sind die Wärmeverluste-/Gewinne durch ungedämmte Rohre?

Kalte Wärmenetze nutzen häufig ungedämmte Kunststoffrohre. Dadurch ist die Interaktion mit dem umliegenden Erdreich deutlich ausgeprägter als in konventionellen Wärmenetzen. Die folgende Abbildung zeigt die Energiebilanzen zwischen Energiezentrale, kaltem Wärmenetz und den Gebäuden. Ein Teil des Wärmebedarfs wird durch die elektrische Arbeit der Wärmepumpe gedeckt. Ein Teil (175 MWh) wird durch die Interaktion mit dem Erdreich aufgenommen, so dass vom ursprünglichen Wärmebedarf nur noch 530 MWh durch die Energiezentrale gedeckt werden müssen. Dieses Beispiel zeigt, dass die Interaktion mit dem Erdreich in kalten Wärmenetzen nicht vernachlässigt werden darf.

Welche Jahresarbeitszahlen erreichen die dezentralen Wärmepumpen?

Für die energetische und wirtschaftliche Bewertung des Quartiersenergiesystems müssen auch die dezentralen Wärmepumpen berücksichtigt werden. Diese sind nicht nur abhängig vom Bedarfsverhalten der Gebäude, sondern auch von der Quelltemperatur (d. h. der Temperatur des Netzes). Diese kann je nach Größe des Netzes und Position des Gebäudes im Netz unterschiedlich sein. Für die beiden Gebäude "b0004 (nahe der Energiezentrale) und b0091 (weit entfernt von der Energiezentrale)" zeigt die untenstehende Grafik die Vorlauftemperaturen, die am Gebäude ankommen. Auffällig sind die Temperaturgewinne in den Sommermonaten bei niedrigem Bedarf und hohen Bodentemperaturen.

Dies ist auch in der folgenden Darstellung der COP-Werte erkennbar, die für die beiden Gebäude und alle Betriebszeiten der Wärmepumpen im Jahresverlauf dargestellt ist. Im Vergleich hat das weiter entfernte Gebäude eine um 0,2 bessere Jahresarbeitszahl.

Wie teilt sich der Betrieb der Quellen auf?

In unserem fiktiven System leistet die Geothermie die Grundlast in der Heizperiode. In dieser Zeit werden die Spitzenlasten durch die Wärmepumpe gedeckt. Dazu kann entweder der Speicher verwendet werden, der zuvor durch die Wärmepumpen unter Nutzung des selbst erzeugten PV-Stroms beladen wurde, oder die Wärmepumpe wird direkt mit Strom aus dem Netz der öffentlichen Versorgung genutzt. Um die zulässigen Volllaststunden der Geothermie (z. B. nach VDI 4640) nicht zu überschreiten, wird der Wärmebedarf im Sommer durch die Wärmepumpe gedeckt. Im Sommer ist der Wärmebedarf geringer (nur Trinkwarmwasserbedarf) und das solare Potenzial höher, so dass im Zeitraum zwischen April und Oktober nahezu der gesamte Energiebedarf CO₂-frei bereitgestellt werden kann.

Wie müssen die Pumpen der Energiezentrale ausgelegt werden?

Ein kaltes Wärmenetz stellt auch Anforderungen an die Hydraulik. Häufig haben diese kleinen Netze zwar nur geringe Druckverluste und damit geringe absolute Drücke (welche auch durch die Verwendung von Kunststoffrohren vorgeschrieben sind), jedoch haben die geringen Temperaturdifferenzen im Netz hohe Volumenströme zur Folge. Durch die Ermittlung der dynamischen Anlagenkennlinie, können bereits früh die Aussagen zur Hydraulik in der Energiezentrale gemacht werden. Die folgende Abbildung zeigt die dynamische Anlagenkennlinie an der Einspeisung. Mit Hilfe dieser Anlagenkennlinie können die Pumpen im System ausgelegt werden.

Wie dieses Beispiel zeigt, erfordert die ganzheitliche Bewertung von kalten Nahwärmelösungen die Betrachtung zahlreicher sich gegenseitig beeinflussender Aspekte. Und da besonders in frühen Planungsphasen der Grundstein für einen effizienten und wirtschaftlichen Betrieb des Netzes über eine lange Lebenszeit gelegt wird, lohnt es sich, bereits hier den Betrieb des Systems detailliert zu betrachten. Dabei hilft unser heatbeat Digital Twin um bereits in dieser frühen Phase den Betrieb im digitalen Zwilling zu bewerten und die Auslegung des Systems entsprechend zu optimieren.

Darüber hinaus stellen wir ihnen alle Simulationsergebnisse über unser Web-Portal individuell in hoher Auflösung bereit, so dass sie diese für ihre individuellen Berechnungen nachhaltig nutzen können.

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