Wirtschaftliche Dimensionierung von Fernwärmeleitungen
Anstatt auf Erfahrungswerte oder Druckverlust-Kurven bei der Dimensionierung von Fernwärme-Leitungen zu setzen, ist aus wirtschaftlichen Überlegungen eine ganzheitliche Betrachtung sinnvoll, die neben Investitionskosten auch die Stromkosten für die Umwälzpumpe sowie die Wärmeverluste der Rohroberfläche berücksichtigt. Mit diesem Excel-Tool steht der wirtschaftlichen Auslegung von Fernwärmeleitungen nichts mehr im Weg.
Planungskriterium „Wirtschaftlichkeit“ - Die Rohrdimension einer Fernwärmeleitung hat großen Einfluss auf die Betriebskosten des Rohrnetzes. So liegen die Kosten für Pumpenergie und Wärmeverluste erheblich über den Investitionskosten.
Der Ausbau von Fernwärmenetzen in Deutschland beschränkt sich nicht allein auf wenige Ballungszentren. Durch den vermehrten Einsatz von Erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung werden in Deutschland viele Kilometer Nahwärmenetze gebaut.
Bei der Dimensionierung der Rohrleitungen stellt sich dem Planer allerdings zwangsläufig die Frage, welches System und welche Rohrleitungsdimension zur Anwendung kommen sollen.
Mit dem Excel-Tool können alle planungsrelevanten Parameter zum Betrieb, bis hin zu den Rohrsystemdaten berücksichtigt werden.
DIMENSIONIERUNGSKRITERIUM - WIRTSCHAFTLICHKEIT
Dieser Frage ist Dipl.-Ing. Herbert Ackermann, Oberstudienrat der Franz Oberthür-Technikerschule in Würzburg nachgegangen. Das Ergebnis ist ein Excel-Tool, mit dem die Kosten einer Fernwärmeleitung ganzheitlich betrachtet werden können. So gehen neben den Investitionskosten auch die Kosten für den Transport des Heizmediums sowie die Wärmeverluste über die Rohroberfläche mit in die Dimensionierungsüberlegung ein.
Das Programm ermittelt auf dieser Basis die Vollkosten eines Rohrsystems und wirft die wirtschaftlichste Dimension als Ergebnis aus.
Dabei sind die Grunddaten der Rohrleitungen in einer Excel-Tabelle hinterlegt. Hier sind neben den Rohrreibungsdruckgefälle und dem Wärmeverlust in W/mK auch die Preise je Meter Rohr bzw. Trasse sowie der Abzweigstücke hinterlegt. In die Tabelle kann der Anwender des Tools selbstverständlich eigene Daten für Rohrdaten, Preisangaben oder Schätzkosten für Single- oder Twin-Rohrsysteme hinterlegen.
Das Kosten-Optimum wird für die 13 untersuchten Rohrdimensionen für Single- (1-8) oder Twin-Rohr (9-13) grafisch dargestellt.
WÄRMEVERLUSTE DOMINIEREN DIE GESAMTKOSTEN
Die einzugebenden Planungsparameter, wie beispielsweise der Kalkulationszinssatz oder die Nutzungsdauer sowie Stromtarif, Temperaturen des Heizmediums und der Wärmepreis sind in grün markierte Felder einzutragen. Bei der Ermittlung des jährlichen Stromverbrauchs für die Umwälzpumpen zum Betrieb des Leitungsnetzes kann auf Auslegungsprogramme der Pumpenhersteller zurückgegriffen werden, die für die gewählte Betriebsdauer sowie den benötigten Differenzdruck und Volumenstrom den jeweiligen Strombedarf ausgeben. Der hydraulisch ungünstigste Strang wird im Berechnungsblatt zusätzlich mit einer "1" markiert.
Sind die Daten auf die zu planende Anlage abgestimmt, kann mit der Optimierung der Leitungsabschnitte begonnen werden. Dazu müssen im Berechnungsblatt die Längen der einzelnen Leitungsteile eingegeben werden. Die Kosten der Abzweige werden für die Ermittlung der Investitionskosten auf den Preis je m Trassenlänge aufgeschlagen.
Als Beispiel soll eine Leitung mit einer Wärmetransportleistung von 100 kW bei 20 K Temperaturspreizung dienen.
Im gewählten Beispiel zeigen sich für die wirtschaftlichste Rohrdimension "ungewohnt" hohe Fließgeschwindigkeiten und Rohrreibungswiderstände. Bei einer Auslegung nach dem Rohrreibungsdruckgefälle wäre man sicher zu größeren Dimensionen gekommen.
KOSTENMINIMUM BEI HOHEM DRUCKGEFÄLLE
Die grafische Auswertung liefert das Kostenminimum aus verschiedenen Rohrdimensionen für Single-Rohre (Balken 1 - 8) sowie für Twin-Rohre (Balken 9 - 13). Es ergibt sich mit 11,55 Euro je m Rohrstrecke einschließlich Abzweigen für das Twin-Rohr mit der Abmessung 50 x 40,8 mm (Balken 12). "Das Beispiel zeigt, das sich im Optimum ungewohnt hohe Strömungsgeschwindigkeiten und R-Werte ergeben. Würde man hier mit üblichen R-Werten dimensionieren, so käme man sicher zu größeren, aber auch unwirtschaftlicheren Rohrdimensionen", erklärt Ackermann die Ergebnisse der Optimierungsrechnung.
Wenn der ungünstigste Strang auf diese Art und Weise optimiert worden ist, sollte auf jeden Fall noch einmal kontrolliert werden, ob die Eingangsdaten der Pumpe noch passen. Falls nicht, muss noch einmal mit geänderten Daten gerechnet werden.
Das Software-Tool kann bei der Franz-Oberthür-Schule unter E-Mail: Ackermann.Herbert@franz-oberthuer-schule.de angefordert oder in unserem Downloadbereich in der Rubrik "Tool des Monats" auf www.ikz.de heruntergeladen werden.
www.ikz.de/tool-des-monats
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