DE4312811C1 - Fernheizeinrichtung als Einrohr mit Mehrfacheinspeisung in eine oder mehrere Hauptversorgungsleitungen - Google Patents

Description

Aus der Literatur sind Fernheizeinrichtungen als Einrohr mit Wärmeverbraucher im Nebenschluß bekannt. Diese wurden so ausgelegt, daß auch der letzte Wärmeverbraucher nach Möglichkeit die gleiche Temperatur angeboten bekommt, ob das notwendig war oder nicht.

Diese Art der Wärmeenergienutzung kann energetisch nicht optimal sein. In der Patentschrift DE 25 56 772 ist eine Fernheizeinrichtung als Einrohr mit fallender Belastungskennlinie beschrieben (Nebenschlußcharakter). Hier wurden um das zentrale Heizkraftwerk verhältnismäßig große Temperaturzonen willkürlich gebildet. Dieser groben Temperaturstufung mußten sich alle Wärmeverbraucher schematisch anpassen, so daß individuelle Temperaturwünsche nicht gut berücksichtigt werden konnten. Darum war die Akzeptanz dieses Fernheizsystem nicht besonders groß. Es war von Anfang an ein separater Rücklauf für das kalte Wasser vorgesehen.

Dem Patent DE 25 56 772 lag der Grundgedanke zugrunde, nicht jedem Wärmeverbraucher die gleiche Temperatur zuzubilligen. Das ist zweifelsfrei der richtige Ansatzpunkt. Nur der im Bereich der Hauptversorgungsleitung von Anfang an parallel geführte Rücklauf zum Vorlauf verteuerte das Verteilnetz, und war ein Hindernis für die Mehrfacheinspeisung in dieses Verteilnetz.

Eine andere Einrohrheizung mit Zwangsdurchlauf ist aus der Gebäudeheizung bekannt (Reihenschlußcharakter). Auch hiermit ließe sich eine große Temperaturdynamik verwirklichen. Da hierbei der gesamte Massestrom durch sämtliche Heizkörper strömt, ist diese Art als Fernheizeinrichtung nicht zu gebrauchen. Bei den bekannten Fernheizeinrichtungen als Einrohr mit dem Wärmeverbraucher im Nebenschluß - bei der gleichen Einrohrheizung im Gebäude - werden zur Regelung des Durchflusses beim Heizkörper, in der sogenannten Kurzschlußstrecke, Drosselscheiben, Rohreinschnürungen oder Spezialventile mit der gleichen Wirkung verwendet. Diese machen nicht nur das Rohrnetz teurer sondern verhindern in der Hauptversorgungsleitung, daß sich ein möglichst ungehinderter Volumenstrom erreichen läßt. Nur unter diesen Umständen ist die mehrfache Einspeisung maximaler Netznennleistung praktisch durchzuführen.

In der Offenlegungsschrift DE 38 03 937 ist beschrieben, wie in den nachgeordneten Kreisen mit Hilfe von kleinen dezentral angeordneten Speichereinheiten, für eine kurze Zeit, eine große Beeinflussung der Belastungskennlinie erfolgen kann. Da in den nachgeordneten Kreisen die Rohrdurchmesser verhältnismäßig klein sind, und die Strömung durch Drosselscheiben und Rohreinschnürungen behindert war, könnte hier eine Mehrfacheinspeisung nicht zufriedenstellend wirken.

In einem Temperatur-Weg-Diagramm, in dem die Wärmeleistung konstant gehalten wird und eine unendliche Anzahl kleinster Wärmeverbraucher wirkt, charakterisiert die Steilheit dieser Belastungskennlinie die Eigenschaft des Verteilnetzes wie es allgemein auf Wärmebelastung mit einem Temperaturabfall reagiert (z. B. hat danach die Haus-Einrohrheizung eine flache Belastungskennlinie).

Die Fig. 1 der DE-OS 38 03 937 dient der gedanklichen Vorstellung, wie man sich das Anheben der Temperatur und deren Verlauf auf der Strecke vorstellen kann. Wie die Lösung steuerungstechnisch erreicht werden kann, ist in dieser Fig. 1 nicht offenbart.

Es besteht aber die nicht auf dem ersten Blick erkennbare außerordentliche Schwierigkeit das Medium hier gezielt steuern zu können.

Eine zusätzliche Forderung aus energetischen und funktionellen Gründen besteht darin, daß das Temperaturgefälle und die Strömung des Mediums in der Rohrleitung unbedingt in die gleiche Richtung laufen müssen.

Je tiefer man in eine maschenartige Struktur des Verteilnetzes eindringt, um so komplexer werden Steuerungsvorgänge. Unter diesen Umständen war eine theoretische Vorausberechnung noch eine praktische Einhaltung der Parameter wie Rohrquerschnitt, Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur kaum einzuhalten und waren zuletzt nicht mehr beherrschbar. Von dem dabei benötigten 8-10mal höheren elektrischen Pumpenstromaufwand einmal ganz abgesehen. Fernwärmeexperten vermuteten sogar die Möglichkeit einer Strömungsumkehr!

Diese Nachteile werden bei meiner Erfindung vermieden.

Es mußte also radikal umgedacht und nach neuen Wegen gesucht werden, um das komplexe Problem der Steuerung dieses Einrohrsystems in einer maschenartigen Verteilstruktur sicher zu lösen.

In der Praxis zeigt sich nun, daß es heute Heizungseinrichtungen beim Verbraucher dicht nebeneinander mit sehr unterschiedlichem Temperaturbedarf gibt. Dem kommt meine Erfindung sehr entgegen. Insbesondere kann hier die überragende Bedeutung einer stark fallenden Belastungskennlinie zu phänomenalen Eigenschaften genutzt werden (Nebenschlußcharakter).

Erst die Mehrfacheinspeisung in die Hauptversorgungsleitung und die Befreiung von allen bisher aufgezeigten Mängeln eröffnet völlig neue Perspektiven für die Rohrnetzkosten, Betriebskosten und das Ausnutzen unterschiedlicher Wärmequellen. Die Einspeisepunkte in der Hauptversorgungsleitung prägen im groben Raster die Temperaturzonen und Einflußbereiche, während in den "engsten Räumen" die Feinabstimmung der Temperaturzonen erfolgt. Der engste Raum ist hier als das anschlußwillige Grundstück zu betrachten, welches an die Fernheizeinrichtung angeschlossen wird.

Bei meiner Fernheizeinrichtung wird die Regelung des Durchflusses bis zum Verbraucher und in den nachgeordneten Ringleitungen (6) über Pumpen vorgenommen. Über ein genaues Verhältnis von Wärmeleistungsangebot und Wärmebelastung durch Wärmeverbraucher wird eine gewünschte und genau definierte Absenkung der Mediumtemperatur erreicht sowie unterschiedliche Temperaturzonen auf engstem Raum gebildet. Die Endbereiche dieser Temperaturzonen mit den dort herrschenden Rücklauftemperaturen münden in die Hauptversorgungsleitung (3) und markieren die Orte für die mehrfache Leistungseinspeisung. Dieses wird einerseits durch eine entsprechende Dimensionierung der Rohrleitung und andererseits durch entsprechende Einwirkung auf die Verbraucher gesteuert.

Ein separater Rücklauf wird nur noch für die verhältnismäßig kurze Strecke vom Heizkraftwerk (1) bzw. Einspeisepunkt (2) in die Hauptversorgungsleitung benötigt. Es handelt sich hier grundlegend um ein echtes Einrohr. Die Verbindung zum Hausanschluß wird mit einer extra entwickelten Rohr-in- Rohr-Leitung hergestellt.

In der herkömmlichen Zweileiter-Fernwärme werden 67%-75% der gesamten Kosten für die Fernwärmeanlage beim Rohrnetz aufgewendet! In verschiedenen Studien wird über die Heizungsstruktur folgendes berichtet: Der Anteil der Zentralheizung liegt in Deutschland durchgängig bei 2/3 der Gesamtheizungen. Danach sind noch etwa 1/3 der Haushalte mit Einzelofenheizung ausgestattet. Nach diesen Studien bräuchte nur etwa jeder 5. Verbraucher zu einer Heizungsumstellung mit niedrigerem Temperaturbedarf bewegt werden, weil bei der Umstellung von der Einzelofenheizung auf Zentralheizung in jedem Fall neue Heizkörper benötigt werden. Diese Umstellungskosten der Heizkörper auf teilweise niedrig temperierte Heizkörperspreizung können durch die enormen Betriebskosteneinsparungen meiner Fernheizeinrichtung leicht aufgebracht werden und führen zu einer breiten Akzeptanz beim Verbraucher. In der heutigen Heizungsstruktur findet man in verhältnismäßig eng begrenzten Gebieten sehr unterschiedliche Heizkörperspreizungen vor (z. B. Kaufhaus mit Klimaanlage 40°C/25°C, nebenan ein Bürogebäude mit Heizkörperspreizung 90°C/70°C und etwas weiter ein modernes Wohngebäude mit Heizkörperspreizung 70°C/55°C oder gar mit einer Warmwasser-Fußbodenheizung mit 45°C/30°C ausgerüstet). Diese verschieden ausgestatteten Heizungsarten werden bei mir systematisch erfaßt, und auf diese Art wird die Linienführung der Fernwärmeleitung mitbestimmt.

Die Fig. 2 zeigt wie in drei Hauptversorgungsleitungen (3) jeweils von zwei Einspeisepunkten (2) aus Wärmeenergie zugeführt wird. Die gewünschte oder vorgefundene Heizkörperspreizung kann durch Lage und Anzahl der Einspeisepunkte, sowie Anpassung der Strömungsrichtung auf ein Optimum für die meisten Verbraucher vorgeplant werden. Ein ganz wichtiger Aspekt ist hierbei noch die Versorgungssicherheit. Wird durch Änderungs-, Erweiterungs- oder Reparaturarbeiten am Rohrleitungsnetz eine Stillegung erforderlich, so braucht jeweils nur ein Teilnetz außer Betrieb gesetzt werden.

Die Fig. 1 zeigt eine Hauptversorgungsleitung (3) mit zentralem Heizkraftwerk (1) mehreren vorbereiteten Einspeisepunkten (2), welche erst bei Bedarf angeschlossen werden. Bei der herkömmlichen Fernwärme muß vorher ein Verteilnetz für den Vollanschluß sämtlicher möglicher Wärmeverbraucher in Maximalausführung gebaut werden. Weiterhin muß man wissen, daß in der Regel erst in 12-15 Jahren nur rund 50% der möglichen Wärmeverbraucher auch an die Fernwärme angeschlossen sind. Das verursacht außerordentlich hohe Anlaufkosten und eine schlechte Rendite.

Fig. 3 zeigt die Aufteilung der Hauptversorgungsleitung in mehrere Teilstränge (4+5). Diese Teilstränge sind in der Regel wesentlich größer bemessen als nachgeordnete Ringleitungen (6) oder sogenannte Schleifen (7), und deshalb leistungsfähiger. In Kombination mit den Fig. 1 bis 4 lassen sich vor Ort alle Leistungsanforderungen der Verbraucher sicher beherrschen.

Fig. 4 zeigt schematisch einen offenen Kreislauf. Diese Möglichkeit als echtes Einrohr mit der gleichen Belastungscharakteristik bietet fast die gleichen Vorteile wie hier beim geschlossenen Kreislauf. Der Nachteil des offenen Kreislaufs liegt hier im wesentlichen in den Kosten der Wasseraufbereitung, im Sauerstoffeintrag und der darausfolgenden Korrosionsgefahr für das Leitungsnetz begründet. In dichteren Ballungsräumen mit mehreren zu versorgenden Ortschaften hintereinander und mehreren Einspeisepunkten, kann die Wasseraufbereitung dann aber wirtschaftlich werden, wenn die anderen Randbedingungen stimmen.

Das Verteilnetz wird in Minimalausführung gebaut und wächst über die wachsende Heizkörperspreizung mit dem Anschluß der Verbraucher, sowie mit den Einspeisepunkten in der thermischen Transportleistung. Eine kostenintensive Vorleistung für das Verteilnetz entfällt!

Grundsätzlich ist eine große Temperaturspreizung des Verteilnetzes für das herkömmliche Fernwärmesystem wie auch für meine Fernheizeinrichtung außerordentlich wichtig. Diese Hauptversorgungsleitung (3) wird größenmäßig so dimensioniert, daß mindestens ein Drittel oder auch die Hälfte der Gesamtverbraucher mit der Heizkörperspreizung z. B. 90°C/70°C sofort angeschlossen werden können. Das zweite Drittel der Verbraucher, die eine Heizkörperspreizung z. B. 70°C/55°C besitzen, wird nach Bedarf über einen Zeitraum von 10-12 Jahren verteilt und das letzte Drittel der Verbraucher, deren Heizkörperspreizung z. B. 55°C/40°C beträgt, nach Bedarf vielleicht erst in 15-20 Jahren angeschlossen. Wichtig ist zu erkennen, daß die große Temperaturspreizung des Verteilnetzes über diese drei Teilschritte bedarfsangepaßt im Endstadium des Vollanschlusses wirksam bleibt und dieser ständig ablaufende Mischungsvorgang über mehrere große Teilschritte die notwendige Absenkung des Temperaturbedarfs beim Verbraucher steuert. Diese Heizkörperumstellung vollzieht sich in einem geordneten Rahmen über einen verhältnismäßig langen Zeitraum hinweg.

Das heißt, diese drei großen Teilschritte drücken die zeitliche Entkoppelung des Einsatzes der verschiedenen Heizkörper mit unterschiedlichem Temperaturbedarf aus. Trotzdem kann das Verteilnetz - in einer bisher vorhandenen Versorgungsstruktur z. B. auf Heizölbasis - in Minimalausführung gebaut werden, so als würden alle notwendigen Änderungen der Heizkörperspreizung bei Vollanschluß der Wärmeverbraucher sofort durchgeführt.

Mit der wachsenden Gesamtheizkörperspreizung wird auch der niedrigere Temperaturbedarf der Wärmeverbraucher erschlossen und weitet gleichzeitig die Temperaturspreizung des Verteilnetzes in die unteren Temperaturbereiche aus. Dieser Vorteil der großen Temperaturspreizung des Verteilnetzes konnte beim herkömmlichen Fernwärmesystem nur einmal genutzt werden.

Bei meiner Fernheizeinrichtung kann dieser Vorteil durch Mehrfacheinspeisung oder dem sogenannten Temperaturhub mehrfach mit allen daraus folgenden Konsequenzen wirksam werden.

Anhand der Gleichung für die thermische Transportleistung läßt sich die außerordentliche Wirkung dieses Phänomens besser nachvollziehen.

Transportleistung P_th = A · w · ρ · Cp · ΔT, in (J/s) bzw. (W) dem Strömungsquerschnitt A in (m²), der Strömungsgeschwindigkeit w in (m/s) der Dichte ρ (kg/m³), der spezifischen Wärme Cp in (J/kg · K), der Temperaturdifferenz ΔT in (K).

Man kann diesen Temperaturhub auch als Leistungsverzweigung bezeichnen. Das Phänomen dieses Temperaturhubs möchte ich an einem einfachen Beispiel gedanklich erläutern.

In einem Verteilnetz mit zentralem Wärmekraftwerk wird bekanntlich die Rücklauftemperatur wieder auf die gewünschte Vorlauftemperatur des Verteilnetzes "angehoben". Durch gezieltes Absenken des Temperaturbedarfs beim Verbraucher bzw. Steuerung der Arbeitstemperatur kann ich bei der Planung gemäß den Patentansprüchen darauf hinwirken, daß die Leitungstemperatur bzw. das Medium, an einer bestimmten Stelle den Wert wird die Rücklauftemperatur beim ursprünglichen Wärmekraftwerk angenommen hat. An dieser Stelle kann ein neues Wärmekraftwerk bzw. Einspeisepunkt in das Verteilnetz einspeisen und die Temperatur wieder anheben. Da die Strömungsgeschwindigkeit und der Rohrquerschnitt gleich bleiben, ist das kein Problem (s. Gleichung für die thermische Transportleistung).

Je mehr Einspeisepunkte vorhanden sind, um so individueller kann auf die Temperaturwünsche der Verbraucher eingegangen werden und um so enger die Gebiete mit unterschiedlichem Temperaturniveau werden, desto leistungsfähiger wird das Verteilnetz. Das Optimum liegt nach überschlägiger Ermittlung bei etwa 5-7 Einspeisepunkten.

Über 50% der Wärmeverlusteinsparung beruhen auf dem guten Einklang mit dem 2. Hauptsatz der Wärmelehre. Die restliche Wärmeverlusteinsparung im Vergleich zur herkömmlichen Fernwärme kommt durch größere zulässige Strömungsgeschwindigkeit, Verringerung der Rohrdurchmesser und durch Fortfall des separaten Rücklaufs zustande.

An einem realistischen Beispiel nach Fig. 1 sollen die Auswirkungen der Mehrfacheinspeisung im Vergleich zum herkömmlichen Fernwärmesystem aufgezeigt werden.

Am Rande einer Großstadt befinde sich ein mittleres Kraftwerk zur Stromerzeugung. In einer geplanten Ausbaustufe ist auch an die Bereitstellung von Fernwärme mittels sogenannter Kraft-Wärme-Kopplung gedacht. Im Rahmen einer Vorerhebung stimmen mehr als 25% der Hauseigentümer dem Anschluß an das geplante Fernwärmenetz zu. Weitere 25% erklärten im Laufe von 6-12 Jahren ihre Bereitschaft hierzu, wenn ihre alte mit Heizöl betriebene Zentralheizung erneuert werden müßte. Eine andere Hauseigentümergruppe mit rund 20%, welche noch Einzelofenheizung besaßen, wollten ebenfalls im Laufe von 6-12 Jahren bei Haussanierungsmaßnahmen auf Fernwärme umsteigen. Die restlichen 30% verhielten sich unbestimmt.

Das Fernwärmenetz wurde gebaut. Die Energiebedarfsermittlung hat z. B. ergeben, daß rund 150 MW als Nennlast nach Vollausbau des Rohrnetzes verteilt werden müssen. Die max. Vorlauftemperatur soll 110°C nicht überschreiten und die Rücklauftemperatur beim herkömmlichen Fernwärmesystem mit Normalheizkörperspreizung beträgt 70°C und somit wird die Temperaturspreizung ΔT des Verteilnetzes in diesem Fall 40°K betragen. Bei einer oberen Strömungsgeschwindigkeit von 3,7 m/s wird ein Rohrdurchmesser von 555 mm erforderlich. Es wird ein Normdurchmesser DN 600 als Ausgangsbasis gewählt. Die Kosten dieser Doppelleitung betragen nach einer Graphik von Ende 1984 für den mittleren Verlegeschwierigkeitsgrad rund 2850,- DM/m.

Bei meiner Fernheizeinrichtung sieht die Lösung dieses Problems erfindungsgemäß ganz anders aus. Das Verteilnetz wird in Minimalausführung gebaut. 150 MW verzweigen sich in drei gleich große Einspeisequellen von je 50 MW, auf die Hauptversorgungsleitung verteilt. Für die Anfangsphase braucht hier in der Regel für das gesamte Verteilnetz nur ein Einspeisepunkt mit 50 MW angeschlossen werden. Die anderen Einspeisepunkte werden bei Bedarf in aktiven Zustand versetzt. Die sogenannte Rücklauftemperatur - eine separate Rücklaufleitung ist bei einem echten Einrohr hier nicht vorhanden - beträgt 40°C und somit wird die Temperaturspreizung ΔT der Hauptversorgungsleitung und der nachgeordneten Teilnetze 70°K betragen. Die Strömungsgeschwindigkeit bei diesem zu erwartenden Rohrdurchmesser liegt im Mittelfeld für wirtschaftliche Strömungsgeschwindigkeit bei 3,3 m/s, das ergibt einen erforderlichen Rohrdurchmesser von rund 256 mm. Es wird der nächstgelegene Normdurchmesser DN 250 als Ausgangsbasis für die Hauptversorgungsleitung gewählt. Bei fünf Einspeisepunkten und einer Strömungsgeschwindigkeit von 3,2 m/s wäre ein Rohrdurchmesser von 201,8 mm erforderlich. Bei fünf Einspeisepunkten wird ein Normdurchmesser DN 200 gewählt.

Bei der oben zitierten Graphik kostet eine Doppelleitung mit dem Normdurchmesser DN 250 rund 1500,- DM/m. Als echtes Einrohr mit dem daraus folgenden leichten Verlegeschwierigkeitsgrad und der erheblichen Einsparung bei den Tiefbaukosten ist sicherlich jetzt ein Rohrverlegepreis von 500,- DM/m angemessen.

Diese Einsparungen wirken nicht nur bei den Rohrleitungskosten, sondern gleichzeitig bei den Wärmeverlusten und der elektrischen Pumpenleistung in ähnlicher Größenordnung weiter. Wer dies anzweifelt, sollte sich die Gleichung für die thermische Transportleistung anschauen und vielleicht das Beispiel mit DN 200 nachvollziehen. Wichtig ist noch bei dieser Gegenüberstellung, daß keine astronomischen Anlaufkosten wie bei der herkömmlichen Fernwärme anfallen.

Bei meiner Fernheizeinrichtung wird in der Tat Wärmeenergie verteilt und nicht nur warmes Wasser, wie bei der herkömmlichen Fernwärme, hin- und hergepumpt!

Claims (9)

1. Fernheizeinrichtung als Einrohr mit stark fallender Belastungskennlinie und Wärmeverbraucher im Nebenschluß, dadurch gekennzeichnet, daß über ein genaues Verhältnis von Wärmeleistungsangebot und Wärmebelastung mittels Pumpen jeweils eine Strömungsrichtung und ein bestimmter Temperaturzustand des Mediums festgelegt wird, daß bis hinab zu nebeneinanderliegenden Grundstücken unterschiedliche Temperaturzonen im ganzen Versorgungsgebiet gebildet werden, sowie die Endbereiche dieser Temperaturzonen mit den dort herrschenden Rücklauftemperaturen in die Hauptversorgungsleitung münden und damit die Orte für mehrfache Leistungseinspeisungen markieren.

2. Fernheizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ständig ablaufende Mischungsvorgang im Verteilnetz über die Gesamtheizkörperspreizung der Wärmeverbraucher zeitversetzt in mindestens zwei große Teilschritte oder Heizungsarten aufgeteilt wird.

3. Fernheizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Einspeisequelle vorhanden ist, welche mit steigender Wärmebelastung nach dem Ausbau des Verteilnetzes, über eine extra Transportleitung in mehrere zusätzlich geschaffene Einspeisepunkte im Rahmen der gewählen höchsten und niedrigsten Temperatur des Verteilnetzes mehrfach die maximale Netznennleistung in die Hauptversorgungsleitung abgibt.

4. Fernheizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere dezentrale gleichgroße Wärmequellen, im Rahmen der gewählten höchsten und niedrigsten Netztemperatur, mehrfach die maximale Netznennleistung in die Hauptversorgungsleitung abgeben.

5. Fernheizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere dezentrale Wärmequellen mit unterschiedlicher Temperatur und Leistung, im Rahmen der gewählten höchsten und niedrigsten Netztemperatur, ihre Wärmeleistung in die Hauptversorgungsleitung abgeben.

6. Fernheizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptversorgungsleitung einen geschlossenen Kreislauf bildet.

7. Fernheizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptversorgungsleitung einen offenen Kreislauf bildet (Fig. 4).

8. Fernheizeinrichtung nach Anspruch 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrquerschnitt der Hauptversorgungsleitung sich in mehrere Teilstränge mit gleich oder größerem Gesamtquerschnitt aufteilt.

9. Fernheizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Hauptversorgungsleitungen jeweils von zwei oder mehreren auf der Strecke verteilten Wärmequellen oder Einspeisepunkten mit Wärmeenergie beliefert werden (Fig. 2).