Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau
Abstract
Im Zuge der Energiewende in Deutschland wird ein Ausbau von klimaneutralen Wärmenetzen mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien angestrebt und gefördert. Die Weiterentwicklung und Optimierung neuer sowie bestehender Fernwärmesysteme gewinnt daher zunehmend an Bedeutung. Die vorliegende Thesis untersucht die technische Umsetzbarkeit sowie die Effizienzpotenziale bei einer Integration chinesischer und koreanischer Einzelrohr-Verbundsysteme in europäische Fernwärmenetze. Ziel der Analyse ist es, mögliche technische Herausforderungen und Unterschiede in der Leistungsfähigkeit zu bewerten. Auf dieser Grundlage wird ermittelt, inwiefern der Import internationaler Fernwärmeleitungen einen ökonomischen und klimapolitischen Mehrwert für den zukünftigen Netzausbau bieten kann und ob eine Umsetzung in diesem Kontext sinnvoll erscheint. Die Bewertung der Realisierbarkeit einer Integration internationaler Einzelrohr-Verbundsysteme in europäische Fernwärmenetze erfolgt auf Grundlage eines systematischen Vergleichs der normativen Vorgaben Chinas und Koreas mit den in der Europäischen Union gültigen DIN-Normen und weiteren Richtlinien. Es werden ausschließlich nach DIN EN 253 genormte, direkt erdverlegte Kunststoffmantelrohrsysteme betrachtet. Diese bestehen aus einem Mediumrohr aus Stahl, einer Schicht aus Polyurethan-Hartschaumdämmung und einer äußeren Ummantelung aus Polyethylen. Der Vergleich erfolgt durch die Gegenüberstellung normativer Strukturierungen, Materialeigenschaften der Rohrkomponenten sowie betriebsrelevanter Parameter der Rohrsysteme. Aus den identifizierten Differenzen lassen sich spezifische Herausforderungen im Hinblick auf Druck- und Wärmeverluste sowie auf die Ausführung der Verbindungstechniken bei einer Kombination der Rohrsysteme ableiten. Im Rahmen der Analyse der Druckverluste infolge geometrischer Abweichungen wurden für die Verbindung chinesischer und koreanischer Rohrsysteme mit europäischen Leitungen lediglich vernachlässigbare Differenzen ermittelt. Im Gegensatz dazu zeigen sich bezüglich der Wärmeverluste deutliche Unterschiede. Das chinesische Rohrsystem weist aufgrund geringerer Dämmstärke und ungünstigerer Wärmeleitfähigkeit erhöhte Wärmeverluste auf, wohingegen das koreanische System die besten thermischen Eigenschaften zeigt. Geometrische Differenzen führen zudem zu Anpassungsbedarf bei Schweiß- und Muffenverbindungen. Dies betrifft insbesondere chinesisch-europäische Kombinationen, bei denen abweichende Außendurchmesser zu Problemen bei der Passgenauigkeit und Dichtheit der Muffenverbindungen führen können. Koreanische Leitungen zeigen hingegen eine weitgehende Übereinstimmung mit den europäischen Systemen, wodurch der technische Anpassungsaufwand bei der Verbindung geringer ausfällt. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Konstruktion der Rohrverbindungen unter Berücksichtigung der geometrischen und werkstoffspezifischen Unterschiede der Rohrkomponenten individuell angepasst werden muss. Die abschließende Bewertung der Realisierbarkeit einer Integration asiatischer Rohrsysteme in deutsche Fernwärmenetze kann nur unter Einbeziehung wirtschaftlicher und energetischer Faktoren erfolgen. Zwar ist durch den Import ein potenzieller Kostenvorteil hinsichtlich der Anschaffung zu erwarten, dieser kann jedoch durch erhöhte Wärmeverluste und den zusätzlichen konstruktiven Aufwand bei der Netzimplementierung langfristig zu einer Reduktion der Wirtschaftlichkeit und Effizienz führen.
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Bauingenieurwesen Technisches Infrastrukturmanagement Bachelorarbeit __________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Studiengang: Bauingenieurwesen Professur: Technisches Infrastrukturmanagement Abschlussarbeit: Bachelorarbeit zur Erlangung des akademischen Grades (B.Sc.) Erstprüfer: Prof. Dr.-Ing. Ingo Weidlich Zweitprüferin: Violeta Madan (M.Sc.) Verfasserin: Elif Tosun Matrikelnummer: 6054181 Mail: [email protected] Abgabe: 04.08.2025
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun I Kurzfassung Im Zuge der Energiewende in Deutschland wird ein Ausbau von klimaneutralen Wärmenetzen mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien angestrebt und gefördert. Die Weiterentwicklung und Optimierung neuer sowie bestehender Fernwärmesysteme gewinnt daher zunehmend an Bedeutung. Die vorliegende Thesis untersucht die technische Umsetzbarkeit sowie die Effizienzpotenziale bei einer Integration chinesischer und koreanischer Einzelrohr-Verbundsysteme in europäische Fernwärmenetze. Ziel der Analyse ist es, mögliche technische Herausforderungen und Unterschiede in der Leistungsfähigkeit zu bewerten. Auf dieser Grundlage wird ermittelt, inwiefern der Import internationaler Fernwärmeleitungen einen ökonomischen und klimapolitischen Mehrwert für den zukünftigen Netzausbau bieten kann und ob eine Umsetzung in diesem Kontext sinnvoll erscheint. Die Bewertung der Realisierbarkeit einer Integration internationaler Einzelrohr-Verbundsysteme in europäische Fernwärmenetze erfolgt auf Grundlage eines systematischen Vergleichs der normativen Vorgaben Chinas und Koreas mit den in der Europäischen Union gültigen DIN-Normen und weiteren Richtlinien. Es werden ausschließlich nach DIN EN 253 genormte, direkt erdverlegte Kunststoffmantelrohrsysteme betrachtet. Diese bestehen aus einem Mediumrohr aus Stahl, einer Schicht aus PolyurethanHartschaumdämmung und einer äußeren Ummantelung aus Polyethylen. Der Vergleich erfolgt durch die Gegenüberstellung normativer Strukturierungen, Materialeigenschaften der Rohrkomponenten sowie betriebsrelevanter Parameter der Rohrsysteme. Aus den identifizierten Differenzen lassen sich spezifische Herausforderungen im Hinblick auf Druckund Wärmeverluste sowie auf die Ausführung der Verbindungstechniken bei einer Kombination der Rohrsysteme ableiten. Im Rahmen der Analyse der Druckverluste infolge geometrischer Abweichungen wurden für die Verbindung chinesischer und koreanischer Rohrsysteme mit europäischen Leitungen lediglich vernachlässigbare Differenzen ermittelt. Im Gegensatz dazu zeigen sich bezüglich der Wärmeverluste deutliche Unterschiede. Das chinesische Rohrsystem weist aufgrund geringerer Dämmstärke und ungünstigerer Wärmeleitfähigkeit erhöhte Wärmeverluste auf, wohingegen das koreanische System die besten thermischen Eigenschaften zeigt. Geometrische Differenzen führen zudem zu Anpassungsbedarf bei Schweißund Muffenverbindungen. Dies betrifft insbesondere chinesisch-europäische Kombinationen, bei denen abweichende Außendurchmesser zu Problemen bei der Passgenauigkeit und Dichtheit der Muffenverbindungen führen können. Koreanische Leitungen zeigen hingegen eine weitgehende Übereinstimmung mit den europäischen Systemen, wodurch der technische Anpassungsaufwand bei der Verbindung geringer ausfällt. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Konstruktion der Rohrverbindungen unter Berücksichtigung der geometrischen und werkstoffspezifischen Unterschiede der Rohrkomponenten individuell angepasst werden muss. Die abschließende Bewertung der Realisierbarkeit einer Integration asiatischer Rohrsysteme in deutsche Fernwärmenetze kann nur unter Einbeziehung wirtschaftlicher und energetischer Faktoren erfolgen. Zwar ist durch den Import ein potenzieller Kostenvorteil hinsichtlich der Anschaffung zu erwarten, dieser kann jedoch durch erhöhte Wärmeverluste und den zusätzlichen konstruktiven Aufwand bei der Netzimplementierung langfristig zu einer Reduktion der Wirtschaftlichkeit und Effizienz führen.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun II Abstract As part of Germany’s energy transition, the expansion of climate-neutral district heating networks with a high share of renewable energy is being promoted and pursued. In this context, the further development and optimization of both new and existing district heating systems is gaining increasing importance. This thesis investigates the technical feasibility and efficiency potential of integrating Chinese and Korean single-pipe composite systems into European district heating networks. The aim of the analysis is to assess potential technical challenges and differences in performance. On this basis, the study evaluates whether the import of international district heating pipes can offer economic and climate policy benefits for future network expansion and whether such implementation appears feasible. The evaluation of the integration potential is based on a systematic comparison of the regulatory frameworks in China and Korea with the applicable DIN standards and other directives in the European Union. Only directly buried, pre-insulated plastic-jacket pipe systems standardized according to DIN EN 253 are considered. These consist of a steel service pipe, a layer of polyurethane (PUR) rigid foam insulation, and an outer polyethylene (PE) casing. The comparison focuses on regulatory structures, material properties of the pipe components, and operationally relevant parameters. From the identified differences, specific challenges arise with regard to pressure and heat losses as well as to connection techniques when combining different pipe systems. The analysis of pressure losses due to geometric deviations revealed only negligible differences for combinations involving Chinese and Korean systems with European pipes. In contrast, there are significant differences in heat losses: the Chinese system, due to its lower insulation thickness and less favorable thermal conductivity, exhibits higher heat losses, whereas the Korean system demonstrates superior thermal performance. Geometrical differences also necessitate adjustments in welding and socket connections. This is particularly relevant for Chinese-European combinations, where differing outer diameters can lead to problems with fit and sealing. Korean systems, on the other hand, show high compatibility with European pipes, thus requiring fewer technical adaptations. In conclusion, pipe connection designs must be individually adapted, taking into account geometrical and material-specific differences. The final evaluation of the integration feasibility of Asian pipe systems into German heating networks must include both economic and energy-related factors. While lower procurement costs through imports are possible, these may be offset by increased heat losses and additional structural adjustments, potentially reducing long-term efficiency and economic viability.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun III Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ......................................................................................................................................... 1 1.1 Motivation.............................................................................................................................. 1 1.2 Theoretische Grundlagen....................................................................................................... 2 1.2.1 Aufbau der Einzelrohr-Verbundsysteme ............................................................................... 2 1.2.2 Normen und Parameter ......................................................................................................... 3 1.2.3 Materialien und Abmessungen .............................................................................................. 9 1.2.4 Werkstoffeigenschaften ....................................................................................................... 22 1.2.5 Anforderungen an Installation und Betrieb ......................................................................... 26 1.2.6 Hydraulische und wärmetechnische Grundlagen ................................................................ 30 1.2.7 Verbindungstechniken von Rohrsystemen .......................................................................... 30 1.3 Zielsetzung und Methodik ................................................................................................... 33 2 Analyse technischer Herausforderungen bei der Kombination unterschiedlicher Rohrsysteme . 34 2.1 Hydraulischer Druckverlust .................................................................................................. 34 2.2 Wärmeverlust ...................................................................................................................... 45 2.3 Verbindungstechniken ......................................................................................................... 49 2.3.1 Schweißverbindungen ......................................................................................................... 49 2.3.2 Muffenverbindungen ........................................................................................................... 51 3 Ergebnisse ..................................................................................................................................... 53 3.1 Hydraulischer Druckverlust .................................................................................................. 53 3.2 Wärmeverlust ...................................................................................................................... 55 3.3 Verbindungstechniken ......................................................................................................... 58 3.3.1 Schweißverbindungen ......................................................................................................... 58 3.3.2 Muffenverbindungen ........................................................................................................... 59 4 Fazit und Ausblick .......................................................................................................................... 62 4.1 Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse ................................................................ 62 4.2 Mögliche Entwicklungen und Herausforderungen .............................................................. 64 Literaturverzeichnis ............................................................................................................................... 65
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun IV Abbildungsverzeichnis Abbildung 2. 1: Plötzliche Erweiterung [Quelle: Eigene Darstellung] ................................................................... 34 Abbildung 2. 2: Plötzliche Verengung [Quelle: Eigene Darstellung] ...................................................................... 35 Abbildung 2. 3: Lücken bedingt durch Abweichungen der Abmessungen [Quelle: Eigene Darstellung] .............. 35 Abbildung 2. 4: Rohrverbindung mit kleinerem Querschnitt (international) [Quelle: Eigene Darstellung] .......... 37 Abbildung 2. 5: Rohrverbindung mit größerem Querschnitt (international) [Quelle: Eigene Darstellung] ........... 37 Abbildung 2. 6: Rohrverbindung mit gleichem Querschnitt (EU) [Quelle: Eigene Darstellung] ............................ 37 Abbildung 2. 7: Moody-Diagramm [Quelle: Jirka, Lang, 2009, S.21] ..................................................................... 40 Abbildung 2. 8: Querschnitt Kunststoffmantelrohr [Quelle: Eigene Darstellung] ................................................. 46 Abbildung 3. 1: Unregelmäßigkeit nach DIN EN ISO 5817 [Quelle: DIN EN ISO 5817:2023-07] ............................ 59 Abbildung 3. 2: Längsschnitt Verbindung Rohrsystem EU – Korea (KR) [Quelle: Eigene Darstellung] .................. 60 Abbildung 3. 3: Längsschnitt Verbindung Rohrsystem EU – China (CN) [Quelle: Eigene Darstellung] .................. 61
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun V Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Übersicht geltender Normen für Ausführung des Stahlmediumrohrs .................................................... 4 Tabelle 2: Übersicht geltender Normen für die Ausführung der Dämmschicht ...................................................... 6 Tabelle 3: Übersicht geltender Normen für die Ausführung der Ummantelung ..................................................... 8 Tabelle 4: Technische Lieferbedingungen Stahlmediumrohr ................................................................................ 10 Tabelle 5: Chemische Zusammensetzungen Stahlsorten ...................................................................................... 11 Tabelle 6: Technische Lieferbedingungen Dämmung ............................................................................................ 11 Tabelle 7: Technische Lieferbedingungen Ummantelung ...................................................................................... 12 Tabelle 8: Normen für Abmessung des Stahlmediumrohrs ................................................................................... 13 Tabelle 9: Abmessungen Stahlmediumrohr [Maße in mm] .................................................................................. 14 Tabelle 10: Übersicht Normen für die Abmessungen der Dämmschicht .............................................................. 15 Tabelle 11: Abmessungen Dämmschicht [Maße in mm] ....................................................................................... 16 Tabelle 12: Übersicht Normen für die Abmessungen der Ummantelung ............................................................. 18 Tabelle 13: Abmessungen Ummantelung [Maße in mm] ...................................................................................... 19 Tabelle 14: Maximaler Außendurchmesser der Ummantelung [Maße in mm]..................................................... 22 Tabelle 15: Übersicht technische Eigenschaften der Stahlsorten für das Stahlmediumrohr ................................ 22 Tabelle 16: Übersicht technischer Eigenschaften der Dämmung .......................................................................... 24 Tabelle 17: Übersicht technischer Eigenschaften der Ummantelung.................................................................... 25 Tabelle 18: Anforderungen Verlegung der Leitungen ........................................................................................... 27 Tabelle 19: Anforderungen Verbindung der Leitungen ......................................................................................... 28 Tabelle 20: Anforderungen an Betrieb der Leitungen ........................................................................................... 29 Tabelle 21: Ausgeführte Schweißverfahren für die Verbindung der Mediumrohre .............................................. 31 Tabelle 22: Ausgeführte Muffenverbindungen ..................................................................................................... 32 Tabelle 2. 1: Wärmeleitfähigkeiten der PUR-Hartschaumdämmung .................................................................... 45 Tabelle 2. 2: Abmessungen Innendurchmesser und Außendurchmesser Dämmung mit EU-Dämmserie 1 [Maße in mm] ................................................................................................................................................................... 47 Tabelle 2. 3: Abmessungen Innendurchmesser und Außendurchmesser Dämmung mit EU-Dämmserie 2 [Maße in mm] ................................................................................................................................................................... 47 Tabelle 2. 4: Mittlerer linearer Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen 20 – 100 °C ......................................... 50 Tabelle 3. 1: Druckverlustbeiwerte und Einzelwiderstände der Rohrkombinationen ........................................... 54 Tabelle 3. 2: Wärmeverluste EU – Korea ............................................................................................................... 55 Tabelle 3. 3: Wärmeverluste EU – China ............................................................................................................... 56 Tabelle 3. 4: Wärmeverluste der Einzelrohr-Verbundsysteme .............................................................................. 57
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun VI Nomenklatur DN Nennweite d0 Außendurchmesser Mediumrohr t Wanddicke Dc Nenn-Außendurchmesser Ummantelung Dmax Maximaler Außendurchmesser Ummantelung emin Mindestwanddicke Ummantelung DS Dämmserie di Innendurchmesser Dämmung da Außendurchmesser Dämmung Rm Zugfestigkeit Re Streckgrenze pB Maximal zulässiger Betriebsdruck Tmax Maximal zulässige Betriebstemperatur λ Wärmeleitfähigkeit ρ Dichte fc,Nenn Druckfestigkeit τ Scherfestigkeit τax Axiale Scherfestigkeit MFR Schmelzfließrate ÜH Überdeckungshöhe ζ Druckverlustbeiwert A1 Querschnittsfläche vor Erweiterung / Verengung A2 Querschnittsfläche nach Erweiterung / Verengung v Strömungsgeschwindigkeit d Innendurchmesser des Mediumrohrs L Länge der Leitung dhyd Hydraulischer Durchmesser v Kinematische Viskosität
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun VII Re Reynoldszahl k Rauheitsgrad Rohrleitung λ Rohrreibungszahl Δ Gradient / Differenz Δpζ Druckverlust durch Einzelwiderstand Δp Druckverlust λ50 Wärmeleitfähigkeit bei einer Temperatur von 50 K 𝑄𝑣 Wärmeverlust K Wärmeübertragungskoeffizient Ti Innentemperatur / Mediumtemperatur Ta Außentemperatur λiso Wärmeleitfähigkeit Isolation ΔL Längenausdehnung αT Mittlerer linearer Wärmeausdehnungskoeffizient ΔT Temperaturdifferenz KMR Kunststoffmantelverbundrohr PUR Polyurethan-Hartschaum PE Polyethylen HDPE High-density Polyethylen (Hochfester Polyethylen) ERW Elektrisch widerstandsgeschweißt SAW Unterpulvergeschweißt
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 1 1 Einleitung 1.1 Motivation Die Energieversorgung in Deutschland wird grundlegend umgebaut. Mit Einführung der Energiewende intendiert die Bundesregierung die Abkehr von nuklearen und fossilen Brennstoffen durch die Realisierung einer Energieversorgung aus nachhaltig nutzbaren, erneuerbaren sowie regenerativen Quellen. Die im Rahmen dieser angestrebten Wende eingeleiteten Maßnahmen konnten sich bereits auf die Stromerzeugung auswirken; mit einem Anteil von 59,4 % aus erneuerbaren Energiequellen im Jahr 2024 [1]. Während im Stromsektor Fortschritte bei der Energiewende verzeichnet werden konnten, sind für den Wärmesektor noch innovative Lösungen klimaneutraler Technologien auszuarbeiten und die Wärmeinfrastruktur ist zu optimieren. Als Anstoß für die zukünftige Umstrukturierung des Wärmenetzes dient der mit dem Gebäudeenergiegesetz (GEG) vorgesehene Betrieb neu installierter Heizungen mit einem Anteil von 65 % aus erneuerbaren Energien. Mit Unterstützung der Bundesregierung soll auf klimafreundliche Heizungen umgestiegen und der Verbrauch von fossilen Brennstoffen reduziert werden [2; vgl. §71, Abs.1 GEG [3]]. Ein zentrales Element der geförderten klimafreundlichen Wärmenetze ist die Fernwärme. Mit ihr ergibt sich die Möglichkeit, vor allem dicht besiedelte Gebiete mit klimaneutraler Wärme zu versorgen, indem auf erneuerbare Energiequellen sowie Abwärme zurückgegriffen wird. Ein Potenzial dafür zeigt sich in den bereits erfassten Daten zur Wärmeerzeugung für die Fernwärmenetze in Deutschland nach eingesetzten Energieträgern, mit einem Anteil von 31 % an klimaneutralen Quellen und erneuerbaren Energien [4]. Mit der zunehmenden Bedeutung der Wärmenetze für die zukünftige Wärmeversorgung in Deutschland, müssen die Netze entsprechend ausgebaut und optimiert werden. Es wird eine steigende Anzahl sowie Länge der Wärmenetze prognostiziert, was bereits in den vergangenen Jahren beobachtet wurde, mit insgesamt 4.184 Wärmenetzen und einer Gesamttrassenlänge von 35.383 km im Jahr 2022 [4]. Im Hinblick auf den geplanten Ausbau und die Entwicklung der Wärmenetze für die Zukunft entsteht die Herausforderung deutschlandweit eine qualitativ beständige, effiziente und insbesondere wirtschaftliche Wärmeversorgung aufzubauen. Einen Hauptbestandteil dieser Netze stellen die Fernwärmeleitungen dar, welche in unterschiedlichen Ausführungen als Medium zum Transport der Wärme im Netz dienen. Ein Großteil der verlegten Fernwärmeleitungen bilden die dem starren Rohrsystem zugeordneten Kunststoffmantelverbundrohre (KMR), bestehend aus einem Stahlmediumrohr, einer thermischen Isolation (Dämmstoff) und einem Außenmantel aus Polyethylen (PE). Die überwiegend als Hauptleitungen für größere Fernwärmenetze eingebauten Rohrsysteme sind für hohe Temperaturen und Betriebsdrücke ausgelegt und aufgrund ihrer Bestandteile als die kostenintensivere Variante im Vergleich zu den flexiblen Verbundrohren zu betrachten. Für den Ausbau großer Netze ist es jedoch oftmals technisch nicht möglich ein kostengünstigeres System mit Verlegung flexibler Verbundrohre zu realisieren, weshalb andere Maßnahmen ergriffen werden müssen, um einen wirtschaftlichen Aussowie Neubau der insbesondere im Rahmen der Wärmewende vorgesehenen großen
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 8 Ummantelung EU China Korea DIN EN 253 Fernwärmerohre – Einzelrohr-Verbundsysteme für direkt erdverlegte Fernwärmenetze GB/T 29047 Prefabricated directly buried insulating pipes and fittings with polyurethane foamedplastics and high density polyethylene casing pipes DIN EN 253 Fernwärmerohre – EinzelrohrVerbundsysteme für direkt erdverlegte Fernwärmenetze DIN EN 13941-1 Fernwärmerohre - Auslegung und Installation von gedämmten Einzelund DoppelrohrVerbundsystemen für direkt erdverlegte Fernwärmenetze GB/T 29046 Detection methods of technical specification for pre-insulated district heating pipes DIN EN 448 Einzelrohr-Verbundsysteme für direkt erdverlegte Fernwärmenetze - Werkmäßig gefertigte StahlAbsperrarmaturen für StahlMediumrohre, Wärmedämmung aus Polyurethan und einer Ummantelung aus Polyethylen GB/T 18475-2001 Thermoplastics materials for pipes and fittings for pressure applications - Classification and designation - Overall service (design) coefficient DIN EN 448 Einzelrohr-Verbundsysteme für direkt erdverlegte Fernwärmenetze - Werkmäßig gefertigte StahlAbsperrarmaturen für StahlMediumrohre, Wärmedämmung aus Polyurethan und einer Ummantelung aus Polyethylen DIN EN 489-1 Fernwärmerohre - Einzelund Doppelrohr-Verbundsysteme für erdverlegte Fernwärmenetze - Teil 1: Mantelrohrverbindungen und Wärmedämmung nach EN 13941-1 DIN EN 489-1 Fernwärmerohre - Einzelund Doppelrohr-Verbundsysteme für erdverlegte Fernwärmenetze - Teil 1: Mantelrohrverbindungen und Wärmedämmung nach EN 13941-1 DIN 8075 Rohre aus Polyethylen (PE) - PE 80, PE 100 - Allgemeine Güteanforderungen DIN EN ISO 1133-1 Kunststoffe - Bestimmung der Schmelze-Massefließrate (MFR) und der SchmelzeVolumenfließrate (MVR) von Thermoplasten - Teil 1: Allgemeines Prüfverfahren Tabelle 3: Übersicht geltender Normen für die Ausführung der Ummantelung
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 9 Im Rahmen der europäischen Normung sind die allgemein geltenden Normen DIN EN 253 und DIN EN 13941-1 für die Fernwärme auch für die Herstellung der Ummantelung gültig, während in der DIN EN 448 die maßgebenden Anforderungen zur Ausführung der Prüfverfahren der Mantelschicht festgelegt sind. Die DIN EN 489-1 ist für die Ummantelung im Rahmen der Qualitätsprüfung der Mantelrohrverbindung relevant. In der DIN 8075 [20] werden die allgemeinen Güteanforderungen der Mantelschicht aufgeführt; die DIN EN ISO 1133 [21] beschreibt das anzuwendende Verfahren zur Bestimmung des Schmelzindexes von Thermoplasten. In China gelten für die Mantelschicht die allgemeinen Anforderungen und Prüfverfahren nach GB/T 29047 sowie GB/T 29046. Die GB/T 18475-2001 [22] spezifiziert die Benennung und Klassifizierung des thermoplastischen Materials für die Ausführung von Druckrohren, weshalb sie auch bei der Herstellung der Mantelschicht des Einzelrohr-Verbundsystem zur Anwendung kommt. Die koreanische Normung richtet sich bei der Ausführung der Ummantelung an die international geltenden Normen und Standards. Die Hersteller richten sich bei der Produktion, wie bei der Dämmschicht, an die DIN EN 253 sowie weitere maßgebliche europäischen Normen und können eine hohe Qualität und Zuverlässigkeit ihrer Verbundsysteme gewährleisten [16]. Die normativen Vorgaben zur Herstellung der Mantelschicht des Rohrsystems in der EU sind ähnlich aufgegliedert wie die Angaben und Anforderungen zur Dämmung. In China sind die übergreifenden Normen maßgebend, während die koreanischen Vorgaben sich, wie bei der Ausführung der Dämmschicht, an die europäischen Richtlinien halten. Zusammenfassend kann die Aussage getroffen werden, dass in der EU ein umfassendes Regelwerk für die Planung, Herstellung und Installation von erdverlegten, vorisolierten Fernwärmerohrsystemen vorliegt und ebenfalls in der globalen Normierung, wie in den normativen Vorgaben aus Korea, als Standard für die Ausführung von Fernwärmeleitungen dient. China besitzt für die Ausführung der Fernwärmenetze eigene fundierte Richtlinien, die – ähnlich wie in der europäischen Normung – in Anforderungen an die einzusetzenden Komponenten sowie in durchzuführenden Prüfverfahren zur Qualitätssicherung gegliedert sind. 1.2.3 Materialien und Abmessungen 1.2.3.1 Materialien Ein Einzelrohr-Verbundsystem besteht aus mehreren Komponenten und lässt sich in zwei verschiedene Rohrsysteme unterteilen: dem starren und dem flexiblen Rohrsystem. In diesem Vergleich wird ausschließlich das starre Rohrsystem betrachtet, das sich aus folgenden Komponenten zusammensetzt: dem Stahlmediumrohr, der Dämmschicht und der Kunststoffummantelung. In dem folgenden Abschnitt werden die normativ vorgegebenen einzusetzenden Materialien für die Ausführung der drei Komponenten in den jeweiligen Nationen aufgelistet und verglichen. Zur ausführlichen Veranschaulichung der Gemeinsamkeiten und Unterschiede werden die nationalen Vorgaben jeweils einer Komponente in einem tabellarischen Vergleich gegenübergestellt. 1.2.3.1.1 Stahlmediumrohr Die Tabelle 4 zeigt die aus den in Kapitel 1.2.2 gegebenen Vorgaben resultierenden zulässigen Materialien für die Ausführung des Stahlmediumrohres.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 10 Mediumrohr EU China Korea Rohrtyp Norm Werkstoff Norm Werkstoff Norm Werkstoff Nahtlos DIN EN 10216-2 P235GH GB/T 8613 20# KS D 3562 SPPS 42 ERW DIN EN 10217-2 P235GH GB/T 3091 Q235B KS D 3562 SPPS 42 SAW DIN EN 10217-5 P235GH GB/T 3091 Q235B KS D 3583 SPW 41 Tabelle 4: Technische Lieferbedingungen Stahlmediumrohr Die im Rahmen der europäischen Normung zugelassenen Mediumrohre werden in Form von nahtlos geschweißten, elektrisch widerstandgeschweißten [„Electric Resistance Welding“ (ERW), deutsch: „Elektrisch widerstandsgeschweißt“] oder unterpulvergeschweißten Rohren [„Submerged Arc Welding“ (SAW), deutsch: „Unterpulverschweißen“] der Stahlgüte P235GH hergestellt. Charakterisiert wird der Stahl durch seine hohe Plastizität und Zähigkeit, besonders geeignet für Anwendungen mit hohen Temperaturen sowie Betriebsdrücken. Das „P“ steht für „Pressure“ (deutsch: „Druck“), die Zahl 235 gibt die Mindeststreckgrenze des Stahls in MPa an [23] und die Zusatzkennzeichen „GH“ definieren, dass der Stahl für Hochtemperatur-Anwendungen geeignet ist [24]. Die verschiedenen Herstellungen des Stahlrohres sind in den jeweiligen Normen vorgegeben, wobei die technischen Lieferbedingungen für nahtlose Rohre in der DIN EN 10216 [26] und für geschweißte Rohre in der DIN EN 10217 vorzufinden sind [25]. Die Aufteilung der Vorgaben zur Herstellung der nahtlosen und geschweißten Rohre wird in China ähnlich aufgegliedert; in die GB/T 8613 für nahtlose und GB/T 3091 für geschweißte Rohrprofile. Die Werkstoffbezeichnung wird in den Normen differenziert; „20#“ stellt die Bezeichnung des vorgegebenen Stahls nach der GB/T 8613 dar, wobei der Wert 20 den Kohlenstoffanteil von 0,17-0,23 % der Gesamtmasse vordefiniert [27]. Als Äquivalent zu dieser Norm wird die amerikanische Norm ASTM A53 B betrachtet [28]. Als Vergleich kann die äquivalente Norm des Werkstoffes P235GH herangezogen werden; die amerikanische Richtlinie ASTM A106 [29]. Für die geschweißten Rohre muss gemäß GB/T 3091 ein Stahl des Typs Q235B hergestellt werden. Der Buchstabe „Q“ steht für den Anfangsbuchstaben des Begriffes „Qu Fu Dian“ (deutsch: „Streckgrenze“), die Zahl 235 für die Streckgrenze für einen Stahl mit einer Stärke kleiner gleich 16 mm von 235 MPa. Die Streckgrenze nimmt für den Stahl mit zunehmender Wanddicke ab [30]. In Korea wird gemäß dem koreanischen Standard KS D 3562 der Werkstoff SPPS 42 für die Herstellung des Mediumrohres aus nahtlosem Stahl verwendet. Die Bezeichnung SPPS wird definiert zu „Steel Pipe for Pressure Service“ (deutsch: „Stahlrohr für Druckbeanspruchung“), die „42“ bezieht sich auf die Zugfestigkeit des Stahls mit 42,0 kgf/mm² (≙ 412,0 MPa). Anders als in der Normung in der EU und China, sind die elektrisch widerstandsgeschweißten Rohre ebenfalls in der KS D 3562 als SPPS 42 aufgeführt. Für die unterpulververschweißten Rohre wird ein anderer Stahl mit der Kennzeichnung SPW 41 verwendet. Die Bezeichnung „SPW“ beschreibt die Verarbeitungsweise des Stahls mit „Steel Pipe Welded“ (deutsch: „Stahlrohr geschweißt“), die Zahl „400“ bezieht sich auf die Zugfestigkeit des Stahls mit 400 N/mm². Wie für die nahtlos verarbeiteten Rohre, ist die ASTM A53 B auch für die nach dem koreanischen Standard hergestellten Rohre als Äquivalent zu betrachten. Für die unterpulververschweißte Ausführung wird die Norm ASTM A53 A als Vergleich herangezogen.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 11 In Tabelle 5 sind die Vorgaben zu den chemischen Zusammensetzungen der Materialien in Masseprozent der Stahlmediumrohre aufgelistet [31]. C [%] Si [%] Mn [%] P [%] S [%] Cr [%] Cu [%] Mo [%] Ni [%] V [%] max. min. max. max. max. max. max. max. max. max. P235GH 0,16 0,35 1,2 0,025 0,01 0,3 0,3 0,08 0,3 0,02 20# 0,23 0,37 0,65 0,03 0,03 0,25 0,2 0,3 Q235B 0,2 0,35 1,4 0,045 0,045 0,3 0,3 0,3 SPPS 42 0,3 0,35 1 0,04 0,04 SPW 41 0,25 0,04 0,04 Tabelle 5: Chemische Zusammensetzungen Stahlsorten Es wird deutlich, dass der in der EU eingesetzte Stahl P235GH die meisten Bestandteile und als einziger Stahl die Stoffe Molybdän und Vanadium enthält. Der unterpulververschweißte Stahl SPW 41, der in Korea für die Herstellung der Stahlrohre eingesetzt wird, besteht aus der Zusammensetzung mit den wenigsten Inhaltsstoffen. Alle Stahlsorten beinhalten die chemischen Komponenten Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel. Mangan und Silicium sind bis auf den SPW 41 in jeder Stahlsorte vorhanden, wobei Mangan in diesen Ausführungen den prozentual höchsten Anteil der Zusammensetzung bildet. 1.2.3.1.2 Dämmung Die Dämmschicht des Einzelrohr-Verbundsystems übernimmt eine für den Einsatz des Verbundsystems zentrale technische Funktion. Mit ihr wird nicht nur der Transport des Mediums für die Fernwärme mit minimiertem Wärmeverlust ermöglicht, sondern auch das Rohrsystem vor äußeren Einflüssen geschützt. Diese Eigenschaft ist vor allem in Bezug auf die Kraftübertragung im Verbund relevant, da die Dämmung hier zusätzlich eine mechanische Funktion übernimmt. Mit der vollflächigen Umschließung des Mediumrohrs dient sie als kraftübertragendes Füllmaterial zwischen dem Mediumrohr und der Ummantelung und kann bei äußeren Belastungen die Gewährleistung einer gleichmäßigen Verteilung der Kräfte unterstützen. In der Tabelle 6 ist die einzusetzende Dämmung mit den dazugehörigen normativen Richtlinien der jeweiligen Nationen aufgeführt. EU China Korea Norm Material Norm Material Norm Material DIN EN 253 PolyurethanHartschaum GB/T 29047, GB/T 29046 PolyurethanHartschaum DIN EN 253 PolyurethanHartschaum Tabelle 6: Technische Lieferbedingungen Dämmung Aus der Auswertung der vorliegenden Daten für die einzubauenden Materialien für die Dämmschicht wird ersichtlich, dass übergreifend das Material Polyurethan-Hartschaum (PUR) verwendet wird. In allen Nationen sind für den Einbau der Dämmung die Anforderungen an die Qualität und Ausführung in der übergeordneten Norm zur Herstellung der Einzelrohr-Verbundsysteme maßgebend. Wie bereits in Kapitel 1.2.2 ermittelt, richtet sich Korea bei der Produktion der Verbundrohrkomponenten Dämmung und Mantelrohr an die in der EU geltenden Richtlinien, weshalb die DIN EN 253 als Standard für die Ausführung der Dämmschicht vorgesehen ist ([32], [33]).
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 12 1.2.3.1.3 Ummantelung Die Ummantelung des Einzelrohr-Verbundsystems ist ein zentrales Element des Rohrverbunds und übernimmt die relevantesten Funktionen, um einen langlebigen Betrieb der Leitungen gewährleisten zu können. Der aus Kunststoff angefertigte Mantel umschließt die PUR-Hartschaumdämmung sowie das innenliegende Stahlmediumrohr und dient als äußere Schutzschicht. In der Regel wird die Schicht aus Polyethylen (PE) hergestellt. Die wesentliche Funktion des Mantels ist der Schutz des Rohrsystems vor äußeren mechanischen Einwirkungen, Witterung sowie Korrosion in Abhängigkeit von Feuchtigkeit und anderen chemischen Einflüssen aus der Umgebung. Im Herstellungsprozess des Rohrsystems entsteht zudem eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem PE-Mantel und der Dämmung, die zu einer optimierten Stabilität des Gesamtsystems beiträgt. In der Tabelle 7 werden die in den internationalen Normen festgesetzten Vorgaben für die Materialbestimmung der Kunststoffummantelung dargestellt. EU China Korea Norm Material Norm Material Norm Material DIN EN 253 HartPolyethylen PE80 GB/T 29047, GB/T 29046 HartPolyethylen PE80 DIN EN 253 HartPolyethylen PE80 Tabelle 7: Technische Lieferbedingungen Ummantelung Die Quellen, aus denen die Vorgaben für die Ausführung der Ummantelung resultieren, sind identisch mit den Richtlinien, die für die Materialauswahl der Dämmschicht maßgebend sind. In der EU gilt es die Angaben der DIN EN 253 für die Herstellung des Mantels aus Polyethylen zu berücksichtigen. Der Mantel ist entsprechend den Anforderungen der Norm als PE80-Werkstoff zu klassifizieren. Diese Festsetzung lässt darauf schließen, dass im Rahmen der Konstruktion des Rohrsystems die Ummantelung mindestens aus einem Polyethylen mittlerer Dichte produziert werden muss. Mit seiner hohen chemischen Beständigkeit wird der Werkstoff oft als Hart-Polyethylen (PE-HD, HD für „high density“, deutsch: „hohe Dichte“) definiert. Genauere Angaben zu diesen Eigenschaften werden in Kapitel 1.2.4.3 aufgeführt. Des Weiteren zeichnet sich der Werkstoff durch seine Korrosionsbeständigkeit, seine leichte Schweißbarkeit und Flexibilität aus [34]. Die Ziffer „80“ bezieht sich bei dem Polyethylen auf den Zeitstand-Innendruck als Minimum Required Strength (MRS, deutsch: „Minimal erforderliche Kraft“) mit 8,0 N/mm² (≙ 80 bar). In der geltenden Norm GB/T 29046 für China ist die Ummantelung des Rohrsystem ebenfalls mindestens mit einem Polyethylen der Kategorie PE80 auszuführen. Das koreanische Normungssystem richtet sich bei den Vorgaben zur Mantelschicht erneut an die in Europa geltenden Standards, weshalb der gemäß DIN EN 253 festgesetzte Werkstoff Polyethylen mit mindestens einer Klassifizierung als PE80 auszuführen ist [16]. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich viele Gemeinsamkeiten in den Vorgaben für die Auswahl der Materialien des Rohrsystems der EU, China und Korea zeigen. Die meisten Unterschiede sind für den Werkstoff des Stahlmediumrohrs vorhanden, bei dem die jeweiligen Werkstoffe in ihren chemischen Bestandteilen differenzieren. Die normativen Vorgaben sind teilweise, wie der Vergleich zwischen Europa und Korea zeigt, identisch und dementsprechend gelten für die Auswahl und Anforderungen an die Komponenten dieselben Richtlinien. In China liegen im Rahmen der GB/T 29046 zwar eigene Vorgaben für die Bestandteile des Rohrsystems vor, dennoch ergeben sich bei dem Vergleich der Materialien mit denen der übrigen Nationen keine signifikanten Unterschiede.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 13 Eine genaue Gegenüberstellung der technischen Eigenschaften der Komponenten des Rohrsystems in Abhängigkeit der geltenden internationalen normativen Vorgaben wird in Kapitel 1.2.4 aufgeführt. 1.2.3.2 Abmessungen Entscheidend für die Ausführung eines Einzelrohr-Verbundsystems sind nicht nur Materialien, sondern gleichermaßen die Abmessungen der einzelnen Bestandteile und die Abstimmung dieser Maße untereinander. Auf diese Weise können die erforderliche Belastbarkeit und Flexibilität sowie optimierte Effizienz und Lebensdauer des Rohrsystems sichergestellt werden. In jeder Nation werden alle Leitungen standardmäßig in den Längen 6 m und 12 m ([8], [16], [80]) hergestellt. In den folgenden Abschnitten werden die geeigneten Abmessungen der einzelnen Komponenten Stahlmediumrohr, PUR-Dämmung und Ummantelung mit den dazugehörigen normativen Vorgaben einzeln aufgelistet und mit den international geltenden Angaben verglichen. 1.2.3.2.1 Stahlmediumrohr Die Abmessungen des Stahlmediumrohrs sind als zentrales Funktionselement bei der Auslegung des Rohrsystems zu betrachten. Entscheidende Eigenschaften des Gesamtsystems, wie die hydraulische Leistungsfähigkeit und Druckbeständigkeit lassen sich anhand der Maße des Innenrohrs bestimmen. Die Dimensionierung der Rohre erfolgt in Abhängigkeit vom erforderlichen Betriebsdruck, der Strömungsgeschwindigkeit, der Mediumtemperatur sowie den zu erwartenden Belastungen im langjährigen Betrieb. In Tabelle 8 sind die maßgebenden Normen für die Abmessungen des Stahlmediumrohres aufgelistet. EU China Korea Norm Norm Norm DIN EN 253 Gem. Herstellerangaben Gem. Herstellerangaben Tabelle 8: Normen für Abmessung des Stahlmediumrohrs Bei der Auswertung der vorliegenden Informationen über die geltenden Richtlinien für die Abmessungen des Mediumrohrs wird ersichtlich, dass ausschließlich in Europa Maße für die Ausführung des Rohres vorgegeben sind. In den Nationen China und Korea sind keine Angaben bezüglich der Abmessungen in den normativen Richtlinien vorhanden; es sind lediglich Maße in Abhängigkeit der anderen Komponentenabmessungen auf Herstellerseiten zu finden ([16], [33], [32], [35]). Der Vergleich der Abmessungen des Stahlmediumrohres erfolgt anhand der aus der DIN EN 253 und den chinesischen sowie koreanischen Herstellerangaben entnommenen Werte ([35], [32]). Im Zuge des Vergleichs werden jeweils der Nenndurchmesser DN, der Außendurchmesser d0 sowie die Wanddicke t als zu betrachtenden Werte genutzt. Bei den Werten der Wanddicke ist zu beachten, dass es sich bei den Angaben um Mindestwerte handelt, die für die Ausführung berücksichtigt werden müssen und deren Toleranzen den Vorgaben der DIN EN 10217-2 und DIN EN 10217-5 [36] entsprechen.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 14 EU China Korea Nenndurch messer DN Außendurch messer d0 Wand dicke t Nenndurch messer DN Außendurch messer d0 Wand dicke t Nenndurch messer DN Außendurch messer d0 Wand dicke t 15 21,3 2 20 26,9 2 20 27,2 2,9 25 33,7 2,3 25 32 3 25 34 3,4 32 42,4 2,6 32 38 3 32 42,7 3,6 40 48,3 2,6 40 45 3,5 40 48,6 3,7 50 60,3 2,9 50 57 3,5 50 60,5 3,9 65 76,1 2,9 65 76 4 65 76,3 4,5 80 88,9 3,2 80 89 4 80 89,1 4,5 100 114,3 3,6 100 108 4 100 114,3 4,9 125 139,7 3,6 125 133 4,5 125 139,8 5,1 150 168,3 4 150 159 5 150 165,2 5,5 200 219,1 4,5 200 219 6 200 216,3 6,4 250 273 5 250 273 7 250 267,4 6,4 300 323,9 5,6 300 325 7 300 318,5 6,4 350 355,6 5,6 350 377 7 350 355,6 6,4 400 406,4 6,3 400 426 7 400 406,4 6,4 450 457 6,3 450 478 8 450 457,2 6,4 500 508 6,3 500 529 8 500 508 6,4 550 558,8 9,5 600 610 7,1 600 630 8 600 609,6 9,5 650 660,4 8,7 700 711 8 700 720 8 700 711,2 8,7 750 762 8,7 800 813 8,8 800 820 10 800 812,8 9,5 850 863,6 10,3 900 914 10 900 920 10 900 914,4 10,3 1000 1016 11 1000 1020 12 1000 1016 11,1 1100 1120 12 1100 1117,6 11,1 1200 1219 12,5 1200 1220 12 1200 1219,2 11,1 1400 1420 14 Tabelle 9: Abmessungen Stahlmediumrohr [Maße in mm] Die in der Tabelle 9 angegebenen Werte zeigen, dass die eingesetzten Durchmesser für die Fernwärmeleitungen sich in einem fast identischen Wertebereich von 15 – 1400 mm befinden, wobei die Ausführung mit dem kleinsten Nenndurchmesser der Rohre von 15 mm ausschließlich gemäß europäischer Normung und der größte Rohrdurchmesser mit DN 1400 nur im Rahmen der chinesischen Richtlinien aufgeführt wird. Bei detaillierter Betrachtung der Werte für die Nennund Außendurchmesser des Mediumrohrs wird ersichtlich, dass unterschiedliche Außendurchmesser für die Nenndurchmesser angegeben sind. Dies wird vor allem im Vergleich der europäischen mit den chinesischen Angaben deutlich, während für die Werte gemäß koreanischer Herstellerangaben weniger Abweichungen zu den Vorgaben der europäischen DIN vorhanden sind. Die stärkste Differenz der Rohraußendurchmesser zwischen den europäischen und chinesischen Werten ist bei dem DN 350
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 15 zu vermerken, mit einer Differenz der Außendurchmesser von -21,4 mm. Der Wert in Bezug auf den koreanischen Durchmesser fällt deutlich geringer aus. Dieser ergibt sich aus der Differenz der europäischen und koreanischen Außendurchmesser bei DN 250 und beträgt lediglich +5,6 mm. Die ermittelten Werte zeigen eine höhere Abweichung der in China angewendeten Abmessungen der Durchmesser des Mediumrohrs. Neben den Werten für die Außendurchmesser sind außerdem die dazugehörigen Wanddicken der Rohre für die jeweilige Nennweite gegeben. Dieser Wert ist ebenso wie die Maße des Außendurchmessers im Hinblick auf die Verbindung der unterschiedlichen Mediumrohre relevant und muss genauer betrachtet werden. Bei dem Vergleich der Werte wird deutlich, dass die Wanddicken sich ebenfalls in einem ähnlichen Wertebereich von 2 – 14 mm befinden, wobei die Wanddicke 2 mm ausschließlich für die gemäß europäischer Normung herzustellenden Rohre und die Dicke 14 mm nur für die den chinesischen Vorgaben entsprechenden Rohre auszuführen ist. Im Gegensatz zu den bisher verglichenen Werten sind für die Angaben der Wanddicken größere Unterschiede nicht nur bei dem Vergleich der europäischen Daten zu den chinesischen, sondern auch zu den koreanischen zu erkennen. Im Allgemeinen lässt sich jedoch feststellen, dass die Werte nicht so sehr differenzieren, wie die Werte der Außendurchmesser. Die höchste Differenz zwischen den Wanddicken gemäß europäischen und chinesischen Vorgaben ist mit -1,7 mm für das DN 450er und 500er Rohr zu verzeichnen, während die höchste Differenz der europäischen und koreanischen Abmessungen bei DN 600 mit -2,4 mm vorliegt. Die detaillierte Betrachtung der Werte zeigt, dass die gesamten Wanddicken aus den chinesischen sowie koreanischen Herstellerangaben größer als die in der europäischen DIN-Norm aufgeführten Maße sind. Es lässt sich herausstellen, dass sich die Werte für die Abmessungen zwar in einem ungefähr ähnlichen Wertebereich befinden, sich aber einzeln betrachtet schwach bis stark voneinander unterscheiden. Dies ist vor allem in Bezug auf die Abmessungen der Außendurchmesser gemäß DIN EN 253 und chinesischer Herstellerinformationen zu erkennen. Diese Unterschiede sowie die zusätzlich ermittelten Abweichungen in den Wanddicken aus den angegebenen Daten lassen darauf schließen, dass sich im Rahmen einer Verbindung der verschiedenen Rohrquerschnitte mehrere mögliche Herausforderungen ergeben können und demnach eine geeignete Lösung zur Gewährleistung eines gesicherten Transports des Mediums zu entwickeln ist. 1.2.3.2.2 PUR-Dämmung Die Abmessungen der Dämmschicht des Einzelrohr-Verbundsystems sind maßgebend für die thermische Leistung und Effizienz des gesamten Systems. Dabei variieren die auszuführenden Dämmdicken in Abhängigkeit von der Umgebung, der erforderlichen Mediumtemperatur und dem Wärmeschutz. Die Maße der Dämmschicht hängen zudem mit dem gewählten Nenndurchmesser des Mediumrohrs zusammen und sind in Normen sowie Herstellerangaben für den ausgewählten Durchmesser vorgegeben. In Tabelle 10 werden die relevanten Normen für die Bestimmung der Abmessungen der Dämmschicht dargestellt. EU China Korea Norm Norm Norm DIN EN 253, gem. Herstellerangaben Gem. Herstellerangaben Gem. Herstellerangaben Tabelle 10: Übersicht Normen für die Abmessungen der Dämmschicht Die normativen Vorgaben für die Bemessung der Dämmschichtdicke sind wie die des Mediumrohrs, ausschließlich im Rahmen der europäischen Richtlinien gegeben. Diese Angaben werden in Form von
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 16 vorgegeben Werten für den Außendurchmesser der Ummantelung für jeweils drei Wärmedämmserien in der DIN EN 253 aufgeführt. Im Rahmen des Vergleichs der Dämmstärken werden für die Ermittlung der europäischen Werte die Daten eines spezifischen Herstellers herangezogen, da die Schichtdicken je nach Hersteller in Abhängigkeit der genauen Bemessung der Bestandteile Mediumrohr und Ummantelung und deren Wandstärken variieren können. In Tabelle 11 werden die relevanten Daten in Bezug auf die Abmessungen der Dämmschicht aufgelistet. EU China Korea Nenndurch messer DN NennAußendurc hmesser Dc Dämm stärke 1 NennAußendurc hmesser Dc Dämm stärke 2 NennAußendurc hmesser Dc Dämmst ärke 3 Nenndu rchmess er Dc Dämm stärke NennAußend urchmes ser Dc Dämms tärke 15 20 90 28,55 110 38,55 125 46,05 90 28,9 25 90 25,15 110 35,15 125 42,65 90 26 90 25,5 32 110 30,8 125 38,3 140 45,8 110 33 110 30,65 40 110 27,85 125 35,35 140 42,85 125 37 110 27,7 50 125 29,35 140 36,85 160 46,85 140 38,5 125 29,05 65 140 38,95 160 48,95 180 58,75 160 39 140 28,65 80 160 32,55 180 42,55 200 52,35 180 42,5 160 32,35 100 200 39,65 225 64,25 250 64,25 200 42,8 200 39,35 125 225 51,55 250 65,75 280 65,75 225 42,5 225 39,1 150 250 51,45 280 68,85 315 68,85 250 41,6 250 38,4 200 315 43,45 355 85,15 400 85,15 315 43,1 315 43,75 250 400 58,2 450 82,9 500 107,2 400 57,2 400 60 300 450 57,45 500 81,75 560 111,05 450 55,5 450 57,95 350 500 65,9 560 95,2 630 129,6 500 53,7 500 64,4 400 560 69,8 630 104,2 710 143,1 550 53,2 560 67 450 630 78,8 710 117,7 800 162,4 600 52,2 630 76,6 500 710 92,3 800 137 900 185,9 650 50,7 710 89,5 550 710 64,1 600 800 86 900 134,9 1000 183,8 760 53,9 800 82,7 650 850 82,3 700 900 84,4 1000 133,3 1100 182,5 850 53 900 79,4 750 950 79 800 1000 82,3 1100 131,5 1200 180,7 960 57 1000 76 850 1100 100,6 900 1100 81 1200 130,2 1054 53 1100 75,2 1000 1200 79,2 1155 52,5 1200 68,4 1100 1260 54 1300 65,7 1200 1380 63 1400 63,8 1400 1656 100 Tabelle 11: Abmessungen Dämmschicht [Maße in mm] Die in der Tabelle 11 aufgeführten Werte für die Abmessungen der Dämmschicht gemäß den internationalen Vorgaben weisen deutliche Unterschiede auf. Die größte Unterscheidung zeigt sich in der nach europäischer Norm DIN EN 253 bestimmten Ausführungsvariation von drei
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 17 unterschiedlichen Dämmserien. Diese Differenzierung wird in den Richtlinien festgelegt, um die unterschiedlichen und teilweise anspruchsvolleren technischen Anforderungen für das Wärmenetz erfüllen zu können. Zu diesen Anforderungen zählen bspw. die Vorlauftemperatur, welche bei höheren Werten ebenfalls die Ausführung einer erhöhten Dammserie erfordert. Auch ökonomische Rahmenbedingungen bestimmen die Wahl der Dämmserie. Es wird demnach gewichtet, ob eine dickere Dämmung mit längerer Lebensdauer oder eine dünnere Dämmung mit kostentechnischen Vorteilen eingesetzt werden soll. Zudem werden in dichter strukturierten Wärmenetzen überwiegend die Dämmserie 1 bis 2 eingebaut, da in diesen Gebieten die Wärmeverluste geringer ausfallen können [37]. Jedoch ist bei kleineren Leitungsdimensionen auch der hohe spezifische Temperaturverlust relevant, da der Einsatz einer stärker bemessenen Dämmung diesem entgegenwirken und somit den Betrieb eines Netzes mit einer reduzierten Vorlauftemperatur ermöglichen kann [38]. Des Weiteren sind die Bedingungen vor Ort und für den Einsatz der Leitungen ebenfalls entscheidend für die Wahl der Dämmstärke. Faktoren wie eine niedrige Umgebungstemperatur, die Forderung einer langsamen Kühlung bei Betriebsunterbrechung oder fortwährend hohe Mediumtemperaturen erfordern den Ausbau einer stärkeren Dämmschicht und müssen in der Entwicklung des Netzes berücksichtigt werden. Es stellt sich somit heraus, dass im Rahmen der Planung und Realisierung eines Wärmenetzes viele technische Anforderungen entstehen können, die in Form von individualisierten Ausführungen der Leitungen gemäß den Vorgaben der europäischen Richtlinien erfüllt werden können. Werden im Vergleich dazu die Werte der geforderten Abmessungen gemäß dem chinesischen Herstellers Dalian Yidou Piping und des koreanischen Hersteller Pipetec Korea betrachtet wird deutlich, dass eine spezifizierte Dimensionierung der Dämmstärke in Abhängigkeit von den sich ergebenden Anforderungen für den Ausbau des jeweiligen Netzes nicht berücksichtigt wird. Die Werte für die Dämmserien wurden aus den Angaben des Herstellers Brugg Pipes [39] bezogen und dienen als Beispiel für die Ausführung der drei Dämmserien gemäß DIN EN 253. Vergleicht man die Werte mit denen der anderen Nationen ist zu erkennen, dass die Werte der internationalen Hersteller ungefähr den Abmessungen der Dämmserie 1 des Herstellers Brugg Pipes entsprechen. Demnach ergibt sich, dass in dem internationalen Raum Einflussfaktoren wie Außentemperaturen, Wirtschaftlichkeit oder ökologische Faktoren wie die Verringerung der Betriebstemperatur zur Reduktion der CO2-Emissionen nicht in die Entwicklung der Wärmenetze einbezogen werden. Werden die Dämmdicken der drei Nationen näher betrachtet wird deutlich, dass die Stärken der von dem chinesischen Hersteller angegebenen Abmessungen am niedrigsten sind. Dies kann man bspw. an den Werten für DN 1000 feststellen, für den gemäß Herstellerangaben aus Europa eine Dämmdicke der Dämmserie 1 von 79,2 mm und nach koreanischen Vorgaben eine Stärke von 68,4 mm angegeben ist, während die vorgesehene Dicke der Dämmung nach den chinesischen Angaben 52,5 mm beträgt. Ersichtlich wird dies auch durch die durchschnittliche Stärke der Dämmung für die gemeinsamen Nenndurchmesser der drei Nationen, mit einem Durchschnittswert von ca. 58 mm für die europäischen Angaben, einer durchschnittlichen Dicke von ca. 47 mm ermittelt aus den Werten des chinesischen Herstellers, sowie eine Stärke von ca. 54 mm errechnet aus den Abmessungen der koreanischen Daten. Eine Gemeinsamkeit der gegebenen Abmessungen besteht darin, dass die Dämmdicke nicht linear zur Nennweite gewählt wird, es ist keine proportionale Steigung der Dämmdicke zu dem Nenndurchmesser vorhanden; sie nimmt bei einigen Durchmessern erneut ab oder bleibt gleich. Dies ist vor allem damit zu begründen, dass für die Bemessung der Dämmstärke technisch-wirtschaftliche Faktoren berücksichtigt werden, die in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur, Fördervolumen und Transportsowie Materialkosten berücksichtigt werden. Zudem erschweren zu große Dämmungen den Transport und die Verlegung der Leitungen und stellen Komplikationen bei der Lagerung vor Ort dar [40].
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 24 EU China Korea Wärmeleitfähigkeit λ [W/mK] ≤ 0,029 ≤ 0,033 ≤ 0,028 Kerndichte ρ [kg/m³] ≥ 60 - Mediumrohr ≤ DN500: ρ ≥ 55 - Mediumrohr > DN500: ρ ≥ 60 ≥ 60 Geschlossene Zellen [%] ≥ 88 ≥ 90 ≥ 88 Wasseraufnahme Vol. [%] ≤ 10 ≤ 10 ≤ 10 Druckfestigkeit fc,Nenn [N/mm²] ≥ 0,3 ≥ 0,3 ≥ 0,3 Scherfestigkeit τ [N/mm²] > 0,12 bei 23°C > 0,08 bei 140°C > 0,12 bei 23°C > 0,08 bei 140°C ≥ 0,2 Tabelle 16: Übersicht technischer Eigenschaften der Dämmung Die vorliegenden Eigenschaften der Dämmung von China, Korea und der EU zeigen einige Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede auf. Die Werte für die Wärmeleitfähigkeit befinden sich ungefähr in einem Bereich, mit dem Höchstwert von λ50 ≤ 0,033 W/mK gemäß der chinesischen Norm GB/T 29047-2021 für die werkmäßig gefertigten Einzelrohr-Verbundsysteme. Der niedrigste und energetisch effizienteste Wert mit λ50 ≤ 0,028 W/mK für Korea basiert auf den Vorgaben der DIN EN ISO 8497 sowie der KS L 9016 gemäß Informationen des Herstellers Pipetec Korea. Die weiteren Werte befinden sich ebenfalls in einem ähnlichen Wertebereich. Im Rahmen der chinesischen Normung wird lediglich die Mindestanforderung der Dichte der Dämmung für ein Rohrsystem mit einem Mediumrohr ≤ DN 500 auf ρ ≥ 55 kg/m³ abgestuft. Die restlichen Eigenschaften stimmen, trotz verschiedener normativer Grundlagen mit den Vorgaben der in der EU geltenden DIN EN 253 überein. Übereinstimmungen sind ebenfalls bei den koreanischen Herstellerangaben vorhanden, was sich größtenteils darauf zurückführen lässt, dass die Ausführung der Rohrsysteme in Korea sich überwiegend nach den global geltenden Standards richtet; in diesem Fall nach den Richtlinien der DIN EN 253. Zudem wird laut Angaben des Herstellers Pipetec Korea gemäß ISO 1922 eine höhere Mindestscherfestigkeit von τ ≥ 0,2 N/mm² angegeben; unabhängig von der Temperatur des Mediums, was auf eine höhere mechanische Stabilität des Materials schließen lässt. Insgesamt lässt sich festhalten, dass für die drei Regionen ähnliche Leistungsanforderungen zur Ausführung robuster und leistungsfähiger Dämmstoffe mit hoher Wärmeund Alterungsbeständigkeit bestehen. 1.2.4.3 Ummantelung Im Zuge der Fertigung des Mantelrohrs ist die Aufstellung hoher technischer Anforderungen und Standards maßgeblich, um einen kraftschlüssigen Verbund, den Schutz vor äußeren Einflüssen und eine langlebige Funktion des Rohrsystems sicherzustellen. Für den Betrieb der Fernwärmeleitungen geben unter anderem die Werte der Schmelzfließrate und Spannungsrissbeständigkeit eine Aussage darüber, ob der Werkstoff den Qualitätsanforderungen für die Ummantelung entspricht. In der Tabelle 17 werden die maßgebenden technischen Eigenschaften der drei Gebiete aufgelistet.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 25 EU China Korea Klassifizierung PE 80 PE 80 PE 80 Dichte ρ [kg/m³] 950 940 < ρ ≤ 960 940 ≤ ρ ≤ 970 Rußgehalt [%] Massenanteil 2-2,5 Massenanteil 2,5+-0,5 Massenanteil 2,4+-0,6 Schmelzfließrate MFR [g/ 10 min] 0,2 < MFR ≤ 1 0,2 < MFR ≤ 1,4 0,3 - 0,8 Streckspannung (Zugfestigkeit) Rm [N/mm²] 23 ≥ 19 ≥ 17 Bruchdehnung [%] ≥ 350 ≥ 450 > 500 Wärmebeständigkeit durch Sauerstoff-Induktionszeit (OIT) [min] ≥ 20 min bei 210 °C ≥ 20 min bei 210 °C Längenänderung nach Wärmebehandlung [%] ≤ 3% ≤ 3% ≤ 3% Spannungsrissbeständigkeit [h] ≥ 300 h ≥ 300 h > 200 h Tabelle 17: Übersicht technischer Eigenschaften der Ummantelung Bei der Auswertung der vorliegenden Informationen gemäß Tabelle 17 wird deutlich, dass ein einheitlicher Werkstoff für die Herstellung des Mantelrohrs verwendet wird. Unterschiede sind lediglich in den Werkstoffeigenschaften zu vermerken. Für jedes Rohr wird ein Hart-Polyethylen der Klassifizierung PE80 verwendet. Die Klassifizierung des Polyethylens richtet sich ebenfalls nach den Angaben zur Dichte des Stoffes, die sich für die drei Bereiche in einem Wertebereich von 950 – 970 kg/m³ befindet. Die Daten für die EU und Korea wurden jeweils von Herstellern bezogen ([46], [32]), während die Vorgabe der Dichte in China gemäß der Norm GB/T 29047 erfolgt. Die gegebenen Werte gemäß koreanischen Angaben können zudem dem Werkstoff der Klassifizierung PE100 zugeordnet werden [45]. Dennoch kann unter Betrachtung verschiedener Herstellerangaben ([16], [32], [33]) die Aussage getroffen werden, dass sich die Auswahl des Werkstoffes an den Vorgaben der DIN EN 253 richtet und mit einer Dichte ρ ≥ 940 kg/m³ ein Polyethylen der Klasse PE80 oder PE100 ausgewählt werden kann. Ein weiterer Parameter zur Bestimmung der relevanten Eigenschaften des Werkstoffs ist die Schmelzfließrate (MFR). Dieser Wert gibt Informationen zu den Fließeigenschaften des Kunststoffes an und ist abhängig von dem Molekulargewicht sowie der Viskosität. Diese Werte sind insbesondere in Bezug auf die Gewährleistung der Qualität und Verarbeitbarkeit von Kunststoffprodukten zu berücksichtigen. Eine niedrige MFR weist auf ein höheres Molekulargewicht und eine daraus resultierende bessere mechanische Festigkeit sowie Spannungsrissbeständigkeit hin. Jedoch erfordert diese verminderte Fließfähigkeit des Kunststoffes erschwerte Verarbeitungsbedingungen, da der Stoff höher Druckund Temperatureinstellungen benötigt, um sich verformen zu lassen und somit zu einem steigenden Energieverbrauch während des Herstellungsprozesses führt. Demnach lassen sich die gemäß europäischen [8] und koreanischen Angaben [16] verwendeten Polyethylene mit einer MFR von 0,2 – 1,0 g/10 min schwerer verarbeiten, als die chinesischen Werkstoffe, welche eine MFR von bis zu 1,4 g/10 min aufweisen dürfen. Dies impliziert auch, dass in China Kunststoffe verwendet werden, welche einfacher verarbeitet sind und vor allem komplizierte und dünnwandige Formen effektiver füllen, jedoch potenziell größere Schwankungen bei den mechanischen Eigenschaften zeigen können.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 26 In den weiteren mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes zeigen sich ebenfalls Abweichungen. Während in der EU eine höhere Zugfestigkeit von 23 N/mm² gemäß Herstellerangabe [gefordert wird, als in China (≥ 19 N/mm²) [35] und Korea (> 17 N/mm²) ([16], [32]), zeichnen sich die asiatischen Varianten durch eine höhere Bruchdehnung (bis > 500 %) aus, was auf eine höhere Duktilität hinweist. Dabei ist zu erwähnen, dass im Rahmen der koreanischen Vorgaben keine genauen Informationen zu der Bruchdehnung gegeben sind und die ermittelten Daten ausschließlich auf den Angaben des Herstellers (Pipetec Korea) basieren, während zur Bruchdehnung für den in der EU und China eingesetzten Kunststoff gemäß den Normen DIN EN 253 und GB/T 29047 als Mindestwert vorgegeben ist. Vergleicht man die Vorgaben der EU mit den Informationen der Hersteller wird ersichtlich, dass auch diese Werte sich deutlich über dem geforderten Mindestwert befinden können mit Werten > 600 % [46]. Die Anforderungen an die Wärme-, Spannungsrissbeständigkeit und Längenänderung nach Wärmeeinfluss sind auf einem weitgehend ähnlichen Niveau, wobei das in Korea verwendete Polyethylen eine geringere Spannungsrissbeständigkeit (> 200 h) aufweist und keine Informationen zu der Wärmebeständigkeit gemäß Richtlinie oder Herstellerangaben vorhanden sind. Insgesamt lässt sich die Aussage treffen, dass alle Varianten die wesentlichen Anforderungen für die Gewährleistung einer dauerhaften, dichten und stabilen Umhüllung für das Rohrsystem erfüllen, indem die erforderlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften aufweisen. Abweichungen der Werte sind teilweise auf die unterschiedliche Priorisierung der Produktionsflexibilität oder den Qualitätsanforderungen zurückzuführen. Als abschließendes Fazit zeigt sich, dass für alle drei Gebiete die Komponenten Mediumrohr, Dämmung und Ummantelung die erforderlichen technischen Eigenschaften besitzen, um den sicheren und konstanten Betrieb der Fernwärmeleitung zu gewährleisten. Für viele Eigenschaften befinden sich die Zahlen in einem annähernd gleichen Wertebereich, mit den höchsten Abweichungen der Werte gemäß koreanischen Angaben, was darauf zurückzuführen ist, dass diese Werte den Daten der Hersteller und nicht normativer Bestimmungen entnommen wurden und demnach meist über den Mindestanforderungen liegen. 1.2.5 Anforderungen an Installation und Betrieb Die Installation und der Betrieb des Einzelrohr-Verbundsystems unterliegen weltweit unterschiedlichen technischen, klimatischen und regulatorischen Rahmenbedingungen. Diese Unterschiede wirken sich unmittelbar auf die Ausführung der Installation, Prüfung, Inbetriebnahme und Wartung der Fernwärmeleitungen aus. Während in der EU vor Allem normative Richtlinien die Auslegung und Prüfung der Wärmenetze bestimmen, sind für den asiatischen Raum insbesondere Einwirkungen der Urbanisierung in der Planung zu berücksichtigen. In diesem Kapitel werden die jeweiligen Anforderungen an die Verlegung, Prüfverfahren sowie Betriebsund Wartungskonzepte aufgeführt und gegenübergestellt. 1.2.5.1 Anforderungen an die Installation Entsprechend der Planung und Bemessung des Netzes stellt ebenfalls die Installation der einzelnen Rohre eine große Herausforderung dar. Dabei können die Anforderungen an die Verlegung und Verdichtung der Leitungen differieren und werden an die gegebenen Bedingungen der jeweiligen Nation angepasst. Die Tabelle 18 stellt die Anforderungen an die Verlegung der Fernwärmeleitungen für die jeweiligen Nationen dar.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 27 EU China Korea Grabenmindestbreite [m] ≥ 0,8 → Tab. A.1 FW 401-12 Mindestabstand Ummantelung - Grabensohle [m] ≥ 0,4 ≥ 0,5 Mindestabstand Ummantelung - Grabenwand [m] ≥ 0,5 ≥ 0,6 Abstand paralleler Ummantelungen [m] 0,15 - 0,3 0,25 - 0,4 Überdeckung ÜH [m] 0,8 - 1,2 0,7 - 1,3 0,6 - 1,2 Mindestabstand Rohr - Andere unterirdische Strukturen [m] parallele Leitungen ≥ 0,4 überkreuzte Leitungen ≥ 0,2 parallele Leitungen ≥ 1 überkreuzte Leitungen ≥ 0,15 Bettung Sand, Kies Mittlerer Sand, schluffiger Ton, sandiger Schluff Oberflächenbeschaffenheit bei Lieferung Durch Handhaltung & Lagerung verursachte Kratzer ≤ 10% der ursprünglichen Wanddicke der Ummantelung Durch Handhaltung & Lagerung verursachte Kratzer ≤ 10% der ursprünglichen Wanddicke der Ummantelung, Kratzertiefe ≤ 1 mm Tabelle 18: Anforderungen Verlegung der Leitungen Bei der Auswertung der vorliegenden Daten aus der Tabelle wird ersichtlich, dass für die EU und China normative Regelungen zur Verlegung der Leitungen vorhanden sind, während in Korea keine spezifizierten Vorgaben bestehen oder nicht zugänglich sind, weshalb im Rahmen dieser Recherche nur die Informationen eines Praxisbeispiels bezogen wurden [47]. Ein zentraler Bestandteil der Verlegung der Leitungen stellen die Baugruben dar, deren Ausführung im europäischen sowie chinesischen Raum vorgegeben ist. Die Grabenbreite wird für beide Gebiete im berechnet und genau bemessen, wobei in der EU gemäß DIN 4124 [48] und DIN EN 13942-1 Mindestbreiten in Abhängigkeit des Außendurchmessers der Ummantelung sowie dem Einbau von Dehnungspolster festgesetzt sind. Des Weiteren sind ähnliche Werte für die festgelegten Mindestabstände des Rohrmantels zur Baugrubenwand und -sohle vorhanden. Die Werte gemäß chinesischer Norm sind überwiegend höher, jedoch stellen diese Abweichungen keine signifikanten Differenzen dar. Ein wesentlicher Unterschied liegt in den Vorgaben für den Mindestabstand des Rohres zu anderen unterirdischen Strukturen. Während in den Richtlinien der EU lediglich Mindestwerte für parallel sowie überkreuzt angeordnete Leitungen bestehen, sind gemäß Tabelle 4.1.2 der Norm CJJ/T 81-2013 [49] Mindestabstände in horizontaler sowie vertikaler Richtung der Fernwärmeleitung zu verschiedenen unterirdischen Strukturen jeweils einzeln vorgegeben. Für die Vorgabe des Bettungsmaterials sind Überschneidungen vorhanden; für beide Gebiete ist der Einsatz von Sand geeignet. Im Rahmen der Erstellung der Verbindungen sind folgende Anforderungen gestellt, welche in der Tabelle 19 aufgeführt sind.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 28 EU China Korea Schweißnahtprüfung Durchstrahlungsprüfung / Ultraschalluntersuchung Abhängig von der Projektklasse Abhängig von Rohrdurchmesser, Temperatur und Druck Temperatur Aufschäumung Dämmung [°C] Oberflächentemperatur Mediumrohr: 15 - 45 Mediumrohrtemperatur: ≤ 50 Umgebungstemperatur: 25 - 10 Überstand Ummantelung [mm] ≥ 100 ≥ 100 Freie Enden Mediumrohr [mm] 150 - 250 mm Toleranz von +- 10 mm 150 - 250 mm Differenz der Längen ≤ 40 mm Ummantelungsenden Sauber geschnitten Toleranz von 2,5 ° rechtwinklig zur Rohrachse Sauber geschnitten Toleranz von 2,5 ° rechtwinklig zur Rohrachse Tabelle 19: Anforderungen Verbindung der Leitungen Gemäß DIN EN 13941-2 sind mehrere Festlegungen für die Sichtprüfung sowie die zerstörungsfreie Prüfung der Schweißnähte gegeben. Die letztere wird ebenfalls in der chinesischen Norm CJJ/T 81 für die Prüfung angewandt. In beiden Gebieten erfolgt dieses Prüfverfahren in Form einer Durchstrahlungsprüfung oder Ultraschalluntersuchung, wobei die Ultraschalluntersuchung in China nicht priorisiert wird. Das Ausmaß der Prüfungen ist gemäß DIN EN 13941-2 abhängig von der Projektklasse gegeben, während in China die Ausführung und der Umfang der Prüfverfahren von dem Rohrdurchmesser, der Temperatur und dem Druck abhängen. Für die Verbindung mit den Muffen sind im Rahmen chinesischer sowie koreanischer Richtlinien wenig bis keine Vorgaben vorhanden. Für den Vergleich dienen hier lediglich einige Angaben der Norm CJJ/T 81 bezüglich der Bedingungen für die Ausführung der Muffenverbindung der Leitungen. Anhand der Angaben ist zu erkennen, dass gemäß chinesischer Richtlinien eine strenge Eingrenzung der Temperaturen der Umgebung während des Aufschäumprozesses vorgegeben ist. Die festgelegte Umgebungstemperatur im Bereich von 10°C – 25°C kann eine optimale Verarbeitung des Polyurethanschaums gewährleisten [50]. Für beide Gebiete ist die Höchsttemperatur des Mediumrohres annähernd gleichgesetzt; die in China zugelassene maximale Temperatur ist dabei mit 50°C um 5°C höher als in der DIN EN 13491-2 vorgegeben. Nach Festsetzungen der europäischen DIN soll eine Montage mit der in der Tabelle 19 angegebenen Temperierung des Mediumrohrs eine Beeinflussung der Schaumeigenschaften verhindern, kann aber unter Einhaltung gesonderter Maßnahmen übersowie unterschritten werden. Es sind demnach auch Montagen außerhalb des vorgegebenen Wertebereichs gemäß chinesischer Richtlinie möglich. Im Zuge der Verbindung der Rohre sind in den Richtlinien der EU und China Werte für die Ausführung freier Enden der Stahlmediumrohre vorgegeben, um Schweißarbeiten zu ermöglichen. Die Vorgaben der jeweiligen Richtlinien sind identisch, mit 150 mm – 250 mm freigelegte Länge des Stahlrohrs. Gemäß DIN EN 253 wird eine Abweichung von +- 10 mm toleriert, während die Norm GB/T 29047 eine Begrenzung der Differenz der freigelegten Enden ≤ 40 mm festlegt. Auch für die Ummantelungsenden sind in den Richtlinien beider Gebiete Vorgaben zur Ausführung gegeben. Gemäß DIN EN 253 sowie GB/T 29047 ist ein sauberer sowie rechtwinkliger Schnitt der Ummantelungsenden auf der Länge der Dämmstoffkante erforderlich. 1.2.5.2 Anforderungen an den Betrieb Der Betrieb der Fernwärmeleitungen unterliegt je nach Region unterschiedlichen regulatorischen Anforderungen. Aspekte wie Betriebsdruck und -temperatur stellen maßgebende Einflussfaktoren auf die Lebensdauer des Rohrsystems dar. Zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs werden im
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 29 Rahmen der normativen Vorgaben ausgewählte Prüfverfahren mit einzuhaltenden Mindestwerten vorgegeben. Die Tabelle 20 stellt die betrieblichen Anforderungen der verlegten Rohrsysteme dar. EU China Korea Max. zulässiger Betriebsdruck pB [bar] 25 25 25 Max. zulässige Betriebstemper atur Tmax [°C] 140 130 130 Nutzungsdauer - Min. 30 Jahre für Dauerbetrieb (max. Temp. 120°C) & individuelle Zeitintervalle (max. Temp. 140°C) (∑Individuelle Zeitintervalle ≤ 300 h/Jahr) - Min. 50 Jahre (Dauertemp. < 115°C) - Min. 30 Jahre für Dauerbetrieb (max Temp. 120°C) - Min. 50 Jahre (Dauertemp. 115°C) - Über 50 Jahre (Dauertemp. < 115°C) - Min. 30 Jahre für Dauerbetrieb (max. Temp. 120°C) & individuelle Zeitintervalle (max. Temp. 140°C) (∑Individuelle Zeitintervalle ≤ 300 h/Jahr) - Min. 50 Jahre (Dauertemp. < 115°C) Axiale Scherfestigkeit τax [MPa] Nicht gealterter Zustand: - Prüftemp. 23+-2°C: 0,12 MPa - Prüftemp. 140+-2°C: 0,08 MPa Gealterter Zustand: - Prüftemp. 23+-2°C: 45% des Anfangswerts & 0,12 MPa - Prüftemp. 140+-2°C: 0,08 MPa Nicht gealterter Zustand: - Prüftemp. 23+-2°C: 0,12 MPa - Prüftemp. 140+-2°C: 0,08 MPa Gealterter Zustand: - Prüftemp. 23+-2°C: 0,12 MPa - Prüftemp. 140+-2°C: 0,08 MPa Nicht gealterter Zustand: - Prüftemp. 23+-2°C: 0,12 MPa - Prüftemp. 140+-2°C: 0,08 MPa Gealterter Zustand: - Prüftemp. 23+-2°C: 45% des Anfangswerts & 0,12 MPa - Prüftemp. 140+-2°C: 0,08 MPa Stoßfestigkeit Keine sichtbaren Risse bei Fallgewicht (3 kg) von 2 m Höhe bei -20°C Keine sichtbaren Risse bei Fallgewicht (3 kg) von 2 m Höhe bei -20°C Keine sichtbaren Risse bei Fallgewicht (3 kg) von 2 m Höhe bei -20°C Oberflächenbes chaffenheit Stauchung an Oberfläche des Verbundrohrsystems (Oberfläche im Anfangszustand) ≤ 15% der Dämmdicke betragen Stauchung an Oberfläche des Verbundrohrsystems ≤ 15% der Dämmdicke betragen Stauchung an Oberfläche des Verbundrohrsystems (Oberfläche im Anfangszustand) ≤ 15% der Dämmdicke betragen Tabelle 20: Anforderungen an Betrieb der Leitungen Die Betriebsdrücke sowie -temperaturen sind maßgebend für die Bestimmung der Nutzungsdauer. Die Vorgaben der jeweiligen Gebiete für die Auslegungen der Dauer sind dabei ähnlich strukturiert. Relevant ist zudem die Angabe für die koreanischen Regulation, welche gemäß Herstellerangaben eine Mindestdauer von 50 Jahren vorgibt und als geltende Anforderungen für die Rohrsysteme die Angaben nach DIN EN 253, EN 448, EN 488 und EN 489 stellt [16]. Demnach werden die für die EU aufgelisteten Anforderungen für die koreanischen Angaben übernommen. Bezüglich der Temperatur soll eine Mindestnutzung von 30 Jahren bei einer maximalen Temperatur von 120°C mit zeitweisen Anstiegen auf 140°C gewährleistet werden. Die Zeitintervalle für den Anstieg sind gemäß DIN EN 253 vorgegeben. Die nach GB/T 29047 geltenden Anforderungen sind teilweise identisch, bis auf die zulässigen Überschreitungen der 120°C, welche in den Richtlinien nicht festgehalten sind. Es sind lediglich Angaben des Herstellers für zulässige Erhöhungen von 130°C – 140°C vorhanden und die
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 30 belegen, dass die Betriebstemperatur der in China verlegten Rohrsysteme den Richtwert von 120°C auch übersteigen kann ([35], [51]). Die aufnehmbaren Scherkräfte sind für alle Gebiete in Form von Prüfverfahren zu bestimmen und müssen die Anforderungen gemäß der gestellten Mindestwerte der Richtlinien erfüllen. Ähnlich wie bei der Nutzungsdauer basieren die Mindestwerte und das Prüfverfahren auf den Festlegungen der jeweiligen Normen DIN EN 253 und GB/T 29047. Auch die Prüftemperatur sowie die zulässigen Mindestwerte sind identisch; der einzige Unterschied besteht in der Prüfung des gealterten Zustands, bei dem gemäß europäischer Richtlinie die Festigkeit mindestens 45% der Scherfestigkeit im nicht gealterten Zustand betragen muss. Es sind demnach kaum Unterscheidungen in den Anforderungen zur Scherfestigkeit vorhanden. Auch die Anforderungen hinsichtlich der mittels Prüfverfahren ermittelten Stoßfestigkeit sowie der Oberflächenbeschaffenheit des Rohres sind für alle drei Gebiete gleich. Als abschließende Zusammenfassung lässt sich sagen, dass für die in der EU, China und Korea verlegten Rohrsysteme viele Überschneidungen hinsichtlich der Anforderungen an den Betrieb für eine sichere und langfristige Nutzung der Fernwärmeleitungen von mindestens 30 bis über 50 Jahren gegeben sind. Begründet werden kann dies vor allem mit der vereinheitlichten Vorgabe der Anforderungen in der europaweiten, sowie chinesischen Normung. 1.2.6 Hydraulische und wärmetechnische Grundlagen Für die Auslegung der Hydraulik des gesamten Leitungsnetzes ist die Berücksichtigung von hydraulischen Druckverlusten essenziell. Der Druckverlust Δp hängt dabei von der Strömungsgeschwindigkeit, dem Rohrinnendurchmesser, dem Fließmedium und spezifischen Druckverlustbeiwerten ab [53]. Gleichzeitig ist die Ermittlung der während des Mediumtransports entstehenden Wärmeverluste für die Bewertung der Energieeffizienz des Gesamtsystems erforderlich. Maßgeblich für die Beurteilung ist der von den Materialeigenschaften und Abmessungen abhängige Wärmedurchgangskoeffizient. Spezifische Formeln für die Ermittlung der Wärmeverluste von Fernwärmeleitungen gemäß Vorgaben der EU sind in der DIN EN 13941-1 Anhang D [9] zu finden. 1.2.7 Verbindungstechniken von Rohrsystemen Ein zentraler technischer Aspekt für die Ausführung von Wärmenetzen stellt die Verbindung der Rohrsysteme dar. Eine wichtige Funktion übernehmen hierbei die Schweißverbindungen der Stahlrohre. Diese Verbindungen müssen einen dichten und stabilen Transport des thermischen Mediums gewährleisten sowie die Beanspruchungen infolge Dehnungen, Innendruck und Erdlasten aufnehmen können [56]. Sie werden in Abhängigkeit der geforderten Abmessungen und Beanspruchungen, mit verschiedenen Schweißverfahren hergestellt. Neben der Verbindung des Mediumrohrs ist zudem der Anschluss der Mantelrohre relevant, da dieser die Verbindung der Rohrsysteme miteinander bildet. Mittels Verbindungsmuffe kann eine kraftschlüssige, gasund wasserdichte Mantelrohrverbindung hergestellt werden. Dabei werden in Abhängigkeit der vorhandenen technischen Anforderungen unterschiedliche Muffenkonstruktionen mit dazugehörigen Manschetten ausgeführt. In den folgenden Abschnitten werden die ausgeführten Verbindungen im Rahmen der Realisierung eines Wärmenetzes in den Bereichen der jeweiligen Nationen beschrieben und verglichen.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 31 1.2.7.1 Schweißverbindungen Die Schweißverbindungen stellen eine elementare Verbindung zwischen den Rohrsystemen dar und erfordern hohe Qualitätsanforderungen sowie Prüfstandards, um einen dichten und sicheren Mediumtransport sicherstellen zu können. Sie werden für die Verbindung der Stahlmediumrohre hergestellt, um eine hohe mechanische Festigkeit, Dichtheit und Dauerhaftigkeit dieser Verbindung zu gewährleisten. In der Tabelle 21 werden die ausgeführten Schweißverfahren in der EU, China und Korea aufgelistet. EU China Korea - Autogenschweißen mit Sauerstoff-Acetylenflamme - Lichtbogenhandschweißen Schutzgasschweißen: - Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) - Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG) - Lichtbogenhandschweißen Schutzgasschweißen: - Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) - Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG) - Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) - Lichtbogenhandschweißen Schutzgasschweißen: - Wolfram-InertgasSchweißen (WIG) - Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG) - Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) Tabelle 21: Ausgeführte Schweißverfahren für die Verbindung der Mediumrohre Bei dem Vergleich der durchgeführten Schweißverfahren in den jeweiligen Nationen wird ersichtlich, dass annährend gleiche Prozesse für die Verbindung der Mediumrohre ausgeführt werden. Insbesondere Schweißverfahren wie das Lichtbogenhandschweißen, welches sich durch geringe Kosten, einfache Handhabung und hohe Gütewerte [54] optimal für die Verarbeitung von Material mit einer Dicke von bis zu 20 mm eignet, werden global ausgeführt. Ebenso findet das WIGVerfahren, aufgrund seiner hohen Nahtqualität und den daraus resultierenden optimierten mechanischen Eigenschaften, häufige Anwendung für die Schweißverbindung der Rohre [55]. Das MAGsowie MIG-Verfahren übertrifft jedoch die anderen Prozesse im Hinblick auf die Herstellung einer hochwertigen Nahtqualität mit erhöhter Geschwindigkeit. Dies stellt nicht nur in Bezug auf die Ökonomie der Herstellung, sondern auch auf die Qualität relevant, da der aus der hohen Geschwindigkeit resultierende geringere Wärmeeintrag im Bereich der Schweißnaht eine Qualitätsminderung des Materials infolge hoher Wärmeeinwirkung verhindert. Generell ist hinzuzufügen, dass die Schutzgasschweißverfahren bei schlechten Witterungsverhältnissen aufgrund des einzusetzenden Schutzgases nicht ausgeführt werden können und dies bei der überwiegenden Verlegung von erdverlegten Fernwärmeleitungen im Freien berücksichtigt werden muss. Für die Herstellung und Prüfung der Schweißnähte der Mediumrohre sind in der EU die Vorgaben des AGFW-Arbeitsblatt 446 [56] maßgebend, während Festlegungen zu den Schweißprozessen für den chinesischen Fernwärmeleitungsbau gemäß der Norm GB/T 29047 vorgegeben sind. Die Informationen für Korea basieren auf Angaben des Herstellers Pem Korea sowie literarischer Quellen [57]. 1.2.7.2 Muffenverbindungen Neben der klassischen Schweißverbindung ist die Konstruktion der Muffenverbindung ein weiteres Element, welches die Verbindungen der Rohrsysteme innerhalb eines Wärmenetzes gewährleistet. Sie stellt nach Verbindung der Mediumrohre den mechanischen sowie wärmetechnischen Verschluss der Ummantelung und Dämmung dar.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 32 Die Ausführung der Muffenmontage kann in Form von verschiedenen Methoden, Materialien und Dichtungsweisen erfolgen und ist abhängig von den nationalen Qualitätsanforderungen. In den folgenden Abschnitten werden die in der EU, China und Korea eingesetzten Muffentypen verglichen. 1.2.7.3 Vergleich der Ausführungen Der tabellarische Vergleich der ausgeführten Muffenverbindungen der jeweiligen Gebiete ist in Tabelle 22 dargestellt. EU China Korea - Schweißmuffen - Vernetzte Schrumpfmuffen - HDPE-Schrumpfmuffen - Schweißmuffen - Vernetzte Schrumpfmuffen - HDPE-Schrumpfmuffen - Schweißmuffen - HDPE-Schrumpfmuffen Tabelle 22: Ausgeführte Muffenverbindungen Die Auswertung der vorliegenden Daten zeigt, dass großenteils gleiche Muffensysteme für die Verbindung der Rohre ausgeführt werden. Die Schweißmuffen werden länderübergreifend eingebaut. Dabei ist zu unterscheiden in Muffen, die vor und nach der Verschweißung der Stahlmediumrohre zu montieren sind. Gemäß Angaben der Hersteller erfolgt der Schweißprozess der Muffen in Form von Elektroschweißmuffen, bei denen mittels Einschweißband aus elektrogalvanisiertem Netz eine Schweißverbindung zwischen dem Mantelrohr und der Muffe hergestellt wird ([58], [59], [16]). In der EU [58] sowie in China [59] werden sowohl offene als auch geschlossene Schweißmuffen verwendet, während in koreanischen Herstellerangaben die offenen Schweißmuffen aufgeführt sind [16]. Die Nutzung von vernetzten Schrumpfmuffen findet ebenfalls in mehreren Gebieten Anwendung. Die Vernetzung des Polyethylens wird angewendet, um die mechanischen, thermischen sowie chemischen Eigenschaften des Stoffes zu optimieren. Diese Bearbeitung des Kunststoffes wird vor Allem in der EU für die Herstellung von geschlossenen Schrumpfmuffen aber auch in China für die Produktion von offenen Schrumpfmuffen verwendet [60]. Im Allgemeinen lässt sich gemäß Angaben der chinesischen Händler erkennen, dass überwiegend offene Schrumpfmuffen für die Ausführung der Rohrverbindungen ausgeführt werden. Es sind aber auch geschlossene Muffen aus HDPE in allen Nationen vertreten ([58], [59], [61]). Die Komponenten und Ausführung der geschlossenen Muffen variierten jedoch gemäß Angaben der verschiedenen Hersteller. Nach Richtlinien und Vorgaben der EU, großenteils basierend auf dem Regelwerk der AFGW, sind im Rahmen der Muffenkonstruktion einer Muffe aus HDPE zusätzliche Dichtungsbänder erforderlich, während in den Beschreibungen der chinesischen und koreanischen Konstruktionsweise Dichtungsbänder nicht aufgeführt werden. Eine vollständige Ausschließung des Einbaus von abdichtenden Materialien während der Muffenmontage kann aber nicht angenommen werden, da die vorliegenden Informationen ausschließlich von den zur Verfügung stehenden Quellen einzelner Hersteller bezogen wurden und nicht auf verpflichtenden Normen und Richtlinien basieren. Zudem kann für die Muffenkonstruktion der koreanischen Wärmenetze die Wahrscheinlichkeit bestehen, dass grundlegende technische Anforderungen im Rahmen der europäischen Normung berücksichtigt werden, da sich die Nation für die normativen Regelungen der Konstruktion und Verlegung von Fernwärmeleitungen, wie bereits in vorherigen Kapiteln erwähnt, überwiegend an den europäischen Standards orientiert.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 33 Die Dämmung der Muffenverbindung kann in zwei Varianten, gemäß Angaben europäischer Hersteller und dem AFGW-Regelwerk, durch Aufschäumung oder den Einbau von werkmäßig hergestellten Dämmelementen ausgeführt werden. Diese Optionen sind auch in den Informationen chinesischer Hersteller aufgeführt. Die Dämmung der Muffe für die Rohrverbindung in Korea, erfolgt anhand Angaben des Herstellers Odelya, durch Aufschäumung der Komponenten Polyol und Isocyanat. Im Allgemeinen lässt sich zusammenfassen, dass gemäß den Richtlinien der EU und Deutschland, die Muffenkonstruktionen für die Verbindung der Rohrsysteme umfassend aufgeführt sind, hohe technische Standards erfüllen und mit den in Asien vertretenen Muffenkonstruktionen großenteils übereinstimmen. Als Herausforderung der Integration der chinesischen sowie koreanischen Leitungen ergibt sich demnach die Realisierung einer mechanisch festen und dichten Verbindung der Leitungen, in Bezug auf ihre differierenden geometrischen, chemischen sowie technischen Eigenschaften. 1.3 Zielsetzung und Methodik Ziel dieser Arbeit ist der Vergleich internationaler Fernwärmeleitungen und die Untersuchung möglicher Herausforderungen für die Umsetzbarkeit eines Einbaus dieser Leitungen an bestehende Netze in Deutschland. Es werden die in China und Korea ausgeführten Modelle der Einzel-Kunststoffmantelverbundrohre als internationaler Vergleich zu den für die europäischen Mitgliedsstaaten vereinheitlichten Rohren herangezogen. Im Vergleich werden vorerst die zugrunde liegenden Normen der jeweiligen Nationen hervorgehoben und anschließend deren wesentliche Vorgaben für die Fernwärmeleitungen aufgezählt und gegenübergestellt. Diese Vorgaben beziehen sich nicht nur auf die Materialeigenschaften und Abmessungen der einzelnen Rohrbestandteile, sondern ebenfalls auf die qualitativen Anforderungen an die Komponenten des Verbundrohrsystems, die im Rahmen von durchzuführenden Prüfverfahren eingehalten werden müssen. Anhand der vorliegenden Ergebnisse werden im weiteren Verlauf mögliche Problemstellungen (im hydraulischen sowie physikalischen Zusammenhang) bei der Verbindung der jeweiligen Leitungen aufgezählt und deren Einflüsse auf die Effizienz des gesamten Netzes untersucht. Dies erfolgt anhand beispielhafter Berechnungen der potenziellen Verluste in der Hydraulik sowie Wärme. Zudem sollen die technischen Herausforderungen bei der Ausführung einer aus nicht einheitlichen Verbundrohren hergestellten Verbindung analysiert und mögliche Ausführungsvarianten untersucht werden. Die für die Bewertung der Umsetzbarkeit und Effizienz relevanten ermittelten Daten wie die geometrische Kompatibilität, mögliche hydraulische sowie Wärmeverluste und Ausführung technischer Verbindungen, werden in einem abschließenden Ergebnis zusammenfassend dargestellt. Anschließend werden im Fazit die vorliegenden Ergebnisse in Bezug auf eine Umsetzbarkeit von Wärmenetzen mit kombinierten Verbundrohrsystemen aus der EU, China und Korea bewertet; mit dem Verweis auf potenzielle Herausforderungen und mögliche Entwicklungen für die Zukunft.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 40 Abbildung 2. 7: Moody-Diagramm [Quelle: Jirka, Lang, 2009, S.21] Mit den Angaben der Reynoldszahl auf der x-Achse und der k/D-Kurve nach Ermittlung der relativen Rauheit nach Gleichung 5, kann die Rohrreibungszahl λ an der y-Achse abgelesen werden. Es folgt eine Ablesung der Rohrreibungszahlen λ für alle drei Durchmesser mit λ ≈ 0,022 [-]. Alternativ kann die Rohrreibungszahl berechnet werden. Für alle drei Durchmesser befinden sich die Rohre im Übergangsbereich. Demnach erfolgt die rechnerische Ermittlung der Rohrreibungszahl gemäß folgender Formel nach Prandtl-Colebrook [66]: 1 √𝜆= −2∙log (2,51 𝑅𝑒 ∙ √𝜆+ 𝑘 𝑑ℎ𝑦𝑑 ∙3,71) (Gl.6) Für die ermittelten Werte der Durchmesser der europäischen, chinesischen und koreanischen Rohre werden folgende λ-Werte ermittelt: EU: 1 √𝜆= −2∙log (2,51 69274,81 ∙ √𝜆+ 4,5 ∙10−5 𝑚 0,0825 𝑚 ∙3,71) 𝜆=0,0216 [−] China: 1 √𝜆= −2∙log (2,51 68015,27 ∙ √𝜆+ 4,5 ∙10−5 𝑚 0,081 𝑚 ∙3,71) 𝜆=0,0217 [−]
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 41 Korea: 1 √𝜆= −2∙log (2,51 67259,54∙ √𝜆+ 4,5 ∙10−5 𝑚 0,0801 𝑚 ∙3,71) 𝜆=0,0217 [−] Die λ-Werte liegen bei der Ablesung anhand des Diagramms sowie bei der rechnerischen Ermittlung in einem ähnlichen Wertebereich. Mit den ermittelten Werten kann die Berechnung des gesamten Druckverlustes der beispielhaften Rohrverbindungen für die Nennweite DN 80 erfolgen. Der gesamte Druckverlust ergibt sich demnach gemäß folgender Berechnung: ∆𝑝=(𝜆 ∙𝐿 ∙ 𝜌 ∙v2 𝑑 ∙2 ) ∙2+ ∑𝜁𝑖 ∙ 𝜌 ∙v2 2 +(𝜆 ∙𝐿 ∙ 𝜌 ∙v² 𝑑 ∙2 ) (Gl. 7) Die Verluste der Rohrabschnitte der EU werden gemäß den aufgeführten Varianten in den Abbildungen jeweils für den Anfang und das Ende der Rohrverbindung berechnet. Für das mittlere Rohrstück werden die werden die chinesischen und koreanischen Rohre verwendet. Als Vergleich der mit diesen Kombinationen ermittelten Verluste wird eine weitere Berechnung für die Rohrverbindung über dieselbe Länge ausschließlich mit Rohren der EU ausgeführt (siehe Abbildung 2. 6). Diese Druckverlustberechnung erfolgt gemäß folgender Formel, welche lediglich die Druckverluste eines geraden Rohrabschnittes ermittelt. ∆𝑝= 𝜆 ∙ 𝐿𝐺𝑒𝑠 ∙ 𝜌 ∙v2 𝑑 ∙2 (Gl. 8) Der Querschnitt für diese Verbindung bleibt konstant, deshalb ist keine Berücksichtigung von Einzelwiderständen infolge Querschnittserweiterungen oder -verengung erforderlich. Bei dem Vergleich der drei Innendurchmesser für die Nennweite DN 80 wird ersichtlich, dass das Rohr nach Vorgaben der EU den größten Innendurchmesser aufweist. Demnach entsteht bei der chinesischen sowie koreanischen Rohrverbindung eine Strömung gemäß Abbildung 2. 4. Es folgen die Ermittlungen der Druckverluste für die Kombinationen der Nennweite DN 80 wie folgt: EU-CN-EU: Druckverlustbeiwerte nach Gleichung 1 und 2: Δp (EU) ζAufweitung, Verengung Δp (CN/KR) Δp (EU)
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 42 ζ =0,5−0,4 ∙ (𝐴2 𝐴1)−0,1 ∙ (𝐴2 𝐴1)2 =0,5−0,4 ∙((𝜋 ∙ (0,081 𝑚)2 4) (𝜋 ∙ (0,0825 𝑚)2 4))−0,1 ∙ ( ((𝜋 ∙ (0,081 𝑚)2 4) (𝜋 ∙ (0,0825 𝑚)2 4)) ) 2 =0,0215 ζ =(1−𝐴1 𝐴2) =(1− (𝜋 ∙(0,081 𝑚)2 4) (𝜋 ∙(0,0825 𝑚)2 4))2 = 0,0013 Gesamter Druckverlust der Verbindung EU-CN-EU mit Rohren à 6 m (Gl. 7): ∆𝑝=(0,0216 ∙6 𝑚 ∙ 1000 𝑘𝑔 𝑚3 ∙(1,1 𝑚𝑠 )2 0,0825 𝑚 ∙2 ) ∙2 +(0,0013+0,0215)∙ 1000 𝑘𝑔 𝑚3 ∙(1,1 𝑚𝑠)2 2 +(0,0217 ∙6 𝑚 ∙ 1000 𝑘𝑔 𝑚3 ∙(1,1 𝑚𝑠)2 0,081 𝑚 ∙2 ) =2887,07 𝑘𝑔 𝑚 ∙𝑠²=2887,07 𝑃𝑎=0,029 𝑏𝑎𝑟 Spezifischer Druckabfall: ∆𝑝 𝐿𝐺𝑒𝑠=2887,07 𝑃𝑎 18 𝑚 =160,39 𝑃𝑎 𝑚 EU-KR-EU: Druckverlustbeiwerte nach Gleichung 1 und 2:
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 43 ζ =0,5−0,4 ∙ (𝐴2 𝐴1)−0,1 ∙ (𝐴2 𝐴1)2 =0,5−0,4 ∙((𝜋 ∙ (0,0801 𝑚)2 4) (𝜋 ∙ (0,0825 𝑚)2 4))−0,1 ∙ ( ((𝜋 ∙ (0,0801 𝑚)2 4) (𝜋 ∙ (0,0825 𝑚)2 4)) ) 2 =0,0341 ζ =(1−𝐴1 𝐴2) =(1− (𝜋 ∙(0,0801 𝑚)2 4) (𝜋 ∙(0,0825 𝑚)2 4))2 = 0,00329 Gesamter Druckverlust der Verbindung EU-KR-EU mit Rohren à 6 m (Gl. 7): ∆𝑝=(0,0216 ∙6 𝑚 ∙ 1000 𝑘𝑔 𝑚3 ∙(1,1 𝑚𝑠 )2 0,0825 𝑚 ∙2 ) ∙2 +(0,00329+0,0341)∙ 1000 𝑘𝑔 𝑚3 ∙(1,1 𝑚𝑠)2 2 +(0,0217 ∙6 𝑚 ∙ 1000 𝑘𝑔 𝑚3 ∙(1,1 𝑚𝑠)2 0,0801 𝑚 ∙2 ) =2906,81 𝑘𝑔 𝑚 ∙𝑠²=2906,81 𝑃𝑎=0,0291 𝑏𝑎𝑟 Spezifischer Druckabfall: ∆𝑝 𝐿𝐺𝑒𝑠=2906,81 𝑃𝑎 18 𝑚 =161,49 𝑃𝑎 𝑚 EU – Gesamte Länge: Gesamter Druckverlust der Verbindung EU-EU-EU mit Rohren à 6 m (Gl. 7):
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 44 ∆𝑝=(0,0216 ∙6 𝑚 ∙ 1000 𝑘𝑔 𝑚3 ∙(1,1 𝑚𝑠 )2 0,0825 𝑚 ∙2 ) ∙3 =2851,2 𝑘𝑔 𝑚 ∙𝑠2=2851,2 𝑃𝑎=0,0285 𝑏𝑎𝑟 Spezifischer Druckabfall: ∆𝑝 𝐿𝐺𝑒𝑠=2851,2 𝑃𝑎 18 𝑚 =158,4 𝑃𝑎 𝑚 Als abschließenden Vergleich der bestehenden Druckverluste durch die Verbindung der chinesischen und koreanischen Rohre mit den in der EU verlegten Rohre, wird die prozentuale Differenz der Verluste ermittelt: EU-CN: ∆𝑟𝑒𝑙 =2887,07 𝑃𝑎−2851,2 𝑃𝑎 2851,2 𝑃𝑎 ∙100=1,26 % EU-KR: ∆𝑟𝑒𝑙 =2906,81 𝑃𝑎−2851,2 𝑃𝑎 2851,2 𝑃𝑎 ∙100=1,95 % Anhand der berechneten Werte ist zu erkennen, dass Druckverluste infolge der Rohrverbindung mit chinesischen und koreanischen Rohren vorhanden sind, diese aber mit ca. 1,3 – 2,0 % für die Nennweite DN 80 sehr gering ausfallen. Des Weiteren wird bei dem Vergleich der errechneten spezifischen Druckabfälle mit den als Maximalwert angegebenen Werten von 250 – 300 Pa/m deutlich [67], dass sich alle Druckverluste in einem zulässigen Wertebereich befinden. Es ist jedoch anzumerken, dass diese Berechnungen ausschließlich für die Nennweite DN 80 durchgeführt wurden und die Druckverluste für andere Durchmesser höher ausfallen können. Als Vergleich können die Werte eines Nenndurchmesser DN 40 betrachtet werden, bei dem die Druckverlustbeiwerte und gemäß Tabelle 3. 1 höher ausfallen. Für diese Nennweite betragen die spezifischen Druckverluste: EU-CN-EU: Spez. Druckverlust = 381,26 Pa/m
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 45 EU-KR-EU: Spez. Druckverlust = 364,03 Pa/m EU – Gesamt: Spez. Druckverlust = 355,14 Pa/m → Prozentualer Anstieg mit chinesischem Rohr: 7,36 % → Prozentualer Anstieg mit koreanischem Rohr: 2,50 % Der Wertebereich für den Anstieg des Druckverlustes zwischen 2,5 – 7,4 % ist höher als für die berechnete Nennweite DN 80. Betrachtet man die ermittelten Einzelwiderstände wird ersichtlich, dass es sich bei den mit DN 40 berechneten Druckverlusten um Höchstwerte handelt. Es kann demnach bereits anhand der Einzelwiderstände ungefähr bestimmt werden, welche Querschnitte für eine Verbindung geeignet sind. Eine ausgeführte Auswertung folgt in Kapitel 3.1. 2.2 Wärmeverlust Der Wärmeverlust stellt bei der Kombination unterschiedlicher Rohrsysteme einen wesentlichen Aspekt in der Energieeffizienz dar und hängt entscheidend von der Dimensionierung und Qualität der Wärmedämmung ab. Bei dem Übergang eines gemäß der DIN EN 253 standardisierten Verbundsystems zu einem Rohrsystem nach chinesischer oder koreanischer Ausführung können aufgrund der abweichenden Dämmabmessungen, sowie Wärmedurchgangskoeffizienten inhomogene Wärmeschutzwirkungen und konstruktiv bedingte Wärmebrücken auftreten. Um eine Aussage über die Effizienz dieser Systemkopplung treffen zu können, folgt die Analyse der thermischen Auswirkungen unterschiedlicher Dämmstärken und Ausführungen. Als ausschlaggebender Parameter zur Beurteilung der thermischen Effizienz der Leitung dient die Wärmeleitfähigkeit λ; eine materialabhängige Kennzahl, welche angibt, wie gut ein Material Wärme leitet. Für die Ausführung der Dämmschicht werden Materialien eingesetzt, deren Wärmeleitfähigkeit niedriger ist, um eine effektive Wärmedämmung gewährleisten und Wärmeverluste reduzieren zu können. Diese Zielsetzungen sind vor Allem im Hinblick auf die angestrebte Wärmewende relevant, da mit steigenden Preisen für fossile Energieträger und der vergleichbar begrenzten Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen, der Verlust der ins Netz eingespeisten Wärme mit stetig steigenden Kosten aufgrund der teureren Stromerzeugung verbunden ist (Deutsche Umwelthilfe duh, pdf). Demnach ist es im Rahmen der zukünftigen Wärmenetzauslegung essenziell die Effizienz des Wärmetransports sowie die Reduktion dabei entstehender Wärmeverluste sicherzustellen. Gemäß der in Tabelle 6 und Tabelle 16 angegeben Information wird ersichtlich, dass für die Ausführung der Einzelrohr-Verbundsysteme der EU, China und Korea der gleiche Werkstoff Polyurethan-Hartschaum verwendet wird, welcher in allen drei Gebieten ähnliche Eigenschaften aufweist. Für den ersten Vergleich im Rahmen der thermischen Leistung der jeweiligen Rohre werden die Wärmeleitfähigkeiten der Dämmungen gegenübergestellt: EU China Korea Wärmeleitfähigkeit PUR λ50 [W/mK] 0,027 0,029 0,024 Tabelle 2. 1: Wärmeleitfähigkeiten der PUR-Hartschaumdämmung
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 46 Die Werte entsprechen den Angaben der Hersteller, deren Produkte auf dem jeweiligen Markt angeboten werden ([46], [68], [69]), wobei erwähnenswert ist, dass die Werte herstellerabhängig differieren können. Für den Vergleich wurden die angegebenen Wärmeleitfähigkeiten des Polyurethan-Hartschaums bei gleicher Temperatur von 50°C ermittelt. Anhand dieser repräsentativen Werte lässt sich erkennen, dass die in Korea ausgeführte Dämmung hervorragende Dämmeigenschaften besitzt, während die in China produzierten Dämmungen die höchste Wärmeleitfähigkeit aufweisen, was sich teilweise mit den gemäß GB/T 29047-2021 bestimmten Mindestwert λ ≤ 0,033 W/mK begründen lässt, welcher größer ist, als der nach EUund koreanischen Standards festgelegte Wert. Für die ausführliche Gegenüberstellung und Bewertung der Wärmeverluste bei Kombination der chinesischen sowie koreanischen Rohre mit den in der EU standardisierten Rohrsystemen, erfolgt die Berechnung des Wärmestroms für die Ermittlung der entstehenden Wärmeverluste eines Hohlzylinders mit folgender Formel [70, 71]: 𝑄𝑣= 𝐾 ∙ 𝜋 ∙ 𝑑𝑖 ∙𝐿 ∙(𝑇𝑖− 𝑇𝑎)= 2 ∙ 𝜆𝑖𝑠𝑜 ∙ 𝜋 ∙𝐿 ∙(𝑇𝑖− 𝑇𝑎) ln𝑑𝑎 𝑑𝑖 (Gl. 9) Mit: 𝑄𝑣 = Wärmeverlust [W] K = Wärmeübertragungskoeffizient [W m2K] di = Innendurchmesser der Dämmung [m] da = Außendurchmesser der Dämmung [m] L = Lange der Leitung [m] Ti = Innentemperatur / Mediumtemperatur [K] Ta = Außentemperatur [K] λiso = Wärmeleitfähigkeit Isolation [W mK] Abbildung 2. 8: Querschnitt Kunststoffmantelrohr [Quelle: Eigene Darstellung]
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 47 Für eine vergleichbare Veranschaulichung der berechneten Ergebnisse, werden die folgenden Parameter mit einheitlichen Werten bestimmt: L = 1 m Ti = 80 °C Ta = 10°C Die Abmessungen der Innenund Außendurchmesser werden wie in Kapitel für die Nennweite DN 80 der jeweiligen internationalen Rohre in der Rechnung berücksichtigt. Demnach ergeben sich die Durchmesser zu: EU China Korea Nenndurch messer DN Innendurch messer di Außendurch messer da Innendurch messer di Außendurch messer da Innendurch messer di Außendurch messer da 80 88,9 154 89 174 89,1 153,6 Tabelle 2. 2: Abmessungen Innendurchmesser und Außendurchmesser Dämmung mit EU-Dämmserie 1 [Maße in mm] Bei Betrachtung der vorliegenden Abmessungen wird ersichtlich, dass die für die Nennweite DN 80 für die Rohre gemäß den Angaben der EU und Korea ein Nenn-Außendurchmesser Dc von 160 mm maßgebend ist, während die Rohre des chinesischen Herstellers Dalian Yiduo Piping für diese Nennweite einen Nenn-Außendurchmesser von 180 mm vorsehen. Daraus lässt sich schließen, dass die Ausführung nach chinesischen Angaben mit der nach EU-Richtlinien standardisierten Variante des Rohrsystem der Dämmstärke 2 korrespondieren würde. Für diese Dämmserie ist der NennAußendurchmesser Dc = 180 mm maßgebend und würde den chinesischen Angaben entsprechen (siehe Tabelle 2. 3). EU China Korea Nenndurch messer DN Innendurch messer di Außendurch messer da Innendurch messer di Außendurch messer da Innendurch messer di Außendurch messer da 80 88,9 174 89 174 89,1 153,6 Tabelle 2. 3: Abmessungen Innendurchmesser und Außendurchmesser Dämmung mit EU-Dämmserie 2 [Maße in mm] Gemäß den Abmessungen des Rohrsystems nach Dämmserie 2 ist zu erkennen, dass die Maße mit denen des chinesischen Rohrs bis auf 0,1 mm Abweichung übereinstimmen. Es folgt demnach der Vergleich der Verluste für das in der EU verlegte Rohr der Dämmserie 1 mit dem Rohrsystem aus China und Korea, sowie ein zusätzlicher Vergleich mit der Dämmserie 2 und dem gemäß chinesischen Angaben ausgeführten Rohr. Die Ermittlung der Verluste erfolgt über die Berechnung mit Gleichung 9 und den oben aufgeführten Angaben. EU: Dämmserie 1:
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 48 𝑄𝑣= 2 ∙ 𝜆𝑖𝑠𝑜 ∙ 𝜋 ∙𝐿 ∙(𝑇𝑖− 𝑇𝑎) ln𝑑𝑎 𝑑𝑖 = 2 ∙0,027 W mK ∙ 𝜋 ∙1 𝑚 ∙(80 𝐾−10 𝐾) ln0,154 0,0889 =21,613 𝑊 𝑚 Dämmserie 2: 𝑄𝑣= 2 ∙ 𝜆𝑖𝑠𝑜 ∙ 𝜋 ∙𝐿 ∙(𝑇𝑖− 𝑇𝑎) ln𝑑𝑎 𝑑𝑖 = 2 ∙0,027 W mK ∙ 𝜋 ∙1 𝑚 ∙(80 𝐾−10 𝐾) ln0,174 0,0889 =17,683 𝑊 𝑚 China: 𝑄𝑣= 2 ∙ 𝜆𝑖𝑠𝑜 ∙ 𝜋 ∙𝐿 ∙(𝑇𝑖− 𝑇𝑎) ln𝑑𝑎 𝑑𝑖 = 2 ∙0,029 W mK ∙ 𝜋 ∙1 𝑚 ∙(80 𝐾−10 𝐾) ln0,174 0,089 =19,025 𝑊 𝑚 Korea: 𝑄𝑣= 2 ∙ 𝜆𝑖𝑠𝑜 ∙ 𝜋 ∙𝐿 ∙(𝑇𝑖− 𝑇𝑎) ln𝑑𝑎 𝑑𝑖 = 2 ∙0,024 W mK ∙ 𝜋 ∙1 𝑚 ∙(80 𝐾−10 𝐾) ln0,1536 0,0891 =19,383 𝑊 𝑚
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 49 Anhand der berechneten Ergebnisse lässt sich erkennen, dass Abweichungen der Wärmeverluste vorhanden sind. Betrachtet man die vorher gesammelten Informationen bezüglich der Unterschiede in den Abmessungen und der Zuordnung der in der EU geltenden Dämmserien zu den entsprechenden Nenn-Außendurchmessern, lassen sind die Abweichungen der Werte zwischen Dämmserie 1 und Korea geringer als zu den chinesischen Abmessungen. Diese Werte sind jedoch in einem ähnlichen Wertebereich des Wärmeverlustes der Dämmserie 2, gemäß den vorher ermittelten Abmessungen. Im Allgemeinen lässt sich zusammenfassen, dass das europäische Rohrsystem der Dämmstärke 2 mit der Nennweite DN 80 die geringsten Wärmeverluste aufweist, großenteils bedingt durch die Wärmeleitfähigkeit des Dämmmaterials, sowie der Rohrgeometrie. Eine genaue Aussage kann aufgrund der abweichenden Abmessungen der Rohrdurchmesser nicht getroffen werden. Eine ausführliche Gegenüberstellung der berechneten Werte wird in Kapitel 3.2 aufgeführt und der Einfluss der Parameter auf die Verluste ermittelt. 2.3 Verbindungstechniken Die Wahl und Ausführung geeigneter Verbindungstechniken ist von zentraler Bedeutung für die Gewährleistung der Betriebssicherheit, Wartung und Langlebigkeit des Einzelrohr-Verbundsystems. Maßgebend für die Verbindungstechniken sind insbesondere die Richtlinien und Vorgaben der jeweiligen Nationen. In diesem Kapitel folgt die Analyse zur Beurteilung, ob eine Verbindung der internationalen Rohre nach den in der EU standardisierten Verbindungstechniken realisierbar ist und die Beschreibung möglicher Ausführungsvarianten. 2.3.1 Schweißverbindungen Im Zuge der Erstellung der Schweißverbindung zwischen den unterschiedlichen Mediumrohren können spezifische technische Herausforderungen entstehen; resultierend aus verschiedenen Faktoren, welche in den folgenden Abschnitten erläutert werden. 2.3.1.1 Werkstoffunterschiede Ein wesentlicher Unterschied bei der Kombination verschiedener Stahlrohre für den Mediumtransport liegt in der differierenden chemischen Zusammensetzung der in den Nationen verwendeten Stahlsorten, wie bereits in Tabelle 5 dargestellt. Dabei haben insbesondere die Abweichungen der Gehalte von Kohlenstoff, Phosphor sowie Schwefel einen Einfluss auf das Schweißverhalten des Stahls. Alle drei Komponenten sind in den in Asien hergestellten Rohren in höheren Anteilen vorhanden und führen zu einer Erschwerung des Schweißprozesses. Kohlenstoff beeinflusst mit seinem Anteil die Festigkeit sowie Härte des Stahls und demnach auch die Schweißbarkeit. Aus diesem Grund wird nach Vorgaben der EU der P235GH Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von C = 0,16 % (s. Tabelle 5) verwendet, um den Schweißprozess bei der Installation der Fernwärmeleitungen zu erleichtern und beschleunigen. Dieser Wert wird von den Rohren nach chinesischen sowie koreanischen Angaben mit Anteilen von 0,2 – 0,3 % übertroffen. Die mit steigendem Kohlenstoffgehalt verringerte Duktilität des Stahls führt zudem dazu, dass eine mögliche Bildung von Austenit nach dem Schweißprozess eine Rissbildung infolge innerer Spannungen verursachen kann [72]. Auch die Stoffe Schwefel (S) und Phosphor (P) sind in vergleichsweise höheren Mengen in den in Asien hergestellten Rohren vertreten und führen, aufgrund von Erhöhung von Festigkeit und Härte sowie Minderung der Duktilität dazu, dass der Stahl spröder ist [72]. Diese Unterschiede müssen beim Schweißprozess berücksichtigt werden, da sonst die Stabilität und Haltbarkeit der Verbindung gefährdet sein könnte.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 56 EU China Dämmserie 2 Wärmeleitfähigkeit λ [W/mK] Wärmeverlust Qv [W/m] Wärmeleitfähigkeit λ [W/mK] Wärmeverlust Qv [W/m] 0,027 17,683 0,029 19,025 Tabelle 3. 3: Wärmeverluste EU – China Wie bereits in Kapitel 2.2 angemerkt, sind gemäß Tabelle 2. 3 die für die chinesische Dämmstärke angegebenen Abmessungen denen der EU – Dämmserie 2 zuzuordnen, da diese größer dimensioniert sind. Die Abmessungen der Dämmung nach koreanischen Angaben befinden sich hingegen in einem ähnlichen Wertebereich der EU – Dämmserie 1, weshalb ein Vergleich mit den der Serie zugehörigen Werten sinnvoll ist. Anhand der Ergebnisse lässt sich erkennen, dass die Wärmeleitfähigkeit einen maßgebenden Einfluss auf den Wärmeverlust in dem Rohrsystem hat. Belegt wird dies durch den niedrigeren Wärmeverlust des koreanischen Rohrs im Vergleich zu dem europäischen Rohr der Dämmserie 1 mit einer Verbesserung von 10,3 %, ebenso wie bei der Gegenüberstellung der Werte von Dämmserie 2 mit dem chinesischen Rohrsystem, dessen Wärmeleitfähigkeit am höchsten ist und sich ein Mehrverlust von 7,6 % ergibt. Demnach würde sich bei der Kombination von chinesischen Rohrsystemen bei 1.000 m Leitungslänge eine Verlustleistung von 1,34 kW und bei den koreanischen Systemen eine Einsparung von 2,23 kW ergeben. Werden die Dämmstärken nach Tabelle 11 betrachtet wird auffällig, dass diese stark variieren und sich nicht immer, wie in der Beispielrechnung zu DN 80, in einem annähernd gleichen Wertebereich befinden. Insbesondere die überwiegend geringe Dämmstärke der chinesischen Rohrsysteme ab der Nennweite DN 400 im Vergleich zu den anderen Nationen stellt eine potenzielle Schwachstelle in Bezug auf die thermische Leistungsfähigkeit eines kombinierten Systems dar. Um eine Bewertung der Wärmeverluste bezüglich dieser großen Abweichungen treffen und die Effizienz der Nutzung der verschiedenen Rohrdurchmesser abschätzen zu können, sind die einzelnen Wärmeverluste in Tabelle 3. 4 wiedergegeben.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 57 Tabelle 3. 4: EU China Korea EU China Korea DS 1 DS 2 DS 1 DS 2 Nenndur chmesser DN da/di da/di da/di da/di Wärmeverlu st Qv [W/m] Wärmeverlust Qv [W/m] Wärmeverlu st Qv [W/m] Wärmeverlu st Qv [W/m] 15 20 3,123 3,866 3,125 10,429 8,782 9,264 25 2,493 3,086 2,625 2,500 13,002 10,538 13,216 11,520 32 2,453 2,807 2,737 2,436 13,235 11,507 12,669 11,858 40 2,153 2,464 2,644 2,140 15,484 13,170 13,116 13,875 50 1,973 2,222 2,351 1,960 17,469 14,872 14,922 15,682 65 1,761 2,024 2,026 1,751 20,989 16,847 18,061 18,844 80 1,732 1,957 1,955 1,724 21,613 17,683 19,025 19,383 100 1,694 1,907 1,793 1,689 22,535 18,392 21,853 20,150 125 1,560 1,734 1,639 1,559 26,686 21,581 25,812 23,759 150 1,439 1,611 1,523 1,465 32,623 24,890 30,307 27,649 200 1,397 1,574 1,394 1,405 35,549 26,189 38,430 31,073 250 1,419 1,601 1,419 1,449 33,931 25,217 36,444 28,474 300 1,350 1,498 1,342 1,364 39,590 29,385 43,411 34,013 350 1,364 1,528 1,285 1,362 38,214 28,029 50,884 34,149 400 1,337 1,513 1,250 1,330 40,929 28,687 57,208 37,041 450 1,345 1,515 1,218 1,335 40,095 28,592 64,566 36,526 500 1,363 1,539 1,192 1,352 38,311 27,529 72,733 34,970 550 1,229 51,107 600 1,282 1,442 1,171 1,271 47,808 32,425 80,751 43,971 650 1,249 47,434 700 1,237 1,375 1,147 1,223 55,746 37,293 92,868 52,376 750 1,207 56,020 800 1,202 1,323 1,139 1,187 64,410 42,370 97,985 61,573 850 1,233 50,402 900 1,177 1,285 1,115 1,164 72,776 47,372 116,964 69,321 1000 1,156 1,103 1,135 81,964 130,178 83,563 1100 1,096 1,118 138,552 94,960 1200 1,103 1,105 129,772 106,049 1400 1,141 96,797 Tabelle 3. 4: Wärmeverluste der Einzelrohr-Verbundsysteme Betrachtet man die Ergebnisse der Tabelle wird ersichtlich, dass die Wärmeverluste des chinesischen Rohrsystems im Vergleich zu dem europäischen Rohrsystem großenteils höher ausfallen. Die rot gekennzeichneten Werte sind die Ergebnisse, dessen Bezugswerte für den Vergleich die Ergebnisse der Dämmserie 2 des europäischen Rohrsystems darstellen. Zu erkennen ist zudem die steigende Abweichung der Werte der EU und China bei Erhöhung des Nenndurchmessers, begründet in dem abnehmenden Verhältnis von da/di. In Bezug auf die Werte der Tabelle 11, ist der verringerte Quotient aus Außenund Innendurchmesser der Dämmung zurückzuführen auf die vergleichsweise dünne Dämmschicht und dem daraus resultierenden gesteigerten Anteil des Innendurchmessers di. Demnach erweist sich das in der EU ausgeführte Rohrsystem als thermisch effizienter im Vergleich zu
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 58 dem chinesischen, basierend auf die Geometrie des Rohrs, sowie der Wärmeleitfähigkeit der Dämmung. Für den Vergleich mit den in Korea hergestellten Verbundrohrsystemen werden die ermittelten Verluste ausschließlich mit denen der Dämmserie 1 gegenübergestellt. Betrachtet man die Verluste in Bezug auf die dazugehörigen Verhältnisse da/di wird kenntlich, dass trotz den geringfügig höheren Werten des Quotienten der europäischen Rohrsysteme, was eine Begünstigung der Verluste bewirkt, die Wärmeverluste der in Korea ausgeführten Rohre geringer ausfallen. Dies hebt hervor, dass es sich bei dem wesentlichen Parameter, welcher den Wärmeverlust von Rohrsystemen mit ungefähr ähnlichen Abmessungen bestimmt, um die Wärmeleitfähigkeit handelt. Die niedrigeren Verluste des koreanischen Rohrsystem im Vergleich zu der Dämmserie 1 geben dies wieder. Bei Betrachtung der Werte für die höheren Nennweiten ist aber zudem zu erkennen, dass der Einfluss des Quotienten aus da/di nicht zu vernachlässigen ist. Beispielhaft dargestellt bei dem Nenndurchmesser DN 1000, bei dem der Quotient des koreanischen Rohrs mit da/di = 1,135 im Vergleich zu dem Wert der Dämmserie 1 mit da/di = 1,156 geringer ausfällt und sich diese Differenz ebenfalls auf die Wärmeverluste auswirkt. Der Verlust für diese Nennweite ist für die Dämmserie 1 mit Qv = 81,964 W geringer als für das koreanische Rohrsystem mit Qv = 83,563 W, trotz der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit. Diese Werte implizieren, dass nicht nur die Wärmeleitfähigkeit, sondern auch die Stärke der Dämmung im Verhältnis zu den Abmessungen dem Mantel und dem inneren Mediumrohr einen zentralen Einfluss auf die Wärmeverluste in dem Rohrsystem haben. Bestätigt wird diese Aussagen auch anhand der Betrachtung der ermittelten Werte für die Dämmserie 2, welche die geringsten Verluste aufweisen, großenteils zu begründen in dem hohen Anteil der Dämmschicht in Relation zu den anderen Komponenten des Rohrsystems. 3.3 Verbindungstechniken 3.3.1 Schweißverbindungen Im Rahmen der technischen Analyse der bestehenden Herausforderungen bei der Herstellung der Schweißverbindungen in Kapitel 2.3.1 wurde deutlich, dass die Kombination der Rohrsysteme aus der EU, China und Korea spezifische Maßnahmen erfordert, um eine betriebssichere und langfristige Verbindung der Mediumrohre gewährleisten zu können. Diesbezüglich relevant sind insbesondere die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften, welche sich auf die thermische Ausdehnung der Rohre auswirken, sowie der Kantenversatz, welcher gesonderte Anforderungen an die Verschweißung der Rohrenden stellt. Die ermittelten Differenzen der Ausdehnungskoeffizienten der Stähle, welche sich auf die thermische Ausdehnung des Werkstoffes unter Einwirkung von Erwärmung auswirken, führen zu ungleichen Längenausdehnungen der Mediumrohre und damit zu Spannungen an der Verbindung, welche in potenzielle Risse der Schweißnaht resultieren können. Belegt wird diese Differenz der Ausdehnung der unterschiedlichen Werkstoffe, anhand der beispielhaft berechneten Abweichung der thermischen Ausdehnung der Stahlsorte aus China zu denen der EU und Korea mit einem Wert von ∆LDiff = 0,11 mm/m. Bezüglich dieser Werte gilt zu beachten, dass die im Zuge der Rechnung genutzten Ausdehnungskoeffizienten herstellerabhängig variieren und dementsprechend die ermittelten Differenzen der Ausdehnung unterschiedlich ausfallen können. Für die Minimierung der thermischen Expansionseffekte des Stahls sind demzufolge die erforderlichen Maßnahmen im Rahmen des Schweißprozesses durchzuführen, um die Stabilität der Naht gewährleisten zu können.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 59 Diese Maßnahmen können vorbereitenden Arbeiten, wie das Vorheizen zur Reduzierung des Temperaturgradienten beinhalten, sowie die Wahl präzisier Schweißtechniken, wie das Lichtbogenschweißen, um die Erhitzung des Materials während des Schweißvorganges besser kontrollieren zu können. Die Förderung einer langsamen Abkühlung nach Abschluss der Schweißung könnte ebenfalls für die Reduktion der Spannungen im Material begünstigen und sich positiv auf die Stabilität der Schweißnaht auswirken. Zusätzlich gilt es, die auftretenden potenziellen Komplikationen durch die Ausbildung der Nahtverbindung bei dem Kantenversatz der Leitungen zu beachten. Werden die ermittelten Abmessungen der Mediumrohre gemäß Tabelle 9 betrachtet ist zu erkennen, dass diese für die jeweiligen Nationen stark voneinander abweichen, sowohl für den Innenals auch den Außendurchmesser. Die in Form eines Kantenversatzes auszuführenden Rohrverbindungen sind nach DIN EN ISO 5817 [78] der Unregelmäßigkeit Nummer 5072 „Kantenversatz bei Rohren“ zuzuordnen und die Grenzwerte für die Bewertungsgruppen zu beachten, siehe Abbildung 3. 1. Abbildung 3. 1: Unregelmäßigkeit nach DIN EN ISO 5817 [Quelle: DIN EN ISO 5817:2023-07] Für Rohrwanddicken über 4 mm ist für den Versatz eine Schweißnahtvorbereitung in Form von Anfasungen oder Abschleifen durchzuführen [79]. 3.3.2 Muffenverbindungen In dem Kapitel 2.3.2 wurden die grundlegenden Herausforderungen in der Konstruktion der Muffenverbindungen für die unterschiedlichen Rohrsysteme aus China und Korea mit dem in der EU verlegten Leitungen aufgezählt und erläutert. Den wesentlichen Grund für die Entstehung von Problemstellen bei der Ausführung der Verbindungen, bilden die geometrischen Abweichungen der Rohrsysteme untereinander. Diese Unterschiede resultieren zum einen aus den kleineren Außendurchmessern der chinesischen Leitungen, den abweichenden Maßen und Wandstärken des Mediumrohrs sowie den variierenden Stärken der Ummantelung. Werden die ermittelten Ergebnisse der Abmessungen aus Kapitel 1.2.3.2 für die einzelnen Komponenten betrachtet ist zu erkennen, dass zwischen den Rohrsystemen der EU und Korea geringe bis keine Abweichungen der Abmessungen vorhanden sind. Die vorhandenen Differenzen begrenzen sich auf die Wandstärken der Rohre und die dementsprechend angepasste Dämmschichtdicke. Die Außendurchmesser der Mediumsowie Mantelrohre bleiben unverändert, was sich im Rahmen der Konstruktion der Muffenverbindung als vorteilhaft erweist. Der Abbildung 3. 2 können die im Zuge der Ausführung der Muffenverbindung relevanten Abmessungen und dazugehörige Differenzen zwischen dem in der EU verlegten Rohrsystem und der koreanischen Leitung entnommen werden.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 60 Abbildung 3. 2: Längsschnitt Verbindung Rohrsystem EU – Korea (KR) [Quelle: Eigene Darstellung] Anhand der Darstellung in Abbildung 3. 2 kann man erkennen, dass die beide Rohre in einer Geraden fluchten und die Unterschiede in den Abmessungen ausschließlich in den größeren Außendurchmesser des Mediumrohres d0 sowie in den Wandstärken des Mantelrohres bestehen. In der Grafik sind die höheren Wandstärken hervorgehoben, deren Differenz zu den Wanddicken des europäischen Rohrsystems mit der nächstgrößeren Nennweite steigt und sich für Nennaußendurchmesser Dc 1400 auf maximal Δ = 14,1 mm beläuft (siehe Tabelle 13). Die roten Linien kennzeichnen sind in Bezug auf das Mediumrohr die teilweise größeren Außendurchmesser des Rohres, während die blauen Linien verdeutlichen, dass für einige Nennweiten der Außendurchmesser des Stahlrohres geringer ausfällt im Vergleich zu dem des europäischen Rohrsystems. Es sind demzufolge keine zentralen Faktoren vorhanden, welche eine Verbindung mittels Schweißund Schrumpfmuffen verhindern würden. Infolge der variierenden Abmessungen ist zu beachten, dass die Dämmung in Form von werkmäßig vorgefertigten Dämmschalen aufgrund der differierenden Außendurchmesser des Mediumrohres für die Konstruktion der Muffenverbindung nicht realisierbar ist. Im Zuge der Verbindung des chinesischen Rohrsystems mit dem europäischen ist der bereits in Kapitel 2.3.2.1 festgestellte kleinere Nenn-Außendurchmesser Dc einiger Nennweiten des chinesischen Verbundrohrsystems ein zentraler Aspekt, welcher in der Planung und Ausführung der Muffenkonstruktion berücksichtigt werden muss. Zudem weisen die Mediumrohrdurchmesser, wie im Vergleich zu den Rohren aus Korea, Abweichungen auf. Die Unterschiede in den Abmessungen des chinesischen Einzelrohr-Verbundsystems im Vergleich zu den in der EU verlegten Fernwärmeleitungen sind in Abbildung 3. 3 wiedergegeben. Mögliche Expansion Mögliche Reduktion
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 61 Abbildung 3. 3: Längsschnitt Verbindung Rohrsystem EU – China (CN) [Quelle: Eigene Darstellung] Wird die Darstellung des Mediumrohrs betrachtet ist zu erkennen, dass die Abmessungen ähnlich wie die des koreanischen Rohrsystems variieren. Die Mediumrohre weisen ebenfalls eine stärkere Wanddicke im Vergleich zu den europäischen auf. Die Abweichungen der Wandstärken der Ummantelung fallen bei Betrachtung der Verbindung des koreanischen Rohrsystems mit dem der EU geringer aus, mit einer maximalen Differenz von Δ = 2,2 mm. Die in der Abbildung kenntlich gemachte Reduktion des Mantelaußendurchmessers des chinesischen Rohres stellt die vorliegende Problematik im Hinblick auf die Erstellung der Muffenverbindung grafisch dar. Damit eine dichte und stabile Verbindung der Rohre ausgeführt werden kann, müssen die geometrischen Inkompatibilitäten aufgrund der Reduktion des Nenn-Außendurchmesser Dc, berücksichtigt und dementsprechend die Ausführung der Kunststoffmuffe angepasst werden. Mögliche Expansion Mögliche Reduktion
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 62 4 Fazit und Ausblick Basierend auf den vorangegangenen ermittelten Informationen der KMR-Systeme aus der EU, China und Korea sowie der Ausarbeitung der normativen, konstruktiven sowie betrieblichen Gemeinsamkeiten und Unterschiede und den daraus resultierenden technischen Herausforderungen, kann eine Einschätzung für die Umsetzbarkeit der Integration internationaler Rohrsysteme in das europäische Wärmenetz erfolgen. Dieses Kapitel dient der Zusammenfassung der aus den theoretischen Grundlagen sowie der Analyse gewonnenen Erkenntnisse und gibt diesbezüglich einen Ausblick auf die potenzielle Entwicklung sowie die entstehenden Herausforderungen, welche bei der Planung und Ausführung des integrierten Wärmenetzes in Zukunft zu berücksichtigen sind. 4.1 Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse Der Vergleich der ermittelten Daten hat gezeigt, dass zwischen den geometrischen Auslegungen, Materialeigenschaften und technischen Anforderungen der einzelnen Komponenten des Rohrsystems Unterschiede vorliegen, die berücksichtigt werden müssen, um einen dauerhaften, sicheren und effektiven Betrieb des Wärmenetzes gewährleisten zu können. Zu den wesentlichen Unterschieden zählen die abweichenden Abmessungen und Stärken der jeweiligen Komponenten sowie die verschiedenen chemischen und technischen Eigenschaften, basierend auf der Nutzung unterschiedlicher Materialien. Die Verwendung nicht einheitlicher Werkstoffe ist größtenteils auf die differierenden normativen Vorgaben zurückzuführen. Im Rahmen dieser Normen sind zwar verschiedene Werkstoffe vorgegeben, dennoch sind die Anforderungen an die einzelnen Komponenten des Einzelrohr-Verbundsystems weitgehend gleich. Zu erkennen ist dies bei der Gegenüberstellung der maßgebenden Normen für die Auslegung von Kunststoffmantelverbundsystemen – der europäischen Norm DIN EN 253 und der chinesischen Norm GB/T 29074 –, deren betriebliche Anforderungen überwiegend identisch sind. Gleiches gilt für die Auslegung der koreanischen Rohrsysteme, deren normativen Regelungen hauptsächlich auf den Grundlagen der maßgebenden europäischen Normen basieren. Bei dem Vergleich der geometrischen Abmessungen der Komponenten wird deutlich, dass wesentliche Unterschiede in der Dimensionierung und Stärke der Materialien vorliegen. Es handelt sich um unregelmäßige Abweichungen, die für jede Nennweite und Rohrkomponente unterschiedlich hoch ausfallen. Demnach ist der technische Anspruch der Umsetzbarkeit eines gemischten Wärmenetzes davon abhängig, welche Nenndurchmesser der Fernwärmeleitungen miteinander kombiniert werden müssen. Werden die technischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten gegenübergestellt, ist zu erkennen, dass sich die Angaben für die zu vergleichenden Eigenschaften überwiegend in einem ähnlichen Wertebereich befinden und keine auffälligen Abweichungen vorliegen. Diese geringfügigen Differenzen können allerdings bereits die Umsetzbarkeit sowie Effizienz des Wärmenetzes beeinflussen. Die vorliegenden Abweichungen in Abmessungen und Materialeigenschaften der Komponenten führen zu den zentralen technischen Herausforderungen bei der Umsetzung eines kombinierten Wärmenetzes. Im Hinblick auf die Verbindung von Rohrsystemen mit unterschiedlich dimensionierten Mediumrohren und differierenden Dämmeigenschaften ist vor allem die Effizienz des Netzes in Bezug auf die Druckund thermische Leistung beeinträchtigt. Diesbezüglich kann anhand der berechneten Verluste eingeschätzt werden, ob und wie stark sich diese Systemunterschiede negativ auf den
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 63 Gesamtwirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit des Netzes auswirken. Bei der Gegenüberstellung der ermittelten Druckverluste ist zu erkennen, dass die geometrischen Veränderungen geringfügig höhere Verluste verursachen und demnach ein niedriger Energieaufwand benötigt wird, um diese Verluste zu überwinden. Eine genaue Aussage über die Auswirkung der Druckverluste kann allerdings nur in Abhängigkeit von der vorliegenden Größe des Wärmenetzes erfolgen. Für die Bewertung der thermischen Effizienz kann anhand des Vergleichs der Wärmeverluste die Aussage getroffen werden, dass die Auslegung der chinesischen sowie koreanischen Rohrsysteme zu unterschiedlichen Auswirkungen auf den Energiebedarf des Netzes führen. Die chinesischen Rohrsysteme weisen größere normative sowie geometrische Differenzen auf, die im Hinblick auf die entstehenden Wärmeverluste zu einem erhöhten Energieverbrauch und höheren Betriebskosten resultieren. Zurückzuführen ist dies auf die normativ festgelegte höhere Wärmeleitfähigkeit sowie die geringe bemessene Dämmschicht der Verbundrohrsystems. Diese Abweichung resultiert nicht nur in der Beeinträchtigung der Wirtschaftlichkeit und Effizienz des Netzes, sondern bedarf aufgrund der geometrischen Inkompatibilität, gesonderte Maßnahmen während der Planung und Konstruktion der Verbindung der Rohrsysteme. Im Rahmen der wirtschaftlichen Bewertung sind diese Aspekte, die in langfristige Mehrkosten resultieren, zu berücksichtigen und mit einem möglichen Kostenvorteil durch verringerte Anschaffungskosten abzuwägen. Im Vergleich dazu besitzt das koreanische Verbundsystem Dämmeigenschaften, die zu einer überwiegend positiven Beeinflussung des Energieverbrauchs durch Verringerung der entstehenden Wärmeverluste führen. Dieser Effekt ist größtenteils bedingt durch die niedrigere Wärmeleitfähigkeit der Dämmung und den ähnlichen Abmessungen im Vergleich zu dem Rohrsystem der EU. Demnach kann bei den in Korea ausgeführten Kunststoffmantelrohren von einem Verbund mit einer hochwertigen Dämmung ausgegangen werden, deren verbesserte Isolationswirkung einen positiven Effekt auf die Energiebilanz des Wärmenetzes ausüben würde. Eine Integration koreanischer Systeme könnte sich in diesem Kontext als wirtschaftlich vorteilhaft erweisen, insbesondere wenn sich bereits zusätzliche Kostenvorteile in der Anschaffung bestehen und die Einzelrohr-Verbundsysteme optimalen Dämmeigenschaften angeboten werden. Die Abweichungen des Materials und der Abmessungen wirken sich zudem unmittelbar auf die Verbindungsqualität der Rohrsysteme aus – sowohl auf die Schweißverbindungen als auch auf die Muffenverbindungen. Das aus den Werkstoffeigenschaften resultierende differierende Verhalten des Stahls bei Erwärmung sowie verschiedene Wanddicken beeinflussen maßgebend die Nahtqualität und die damit verbundene Rissbeständigkeit. Bei Muffenverbindungen entstehen geometrisch bedingte Passprobleme und Abdichtungsrisiken, bedingt durch die unterschiedlichen Außendurchmesser bei den chinesischen Rohrsystemen, die im Zuge der Konstruktion der Verbindung berücksichtigt werden müssen. Insgesamt zeigt sich, dass eine direkte Integration der Rohrsysteme aus China und Korea ohne technische Anpassungen zu funktionalen und betriebstechnischen Problemen führen kann. Insbesondere das in China ausgeführte Verbundsystem weist Unterschiede in Werkstoffeigenschaften und -abmessungen auf, die sich negativ auf den Betrieb und die Effizienz des Wärmenetzes auswirken und zu einer mit hohem Aufwand verbundenen Planung und Konstruktion der Verbindungspunkte führen können. In Bezug auf den Einbau koreanischer Fernwärmeleitungen sind bessere Bedingungen gegeben, die eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Wärmenetzes begünstigen könnten. Für beide Ausführungsvarianten sind jedoch die von dem Hersteller abhängenden maßgebenden Werkstoffeigenschaften und -abmessungen sorgfältig zu überprüfen, mit dem gegebenen System
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 64 abzustimmen und mechanisch stabile und dichte Verbindungselemente zu konstruieren, um einen dauerhaften und sicheren Betrieb des Wärmenetzes gewährleisten zu können. 4.2 Mögliche Entwicklungen und Herausforderungen Im Zuge der europäischen Energiewende und der angestrebten Dekarbonisierung des Wärmesektors ist die Nachfrage nach effizienten und nachhaltigen Lösungen für den Ausbau und Betrieb von Wärmenetzen gestiegen. In diesem Kontext kann ein Netz aus kombinierten Rohrsystemen einen potenziellen Lösungsansatz darstellen, die allerdings mit hohen technischen Herausforderungen verbunden sein können. Für eine optimale Einbindung internationaler Leitungen müssten die Standards für die Ausführung der Verbindungen, insbesondere in Bezug auf geometrische Abweichungen, angepasst und weiterentwickelt werden. Neue einheitliche Verbindungslösungen, deren Herstellungsund Montagekosten sowie -aufwand nicht erheblich von den vorhandenen Systemen abweichen, würden den Einsatz unterschiedlich bemessener Verbundsysteme im Wärmenetz begünstigen. In der Analyse hat sich herausgestellt, dass bereits geringe Unterschiede im Wärmeverlust bei langen Netzstrecken zu signifikanten Energieverlusten führen können. Demnach muss im Hinblick auf die Integration internationaler Kunststoffmantelrohre nicht nur ein potenzieller Kostenvorteil durch den Import der Leitungen, sondern auch die Wirtschaftlichkeit im Hinblick auf den Energieverbrauch der einzubauenden Rohrsysteme berücksichtigt werden. In diesem Kontext sind insbesondere die steigenden Energiepreise und die Dekarbonisierung in Form von Umstellung auf erneuerbare Energien im Rahmen der Wärmewende relevant. Diese Maßnahmen führen dazu, dass die Effizienz des Wärmetransports zunehmend an Bedeutung gewinnt und dementsprechend Rohrsysteme, deren Verluste über dem Durchschnitt liegen, im wirtschaftlichen sowie klimapolitischen Interesse nicht bevorzugt werden. Demnach kann die Integration chinesischer sowie koreanischer Verbundrohrsysteme sich als innovative Möglichkeit zur Optimierung der Wärmenetze erweisen, vorausgesetzt, die Unterschiede in Qualität und Effizienz des Systems werden durch die entsprechende weiterentwickelte Planung und Konstruktion ausgeglichen.
Bachelorarbeit Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau _____________________________________________________________________________________________________ Internationaler Vergleich normativer Vorgaben im Fernwärmeleitungsbau Elif Tosun Seite | 65 Literaturverzeichnis [1] Statistisches Bundesamt Destatis, Pressemitteilung Nr. 091 vom 12.März 2025, Abgerufen am 07.05.25, von https://www.destatis.de/DE/Presse/Pressemitteilungen/2025/03/PD25_091_43312.html [2] Bundesregierung, Neues Gebäudeenergiegesetz, Abgerufen am 07.05.25, von https://www.bundesregierung.de/breg-de/aktuelles/neues-gebaeudeenergiegesetz-2184942 [3] Bundesministerium der Justiz und Verbraucherschutz (2024). „Gesetz zur Einsparung von Energie und zur Nutzung erneuerbarer Energien zur Wärmeund Kälteerzeugung in Gebäuden“, Abgerufen am 07.05.25, von https://www.gesetze-im-internet.de/geg/__71.html [4] AGFW (2023). „AGFW Hauptbericht 2023“, Abgerufen am 08.05.25, von https://www.agfw.de [5] Nuklearforum Schweiz (2022). „China: Nukleares Fernwärme-Projekt nimmt im Nordosten des Landes noch 2022 den Betrieb auf“, Abgerufen am 08.05.25, von https://www.nuklearforum.ch/de/news/china-nukleares-fernwaerme-projekt-nimmt-im-nordostendes-landes-noch-2022-den-betrieb-auf/ [6] Korea.net. „Das südkoreanische Gesetz zur Klimaneutralität tritt am 25. März in Kraft“ vom 23.03.2022, Abgerufen am 15.05.25, von https://german.korea.net/NewsFocus/Policies/view?articleId=212231 [7] AHK Korea, Beitrag „Koreanisch-Deutsche Energiepartnerschaft“, Abgerufen am 29.05.25, von https://korea.ahk.de/de/main-navigation/schwerpunkte/energie-umwelt/koreanisch-deutscheenergiepartnerschaft [8] DIN EN 253: 2019 + A1: 2023 Fernwärmerohre – Einzelrohr-Verbundsysteme für direkt erdverlegte Fernwärmenetze – Werkmäßig gefertigte Verbundrohrsysteme, bestehend aus Stahl-Mediumrohr, einer Wärmedämmung aus Polyurethan und einer Ummantelung aus Polyethylen, Beuth-Verlag Berlin (2024) [9] DIN EN 13941-1: 2021 Fernwärmerohre – Auslegung und Installation von gedämmten Einzelund Doppelrohr-Verbundsystemen für direkt erdverlegte Fernwärmenetze – Teil 1: Auslegung, BeuthVerlag Berlin (2021) [10] DIN EN 10217-1: 2019-08 Geschweißte Stahlrohre für Druckbeanspruchungen - Technische Lieferbedingungen - Teil 1: Elektrisch geschweißte und unterpulvergeschweißte Rohre aus unlegierten Stählen mit festgelegten Eigenschaften bei Raumtemperatur, Beuth-Verlag Berlin (2019) [11] DIN EN 10217-2: 2019-08 Geschweißte Stahlrohre für Druckbeanspruchungen - Technische Lieferbedingungen - Teil 2: Elektrisch geschweißte Rohre aus unlegierten und legierten Stählen mit festgelegten Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen [12] GB/T 29047-2021 Prefabricated directly buried insulating pipes and fittings with polyurethane foamed-plastics and high density polyethylene casing pipes, SAC (2022) [13] GB/T 29046-2023 Detection methods of technical specification for pre-insulated district heating pipes, SAC (2024) [14] China Certification. „GB Standards and Norms for China”, Abgerufen am 31.05.25, von https://www.china-certification.com/en/gb-standards/