Wärmenetze für Neubau und Bestand

Nach der Ermittlung des Gesamtwärmebedarfs wird dieser den am Standort verfügbaren – möglichst regenerativen – Energiequellen gegenübergestellt. Die Realisierbarkeit eines kalten Nahwärmenetzes (KNW-Netzes) hängt demnach im Wesentlichen von einer ausreichenden Verfügbarkeit adäquater Niedertemperaturwärmequellen ab. Während solarthermische Quellen wie Solarkollektoren oder PV-T (Photovoltaik + Thermie-)Kollektoren nahezu überall verfügbar sind, aber maßgeblich durch die Platzverhältnisse (nutzbare Freiflächen bzw. Dachflächen) limitiert sind, werden geothermische Quellen in der Genehmigungspraxis z. B. noch durch wasserrechtliche Vorgaben auf ihre Einsatzmöglichkeit bewertet. Im Folgenden werden häufige Quellen von KNW-Netzen aufgeführt.

Geothermie

Oberflächennahe Geothermiesysteme nutzen die konstante Temperatur des Erdreichs für die Gewinnung von Wärmeenergie. Durch Einbringung von Wärmetauschern wie

Erdwärmesonden,

Erdwärmekollektoren oder

Erdwärmekörben

wird dem Erdreich Wärme entzogen und dem Nahwärmenetz zur Verfügung gestellt. Ein großer Vorteil dieser Quelle ist die nahezu konstante Temperatur über das ganze Jahr hinweg. Dies führt zu einer hohen Effizienz dieses Systems. Gegenüber anderen Energiequellen wie der Umgebungsluft, benötigt diese Energiequelle allerdings Platz für die Unterbringung der geothermischen Quellen sowie ein gesondertes Genehmigungsverfahren. In den diversen Informationssystemen der Bundesländer kann man sich ggf. vorab über die grundsätzliche Genehmigungsfähigkeit geothermischer Systeme erkundigen. In Karten zur Standortbeurteilung ist dann noch zu erkennen, ob am gewählten Standort mit Einschränkungen zu rechnen ist, oder nicht (z. B. Energieatlas Bayern, Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie).

Hinsichtlich der Integration in ein Nahwärmenetz bieten sich Erdwärmesonden und -kollektoren an, wenn in der Nachbarschaft ausreichend Platz wie Grünflächen oder Ackerland zur Verfügung steht. Dies ist meist bei ortsrandnaher Bebauung gegeben. Letzteres hat den Vorteil, dass man hier von einer Doppelnutzung im Betrieb ausgehen kann. Während der Betreiber des Netzes von einer effizienten Quelle profitiert, kann der Acker uneingeschränkt weiter bewirtschaftet werden.

Für Großprojekte finden Sondenfelder Anwendung. Von einem Sondenfeld ist die Rede, wenn mehr als fünf Erdwärmesonden in räumlichen Zusammenhang errichtet werden. Eine aktive Regenerierung ist notwendig, da Nachbarsonden das passive Nachfließen von Wärme aus der Umgebung behindern. Sondenfelder können bei richtiger Auslegung mit Wasser als Wärmeträger geplant und betrieben werden, dies hat eine höhere Effizienz als die Ausführung mit Sole. In Norwegen wurde z. B. ein Sondenfeld mit 350 Sonden á 200 m Tiefe erfolgreich realisiert, welches als Wärmequelle für ein Krankenhaus dient (Quelle: www.t1p.de/tab-07-24-Sonden).

Solarthermische Systeme

Solarthermie- bzw. PV-T-Kollektoren sind eine vergleichsweise einfach zu installierende Wärmequelle. Auf den Hausdächern der Nutzer untergebracht, stellen sie eine Möglichkeit dar, um die Warmwasserbereitung zu unterstützen und das Netz zu entlasten. Zudem können sie für die Regeneration des KNW-Systems genutzt werden, indem angeschlossene Pufferspeicher oder Erdwärmesysteme mit Überschusswärme regeneriert werden können. Solarthermische Systeme erfassen die Sonnenenergie und wandeln diese in Wärme um. Ein PV-T-System erzeugt neben der elektrischen Energie durch ein separates Kühlregister auf der Rückseite Wärme, welche ebenfalls genutzt werden kann. Die Effizienz dieser Systeme ist allerdings stark wetterabhängig und birgt den Nachteil, dass der Ertrag zu Zeiten des höchsten Bedarfs geringer ist.

Grundwasser

Über eine geothermische Brunnenanlage („Doublette“) ist es möglich, dem Grundwasser Wärmeenergie zu entziehen und passiv (ohne Wärmepumpe) oder aktiv (mit Wärmepumpe) dem Nahwärmenetz Wärmeenergie bereitzustellen. Eine sog. Wasser/Wasser-Anlage besteht aus einem oder mehreren Saug- und einem Schluckbrunnen, welche Grundwasser in benötigter Menge zur Verfügung stellen.

Geringere Grundwassertiefen und eine hohe Mächtigkeit des Grundwasserleiters bewirken geringere Investitionskosten und somit eine schnellere Rentabilität sowie eine höhere Effizienz der Quellenanlage. Durch die gleichbleibende Temperatur des Grundwassers über das Jahr von durchschnittlich 10 °C, stellt sie eine sehr effiziente Möglichkeit der regenerativen Energieversorgung dar. Die Nutzung des Grundwassers als Wärmequelle ist allerdings genehmigungspflichtig und jeweils bei der örtlichen Wasserbehörde anzufragen. Eine weitere Einschränkung stellt die Wasserqualität am Standort dar. Diese muss für den direkten Betrieb mit dem Wärmetauscher der Wärmepumpe vereinbar sein. Ist dies nicht gegeben, muss ein separater Zwischenkreis (meist mit Glykolfüllung) zwischengeschaltet werden, um den Wärmetauscher vor Korrosion oder Ausfällungen zu schützen.

Wärmekollektoren für Wasser/Wasser-Wärmepumpen

Auch die Umgebungsluft kann als Energiequelle für die Wärmeversorgung des Nahwärmenetzes genutzt werden. Die Vorteile dieser Quelle sind

die allzeitige Verfügbarkeit,

die geringen Investitionskosten und der

der geringe Platzbedarf.

Für Großprojekte können Luft/Sole-Wärmetauscher, sogenannte Wärmekollektoren, eingesetzt werden, dies ist besonders in Kombination mit thermischen Speichern sinnvoll. Bild 4 zeigt ein Wärmequellenfeld mit Tischgeräten auf 529 m² Fläche und einem Luftvolumenstrom von 2.800.000 m³/h. Bis zu −10 °C wird Wärmeenergie aus der Umgebungsluft entzogen, die Sole dient dann als Wärmequelle für die Großwärmepumpe mit 6 MW Wärmeleistung.

Zu beachtende Planungsschritte

Abhängig vom Bebauungsgebiet sind die erlaubten Richtwerte für die Schallemission unbedingt zu beachten. Diese liegen seit Jahren häufig deutlich unter den Richtwerten der TA-Lärm und betreffen nicht nur Wohn- und Mischgebiete, sondern auch Industriebetriebe. Niedrige Schallemissionen werden durch langsam drehende Ventilatoren, bauseitige Schalldämmeinhausungen und Abstand zum maßgeblichen Immissionsort erreicht. Es empfiehlt sich grundsätzlich die Geräte auf die geforderten Schallvorgaben auszulegen und von aufwändigen Einhausungen abzusehen.

Bei horizontalen Wärmekollektoren wird zwischen saugenden (Luftförderung von unten nach oben) und drückenden (Luftförderung von oben nach unten) Ventilatoren zum Wärmeübertragerpaket unterschieden. Durch CFD-Analysen kann festgestellt werden, welchen maßgeblichen Einfluss Gebäude, Windrichtung und Windgeschwindigkeit auf die Rezirkulation haben. Die Aufstellung und Anordnung der Geräte sind projektspezifisch zu betrachten, auch was die Luftrichtung der Ventilatoren betrifft, Bild 5 gibt hierzu weitere Auskünfte.

Eine überwiegend geringere Rezirkulation ergibt sich, wenn Gebäude und Hindernisse parallel zur Hauptwindrichtung oder hinter dem Verdampferfeld (wenn die Abluft darüber/seitlich wegströmen kann) angeordnet sind (Bild 6). Besteht die Möglichkeit einer freien Aufstellung ohne Beeinflussung durch Bauwerke oder Hindernisse, dann kann durch eine Beaufschlagung der Längsseite eine Reduzierung der Rezirkulation und Turbulenzen erreicht werden (Bild 7). Bei Hauptwindrichtung von der Stirnseite wird die abgekühlte Luft teilweise erneut angesaugt.

Bei großen Kollektorfeldern ist eine Lücke zwischen den einzelnen Feldern als nachteilig zu beurteilen, da auch hier eine erneute Ansaugung mit niedrigeren Temperaturniveau erfolgt. Dies kann konstruktiv mit einer Verkleidung umgesetzt oder praktischerweise mit Errichtung eines Montage-Wartungsganges für erleichterten Zugang kombiniert werden (Bild 8). Im Winterbetrieb kann bei saugenden Ventilatoren einer Vereisung oder Schneeablagerung auf den Lüftern über ein smartes Regelverhalten gegengewirkt werden. Bei drückender Konfiguration sind die Ventilatoren hiervon weniger betroffen.

Auslegung und Abtauung: Um die Wärmequelle Luft effizient erschließen zu können, sind große Wärmeübertragerflächen notwendig, damit die Grädigkeit Lufttemperatur zur Wärmeträgeraustrittstemperatur gering bleibt. Beispielsweise erbringt ein Gerät mit -10 °C/-5 °C Soletemperatur bei -2 °C/80 % rel.F. Lufteintritt (dT = 3 K) 150 kW; bei einem dT = 5 K hat dasselbe Gerät +40 % mehr Leistung.

Beim Lamellenabstand ist auf mindestens ≥4.0 mm zu achten. Kleinere Abstände erlauben zwar eine deutlich kompaktere und preisgünstigere Bauweise, jedoch führt dies zu zeitlich enger aufeinanderfolgenden Abtauintervallen. Bei einer Frostdicke von ~0,5 mm, die in etwa eine Minderleistung von -25 % bedingt, wird der Abtauprozess empfohlen. Dieser Prozess kann durch Sensoren (Differenzdruck, Eisdicke, etc.) oder intelligente Algorithmen ausgelöst werden. Neben der klassischen Heißgasabtauung bieten sich bei Wärmeträger-beaufschlagten Geräten folgende Abtauvarianten:

Luftabtauung: nur bei Lufttemperaturen ≥ 6 °C sinnvoll.

Elektroabtauung: nicht empfohlen, hohe elektrische Anschlussleistungen nötig.

Warmsoleabtauung: Vorhaltung der Abtauenergie durch Pufferspeicher möglich.

Folgend wird das oben erwähnte 150 kW Gerät betrachtet, um die notwendige Abtauleistung zu berechnen:

Während der Abtauung steht das Gerät als Wärmekollektor nicht zur Verfügung, entsprechend hat die Abtauung mit hoher Leistung und kurzer Abtaudauer zu erfolgen. Wird beispielsweise ein Medium mit 40 °C in das Paket geleitet, kühlt dieses auf 20 °C ab. Bei einer Abtaudauer von 20 Minuten beträgt die Abtauleistung bei einem Volumenstrom von 13,5 m³/h = 270 kW. Hierfür könnte ein Pufferspeicher mit 5 m³ und einem Abtauintervall von 9 h vorgesehen werden. Eine Abführung vom Kondensat ist während des Abtauvorganges zu berücksichtigen.

Nun könnte die Aussage getroffen werden, dass es nicht effektiv sei, 150 kW Wärmequellenleistung zu erzeugen, wenn 270 kW als Abtauleistung benötigt werden. Es lohnt der Blick auf die Energiemengen. Der Wärmertrag beläuft sich auf 1.300 kWh (8,66 h x 150 kW), die eingesetzte Abtauenergie schlägt mit 90 kWh (0,33 h x 270 kW) zu buche. Somit wird eine deutlich positive Energiebilanz erreicht.

Luft kann fast überall als Wärmequelle genutzt werden und ist in den meisten Fällen unbürokratisch sowie innerhalb kurzer Zeit realisierbar. Um jedoch teure Planungsfehler zu vermeiden, sollte bereits bei der Projektplanung die Aufstellung und das Anlagenkonzept mit den Herstellern frühzeitig abgestimmt werden.

Aquathermie

Liegt ein betrachtetes Objekt nahe einem Gewässer, so ist es möglich – mittels separatem Zwischenkreis über einen oder mehrere Wärmetauscher – dem Wasser indirekt Wärme zu entziehen. Dies kann z. B. über eingebrachte Wärmetauscher wie:

See- oder Gewässerwärmetauscher (Bild 9) oder

aktivierte Spundwände oder indirekt über

Rohrbündelwärmetauscher oder

Pufferspeicher mit innenliegenden Spiralwärmetauschern

erfolgen. Auch in diesen Fällen ist jeweils die Erlaubnis der Unteren Wasserbehörde einzuholen. Um Gewässerflora und -fauna zu schützen, sind Temperaturgrenzen einzuhalten und zu monitoren.

Ein Gewässerwärmetauscher hat den Zweck, keine nachhaltige Beeinträchtigung durch Temperaturveränderung zu erzeugen. Als sehr vorteilhaft stellt sich der stetige Energietransport eines Fließgewässers dar. Bei stehenden Gewässern ist ein ausgeglichener Energiehaushalt über das Jahr anzustreben, um diese Quelle langfristig nutzen zu können. Viele Gewässer sind heute allerdings zu warm, womit in Einzelfällen eine dauerhafte Abkühlung auch für Entlastung sorgen könnte.

Eisspeicher

Eispeichersysteme speichern Wärme- bzw. Kälteenergie im Wasser und könne diese Energie dann kurzzeitig oder ganzjährig und bei korrekter Planung monovalent für eine Wärmepumpe zu Verfügung stellen. Durch den Aggregatszustandswechsel von Wasser wird deutlich mehr Energie benötigt/frei als bei einer sensiblen Temperaturänderung. Es besteht die Möglichkeit, das Gebäude über den Eisspeicher und das System passiv oder aktiv mit der Wärmepumpe zu kühlen, hierbei erfolgt eine Regenerierung des Eisspeichers durch Energiezufuhr vom Gebäude. Grundsätzlich müssen Eisspeicher regeneriert werden. In den Rohren des Eisspeichers wird Sole mit mindes-tens −15 °C Frostschutz gearbeitet, im wasserdichten und drucklosen Behälter befindet sich Wasser. Die Vereisung des Wassers findet um den Wärmeübertrager statt. Um den Wärmeübertrager herum ist genügend Raum vorzusehen, dass die Vereisung niemals die Wandung des Behälters erreichen kann. Empfohlen ist ein Abstand von mindestens 500 mm zwischen Absorber und Behälterwand, hier sind Herstellerhinweise zu beachten. Bei ständigem Entzug ist der Wärmeübertrager in der Lage einen Behälter zu sprengen. Durch eine geeignete Einstellung der minimalen Soletemperaturen oder durch Eisaufbausensoren zum Bauteilschutz muss eine Abschaltung des Systems erfolgen. Die Wärmeübertrager können als Plattenpakete ausgeführt werden, die dann hydraulisch zu einem großen System zusammengeschlossen werden (Bild 10). Typische Längen sind 3,5 bis 7 m, typische Höhen 0,6 bis 1,2 m, eine Anpassung auf spezifische Projektanforderungen ist aber möglich. Alternativ steht eine zylindrische Bauform zur Verfügung, diese ist komplett vormontiert erhältlich.

Die Auslegung des Eisspeichers erfolgt auf Grund der zu übertragende Leistung und der zu speichernde Wärmemenge. Mit zunehmendem Abstand der Eisspeicherabsorber steigt die speicherfähige Wärmemenge, wobei die spezifische Wärmeübertragerleistung und damit die sich einstellenden Untertemperaturen abnehmen.

Es werden drei Auslegungsvarianten unterschieden:

Eisspeicher mit bestimmtem Bedarf: Die Auslegung der Wärmeübertragerfläche erfolgt immer nach der zu übertragenden Leistung und der erforderlichen Wärmemenge. Die Eisstärke auf jeder Seite des Wärmeübertragers beträgt zwischen 25 bis 200 mm (Herstellerangaben beachten). Hierbei ist der maximale Volumenstrom der Absorber einzuhalten.

Kurzzeit Eisspeicher: Werden mit kleinerer Eisstärke von 25 bis 50 mm je Absorberseite ausgelegt und können hohe Kälteleistungen mit begrenzter Laufzeit übertragen, um die Größe von Kältemaschinen und die damit einhergehenden Investitionskosten und elektrischen Anschlusswerte für Kühlanwendungen zu begrenzen.

Saisonaler Eisspeicher: Werden mit bis zu 200 mm Eisstärke (Herstellerangaben beachten) je Absorberseite ausgeführt. Die gespeicherte Wärmemenge im Eisspeicher sollte für eine monovalente Auslegung mindestens 20 % des jährlichen Quellenbedarfs betragen, um bei entsprechender solarer Regenerierung und Quellenregelung eine monovalente Funktionalität zu gewährleisten.

Grundsätzlich sind die in den jeweiligen Ländern geltenden Regelwerken und Bestimmungen für den Wärmepumpenbetrieb zu beachten. Handelt es sich beim Einbauort um ein Wasserschutzgebiet Zone IIIa/b, muss bei der unteren Wasserbehörde eine Genehmigung für den Betrieb der Anlage beantragt werden. Diese kann mit bestimmten Auflagen erteilt werden. Details müssen im jeweiligen Einzelfall bauseits geklärt werden.

Weitere Energiequellen

Diese sind oft:

Abwasserwärme,

Abwärme aus Industrie,

Abwärme aus Rechenzentren,

Biomasse.

Es lässt sich zusammenfassen, dass es eine Vielzahl möglicher regenerativer Quellen für den Einsatz in Kalten Netzen für die Wärmeversorgung gibt. Jede einzelne Quelle hat ihre Vor- und Nachteile und eignet sich je nach Anforderungen bzw. Standort und verfügbaren Ressourcen unterschiedlich gut. Eine Bewertung des lokalen Angebots ist entscheidend, um die optimale Kombination verschiedener regenerativen Quellen einzuplanen. Die pauschal „beste Lösung“ für jeden Standort gibt es nicht.