Benötigen mehrere Anlagen in einem Quartier, einer Siedlung oder einer Region Kaltwasser, lässt sich die Kühlung gemeinsam organisieren. Experten sprechen dabei von einem Kältenetz. Dieses erzeugt Kaltwasser mit einer zentralen Kälteanlage, die über Rohrleitungen mit den Anschlussnehmern verbunden ist. Verbraucher benötigen dann lediglich einen Wärmeübertrager, um thermische Energie aus Gebäuden oder Prozessen abführen zu können.
Für wen ein solches Kältenetz infrage kommt, welche Vorteile es bietet und wie die Technik funktioniert, erklärt Deutsche-Thermo im folgenden Ratgeber.
Die Themen im Überblick
Zentral erzeugtes Kaltwasser für mehrere Anschlussnehmer
Was im Bereich der Wärmeversorgung längst üblich ist, lässt sich auch bei der Kühlung realisieren: Die Rede ist von Kältenetzen, die mehrere Verbraucher mit einer zentralen Kälteanlage versorgen. Zum Einsatz kommen dabei innovative Kühlsysteme, die Kaltwasser mit Temperaturen von sechs Grad Celsius oder mehr erzeugen, speichern und über isolierte Leitungen verteilen. Letztere verlaufen meist versteckt im Erdreich, dessen Temperatur auch im Sommer nur wenige Grad Celsius über der Kaltwassertemperatur liegt. Die Kälteversorgung erfolgt dabei besonders effizient.
Bei den Anschlussnehmern angekommen, strömt das kalte Wasser häufig über einen Plattenwärmetauscher der die Trennstelle zwischen Kältenetz und Hausanlage darstellt. Verbraucher benötigen selbst keine Kälteanlage. Sie sparen Platz sowie Geld und müssen geringere Anforderungen an Brand- und Umweltschutz erfüllen. Letzteres lässt sich damit begründen, dass sich in den Hausanlagen keine Kältemittel führenden Leitungen befinden.
Hohe Versorgungssicherheit durch mobile Kälte am Kältenetz
Um Betrieb, Wartung und Entstörung kümmern sich die Betreiber des Kältenetzes. Sie garantieren eine zuverlässige Versorgung und schaffen viel Sicherheit. Realisieren lässt sich das beispielsweise mit mobilen Kälteanlagen zum Mieten. Diese reservieren Betreiber im Voraus, sodass sie im Ernstfall schnell vor Ort im Einsatz sind. Infrage kommen letztere aber nicht nur bei einer Havarie. Auch bei geplanten Wartungs- oder Umbauarbeiten lassen sich die mobilen Lösungen nutzen, um Ausfälle im Kältenetz zu verhindern.
Kosten der Fernkälte hängen vom eigenen Kälteverbrauch ab
Wie viel ein Kältenetz kostet, hängt in der Regel vom eigenen Verbrauch ab. Denn auf Basis dessen berechnen Netzbetreiber die anfallenden Ausgaben individuell. Kommt ein Kältenetz innerhalb einer Anlage zum Einsatz, verhält es sich etwas anders. Hier zahlen Sie genau wie bei Nahwärmeleitungen zur Versorgung mehrerer Gebäude für die gesamt erzeugte Kälte. Wie hoch die Kosten ausfallen, hängt aber auch hier vom individuellen Verbrauch ab.
Kältenetz: Vorteile der gemeinsam genutzten Kälteanlagen
Ganz gleich, ob Sie den Anschluss an ein Kältenetz oder den Bau eines eigenen Netzes für Ihre Anlage in Erwägung ziehen: Die Lösung bringt viele Vorteile mit sich. Allen voran stehen dabei die gesparten Investitionskosten. Sie müssen sich nicht um die Instandhaltung der Kältemaschinen kümmern (bei eigenen Netzen sind weniger Anlagen zu warten) und profitieren von einer hohen Effizienz. Von Vorteil ist darüber hinaus aber auch die deutliche Platzersparnis. Sie versorgen sich zuverlässig sowie weitestgehend ausfallsicher mit Kälte und müssen bei dem Anschluss an ein externes Netz keine zusätzlichen Kosten für Ersatzinvestitionen oder Modernisierungen einplanen.
Die folgende Übersicht fasst die wichtigsten Vorteile der Kältenetze noch einmal zusammen:
Die größten Kältenetz Vorteile:
Effizienzgewinn:
Die zentrale Kälteerzeugung bietet einen großen Gestaltungsspielraum, bei dem moderne und hocheffiziente Lösungen zum Einsatz kommen.
Kostenersparnis:
Anstelle einer Kälteanlage für jedes Gebäude, benötigen Sie im Kältenetz nur eine Übergabestation. Sie müssen die Kälteanlagen nicht warten, modernisieren oder zukünftig ersetzen (bei dem Bau eines eigenen Kältenetzes sind weniger Anlagen zu warten) und sparen bei der Anschaffung und im Betrieb viel Geld ein.
Sicherheit:
Bei dem Anschluss an externe Kältenetze garantieren deren Betreiber ein hohes Maß an Sicherheit. Sie überbrücken Störungen mit redundanten oder gemieteten Anlagen und beugen Ausfällen zuverlässig vor. Letzteres lässt sich auch bei eigenen Anlagen realisieren, um diese vor längeren Ausfällen zu schützen.
Platzgewinn:
Die Installation einer Übergabestation nimmt deutlich weniger Platz in Anspruch als der Aufbau eigener Kälteanlagen für jede Verbrauchsstelle. Sie sparen umbauten Raum ein und können diesen für andere Zwecke nutzen.
Ein weiterer Vorteil ist, dass Sie weniger Lärmprobleme zu befürchten haben. Denn anders als Kaltwassersätze oder Rückkühlwerke in Anlagennähe geben Übergabestationen kaum Geräusche von sich. Sie enthalten auch keine Kältemittel und sorgen für geringere bauliche Anforderungen.
Praktische Einsatzbereiche in der Industrie und im Gewerbe
Möchten Sie von den Vorteilen profitieren, können Sie ein Kältenetz in verschiedensten Bereichen nutzen. Möglich ist dabei der Anschluss an das Netz eines externen Betreibers. Dieser stellt Kaltwasser zur Verfügung, das Sie in der Regel indirekt über einen Plattenwärmetauscher nutzen. Betreiben Sie selbst eine größere Anlage, in der an verschiedenen Standorten Kälte nötig ist, können Sie auch ein eigenes Kältenetz bauen. Ganz gleich, für welche Lösung Sie sich entscheiden, kommt die zentrale Kaltwasserversorgung grundsätzlich in folgenden Bereichen zum Einsatz:
- Krankenhäuser
- Einkaufszentren
- Gewerbebetriebe
- Forschungseinrichtungen
- Produktionsstätten (Industrie)
- Wohngebäude/ Wohnanlagen
- Wohn- oder Gewebequartiere
Die Übersicht zeigt nur eine kleine Auswahl. Grundsätzlich lassen sich die Vorteile eines Kältenetzes überall dort nutzen, wo mehrere Gebäude oder Prozesse in räumlicher Nähe zueinander Kälte benötigen.
Übrigens:
Neben zahlreichen Industrieanlagen betreiben auch einige deutsche Städte Fernkältenetze. Dazu gehören Chemnitz, Gera und München. Diese verteilen Kaltwasser mit Temperaturen von etwa sechs bis zehn Grad Celsius über mehrere Kilometer umfassende Kältenetze.
Aufbau und Funktionsweise der Kältenetze im Überblick
Ob für eine ganze Region oder die eigene Anlage: Geht es um Kälteanlagen, ist der Aufbau immer ähnlich. Sie benötigen Kältetechnik, die Kaltwasser an einem zentralen Platz erzeugt und speichert. Von diesem ausgehend, verlegen Sie isolierte Leitungen zu allen Anschlussnehmern im Umkreis. Sie statten die Verbraucher mit einer Übergabestation bzw. Trennstelle aus und nehmen die Anlage in Betrieb.
Zentrale Kälteanlage erzeugt Kaltwasser für mehrere Verbraucher
Das Herz des Kältenetzes ist eine zentrale Kälteanlage. Diese kühlt das von den Verbrauchern kommende Wasser auf die gewünschte Temperatur herunter, bevor Pumpen das Kaltwasser wieder ins Netz schicken. Realisieren lässt sich die Kühlung dabei zum Beispiel mit einem Kaltwassersatz. Dabei handelt es sich um ein Kompressionskältemaschine, die Wärme des Rücklaufwassers aufnimmt und nach außen abführt. In unserem Beitrag zum Kaltwassersatz erklären wir, wie das im Detail funktioniert.
Wichtig zu wissen ist, dass konventionelle Kältemaschinen viel Strom benötigen. Abhängig vom Preis der elektrischen Energie fällt die Wirtschaftlichkeit der Anlagen dabei höher oder niedriger aus. Wer hier sparen möchte, kann auch auf Alternativen setzen. Die folgende Übersicht zeigt, welche das sind:
- Natürliche Kühlung: Die natürliche (auch passive) Kühlung kommt ohne Kältetechnik und hohen Stromverbrauch aus. Denn sie nutzt Grund-, Fluss- oder Seewasser zum Herunterkühlen des Kaltwassers. Damit das funktioniert, strömen beide Medien in einem Plattenwärmetauscher aneinander vorbei. Der warme Rücklauf überträgt dabei thermische Energie an das Wasser aus Seen, Flüssen oder dem Erdreich und kühlt ab. Die Technik ist besonders sparsam und umweltfreundlich. Ihre Funktion hängt jedoch von der Temperatur der Umweltenergiequelle ab. Je wärmer letztere ist, umso höher fällt auch die mögliche Kaltwassertemperatur aus.
- Adsorptionskühlung: Adsorptionskältemaschinen arbeiten wie konventionelle Anlagen mit einem Kältemittel. Dieses nimmt thermische Energie vom Kaltwasserrücklauf auf und verdampft. Anstelle des Kompressors durchströmt das Kältemittel anschließend jedoch einen thermischen Verdichter. Dazu nimmt eine Lösung den Kältemitteldampf auf, bevor es zum Erhitzen durch eine Wärmequelle (Abwärme, Solarthermie, Brenner etc.) kommt. Das führt zu einem Druck- und Temperaturanstieg und dazu, dass das Kältemittel die Lösung verlässt. Es strömt zu einem Wärmeübertrager und gibt thermische Energie an die Umgebung bzw. einen Rückkühler ab. Das Kältemittel regeneriert sich dabei, bevor es zum Anfang des Prozesses strömt und erneut Wärme vom Kaltwasser aufnimmt.
Interessant sind auch Hybridlösungen, die mehrere Arten der Kälteerzeugung miteinander kombinieren. Möglich ist es dabei, einen Teil der aufgenommenen Wärme an das Grund-, See- oder Flusswasser abzugeben. Ist dessen Temperatur zu hoch, können Adsorptions- oder Kompressionskälteanlagen bedarfsgerecht weiter kühlen. Sind keine Umweltenergiequellen für die natürliche Kühlung nutzbar, können Sie auch Adsorptions- und/oder Kompressionswärmepumpen miteinander kombinieren. Auf diese Weise ist es möglich, Grund- und Spitzenlasten flexibel abzudecken oder Anlagen zu erweitern.
Speicher halten Kaltwasser vor und gleichen Schwankungen aus
Während Kälteanlagen mit gleichmäßiger Leistung am effizientesten arbeiten, schwankt der Kältebedarf der Verbraucher kontinuierlich. Mit einem Kältespeicher lassen sich die Differenzen jedoch ausgleichen. Denn dabei handelt es sich um einen isolierten Behälter, der Kaltwasser aufnimmt. Er hält dieses für eine längere Zeit vor und gibt das Medium erst bei Bedarf im Kältenetz wieder ab. Neben der gleichmäßigen und effizienten Betriebsweise bieten die Kältespeicher einen weiteren Vorteil: Sie ermöglichen den Anschluss weiterer Kälteerzeuger (zum Beispiel Mietkälte), um die Leistung der Anlage vorübergehend zu steigern oder andere Kälteerzeuger zeitweise zu ersetzen.
Übrigens:
Sinnvoll ist ein Kältespeicher auch, um Spitzenlasten abzufedern. Kälteerzeuger lassen sich dadurch kleiner auslegen und die Investitionskosten sinken.
Isolierte Leitungen verteilen Kaltwasser ober- oder unterirdisch
Um Kaltwasser von der Zentrale zu den Verbrauchern zu transportieren, kommen isolierte Leitungen im Kältenetz zum Einsatz. Diese lassen sich ober- oder unterirdisch verlegen und bei Bedarf flexibel erweitern.
Besonders günstig sind dabei Erdleitungen. Denn diese installieren Monteure nicht nur versteckt. Sie sind auch vom kühlen Erdreich umgeben. Dieses ist schon in geringer Tiefe kaum wärmer als das Kaltwasser, was schon mit einer schlanken Isolierung die weitestgehend verlustfreie Verteilung im Kältenetz ermöglicht. Ausreichend sind in der Regel wenige Zentimeter Dämmstoff, abhängig von der zu überbrückenden Distanz steigt dann möglicherweise auch die Dämmung der Erdleitungen.
Wichtig zu wissen:
Die Isolierung des Kältenetzes schützt nicht nur vor ungewollten Wärmeeinträgen. Sie verhindert auch die Kondensation von Wasser an der Rohraußenseite. Laut Gebäudeenergiegesetz sind dazu mindestens sechs Millimeter Dämmstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,035 W/mK oder weniger einzuplanen. Diese sollten auch im Bereich von Schellen und Befestigungen vorhanden sein.
Übergabestationen verbinden das Kältenetz mit der Hausanlage
Die Trennstelle zwischen Kältenetz und Hausanlage oder Verbraucher stellen sogenannte Übergabestationen dar. Diese bestehen in der Regel aus einem Plattenwärmetauscher mit Absperrventilen, Pumpen sowie Regelarmaturen, um thermische Energie vom Kaltwasser aus der Anlage mit stofflicher Trennung auf das Wasser im Kältenetz übertragen zu können. Eine Alternative zum sogenannten indirekten Anschluss ist der direkte Anschluss. Letzterer kommt jedoch nur dann zum Einsatz, wenn Druck, Temperatur und Technik dies zulassen.
Auslegung und Bau der Kaltwassernetze: So funktioniert es
Sie sind von der Technik überzeugt und möchten ein Kältenetz bauen? In der folgenden Übersicht zeigen wir, wie Sie die Auslegung vorbereiten und Vorhaben fachgerecht umsetzen lassen.
01
Basisdaten zum geplanten Kältenetz sammeln
Möchten Sie ein Kältenetz bauen oder Ihre Anlage an ein solches anschließen lassen? Dann sollten Sie im ersten Schritt grundlegende Informationen sammeln. Wichtig sind dabei Angaben zur ungefähren Größe des Netzes sowie zu den Verbrauchern, die Sie anschließen möchten. Angaben zu Letzteren helfen dabei, die richtige Temperatur zu wählen und den Anforderungskatalog aufzustellen.
02
Benötigte Leistung der Kälteanlage bestimmen
Eine wichtige Größe beim Bau von Kältenetzen ist die benötigte Leistung. Denn diese wirkt sich auf die Übergabestationen, die Verteilleitungen und die Kälteerzeugung aus.
Um die Größe zu definieren, sollten Sie erst einmal alle Verbraucher im geplanten Netz aufführen. Anschließend notieren Sie die jeweils benötigte Leistung und berücksichtigen eine gewisse Gleichzeitigkeit. Letztere ist höher, je mehr Anlagen planmäßig zur gleichen Zeit arbeiten. Benötigen Sie Kälte an verschiedenen Orten abwechselnd, lässt sich die Gleichzeitigkeit herabsetzen. Das hat eine geringere Leistung zur Folge und spart unter Umständen viel Geld.
Übrigens:
Mit Angaben zur insgesamt benötigten Leistung können Sie auch die Anlage zur Kälteerzeugung planen. Wie das im Detail funktioniert, erklären wir im Beitrag Kälteanlage auslegen.
03
Rohrleitungen auslegen und Verlegung planen
Steht die Leistung der einzelnen Anschlusspunkte fest, können Sie die Rohrleitungen im Kältenetz auslegen. Dazu erstellen Sie im ersten Schritt ein Konzept der Verlegung.
Anschließend berechnen Sie die Kaltwasserströme jeder Teilstrecke. Möglich ist das mit folgender Gleichung:
m = (Q x 3.600) / (c x dT)
„m“ steht dabei für den Massenstrom in Kilogramm pro Stunde. Dieser hängt von der Wärmespeicherfähigkeit des Kaltwassers („c“ in kJ/kg*K), den gewählten Kaltwassertemperaturen („dT“ für Rücklauftemperatur – Vorlauftemperatur in K) und der jeweils benötigten Leistung („Q“ in kW) ab.
Im nächsten Schritt ist es möglich, die Nennweite der Verteilleitungen zu berechnen.
Wie groß diese ausfällt, hängt vom Material der Leitungen und von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Dabei gilt: Je kleiner die Rohrleitung, umso mehr Kaltwasser strömt hindurch. Der Druckverlust steigt und mit diesem der Stromverbrauch der jeweiligen Verteilpumpe. Üblich ist eine Geschwindigkeit von 0,5 bis 1,0 Meter pro Sekunde. Mit dieser und dem zuvor berechneten Massenstrom können Sie den Querschnitt der Leitungen im Kältenetz mit folgender Gleichung auslegen:
d = Wurzel [(V x 4) / (Pi x w x 3.600)]
Der Durchmesser („d“ in m) hängt dabei vom Volumenstrom (V in m³/h = Massenstrom / Dichte) und der Geschwindigkeit („w“ in m/s) ab. Das heißt: Je schneller das Kaltwasser im Kaltwassernetz strömt, umso kleiner können Sie die Verteilleitungen dimensionieren. Nachteilig sind dann jedoch steigende Druckverluste, die Sie mit der Pumpe ausgleichen müssen. Letztere verbraucht dabei mehr Strom und die Betriebskosten steigen.
Unser Tipp:
Wie stark der Druckverlust tatsächlich ausfällt, hängt vom Rohrwerkstoff ab. Entsprechende Informationen finden Sie in Druckverlusttabellen von Rohr-, Fitting- und Armaturenerstellern.
04
Fachplaner und Fachhandwerker beauftragen
Mit den genannten Informationen können Sie das Kältenetz vorauslegen, um Kosten und Aufwand zu überschlagen. Für eine detaillierte Planung und Umsetzung der Maßnahme empfehlen wir den Kontakt zu Fachplanern und Fachhandwerkern aus einschlägigen Gewerken. Diese berücksichtigen die aktuell geltenden Normen und Gesetze. Sie bringen viel Erfahrung ein und sorgen dafür, dass das Netz letztlich zuverlässig und zufriedenstellend funktioniert.
05
Kältenetz mit Kupplung vor Ausfällen schützen
Um flexibel zu bleiben und die Sicherheit der Anlage zu gewährleisten, sollten Sie von Anfang an Ersatz- und Übergangslösungen einplanen. Günstig ist es dabei, bereits bei der Errichtung des Kältenetzes zusätzliche Baur-Kupplungen einzuplanen. An diese lassen sich später Mietkälteanlagen anschließen. Das ist nötig, wenn die eigentliche Technik ausfällt, umgebaut wird oder vorübergehend zu erweitern ist.
Kältenetz Ausfall – Was ist zu tun?
Kommt es unerwartet zu einem Ausfall des Kältenetzes, muss häufig schnell eine alternative Kälteversorgung sichergestellt werden. Die schnellste und einfachste Lösung ist in diesem Fall meistens Mietkälte, bei der ein auf mobile Kälteanlagen spezialisiertes Fachunternehmen einen Kaltwassersatz als Kältenetz Ersatzanlage liefert.
Beim Kältenetz Ausfall Ersatz sind dann folgende Faktoren wichtig:
- Wie groß ist / war die Kälteleistung des ausgefallenen Kältenetz Anschlusses?
- Wie erfolgte die bisherige Abnahme, wurde die Fernkälte direkt oder indirekt aus dem Kältenetz entnommen? Gibt es einen zentralen Wärmetauscher, der möglicherweise zwischengeschaltet werden muss?
- Welche Anschlüsse sind vorhanden, um eine Mietkälte-Anlage anzuschließen?
- Gibt es am Anschlussort genügend Platz, oder muss die Kältenetz Ersatzanlage an einem anderen Ort aufgestellt und Schläuche verlegt werden?
- Ist die Stromversorgung vor Ort ausreichend dimensioniert und sind entsprechende Stromanschlüsse für eine mobile Kälteanlage vorhanden?
Bei vielen dieser Fragen kann auch direkt der Mietkälte-Anbieter weiterhelfen, der auf die Vermietung von Kälteanlagen spezialisiert ist und mit Notsituationen rund um Kälteanlagen Ausfälle bestens vertraut ist.
FAQ: Häufige Fragen zum Betrieb und zum Bau von Kältenetzen
Was ist ein Kältenetz und wann kommt es zum Einsatz?
Ein Kältenetz ist eine Anlage, die Kaltwasser von zentral aufgestellter Kühltechnik an verschiedene Verbraucher leitet. Während das im kleinen Stil in industriellen Anlagen funktioniert, lassen sich auch ganze Quartiere, Stadtteile oder Städte mit einem Netz zur Kaltwasserversorgung ausstatten. Beispiele für die sogenannte Fernkälte finden sich unter anderem in Chemnitz, Gera und München.
Welche Vorteile haben Netze zur gemeinsamen Kühlung?
Die zentrale Kälteerzeugung macht die Installation mehrerer Einzelanlagen überflüssig. Nutzer müssen weniger Technik warten und sparen Platz im Bereich der Verbraucher. Ein weiterer Vorteil liegt in der geringeren Lärmemission im Anschlussbereich. Da Kältemittel nur noch in der Kältezentrale nötig ist, sinken in allen anderen Anlagenteilen die Anforderungen an Brand- und Umweltschutz. Zudem profitieren Betreiber von einer höheren Effizienz, wenn sie Kälte zentral erzeugen.
Lohnt sich der Bau eines eigenen Kaltwassernetzes?
Genau wie bei der Fernwärme lohnt es sich häufig, die eigene Anlage an ein öffentliches bzw. extern betriebenes Kaltwassernetz anzuschließen. Ist dieses nicht vorhanden und Sie müssen Wärme aus unterschiedlichen Anlagenteilen abführen, können Sie auch ein eigenes Kältenetz bauen. Ob sich das lohnt, zeigt nur ein individueller Kostenvergleich.
Aus welchen Komponenten bestehen die Kältenetze?
Kälte- oder Kaltwassernetze bestehen aus einer Kältezentrale, in der eine Anlage warmes Rücklaufwasser auf die gewünschte Temperatur herunterkühlt. Häufig sind hier auch Kältespeicher vorhanden, um Lastschwankungen auszugleichen und Spitzenlasten abzufedern. Von der Zentrale aus führen Verteilleitungen zu den einzelnen Anschlusspunkten. Hier folgen direkte oder indirekte Übergabestationen (zum Beispiel Plattenwärmetauscher), die Kälte- und Verbrauchernetz miteinander verbinden.
Wie erfolgt die Planung eines Netzes für Kaltwasser?
Möchten Sie ein Kältenetz bauen oder Ihre Anlage an ein solches anschließen, sind erst einmal die wichtigsten Grunddaten (Temperatur, Anlagengröße, besondere Anforderungen etc.) zusammenzustellen. Im nächsten Schritt ermitteln Sie die benötigte Leistung (Gleichzeitigkeiten berücksichtigen) und konstruieren einen Verlegeplan für die Verteilleitungen. Auf dieser Basis lassen sich die Massen-/Volumenströme der einzelnen Teilstränge bemessen. Stehen diese fest, können Sie die Rohrdimensionen im Kältenetz auslegen. Unser Tipp: Geben Sie die Planung und Ausführung in die Hände erfahrener Fachleute und bauen gleich zu Beginn ein Anschluss für Mietkälte ein, um sich bei Ausfällen, Störungen oder Umbauarbeiten schützen zu können.
