Diese wissenschaftliche Arbeit beinhaltet einen Überblick über den Stand der Forschung und Technik im Bereich der Modellierung und Simulation von Fernwärme-, Fernkälte-, Nahwärme- sowie kalten Nahwärmenetzen. Die wesentlichen Eigenschaften der unterschiedlichen Netze werden vorgestellt und verglichen. Zudem wird gezeigt, welche Schrittfolgen von der Modellierung bis hin zur Simulation durchlaufen werden müssen und welche unterschiedlichen Arten von Modellen und Ansätzen zur Simulation existieren. Eine umfassende Übersicht über frühzeitige und aktuelle Modelle zur Simulation von verschiedenen Netzarten ist darauffolgend dargestellt.
Eine detaillierte Auflistung von gängigen Simulationsprogrammen wird anschließend anhand von spezifischen Eigenschaften abgebildet. Im Anschluss werden einzelne Modelle jeweils für die unterschiedlichen Netzarten herausgegriffen und näher vorgestellt. Die Modelle sind mit verschiedenen Programmen, wie TRNSYS-TUD, TERMIS, Dymola und Matlab, umgesetzt. Für einen besseren Vergleich sind alle betrachteten Modelle in einer eigen erstellten Tabelle anhand wichtiger Kriterien aufgelistet. Von den insgesamt 24 untersuchten Modellen ist lediglich die Hälfte validiert. Die Abweichungen der Ergebnisse zu den gemessenen Werten variieren dabei stark und liegen teilweise bis zu 45 % auseinander. Sowohl die betrachteten Zeitschrittweiten, als auch die Betrachtungszeiträume weisen starke Unterschiede auf.
Während die Zeitschrittweiten zwischen fünf Sekunden und einem Tag liegen, betragen die Betrachtungszeiträume fünf Minuten bis hin zu einem Jahr. Vor dem Hintergrund, welches Modell am geeignetsten für die Simulation von kalten Nahwärmenetzen mit Anbindung an Geothermieanlagen ist, werden zwei Modelle ermittelt. Das eine Modell ist explizit für die Simulation von kalten Nahwärmenetzen konzipiert und das andere Modell beachtet die für die kalten Nahwärmenetze benötigte dezentrale Wärmeversorgung.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen der Wärme- und Kältenetze
2.1 Fernwärmenetze
2.2 Nahwärmenetze
2.2.1 Kalte Nahwärmenetze
2.3 Fernkältenetze
2.4 Wärme- und Kältespeicher
2.5 Vergleich der Netzarten
3 Grundlagen der Simulation
3.1 Von der Modellbildung zur Simulation
3.2 Numerischer Ansatz
3.3 Analytischer Ansatz
3.4 Dynamische und Statische Modelle
3.5 Stationäre, Instationäre und Quasistatinonäre Systeme
4 Simulationsmodelle
4.1 Frühzeitige Modelle
4.2 Dynamische Modelle
4.3 Optimierungsmodelle
4.4 Modellierungswerkzeuge und Strömungsmodelle
4.5 Analytische Ansätze
4.6 Simulationsprogramme
5 Simulationsmodell für Fernwärmenetze mit TRNSYS-TUD
5.1 TRNSYS-TUD
5.2 Modellierungsansatz
5.2.1 Netzwerk
5.2.2 Konsumenten
5.2.3 Einspeisung
5.3 Simulation
5.4 Ergebnisse
5.5 Anwendungsgebiet
5.6 Wesentliche Parameter
5.7 Validierung
6 Simulationsmodell für Nah- und Fernwärmenetze mit TERMIS
6.1 TERMIS
6.2 Modellierungsansatz und Anwendungsgebiet
6.3 Ergebnisse
6.4 Wesentliche Parameter
6.5 Validierung
7 Simulationsmodell für kalte Nahwärmenetze mit Dymola
7.1 Dymola
7.2 Modellierungsansatz
7.2.1 Gebäude
7.2.2 Druckverluste und Dimensionierung der Rohre
7.2.3 Wärmeverlust
7.2.4 Wärmeversorgung
7.3 Simulation
7.4 Ergebnisse
7.5 Wesentliche Parameter
7.6 Validierung
8 Simulationsmodell ISENA für Fernkältenetze
8.1 Matlab
8.2 Modellierungsansatz
8.2.1 Hydraulisches Teilmodell
8.2.2 Thermisches Teilmodell
8.2.3 Gesamtmodell
8.3 Ergebnisse und Anwendungsgebiet
8.4 Wesentliche Parameter
8.5 Validierung
9 Vergleich der Simulationsmodelle
9.1 Bewertung hinsichtlich kalter Nahwärmenetze
10 Ergebnisse und Fazit
Zielsetzung & Themen
Die wissenschaftliche Arbeit untersucht den aktuellen Stand der Forschung und Technik bei der Modellierung und Simulation von Nah- und Fernwärmenetzen sowie Fernkältenetzen. Ziel ist es, geeignete Simulationsmodelle für kalte Nahwärmenetze mit Anbindung an Geothermieanlagen zu identifizieren und zu bewerten, um eine energieeffiziente Betriebsführung zu ermöglichen.
- Grundlagen von Wärme- und Kältenetzen sowie deren Simulation
- Übersicht aktueller Simulationsmodelle für verschiedene Netztypen
- Detaillierte Analyse spezifischer Simulationsmodelle (TRNSYS-TUD, TERMIS, Dymola, ISENA)
- Vergleich der Modelle hinsichtlich Eignung für kalte Nahwärmenetze
- Untersuchung von Modellparametern, Validierungsmethoden und Anwendungsgebieten
Auszug aus dem Buch
3.4 Dynamische und Statische Modelle
Wenn die momentane Ausgangsgröße von dem Verlauf der Eingangsgröße in der Vergangenheit abhängt, liegt ein dynamisches System vor. Dynamische Systeme können auch als speicherfähige Systeme bezeichnet werden, da diese Systeme Informationen aus der Vergangenheit berücksichtigen und gewissermaßen speichern. Oft besteht der Wunsch, mittels dynamischer Modelle, das Verhalten der dynamischen Systeme und das Einwirken möglicher Störgrößen abzubilden. Hierzu muss das Modell die wesentlichen Eigenschaften des betrachteten Systems enthalten, und die dadurch erhaltenen Ergebnisse sollten eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Daten haben. Modelle können zur Simulation von Systemen erstellt werden. Häufig dienen diese Modelle in der Entwurfs- oder Planungsphase eines technischen Systems zu der Untersuchung kritischer Betriebsfälle, wie z. B. der Sicherheitsabschaltung eines Kernreaktors. [Bohn 2016, S. 1–2]
Über die Simulationsdauer von dynamischen Modellen kommt es zu einer kontinuierlichen Veränderung der Systemvariablen und der Randbedingungen [Wischhusen 2005, S. 6]. Hingegen wird ein System als statisch bezeichnet, wenn sich der Zustand des Systems innerhalb eines von einer Hüllfläche umschlossenen Bereichs nicht ändert [Möller 1992, S. 11]. Im Allgemeinen wird bei statischen Vorgängen von zeitunabhängigen Vorgängen gesprochen. Demgegenüber stehen dynamische Vorgänge, welche von der Zeit abhängig sind [Rossmann 2017, S. 8].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die Motivation und Zielsetzung der Arbeit ein, welche die Literaturrecherche zu Simulationsmodellen für Nah- und Fernwärmenetze mit Fokus auf kalte Nahwärmenetze umfasst.
2 Grundlagen der Wärme- und Kältenetze: Dieses Kapitel beschreibt die technischen Konzepte, Systemkomponenten und Differenzierungskriterien von verschiedenen Netzarten.
3 Grundlagen der Simulation: Hier werden die allgemeinen Definitionen, Vorteile und methodischen Schritte einer Simulation sowie numerische und analytische Ansätze erläutert.
4 Simulationsmodelle: Dieses Kapitel bietet einen umfassenden Überblick über historische und aktuelle Modelle zur Simulation von Wärme- und Kältenetzen inklusive einer tabellarischen Übersicht gängiger Programme.
5 Simulationsmodell für Fernwärmenetze mit TRNSYS-TUD: Vorstellung des Modells nach Heymann u. a. (2017) zur Simulation dezentraler solarer Einspeisungen in ein Fernwärmenetz.
6 Simulationsmodell für Nah- und Fernwärmenetze mit TERMIS: Analyse des Modells nach Gabrielaitiene (2011), das mittels der Knotenmethode den instationären Temperaturverlauf untersucht.
7 Simulationsmodell für kalte Nahwärmenetze mit Dymola: Untersuchung des Modells nach Kauko u. a. (2017), das speziell für die Simulation von kalten Nahwärmenetzen entwickelt wurde.
8 Simulationsmodell ISENA für Fernkältenetze: Beschreibung des dynamischen Netzmodells ISENA für Fernkältenetze, das auf einem instationären thermischen Teilmodell basiert.
9 Vergleich der Simulationsmodelle: In diesem Kapitel werden die 24 betrachteten Modelle systematisch anhand von Kriterien wie Validierung, Zeitschrittweiten und Anwendungsgebieten verglichen.
10 Ergebnisse und Fazit: Das Fazit fasst die Erkenntnisse zusammen und identifiziert die vielversprechendsten Modelle für die Anwendung in kalten Nahwärmenetzen.
Schlüsselwörter
Simulation, Modellierung, Nahwärmenetz, Fernwärmenetz, Fernkältenetz, kalte Nahwärmenetze, Geothermie, TRNSYS, TERMIS, Dymola, ISENA, numerischer Ansatz, dynamische Modelle, Systemoptimierung, Wärmeverlust.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit bietet einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und Technik zur Modellierung und Simulation verschiedener Wärmenetz- und Fernkältetypen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Die zentralen Felder umfassen die mathematische und numerische Modellierung von Netzen, die Analyse von Simulationssoftware und die Untersuchung von Betriebsparametern in Wärme- und Kältesystemen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage dieser Arbeit?
Das Ziel ist die Identifikation von Simulationsmodellen, die am besten für kalte Nahwärmenetze mit Anbindung an Geothermieanlagen geeignet sind.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer umfangreichen Literaturrecherche und einem vergleichenden Review von 24 verschiedenen Simulationsmodellen anhand von Kriterien wie Validierung, Berechnungsansätzen und Anwendungsbereichen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden vier spezifische Simulationsmodelle (TRNSYS-TUD, TERMIS, Dymola, ISENA) detailliert vorgestellt, ihre Modellierungsansätze analysiert und ihre Ergebnisse auf die Anforderungen der unterschiedlichen Netztypen hin untersucht.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Simulation, Modellierung, kalte Nahwärmenetze, Fernwärme- und Fernkältesysteme, Systemoptimierung und energetische Validierung.
Warum sind kalte Nahwärmenetze besonders für Geothermie geeignet?
Aufgrund ihres niedrigen Temperaturniveaus (unter 30 °C) erlauben sie den effizienten Einsatz von erneuerbaren Wärmequellen wie Geothermie und führen zu geringeren Wärmeverlusten im Netz.
Welche Rolle spielt die Validierung bei den untersuchten Modellen?
Die Validierung ist ein kritischer Punkt; die Arbeit zeigt auf, dass nur die Hälfte der untersuchten Modelle validiert ist, wobei die Qualität der Validierung durch unterschiedliche Betrachtungszeiträume und Fehlermetriken stark variiert.
- Citar trabajo
- Constantin Graubner-Müller (Autor), 2018, Literaturrecherche. Numerische Simulationsmodelle und analytische Ansätze von Nah- und Fernwärmenetzen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/438379
