Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-1859
Authors: Nußbicker-Lux, Janet
Title: Simulation und Dimensionierung solar unterstützter Nahwärmesysteme mit Erdsonden-Wärmespeicher
Other Titles: Simulation and dimensioning of solar assisted district heating systems with Borehole Thermal Energy Store
Issue Date: 2010
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-50996
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1876
http://dx.doi.org/10.18419/opus-1859
Abstract: 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.
Installations encompassing Borehole Heat Exchangers have recently gained in interest. During detailed planning validated calculation models play a crucial part in determining the thermal behaviour of installations especially those equipped with Borehole Themal Energy Stores. With this in mind the validation of the "Super-position Borehole Model" (SBM) was undertaken. This paper describes how this model has, for the first time, been used to investigate a twice extended Borehole Thermal Energy Store. In addition work was aimed at developing a simulation model for the solar coupled district heating system in Neckarsulm and at conceiving strategies to optimise the operation of the system. Based on these results guidelines were developed for determining the dimensions of solar coupled district heating systems with Borehole Thermal Energy Stores. Using measurements acquired from the Neckarsulm heat store the SBM-model was closely checked and appropriately adjusted. Given the existing geometry and hydraulic storage parameters a reference model was defined into which storage input temperatures, flow rates and weather data were entered. For a thermal conductivity of 2.3 to 2.4 W/(m·K) and a volumetric heat capacity of 2.85 MJ/(m³·K) the correlation between measured and calculated data was best, i. e. the maximum difference between measured and predicted heat amounts was about 3%, while the maximum difference between measured and predicted temperatures was about 3 K. To calculate the thermal behaviour of the solar coupled district heating system in Neckarsulm a TRNSYS simulation model was developed. The validation was performed using data measured in 2004. The correlation between measured and calculated heat amounts was good, the difference being less than 5% except for storage heat discharge (21,7%). For example, regarding the total heat demand, a 10% higher solar fraction can be achieved for a 5 K lower network return temperature. Dimensioning guidelines were derived with a universally applicable TRNSYS simulation model for solar coupled district heating systems with Borehole Thermal Energy Stores. They take the location (weather data for Frankfurt/Main, Würzburg and Hamburg) as well as the heat load of the district heating network with temperatures of 68/41°C and 60/30°C into consideration. For example with a heat load of 5,000 MWh/a, a collector area of 20,000 m² and a storage volume of 200,000 m³ the lowest solar fraction (51.4%) will be achieved in Hamburg at a district heating network temperature of 68/41°C, while the highest solar fraction (70.8%) will be achieved in Würzburg at a temperature level of 60/30°C.
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