Dynamische Simulation eines Fernwärmenetzes mit Komponenten der Modelica Standard Library

Abstract

Fernwärmenetze haben in den aktuellen Diskussionen um künftige Energieversorgungssysteme eine große Bedeutung. Beim Bau und beim Betrieb der Netze stellen sich immer wieder Fragen, die durch eine geeignete Simulation kostengünstig beantwortet werden könnten. Es gibt am Markt mehrere Programmiersprachen und Simulationsprogramme, die für eine Fernwärmenetzsimulation in Frage kommen. Ziel dieser Arbeit war es, die Möglichkeiten der Programmiersprache Modelica auszutesten. Es sollte ein Fernwärmenetz mit Hilfe der, von der Modelica Association kostenfrei zur Verfügung gestellten, Modelica Standard Library modelliert werden. Dabei wurde mit dem kommerziellen Tool Dymola - Dynamic Modeling Laboratory gearbeitet. Als Vorlage für die Dimensionierung des Netzes, diente das Fernwärmenetzes der Marktgemeinde Großarl in einer vereinfachten Form, bei der Netzabschnitte rechnerisch zusammengefasst wurden. Die Untersuchung des Modelica-Modells erfolgte in drei Schritten. Zunächst wurden die Komponenten des Fernwärmenetzes aufgebaut und für sich getestet, um sie zum vereinfachten Modell des Fernwärmenetzes Großarl zusammenzufügen. Anschließend wurde, anhand eines unvereinfachten Netzabschnitts mit 15 Verbrauchern, das Modelica-Modell mit einem von Johannes Nagler zur Verfügung gestellten Modell aus MATLAB/Simscape verglichen. In einem letzten Schritt erfolgte der Vergleich des nicht vereinfachten Netzabschnitts mit seiner vereinfachten Version. Als Vergleichsgrößen dienten einerseits die Rechenzeiten für die Simulation, die besonders für die Anwendung im Netzbetrieb wichtig sind. Andererseits wurden berechnete Zustandsgrößen an verschiedenen Stellen im Netz betrachtet, um die verschiedenen Arten von Modellen zu vergleichen. Ergebnis war, dass die Komponenten der Modelica Standard Library zu komplex und detailliert sind, um ein großes Fernwärmenetz in geringer Zeit zu simulieren. Die Rechenzeiten sind zu lang, um im laufenden Betrieb Voraussagen über nötige Regelgrößen zu treffen. Auch ist der Aufwand beim Aufbau des Modells, aufgrund der schwierigen Initialisierung, sehr hoch. Der Vergleich zwischen Dymola und Simscape hat erneut ergeben, dass die Rechenzeiten im Dymola-Modell viel zu lang sind, dafür kann man wesentlich mehr physikalische Größen ohne zusätzlichen Rechenaufwand auswerten. Ein Vergleich der berechneten Zustandsgrößen in den beiden Modellen hat gezeigt, dass die Ergebnisse meist ausreichend übereinstimmen. Die Abweichungen liegen bei ca. 1%. Ausnahme bilden die Wärmeverluste über die Rohrwand und Folgefehler aus diesen. Auch der Vergleich der Simulation eines originalen Netzabschnitts mit seiner vereinfachten Variante, liefert gute Übereinstimmungen der Zustandsgrößen Temperatur und Druck. Hier liegen die Abweichungen unter 0,3%. Die berechneten Massenströme bilden eine Ausnahme, mit stellenweisen Abweichungen bis zu 4%.

The discussion on future energy supply systems often leads to the topic of district heating. The simulation of district heating networks is beneficial for their operation and design. There are several programming languages and tools which could be used for building a model of a district heating network. This thesis aimed at building a model in the Modelica modeling language, using Dymola - Dynamic Modeling Laboratory as simulation environment. For the components of the model, the open source Modelica Standard Library should be applied. It is a model of the district heating network in Großarl. For simplification the dimensions of parts of the network were merged into a simpler model in advance. The model was built in three steps: At first the necessary components were assembled and tested. In a second step the model of one sector of the network, composed of 15 consumers, was compared to an equivalent model built in MATLAB/Simscape. Here, the original dimensions were used. At last this small model was compared to its simplified version. For comparison the CPU-time for simulation was used. Furthermore several state variables served for comparing the different model types. The experiments showed, that the components of the Fluid library appeared to be too complex for simulating a large pipe network. Computing the model takes far too long and therefore it can not be used in operational applications. Due to faster calculations, the Simscape model is superior to the Dymola model. But the Dymola model has an advantage, regarding its capability to evaluate many more parameters of the fluid dynamics, without the need of further calculations. The deviation between the calculated state variables of the two models was mostly below 1%. Only the calculation of the heat losses in pipes differed more. The simplified version and its original model of 15 consumers behaved in a similar way. The deviations of temperature and pressure are below 0,3%. But the calculated mass flow partially differed up to 4%.