Betriebsdrücke in Wärmenetzen einhalten

Betriebsdrücke in einem Wärmenetz einzuhalten heißt, den Druck an jeder Stelle zwischen zwei Grenzen zu halten: unter dem zulässigen Betriebsdruck der schwächsten Komponente auf dem Weg und über dem Sättigungsdruck der heißesten Stelle des Vorlaufs, zuzüglich eines Sicherheitszuschlags von rund 1,5 bar. Beide Grenzen sind höhenabhängig, und beide werden in unterschiedlichen Lastfällen maßgebend. Dieser Artikel klärt die Begriffe und liefert die Zahlenwerte; wie sich die Grenzen im Druckschaubild darstellen und welcher Differenzdruck am Schlechtpunkt anliegen muss, behandelt Druckverlauf im Netz.

Die Druckbegriffe

Vier Begriffe werden regelmäßig verwechselt, obwohl sie Verschiedenes bezeichnen:

Gerechnet wird mit dem Überdruck

Alle diese Angaben sind Überdrücke gegen die Atmosphäre: PN, MOP, MIP und die Werte in einer Technischen Anschlussbedingung ebenso wie das, was ein Manometer am Netz anzeigt. Solange man in dieser Ebene bleibt, sind Rechnung und Grenzwert direkt vergleichbar und es ist nichts umzurechnen.

Der Absolutdruck wird an genau einer Stelle gebraucht: bei der unteren Grenze. Der Sättigungsdruck des Wassers ist ein Absolutdruck, weil Verdampfung eine Frage des tatsächlichen Drucks im Medium ist und nicht des Drucks über der Umgebung. Für diesen einen Vergleich sind die beiden Ebenen ineinander umzurechnen:

mit:

• $p_\text{abs}$: Absolutdruck [bar]
• $p_\text{ü}$: Überdruck gegen die Atmosphäre [bar]
• $p_\text{amb}$: Umgebungsdruck, auf Meereshöhe rund 1,013 bar, auf 1000 m nur noch 0,899 bar [bar]

PN 16 entspricht damit rund 17 bar absolut. Wer Absolutdrücke aus einer Berechnung ohne Umrechnung gegen eine Nenndruckstufe hält, prüft rund 1 bar auf der sicheren Seite — zulässig, aber es sollte bewusst geschehen und nicht unbemerkt bleiben. Umgekehrt ist der Fehler gefährlich: einen Überdruck direkt gegen den Sättigungsdruck zu halten, täuscht rund 1 bar Reserve vor, die nicht vorhanden ist.

Obergrenze: MOP, MIP und Nenndruckstufe

Für die Obergrenze zählt nicht die Nenndruckstufe der Rohre, sondern die kleinste zulässige Druckstufe aller Bauteile auf dem betrachteten Weg. Armaturen, Formstücke, Kompensatoren, Schmutzfänger, Wärmezähler, Übergabestationen und Wärmeübertrager führen eigene Druckstufen, die häufig unter der des verlegten Rohrsystems liegen. Rohrleitungen selbst fallen nicht unter die Druckgeräteverordnung, viele der genannten Komponenten dagegen schon. Eine Prüfung, die nur die Rohre betrachtet, kann deshalb formal bestanden und praktisch falsch sein.

Welche Druckstufen die gängigen Systeme zulassen — von PN 6 bei Kunststoffmediumrohren bis PN 64 bei Stahlmantelrohren — behandelt der Vergleich der Rohrsysteme.

MIP: der Störfall

Neben dem MOP steht der MIP (Maximum Incidental Pressure) — der kurzzeitig zulässige Druck im Störfall, etwa bei Ausfall der Regelung, bei Schnellschluss einer Armatur oder beim Druckstoß nach einem Pumpenausfall. Druckstöße entstehen aus der Trägheit der Wassersäule und können ein Vielfaches des stationären Druckverlusts erreichen; ihre Höhe hängt von der Schließzeit der Armatur, der Leitungslänge und der Schallgeschwindigkeit im Medium ab. Sie lassen sich aus einer stationären Netzberechnung grundsätzlich nicht ableiten und erfordern eine eigene, instationäre Betrachtung.

Prüfdruck

Der Prüfdruck der Dichtheitsprüfung wird nach Rohrsystem, anzuwendendem Regelwerk und der TAB des Netzbetreibers festgelegt und liegt typischerweise beim 1,3- bis 1,5-fachen des zulässigen Betriebsdrucks. Einen einzelnen Faktor als den richtigen auszugeben, wäre irreführend — Stahlmantel-, Kunststoffmantel- und Kunststoffmediumrohrsysteme werden unterschiedlich geprüft, und der Betreiber kann strengere Anforderungen stellen. Für die Druckauslegung ist der Prüfdruck insofern relevant, als alle eingebauten Komponenten ihn aushalten müssen.

Untergrenze: Verdampfung und Kavitation

Fällt der Absolutdruck an irgendeiner Stelle des Vorlaufs unter den Sättigungsdruck der dortigen Temperatur, verdampft das Netzwasser. Die Folgen reichen von Kavitationsschäden an Pumpenlaufrädern und Armaturen über Geräuschentwicklung bis zum vollständigen Abriss der Wassersäule an Hochpunkten. Der Mindestdruck ergibt sich deshalb aus dem Sättigungsdruck zuzüglich eines Sicherheitszuschlags:

mit:

• $p_\text{min,abs}$: geforderter kleinster Absolutdruck im Netz [bar]
• $p_\text{sat}(T_\text{max})$: Sättigungsdruck bei der höchsten auftretenden Vorlauftemperatur [bar]
• $0{,}5$ bar: Zuschlag gegen Verdampfung und Kavitation
• $1{,}0$ bar: Zuschlag für Regeltoleranz der Druckhaltung und instationäre Vorgänge

Status der beiden Zuschläge

Die beiden Glieder haben unterschiedliches Gewicht und müssen getrennt genannt werden — wer die 1,5 bar als Norm behandelt, argumentiert falsch:

• 0,5 bar Verdampfungs- und Kavitationsschutz — breiter Konsens, in der Fachliteratur und in den Planungshilfen übereinstimmend angesetzt.
• rund 1,0 bar für Regeltoleranz und instationäre Vorgänge — Planungsempfehlung der Schweizer QM-Fernwärme-Praxis, keine Norm. Sie deckt ab, dass eine Druckhaltung ihren Sollwert nur innerhalb eines Bandes hält und dass Anfahr-, Umschalt- und Einschwingvorgänge den Druck kurzzeitig absenken.
• Im Gebäudeheizungsumfeld (DIN EN 12828, DIN 4807) werden an Hochpunkten dagegen nur 0,2 bar zusätzlich angesetzt. Das erklärt die scheinbar widersprüchliche Spreizung in der Literatur: kleinere, überschaubare Anlagen mit kurzen Leitungen und geringer Speichermasse brauchen weniger Reserve als ein ausgedehntes Netz.

Zusammen ergeben die beiden Glieder einen Sicherheitszuschlag von 1,5 bar über dem Sättigungsdruck.

Sättigungsdruck von Wasser

Die dritte Spalte ist der daraus folgende Mindestabsolutdruck bei einem Zuschlag von 1,5 bar:

Der Sprung ist nichtlinear: von 70 auf 100 °C wächst der Sättigungsdruck um 0,7 bar, von 120 auf 150 °C um 2,8 bar. Netze mit hoher Vorlauftemperatur verlieren dadurch einen erheblichen Teil des Druckfensters zwischen Unter- und Obergrenze — ein hydraulisches Argument für abgesenkte Netztemperaturen, unabhängig von den Wärmeverlusten.

Zwischenwerte über die Antoine-Gleichung

Für Temperaturen zwischen den Tabellenwerten lässt sich der Sättigungsdruck mit der Antoine-Gleichung bestimmen — einer allgemeinen Ingenieurformel zur Beschreibung von Dampfdruckkurven:

mit:

• $\vartheta$: Temperatur [°C]
• $A = 8{,}07131$, $B = 1730{,}63$, $C = 233{,}426$ für den Bereich 1 bis 100 °C
• $A = 8{,}14019$, $B = 1810{,}94$, $C = 244{,}485$ für den Bereich 100 bis 374 °C

Der Wechsel des Parametersatzes bei 100 °C ist wichtig: Wer die Konstanten des unteren Bereichs über 100 °C hinaus extrapoliert, unterschätzt den Sättigungsdruck und damit den geforderten Mindestdruck.

NPSH-Bedingung der Pumpe

Die Untergrenze gilt nicht nur für Hochpunkte im Netz, sondern auch für die Saugseite jeder Pumpe. Maßgebend ist dort die NPSH-Bedingung, die der Artikel zur Pumpenauslegung im Einzelnen behandelt: Unterschreitet die Reserve zwischen vorhandenem und gefordertem NPSH-Wert das übliche Mindestmaß, kavitiert die Pumpe auch dann, wenn der Netzdruck an allen übrigen Stellen ausreicht. Über den verfügbaren Zulaufdruck entscheidet die Einbindung der Druckhaltung.

Der geodätische Anteil

Höhenunterschiede erzeugen einen statischen Druckanteil $\Delta p_\text{geo} = \rho \cdot g \cdot \Delta h$, der dem Betriebsdruck überlagert ist. Als Größenordnung gilt: 10 m Höhendifferenz entsprechen rund 1 bar, also 1 m rund 0,1 bar. Bezugspunkt ist dabei immer der Punkt der Druckhaltung, nicht der tiefste Netzpunkt — die Druckhaltung gibt an ihrem Einbindeort ein Niveau vor, alle anderen Punkte liegen um ihren Höhenunterschied zu diesem Ort darüber oder darunter.

Der verbreitete Denkfehler

Die geodätischen Anteile heben sich auf — aber nur in der Pumpenförderhöhe, nicht in den Druckniveaus. Weil Vorlauf und Rücklauf denselben Weg über dieselben Höhen zurücklegen, wird der Aufstieg im Vorlauf durch das Gefälle im Rücklauf kompensiert; die Pumpe muss deshalb nur den Reibungsdruckverlust des geschlossenen Kreises aufbringen, unabhängig davon, wie bergig die Trasse ist.

Für die Einhaltung der Betriebsdrücke gilt das Gegenteil. Der höchste Druck tritt am Tiefpunkt auf und wird dort gegen den MOP geprüft, der niedrigste am Hochpunkt gegen die Verdampfungsgrenze — beide Grenzen hängen unmittelbar von der Höhenlage ab, und die Geodäsie verschiebt sie in dieselbe Richtung. Ein Netz kann eine unauffällige Pumpenförderhöhe haben und trotzdem an der Geodäsie scheitern. Wie belastbar die zugrunde liegenden Höhenwerte sind, behandelt der Artikel zu den Geländehöhen in der Netzplanung.

Weiterführende Artikel: Druckverlauf im Netz und Druckschaubild — macht die Grenzen im Druckschaubild sichtbar und behandelt den Differenzdruck am Schlechtpunkt, Druckhaltung und Expansion — Auslegung des Ruhedrucks und des Expansionsvolumens, Rohrsysteme im Vergleich — welche Nenndruckstufen die Systeme zulassen, Geländehöhen und Topografie in der Netzplanung — Herkunft und Genauigkeit der Höhenwerte.

Quellen und Normen

• Planungshandbuch Fernwärme. Version 1.3, QM Fernwärme / Verenum — Abschnitt 3.7 „Druckverlauf im Fernwärmenetz”, S. 58
• AGFW FW 442 — Druckhaltung in Heizwasser-Fernwärmenetzen
• DIN 4747 — Fernwärmeanlagen — Sicherheitstechnische Anforderungen für Heizwasser-Hausanlagen
• DIN EN 13941 — Fernwärmerohre — Bemessung und Installation von werkmäßig gedämmten Verbundmantelrohrsystemen für die Fernwärme