Pumpenauslegung in Wärmenetzen

Die Pumpenauslegung bestimmt, ob ein Wärmenetz effizient und wirtschaftlich betrieben werden kann. Der Volumenstrom ergibt sich aus der Netzwärmeleistung und der Temperaturspreizung, die Förderhöhe aus den Druckverlusten der kritischsten Versorgungsstrecke. Bei gut ausgelegten Netzen beträgt der Pumpenstromverbrauch 1—2 % der transportierten Wärmemenge — bei ungünstiger Dimensionierung, insbesondere in Niedertemperaturnetzen mit geringer Spreizung, kann er auf 5—10 % ansteigen und die Wirtschaftlichkeit des gesamten Projekts gefährden.

Zentrale vs. dezentrale Pumpenkonzepte

Zentrales Pumpenkonzept

Beim zentralen Konzept befinden sich eine oder mehrere Hauptumwälzpumpen in der Heizzentrale. Sie erzeugen den erforderlichen Differenzdruck für das gesamte Netz. An den Übergabestationen regeln Differenzdruckregler oder Regelventile den Volumenstrom zum jeweiligen Abnehmer.

Vorteile:

• Zentrale Wartung und Überwachung
• Hoher Wirkungsgrad durch große, optimierte Pumpen
• Einfache hydraulische Struktur

Nachteile:

• Hoher Differenzdruck an netznahen Abnehmern erfordert Drosselung (Energieverlust)
• Alle Druckverluste im Netz müssen von der zentralen Pumpe überwunden werden

Dezentrales Pumpenkonzept

Hierbei befinden sich Umwälzpumpen an jeder Übergabestation, die jeweils nur den lokalen Druckverlust und den anteiligen Netzdruckverlust überwinden. Im Netz herrscht ein geringer oder kein zentral erzeugter Differenzdruck. Dieses Konzept ist typisch für passive kalte Nahwärmenetze, bei denen die in den Wärmepumpen integrierten Sole-Umwälzpumpen die Zirkulation bewerkstelligen.

Vorteile:

• Keine Energieverluste durch Drosselung
• Jede Pumpe arbeitet nur gegen den tatsächlich benötigten Druckverlust
• Geeignet für Netze mit stark unterschiedlichen Entfernungen zur Zentrale

Nachteile:

• Viele einzelne Pumpen mit jeweils geringerer Effizienz
• Höherer Wartungsaufwand
• Rückschlagklappen notwendig, um Rückströmung zu verhindern

Hybride Konzepte

In der Praxis werden häufig hybride Ansätze gewählt: Eine zentrale Pumpe erzeugt einen Grunddifferenzdruck, der einen Großteil der Netzverluste abdeckt. An entfernten Abnehmern unterstützen zusätzliche Druckerhöhungspumpen (Booster-Pumpen) die Versorgung. Dies kann die Gesamtenergieeffizienz gegenüber einem rein zentralen Konzept verbessern.

Dimensionierung: Volumenstrom und Förderhöhe

Volumenstrom

Der Nennvolumenstrom der Netzpumpe ergibt sich aus der gesamten Netzwärmeleistung und der Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf:

$\dot{V} = \frac{\dot{Q}_{\text{Netz}}}{\rho \cdot c_p \cdot (T_{\text{VL}} - T_{\text{RL}})}$

Für ein konventionelles Netz mit 2 MW Leistung und einer Spreizung von 30 K ergibt sich:

$\dot{V} = \frac{2000 \; \text{kW}}{1000 \; \text{kg/m}^3 \cdot 4{,}18 \; \text{kJ/(kg}\cdot\text{K)} \cdot 30 \; \text{K}} \approx 16 \; \text{l/s} \approx 57{,}5 \; \text{m}^3/\text{h}$

Im Vergleich dazu benötigt ein kaltes Nahwärmenetz mit derselben Leistung und nur 3 K Spreizung einen zehnfach höheren Volumenstrom von ca. 160 l/s. Dies verdeutlicht, warum die Druckverlustoptimierung in Niedertemperaturnetzen besonders wichtig ist.

Förderhöhe

Die erforderliche Förderhöhe $H$ der Pumpe setzt sich zusammen aus:

$H = \Delta p_{\text{Netz}} + \Delta p_{\text{Erzeuger}} + \Delta p_{\text{WÜST}} + \Delta p_{\text{Armaturen}}$

Dabei ist $\Delta p_{\text{Netz}}$ der Druckverlust der kritischsten Versorgungsstrecke (Schlechtpunkt), d. h. der hydraulisch ungünstigste Abnehmer — typischerweise der am weitesten entfernte oder der mit den größten Druckverlusten auf dem Weg.

Für die Rohrleitungsdruckverluste gilt näherungsweise:

$\Delta p_{\text{Rohr}} = R \cdot L$

mit dem spezifischen Druckverlust $R$ in Pa/m und der Leitungslänge $L$ in m. Übliche Auslegungswerte für $R$ liegen bei:

Schlechtpunktregelung und Differenzdruckregelung

Schlechtpunktregelung

Die Schlechtpunktregelung (auch: Differenzdruck-Sollwertführung am Schlechtpunkt) ist das effizienteste Regelverfahren für Netzpumpen. Dabei wird ein Differenzdrucksensor am hydraulisch ungünstigsten Abnehmer installiert. Die Pumpendrehzahl wird so geregelt, dass an diesem Punkt stets ein minimaler Differenzdruck (z. B. 0,3 bis 0,5 bar) anliegt, der für die ordnungsgemäße Funktion der Übergabestation erforderlich ist.

$\Delta p_{\text{Schlechtpunkt}} \geq \Delta p_{\text{WÜST,min}}$

Dieses Verfahren passt die Pumpenleistung dynamisch an den tatsächlichen Bedarf an und vermeidet die Überversorgung netznaher Abnehmer.

Konstantdruckregelung

Alternativ kann der Differenzdruck an der Pumpenaustrittsseite (oder einem anderen zentralen Punkt) konstant gehalten werden. Diese Methode ist einfacher zu implementieren, führt aber zu höherem Energieverbrauch, da der Sollwert auf den Maximalfall (alle Abnehmer auf Volllast) ausgelegt sein muss. Bei Teillast wird überschüssiger Druck an den Regelventilen vernichtet.

Drehzahlregelung und Energieeinsparung

Moderne Netzpumpen werden ausnahmslos mit Frequenzumrichtern betrieben, die eine stufenlose Drehzahlanpassung ermöglichen. Der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Leistungsaufnahme folgt den Affinitätsgesetzen:

$\frac{P_2}{P_1} = \left(\frac{n_2}{n_1}\right)^3$

Eine Drehzahlreduktion auf 80 % der Nenndrehzahl senkt die Leistungsaufnahme auf $0{,}8^3 = 0{,}512$, also ca. 51 % der Nennleistung. In der Praxis laufen Netzpumpen den überwiegenden Teil des Jahres im Teillastbereich, was erhebliche Energieeinsparungen gegenüber ungeregelten Pumpen ermöglicht.

Energiebedarf von Netzpumpen

Typische Kennwerte

Der Pumpenstromverbrauch eines gut ausgelegten Wärmenetzes beträgt typischerweise 1 bis 2 % der jährlich transportierten Wärmemenge. In ungünstig dimensionierten Netzen — insbesondere bei Niedertemperaturnetzen mit geringer Spreizung — kann dieser Anteil auf 5 bis 10 % oder mehr ansteigen.

Die elektrische Pumpenleistung berechnet sich aus:

$P_{\text{el}} = \frac{\dot{V} \cdot \Delta p}{\eta_{\text{ges}}}$

mit dem Gesamtwirkungsgrad $\eta_{\text{ges}}$, der das Produkt aus hydraulischem Wirkungsgrad, motorischem Wirkungsgrad und Umrichterwirkungsgrad ist. Typische Gesamtwirkungsgrade liegen bei 0,60 bis 0,75 für große Netzpumpen.

Volllaststundenansatz

Für die Abschätzung des jährlichen Pumpenstromverbrauchs wird häufig der Volllaststundenansatz verwendet:

$W_{\text{el,a}} = P_{\text{el,nenn}} \cdot f_{\text{Teillast}} \cdot t_{\text{Betrieb}}$

Der Teillastfaktor $f_{\text{Teillast}}$ berücksichtigt, dass die Pumpe im Jahresmittel nicht mit Nennleistung läuft. Typische Werte:

Die äquivalenten Volllaststunden ergeben sich als Produkt $f_{\text{Teillast}} \cdot t_{\text{Betrieb}}$ und liegen typischerweise bei 1500 bis 3000 h/a.

Praktische Empfehlungen

• Druckverluste minimieren: Großzügige Rohrdimensionierung (niedriger spezifischer Druckverlust) spart über die Lebensdauer mehr Pumpenstromkosten als die höheren Investitionskosten der größeren Rohre.
• Schlechtpunktregelung einsetzen: Die Energieeinsparung gegenüber einer Konstantdruckregelung beträgt je nach Netz 20 bis 40 %.
• Redundanz vorsehen: Mindestens zwei Pumpen (eine in Betrieb, eine in Reserve) sichern die Versorgung bei Ausfall oder Wartung.
• Simulation nutzen: Dynamische Netzsimulationen mit Software wie VICUS Districts ermöglichen die genaue Berechnung der Druckverluste und Pumpenarbeitspunkte über den gesamten Jahresverlauf.

Fazit

Die Pumpenauslegung ist ein zentraler Baustein der Wärmenetzplanung, der oft unterschätzt wird. Bei konventionellen Netzen mit hoher Spreizung sind die Auswirkungen moderat — bei Niedertemperaturnetzen und insbesondere bei kalter Nahwärme kann ein überdimensioniertes Pumpensystem oder eine ungünstige Regelstrategie die Wirtschaftlichkeit des gesamten Projekts gefährden. Die Wahl des richtigen Pumpenkonzepts, eine sorgfältige hydraulische Auslegung und der Einsatz drehzahlgeregelter Pumpen mit Schlechtpunktregelung sind die Schlüssel zu einem effizienten Netzbetrieb mit minimalem Pumpenstromverbrauch. Werkzeuge wie VICUS Districts berechnen die Pumpenarbeitspunkte dynamisch und weisen den Jahrespumpenstromverbrauch als Teil der Gesamtbilanz aus.

Weiterführend: Pumpenschaltung und -regelung behandelt Parallel-/Serienschaltung, Redundanz und Differenzdruckregelung im Detail, Druckverlustberechnung erläutert die Berechnung der Rohrreibungs- und Einzelwiderstände als Grundlage der Förderhöhenbestimmung, und Druckverlauf im Netz zeigt, wie sich die Pumpenkennlinie auf den Druckverlauf im gesamten Netz auswirkt.

Quellen und Normen

• DIN EN 16297 — Pumpen — Drehzahlveränderbare Pumpen — Besondere Anforderungen und Prüfungen
• AGFW FW 440 — Hydraulische Berechnung von Heizwasser-Fernwärmenetzen
• Europump & Hydraulic Institute (2004): Variable Speed Pumping — A Guide to Successful Applications. Elsevier.