Fernkälte bietet das Potenzial, wirtschaftlich und ökologisch vorteilhaft zur Deckung des stetig zunehmenden Klimakältebedarfs beizutragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein dynamisches thermohydraulisches Netzmodell „ISENA“ entwickelt, mit dem während der Planung und des Betriebs von Fernkältesystemen auftretende Fragen, beispielsweise in Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz, beantwortet werden können. Das Netzmodell setzt sich aus einem quasistationären hydraulischen Modell und einem instationären thermischen Modell zusammen, das auf der Verfolgung von Wasserpfropfen durch das gesamte Netz basiert (Lagrange-Ansatz). Mit diesem Modellierungsansatz können numerische Fehler sowie Bilanzungenauigkeiten vermieden werden, sodass sich eine höhere Ergebnisgüte im Vergleich zu bisher bekannten Netzmodellen erreichen lässt. Ebenfalls neu entwickelt wurde das Teilmodell zur Abbildung der Wärmeströme über die Wände unterirdischer Rohrpaare (Kälteverluste und -gewinne). Dieses Modell erlaubt die Bestimmung der instationären Rohrwand-Wärmeströme für wärmegedämmte unterirdische Rohrpaare, Rohrpaare mit gedämmtem Vor- und ungedämmtem Rücklauf sowie ungedämmte Rohrpaare. Anhand von Validierungs- und Verifikationsrechnungen wird gezeigt, dass ISENA verlässliche Ergebnisse liefert und für die praktische Anwendung geeignet ist. Abschließende Beispielrechnungen geben einen Einblick in die Untersuchungsmöglichkeiten, die das neue Modell bietet – unter anderem im Hinblick auf den Vergleich von Pumpenregelungsvarianten, den Einfluss von Rohrdämmung und Erdreicheigenschaften auf Kälteverluste und -gewinne sowie die Einbindung von Hochtemperatur-Kälteverbrauchern in den Netzrücklauf. / District cooling can provide economic and ecological benefits while supplying the increasing cooling demand for air conditioning. In the present thesis, a dynamic thermo-hydraulic model “ISENA” is presented which may be used in order to answer questions arising during design and operation of district cooling networks—e. g., that are related to economic and energy efficiency. The network model consists of a quasi-static hydraulic module and a transient thermal module being based on the tracking of water segments through the entire network (Lagrangian method). With this approach, numerical errors and inaccuracies in the balance of conserved quantities could be avoided, which eventually leads to a better reliability of the results as compared to that obtained from other network models. Additionally, a new sub-model has been developed for predicting the transient heat flux through the walls of buried pipes in order to model thermal gains and losses. This model covers un-insulated, insulated and combinations of insulated as well as un-insulated pipes. Calculations performed for the purpose of validation and verification are presented in order to demonstrate that ISENA provides reliable results and hence is suitable for practical applications. Finally, example simulations show the various possibilities provided by the new model—for example, concerning the comparison of different strategies for pump control, the influence of pipe insulation and soil properties on thermal gains and losses as well as the connection of buildings equipped with high temperature cooling systems to the return line of the network.

Solarthermie trägt wesentlich zur Verbrauchsreduzierung fossiler Energieträger bei. Die für eine thermische Zwischenspeicherung verwendeten Warmwasserspeicher werden häufig mittels schwerkraftbasierten Schichtenladern beladen. Bisher sind die komplexen Strömungsvorgänge im Beladesystem und deren Auswirkungen auf die Speichereffizienz begrenzt bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt daher eine detaillierte Auseinandersetzung mit den hydrodynamischen Effekten in einem Schichtenlader. Dreidimensionale CFD-Untersuchungen zeigen, dass im Belader Strömungsschwankungen auftreten, welche mit dem Ausströmverhalten korrelieren und den Schichtungsaufbau negativ beeinflussen. Variationen der Betriebsparameter und Beladergeometrie verdeutlichen deren Einflussnahme auf die Strömungseffekte im Beladesystem. Experimentelle PIV/PLIF-Untersuchungen bestätigen die mit der CFD gewonnenen Erkenntnisse wie z. B. Strömungsasymmetrien im Beladerrohr und ein teilweise periodisches Ausströmen. Zusätzlich identifizieren die experimentellen Messungen starke Instationaritäten der Strömung. / Solar thermal energy makes a significant contribution to reducing the consumption of fossil fuels. Hot water storage tanks are often equipped with gravity-based stratification devices. Up to now, the complex flow in the loading system and the effects on storage efficiency are only been rudimentarily known. In this Phd thesis, therefore, detailed examination of the hydrodynamic effects in a stratification device is conducted. 3D-CFD investigations show that a fluctuating flow exists in the device which correlate with the outflow behaviour and has a negative influence on the thermal stratification in the storages. Variations of the operating parameters and device geometry illustrates their influence on flow effects in the loading system. Experimental PIV/PLIF investigations confirm the results obtained from the CFD, such as flow asymmetries in the stratification device and a temporally periodic outflow. In addition, the experimental measurements identify strong instationarities of the flow.

Fernkälte bietet das Potenzial, wirtschaftlich und ökologisch vorteilhaft zur Deckung des stetig zunehmenden Klimakältebedarfs beizutragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein dynamisches thermohydraulisches Netzmodell „ISENA“ entwickelt, mit dem während der Planung und des Betriebs von Fernkältesystemen auftretende Fragen, beispielsweise in Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz, beantwortet werden können. Das Netzmodell setzt sich aus einem quasistationären hydraulischen Modell und einem instationären thermischen Modell zusammen, das auf der Verfolgung von Wasserpfropfen durch das gesamte Netz basiert (Lagrange-Ansatz). Mit diesem Modellierungsansatz können numerische Fehler sowie Bilanzungenauigkeiten vermieden werden, sodass sich eine höhere Ergebnisgüte im Vergleich zu bisher bekannten Netzmodellen erreichen lässt. Ebenfalls neu entwickelt wurde das Teilmodell zur Abbildung der Wärmeströme über die Wände unterirdischer Rohrpaare (Kälteverluste und -gewinne). Dieses Modell erlaubt die Bestimmung der instationären Rohrwand-Wärmeströme für wärmegedämmte unterirdische Rohrpaare, Rohrpaare mit gedämmtem Vor- und ungedämmtem Rücklauf sowie ungedämmte Rohrpaare. Anhand von Validierungs- und Verifikationsrechnungen wird gezeigt, dass ISENA verlässliche Ergebnisse liefert und für die praktische Anwendung geeignet ist. Abschließende Beispielrechnungen geben einen Einblick in die Untersuchungsmöglichkeiten, die das neue Modell bietet – unter anderem im Hinblick auf den Vergleich von Pumpenregelungsvarianten, den Einfluss von Rohrdämmung und Erdreicheigenschaften auf Kälteverluste und -gewinne sowie die Einbindung von Hochtemperatur-Kälteverbrauchern in den Netzrücklauf.:1 Einleitung 1.1 Situation 1.2 Aufbau und Betrieb von Fernkältesystemen 1.3 Netzmodellierung und -simulation 1.4 Präzisierte Aufgabenstellung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Begriffe und Definitionen 2.2 Rohrleitungen 2.2.1 Technik 2.2.2 Modellierung 2.3 Peripherie 2.3.1 Kälteabnehmer 2.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 2.3.3 Erzeuger 2.3.4 Pumpen 2.3.5 Bypass 2.4 Netz 2.4.1 Netzstruktur 2.4.2 Hydraulisches Verhalten 2.4.3 Thermisches Verhalten 2.4.4 Beispielsysteme 2.5 Zwischenfazit 3 Modellerstellung 3.1 Grundlagen 3.2 Rohrleitungen 3.2.1 Hydraulisches Rohrmodell 3.2.2 Modellierung des Rohrwand-Wärmestroms 3.2.3 Thermisches Rohrmodell 3.3 Peripherie 3.3.1 Kälteabnehmer 3.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 3.3.3 Erzeuger 3.3.4 Pumpen 3.3.5 Bypass 3.3.6 Rücklaufabnehmer 3.4 Netz 3.4.1 Hydraulisches Modell 3.4.2 Thermisches Modell 3.4.3 Gesamtmodell 3.5 Programmtechnische Umsetzung 4 Modellvalidierung und -verifikation 4.1 Vorbetrachtungen 4.2 Kernmechanismen 4.2.1 Hydraulik 4.2.2 Konvektiver Energietransport 4.2.3 Wärmeübertragung über die Rohrwand 4.2.4 Wärmezufuhr bei Kälteabnehmern 4.3 Schlussfolgerungen 5 Beispielsimulationen 5.1 Vorgaben 5.2 Referenzfall 5.3 Varianten 5.3.1 Pumpenregelung 5.3.2 Netz-Vorlauftemperatur 5.3.3 Rohrgeometrie und Erdreicheigenschaften 5.3.4 Rücklaufabnehmer 6 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A Existierende Modelle A.1 Hydraulikberechnung mit Regelelementen A.2 Rohrwand-Wärmeströme A.3 Freie Konvektion bei Stillstand im Rohr B Numerisches Modell für Rohrwand-Wärmeströme B.1 Referenzmodell B.2 Bestimmung der Neipor-Parameter B.3 Tabellierte Neipor-Parameter C Modell ISENA C.1 Pfropfenteilung C.2 Programmtechnische Umsetzung C.3 Rohrklassen C.4 Stoffdaten / District cooling can provide economic and ecological benefits while supplying the increasing cooling demand for air conditioning. In the present thesis, a dynamic thermo-hydraulic model “ISENA” is presented which may be used in order to answer questions arising during design and operation of district cooling networks—e. g., that are related to economic and energy efficiency. The network model consists of a quasi-static hydraulic module and a transient thermal module being based on the tracking of water segments through the entire network (Lagrangian method). With this approach, numerical errors and inaccuracies in the balance of conserved quantities could be avoided, which eventually leads to a better reliability of the results as compared to that obtained from other network models. Additionally, a new sub-model has been developed for predicting the transient heat flux through the walls of buried pipes in order to model thermal gains and losses. This model covers un-insulated, insulated and combinations of insulated as well as un-insulated pipes. Calculations performed for the purpose of validation and verification are presented in order to demonstrate that ISENA provides reliable results and hence is suitable for practical applications. Finally, example simulations show the various possibilities provided by the new model—for example, concerning the comparison of different strategies for pump control, the influence of pipe insulation and soil properties on thermal gains and losses as well as the connection of buildings equipped with high temperature cooling systems to the return line of the network.:1 Einleitung 1.1 Situation 1.2 Aufbau und Betrieb von Fernkältesystemen 1.3 Netzmodellierung und -simulation 1.4 Präzisierte Aufgabenstellung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Begriffe und Definitionen 2.2 Rohrleitungen 2.2.1 Technik 2.2.2 Modellierung 2.3 Peripherie 2.3.1 Kälteabnehmer 2.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 2.3.3 Erzeuger 2.3.4 Pumpen 2.3.5 Bypass 2.4 Netz 2.4.1 Netzstruktur 2.4.2 Hydraulisches Verhalten 2.4.3 Thermisches Verhalten 2.4.4 Beispielsysteme 2.5 Zwischenfazit 3 Modellerstellung 3.1 Grundlagen 3.2 Rohrleitungen 3.2.1 Hydraulisches Rohrmodell 3.2.2 Modellierung des Rohrwand-Wärmestroms 3.2.3 Thermisches Rohrmodell 3.3 Peripherie 3.3.1 Kälteabnehmer 3.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 3.3.3 Erzeuger 3.3.4 Pumpen 3.3.5 Bypass 3.3.6 Rücklaufabnehmer 3.4 Netz 3.4.1 Hydraulisches Modell 3.4.2 Thermisches Modell 3.4.3 Gesamtmodell 3.5 Programmtechnische Umsetzung 4 Modellvalidierung und -verifikation 4.1 Vorbetrachtungen 4.2 Kernmechanismen 4.2.1 Hydraulik 4.2.2 Konvektiver Energietransport 4.2.3 Wärmeübertragung über die Rohrwand 4.2.4 Wärmezufuhr bei Kälteabnehmern 4.3 Schlussfolgerungen 5 Beispielsimulationen 5.1 Vorgaben 5.2 Referenzfall 5.3 Varianten 5.3.1 Pumpenregelung 5.3.2 Netz-Vorlauftemperatur 5.3.3 Rohrgeometrie und Erdreicheigenschaften 5.3.4 Rücklaufabnehmer 6 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A Existierende Modelle A.1 Hydraulikberechnung mit Regelelementen A.2 Rohrwand-Wärmeströme A.3 Freie Konvektion bei Stillstand im Rohr B Numerisches Modell für Rohrwand-Wärmeströme B.1 Referenzmodell B.2 Bestimmung der Neipor-Parameter B.3 Tabellierte Neipor-Parameter C Modell ISENA C.1 Pfropfenteilung C.2 Programmtechnische Umsetzung C.3 Rohrklassen C.4 Stoffdaten

Radiale Diffusoren beeinflussen signifikant die Qualität der thermischen Schichtung in Warmwasserspeichern. Um die Effizienz der Energiespeicherung zu verbessern, ist das Verständnis des komplexen Strömungsverhaltens notwendig. Diese Arbeit liefert Grundlagen zur Beschreibung der auftretenden Effekte und stellt ein geeignetes CFD-Simulationsmodell vor. Als Untersuchungsobjekt dient eine neuartige Speicherkonstruktion, wobei der Radialdiffusor direkt an einer schwimmenden Decke montiert ist. Vorteile dieser Anordnung werden aufgezeigt, die auftretenden Strömungseffekte beschrieben sowie der Einfluss verschiedener Beladergeometrien auf die thermische Schichtung untersucht. Für das Entladen bis 98 °C bei Atmosphärendruck wurde ein strömungsoptimierter Freiformdiffusor entwickelt, um Kavitation beim Ansaugen zu vermeiden. Die Untersuchungen zeigen außerdem, dass bei der Beladung über dem Umfang des Radialdiffusors ein stark asymmetrisches und einseitig gerichtetes Ausströmen auftreten kann. Gegenmaßnahmen in Form von Leit- und Lochblechen stellen ein nahezu symmetrisches Ausströmen wieder her und verbessern damit die Schichtungsqualität. Neben umfangreichen numerischen Studien mit RANS und LES fanden zahlreiche Experimente im Labor und an einem 100 m³-Speicher statt. / Radial diffusers have a significant influence on the quality of thermal stratification in hot water storage tanks. In order to improve the efficiency of energy storage, it is necessary to understand the complex flow behaviour. This thesis provides a basis for describing the effects and introduces a CFD simulation model. An innovative storage tank construction is used as the object of investigation, whereby the radial diffuser is mounted directly to a floating ceiling. Advantages of this arrangement are shown, flow effects are described and the influence of different loader geometries on the thermal stratification is investigated. For discharging up to 98 °C at atmospheric pressure, a flow-optimized free-form diffuser was developed to avoid cavitation inside the loading device. The tests also show that a highly asymmetrical and unidirectional flow over the circumference of the radial diffuser can occur during loading. Thanks to countermeasures like baffles and perforated plates, an almost symmetrical outflow can be restored and the stratification quality improved. In addition to numerical studies with RANS and LES, numerous experiments in the laboratory and at a 100m3 store were performed.