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Fernwärme: Definition und Funktionsweise

Fernwärme ist ein Fernwärmetransportsystem für Heizung, Kühlung und Warmwasserbereitung

Fernwärme ist eine innovative und sich ständig weiterentwickelnde Lösung für die Beheizung von Gebäuden, die darauf abzielt, die Umwelt durch die zentralisierte Erzeugung von thermischer Energie, auch aus erneuerbaren Quellen, zu schützen.

Dieser Ansatz reduziert Umweltauswirkungen und fördert Energieeffizienz im großen Maßstab. Es handelt sich um ein System des Fernwärmetransports, das für Heizung, Kühlung und die Bereitstellung von Warmwasser genutzt werden kann.

Bei der Bewertung der Eignung von Fernwärme ist es wichtig, einige technische Aspekte der Anlage vor der Anbindung zu berücksichtigen. Es ist wichtig zu beachten, dass Fernwärme in allen Arten von Gebäuden eingesetzt werden kann, sowohl in Neubauten als auch in bestehenden Gebäuden, sowohl mit zentralen als auch mit autonomen Anlagen, auch wenn sie mit anderen erneuerbaren thermischen Quellen integriert sind, wie z.B. Solarthermie.

Ein wesentliches Element ist beispielsweise der Wärmetauscher, der den Wärmeaustausch zwischen zwei Fluiden erleichtert: das erste Fluid ist das warme Wasser, das von der zentralen Heizungsanlage erzeugt wird, während das zweite Fluid die Flüssigkeit ist, die im häuslichen Heizsystem verwendet wird. Die Größe dieses Geräts wird entsprechend der benötigten thermischen Leistung bestimmt.

Fernwärme: Was ist das?

Der Begriff Fernwärme bezieht sich auf eine Technologie, die es ermöglicht, Wärme vom Erzeugungsort zum Verwendungsort zu transportieren. Er setzt sich aus den beiden Wörtern Fern und Wärme zusammen, die zusammen den Begriff Fernwärme bilden.

Es handelt sich um ein einfaches, weniger umweltschädliches, kostengünstiges und sicheres System zur Klimatisierung von Gebäuden, insbesondere von Wohngebäuden, das für Heizung, Kühlung und die Bereitstellung von Warmwasser genutzt werden kann.

Wie funktioniert eine Fernwärmeanlage?

Eine Fernwärmeanlage besteht hauptsächlich aus drei Elementen:

  • Wärmezentrale zur Wärmeerzeugung, normalerweise in Kraft-Wärme-Kopplung mit elektrischer Energie;
  • Vorlaufleitungssystem, das die Wärme zum Endverbraucher transportiert;
  • Rücklaufleitungssystem, das die kalte Flüssigkeit zur Zentrale zurückführt.

Fernwärme: Wie funktioniert es?

Wenn von Fernwärme gesprochen wird, wird sofort klar, dass die Wärme nicht am selben Ort erzeugt wird, an dem sie verwendet wird.

Sie wird tatsächlich in einem oder mehreren Wärmezentralen erzeugt und von dort aus über ein Verteilungsnetz zu den angeschlossenen Verbrauchern geleitet. Diese Zentralen erzeugen heißes oder überhitztes Wasser, normalerweise bei Temperaturen von 90° und 120°C.

Die Grundlage des Betriebs von Fernwärme sind die Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, in denen Wärme erzeugt wird, die dann in das Verteilungsnetz eingespeist und von dort zu den einzelnen Wohneinheiten geleitet wird.

Um das Potenzial von Fernwärme zu verstehen, ist es ratsam, seine Funktionsweise genauer zu betrachten, die wie folgt schematisiert werden kann:

  • In den Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen wird eine Flüssigkeit erzeugt und verteilt, normalerweise Wasser, bei einer Temperatur von 80°C-90°C oder 120°C-130°C bei Überhitzung. Die Wärme kann durch Kesselanlagen (mit fossilen Brennstoffen, Biomasse oder aus der Müllverbrennung), Wärmepumpensysteme (die z.B. die geothermische Energie nutzen) oder Solarthermie erzeugt werden;
  • Die Flüssigkeit wird durch ein Rohrleitungssystem transportiert (Primärverteilungsnetz) zu den Gebäuden, die an das Fernwärmenetz angeschlossen sind;
  • Bei Ankunft am Ziel gibt die Flüssigkeit die Wärme ab an die Gebäudeanlage, die sie zur Beheizung der Räume und des Warmwassers nutzen kann;
  • Das Wärmeträgerfluid, das abgekühlt ist, nachdem es die Wärme an die Gebäude abgegeben hat, kehrt zur Zentrale zurück, um auf die maximale Temperatur gebracht zu werden und den Kreislauf zu wiederholen.

Wärmequellen der Fernwärmezentrale

Es gibt verschiedene Wärmequellen, die in Fernwärmesystemen genutzt werden:

  • Wasser-Wasser-Wärmepumpen: Dieses System überträgt die Wärme aus dem Grundwasser auf das im Fernwärmenetz verwendete Wasser unter Verwendung von elektrischer Energie;
  • Kraft-Wärme-Kopplung: Hierbei handelt es sich um die kombinierte Produktion von elektrischer und thermischer Energie aus einer einzigen Energiequelle durch Verbrennung;
  • Müllverbrennung: Diese Technologie wandelt die bei der Verbrennung von festen städtischen Abfällen erzeugte Wärme in thermische Energie um;
  • Abwärmerückgewinnung aus industriellen Prozessen: Dabei wird die Restwärme bei niedriger Temperatur, die bei industriellen Prozessen entsteht, genutzt;
  • Geothermische Energiequelle: Sie nutzt die Wärme aus dem Untergrund in verschiedenen Temperaturen (niedrig, mittel und hoch);
  • Erneuerbare Energiequellen: Dazu gehören Solarthermie, Biomasse, Biogas aus Deponien oder Verarbeitungsrückständen und ähnliche Quellen.

Wärmeverteilungsnetz

Das Wärmeverteilungssystem kann auf zwei Arten erfolgen:

  • direkt: Ein einziger hydraulischer Kreislauf verbindet die Produktionszentrale mit den Endgeräten, d.h. den Heizkörpern (Heizkörper, Radiatoren, Fußbodenheizungen usw.) des Benutzers;
  • indirekt: Es gibt zwei getrennte Kreisläufe, die über einen Wärmetauscher in der Nähe des Benutzers miteinander verbunden sind.

Aufbau der Fernwärmenetze

Je nach Anordnung der Rohrleitungen und der Form des Netzes können wir drei Arten von Netzen unterscheiden:

  • verzweigt: bestehend aus einem Hauptrohr, von dem weitere Nebenleitungen abzweigen, die das Wärmeträgerfluid direkt zu den Verbrauchern transportieren;
  • Ringnetz: Das erwärmte Wärmeträgerfluid wird von der Zentrale zum Verbraucher gesendet und kehrt dann zur Zentrale zurück. Diese Struktur ermöglicht die Versorgung des Netzes in beide Richtungen und macht es zu einem flexiblen und leicht erweiterbaren System, um zukünftige Verbraucher aufzunehmen;
  • maschenförmig: bestehend aus Rohrleitungen, die eine Reihe von miteinander verbundenen geschlossenen Schaltungen bilden. Dies ist die ideale Struktur in Bezug auf die Regelung und Verteilung der Wärme, erfordert jedoch höhere Installationskosten im Vergleich zu den anderen beiden Typen.

Wie plant man ein Fernwärmenetz?

Die Planung eines Fernwärmenetzes erfordert eine Reihe klar definierter Phasen:

  • Identifizierung des Gebiets;
  • Analysieren der Benutzer und Schätzen des fernwärmebedingten Wärmebedarfs;
  • Dimensionierung des BHKW;
  • Auswahl des Standorts für das Produktionszentrum;
  • Trassenführung und Dimensionierung des Netzes;
  • Auswahl des Anlagentyps;
  • Simulation des Betriebs;
  • Energie- und Umweltbilanz;
  • Wirtschaftsanalyse.
Fernwärmeplanung

 Fernwärmeplanung

Bereichsidentifizierung

Die Merkmale, die das Gebiet, das mit Fernwärme beheizt werden soll, aufweisen muss, damit das Projekt erfolgreich ist, sind

  • gute Gebäudedichte mit Mehrfamilienhäusern mit einem Volumen von mehr als 2-3.000 m3;
  • Vorhandensein von zentralen Heizungsanlagen.

Neubaugebiete oder städtische Sanierungsgebiete sind an sich optimal für die Realisierung eines Fernwärmenetzes. Bei der Erschließung neuer Gebiete wird die Verlegung der Leitungen erleichtert und der zeitliche Verlauf der Anschlüsse ist weniger unsicher, da die Gewinnung der Nutzer gemeinsam mit den Bauunternehmen aggregiert werden kann.

Nutzeranalyse

Nach Identifizierung des Bereichs erfolgt die Sammlung von Daten zu den Gebäuden:

  • Alter, Gebäudetyp, Volumen und Nutzung (Wohn-, Gewerbegebiet usw.);
  • Anzahl der bestehenden Heizungsanlagen, aufgeteilt nach Typ (zentralisiert oder autonom) und Brennstoff;
  • Brennstoffverbrauch für mindestens die drei vorherigen Jahre;
  • Eigentumsregime.

Anschließend erfolgt die Schätzung der Wärmenachfrage im Bereich, die auf zwei Arten erfolgen kann:

  • abgeleitet aus den Brennstoffverbrauchsdaten;
  • rekonstruiert basierend auf Gebäudeeigenschaften (Verhältnis von Wärmeabstrahlfläche zu Volumen, Fläche verglaster Oberflächen, Art der Isolierung usw.), Nutzungstyp und klimatischen Bedingungen des Ortes (Gradtagzahl), normative Standards (Energieeffizienzklasse des Gebäudes).

Besondere Nutzer wie Krankenhäuser, große öffentliche Gebäude, Sportzentren, Einkaufszentren oder Industrien, die Prozesswärme benötigen, erfordern eine spezifischere Untersuchung.

Anschließend erfolgt die Schätzung der Durchdringung der Fernwärme, wobei die Wärmenachfrage basierend auf folgenden Nutzermerkmalen aufgeschlüsselt wird:

  • Eigentumsregime (privat oder öffentlich);
  • Alter der bestehenden Anlagen;
  • Anlagentyp;
  • verwendeter Brennstoff.

Dimensionierung des BHKW

Die Dimensionierung des Blockheizkraftwerks in einem Fernwärmesystem ist eine wichtige Phase, da sie eine Reihe von technischen und wirtschaftlichen Überlegungen einschließt, einschließlich des Verkaufs von Strom zu besten Konditionen.

Ein wichtiger Aspekt ist die Strategie für den Betrieb, die die Schwankungen der Wärmebelastung und die Tarifbereiche berücksichtigt, die von der Energieregulierungsbehörde je nach Tageszeit und Wochentag festgelegt werden.

Eine effektive Methode zur Bestimmung der optimalen Größe des BHKW besteht darin, ein Diagramm zu erstellen, das den im Laufe des Jahres vom System benötigten Wärmestrom darstellt, basierend auf der Anzahl der Stunden, in denen dieser Wärmestrom benötigt wird, und die Daten von maximal bis minimal organisiert.

In gängigen Situationen kann der Aufbau des Diagramms durch Annahmen zu täglichen und wöchentlichen Schwankungen vereinfacht werden, wobei sich auf einen durchschnittlichen Leistungswert pro Monat konzentriert wird. Die Größe des BHKW kann so festgelegt werden, dass eine ausreichende Anzahl von rentablen Betriebsstunden des Systems gewährleistet ist, in der Regel mindestens 4000 Stunden pro Jahr.

Auswahl des Standorts für das Produktionskraftwerk

Der erste Schritt bei der Standortwahl ist die Überprüfung der Anschlussmöglichkeit an bereits bestehende Zentralen, d. h. die Möglichkeit, Wärme von Industrien, Müllverbrennungsanlagen oder Kraftwerken zurückzugewinnen. Die Standortwahl für das Produktionskraftwerk muss folgende Ziele erfüllen:

  • Minimierung der Umweltauswirkungen (Emissionen, Lärm) für die Anwohner;
  • Minimierung der durchschnittlichen Länge des Wärmetransportwegs durch das Wärmeträgerfluid von der Zentrale zu den Nutzern (idealerweise durch Platzierung der Zentrale im zentralsten Punkt des betrachteten Bereichs);
  • Minimierung der Energieeinspeisekosten (insbesondere bei Quellen wie Biomasse und Geothermie).

Netzlayout und Dimensionierung

Die Netzstruktur kann in folgende Bereiche unterteilt werden:

  • Primärnetz: der Hauptstrang, der im öffentlichen Boden unter der Straße verlegt ist;
  • Sekundärnetz: direkte Anschlüsse an einzelne Nutzer und Abschnitte, die private Grundstücke durchqueren.

Die verschiedenen Arten der Nutzergewinnung, die während der Phase der Wärmenachschätzung für das Fernwärmenetz identifiziert wurden, beeinflussen die Ausdehnung des Sekundärnetzes (zum Beispiel kann das Angebot von Anschlussvorteilen das Wachstum des Sekundärnetzes fördern).

Die korrekte Berechnung der Dimensionen des Primärnetzes (Rohrdurchmesser) ist von entscheidender Bedeutung, da sie erheblichen Einfluss auf die Gesamtkosten der Anlage hat.

Die Dimensionierung des Netzes hängt von verschiedenen Parametern ab, wie:

  • Wärmeleistung aus der Bewertung der bestehenden Wärmebelastungen und den zukünftigen Expansionsprognosen;
  • Temperaturunterschied zwischen dem Wärmeträgerfluid am Ein- und Auslass (kann heißes Wasser, überhitztes Wasser, Dampf oder Wärmeträgerflüssigkeiten sein).

Auswahl der Anlagentechnologie

Bevor die Anlagenkonfiguration festgelegt wird, muss eine Vorabauswahl der Energiequelle getroffen werden. Nach Festlegung der Quelle stehen zahlreiche Technologien für die Zentralen zur Verfügung (für eine detaillierte Übersicht siehe Anhang I). Die derzeit am weitesten verbreitete Wahl ist die Gas-BHKW-Technologie.

Die Auswahl wird von folgenden Faktoren beeinflusst:

  • Größe des Fernwärmesystems;
  • benötigte Temperaturniveaus bei der Wärmeversorgung;
  • wirtschaftliche Priorität für den Verkauf von elektrischer Energie.

Funktionsimulation

Nach Festlegung aller erforderlichen Parameter wird mit der Simulation des angenommenen Systembetriebs fortgefahren. Die Simulation des Betriebs für ein typisches Jahr liefert folgende Ergebnisse:

  • Brennstoffverbrauch;
  • Stromerzeugung;
  • an das Netz abgegebener Strom;
  • Wärmeerzeugung (aus KWK und Integration);
  • Wärmeversorgung an die Nutzer;
  • Emissionen.

Energie- und Umweltbilanz

Das Ziel der Energie- und Umweltbilanzierung besteht darin, die erzielbaren Energieeinsparungen und die reduzierten Emissionen durch die Implementierung des Fernwärmesystems im Vergleich zur herkömmlichen dezentralen Produktion zu quantifizieren.

Obwohl es manchmal schwierig sein kann, diese Daten genau zu bewerten, besteht der erste Schritt darin, die herkömmlichen Systeme zu analysieren, die das Fernwärmesystem ersetzen wird, sowohl in Bezug auf den Brennstoffverbrauch als auch auf die erzeugten Emissionen. Anschließend werden diese Ergebnisse mit denen aus der Simulation des Fernwärmesystems verglichen.

Wirtschaftsanalyse

Die Wirtschaftsanalyse ist die entscheidende Überprüfungsphase für die tatsächliche Umsetzung des Projekts. Die Hauptkostenpositionen eines Fernwärmeprojekts sind:

  • Verteilungsnetz;
  • Produktionszentrale;
  • Brennstoff;
  • Wartung und Betrieb der Zentrale;
  • Wartung und Betrieb des Wärmeübertragungsnetzes.

Fernwärme: Vor- und Nachteile

Die Nutzung von Fernwärme bietet einige Vorteile. Insbesondere:

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