Die konventionelle Kälteerzeugung mit Kompressionskältemaschinen ist mit vielen Nachteilen verbunden: hohe elektrische Lastspitzen, Energieverbräuche, Umweltbelastungen, signifikante Kosten sowie ein umfangreicher Einsatz von ozonabbauenden Kältemitteln in den letzten Jahren. Eine wesentliche Verbesserung kann durch die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung erreicht werden. Durch die thermisch angetriebenen Kältemaschinen ist eine rationelle Nutzung der im Kühllastfall ausreichend vorhandenen Wärme möglich. Um die Kälteerzeugung weiter energetisch, wirtschaftlich und ökologisch zu verbessern, stellt der Einsatz von Kältespeichern eine aussichtsreiche Alternative dar. In diesem Projekt wird deshalb der Kältespeicher-Einsatz speziell für die Randbedingungen in Deutschland untersucht.

Die konventionelle Kälteerzeugung mit Kompressionskältemaschinen ist mit vielen Nachteilen verbunden: hohe elektrische Lastspitzen, Energieverbräuche, Umweltbelastungen, signifikante Kosten sowie ein umfangreicher Einsatz von ozonabbauenden Kältemitteln in den letzten Jahren. Eine wesentliche Verbesserung kann durch die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung erreicht werden. Durch die thermisch angetriebenen Kältemaschinen ist eine rationelle Nutzung der im Kühllastfall ausreichend vorhandenen Wärme möglich. Um die Kälteerzeugung weiter energetisch, wirtschaftlich und ökologisch zu verbessern, stellt der Einsatz von Kältespeichern eine aussichtsreiche Alternative dar. In diesem Projekt wird deshalb der Kältespeicher-Einsatz speziell für die Randbedingungen in Deutschland untersucht.

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.

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