Masterarbeit Felix Bünning

 

Simulationsbasierte Untersuchung bidirektionaler Niedrigtemperatur Kälte- und Wärmenetze und deren Regelung auf Quartiersebene

Network With Agents Urheberrecht: EBC Das Bild zeigt ein Schema eines bidirektionalen Niedrigtemperaturnetzwerkes, welches verschiedene Quellen und Verbraucher, sowie eine agenten-basierte Regelung enthält.

Bidirektionale Niedrigtemperaturnetze sind ein neues Konzept, welches effizientes Heizen und Kühlen von Gebäuden ermöglicht. Bisherige Forschungsergebnisse zeigen theoretische Vorteile bezüglich der Exergieeffizienz dieser Netzwerke im Vergleich zu anderen Technologien und Pilotprojekte weisen darauf hin, dass die Netze bei gut balancierten Wärme- und Kältebedarfen ein gutes Betriebsverhalten aufweisen. Der Betrieb dieser Netzwerke ist jedoch noch nicht optimiert und es existiert keine Quantifizierung der möglichen Energieeinsparungen für verschiedene Szenarien. Außerdem gibt es noch keine Konzepte zur Einbindung und Regelung verschiedener im Netz verteilter Wärme- und Kältequellen. Aus diesen Gründen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein solches Konzept auf Basis einer Optimierung der Netztemperatur und agenten-basierter Regelung entwickelt, welches die Einbindung einer unbegrenzten Anzahl an Quellen erlaubt. Anschließend wurde das Konzept auf zwei verschiedene Szenarien angewandt, welche Quartiere in San Francisco und Köln mit verschiedenen Wärme- und Kältebedarfen sowie Randbedingungen abbilden. Die Leistungsfähigkeit der Systeme wurde dann mit Hilfe von dynamischer Simulation in Modelica mit anderen modernen Heiz- und Kühllösungen verglichen. Die Resultate zeigen, dass bidirektionale Niedrigtemperaturnetze ohne Optimierung bis zu 26 % weniger Emissionen im San Francisco Szenario und bis zu 63 % weniger Emissionen im Köln Szenario im Vergleich zu anderen Technologien verursachen. Die Einsparungen der Betriebskosten betragen jeweils 46 % und 27 % und die Einsparungen im Bereich der verbrauchten Primärenergie 52 % und 72 %. Die vorgestellte Betriebsoptimierung führt zu Elektrizitätseinsparungen von jeweils 13 % und 41 % im Vergleich zu nicht optimierten Netzen. Weiterhin lassen die Ergebnisse auf weiteres Optimierungspotenzial schließen. Die Arbeit verdeutlicht die Vorteile von Niedrigtemperaturnetzen in verschiedenen Situationen und stellt ein Regelungskonzept vor, das für die reale Implementierung erweiterbar ist.