Polybuten-Rohrleitungssysteme für Fernwärme

Einführung

PB-1-Rohrleitungssysteme werden aufgrund ihrer Flexibilität, ihres thermischen Wirkungsgrades und ihrer Lebensdauer bei hohen Temperaturen von bis zu 95 °C für Fernwärmenetze verwendet.

Was ist Fernwärme bzw. Fernkühlung?

Fernwärme- oder -kühlsysteme liefern aus zentraler Quelle heißes Wasser oder Dampf zum Heizen und kühles Wasser zum Kühlen von öffentlichen Gebäuden und Einrichtungen, Wohn- und Büroblöcken und ähnlichen Gebäuden.

Das heiße oder kühle Wasser wird in isolierten Rohrleitungssystemen verteilt, die unterirdisch verlegt sind. In vielen europäischen Städten sind große Fernwärmenetze in Betrieb, die Heiz- oder Kühlenergie mit minimalem Wärme- bzw. Kühlverlust über viele Kilometer transportieren.

Der entscheidende Vorteil von zentral erzeugter Wärme (durch Wasser oder Dampf) liegt darin, dass umweltverträgliche Quellen genutzt und kombiniert werden können. Der größte Teil stammt aus Wärmekraftwerken, durch die Verwendung der Abwärme aus der Elektrizitätserzeugung. Dies wird als Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet. Die gleichzeitige Elektrizitäts-und Wärmeerzeugung verdoppelt den Wirkungsgrad im Vergleich zu einfachen elektrischen Anlagen um 40 % bis über 80 %. Die Wärme aus Müllverbrennungsanlagen und industriellen Prozessen sowie zunehmend aus Ökoenergie, wie etwa Biomasse, Biogas, Erdwärme und Solarenergie stellt eine weitere wichtige Quelle dar.

Eine weitere Form der Fernwärme ist die zentrale Wärmeversorgung für Schulen und Universitäten, Hotelanlagen, Flughäfen oder Einkaufszentren. Dies wird als Nahwärme bezeichnet.
 

Hintergrund

Fernwärme (auch bekannt als Fernwärme und Kühlung) wird in Europa seit fast 100 Jahren für die Wärmeversorgung in den Gemeinden eingesetzt. Bis 1980 wurden ausschließlich Stahlsysteme mit Wärmedämmung eingebaut, überwiegend in Betonkanälen. 1974 wurden vorisolierte Systeme eingeführt, doch auch bei diesen verwendete man immer noch Stahlrohre, bei denen es ein Hauptproblem gab: die Korrosion. Dadurch entstand der Anreiz für Energieversorger weltweit, nach korrosionsfesten Lösungen zu suchen.

  
Vorisolierte Rohrsysteme 

Vorisolierte PB-1-Rohrleitungssysteme sind ein zentraler Bestandteil von Fernwärme. Vorisolierte Rohre werden durch eine fortschrittliche Produktionstechnologie aus umweltfreundlichen Materialien und vollständig recycelbaren Güteklassen der Polyolefinmaterialgruppe hergestellt. Zu diesen Materialien gehören das Polybuten-1-Innenrohr, der flexible geschlossenporige Polyolefinschaum und der elastische Hart-Polyethylen-Außenmantel.

PB-1 für Fernwärme

PB-1 verfügt über die höchste Druckfestigkeit im Vergleich zu PE-X und PP, einen geringen Wärmeverlust sowie führende chemische Beständigkeit, insbesondere bei aggressivem Thermalwasser.

Die Auswahl von hochwertigen Systemen für Fernwärme

• Große Durchmesser für unterirdische und Inneninstallationen
• Hohe Dampfbeständigkeit
• Wärmeverlust von weniger als 1 °C pro Kilometer.
• Hohe Flexibilität bei kleinen/mittleren Durchmessern, die in Rollen versendet und verlegt werden
• Lange Stücke reduzieren die Verbindungen
• Mit schweißgeeigneten Armatursystemen kombinierbar
• Geringes Gewicht für effiziente Logistik und Handhabung
• Keine Korrosion oder Probleme mit Verkalkung
• Ausgezeichnete chemische Beständigkeit, insbesondere bei aggressivem Thermalwasser
• Langzeitverhalten bis zu einer maximalen Betriebstemperatur von 95 °C, mit der höchsten Druckauslegung im Vergleich zu PE-X und PP.
• Umfassende Systeme von vorisolierten Rohren und schweißgeeigneten Armaturen für das vollständige Anforderungsspektrum.
  
  
   

PB-1 vs. PE-RT und PEX für Fernwärme-Rohrleitungssysteme

Ein echter Kostenvergleich zwischen Rohrleitungssystemen sollte die Installationszeit, Verbindungsoptionen, Lebensdauer und SDR-Bewertung umfassen.

Polybuten-1 bietet im Vergleich zu PE-RT und PEX spürbare Vorteile für Fernwärme-Rohrleitungssysteme

Bei Fernwärme-Projekten ist die tatsächliche Kostenabweichung von Rohrleitungssystemen über konkurrierende Materialien hinweg mehr als ein Kostenvergleich pro Länge für denselben Außenrohrdurchmesser.

Darauf achten Spezifizierer: einfache Installation, die sich auf die Kosten vor Ort auswirkt; Verbindungsoptionen, langfristige Systemleistung und voraussichtliche Lebensdauer; sowie Standardbemaßungsverhältnis (Standard Dimension Ratio, SDR) von Rohrmaterialien, um die Haltbarkeit mit dem Druck zu vergleichen.

Im Vergleich zu PEX- und PE-RT-Systemen bietet PB-1 erhebliche Vorteile in einer Vielzahl von Leistungskategorien, die dazu beitragen, dass PB-1-Rohrsysteme die optimale Wahl für Hochleistungs-Fernwärmeinstallationen sind.
 

Standardbemaßungsverhältnis (SDR)

Was ist SDR?

Das SDR misst die Rohrhaltbarkeit gegen Druck und korreliert den Außendurchmesser und die Wandstärke eines Rohrs.

SDR oder das Standardbemaßungsverhältnis bezieht sich auf die Geometrie eines Rohrs. SDR ist eine Methode zur Bestimmung der Widerstandsfähigkeit eines Rohrs gegenüber Druck. Es beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Rohrmaß und der Dicke der Rohrwand. SDR 11 bedeutet beispielsweise, dass der Außendurchmesser des Rohrs das Elffache der Wandstärke beträgt.
 

• Hohes SDR-Verhältnis
  Die Rohrwand ist im Vergleich zum Rohrdurchmesser dünn
• Niedriges SDR-Verhältnis
  Die Rohrwand ist im Vergleich zum Rohrdurchmesser dick

Beispielrechnung:
Das SDR für ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 100 mm und einer Wandstärke von 5 mm kann wie folgt berechnet werden:
100mm / 5mm = SDR 20
 

Warum ist SDR für Rohrleitungssysteme für Fernwärme von Bedeutung?

Aufgrund des höheren SDR-Verhältnisses von PB-1 im Vergleich zu PE-RT oder PEX bieten PB-1-Rohrleitungssysteme wegen ihrer Anforderungen an den unteren Wandabschnitt für die gleiche Druckleistung und den gleichen Außendurchmesser folgende Vorteile:

• Weniger Material für die gleiche Druckkapazität
• Geringeres Gewicht pro Meter Rohr
• Niedrigerer Rohraußendurchmesser für die gleiche Leistung
• Größere Innenfläche für den gleichen Außendurchmesser mit folgenden Vorteilen:
  - Höhere Durchflussrate bei gleichem Druck
  - Geringerer Druckverlust, geringerer Energiebedarf für den Betrieb eines Systems oder von Pumpen mit geringerer Kapazität

SDR-Klassen und Rohrabmessungen

SDR-Klassen, die in den nationalen Normen für Fernwärme-Rohrleitungssysteme angegeben sind.

Nationale Normen (RU und NL)
Die Quelle für Rohrabmessungen der Fernwärme beim Vergleich von Materialien PB-1, PE-RT und PEX

Die aktuelle russische Norm für die Fernwärme (GOST 56730 – 2015) und die niederländische Richtlinie (BRL 5609 – und der Entwurf des überarbeiteten BRL 5609) beinhalten jeweils einen Vergleich von drei Materialien für Fernwärme-Rohrleitungssysteme: PB-1, PE-RT und PEX

Sowohl die russische Norm als auch die niederländische Richtlinie haben hinsichtlich der Rohrabmessungen und der SDR-Klassen der drei Versorgungsrohrmaterialien, die bei Druckhöhen von 6 bar, 8 bar und 10 bar arbeiten, dieselben Anforderungen.

Nach der russischen Norm und der niederländischen Richtlinie ist die Tabelle (rechts) ein Auszug aus der entsprechenden Tabelle, die die SDR-Klassen für die aufgelisteten Materialien bei unterschiedlichen Druckwerten zeigt. Wie angegeben, ist für jeden Betriebsdruck PB-1 im Vergleich zu PEX oder PE-RT die höchste SDR-Klasse aufgeführt. Im folgenden Abschnitt wird erläutert, was dies bedeutet, warum Normen sich auf Rohrabmessungen und SDR-Klassen beziehen und welche Vorteile das für Rohrsystemspezifizierer hat.

Rohrabmessungen und SDR-Klassen
Die Druckkapazität von PB-1 bietet Vorteile gegenüber PE-RT und PEX.

Die höhere SDR-Klasse PB-1 bietet die folgenden Vorteile:
• Dünnerer Wandabschnitt
• Weniger Material (weniger Gewicht)
• Größerer Innendurchmesser und größere Fläche

Um die Leistung von PB-1, PE-RT und PEX im Verhältnis zum gegebenen Betriebsdruck von 8 bar bei kleinem Rohrdurchmesser von 50 mm zu veranschaulichen, bieten die Tabelle und das Diagramm im Folgenden einen Vergleich der erforderlichen Innenrohrabmessungen.
 

Beispiel 1: Kleines Rohr – 50 mm Durchmesser bei 8 bar

PB-1 ist stärker als PE-RT und PEX, und mit einem Betriebsdruck von 8 bar und einem Rohraußendurchmesser von 50 mm sind folgende Wandstärken erforderlich:

Wie oben gezeigt, liefert der größere Innendurchmesser des Rohrs mit einem PB-1-Außendurchmesser von 50 mm bei gleichem Wasserdruck eine wesentlich höhere Durchflussrate als die anderen beiden Materialien. Anders ausgedrückt: Bei einer gegebenen Durchflussrate führen PB-1-Rohre zu einem geringeren Druckverlust, der weniger Energie für den Betrieb von Systemen und/oder Pumpen mit geringerer Kapazität erfordert.

Wie in den obigen Grafiken und zu Vergleichszwecken gezeigt, kann PE-RT als Benchmark bei 100 % angesehen werden. Beim Vergleich der inneren Querschnittsfläche eines Rohrs mit einem Durchmesser von 50 mm (linkes Diagramm) übertrifft PB-1 PE-RT mit einem zusätzlichen Volumen von 27 % deutlich. Beim Vergleich der Materialmenge pro Meter für ein Rohr mit einem Durchmesser von 50 mm, das für 8 bar ausgelegt ist (rechtes Diagramm), wird für das PB-1-Rohr 29 % weniger Material verbraucht als mit PE-RT.

Auch hier kann PE-PRT zu Vergleichszwecken als Benchmark bei 100 % angesehen werden. Wie aus der obigen Abbildung (links) hervorgeht, liefert ein PB-1-Rohr mit 50 mm Außendurchmesser (8 bar) unter Verwendung des gleichen Betriebswasserdrucks eine wesentlich höhere Durchflussrate von +35 % im Vergleich zum identisch ausgelegten PE-RT-Rohr mit dem gleichen Außendurchmesser.

Gemessen mit dem anderen Vergleichspunkt (rechts): Bei einer gegebenen Durchflussrate (Ausgang) bieten PB-1-Rohre einen um 44 % geringeren Druckverlust im Vergleich zu PE-RT-Rohren. Das bedeutet, dass PB-1-Rohre weniger Energie benötigen, um ein System zu betreiben – oder – Pumpen mit einer geringeren Kapazität bei gleicher Leistung aufnehmen können.
 

Beispiel 2: Kleines Rohr – 160 mm Durchmesser bei 10 bar

Aufgrund einer höheren SDR-Einstufung (und damit eines dünneren Wandabschnitts) bietet ein PB-1-Rohr mit einem Durchmesser von 140 mm dieselbe Leistung wie ein PE-RT-Rohr mit einem Durchmesser von 160 mm, jedoch mit einem kleineren Außendurchmesser und einer größeren Rohrquerschnittsfläche.

Bei einem Betriebsdruck von 10 bar mit einem Rohr mit 160 mm Außendurchmesser:

• PE-RT @ SDR 6
  Das Rohr mit einem Durchmesser von 160 mm hat eine innere Querschnittsfläche von 8.958 mm²

• PEX @ SDR 7.4
  Das Rohr mit einem Durchmesser von 160 mm hat eine innere Querschnittsfläche von 10.605 mm²

• PB-1 @ SDR 9
  Das Rohr mit einem kleineren Außendurchmesser von 140 mm hat eine innere Querschnittsfläche von 9.263 mm².

Außerdem beträgt das Gewicht des für 10 bar ausgelegten PB-1-Rohrs mit 160 mm Außendurchmesser, wie im Diagramm (rechts) dargestellt, fast die Hälfte des Gewichts für den gleichen Außendurchmesser und das gleiche Bemessungsrohr aus PE-RT.
 

Fügetechniken für Fernwärme-Rohrleitungen
PB-1 ist ein vielseitiges Material für alle verfügbaren Fügetechniken

Das Endergebnis
Die Spezifikation der PB-1-Rohrleitungssysteme für Fernwärme bietet:

• Erhebliche Möglichkeiten zur Materialeinsparung bei gleichzeitiger Erhöhung der Systemkapazität
  – dünnere Wände
  – vergrößerung der verfügbaren Querschnittsfläche innen
• Ein höheres Maß an Designfreiheit für Fernwärmenetze
  – möglichkeit zur Verwendung kleinerer Außen- und Anschlussrohrdurchmesser
• Eine klare Möglichkeit zur Senkung der integralen Installations- und Betriebskosten
  – kleinere Rohrträgerrahmen
  – verwendung von weniger Isoliermaterial
  – kleinere Pumpen laufen mit reduziertem Energieverbrauch
  – geringeres Gesamtgewicht für einfachere Handhabung und geringere Versandkosten
• Die Fähigkeit zur Anwendung aller verfügbaren Fügetechniken
• Beste Akustik in dieser Klasse, einschließlich der niedrigsten Stufe eines Druckschlags
• Die Möglichkeit des vollständigen Recyclings

PB-1 gegenüber PE-RT & PEX

Webinar zum Thema
Die Vorteile von PB-1 für Druckrohrsysteme

• Business Review-Webinare
• Gesponsert von: LyondellBasell
• Datum der Präsentation: 7. März 2019
• Präsentation:
  – Patrick van Beek, Marketing Manager PB-1
  – Werner Rothhöft, Application Development & Technical Service Engineer
• Wichtige Lernziele | Was bedeutet eine höhere SDR-Klasse in der Praxis?
  – Kennenlernen von Polybuten-1 für den Einsatz in druckbeaufschlagten Warm- und Kaltwasserrohrsystemen
  – Erfahren Sie mehr über die außergewöhnlichen Eigenschaften dieses technisch fortschrittlichsten thermoplastischen Materials
  – Welche Vorteile hat die Verwendung von PB-1 in Rohrleitungssystemen gegenüber alternativen thermoplastischen Werkstoffen?
  – Möglichkeiten zur Senkung der Betriebskosten während der Lebensdauer eines Rohrleitungssystems

Webinar: Was bedeutet eine höhere SDR-Klasse in der Praxis?

Universitätstests

Universitätsergebnis: „Nach 8 Jahren im Einsatz zeigte sich, dass PB-1-Rohrproben aufgrund der Anlassbehandlung und des Tempervorgangs während dieses Zeitraums stärker als neue PB-1-Rohre sind.“

Universitätstests für das optimale Kernrohr

Ein Energieunternehmen mit Sitz in Österreich war einer der Vorreiter, die alternativen Lösungen nachgingen, und es wies das Kunststoffinstitut der Montanuniversität Leoben an, ein Testprogramm durchzuführen, um optimale Lösungen für Fernwärmenetze zu finden.
 

Universitätsergebnisse

Die Ergebnisse für das Kernrohr waren eindeutig: Polybuten-1 war das beste Kunststoffmaterial für hohe Temperaturen (max. 95 °C).

Dieses Ergebnis ermutigte das österreichische Energieunternehmen, ein Joint Venture mit einem Rohrhersteller zu gründen, um vorisolierte Rohrsysteme mit Polybuten-1-Kernrohren zu produzieren und zu vermarkten.
 

Fallstudien

Österreichisches Fernwärmenetz

Anschließend an diese Studien wurden in Österreich seitdem 42 Netze mit 210 km Rohrleitung verlegt. Vor 1987 wurden 70 km Rohrleitung verlegt. Diese Netze wurden als sogenannte „Sekundärnetze“ bezeichnet, die von Primärleitungen mittels zentraler Wandlerstationen mit Wärmeübertragern gespeist wurden, um die Temperaturen auf maximal 90 °C und den Druck auf 5 bar zu reduzieren.

Nachdem sie 8 Jahre im Betrieb waren, wurden Stichproben dieser Polybuten-1-Rohre an Prüfinstitute in Österreich versendet, um die sich bereits in Betrieb befindlichen Rohre mit neuen zu vergleichen. Das erstaunliche Ergebnis war, dass die benutzten Rohre sogar noch stärker als die neuen Polybuten-1-Rohre waren. Das Tempern und Vergüten der Rohre während deren Einsatzes in den ersten acht Jahren hatten sich positiv ausgewirkt.
 

Erdwärmezentrum Wien

Das aggressive Thermalwasser in Wien verursachte große Korrosionsprobleme bei Metallrohren. Während der Planung des neuen Erdwärmezentrums in Wien im Jahr 1972 wurde daraufhin ein 2-jähriger Testzyklus mit mehreren Rohren aus Edelstahl, PVC-C, Epoxid und Polybuten-1 durchgeführt.

Polybuten-1 erwies sich als das beste Material und wurde daraufhin vom Ursprung bis zum Erdwärmezentrum in allen Erdwärmeleitungen verlegt, mit einer Doppelhauptleitung mit einem Außendurchmesser von 225 mm und einer Länge von 1,4 km sowie Innenrohrleitungen von 2 km Länge mit Außendurchmessern von 20 mm bis 225 mm. Diese Rohrleitungen wurden über 30 Jahre lang (bis die Einrichtung erweitert wurde) fortlaufend bei 54 °C und 10 bar ohne jegliche Störung betrieben.
 

Beispiele vor Ort

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