No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

Vor dem Hintergrund zunehmender Wärmedämmmaßnahmen im Wohnungsbau, das heißt sinkender Heizlasten, und gleichzeitigem Bestreben nach Netzausbau und –verdichtung steht die Fernwärmeversorgung neuen Problemstellungen gegenüber. Es gilt Lösungsansätze für das Spannungsfeld niedriger Liniendichten, steigender Brennstoffpreise und der Forderung nach erneuerbaren Energien in der Wärmeversorgung zu entwickeln. Die vorliegende Arbeit untersucht in einer vergleichenden Simulationsstudie diverse Fahrweisen der Fernwärmeversorgung auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Befindet sich die Fernwärmevorlauftemperatur unter der aus Gründen des Legionellenschutzes notwendigen Temperatur der Trinkwassererwärmung, erfolgt eine dezentrale Nacherwärmung. Diese geschieht innerhalb der sogenannten LowEx-Fahrweise mittels elektrischen Heizstabs oder einem Wärmepumpen-Speicherladesystem mit Wärmequelle Fernwärme. Als Referenzsysteme finden die als Konventionelle-Fahrweise mit Speicherladesystem und die als Niedertemperatur-Fahrweise mit Wohnungsanschlussstation im Durchflussprinzip bezeichneten Betriebsweisen Anwendung. Neben der Senkung der Netzwärmeverluste und ggf. einer Steigerung der Erzeugungswirkungsgrade ermöglicht die LowEx-Fahrweise die dezentrale Einspeisung von Abwärme oder erneuerbaren Energien bei effizientem Betrieb der Energiebereitstellungsanlagen. Das Fernwärmenetz dient damit der gekoppelten Wärmeversorgung und auch Wärmeentsorgung. Beispielhaft wird die Abwärmeeinspeisung von Klimakälteprozessen mit sowohl Kompressionskälteanlagen als auch Absorptionskältenlagen untersucht. Anhand Solarthermie wird das Für und Wider der Einspeisung erneuerbarer Energien hinsichtlich der Senkung des Primärenergiebedarfs und der Verdrängung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen diskutiert. Die Analysen erfolgen mit Hilfe modifizierter und neu entwickelter Modelle in der Simulationsumgebung TRNSYS-TUD.

Fernwärme ist aufgrund der verstärkten Förderung der Bundesregierung in den letzten Jahren wieder stärker in den Fokus der Energiewirtschaft gerückt. In Hinblick auf einen wirtschaftlich und energetisch effizienten Betrieb von Fernwärmesystemen ist nicht nur der Einsatz der Wärmeerzeuger mittels einer Einsatzplanung sorgfältig zu organisieren, sondern auch das Betriebsverhalten des Wärmeverteilnetzes selbst zu berücksichtigen. So führen ständig auftretende Änderungen der thermischen Last, der Vorlauftemperatur am Einspeisepunkt oder der Rücklauftemperaturen der Abnehmer zu instationären Betriebszuständen im Fernwärmenetz. Die damit verbundene zeitliche Entkopplung der zentralen Wärmeeinspeisung von der dezentralen Wärmeentnahme induziert eine Speicherung thermischer Energie in dem in den Rohrleitungen befindlichen Wasser und in den Rohren selbst. In den seltensten Fällen wird dieser Vorgang der Wärmespeicherung aktiv genutzt, er tritt vielmehr als eher unerwünschter Nebeneffekt auf. Bei Kenntnis der thermodynamischen Zusammenhänge hingegen lässt sich das Fernwärmenetz durch zielgerichtete Steuerung der Vorlauftemperatur analog einem thermischen Heißwasserspeicher als Wärmespeicher nutzen. Dies ist wiederum für die Betriebs- und Gewinnoptimierung interessant, da so weitere Speicherkapazitäten nutzbar gemacht werden können, um Lastspitzen zu verschieben und KWK-Anlagen zu betreiben ohne zusätzliche Investitionen tätigen zu müssen. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, in der die Netzspeicherleistung mit Hilfe eines thermo-hydraulischen Simulationsprogrammes bestimmt wird, wobei dynamische Effekte wie die veränderliche Vorlauftemperaturen am Einspeisepunkt oder die stark schwankenden Lastanforderungen der Abnehmer in der Berechnungsmethodik realitätsnah abgebildet werden. Für eine aktive Nutzung des Fernwärmenetzes als Wärmespeicher muss der Verlauf der Vorlauftemperatur an die jeweilig gewünschte Netzspeicherleistung angepasst werden. Dazu wird in dieser Arbeit ein vereinfachter Funktionsansatz für die Netzspeicherleistung bestimmt, der zunächst mittels Regressionsanalyse aus den Ergebnissen gezielter thermo-hydraulischer Simulationen ermittelt und anschließend so in eine Einsatzplanung integriert wird, sodass die Vorlauftemperatur als zu optimierende Variable in die Gesamtoptimierung einfließt. Anhand eines realen Anwendungsfalls werden die Möglichkeiten und Grenzen der aktiven Nutzung der Speicherfähigkeit von Fernwärmenetzen aufgezeigt. Insbesondere werden monetäre Gewinnpotentiale bei Anwendung der aktiv gesteuerten Netzspeicherung in durch KWK-Anlagen versorgten Fernwärmenetzen bei gleichzeitigem Stromhandel auf dem Spotmarkt abgeschätzt.

Die Bildung von Dampfphasen in Fernwärmesystemen während des instationären Übergangs vom Umlaufbetrieb in den Ruhezustand wird zugelassen, sofern adiabate Randbedingungen im Hochpunkt und thermisch gesteuertes Kondensationsverhalten der Dampfblase sichergestellt sind. Zur physikalischen Beschreibung wird ein Modell entwickelt, welches von einer zusammenhängenden Dampfblase im Hochpunkt ausgeht und das thermisch gesteuerte Rückbildungsverhalten während des Füll- bzw. Nachspeisevorganges abbildet. Die Rohrgeometrie im Hochpunkt sowie Wärmetransportvorgänge werden dabei berücksichtigt. Der Gesamtwärmeverlust aus dem Dampfraum setzt sich im Wesentlichen aus der Aufheizung der dampfbenetzten Rohrwand und der instationären Wärmeleitung in der angrenzenden Flüssigkeitsschicht zusammen. Mit Simulationsrechnungen werden das thermisch gesteuerte Blasenverhalten demonstriert und die Haupteinflussgrößen benannt. Die Verdichtung der Dampfmasse während des Füllvorgangs bewirkt einen Temperatur- und Druckanstieg in der Blase. Die Modellvalidierung erfolgt mit veröffentlichten Messdaten und anhand eines Versuches, welcher im Anlagenhochpunkt einer Fernwärmepumpstation durchgeführt wurde. Das Dampfvolumen im Versuch beträgt 30 m³. Die Temperatur-, Druck- und Füllstandsverläufe werden qualitativ und quantitativ wiedergegeben. Die Tolerierung der Dampfbildung erfordert die messtechnische Überwachung der Hochpunkte und eindeutige Handlungsanweisungen, wie im Störfall die Dampfblase zurückgebildet wird. / In district heating systems, the existence of vapour bubbles is tolerated during transition from regular heat supply to a non-operating state. The main requirements to ensure grid and plant safety are the adiabatic conditions within the pipe and the thermally controlled behaviour of the vapour bubble. For the description of the phenomenon, a model for the thermally controlled condensation phase of a concentrated vapour bubble is developed including the pipe geometry and heat losses. The total heat transfer consists of two main parts: the heating of the steel material wetted by the vapour and the unsteady heat conduction in the liquid water layer below the vapour. Test calculations demonstrate the behaviour of the vapour bubble, specifically the compression of the bubble contents and the accompanying increase in temperature and pressure. Furthermore, the main factors influencing the results are identified. Comparisons between simulation results and published measurement data show qualitatively and quantitatively good agreement. For the purpose of validation, own experiments with a large 30 m³ bubble were conducted in a pump station without any signs of condensation induced water hammer. The existence of vapour in district heating system requires measurements at the highest points within the grid in order to detect the vapour bubble and to monitor the condensation process safely. Furthermore, in case of pump failures or other incidents, operators need safety instructions on how to act to re-establish single phase flow before restarting heat supply.

Die Professur Technische Thermodynamik der TU Chemnitz und die inetz (Netzbetreiber) haben unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten ein hocheffizientes solares Fernwärmesystem (2100 m² Kollektorfläche, 1000 m³ Speicher, max. Netzlast 6-14 MW) für den Stadtteil Brühl in Chemnitz entwickelt. Dieses zeichnet sich durch viele innovative Merkmale (Systemkonzept und -betrieb, Speicher, Hausanschlussstation) aus und berücksichtigt komplexe städtische bzw. gesellschaftliche Zusammenhänge (Akzeptanz, Städtebau, Denkmalschutz, Gebäudeeigentümer, bestehende Versorgungssysteme). In diesem Projekt wurde eine breit angelegte Begleitforschung zur Funktion des Systems durchgeführt. Das Projekt umfasste u. a. die Datenbeschaffung und -auswertung bzgl. des Systems und des Quartiers, die Datenübernahme von der inetz, die Datenverarbeitung und -auswertung sowie die Optimierung des Systems. Es erfolgten spezielle Untersuchungen zur Funktion der Kollektorfelder, des Zwei-Zonen-Speichers, des Nachheizsystems und einer Hausanschlussstation. Aufgrund des Einsatzes von Wasser im gesamten System wurden die Untersuchungen in den Kollektorfeldern mit einem speziellen bzw. mobilen Monitoring realisiert. Numerische Simulationen lieferten das theoretische Verhalten für einen Soll-Ist-Ver gleich. Umgekehrt konnten die Simulationen anhand der Messwerte validiert werden. Die Mess- und Simulationsergebnisse flossen danach in Metamodelle ein. Diese Metamodelle wurden im SolFW-Tool genutzt, um eine einfache und schnelle Berechnung von solaren Fernwärmesystemen in Quartieren zur Verfügung zu stellen. Das SolFW-Tool ist als webbasiertes Simulationsprogramm verfügbar.

Fernwärme ist aufgrund der verstärkten Förderung der Bundesregierung in den letzten Jahren wieder stärker in den Fokus der Energiewirtschaft gerückt. In Hinblick auf einen wirtschaftlich und energetisch effizienten Betrieb von Fernwärmesystemen ist nicht nur der Einsatz der Wärmeerzeuger mittels einer Einsatzplanung sorgfältig zu organisieren, sondern auch das Betriebsverhalten des Wärmeverteilnetzes selbst zu berücksichtigen. So führen ständig auftretende Änderungen der thermischen Last, der Vorlauftemperatur am Einspeisepunkt oder der Rücklauftemperaturen der Abnehmer zu instationären Betriebszuständen im Fernwärmenetz. Die damit verbundene zeitliche Entkopplung der zentralen Wärmeeinspeisung von der dezentralen Wärmeentnahme induziert eine Speicherung thermischer Energie in dem in den Rohrleitungen befindlichen Wasser und in den Rohren selbst. In den seltensten Fällen wird dieser Vorgang der Wärmespeicherung aktiv genutzt, er tritt vielmehr als eher unerwünschter Nebeneffekt auf. Bei Kenntnis der thermodynamischen Zusammenhänge hingegen lässt sich das Fernwärmenetz durch zielgerichtete Steuerung der Vorlauftemperatur analog einem thermischen Heißwasserspeicher als Wärmespeicher nutzen. Dies ist wiederum für die Betriebs- und Gewinnoptimierung interessant, da so weitere Speicherkapazitäten nutzbar gemacht werden können, um Lastspitzen zu verschieben und KWK-Anlagen zu betreiben ohne zusätzliche Investitionen tätigen zu müssen. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, in der die Netzspeicherleistung mit Hilfe eines thermo-hydraulischen Simulationsprogrammes bestimmt wird, wobei dynamische Effekte wie die veränderliche Vorlauftemperaturen am Einspeisepunkt oder die stark schwankenden Lastanforderungen der Abnehmer in der Berechnungsmethodik realitätsnah abgebildet werden. Für eine aktive Nutzung des Fernwärmenetzes als Wärmespeicher muss der Verlauf der Vorlauftemperatur an die jeweilig gewünschte Netzspeicherleistung angepasst werden. Dazu wird in dieser Arbeit ein vereinfachter Funktionsansatz für die Netzspeicherleistung bestimmt, der zunächst mittels Regressionsanalyse aus den Ergebnissen gezielter thermo-hydraulischer Simulationen ermittelt und anschließend so in eine Einsatzplanung integriert wird, sodass die Vorlauftemperatur als zu optimierende Variable in die Gesamtoptimierung einfließt. Anhand eines realen Anwendungsfalls werden die Möglichkeiten und Grenzen der aktiven Nutzung der Speicherfähigkeit von Fernwärmenetzen aufgezeigt. Insbesondere werden monetäre Gewinnpotentiale bei Anwendung der aktiv gesteuerten Netzspeicherung in durch KWK-Anlagen versorgten Fernwärmenetzen bei gleichzeitigem Stromhandel auf dem Spotmarkt abgeschätzt.

Vor dem Hintergrund zunehmender Wärmedämmmaßnahmen im Wohnungsbau, das heißt sinkender Heizlasten, und gleichzeitigem Bestreben nach Netzausbau und –verdichtung steht die Fernwärmeversorgung neuen Problemstellungen gegenüber. Es gilt Lösungsansätze für das Spannungsfeld niedriger Liniendichten, steigender Brennstoffpreise und der Forderung nach erneuerbaren Energien in der Wärmeversorgung zu entwickeln. Die vorliegende Arbeit untersucht in einer vergleichenden Simulationsstudie diverse Fahrweisen der Fernwärmeversorgung auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Befindet sich die Fernwärmevorlauftemperatur unter der aus Gründen des Legionellenschutzes notwendigen Temperatur der Trinkwassererwärmung, erfolgt eine dezentrale Nacherwärmung. Diese geschieht innerhalb der sogenannten LowEx-Fahrweise mittels elektrischen Heizstabs oder einem Wärmepumpen-Speicherladesystem mit Wärmequelle Fernwärme. Als Referenzsysteme finden die als Konventionelle-Fahrweise mit Speicherladesystem und die als Niedertemperatur-Fahrweise mit Wohnungsanschlussstation im Durchflussprinzip bezeichneten Betriebsweisen Anwendung. Neben der Senkung der Netzwärmeverluste und ggf. einer Steigerung der Erzeugungswirkungsgrade ermöglicht die LowEx-Fahrweise die dezentrale Einspeisung von Abwärme oder erneuerbaren Energien bei effizientem Betrieb der Energiebereitstellungsanlagen. Das Fernwärmenetz dient damit der gekoppelten Wärmeversorgung und auch Wärmeentsorgung. Beispielhaft wird die Abwärmeeinspeisung von Klimakälteprozessen mit sowohl Kompressionskälteanlagen als auch Absorptionskältenlagen untersucht. Anhand Solarthermie wird das Für und Wider der Einspeisung erneuerbarer Energien hinsichtlich der Senkung des Primärenergiebedarfs und der Verdrängung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen diskutiert. Die Analysen erfolgen mit Hilfe modifizierter und neu entwickelter Modelle in der Simulationsumgebung TRNSYS-TUD.