Transformation and analysis of a municipal heating network in Roth – Comparison of an Excel-based Tool with the energyPRO simulation software

Abstract

Diese Masterarbeit untersucht den Wärmverbund in Roth und entwickelt ein energieeffizientes, zukunftsfähiges Versorgungskonzept für das Szenario 2045. Grundlage war die Auswertung der Betriebsdaten des Jahres 2019, anhand derer das thermische Verhalten des Wärmenetzes, Laststrukturen und Optimierungspotenziale identifiziert wurden. Für das Zukunftsszenario er-folgte eine Netzberechnung, in der die hydraulische Leistungsfähigkeit bewertet und notwendige Leitungsanpassungen ermittelt wurden. Ergänzend wurde die Wärmeverlustberechnung durchgeführt, um die Wärmeverluste des Rohrnetzes zu quantifizieren und mit den Simulationsergebnissen abzugleichen. Darüber hinaus wurde eine für das Szenario 2045 geeignete optimierte Netzfahrweise untersucht, die auf einer witterungsgeführten gleitend-konstanten Regelungsstrategie basiert und eine Absenkung der Vorlauftemperatur vorsieht. Dadurch lässt sich die Energieeffizienz des Gesamtsystems deutlich steigern. Zwei Simulationswerkzeuge, energyPRO und das firmeneigene Excel-Tool der eta Energieberatung, wurden hinsichtlich Datenbedarf, Genauigkeit und Bedienbarkeit verglichen. Da das Excel-Tool die realen Netzbedingungen präziser abbildet, war es die Grundlage für die Simu-lation des Szenarios 2045. Darauf aufbauend wurden potenzielle Wärmequellen, u.a. Luft (monovalent), Luft mit Um-schaltung auf einen Saisonalwärmespeicher, Abwasser, Flusswasser, Erdwärme und Grund-wasser sowie geeignete Hochtemperaturwärmepumpen bewertet und in ein hydraulisch optimiertes Gesamtkonzept integriert. Dabei wurden verschiedene Betriebsstrategien analysiert, etwa die Reihenschaltung über einen Zortströmverteiler zur Reduzierung des Temperaturhubs der Wärmepumpen sowie die Vorlauftemperaturabsenkung. Die energetische und ökonomische Bewertung zeigt, dass die Grundwasserwärmepumpe das effizienteste Versorgungskonzept darstellt. Die Anpassung der Netzfahrweise steigert die Jahresarbeitszahlen deutlich (Grundwasser: 2,7 → 3,4; Luft: 2,5 → 3,1) und führt zu erheblichen Energie- und Kosteneinsparungen. Insgesamt zeigt die Arbeit, dass durch reduzierte Systemtemperaturen, moderne Wärmepumpentechnik sowie die Nutzung geeigneter Wärmequellen hocheffiziente, wirtschaftliche und ökologisch nachhaltige Versorgungskonzepte realisiert werden können. Die Ergebnisse bilden eine belastbare Grundlage für die strategische Weiterentwicklung des Wärmenetzes und unter-stützen die Umsetzung eines zukunftsfähigen, klimafreundlichen Versorgungskonzeptes bis 2045