Entwicklung eines Analysetools für Wärmeübertrager in einem Fernwärmenetz

Abstract

Fernwärme wird eine wichtige Rolle in den urbanen Energieversorgungskonzepten der Zukunft spielen. Die Wärmeversorgung einer Stadt mit Hilfe eines wasserführenden Leitungsnetzes erlaubt nicht nur die Verteilung großer, lokal bereitgestellter Energiemengen, sondern auch das Ein- und Auspeisen von Wärme direkt beim Abnehmer sowie die Zwischenspeicherung von Energie. Mit diesen Eigenschaften und seiner flexiblen, zentralen Regelbarkeit ist das Fernwärmenetz prädestiniert für die Integration in gekoppelte Energiesysteme. 16.5% des Endenergieverbrauchs der Stadt Wien wurden im Jahr 2019 in Form von Fernwärme abgedeckt, wobei der Großteil dieser Energie aus Gaskraftwerken stammt. Im Zuge der Energiewende steht die Dekarbonisierung des Wiener Fernwärmenetzes an. Für die Erschließung erneuerbarer Energiequellen ist eine Absenkung der Vorlauftemperatur im zentralen Primärnetz erforderlich. Angesichts dessen stellt sich die Frage, ob die Wärmetauscher, in denen die Wärme vom Primärnetz auf die Sekundärnetze übertragen wird, unter den neuen Umständen weiterhin einsetzbar sind, oder ob sie ersetzt werden müssen. Ausgehend davon wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit für die Wien Energie GmbH ein Analysetool erstellt, mit dem Betriebspunkte der Wärmetauscher nach den Regeln des VDI-Wärmeatlas nachgerechnet werden können. Zu diesem Zweck wurden die vorhandenen Daten zu den Wärmetauschern analysiert und basierend darauf ein Algorithmus zur Abschätzung der für die Berechnung erforderlichen, geometrischen Parameter der Wärmetauscher entwickelt. Für die Erstellung dieses Geometriemodells und somit auch für die Nachrechnung sind lediglich Außenmaße des Wärmetauschers notwendig. Die Anwendbarkeit eines erstellten Modells kann in der Web-Applikation anhand von Messdaten sowie des Auslegungspunktes des Wärmetauschers überprüft werden. Auf Basis der Nachrechnung eines Betriebspunktes wurden außerdem Analysefunktionen erstellt, die gezielt auf die Problemstellung der Vorlauftemperaturabsenkung zugeschnitten sind. Die Arbeit umfasst des weiteren eine Validierung der implementierten Berechnungsmethodik anhand von drei Arten an Referenzwerten. Diese zeigt, dass das Analysetool auf der einen Seite theoretisch plausible Ergebnisse liefert, die großteils nur geringfügig von den Auslegungspunkten und den Berechnungen des Herstellers abweichen. Andererseits wurden beim Vergleich mit den realen Messdaten je nach Wärmetauscher mehr oder weniger große Diskrepanzen festgestellt, deren Ursache nicht mit Sicherheit festgestellt werden konnte. Aus diesem Grund liefert das Analysetool nur bedingt Antworten auf die zugrundeliegenden Fragen.

District heating will play an important role in future urban energy supply concepts. Supplying heat to a city via a water pipe network not only enables the distribution of large, locally provided amounts of energy, but also allows a costumer to consume heat from as well as to feed heat into the net. It also serves as a temporary heat storage. With these characteristics and its flexible, central controllability, the district heating network is predestined to be integrated into coupled energy systems. 16.5% of the final energy consumption of the city of Vienna was covered by district heating in 2019, with the majority of this energy coming from gas-fired power plants. In the course of the energy transition, the decarbonisation of Vienna’s district heating network is on the agenda. For the development of renewable energy sources, a reduction of the supply temperature in the central primary network is necessary. In view of this, the question arises whether the heat exchangers, in which the heat is transferred from the primary network to the secondary networks, can still be used under the new circumstances or whether they need to be replaced. For that reason, in the course of this master’s thesis an analysis tool was created for Wien Energie GmbH, which allows computing operating points of a heat exchanger according to the rules of the VDI Heat Atlas. For this purpose, the existing data of the heat exchangers was analysed and, based on this, an algorithm was developed for estimating the geometric parameters of the heat exchangers required for the calculation. Merely the external dimensions of the heat exchanger are prerequisited for the creation of this geometry model and thus also for the calculation of operating points. The applicability of a created model can be checked in the web application using measurement data and the design point of the heat exchanger. Based on the calculation of an operating point, analysis functions were created, that are specifically tailored to the problem of supply temperature reduction. The work also includes a validation of the implemented calculation methods using three types of reference values. This has shown that, on the one hand, the analysis tool delivers theoretically plausible results that mostly deviate only slightly from the design points and calculations of the manufacturer. On the other hand, depending on the heat exchanger, more or less large discrepancies were found when comparing with the real measurement data. The cause of these deviations could not be determined with certainty. For this reason, the analysis tool only provides limited answers to the underlying questions.