Einflüsse der Temperaturspreizung in Nahwärmenetzen

Ermittlung von optimalen Versorgungsvarianten auf Grundlage von Simulationsrechnungen

Zuletzt aktualisiert am 05.02.2017

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Analyse einer optimierten Bereitstellung der Wärme in den von der Süwag Energie AG betriebenen Nahwärmenetzen. Dazu wurden verschiedene Versorgungsvarianten zur Wärmeverteilung betrachtet, die entweder eine geringe Temperaturdifferenz (Temperaturspreizung) zwischen Vor- und Rücklauf und einen hohen Durchfluss (Variante 1) oder zum anderen eine große Temperaturspreizung und einen niedrigeren Durchfluss (Variante 2) aufwiesen.

Die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf allein kann in einem Nahwärmenetz nicht eingestellt werden, vielmehr ist sie ein Resultat aus Vorlauftemperatur, Volumenstrom und Wärmebedarf im Nahwärmenetz. Der Einfluss von Volumenstrom und Vorlauftemperatur auf den Energieverbrauch und die dadurch entstehenden Kosten durch Wärmeverluste und zur Deckung des Pumpstroms wurden daher genauer analysiert.

Zur Ermittlung der wirtschaftlich und technisch sinnvollsten Versorgungsvariante wurden Simulationsrechnungen auf der Grundlage der vom Auftraggeber zur Verfügung gestellten Informationen zur Auslegung eines bestehenden Nahwärmenetzes durchgeführt.


Vorgehensweise

Die Untersuchungen wurden an einem Nahwärmenetz der Süwag Energie AG durchgeführt. Dieses Netz besteht aus zwei getrennten Strängen unterschiedlicher Größe (siehe Tabelle 1), beide Stränge wurden jeweils wie einzelne Netze betrachtet. Die Gebäude bestehen aus Doppelhaushälften und Reihenhäusern, die Nahwärmezentrale ist in einem separaten Gebäude installiert.

Tabelle 1: Daten des untersuchten Nahwärmenetzes

 

Netz links Netz rechts

versorgte Gebäude

31

53

Auslegungsleistung

264,8 kW

432,9 kW

verlegte Rohre

662 m

1016 m

längster Strang

180 m

256 m

Wärmeverluste (80/60 °C)

8,0 kW

12,8 kW

(70/50 °C)

6,7 kW

10,7 kW

max. Volumenstrom

11,3 m3/h

18,2 m3/h

 

Zur Ermittlung des wirtschaftlichen Optimums wurde ein Simulationsmodell unter MatLab/SimuLink erstellt, welches folgende Komponenten berücksichtigt:

  • Nahwärmenetz mit den jeweiligen Kenndaten,
  • Pumpen und Dämmung ebenfalls mit zugrunde gelegten Kenndaten,
  • Thermische Verluste im Nahwärmenetz abhängig von der Medientemperatur, sowie
  • Betriebskosten der einzelnen Komponenten des Nahwärmenetzes.

Die jeweils zugrunde gelegten Kenndaten wurden vom Auftraggeber bzw. den Herstellern bereitgestellt.

Die Simulation berechnet die thermischen Verluste und die elektrische Energie für die Pumpen auf der Basis von Stundenwerten eines Jahres. Sie enthält folgende Funktionsblöcke (siehe Abbildung 1):

Abb2_1

Abbildung 1: Struktogramm der Simulation

Im Rahmen von Simulationsrechnungen wurden verschiedene Varianten der Wärmeversorgung analysiert. Dabei wurde zwischen einer konstanten Vorlauftemperatur von 75°C, einer temperaturabhängigen Temperaturregelung und einer lastabhängigen Temperaturregelung unterschieden. Der erste Fall ist heutzutage im Betrieb von Nahwärmenetzen nicht mehr zulässig und diente als Vergleichswert für die beiden anderen Varianten, von denen die temperaturabhängige Regelung heute den Standard darstellt. Die lastabhängige Regelung ist ein bisher noch nicht eingesetztes Verfahren der Vorlauftemperaturregelung. Hierfür wurde auch ein mögliches Regelschema entwickelt, das für praktische Tests genutzt werden kann.

Entsprechend den verschiedenen Temperaturregelungen wurden auch die Pumpen bei verschiedenen Arten der Drehzahlregelungen analysiert. Dabei wurde zwischen einer ungeregelten Variante, bei der die Pumpe bei Nenndrehzahl läuft, einer Regelung auf einen konstanten Druck, wie sie in den meisten Netzen heute eingesetzt wird und einer Proportionaldruckregelung unterschieden. Im letzteren Fall wird der Druck abhängig vom Volumenstrom und der Netzkennlinie so eingestellt, dass zur sicheren Versorgung aller Verbraucher ein Mindestdruck nicht unterschritten wird. Auch für diesen Fall wurde im Rahmen dieses Projektes eine Regelstrategie entwickelt.

 

Ergebnisse

Energetische Betrachtung
Eine gleitende Regelung der Vorlauftemperatur nach der Außentemperatur führt bei dem untersuchten Nahwärmenetz zu einer Verringerung der Wärmeverluste gegenüber einer konstanten Vorlauftemperatur mit 75 °C um etwa 24 %. Bei einer lastabhängigen Vorlauftemperaturregelung sind bei den Wärmeverlusten Einsparungen von etwa 44 % zu erzielen. Da diese lastabhängige Regelung bisher noch nicht realisiert wurde, sind dazu weitere Untersuchungen zur Ausarbeitung eines Regelschemas notwendig, um zu prüfen, ob bzw. mit welchen Parametern eine lastabhängige Regelung realisiert werden kann.

Der höhere elektrische Energieverbrauch der Pumpen bei der gleitenden bzw. der lastabhängigen Vorlauftemperaturregelung verringert diese Einsparungen nur geringfügig da der Anteil der Pumpenergie am Gesamtenergieaufwand gering ist.

Insgesamt können bei der lastabhängigen Vorlauftemperaturregelung etwa 38 % der Summe aus Wärmeenergieverluste und der elektrischen Pumpenergie gegenüber einer konstanten Vorlauftemperatur von 75 °C eingespart werden (siehe Abbildung 2).

Abb3_1

Abbildung 2: Wärmebedarf und Pumpenergie des linken Netzes bei verschiedenen Versorgungsvarianten (Drehzahlregelung der Pumpe nach konstantem Druck)

Wirtschaftliche Betrachtung
Da in den beiden Teilnetzen des Nahwärmenetzes der Anteil der Wärmeverluste wesentlich höher ist als der Pumpenergieverbrauch, liegt das wirtschaftliche Optimum bei dem Betrieb des Netzes bei einer möglichst niedrigen Vorlauftemperatur und somit bei einer lastabhängigen Vorlauftemperaturregelung (siehe Abbildung 3). Eine eventuelle Verringerung der Lebensdauer der Hauptpumpe durch den höheren Volllastanteil ist dabei jedoch nicht berücksichtigt.

Abb3_2

Abbildung 3: Jährliche Kosten der Wärmeverluste und der Pumpenergie des linken Netzes (Drehzahlregelung der Pumpe nach konstantem Druck)

Abschließend wurde noch der Einfluss von verschiedenen Rohrdurchmessern untersucht. Dabei zeigte sich, dass der Einbau von Rohren mit größerem Nenndurchmesser zur Senkung des Energiebedarfs der Umwälzpumpe beiträgt, während die Wärmeverluste steigen. Je nach Regelung der Netzpumpe und der Vorlauftemperatur lässt sich dadurch eine günstigere Netzversorgung ermöglichen. Ob dies der Fall ist, muss im Einzelfall geprüft werden.