Masterarbeit Marcel Nebeling

 

Betrachtung der Unsicherheiten bei der thermischen Simulation von Stadtquartieren mittels einer Sensitivitätsanalyse

Masterarbeit Nebeling Urheberrecht: EBC Schematischer Modellaufbau des Energiesystems mit der Versorgung durch eine Wärmepumpe

Durch die Einbindung größerer Mengen regenerativer Energien erhöhen sich die Schwankungen in der Residuallast, die von den konventionellen Kraftwerken oder anderen Maßnahmen ausgeglichen werden müssen. Hierbei spielt die Betrachtung von ganzen Stadtquartieren als dezentrales Energiesystem eine Rolle, das sowohl als Energieverbraucher als auch -erzeuger agieren kann. Es sind vor allem Anlagen wichtig, die Wärme erzeugen und zusätzlich mit dem elektrischen Netz verbunden sind. Bei einem Stromüberschuss können Wärmepumpen eingesetzt werden. Diese benötigen elektrische Energie und erzeugen Wärme. Im entgegengesetzten Fall können bei einem Stromdefizit KWK-Anlagen betrieben werden. Diese produzieren neben der benötigten elektrischen Energie zusätzlich Wärme. Die Wärme wird entweder als Heizbedarf direkt genutzt oder in thermischen Speichern gespeichert.

Bei Untersuchungen für ganze Stadtquartiere sind verschiedene Parameter relevant, die mit Unsicherheiten behaftet sind. Diese umfassen beispielsweise die verwendeten Materialien oder den Dämmstandard der einzelnen Gebäude. Außerdem muss das Nutzerverhalten berücksichtigt werden, das sich bei verschiedenen Bewohnern unterscheiden kann. Neben den Parametern auf der Energiebedarfsseite wird auch die Wärmeerzeugung durch Wärmepumpen und KWK-Anlagen mit unsicheren Eingangsdaten beeinflusst. Das liegt z.B. an der ungenauen vorhersagbaren Einspeisung von Solar- oder Windenergie.

Aufgrund der Dynamik der betrachteten Systeme bietet es sich an, ein Stadtquartier innerhalb einer dynamischen Modellierungsumgebung abzubilden und zu simulieren, um so Einblicke in das thermische und elektrische Verhalten zu bekommen. Das Quartier umfasst diverse Einfamilienhäuser, die bestimmte Unterscheidungsmerkmale wie beispielsweise das Baujahr aufweisen.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen die Einflüsse der verschiedenen Parameter auf die Energieeffizienz und die Speicherfähigkeit eines Stadtquartiers untersucht werden und nach Ihrer Relevanz klassifiziert werden. Diesbezüglich wurde eine Methodik entwickelt, mit deren Hilfe der Einfluss der verschiedenen Parameter identifiziert wird. Durch eine dynamische Simulation in Dymola/Modelica wurden mit dieser Methode Ergebnisse für eine Sensitivitätsanalyse generiert.

Es wurde zunächst eine Referenzsimulation des Stadtquartiers durchgeführt, um anschließend die

Parameter zu variieren und die Veränderungen im Simulationsergebnis zu ermitteln. Hierbei wurde mit Hilfe der Differentialmethode ein Sensitivitätskoeffizient bestimmt, der sich vergleichen lässt. Zusätzlich wurde eine Faktoranalyse durchgeführt, um Wechselwirkungen der Parameter zu erkennen. Die Parameter mit dem größten Einfluss waren im Allgemeinen die Innentemperatur, die Wanddicke, die Wärmeleitfähigkeit des Wandmaterials und die Luftwechselrate.