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Simulation und Dimensionierung solar unterstützter Nahwärmesysteme mit Erdsonden-Wärmespeicher
(2010) Nußbicker-Lux, Janet; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing. habil.)
Anlagen mit Erdwärmesonden erfahren zurzeit eine zunehmende Bedeutung. Für eine detaillierte Anlagenplanung, insbesondere von Erdsonden-Wärmespeichern (ESWSp), sind validierte Berechnungsmodelle des thermischen Verhaltens solcher Wärmespeicher unabdingbar. Daraus leitet sich das Ziel dieser Arbeit, die Validierung des Berechnungsmodells "Superposition Borehole Model" (SBM), ab. Erstmals wurde in dieser Arbeit das Berechnungsmodell zur Untersuchung des thermischen Verhaltens eines zweifach erweiterten Erdsonden-Wärmespeichers genutzt. Ein weiteres Ziel war die Erstellung eines Simulationsmodells für die solar unterstützte Nahwärmeversorgung Neckarsulm und die Erarbeitung von Optimierungsvorschlägen für deren Betrieb. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden genutzt, um Dimensionierungsrichtlinien für solar unterstützte Nahwärmesysteme mit Erdsonden-Wärmespeichern zu erstellen. Das SBM-Berechnungsmodell wurde anhand der Messdaten des in Neckarsulm realisierten Wärmespeichers eingehend überprüft und angepasst. Es wurde eine Referenzvariante unter Berücksichtigung der geometrischen und hydraulischen Speicherparameter definiert und die gemessenen Speichereintrittstemperaturen und Durchflüsse sowie Wetterdaten als Eingabewerte verwendet. Mit einer Wärme-leitfähigkeit von 2,3 bis 2,4 W/(m·K) und einer volumetrischen Wärmekapazität von 2,85 MJ/(m³·K) konnte die beste Übereinstimmung zwischen gemessenen und berechneten Werten erreicht werden (maximale Differenz der Wärmemengen ca. 3%, Temperaturen ca. 3 K). Zur Berechnung des thermischen Verhaltens der solar unterstützten Nahwärmeversorgung mit ESWSp in Neckarsulm wurde ein TRNSYS-Si¬mulationsmodell erstellt. Die Validierung erfolgte anhand der Messdaten des Jahres 2004; die Differenz zwischen gemessenen und berechneten Wärmemengen ist kleiner als 5%, mit Ausnahme der Entladewärmemenge des Speichers. Als wichtigste Optimierungs-möglichkeit hat sich die Senkung der Netzrücklauftemperatur herausgestellt: mit einer gegenüber der Messung um 5 K niedrigeren Netzrücklauftemperatur könnte der solare Deckungs¬anteil um 10 Prozentpunkte gesteigert werden. Zur Ermittlung der Dimensionierungsrichtlinien wurde ein allgemeines Simulationsmodell für Nahwärmesysteme mit zylinderförmigen Erdsonden-Wärmespeichern erstellt. Es wurden zwei Wärmelasten mit Netztemperaturen von 68/41°C bzw. 60/30°C sowie drei Wetterdatensätze (Frankfurt/Main, Würzburg, Hamburg) verwendet [101]. Bei einer Wärmelast von 5000 MWh/a, einer Kollektorfläche von 20000 m² und einem Speichervolumen von 200000 m³ wird in Hamburg bei Netztemperaturen von 68/41°C ein solarer Deckungsanteil von 51,4% und in Würzburg bei Netztemperaturen von 60/30°C ein solarer Deckungsanteil von 70,8% erreicht.