Druckhaltung und Expansion

Die Druckhaltung hält den Betriebsdruck in thermischen Netzen innerhalb sicherer Grenzen, indem sie die temperaturbedingte Volumenänderung des Wassers kompensiert und einen Mindestdruck gegen Kavitation und Verdampfung sicherstellt. Gängige Systeme sind das geschlossene Membranausdehnungsgefäß (statisch) und die Druckdiktierpumpe (dynamisch), wobei die Einbindung saugseitig (Vordruckhaltung), druckseitig (Nachdruckhaltung) oder als Mitteldruckhaltung erfolgen kann. Ein korrekter Druckverlauf im Netz setzt eine funktionierende Druckhaltung voraus; die Grenzen, die sie dabei einzuhalten hat, sind in Betriebsdrücke in Wärmenetzen einhalten hergeleitet. Sie gehört zu den sicherheitsrelevanten Komponenten jedes Wärmenetzes.

Aufgaben der Druckhaltung

1. Den Druck an jeder Stelle des Systems in zulässigen Grenzen halten, um eine Überschreitung des maximal zulässigen Betriebsdrucks (MOP) zu verhindern
2. Die temperaturbedingte Volumenänderung des Wärmeträgermediums ausgleichen
3. Zur Vermeidung von Kavitation, Verdampfung und Gaslöslichkeitsproblemen einen ausreichenden Mindestdruck gewährleisten

Druckhaltesysteme

Offenes Gefäß (historisch)

Bei der Druckhaltung mit offenem Hochgefäß wird ein offener Behälter an einem erhöhten Standort im Netz aufgestellt. Die Druckhaltung erfolgt durch den Luftdruck und die Gewichtskraft des Wassers.

Dieses System wird heute kaum noch eingesetzt, da das permanente Auftreten von Sauerstoff im System Korrosion begünstigt und ein geeigneter erhöhter Standort schwer zu finden ist.

Geschlossenes Gefäß (statische Druckhaltung)

Beim geschlossenen System wird ein komprimierbares Gaspolster als Druckhaltemittel genutzt. Bei Wasserverlusten drückt das Gas gegen die Wasseroberfläche im Ausgleichsbehälter und speist Wasser aus dem Behälter ins Netz nach.

Als Druckhaltetreibmittel wird ein inertes Gas (typischerweise Stickstoff) verwendet, um Korrosion zu vermeiden. Eine Membran trennt Gas und Wasser.

Dynamische Druckhaltung (Druckdiktierpumpe)

Die Druckdiktierpumpe ist zwischen Behälter und Netz eingebaut. Bei Wassermangel pumpt sie die fehlende Menge aus dem Behälter ins Netz. Ein Zurückströmen wird durch eine Rückschlagklappe verhindert. Bei steigendem Druck öffnet ein Überströmventil, damit Wasser aus dem Netz in den Behälter zurückfließen kann.

Einbindung der Druckhaltung

Die Position der Druckhalteanlage im System hat grundlegenden Einfluss auf den Druckverlauf. Es werden drei Varianten unterschieden:

Vordruckhaltung (Saugdruckhaltung)

Die Druckhaltung wird vor der Pumpe (saugseitig) eingebunden. Das ist die einfachste und am häufigsten verwendete Variante. Sie hält das Ruhedruckniveau gering, und der Arbeitsdruck liegt stets über dem Ruhedruck, sodass keine Unterdruckgefahr besteht. Bei hohem Pumpendruck (siehe Pumpenauslegung) kann der Arbeitsdruck im Netz allerdings hoch werden.

Nachdruckhaltung

Die Druckhaltung wird nach der Pumpe (druckseitig) eingebunden. Das Ruhedruckniveau bleibt gering, solange nicht der gesamte Pumpendruck aufgebracht werden muss. Dafür muss der erforderliche Zulaufdruck für die Pumpe sichergestellt werden, sonst droht Kavitationsgefahr.

Mitteldruckhaltung

Der Messpunkt für das Ruhedruckniveau wird durch eine Analogiemessstrecke in die Anlage “verlegt”. Ruhe- und Arbeitsdruckniveau lassen sich damit variabel und optimal aufeinander abstimmen. Der apparatetechnische Aufwand ist höher und nur für komplexe Anlagen gerechtfertigt.

Vordruck und geodätische Höhe

Der Vordruck einer Druckhaltung ist keine frei wählbare Größe. Er folgt aus der statischen Höhe der Anlage und wird anschließend gegen den Mindestbetriebsdruck am höchsten Netzpunkt gegengeprüft. Die klassische Auslegungskette beginnt beim Ruhedruck am Einbindeort:

mit:

• $p_0$: Ruhedruck als Überdruck am Einbindeort der Druckhaltung [bar]
• $H_\text{st}$: statische Höhe zwischen Einbindeort und höchstem Punkt der Anlage [m]

Der Nenner von 10 m je bar ist die übliche Näherung für den geodätischen Anteil: 10 m Höhendifferenz entsprechen rund 1 bar, 1 m rund 0,1 bar. Bei der Einstellung des Fülldrucks kommt ein weiterer Zuschlag von 0,3 bar hinzu:

In der Summe stehen damit an jeder Stelle des Netzes mindestens 0,6 bar Überdruck gegen die Atmosphäre an. Diese Reserve verhindert, dass an Entlüftungen, Stopfbuchsen und Dichtungen Luft in das System gezogen wird, und ist unabhängig von der Temperatur einzuhalten.

Gegenprobe gegen den Mindestbetriebsdruck

Der Luftausschluss ist nur die eine Bedingung. Am höchsten Punkt des Netzes muss der Absolutdruck zusätzlich über dem Sättigungsdruck der heißesten Stelle des Vorlaufs liegen:

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 — breiter Konsens
• $1{,}0$ bar: Zuschlag für Regeltoleranz der Druckhaltung und instationäre Vorgänge — Planungsempfehlung, keine Norm

Zusammen ergibt das einen Sicherheitszuschlag von 1,5 bar über dem Sättigungsdruck. Welche der beiden Bedingungen schärfer ist, entscheidet die Vorlauftemperatur: Bei niedrigen Netztemperaturen ist der Luftausschluss mit 0,6 bar Überdruck maßgebend, bei hohen die Verdampfungsgrenze. Die Herleitung der beiden Zuschläge und die Sättigungsdrucktabelle stehen in Betriebsdrücke in Wärmenetzen einhalten; der Vordruck ist so zu wählen, dass beide Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind.

Einbindung am Hoch- oder am Tiefpunkt

Die Druckhaltung gibt das Druckniveau an ihrem Einbindeort vor; jeder andere Netzpunkt liegt um seinen Höhenunterschied darüber oder darunter. Der Ort der Einbindung entscheidet damit, welcher Punkt direkt eingestellt wird und welcher nur noch nachgerechnet werden kann.

Sitzt die Anlage am geodätischen Tiefpunkt — der Regelfall, weil sie üblicherweise in der Energiezentrale steht —, so ist $H_\text{st}$ die volle Höhendifferenz bis zum Hochpunkt. Das Ruhedruckniveau am Einbindeort enthält dann bereits die gesamte statische Säule, bevor die Netzpumpe ihre Förderhöhe darauf addiert. Gefäß, Nachspeisung und Armaturen der Druckhaltestation arbeiten entsprechend auf hohem Druckniveau und brauchen eine passende Nenndruckstufe.

Sitzt die Anlage nahe dem Hochpunkt, wird $H_\text{st}$ klein und das Ruhedruckniveau am Einbindeort niedrig. Der Mindestdruck am kritischen Hochpunkt wird dort unmittelbar eingestellt, statt sich aus einer Rechnung zu ergeben; die Druckhaltestation selbst kommt mit einer niedrigeren Druckstufe aus. Der Preis ist ein Standort im Netz, der Zugang, Stromanschluss und Frostschutz braucht.

In beiden Fällen trägt der Tiefpunkt dieselbe statische Säule, und in beiden Fällen ist die Nenndruckstufe dort gegen die Summe aus Ruhedruck, geodätischem Anteil und Pumpenförderhöhe zu prüfen. Wie belastbar die zugrunde liegenden Höhenwerte sind, behandelt Geländehöhen und Topografie in der Netzplanung.

NPSH von Netz- und Nachspeisepumpe

Die Untergrenze gilt nicht nur für Hochpunkte im Netz, sondern auch für die Saugseite jeder Pumpe. Maßgebend ist dort die NPSH-Bedingung: Der von der Anlage bereitgestellte NPSH-Wert muss den von der Pumpe geforderten um mindestens 0,5 m Wassersäule übersteigen. Das gilt für die Netzpumpe ebenso wie für die Nachspeise- oder Druckdiktierpumpe der Druckhaltung. Wird diese Reserve unterschritten, kavitiert die Pumpe auch dann, wenn der Druck an allen übrigen Stellen des Netzes ausreicht. Bei der Nachdruckhaltung ist das der kritische Punkt, weil die Druckhaltung das Niveau erst hinter der Pumpe stellt und der Zulaufdruck deshalb gesondert nachzuweisen ist.

Expansionsvolumen

Das theoretische Expansionsvolumen eines thermischen Netzes ist das Nachspeisevolumen bei Energieabfuhr oder das Überströmvolumen bei Energiezufuhr:

mit:

• $V_0$: Gesamter Wasserinhalt des geschlossenen Systems [m³]
• $\rho_0$: Dichte bei Fülltemperatur [kg/m³]
• $\rho(T_1)$: Dichte bei maximaler Vorlauftemperatur [kg/m³]

Für die Berechnung des Expansionsvolumens muss der gesamte Wasserinhalt des Systems bekannt sein — einschließlich Wärmeübertrager, thermische Energiespeicher, Kessel und Rohrleitungen.

Die Wasservorlage kompensiert allfällige Wasserverluste im System und sollte ca. 0,5 % des Wasserinhalts $V_0$ betragen.

Nachspeisemassenstrom

Der Nachspeisemassenstrom ist abhängig von der zugeführten oder abgeführten Wärmeleistung, dem Volumenänderungskoeffizienten und der spezifischen Wärmekapazität des Mediums. Er ist relevant für die Auslegung des Überströmventils und der Druckdiktierpumpe.

Dimensionierungshinweise

Als ausreichende Regelgüte der Netzregelung gilt eine Druckschwankung von ± 0,2 bar. Innerhalb dieser Bandbreite muss die Nachspeisung sichergestellt werden.

Bevor Gefäß und Vordruck dimensioniert werden, muss die statische Höhe $H_\text{st}$ feststehen. Sie geht über den Ruhedruck unmittelbar in Vordruck, Gefäßgröße und Nenndruckstufe der Druckhaltestation ein und lässt sich nachträglich nicht ohne Umbau korrigieren. Maßgebend ist dabei die Höhe der Rohrachse und der höchstgelegenen Anlagenteile, nicht die Geländeoberkante — Datenquellen und erreichbare Genauigkeit behandelt Geländehöhen und Topografie in der Netzplanung.

Bei der Nenndruckstufe sind zwei Größen zu trennen: die Systemgrenze, also die höchste Nenndruckstufe, die das Rohrsystem selbst zulässt, und die übliche Netzauslegung, auf die Netze dieses Typs in der Praxis ausgelegt werden. Für die Druckhaltung ist die übliche Netzauslegung der Bezugspunkt; die Systemgrenzen aller Rohrfamilien stehen im Vergleich der Rohrsysteme:

Die übliche Netzauslegung liegt regelmäßig unter der Systemgrenze, weil nicht das Rohr die schwächste Komponente ist: Armaturen, Formstücke, Wärmeübertrager und Übergabestationen führen eigene, häufig niedrigere Druckstufen. Maßgebend für die Obergrenze ist immer die schwächste Komponente auf dem betrachteten Weg, siehe Betriebsdrücke in Wärmenetzen einhalten. Rohrleitungen fallen nicht unter die Druckgeräteverordnung, wohl aber Komponenten wie Ventile, Sicherheitsventile, Filter, Wärmeübertrager und Behälter.

Sicherer Betrieb der Druckhaltung

Die Druckhaltung ist eine sicherheitskritische Komponente jedes thermischen Netzes. Eine sorgfältige Berechnung des Expansionsvolumens, die richtige Wahl des Druckhaltesystems und dessen korrekte Einbindung sind Grundvoraussetzungen für einen sicheren und störungsfreien Betrieb. Weitere Hinweise zur Umsetzung finden sich im AGFW-Arbeitsblatt FW 442.

Weiterführende Artikel: Betriebsdrücke in Wärmenetzen einhalten — die Druckgrenzen, gegen die Vordruck und Ruhedruckniveau zu prüfen sind, Geländehöhen und Topografie in der Netzplanung — Datengrundlage der statischen Höhe und des geodätischen Anteils, Druckverlauf im Netz und Druckschaubild — die Druckverteilung im Netz hängt unmittelbar von der Einbindung der Druckhaltung ab, Pumpenauslegung — Pumpe und Druckhalteanlage müssen aufeinander abgestimmt sein, Thermo-Hydraulische Simulation — Überprüfung der Druckverhältnisse durch gekoppelte Simulation.

Quellen und Normen

• AGFW FW 440 — Hydraulische Berechnung von Heizwasser-Fernwärmenetzen
• DIN 4747-1 — Fernwärmeanlagen — Sicherheitstechnische Anforderungen
• AGFW FW 442 — Druckhaltung in Heizwasser-Fernwärmenetzen