Dimensionierung kalter Nahwärmenetze (5GDHC)

Kalte Nahwärmenetze (5GDHC) erfordern bei gleicher Wärmeleistung den 7- bis 13-fachen Volumenstrom konventioneller Netze, da die Temperaturspreizung nur 3 bis 6 K statt 40 K beträgt. Die Dimensionierung unterscheidet sich daher grundlegend: Druckverlustbegrenzung (50—100 Pa/m), die Wahl zwischen passivem und aktivem Netz sowie die Erdreichkopplung als Wärmequelle bestimmen die Auslegung.

Was macht die Dimensionierung von 5GDHC-Netzen besonders?

In einem konventionellen Wärmenetz mit z. B. 80/40 °C (Spreizung 40 K) werden vergleichsweise geringe Volumenströme transportiert. Ein kaltes Nahwärmenetz arbeitet hingegen mit Temperaturen nahe dem Erdreichniveau, typisch 0 bis 20 °C, und einer Spreizung von nur 3 bis 6 K. Die direkte Konsequenz: Bei gleicher Wärmeleistung muss ein kaltes Netz den 7- bis 13-fachen Volumenstrom transportieren.

Aus der Gleichung für den Massenstrom:

ergibt sich beispielhaft für 100 kW:

• Konventionell ($\Delta T = 40$ K): $\dot{m} \approx 0{,}6$ kg/s
• Kalte Nahwärme ($\Delta T = 4$ K): $\dot{m} \approx 6{,}0$ kg/s

Diese hohen Volumenströme bestimmen die gesamte Auslegung und machen eine sorgfältige hydraulische Dimensionierung unverzichtbar.

Passive vs. aktive Netze

Das hydraulische Konzept ist die erste und folgenreichste Entwurfsentscheidung bei kalten Nahwärmenetzen.

Passive Netze

In passiven Netzen übernehmen die Sole-Umwälzpumpen in den dezentralen Wärmepumpen die Zirkulation. Es gibt keine zentrale Pumpe. Jede Wärmepumpe zieht ihren Sole-Volumenstrom selbst durch das Netz und die Wärmequelle. Dieses Konzept eignet sich für kleinere Quartiere mit bis zu ca. 40 Gebäuden.

Die verfügbare Förderhöhe der in Wärmepumpen integrierten Umwälzpumpen ist begrenzt. Typisch stehen ca. 0,6 bis 0,7 bar freie Pressung zur Verfügung — das ist der Anteil der Förderhöhe, der nach Abzug des internen Druckverlusts im Wärmetauscher der Wärmepumpe verbleibt und für das externe Netz zur Verfügung steht.

Das Dimensionierungskriterium für passive Netze lautet daher: Der Druckverlust im Netz (Vor- und Rücklauf) plus der Druckverlust in der Wärmequelle darf die freie Pressung der ungünstigsten Wärmepumpe nicht überschreiten:

Da mehrere Wärmepumpen gleichzeitig in Betrieb sein können, muss die Dimensionierung den Gleichzeitigkeitsfall berücksichtigen. Zudem sind Rückschlagklappen an jeder Wärmepumpe erforderlich, um eine ungewollte Rückströmung durch inaktive Wärmepumpen zu verhindern.

Aktive Netze

Ab einer bestimmten Netzgröße oder bei ungünstiger Netzgeometrie reicht die freie Pressung der dezentralen Pumpen nicht mehr aus. In diesem Fall wird eine zentrale Umwälzpumpe in einer Energiezentrale installiert. Die Umwälzpumpen in den Wärmepumpen werden dann nicht mehr benötigt; stattdessen kommen motorbetriebene Absperrklappen zum Einsatz, die sich öffnen, wenn die jeweilige Wärmepumpe in Betrieb geht.

Aktive Netze erfordern zusätzlich Strangregulierventile oder Volumenstrombegrenzer, um eine gleichmäßige Versorgung aller Abnehmer sicherzustellen. Typische Förderhöhen zentraler Umwälzpumpen liegen bei 0,8 bis 1,2 bar.

Vergleich der beiden Konzepte

Rohrdimensionierung: Druckgefälle als Leitgröße

Aufgrund der hohen Volumenströme und der begrenzten Förderhöhen ist das spezifische Druckgefälle $R$ (in Pa/m) das zentrale Dimensionierungskriterium in kalten Nahwärmenetzen. Empfohlene Richtwerte:

• Passive Netze: 50 bis 70 Pa/m
• Aktive Netze: 80 bis 100 Pa/m
• Hausanschlussleitungen: bis 150 Pa/m

Die Fließgeschwindigkeiten ergeben sich aus dem Druckgefälle und liegen typisch bei 0,5 bis 1,5 m/s. Aufgrund der großen Durchmesser relativ zur transportierten Wärmeleistung spielen Geschwindigkeitsbegrenzungen eine untergeordnete Rolle.

Rohrmaterial

In kalten Nahwärmenetzen werden fast ausschließlich Kunststoffrohre aus PE100-RC oder PE-Xa eingesetzt. Vorteile gegenüber Stahlrohren sind die geringen Kosten, die einfache Verlegung, die Korrosionsbeständigkeit und die sehr geringe Wandrauhigkeit ($k \approx 0{,}007$ mm), die zu niedrigeren Druckverlusten führt.

Erdreichkopplung: Das Netz als Wärmequelle

Eine Besonderheit kalter Nahwärmenetze ist, dass die Rohrleitungen selbst als Wärmequelle wirken. Da die Sole-Temperatur unterhalb der Erdreichtemperatur liegt, fließt Wärme aus dem Erdreich in die Rohre. Dieser Wärmegewinn kann erheblich sein und beträgt typisch:

je Trassenmeter (Vor- und Rücklauf zusammen). Der Wärmegewinn hängt von der Erdreichtemperatur, der Sole-Temperatur, der Verlegetiefe und der Wärmeleitfähigkeit des Bodens ab.

Erdreichtemperatur und saisonales Verhalten

Die ungestörte Erdreichtemperatur in 1 bis 2 m Tiefe schwankt in Mitteleuropa jahreszeitlich zwischen ca. 3 und 17 °C. Im Heizbetrieb (Winter) kühlt das Erdreich in der Umgebung der Rohre durch den Wärmeentzug ab. Im Sommer regeneriert es sich durch solare Einstrahlung und — falls Kühlung im Netz stattfindet — durch die Abführung von Gebäudewärme.

Die Langzeitbilanz des Erdreichs muss ausgeglichen sein. Ein dauerhafter Nettoentzug führt zur progressiven Auskühlung des Bodens und im Extremfall zur Vereisung. Die Erdreichsimulation über mehrere Betriebsjahre ist daher ein wichtiger Bestandteil der Dimensionierung.

Bilanz von Heiz- und Kühlbedarf

Ein wesentlicher Vorteil von 5GDHC-Netzen ist die Möglichkeit, Heizen und Kühlen im selben Netz zu realisieren. Beim Kühlen wird Wärme aus den Gebäuden ins Netz und von dort ins Erdreich eingespeist. Diese Wärme steht im Winter als Heizenergie zur Verfügung.

Für die Dimensionierung der Wärmequellen ist die Nettobilanz entscheidend:

In Quartieren mit ausgeglichenem Heiz- und Kühlbedarf (z. B. Mischgebiete mit Büro- und Wohnnutzung) kann die erforderliche Quellleistung deutlich geringer ausfallen als der reine Heizbedarf. Im Idealfall regeneriert die sommerliche Kühlung das Erdreich vollständig, sodass auf zusätzliche Wärmequellen weitgehend verzichtet werden kann.

Unausgeglichene Bilanzen

In rein wohnungswirtschaftlich genutzten Quartieren dominiert der Heizbedarf. Die Rückspeisung durch Kühlung ist gering oder nicht vorhanden. Hier muss die Wärmequelle (Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden) den gesamten Entzug abdecken, und die natürliche Regeneration durch solare Einstrahlung muss ausreichen, um den Boden langfristig nicht auszukühlen.

Pumpenenergie: der unterschätzte Kostenfaktor

Aufgrund der hohen Volumenströme und der relativ niedrigen COP-Werte der Wärmepumpen (typisch 4 bis 5) macht der Pumpenstrom in kalten Nahwärmenetzen einen spürbaren Anteil am Gesamtstromverbrauch aus. Messungen an realisierten Netzen zeigen, dass der Pumpenstrom in schlecht dimensionierten Systemen bis zu 20 % des Wärmepumpenstroms betragen kann. In gut ausgelegten Netzen liegt dieser Wert bei 5 bis 8 %.

Die System-Jahresarbeitszahl $JAZ_{System}$ berücksichtigt den Pumpenstrom:

Ein hoher Pumpenstromanteil kann die System-JAZ von nominell 4,5 auf unter 3,5 drücken. Die hydraulische Dimensionierung hat damit direkten Einfluss auf die Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems.

Softwaregestützte Dimensionierung

Die Vielzahl der Wechselwirkungen — Hydraulik, Erdreichtemperatur, saisonale Bilanz, Pumpenenergie — macht eine rein analytische Dimensionierung ab einer gewissen Netzgröße impraktikabel. Simulationssoftware wie VICUS Districts ermöglicht die gekoppelte thermo-hydraulische Berechnung unter Berücksichtigung des dynamischen Erdreichverhaltens. So lassen sich passive und aktive Netzkonzepte vergleichen, die Wärmequellen realitätsnah dimensionieren und der Pumpenstrom über ein ganzes Betriebsjahr bewerten.

Fazit

Die Dimensionierung kalter Nahwärmenetze erfordert ein grundlegend anderes Vorgehen als bei konventionellen Wärmenetzen — mit VICUS Districts lassen sich die beschriebenen Aspekte in einer gekoppelten Jahressimulation zusammenführen. Die geringe Spreizung, die hohen Volumenströme und die Erdreichkopplung machen eine sorgfältige hydraulische Auslegung unverzichtbar. Die Wahl zwischen passivem und aktivem Netz hat weitreichende Konsequenzen für Investition und Betrieb. Die Langzeitbilanz des Erdreichs und der Pumpenstrom als Effizienzgröße verdienen dabei besondere Aufmerksamkeit. Moderne Simulationswerkzeuge helfen, diese komplexen Zusammenhänge zu beherrschen und ein sowohl technisch als auch wirtschaftlich optimales System zu entwerfen.

Weiterführende Artikel: Rohrdimensionierung behandelt die allgemeine Methodik zur Bestimmung von Rohrnennweiten in Wärmenetzen, Thermo-Hydraulische Simulation erläutert die gekoppelte Berechnung von Druck- und Temperaturverlauf, und Rohrsysteme im Vergleich vergleicht die in Wärmenetzen eingesetzten Rohrmaterialien und Verbindungstechniken.

Quellen und Normen

• Buffa, S. et al. (2019): 5th generation district heating and cooling systems: A review of existing cases in Europe. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 104, S. 504–522.
• AGFW FW 440 — Hydraulische Berechnung von Heizwasser-Fernwärmenetzen
• Boesten, S.; Ivens, W.; Provost, M. (2019): 5GDHC: An integrated design approach for sustainable district energy systems. REHVA Journal, 2019(1).
• Hirsch, H.; Nicolai, A. (2022): An efficient numerical solution method for detailed modelling of large 5th generation district heating and cooling networks. Energy, 255, 124485.
• Bertermann, D.; Wienke, J.; Müller, J.; Böck, S.; Lach, G.; Steinhäuser, H. (2019): Oberflächennahste Geothermiesysteme als Quelle für kalte Nahwärmenetze. bbr — Leitungsbau, Brunnenbau, Geothermie, S. 62–65.
• Hirsch, H. (2024): Modelling of Fifth Generation District Heating and Cooling Networks Coupled to Ground Heat Exchangers. Dissertation, TU Dresden.