Druckverlauf im Netz und Druckschaubild

Das Druckschaubild zeigt den Druckverlauf im Wärmenetz als Funktion der Entfernung vom Einspeisepunkt bis zum Schlechtpunkt und überlagert statischen Druck, Ruhedruck und dynamischen Druckverlust. Mit ihm lässt sich prüfen, ob alle Druckgrenzen eingehalten sind und ob am Schlechtpunkt, der Stelle mit dem geringsten Differenzdruck, noch der geforderte Mindestdifferenzdruck für die Übergabestationen zur Verfügung steht — typischerweise 0,5 bis 1,0 bar, als Planungswert 0,8 bis 1,0 bar, verbindlich ist die TAB des Netzbetreibers. Damit ist es das zentrale Planungswerkzeug für die Druckverhältnisse in thermischen Netzen.

Welche Grenzen das Schaubild prüft

Das Druckschaubild ist die Darstellung, die Grenzwerte selbst stammen von außen. Nach oben ist der maximal zulässige Betriebsdruck MOP der schwächsten Komponente auf dem Weg einzuhalten, nach unten der minimale Betriebsdruck aus dem Sättigungsdruck der heißesten Stelle des Vorlaufs zuzüglich rund 1,5 bar Sicherheitszuschlag. Dazu kommen der kurzzeitig zulässige Störfalldruck MIP und der Prüfdruck der Dichtheitsprüfung.

Was diese Begriffe bedeuten, welche Nenndruckstufen die Rohrsysteme zulassen, warum in der Regel mit dem Überdruck gerechnet wird und wie sich der Zuschlag von 1,5 bar herleitet, behandelt Betriebsdrücke in Wärmenetzen einhalten. Hier wird nicht wiederholt, sondern angewendet: Das Schaubild macht sichtbar, ob die Grenzen an jeder Stelle und in jedem Lastfall gehalten werden.

Aufbau des Druckschaubilds

Das Druckschaubild stellt den Druckverlauf als Funktion der Netzlänge vom Einspeisepunkt bis zum Schlechtpunkt dar. Es setzt sich aus mehreren Anteilen zusammen:

Statischer Druck

Der statische Druck an einem Netzpunkt ergibt sich aus seiner Höhendifferenz zum Bezugspunkt der Druckhaltung — nicht aus der Lage gegenüber dem tiefsten Netzpunkt:

mit:

• $\Delta p_\text{geo}$: statischer Druckanteil am Netzpunkt $x$ gegenüber dem Bezugspunkt [Pa]
• $\rho$: Dichte des Netzwassers [kg/m³]
• $g$: Fallbeschleunigung, 9,81 [m/s²]
• $z_0$: Höhe des Bezugspunkts der Druckhaltung [m]
• $z(x)$: Höhe des betrachteten Netzpunkts [m]

Punkte unterhalb des Bezugspunkts erhalten dadurch einen Zuschlag, Punkte oberhalb einen Abzug. Die Differenz zwischen höchstem und tiefstem Netzpunkt legt nicht das Druckniveau selbst fest, sondern nur die Spreizung zwischen kleinstem und größtem statischen Druck im Netz. Als Größenordnung gilt: 10 m Höhendifferenz entsprechen rund 1 bar, also 1 m rund 0,1 bar.

Der statische Anteil ist unabhängig vom Betriebszustand und wird allein durch die Geodäsie bestimmt. Maßgebend ist die Höhe der Rohrachse, also die Geländehöhe abzüglich der Verlegetiefe; wie belastbar die zugrunde liegenden Höhenwerte sind und welches Geländemodell dafür taugt, behandelt der Artikel zu den Geländehöhen in der Netzplanung.

Ruhedruck (Druckhaltung)

Der Ruhedruck ist der Druck im Netz bei ausgeschalteter Pumpe. Er wird durch die Druckhalteanlage bestimmt und muss an jeder Stelle des Netzes den minimalen Betriebsdruck sicherstellen. Wie er aus der statischen Höhe und den Fülldruckzuschlägen gebildet wird und welches Druckhaltesystem dafür in Frage kommt, behandelt Druckhaltung und Expansion.

Druckverlust des Netzes

Der dynamische Druckanteil entsteht durch die Reibungs- und Einzelwiderstände bei Durchströmung des Netzes (siehe Druckverlustberechnung). Er wird durch die Pumpe aufgebracht und ändert sich mit dem Volumenstrom. Im Vorlauf sinkt der Druck vom Einspeisepunkt zum Schlechtpunkt, im Rücklauf fällt er in Strömungsrichtung vom Schlechtpunkt zurück zum Einspeisepunkt weiter ab, bis er an der Saugseite der Pumpe den von der Druckhaltung vorgegebenen Wert erreicht. Die verbleibende Differenz zwischen Vor- und Rücklaufdruck am Kundenanschluss ist der für die Hausstation verfügbare Differenzdruck.

Die Überlagerung

Formal setzt sich der Vorlaufdruck an einer Stelle $x$ aus dem Niveau der Druckhaltung, dem geodätischen Anteil, der Pumpenförderhöhe und den bis dahin aufgelaufenen Reibungsverlusten zusammen:

Für den Rücklauf gilt die Gegenrechnung — der Druck liegt um die Reibungsverluste des Rückwegs über dem Niveau am Einbindeort der Druckhaltung:

mit:

• $p_0$: Druck am Punkt der Druckhaltung [bar]
• $z_0$, $z(x)$: geodätische Höhe der Rohrachse am Bezugspunkt und an der Stelle $x$ [m]
• $\Delta p_\text{P}$: Pumpenförderhöhe als Druckdifferenz [bar]
• $\Delta p_\text{R}$: Reibungs- und Einzelwiderstände des jeweiligen Abschnitts [bar]

Die Differenz beider Gleichungen zeigt einen wichtigen Effekt unmittelbar: Im verfügbaren Differenzdruck $p_\text{VL}(x) - p_\text{RL}(x)$ fällt der geodätische Term heraus, in den beiden einzelnen Druckniveaus nicht. Die Geodäsie belastet also die Druckgrenzen, nicht den Differenzdruck.

Die maßgebenden Lastfälle

Ober- und Untergrenze werden in verschiedenen Betriebszuständen maßgebend. Ein Schaubild, das nur den Auslegungsfall zeigt, übersieht regelmäßig die Untergrenze:

Der Schlechtpunkt

Der Schlechtpunkt (auch Netzschlechtpunkt) ist die Stelle im Netz mit dem geringsten Differenzdruck zwischen Vor- und Rücklauf. An dieser Stelle treten am ehesten Versorgungsengpässe auf. Der dort verfügbare Differenzdruck ergibt sich aus der Pumpenförderhöhe abzüglich aller Reibungsverluste in Vor- und Rücklauf bis zu diesem Punkt.

In der Regel ist es der am weitesten entfernte Kunde. Die genaue Lage wandert allerdings in Abhängigkeit des momentanen Wärmebedarfs, und in hügeligem Gelände kann ein näher gelegener Hochpunkt den maßgebenden Punkt bilden. Die Netzpumpe muss entsprechend der Pumpenauslegung so dimensioniert werden, dass der erforderliche Differenzdruck auch im ungünstigsten Betriebsfall gewährleistet ist.

Woher der Zahlenwert kommt

Der geforderte Mindestdifferenzdruck ist kein Erfahrungswert ohne Begründung, sondern die Summe der Druckverluste, die eine Übergabestation primärseitig aufbringen muss:

• Hausanschlussleitung von der Trasse bis in das Gebäude, hin und zurück,
• primärseitiger Druckverlust des Wärmeübertragers bei Auslegungsleistung,
• Schmutzfänger, Absperrarmaturen und Wärmezähler,
• Regelventil mit ausreichender Ventilautorität — damit die Regelung stabil arbeitet, muss ein wesentlicher Anteil des verfügbaren Differenzdrucks über dem Ventil abfallen und nicht über den festen Widerständen.

Der letzte Punkt dominiert die Summe: Ein Regelventil, dem zu wenig Differenzdruck bleibt, verliert seine Autorität, arbeitet nur noch im oberen Hubbereich und neigt zum Schwingen. Aus dieser Summe folgt der übliche Bereich von 0,5 bis 1,0 bar; als Planungswert haben sich 0,8 bis 1,0 bar etabliert. Der untere Rand des Bereichs setzt kurze Anschlussleitungen und einen druckverlustarmen Wärmeübertrager voraus und trägt keine Reserve.

Verbindlich ist in jedem Fall die TAB des Netzbetreibers. Sie legt den Wert fest, gegen den geplant und abgenommen wird, und kann sich je Druckzone unterscheiden.

Praxiswerte aus einer realen TAB

Die folgenden Werte stammen aus den Technischen Anschlussbedingungen eines Netzbetreibers mit drei getrennten Druckzonen (Stand 10/2024). Sie zeigen die Bandbreite, die zwischen den Zonen eines einzigen Versorgers auftreten kann:

Bemerkenswert ist die zweite Grenze: Neben dem Mindestdifferenzdruck steht ein maximaler Differenzdruck. Übergabestationen in Netznähe erhalten deutlich mehr Differenzdruck als der Schlechtpunkt, und ihre Regelventile müssen diesen Druck bei geschlossener Stellung dicht halten. Ein Netz, das den Schlechtpunkt allein durch Anheben der Pumpenförderhöhe versorgt, überschreitet an den nächstgelegenen Stationen irgendwann diese obere Grenze.

Verfügbar und erforderlich

Die beiden Größen gehören sauber getrennt. Der verfügbare Differenzdruck ist eine Netzgröße: Er entsteht aus Pumpenförderhöhe und Rohrnetzverlusten und ist an der Übergabestelle das Ergebnis der hydraulischen Berechnung. Der erforderliche Differenzdruck ist eine Anlagengröße: Er folgt aus der Bauart der Station und ihrer Auslegungsleistung. Die Prüfung lautet, dass der verfügbare den erforderlichen an jeder Übergabestelle erreicht — im ungünstigsten Betriebsfall, nicht im Mittel. Zu wenig bedeutet, dass die Station ihre Leistung nicht abrufen kann; zu viel bedeutet Geräusche, Ventilverschleiß und einen hydraulischen Abgleich, der die Überschussdifferenz vernichten muss.

Druckerhöhung und Netztrennung

Druckerhöhungsstation

Bei größeren und ausgedehnten Netzen kann es wirtschaftlich sinnvoll sein, in der Peripherie des Netzes eine Druckerhöhungsstation einzusetzen, anstatt den gesamten Druckverlust zentral durch die Hauptpumpe aufzubringen.

Vorteile:

• Reduzierter Betriebsdruck im zentralen Netz
• Geringere Nenndruckstufe möglich
• Kleinere zentrale Netzpumpen

Netztrennung

Eine Netztrennung beschreibt die hydraulische Trennung zweier sonst verbundener Kreise. Mögliche Gründe:

• Absicherung gegenüber zu hohen Drücken (geodätische Höhenunterschiede)
• Trennung bei unterschiedlichen Medien (z. B. Dampf-Wasser)
• Andere Netzparameter (Druck, Temperatur, Wasserqualität)
• Sekundäre Netze mit eigener Druckhaltung

Die Netztrennung erfolgt über Wärmeübertrager, wobei der Exergieverlust durch eine möglichst geringe Grädigkeit im Wärmeübertrager minimiert werden sollte.

Praktische Hinweise

Bei der Erstellung des Druckschaubilds sind folgende Punkte zu beachten:

1. Höhenprofil der Rohrachse aufnehmen (siehe Geländehöhen in der Netzplanung) und den statischen Druck gegenüber dem Bezugspunkt der Druckhaltung berechnen
2. Druckverluste der einzelnen Leitungsabschnitte bei Auslegungslast bestimmen
3. Druckhaltung so wählen, dass der minimale Betriebsdruck an der höchsten Stelle eingehalten wird
4. MOP an keiner Stelle im Netz überschritten wird (auch bei Teillast prüfen)
5. Differenzdruck am Schlechtpunkt für die Übergabestationen ausreichend ist

Das Druckschaubild sollte für den Auslegungsfall (maximale Last) und den Teillastfall erstellt werden, da sich die Druckverhältnisse mit dem Volumenstrom ändern. Die Ergebnisse lassen sich mit einer thermo-hydraulischen Simulation validieren.

Bedeutung für die Netzplanung

Das Druckschaubild sichert die Einhaltung aller Druckgrenzen und erlaubt die Dimensionierung von Pumpen, Druckhalteanlage und gegebenenfalls Druckerhöhungsstationen. Es sollte in jeder Planungsphase aktualisiert werden und ist Grundlage für einen sicheren Netzbetrieb.

Weiterführende Artikel: Betriebsdrücke in Wärmenetzen einhalten — dort werden die im Druckschaubild geprüften Grenzwerte hergeleitet, Geländehöhen in der Netzplanung — die Datengrundlage des statischen Druckanteils, Druckverlustberechnung — die Druckverluste in den einzelnen Leitungsabschnitten sind die Grundlage des Druckschaubilds, Pumpenauslegung — die Pumpe erzeugt das Druckprofil im Netz, Druckhaltung und Expansion — die statische Drucküberlagerung durch die Druckhalteanlage.

Quellen und Normen

• Planungshandbuch Fernwärme. Version 1.3, QM Fernwärme / Verenum — Abschnitt 3.7 „Druckverlauf im Fernwärmenetz”, S. 58
• AGFW FW 440 — Hydraulische Berechnung von Heizwasser-Fernwärmenetzen
• DIN 4747-1 — Fernwärmeanlagen — Sicherheitstechnische Anforderungen
• Nussbaumer, T.; Thalmann, S.; Zaugg, D.; Cueni, M. (2025): Planungshandbuch Thermische Netze. Version 2.0, EnergieSchweiz / Bundesamt für Energie BFE.