LowEX-Fernwärme - MULTILEVEL DISTRICT HEATING

Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. habil. Achim Dittmann,
Telefon: 0351 463-32145
Fax: 0351 463-37076
Prof. Dr.-Ing. habil. W. Richter,
Professur für Heizungs- und Raumlufttechnik

Administration:
Dr.-Ing. Karin Rühling,
Telefon: 0351 463-32375
Fax: 0351 463-37076

Forschungs-/Kooperationspartner:

Professur für Heizungs- und Raumlufttechnik - Prof. Dr.-Ing. habil. W. Richter

Gefördert durch
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
FKZ: 0327400B

Zum Downloadbereich

Die Zusammenfassung ist als Buch erschienen (ISBN 978-3-942710-15-2) und kann für 25 EUR zzgl. Versandkosten bei uns bezogen werden. (Inhaltsverzeichnis)

4 Teilthemen

[TT I] – Professur für Energiesystemtechnik und Wärmewirtschaft: Komplexanalyse Low Temperature & CHP - Dipl.-Ing. Martin Rhein
[TT II] – Professur für Energiesystemtechnik und Wärmewirtschaft: Multifunktionale Fernwärmesysteme - Dipl.-Ing. Steffen Robbi
[TT III] – Professur für Heizungs- und Raumlufttechnik: Einfluss sinkender Vorlauftemperaturen auf die Gebäudetechnik - Professur für Heizungs- und Raumlufttechnik, Dr.-Ing. Martin Knorr (), Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach ()
[TT IV] – Professur für Energiesystemtechnik und Wärmewirtschaft: Software zur Verbesserung der Einsatzchancen von Fernwärmesystemen - Dipl.-Math. Sebastian Groß; Dr.-Ing. Stefan Gnüchtel ()

Projektansatz

Ganzheitliche Betrachtung von Fernwärmesystemen der Ebenen

von der Erzeugung (Brennstoffeingang) bis zum Heizkörper
der Transformation der

        • Umweltenergie (Sonne/Biomasse) und/oder
        • „Abfallwärme” (Kälte) und/oder
        • Rücklaufenthalpie

    in das Fern-/Nahwärmesystem

Generelle Fragestellung
Möglichkeiten und Auswirkungen der Absenkung der Vor- und/oder Rücklauftemperatur – allgemein durch die Absenkung des Exergieniveaus – auf die Wirtschaftlichkeit der Fernwärme

Senkung des Exergieniveaus
↓	↓
Verringerung der Vor- und /oder Rücklauftemperatur	Einflussnahme auf Regelregime
↓
Maßnahmen im "Primär"bereich z.B. Anschluss an den Rücklauf	Temperaturregelung - täglich/aktuell → Massestromregelung
↓
Maßnahmen im Gebäudebereich z.B. Heizkörper, Art der Heizung etc.

[Zurück zum Inhalt]

TT I - Komplexanalyse Low Temperature & CHP METHODIK

The temperaturelevel as CHP-potential of district heating systems
Vortrag von DI Rhein und DI(FH) Wirths zur Heat Transfer and Renewable Sources of Energy 2008 am 14.09.08 (pdf-Datei)
Einfluss von Vor- und Rücklauftemperatur auf die Wirtschaftlichkeit von Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung
Vortrag von Prof. Dittmann und DI Rhein zum 1. Gießener Fernwärmekolloquium am 19. Februar 2008 (pdf-Datei)
Wärmeversorgung aus dem Netzrücklauf - Stand der Technik und Perspektive für die Netzverdichtung
Vortrag von Dipl.-Ing. (FH) Andreas Wirths, Dr.-Ing. Klaus-Peter Fröhlich zum 1. Gießener Fernwärmekolloquium am 19. Februar 2008 (pdf-Datei)
Einfluss der Netzrücklauftemperatur auf die Effizienz von Fernwärmesystemen
Vortrag von DI(FH) Wirths zum 1. Gießener Fernwärmekolloquium am 19. Februar 2008 (pdf_Datei)

METHODIK

Lastprofile für 365 Tage
mindestens à 15 min (Basis Testreferenzjahr)
Übernahme aus TT II und III und Nutzung der FhU-Daten

BEWERTUNG

exergetisch: durch integrative energetische Brennstoffnutzungsgrade
Stromverlustverfahren nach ZSCHERNIG
monetär:
nach gültiger FW 308
nach EU-Richtlinie 2004/8/EG mit harmonisierten Wirkungsgrad-Referenzwerten
ökologisch: CO₂-Emissions„umlage” mit Hilfe exergetischer Kennzahlen

SCHALTUNGSVARIANTEN TT I

Ziel: Zeitgenaue und integrale Bewertung zum Stand der Technik und zu abzusehenden Trends

Art der KWK: Auswahl nach Entscheidung der Kommission vom 21.12.2006 zur Festlegung harmonisierter Wirkungsgrad-Referenzwerte, insbesondere:

Dampfkraftprozess mit Gegendruck-, Entnahme-Gegendruck- und Doppel-Entnahme-Gegendruck-Turbinen
Dampfkraftprozess mit Entnahme-, Doppel-Entnahme- und Kondensations-Turbinen (jeweils mit und ohne Speisewasservorwärmung)
Gasturbinenprozess mit Abhitzekessel (vor allem zu erwartende Trends der Brennkammer-Austrittstemperaturen)
ausgewählte BHKW-, STIRLING- und Brennstoffzellen-Prozesse
Gas-Kombi-Kraftwerke
Gasturbinen mit integriertem Dampfkraftprozess (GiD) mit „Wärmeverschiebung”
CO₂-freie Dampfkraft-Prozesse

[Zurück zum Inhalt]

TT II – Multifunktionale Fernwärmesysteme

Wärmesenken im Netzrücklauf – Wärmepumpe contra Rücklaufanschlüsse
Vortrag von DI Robbi zum 13. Dresdner Fernwärme-Kolloquium am 24.09.2008 (pdf-Datei)

TT II.1
Fernwärmesysteme (FWS) mit „geringfügig” beeinflussbarer Anschlusstechnik → vorhandene Systeme mit Fernwärmeanschlusswert ≥ 20 MW

TT II.2
FWS mit innovativen Anschlusstechniken nach TT III → zumeist Neubau dezentraler Systeme (Ausgangspunkt ist jeweils die Analyse des Standes in der Branche und der Literatur)

TT II.1 – Anschluss von Abnehmern an der Rücklauf

Schaltungsvarianten mit Sicherung der Verhinderung des Legionellenwachstums (Beispiele)
Lastprofile nach TT III und Umsetzung in Sekundär-Vorlauftemperatur-Regelung
Quantifizierung der Auswirkungen auf Primärnetz (Rücklauftemperatur)
- Einfluss auf Pumpenarbeit
- Abschätzung der Wärmeverluste und Auswirkungen auf das Exergieniveau
- Monetarisierung der betrieblichen Aufwendungen
Ermittlung der Rückflussdauer → Anwendungsempfehlungen und Anschlussrichtlinien

TT II.1 – Bewertung des Regelregimes von FWS → Exergieniveauabsenkung

Analyse zugängiger Daten über die Art der Vorlauftemperatur-Regelung in FWS
Quantifizierung des Einflusses unterschiedlicher Regelregime
→ Massestromregelung
→ Temperaturregelung
     * stetig, auch innerhalb 24 Stunden
     * stetig, tageskonstant
     * diskret, Höhe der Temperatur„sprünge” variabel
auf jährliche Pumpenarbeit (reine Exergie) und Wärmeverluste (Exergie der Wärme) und über die Schnittstelle zu TT I Exergieaufwand der Erzeugeranlagen

Optimierung der Regelregime für unterschiedliche Erzeugerstrukturen

TT II.1 – Schaffung „vereinfachter” Netzmodelle
(gemeinsam mit TT II.2) zur

Bewertung der Druckverluste (Vorleistung für Pumpenarbeit) und Wärmeverluste
Modellierung der „Lastdynamik“ für ausgewählte Regelregime und Kundenstrukturen → Lastprognose für TT II

TT II.2 – FWS mit innovativen Anschlusstechniken
Gesamtziel: Dimensionierung und Optimierung von FWS mit „beliebig” abgesetzten Vor- und/oder Rücklauftemperaturen („vertikale” Hierarchie)
Lastprofil

Übernahme von „Kunden”-Lastprofilen (TT III)
→ Modellierung von Tages- bis Jahreslastcharakteristika für ausgewählte Parameterkombinationen
→ Ermittlung der Einkopplungszeiten und jährlichen Wärmelastanteile der ausgewählten Techniken

Netzmodell

Ausbauplanungsmodell (Interaktion TT IV)
→ Schaffung von Modellnetzen
* Erweiterung/ Optimierung bestehender Netze (Interaktion TT II.1)
* Entwicklung integraler Netzstrukturen für moderne, niedrigtemperaturbasierte Gebäudekomplexe
→ Netzdimensionierung für unterschiedliche Lastprofile und Parameter
→ Ermittlung der Investitionskosten und jährlichen Pumpstromkosten

"Versorgungs"module

Analyse des Marktes
→ Formulierung der technischen Anforderungen
→ Ermittlung der exergetischen und energetischen Effizienzkriterien bei Voll- und Teillast
→ Bestimmung der jährlichen exergetischen/energetischen Aufwendungen für o. a. Lastprofile
jeweils für:
- Kompressions- und Absorptions-Wärmepumpen zur Rücklaufauskühlung bzw. Umweltenergienutzung
- Kompressions- und Absorptions-Kältemaschinen zur Sammlung der „Abfallwärme”
- Solarkollektoren
- Kurzzeit- bis saisonale Speicher
durch Kombination von Simulationswerkzeugen und – sofern verfügbar - Messdaten

Haben wir Wärmepumpen für Verdampfungstemperaturen von 30 bis 50 °C?

Verdichtertypen:	Hersteller:
1-4 offene Kolbenverdichter 5-14 halbhermetische Hubkolbenverdichter 15-18 offene Schraubenverdichter 19-20 halbhermetische Schraubenverdichter 21-24 Scrollverdichter 25-26 Scrollverdichter Wärmepumpenoptimiert	- Bitzer - Bock - Copeland - Frigopol - Dorin

Welche COP-Werte werden erreicht? Wird nicht oft unzulässig extrapoliert?

Leistungszahl verschiedener Verdichtertypen t_C = konst. = 65°C, R134a

Notwendige Verbesserung der Modellbildung Kompressionswärmepumpe

Genauer Einblick in interne Verhältnisse
Genauigkeitsgrad der modellhaften Abbildungen kann den Anforderungen angepasst werden
Variable Komponentenwahl und -Einbindung
Variation des KM-Kreislaufes (einstufig, zweistufig, Economizer, etc.)
Schnittstellendefinition beliebiger Ausgabeparameter
Nutzung der Einzelmodule zur Nachbildung weiterer Linksprozesse
(KKM Gasmotorisch, AbKM, AdKM)

Modellbildung KWP – Schnittstellen zum Netz- und Gebäudemodul

Ziel der Schnittstellenbildung: Abbildung aller erstellten Modelle als „Blackbox“ zur schnellen Einbindung in Netz-, Gebäudemodul
Generieren einer Vorgabe- und Ergebnismatrix und deren Ablage in externer Datei
Einbindung des Netzmodells mittels Shepard-Funktionen

Szenarien

Kopplung der Teilaufgaben und Ermittlung optimaler NT-Systeme
→ Konzept für eine Demonstrationsanlage
→ Ableitung von Entwicklungsanforderungen (z. B.) Technikentwicklung, Regelungstechnik

Betrieb des FW-Systems auf Kühlwassertemperatur (Sommer)

Rücklaufauskühlung mittels Kompressionswärmepumpe

[Zurück zum Inhalt]

TT III Einfluss sinkender Vorlauftemperaturen auf die Gebäudetechnik

TT III.1 Systeme mit geringen Vorlauftemperaturen - Grundlagen

Gesamtsystembetrachtung mit Analyse der Auswirkungen geringer Systemtemperaturen auf die einzelnen Teilprozesse
- Übergabe (Raumtemperaturregelung, Heizflächenart)
- Verteilung
Begrenzungen aus hygienischen und funktionellen Gründen
- Literaturrecherche zu Faktoren zur Begünstigung des Legionellwachstums und technischen Lösung zur Vermeidung des Wachstums
- Grenztemperaturen von Wärmepumpen (Nutzung von Teilergebnissen aus dem TT II)

Rohrwärmeabgabe in Abhängigkeit der Übertemperatur des Heizmediums

TT III.2 Anpassen des Simulationsprogramms an die konkrete Aufgabenstellung

Auswahl des Programmes TRNSYS aufgrund umfangreicher Erfahrungen bei der Gebäudesimulation und vielfach validierter Teilmodelle
Neuentwicklung/ Anpassung von Teilmodellen
- Flächenheizung
- Wärmepumpe
- Hausanschlussstation
Erstellen von Gebäude- und Anlagenmodellen
- Wohngebäude mit 12 WE und Bürogebäude
- Warmwasserheizungsanlage mit freien Heizflächen/ mit Flächenheizung

TT III.3 Untersuchungen zur Bestimmung des sommerlichen Kühlleistungsbedarfes

Analyse wichtiger Einflussgrößen auf den sommerlichen Kühlleistungsbedarf
Festlegung typischer Szenarien bzw. Konfigurationen
Berechnung charakteristischer Lastgänge hinsichtlich des Kühlleistungsbedarfs in Gebäuden → Eingangsgröße für Untersuchungen zur „Abwärmenutzung“ im TT II

TT III.4 Vorbereitung der Simulationsrechnungen

Recherche und Festlegung typischer Randbedingungen
- Nutzung: innere Lasten, Luftwechsel, Profile des Temperatursollwertes
- Wärmeschutzniveau des Baukörpers
- Auslegungsbedingungen für die Heizungsanlage
- Regelprinzipien der zentralen und örtlichen Regelung (PI-Regler, TRV)
Auswahl charakteristischer Varianten aus einer Variantenmatrix
Erstellen und Testen verschiedener Varianten der Trinkwassererwärmung
Bewerten von Regelstrategien

TT III.5 Simulationsrechnungen für das Gesamtsystem

Zielstellungen
- Bewertung des Gesamtsystems unter funktionellen, energetischen (exergetischen) und wärmephysiologischen Gesichtspunkten
- Generieren von Eingangsgrößen (Massetröme, Rücklauftemperaturen) für die anderen Teilthemen zur Analyse des gesamten FW-Netztes → dazu Definition von Schnittstellen (siehe Bild)
Grundsätzliche Aussagen zu den Teilprozessen Wärmeübergabe und Wärmeverteilungen durch die Annahme einer ideal geregelten Vorlauftemperatur nach Heizkurve
Betrachtung von Brennwertkessel und Niedertemperaturkessel als Vergleichssystem zur Fernwärme
Auswirkung verschiedener Systeme der Trinkwassererwärmung
- Durchflusssystem 1-stufig
- Durchflusssystem 2-stufig (mit und ohne Auskühlung Heizungsrücklauf)
- Speicherladesystem
Bewertung von Systemen für geringe Fernwärmevorlauftemperaturen bzw. zum Rücklaufanschluss
- Elektrische Nacherhitzung
- Nachwärmung mit Wärmepumpe (nur TWE/ Hzg. und TWE) → Nutzung von Ergebnissen/ Kennlinien aus dem TT II

Mögliche Schaltung zur Nacherhitzung mit einer Wärmepumpe bei der TWE

Schema einer HAST mit Speicherladesystem und indirektem Heizungsanschluss

TT III.6 Untersuchung zur Realisierung von Heizleistungsreserven für den dynamischen Anlagenbetrieb

Aufheizzeiten
Konsequenzen für Dimensionierung/ Anschlusswert
Wärmephysiologische und energetische Konsequenzen
Auswirkungen auf Rücklauftemperatur und Massestrom
[Zurück zum Inhalt]

TT IV Software zur Verbesserung der Einsatzchancen von Fernwärmesystemen

Zum Downloadbereich
Ziele: Schaffung einfach handhabbarer Softwarewerkzeuge für die Ausbauplanung und das Lastmanagement (Einsatzplanung)

Trassen- und Durchmesseroptimierung

Methodik zur Minimierung der Kosten und/oder des Exergieaufwandes für
→ adaptive Netze (Randbedingungen aus TT II.2)
→ bzw. den Netzausbau (Kopplung zu TT II.1)

Einsatzplanung
Entscheidungshilfen für die optimale Auslegung mit Lastprofilen für 365 Tage nach TT II.2 oder das Tageslastmanagement (gemessene oder prognostizierte Lastdynamik) mit
- KWK-Modulen aus TT I
- Kühler / Hilfskühler
- Speicher nach TT II.1 bzw. II.2
- Wärmepumpen-/Kältemaschinen-Modulen nach TT II.2

Anlagenkonfiguration eines Beispiel-Fernwärmenetz