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Heizen mit Holzhackschnitzeln: In Südtirol verteilen Strahlpumpen umweltfreundliche Wärme aus heimischem Holz.
Kraftwerke & Energieanlagen

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Fernwärme effizient verteilen

Text: Bernd Sörries, Forschungsstelle für Mobiles Breitband, ITM Münster Foto: Cosmin4000/iStockphoto, Tabelle: ITM
Wärme aus einem Fernheizwerk zu beziehen ist bequem. Zufrieden sind Kunden damit aber nur, wenn sie die Energie stets auf dem von ihnen gewünschten Temperaturniveau erhalten. Strahlpumpen können dafür sorgen, dass die Wärme je nach individuellem Bedarf ankommt.

Eine moderne und umweltschonende Wärmeversorgung stellt das zentrale Fernheizwerk in Olang (Südtirol) bereit, das auf der Basis von Holzhackschnitzel arbeitet. Neben zwei ausschließlich Wärme erzeugenden Biomassekesseln mit zusammen 8 MW, erzeugt ein dritter Strom, indem er Thermoöl in einer ORC-Anlage (Organic Rankine Cycle) erhitzt. Der Thermoöldampf treibt eine Turbine zur Stromerzeugung an. Sein anschließendes Abkühlen im Kondensator erzeugt Wärme, die über Wärmetauscher ins Fernwärmesystem einfließt und rund 3,9 MW thermische Leistung liefert. Die Turbine erbringt in der kalten Jahreszeit die maximale Strommenge (etwa 0,7 MW elektrische Leistung), in der warmen Jahreszeit dagegen nur so viel wie das Fernwärmenetz von rund 22 km Länge an Restwärme aufnehmen kann. Die Stromerzeugung ist ein zusätzlicher wirtschaftlicher Vorteil für die Kraftwerksgesellschaft.

Wärmeabgabe beim Endverbraucher

Hinsichtlich Wartungs- und Störungsfreiheit spielen nicht nur Biomassekessel, Generator, Turbine und Umwälzpumpen in der Zentrale eine wichtige Rolle, sondern auch die Energieabgabe bei den Endabnehmern. In jedem Gebäude mit Fernwärmeanschluss sorgen Strahlpumpen für die optimale Wärmeverteilung bei Heizung und Warmwasserbereitung und regeln in vielen Gebäuden auch die Lüftung. Die Einspeisung der Wärme erfolgt indirekt über Plattentauscher. Die gewünschte Wärmemenge lässt sich mit Hilfe der Strahlpumpe, die auch Jetomat, Injektorventil oder Dreiwegeinjektorventil heißt, präzise und störungsfrei regeln.

Auf der Abnehmerseite ergibt sich die verlangte Temperatur sehr genau durch eine Mischregelung anstelle einer Drossel-regelung. Denn die Leistung von Strahlpumpen ist mit einem hubverstellbaren Düsenkegel innerhalb der Treibdüse veränderbar [1]. Der Stellantrieb für die Strahlpumpe ist hier elektrisch, er kann aber auch pneumatisch sein. In der Düse zieht der energiegeladene Treibstrahl des Massenstroms das Beimischwasser aus dem Rücklauf in das Mischrohr, wo sich beide Ströme vermischen. Über die Hubverstellung des Düsenkegels und dem damit veränderbaren Düsenquerschnitt stellt sich dort die gewünschte Vorlauftemperatur ein. Die Druckenergie des Treibstrahls wandelt sich um in kinetische Energie. Diese Energie genügt, um das Mischwasser im Heizkreis ohne zusätzliche Umwälzpumpe zirkulieren zu lassen. Der Regelbereich, den eine Strahlpumpe dabei abdeckt, ist sehr groß. Er liegt in den meisten Fällen zwischen 100 % und 0 %. Da die Funktion der geregelten Strahlpumpe bei den Abnehmern der Fernwärme in der optimalen Verteilung der Wärme besteht, der Bedarf der Abnehmer jedoch sehr unterschiedlich ist, kommen verschiedene Leistungstypen der Strahlpumpen zum Einsatz.

Eine stetige Aufschaltung der primärseitigen Rücklauftemperatur auf die sekundärseitige Vorlauftemperatur bei jedem Energieabnehmer gewährleistet eine tiefe Rücklauftemperatur. Durch die Mischregelung anstelle der Drosselregelung mit konventionellen Regelventilen oder auch einer Mischregelung mit Dreiwegeventil und Umwälzpumpe, hat die Strahlpumpe eine netzstabilisierende Wirkung. Sie übernimmt neben der lastabhängigen, mengenvariablen Förderung die Umwälzung und Beimischung im Energieabgabekreis. Gleichzeitig sorgt sie für eine Volumenstrombegrenzung und für eine zuverlässige Druckreduzierung. Umwälzpumpe, Druckbegrenzer und eine Druckdifferenzabgleicharmatur pro Heizkreis sind somit überflüssig [2].

Die Strahlpumpe ist nicht nur langlebig und wartungsarm, sondern spart im Vergleich zu Umwälzpumpen Investitionskosten und Strom [3]. Damit unterstützt sie die Umweltfreundlichkeit des Olanger Fernheizwerks. Bei der elektronischen Überwachung der Anlagen ist man mit der hydrodynamischen Wasserwärmeverteilung mittels Strahlpumpen ebenfalls im Vorteil, da mit ihrem Einbau wesentlich weniger Geräte nötig sind und sich somit die Verfügbarkeit der Anlage deutlich erhöht [4].

Gebäudeleittechnik für eine Fernwärmestation

Über das digitale Regel-, Steuerungs- und Überwachungssystem Bas-Unix sind alle Energieabnehmer direkt mit der Zentrale des Fernheizwerks Olang verbunden. Dieses System wurde in Verbindung mit einer RS-485-Schnittstelle speziell für Fernwärmestationen entwickelt. Ein Aufteilen der Peripherie auf zehn Stiche gewährleistet eine beschleunigte Abarbeitung und erlaubt dadurch eine sternförmige Struktur für das Bus-System.

Diese Struktur hat den Vorteil, dass bei Unterbrechung der Leitung zum Beispiel durch Erdarbeiten oder Blitzschläge die übrigen Leitungen ihre Funktion weiterhin behalten. Zudem kann eine einzige Person mit dieser Technik am PC der jeweiligen Leitwarte alles überwachen und jeden einzelnen Parameter verändern oder korrigieren. Auch eventuelle Störfälle sind auf diese Weise schnell zu erkennen und geeignete Maßnahmen zu ihrer Behebung umgehend einzuleiten.

Ein netzfähiger Mikroprozessor überwacht und regelt jede einzelne Verbraucherunterstation. Die fernwirkfähigen Mikro-prozessoren steuern die Strahlpumpen, überwachen den Heizbetrieb und melden über den Modbus laufend Messwertveränderungen, Schaltungen und eventuelle Störungen auf den PC der Leitwarte. Netzvorlauf-, Netzrücklauf- und Außentemperatur sowie Wasserdurchsatz sind in der Steuerung mit einbezogen. Der Leitstand dient als technische Verwaltungszentrale, die sämtliche eingehenden Messwerte registriert, speichert und bei Bedarf ausdruckt. Jede Datenänderung erscheint aktuell als Einblendung in den Farbdarstellungen am PC. Pro Kunde ist ein Anlagenbild angelegt, in dem die gespeicherten Messwerte und Alarmzustandsänderungen nahezu in Echtzeit als Klartext eintreffen. Die Messwerte sind darüber hinaus als Trendlogkurven grafisch darstellbar. Alarmmeldungen erscheinen in einem Übersichtsbild als Signale, die über Verzweigungsbilder zur Quelle der Störung führen.

Den Wärmeverbrauch im Blick

Besonders komfortabel für den Endabnehmer ist, dass er bei sich zu Hause direkt am Display des Mikroprozessors jederzeit sehen kann, wie viel Wärme er momentan verbraucht. Dazu kann er den Gesamtverbrauch seit der letzten Rücksetzung einsehen und er kann durch Verändern einiger Parameter die Wärmeabnahme selbst beeinflussen. Eigens für dieses Verändern von Nutzungszeiten und Sollwerten zum Beispiel in den Ferien und an Feiertagen sowie das Ablesen der Soll-Ist-Werte bei der Regelung und der Wärmemenge wurde eine reduzierte Anzahl an Klartext-Bedienmenüs für den sogenannten einfachen Bediener angelegt. Alle Parametrier-Ebenen sind hier ausgeblendet und vereinfachen die Bedienung. Einfaches Abschalten der Heizungen ist jeweils mit einem zusätzlich eingebauten Kippschalter (Heizung Ein/Aus) möglich.

Parallel dazu wird der Wärmeverbrauch in der Zentrale erfasst und eine automatische Abrechnung über eine Excel-Tabelle oder ein Konvertier-Programm im Bas-System veranlasst. Auch das spart Personal für Ablesung, Aufzeichnung und Rechnungsstellung ein. Lediglich zu Beginn und am Ende der Heizperiode erfolgt eine Kontrolle vor Ort.

Weitere Informationen

[1] Bälz, U.: Praktischer Einsatz von Heizungs- und Lüftungsanlagen. In: Gesundheits-Ingenieur - Haustechnik - Bauphysik - Umwelttechnik 127 (2006) Nr. 2 S. 83-85

[2] Gebauer M.: Vereinfachung des hydraulischen Abgleichs. In: Euro Heat & Power (2010) 12 S. 42-49

[3] Kilpper R., Bälz U.: Energetische Modernisierung einer Heizungsanlage mit Strahlpumpen in der HTBLVA Villach. In: Heizung Lüftung Klimatechnik (2010) 8-9 S. 20-22

[4] Bälz U., Kilpper R.: Heizungssanierung mit regelbaren Strahlpumpen. In: Moderne Gebäudetechnik (2010) 7-8S. 10-13

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