Netzgenerationen (1G–5G)

Fernwärme- und Fernkältenetze (DHC) werden anhand ihrer Betriebstemperaturen in Generationen eingeteilt. Die Generation bestimmt, welche Arten von Wärmequellen möglich sind, wie viel Wärme die Leitungen beim Transport verlieren und welche Ausrüstung die Gebäude in ihren Übergabestationen benötigen. TESSA unterstützt den Entwurf und die Simulation von Netzen jeder Generation, einschliesslich 5G-Anergienetzen.

Die fünf Generationen im Überblick

flowchart LR
    G1["1G<br/>Dampf<br/>≥ 200 °C"]
    G2["2G<br/>Druck-<br/>Heisswasser<br/>90–120 °C"]
    G3["3G<br/>Heisswasser<br/>70–90 °C"]
    G4["4G<br/>Niedertemp.<br/>30–70 °C"]
    G5["5G<br/>Umgebung /<br/>Anergie<br/>5–25 °C"]

    G1 --> G2 --> G3 --> G4 --> G5

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    class G1,G2,G3,G4,G5 gen

1G bis 4G: zentrale Wärmeverteilung

In Netzen der ersten bis vierten Generation wird die Wärme zentral erzeugt und zu den Gebäuden transportiert. Das Fluid ist heisser, als die Gebäude benötigen, sodass an jeder Übergabestation Wärme aus dem Netz abfliesst. Der zentrale Zielkonflikt ist Vorlauftemperatur gegen Wärmeverlust:

• Höhere Vorlauftemperatur → grössere Temperaturspreizung → kleinere Leitungen bei gleicher Leistung, aber mehr Wärmeverlust an das Erdreich pro Meter Leitung.
• Niedrigere Vorlauftemperatur → geringerer Leitungsverlust, aber Gebäude müssen unter Umständen saniert werden (grössere Heizkörper oder Fussbodenheizung), um mit dem kühleren Vorlauf zu funktionieren, und zentrale Wärmepumpen werden effizienter.

Wenn die Vorlauftemperatur von 3G zu 4G sinkt, werden zentrale Wärmepumpen attraktiver (höherer COP bei geringerem Temperaturhub), Solarthermie und Abwärme lassen sich leichter einbinden, und die Wärmeverluste sinken deutlich.

5G: Umgebungsringe und Anergienetze

Netze der fünften Generation arbeiten ungefähr bei Erdreichtemperatur – so nahe am Erdreich, dass die Wärmeverluste der Leitungen vernachlässigbar sind. Statt Wärme zentral zu transportieren, führt die Leitung ein thermisches Potenzial: Gebäude mit Heizbedarf entziehen dem Ring über eine Wärmepumpe Wärme; Gebäude mit Kühlbedarf geben Wärme an denselben Ring ab.

Dadurch wird Kühlung zu einer kostenlosen thermischen Ressource. Abwärme aus der Kühlung (die sonst an die Luft abgegeben würde) wird auf Gebäude verteilt, die heizen müssen. In gemischt genutzten Quartieren mit gleichzeitigen Heiz- und Kühllasten kann 5G den gesamten Primärenergieverbrauch erheblich senken.

Wichtige Auslegungsfolgen von 5G

• Jede Gebäude-Übergabestation benötigt eine Wärmepumpe – das Netz ist zu kalt, um den Gebäudebedarf direkt zu decken. Dadurch verlagert sich die Investition von der Energiezentrale zu den Übergabestationen.
• Frostschutz – das Fluid kann bei Spitzenentzug in kalten Klimazonen unter 0 °C laufen, daher wird oft ein Glykolgemisch verwendet.
• Thermische Bilanz – ist das Quartier heizdominiert, kühlt der Entzug aus dem Ring das Erdreich mit der Zeit ab, und der COP der Wärmepumpen sinkt. Regenerationsquellen (Solarthermie, Trockenkühler, Abwärme) helfen, die Erdreichtemperatur zu halten. Siehe Geothermische Erdsondenfelder.
• COP der Booster-Wärmepumpe. Der COP an jeder Übergabestation hängt von der Vorlauftemperatur des Netzes $T_\text{source}$ und der Abgabetemperatur im Gebäude $T_\text{delivery}$ ab:
  $\text{COP} = \eta_\text{Carnot} \cdot \frac{T_\text{delivery}}{T_\text{delivery} - T_\text{source}}$
  Dabei ist $\eta_\text{Carnot}$ der Wirkungsgrad der Wärmepumpe relativ zum Carnot-Prozess, typischerweise 0,4 bis 0,5. Der Stromverbrauch wird zu den Betriebskosten und dem CO₂ des Gebäudes addiert. Der Ring führt nur die Wärme, die ihm entzogen wird.
• Wärmeverlustmodell – TESSA setzt den Leitungswärmeverlust für Netze im Kühlmodus und für kombinierte Netze auf null, weil die Betriebstemperaturen nahe an der Umgebungstemperatur liegen.

Eine Generation in TESSA wählen

Die Netzgeneration ergibt sich implizit aus den Vor- und Rücklauftemperaturen, die Sie in der Konfiguration des Arbeitsfluids des Netzes festlegen, und aus dem Übergabestationstyp, den Sie jedem Gebäudeanschluss zuweisen:

• Vorlauftemperatur ≥ 60 °C + Wärmetauscher- oder Direkt-Übergabestationen → 3G/4G-Wärmenetz.
• Vorlauftemperatur 10–20 °C + Übergabestationen mit Booster-Wärmepumpe → 5G-Anergienetz.

TESSA verlangt nicht, dass Sie eine Generationsnummer angeben – die Simulation passt sich anhand der von Ihnen konfigurierten Temperaturen und Übergabestationstypen an.

Wie es weitergeht

• Datenmodell für Netze und Wärmequellen — Arbeitsfluid, Vor-/Rücklauftemperaturen und Übergabestationstypen.
• Netzsimulation — wann der Wärmeverlust berechnet wird und wann er auf null gesetzt wird.
• Geothermische Erdsondenfelder — Modellierung der Erdreichtemperatur für 5G-Anergieringe.