Masterarbeit Lisa Karber

 

Untersuchung und Vergleich verschiedener Modellierungsansätze thermischer Netze

Waermeverlust Urheberrecht: EBC Wärmeverlust unterschiedlicher Rohrsimulationen unter Betrachtung des Massenstroms

Thermische Netze sind seit mehr als 120 Jahren im Einsatz und erleben derzeit, besonders durch die Klimaziele der EU, einen neuen Aufschwung. Durch moderne Simulationen, dem Einsatz neuer Dämmstoffe und hochwertiger Rohrmaterialien sollen derzeitig geplante Wärme- und Kältenetze zukunftsfähig ausgelegt werden. Die Netze werden durch die Vielzahl an Wärmeeinspeisern und durch das verzweigte Rohrsystem immer komplizierter. Neue, rechenarme und dadurch schnelle Simulationen müssen exakt genug funktionieren, um das thermische Netz so gut wie möglich abbilden zu können.

In dieser Arbeit werden die verschiedenen Modellierungsansätze thermischer Netze untersucht. Hierzu werden die im Stand der Technik zusammengefassten Modellierungsansätze im Detail beschrieben und Anhand eines Beispielnetzwerks simuliert. Besonderer Augenmerk liegt dabei auf der Simulation der Rohre, welche einen hohen rechnerischen Aufwand und einen großen Einfluss auf die Energiespeicherung im Netzwerk haben.

Die Grundgleichung der Rohrsimulation ist eine vereinfachte Bilanz der inneren Energiegleichung. Durch die Vernachlässigung von axialer Wärmeleitung und der Annahme von gleicher Querschnittstemperatur reduziert sich die Energiebilanz auf die Druckänderung und die Wärmeverluste. Die Wärmeverluste werden, je nachdem ob ein statischer oder dynamischer Modellierungsansatz erfolgt, unterschiedlich berechnet. In dieser Arbeit wird auf folgende Rohrmodelle besonders eingegangen: AixLib StaticPipe, AixLib PlugFlow Pipe, AixLib EmbeddedPipe, MSL Static Pipe und MSL Dynamic Pipe.

Simuliert wird ein Netz mit einem Erzeuger, 16 Abnehmern und insgesamt 408 m Rohrlänge. Alle Abnehmer haben den gleichen Wärmebedarf, welcher über das Jahr abhängig von der Außentemperatur variiert.

In Folge werden die Ergebnisse der einzelnen Simulationen ausgewertet und diskutiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das StaticPipe aus der AixLib mit 66,5 Sekunden die kürzeste CPU-Zeit und das DynamicPipe aus der ModelicaStandardLibary mit 315,6 Sekunden die längste CPU-Zeit zur Simulation des Wärmenetzes braucht. Es werden für verschiedene Betrachtungsfälle, wie Auslegung des Wärmeerzeugers, Vorlauftemperatur beim Abnehmer und den Druckverlust die Ergebnisse der unterschiedlichen Rohrsimulationen diskutiert. Durch diese Masterarbeit ist es möglich zukünftig bei Simulationen von Wärmenetzen den passenden Rohransatz auszuwählen. Zusätzlich können die Modelle der Rohre gezielt weiterentwickelt und verbessert werden.