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
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Modellierung und Simulation von verschiedenen Wärme- und Kältenetzen. Der Fokus liegt dabei auf der Darstellung der wesentlichen Eigenschaften der unterschiedlichen Netzarten und den dazugehörigen Simulationssystemen. Ziel der Arbeit ist es, einen umfassenden Überblick über den aktuellen Stand der Forschung und Technik in diesem Bereich zu geben.
- Untersuchung der Eigenschaften von Fernwärme-, Nahwärme- und Fernkältenetzen
- Analyse verschiedener Simulationsansätze und -modelle
- Bewertung der Modelle hinsichtlich ihrer Eignung für die Simulation kalter Nahwärmenetze
- Vergleich der Ergebnisse und Validierung der Simulationsmodelle
- Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse und Schlussfolgerungen
Zusammenfassung der Kapitel
Die Arbeit beginnt mit einer Einleitung, die den Forschungsbereich und die Zielsetzung der Arbeit definiert. Im zweiten Kapitel werden die Grundlagen der Wärme- und Kältenetze erläutert, wobei insbesondere die Unterschiede zwischen Fernwärme-, Nahwärme- und Fernkältenetzen, sowie kalten Nahwärmenetzen beleuchtet werden. In Kapitel 3 werden die Grundlagen der Simulation, einschließlich der verschiedenen Ansätze und Modelltypen, behandelt. Kapitel 4 liefert einen Überblick über verschiedene Simulationsmodelle, die für Wärme- und Kältenetze verwendet werden, einschließlich frühzeitiger Modelle, dynamischer Modelle, Optimierungsmodelle und analytischer Ansätze. Die folgenden Kapitel 5 bis 8 stellen jeweils detaillierte Beschreibungen von Simulationsmodellen für verschiedene Netzarten vor, die mit verschiedenen Simulationsprogrammen umgesetzt wurden. Die Arbeit schließt mit einem Vergleich der Modelle hinsichtlich ihrer Eignung für die Simulation kalter Nahwärmenetze und einer Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse.
Schlüsselwörter
Die Arbeit behandelt die Themengebiete der Modellierung und Simulation von Wärme- und Kältenetzen, einschließlich Fernwärmenetze, Nahwärmenetze, kalte Nahwärmenetze, Fernkältenetze, dynamische Modelle, numerische Ansätze, analytische Ansätze, Simulationsprogramme, Validierung und Vergleich der Modelle. Die Arbeit ist in den Forschungsbereichen der Energieeffizienz und der Wärmeversorgung eingebettet.
- Quote paper
- Constantin Graubner-Müller (Author), 2018, Literaturrecherche. Numerische Simulationsmodelle und analytische Ansätze von Nah- und Fernwärmenetzen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/438379
