Bei der Planung von thermischen Energiesystemen ist die Auslegung eines Wärmenetzes unverzichtbar. In einem Wärmenetz ergeben sich sowohl entlang der Trassen, als auch am Wärmeüberträger, Wärmeverluste. Diese Wärmeverluste versteht man, sobald man näher auf den Begriff Wärme eingeht. Unterschiedliche Faktoren sind für die Wertigkeit der Verluste in Wärmenetzen ausschlaggebend, auf diese wird zu einem späteren Zeitpunkt eingegangen. Weil die Verluste einen wesentlichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Wärmenetzes haben, müssen diese in der Planung genauestens berücksichtigt werden. Es gibt einige Optimierungsvorschläge schon bestehender Netze aufgrund von neueren Erkenntnissen.

Oftmals wird heutzutage der Schwerpunkt bei der Errichtung neuerer Anlagen auf erneuerbare Energien gesetzt und Wärmenetze werden dementsprechend geplant. Durch erneuerbare Energien hat man nicht nur eine Einsparung an schädlichen Emissionen, sondern auch eine eventuelle Kosteneinsparung.

Energie wird in der Thermodynamik dann als Wärme bezeichnet, wenn die Energie die Grenze eines Systems überschreitet und der Energietransport ausschließlich durch einen Temperaturunterschied zwischen System und Umgebung zustande gekommen ist. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik muss die Energie in einem geschlossenen System immer konstant sein. Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik lässt allerdings keine Aussage über die Richtung des Prozesses zu. Nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik fließt Wärme stets in Richtung niedrigerer Temperaturen. Außerdem trifft die Aussage zu, dass der Prozess der Wärmeübertragung irreversibel ist und somit ein Perpetuum mobile nicht existiert.

Die Thermodynamik macht keine Aussage darüber, wie schnell die Temperatur übertragen wird. Die Wärmelehre beschäftigt sich mit diesen Fragen und unterscheidet den Prozess der Wärmeübertragung zwischen drei Arten. Wärmeleitung ist für Wärmenetze ausschlaggebend, wenn das durchströmende Medium eine Flüssigkeit ist. Ist das die Trasse durchströmende Medium ein Gas, z.B. Wasserdampf, spielen hingegen konvektiver Wärmeübergang und Wärmestrahlung eine größere Rolle. Betrachtet man die Wärmeübertragung kommt es bei der Wärmestrahlung, im Gegensatz zur Wärmeleitung und konvektiven Wärmeübertragung, nicht auf den Nullpunkt der thermodynamischen Temperaturen, sondern lediglich auf die vorhandenen Temperaturdifferenzen an.

Die Wärmestromdichte ist die Änderung der thermischen Energie, bezogen auf eine Fläche in einem bestimmten Zeitintervall und besitzt die SI-Einheit W/m². Die stärkste Änderung der Temperatur erfolgt senkrecht zu den Isothermen, welche eine Ebene darstellt in der alle Punkte zur selben Zeit die gleiche Temperatur besitzen, und ist durch den Temperaturgradienten

 

 

gegeben. Somit ergibt sich die Wärmestromdichte nach J. B. Fourier zu:

 

 

Die Wärmeleitfähigkeit, deren SI-Einheit W/(mK) ist, hängt von der Temperatur und vom Druck, in Gemischen zusätzlich noch von der Zusammensetzung, ab. Sie ist nicht von der Richtung abhängig, sofern der Stoff isotrop ist. Da in dieser Ausarbeitung nur isotrope Stoffe betrachtet werden, wird auf nichtisotrope Stoffe nicht weiter eingegangen.

Neben der Wärmeleitung gibt es noch den konvektiven Wärmeübergang, welcher durch den Energietransport von Teilchen entsteht. Aus diesem Grund gibt es keine Konvektion in nicht-permeablen Festkörpern und im Vakuum. Bei der Durchströmung sauerstoffdichter Rohre ist es von Vorteil, wenn die Strömung laminar ist, um Geschwindigkeitsverluste in Rohrwandnähe und somit Wärmeverluste zu vermeiden. Der Reibungswiderstand hängt von der Viskosität des Fluids, der Rauigkeit der Rohrinnenoberfläche und des Drucks ab. In der Strömung ist die Grenzschicht, welche den Bereich der Geschwindigkeitsänderung definiert, von entscheidender Bedeutung. Nahe der Rohrwand besitzt das Fluid eine Strömungsgeschwindigkeit vom Wert nahe Null und nahe der anderen Seite der Grenzschicht fast die Kerngeschwindigkeit. In der Grenzschicht ändert sich mit der Geschwindigkeit des Fluids auch die Temperatur, denn die Wärmestromdichte nahe der Wand hängt von der Geschwindigkeit und Temperatur des durchströmenden Fluids ab. Die Geschwindigkeit ist wiederum von dem Druck und der Viskosität des Fluids abhängig. Je größer die Grenzschicht ist, desto größer ist der Wärmeverlust in die Umgebung.

Als dritte Art der Wärmeübertragung gibt es die Wärmestrahlung. Bei dieser Art der Wärmeübertragung sendet ein Körper Energie, in Form von elektromagnetischen Wellen, allein dadurch, dass er eine thermodynamisch positive Temperatur besitzt. Die innere Energie des Körpers wird in Energie, welche durch elektromagnetische Wellen emittiert wird, umgewandelt. Die Strahlung wird von einem anderen Körper absorbiert, reflektiert und durchgelassen. Außerdem benötigt sie keine Materie um Energie zu übertragen, weshalb Wärmestrahlung auch im Vakuum funktioniert. Die elektromagnetischen Wellen können lediglich einige Fluide durchdringen und werden bereits durch eine dünne Schicht von Materie aufgehalten, so dass sie nur absorbiert und reflektiert werden. Dadurch, dass sie Fluide sowohl durchdringen, an ihnen reflektieren und von ihnen absorbiert werden, finden überhaupt erst Emission und Absorption im inneren von Fluiden statt.

Es gibt zwei Verwendungsarten von Wärmenetzen, zum einen Nahwärme und zum anderen Fernwärme. Der Unterschied besteht darin, dass in Nahwärmenetzen die Energie in relativer Nähe zum Abnehmer bereitgestellt wird und in Fernwärmenetzen zentral an einem externen Ort in Heizwerken oder in Heizkraftwerken in Kraft-Wärme-Kopplung erzeugt wird. Wärmenetze bestehen aus einem Netz von Trassen, die die Abnehmer mit Energie zur Wärmeerzeugung versorgen. Für die Erzeugung der Energie können Öl, Gas, Kohle, Biomasse, Abwärme aus industriellen Prozessen, Müll, Geothermie, Strom und sonstige Energielieferanten genutzt werden. Als Wärmemedium fungieren sowohl Wasserdampf als auch Heißwasser. Allerdings ist Heißwasser heutzutage aus wirtschaftlichen Gründen gebräuchlicher. Die Energie aus Wärmenetzen wird für Raumheizung, Wassererwärmung und Produktionszwecke gebraucht. Raumheizung und Wassererwärmung werden hauptsächlich von privaten Haushalten genutzt, während Prozesswärme in den industriellen Bereichen häufig verwendet wird.

Ende des 19. Jahrhunderts gab es in Deutschland Bemühungen, Wärmemengen über größere Entfernungen zu transportieren. Die erste Phase ging bis ca. 1960, in der zentrale Heizwerke gebaut wurden, welche mehrere Gebäude von außerhalb beheizen sollten. Damit wollte man den örtlichen Schadstoffausstoß und die Brandgefahr senken. Außerdem wollte man weniger abhängig vom Öl sein und auf regionale Kohle setzen. Die Heizwerke verwendeten als Wärmemedium in der ersten Phase Wasserdampf; später wurde auf Heißwasser umgestellt. Im Vergleich zum Wasserdampfkreislauf ist der Heißwasserkreislauf geschlossen, so dass kein Sauerstoff eintritt, durch den die Rohre korrodieren könnten. Weitere Vorteile sind, dass die Rohre kleiner zu dimensionieren sind und man geringere Isolierstärken verwenden kann.

In der zweiten Phase von 1960 bis 2015 wurden Kraftwerke errichtet, die Strom produzierten. Bei der Stromproduktion fällt als Nebenprodukt Wärme an, welche in die Fernwärmenetze eingespeist wird. Seit 2015 sollen Wärmenetze vermehrt als flexible Verbundsysteme dienen, außerdem soll der Anteil regenerativer Energien erhöht werden.

Der Wärmebedarf lässt sich in drei Gruppen einordnen: Prozesswärme, Raumheizung und Warmwasserbereitung. Raumheizung und Warmwasserbereitung werden in privaten Haushalten und öffentlichen Einrichtungen benötigt, während Prozesswärme in der Industrie erforderlich ist.

Prozesswärme wird zur Durchführung industrieller Prozesse benötigt, allerdings ist der Anteil, im Vergleich zu der Raumheizung und Warmwasserbereitung, gering. Die Prozesswärme wird teilweise heute noch über Dampfsysteme bereitgestellt.

Die benötigte Wärmemenge für Raumheizung ist sehr schwankend und hängt von vielen äußeren Faktoren ab. Unter anderem beeinflussen das Wetter (welches wiederum von Lufttemperatur, Luftdruck, Luftbewegung, Sonneneinstrahlung und weiteren Faktoren abhängt), die Personenanzahl, die Tages- und Jahreszeit, der Wochentag, die Gebäudefläche und ihre Dämmung den Wärmebedarf zum Heizen von Räumen. Eine der wichtigsten Einflussgrößen ist die Außenlufttemperatur, weil eine hohe Korrelation zum Wärmebedarf besteht und sie leicht zu messen ist. Um ein zufriedenstellendes Ergebnis bei der Wärmebedarfsermittlung zu erzielen, müssen die anderen Größen allerdings auch mit einbezogen werden. Um die Schwankungen, die sich über das Jahr, die Woche oder den Tag ergeben darzustellen, werden hierfür sogenannte Jahresgang-, Wochengang- und Tagesganglinien verwendet. Schwankungen entstehen, weil zum Beispiel im Sommer nicht geheizt wird, im Winter hingegen schon. In der Nacht heizt man grundsätzlich auch nicht in dem Maße, wie in den Morgen- und Abendstunden. Am Wochenende, wenn die Personen zuhause sind, wird auch mehr geheizt, als unter der Woche.

Der Wärmebedarf zur Trinkwassererwärmung bleibt über das Jahr relativ konstant, im Vergleich zum Raumwärmebedarf. Dies liegt daran, dass der Warmwasserbedarf in geringerem Maße von der Zeit und der Temperatur abhängt, sondern vielmehr von der Größe der Wohnung, der Personenanzahl und dem Lebensstandard. Der Wärmebedarf wird im Winter zwar auch höher sein, als im Sommer, doch es gibt keine großen Lastspitzen. Der Warmwasserbedarf macht bei bestehenden Gebäuden ca. 1/6 des Gesamtwärmebedarfs aus.

Abbildung 1: Beispiel einer Tagesganglinie für Winter, Frühjahr/Herbst und Sommer

Quelle: Rötsch, Dietmar: Abb. 2.1-4, in: Zuverlässigkeit von Rohrleitungssystemen: Fernwärme und Wasser, 1999, S. 8

Durch die Wärmeschutzverordnung und die Energieeinsparverordnung ergeben sich große Reduzierungen des Raumwärmebedarfs, so dass der Anteil der Trinkwassererwärmung an der Gesamtwärmemenge in Zukunft einen deutlich größeren prozentualen Anteil einnehmen wird. In Abbildung 2 ist gut ersichtlich, dass der Raumwärmebedarf voraussichtlich sinken wird, der Warmwasserbedarf aber fast unverändert bleibt.

 

 

 

Abbildung 2: Entwicklung des Energieverbrauchs und der -Emissionen

Quelle: Hyrenbach, Wolfgang: Fernwärme und erneuerbare Energien als nachhaltige Geschäftsfelder, 2008, http://www.aachen.de/de/stadt_buerger/europa/eu_projekte/paper_hyrenbach.pdf (21.06.2017), S. 5

Ein Wärmenetz besteht aus verschiedenen Komponenten, die sich unterscheiden können, je nachdem welche Netzstruktur und welcher Netztyp vorliegt. Einem Wärmenetz wird über eine Wärmequelle, wie zum Beispiel Heizkraftwerke, Solarkraftwerke, Blockheizkraftwerke oder Biomasseanlage, Wärme zugeführt, welche über ein Verteilnetz aus Rohrleitungen den Endverbrauchern zur Verfügung gestellt wird. Dort wird die Wärme je nach Netztyp in die Hausanlage übertragen.

Es gibt drei verschiedene Netzstrukturen, die sich vor allem an die städtebaulichen Gegebenheiten anpassen.

 

 

 

 

 

Abbildung 3: Netzstrukturen

Quelle: http://www.xn--ing-bro-junge-0ob.de/html/fern-nahwaerme.html (21.06.2017)

Aufgrund der geringsten Trassenlänge wird, ein Strahlennetz häufig bei kleineren Wärmenetzen bevorzugt. Ringnetze bieten durch die Einbindung mehrerer Erzeuger eine höhere Versorgungssicherheit und einfachere Erweiterbarkeit. Allerdings sind sie, aufgrund der größeren Trassenlänge, teurer. Maschennetze bieten von den drei Netzstrukturen die höchste Versorgungssicherheit und einfachste Erweiterbarkeit, sind aber noch teurer, als Ringnetze.

Alle Netze können als Zwei- oder Dreileiternetze betrieben werden. Bei dem Zweileiternetz gibt es einen Vorlauf, der das erhitzte Wärmemedium zum Abnehmer bringt und einen Rücklauf, welcher das nun wieder abgekühlte Wärmemedium zurück zur Wärmequelle transportiert, um es dort erneut zu erhitzen. Der Vorlauf kann bei konstanter Temperatur oder gleitend betrieben werden, was bedeutet, dass die Vorlauftemperatur an die Außenlufttemperatur angepasst wird. Bei einem Dreileiternetz gibt es zwei Vorläufe, von denen einer auf konstanter Temperatur und einer gleitend betrieben wird, sowie einen Rücklauf.

Die Netze werden je nach Größe, Wärmequelle und Abnehmertyp mit unterschiedlichen Drücken und Temperaturen betrieben. Je höher der Druck, desto größer ist der Volumenstrom und desto mehr Energie kann übergeben werden. Wenn die Vorlauftemperatur höher ist, kann mehr Wärme übertragen werden, weil die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf größer ist. Liefern die Netze auch Energie für die Warmwassererwärmung, liegt die niedrigste Temperatur bei ca. 70°C und die übliche Vorlauftemperatur zwischen 70°C und 130°C. Der Druck muss sicherstellen, dass auch der am weitesten entfernte Abnehmer ausreichend versorgt wird und das Wasser in den Rohren nicht verdampft.

Für die Verteilung der Wärmemengen werden hauptsächlich drei Systeme verwendet. Das meistverwendete Rohrsystem besteht aus einem starren Kunststoffmantelrohr mit Stahlmediumrohr (KMR), weil es standardisiert, robust und kostengünstig ist. Flexiblere Systeme bestehen aus Kunststoffmediumrohre (PMR) und Metallmediumrohre (MMR), welche eher im Bereich der Hausanschlussleitungen verlegt werden, weil sie weniger Druck aushalten. Sie lassen sich aber flexibler und schneller verlegen.

Es gibt zwei verschiedene Anschlussvarianten, den direkten und den indirekten Anschluss. Bei dem direkten Anschluss durchströmt das Wasser des Wärmenetzes auch das Heizungsnetz eines Gebäudes.  Für Hochdruckdampf- und Hochdruckheißwassernetze kann diese Anschlussvariante nicht verwendet werden. Dem gegenüber steht der indirekte Anschluss, bei dem die Hausanlage von dem Wärmenetz abgekoppelt ist und alle Wärmeträgermedien verwendet werden können, weil die Hausanlage nicht auf gleichem Druck und gleicher Temperatur betrieben werden muss, wie das Wärmenetz. Bei dem indirekten Anschluss sorgt ein Wärmetauscher für die Energieabnahme aus dem Wärmenetz.

Abbildung 4: Anschlussarten

Quelle: http://www.xn--ing-bro-junge-0ob.de/html/fern-nahwaerme.html (21.06.2017)

Für die Trinkwassererwärmung lässt sich zwischen dem Durchfluss-, dem Speicher- und dem Speicherladesystem unterscheiden.

 

Abbildung 5: Varianten der Warmwasserbereitung

Quelle: http://www.xn--ing-bro-junge-0ob.de/html/fern-nahwaerme.html (21.06.2017)

Bei dem Durchflusssystem wird das Trinkwasser bei Bedarf direkt erwärmt. Für das System spricht die tiefe Rücklauftemperatur, geringe Kosten und ein verringertes Legionellenwachstum, allerdings benötigt man eine hohe Anschlussleitung.

Im Speichersystem wird der Warmwasserspeicher über den sich im Speicher befindlichen Wärmetauscher aufgeheizt, so dass eine große Warmwassermenge zur Verfügung steht. Der Nachteil ist, dass sich die Rücklauftemperatur bei dem Speichersystem während des Heizvorgangs erhöht und durch das stehende Wasser die Legionellengefahr steigt. Zusätzlich hat man über den Speicher höhere Wärmeverluste.

Das Speicherladesystem ist eine Kombination aus dem Durchflusssystem und dem Speichersystem, wie in Abbildung 5 erkennbar. Auch hier hat man eine tiefe Rücklauftemperatur, ein hohes Zapfvolumen und somit einen hohen Nutzungsgrad. Die Kosten sind sehr hoch und man hat auch hier wieder Wärmeverluste über den Speicher und eine höhere Legionellengefahr.

Um die Netzverluste in einem Wärmenetz zu quantifizieren, muss man zunächst wissen, von welchen Variablen die Netzverluste abhängig sind. Anschließend kann man überlegen welche Verbesserungsmöglichkeiten es eventuell gäbe. Netzverluste sollten in der Planung eines Wärmenetzes genau quantifiziert werden, weil sie für die Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit ausschlaggebend sind. Die Verluste eines heutigen Fernwärmenetzes betragen im Mittel 11%, in dicht besiedelten Gebieten 7% und in ländlichen Gebieten 15%.

Es gibt eine ganze Reihe von Größen, aus denen sich die Energieverluste in einem Wärmenetz zusammensetzen. Einige Faktoren sind dabei fast irrelevant, während andere den Großteil ausmachen.

Zum einen führen unterschiedliche Nennweiten, die den Innendurchmesser eines Rohres bezeichnen, zu einem Unterschied des Wärmeverlustes. Je größer die Nennweite des Rohres ist, desto größer ist auch der Wärmeverlust, weil das Rohr eine größere Manteloberfläche hat, die Wärme an das Erdreich leitet. Allerdings ist der Temperaturabfall in Rohren mit kleinen Nennweiten höher, da der Volumenstrom geringer ist. Es gibt deutlich weniger Wasser, welches abgekühlt werden kann. So liegt der Temperaturabfall beispielsweise bei einer Nennweite von DN 25 bei über 12 Kelvin und bei einer Nennweite von DN 100 lediglich bei ca. 0,5 Kelvin je Kilometer Trasse.

Ein weiterer Punkt, den man bei der Planung beachten sollte, ist die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit eines PUR-Schaums mit steigendem Alter. So lässt sich aus Abbildung 6 gut ablesen, dass die Wärmeleitfähigkeit bei allen Nennweiten mit steigendem Alter erst stark steigt, dann aber immer weniger stark steigt und gegen einen Grenzwert läuft.

Abbildung 6: Zunahme der Wärmeleitfähigkeit des PUR-Schaums

Quelle: Wagner, Alexander: Wärmeverluste von Fernwärmenetzen: Stellenwert von Fernwärme/ KWK im EEWärmeG, http://www.waermeschutztag.de/media/pdf/wtag2012/Vortrag-01-TG.pdf (21.06.2017), S. 6

Je höher die Anschlussdichte ist, desto weniger relativen Wärmeverlust hat man in einem Fernwärmenetz. Die Wärme geht hauptsächlich über das Trassennetz verloren und ist abhängig von der Trassenlänge. Der Verteilverlust wird auch üblicherweise in kW/(m²a) oder kW/(ma) angegeben. Wenn man nun mehr Verbraucher bei gleicher Trassenlänge erreicht, verringern sich die Verluste pro Verbraucher, denn der absolute Wärmeverlust ist nicht von der Abnahmemenge abhängig. Deshalb haben Verbraucher weniger Verluste pro kW, wenn sie große Wärmemengen abnehmen.

Der Druck und die Temperatur sind wichtige Faktoren, die bei der Bestimmung der Netzverluste zu berücksichtigen sind, denn je größer Temperatur und Druck sind, desto größer ist auch der Wärmeverlust im Netz. Die Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außentemperatur des Rohres steigt mit der Vorlauftemperatur, weshalb man ziemlich genau wissen muss, welchen Wärmebedarf man hat, um so die Temperatur und den Druck anzupassen.

Ältere Wärmenetze, die mit Dampf betrieben werden, haben in der Regel auch höhere Verluste, weil Wasserdampfrohre aufgrund des höheren Volumens des Dampfes größer dimensioniert werden müssen und somit eine größere Manteloberfläche zur Wärmeabgabe an das Erdreich bieten. Mit dem Wärmemedium Wasser, im Vergleich zu Dampf, kann man sogar an Isolierung sparen und hat trotzdem einen höheren Nutzungsgrad. Außerdem ist ein Dampfnetz kein geschlossenes System, wodurch es aufgrund von Korrosion wartungsanfälliger ist. Aus diesen Gründen werden Dampfnetze heutzutage auf Heißwassernetze umgerüstet.

Um ein optimales Wärmenetz zu entwickeln, muss man den Wärmebedarf kennen. Das Wärmenetz muss so konzipiert sein, dass es den Wärmebedarf einwandfrei bewältigen kann, jedoch nicht deutlich mehr. Wenn man das Netz überdimensioniert, hat man wiederum wegen zu hoher Temperaturen, zu hohem Druck oder zu großen Nennweiten, Verluste zu beklagen.

Weitere Verluste ergeben sich aus der Wahl der Rohre. Es gibt Einzelrohre und Doppelrohre, jeweils als normale und verstärkte Variante. Normale Einzelrohre haben den höchsten Wärmeverlust, gefolgt von verstärkten Einzelrohren, Doppelrohren und verstärkten Doppelrohren. So kann man durch Verlegen von Doppelrohren statt Einzelrohren deutlich den Nutzungsgrad erhöhen. Zwei DN 80 Einzelrohre haben bei 1 MW und 30K Spreizung zum Beispiel einen Verlustwert von ca. 25W/m, während ein DN 80 Doppelrohr einen Verlustwert von nur ca. 18 W/m hat.

Wärmeverluste treten nicht nur im Netz auf. Neben den Verlusten bei der Wärmeerzeugung entstehen auch gewisse Wärmeverluste bei der Übergabe. Wenn man einen indirekten Anschluss hat, ergeben sich Verluste in der Übergabestation durch den Wärmetauscher, denn dieser kann nicht 100% der zur Verfügung gestellten Wärme abgreifen. Ein weiterer naheliegender Punkt ist der Wärmespeicher, welcher dauerhaft Wärme abstrahlt. Wenn der Wärmespeicher lädt, erhöht sich im Laufe des Ladevorgangs die Rücklauftemperatur, weil immer weniger Wärme an den Wärmespeicher abgegeben werden kann. Diese Verluste machen zwar nur einen Bruchteil der Gesamtverluste aus, sie sind dennoch vorhanden.

Um die Wärmeverluste niedrig zu halten und die Umwelt zu schonen, gibt es heutzutage einige Optimierungsmöglichkeiten von Wärmenetzen. Es lassen sich bestehende Netze umrüsten, aber auch bei der Planung neuer Netze müssen einige Sachen berücksichtigt werden.

Es wird verstärkt auf eine Wärmequelle gesetzt, die umweltschonend arbeitet. Man bevorzugt vermehrt erneuerbare Energien, durch die man nicht weiter auf fossile Brennstoffe zurückgreifen muss und zusätzlich den -Ausstoß und andere Emissionen senkt. Der Nachteil ist allerdings, dass der Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung nicht so hoch ist, wie in anderen Kraftwerken.

Mit der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) versucht man den Wirkungsgrad von Kraftwerken zu erhöhen, indem die bei der Stromerzeugung entstehende Wärme genutzt wird und nicht durch Notkühlung verloren geht. Für die Wärmegewinnung setzt man keine zusätzliche Energie ein, da die Wärme bei der Stromproduktion sowieso anfällt. In der Regel wird eine Turbine mit überhitztem Dampf betrieben und die entstehende Abwärme wird schließlich für ein Wärmenetz genutzt.

Abbildung 7: Prinzip eines Wärmekraftwerks mit Kraft-Wärme-Kopplung

Quelle: https://www.heizkraftwerk-pforzheim.de/de/1546.php (21.06.2017)

Die Abwärme aus industriellen Prozessen oder großen Rechenzentren ist auch eine Art der Wärme, die zusätzlich für Fernwärmenetze verwendet wird, weil diese als Beiprodukt entsteht und keinen weiteren Nutzen für die Erzeuger darstellt. Ein Wärmenetz bestehend aus Abwärme ist in nahezu jedem Fall wirtschaftlich.

In Zukunft werden die Wärmeverluste über die Gebäudehülle wegen der Energieeinsparverordnung (EnEV) immer geringer, weil man deutlich effizienter dämmen muss als früher. Durch die niedrigeren Verluste in den Gebäuden benötigt man weniger Energie zum Heizen. Die Netzverluste sind allerdings nicht von der Abnahmemenge der Verbraucher abhängig, so dass Fernwärme durch den sinkenden Wärmebedarf unwirtschaftlicher wird. Fernwärme wird aber weiterhin einen entscheidenden Anteil haben, denn die Heizkraftwerke werden immer umweltfreundlicher und wirtschaftlicher und garantieren eine sichere und zuverlässige Energiequelle.

Eine weitere Möglichkeit, um das System der Fernwärme zu optimieren ist das Senken der Rücklauftemperaturen. Dadurch hat man einen höheren Wirkungsgrad. So gibt es für die Warmwassererwärmung beispielsweise zwei separate Wärmetauscher, um so die Rücklauftemperatur zu senken. Dabei wird die Zirkulation von dem ersten, direkt in den zweiten Wärmetauscher geführt. Wenn kein Warmwasser abgenommen wird, fließt das Wasser ohne Wärmeabgabe durch und wird wieder in den primären Vorlauf der Heizung geleitet.

Die Konzipierung einer Heizungsanlage setzt eine sorgfältige Planung voraus und ist unter anderem von der verwendeten Heizung oder den Wärmeverlusten über die Gebäudehülle abhängig. Bei einer Fußbodenheizung, die relativ niedrige Vorlauftemperaturen benötigt, reicht die Rücklauftemperatur des Trinkwarmwassers aus. Umgekehrt ist der Rücklauf einer alten Heizungsauslegung in einem Altbaugebäude gut für die Vorwärmung des Trinkwarmwassers.

Konzept eines Rohrsystems

Bei der Überlegung zu Optimierungsmöglichkeiten von Netzverlusten kam mir eine Idee eines Rohrsystems mit dem man möglicherweise einen geringeren Wärmeverlust hat und weniger Platz benötigt.

 

Abbildung 8: Vorlaufrohr mit Rücklauf-Mantelrohr

Das Rohrsystem aus Abbildung 8 stellt das Konzept dar. Es handelt sich dabei um ein Vorlaufrohr im Inneren, umgeben von einer verhältnismäßig dicken Schicht aus Wärmedämmung. Darüber kommt ein weiteres Rohrstück, an dem Streben befestigt sind und ein äußeres Rohr. Die Streben sorgen dafür, dass das der innere Teil mittig in dem Rücklauf liegt. Um das Rücklaufrohr ist dann nochmal eine etwas dünnere Schicht Wärmedämmung.

Durch dieses Rohr könnte man Wärmeverluste verringern, weil die Wärmedämmung zwischen dem Vorlauf und der Umgebung (dem Rücklauf) ähnlich dick oder größer gewählt werden kann, im Vergleich zu einem gleichwertigen Doppelrohrsystem. Der Umfang des Rohres reduziert sich, weil es die kompakteste Variante ist.

Außerdem könnte man eine Wärmeeinsparung haben, weil die Umgebung des Vorlaufrohres wärmer ist, als das Erdreich. Die Rücklauftemperatur beträgt immerhin noch ca. 40°C und das Erdreich hat Temperaturen um die 0°C, so dass bei gleicher Schichtdicke der Wärmedämmung, im Vergleich zu einem ähnlichen Doppelrohrsystem, die Wärmeverluste durch die geringe Temperaturspreizung verringert werden können. Damit das Rücklaufrohr seine Temperatur nicht vollständig an das Erdreich abgibt, befindet sich darum auch noch eine etwas dünnere Wärmedämmungsschicht.

Dieses System könnte allerdings sehr aufwendig herzustellen sein, weil man insgesamt drei Rohre hat, die man dicht abschließen muss. Eine weitere Frage ist, ob das Problem der Wärmeverluste in der Dicke der Wärmedämmung liegt oder in der Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmung. Bei genügend Platz aber fehlender Wirtschaftlichkeit, der zur Verbesserung notwendigen Dickenänderung der Wärmedämmung, bietet diese Alternative keinen Vorteil.

Für genauere Ergebnisse müsste man Versuche durchführen und prüfen, ob dieses System standardisiert werden kann, wirtschaftlich ist und vor allem den Wärmeverlust verringert.

Fazit

Abschließend lässt sich sagen, dass die Netzverluste eines Wärmenetzes von vielen Faktoren abhängen und die Wirtschaftlichkeit dieses Systems sehr beeinflussen. Um ein Wärmenetz zu planen, müssen deshalb die Netzverluste vorher genauestens berücksichtigt werden.

Wenn man die Grundlagen der Wärmelehre kennt, weiß man, wie Wärmeübertragung funktioniert und kann darauf aufbauend Netzverluste erkennen. Des Weiteren sollte man wissen, wie ein Wärmenetz aufgebaut ist und welche Schwachstellen es birgt. Um ein Netz an die Bedürfnisse der Verbraucher anzupassen, ist es unverzichtbar, sich mit dem heutigen und zukünftigen Wärmebedarf auseinander zu setzen.

Erst im Anschluss kann man die Gründe für Netzverluste von Wärmenetzen ermitteln und gewichten. Dieses Wissen wird genutzt, um bei der Planung neuer Wärmenetze wirtschaftlichere und umweltfreundlichere Lösungen zu finden.

Lennard Wissing 347729

Quellen

Vgl. http://www.xn--ing-bro-junge-0ob.de/html/fern-nahwaerme.html (21.06.2017)
Vgl. Hyrenbach, Wolfgang: Fernwärme und erneuerbare Energien als nachhaltige Geschäfts-felder, 2008, http://www.aachen.de/de/stadt_buerger/europa/eu_projekte/paper_hyrenbach.pdf (21.06.2017), S. 2 ff.
Vgl. Rötsch, Dietmar: Zuverlässigkeit von Rohrleitungssystemen: Fernwärme und Wasser, 1999, S. 10 f.
Vgl. Rötsch, Dietmar: Zuverlässigkeit von Rohrleitungssystemen: Fernwärme und Wasser, 1999, S. 7 ff.
Vgl. Neumann, Christian: Effizienz von Nahwärmenetzen im ländlichen Raum: Ergebnisse verschiedener Studien, 2014, http://www.kea-bw.de/fileadmin/user_upload/pdf/veranstaltungen/Nahwaerme_kompakt_2014/16.45_EffizienzVonNahwaermenetzen_ChristianNeumann.pdf (21.06.2017), S. 5
Vgl. http://www.xn--ing-bro-junge-0ob.de/html/fern-nahwaerme.html (21.06.2017)
Vgl. Wolff, Dieter; Jagnow, Kati: Untersuchung von Nah- und Fernwärmenetzen, 2011, https://www.zukunftsheizen.de/fileadmin/user_upload/3_Technik/3.6_Projekte_und_Studien/3.6.3_Nah-_und_Fernwaermenetze/Studie_Untersuchung_Nah-_und_Fernwaermenetze_IWO.pdf (21.06.2017), S. 20 f.
Vgl. http://www.xn--ing-bro-junge-0ob.de/html/fern-nahwaerme.html (21.06.2017)
Vgl. Rötsch, Dietmar: Zuverlässigkeit von Rohrleitungssystemen: Fernwärme und Wasser, 1999, S. 25 ff., S. 5
Vgl. Wagner, Alexander: Wärmeverluste von Fernwärmenetzen: Stellenwert von Fernwärme/ KWK im EEWärmeG, http://www.waermeschutztag.de/media/pdf/wtag2012/Vortrag-01-TG.pdf (21.06.2017), S. 7 ff.
Vgl. Wagner, Alexander: Wärmeverluste von Fernwärmenetzen: Stellenwert von Fernwärme/ KWK im EEWärmeG, http://www.waermeschutztag.de/media/pdf/wtag2012/Vortrag-01-TG.pdf (21.06.2017), S. 6
Vgl. http://www.xn--ing-bro-junge-0ob.de/html/fern-nahwaerme.html (21.06.2017)
Vgl. http://www.xn--ing-bro-junge-0ob.de/html/fern-nahwaerme.html (21.06.2017)
Vgl. Rötsch, Dietmar: Zuverlässigkeit von Rohrleitungssystemen: Fernwärme und Wasser, 1999, S. 25 ff., S. 45 ff.
Vgl. Fraunhofer Umsicht: Leitfaden Nahwärme, 2016, https://www.umsicht.fraunhofer.de/content/dam/umsicht/de/dokumente/energie/leitfaden-nahwaerme.pdf (21.06.2017), S. 37 ff.
Vgl. Thalmann, Stefan et al: Analyse und Optimierung von Fernwärmenetzen: Ist-Analyse von Fernwärmenetzen und Bewertungs-tool zur Netz Optimierung, 2013, http://www.bfe.admin.ch/php/modules/publikationen/stream.php?extlang=de&name=de_11477087.pdf (21.06.2017), S. 14 ff.
Vgl. http://www.xn--ing-bro-junge-0ob.de/html/fern-nahwaerme.html (21.06.2017)
Vgl. Rötsch, Dietmar: Zuverlässigkeit von Rohrleitungssystemen: Fernwärme und Wasser, 1999, S. 12 ff.
Vgl. Fraunhofer Umsicht: Leitfaden Nahwärme, 2016, https://www.umsicht.fraunhofer.de/content/dam/umsicht/de/dokumente/energie/leitfaden-nahwaerme.pdf (21.06.2017), S. 5 ff.
Vgl. Rötsch, Dietmar: Zuverlässigkeit von Rohrleitungssystemen: Fernwärme und Wasser, 1999, S. 7 ff.
Vgl. Fraunhofer Umsicht: Leitfaden Nahwärme, 2016, https://www.umsicht.fraunhofer.de/content/dam/umsicht/de/dokumente/energie/leitfaden-nahwaerme.pdf (21.06.2017), S. 5 ff.
Vgl. Wolff, Dieter; Jagnow, Kati: Untersuchung von Nah- und Fernwärmenetzen, 2011, https://www.zukunftsheizen.de/fileadmin/user_upload/3_Technik/3.6_Projekte_und_Studien/3.6.3_Nah-_und_Fernwaermenetze/Studie_Untersuchung_Nah-_und_Fernwaermenetze_IWO.pdf (21.06.2017), S. 16 ff.
Vgl. Rötsch, Dietmar: Zuverlässigkeit von Rohrleitungssystemen: Fernwärme und Wasser, 1999, S. 5 ff.
Vgl. Pfnür, Andreas et al.: Dezentrale vs. Zentrale Wärmeversorgung im deutschen Wärmemarkt: Vergleichen Studie aus energetischer und ökonomischer Sicht, 2016, https://www.zukunftsheizen.de/fileadmin/user_upload/3_Technik/3.6_Projekte_und_Studien/3.6.3_Nah-_und_Fernwaermenetze/Studie_Dezentrale_vs_zentrale_Waermeversorgung_IWO.pdf (21.06.2017), S.30

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