Wärmenetz effizient berechnen
Die Simulation von Wärmenetzen ermöglicht eine präzise Planung und Dimensionierung. Durch die Modellierung können verschiedene Szenarien durchgespielt und die Auswirkungen von unterschiedlichen Betriebskonfigurationen und Umwelteinflüssen vorhergesagt werden. Dies führt zu einer besseren Ressourcennutzung und erhöht die Energieeffizienz des gesamten Systems.
Welche Arten von Wärmenetzen gibt es?
Ein Wärmenetz ist eine Infrastruktur, die Wärme in Form von heißem Wasser oder Dampf von einer zentralen Quelle zu verschiedenen Verbrauchern wie Wohngebäuden, Industrieanlagen oder Bürogebäuden transportiert.
Es handelt sich dabei um eine effiziente Möglichkeit, mehrere Gebäude oder Einrichtungen mit Wärme und Kälte zu versorgen, ohne dass jedes Einzelne eine eigene Erzeugungsanlage benötigt. Es gibt verschiedene Arten von Wärmenetzen, die sich je nach Bedarf und Technologie unterscheiden. Hier eine Auswahl:
Fernwärme
Fernwärme ist die wohl bekannteste Form des Wärmenetzes. Dabei wird Wärme meist auf hohem Temperaturniveau aus einer zentralen Quelle (z. B. Kraft-Wärme-Kopplung, Biomasseheizkraftwerke oder Abwärme aus Industrieprozessen) über isolierte Rohrleitungen zu den Verbrauchern transportiert.
Diese Netzwerke sind besonders in städtischen Gebieten verbreitet und sind teils bereits seit Jahrzehnten im Einsatz.
Kalte Nahwärme
Kalte Nahwärme nutzt eine ähnliche Infrastruktur wie Fernwärme, allerdings wird dabei kaltes Wasser statt heißem Wasser transportiert.
Die Wärme wird vor Ort in den jeweiligen Gebäuden durch Wärmepumpen oder andere Heiztechnologien bereitgestellt. Dadurch werden die Wärmeverluste über die Rohrleitungen erheblich reduziert.
Prozesswärme
Prozesswärme bezeichnet Wärmeströme, die in industriellen Produktionsprozessen benötigt werden. Diese Wärmeströme können direkt oder über ein Wärmenetz zur Verfügung gestellt werden.
In vielen Fällen werden industrielle Abwärmequellen genutzt, um die Energieeffizienz zu steigern und die CO2-Emissionen zu senken.
Bedarfsplanung der Wärmeversorgung – Verschiedene Verbraucherprofile
Die Bedarfsplanung ist ein zentraler Bestandteil der Planung von Wärmenetzen. Sie berücksichtigt die unterschiedlichen Verbrauchsprofile der angeschlossenen Gebäude oder Industrieanlagen, die je nach Jahreszeit, Uhrzeit und Nutzung variieren können. Mit einer genauen Analyse der Verbrauchsmuster lassen sich maßgeschneiderte Lösungen für die Wärmeversorgung entwickeln, die sowohl in der Kapazität als auch in der Flexibilität den Bedürfnissen gerecht werden.
Nicht selten stehen zu Beginn eines Wärmenetz-Projektes nur wenig Informationen zu den Verbrauchern zur Verfügung. In der Simulation können erste Konzeptideen bereits auf Basis von Annahmen getestet werden. Im späteren Projektverlauf präzisiert die Eingabe der Verbrauchsdaten die Betriebsführung und Dimensionierung der Wärmeerzeuger.
Die Energiezentrale – das Herz des Wärmenetzes
Ein optimales Wärmenetz erfordert eine gut durchdachte Kombination von Technologien und Komponenten. In der Energiezentrale werden Wärmeerzeuger aufgestellt und ideal aufeinander abgestimmt. Alle gängigen Technologien können in Polysun verschaltet und optimiert werden, unter anderem:
- Photovoltaisch-Thermische Kollektoren (PVT): Diese Systeme kombinieren die Erzeugung von Strom durch Photovoltaik mit der Bereitstellung von Wärme. Sie sind besonders in kombinierten Systemen mit Wärmepumpen sinnvoll und können in Wärmenetzen ihr volles Potential entfalten. Mehr über PVT-Kollektoren erfahren Sie hier.
- Wärmepumpen: Sie gewinnen Wärme aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser. Wärmepumpen sind besonders effizient und können in nahezu allen Regionen und für alle Temperaturniveaus eingesetzt werden. Details zu Wärmepumpen finden Sie hier.
- Erdwärmesonden: Diese erdverlegten Sonden entziehen dem Erdreich Wärme und sind vor allem in Gebieten mit konstanten Temperaturverhältnissen eine attraktive Lösung. Lesen Sie über die Dimensionierung von Erdwärmesondenfeldern hier.
- Blockheizkraftwerke (BHKW): Diese produzieren gleichzeitig Strom und Wärme durch die Verbrennung von Gas oder Biomasse. Sie sind eine ideale Lösung für die dezentrale Wärmeversorgung und tragen zur Reduzierung von CO2-Emissionen bei.
- Abwärmenutzung: In industriellen Prozessen anfallende Abwärme kann effizient in das Wärmenetz integriert werden, um die Energiequelle optimal zu nutzen.
Warum Kunden Polysun zur Planung von Wärmenetzen nutzen
Sektorkopplung optimal einbinden
- Nachhaltige Stromerzeugung direkt im Wärmenetz einbinden
- Die ideale Auslegung für alle Komponenten im Zusammenhang
- Wirtschaftlichste Betriebsweise ermitteln
Hybride Quellen auslegen
- Integration von Erdwärme und Solarthermie
- Regneration für saisonale Speicher nachweisen
- Wärmepumpe und andere Wärmeerzeuger sinnvoll kombinieren
Betriebsführung der Energie -zentrale virtuell testen
- Steuerungs- und Regelungskonzept detailliert in die Simulation einbinden
- Zeitschrittweise Analyse deckt Konzeptfehler frühzeitig auf und zeigt das Verhalten einzelner Komponenten
Zeit sparen
- verschiedene Szenarien schnell vergleichen
- durchgängiges Arbeiten in allen Projektphasen
- ständig erweiterbare Systeme, Detailtiefe entsprechend der vorliegenden Informationen
Professionelle Grundlage für Förderungen und Ausschreibungen
- validierte Modelle liefern transparente Ergebnisse
- Aggregation aller Datengrundlagen in einer Datei
- übersichtliche Darstellung aller relevanten Ergebnisse
Weitere Möglichkeiten
- besondere, lokale Anforderungen berücksichtigen, etwa:
- Regenerationsvorgaben bestätigen
- Laufzeitbegrenzung oder Nachtabschaltung einkalkulieren
- Temperatur-Grenzvorgaben einhalten
Steuerungs- und Regelungs-konzept virtuell testen
In einer Polysun-Simulation kann die Steuerung und Regelung der einzelnen Erzeugerkomponenten bereits getestet und optimiert werden. Das bedeutet, dass alle Komponenten eines Wärmenetzes, wie Wärmeerzeuger, Speicher und Verteilsysteme, virtuell miteinander verbunden und in verschiedenen Szenarien getestet werden können. So lässt sich die optimale Steuerungsstrategie entwickeln, die den Betrieb des Wärmenetzes an unterschiedliche Belastungen und Bedingungen anpasst und Synergieeffekte nutzt, um damit die Betriebskosten zu senken.
Wärmeverluste über Rohrleitung berechnen – Warum ist das wichtig?
Die Berechnung von Wärmeverlusten im Rohrleitungsnetz ist entscheidend, um die Effizienz eines Wärmenetzes zu maximieren. Wärmeverluste entstehen durch die Wärmeabstrahlung an das umgebende Erdreich während des Transports der Wärmeenergie. Die Berechnung und Optimierung der Leitungsverluste ermöglicht es, die Verluste zu minimieren und so die Energieversorgung kostengünstiger und umweltfreundlicher zu gestalten.
Variantenvergleich von Versorgungskonzepten
Der technische Variantenvergleich hilft dabei, verschiedene Systemkonfigurationen und Komponenten auf ihre Effizienz, Robustheit und Dimensionierung zu überprüfen. Hierbei werden unterschiedliche Kombinationen von Wärmeerzeugern, Leitungsinfrastrukturen und Regelsystemen gegenübergestellt, um die für das jeweilige Projekt am besten geeignete Lösung zu finden. Auch der Vergleich von Neubauten gegenüber der Sanierung bestehender Netze kann hierbei berücksichtigt werden.
CO2-Optimierung von Wärmenetzen
Die Dekarbonisierung von Wärmenetzen steht im Mittelpunkt einer umweltfreundlichen Energieversorgung. Durch den Einsatz erneuerbarer Energien wie Solarthermie, Geothermie oder PV-Strom sowie die Nutzung von Abwärme aus Industrieprozessen lassen sich die CO2(eq.)-Emissionen erheblich reduzieren. Die Kombination von effizienten Wärmespeichern und intelligenten Steuerungen ermöglicht es, den CO2-Ausstoß weiter zu verringern und gleichzeitig die Versorgungssicherheit zu gewährleisten.
Wirtschaftlichkeit von Wärmenetzen – Wie findet man das Optimum?
Die Wirtschaftlichkeit eines Wärmenetzes hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie etwa den Investitionskosten, den Betriebskosten, der Lebensdauer der Komponenten und den erwarteten Einnahmen. Um das Optimum zu finden, müssen alle relevanten Variablen berücksichtigt und ein detaillierter Vergleich zwischen den verschiedenen Lösungen angestellt werden. Eine präzise Analyse der Wirtschaftlichkeit unter Berücksichtigung von CO2-Emissionen und Energieeinsparungen ist unerlässlich, um die langfristige Rentabilität eines Wärmenetzes sicherzustellen. Zudem müssen Fördermöglichkeiten und gesetzliche Rahmenbedingungen in die Kalkulationen einbezogen werden.
FAQ
Wie binde ich eine zentrale Wärmepumpe in ein Nahwärmenetz ein?
Eine zentrale Wärmepumpe wird in ein Nahwärmenetz eingebunden, indem sie in einer Energiezentrale die verfügbare Umwelt- oder Abwärme auf das erforderliche Temperaturniveau hebt und diese Wärme dann über das Netz an die angeschlossenen Gebäude verteilt . Die zentrale Wärmepumpe nutzt dabei meist mehrere Wärmequellen (z. B. Grundwasser, Flusswasser, Abwärme) und kann sowohl parallel als auch in Serie mit weiteren Erzeugern betrieben werden, um Grund- und Spitzenlasten effizient abzudecken .
Für die optimale Auslegung und Steuerung empfiehlt sich der Einsatz einer Wärmepumpensimulation wie Polysun. Mit Polysun lassen sich verschiedene Einbindungskonzepte, Temperaturhübe, Leistungsanforderungen und Betriebsstrategien realitätsnah abbilden und vergleichen. Die Simulation zeigt, wie sich unterschiedliche Quellen, Speichergrößen und Regelstrategien auf Effizienz (COP), Betriebskosten und CO₂-Einsparungen auswirken. So kann die zentrale Wärmepumpe exakt auf die Anforderungen des Nahwärmenetzes abgestimmt werden und ein wirtschaftlicher, nachhaltiger Betrieb sichergestellt werden.
Praxisbeispiele zeigen, dass mit zentralen Großwärmepumpen in Nahwärmenetzen erhebliche CO₂-Einsparungen und eine hohe Versorgungssicherheit erreicht werden können, insbesondere wenn die Auslegung und Steuerung simulationsgestützt erfolgt
Wie kombiniere ich Solarthermie und Wärmepumpe in einem Wärmenetz?
Die Kombination von Solarthermie und Wärmepumpe in einem Wärmenetz ist besonders effizient, wenn beide Systeme optimal aufeinander abgestimmt werden. Solarthermie kann entweder direkt zur Heizungs- und Warmwasserunterstützung beitragen, indem die Solarwärme in einen zentralen Speicher eingespeist wird, oder indirekt, indem sie die Wärmequelle der Wärmepumpe (z. B. Erdreich, Eisspeicher) auf ein höheres Temperaturniveau anhebt und so den Stromverbrauch der Wärmepumpe senkt .
Mit einer Simulationssoftware wie Polysun lässt sich das Zusammenspiel beider Technologien realitätsnah abbilden. In Polysun können verschiedene Systemvarianten und Betriebsstrategien simuliert werden: Zum Beispiel, wie groß die Solarthermiefläche dimensioniert sein sollte, wie die Speicher hydraulisch eingebunden werden und wie sich unterschiedliche Wetter- und Verbrauchsprofile auf die Effizienz und den solaren Deckungsgrad auswirken. Die Simulation zeigt, wie viel Solarwärme direkt genutzt oder zwischengespeichert werden kann, wann die Wärmepumpe einspringen muss und wie sich dies auf Jahresarbeitszahl, Betriebskosten und CO₂-Einsparung auswirkt.
Durch diese simulationsgestützte Planung lässt sich nachweisen, dass eine gut abgestimmte Kombination aus Solarthermie und Wärmepumpe im Wärmenetz die Betriebskosten deutlich senken, die Wärmepumpe kleiner dimensionieren und den Anteil erneuerbarer Energien im Netz maximieren kann.
Welche Pufferspeicher-Konzepte eignen sich für Lastspitzen im Wärmenetz?
Für das Abfangen von Lastspitzen in Wärmenetzen eignen sich verschiedene Pufferspeicher-Konzepte, die je nach Netzstruktur und Anforderung ausgewählt werden sollten:
Zentrale Pufferspeicher:
Ein großer, zentraler Pufferspeicher wird in der Energiezentrale installiert und dient dazu, kurzfristige Lastspitzen im gesamten Netz abzufangen. Er ermöglicht es, Wärmeerzeuger wie Wärmepumpen, BHKW oder Kessel unabhängig vom aktuellen Verbrauch zu betreiben und so effizienter und wirtschaftlicher zu steuern. Besonders bei fluktuierender Einspeisung (z. B. durch erneuerbare Energien) kann so die Netzbelastung geglättet werden .
Dezentrale Pufferspeicher:
Dezentrale Speicher werden direkt bei den Abnehmern (z. B. in Gebäuden) installiert. Sie nehmen Wärme dann auf, wenn das Netz ausreichend versorgt ist, und stellen sie bei Bedarf zur Verfügung. Dies reduziert die Anschlussleistung und die Volumenströme im Netz, was kleinere Rohrdurchmesser und geringere Pumpenleistungen ermöglicht. Insbesondere in Niedertemperaturnetzen und bei Neubauten ist dieses Konzept sehr effizient .
Kurzzeit- und Langzeitspeicher:
Kurzzeitspeicher (mehrere Stunden bis wenige Tage) dienen zur Überbrückung täglicher Lastspitzen, während Langzeitspeicher (z. B. Erdbecken- oder Aquiferspeicher) saisonale Schwankungen ausgleichen und große Mengen Wärme über Wochen oder Monate speichern können .
Power-to-Heat-Konzepte:
Pufferspeicher können gezielt mit überschüssigem Strom (z. B. aus Wind- oder PV-Anlagen) über elektrische Heizstäbe oder Wärmepumpen beladen werden, um Lastspitzen im Strom- und Wärmenetz zu glätten und die Sektorkopplung zu unterstützen .
Fazit:
Die Auswahl des passenden Pufferspeicher-Konzepts hängt vom Netztyp (zentral/dezentral), der Größe des Netzes, den Lastprofilen und den eingesetzten Wärmeerzeugern ab. Moderne Wärmenetze kombinieren häufig zentrale und dezentrale Speicher sowie Schichtenspeicher, um maximale Flexibilität und Effizienz bei der Lastspitzenabdeckung zu erreichen .
Tipp:
Mit Simulationssoftware wie Polysun lassen sich verschiedene Speicher-Konzepte und deren Einfluss auf Netzstabilität, Effizienz und Wirtschaftlichkeit detailliert vergleichen und optimieren.
Was ist bei der Integration eines BHKW (Blockheizkraftwerks) in ein Wärmenetz zu beachten?
Bei der Integration eines Blockheizkraftwerks (BHKW) in ein Wärmenetz sind mehrere technische und wirtschaftliche Aspekte zu beachten, um einen effizienten und flexiblen Betrieb sicherzustellen.
Zentrale Punkte sind:
Anpassung an den Wärmebedarf: Das BHKW sollte so ausgelegt und betrieben werden, dass möglichst viel der erzeugten Wärme im Netz genutzt wird und keine Überproduktion entsteht. Eine möglichst hohe jährliche Laufzeit (Vollbenutzungsstunden) verbessert die Wirtschaftlichkeit .
Hydraulische Einbindung und Pufferspeicher: Die Integration eines ausreichend dimensionierten Pufferspeichers ist entscheidend, um Lastspitzen abzufangen und die Betriebszeiten des BHKW zu optimieren. So kann das BHKW stromgeführt oder wärmegeführt betrieben werden, je nach Netz- und Marktanforderung.
Kombination mit weiteren Erzeugern: In modernen Wärmenetzen werden BHKW häufig mit Wärmepumpen, Solarthermie oder Kesseln kombiniert. Die Betriebsweise (z. B. Grundlast durch das BHKW, Spitzenlast durch Kessel oder Wärmepumpe) sollte simulationsgestützt optimiert werden, um Effizienz und Flexibilität zu maximieren .
Netztemperaturen und Rücklauftemperaturen: Die Vor- und Rücklauftemperaturen im Netz müssen zur BHKW-Auslegung passen, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen und Kondensation im Abgaswärmetauscher zu ermöglichen.
Sektorenkopplung und Strommarktintegration: Die Kopplung mit Stromerzeugung und ggf. Elektromobilität kann die Wirtschaftlichkeit verbessern und zur Netzstabilität beitragen .
Mit einer Simulationssoftware wie Polysun lassen sich verschiedene Einbindungskonzepte, Betriebsstrategien (wärme- oder stromgeführt), Speichergrößen und die Kombination mit anderen Erzeugern detailliert analysieren und optimieren. Die Simulation zeigt, wie sich das BHKW im Zusammenspiel mit Wärmepumpe, Pufferspeicher und weiteren Komponenten verhält, wie hoch die Eigenstromnutzung ist und wie sich CO₂-Einsparungen und Betriebskosten entwickeln. So kann die Integration des BHKW exakt auf die Anforderungen des Wärmenetzes abgestimmt und ein wirtschaftlicher, nachhaltiger Betrieb sichergestellt werden.
Wie kann der Primärenergiefaktor für das Wärmenetz bestimmt werden?
Eine Polysun-Simulation liefert alle relevanten Ergebnisse, so dass sich daraus der Primärenergiefaktor für den Energiemix des Wärmenetzes einfach berechnen lässt. Dabei können abweichende Vorgaben für die einzelnen Primärenergien berücksichtigt werden.
Wie lange dauert die Simulation eines Wärmenetzes in Polysun?
Polysun zeichnet sich besonders dadurch aus, das Simulationsergebnisse innerhalb kürzester Zeit vorliegen. Im Vergleich zu einfachen und kleinen Systemen sollte bei Wärmenetzen aufgrund deren Komplexität mit einer etwas längeren Simulationszeit gerechnet werden – in der Regel liegen die Ergebnisse jedoch in wenigen Minuten vor. Die Rechenzeit kann beeinflusst werden durch den Komplexitätsgrad des Energiesystems, die Dimensionierung und Steuerung der Komponenten sowie den Hardware-Eigenschaften des jeweiligen Rechners.
Wie kann ich unterstützt werden, um den effizienten Umgang mit Polysun zu lernen?
Je nach Wissensstand und Erfahrung mit Polysun bieten wir individuelle Begleitung an. Besonders bei komplexen Energiesystemen wie Wärmenetzen überlassen wir Ihnen die Entscheidung, in welchem Umfang Sie unsere Begleitung in Anspruch nehmen möchten – kontaktieren Sie uns!