Auslegung von Wärmeübergabestationen in Wärmenetzen

Das lernen Sie in diesem Artikel:

• Aufbau und Komponenten einer Wärmeübergabestation
• Direkte und indirekte Trinkwarmwasserbereitung
• Gleichzeitigkeitsfaktoren und deren Bedeutung für die Dimensionierung
• Auslegung für verschiedene Gebäudetypen
• Anforderungen an Vorlauftemperaturen und deren Einfluss auf die Netzplanung

Die Wärmeübergabestation (WÜST) ist die Schnittstelle zwischen dem Wärmenetz und dem angeschlossenen Gebäude. Sie übergibt die vom Netz bereitgestellte Wärme an die gebäudeinternen Heizkreise und die Trinkwarmwasserbereitung. Eine korrekte Dimensionierung der Übergabestation ist entscheidend — ist sie zu klein, reicht die Leistung an kalten Tagen nicht aus; ist sie zu groß, steigen die Investitionskosten und die Rücklauftemperaturen unnötig an.

Aufbau und Komponenten

Eine typische Hausübergabestation besteht aus folgenden Kernkomponenten:

• Primärseitiger Anschluss mit Absperrventilen, Schmutzfänger und Differenzdruckregler
• Wärmetauscher zur hydraulischen Trennung zwischen Netz und Gebäude (bei indirektem Anschluss)
• Regelventil mit Stellantrieb zur Steuerung des primärseitigen Volumenstroms
• Wärmemengenzähler zur Verbrauchserfassung
• Sekundärseitige Komponenten: Umwälzpumpe, Sicherheitsgruppe, Ausdehnungsgefäß

Die hydraulische Trennung über einen Plattenwärmetauscher ist in den meisten Netzen Standard, da sie das Netz vor Druckproblemen schützt und unterschiedliche Betriebsdrücke auf Primär- und Sekundärseite erlaubt.

Trinkwarmwasserbereitung

Die Trinkwarmwasserbereitung (TWW) bestimmt in vielen Fällen die Spitzenleistung der Übergabestation und damit deren Dimensionierung. Es werden zwei grundsätzliche Systeme unterschieden:

Indirekte Bereitung mit Speicher

Ein Trinkwarmwasserspeicher (typisch 200 bis 500 Liter für Einfamilienhäuser, 500 bis 2000 Liter für Mehrfamilienhäuser) wird über einen Wärmetauscher durch das Netz geladen. Die benötigte Ladeleistung hängt von der gewählten Ladezeit und dem Speichervolumen ab:

$\dot{Q}_{\text{TWW}} = \frac{V_{\text{Sp}} \cdot \rho \cdot c_p \cdot \Delta T}{t_{\text{Lade}}}$

mit dem Speichervolumen $V_{\text{Sp}}$, der Dichte $\rho$, der spezifischen Wärmekapazität $c_p$, der Temperaturdifferenz $\Delta T$ (typisch 45 K bei Erwärmung von 10 auf 55 °C) und der Ladezeit $t_{\text{Lade}}$.

Der Vorteil des Speichersystems liegt in der geringeren Anschlussleistung: Der Speicher kann über einen längeren Zeitraum (z. B. 2 bis 4 Stunden) geladen werden, sodass die Netzspitzenleistung geringer ausfällt. Nachteilig ist das Legionellenrisiko bei Speichertemperaturen unter 60 °C, das regelmäßige thermische Desinfektion erfordert.

Direkte Bereitung (Durchflussprinzip)

Bei der Frischwasserstation wird das Trinkwasser im Durchfluss über einen Plattenwärmetauscher erwärmt. Es wird kein warmes Trinkwasser bevorratet, wodurch das Legionellenrisiko praktisch entfällt. Allerdings erfordert diese Variante eine deutlich höhere Spitzenleistung, da der gesamte Zapfbedarf in Echtzeit gedeckt werden muss.

Für ein Einfamilienhaus mit einem Spitzenzapfbedarf von ca. 15 l/min bei 45 °C und einer Kaltwassertemperatur von 10 °C ergibt sich:

$\dot{Q}_{\text{Spitze}} = \dot{V} \cdot \rho \cdot c_p \cdot (T_{\text{warm}} - T_{\text{kalt}}) = 0{,}25 \; \text{l/s} \cdot 4{,}18 \; \text{kJ/(kg·K)} \cdot 35 \; \text{K} \approx 37 \; \text{kW}$

Dieser Wert zeigt, warum Gleichzeitigkeitsfaktoren bei der Netzauslegung so wichtig sind — nicht alle Gebäude zapfen gleichzeitig mit voller Leistung.

Gleichzeitigkeitsfaktoren

Der Gleichzeitigkeitsfaktor $f_{\text{gl}}$ beschreibt das Verhältnis der tatsächlich gleichzeitig auftretenden Leistung zur Summe aller installierten Anschlussleistungen:

$\dot{Q}_{\text{Netz}} = f_{\text{gl}} \cdot \sum_{i=1}^{n} \dot{Q}_{\text{Anschluss},i}$

Die Gleichzeitigkeit sinkt mit steigender Anzahl der Abnehmer, da die individuellen Bedarfsspitzen zeitlich versetzt auftreten. In der Praxis wird zwischen Heizungsgleichzeitigkeit und TWW-Gleichzeitigkeit unterschieden:

Heizungsgleichzeitigkeit

Die Gleichzeitigkeit für Raumwärme ist vergleichsweise hoch, da alle Gebäude bei tiefen Außentemperaturen gleichzeitig heizen. Typische Werte:

Anzahl Abnehmer	$f_{\text{gl,Heizung}}$
1-5	1,0
10	0,85 - 0,95
50	0,75 - 0,85
100	0,70 - 0,80

TWW-Gleichzeitigkeit

Die TWW-Gleichzeitigkeit ist deutlich niedriger, da Zapfvorgänge kurzzeitig und statistisch verteilt auftreten:

Anzahl Wohneinheiten	$f_{\text{gl,TWW}}$ (Durchfluss)
1	1,0
10	0,40 - 0,50
50	0,15 - 0,25
100	0,10 - 0,18
500	0,05 - 0,10

Diese Werte orientieren sich an der DIN 4708 und an Erfahrungswerten aus dem Betrieb bestehender Netze. Bei Gebäuden mit Speichersystemen entfällt die TWW-Gleichzeitigkeit auf Netzebene weitgehend, da die Speicher asynchron geladen werden können.

Auslegung für verschiedene Gebäudetypen

Einfamilienhaus (Neubau, KfW-55-Standard)

• Heizlast: 4 bis 6 kW
• TWW-Leistung (Durchfluss): 30 bis 40 kW
• TWW-Leistung (Speicher, 300 l): 8 bis 12 kW
• Typische Anschlussleistung: 15 bis 20 kW (mit Speicher)

Mehrfamilienhaus (20 Wohneinheiten, Bestandsbau)

• Heizlast: 80 bis 120 kW
• TWW-Leistung (zentrale Frischwasserstation): ca. 120 kW
• Gleichzeitigkeitsfaktor TWW: ca. 0,35
• Typische Anschlussleistung: 120 bis 160 kW

Gewerbegebäude (Büro, 2000 m$^2$)

• Heizlast: 60 bis 100 kW
• TWW-Leistung: gering (5 bis 10 kW)
• Typische Anschlussleistung: 70 bis 110 kW

Vorlauftemperatur und Grädigkeit

Die erforderliche primärseitige Vorlauftemperatur richtet sich nach den sekundärseitigen Anforderungen zuzüglich der Grädigkeit des Wärmetauschers. Die Grädigkeit $\Delta T_{\text{grä}}$ beschreibt die minimale Temperaturdifferenz zwischen Primär- und Sekundärseite:

$T_{\text{VL,primär}} \geq T_{\text{VL,sekundär}} + \Delta T_{\text{grä}}$

Übliche Grädigkeiten für Plattenwärmetauscher in Übergabestationen liegen bei 2 bis 5 K. Für die Trinkwarmwasserbereitung auf 55 °C bei einer Grädigkeit von 3 K ergibt sich somit eine erforderliche Primärvorlauftemperatur von mindestens 58 °C.

Ebenso beeinflusst die Rücklauftemperatur die Netzeffizienz erheblich. Niedrige Rücklauftemperaturen (unter 40 °C) senken die Netzverluste und erhöhen die nutzbare Spreizung. Die sekundärseitige Rücklauftemperatur wird primärseitig um die Grädigkeit unterschritten:

$T_{\text{RL,primär}} = T_{\text{RL,sekundär}} - \Delta T_{\text{grä}}$

Pufferspeicher auf Netzseite

In einigen Netzkonzepten wird ein zentraler oder dezentraler Pufferspeicher auf der Primärseite eingesetzt, um Leistungsspitzen zu glätten. Die Dimensionierung richtet sich nach der erwarteten Spitzenleistung und der gewünschten Überbrückungszeit:

$V_{\text{Puffer}} = \frac{\dot{Q}_{\text{Spitze}} \cdot t_{\text{Puffer}}}{\rho \cdot c_p \cdot \Delta T_{\text{Puffer}}}$

Für eine Spitzenleistung von 500 kW, eine Überbrückungszeit von 30 Minuten und eine nutzbare Spreizung von 30 K ergibt sich ein Speichervolumen von ca. 7200 Litern.

Fazit

Die Wärmeübergabestation ist ein zentrales Element jedes Wärmenetzes und verdient besondere Sorgfalt bei der Auslegung. Die Wahl zwischen Speicher- und Durchfluss-Trinkwarmwasserbereitung beeinflusst die Anschlussleistung und damit die gesamte Netzdimensionierung erheblich. Gleichzeitigkeitsfaktoren reduzieren die erforderliche Netzleistung deutlich gegenüber der Summe der Einzelanschlüsse und sollten bei der Planung realistisch angesetzt werden. Niedrige Grädigkeiten und Rücklauftemperaturen sind Schlüsselfaktoren für ein effizientes Netz — sie müssen jedoch mit den Investitionskosten für größere Wärmetauscher abgewogen werden.