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Nah- Fernwärme: Auf dieser Seite

Wird zentral erzeugte Wärme über ein Verteilnetz an mehrere Nutzer verteilt, beziehen diese Nutzer Fernwärme. Das Verteilungsnetz kann Tausende oder aber auch nur einige Verbraucher versorgen. In letzterem Fall spricht man auch von Nahwärme Versorgung.

Wärmequellen können beispielsweise sein : BHkW, Heizkraftwerke, Müllverbrennungsanlagen, Geothermiekraftwerke, Solarkraftwerke, Biomasseanlagen.

Fernwärme ist Wärme, die über mehr oder weniger lange Strecken transportiert werden muss, ehe sie beim Abnehmer zum Einsatz kommt. Mit diesem Transport sind immer auch Verluste verbunden. D.h. eine lokale Erzeugung ist immer effektiver. Nun gibt es aber Fälle, in denen Wärme als Nebenprodukt anfällt, lokal aber nicht verbraucht werden kann (Stromerzeugung, Müllverbrennung, Industrielle Prozesse) oder zentral erzeugt wird, aber wirtschaftlich nur bei großer Abnehmerzahl genutzt werden kann (z.B. Tiefengeothermie, große thermische Solaranlagen, große KWK-Anlagen).

Ist die Wirtschaftlichkeit gegeben, kann die Fernwärmeversorgung eine  umweltfreundliche Alternative zur dezentralen Einzelheizung sein.

Strahlennetz

Ringnetz

Maschennetz

Die Struktur (Netzform) von Wärmeverteilungsnetzen wird vor allem durch städtebauliche Gegebenheiten (Straßenführung, räumliche Anordnung der Häuser), die Netzgröße und die Einbindung der Wärmeerzeuger bestimmt.

Bei kleinen und mittleren Fernwärmenetzen werden Strahlennetze bevorzugt, da diese die geringste Trassenlänge haben.

Ringnetze ermöglichen die Einbindung mehrerer Erzeuger an unterschiedlichen Standorten; sie sind jedoch teurer, da die Trassenlänge und der Nenndurchmesser der Ringleitungen größer sind. Diesem Nachteil steht der Vorteil der höheren Versorgungssicherheit und einfacheren Erweiterbarkeit gegenüber. Maschennetze, die optimale Versorgungssicherheit und bessere Erweiterungsmöglichkeiten bieten, werden wegen hoher Investitionskosten nur für große Wärmeverteilungsnetze eingesetzt.

Die Netze werden je nach Wärmequelle, Größe und Abnehmertyp mit unterschiedlichen Drücken und Temperaturen betrieben

Fernwärmenetze können als Zwei- oder Dreileiternetze ausgeführt werden. Das Zweileiternetz hat eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung. Es kann auf konstanter Temperatur oder konstant/gleitend betrieben werden. Letztere Betriebsweise ist am meisten verbreitet.

Das Dreileiternetz weist dagegen zwei Vorlaufleitungen auf, von denen eine auf kostantem Temperaturniveau und die andere nach der Außentemperatur gesteuert betrieben wird. Auf Grund des hohen Netz-Investitionsaufwandes für ein 3-Leiter System (Auch 4-Leiter Varianten gibt es) werden heute fast ausschließlich 2-Leiter Systeme gebaut.

• Je höher die Wassertemperatur je mehr Energie lässt sich bei gleichem Volumenstrom transportieren. Hohe Wassertemperaturen erfordern auf der Abnehmerseite höhere Sicherheitsvorkehrungen. Mit höheren Temperaturen steigen auch die Netzverluste.
• Die Netze liefern Energie in der Regel sowohl für die Heizung als auch für das Warmwassererzeugung. Damit ist die niedrigste Temperatur durch die Warmwassererwärmung (~70^oC) vorgegeben. Die Höchsttemperatur ist vom Abnehmerkreis und deren Winter-Vorlauftemperatur abhängig.
• Dampfnetze sind ein heute eher der Ausnahmefall. Alte Dampfnetze werden fallweise auf Heißwasser umgerüstet.

• Temperatur: Die Vorlauftemperatur der Netze wird durch den Wärmeerzeuger und den Abnehmertyp bestimmt und liegt heute zumeist zwischen 70 und 130 ^oC. Die Rücklauftemperatur liegt zwischen 30 und 60^oC. Die Tendenz geht zu niedrigeren Temperaturen entsprechend dem niedrigeren Temperaturniveau und geringeren Wärmebedarf neuer oder thermisch sanierter Gebäude. In Nahnetzen sind auch aus wirtschaftlichen Gründen Netzvorlauftemperaturen unter 90^oC üblich. So arbeiten z.B. Geothermienetze mit ca 90^oC. Lastspitzen in Kälteperioden werden dann durch ein Spitzenkraftwerk (ÖL, Gas), das auch als Redundanz dient,  ausgeglichen. Diese Spitzenkraftwerke können auch ein höheres Temperaturniveau fahren, das u.U. an sehr kalten Tagen dann erforderlich ist, wenn solche Netze Altbauten mit entsprechend hohem Temperaturniveau versorgen müssen. Um Fernwärmenetze wirtschaftlich betreiben zu können sollte das Rücklaufwasser eine möglichst niedrige Temperatur haben. Dies führt zu kleineren Volumenströmen (geringerer Strombedarf der Pumpen) und zu geringeren Wärmeverlusten im Netz. Der Versorger schreibt daher zumeist ein maximale Rücklauftemperatur vor.
• Netzdruck: Der Druck ist der Antrieb für die Zirkulation des Heizwassers. Er muss hoch genug sein, um den weitest entfernten Verbraucher  ausreichend zu versorgen.  Netz und Abnehmeranschluss müssen für diesen Druck ausgelegt werden. Die Druckhaltung im Netz muss zudem sicherstellen, dass es nicht zur Verdampfung des Wassers kommt (Heißwassernetze) oder dass keine ungewollte Kondensation auftritt (Dampfnetze).
• Verluste: Je höher die Temperaturen und / oder der Druck im Netz desto höher sind auch die Verluste und die Aufwendungen für Sicherheitseinrichtungen. Fernwärmenetze sind mit Verlusten von im Mittel ca. 11% behaftet. Dicht besiedelte Abnehmerregionen (Mehrfamilienhäuser ca 7% Verluste) erbringen geringere Verluste als z.B Regionen mit vorwiegender Einfamilienhaus-Bebauung (ca 15% Verluste).

Die Regelung des Leistungsbedarfs kann durch Drucksteuerung  ( höherer Druck = höherer Massen- Volumenstrom) oder durch Temperatursteuerung (höhere Temperatur = höherer Energiegehalt des Netzwassers) erfolgen. Diese Varianten werden auch als Mengen- bzw. als Temperaturregelung bezeichnet. In den meisten Netzen wird für Heizwärme eine gleitende, von der Außentemperatur abhängige, Temperaturregelung  eingesetzt. Dies ist allerdings nur begrenzt möglich, da die Warmwasserversogung über das ganze Jahr eine Basistemperatur von ca. 70-75^oC benötigt. Außerhalb der Heizperiode wird dann konstant mit ~ 70^oC gefahren. Schwankungen im WW-Verbrauch werden durch Mengenregelung ausgeglichen.

Am Zielort müssen die vom Netz gelieferte Temperatur, der Druck und der Volumenstrom den Anforderungen der Heizungsanlage des Abnehmers angepasst werden. Dies erfolgt in der Hausstation. Bei dem Anschluss der Hausstation an das Wärmenetz unterscheidet man zwischen direktem und indirektem Anschluss

Bei Direktanschluss an die Fernwärmeversorgung durchströmt das Fernwärmewasser die Heizkörper des Abnehmers direkt. Bei indirektem Anschluss ist die Hausanlage über einen Wärmetauscher vom Fernwärmenetz hydraulisch entkoppelt. In dieser indirekten Konfiguration ersetzt der Wärmetauscher den Heizkessel.  die übrige Anlagentechnik (Heiz- und Warmwasserkreislauf) entspricht der üblichen Heizungstechnik. Die Art wie anzuschließen ist, legt der Versorger fest.

Direkte Versorgung erfordert einen geringeren Platzbedarf im Hausanschlussraum, kann aber nicht bei allen Wärmeträgermediem realisiert werden.

Hochdruckdampf- und Hochdruckheißwasseranlagen werden in der Regel von der Hausanlage getrennt. Nur für Niederdruckheißwassernetze oder  Warmwassernetze sind beide Anschlussformen möglich.

Der sekundäre Druck in direkt betriebenen Hausanlagen ist an den primären Druck des Versorgers gekoppelt. Die Hausanlage muss für diese Druckverhältnisse geeignet sein, oder mit entsprechenden Druckminderern arbeiten. Ein Leck in der Hausanlage kann bei direkt Anbindung zu  größeren Wasserschäden führen, da das Wasser des Fernwärmenetzes auch im Hausnetz zirkuliert. Die Anforderungen an Sicherheitseinrichtungen bei dieser Anschlussform sind dem entsprechend höher.

Indirekte Systeme können auf der Hausanlagen-Seite mit einem beliebigen Druckniveau betrieben werden, wie auch bei dezentralen Heizungen üblich. Auf der Sekundärseite des Hausnetz fließt nur das lokale Heizungswasser.

Ob direkt oder indirekt an das Fernwärmenetz angeschlossen werden muss, wird in den Richtlinien des FVU (Ferwärmeversorgungsunternehmen) vorgegeben.

Die Fernwärme Anschlusstechnik ist heute so weit typisiert und standardisiert, dass üblicherweise fertig vormontierte Kompakt-Übergabestation zum Einsatz kommen (gilt insbesondere für den unteren und mittleren Leistungsbereich). Die Kompaktübergabestation umfasst dann sowohl die Funktionen der Übergabestation als auch die der Hauszentrale . Übergabestation und Hauszentrale werden auch unter dem Oberbegriff Hausstation zusammengefasst.

Direkter Anschluss

Indirekter Anschluss

Die Bilder zeigen die zum Verständnis wesentlichen Funktionen. Bezüglich Sicherheitseinrichtungen (Druck und Temperatur) und möglicher erweiteter Regelungstechnik sind sie nicht erschöpfend. Die erforderliche Ausstattung hängt auch vom Typ des Versorgungsnetzes ab und wird durch die Technischen Anschlussbedingungen (TAB) des Betreibers vorgegeben.

Es gibt auch Netze die mit noch niedrigeren Temperaturen (z.B. 40^oC) betrieben werden z.B. für Gebäude mit reiner Flächenheizung und lokaler WW-Erzeugung (Solar, WP, elektrisch). Fernwärme wird auch genutzt zur Lufterwärmung in Lüftungs- Klimaanlagen.

Damit ein Fernwärmenetz reibungslos und effektiv arbeitet, muss der Abnehmer eine Reihe von Vorschriften Einhalten die in den jeweiligen TAB festgelegt sind. Die Einhaltung der Anschlussbedingungen erfordert bei Umstellung auf Fernwärme in der Regel Anpassungen im Heizungssystem des Abnehmers.

Für die Trinkwassererwärmung (TWE) kommen drei unterschiedliche Techniken zum Einsatz: Das Durchflusssystem, das Speichersystem und das Speicherladesystem.

Warmwasser: Durchflusssystem

Warmwasser: Speichersystem

Warmwasser: Speicherladesystem

Beim Durchflusssystem wird das Trinkwasser direkt zum Bedarfszeitpunkt über einen Plattenwärmetauscher erwärmt.

• Vorteile:
• Tiefe Rücklauftemperatur
• Geringe Kosten
• Geringer Platzbedarf
• Geringe Bereitschaftsverluste
• Verminderte Legionellenproblematik
• Nachteile:
• Hohe Anschlussleistung erforderlich
• benötigt eine gute (aufwändige) Regelung

Im Speichersystem wird ein Warmwasserspeicher über den im Speicher befindlichen Wärmetauscher aufgeheizt.

• Vorteile:
• Hohe Zapfmenge möglich
• Unempfindlich gegen Kalk
• Geringe Anforderungen an die Regelung
• Nachteile:
• Ansteigende Rücklauftemperatur während des Ladevorganges
• Wärmeverluste des Speichers
• Abnehmende Aufheizleistung während des Ladevorganges
• Legionellenproblematik

Diese Variante stellt eine Kombination von Durchfluss- und Speicherprinzip dar. Die Speicherladung erfolgt über Wärmetauscher und Ladepumpe  (Keislauf mit Trinkwarmwasser). Lastspitzen werden über den Speicher abgedeckt.

• Vorteile:
• Tiefe Rücklauftemperatur
• Hohe Zapfmenge möglich
• Kleine konstante Ladeleistung (Reduzierung des Anschlusswertes)
• Hoher Nutzungsgrad des Speichers
• Nachteile:
• Hohe Investition
• benötigt eine aufwändige Regelung
• Wärmeverluste des Speichers
• Legionellenproblematik

Die oben beschriebenen Varianten können primär (direkt am Fernwärmenetz) oder sekundär (indirekt nach Wärmetauscher) angeschlossen werden. Das Durchflusssystem macht nur Sinn bei primärem Anschluss (hohe Anschlussleistung nur für WW erforderlich). Der Wärmetauscher für den indirekten Anschluss müsste unnötig groß ausgelegt werden. Speichersystem und Speicherladesystem sind gut auch für den sekundären Anschluss geeignet.

Kompaktstationen werden in verschiedenen Anschlussvarianten in Ausführungen Heizung + Warmwasser aber auch in Ausführungen ohne Warmwasser geliefert. Darüberhinaus unterscheiden sich die Stationen, soweit sie Warmwasserbereitung unterstützen, in der Art der Warmwasserbereitung s.o. Unabhängig von der Art des Heizungsanschlusses an das Fernnetz (direkt / indirekt) kann die Warmwasserbereitung wiederum primär (direkt) oder sekundär (indirekt) betrieben werden. Das Bild links zeigt die möglichen und gängigen (grün hinterlegt) Kombinationen. Für die blau umrandeten Varianten werden im Folgenden Beispielschemata skizziert.

Fernwärmeanschluss (Reihenhaus) nach Umbau von Direktanschluss auf Indirektanschluss. Heizung indirekt, Warmwasser indirekt mit Speicher (IIS)

Übergabestation für Reihenhauskette

Hausstation mit Speicher (Altanlage) Speicher erneuert. Direkter Anschluss

Die Betreiber von Fernheizwerken legen Wert auf niedrige Rücklauftemperaturen. Dies hat mehrere gute Gründe:

• Bestmögliche Ausnutzung des Energiegehaltes des Heizwassers durch die Abnehmer (möglichst hohe Spreizung)
• Reduzierung der Wärmeverluste im Rücklauf
• Ausnutzung des Brennwerteffektes in der zentralen Heizanlage

Dies ermöglicht dann niedrige Volumenströme wiederum verbunden mit geringeren Leitungs- und Pumpenverlusten.

Bestandsanlagen sind oft nicht für solch niedrige Rücklauftemperaturen ausgelegt, sodass die Anlagenauslegung angepasst werden muss.

Beispiel Bild links: Die Hausanlagen-Auslegung ist 55/45 (Vorlauf 55^oC, Rücklauf 45^oC, Spreizung 10^oC). Der Versorger schreibt eine Rücklauftemperatur von 40^oC vor. Um die Wärmeleistung gleich zu halten muss die Vorlauftemperatur auf 60^oC erhöht werden (gelbe Linien). Gleichzeitig kann damit der Volumenstrom vermindert werden (verminderte Pumpenleistung oder Drosselung per Ventil. Im Beispiel von 45 m³/h auf 25 m³/h (grüne Pfeile).

Bei der Umstellung einer Altanlage auf Fernwärme sind zusätzlich zur oben erwähnten Neuauslegung mit entsprechendem Abgleich weitere Einzelmaßnahmen geboten, insbesondere um die geforderte niedrige Rücklauftemperatur zu garantieren. Unerwünscht sind im Prinzip Einrichtungen die Vorlaufwasser teilweise am Verbraucher vorbei in den Rücklauf leiten und damit zu einer Rücklaufanhebung eines sonst richtig eingestellten Heizkreises führen wie z.B.:

• Heizkreise
• Vierwegemischer (Ersatz durch Dreiwegemischer, bei gleitender Fahrweise des Netzen u.U überflüssig)
• Pufferspeicher (bei Fernwärme nicht mehr erforderlich)
• Drucklose Verteiler / hydraulische Weichen (müssen eliminiert werden)
• Bypass- oder Überströmventile (müssen eliminiert werden, bei Einbau geregelter Pumpen nicht mehr erforderlich)
• Undichte Mischer und Ventile (Einbau von Rückschlagklappen)

Zur Einregulierung der Heizkreise ist immer der Einbau von Thermometern nützlich

Ein hydraulischer Neuabgleich der Heizkreise ist in jedem Fall durchzuführen (über voreinstellbare Thermostatventile /Rücklaufventile oder im Geschossverteiler bei Fußbodenheizungen).

• Warmwasserbereitung
• Für die 3 Möglichkeiten der Warmwassererzeugung siehe oben. Durchflusssystem und Speicherladesystem sind “Rücklauf-freundlich”. Meist trifft man im Bestand aber das Speichersystem an. Bei diesem steigt die Rücklauftemperatur mit zunehmender Ladung an. Abhilfe schafft eine Begrenzung der Rücklauftemperatur oder ein höherer Einbau des WW-Temperaturfühlers. Beides setzt allerdings einen großzügig dimensionierten WW-Speicher voraus
• Weitere Empfehlungen der Fernwärmenetzbetreiber
• Heizkurven optimieren
• Einbau von großzügig dimensionierten Schlammfängern (Hausanlagenseitig, Schutz der Wärmetauscher)
• Zirkulationsvolumenstrom minimieren (Warmwasser)
• Sind alle Umwälzpumpen auf „AUS“ geschaltet, muss das Fernwärmeregelventil „ZU“ fahren (Vermeidung von Fehlzirkulationen)
• Drehzahl der Heizungspumpen optimieren (Teil des hydraulischen Abgleichs)
• Prüfung des richtigen Anschlusses am Plattenwärmetauscher (da wird wohl ab und zu etwas vertauscht)
• Einbau einer Rücklauftemperaturbegrenzung (nur wenn Senkung nicht anders möglich)

Die anfallenden Kosten entstehen aus:

• Entsorgung der Altanlage
• Einbau einer Kompaktübergabestation mit Anschluss an das bestehende Verteilnetz
• Eventuell Einbau eines neuen WW-Speichers
• Anpassungen im bestehenden Verteilnetz (siehe oben)
• Abgleich des neuen Systems

Die Kosten einer Umstellung auf Fernwärme liegen abhängig von den erforderlichen Umbauten für ein RH, DHH oder Einfamilienhaus bei ca. 8.000€ bis 10.000€.