Masterarbeit Stefan Klask

 

Bestimmung einer optimierten Verteilung von thermischen Energieanlagen auf Quartiersebene anhand eines Optimierungsalgorithmus

Der Einsatz moderner thermischer Energieanlagen mit hohen primärenergetischen Ausnutzungsgraden
kann, gepaart mit der Verbindung von Gebäuden über dezentrale Netze, die bisherige Wärmeversorgung
durch Heizkessel ersetzen und eine Reduktion bei der Entstehung von Treibhausgasemissionen
bewirken. Aufgrund der Vielfalt der möglichen Anlagen und Verschaltungen birgt
eine heuristische Planung der Verteilung ein Risiko der Erstellung suboptimaler Lösungen. Diese
Arbeit zeigt die Implementierung eines gemischt-ganzzahligen Optimierungsproblems zur Bestimmung
einer optimierten Verteilung von Energieanlagen auf Stadtquartiersebene. Die Zielfunktion
minimiert dabei wahlweise die Gesamtkosten oder die Treibhausgasemissionen unter Einhaltung
der thermischen und elektrischen Energiebilanzen. Das Modell beinhaltet neben den thermischen
Energieerzeugern (Heizkessel, KWK-Anlage, Wärmepumpe), Photovoltaikanlagen und Speichern
(Warmwasserspeicher und Batterie) die Möglichkeit der Betrachtung dezentraler Netzstrukturen
auf thermischer und elektrischer Ebene. Die Betrachtung langfristiger Szenarien zur Auslegungsbestimmung
nutzt große Mengen an Eingangsdaten. Die Arbeit beschreibt die Anwendung des
Typtage- und Typstunden-Tools,welche eineMinimierung derDatenmengen durch Zusammenfassen
ähnlicher Zeitschritte ermöglichen. Zur Verlegung der Rohrleitungen eines Nahwärmenetzes in
einem bereits bebautem Gebiet empfiehlt sich die Betrachtung des Straßennetzes als Verlegeroute.
Die vorgestellte Implementierung der geografischen Gegebenheiten durch Knoten und Kanten
aus der Graphentheorie ermöglicht eine realitätsnahe Bestimmung kürzester Wege zur Gebäudeverknüpfung.
Zum Abschluss wird ein reales Quartier aus 13 Gebäuden virtuell abgebildet und ein
Lösungsvorschlag einer optimierten Verteilung erstellt. In Abhängigkeit des Modernisierungsstandes
der Gebäude ergeben sich Potenziale zur Kosteneinsparung bis über 17%, bei gleichzeitiger Verringerung
der Treibhausgasemissionen umetwa 33%.