Dezentrale oder zentrale Wärme- Wärme-versorgung aus energetischer und
2. Verluste in Grobverteilnetzen
Ein Nachteil bei der Wärmeversorgung mehrerer Objekte mit einer zentralen Heizanlage ist das benötigte Grob- oder Nahverteilnetz für die Wärme (dieser Nachteil besteht auch bei fossil gefeuerten Heizanlagen). Es entstehen zusätzliche Verluste, die in einer dezentra-len, d.h. pro Gebäude vorhandenen Heizanlage nicht auftreten. Es sind vier Verlusttypen, die bei einem Nahverteilnetz mit zentraler Wärmepumpenanlage entstehen:
• Druckverluste im Nahverteilnetz
• Wärmeverluste im Nahverteilnetz
• Temperaturabfall ΔTLeit des Wassers entlang des Nahverteilnetzes bedingt Anhebung der Vorlauftemperatur ab Kondensator, was zu schlechteren Jahresarbeitszahlen führt (im Allg. geringer Verlust)
• Grädigkeit ΔTGräd der Wärmetauscher in den Unterstationen. Die Grädigkeit verlangt ebenfalls nach einer Anhebung der Vorlauftemperatur ab Kondensator.
Wir betrachten nur Nahverteilnetze mit kontinuierlichem Wasserumlauf.
2.1 Druckverlust
Wir haben die Druckverluste in 8 Grossanlagen mit zentraler Wärmeversorgung unter-sucht. Mit Hilfe einer Modellbildung haben wir die Struktur der Druckverluste analysiert und mit den Feldwerten abgeglichen. Danach können die Druckverluste wie folgt erfasst werden:
(1)
Tabelle 1
Faktoren KPlan,p, KGeom,p, qAusl für die 8 untersuchten Anlagen.
4Der Teillastfaktor berücksichtigt bei drehzahlgesteuerten Pumpen die gegenüber der Volldrehzahl geringere Energie-aufnahme. Dieser Wert wurde auf Grund des Betriebskonzepts der Anlage geschätzt.
Anlage KPlan,p KGeom,p Atot
4000 0.2595 0.294 34000 3.63 12.10 3.30 0.4 0.0456 4001 0.0329 1.402 38000 7.47 13.42 3.41 0.4 0.0555 4003 0.2101 0.414 17500 3.05 71.05 3.61 0.8 0.0394 4004 0.0319 1.438 36450 1.50 9.85 2.74 0.4 0.0104 4006 0.0907 1.395 4770 2.06 24.11 2.75 0.4 0.0252 4007 0.1228 1.256 5880 0.76 6.79 3.50 0.4 0.0216 4009 0.0693 1.013 4500 2.09 19.11 3.20 1.0 0.0467 4010 0.0631 1.128 71800 8.47 41.75 2.64 0.3 0.0320
q JAZ
σp ist also der auf den Kompressorenergieverbrauch bezogene Stromverbrauch der Um-wälzpumpe im Nahverteilnetz. σp entspricht der relativen Minderung der Jahresarbeitszahl (ΔJAZ/JAZ) durch die Druckverluste im Leitungsnetz. KPlan,p enthält alle physikalischen Grössen der Auslegung der Heizanlage, also bspw. die Spreizung der Vor- und Rücklauf-temperaturen bei Auslegung, den Druckverlustbeiwert, die Wassergeschwindigkeit usw.
Die Gruppe KGeom,p*Ltot/Wurzel(Atot) bildet eine dimensionslose Grösse, die die Geometrie des Nahverteilnetzes erfasst. Sie entspricht etwa der geometrischen Ähnlichkeit bei Wär-metransport- oder Strömungsproblemen und ist, wie der Name sagt, nur von der Netztopo-logie abhängig. Ltot ist die gesamte Leitungslänge des Nahverteilnetzes und Atot ist die Grundstückfläche aller von der zentralen Anlage beheizten Gebäude. qAusl schliesslich ist die spezifische Auslegeleistung pro m2 Grundstückfläche. Man erkennt, dass die Verluste umgekehrt proportional zur Wurzel der spezifischen Auslegeleistung verlaufen. JAZ ist die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe.
Der Term KPlan,p enthält die vom Planer festzulegenden Grössen des Nahwärmenetzes:
(2)
Man erkennt aus dieser Formel, dass vor allem die Wahl der Fliessgeschwindigkeit einen enormen Einfluss auf den Druckabfall hat. (ΔtUP = Laufzeit der UP, ΔtVL = Volllaststun-denzahl, ζ = fiktiver Rohrreibungsbeiwert, der alle Druckabfälle enthält, ηUP = Wirkungs-grad der UP, cRef = Fliessgeschwindigkeit, ΔTspr,Ausl = Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf bei der Auslegetemperatur).
Bild 5
Schema eines Nahwärme- netzes. Ltot=1457 m,
2.2 Wärmeverlust
Für die Wärmeverluste des Netzes lässt sich eine analoge Formel aufstellen. Dieses Netz verläuft ausserhalb der Gebäude, daher sind die Wärmeverluste Totalverluste.
(3)
Die diversen Faktoren auf der rechten Seite des Gleichheitszeichens haben die gleiche Be-deutung wie bei den Druckverlusten. KPlan und KGeom sind jedoch nicht gleich definiert.
Anlage KPlan,w KGeom,w Atot
tot
tot A
L q&Ausl σw
[m2] [W/m2]
4000 46.23 0.444 34000 3.63 12.10 0.0741
4001 58.36 0.658 38000 7.47 13.42 0.2709
4003 27.87 0.811 17500 3.05 71.05 0.0283
4004 22.79 0.487 36450 1.50 9.85 0.0184
4006 33.83 0.752 4770 2.06 24.11 0.0369
4007 47.88 0.788 5880 0.76 6.79 0.0381
4009 29.74 0.566 4500 2.09 19.11 0.0278
4010 25.45 0.516 72100 8.47 41.75 0.0596
Tabelle 2
Faktoren KPlan,w, KGeom,w für die 8 untersuchten Anlagen.
Auf den Temperaturabfall längs der Transportleitungen gehen wir hier nicht ein, da diese im Normalfall nur einige Zehntel Grad betragen. Wir verweisen auf den Schlussbericht [2].
Hingegen hat die Grädigkeit ΔTGräd der Wärmetauscher in den Unterstationen (Übergabe-stationen ans Hausnetz) einen grösseren Einfluss auf die Jahresarbeitszahl. Wegen der Grädigkeit müssen die Vorlauftemperatur ab Kondensator und die Kondensationstempera-tur angehoben werden, um die vorgeschriebene AuslegetemperaKondensationstempera-tur des Vorlaufs im Haus-verteilnetz zu erreichen. Erfahrungsgemäss sinkt die Jahresarbeitszahl um etwa 1.25 % pro Kelvin höherer Kondensationstemperatur. Wenn die Grädigkeit typischerweise 3 K be-trägt, so resultieren daraus 3.75 % schlechtere Jahresarbeitszahlen.
2.3 Einfluss auf JAZ
Der Einfluss der vier Verlustarten auf die Jahresarbeitszahl ist nun eine Linearkombination der Verlustbeiwerte:
(4)
Für die 8 untersuchten Anlagen erhielten wir folgende JAZ-Minderungen:
Ausl
Tabelle 3
JAZ-Minderungen durch Verluste im Nahverteilnetz (Temperaturabsenkung längs Leitungsnetz vernachlässigt).
Der Mittelwerte der JAZ-Minderung durch die Verluste in Nahverteilnetzen liegt etwa in der Grössenordnung des in Bild 2 gezeigten Unterschieds zwischen den FAWA-Anlagen und den Grosswärmepumpen von P+D-Projekten des BFE. Ohne Berücksichtigung der zweiten Anlage, die sehr weit auseinander liegende Gebäude aufweist und somit etwas grössere Druck- und Wärmeverluste hat, liegt der Mittelwert der JAZ-Minderung bei 0.325.
3. Brauchwarmwasseraufbereitung und -verteilung
Von den untersuchten Anlagen waren sechs auch mit einer zentralen Warmwasserversor-gung ausgestattet. Die Konzepte und der Energieverbrauch pro m3 Warmwasser unter-scheiden sich beträchtlich. Dies sei an zwei Extrembeispielen dargelegt.
Bild 7
Hydraulisches Schema der Brauchwarmwasserversorgung der Anlage 40075.
5 Die Anlagennummer entspricht der gewählten anonymen Bezeichnung im Schlussbericht [2]
Anlage σp σw JAZ Grädigkeit WT
Unterstation [K]
JAZ
4000 0.0456 0.0741 3.30 3 -0.519
4001 0.0555 0.2709 3.41 0 -1.113
4003 0.0394 0.0283 3.61 3 -0.380
4004 0.0104 0.0184 2.74 3 -0.182
4006 0.0252 0.0369 2.75 3 -0.274
4007 0.0216 0.0381 3.50 3 -0.340
4009 0.0467 0.0278 3.20 0 -0.238
4010 0.0320 0.0596 2.64 3 -0.341
Mittelwert 0.0346 0.0745 3.09 -0.423
Bei dieser Wohnanlage mit vier Objekten speist die zentrale Wärmepumpe über eine in der Zentrale angeordnete wasserseitige Weiche alternativ die Heizung oder das Brauchwarm-wasser. Der Brauchwarmwasserspeicher steht ebenfalls in der Zentrale. Die einzelnen Zapfstellen werden direkt vom zentralen Speicher versorgt. Von den vier Objekten sind zur Zeit erst zwei Gebäude erstellt. Es ist eine Begleitheizung eingebaut.
Der Energieverbrauch dieser Anlage beziffert sich wie folgt:
Konzept Endenergieverbrauch
für BWW [kWh/m3]
CO2-Ausstoss [kg/m3]
Diese Anlage 37.3 (Strom) 17.8
Elektroboiler, dezentral (Wirkungsgrad 100 %) 58.2 (Strom) 21.5 Kesselanlage, Öl, dezentral (Wirkungsgrad 85%) 68.5 (Hu) 18.1 Kesselanlage, Gas, dezentral (Wirkungsgrad 95%) 61.3 (Hu) 12.2
Tabelle 4
Elektrischer Energieverbrauch für die BWW-Erwärmung für Anlage 4007 (60 °C).
Man erkannt, dass der energetische Vorteil dieses Konzepts gegenüber einem dezentralen Elektroboiler nicht sehr gross ist. Bei der zentralen BWW-Bereitung fallen Leitungsverlus-te im NahverLeitungsverlus-teilnetz und durch die Begleitheizung an. Sodann muss wegen der relativ niedrigen Stand-by-Temperaturen durch die Begleitheizung mit grösseren Ausstossverlus-ten gerechnet werden. Beim CO2-Ausstoss ist selbst gegenüber einem Ölkessel nur ein marginaler Vorteil auszumachen. Beim Gaskessel liegt der CO2-Ausstoss sogar deutlich niedriger!
Als Gegenbeispiel sei eine energetisch gute Anlage aufgezeigt. Bei dieser Anlage mit acht Gebäuden (138 Wohnungen) steht in jedem Gebäude ein Warmwasserboiler, die zu be-stimmten Tageszeiten (alle gleichzeitig) über das heizungsseitige Wärmeverteilnetz aufge-laden werden.
Bild 8
Hydraulikschema der BWW-Bereitung bei Anlage 4004.
Tabelle 5
Elektrischer Energieverbrauch für die BWW-Erwärmung bei Anlage 4004 (60 °C).
Bei dieser Anlage ist nun ein deutlicher Vorteil bezüglich Energieverbrauch und CO2 -Ausstoss gegenüber den drei Vergleichskonzepten vorhanden.