Netzregelung

Die Netzregelung hält den Differenzdruck zwischen Vor- und Rücklauf an jeder Übergabestation auf dem geforderten Mindestwert, indem die Netzpumpe über eine Differenzdruckmessung am Schlechtpunkt gesteuert wird, also an der Stelle mit dem geringsten verfügbaren Differenzdruck. Dieser Mindestdifferenzdruck liegt typischerweise bei 0,5 bis 1,0 bar, als Planungswert bei 0,8 bis 1,0 bar; verbindlich ist die TAB des Netzbetreibers (Betriebsdrücke in Wärmenetzen einhalten). Als Regelungsarten kommen Konstantdruck- und Proportionaldruckregelung zum Einsatz, wobei die Proportionaldruckregelung im Teillastbetrieb energieeffizienter ist und als Standard gilt. Die Regelstrategie beeinflusst den Pumpenstromverbrauch, die Versorgungssicherheit und die Stabilität des Gesamtsystems.

Grundlegendes Regelkonzept

Der Netzbetrieb wird in der Regel gemäß der gewählten Netzfahrweise witterungsgeführt und zeitprogrammgesteuert gefahren. Die Umsetzung der Vorreglung kann über folgende Systeme erfolgen:

• Übergeordnetes MSR-System (Mess-, Steuer- und Regelungstechnik)
• SPS der Feuerung
• Leittechnik der Energiezentrale

Das Regelkonzept muss dabei mehrere Situationen beherrschen. Es soll Veränderungen des hydraulischen Netzwiderstands durch Zu- und Wegschalten von Verbrauchern (beeinflusst durch die hydraulischen Grundschaltungen) auffangen. Die Druckschwankungen im Netz sind durch vollständige Kompensation der geforderten Differenzdrücke zu minimieren. Und bei zu geringer Last muss eine Pumpendeaktivierung vermieden werden (Minimaldrehzahl ca. 25 % der Maximaldrehzahl).

Der Netzschlechtpunkt

An einer Stelle im Netz befindet sich der geringste Differenzdruck zwischen Vor- und Rücklauf. Diese Stelle wird als Netzschlechtpunkt bezeichnet. Der Schlechtpunkt kann in Abhängigkeit des momentanen Wärmebedarfs im Netz wandern.

Im Bereich des Schlechtpunktes treten am ehesten Versorgungsengpässe auf, weshalb hier der minimal erforderliche Differenzdruck eingehalten werden muss. Der Differenzdruck wird von den Netzpumpen aufgebracht (siehe Pumpenauslegung).

Messort der Differenzdruckregelung

Für eine optimale Regelung ist es entscheidend, wo der Differenzdruck gemessen wird:

Messung an der Pumpe

Die einfachste Variante misst den Differenzdruck direkt an der Pumpe. Nachteil: Die Druckschwankungen im Netz werden nicht vollständig kompensiert, da Veränderungen im Netzwiderstand nur indirekt erfasst werden.

Messung im Netz (empfohlen)

Die Druckdifferenzmessung sollte an einer oder mehreren Referenzmessstellen im Netz erfolgen, möglichst nahe am Schlechtpunkt. Dies ermöglicht:

• Direkte Erfassung des tatsächlichen Differenzdrucks an kritischen Stellen
• Genauere Regelung, da Veränderungen im Netzwiderstand unmittelbar erkannt werden
• Optimaler Pumpenbetriebspunkt

Als Alternative kann auch die Ventilstellung aller Übergabestationen als Führungsgröße verwendet werden: Über Stellgliedrückmeldungen wird ermittelt, ob der Differenzdruck angemessen ist.

Arten der Differenzdruckregelung

Konstantdruckregelung

Der Differenzdruck über die Pumpe wird bei sich änderndem Volumenstrom konstant gehalten. Der Betriebspunkt folgt einer horizontalen Linie im p-V-Diagramm.

• Einfach umzusetzen
• Weniger effizient im Teillastbetrieb
• Geeignet für kleinere Netze mit wenig variabler Last

Proportionaldruckregelung

Der Differenzdruck sinkt proportional mit abnehmendem Volumenstrom. Der Betriebspunkt folgt einer abfallenden Linie im p-V-Diagramm.

• Effizienter als Konstantdruck im Teillastbetrieb
• Kein Unterschied zu Konstantdruck bei differenzdruckunabhängigen Regelventilen
• Standard für die meisten thermischen Netze

Regelgüte und Druckschwankung

Unabhängig von der Regelungsart gilt eine Druckschwankung von ± 0,2 bar als ausreichende Regelgüte. Innerhalb dieser Bandbreite muss die Nachspeisung sichergestellt sein; der Wert stammt aus der Auslegung der Druckhaltung und wird dort eingeordnet.

Diese Bandbreite erklärt zugleich, warum der Mindestbetriebsdruck ein Reserveglied trägt: Neben den 0,5 bar Verdampfungs- und Kavitationsschutz — breiter Konsens — werden rund 1,0 bar für die Regeltoleranz der Druckhaltung und instationäre Vorgänge angesetzt; das ist eine Planungsempfehlung und keine Norm. Zusammen ergibt sich ein Sicherheitszuschlag von 1,5 bar über dem Sättigungsdruck. Eine Regelung, die ihr Druckband nicht einhält, verbraucht genau diese Reserve. Herleitung und Zahlenwerte stehen in Betriebsdrücke in Wärmenetzen einhalten.

Regelung bei mehreren Einspeisepunkten

Verfügt ein thermisches Netz über mehrere Energiezentralen an verschiedenen Standorten, muss die Regelung der Pumpengruppen koordiniert werden:

Grund- und Spitzenlastzentrale

Ein typisches Regelkonzept für zwei Zentralen:

• Grundlastbetrieb: Nur eine Pumpengruppe in Betrieb, Regelung über Differenzdruckmessung im Netz
• Redundanzbetrieb: Umschaltung auf die jeweils andere Zentrale
• Spitzenlastbetrieb: Beide Pumpengruppen in Betrieb, wobei ein Einspeisepunkt als Master die Druckregelung übernimmt und der andere als Slave eine vorgegebene Wärmeleistung oder Kennfeldvorgabe fährt

Vermeidung von Strömungsstillstand

Der Algorithmus der Einspeisung von mehreren Punkten muss berücksichtigen, dass zwischen den Einspeisepunkten kein Strömungsstillstand auftritt. An Stellen, wo sich die Einflussgebiete zweier Einspeisepunkte treffen, kann die Strömungsrichtung wechseln. Das muss durch die Regelung berücksichtigt und in der thermo-hydraulischen Simulation nachgewiesen werden.

Thermische Netze mit stark variablem Durchfluss

In großen thermischen Netzen mit mehreren Pumpen ist der Durchfluss oft stark variabel, während sich die Vorlauftemperatur nur vergleichsweise gering ändert. Für den energetisch optimalen Sommerbetrieb (< 20 % des Wintervolumenstroms) hat sich der Einsatz einer separaten Sommerpumpe bewährt:

• Der regelungstechnische Aufwand ist geringer (keine Sequenz, manuelle Umschaltung)
• Die Sommerpumpe kann auf den reduzierten Lastbereich optimiert dimensioniert werden
• Die Winter-Fernleitungspumpe muss den Wärmeverbund beim Auslegepunkt zu 100 % versorgen können

Hydraulischer Abgleich als Voraussetzung

Eine gute Netzregelung setzt voraus, dass das Netz hydraulisch abgeglichen ist. Ohne hydraulischen Abgleich kommt es zu Über- und Unterversorgung einzelner Kunden, unabhängig von der Qualität der Pumpenregelung. Moderne Systeme mit automatischen Differenzdruckreglern oder Kombiventilen an den Übergabestationen vereinfachen den Abgleich erheblich.

Stand der Technik

Die Netzregelung ist ein Zusammenspiel aus Pumpensteuerung, Differenzdruckmessung und hydraulischem Abgleich. Die netzbasierte Differenzdruckregelung mit Messung am Schlechtpunkt entspricht dem Stand der Technik und gewährleistet eine effiziente und zuverlässige Wärmeversorgung. Bei Netzen mit mehreren Einspeisepunkten erfordert die Koordination der Pumpengruppen besondere Aufmerksamkeit. Die Auswirkungen verschiedener Regelstrategien auf den Netzbetrieb können mit Simulationssoftware wie VICUS Districts untersucht und optimiert werden.

Weiterführende Artikel: Druckverlauf im Netz und Druckschaubild — der Zahlenwert für den Mindestdifferenzdruck am Schlechtpunkt, Betriebsdrücke in Wärmenetzen einhalten — der Mindestbetriebsdruck, gegen die geregelt wird, Netzfahrweisen — die Regelung setzt die gewählte Fahrweise im Betrieb um, Pumpenschaltung und -regelung — die Pumpenregelung ist ein zentraler Bestandteil der Netzregelung, Digitaler Zwilling und Monitoring — digitale Überwachung und Optimierung der Regelstrategie im laufenden Betrieb.

Quellen und Normen

• AGFW FW 515 — Regelung und Steuerung in Fernwärmenetzen
• AGFW FW 440 — Hydraulische Berechnung von Heizwasser-Fernwärmenetzen
• VDI 2073 Blatt 1 — Hydraulik wassergeführter Anlagen — Grundlagen