Optimierung thermischer Systeme in dezentralen Energieversorgungsanlagen

摘要

Dezentrale Energieversorgungsanlagen, die eine Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ermöglichen, werden zukünftig eine wichtige Rolle bei der verbrauchernahen Versorgung mit thermischer und elektrischer Energie einnehmen. Die elektrische Anbindung erfolgt üblicherweise an bestehende Energieversorgungsnetze und führt bei moderater Anlagenanzahl kaum zu Problemen. Die Nutzung thermischer Energie stellt sich aufgrund fehlender Nahwärmenetze und nur begrenztem lokalen Wärmebedarf besonders anspruchsvoll dar. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Simulationsprogramm entwickelt worden, welches detaillierte dynamische Berechnungen in KWK-unterstützten Wärmenetzen ermöglicht. Es besteht aus einer Systembibliothek, die typische Elemente einer Heizungsanlage enthält. Die dynamische Berechnung besteht aus einer nacheinander durchgeführten hydraulischen Netzwerkberechnung, einer thermischen Berechnung und ggf. einem Aufruf einer Reglerfunktion. In letzterer lassen sich verschiedene Regelungsziele implementieren. Für die hydraulische Netzwerkberechnung ist ein Algorithmus zur Matrizeninversion realisiert, der dimensionsabhängig die schnellste Methode auswählt. Eine weitere Besonderheit des Programms ist die Mehrpumpenfähigkeit. Das bedeutet, dass es möglich ist, mehrere Pumpen in einem Schema zu implementieren und deren Funktion während einer Simulation zu variieren (Ein-, und Ausschalten). Dies ist besonders bei Verwendung thermischer Speicher notwendig, da sich deren Wärmeflussrichtung im Betrieb ebenfalls ändert (Laden  Entladen).Anhand verschiedener realitätsnaher Szenarien wird die Funktionsfähigkeit der Simulationsumgebung aufgezeigt und zahlreiche Erkenntnisse über die thermische Integration dezentraler KWK-Anlagen gewonnen. Die KWK-Anlage ist parallel zu einem Spitzenlast-Kessel zu schalten und relativ niedrig zu dimensionieren, so dass eine hohe Laufzeit ermöglicht wird. Die Wärmequellen sollten parallel verschaltet werden, um die Volumenströme entsprechend der eingekoppelten Leistungen auf konstante Vorlauftemperaturen einzuregeln. Mit einem Bypasszweig an den Wärmequellen kann durch Rückführung erwärmten Wassers deren Eingangstemperatur auf eine Mindesttemperatur gehalten werden, falls die Rücklauftemperatur zu weit absinkt. Bzgl. der Speicherelemente ist zwischen einem Pufferspeicher zur Entkopplung von Wärmebereitstellung und -bedarf sowie einem Brauchwasserspeicher zur Bereitstellung warmen Trinkwassers mit der Heizungsanlage zu unterscheiden. Die Dimensionierung des Pufferspeichers hängt von Faktoren wie der Betriebsweise der Gesamtanlage und beschränkenden baulichen Gegebenheiten ab. Größenordnungen von ca. 50-100 l/kWth sind im Allgemeinen üblich.Abschließend wird ein Wärmeversorgungsszenario untersucht, welches eine vollständige Wärmedeckung, d.h. eine Deckung der Raumwärme- sowie des Warmwasserbedarfs realisiert. Die dafür entwickelte Regelung sieht eine Einhaltung einer konstanten Vorlauftemperatur und eine möglichst konstante Nennleistungsabgabe der KWK-Anlage vor. In der Simulation wird eine optimale Betriebsweise der Gesamtanlage bei schwankendem Wärmebedarf realisiert.