Referenz

Datenmodell Netze und Wärmequellen

Das thermische Netz ist die Angebotsseite der Studie: die Leitungen, die das Arbeitsmedium verteilen, die Übergabestationen, die Gebäude an das Netz anschliessen, und die Energiezentralen und Wärmequellen, die die Wärme erzeugen. Diese Seite beschreibt, wie diese Teile organisiert sind — welche Entwurfsentscheidungen Sie auf jeder Ebene treffen und wie das Modell sie abbildet.

Zum Projekt-/Szenariocontainer siehe Eine Studie organisieren. Zum Quartier und den Gebäuden, die das Netz versorgt, siehe Datenmodell Quartiere und Gebäude.

Das Netz auf einen Blick

Ein thermisches Netz ist ein Graph aus Knoten (den Punkten, an denen Leitungen zusammentreffen, Gebäude anzapfen und Wärme erzeugt wird) und Kanten (den Leitungen, die das Medium zwischen ihnen führen), zusammen mit den technischen Parametern, die Medium, Einsatz und Finanzen steuern.

flowchart LR
    D["🗺️ Quartier"] --> TN["🔥 Thermisches Netz"]

    TN --> NODES["Knoten<br/>━━━━━━━━<br/>⚙️ Energiezentralen<br/>🔌 Gebäude-Übergabestationen<br/>● Leitungsverzweigungen"]
    TN --> EDGES["Kanten<br/>━━━━━━━━<br/>━━ Hauptleitungen<br/>━ Gebäudeanschlüsse<br/>━ Energiezentralen-Anschlüsse"]

    TN --> FL["💧 Arbeitsmedium<br/>━━━━━━━━<br/>Typ (Wasser / Glykolgemisch)<br/>Vor-/Rücklauftemperaturen"]
    TN --> MD["Modus<br/>━━━━━━━━<br/>Heizen, Kühlen oder beides"]
    TN --> FIN["💰 Netzkosten<br/>und Tarife"]
    TN --> DC["📈 Aggregierte<br/>Bedarfskurve"]

    classDef district fill:#a5d6a7,stroke:#1b5e20,stroke-width:2px,color:#1b5e20
    classDef network fill:#ffab91,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef thermal fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef finance fill:#fffde7,stroke:#f9a825,stroke-width:1.5px,color:#f57f17
    classDef fluid fill:#bbdefb,stroke:#0d47a1,stroke-width:1.5px,color:#0d47a1

    class D district
    class TN network
    class NODES,EDGES,MD,DC thermal
    class FIN finance
    class FL fluid

Drei technische Entscheidungen auf Netzebene prägen fast alles, was folgt:

Der Modus. Heizen, Kühlen oder kombiniertes Heizen und Kühlen. Er bestimmt, welche Bedarfe die Wärmequellen decken müssen und welche Simulationspfade gelten.
Die Vor- und Rücklauftemperaturen. Zusammen mit dem Arbeitsmedium definieren sie die «Generation» des Netzes — Hochtemperatur-4-Leiter, Niedertemperatur-4-Leiter, Anergie / 5G — und schränken ein, welche Arten von Quellen und Übergabestationen sinnvoll sind. Siehe Netzgenerationen.
Das Arbeitsmedium. Wasser für die meisten warmen Netze; ein Glykolgemisch für kalte Netze, wo Frostschutz nötig ist. Das Modell verwendet die Stoffeigenschaften des Mediums, um Dichte, Viskosität und Wärmekapazität zu berechnen, die in die Leitungsdimensionierung und die Pumpenberechnungen einfliessen.

Die aggregierte Bedarfskurve ist der stündliche thermische Bedarf, den das Netz decken muss, summiert aus den angeschlossenen Gebäude-Übergabestationen. Der Dispatcher verwendet sie, um zu entscheiden, welche Quellen wann laufen.

Knotentypen: Verzweigungen, Übergabestationen, Energiezentralen

Die drei Knotentypen spielen unterschiedliche technische Rollen, obwohl sie im Graphen eine Position teilen.

flowchart TD
    EC["⚙️ Energiezentrale<br/>wo Wärme erzeugt wird"]
    BS["🔌 Gebäude-Übergabestation<br/>wo Wärme abgegeben wird"]
    CP["● Leitungsverzweigung<br/>wo sich Leitungen verzweigen"]

    EC -.speist Wärme ein in.- TN
    BS -.entnimmt Wärme aus.- TN
    CP -.leitet Durchfluss in.- TN

    TN["🔥 Netz"]

    classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef bs fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef cp fill:#ffffff,stroke:#bf360c,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef network fill:#ffab91,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c

    class EC ec
    class BS bs
    class CP cp
    class TN network

Energiezentren sind dort, wo Sie eine oder mehrere Wärmequellen installieren — Kessel, Wärmepumpen, Biomasseanlagen, Erdsonden-Wärmepumpen mit einem Erdsondenfeld. Ein kleines Netz hat meist eine; ein grösseres Netz kann eine Grundlast-Energiezentrale plus eine Spitzenlasteinheit an anderer Stelle der Hauptleitung haben.
Gebäude-Übergabestationen sind die Schnittstelle zwischen einem Gebäude (oder einer kleinen Gruppe von Gebäuden mit einem gemeinsamen Anschluss) und dem Netz. Der Typ der Übergabestation — direkt, Wärmetauscher oder Booster-Wärmepumpe — bestimmt, wie die Wärme an dieser Schnittstelle übertragen wird.
Leitungsverzweigungen sind reine Routing-Knoten. Dort wird keine Wärme zugeführt oder entnommen. Sie erscheinen überall dort, wo sich die Topologie verzweigt.

Sowohl Energiezentralen als auch Gebäude-Übergabestationen können eine oder mehrere Umwälzpumpen enthalten.

Typen von Gebäude-Übergabestationen

Der Anschlusstyp an einer Gebäude-Übergabestation hängt von der Vorlauftemperatur des Netzes im Verhältnis zum Bedarf des Gebäudes ab.

flowchart LR
    DI["Direkt<br/>━━━━━━━━<br/>Netzwasser<br/>zirkuliert im<br/>Gebäudesystem"]
    HX["Wärmetauscher<br/>━━━━━━━━<br/>Hydraulische Trennung<br/>zwischen Netz<br/>und Gebäude"]
    BHP["Booster-Wärmepumpe<br/>━━━━━━━━<br/>Netz ist kalt;<br/>WP im Gebäude<br/>hebt die Temperatur an"]

    classDef direct fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef hx fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef bhp fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:1.5px,color:#bf360c

    class DI direct
    class HX hx
    class BHP bhp

Die Wahl hat Folgewirkungen: Eine Übergabestation mit Booster-Wärmepumpe braucht eine Stromversorgung und trägt ihren eigenen Wirkungsgrad und ihre Emissionen zum Dispatch-Bild bei. Ein Wärmetauscher führt einen Temperaturabfall ein, der in der Vorlauftemperatur des Netzes berücksichtigt werden muss.

Kanten: Leitungen und Anschlüsse

Der Graph hat drei Arten von Kanten. Sie teilen den Grossteil ihrer Daten — Geometrie, Abmessungen, Durchfluss, Hydraulik —, verbinden aber unterschiedliche Knotentypen.

flowchart LR
    EC["⚙️ Energie-<br/>zentrale"]
    J1["●"]
    J2["●"]
    BS1["🔌 Übergabestation"]
    BS2["🔌 Übergabestation"]

    EC ===|"━━ EZ-Anschluss"| J1
    J1 ===|"━━ Hauptleitung"| J2
    J1 ===|"━ Gebäudeanschluss"| BS1
    J2 ===|"━ Gebäudeanschluss"| BS2

    classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef bs fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef cp fill:#ffffff,stroke:#bf360c,stroke-width:1.5px,color:#bf360c

    class EC ec
    class BS1,BS2 bs
    class J1,J2 cp

Hauptleitungen bilden die Stamm-und-Ast-Topologie (oder vermaschte Topologie) zwischen Verzweigungen.
Gebäudeanschlüsse sind die kurzen Leitungen von einer Verzweigung der Hauptleitung zu einer Gebäude-Übergabestation. Sie haben einen zusätzlichen Parameter — einen aktiven Anteil zwischen 0 und 1 —, mit dem Sie den Anschluss eines Gebäudes teilweise oder ganz deaktivieren können, ohne ihn aus der Topologie zu entfernen; nützlich bei der Modellierung gestaffelter Anschlüsse.
Energiezentralen-Anschlüsse sind die analogen kurzen Leitungen von einer Energiezentrale zu einer Verzweigung.

Was an jeder Leitung gespeichert wird:

flowchart LR
    P["━━ Leitung"]

    GEO["Geometrie<br/>━━━━━━━━<br/>Länge<br/>Höhendifferenz"]
    DIM["Abmessungen<br/>━━━━━━━━<br/>Nennweite<br/>Innendurchmesser"]
    FLOW["Durchfluss<br/>━━━━━━━━<br/>Massenstrom<br/>Volumenstrom<br/>Geschwindigkeit"]
    HYD["Hydraulik<br/>━━━━━━━━<br/>Druckhöhenverlust (Darcy-Weisbach)<br/>Druckverlust"]
    EN["Energie<br/>━━━━━━━━<br/>Transportierte Wärme<br/>Wärmeverluste<br/>Leistung"]
    LIFE["Kosten &amp; Lebensdauer<br/>━━━━━━━━<br/>Investitionskosten<br/>Baujahr"]

    P --- GEO
    P --- DIM
    P --- FLOW
    P --- HYD
    P --- EN
    P --- LIFE

    classDef pipe fill:#ffab91,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef field fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:1.5px,color:#bf360c

    class P pipe
    class GEO,DIM,FLOW,HYD,EN,LIFE field

Bei einem Netz, das ausgelegt, aber noch nicht dimensioniert wurde, sind Geometrie und Topologie befüllt; die Abmessungen werden im Schritt der Leitungsdimensionierung ergänzt; Durchfluss-, Hydraulik- und Energiefelder werden von der Simulation befüllt. Deshalb zeigt ein frisch ausgelegtes Netz null Druckhöhenverlust und null Wärmeverlust, bis Sie Dimensionierung und Simulation ausführen.

Siehe Netzdimensionierung und Hydraulik zur Dimensionierungsmethode und Netzsimulation dazu, was der Simulator berechnet.

Wärmequellen an einer Energiezentrale

Eine einzelne Energiezentrale hat meist mehr als eine Wärmequelle — eine Grundlasteinheit plus eine Spitzenlasteinheit oder eine Haupteinheit plus eine Reserve. TESSA modelliert jede als eigenes Objekt, damit der Dispatcher zwischen ihnen wählen kann, die Kostenberechnung CAPEX und OPEX korrekt summiert und der Bericht Energie und Emissionen jedem Brennstoff zuordnen kann.

flowchart TD
    EC["⚙️ Energiezentrale"]
    EC --> TS1["🔥 Quelle 1<br/>z. B. Wärmepumpe<br/>(Grundlast)"]
    EC --> TS2["🔥 Quelle 2<br/>z. B. Gaskessel<br/>(Spitzenlast)"]
    EC --> TS3["🔥 Quelle 3<br/>z. B. Solarthermie<br/>(saisonale Ergänzung)"]

    classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef src fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:2px,color:#bf360c

    class EC ec
    class TS1,TS2,TS3 src

Was jede Wärmequelle trägt:

flowchart LR
    TS["🔥 Wärmequelle"]

    OP["Betrieb<br/>━━━━━━━━<br/>Modus (Heizen / Kühlen / beides)<br/>Wirkungsgrad / COP / SPF<br/>Rang im Einsatz"]
    PWR["Dimensionierung<br/>━━━━━━━━<br/>Nennleistung nutzbar<br/>Nennleistung final<br/>Jahresenergie nutzbar / final"]
    FU["Brennstoff<br/>━━━━━━━━<br/>Preis (Währung / kWh)<br/>CO₂-Intensität (kg / kWh)"]
    SC["Ergebnis<br/>━━━━━━━━<br/>Stündliche Lieferkurve<br/>Volllaststunden"]
    FIN["Kosten<br/>━━━━━━━━<br/>Investition pro kW<br/>Fixe &amp; variable Betriebs- und Unterhaltskosten<br/>Lebensdauer"]
    EM["Emissionen<br/>━━━━━━━━<br/>CO₂eq, NOx, CO,<br/>SOx, PM10, PM2.5"]

    TS --- OP
    TS --- PWR
    TS --- FU
    TS --- SC
    TS --- FIN
    TS --- EM

    classDef src fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef field fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef finance fill:#fffde7,stroke:#f9a825,stroke-width:1.5px,color:#f57f17

    class TS src
    class OP,PWR,SC,EM field
    class FU,FIN finance

Zwei Paare von Grössen sollte man klar verstehen:

Nutzbare vs. finale Leistung und Energie. Nutzbar ist, was an das Netz abgegeben wird; final ist, was als Brennstoff oder Strom verbraucht wird. Das Verhältnis ist der Wirkungsgrad oder COP der Quelle. Berichte verwenden beide — nutzbar für Dimensionierung und Einsatz, final für Kosten und Emissionen.
Grenzkosten und Grenz-CO₂. Werden automatisch als (1 / efficiency) × fuel_price und (1 / efficiency) × fuel_CO₂ berechnet. Sie steuern den Merit-Order-Dispatch, wenn mehrere Quellen den Bedarf decken können.

Wie die Quellen in jeder Stunde gewählt werden — strikte Merit Order, Must-Run, Kapazitätsanteil — wird durch die Zuteilungsstrategie bestimmt, die an der Energiezentrale festgelegt ist. Siehe Zuteilung bei mehreren Quellen.

Dasselbe Wärmequellenobjekt wird auch an Gebäude-Übergabestationen verwendet, wenn der Typ der Übergabestation «Booster-Wärmepumpe» ist — die Booster-WP ist eine Wärmequelle, die der Übergabestation statt einer Energiezentrale zugeordnet ist.

Erdsondenfelder

Ein Erdsondenfeld ist eine besondere Art von Wärmequelle — ein erdgekoppelter Wärmetauscher, den eine Wärmepumpe als Kältequelle nutzt. Da ein Feld entweder von einer Energiezentrale (einer zentralen Erdwärmepumpe) oder von mehreren Gebäude-Übergabestationen (einem Netz von Booster-WP mit gemeinsamem Kreis) referenziert werden kann, liegt es auf Szenarioebene statt innerhalb einer einzelnen Übergabestation.

flowchart TD
    SC["📄 Szenario"] --> BF["🌍 Erdsondenfeld"]
    EC["⚙️ Energiezentrale"] -.nutzt als Erdwärmequelle.-> BF
    BS["🔌 Gebäude-Übergabestation"] -.nutzt als Erdwärmequelle.-> BF

    BF --> CFG["Konfiguration<br/>━━━━━━━━<br/>Anzahl und Anordnung<br/>der Erdsonden<br/>Abstand"]
    BF --> DSGN["Erdsondenauslegung<br/>━━━━━━━━<br/>Einfach- oder Doppel-U-Rohr<br/>Rohrradien<br/>Länge, Tiefe<br/>Hinterfüllung"]
    BF --> GR["Untergrund<br/>━━━━━━━━<br/>Wärmeleitfähigkeit<br/>Volumetrische Wärmekapazität<br/>Ungestörte Temperatur"]
    BF --> FL["Arbeitsmedium<br/>━━━━━━━━<br/>Wasser oder Glykolgemisch"]
    BF --> RG["Regenerationsquellen<br/>━━━━━━━━<br/>Solarthermie, Trockenkühler,<br/>Abwärme, …"]
    BF --> OP["Ergebnis<br/>━━━━━━━━<br/>Stündliche Medientemperaturen<br/>Stündlich entzogen / eingespeist<br/>Wärmebilanzverhältnis"]

    classDef scenario fill:#c5cae9,stroke:#000072,stroke-width:2px,color:#000072
    classDef bf fill:#d7ccc8,stroke:#3e2723,stroke-width:2px,color:#3e2723
    classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef bs fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef field fill:#efebe9,stroke:#5d4037,stroke-width:1.5px,color:#3e2723

    class SC scenario
    class BF bf
    class EC ec
    class BS bs
    class CFG,DSGN,GR,FL,RG,OP field

Die für die Auslegung wichtigen Teile:

Konfiguration und Auslegung. Anzahl, Abstand und Tiefe der Erdsonden; ob sie als Einfach- oder Doppel-U-Rohr ausgeführt sind. Alle Erdsonden eines Feldes teilen dieselbe Auslegung.
Untergrund. Die Wärmeleitfähigkeit, die volumetrische Wärmekapazität und die ungestörte Untergrundtemperatur der lokalen Geologie. Diese stammen, wo verfügbar, aus einem Thermal Response Test (TRT) oder aus typischen regionalen Werten.
Regenerationsquellen. Wärmequellen, deren Aufgabe es ist, im Sommer Wärme in den Untergrund einzuspeisen, um den winterlichen Entzug auszugleichen. Ohne Regeneration kühlt ein heizdominiertes Feld den Untergrund über die Jahre aus, und der COP der Wärmepumpe sinkt. Das Wärmebilanzverhältnis (jährliche Einspeisung ÷ jährlicher Entzug) ist die zentrale Zahl, die man beobachten sollte — typischerweise soll es bei einem langlebigen Feld nahe 1 liegen.
Das Arbeitsmedium. Oft ein Glykolgemisch, weil Erdsondenkreise unter 0 °C laufen können, auch wenn der Rest des Netzes mit Wasser betrieben wird.

Erdsondenfelder haben ihre eigene Simulation, die stündliche Medientemperaturen und den Beitrag des Feldes zum COP der Wärmepumpe liefert. Siehe Geothermische Erdsondenfelder.

Pumpen und der hydraulische Kreis

Pumpen befinden sich an Stationen — an Energiezentralen und an Gebäude-Übergabestationen — und sind Teil der Berechnung des hydraulischen Kreises, nicht des Wärmequellen-Dispatch.

flowchart LR
    SS["⚙️ / 🔌 Station"] --> PM["💧 Pumpe"]
    PM --- RP["Nennleistung"]
    PM --- EFF["Wirkungsgrad"]
    PM --- FL["Auslegungsdurchfluss"]
    PM --- HD["Förderhöhe"]
    PM --- LIFE["Kosten &amp; Lebensdauer"]

    classDef ss fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef pump fill:#bbdefb,stroke:#0d47a1,stroke-width:2px,color:#0d47a1
    classDef field fill:#e3f2fd,stroke:#1565c0,stroke-width:1.5px,color:#0d47a1

    class SS ss
    class PM pump
    class RP,EFF,FL,HD,LIFE field

Der Simulator löst die Druckverluste des Netzes, um die Förderhöhe zu bestimmen, die die Pumpe überwinden muss, und dimensioniert dann die Nennleistung der Pumpe aus Auslegungsdurchfluss, Förderhöhe und angenommenem Wirkungsgrad. Der Pumpenstromverbrauch erscheint in den Betriebskosten des Netzes und in dessen CO₂-Zahlen.

Alles zusammen

Das folgende Diagramm zeigt ein einfaches, aber vollständiges Bild: eine Energiezentrale mit einem Portfolio aus Wärmepumpe und Kessel, drei Gebäude-Übergabestationen an einer kurzen Hauptleitung und ein Erdsondenfeld als Erdwärmequelle für die Wärmepumpe.

flowchart TD
    EC["⚙️ Energiezentrale<br/>WP + Kessel"]
    EC --> ECC["━━ EZ-Anschluss"]
    ECC --> J1["● Verzweigung 1"]
    J1 ===|"━━ Hauptleitung"| J2["● Verzweigung 2"]
    J1 -->|"━ Anschluss"| BS1["🔌 Übergabestation A<br/>direkt"]
    J2 -->|"━ Anschluss"| BS2["🔌 Übergabestation B<br/>Wärmetauscher"]
    J2 -->|"━ Anschluss"| BS3["🔌 Übergabestation C<br/>Booster-WP"]

    BS1 -.versorgt.-> B1["🏠 Gebäude"]
    BS2 -.versorgt.-> B2["🏠 Gebäude"]
    BS3 -.versorgt.-> B3["🏠 Gebäude"]

    EC -.- HS1["🔥 Wärmepumpe"]
    EC -.- HS2["🔥 Gaskessel"]
    HS1 -.Kältequelle.-> BF["🌍 Erdsondenfeld"]

    classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef bs fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef cp fill:#ffffff,stroke:#bf360c,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef pipe fill:#ffab91,stroke:#bf360c,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef src fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef bldg fill:#a5d6a7,stroke:#1b5e20,stroke-width:1.5px,color:#1b5e20
    classDef bf fill:#d7ccc8,stroke:#3e2723,stroke-width:2px,color:#3e2723

    class EC ec
    class BS1,BS2,BS3 bs
    class J1,J2 cp
    class ECC pipe
    class HS1,HS2 src
    class B1,B2,B3 bldg
    class BF bf

Die Teile hier sind alles, was Sie für einen ersten Entwurf brauchen:

Eine Topologie, die sagt, wo Wärme in das Netz eintritt und es verlässt.
Drei Typen von Übergabestationen, repräsentativ für das, was Sie in einem realen Quartier mit gemischtem Gebäudebestand sehen würden.
Ein Wärmequellenportfolio, das dem Dispatcher die Wahl lässt zwischen einer Wärmepumpe mit niedrigen Grenzkosten (durch die Leistung begrenzt) und einem Kessel mit höheren Grenzkosten, der die Spitzen übernimmt.
Ein Erdsondenfeld, das den COP der Wärmepumpe an die Untergrundtemperatur und an die von Ihnen vorgesehene Regeneration koppelt.

Wie es weitergeht

Netzgenerationen — wie Vor-/Rücklauftemperaturen die Wahl von Übergabestation und Quelle prägen.
Netzdimensionierung und Hydraulik — wie Leitungen aus dem Spitzendurchfluss dimensioniert werden.
Netzsimulation — was die zeitschrittweise Simulation tatsächlich berechnet.
Zuteilung bei mehreren Quellen — wie Wärme an einer Energiezentrale auf die Quellen verteilt wird.
Geothermische Erdsondenfelder — Dimensionierung, Regeneration und das Untergrundmodell.
Finanzmodell — wie sich Kosten auf Quellen- und Netzebene zum Finanzbericht verbinden.

Datenmodell für Quartiere und Gebäude

Die Bedarfsseite einer TESSA-Studie zu Fernwärme und Fernkälte: wie Quartiere, die darin liegenden Gebäude, das Klima und GIS-Überlagerungen aufgebaut und befüllt sind.

Vorlage für Gebäudedaten

Verwenden Sie diese Excel-Vorlagen als Ausgangspunkt, wenn Sie eine Gebäudedatentabelle für den Upload in TESSA vorbereiten.