Bachelorarbeit David Cornelius Arnolds

 

Dynamische Analyse von Energie- und Stoffströmen in Kältenetzen

In Zeiten zunehmender Ressourcenknappheit und steigenden Durchschnittstemperaturen
wird es immer wichtiger energieeffiziente Technologien zur Klimatisierung von Gebäuden zu
etablieren. Am Lehrstuhl für Gebäude und Raumklimatechnik der RWTH Aachen werden
Kältenetze, die eine Alternative zu einzelnen Klimaanlagen darstellen, dynamisch, im
Unterschied zu bisherigen statischen Untersuchungen, hinsichtlich ihrer Energieströme
simuliert. Im Rahmen dieses Projektes ist es das Ziel dieser Bachelorarbeit, das
charakteristische Strömungsverhalten in den Kältenetzen am Campus Melaten und am
Forschungszentrum Jülich dynamisch zu untersuchen und darzustellen. Hierfür wurde ein
Matlab-Skript entwickelt, das anhand von Modellen die Fließgeschwindigkeiten, Laufzeiten
und Druckverluste in den Kältenetzen berechnet. Zur Berechnung des Rohrreibungsbeiwerts
wurden verschiedene Gleichungen verwendet und miteinander verglichen. Die dynamische
Erfassung der Ergebnisse erfolgte durch eine Variation der Einspeisemassenströme. Um die
Ergebnisse der Untersuchung des Kältenetzes am Forschungszentrum Jülich einordnen zu
können, wurden sie abschließend mit den Ergebnissen einer Messdatenanalyse verglichen.
So konnte für das Kältenetz am Campus Melaten festgestellt werden, dass sich die Laufzeiten
(maximal etwa 40 min) von der Einspeisung zu den Kälteabnehmern fast proportional zu der
Distanz zwischen Einspeisung und Kälteabnehmer verhalten. Die Druckverluste nehmen
tendenziell ebenfalls mit steigender Distanz zwischen Einspeisung und Kälteabnehmer zu,
allerdings nicht proportional und mit Ausnahmen. Hier konnte die starke Abhängigkeit des
Druckverlusts von den Durchmessern der Rohre, die zu den Kälteabnehmern führen, gezeigt
werden. Die Berechnungen des Kältenetzes am Forschungszentrum Jülich, hier sind drei
Einspeisungen installiert, zeigten, dass sich hier die Laufzeiten (maximal zwischen 90 – 150
min) und Druckverluste bei zunehmenden Distanzen je nach Einspeisung unterschiedlich
entwickeln. Hier konnte sowohl für die Laufzeiten, als auch für die Druckverluste festgestellt
werden, dass diese tendenziell mit den Distanzen zunehmen, aber recht unregelmäßig und
mit Ausreißern. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass sich die Fließgeschwindigkeiten
nicht immer analog zu den Massenströmen verhalten. Es konnte für beide Kältenetze
festgestellt werden, dass sich das charakteristische Strömungsverhalten bei sich
verändernden Einspeisemassenströmen nicht verändert.
Der Vergleich der Laufzeiten mit den Ergebnissen der Messdatenanalyse zeigte, dass die
Berechnungen mit dem Analyse-Skript Ergebnisse liefern, mit welchen die grobe
Netzcharakteristik untersucht werden kann. Genaue Werte sind aufgrund der Vielzahl von
Vereinfachungen und Einschränkungen, die bei der Modellbildung gemacht wurden, nicht zu
erzielen. In einer Weiterentwicklung des Skripts könnten Bögen und Einbauten in den Rohren
berücksichtigt werden, um genauere Ergebnisse zu erhalten. Zukünftig kann das entwickelte
Matlab-Skript dazu dienen Startwerte für Drücke in den Rohren festzulegen, um anhand dieser
weitergehende Simulationen durchzuführen.