Raab, S: Simulation, Wirtschaftlichkeit und Auslegung solar
Solar unterstützte Nahwärmesysteme mit solaren Deckungsanteilen von ca. 35% am Gesamtwärmebedarf ermöglichen die Substitution eines beträchtlichen Anteils fossiler Brennstoffe bei gleichzeitig moderaten Investitionskosten verglichen mit Systemen mit einem...
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Solar unterstützte Nahwärmesysteme mit solaren Deckungsanteilen von ca. 35% am Gesamtwärmebedarf ermöglichen die Substitution eines beträchtlichen Anteils fossiler Brennstoffe bei gleichzeitig moderaten Investitionskosten verglichen mit Systemen mit einem solaren Deckungsanteil von 50% durch den Verzicht auf eine saisonale Wärmespeicherung. Eine ausführliche Literaturstudie hat gezeigt, dass bisher keine Auslegungsrichtlinien für solar unterstützte Nahwärmesysteme mit erdvergrabenen oder oberirdischen Heißwasser-Wärmespeichern bei einem solaren Deckungsanteil von 35% existieren. Ziel dieser Arbeit war die Erstellung derartiger Dimensionierungsrichtlinien auf Basis der Ergebnisse umfangreicher Simulationsrechnungen. Zur realitätsnahen Simulation des thermischen Verhaltens typischer solar unterstützter Nahwärmenetze wurden zwei Wärmelasten mit jährlichen mittleren Vor- und Rücklauftemperaturen von 68/41 °C bzw. 60/30 °C aufgrund unterschiedlicher Systemtechnik zur Trinkwassererwärmung definiert. Zur Simulation der Wärmelast 68/41 zeigte sich ein in der Literatur beschriebenes Modell geeignet. Für die Wärmelast 60/30 wurde ein Simulationsmodell mit der TRNSYS-Software erstellt. Für beide Fälle wurden Validierungen anhand von Messdaten bestehender Nahwärmenetze durchgeführt. Die Anwendbarkeit des sogenannten XST-Modells für das Simulationsprogramm TRNSYS zur Berechnung des thermischen Verhaltens erdvergrabener Wärmespeicher wurde erstmals detailliert gezeigt. Zur Validierung wurden die Messdaten des Heißwasser-Wärmespeichers in Hannover (Volumen 2 795 m³) verwendet. Im Vergleich zu früheren Untersuchungen wurden erstmals die Temperaturen im umgebenden Erdreich und das thermische Verhalten der Verbindungsleitungen zwischen Heizzentrale und Wärmespeicher in Betracht gezogen. Die durch die Validierung erhaltenen Wärmeleitfähigkeiten von Wärmedämmung und Erdreich stimmen gut mit experimentellen Werten überein. Die gemessenen und berechneten Temperaturen im und um den
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Wärmespeicher (< ±3%) bzw. die Wärmemengen in den und aus dem Wärmespeicher stimmen gut überein (< ±2%). Eine Integration des XST-Modells in ein neu erstelltes TRNSYS-Modell zur Simulation des solar unterstützten Nahwärmesystems mit erdvergrabenem Heißwasser-Wärmespeicher in Hannover erbrachte Abweichungen berechneter und gemessener Wärmemengen von unter ±5%. Entsprechende Wärmemengen des ebenfalls neu erstellten TRNSYS-Modells zur Simulation des solar unterstützten Nahwärmesystems mit oberirdischem Heißwasser-Wärmespeicher in Gneis-Moos weichen um weniger als ±3% voneinander ab. Auf Basis der Ergebnisse der mit beiden Simulationsmodellen erstellten Sensitivitätsanalysen wurden zwei optimierte Referenzmodelle definiert und umfangreiche Simulationsläufe durchgeführt. Das thermische Verhalten solar unterstützter Nahwärmesysteme mit einem solaren Deckungsanteil von 35% wurde bei drei unterschiedlichen Klimaten (Hamburg, Frankfurt/M., Würzburg), verschiedenen Nahwärmenetztemperaturen und -größen, verschiedenen Verhältnissen von Wärmespeichervolumen zu Kollektorfläche und von Kollektorfläche zu Wärmemenge des Nahwärmenetzes berechnet. Es zeigte sich, dass die solaren Wärmekosten von Systemen mit erdvergrabenem Wärmespeicher und der Wärmelast 60/30 bei einer Wärmemenge von 500 MWh/a im Nahwärmenetz gegenüber der Wärmelast 68/41 je nach Standort um 10%-12%, bei größeren Systemen mit 10 000 MWh/a um 7%-9% niedriger sind. Die solaren Wärmekosten für Systeme am Standort Frankfurt betragen von 27,0 Ct./kWh (500 MWh/a; 68/41) bis 13,6 Ct./kWh (10 000 MWh/a; 68/41). Am Standort Würzburg sind die solaren Wärmekosten um 10%-14% niedriger, am Standort Hamburg bis zu 5% höher. Bei Systemen mit einer Wärmelast von 500 MWh/a können durch Tolerierung von Stagnationszeiten bis zu 100 Stunden Kosteneinsparungen von 13% gegenüber einer Referenzvariante ohne Stagnation erzielt werden. Die Simulationsstudie mit dem TRNSYS-Modell für Systeme mit oberirdischem Wärmespeicher erbrachte solare Wärmekosten von 22,8 Ct./kWh (500 MWh/a, 68/41) für den Standort Frankfurt bei Tolerierung von bis zu 100 h Stagnation. Auf Basis der Ergebnisse der Simulationsstudien beider TRNSYS-Modelle wurden umfassende Dimensionierungsrichtlinien unter Berücksichtigung von Standort, Größe und Temperaturniveau des Nahwärmenetzes für Systeme mit erdvergrabenen oder oberirdischen Wärmespeichern erarbeitet. Die Resultate der Sensitivitätsanalysen ermöglichen die einfache Bestimmung der Auswirkungen einer Abweichung von den Referenzbedingungen auf den solaren Deckungsanteil. Es ist mit den Ergebnissen der Arbeit erstmals möglich, energie- und kosteneffiziente solar unterstützte Nahwärmesysteme mit einem solaren Deckungsanteil von 35% ohne aufwändige und kostenintensive dynamische Simulationen auszulegen.
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Bibliographische Angaben
- Autor: Stefan Raab
- 162 Seiten, Maße: 14,4 x 21,3 cm, Kartoniert (TB), Deutsch
- Verlag: Cuvillier Verlag
- ISBN-10: 3867270481
- ISBN-13: 9783867270489
- Erscheinungsdatum: 10.11.2006
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