Teilmodell Verteilungsnetz (VN)
Bild 5. Schematische Darstellung des Teilmodells Verteilungsnetz (Quelle: FFI)
Durch das Teilmodell Verteilungsnetz (VN) wird sowohl der thermische als auch der hydraulische Verlust der Rohrleitung berechnet. Mit den spezifischen Wärmeverlusten je Trassenlänge kann die gesamte verlorene Wärmemenge durch das Verteilungsnetz festgestellt werden, da diese Wärmverteilverluste ein wichtiger Faktor bei der Beurteilung der Effizienz des Fernwärmenetzes sind. Außerdem wird der Temperaturverlauf entlang der Rohrleitung durch eine exponentielle Funktion beschrieben (Bild 5). Der Temperaturabfall der Vorlaufleitung ist an dieser Stelle von besonderer Bedeutung, da eine vertraglich vereinbarte Vorlauftemperatur bei der Wärmeübergabe garantiert werden muss.
Mit dem Teilmodell Verteilungsnetz kann auch die Abhängigkeit der Druckverluste von den verschiedenen Netzwiderstandswerten (Geodätische Höhe, Rohrreibung, Einzelwiderstand der Rohreinbauten) aufgezeigt werden. Da die Leistung der einzusetzenden Netzpumpe mit den Druckverlusten in der Rohrleitung und den Volumenströmen des Fernwärmenetzes zusammen hängt [8], ist weiterhin die Abhängigkeit der Pumpenleistung bzw. das Einsparpotenzial von der gesenkten Rücklauftemperatur zu bestimmen. Aufbauend ist die Netzstruktur auf Grundlage der Graphentheorie in das Modell einzubeziehen.
Für das Modell Wärmeverbraucher (WV) werden die Vorlauftemperatur als auch die Temperaturspreizung des Wärmeverbrauchers zur Vereinfachung unter Berücksichtigung der Außentemperatur modelliert, während die anderen meteorologischen Parameter vernachlässigt werden können [8]. Zur Validierung werden dabei die gemessenen Verbrauchsdaten aus verschiedenen Hausstationen eines Fernwärmenetzes herangezogen.
In Deutschland wird am meisten die Wärme aus Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK-Anlagen) in das Fernwärmenetz eingespeist [4]. Das Teilmodell Wärmeerzeuger (WE) wird derzeit auf Basis einer Dampfturbinen-Entnahme-/Anzapfkondensationsanlage am FFI bearbeitet.
Ausblick
Neben der Weiterentwicklung des Simulationsmodells am FFI wird das IGTE nach der ersten Messung mit den ausgewählten Betriebspunkten eine Hausstation mit integrierter Absorptionswärmepumpe zu einer Demonstrationsanlage aufbauen. Im Demonstrationsbetrieb wird sowohl der Voll-, Teil- und Schwachlastbetrieb auf Basis von Netzdaten untersucht. Die Messergebnisse fließen dann in das Simulationsmodell des FFI ein, um das Modell weiter zu optimieren und zu kalibrieren. Zum Schluss sollen durch die Simulationsrechnung die folgenden Einflüsse der integrierten Absorptionswärmepumpen auf ein gesamtes Fernwärmesystem quantifiziert werden:
- Senkung der Fernwärmerücklauftemperatur,
- Verbesserung der Effizienz der Wärmebereitstellung,
- Verringerung der Wärmeverluste von Fernwärmenetzen,
- Einsparung der Pumpenleistung sowie
- Erhöhung der technischen (Rest-) Gebrauchsdauer der Netzkomponente.
Literatur
[1] PricewaterhouseCoopers Aktiengesellschaft Wirtschaftsprüfungsgesellschaft (Hrsg.): Energiewende Outlook: Kurzstudie Wärme, 2015.
[2] Wirth, A.: Einfluss der Netzrücklauftemperatur auf die Effizienz von Fernwärmesystemen, 13. Dresdner Fernwärmekolloquium, 2008.
[3] AGFW | Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte, KWK e. V. (Hrsg.): LowEx Fernwärme-Multilevel District Heating, Multifunktionale Fernwärmesysteme, Forschung und Entwicklung Heft 19, 2012.
[4] AGFW | Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte, KWK e. V. (Hrsg.): AGFW Hauptbericht 2016, 2017.
[5] Gietzelt, M.; Kruse, C.-D.; Kruhl, J.: Zusammenfasende Darstellung der physikalischen Grundlagen zur Beeinflussung der Rücklauftemperatur in Fernwärmenetzen, Interner Bericht FFI, 1994.
[6] VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwese (Hrsg.): Berechnung von Wärmeübertragern, Blätter Ca1-Ca32 in VDI-Wärmeatlas, 10. bearbeitete und erweiterte Auflage, Springer Verlag, 2006.
[7] Mirl, N.; Schmid, F.; Spindler, K.: Experimentelle Untersuchung zur Einbindung einer Ammoniak-Wasser Absorptionswärmepumpe in Fernwärmenetze, DKV-Tagung, Aachen, AA II.1.11, 2018.
[8] Schuchardt, G. K.: Energetische Analyse von Nahwärmenetzen unter Berücksichtigung des mikroskopischen thermohydraulischen Netzzustandes, Verlag Dr. Hut, 2017.