Quasistationäre Simulation eines Fernwärmenetzes mit Berücksichtigung des Falles der dezentralen Einspeisung

Abstract

Dezentrale Einspeisung in Fernwärmenetze ist eine Idee, deren technische, wirtschaftliche und energetische Durchführung viel diskutiert wird. Hier soll ein schnell und unkompliziert zu bedienendes Tool vorgestellt werden, das mit Hilfe quasistationärer Modellierung das Netzverhalten für zahlreiche Lastfälle wiedergibt. Der herkömmliche Verbrauchsfall, sowie der Fall der dezentralen und auch zentralen Einspeisung in ein Fernwärmenetz können damit simuliert und veranschaulicht werden. Vor allem war das Ziel ein Tool zu erhalten, welches durch minimale Einstellungen maximale Variation ermöglicht. So können die Netzstruktur selbst, die Leitungsgeometrie, das Verbraucherverhalten und diverse Anfangsbedingungen mit wenigen Handgriffen variiert werden. Der Haken ist bereits im Titel genannt: quasistationär. Die Flexibilität wird mit der Genauigkeit der Ergebnisse bezahlt. Microsoft Excel ermöglicht es, alle Eingaben und Änderungen zügig durchzuführen. Jedoch muss die Simulation auf algebraischen Gleichungen basieren und ist somit nicht so akkurat wie dynamische Betrachtungen. Anhand der Simulation eines Beispielnetzes wird, unter den getroffenen Vereinfachungen, festgestellt, dass die Abweichungen zwischen quasistationärer und dynamischer Simulation [1] überschaubar sind. Die relativen Fehler zwischen den beiden Simulationen liegen für alle berechneten Werte (Leistung, Massenstrom, Temperaturen) bei unter 2 Prozent. Dieses Ergebnis lässt sich nur mit einer deutlich erhöhten Rechenzeit erreichen. Die Rechendauer des VBA-Tools liegt hierbei im höheren, einstelligen Stundenbereich und die der dynamischen Simulation im zweistelligen Sekundenbereich. Für den Fall einer Massenstromumkehr in den Fernwärmeleitungen sind die Ergebnisse des Tools ebenfalls brauchbar. Speisen mehrere oder auch nur ein Anschluss ins Fernwärmenetz ein, so kehren diese die Flussrichtung in den Vorund Rücklaufleitungen um. Das Tool erlaubt es, jeden Einspeisefall zu berechnen.

The idea of local housholds feeding energy into a district heating network is broadly discussed in terms of technical, economical and energetical feasiability. A tool is being presented, that allows to simulate the behaviour of a district heating network using a quasi-stationary model. This includes the simulation of usual usage, which means all connected households are consuming energy from the district heating network, as well as centrelized and local feeding-in of energy. One major aim is to have a Visual Basic for Application (VBA) tool that allows lots of variations with little necessary settings. It is possible to change the structue of a district heating system, the geometric values of the pipelines, the consumption data and various initial conditions with little configuration only. This work‘s title already suggests the limitation: quasi stationary. The high amount of flexibility comes at the cost of low accuracy of the solutions. This means, with Microsoft Excel it is possible to create and change input data quickly, but the calculation allows algebraic equations only. Compared to dynamic calculus the solution is imprecise. This paper includes the calculation of a district heating network of which a dynamic simulation result already exists. By comparing both solutions one can see that they are quite similar. Calculated values such as power, mass flux and temperature show a relative error lower than two percent. In order to get this accurate solution the program uses a long time for the calculation. In case of the district heating network calculated in this paper the tool takes a larger one-digit number of hours for the simulation, while a dynamic simulation is finished in a few seconds. Even in case of reversal of the mass flux the solutions are useabl. If one or more connected households are feeding into the district heating network, the mass flux in both, the flow and return flow pipes can be reversed. This reversal is supported by the tool