Anwendungsmöglichkeiten und -grenzen der Brauchwasserbereitung im Durchlaufprinzip

Anwendungsmöglichkeiten und -grenzen der Brauchwasserbereitung im Druchlaufprinzip bei der Sanierung der Abnehmeranlagen in typischen Fernwärmeversorgungsgebieten der neuen Bundesländer

Bearbeiter: Dipl.-Ing. K.-U. Bräunig, Dr.-Ing. W. Rasim
Institut für Energietechnik, Professur Energiewirtschaft: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Zschernig

1 Erklärung der zweistufigen Trinkwarmwasserbereitung im Durchlaufprinzip

1.1 Grundprinzip der Schaltung einer zweistufigen Trinkwassererwärmung im Durchlaufprinzip mit den zur Auslegung der Wärmeübertrager notwendigen Parametern

Der Schaltplan:

1.2 Allgemeines zur zweistufigen Trinkwassererwärmung im Durchlaufprinzip

Die im ausführlichen Bericht dargestellte zweistufige Schaltung im Durchlaufprinzip zur Trinkwassererwärmung stellt grundsätzlich keine Neuerung dar, da sie seit den 70er Jahren in der ehemaligen DDR in zahlreichen Stationen der Typenreihe HA 3 realisiert wurde. Deren durch die Materialsituation verursachten Mängel, z. B. eine unzureichenden Toleranz der Warmwassertemperatur, wurden jedoch durch andere aufwendige Maßnahmen (z. B. Spitzenspeicher) sowie durch teilweise sehr große Versorgungsgebiete einer einzelnen Station kompensiert.

1.3 Vorteile

(zum Teil resultierend durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
- Brennstoffeinsparungen
- niedrige CO₂ Emission
- dies soll erfolgen durch:- Verminderung oder Vermeidung des Nutzenergieverbrauchs
                                                 sowie Wirkungsgraderhöhung im Anwendungsbereich
                                            -Effektivitäts- bzw. Wirkungsgraderhöhungen bei der
                                              Förderung und beim Transport der Primärenergieträger und in
                                              den verschiedenen Umwandlungsverfahren der Energie
                                           - Ablösung fossiler Energieträger durch regenerative und
                                              anfallende Energie

1.4 Minderung der ökonomischen Vorteile

- durch Wärmeschutzmaßnahmen verringert sich der Wärmeverbrauch der Abnehmer; daraus folgt: Investition macht sich nicht oder nur ungenügend bezahlt
- hohe Kosten, die durch die in Punkt 1 genannten Gründe und wegen der aufwendigen und somit teuren Erzeugeranlagen und den erforderlichen Verteilungsnetzen an der Übergabestelle "Gebäude" nicht immer kompensiert werden können
-s inkende Strompreise und -gutschriften durch Liberalisierung der Energiewirtschaft

1.5 Meinung/Themenbegründung

Darüber hinaus besteht bei vielen Fachleuten eine unbegründete Abneigung gegenüber dem Durchlaufprinzip, so daß in vielen Fällen den zahlreichen, nicht einheitlichen und aufwendigen Varianten mit voluminösen Warmwasserspeichern der Vorzug gegeben wurde und wird.

Die Tendenz zu relativ kleinen Versorgungsgebieten bzw. einer Zahl von nur 20 oder weniger Wohnungen je Station zwang zu neuen Überlegungen, dieses sowohl kostengünstige als auch bezüglich der Rückwirkungen auf das Netz und die Stromerzeugung bei der KWK vorteilhafte zweistufige Durchlaufprinzip näher zu untersuchen und für diese Einsatzfälle zu verbessern bzw. zu modifizieren.

2 Projektbeschreibung und Zusammenarbeit

2.1 Ziel des Projektes

Das Ziel im Rahmen des beantragten Vorhabens war es, mit der Ermittlung einer optimalen Auslegung und Betriebsführung von Hausanschlußstationen in Fernwärmeversorgungssystemen zu einer Effektivitätserhöhung beizutragen und somit für den Erhalt des hohen Anteiles und den weiteren Ausbau der Fernwärme in den neuen und alten Bundesländern beizutragen.
Weiterhin werden damit Bedingungen geschaffen, mit Hilfe verringerter Netzrücklauftemperaturen die Stromerzeugung in den Erzeugeranlagen mit KWK zu erhöhen und somit den Brennstoffverbrauch und die CO₂ - Emission gegenüber der getrennten Wärme- und Stromerzeugung zu verringern.

2.2 Ablauf und Aussichten

Mit dem Ziel einer Minimierung der Gesamtkosten und Vereinheitlichung der Schaltungsvarianten erfolgte eine Neubewertung der Aufgaben der verschiedenen Baugruppen von Hausanschlußstationen unter Beachtung der sicherheitstechnischen Vorschriften. Dabei sollte der Einsatz von Bauelementen mit mehreren Funktionen gleichzeitig zur Vereinfachung des Anlagenaufbaues im Vordergrund stehen. Grundlagen zum Erreichen dieser Ziele bilden verfügbare Neuentwicklungen auf den Gebieten der Meß-, Rechen- und Stelltechnik.
Das entwickelte mathematische Modell ermöglicht unter Beachtung unterschiedlicher Randbedingungen die optimale Auslegung des Moduls zur Trinkwassererwärmung in Hausanschlußstationen. Basis für das Berechnungsmodell bildeten die Ergebnisse theoretischer und experimenteller Untersuchungen, wobei letztere sowohl an versorgungswirksamen Stationen als auch an der Fernwärmeversuchsanlage der TU Dresden erfolgten.
Ziel der Berechnungen ist die Ermittlung der optimalen Größe der Wärmeübertrager für die Trinkwarmwasserbereitung bei maximaler Ausnutzung des Gebäudeheizungsrücklaufs, womit unter verschiedenen Lastbedingungen verringerte Rücklauftemperaturen des Netzes erreicht werden.
Weiterhin wurden die hydraulischen und energetischen Rückwirkungen auf das Fernwärmenetz und die Erzeugeranlagen untersucht. Grundlage dieser Betrachtungen waren Daten von verschiedenen Fernwärmeversorgungsgebieten in den neuen Bundesländern. Hauptanliegen ist es, die Speicherkapazität der Fernwärmenetze zur Glättung der Bedarfsspitzen zu nutzen.

Bei der kommunalen Fernwärmeversorgung steigt wegen des in den nächsten Jahren weiter sinkenden spezifischen Heizwärmebedarfs der Anteil des Wärmebedarfs für die Trinkwassererwärmung und somit dessen Bedeutung. Die vielfach verwendeten Systeme mit Trinkwarmwasserspeichern, insbesondere wenn sie nicht optimal ausgelegt, sekundär eingebunden oder/und mit innenliegenden Heizschlangen ausgerüstet sind, erfordern unverhältnismäßig hohe Investitions- und Betriebskosten, sie verursachen durch ihre hohen Rücklauftemperaturen und Masseströme eine verringerte Stromerzeugung bei der KWK und erhöhte Aufwendungen beim Transport und bei der Verteilung der Wärme.

Diese Nachteile werden bei Anwendung der Ergebnisse des Vorhabens verringert, wodurch eine Senkung des Primärenergieverbrauchs und der CO2-Emission erreicht wird.

Weiterhin wird durch die Anwendung der im Vorhaben vorgeschlagenen Schaltungsvariante einer primär eingebundenen zweistufigen Trinkwassererwärmung nach dem Durchlaufprinzip infolge der Investitonskosteneinsparung gegenüber Speichersystemen die Wettbewerbsfähigkeit und Effektivität von Nah und Fernwärmeversorgungssystemen gefördert. Damit wird ein zusätzlicher Beitrag zum Erhalt der Fernwärmeversorgung in den neuen Bundesländern, zur Förderung der KWK und somit zur Energieeinsparung und Umweltentlastung geleistet. Zu diesem Ziel trägt auch die im Kapitel 3.4.1 des Hauptberichtes vorgeschlagene Vereinfachung der Anlagenschaltung bei.

3 Anwendungsmöglickeiten und -grenzen, Berichtergebnisse

3.1 Erfindungen und Schutzrechtsanmeldungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuer- und Regelung der Wassertemperatur in Heizungsanlagen, insbesondere bei der Warmwasserbereitung im Durchflußprinzip, mit einem Wärmeübertrager und einer zentralen Regeleinrichtung, wobei die Warmwassertemperatur am Austritt des Wärmeübertragers erfaßt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß

im Primärkreislauf die Ein- und Austrittstemperatur am Wärmeübertrager gemessen werden,
im Sekundärkreislauf die Wassertemperatur am Ein- und Austritt des Wärmeübertragers, sowie der Warmwasser-Volumenstrom gemessen werden,
die Meßwerte einem Regler zugeführt werden und daraus der benötigte primärseitige Volumenstrom berechnet wird,
unter Einbeziehung der Ventilkennlinie und des Primärdifferenzdruckes der notwendige Hub für des Stellventils bestimmt und als Stellsignal an das Stellventil ausgegeben wird.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens wird beschrieben.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sofort auf Veränderungen mehrerer Störgrößen schnell reagiert werden kann und somit eine geringe Toleranz der Warmwassertemperatur erreicht wird.

3.2 Ergebnisse

Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen zeigten, daß das zweistufige und auf der Primärseite der Hausanschlußstationen mit indirekter Einspeisung angeordnete und nach dem Durchflußprinzip arbeitende Modul zur Trinkwassererwärmung die optimalen Voraussetzungen für das Erreichen der oben genannten Ziele besitzt.

Bei der Wassererwärmung im Durchlaufprinzip besteht bei sachgerechter Auslegung der Komponenten eine bedarfsgerechte Versorgung mit Raumwärme und Trinkwarmwasser.
Vorteile: -geringerer Primärwasservolumenbedarf
-niedrige Netzrücklauftemperatur

Im Vergleich zu anderen Schaltungsvarianten können die Vorteile wie folgt beschrieben werden:

Es werden in der Heizperiode im Trinkwarmwasser-Bedarfszeitraum die niedrigsten Fernwärme-Rücklauftemperaturen erreicht.
Mit den niedrigen Fernwärme-Rücklauftemperaturen sind günstige Voraussetzungen für den Einsatz der KWK geschaffen.
Die Tagstromerzeugung in Heizkraftwerken steigt bei Einsatz von Hausanschlußstationen mit Durchlaufsystemen zur Trinkwassererwärmung gegenüber den Speicheranlagen, die nachts aufgeladen werden.
Für die Trinkwassererwärmung mit Rücklaufauskühlung sind die geringsten Fernwärme-Masseströme notwendig. Dadurch kann bei bestimmten Netzen bei durchgängiger Anwendung dieser Stationen die Pumpenleistung um bis zu 43 % gesenkt werden und es entsteht Kapazität zum Anschluß neuer Abnehmer.
Beim Neuaufbau von Fernwärmenetzen sind unter bestimmten Bedingungen geringere Rohrdimensionen und Pumpenleistungen notwendig.
In bestehenden Systemen erfolgt eine Senkung des Energieverbrauchs und der Betriebskosten durch
- verminderten Energieverbrauch der Pumpen (Primärnetz; Speicherladepumpe und Wärmeübertragerladepumpe im Sekundärnetz)
- verminderte Wärmeverluste der Rücklaufleitung
- entfallende Revision bzw. Reinigung der Speicher
- entfallende Wärmeverluste der Speicher.
Die hygienische Gefahr des Legionellenwachstums in Warmwasserspeichern ist prinzipiell beseitigt.
Weiterhin erfolgt eine Verringerung der Investitionskosten bis zu ca. 30 % durch die Einsparung der Trinkwarmwasserspeicher, Ladepumpe und weiterer Anlagenteile
Stationen mit Durchflußsystem benötigen den geringsten Raum- und Platzbedarf.

3.3 Vorraussetzungen

Folgende Randbedingungen sind beim Einsatz der zweistufigen Trinkwassererwärmung nach dem Durchflußprinzip zu beachten:

ermittelter maximaler Raumwärmebedarf sowie Heiznetztemperaturen
maximaler Wärmebedarf für die Trinkwassererwärmung, Gleichzeitigkeitsfaktor,
maximal mögliche Temperaturspreizung des Fernwärmenetzes im Sommerbetrieb bzw. minimale Fernwärmevorlauftemperatur,
primärseitige oder sekundärseitige Einbindung der Warmwasserbereitung,
Mengenbegrenzung nur für Raumwärme oder für Raumwärme und Trinkwassererwärmung.

Es sollte grundsätzlich für jede neu zu konzipierende Anlage unter Einbeziehung der oben genannten Komplexe untersucht werden, ob der Einsatz von zweistufigen Durchflußsystemen möglich ist.

4 Partner

Darüber hinaus wurden beim Zuwendungsempfänger Aufträge verschiedener Institutionen bearbeitet, deren Ergebnisse teilweise in das Vorhaben einflossen. Praxispartner waren u.a.: Stadtwerke bzw. Fernwärmeversorgungsunternehmen: Dresden (DREWAG), Chemnitz; Cottbus;
Hersteller von Stationen: WILO GmbH Oschersleben, Logotherm Haustechnik GmbH,

Förderung:
Das Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie gefördert.

Diese Seite wurde im Rahmen der Betreuung von Gymnasiasten von Benno Kretschmer erstellt.