Kalte Nahwärme: Grundlagen, Planung und Vorteile

Kalte Nahwärme (KNW), auch als Anergienetz oder Quellnetz bezeichnet und international als 5GDHC, ist ein Wärmeversorgungskonzept, bei dem eine Sole-Wasser-Mischung auf natürlichem Erdreichtemperaturniveau von etwa -5 bis 25 °C zirkuliert. Dezentrale Wärmepumpen heben das Temperaturniveau in den Gebäuden bedarfsgerecht an. Gegenüber konventioneller Fernwärme (70–120 °C) entfallen die Verteilverluste nahezu vollständig, während bidirektionale Energieflüsse gleichzeitiges Heizen und Kühlen im selben Netz ermöglichen.

Klassische Fernwärme- und Nahwärmenetze erleiden mit besser gedämmten Gebäuden immer höhere Leitungsverluste, in Gebieten mit niedriger Energiedichte etwa 30 bis 40 %. Kalte Nahwärme kehrt diesen Nachteil dank der niedrigen Netztemperaturen in einen Vorteil um: Die Rohre lassen sich ungedämmt verlegen, ziehen sogar Umgebungswärme nach und machen das Netz selbst zum saisonalen Zwischenspeicher.

Zentrale Komponenten der kalten Nahwärme

1. Wärmequellen und -senken

Die Energieversorgung eines Kalte Nahwärme Netz-Systems erfolgt durch verschiedene Umweltwärmequellen, die je nach Standort und Platzverhältnissen ausgewählt und kombiniert werden können:

• Flächenkollektoren werden horizontal in 1,5 bis 3 Metern Tiefe verlegt. Sie nutzen die ganzjährige Regeneration des Erdreichs durch Sonneneinstrahlung und Niederschläge. Diese Kollektoren eignen sich besonders für Neubaugebiete mit ausreichender Freifläche wie Parks, Gärten oder Randzonen von Siedlungen.
• Erdwärmesondenfelder bohren vertikal 50 bis 200 Meter tief in den Untergrund. Sie erschließen über viele Jahre hinweg konstante geothermische Temperaturen. Aufgrund ihrer geringen Flächenbeanspruchung eignen sich Sondenfelder besonders für innerstädtische Gebiete mit begrenztem Platzangebot.
• Wärmetauscher für Grund-, Fluss- oder Abwasser sowie industrielle Abwärmequellen (z. B. aus Rechenzentren, Kläranlagen oder Gewerbebetrieben) ergänzen das System durch zusätzliche nutzbare Umweltenergie. So lässt sich vorhandene Infrastruktur einbinden und bisher ungenutzte Energie thermisch verwerten.

2. Das ungedämmte Soleleitungsnetz

Zentrale Komponente jedes Kalte Nahwärme Netz-Systems ist ein ungedämmtes Leitungsnetz, durch das eine Sole als Wärmeträger zirkuliert. Typisch sind Kunststoffrohre aus PE100-RC oder PE-Xa, die besonders widerstandsfähig gegen mechanische Belastungen und Spannungsrisse sind.

Die Rohre werden in einem gemeinsamen Grabensystem (Vorlauf und Rücklauf nebeneinander) in einer Tiefe von etwa 1 bis 2 Metern verlegt. Aufgrund der niedrigen Netztemperaturen (nahe Umgebungstemperatur) sind keine Wärmedämmungen erforderlich. Die Leitungssysteme sind robust und langlebig, und ihre Verlegung ist auch im Vergleich zur klassischen Fernwärme kosteneffizient.

3. Bidirektionaler Betrieb und saisonale Speicherung

Ein wesentliches Merkmal von kalte Nahwärme-Systemen ist ihre bidirektionale Funktionsweise: Jedes angeschlossene Gebäude agiert nicht nur als Verbraucher, sondern auch als potenzieller Einspeiser, ein sogenannter Prosumer.

Im Winter entzieht die Wärmepumpe des Gebäudes dem Netz thermische Energie, um Heizung und Warmwasser bereitzustellen. Im Sommer kann die Wärmepumpe oder ein zusätzlich integrierter Wärmetauscher zur passiven oder aktiven Kühlung genutzt werden. Dabei gibt das Gebäude überschüssige Wärmeenergie an das Netz ab.

Die Erdreichmatrix, die das Leitungssystem umgibt, übernimmt hierbei die Funktion eines saisonalen Speichers. Sie puffert die im Sommer eingespeiste Wärme und stellt sie im Winter wieder zur Verfügung. Umgekehrt kann gespeicherte „Kälte” Hitzespitzen im Sommer abmildern. Durch diese saisonale Ausgleichswirkung lassen sich Jahresarbeitszahlen (JAZ) von über 4 bis 5 erreichen, deutlich höher als bei klassischen Wärmepumpensystemen ohne saisonale Speicherung.

4. Gebäudeinterne Anlagentechnik

In jedem angeschlossenen Gebäude befindet sich eine Wärmepumpe, die das Temperaturniveau an den jeweiligen Bedarf anpasst. Sie erzeugt eine Vorlauftemperatur von etwa 30 bis 35 °C für Flächenheizsysteme (wie Fußboden- oder Wandheizungen) und kann zusätzlich Trinkwasser auf bis zu 60 °C erwärmen.

Ein besonderer Vorteil von kalte Nahwärme ist die Möglichkeit der freien Kühlung. An heißen Tagen kann die kühle Sole (zwischen 10 und 20 °C) direkt über einen Bypass-Plattenwärmetauscher durch das Gebäude geleitet werden. Die Kühlung erfolgt dabei ohne den stromintensiven Verdichter der Wärmepumpe. Stattdessen wird nur eine effiziente Umwälzpumpe betrieben, deren Stromverbrauch bei unter 100 Watt pro Wohneinheit liegt. Diese einfache und kostengünstige Kühlung verbessert den Wohnkomfort bei geringem Energieeinsatz.

Besonderheiten bei der Hydraulik kalter Nahwärmenetze

Generell lassen sich zwei Hydraulikkonzepte kalter Nahwärme-Netze unterscheiden: passive kalte Nahwärmenetze, in denen die Umwälzpumpen der Wärmepumpen zur Zirkulation ausreichen, und aktive kalte Nahwärmenetze, in denen eine zentrale Umwälzpumpe benötigt wird.

Passives Netz für kleine Quartiere

Kleinere Netze, in der Regel Neubaugebiete bis ca. 40 Gebäude, können als passives Netz ausgeführt werden. Dabei wird das Netz so dimensioniert, dass jede dezentrale Umwälzpumpe die Druckverluste in Netz und Quelle überwinden kann. Typische Förderhöhen dieser Sole-Umwälzpumpen liegen bei 0.6 bis 0.7 bar. Der Druckverlust des Wärmetauschers ist bei diesen Werten bereits berücksichtigt und muss nicht mehr überwunden werden, weshalb man auch von freier Pressung spricht. Bei passiven Netzen ist zudem darauf zu achten, dass vor jeder Wärmepumpe Rückschlagklappen eingebaut werden. Sie verhindern die ungewollte Durchströmung einer Wärmepumpe in die Gegenrichtung.

Aktives Netz bei höheren Druckverlusten

Größere Netze werden oft als aktives Netz mit zentraler Umwälzpumpe ausgeführt. Umwälzpumpen in den Wärmepumpen werden dann nicht benötigt. Stattdessen verbaut man in den Gebäuden motorbetriebene Klappen, die sich nur öffnen, wenn die jeweilige Wärmepumpe in Betrieb geht. Zusätzlich werden Strangregulierventile bzw. Volumenstrombegrenzer benötigt, um eine gleichmäßige Durchströmung aller Wärmepumpen sicherzustellen. Die zentrale Umwälzpumpe ist in der Regel in einer eigenen Energiezentrale untergebracht, zusammen mit einer zentralen Einrichtung für die Druckhaltung. Typische Förderhöhen einer zentralen Umwälzpumpe liegen bei 0.8 bis 1.2 bar. Das Rohrnetz wird dabei auf ca. 100 Pa/m dimensioniert.

Achtung: Ein kritischer Punkt ist auch bei aktiven Netzen die korrekte hydraulische Auslegung des Systems. Aufgrund der geringen Spreizung von 3 bis 4 K und der hohen Volumenströme kann eine unbedacht gewählte Komponente sehr hohe Druckverluste verursachen und so den Pumpenstrom in die Höhe treiben. In ungünstig dimensionierten Netzen haben Messungen ein Verhältnis von bis zu 20 % Pumpenstrom am Wärmepumpenstrom gezeigt. Das kann zu sehr geringen Jahresarbeitszahlen von nur 3.5 führen.

Anwendungsbeispiele erfolgreicher kalte Nahwärme Projekte

Bilanzen aus Monitoringberichten (2020–2024) zeigen Jahresarbeitszahlen von 4,5 bis 5,0 für Heizen und 20 bis 40 (!) für passive Kühlung – ein Indikator, dass praktisch nur Umwälzstrom verbraucht wird.

Typische Auslegungswerte von Systemkomponenten

Für die Auslegung und Berechnung der einzelnen Komponenten, insbesondere der jeweiligen Wärmegewinne, lassen sich sowohl Richtlinien wie VDI 4640-2 als auch eigene Simulationsrechnungen verwenden.

Quelle: Hauke Hirsch: Modelling of fifth generation district heating and cooling networks coupled to ground heat exchangers, Dissertation, TU Dresden 2024

Kaltes Nahwärmenetz planen: Software und Simulation

Wie die vorangegangenen Kapitel gezeigt haben, gibt es bei der Planung kalter Nahwärmenetze zahlreiche Herausforderungen. Die Hydraulik muss genau geplant und die Wärmequellen müssen sinnvoll dimensioniert sein. Hoher Pumpenenergiebedarf oder überdimensionierte Kollektorfelder bringen die Wirtschaftlichkeit des Systems schnell an die Grenze. Mit geeigneter Software wie VICUS Districts lassen sich diese Risiken bei der Planung und Simulation kalter Nahwärmenetze verringern.

Mit VICUS Districts lassen sich sowohl konventionelle als auch kalte Nahwärmenetze planen und simulieren. Dazu gehören die Rohrdimensionierung und die Pumpendimensionierung sowie die Simulation passiver und aktiver hydraulischer Netze mit verschiedenen Wärmequellen. Der wissenschaftlich validierte numerische Rechenkern berechnet außerdem die Wärmegewinne von Erdwärmekollektoren und vom Rohrnetz. Das schafft Sicherheit bei der Planung und spart Investitionskosten.

Einige Funktionen von VICUS Districts:

• Erstellen und Dimensionieren kalter Nahwärmenetze und Pumpen
• Import von PDF- oder DXF-Plänen und Nutzung von OpenStreetMaps
• Simulation passiver und aktiver kalter Nahwärmenetze und Bewertung des Pumpenstrombedarfs
• Detaillierte Erdreichsimulation für Rohrnetz und Erdwärmequellen

Wirtschaftlichkeit und Förderung von kalter Nahwärme

Eine Möglichkeit zur Förderung bietet das Programm Bundesförderung effiziente Wärmenetze (BEW) der BAFA. Damit lassen sich 50 % der Planungskosten und 40 % der Investitionskosten fördern.

Förderfähig:

• Transformationspläne und Machbarkeitsstudien, inkl. Planungsleistungen HOAI LPH 1-8
• Investitionskosten für Wärmenetz und Wärmequellen

Anforderungen:

• Mehr als 16 Gebäude oder mehr als 101 Wohneinheiten
• min. 75 % erneuerbare Energien und Abwärme
• max. 95 °C Vorlauftemperatur

Umfang:

• Nicht rückzahlbarer Zuschuss von 50 % der förderfähigen Kosten (Max. Fördersumme 2 Mio €) bei der Planung
• 40 % der förderfähigen Kosten (Max. 100 Mio €) bei der Umsetzung

Kalte Nahwärme im Überblick

Kalte Nahwärme nutzt das Erdreich als saisonalen Pufferspeicher und verbindet Gebäude zu einem bidirektionalen Wärme- und Kältenetz. Leitungsverluste entfallen weitgehend, die CO₂-Emissionen sinken deutlich, und Kommunen wie Verbraucher werden von fossilen Kostenrisiken entlastet. Umgesetzte Quartiere in Deutschland und den Niederlanden belegen die technische Reife. Staatliche Förderprogramme senken zusätzlich die wirtschaftlichen Hürden.

Kalte Nahwärme ist damit schon heute ein tragfähiger Baustein für klimaneutrale Stadtquartiere, sobald Kommunen, Versorger und Bauherren den Schritt gehen.

Mit moderner Planungs- und Simulationssoftware lassen sich kalte Nahwärme-Netze sicher planen. Wer die Simulation früh in die Planung einbezieht, dimensioniert Wärmenetz und Quelle passend und spart dadurch Investitionskosten.

Weiterführende Artikel: Dimensionierung kalter Nahwärmenetze (5GDHC) vertieft die hydraulische Auslegung und Erdreichkopplung, Kalte Nahwärme: Vorteile und Nachteile liefert eine ehrliche Gegenüberstellung für die Konzeptentscheidung, Netztemperaturen erläutert die Wahl der Temperaturniveaus in thermischen Netzen, Wärmeliniendichte beschreibt die Wirtschaftlichkeitsgrenze konventioneller Netze und zeigt, warum kalte Nahwärme bei niedriger Wärmedichte eine Alternative ist, und Wärmeerzeugung in thermischen Netzen gibt einen Überblick über zentrale und dezentrale Erzeugungstechnologien.

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.
• Lund, H. et al. (2014): 4th Generation District Heating (4GDH). Energy, 68, S. 1–11.
• Nussbaumer, T.; Thalmann, S.; Zaugg, D.; Cueni, M. (2025): Planungshandbuch Thermische Netze. Version 2.0, EnergieSchweiz / Bundesamt für Energie BFE.
• Zeh, R.; Stockinger, V. (2019): Kalte Nahwärme — Wärme- und Kälteversorgung der Zukunft für Quartiere. Ingenieur Spiegel, 2019.
• 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.