So funktioniert der Aufbau kalter Nahwärmenetze

Kalte Nahwärmenetze werden aus einer regenerativen Wärmequelle versorgt. Dies können beispielsweise regional vorhandene Quellen der Erdwärme, Gewässer, Abwärme oder Solarthermie sein. Auf die Auslegung der einzelnen Quellenarten wird später noch detaillierter eingegangen.

Während herkömmliche Netze in Form von Fernwärme oder Nahwärme üblicherweise eine Vorlauftemperatur von 70 bis über 100 Grad Celsius haben, kommen kalte Nahwärmenetze in Siedlungen oder in Quartieren mit geringeren Temperaturen zwischen 0 und 30 Grad Celsius aus.
Durch dieses Temperaturniveau lässt sich das Verteilnetz mit Anbindung der Wärmequellen und die Errichtung der Hausanschlüsse mit ungedämmten Rohrsystemen realisieren. In diesem Bereich, der in der Regel nicht über der Temperatur des Erdreiches liegt, dient das Verteilnetz als zusätzliche Wärmepumpenquelle. Es stellt damit eine weitere Wärmequelle dar und trägt zur Verkleinerung der primären Quellen bei.

Das Zweileiternetz mit Vor- und Rücklaufleitung wird durch die Hausanschlussleitungen in gleicher Ausführung in die Gebäude geführt und an die Primärseite der Wärmepumpe angeschlossen. Kalte Nahwärmenetze können außerdem durch die freie Kühlung (ohne elektrischen Betrieb des Kompressors der Wärmepumpe) eine kostengünstige Möglichkeit zur Klimatisierung von Wohngebäuden bieten. Durch diese Kühlung erfolgt wiederum eine Regeneration der Wärmequelle im Sommer und das kann den Nutzen einer kleineren Dimensionierung der Quelle mit sich bringen.

Für den Betrieb der dezentralen Wärmepumpen kann die Nutzung von PV-Strom von den Dächern der Gebäude einen großen Vorteil darstellen. Die PV-Anlage produziert Strom aus Sonnenenergie, der für den Betrieb der Wärmepumpe genutzt werden kann. In diesem Fall trägt die elektrisch erzeugte Energie nicht nur zur Reduzierung von CO₂-Emissionen bei, sondern entlastet durch die Erzeugung vor Ort auch elektrische Versorgungsnetze. Bild 1 zeigt den typischen Aufbau. 

Eine Stärke von kalten Nahwärmenetzen ist darin zu sehen, dass sowohl Wärme als auch Kälte mit nur einem thermischen Netz (2 Rohrleitungen) bereitgestellt werden kann. Hier kommt es zu einem Ausgleich von Wärme- und Kältebedarfen zwischen Gebäuden: Abwärme aus Kühlprozessen kann an der Verdampferseite dezentraler Wärmepumpen anderer Gebäude genutzt werden, was die an der Energiezentrale zu erzeugende Kälte- und Wärmelast gleichermaßen reduziert. 

Kalte Nahwärmenetze können Niedertemperatur- und Umweltwärmequellen erschließen, die durch konventionelle Wärmenetze nicht genutzt werden können. Diese wären beispielsweise Abwärme aus Abwasserkanälen, Fluss- oder Seewasser, oder oberflächennaher Geothermie. Durch den Einsatz von dezentralen Wärmepumpen sind in kalten Nahwärme-Systemen der Strom- und der Wärmesektor eng miteinander gekoppelt (Sektorenkopplung). 

Sofern Wärmespeicher im Quartier vorgesehen werden, können Quartiere mit kalten Nahwärmenetzen so Flexibilität gegenüber dem Stromnetz zur Verfügung stellen. Als eine Schwäche kann die geringe Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf betrachtet werden, was hohe Volumenströme und entsprechend große Dimensionierung der Rohrleitungen zur Folge hat. Nachfolgend eine Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile gegenüber Fernwärme.

Vor- und Nachteile kalter Nahwärmenetze

Vorteile

• Möglichkeit des Heizens und Kühlens
• Niedrige Systemtemperaturen, kostengünstige ungedämmte Rohrleitungswerkstoffe
• Zusätzlicher Energiegewinn im Verteilnetz als Erdkollektor
• Durch Kühlung erfolgt im Sommer eine Regeneration und gegebenenfalls eine kleinere Dimensionierung der Wärmequelle
• Kalkulierbare Energiekosten durch geringe Betriebskosten
• Netzbau und Erweiterungen mit Standardmaterialien der Energieversorgung

Nachteile

• Die Systemregelung kalter Nahwärmenetze ist anspruchsvoller, da Wärmepumpen (und ggf. Netzpumpen) dezentral in den Gebäuden installiert und betrieben werden.
• Die Massen- und damit Volumenströme in kalten Nahwärmenetzen sind höher verglichen mit konventionellen Wärmenetzen. Dies ist Ergebnis der geringen Temperaturdifferenzen über die Verdampfer der dezentralen Wärmepumpen und den damit verbundenen kleineren Temperaturdifferenzen zwischen dem warmen und kalten Leiter des Netzes. 
• Die Wärmeübergabestationen in den Gebäuden sind teurer, da diese Wärmepumpen umfassen.

Planungsschritte eines kalten Nahwärmenetzes

Ein kaltes Nahwärmenetz (KNW-Netz) kann durch die Nutzung der verschiedenen regenerativen Energiequellen die Energieeffizienz, sowie die Nachhaltigkeit der Gebäudeklimatisierung, auf eine neue Stufe heben. Doch wie genau plant man ein derart innovatives Wärmenetz?
Dieser Abschnitt ist den einzelnen Planungsschritten eines kalten Nahwärmenetzes gewidmet. Auf detaillierteste Berechnungen wird bewusst verzichtet, um einen klaren und verständlichen Überblick – von der Idee bis zur ausführungsreifen Planung – geben zu können. Bild 2 zeigt die wesentlichen Schritte.
 

Ziel ist es, sich den nötigen Überblick zu verschaffen, um ein kaltes Nahwärmenetz zu verstehen und deren Planungsschritte nachvollziehen zu können. Vorausgesetzt wird, dass die KNW-Netze in die vorhandene Gebäudetechnik und Infrastruktur integriert werden können. Dies betrifft maßgeblich die Prüfung in Gebieten mit Bestandsgebäuden. Hierzu zählen die Vereinbarkeit vorhandener Regelungs- und Steuerungssysteme sowie die Notwendigkeit der Wärmeenergiebereitstellung über Wärmepumpen. Des Weiteren muss ausreichend Platz für die Verlegung des Leitungsnetzes in der Verlege-Trasse vorhanden sein.

Energetische Analyse – Angebot vs. Bedarf

Zu Beginn einer jeden Prüfung auf Realisierbarkeit, steht die Gegenüberstellung des benötigten Wärmebedarfs zu den verfügbaren Niedertemperaturquellen am betrachteten Standort. Nur wenn ausreichende regenerative Quellen erschlossen werden können und standortnah zur Verfügung stehen, lohnt sich eine genauere Betrachtung hinsichtlich Machbarkeit und Rentabilität für den Errichter bzw. Betreiber.

Zu unterscheiden sind Neubau- und Bestandsprojekte. Handelt es sich um ein Neubauprojekt, wird aus der Wärmebedarfsberechnung der Wärmebedarf der anzuschließenden Gebäude (z. B. nach DIN EN 12831) entnommen und aufsummiert. 

Um Bestandsgebäude zu versorgen, kann der aktuell benötigte Energieverbrauch für erste Machbarkeitsprüfungen herangezogen werden. Ist eine energetische Sanierung geplant, wird der Wärmebedarf nach der Sanierung benötigt. Die Gesamtsumme dieser Bedarfe stellt den Bedarf dar, den es mit dem KNW-System zu decken gilt.

Sind geeignete Wärmequellen verfügbar?

Nach der Ermittlung des Gesamtwärmebedarfs wird dieser den am Standort verfügbaren regenerativen Energiequellen gegenübergestellt. Die Realisierbarkeit eines KNW-Netzes hängt demnach im Wesentlichen von einer ausreichenden Verfügbarkeit adäquater Niedertemperaturwärmequellen ab. Während solarthermische Quellen wie Solarkollektoren oder PVT-Kollektoren (Photovoltaik+Thermie) nahezu überall verfügbar sind, aber maßgeblich durch die Platzverhältnisse (nutzbare Freiflächen bzw. Dachflächen) limitiert sind, werden geothermische Quellen in der Genehmigungspraxis zum Beispiel noch durch wasserrechtliche Vorgaben auf ihre Einsatzmöglichkeit bewertet. Im Folgenden werden häufige Quellen von kalten Nahwärmenetzen aufgeführt:

Geothermie

Oberflächennahe Geothermiesysteme nutzen die konstante Temperatur des Erdreichs für die Gewinnung von Wärmeenergie. Durch Einbringung von Wärmetauschern wie

• Erdwärmesonden
• Erdwärmekollektoren oder
• Erdwärmekörben

wird dem Erdreich Wärme entzogen und dem Nahwärmenetz zur Verfügung gestellt. Ein großer Vorteil dieser Quelle ist die nahezu konstante Temperatur über das ganze Jahr hinweg. Dies führt zu einer hohen Effizienz dieses Systems. Gegenüber anderen Energiequellen wie der Umgebungsluft, benötigt diese Energiequelle allerdings Platz für die Unterbringung der geothermischen Quellen sowie ein gesondertes Genehmigungsverfahren. 

In übersichtlichen Informationssystemen der Bundesländer kann man sich vorab über die grundsätzliche Genehmigungsfähigkeit geothermischer Systeme erkundigen. In Karten zur Standortbeurteilung ist leicht zu erkennen, ob am gewählten Standort mit Einschränkungen zu rechnen ist, oder nicht (z.B. Energieatlas Bayern, Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG)).

Hinsichtlich der Integration in ein Nahwärmenetz bieten sich Erdwärmesonden und -kollektoren an, wenn in der Nachbarschaft ausreichend Platz wie Grünflächen oder Ackerland zur Verfügung steht. Dies ist meist bei ortsrandnaher Bebauung gegeben. Letzteres hat den Vorteil, dass man hier von einer Doppelnutzung im Betrieb ausgehen kann. Während der Betreiber des Netzes von einer effizienten Quelle profitiert, kann der Acker uneingeschränkt weiter bewirtschaftet werden.

Für Großprojekte finden Sondenfelder Anwendung. Von einem Sondenfeld ist die Rede, wenn mehr als fünf Erdwärmesonden in räumlichen Zusammenhang errichtet werden. Eine aktive Regenerierung ist notwendig, da Nachbarsonden das passive Nachfließen von Wärme aus der Umgebung behindern. Sondenfelder können bei richtiger Auslegung mit Wasser als Wärmeträger geplant und betrieben werden, dies hat eine höhere Effizienz als die Ausführung mit Sole. In Norwegen wurde z. B. ein Sondenfeld mit 350 Sonden á 200 m Tiefe erfolgreich realisiert, welches als Wärmequelle für ein Krankenhaus dient.
 (Quelle: https://www.geothermie.de/bibliothek/lexikon-der-geothermie/e/erdwaermesondenfeld)

Solarthermische Systeme

Solarthermie- bzw. PVT-Kollektoren sind eine vergleichsweise einfach zu installierende Wärmequelle. Auf den Hausdächern der Nutzer untergebracht, stellen sie eine Möglichkeit dar, um die Warmwasserbereitung zu unterstützen und das Netz zu entlasten. Zudem können sie für die Regeneration des KNW-Systems genutzt werden, indem angeschlossene Pufferspeicher oder Erdwärmesysteme mit Überschusswärme regeneriert werden können. 

Solarthermische Systeme erfassen die Sonnenenergie und wandeln diese in Wärme um. Ein PV-T-System erzeugt neben der elektrischen Energie durch ein separates Kühlregister auf der Rückseite Wärme, welche ebenfalls genutzt werden kann. Die Effizienz dieser Systeme ist allerdings stark wetterabhängig und birgt den Nachteil, dass der Ertrag zu Zeiten des höchsten Bedarfs geringer ist.

Grundwasser

Über eine geothermische Brunnenanlage („Doublette“) ist es möglich, dem Grundwasser Wärmeenergie zu entziehen und passiv (ohne Wärmepumpe) oder aktiv (mit Wärmepumpe) dem Nahwärmenetz Wärmeenergie bereitzustellen. Eine sog. Wasser-Wasser Anlage besteht aus einem oder mehreren Saug- und einem Schluckbrunnen, welche Grundwasser in benötigter Menge zur Verfügung stellen. 

Geringere Grundwassertiefen und eine hohe Mächtigkeit des Grundwasserleiters bewirken geringere Investitionskosten und somit eine schnellere Rentabilität sowie eine höhere Effizienz der Quellenanlage. Durch die gleichbleibende Temperatur des Grundwassers über das Jahr von durchschnittlich 10 °C, stellt sie eine sehr effiziente Möglichkeit der regenerativen Energieversorgung dar. Die Nutzung des Grundwassers als Wärmequelle ist allerdings genehmigungspflichtig und jeweils bei der örtlichen Wasserbehörde (i. d. R. Landratsamt) anzufragen. Eine weitere Einschränkung stellt die Wasserqualität am Standort dar. Diese muss für den direkten Betrieb mit dem Wärmetauscher der Wärmepumpe vereinbar sein. Ist dies nicht gegeben, muss ein separater Zwischenkreis (meist mit Glykolfüllung) zwischengeschaltet werden, um den Wärmetauscher vor Korrosion oder Ausfällungen zu schützen.

Umgebungsluft

Auch die Umgebungsluft kann direkt oder indirekt als Energiequelle für die Wärmeversorgung des Nahwärmenetzes genutzt werden. Luft-Wasser-Wärmepumpen spielen dabei eine zentrale Rolle. Sie entziehen der Umgebungsluft die vorhandene Wärmeenergie und übertragen sie auf das Trägerfluid des Netzes. Die Vorteile dieser Quelle sind

• die allzeitige Verfügbarkeit,
• die geringen Investitionskosten und der
• der geringe Platzbedarf.

Auch ist anzumerken, dass die Quelle „Luft“ ohne den Einsatz eines Verdichters in der Wärmepumpe „passiv“ dazu beitragen kann, das Netz auf der benötigten Temperatur zu halten. Dies kann z. B. über Solar-Luft-Kollektoren, wie in PVT-Modulen integriert, möglich gemacht werden. Als nachteilig erweist sich jedoch, ähnlich wie bei der Solarthermie, dass das Energieangebot zu Zeiten des höchsten Bedarfs am geringsten ist. Für Großprojekte können Luft-Sole-Wärmetauscher eingesetzt werden, dies ist besonders in Kombination mit thermischen Speichern sinnvoll. Bild 3 zeigt ein Wärmequellenfeld mit Tischgeräten auf 529 m2 Fläche und einem Luftvolumenstrom von 2.800.000 m3/h. Bis zu −10 °C wird Wärmeenergie aus der Umgebungsluft entzogen, die Sole dient dann als Wärmequelle für die Großwärmepumpe mit 6 MW Wärmeleistung.

Aquathermie

Liegt ein betrachtetes Objekt nahe einem Gewässer, so ist es möglich – mittels separatem Zwischenkreis über einen oder mehrere Wärmetauscher – dem Wasser indirekt Wärme zu entziehen. Dies kann zum Beispiel über eingebrachte Wärmetauscher wie

• See- oder Gewässerwärmetauscher (Bild 4) oder
• aktivierte Spundwände oder indirekt über
• Rohrbündelwärmetauscher oder
• Pufferspeicher mit innenliegenden Spiralwärmetauschern

erfolgen.
Auch in diesen Fällen ist jeweils die Erlaubnis der Unteren Wasserbehörde einzuholen. Um Gewässerflora und -fauna zu schützen, sind Temperaturgrenzen einzuhalten und zu monitoren. 

Dies hat den Zweck, keine nachhaltige Beeinträchtigung durch Temperaturveränderung zu erzeugen. Als sehr vorteilhaft stellt sich der stetige Energietransport eines Fließgewässers dar. Bei stehenden Gewässern ist ein ausgeglichener Energiehaushalt über das Jahr anzustreben, um diese Quelle langfristig nutzen zu können. Viele Gewässer sind heute allerdings zu warm, womit in Einzelfällen eine dauerhafte Abkühlung auch für Entlastung sorgen könnte.

Eisspeicher

Eispeichersysteme speichern Wärme- bzw. Kälteenergie im Wasser und könne diese Energie dann kurzzeitig oder ganzjährig und bei korrekter Planung monovalent als Wärmequelle für eine Wärmepumpe zu Verfügung stellen. Durch den Aggregatszustandswechsel von Wasser wird deutlich mehr Energie benötigt/frei als bei einer sensiblen Temperaturänderung. Es besteht die Möglichkeit, das Gebäude über den Eisspeicher und das System passiv oder aktiv mit der Wärmepumpe zu kühlen, hierbei erfolgt eine Regenerierung des Eisspeichers durch Energiezufuhr vom Gebäude.

Grundsätzlich müssen Eisspeicher regeneriert werden. In den Rohren des Eisspeichers wird Sole mit mindestens −15 °C Frostschutz gearbeitet, im wasserdichten und drucklosen Behälter befindet sich Wasser. Die Vereisung des Wassers findet um den Wärmetauscher statt. Um den Wärmetauscher herum ist genügend Raum vorzusehen, dass die Vereisung niemals die Wandung des Behälters erreichen kann. Empfohlen ist ein Abstand von mindestens 500 mm zwischen Absorber und Behälterwand, hier sind Herstellerhinweise zu beachten. Bei ständigem Entzug ist der Wärmetauscher in der Lage jeden Behälter zu sprengen. Durch eine geeignete Einstellung der minimalen Soletemperaturen oder durch Eisaufbausensoren zum Bauteilschutz muss eine Abschaltung des Systems erfolgen. 

Die Wärmetauscher können als Plattenpakete ausgeführt werden, die dann hydraulisch zu einem großen Wärmetauschersystem zusammengeschlossen werden (Bild 5). Typische Längen sind 3,5 bis 7 m, typische Höhen 0,6 bis 1,2 m, eine Anpassung auf spezifische Projektanforderungen ist aber möglich. Alternativ steht eine zylindrische Bauform zur Verfügung, diese ist komplett vormontiert erhältlich.

Die Auslegung des Eisspeichers erfolgt auf Grund der zu übertragenden Leistung und der zu speichernden Wärmemenge. Mit zunehmendem Abstand der Eisspeicherabsorber steigt die speicherfähige Wärmemenge, wobei die spezifische Wärmetauscherleistung und damit die sich einstellenden Untertemperaturen abnehmen. 

Es werden drei Auslegungsvarianten unterschieden:

• Eisspeicher mit bestimmtem Bedarf: Die Auslegung der Wärmetauscher Fläche erfolgt immer nach der zu übertragenden Leistung und der erforderlichen Wärmemenge. Die Eisstärke auf jeder Seite des Wärmetauschers beträgt zwischen 25 bis 200 mm (Herstellerangaben beachten). Hierbei ist der maximale Volumenstrom der Absorber einzuhalten.
• Kurzzeit-Eisspeicher: Werden mit kleinerer Eisstärke von 25 bis 50 mm je Absorberseite ausgelegt und können hohe Kälteleistungen mit begrenzter Laufzeit übertragen, um die Größe von Kältemaschinen und die damit einhergehenden Investitionskosten und elektrischen Anschlusswerte für Kühlanwendungen zu begrenzen.
• Saisonaler Eisspeicher: Werden mit bis zu 200mm Eisstärke (Herstellerangaben beachten) je Absorberseite ausgeführt. Die gespeicherte Wärmemenge im Eisspeicher sollte für eine monovalente Auslegung mindestens 20% des jährlichen Quellenbedarfs betragen, um bei entsprechender solarer Regenerierung und Quellenregelung eine monovalente Funktionalität zu gewährleisten.
• Grundsätzlich sind die in den jeweiligen Ländern geltenden Regelwerken und Bestimmungen für den Wärmepumpenbetrieb zu beachten. Handelt es sich beim Einbauort um ein Wasserschutzgebiet Zone IIIa/b, muss bei der unteren Wasserbehörde eine Genehmigung für den Betrieb der Anlage beantragt werden. Diese kann mit bestimmten Auflagen erteilt werden. Details müssen im jeweiligen Einzelfall bauseits geklärt werden.

Weitere Energiequellen

Diese sind oft:

• Abwasserwärme
• Abwärme aus Industrie
• Abwärme aus Rechenzentren
• Biomasse

Es lässt sich zusammenfassen, dass es eine Vielzahl möglicher regenerativer Quellen für den Einsatz in Kalten Netzen für die Wärmeversorgung gibt. Jede einzelne Quelle hat ihre Vor- und Nachteile und eignet sich je nach Anforderungen bzw. Standort und verfügbaren Ressourcen unterschiedlich gut. Eine Bewertung des lokalen Angebots ist entscheidend, um die optimale Kombination verschiedener regenerativen Quellen einzuplanen. Die pauschal „beste Lösung“ für jeden Standort gibt es nicht.

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