Dynamische Simulation von Fernwärmenetzen : Rücktransformation von vereinfachten Netzen

Abstract

Bei einer dynamischen Simulation von Fernwärmenetzmodellen spielt die Rechenzeit eine große Rolle. Ein Fernwärmenetzmodell, welches alle Komponenten des Netzes beschreibt und deren Zusammenhänge berücksichtigt ist sehr aufwendig. Je mehr Komponenten im Netz vorhanden sind, desto mehr Zeit wird für die Simulation eines solchen Modells benötigt. Um das Simulationsmodell zum Beispiel betriebsbegleitend einsetzen zu können muss die Rechenzeit reduziert werden. In den vergangenen Jahren wurden einige Methoden entwickelt um die Rechenzeit eines solchen Modells zu verringern. Dabei wurden einerseits Methoden entwickelt, welche auf statistischen Ansätzen beruhen. Andererseits sind auch Methoden entstanden, bei welchen sich die Anzahl der Komponenten reduziert und ein äquivalentes Modell zum ursprünglichen Netzmodell entsteht. Einige dieser Ansätze werden in dieser Arbeit vorgestellt. Im Rahmen der Diplomarbeit von Johannes Nagler wurde einer der Ansätze zur Vereinfachung eines Fernwärmenetzes verwendet. Daraus hat sich die Frage ergeben, ob es eine Möglichkeit gibt von den Temperaturen des vereinfachten Netzes, welche sich bei der Simulation ergeben, auf die Temperaturen im originalen Netz zu schließen. Diese Rücktransformation sollte einen geringen Fehler, unter 2%, aufweisen. Außerdem sollten der Aufwand und die Rechenzeit möglichst gering sein. Um die Temperaturen rücktransformieren zu können, müssen die originalen Verbrauchermassenströme entweder gegeben sein oder müssen ebenfalls bestimmt werden. Bei der Berechnung der Verbrauchermassenströme wird eine Abweichung von unter 10% ausreichend genau betrachtet. Im Zuge der Untersuchungen hat sich eine iterative Berechnung der Temperaturen und Verbrauchermassenströme als sehr effektiv erwiesen. Diese wurde sowohl stationär als auch instationär durchgeführt. Außerdem wurde der Einfluss der Wärmespeicherfähigkeit in den Rohren, auf deren Austrittstemperatur näher untersucht. Dieser Einfluss wurde anschließend bei der iterativen Berechnung berücksichtigt um die gewünschte Genauigkeit der Ergebnisse zu erreichen.

The calculation time is a significant factor for a dynamic simulation of district heating models. A district heating model, which describes all components of the network and considers their relationships, is relatively time-consuming. The more components the network consists of, the more time the simulation requires. To use such a model during the operation phase, the calculation time needs to be reduced. Over the past years a few approaches were made to reduce the calculation time of these district heating models. Two different types of methods were developed. The first approach is a statistical one. The second one is to create an equivalent network to the original one by reducing the components of the network. In this work, a few of these methods will be presented. As part of Johannes Nagler-s master thesis, one of the approaches of reducing the components of a district heating network was used. Consequently the question came up, whether it was possible to transform the temperatures, which result from the simulation results of the simplified network, back into the original network. The back-transformation should work within an allowable fault-tolerance of 2%. Furthermore the effort and the calculation time should be very small. For the back-transformation of the temperatures the consumer-mass flows have to be known or must also be calculated. If the mass flows of the consumers have to be calculated, the deviation should be less than 10% for sufficiently accurate results. During the studies an iterative calculation of the temperatures and consumers-mass flows has proven to work very effectively. This strategy has been tested for steady and transient cases. Furthermore the effect of the heat storage capacity on the outlet temperature of a pipe was analysed. This effect is considered in the iterative calculation in order to reduce the error.