Heizzentralen und Nahwärmenetze

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1 Haustechnik 1 Heizzentralen und Nahwärmenetze Versorgung von Niedrigenergiehäusern Teil 7 In den vergangenen Heften wurde über unterschiedliche Formen der Energieversorgung für Niedrigenergiehäuser berichtet. Regenerative Quellen und nachwachsende Rohstoffe standen dabei im Mittelpunkt. Doch alle Konzepte stellten Versorgungsmodelle vor, die jeweils ein Gebäude betrafen. Jetzt sollen Konzepte mit Heizzentralen für Hausgruppen oder Siedlungen vorgestellt werden. Auch hier werden Holzkessel und BHKW-Anlagen wieder im Mittelpunkt stehen, denn über Gas- und Ölkessel wird in anderen Veröffentlichungen genug berichtet. In diesem Heft wird neben der Zentrale das Nahwärmenetz betrachtet, denn in dieses wird normalerweise weitaus mehr Geld investiert als in die gesamte Heizzentrale. Die Hausübergabestationen und die speziellen Anforderungen bei BHKW-Betrieb werden im nächsten Heft genauer untersucht. Autor: Armin Grebe Die Vorteile solcher zentraler Lösungen liegen auf der Hand: Es gibt nur eine Technikzentrale, die gewartet werden muss, dezentral ist keine oder nur geringfügige Wartung notwendig. Die Investitionskosten lassen sich häufig senken, wenn ein privates Netz verlegt wird und die üblichen Hausanschlüsse der großen Versorger, zumindest teilweise, entfallen. An zentralen Stelle lassen sich ökologisch und ökonomisch sinnvolle Komponenten einbinden, die in Einfamilienhäusern auf Grund ihrer Größe nicht eingebaut werden können wie BHKW s, große Solaranlagen sowie Hackschnitzel- bzw. Pelletkesselanlagen (Bild 1, 2 und 3). BHKW-Anlagen Bei der Stromerzeugung in Großkraftwerken werden nur % der eingesetzten Primärenergie genutzt, der Rest verlässt als Abwärme die Kraftwerke und heizt unsere Flüsse und die Luft auf. Es macht daher Sinn, diese Ab wärme zu nutzen. Dezentral erfolgt dies mit Blockheizkraftwerken (BHKW s), bei denen ein Gasmotor einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Die dabei entstehende Wärme wird zur Beheizung und Warmwasserbereitung genutzt. BHKWs sparen gegen über der getrennten Stromund Wärmeerzeugung bis zu 40 % Primärenergie ein. Unter dem Aspekt des Umweltschutzes und des ressourcenschonenden Brennstoffeinsatzes sind Bild 1: Heizzentrale mit Hackschnitzelkessel und thermischer Solaranlage. Hinter dem Rolltor liegt das ebenerdige Hackschnitzellager (Heizzentrale Urbersdorf bei Güssing, Österreich) 56 3/2001

2 Bild 2: Hackschnitzellager (Heizzentrale Urbersdorf bei Güssing, Österreich) Haustechnik 2 Bild 3: Hackschnitzelkessel mit 450 kw, im Hintergrund die beiden Pufferspeicher mit 60 m 2, im Vordergrund links steht der Gas-Spitzenkessel. Von hier wierden über ein m langes Netz rund 80 Wohneinheiten versorgt. (Heizzentrale Urbersdorf bei Güssing) 3 rationelle Energietechniken gefordert, die Ökologie und Ökonomie vereinen. Die heutige BHKW-Technik kann beide Forderungen in hohem Maße erfüllen: Eine Energieausnutzung bis zu 90 %, wovon 1/3 als Strom bereitgestellt wird. Voraussetzung zur Installation eines BHKW ist die Bereitstellung eines zentralen Hauptstromanschlusses und einer zentralen Heizungsversorgung, d. h. es muss eine Heizzentrale und ein Netz zu den Verbrauchern vorhanden sein. Auf die Technik und Einbindung von BHKW s wird im nächsten Heft ausführlicher eingegangen. Zentrale Holzheizung Holz als Brennstoff kann sich nur dann in größerem Maßstab durchsetzen, wenn seine Wärme in einer Form angeboten wird, die denselben oder sogar noch 3/

3 Haustechnik 4 Bild 4: Einbindung eines Pufferspeichers als hydraulische Weiche Grafik: A.Grebe einen besseren Komfort bietet als Heizöl und Erdgas. Diese Form ist die Nahwärme. Drei technische Entwicklungen machen ein solches Angebot möglich: 1. Es sind die Holzaufbereitungsmethoden wie Hackschnitzel- und Pellettechnik, die es ermöglichen, Verbrennungsholz wirtschaftlich zu nutzen, d. h. mit geringem Aufwand an Arbeitskraft zu ernten bzw. aus Restholz aufzubereiten. 2. Es sind die modernen Techniken der Holzverbrennung in Spezialkesseln, die eine automatische und saubere Verbrennungen erlauben. 3. Und es sind die Techniken der flexiblen Nahwärmeleitungen, mit der kostengünstige Verlegungen von Nahwärmenetzen möglich sind. Heizzentralen Technisch gesehen sind die üblichen Heizzentralen, egal ob mit Gas- oder Ölkessel, mit Holzkessel oder mit BHKW, recht einfach aufgebaut. Bei ganz kleinen Anlagen, z.b. am Ende einer Reihenhauszeile, gibt es folgende Bestandteile: einen Kessel mit Regelung zur Wärmeerzeugung, eine Hauptpumpe, die die Wärme durch das Nahwärmenetz zu den Verbrauchern transportiert und eine Druckhaltung (Ausdehnungsgefäß), die dass Wasservolumen bei Erwärmung des Netzes aufnimmt. Bei Öl- und Holzkesseln kommt noch die Brennstoffbevorratung dazu. Werden die Anlagen größer, so wird die Wärmeerzeugung in Grundund Spitzenlastversorgung aufgeteilt. Lastspitzen Damit sich BHKW s und Holzkessel lohnen, müssen sie lange Betriebszeiten (Laufzeiten) haben. Somit werden sie klein ausgelegt und in die Grundlastversorgung eingebunden. Lastspitzen, z.b. an kalten Wintertagen, übernimmt ein Gas-Spitzenlastkessel, ein Pufferspeicher oder eine Kombination aus beiden. Mit zunehmender Dämmstärke der Häuser wird die Warmwasserbereitung der bestimmende Parameter für die Dimensionierung der Anlage (Grundlastkessel, Spitzenlastkessel, Pufferspeicher). Je flacher die Lastspitzen ausfallen, um so einfacher wird die Regelung der Anlage. Hydraulische Trennung Die Wärmeerzeuger benötigen fast immer einen anderen Wasserdurchsatz als das Abnahmenetz. Damit sich Kesselanlage und Netz nicht gegenseitig störend beeinflussen, hat sich insbesondere bei Mehrkesselanlagen eine hydraulische Entkopplung zwischen Wärmeerzeugern und Netz bewährt, die sogenannte hydraulische Weiche. Ist ein Pufferspeicher vorhanden, lässt sich dieser hervorragend als hydraulische Weiche nutzen (Bild 4). Nahwärmenetz Wenn man von unterkellerten Reihenhäusern oder solchen mit Kriechkellern absieht, ist die sinn- 58 3/2001

4 vollste Variante, die Wärme zu den Abnehmern zu führen, der Einsatz von erdverlegten Nahwärmerohren. Es werden fertig gedämmte Rohrleitungen genutzt, die nur noch an den notwendigen Abzweigen und Verbindungsstellen nachisoliert werden müssen. In diesen Rohren zirkuliert Heizungswasser das gesamte Jahr über: im Winter zur Wärmeversorgung, Sommer wie Winter zur Warmwasserbereitung. Wird hier nicht genügend gedämmt, erreichen die Wärmeverluste des Rohrnetzes schnell die gleiche Größenordnung wie der Verbrauch für Warmwasser und Heizung bei Niedrigenergiehäusern. Wurden früher hauptsächlich isolierte Stahlrohre verlegt, haben sich inzwischen insbesondere in kleinen Netzen und für Hausanschlussleitungen flexible Rohre von der Rolle durchgesetzt. Das Material dieser Rohre ist üblicherweise Polyethylen (PE-X) für das Innenrohr und PE-HD für das Außenrohr. Die Rohre sind sauerstoffdicht und temperaturbeständig bis 90 C. Sie sind somit in Nahwärmenetzen ohne Systemtrennung einsetzbar. Erst bei großen Rohrdimensionen (DN 100 und größer) und bei Temperaturen über 95 C im Vorlauf sind Stahlrohre nicht zu ersetzen. Verlegekosten Flexible Rohrleitungen reduzieren die Verlegekosten der Nahwärmeversorgung erheblich. Die Gräben können sehr schmal ausgeführt werden, da innerhalb des Grabens keine Arbeiten ausgeführt werden müssen. Nur im Bereich von Abzweigen muss Arbeitsraum geschaffen werden. Die Kunststoff-Nahwärmerohrleitungen können, in Abhängigkeit der Mediumrohr-Durchmesser, bis zu einer Länge von 200 m direkt von der Rolle in den Graben verlegt werden Bei der Verlegung größerer Längen und Dimensionen können Zugvorrichtungen für das Mediumrohr verwendet werden, die mit einer Handwinde oder Umlenkrolle verbunden sind. Die thermischen Längenänderungen der PE-X Mediumrohre werden innerhalb des Systems aufgenommen. Dadurch sind Dehnungsbögen und Fixpunkte nicht erforderlich. Eine wellenförmige Verlegung unterstützt die Kompensation. Haustechnik Anzeige 3/

5 Haustechnik 5 Bild 5: Bohrfahrzeug für Spülbohrung (Flowtex). Erstellt wird eine Straßenquerung zu einer vorhandenen Heizzentrale. Foto: A.Grebe Spülbohrung Die Verlegung im offenen Graben ist für kurze Leitungen oder im nicht bebauten Gelände die häufigste Verlegeart und für Neubaugebiete sicherlich auch die sinnvollste. Für längere Strecken aber oder wenn die Verlegung im offenen Graben nicht möglich ist, können flexible Rohre im Spülbohrverfahren eingebracht werden. Vorgärten müssen, bei Anschluss von bestehender Bebauung, nicht umgegraben werden. Straßen, bestehende Gebäude, Grünzüge, Bäche oder Kanalrohre können unterquert werden. Dies kann erhebliche Preisvorteile mit sich bringen. Insbesondere beim Anschluss bestehender Bebauung oder Einbindung neuer Gebäude an eine bestehende Zentrale können Spülbohrungen sinnvoll sein. Von einer Startgrube aus wird eine Bohrlanze in das Erdreich gedrückt und spült vor sich den Weg durch einen Hochdruckwasserstrahl frei (Bild 5). Durch Zugabe von Bentonit wird dabei der gespülte Tunnel stabilisiert. Der Weg der Bohrung wird überwacht durch einen Sender im Bohrkopf, durch den die genaue Lage und Tiefe des Bohrkopfes bestimmt werden kann. An der Zielgrube angekommen, wird der Kopf gegen einen Aufweitekopf ausgetauscht, an den das einzuziehende Rohr angehängt wird (Bild 6). Dann wird das Rohr gewissermaßen rückwärts in die Spülbohrung eingezogen. Bei sehr starken Rohren muss gegebenenfalls eine zusätzliche Aufweitung erfolgen, bevor das Rohr eingezogen wird. Bild 7: Nahwärmerohre im offenen Graben, Anschluss von Niedrigenergiehäusern in Holzrahmenbauweise. Foto: A.Grebe 6 Bild 6: Aufweitekopf für eine Spülbohrung. Eingezogen wird ein Nahwärmerohr DN 80 zur Versorgung eines neuen Baugebietes mit ca. 60 Wohneinheiten an einer bestehenden Heizzentrale. Straßenquerung unterhalb der Kanalsohle in ca. 4,20 Tiefe, Biegeradius dabei in horizontaler Richtung ca. 5 Meter. Foto: A.Grebe Anzeige /2001

6 Biegeradien Die vorgeschriebenen minimalen Biegeradien (s. Produktdatenblätter der Hersteller) dürfen sowohl während der Verlegung als auch bei der endgültigen Lage der Rohrleitungen nicht unterschritten werden. Dies gilt für die Einbringung im Spülbohrverfahren genauso wie für die offene Verlegung. Die Einführungen von Hausanschlussleitungen sollten immer mit Radien größer 1 Meter eingeplant werden. Bei Spülbohrungen liegen die Mindestradien bei 4 bis 5 Metern. Bauablauf: Extrem wichtig ist bei der Verlegung von Nahwärmerohren die genaue Terminierung der Tiefbauarbeiten, besonders bei zeitlich eng kalkulierten Baustellen. Je nach Witterung und Bodenbeschaffenheit können solche Arbeiten zu einer wahren Schlammschlacht werden (Bild 7). Gerade bei offener Verlegung ist zudem die Zugänglichkeit zu den Gebäuden stark eingeschränkt, sowohl durch die Gräben selbst als auch durch den Aushub. Dabei behindern häufig Gerüste die Grabenarbeiten zu den Hausanschlussräumen, andererseits kann die Standsicherheit der Gerüste selbst durch die Gräben gefährdet werden. Entweder sollten die Versorgungsleitungen nach der Erstellung der Bodenplatten bzw. Keller verlegt werden oder es wird bis kurz vor Fertigstellung gewartet. Spülen des Rohrnetzes Der Schutz der Innenrohre gegen Verschmutzung während der Montagearbeiten sollte selbstverständlich sein. Doch ersetzt er keinesfalls ein gründliches Spülen vor Inbetriebnahme des Netzes. Ohne ein Spülprotokoll darf das Netz nicht in Betrieb genommen werden und darf kein Anschluss einer Hausstation erfolgen. 8 9 Bild 9: Verbindungsmuffe für flexible Nahwärmerohre. Zu erkennen sind die Isolierhalbschalen und die Schrumpfmuffe (rechts über das Rohr Bild 8: Abzweig für Hausanschluss bei flexiblen Nahwärmerohren. Verbindung muss noch isoliert werden. geschoben), die mit dem Brenner erhitzt wird und dann für einen wasserdichten äußeren Mantel sorgt. Haustechnik Anzeige 3/