Planung von Nahwärmenetzen

Im Rahmen der Energiewende und der damit einhergehenden Konzentration auf eine möglichst effiziente und umweltschonende Wärmeversorgung lässt sich seit einiger Zeit ein zunehmender Trend zu kleinen und mittleren Nahwärmenetzen beobachten. Sie werden typischerweise in Neubaugebieten nahezu jeder Größe eingesetzt, wobei häufig ein Investor oder Energieversorger als Wärmelieferant auftritt.

Ein Hauptgrund hierfür ist, dass es sich aufgrund des deutlich geringeren Energieverbrauchs oftmals nicht mehr lohnt, jedes einzelne Haus an das städtische Gasnetz anzubinden. Weiterhin sparen die Hauseigentümer die Investitions- und Wartungskosten für den eigenen Wärmeerzeuger sowie den zusätzlichen Heizungsraum. Auch im Bestand setzen Wohnungsunternehmen bei der Sanierung ganzer Siedlungen mittlerweile häufig auf Heizzentralen, da sich auf diese Weise eine effiziente und umweltschonende Energieversorgung einfach aus einer Hand umsetzen lässt. Aus ähnlichen Gründen entstehen Nahwärmenetze zunehmend auch in Büro- und Gewerbegebieten.

Nahwärmenetze mit Kunststoffrohren

Moderne Nahwärmenetze werden in der Regel als Zwei-Leiter-System (Vor-/Rücklauf) mit Heizwasser als Wärmeträgermedium betrieben. Da sie vergleichsweise niedrige Systemtemperaturen aufweisen, haben sich bei der Umsetzung mittlerweile hoch­gedämmte Kunststoffrohre durchgesetzt. Gegenüber Stahlrohren, die in der Regel erst ab Medientemperaturen von über 100 °C verwendet werden, zeichnen sie sich vor allem durch geringere Materialkosten und die erheblich einfachere, flexiblere Umsetzung des Nahwärmenetzes aus.

So lassen sich Kunststoffrohre als Rollenware leichter und vor allem mit deutlich weniger Verbindungsstellen im Erdreich verlegen. Gleichzeitig sinkt der Planungsaufwand für die Trassenführung, weil auf Hindernisse wie Bäume oder querende Leitungen auch vor Ort noch flexibel reagiert werden kann. Bedingt durch ein mittleres Temperaturniveau von 80 °C (i.d.R.) weisen Nahwärmenetze zudem durch den geringeren Temperaturunterschied zwischen Erdreich und Medium deutlich niedrigere Wärmeverluste auf und benötigen weniger Sicherheitseinrichtungen bei der Anlagentechnik.

Strahlenförmig mit mehreren Strängen

Die Hauptverteilung einer kleinen oder mittleren Nahwärmeversorgung erfolgt als Strahlennetz (Bild 1). Dieses zeichnet sich durch kurze Rohrleitungswege und geringere Rohrdurchmesser aus, was sowohl die Baukosten als auch die Wärmeverluste reduziert. Dabei wird der Trassenverlauf allerdings maßgeblich durch geographische und städtebauliche Gegebenheiten beeinflusst. In mittleren und größeren Gebieten sollte die Versorgung möglichst mit mehreren Strängen erfolgen, wobei sich die Heizzentrale idealerweise im Zentrum befindet. Auf diese Weise werden Länge und Anschlussleistung der Haupttrassen für die einzelnen Gebäudegruppen minimiert, während gleichzeitig die Versorgungssicherheit für das gesamte Gebiet steigt. Bei einer getrennten Regelung kann hier praktisch jeder Strang als eigenständiges Netz betrachtet werden.

Die Hausanschlüsse zweigen standardmäßig direkt von der Verteilleitung ab und versorgen jedes Objekt separat. Gerade bei einer Trassenführung in öffentlichen Wegen ergibt sich so eine hohe Flexibilität, was bei einer dichten Bebauung aufgrund der vielen Abzweige und Formstücke jedoch auch zu höheren Investitionskos­ten führen kann. In diesem Fall bietet sich eine „Haus-zu-Haus“-Trassenführung an, bei der mehrere Objekte zu Gruppen zusammengefasst und nur ein Haus an die Verteilleitung angeschlossen wird. Von dort aus lassen sich dann kurze Stichleitungen zu den weiteren Teilnehmern legen. Bei Reihenhäusern ist zudem eine Kellerverlegung möglich. In der Praxis finden sich häufig Mischformen, die die Vorteile aller Ansätze kombinieren.

Wärmeverluste und
Netzkosten in Einklang bringen

Bei der Planung und Auslegung eines Nahwärmenetzes geht es darum, die optimale Versorgung aller Gebäude auf möglichst wirtschaftliche Weise sicherzustellen. Wesentliche Einflussfaktoren sind hier die Wärmeverluste sowie die Investitions- und Be­triebs­kos­ten. In der Regel wird bei der Netzauslegung von einer Vorlauftemperatur von 80 °C und einer Rücklauftemperatur von 60 °C ausgegangen. Mit der zu erwartenden Wärmelast für jedes Gebäude und der Temperaturspreizung von 20 K lässt sich der benötigte Massenstrom für jeden Hausanschluss berechnen.

Je nachdem, welches Konzept für die Übergabestation und die Trinkwassererwärmung der einzelnen Objekte gewählt wird (siehe Infokasten), kann die Wärmelast dabei allerdings sehr unterschiedlich ausfallen. Für die korrekte Auslegung des Nahwärmenetzes reicht es also nicht, hier von Pauschalwerten auszugehen. Vielmehr müssen die Heizung und Warmwasserbereitung für jedes Gebäude vorab festgelegt sein, um eine optimale Versorgung sicherzustellen.

Die Herausforderung bei der Auslegung liegt anschließend darin, die einzelnen Rohrabschnitte optimal zu dimensionieren. Hier geht es darum, die benötigten Massenströme mit möglichst niedrigen Wärme- und Druckverlusten sicherzustellen. Deshalb sollte auch grundsätzlich bereits bei der Planung der Netzstruktur auf kurze Strang­län­gen, insbesondere bei den Haupttrassen, geachtet werden. Eine kleine Rohrdimension sorgt darüber hinaus für geringere Wärmeverluste und niedrigere Investitionskosten für das Netz. Dem stehen allerdings höhere Druckverluste und damit leis­tungs­stär­kere Pumpen mit entsprechenden Betriebskosten gegenüber. Zwischen diesen beiden Faktoren muss abhängig von der Netzgröße genau abgewogen werden. In der Praxis liegen die Fließgeschwindigkeiten in den Rohren zwischen 0,6 und 1,2 m/s.

Doppelrohre erhöhen Wirtschaftlichkeit

Grundsätzlich sollten Nahwärmenetze so weit wie möglich mit sogenannten Doppelrohren (Bild 2) umgesetzt werden. Diese kombinieren Vor- und Rücklauf innerhalb eines PE-Mantelrohres. Gegenüber zwei Einzelrohren reduzieren sich aufgrund der geringeren Oberfläche die Wärmeverluste. Weiterhin fallen auch die Baukosten deutlich niedriger aus, weil die Gräben schmaler ausgeführt werden können und sich die Doppelrohre schneller einbringen sowie die Hausanschlüsse einfacher realisieren lassen.

Allerdings sind Doppelrohre nur mit einem Außendurchmesser von bis zu 75 mm für die einzelnen Medienrohre verfügbar, wodurch ab einer gewissen Heizleistung zwei Einzelrohre eingesetzt werden müssen. So lässt sich beispielsweise mit einem maximal dimensionierten Doppelrohr bei einer Temperaturspreizung von 20 K und einer Fließgeschwindigkeit von 1 m/s eine Heizleistung von 240 kW pro Strang erreichen. Deshalb ist es gerade bei größeren Bauvorhaben sehr vorteilhaft, wenn das gesamte Gebiet sternförmig von einer zentralen Stelle aus mit mehreren Doppelrohrsträngen versorgt werden kann. Bei der Planung, Auslegung und Projektierung bieten einige Anbieter von Nahwärmesystemen, wie etwa Uponor, für Fachplaner eine umfassende Unterstützung durch erfahrene Ingenieure.

Hohe Wärmedämmung vs flexible Montage

Sind die Netzstruktur und die Dimensionen der Leitungen festgelegt, steht als Nächstes die Auswahl des passenden Rohrtyps an. Grundsätzlich wird zwischen PUR- und PEX-gedämmten Rohren unterschieden (Bild 3). Erstere zeichnen sich durch sehr gute, bis zu 30 % bessere Wärmedämmwerte aus und sorgen so für eine hohe Energieeffizienz des Nahwärmenetzes über die gesamte Betriebsdauer. Allerdings sind die Rohre aufgrund der höheren Steifigkeit schwerer zu verarbeiten und bieten sich daher eher für direkte Verbindungen bzw. die Haupttrassen an (Bild 4). Die flexiblere, PEX-gedämmte Ausführung eignet sich demgegenüber sehr gut für die Verlegung um Ecken und Hindernisse herum sowie für die Realisierung der Hausanschlüsse. Bei der Rohrauswahl geht es also vorwiegend um die Abwägung zwischen geringen Wärmeverlusten und einer hohen Montageflexibilität.

Um beiden Anforderungen gerecht zu werden, bietet es sich daher an, die Haupttrassen mit PUR-gedämmten Rohren auszuführen, während für die abzweigenden Objektanschlussleitungen PEX-gedämmte Rohre zum Einsatz kommen. Allerdings muss dabei darauf geachtet werden, dass die Rohrsysteme unter­einan­der kompatibel sind. Dies ist in der Regel der Fall, wenn beide Rohrtypen diegleichen Mantelrohrgeometrien und ‑abmessungen aufweisen. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch die übergreifende Verwendbarkeit des benötigten Zubehörs (z.B. Isoliersätze und Schächte). Die Kombination von PUR- und PEX-gedämmten Rohren ist nur dann möglich, wenn auch deren Mantelrohre, beispielsweise über einen T-Isoliersatz, nahtlos verbunden werden können.

Vom Schrauben zum Pressen

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist zudem die für die Kunststoffrohre verwendete Verbindungstechnik. Lange Zeit wurden hier vornehmlich Schraubsysteme eingesetzt, bei denen sich die Fittings je nach Bedarf aus Übergangsnippeln und verschiedenen Metall-Formteilen zusammensetzen lassen. Ein großer Vorteil ist dabei die hohe Flexibilität und dass für die Umsetzung nur Standardwerkzeug benötigt wird. Herkömmliche Schraubkupplungen müssen allerdings zum Teil noch mit Hanf eingedichtet werden.

Mittlerweile haben viele Anbieter zudem auch Presssysteme in verschiedenen Varianten eingeführt, die für Nahwärmenetze einige wesentliche Vorteile bringen. Zunächst sind die Verbindungen in der Regel unlösbar und bieten damit eine hohe Sicherheit vor Leckagen. Darüber hinaus gehen mit einigen Pressverbindungen geringere Druckverluste einher als mit herkömmlichen Schraubfittings.

So hat etwa Uponor seine bereits seit Jahrzehnten in der Hausinstallation bewährte „Quick & Easy“-Verbindungstechnologie vor Kurzem auch für das „Ecoflex“-Nahwärmesystem freigegeben (Bild 5). Mit dieser flexiblen Technik können die Rohrenden einzeln für sich behandelt und anschließend einfach zusammengeschoben werden. Zudem bestehen alle Komponenten vollständig aus Kunststoff, womit es im Erdreich auch nicht zu Korrosion kommen kann.

Sorgfältige Umsetzung

Grundsätzlich können Nahwärmenetze von jedem Heizungsfachbetrieb ohne Probleme umgesetzt werden, da die Materialien und Verarbeitungstechniken aus der Hausinstallation bekannt sind. Allerdings ist bei der Umsetzung eines Nahwärmenetzes höchste Sorgfalt geboten. Leckagen fallen häufig erst nach einigen Betriebsjahren aufgrund der steigenden Wärmeverluste auf und die Suche nach der betroffenen Stelle sowie deren Reparatur können sehr zeit- und kostenintensiv sein.

Vor dem Verlegen werden die Gräben für das Nahwärmenetz von einem entsprechend spezialisierten Bauunternehmen ausgebaggert. Anschließend lassen sich die Rohre einfach vom Rohr-Ringbund (Bild 6) abrollen. Ein Ablängen ist in der Regel nicht erforderlich, weil viele Hersteller einen Zuschnitt-Service bieten und die Rohre in passenden Teillängen direkt auf die Baustelle liefern.

Nach Abschluss der Installationsarbeiten müssen gemäß den geltenden Normen vor der Inbetriebnahme das Nahwärmenetz gespült und eine Druckprüfung durchgeführt werden. Dies muss nach dem Einbau und vor dem Schließen von Isoliersätzen und Schächten sowie vor dem Verfüllen der Rohrgräben oder Aufbringen einer anderweitigen Überdeckung geschehen.

Für die Zeit nach der erfolg­reichen Installation, Spülung, Druckprüfung und Inbetriebnahme bieten einige Hersteller eine verlängerte Haftungserklärung an. Diese beinhaltet eine Gewährleistung für die verwendeten Produkte von bis zu zehn Jahren, wobei üblicherweise auch eine Haftung für entstandene Schäden sowie für die resultierenden Aufwendungen rund um das Nahwärmenetz inbegriffen ist.

Auslegungsbeispiel – kleines Neubaugebiet

Bei dem Beispielprojekt (Bild 7) handelt es sich um ein kleines Neubaugebiet mit zwei Mehrfamilien- und vier Reihenhäusern. Die Gebäude sollten über eine direkt an der Zufahrt liegende Heizzentrale mit einem 130-kW-Hackschnitzelkessel bei üblichen Systemtemperaturen von 80/60 °C mit Wärme versorgt werden. Dementsprechend wurde ein einfaches Strahlennetz mit nur einem Hauptstrang umgesetzt, wobei die Trassenführung weitgehend unter öffentlichen Wegen möglich war.

Die Fließgeschwindigkeiten bewegen sich mit einem maxi­malen Wert von 0,76 m/s eher im unteren Bereich, was sehr geringe Druckverluste bei im Gegenzug etwas höheren Wärmeverlusten mit sich bringt. Der Grund dafür ist die niedrige Anschlussleistung der Reihenhäuser am Strangende von jeweils 12 kW. Entsprechend ergab sich bei der kleinstmöglichen Dimension für die Hausanschlussleitungen (2 x 25/175) eine Fließgeschwindigkeit von nur 0,45 m/s. Dies zeigt den starken Einfluss, den die jeweiligen Rahmenbedingungen auf die Planung eines Nahwärmenetzes haben – wobei sich auch dieses kleine Netz aufgrund der Kombination von PUR- und PEX-gedämmten Rohren durch eine hohe Wirtschaftlichkeit auszeichnet.