Netzaufbau und -struktur

Der Netzaufbau eines thermischen Netzes gliedert sich in drei Leitungsebenen — Transport-, Verteil- und Hausanschlussleitung — und kann als Strahlen-, Ring- oder Maschennetz ausgefuehrt werden. Das Zweileiter-System mit Vor- und Ruecklauf ist der Standard; Dreileiter-Systeme kommen zum Einsatz, wenn unterschiedliche Temperaturniveaus fuer Heizung und Warmwasser benoetigt werden. Die Wahl der Netzstruktur ist eine fruehe Planungsentscheidung, die Versorgungssicherheit, Waermeverluste, Investitionskosten und Erweiterbarkeit langfristig bestimmt.

Leitungstypen

Ein thermisches Netz gliedert sich typischerweise in drei hierarchische Leitungsebenen:

• Transport- und Hauptleitung: Verbindet die Energiezentrale mit den Versorgungsgebieten. Hier treten die grössten Nennweiten und Volumenströme auf. Die Transportleitung überbrückt grosse Entfernungen bei möglichst geringen Druckverlusten.
• Zweigleitung (Verteilleitung): Zweigt von der Hauptleitung ab und erschliesst einzelne Strassenzüge oder Quartiere. Die Nennweiten nehmen mit zunehmender Entfernung von der Hauptleitung ab.
• Hausanschlussleitung: Verbindet die Verteilleitung mit der Übergabestation im Gebäude. Sie weist die kleinsten Nennweiten auf und wird in der Regel als Einzelleitung je Gebäude ausgeführt.

Diese Unterteilung spiegelt sich in der hydraulischen Berechnung wider: Transportleitungen bestimmen den Gesamtdruckverlust des Netzes massgeblich, während Hausanschlussleitungen vor allem für den verfügbaren Differenzdruck an der Übergabestation relevant sind.

Unterteilung nach Anzahl der Leitungen

Zweileiter-System

Das Zweileiter-System ist der Standard für moderne thermische Netze. Es besteht aus einer Vorlaufleitung und einer Rücklaufleitung, die einen geschlossenen Kreislauf bilden. Das Wärmeträgermedium — in der Regel Wasser — wird in der Energiezentrale erwärmt, über die Vorlaufleitung zu den Kunden transportiert, gibt dort Wärme an die Übergabestation ab und fliesst über die Rücklaufleitung zur Zentrale zurück.

Vorteile:

• Einfacher und kostengünstiger Aufbau
• Bewährte Regelungstechnik
• Geringe Installationskosten

Nahezu alle aktuell geplanten und betriebenen Wärmenetze basieren auf dem Zweileiter-System.

Dreileiter-System

Das Dreileiter-System erweitert den Zweileiter-Aufbau um eine zusätzliche Leitung. Zwei Varianten sind gebräuchlich:

1. Zwei Vorlaufleitungen und ein Rücklauf: Eine Vorlaufleitung wird gleitend, die andere konstant betrieben. Die gleitende Leitung versorgt witterungsabhängige Verbraucher (Raumheizung), die konstante Leitung witterungsunabhängige Verbraucher (Warmwasser, Prozesswärme).
2. Ein Vorlauf und zwei Rücklaufleitungen: Trennung des Rücklaufs nach Temperaturniveau, um eine möglichst niedrige Rücklauftemperatur für bestimmte Erzeuger (z. B. Wärmepumpen) bereitzustellen.

Vorteile:

• Verbrauchsabhängige Regelung verschiedener Abnehmergruppen
• Geringere Wärmeverluste im gleitend betriebenen Strang bei milder Witterung
• Bessere Einbindung von Niedertemperaturquellen

Nachteile:

• Höhere Investitionskosten durch die dritte Leitung
• Komplexere Regelung und Betriebsführung
• Grösserer Platzbedarf in der Trasse

Vierleiter-System

Das Vierleiter-System besteht aus zwei getrennten Zweileiter-Kreisläufen. Typische Anwendungsfälle:

• Heizen und Kühlen: Ein Kreislauf für Wärmeversorgung, ein zweiter für Kälteversorgung — insbesondere in Arealen mit gleichzeitigem Heiz- und Kühlbedarf
• Unterschiedliche Temperaturniveaus: Hochtemperaturkreislauf für Prozesswärme und Niedertemperaturkreislauf für Raumheizung

Das Vierleiter-System ist aufgrund der hohen Investitionskosten und des grossen Platzbedarfs selten im Einsatz und wird nur bei spezifischen Anforderungen eingesetzt.

Netzstrukturen

Strahlennetz

Das Strahlennetz (auch Verästelungsnetz) ist die einfachste Netzstruktur. Von einem einzelnen Einspeisepunkt — der Energiezentrale — gehen Leitungen sternförmig ab, die sich in immer kleinere Zweige aufteilen. Die Nennweiten nehmen mit zunehmender Entfernung von der Zentrale ab.

Vorteile:

• Einfache und übersichtliche Struktur
• Geringe Investitionskosten
• Eindeutige hydraulische Verhältnisse

Nachteile:

• Keine Redundanz: Bei einem Leitungsbruch sind alle nachgelagerten Kunden von der Versorgung abgeschnitten
• Nachträgliche Erweiterung an den Endpunkten erfordert grössere Nennweiten der vorhandenen Leitungen
• Der Schlechtpunkt liegt stets am entferntesten Strangendpunkt

Das Strahlennetz eignet sich für kleinere Netze mit überschaubarer Kundenanzahl und geringer Anforderung an die Versorgungssicherheit.

Ringnetz

Das Ringnetz ist ein Sonderfall des Maschennetzes, bei dem eine geschlossene Ringleitung die Versorgung der angeschlossenen Kunden sicherstellt. Die Einspeisung erfolgt an einer oder mehreren Stellen der Ringleitung.

Vorteile:

• Höhere Versorgungssicherheit: Bei einem Leitungsbruch können die meisten Kunden über den alternativen Versorgungsweg weiter versorgt werden
• Gleichmässigere Druckverhältnisse im Netz
• Flexiblere Einbindung zusätzlicher Einspeisepunkte

Nachteile:

• Höhere Investitionskosten als beim Strahlennetz
• Komplexere hydraulische Berechnung

Der Ringschluss wird häufig in einer späteren Ausbauphase realisiert, wenn die Versorgungssicherheit erhöht werden soll.

Maschennetz

Das Maschennetz entsteht, wenn mehrere Energiezentralen über vermaschte Leitungen im Verbundbetrieb zusammengeschaltet werden. Es stellt die komplexeste, aber auch die versorgungssicherste Netzstruktur dar.

Vorteile:

• Höchste Versorgungssicherheit durch multiple Einspeisepunkte und redundante Leitungswege
• Flexibler Einsatz verschiedener Erzeugungsanlagen je nach Lastfall
• Gute Erweiterbarkeit

Nachteile:

• Hohe Investitionskosten
• Aufwändige hydraulische Berechnung und Betriebsführung
• Komplexe Regelung der Einspeisepunkte

Maschennetze sind typischerweise das Resultat einer stetigen Erweiterung über viele Jahre und finden sich vorwiegend in grösseren städtischen Fernwärmesystemen.

Unterverteilung und Trassenführung

Die Art der Trassenführung bestimmt, wie die Verteilleitung mit den einzelnen Gebäuden verbunden wird. Es werden vier grundlegende Varianten unterschieden:

• Standard-Trassenführung: Jedes Gebäude wird über eine eigene Hausanschlussleitung direkt an die Verteilleitung angeschlossen. Dies ist die gebräuchlichste und flexibelste Variante.
• Haus-zu-Haus-Trassenführung: Mehrere Gebäude werden zu einer Gruppe zusammengefasst und über eine gemeinsame Stichleitung versorgt. Die Leitung wird von Gebäude zu Gebäude weitergeführt. Diese Variante reduziert die Gesamttrassenlänge, erzeugt aber Abhängigkeiten zwischen den Gebäuden.
• Einschleif-Trassenführung: Die Verteilleitung wird direkt durch die Gebäude hindurchgeführt. Diese Variante wird selten eingesetzt und kommt vor allem bei flexiblen Rohrsystemen (PMR) in Betracht.
• Kellerverlegung: Die Verteilleitung verläuft durch die Kellergeschosse der angeschlossenen Gebäude. Dies reduziert die Verlegekosten im Erdreich, erfordert aber entsprechende Durchführungen und Vereinbarungen mit den Gebäudeeigentümern.

Entwicklung der Netzstruktur

Die Netzstruktur eines thermischen Netzes entwickelt sich typischerweise in vier Stadien über Jahre oder Jahrzehnte:

1. Einzelne Strahlennetze: In der Aufbauphase entstehen voneinander unabhängige Strahlennetze um einzelne Energiezentralen. Jede Zentrale versorgt ihr eigenes, klar abgegrenztes Versorgungsgebiet.
2. Zusammenschluss bestehender Netze: Benachbarte Strahlennetze werden über Verbindungsleitungen zusammengeschlossen. Dies ermöglicht einen Lastausgleich zwischen den Zentralen und erhöht die Versorgungssicherheit.
3. Ringschluss: Durch gezielte Verbindungsleitungen werden offene Stränge zu Ringen geschlossen. Dies schafft alternative Versorgungswege und verbessert die Druckverhältnisse.
4. Maschennetz: Durch fortlaufende Erweiterungen und Ringschlüsse entsteht ein vermaschtes Netz mit mehreren Einspeisepunkten und redundanten Leitungswegen.

Dieser Entwicklungsprozess ist charakteristisch für viele städtische Fernwärmesysteme und spiegelt die wachsende Bedeutung der Versorgungssicherheit mit zunehmender Kundenzahl wider.

Fazit

Die Wahl der Netzstruktur ist eine zentrale Planungsentscheidung, die Investitionskosten, Versorgungssicherheit und Erweiterbarkeit des thermischen Netzes langfristig bestimmt. Während Strahlennetze für den Einstieg in die leitungsgebundene Wärmeversorgung geeignet sind, bieten Ring- und Maschennetze die für grössere Versorgungsgebiete erforderliche Redundanz. Die hydraulischen Auswirkungen verschiedener Netzstrukturen und Trassenführungen lassen sich mit Simulationssoftware wie VICUS Districts detailliert untersuchen und optimieren.

Weiterführende Artikel: Rohrdimensionierung beschreibt, wie die Nennweiten der einzelnen Leitungsebenen berechnet werden, Versorgungsgebiet und Wärmebezugsdichte erläutert die Abgrenzung und Bewertung von Versorgungsgebieten als Grundlage der Netzstruktur, und Planungsphasen thermischer Netze ordnet die Entscheidung zur Netzstruktur in den Gesamtplanungsprozess ein.

Quellen und Normen

• AGFW FW 401 — Verlegung und Statik von Kunststoffmantelrohren in Fernwärmenetzen
• Nussbaumer, T.; Thalmann, S.; Zaugg, D.; Cueni, M. (2025): Planungshandbuch Thermische Netze. Version 2.0, EnergieSchweiz / Bundesamt für Energie BFE.
• AGFW FW 440 — Hydraulische Berechnung von Heizwasser-Fernwärmenetzen