Abgeschlossene Studentische Arbeiten - Kurzinfo
2025
Wirtschaftliche Bewertung von Direktversorgungskonzepten mit erneuerbaren Energieanlagen und Batteriespeichern: Entwicklung eines simulationsgestützten Softwaretools zur Optimierung von Betriebsführung und Anlagendimensionierung
Die Transformation des Energiesystems zu dezentralen Strukturen erhöht die Relevanz industrieller Direktversorgungskonzepte, insbesondere vor dem Hintergrund sinkender Einspeiseerlöse. Diese Arbeit untersucht die techno-ökonomische Auslegung und Betriebsführung von Direktversorgungssystemen auf Basis regenerativer Energiesystme mit dem Ziel, kostenoptimale Systemkonfigurationen unter der Berücksichtigung der optimalen Kombination der Höhe des Autarkiegrades und des Eigenverbrauchsanteils zu identifizieren. Methodisch erfolgt die Analyse mittels gemischt-ganzzahliger linearer Optimierung unter Verwendung des Frameworks FlixOpt. Modelliert wird ein wechselstromseitig gekoppeltes System bestehend aus regenerativen Energiesystemen, Lithium-Eisenphosphat-Batteriespeichern und Netzkomponenten. Die Vermarktung des direktversorgten Stroms erfolgt über Power Purchase Agreements, während Überschüsse am Day-Ahead-Markt unter Nutzung der Marktprämie gemäß des Erneuerbare-Energien-Gesetzes eingespeist werden. Die Residuallast wird durch den Netzbezug gedeckt, dessen Kosten über eine Hourly Price Forward Curve prognostiziert werden. Die Bewertung der Optimierungsergebnisse erfolgt sowohl unter einem statischen Planungshorizont mit perfekter Voraussicht als auch unter einem dynamischen Planungshorizont, der zukünftige Entwicklungen von Lasten, Kosten und Energiepreisen berücksichtigt. Die Anwendung auf ein Praxisbeispiel mit Ladeinfrastruktur für Elektrobusse zeigt, dass eine Photovoltaik-anlage mit 7.000 kWp in Kombination mit einem Batteriespeicher einer Speicherkapazität von 3.900 kWh eine kostenoptimale Lösung mit um 16 % reduzierten Stromkosten darstellt. In diesem optimalen System wird ein Autarkiegrad von 60 % und ein Eigenverbrauchsanteil von 32 % erreicht. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Kombination aus Direktversorgung, Speicherintegration und Netzeinspeisung entscheidend für die Wirtschaftlichkeit ist. Das entwickelte Modell ist auf weitere Direktversorgungsanwendungen übertragbar und unterstützt die Auslegung effizienter Energieversorgungssysteme mit regenerativen Energieerzeugern.
Bearbeitet von: Frederike Bäcker
Betreut von: Valentin Heusgen - NaturStromProjekte GmbH, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
Untersuchung zur Fernwärmenetzfahrweise im Zusammenhang mit
dem Teileinsturz der Carolabrücke in Dresden
Das Dresdner Fernwärmenetz, betrieben von der SachsenEnergie AG, versorgt die Dresdner Neustadt über zwei Elbquerungen mit Wärme. Nach dem Einsturz der Carolabrücke konnten die zwei weggefallenen DN 500 Fernwärmeleitungen durch ein kurzfristig errichtetes Provisorium mit zwei DN 400 Leitungen über die Augustusbrücke ersetzt werden. Dies führte zu einer grundlegenden Änderung der hydraulischen Randbedingungen im Fernwärmenetz. Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der veränderten Versorgungssituation mit besonderem Fokus auf die erforderliche, netzstützende Einspeiseleistung am HKW Nord und ihre Abhängigkeit von anderen zentralen Standorten und der anliegenden Netzlast. Auf Basis thermohydraulischer Simulationen werden die Einsatzgrenzen der Erzeugerstandorte bestimmt und in Kennfeldern abgebildet.
Die Ergebnisse zeigen, dass seit Inbetriebnahme des Provisoriums einzelne Betriebsmittel im Dresdner Fernwärmenetz deutlich höher belastet und teilweise überlastet werden. Mithilfe der entwickelten Kennfelder lässt sich für spezifische Betriebszustände bewerten, ob die Einhaltung definierter Grenzkriterien, wie der Versorgungssicherheit oder einer akzeptablen Bauteilbeanspruchung, gewährleistet ist. Daraus werden Handlungsvorschläge für die Anpassung des Erzeugereinsatzes zur Reduktion der Bauteilbeanspruchung gegeben.
Die Untersuchung reduzierter Vorlauftemperaturen zeigt, dass eine Niedrigtemperaturfahrweise bei niedrigen und mittleren Netzlasten möglich ist, während bei hohen Netzlasten die bisherige Temperaturfahrweise aus hydraulischen Gründen erforderlich bleibt.
Das Zukunftsmodell für das Stützjahr 2028 verdeutlicht, dass die geplanten Netzverstärkungen das bestehende System hydraulisch entlasten. Das aktuelle Erzeugerverhalten führt künftig nicht weiter zu Überlastungen der Betriebsmittel.
Bearbeitet von: Eric Wobst
Betreut von: Benjamin Latta - SachsenEnergie, KTF, Jorin Günther - SachsenEnergie, KE, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
Ganzheitliche Analyse und Bewertung von Energieerfassungsstrategien in der Halbleiterfertigung unter besonderer Berücksichtigung technischer, energetischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema der ganzheitlichen Analyse und Bewertung von Energieerfassungsstrategien in der Halbleiterfertigung. Diese Analyse wird unter Berücksichtigung technischer, energetischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte durchgeführt. Aufgrund der hohen Komplexität industrieller Halbleiterfabriken sowie der stark vernetzten Versorgungs- und Produktionsprozesse kommt einer präzisen und systematischen Energieerfassung eine zentrale Bedeutung zu. Nur auf Basis belastbarer Messdaten lassen sich Energieflüsse transparent darstellen, Lastprofile korrekt abbilden und Effizienzpotenziale identifizieren.
Die Arbeit stellt die These auf, dass durch die Etablierung einer klaren Energieerfassungsstrategie in einer Halbleiterfabrik die energetische Transparenz erhöht werden kann und Entscheidungen über Optimierungsmaßnahmen hinsichtlich der Energieeffizienz und der Energierückgewinnung getroffen werden können. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung einer strukturierten Planungsmethodik, mit der eine Energieerfassungsstrategie systematisch in das Umfeld einer Halbleiterfertigung integriert werden kann. Ein besonderer Fokus liegt auf der Untersuchung der verschiedenen Energieerfassungsstrategien und darauf, wie die gewonnenen energetischen Messdaten mit zusätzlichen Hilfsmitteln ausgewertet und visualisiert werden können. Dabei werden unterschiedliche Last- und Betriebsszenarien der Halbleiterfertigung eingebunden.
Nach einer energetischen Einordnung der Halbleiterfertigung werden die verschiedenen Messmethoden an den energieintensivsten Systemen in der Umgebung einer Halbleiterfertigung dargestellt. Anschließend werden verschiedene grundlegende Energieerfassungskonzepte mithilfe einer Nutzwertanalyse auf ihre Eignung in der Halbleiterfertigung untersucht. Vorhandene Energiemessdaten werden im Bezug auf die Parameter Produktionsauslastung und Außentemperatur analysiert. Schließlich werden mithilfe der Datenauswertung und Datenvisualisierung die energetischen Wechselwirkungen verdeutlicht. Als letzter Schritt wird aufgezeigt, wie energetische Basislinien erstellt werden können, um als Zusammenfassung ein integratives Energieerfassungskonzept abzuleiten.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die vorgestellten einzelnen Teilschritte als methodischer Leitfaden dienen, um ein integratives Energieerfassungskonzept in der Halbleiterfertigung zu integrieren. Darüber hinaus wird aufgezeigt, wie sich energetische Kennzahlen aus den Energiemessdaten ableiten lassen und welche Energieerfassungskonzepte dafür angewendet werden müssen. Die entwickelte Methodik der Datenvisualisierung über dynamische Sankey-Diagramme erlaubt es, durch die gezielte Auswertung der Energiemessdaten die energetischen Wechselwirkungen unter
verschiedenen Last- und Betriebsszenarien darzustellen. Darauf aufbauend lassen sich Simulationen unter verschiedenen Lastbedingungen durchführen, um energetische Basislinien zu erstellen, die für die Systemanalyse genutzt werden können. Dadurch werden Entscheidungen zu Energieeffizienzmaßnahmen und Energierückgewinnung datengestützt, was schließlich zu einer Senkung des Primärenergieeinsatzes führt, sodass ein Beitrag zu einer wirtschaftlicheren und nachhaltigeren Halbleiterproduktion geleistet wird.
Bearbeitet von: Leo Niklas Schulze
Betreut von: Tobias Saum - CRC, Dipl.-Wi.Ing. Laura Lehmann
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
Automatisierte Erstellung von formalen Anlagenbeschreibungen aus verschiedenen, unstrukturierten Daten-Quellen
Heizungs-, Lüftungs- und Klimasysteme (HLK) zählen zu den zentralen Energieverbrauchern. Obwohl kontinuierlich große Mengen an ihren Betriebs- und Sensordaten anfallen, wird ihr Potenzial für Analyse, Optimierung und Fehlererkennung bislang kaum genutzt. Grund dafür ist das Fehlen konsistenter, maschinenlesbarer Metadaten, die Struktur, Funktion und Zusammenhänge von HLK-Komponenten
eindeutig beschreiben und in Bestandsgebäuden oft nur fragmentiert vorliegen. Um diese Informationen zu nutzen, wurden formale Repräsentationen in Form von Wissensgraphen etabliert. Deren Erstellung ist jedoch aufwendig, und bisherige Automatisierungsansätze konnten keine vollständige Gesamtrepräsentation von HLK-Systemen liefern.
Ziel dieser Arbeit ist die automatisierte Zusammenführung mehrerer, unabhängig erzeugter Wissensgraphen, die dasselbe HLK-System beschreiben. Dadurch sollen die Ergebnisse unterschiedlicher Inferenzverfahren integriert, Redundanzen ausgenutzt und semantische Inkonsistenzen identifiziert werden, um eine möglichst konsistente Gesamtrepräsentation des Systems zu erzeugen. Die vorliegende Arbeit adressiert damit
einen bislang wenig untersuchten Aspekt in der automatisierten Modellierung von HLK-Anlagen. Zur Bearbeitung der Forschungsfrage wird ein regel- und heuristikbasierter Ansatz vorgestellt, der die Identifikation äquivalenter Entitäten (Entity Alignment) sowie die Erkennung widersprüchlicher Aussagen (Conflict Detection) kombiniert. Die verwendeten Wissensgraphen basieren auf dem Brick-Schema und wurden so abgebildet, dass sie unterschiedliche automatische Metadaten-Inferenzverfahren wie Natural Language Processing (NLP), ComputerVision (CV) und Time Series Analysis (TSA) simulieren. Dafür wurden kontrollierte Testgraphen mit gezielten, realitätsnahen Verfälschungen erzeugt. Die Evaluation anhand mehrerer realitätsnaher Datensätze zeigt vielversprechende Ergebnisse: Im Entity Alignment wird ein durchschnittlicher F1-Score von 0,86 erreicht. Bei der Conflict Detection liegt der durchschnittliche F1-Score bei 0,84 und steigt bei Isolierung vorgelagerter Entity-Alignment-Fehler auf 0,89, jeweils bei sehr hoher Precision.
Insgesamt zeigt die Arbeit, dass die systematische Zusammenführung mehrerer Wissensgraphen einen vielversprechenden Ansatz zur Verbesserung der Qualität automatisiert erzeugter HLK-Modelle darstellt.
Bearbeitet von: Hüseyin Tokul
Betreut von: Dr. Matthias Eberlein - Fraunhofer IIS/EAS, Dr. Andreas Wilde - EA-Systems, MSc Hervé Pruvost, Dr.-Ing. Martin Knorr
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
Inbetriebnahme eines PVT-WP-Versuchsstandes, Durchführung und umfangreiche Auswertung sowie Analyse von Testläufen
Diese Arbeit beschreibt die Inbetriebnahme einer kombinierten PVT-Wärmepumpenanlage im Zentrum für Energietechnik der TU Dresden, die für die Ausbildung von Studierenden konzipiert wurde.
Das System besteht aus vier SOLINK-Photovoltaik-Thermiekollektoren (PVT-Kollektoren). Diese dienen als Wärmequelle für eine Sole/Wasser-Wärmepumpe und können gleichzeitig einen Teil des Strombedarfs der Wärmepumpe decken. Die Wärmepumpe lädt einen Kombispeicher, der einen künstlichen Verbraucher mit Heizung und Warmwasser versorgt. An diesem künstlichen Verbraucher werden die Heizlast- und Warmwasserprofile eines Einfamilienhauses simuliert.
Zu diesem Zweck wird ein Berechnungsprogramm entwickelt, das Lastprofile auf der Grundlage der Referenzlastprofile gemäß VDI 4655 zu erstellen, das die einfache Erstellung beliebiger Lastprofile ermöglichen soll. Die Regelung und Steuerung des künstlichen Verbrauchers wird implementiert und drei Varianten der Heizlastsimulation getestet. Durch den Abgleich des Versuchsaufbaus werden die Messwerte validiert, Fehler identifiziert und Optimierungspotenziale ermittelt.
Auf Basis der Messwerte wird ein energetischer und exergetischer Vergleich der PVT-Kollektoren mit Photovoltaikmodulen und solarthermischen Kollektoren durchgeführt. Zusätzlich wird eine Methode zur exergetischen Bewertung des PVT-Wärmepumpensystems vorgestellt.
Abschließend werden Optimierungspotenziale abgeleitet und Handlungsempfehlungen ausgesprochen.
Bearbeitet von: Richard Michael Hempel
Betreut von: Dipl.-Ing. Maximilian Beyer, Dipl.-Ing. Elisabeth Wudenka
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
Training von Reinforcement Learning Agenten zur Regelung eines Gebäudeenergiesystems
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einsatz von Algorithmen des bestärkenden Lernens zur modellprädiktiven Regelung von Heizsystemen in privaten Haushalten untersucht. Das Ziel bestand darin, den Energieverbrauch der Raumheizung bei gleichzeitiger Einhaltung des thermischen Komforts zu reduzieren. Vor dem Hintergrund des hohen Anteils privater Haushalte am Endenergieverbrauch in Deutschland ist das Thema von hoher Relevanz.
Hierzu wurde ein Hardware-in-the-Loop-Versuchsstand herangezogen. Dieser beinhaltete eine reale Wärmepumpe und eine Vorrichtung zur Abmischung der Vorlauftemperatur ins Gebäude. Zunächst erfolgte die Entwicklung eines entsprechenden Simulationsmodells. Dieses diente anschließend als Trainingsumgebung für einen Reinforcement-Learning-Agenten. Der Agent wurde schrittweise und strukturiert anhand eines mehrstufigen Curriculums an verschiedene Störgrößen und veränderte Systembedingungen herangeführt. Dies diente zur Erhöhung der Stabilität und Ergebnisqualität bei gleichzeitiger Verringerung der Trainingszeit. Ziel war die Verbesserung der Robustheit gegenüber variablen Randbedingungen und Störeinflüssen.
Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass durch das Training mit der dokumentierten Struktur eine signifikante Verbesserung der Energieeffizienz erzielt werden kann. Insbesondere durch eine systematische Absenkung der Vorlauftemperatur und den Betrieb der Wärmepumpe in einem günstigeren Wirkungsgradbereich konnten im Vergleich zur klassischen Heizkurvenregelung Einsparungen von bis zu 24,6 % erreicht werden. Gleichzeitig wurden Komfortkriterien zuverlässig eingehalten. Die Generalisierungsfähigkeit des Agenten wurde insbesondere durch Trainingsphasen mit variierenden Wetterbedingungen verbessert.
Anschließend wurden eine Kosten-Nutzen-Abwägung sowie die Übertragbarkeit der erlernten Regelstrategie auf den realen Versuchsstand und potenzielle Fehlerquellen, wie Modellvereinfachungen und Abweichungen in der Parametrierung, diskutiert. Zudem werden weiterführende Ansätze zur Erhöhung der Robustheit aufgezeigt. Insbesondere durch Domain Randomization hinsichtlich des Wärmepumpenmodells sowie der Modellierung des Gebäudes und die Berücksichtigung partieller Beobachtbarkeit kann eine weitere Verbesserung voraussichtlich stattfinden.
Insgesamt zeigt die Arbeit, dass der Einsatz von bestärkendem Lernen in Kombination mit einem strukturierten Trainingskonzept einen leistungsfähigen und robusten Regelungsansatz für Heizsysteme liefern kann. Die Ergebnisse belegen ein hohes Einsparpotenzial und unterstreichen die Eignung des Ansatzes für zukünftige energieeffiziente und flexible Gebäudebetriebsstrategien.
Bearbeitet von: Antonia Johanna Beatrice Spall
Betreut von: Dipl.-Ing. Konstantin Wrede (EAS), Dipl.-Ing. Stephan Seidel (EAS), Dr.-Ing. Paul Seidel
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
KUEHASystem: Erstellung eines Anlagenkonzeptes zur Umrüstung einer Bestands-Heizungsanlage, um eine sommerliche Raumkühlung zu ermöglichen
Diese Arbeit untersucht die energetischen Randbedingungen eines bestehenden Mehrfamilienhauses mit dem Ziel, alternative Anlagenkonzepte zur Integration von Wärmepumpen in ein bestehendes Fernwärmesystem unter Einbeziehung sommerlicher Raumkühlung über vorhandene Heizflächen zu entwickeln und zu bewerten. Auf Grundlage eines thermischen Gebäudemodells wurden Heiz- und Kühllasten sowie Energiebedarfe normgerecht ermittelt und mit Verbrauchsdaten verglichen. Die Analyse der vorhandenen Heizflächen zeigte geeignete Voraussetzungen für eine Absenkung der Systemtemperaturen. Darauf basierend wurden fünf Anlagenvarianten mit Luft/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen in der Simulationssoftware Polysun modelliert und mit der bestehenden Fernwärmeversorgung als Referenz verglichen. Für die Wasser/Wasser- Wärmepumpen wurde der Fernwärmerücklauf als Energiequelle genutzt, während die Raumkühlung über den Umkehrbetrieb der Wärmepumpen erfolgte und der Rücklauf zusätzlich als potenzielle Wärmesenke untersucht wurde. Die Bewertung erfolgte anhand von Endenergieverbrauch, Wirtschaftlichkeit und Treibhausgasemissionen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Heizwärme- und Trinkwarmwasserbedarf in allen Varianten gedeckt werden kann. Luft/Wasser-Wärmepumpen ermöglichen die größten Emissionsreduktionen, während Konzepte mit Fernwärmerücklaufnutzung ein hohes systemisches Potenzial zur Verringerung des Fernwärmevorlaufbezugs erkennen lassen. Unter den angesetzten Energiepreisen ergeben sich zunächst keine wirtschaftlichen Vorteile gegenüber der Referenzanlage; angepasste Tarifstrukturen für den Energiebezug aus dem Fernwärmerücklauf können jedoch wirtschaftliche Verbesserungen ermöglichen. Insgesamt verdeutlichen die Ergebnisse das Potenzial zur Reduktion von Energieverbrauch und Emissionen bei gleichzeitig bestehenden wirtschaftlichen und modellbedingten Grenzen.
Bearbeitet von: Micha Daniel Roder
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. André Kremonke, M. Eng. Manuel Kornmacher
Jahr: 2025, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Entwicklung von Simulationsmodellen für technische Systeme eines Urbanen Zwillings
Der Energiebedarf einer Stadt oder eine Kommune wird von vielen Faktoren beeinflusst.
Die Notwendigkeit einer nachhaltigen Energieversorgung und die damit einhergehenden
Veränderungen benötigen geeignete Software, um die Veränderungen des Energiebedarfs
unter mehreren Einflussgrößen zu analysieren. Diese Arbeit ergänzt eine bereits entwickelte Methodik zur Ermittlung des Energiebedarfs der Stadt Wittichenau um Simulationmodelle technischer Systeme. Es wurden für verschiedene Systeme der Wärme- und Stromerzeugung und für die Lastgänge verschiedener Energiebedarfe Modellansätze entwickelt. Diese wurden in der Programmiersprache Python implementiert. Mit dem so entstandenen Simlationsalgorithmus wurde der Einfluss ausgewählter Faktoren auf den Energiebedarf durch verschiedene Sensitivitätsanalysen bestimmt.
Bearbeitet von: Jan Zschippang
Betreut von: Dipl.-Wi.-Ing. Pauline Grun, Dr.-Ing. Paul Seidel
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
Modellierung thermohydraulischer Effekte in Fernwärmenetzen für die MILP-basierte Erzeugereinsatzoptimierung
Herkömmliche Optimierungsprogramme für die Betriebsführung des Fernwärmesystems berücksichtigen selten das Rohrnetz im Detail. Oftmals wird es als ein einzelner Knotenpunkt modelliert, welcher die Bilanz zwischen den ein- und ausfließenden Wärmeströmen sicherstellt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Modell für die gemischt-ganzzahlige Optimierung (MILP) zu entwickeln, welches das Netz und die darin auftretenden thermohydraulischen Zusammenhänge abbildet. Die vorgegebenen Kriterien sind, die Wärmeverluste, Leistungsbeschränkungen und Transportverzögerungen im Rohrnetz abzubilden.
Die Literaturrecherche ergab, dass diese Aufgabe mit MILP schwierig bis nicht umzusetzen ist. Es konnte keine Quelle gefunden werden, die alle drei Kriterien mit einem MILP-Modell erfüllt. Aus diesem Grund wurde die Vereinfachung getroffen, dass die Temperaturen im Rohrnetz der Optimierung vorgegeben werden. Damit konnte ein hydraulisches Modell für MILP entwickelt werden, welches Massenströme und Druckverluste berechnen kann. Dies erlaubt es Leistungsbeschränkungen in der Optimierung zu berücksichtigen. Zusätzlich können die Drücke im Vor- und Rücklauf berechnet und Druckregelstrategien berücksichtigt werden. Weiterhin ist eine Netzschlechtpunktregelung für theoretische Untersuchungen implementiert worden. Das Modell wurde anschließend im Python-Framework flixOpt umgesetzt und validiert. Dabei wurde das Modell gegen eine Simulation und die Messdaten eines realen Fernwärmenetzes verglichen.
Bearbeitet von: Jonathan Gläßer
Betreut von: Dr.rer.nat. Peter Stange, Dipl.-Ing. Vera Alieva
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
Methodik zur Bestimmung nachhaltiger Energiekonzepte für Gebäude
Die vorliegende Arbeit entwickelt eine klar strukturierte Methode zur Bewertung nachhaltiger Energiekonzepte für Gebäude. Grundlage bildet die Kopplungsqualitäts-Matrix, welche die Gebäudehüllenqualität (Q1) und den anlagenseitigen Effizienzverlust (Q3) in einem gemeinsamen Zustandsraum zusammenführt.
Durch die Definition unterschiedlicher Machbarkeitszonen - von „nicht zulässig“ bis „Anforderungen übererfüllt“ – ermöglicht die Matrix eine präzise Diagnose des energetischen Ausgangszustands und identifiziert geeignete Transformationspfade. Ergänzt wird dieses technisch-bauphysikalisch Modell durch ein vierdimensionales Bewertungsframework, das technische, wirtschaftliche, nutzerbezogene und regulatorische Kriterien integriert. Die Kombination beider Modelle führt zu einem zweistufigen Entscheidungsprozess: Zunächst erfolgt eine technische Filterung aller realistisch umsetzbaren Optionen, anschließend eine prioritätsbasierte Bewertung aus Stakeholder- Perspektive. Die entwickelte Methodik bietet ein transparentes, konsistentes und praxisorientiertes Instrument zur Planung und Bewertung nachhaltiger Energiekonzepte in Neu- und Bestandsgebäuden.
Bearbeitet von: Jinjin Zhang
Betreut von: Dr. Jochen Westhäuser - ECOMIND GmbH, Dipl.-Ing. Jens Kaiser
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
Kommunale Energieplanung – Konzeptentwicklung und Vergleich eines
Nahwärmenetzes mit einer dezentralen Wärmeversorgung
Die vorliegende Arbeit untersucht am Beispiel der Stadt Wittichenau, unter welchen technischen und förderpolitischen Rahmenbedingungen ein Nahwärmenetz zur Dekarbonisierung der Wärmeversorgung im ländlichen Raum beitragen kann und in welchen Fällen dezentrale Versorgungssysteme die robustere und kosteneffizientere Option darstellen. Damit werden zentrale Fragestellungen der kommunalen Wärmeplanung adressiert, die durch den laufenden Strukturwandel in der Lausitz und
die damit verbundene Dekarbonisierung des Wärmesektors an Bedeutung gewinnen.
Ausgehend von dem im Projekt ZellSys erstellten Energieatlas wird der Gebäudebestand nach Baualter, Sanierungsstand und den Potenzialen zur Nutzung erneuerbarer Energien klassifiziert. Darauf aufbauend werden repräsentative Typgebäude abgeleitet, die als Grundlage für die technoökonomische Optimierung dezentraler Versorgungslösungen im Optimierungsframework flixOpt dienen. Für den dicht bebauten historischen Stadtkern wird mithilfe des GIS-basierten Planungstools STEFaN ein kostenoptimiertes Nahwärmenetz ausgelegt. Zur Versorgung dieses Netzes werden drei Erzeugerkombinationen untersucht. Die Bewertung der Versorgungskonzepte erfolgt anhand von Wärmegestehungskosten und betrieblicher CO2-Emissionen. Zur Beurteilung der langfristigen Tragfähigkeit werden Szenarien für die Jahre 2025, 2035 und 2045 betrachtet, in denen sinkende Wärmebedarfe infolge demografischer Entwicklung und energetischer Sanierung sowie steigende Energie- und CO2-Preise berücksichtigt sind. Dadurch lässt sich nachvollziehen, wie sich die Wirtschaftlichkeit zentraler Lösungen unter veränderten Markt- und Nachfragebedingungen entwickelt.
Die Optimierung dezentraler Versorgungslösungen zeigt, dass insbesondere Wärmepumpensysteme in Kombination mit Photovoltaik geringe Wärmegestehungskosten und niedrige betriebliche CO2-Emissionen erreichen. Diese Varianten bleiben auch gegenüber Strompreisänderungen stabil und erweisen sich somit als wirtschaftlich und ökologisch vorteilhaft gegenüber der leitungsgebundenen Versorgung. Bei der Untersuchung zentraler Versorgungslösungen zeigt sich eine hohe Sensibilität gegenüber Veränderungen der Wärmeabnahme. Sinkende Bedarfe führen zu steigenden spezifischen Kosten und mindern die Wirtschaftlichkeit des Wärmenetzes. Die langfristige Tragfähigkeit zentraler Systeme hängt daher maßgeblich von einer hohen Anschlussquote und einer gesicherten Netzauslastung ab. Förderpolitische Rahmenbedingungen erweisen sich als zentraler Hebel für die Realisierbarkeit beider Versorgungspfade. Insbesondere der wirtschaftliche Betrieb zentraler Systeme wäre ohne Investitions- und Betriebskostenförderungen nicht darstellbar.
Insgesamt zeigt die Arbeit, dass in Wittichenau vor allem dort ein Wärmenetz zur Dekarbonisierung beitragen kann, wo dezentrale Lösungen aufgrund denkmalgeschützter Bausubstanz und höherer Vorlauftemperaturen nur eingeschränkt umsetzbar sind. In den übrigen Stadtbereichen stellen dezentrale Wärmepumpensysteme die kosteneffizientere und emissionsärmere Option dar.
Bearbeitet von: Julius Konstantin Brendel
Betreut von: Dipl.-Wi.-Ing. Pauline Grun, Dr.-Ing. Paul Seidel, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
Simulation des theoretischen Energiebedarfes für die Aufbereitung von Reinraumluft und Vergleich mit realen Daten zum Energieverbrauch (Digitaler Zwilling)
Der Energiebedarf der Reinraumluftaufbereitung in der Halbleiterfertigung ist auf Grund der hohen Luftvolumenströme erheblich und stark vom Außenklima abhängig. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Simulationsmodells für die zentrale Luftaufbereitungsanlage des Reinraums. Das Modell soll den Energiebedarf unter realen Randbedingungen realistisch abbilden und zur Bewertung unterschiedlicher Betriebsstrategien eingesetzt werden.
Dazu werden der Anlagenaufbau, die Messstellen und die Regelstrategie analysiert und die Messdaten aus repräsentativen Winter- und Sommerzeiträumen ausgewertet. Auf dieser Basis wird in Python ein digitaler Zwilling als Grey Box Modell aufgebaut. Die Wärmeübertrager werden mit einem Effektivitäts-NTU-Ansatz beschrieben. Der Wärmeübertragungskoeffizient wird aus Messdaten identifiziert und seine Abhängigkeit von relevanten Parametern durch ein Regressionsmodell abgebildet. Die Befeuchtung wird als adiabatischer Prozess modeliert und durch Grenzwerte begrent. Im Sommerbetrieb wird zusätzlich die Entfeuchtung durch Kondensation berücksichtigt.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell die Prozesskette der Luftaufbereitung im Winter und im Sommer insgesamt realitätsnah abbildet. Die zeitlcihen Verläufe relevanter Temperatur und Leistunggrößen stimmen weitgehend mit Messdaten überein. Größere Abweichungen treten bei der Befeuchtung auf, da die reale Anlage nicht vollständig adiabat arbeitet. Bei den Kühlern zeigen sich Abweichungen auf der Wasserseite, während die energetisch relevante Kältebereitstellung dennoch plausibel reproduziert wird.
Ergänzend werden Sensitivitätsanalysen genutzt, um die Übertragerkapazität unter variierenden Randbedingungen zu prüfen und Kapazitätsgrenzen zu identifizieren. Auf Basis des validierten Modells werden außerdem ausgewählte Betriebsstrategien bewertet, darunter Rückluftmischung und die Sollwertregelung der absoluten Feuchte. Insgesamt eignet sich das Modell als Tool zur Simulation des Energiebedarfs und zur Bewertung von Betriebsstrategien unter variablen Randbedingungen.
Bearbeitet von: Salah Habib
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dr.-Ing. Thomas Püschel - GlobalFoundries Inc. (GF), Dipl.-Ing. Michael Scharf - GlobalFoundries Inc.
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
Modellierung von Batterien und Elektrofahrzeugen in der Auslegungs- und Betriebsführungsoptimierung
Stationäre Batteriespeicher und Elektrofahrzeuge gewinnen im Rahmen der Auslegungs- und Betriebsführungsoptimierung von Energiesystemen zunehmend an Bedeutung. Das bestehende Optimierungsframework FlixOpt bildet deren spezifische Eigenschaften jedoch nur eingeschränkt ab. Vor diesem Hintergrund werden in dieser Arbeit erweiterte Modelle auf Basis gemischt-ganzzahliger linearer Optimierung (Mixed-Integer Linear Programming, MILP) entwickelt und in FlixOpt integriert.
Das Batteriemodell beschreibt die Dynamik des State of Energy (SoE) und des State of Health (SoH), berücksichtigt Wirkungsgrade, Selbstentladung sowie Lade- und Entladerestriktionen und bildet zusätzlich Degradationseffekte und Abweichungsstrafen
ab.
Das Elektrofahrzeugmodell baut strukturell auf dem stationären Batteriespeicher auf, ist jedoch für den mobilen Einsatz adaptiert. Die Implementierung sieht eine Topologie aus internen Lade- und Entladeknoten vor, welche den Speicher vom restlichen Energiesystem entkoppeln. Die Netzanbindung erfolgt über standortspezifische Schnittstellen, die bidirektionale Energieflüsse und nutzungsabhängige Verfügbarkeiten abbilden.
Die Funktionalität der Modelle wird anhand parametrisierter Testszenarien validiert. Die Ergebnisse zeigen eine konsistente Reproduktion der implementierten Nebenbedingungen und Systemzusammenhänge. Ein abschließendes komplexes Fallbeispiel demonstriert den Nutzen der Modelle für Investitionsentscheidungen und die Bewertung von Kostenstrukturen. Damit entsteht eine belastbare Grundlage für die modellgestützte Planung und den Betrieb batteriebasierter Energiesysteme.
Bearbeitet von: Jun Ma
Betreut von: Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2025, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Energetische Analyse der Yados Green Factory während der Inbetriebsetzungsphase
Die Studienarbeit beschreibt und untersucht das Energiesystem einer Fabrik im sächsischen Hoyerswerda vor dem Hintergrund einer möglichst klimafreundlichen Energieversorgung. Zunächst werden der Aufbau, die Rahmenbedingungen und die Betriebsweisen des Systems erläutert. Darauf folgt eine energetische Bilanzierung, die die Funktion des Heizsystems insgesamt sowie die Wechselwirkungen seiner Bilanzräume und Komponenten sichtbar macht und bestehende Probleme identifiziert. Auf dieser Basis werden Konzepte zur Effizienzsteigerung und zur Erhöhung des Eigenverbrauchs des erzeugten Solarstrom entwickelt.
Die durchgeführte Analyse ermöglicht insbesondere das Nachvollziehen von Verlustquellen sowie Gründen für ineffiziente Betriebszustände. Daraus werden konkrete Verbesserungsvorschläge für einen ökologischeren Betrieb abgeleitet. Die Arbeit schafft damit einen strukturierten Überblick über das komplexe Energiesystem und bietet einen externen Blick auf zentrale Herausforderungen und Potenziale in dessen Betrieb.
Bearbeitet von: Arthur Schicht
Betreut von: Dr.-Ing. Paul Seidel, Dipl.-Ing. Martin Altenburger, M.Eng. Benjamin Zabel - Yados GmbH
Jahr: 2025, Studienarbeit
Auswertung der Photovoltaik- sowie Strahlungs-Messdaten auf dem Dach des ZET
In dieser Arbeit werden die Messdaten der Photovoltaikanlage auf dem Dach des Zentrums für Energietechnik der Technischen Universität Dresden sowie der zur Anlagenüberwachung installierte Sensoren untersucht.
Um in Zukunft eine einfache und übersichtliche Einsicht in die Daten zu ermöglichen, werden zwei Dashboards im Visualisierungstool Grafana erweitert und angepasst.
Der Schwerpunkt der Arbeit liegt jedoch auf der Plausibilitätsprüfung der Messdaten und der detaillierten Bewertung der Erträge sowie der Leistungsfähigkeit der Anlage. Auf Basis dieser Analysen werden Aussagen zur Degradation getroffen. Um eine genauere Auswertung zu ermöglichen, wird die Gesamtanlage in ihre drei Teilanlagen getrennt, welche separat untersucht und anschließend miteinander verglichen werden.
Abschließend werden Empfehlungen zur Sensorüberprüfung und Wartung formuliert sowie verschiedene Möglichkeiten zur zukünftigen energetischen Nutzung der Photovoltaikanlage nach dem Ende der aktuellen Einspeisevergütung im Jahr 2030 aufgezeigt.
Bearbeitet von: Anton Steinert
Betreut von: Dipl.-Ing. Elisabeth Wudenka, Dipl.-Ing. Stefan Hoppe
Jahr: 2025, Studienarbeit
Konzeption eines standortübergreifenden Energiemanagementsystems und Ableitung eines Kennzahlensystems
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines standortübergreifenden
Energiemanagementsystems (EnMS) für das Unternehmen „Endress+Hauser SICK
GmbH+Co. KG“, einem Hersteller von Gasdurchfluss- und Staubmessgeräten mit drei
Produktionsstandorten. Ziel ist die Analyse des Energieverbrauchs an den einzelnen
Standorten sowie die Bewertung der Voraussetzungen für eine Zertifizierung nach DIN
EN ISO 50001.
Mittels einer GAP-Analyse werden bestehende Defizite identifiziert und Lösungsansätze
zur Erfüllung der Normanforderungen erarbeitet. Ein zentrales Ergebnis der
Untersuchung ist der Mangel an geeigneten Kennzahlen zur energetischen Bewertung,
insbesondere vor dem Hintergrund unterschiedlicher Fertigungsprozesse und
Produktportfolien. Trotz der Unterschiede in den Standortprofilen wird eine einheitliche
Struktur des EnMS mit vergleichbaren Kennzahlen angestrebt.
Die energetische Analyse basiert auf Daten aus der Gebäudeleittechnik, durchgeführten
Messkampagnen sowie Hochrechnungen. Dabei wurden die größten Energieverbraucher
und deren Einflussgrößen ermittelt. Es zeigt sich, dass die gebäudetechnischen Anlagen
den größten Anteil am Gesamtverbrauch aufweisen, während die Kennzahlenbildung im
Fertigungsbereich durch die hohe Variantenvielfalt und kundenspezifische
Anforderungen erschwert wird. Dies erfordert einen Kompromiss zwischen Genauigkeit
und praktischer Umsetzbarkeit.
Darüber hinaus wird ein Messkonzept zur Erfassung von Energieverbräuchen und zur
Ableitung von Kennzahlen entwickelt. Zwei Standorte verfügen bereits über zahlreiche
Messstellen, deren Funktionalität jedoch eingeschränkt ist. Die GAP-Analyse zeigt, dass
die Hauptniederlassung wesentliche Anforderungen der Norm bereits erfüllt und diese
weitgehend auf die weiteren Standorte übertragbar sind. Für die vollständige Umsetzung
des EnMS sind Investitionen in Messtechnik sowie zusätzliche personelle Ressourcen
erforderlich.
Bearbeitet von: Pia Wetstein
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) Bernhard Schindler - Endress+Hauser SICK GmbH+Co.KG (EHS), Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2025, Masterarbeit, Poster
Auslegung der Klimakälteversorgung von Abnehmern unter Nutzung von Fernwärme und Seewasser aus dem Bodensee
Vor dem Hintergrund der steigenden Nachfrage nach Kühlkonzepten in städtischen Gebieten untersucht diese Studie die Auslegung und Bewertung eines zentralen Kälteversorgungssystems am Beispiel eines neuen Hotelbauprojekts in Meersburg. Ziel ist es, die technische, wirtschaftliche und ökologische Eignung verschiedener Versorgungskonzepte zu analysieren. Dabei werden sowohl Kompressions- als auch
Absorptionskältemaschinen untersucht. Neben herkömmlichen Kühltürmen wird die
mögliche Integration eines geplanten Anergienetzes bewertet und Photovoltaikanlagen
als Option für die Stromerzeugung vor Ort in Betracht gezogen. Auf der Grundlage einer Kühllastsimulation werden vier Versorgungskonzepte systematisch dimensioniert und hinsichtlich ihrer wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit nach der Barwertmethode analysiert. Eine ökologische Bewertung wird unter Verwendung von Primärenergiefaktoren und CO₂-Äquivalenten durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen erhebliche Unterschiede in den spezifischen Kühlkosten der betrachteten Technologien.
Eine Kombination aus einer Kompressionskälteanlage mit Wärmeabfuhr über das Anergienetz erzielt die niedrigsten CO₂-Emissionen und die niedrigsten spezifischen Kühlkosten, die auf 17 ct/kWh geschätzt werden.
Die Absorptionskältemaschine in Kombination mit dem Anergie-Netzwerk erzielt ebenfalls gute Ergebnisse mit etwa 20 ct/kWh. Im Gegensatz dazu weisen Systeme mit herkömmlichen Kühltürmen deutlich höhere Kosten auf: 30 ct/kWh für die Kompressionskältemaschine und etwa doppelt so viel für die Absorptionskältemaschine. Dies ist in erster Linie auf ihre Abhängigkeit von Fernwärme mit geringem Wirkungsgrad zurückzuführen. Der hohe Energiebedarf von Absorptionskältemaschinen erhöht zudem deren CO₂-Emissionen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Integration eines Anergienetzes sowohl für Kompressions- als auch für Absorptionskühlsysteme erhebliche Kostenvorteile mit sich bringt und somit die wirtschaftlich attraktivsten Lösungen
für das analysierte Szenario darstellt.
Bearbeitet von: Eva Harriehausen
Betreut von: Dr. Marius Wöhler - Stadtwerke am See GmbH & Co. KG, Prof. Dr.-Ing. André Kremonke
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
Anwendung einer Wärmepumpe mit zeotropen Kältemittelgemischen
Die Nutzung von Bestandskältemittel ist bald obsolet. Aktuell verwendete Kältemittel aus den Gruppen der HFKW und FCKW werden gesetzlich in ihrer Zugänglichkeit beschränkt. Aus ökologischer Sicht sind Kohlenwasserstoffe mit geringem Treibhauspotential und Ozonabbaupotential eine gute Alternative und rücken immer mehr in den Vordergrund. Aus thermodynamischer Sicht ist es sinnvoll, zeotrope Gemische mit einem Temperaturgleit im Zweiphasengebiet zu verwenden. Aus der Theorie ist bekannt, dass bei korrekter Auswahl des Mischungsverhältnisses aus dem Temperaturgleit bessere Wärmeübertragereigenschaften und eine größere übertragene Wärmeleistung resultieren. Dies führt zu einer Effizienzsteigerung.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung einer Wärmepumpe, die den Temperaturgleit von zeotropen Kältemittelgemischen ausnutzt und dabei die beste Kältemittelzusammensetzung und ihre Einflussfaktoren analysiert. Dies geschieht unter der Annahme eines konstanten Verdichtergütegrades und einer konstanten Kondensatorwärmeleistung. Somit kann der Einfluss des Temperaturgleits an den Wärmeübertragern optimal untersucht werden. Die betrachteten Kältemittelgemische sind Propan Butan und Propylen Butan. Als Bewertungsmaßstab dienen die typischen Kennzahlen des COP, TEWI und die Kosten. Unter Nutzung eines Blackbox-Modells einer Wärmepumpe mit Anschluss an ein Wärmenetz wurden eine Reihe von Simulationen durchgeführt, die die Betriebspunkte über ein Jahr abdecken. Der Haupteinflussfaktor für die Zusammensetzung ist dabei die am Verdampfer ausgewählte Spreizung. Das optimale Kältemittel für eine netzdienliche Spreizung von 20 K ist das Propylen Butan (40 m%/ 60 m%) Gemisch.
Bearbeitet von: Paul Marten Rieche
Betreut von: Dipl.-Ing. Michael Wördemann
Jahr: 2025, Studienarbeit
Entwicklung und Optimierung eines innovativen Zwei-Quellensystems für Sole-Wasser-Wärmepumpen, bestehend aus Erdkollektoren und photovoltaisch-thermischen Modulen (PVT)
Im Kanton Zürich werden aktuell 71 % der Mehrfamilienhäuser fossil beheizt. Zur Erreichung des Schweizer Netto-Null-Ziels 2050 müssen diese durch emissionsarme Technologien ersetzt werden. Wärmepumpen werden dabei eine Schlüsselrolle zugewiesen. Aktuell kommen diese in Mehrfamilienhäusern jedoch nur zu 19 % zum Einsatz. 71 % der Mehrfamilienhäuser mit Wärmepumpe nutzen Erdsonden als Wärmequelle. Bei 24 % der aktuell fossil beheizten Mehrfamilienhäusern sind Erdwärmesonden allein aus Gründen des Grundwasserschutzes grundsätzlich nicht genehmigungsfähig. Luft-/Wasser-Wärmepumpen stellen eine einfache, aber bezüglich der Schallemissionen und des Winterstromverbrauchs keine optimale Alternative dar.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Wärmepumpensystemen sowie deren Simulation mit der Software Polysun. Es werden fünf Systeme mit unterschiedlichen Wärmequellen analysiert: Umgebungsluft, Erdwärmesonden, Erdwärmekollektoren (EWK), Eisspeicher und photovoltaisch-thermische Module (PVT).
Für diese Systeme wurden zunächst die wichtigsten Komponenten isoliert simuliert und die Simulationsergebnisse mit Felddaten verglichen. So konnten die Modelle kalibriert und Unsicherheiten quantifiziert werden. Anschließend wurden die vollständigen Systeme simuliert. Dabei ergaben sich bei den Systemen mit PVT und mit EWK größere Unsicherheiten. Die anderen Systeme konnten sehr gut abgebildet werden (∆WP-JAZ < 0,1).
Alle Systeme wurden anschließend in fünf Referenzszenarien miteinander verglichen. Dabei wurde eine multi-kriterielle Bewertungsmethode (Nutzwertanalyse) etabliert, die technische, ökonomische und ökologische Indikatoren berücksichtigt und miteinander kombiniert. Mit Hilfe dieser konnte eine Rangfolge der untersuchten Systeme erstellt werden. Dabei erreicht das Erdsondensystem aufgrund der technischen Überlegenheit den ersten Rang, gefolgt vom System EWK und vom System mit Luft-/Wasser-Wärmepumpe, welches die besten ökonomischen Werte aufweist.
Motiviert durch das oben genannte Marktpotential für Wärmequellensysteme an Standorten, an denen keine Erdsonden möglich sind, wurde aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen ein innovatives Sole-/Wasser-Wärmepumpen-System TerraSol, bestehend aus einer PVT-Anlage und Erdwärmekollektoren, entworfen und simulationsgestützt optimiert. Dabei wurden Freiheitsgrade in der Dimensionierung von PVT-Anlage und Erdwärmekollektoren sowie deren Wechselwirkungen identifiziert und dargestellt. Das neue System überzeugt damit zunächst durch eine große Flexibilität, die projektspezifisch ausgenutzt werden kann. Die typischen verfügbaren Flächen wurden exemplarisch für den Kanton Zürich identifiziert. Im Vergleich mit den anderen Systemen erreicht das System TerraSol je nach Szenario die zweit- oder drittbesten Nutzwerte und stellt damit nach den eingeschränkt verfügbaren Erdsonden- und Erdkollektor-Systemen die beste Option dar.
Die in dieser Arbeit entwickelten Polysun-Templates stellen im Verbund mit der vorgestellten Nutzwertanalyse eine fundierte Grundlage zur Entscheidungsfindung bei der Wahl des Wärmeerzeugersystems dar. Die Firma Soltop möchte auf dieser Basis das System TerraSol weiterentwickeln und als Systemlösung anbieten. Zudem sollen die Templates als Firmenstandards in Polysun hinterlegt werden.
Bearbeitet von: Friedrich Ohrt
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. André Kremonke, M. Eng. Manuel Kornmacher, M. Sc. Simon Büttgenbach - SOLTOP Energie AG
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
Erstellung eines Nutzungskonzeptes zur Erfüllung der durch die RED III geforderten Treibhausgasminderung für die Biomethananlage der SachsenEnergie in Haßlau
Um die Klimaziele zu erreichen, muss die Emission von Treibhausgasen bei der Energieerzeugung weiter reduziert werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden Strategien zur Minderung der Treibhausgase unter Berücksichtigung der Renewable Energy Directive (RED) III bei der Erzeugung und Nutzung von Biomethan untersucht. Ziel ist dabei, die Minderung der Treibhausgase bei einem wirtschaftlichen Anlagenbetrieb zu erreichen und gleichzeitig die nachhaltige Nutzung des Biomethans unter Berücksichtigung der deutschen Gesetzeslage zu ermöglichen. Zur Ermittlung der Treibhausgas (THG)-Bilanz wurden Stoff- und Energiebilanzen für verschiedene Versorgungsvarianten erstellt, die sich durch die Zusammensetzung des Substratmixes und die Stromversorgung der Biogasanlage (BGA) und Biogasaufbereitungsanlage (BGAA) unterscheiden. Auf Basis der Ergebnisse wurden verschiedene Nutzungsvarianten für das Biomethan identifiziert. Diese umfassen die bisherige Nutzung im Rahmen des Erneuerbare-EnergienGesetz (EEG) sowie eine Erweiterung des Anwendungsbereichs in der Wärmeversorgung der Stadt Dresden. Damit kann die Energieversorgung in Dresden weiter dekarbonisiert werden.
Bearbeitet von: Katharina Becker
Betreut von: Dipl.-Ing. Sven Wegeleben - SachsenEnergie, Ing. Rocco Reichel - SachsenEnergie, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
Entwicklung einer technoökonomischen Bewertungsmethode zur Eignungsprüfung und Optimierung Kalter Wärmenetze in Wohnquartieren
Die Dekarbonisierung des Wärmesektors ist ein zentraler Baustein zur Erreichung der Klimaschutzziele. Da über die Hälfte des deutschen Endenergieverbrauchs auf Wärme- und Kältebereitstellung entfällt, gewinnen innovative und regenerative Versorgungskonzepte zunehmend an Bedeutung. Kalte Wärmenetze stellen hierbei eine vielversprechende Lösung dar, da sie regenerative Energiequellen effizient einbinden und neben Wärme auch einen Kühlnutzen bereitstellen können.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer techoökonomischen Bewertungsmethode, die eine fundierte Entscheidungsgrundlage zur Eignung von Quartieren für kalte Wärmenetze bietet. Hierzu wurde ein Key Performance Indikator entworfen, der aus technischen und ökomischen Kriterien eine dimensionslose Kennzahl zusammenführt. Grundlage bilden Simulationen eines Kalten Wärmenetzes für zwei Quartiere. In der anschließenden Sensitivitätsanalyse wurde der Einfluss der sechs Parameter: Geschossflächenzahl, Gebäudeabstand, spezifischer Wärmeentzug, Oberflächenbeschaffenheit, Energieeffizienzklasse und Regenerationsgrad, auf die Wärmegestehungskosten bestimmt.
Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere eine hohe Geschossflächenzahl, ein hoher spezifischer Wärmeentzug und ein hoher spezifischer Wärmebedarf einen maßgeblichen Einfluss auf die resultierenden Wärmegestehungskosten haben. Aus den Ergebnissen der Sensitivitätsanalyse wurden Gewichtungsfaktoren und optimale Referenzwerte entwickelt, welche die Basis für den KPI bilden. Dieser erlaubt eine vergleichende Bewertung verschiedener Quartiere und kann damit in frühen Planungsphasen als praxisorientiertes Auswahlinstrument eingesetzt werden. Mit Blick auf die Energiewende ist davon auszugehen, dass kalte Wärmenetze an Relevanz gewinnen und der KPI einen Beitrag zur strategischen Entscheidungsfindung leisten kann.
Bearbeitet von: Leo Schmitz-Floeder
Betreut von: M. Sc. Dominik Güther - TKI Chemnitz, Dr. Matthias Pohler - TKI Chemnitz, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2025, Studienarbeit
Thermal analysis of the heat transfer in the PCM heat exchanger of a thermally driven gas compression system
Phasenwechselmaterialien (PCMs) werden in der thermischen Energiespeicherung aufgrund ihrer hohen latenten Wärmespeicherkapazität geschätzt. Neben dieser Eigenschaft bietet die Volumenänderung beim Schmelzen und Erstarren ein zusätzliches Potenzial für mechanische Energieanwendungen. Am Fraunhofer IFAM Dresden wurde hierzu ein neuartiges Konzept entwickelt, bei dem die Ausdehnung und Kontraktion des PCMs genutzt wird, um über einen Kolben Gase zu verdichten. Für eine effiziente Systemnutzung sind schnelle und wiederholbare Phasenwechselprozesse entscheidend, was den Einsatz thermisch leitfähiger, poröser Strukturen innerhalb des PCMs motiviert, um den Wärmetransport zu beschleunigen und gleichzeitig ein ausreichendes PCM- Volumen für die mechanische Bewegung zu erhalten.
In dieser Arbeit wird COMSOL Multiphysics eingesetzt, um den Wärmetransport in PCM- basierten Wärmetauschern während Lade- (Schmelz-) und Entladezyklen (Erstarren) zu modellieren. Der Modellierungsrahmen wurde für zwei Geometrien – zylindrisch und plattenförmig – entwickelt, mit Fokus auf transientem thermischem Verhalten, Materialparametervariationen und strukturellem Einfluss auf Schmelz- und Erstarrungsraten. Aufgrund anhaltender numerischer Instabilitäten und zeitlicher Einschränkungen konnte lediglich die zylindrische Konfiguration bis zu einer teilweisen Analyse vorangetrieben werden; die geplante Plattengeometrie liegt lediglich als CAD- Modell vor und umfassende parametrische Untersuchungen konnten nicht abgeschlossen werden. Die Modellvalidierung erfolgte mittels Plausibilitätsprüfungen auf Basis von Energiebilanzen sowie Maschenkonvergenzstudien, um die physikalische Konsistenz der erzielten Ergebnisse sicherzustellen.
Die abgeschlossenen Simulationen liefern Einblicke in das transiente Wärmeübertragungsverhalten des zylindrischen PCM-Wärmetauschers und verdeutlichen die Sensitivität gegenüber Betriebsbedingungen und Strategien zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit. Obwohl vollständige vergleichende und parametrische Ergebnisse nicht erzielt wurden, bildet der entwickelte Modellierungsansatz eine Grundlage für zukünftige Arbeiten zur Optimierung von Geometrie, Materialien und Betriebsparametern für zyklische PCM-getriebene Gaskompressionssysteme.
Bearbeitet von: Syed Arbab Ali Shah
Betreut von: Dipl.-Ing. Torsten Seidel - IFAM, Dr.-Ing. Marcus Rohne - IFAM, Dipl.-Ing. Lars Schinke
Jahr: 2025, Masterarbeit, Poster
Implementierung und Anwendung eines abnehmerseitigen Lastmanagementmodells in der Betriebsführungsoptimierung
Getrieben von der voranschreitenden Klimakatastrophe, finden in sämtlichen Bereichen der Energiewirtschaft große Anstrengungen zur Dekarbonisierung statt. Im Wärmesektor steht dabei unter anderem die Ergrünung der Fernwärme im Vordergrund. Da in diesem Prozess zunehmend fluktuierende regenerative Energiequellen für die Wärmeerzeugung erschlossen werden, wird neben der Energiespeicherung das abnahmeseitige Lastmanagement relevanter, um die Last auf die verfügbare Erzeugung anzupassen.
Außerdem gewinnt die Einsatzoptimierung an Relevanz, um Effizienzpotenziale in der Betriebsführung zu heben.
Diese Arbeit entwickelt ein Modell für abnahmeseitiges Lastmanagement in der Be- triebsführungsoptimierung, um diese beiden relevanten Bereiche zu verknüpfen. Das Optimierungsmodell ermöglicht dabei mit geringer Komplexität eine Abbildung der wichtigsten Eigenschaften von flexiblen Lasten, insbesondere der Möglichkeit zur zeitlichen Begrenzung der Verschiebung, der Abbildung von Verlusten und der Berücksichtigung von Komforteinbußen.
Im Anschluss wird das Modell in den Optimierungsframework FlixOpt implementiert und für eine Einsatzoptimierung im Teilnetz Schönau des Mannheimer Fernwärmenetzes verwendet. Die Optimierungsergebnisse werden mit dem Einsatz eines zentralen Speichers verglichen. Dabei zeigt sich ein vergleichsweise großes Potenzial für Kosten- und CO2-Reduktionen und geringere Amortisationszeiten im Vergleich zu einem Speicher. Es wird allerdings auch deutlich, dass eine präzise Parametrisierung des Modells mit erheblichem Aufwand verbunden wäre, weshalb die Aussagekraft der Ergebnisse der Einsatzoptimierung begrenzt ist.
Insgesamt präsentiert diese Arbeit ein mächtiges Werkzeug, das viele Möglichkeiten für die Einsatzoptimierung bietet, aber aufgrund des Parametrisierungsaufwandes sehr anspruchsvoll in der Handhabung ist.
Bearbeitet von: Florian Keller
Betreut von: Dr.rer.nat. Peter Stange, Dipl.-Ing. Vera Alieva
Jahr: 2025, Studienarbeit
Vergleich der Kältemittel R32 und R290 mit Blick auf Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit in deren Anwendung
Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit sind zentrale Aspekte bei der Planung von kältetechnischen Anlagen. In der Praxis fehlt allerdings oftmals die Zeit und/oder das Geld, um dazu eine detaillierte Analyse durchzuführen, weshalb es nur zu einer erfahrungsgemäßen Abschätzung kommt.
Am Beispiel eines konkreten Projektes, wird die Anlagentechnik zur Kälteerzeugung mit den Kältemittel R32 und R290 betrachtet. Bei der Planung ergeben sich für diese Kältemittel unterschiedliche technische Lösungen. In der Arbeit wird zuerst beschrieben, welche technischen, regulatorischen und verordnungsrechtlichen Anforderungen die Kältemittel erfüllen müssen. Anschließend wird gezeigt, welche Anforderungen im konkreten Projekt an die Kältetechnik gestellt werden und welche technischen Lösungen sich dadurch ergeben. Diese verschiedenen Varianten werden in Anlehnung an die VDI 2067 auf ihre Wirtschaftlichkeit untersucht. Des Weiteren werden für die Nachhaltigkeit die klimatischen Auswirkungen bzw. der Ausstoß von Treibhausgasen betrachtet, die durch die einzelnen Varianten hervorgerufen werden.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen geben einen Überblick, welche Variante in dem Anwendungsfall die wirtschaftlichste bzw. die nachhaltigste ist und ob durch diese Erkenntnisse allgemeine Rückschlüsse zur Anwendung der zwei Kältemittel gezogen werden können.
Bearbeitet von: Steen Schlosser
Betreut von: Udo Henke - Innius DÖ, Dr.-Ing. Paul Seidel
Jahr: 2025, Projektarbeit im Fachpraktikum
Entwicklung vereinfachter Verfahren zur Berechnung von Frostbildung und Abtauung von Luft-Wasser-Wärmepumpen für Wohngebäude
Bei Temperaturen um den Gefrierpunkt von Wasser kann es bei Luft-Wasser- Wärmepumpen zu einer Frostbildung am Verdampfer kommen, welche zusammen mit dem zugehörigen Abtauprozess zu einem Effizienzverlust ∆𝐶𝑂𝑃 führt. Diese Projektarbeit behandelt die Entwicklung eines Verfahrens, mithilfe dessen ∆𝐶𝑂𝑃 im Rahmen einer Jahressimulation bestimmt werden kann.
Dafür werden die Abhängigkeiten von ∆𝐶𝑂𝑃 mit der Außentemperatur 𝜗A und relativen Luftfeuchtigkeit 𝜑A zuerst im Rahmen einer Literaturrecherche und anschließend mittels experimenteller Messreihen im Combined Energy Lab der TU Dresden geprüft. Die Messergebnisse zeigen eine hohe Abhängigkeit von 𝜗A und 𝜑A, welche diese Projektarbeit übersichtlich aufarbeitet. Da sich in der Frostbildung und dem Abtauverhalten Abweichungen von der Literatur zeigen, werden zwei eigene, anlagenspezifische Verfahren entwickelt, mithilfe dessen der ∆𝐶𝑂𝑃 der im Versuchsstand verbauten Wärmepumpe ermittelt werden kann. Die Verfahren werden anschließend in einer Jahresberechnung angewandt und miteinander verglichen.
Zuletzt empfiehlt diese Arbeit eine Bestimmung von ∆𝐶𝑂𝑃 in der Jahressimulation mittels des vorgestellten Interpolationsverfahren auf Grundlage der ermittelten Messpunkte und gibt Aussichten auf mögliche weitere Verbesserungen.
Bearbeitet von: Eric Wobst
Betreut von: Dr.-Ing. Martin Knorr, Dipl.-Ing. Lars Schinke
Jahr: 2025, Projektarbeit im Fachpraktikum
Validierung eines Wärmespeichermodells und Analyse von Wärmeverlusten mithilfe von DTS-Messdaten
Im Rahmen der Forschungsprojekte SPICE (Temperaturfeldmessung in Großwärmespeichern von KWK-basierten Fernwärmesystemen als Werkzeug zur Effizienzsteigerung) und TWINopt (Vorausberechnung der Temperaturfeldentwicklung in großen Wärmespeichern zur Integration in Netzsimulation und Betriebsoptimierungen) kamen faseroptische Temperaturmesssysteme (Distributed Temperature Sensing, DTS) zum Einsatz, um die zeitlich und räumlich aufgelöste Temperaturverteilung in Großwärmespeichern kontinuierlich zu erfassen. In der vorliegenden Arbeit wurden ergänzend zu den bereits verwendeten DTS-Systemen weitere kommerzielle Messgeräte recherchiert, die unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten als potenziell geeigneter eingestuft werden könnten.
Im Projekt SPICE wurde ein numerisches Modell zur Simulation der Temperaturverteilung in Wärmespeichern entwickelt, das speziell für 1-Zonen-Speicher konzipiert ist. Die Validierung des Modells erfolgte anhand zusätzlicher Messdaten definierter Betriebszustände. Darüber hinaus wurde die Übertragbarkeit auf einen 2-Zonen-Speicher untersucht, wobei entsprechende Messdaten für vergleichbare Betriebszustände herangezogen wurden.
Zur Untersuchung der thermischen Verluste wurden zusätzlich zu den Temperaturverläufen im Speicher Glasfaserkabel im Bereich des Fundaments installiert, um auch dort eine kontinuierliche Temperaturerfassung mit DTS-Systemen zu ermöglichen. Auf Basis der Temperaturdifferenzen zwischen Speicherunterseite und Fundament wurden ortsaufgelöste Wärmestromdichten berechnet, die zur Entwicklung eines analytischen Modells zur Simulation der Wärmeverluste über die Bodenplatte herangezogen wurden. Die Analyse bezog sowohl historische als auch aktuelle Messdaten ein. Die daraus abgeleiteten zeitlichen Verläufe der Wärmeverluste bilden die Grundlage für die Entwicklung von Maßnahmen zur Reduktion thermischer Verluste und zur Steigerung der energetischen Effizienz von Wärmespeichern.
Bearbeitet von: Thang Tran Xuan
Betreut von: Dipl.-Ing. Bogdan Narusavicius, Dipl.-Math. Anja Matthees
Jahr: 2025, Diplomarbeit, Poster
2024
Detektieren von Erzeugungsanlagen anhand eines Lastprofils (Strom) mit Hilfe von intelligenten Algorithman (B2B)
Die vorliegende Arbeit untersucht anhand von Lastgängen (Strom) von Unternehmen mit einem jährlichen Verbrauch von mehr als 100 MWh die bestehende Aktualität der geltenden Standardlastprofile nach dem Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft. Des Weiteren wird mithilfe eines Clustering-Verfahrens, dem fuzzy-c-means, die Sinnhaftigkeit des Findens von Standardlastprofilen im Gewerbebereich hinterfragt. Die Datenbasis der Unternehmen ist hierbei ebenfalls durch einen jährlichen Verbrauch von mehr als 100 MWh gekennzeichnet.
Im Zweiten Teil der Arbeit wird die Möglichkeit des Detektierens einer PV-Anlage anhand eines gegebenen Lastgangs diskutiert. Hierbei werden mithilfe einer Kombination von KI-Modellen Zusammenhänge zwischen Lastgängen und standortspezifischer Wetterdaten von mittelständischen Unternehmen anhand selbstgewählter Kriterien untersucht. Die Genauigkeit der Vorhersage wird diskutiert und Schwächen werden aufgezeigt.
Bearbeitet von: Nicolai Steffen
Betreut von: Carsten Welge - EnBW, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Modellierung innovativer iHAST-Konzepte und deren messdatenbasierte Bewertung in einem Bestands-Fernwärmenetz
Im Rahmen des Europäischen Forschungsprojektes NeutralPath wurde im Dresdner Fernwärmenetz ein Quartier bestehend aus Mehrfamilienhäusern mit sieben Hausstationen modernisiert. Dabei wurden die Stationen strukturell umgebaut, vernetzt und durch verschiedene Speicher und dezentrale elektrische Wärmeerzeuger für die Trinkwassererwärmung ergänzt.
Auf Basis von Messdaten wurde ein energetisches Profil mit Fokus auf der Trinkwasserseite erarbeitet, welches für die Optimierung der Wärmeerzeuger im python-basierten Optimierungsframework flixopt genutzt wird. Drei der fünf individuellen Stationskonzepte wurden untersucht, parametrisiert und mathematisch modelliert, um dem realen Verhalten durch die energiebilanzielle Optimierung möglichst nahe zu kommen.
Ziel der Optimierung ist neben der Quantifizierung von kosten- sowie emissionstechnischen Einsparpotentialen die Umsetzbarkeit von angepassten Netzfahrweisen im Sekundärnetz zu erproben. Diese umfassen geplante Temperaturabsenkungen außerhalb der Heizperiode bis hin zu temporärer Abschaltung des Sekundärnetzstrangs. Solche Maßnahmen setzen voraus, dass die betroffenen HAST ausreichend und unterbrechungsfrei über die elektrischen Erzeuger mit thermischer Energie für die Trinkwarmwasserbereitung versorgt werden. Langfristig sollen die Stationskonzepte Vorbildcharakter für effiziente Wärmeversorgung mit Sektorenkopplung und Emissionsneutralität erreichen.
Die Auswertungen zeigen theoretisch vorhandenes Einsparpotential bei optimierter Betriebsführung, sowie die Umsetzbarkeit der geplanten Netzfahrkurven. Als besonders wirksam und effizient ergibt sich das Konzept mit Luft-Wasser-Wärmepumpe in Kopplung mit einer Photovoltaikanlage. Durch die erhöhten Erträge der PV-Anlage sowie den verbesserten COP der Wärmepumpe im Sommer können deutliche Einsparungen im Bezug auf Kosten und Emissionen erreicht werden. Die richtige Dimensionierung der Pufferspeicher ist entscheidend, um eine möglichst autarke Betriebsweise zu ermöglichen und das zeitlich schwankende solare Energieangebot optimal mit dem Verbrauchsverhalten abzustimmen.
Bearbeitet von: Martin Wiesner
Betreut von: Dipl.-Ing. Tiedo Behrends, Dr.rer.nat. Peter Stange, Dipl.-Ing. Johannes Löffler - DREWAG Stadtwerke Dresden GmbH
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Nachhaltigkeit in der Gebäudeplanung: Kriterien, Nachweisverfahren und Instrumente
Gemäß der Norm ISO 15392 ist von nachhaltigen Bauen zu sprechen, wenn technische und funktionale Ansprüche unter der gleichwertigen Berücksichtigung der drei Dimensionen der Nachhaltigkeit (Ökonomie, Ökologie und Soziokultur) erfüllt werden. Die Notwendigkeit einer nachhaltigen Gebäudeplanung beruht auf den hohen Treibhausgasemissionen des Bausektors sowohl weltweit als auch in Deutschland.
Im Laufe der Zeit sind Bewertungssysteme zur Beurteilung der Gebäudenachhaltigkeit entwickelt worden. In Deutschland entstanden für Privatgebäude das Deutsche Gütesiegel für Nachhaltiges Bauen (DGNB) und für Bundesbauten das Bewertungssystem für Nachhaltiges Bauen (BNB). Beide Bewertungssysteme stellen Anforderungen zur Erhaltung der ökologischen, ökonomischen, soziokulturellen, technischen und prozesstechnischen Qualität eines Gebäudes. Diese Anforderungen variieren je nach Gebäudetyp und Lebensphase.
Basierend auf den beiden Bewertungssystemen, mit stärkerem Fokus auf das DGNB, entstanden im Rahmen dieser Projektarbeit planerische Grundsätze für den Gebäudetechnikplaner.
Außerdem wurde der Einsatz von Simulationen in der Planungsphase beurteilt und mit weiteren Nachweisverfahren wie Messungen und Berechnungen verglichen.
Bearbeitet von: Ana Paula Alfonso Fretes
Betreut von: Thomas Waurick - INNIUS GTD GmbH Dresden, Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach
Jahr: 2024
Berechnungen der Überschusswärme in Solarthermieanlagen und Analyse von Maßnahmen für deren Nutzung
Im Sommer kommt es in der Regel dazu, dass die Solarthermieanlage eines Wohngebäudes mehr thermische Nutzenergie bereitstellt, als benötigt wird. Die Wärme der Solarthermiekollektoren wird bei Anlagen der Firma Jenni Energietechnik AG in einem Wärmespeicher (Swiss Solartank®) gespeichert. Dieser erlaubt eine maximale Betriebstemperatur von 95 °C. Zum Schutz des Frostschutzmittels in der Kollektorflüssigkeit und zur Schonung der Anlagenkomponenten soll der Stagnationsbetrieb als Folge von einem Überangebot an Wärmeenergie vermieden werden. Daher sorgt die Jenni Steuerung für eine nächtliche Rückkühlung, sobald am untersten Temperaturfühler des Speichers die Grenze von 80 °C überschritten wird. Dabei wird die Pumpe des Kollektorkreislaufs nachts weiterbetrieben, sodass überschüssige Wärme über die Kollektoren wieder abgegeben wird. Durch die Rückkühlung wird das Temperaturniveau im Speicher so weit gesenkt, dass ein Tag mit maximaler Sonneneinstrahlung folgen kann, ohne dass die geforderte maximale Betriebstemperatur überschritten wird.
Bei der Auslegung einer Solarthermieanlage ist die Überschusswärme, die im Sommer entsteht, zu berücksichtigen und sicherzustellen, dass nachts die nötige Rückkühlung vollständig erfolgen kann. Daher wurde im Rahmen dieser Projektarbeit ein Excel-Berechnungstool entwickelt, mit dem die Überschusswärme, in Abhängigkeit relevanter Einflussparameter, abgeschätzt und die Rückkühlbarkeit bewertet werden kann. Zudem wird zur Optimierung des Rückkühlbetriebs die Integration einer Ertragsprognose in die Steuerung der Solarthermieanlage diskutiert. Reicht die nächtliche Rückkühlung einer bereits bestehenden Anlage nicht aus, oder soll die überschüssige Wärme sinnvoll weitergenutzt werden, gibt es weitere, in dieser Arbeit behandelte, Möglichkeiten mit der überschüssigen Wärme umzugehen.
Bearbeitet von: Lisa Göllner
Betreut von: Silvio Bezzola - Jenni Energietechnik, Dipl.-Ing. Elisabeth Wudenka
Jahr: 2024, Projektarbeit im Fachpraktikum
Erarbeitung eines Konzepts zur energetischen Nutzung des Abwärmepotentials im Bereich Campus Johannstadt
Ziel der Untersuchung ist es, das Potenzial der Abwärmequellen am Campus Johannstadt zu ermitteln und die Möglichkeiten der energetischen Nutzung sowohl zur Deckung des Eigenbedarfs als auch zur Einspeisung in das Fernwärmenetz zu analysieren. Im Zuge der Grundlagenermittlung wird die bevorzugte Konzepterarbeitung für zwei ganzjährig betriebene Hydraulikanlagen festgelegt. Weitere Abwärmequellen bleiben unberücksichtigt, da sie aufgrund unzureichender Betriebszeiten, ungeeigneter Lastprofle oder zu geringer Leistungen als ungeeignet bewertet werden.
Die Auswertung thermohydraulischer Messungen ergibt ein auskoppelbares Grundlastniveau der Abwärme von etwa 40 kWth. Die betrachteten Anlagen weisen jedoch auf ein stark schwankendes Lastverhalten hin, das von der Auslastung der angeschlossenen Versuchsstände abhängig ist und Spitzenwerte von bis zu 240 kWth erreichen kann. Die technische Auslegung erfordert daher eine Eignung zur Deckung unterschiedlicher Teillastzustände.
Auf dieser Grundlage wird die Option zur anteiligen Deckung des Eigenbedarfs vorrangig untersucht. Eine technische Untersuchung der Machbarkeit zeigt, dass mit vergleichsweise geringem Aufwand eine Einkopplung der Abwärme in den Rücklauf der Heizung möglich ist. Als Herausforderung werden dabei hohe Rücklauftemperaturen im Winter bei geringen Außentemperaturen identifziert, die eine Einkopplung der Abwärme in die Heizungsanlage mindern.
Für das Konzept der Rücklaufeinspeisung ist der Einsatz einer Wärmepumpe erforderlich, um die Abwärme energetisch nutzbar zu machen. Dabei ergibt sich bei der Rücklaufanhebung aufgrund des geringen erforderlichen Temperaturhubs ein COP von 10. Für eine Rücklauf-Vorlauf-Einspeisung ist der Betrieb als Hochtemperatur-Wärmepumpe ergibt sich ein COP von 2,7 bis 4.
Die wirtschaftliche Untersuchung ergibt Wärmegestehungskosten von 6,3 bis 7,6 ct/kWh für das Konzept zur Nutzung im Eigenbedarfs und 9,2 bis 12,3 ct/kWh für die Varianten zur Einspeisung in das Fernwärmenetz. Das Konzept zur Nutzung im Eigenbedarf wird aufgrund des passenden Leistungsprofls von Wärmequelle und -senke sowie einer vorteilhaften Amortisationszeit von 3 bis 4 Jahren empfohlen. Zudem fällt der technische und planerische Aufwand vergleichsweise gering aus, was die Implementierung begünstigt.
Bearbeitet von: Hendrik Martin
Betreut von: Alexander Schneider - Sachsen Energie, Dr.-Ing. Sven Werdin, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Systematisierung von Entgasertests für Flüssigkeitskreisläufe an ausgewählten Beispielen
In Flüssigkeitskreisläufen stellen sowohl gelöste als auch freie Gase eine potenzielle Beeinträchtigung der Betriebssicherheit, Effizienz und Lebensdauer technischer Systeme dar. Die gezielte Entfernung der freien und insbesondere der gelösten Gase durch Entgasungsanlagen ist daher ein wesentlicher Bestandteil der Systemoptimierung. Zur Entfernung von Gasen in Flüssigkeitskreisläufen stehen unterschiedliche Verfahren und Techniken zur Verfügung. Soll die Löslichkeitsgrenze der Gase unterschritten werden, um gelöste Gase aus der Flüssigkeit zu extrahieren, ist der Einsatz von Entgasern erforderlich. Zur standardisierten Bewertung der Entgasungsleistung wurde die VDI-Richtlinie 4708-2 entwickelt, welche als methodische Grundlage dieser Arbeit dient.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein systematisiertes Prüfverfahren zur Bewertung der Entgaserleistung weiterentwickelt und anhand zweier Unterdruckentgaser (W11 und W12) am Laborprüfstand „Entgasung/Diffusion“ erprobt. Eine bestehende Vorlage zur Versuchsdurchführung sowie ein Python-Skript zur Auswertung der Versuchsdaten wurden weiterentwickelt, um eine einfache Anwendung zu ermöglichen. Zudem wurde eine Datenbank zur strukturierten Erfassung und vergleichenden Bewertung der Versuchsergebnisse implementiert. Ergänzend erfolgte eine Analyse und Bewertung verschiedener Messverfahren zur Bestimmung des Gasgehalts in Flüssigkeiten. Die aktuell im Laborprüfstand „Entgasung/Diffusion“ eingesetzten Methoden – amperometrische Sauerstoffmessung und Gaschromatografie – erwiesen sich hinsichtlich Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit als am besten geeignet. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass eine Erhöhung der Medientemperatur zu einer verbesserten Entgasungsleistung führt. Dennoch konnte keiner der beiden getesteten Entgaser die in der VDI 4708-2 definierten Zielwerte für den Sauerstoffabbau vollständig erreichen. Im Vergleich zu bisherigen Untersuchungen lagen die Leistungswerte der Entgaser W11 und W12 im unteren Bereich.
Das im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelte Prüf- und Auswertungsverfahren ermöglicht zukünftig eine einheitliche und vergleichbare Bewertung von Entgasungsanlagen. Zudem können alternative Technologien wie Membranentgaser oder weiterentwickelte Unterdruckentgaser vergleichend bewertet werden.
Bearbeitet von: Max Müller
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Ulrike Wagner - AGFW e.V.
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Entwicklung und Testanwendung eines Werkzeugs zum Monitoring von Fernwärmesystemen
Im Zuge der von der SachsenEnergie AG forcierten Klimaneutralität 2045 steht das Fernwärmenetz Dresden vor umfassenden Veränderungen. Unter anderem durch den Ausbau von dezentralen Wärmeerzeugern steigt die Komplexität des bestehenden Fernwärmenetzes, was mit einer wachsenden Zahl an Aufgaben verbunden ist. Abhilfe soll hierbei die Digitalisierung bieten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines digitalen Werkzeugs zum Monitoring von Fernwärmenetzen, welches die Überwachung und Analyse vereinfachen soll. Zu diesem Zweck wurden Methoden recherchiert sowie neu- und weiterentwickelt, wobei die hohe Anzahl an Messstellen des EU-Projekts „NeutralPath“ und die daraus resultierenden Messdaten als Grundlage dienten. Hierfür wurde ein System entwickelt, das durch die Unterscheidung zwischen bewertenden und beschreibenden Methoden sowie der daraus resultierenden Verknüpfung von Ursachen und Auswirkungen eine Teilautomatisierung der Analyse ermöglicht. Mithilfe dieses Werkzeugs wurde das Gebiet des genannten EU-Projekts auf ein Modell projiziert, analysiert und Empfehlungen in Bezug auf die Vorgehensweise der Ausweitung des Werkzeugs auf das gesamte Fernwärmenetz formuliert.
Bearbeitet von: Max Hamann
Betreut von: Dipl.-Ing. Jonas Schmidt - SachsenEnergie, Dipl.-Ing. Tiedo Behrends
Jahr: 2024, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Empirische Untersuchungen zum gebäudeseitigen Lastmanagement in Fernwärmenetzen
Beim Betrieb eines Fernwärmenetzes sind große Lastschwankungen sowie hohe Rücklauftemperaturen eine große Herausforderung, da diese die Effizienz der Wärmeversorgung senken. In dieser Arbeit wird der Ansatz des gebäudeseitigen Lastmanagements zur Behandlung dieser Problemstellung empirisch genauer untersucht. Dazu werden nach der Analyse zweier vorangegangener Heizperioden verschiedene Aspekte und Herangehensweisen des gebäudeseitigen Lastmanagements diskutiert. Auf deren Grundlage werden daraufhin Verbesserungsmaßnahmen entworfen und deren Folgen abgeschätzt. Anschließend werden besagte Maßnahmen in einem sechswöchigen Fahrversuch umgesetzt und die Ergebnisse mit den Messdaten der vorangegangenen Heizperioden verglichen. Dabei stehen der geänderte Lastgang und dessen Spitzenwert, der Energieverbrauch sowie die auftretenden Vor- und Rücklauftemperaturen im Fokus.
Die Ergebnisse zeigen auf, dass ein gestaffelter Aufheizbetrieb dazu genutzt werden kann die auftretenden Lastspitzen sowohl abzusenken als auch zeitlich zu verschieben und dabei den Energieverbrauch zu verringern. Allerdings verbleibt ein starker Unterschied zwischen dem Montag, an dem deutlich höhere Leistungen auftreten, und den restlichen Wochentagen. Für niedrige Außentemperaturen können die Vor- und Rücklauftemperaturen im Heizkreis leicht gesenkt werden, für hohe Außentemperaturen steigen sie jedoch deutlich an. Insgesamt ist ein gestaffelter Aufheizbetrieb zu empfehlen, da die Folgen überwiegend positiv ausfallen, dennoch besteht weiteres Verbesserungspotenzial.
Editor: Konrad Rottscholl
Tutor: Dipl.-Wi.Ing. Laura Lehmann
Year: 2024, Studienarbeit
Erstellung eines Wärmenutzungskonzeptes für die Biogasanlage in DresdenKlotzsche inklusive wirtschaftlicher Bewertung
Eine mögliche Option zur Dekarbonisierung der Strom- und Wärmeversorgung besteht darin, fossiles Erdgas durch Brenngase biogenen Ursprungs zu ersetzen. Die Nutzung von Biogas ist aufgrund seiner guten Verfügbarkeit und der Möglichkeit einer effizienten Kreislaufwirtschaft sehr vorteilhaft. Um die vorhandene Biogasanlage in Dresden-Klotzsche bestmöglich zu nutzen, wurden in dieser Arbeit nach einer detaillierten Darstellung der Anlagenkomponenten eine Reihe von Kennzahlen erarbeitet, mit deren Hilfe verschiedene Maßnahmen zur Optimierung der Anlage aus energetischer und systemtechnischer Sicht bewertet und gleichzeitig Vergleiche mit Zielgrößen (z.B. für die Einspeisemenge) ermöglicht wurden. Aus wirtschaftlicher Sicht wurden die Maßnahmen mittels einer Wirtschaftlichkeitsberechnung überprüft. Es wurden auch Überlegungen zur Zukunft des Systems angestellt.
Es wurde deutlich, dass ein Vergleich der Kennzahlen mit den gesammelten Erfahrungen anderer Anlagen für eine effiziente Betriebsführung durch das Betreiberteam sehr hilfreich sein kann. Auch die Investitionsrechnung zeigte für einige Maßnahmen deutliche wirtschaftliche Vorteile auf.
Die Untersuchung der Biogasanlage Dresden-Klotzsche ergab vielversprechende Vorteile bei der Erweiterung der Anlage zur Effizienzsteigerung. Mit diesen Erweiterungen kann die Dekarbonisierung der sächsischen Strom- und Fernwärmenetze vorangetrieben werden.
Bearbeitet von : Saghi Vaziri
Betreut von: Sven Wegeleben – SachsenEnergie AG, Steffen Füssel – SachsenEnergie AG
Jahr: 2024, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Evaluierung Serieller Wohnungsbau (Mehrfamilienwohnhaus)
Die vorliegende Arbeit widmet sich dem Thema des seriellen Wohnungsbaus im Kontext des Mehrfamilienhauswohnbaus. Der Fokus liegt hierbei auf der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA) sowie der Versorgung der Wohnungen mittels vorgefertigter Installationsschächte. Nach einer allgemeinen Einführung in die Bauteile des seriellen Wohnbaus sowie einem historischen Überblick werden ausgewählte Hersteller vorgestellt, unter anderem das Unternehmen Gropyus, welches als Praxisbeispiel für die Funktionsweise seriell gefertigter Installationslösungen dient. Darüber hinaus erfolgt eine kurze Darstellung der gesetzlichen Rahmenbedingungen, die speziell das serielle Bauen betreffen.
Der Fokus der Arbeit liegt auf der Analyse von vorgefertigten Installationsschächten und deren Integration in den seriellen Bauprozess, wobei insbesondere die Steigeschächte und Badezellen von Gropyus als Beispiel dienen. Zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit wird ein konkretes Bauprojekt herangezogen, bei dem die Vorfertigung mit der konventionellen Vor-Ort-Verlegung verglichen wird. Im Rahmen der Analyse erfolgt eine detaillierte Untersuchung der Planungsphase auf Grundlage der Honorarordnung für Architekten und Ingenieure sowie der Ausführungsphase anhand von Daten aus der Praxis. Im Fokus der Analyse stehen die Kosten- und Produktionsstrukturen sowie die Bauzeit.Zur weiteren Einordnung der Ergebnisse werden die zwei verschiedenen Bauweisen anhand festgelegter Vergleichskriterien gegenübergestellt. Das zentrale Ergebnis der Arbeit zeigt, dass die Wirtschaftlichkeit der Vorfertigung im Vergleich zur Vor-Ort-Montage stark von projektspezifischen Faktoren abhängig ist. Auch hinsichtlich weiterer Bewertungskriterien wie Bauzeit, Flexibilität oder Qualität lassen sich keine pauschalen Vorteile einer der beiden Methoden feststellen. Vielmehr erfordert die Auswahl des geeigneten Verfahrens stets eine differenzierte Betrachtung des Einzelfalls.
Bearbeitet von: Manuel Haunschild
Betreut von: Erik Weise (Fa. Gropyus Solutions GmbH)
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Einsatzmöglichkeiten, Auslegung und Betrieb von Sockelheizungen
In dieser Arbeit werden die potenziellen Anwendungen, die Auslegung und der Betrieb von Sockelheizungen als effiziente und nachhaltige Heizlösung für Wohn- und Gewerbegebäude untersucht. Es werden der Marktüberblick und der Vergleich von Sockelheizungen, einschließlich ihrer Geschichte, der technologischen Entwicklungen und des rechtlichen Rahmens beleuchtet. Darüber hinaus werden die verschiedenen Arten von Sockelheizungen, wie z. B. elektrische und wasserbasierte Systeme, analysiert und ihre Vor- und Nachteile erörtert. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Auslegung und der Betrieb von Sockelheizungen, einschließlich des hydraulischen Abgleichs, der Regelungstechnik und der Integration in bestehende Heizungssysteme. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Analyse der Auslegung von Sockelheizungen und deren Fähigkeit, eine effiziente Wärmeverteilung zu erreichen. Sockelheizungen sind eine effiziente und nachhaltige Heizungslösung, die sowohl in Neubauten als auch bei Sanierungen eingesetzt werden kann. Die Arbeit gibt einen umfassenden Überblick über die Einsatzmöglichkeiten, die Auslegung und den Betrieb von Sockelheizungen und kann als Grundlage für weitere Forschung und Anwendungen in diesem Bereich dienen.
Bearbeitet von: Stephan Beitlich
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2024, Projektarbeit im Fachpraktikum
Entwicklung und Testanwendung eines Werkzeugs zum Monitoring von Fernwärmesystemen
Im Zuge der von der SachsenEnergie AG forcierten Klimaneutralität 2045 steht das Fernwärmenetz Dresden vor umfassenden Veränderungen. Unter anderem durch den Ausbau von dezentralen Wärmeerzeugern steigt die Komplexität des bestehenden Fernwärmenetzes, was mit einer wachsenden Zahl an Aufgaben verbunden ist. Abhilfe soll hierbei die Digitalisierung bieten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines digitalen Werkzeugs zum Monitoring von Fernwärmenetzen, welches die Überwachung und Analyse vereinfachen soll. Zu diesem Zweck wurden Methoden recherchiert sowie neu- und weiterentwickelt, wobei die hohe Anzahl an Messstellen des EU-Projekts „NeutralPath“ und die daraus resultierenden Messdaten als Grundlage dienten. Hierfür wurde ein System entwickelt, das durch die Unterscheidung zwischen bewertenden und beschreibenden Methoden sowie der daraus resultierenden Verknüpfung von Ursachen und Auswirkungen eine Teilautomatisierung der Analyse ermöglicht. Mithilfe dieses Werkzeugs wurde das Gebiet des genannten EU-Projekts auf ein Modell projiziert, analysiert und Empfehlungen in Bezug auf die Vorgehensweise der Ausweitung des Werkzeugs auf das gesamte Fernwärmenetz formuliert.
Bearbeitet von: Max Hamann
Betreut von: Dipl.-Ing. Jonas Schmidt - SachsenEnergie/DREWAG - Stadtwerke Dresden GmbH, Dipl.-Ing. Tiedo Behrends
Jahr: 2024, Projektarbeit im Fachpraktikum
Entwicklung einer modellprädiktiven Regelung für ein Batteriespeichersystem in Kombination mit PV-Erzeugung und elektrischer Last
In der vorliegenden Diplomarbeit wurde eine mehrstufige modellprädiktive Betriebsführung für PV-Batteriespeichersysteme im Industriebereich entwickelt. Ziel dieser Entwicklung war die Steigerung der Wirtschaftlichkeit durch die Reduzierung der Strombezugskosten. Zu diesem Zweck werden die Ziele der Eigenverbrauchsoptimierung und der Lastspitzenkappung verfolgt.
Eine Besonderheit der Entwicklung stellt die Berücksichtigung der volllaststundenabhängigen Struktur der Netzentgelte dar. Die entwickelte Betriebsführung wurde durch simulationsbasierte Untersuchungen für einen Beispielstandort analysiert und bewertet. Dafür wurde die Betriebsführung mit den Ergebnissen einer prioritätsbasierten Betriebsführung und einer optimalen Lastspitzenkappung verglichen. Die Simulationen wurden mit dem kommerziellen Solver Gurobi und dem Open-Source-Solver HiGHS durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Betriebsführung in der Lage ist, beide Zielstellungen optimal zu kombinieren. Allerdings wurde auch deutlich, dass bei einer Variation des Optimierungshorizonts die Einhaltung der vorgegebenen Lastspitze nicht immer gewährleistet werden kann. Der Gurobi-Solver erwies sich deutlich effizienter und lieferte zuverlässigere Ergebnisse als HiGHS. Für weitere Untersuchungen sollten realistische Prognosen verwendet werden, da bisher nur perfekte Prognosen genutzt wurden.
Bearbeitet von: Josua Palmstedt
Betreut von: Manuel Kersic - TRICERA energy GmbH, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Betrachtungen zur Energieeffizienz von Heizungs- und Lüftungsanlagen in einem Nichtwohngebäude
Für eine Kirche sollen Konzepte für die Umstellung auf erneuerbare Energien entwickelt werden. Es handelt sich bei der Heizung für die Kirche um eine Luftheizung mit einer bisherigen Leistung von 100 kW und einem Gemeindezentrum im selben Gebäude, welches bereits neu saniert ist und mit Vorlauftemperaturen von 45 °C auskommt laut Auslegungsdaten.
Eine Simulation der Kirche erfolgt mit Hilfe eines Beuken-Modells. Bestandteil der Untersuchung war, ob die Vorlauftemperatur mit der bestehenden Luftheizung so weit gesenkt werden kann, dass erneuerbare Energien, im speziellen eine Wärmepumpe eingesetzt werden kann. Dies ist möglich, es ist jedoch erforderlich, dass Heizverhalten zu ändern und am besten zu automatisieren.
Die vier vorgestellten Konzepte enthalten jeweils eine Wärmepumpe und eine Solaranlage als Bestandteile, weil sich letztere durch die Lage der Kirche und wegen der großen freien Dachfläche anbietet. Die Wärmequellen unterscheiden sich von Konzept zu Konzept.
Die Konzepte mit Erdwärme als Bestandteil der Wärmequelle weisen hohe Investitionskosten auf. Die Vorteile dieser hinsichtlich Effizienz wiegen diese nicht auf, was zu hohen Amortisationszeiten führt. Die Konzepte mit Luft beziehungsweise Luft und Solarstrahlung als Wärmequelle weisen niedrigere Investitionskosten auf bei kaum geringeren Effizienzen. Dadurch amortisieren sich diese früher.
Zu dieser Arbeit gehört zudem eine Excel-Tabelle, in welcher die Ergebnisse berechnet werden. Die Randbedingungen sind frei veränderbar, um an etwaige zukünftige Veränderungen anpassbar zu sein.
Bearbeitet von: Hendrik Pohl
Betreut von: Dr. Markus Müller, Dr.-Ing. Martin Knorr
Jahr: 2024, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Einsatz von direktelektrischen Wärmeerzeugern im ländlichen Raum und kleinen Städten zur Sektorenkopplung von Strom- und Wärmenetz
In dieser Arbeit werden die Einsatzmöglichkeiten von direktelektrischen Wärmeerzeugern in ländlichen Wärmenetzen untersucht. Die Untersuchung umfasst dabei sowohl die Vermarktungsoptionen am Spotmarkt als auch am Regelleistungsmarkt sowie Nutzungsmöglichkeiten von lokal erzeugtem Strom aus erneuerbaren Energien. Die Betrachtung konzentriert sich zunächst auf vier durch die SachsenEnergie betriebene Wärmenetze in Weigsdorf-Köblitz, Königswartha, Zeithain und Nünchritz, die hinsichtlich ihrer in Transformationsplänen beschriebenen zukünftigen Wärmeerzeugung näher analysiert werden.
Eingangs werden für jedes der vier ländlichen Wärmenetze Modelle erstellt, in denen die Wärmeerzeuger abgebildet sind. Mithilfe des Investitions- und Einsatzoptimierungstools flixOpt erfolgt anschließend eine Optimierung, um eine Referenz zu erhalten. Durch Erweiterung um einen direktelektrischen Wärmeerzeuger werden im Vergleich mit der Referenz Einsatzmöglichkeiten abgeleitet. Die Betrachtung umfasst hierbei verschiedene Szenarien, in denen die angenommenen Kosten für den Strombezug und die eingesetzten gasförmigen Energieträger variiert werden. Es zeigt sich, dass der wirtschaftliche Betrieb eines direktelektrischen Wärmeerzeugers aufgrund der hohen Kosten für den Strombezug aus dem Netz eine Herausforderung darstellt. Dabei bilden vorhandene Anschlussmöglichkeiten an das Mittelspannungsnetz einen deutlichen Standortvorteil.
Durch eine Vermarktung als Regelleistung kann ein wirtschaftlicher Betrieb erleichtert werden, dafür ist jedoch entscheidend, dass die zusätzlich anfallenden Kosten für die Präqualifizierung und den Vermarktungsaufwand durch Erlöse am Regelleistungsmarkt gedeckt werden. Da dieser Markt jedoch volatil ist, birgt diese Vermarktungsoption ein wirtschaftliches Risiko.
Darüber hinaus werden die gewonnenen Erkenntnisse im Kontext der kommunalen Wärmeplanung auf weitere bestehende und zukünftige Wärmenetze im Versorgungsgebiet der SachsenEnergie ausgeweitet. Zudem werden Nutzungsmöglichkeiten von Stromüberschüssen aus lokalen erneuerbaren Erzeugungsanlagen untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass das technische Potenzial für diese Nutzung in naher Zukunft vorhanden ist und dass insbesondere der Einsatz von Überschussstrom aus bestehenden Photovoltaikanlagen bei günstigen Einbindungsbedingungen eine wirtschaftlich sinnvolle Option darstellt.
Es zeigt sich, dass ein Einsatz unter bestimmten Randbedingungen wirtschaftlich sinnvoll möglich ist. Diese Arbeit bietet somit eine Grundlage für Betrachtungen bei Erwägung des Einsatzes von direktelektrischen Wärmeerzeugern in Wärmenetzen. Zudem stellen die erstellten Modelle eine nützliche Basis für die weitere Planung der zukünftigen Wärmeerzeugung in den vier betrachteten Wärmenetzen zur Verfügung.
Bearbeitet von: Daniel Raschke
Betreut von: Alexander Schneider - SachsenEnergie AG, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Entwicklung eines Konzeptes zur Verwaltung von Messdaten in Prüfständen
Zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit von Maschinen und weiterer Erkenntnisgewinnung ist die Erhebung von Messdaten in Prüfständen unablässig. Dabei werden Messwerte üblicherweise in Dateien oder relationalen Datenbanken gespeichert. In den Letzten Jahren sind Datenbanksysteme, welche zur Speicherung von Zeitreihen ausgelegt sind, auf den Markt gekommen.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Möglichkeiten zur Speicherung und strukturierten Abfrage von Messdaten eines Wärmepumpenprüfstands unter Zuhilfenahme eines spezialisierten Datenbanksystems. Im Rahmen dessen erfolgt eine Gegenüberstellung ausgewählter Datenbanken sowie potenzieller Datenmodelle in Bezug auf die Speicherung von Zeitreihen und Metadaten. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden Umsetzungsbeispiele für die Integration in bestehende Prüfstände erprobt.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Implementierung eines Datenbanksystems in Prüfständen von Erfolg ist und strukturierte Abfragen sowie Darstellungen, Potenzial für weitere Auswertungsmethoden bietet. Es bestehen jedoch Herausforderungen in Bezug auf die Integration weiterer Auswertungen sowie die Optimierung der Nutzerfreundlichkeit.
Bearbeitet von: Parssa Feizi
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) J. Jirschitzka - ILK, Dr.-Ing. Paul Seidel
Jahr: 2024, Projektarbeit im Fachpraktikum
Validierung eines 1D-Fahrgastraum-Simulationsmodells für einen Brennstoffzellen-Triebzug
In der vorliegenden Arbeit erfolgt die Validierung eines 1D-Simulationsmodells des Fahrgastraums eines Brennstoffzellen-Triebzugs. Dafür wird ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Messwerten eines Versuchsstands durchgeführt, der aus einer 1:1 Nachbildung des Fahrgastraums eines Regionalzugs mit 16 Sitzplätzen besteht. Das Simulationsmodell berechnet einerseits die mittlere Raumlufttemperatur durch Bilanzierung der auftretenden Wärmeströme, andererseits erfolgt die Approximation der mittleren Strahlungstemperatur der Umschließungsflächen über eine flächenbezogene Wichtung der Oberflächentemperaturen. Die Kombination der beiden Größen ergibt die operative Temperatur, die als Maß zur vereinfachten Bewertung der thermischen Behaglichkeit der Passagiere genutzt werden kann. Sie fungiert somit als Regelgröße des Klimasystems, welches aus einer Luftaufbereitungsanlage sowie einem Flächenheiz- und Kühlsystem besteht.
Aufgrund der direkten Messbarkeit der operativen Temperatur mithilfe eines Globe- Thermometers eignet sich die Größe zudem als Referenzwert für die Validierung der simulativ bestimmten mittleren Strahlungstemperatur. Um ausschließlich den Einfluss der Strahlungstemperaturberechnung bewerten zu können, muss in diesem Fall eine Vorgabe der gemessenen Lufttemperatur erfolgen. Die Lufttemperatur selbst kann hingegen direkt anhand der aufgenommenen Messwerte validiert werden. Entsprechend wird die Validierung sowie die Ableitung von möglichen Modellanpassungen separat für die Lufttemperatur und die mittlere Strahlungstemperatur durchgeführt.
Der Vergleich der Ergebnisse zeigt, dass das Modell die mittlere Strahlungstemperatur der Umschließungsflächen unterschätzt. Durch Anpassung der Berechnung kann eine signifikante Verbesserung der Ergebnisse und damit eine Erhöhung der Modellgüte erreicht werden. Aufgrund des Messaufbaus kann die Validierung der Lufttemperatur ausschließlich im Hinblick auf den inneren Wärmeübergang erfolgen. Folglich sind einige Anpassungen des Simulationsmodells notwendig. Der Vergleich der Ergebnisse zeigt hierbei bereits eine gute Übereinstimmung von Messwerten und Simulation.
Bearbeitet von: Till Mauksch
Betreut von: Dipl.-Ing. Max Schott - HÖRMANN Vehicle Engineering GmbH, Dr.-Ing. Martin Knorr
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Betrachtungen zum hydraulischen Abgleich an einem praktischen Beispiel
Die folgende Arbeit fasst Verfahren und Methoden des hydraulischen Abgleichs aus dem aktuellen Stand der Normen zusammen. Anschließend werden die gesetzlichen Vorgaben an einen hydraulischen Abgleich aus dem Gebäudeenergiegesetz sowie das Verfahren B nach Fachregel des Zentralverbandes Sanitär Heizung Klima erläutert.
Aus der praktischen Durchführung eines hydraulischen Abgleichs an einem Beispielobjekt in Berlin, im Zuge eines Praktikums in einem Ingenieurbüro, werden Erkenntnisse und allgemein gültige Empfehlungen zur Herangehensweise und schrittweisen Durchführen eines Abgleichs inklusive aller Berechnungen und einer Bestandsaufnahme abgeleitet. Diese sollen den Aufwand in späteren Projekten oder für Einsteiger in das Themenfeld reduzieren.
Auswirkungen eines fehlenden Abgleichs werden anhand einer näherungsweisen Berechnung eines nicht abgeglichenen Strangs verdeutlicht. Da gängige Planungssoftware zur Berechnung und Auslegung von Rohrnetzen keine Aussagen über einen fehlenden Abgleich treffen können, wird ein Berechnungsschema entwickelt. Dieses berechnet die sich einstellenden Masseströme in einem unbeglichenen Strang des Beispielobjekts, wodurch Rückschlüsse auf die Überversorgung der Heizkörper und den zusätzlichen Leistungsbedarf für die Förderung des Massestroms getroffen werden können.
Außerdem werden Investitions- und Installationsaufwand am Beispielobjekt ausgewertet. Es werden dabei sowohl Kosten für verschiedene Abgleichverfahren, als auch der Zeitaufwand für Planungsleistungen und Installationsleistungen berücksichtigt.
Bearbeitet von: Jan Zschippang
Geprüft von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Prof. Dr.-Ing. André Kremonke
Jahr: 2024, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Betrachtungen zur Integration von Aquiferwärmespeicher in die Wärmeversorgung
Die fortschreitenden Transformationsprozesse im Energiesektor werden die Volatilität sowie die saisonale Lastverschiebung in der Wärmeproduktion zukünftig weiter verstärken. Um eine effiziente und nachhaltige Wärmeversorgung zu gewährleisten, gewinnt die Integration thermischer Speicher in bestehende Infrastrukturen zunehmend an Bedeutung. Hochtemperatur-Aquiferwärmespeicher (HT-ATES) bieten in diesem Kontext ein erhebliches Potenzial, da sie durch den saisonalen Ausgleich von Wärmeproduktion und -bedarf die effiziente Einbindung regenerativer Wärmequellen in die Wärmeversorgungsinfrastruktur ermöglichen. Diese Technologie zeichnet sich durch eine hohe Speicherkapazität sowie eine kostengünstige und effiziente Betriebsweise aus. Zudem eignen sie sich aufgrund ihrer unterirdischen Nutzung besonders für den Einsatz in urbanen Räumen.
Trotz ihres vielversprechenden Potenzials finden HT-ATES bislang nur wenig Verwendung. Daher werden in dieser Arbeit bestehende Anwendungsbeispiele analysiert, um Herausforderungen und Risiken zu identifizieren. Hierbei zeigt sich, dass eine detaillierte Betrachtung der standortspezifischen unter- und oberirdischen Bedingungen essenziell ist. Zudem sollten technische Probleme frühzeitig adressiert werden, um einen wirtschaftlichen Betrieb sicherzustellen. Am Beispiel des Berliner Reallabors „GeoSpeicher“ wurden die Eigenschaften eines geeigneten Fernwärmenetzes untersucht und ein Ausblick auf die zukünftige Entwicklung der Fernwärmeversorgung gegeben. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass ein saisonaler Versatz des Wärmebedarfs erforderlich ist, um ausreichende Speichermengen zu ermöglichen. Gleichzeitig ist eine ausreichend große Abnehmerstruktur notwendig, da die Speichertemperaturen entscheidend von den Anforderungen des Fernwärmenetzes beeinflusst werden.
Auf Basis einer vereinfachten Modellierung des HT-ATES-Verhaltens wurden innerhalb der Simulationsumgebung TRNSYS-TUD zwei Integrationskonzepte entwickelt und drei Szenarien hinsichtlich maximaler Speichertemperaturen sowie der Art der Wärmeauskopplung analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Integration mit zusätzlicher Wärmepumpe die effizienteste Lösung darstellt, auch wenn eine direkte Wärmeauskopplung bei Speichertemperaturen über 50 °C technisch möglich ist. Für einen besonders effizienten Betrieb ist die Temperaturdifferenz zwischen dem kalten und dem warmen Brunnen entscheidend. Idealerweise wird der kalte Brunnen auf die natürliche Umgebungstemperatur abgekühlt, um Wärmeverluste zu minimieren und den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen.
Zusammenfassend kommt diese Arbeit zum Ergebnis, dass Aquiferwärmespeicher eine vielversprechende Technologie zur nachhaltigen Energieversorgung darstellen und damit einen wichtigen Beitrag zum Transformationsprozess leisten können. Ihre zukünftige Entwicklung erfordert weitere Forschung und eine verstärkte praktische Umsetzung.
Bearbeitet von: Anna von Heimburg
Betreut von: Dipl.-Ing. Kevin Bock, Dipl.-Wi.Ing. Laura Lehmann
Jahr: 2024, Bachelorarbeit, Poster
Weiterentwicklung eines Reglers für hybride Wärmeerzeugungssysteme
Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeiten der hybriden Wärmeversorgung basierend auf dem Einsatz einer Wärmepumpe und eines Biomasse-Erzeugers, auf Grundlage des Trends der Hybridisierung der Wärmeversorgung im Gebäudebereich sowie der energie- und kosteneffizienten Nutzung von Energiequellen. Aufbauend auf einem entwickelten Hydraulikschema für ein vorgegebenes Modellgebäude, wurde ein Regelalgorithmus für einen systemübergreifenden Regler ausgearbeitet. Der Systemregler realisiert den aufeinander abgestimmten Betrieb einer Wärmepumpe und eines Pelletkessels, welche über eine Kombination von Reihen- und Parallelschaltung miteinander verbunden sowie über einen Pufferspeicher verknüpft werden. Dem Regler liegt die Bewertung der Wärmeerzeuger zugrunde, welche auf der Minimierung der entstehenden Kosten basiert.
Ein besonderes Augenmerk lag auf der Einbindung des Pelletkessels. Der Biomasse- basierte Erzeuger verfügt über technische Randbedingungen, welche im Regelalgorithmus zu berücksichtigen sind. Die erweiterte Regelungsfunktionalität wurde innerhalb mehrerer Simulationsvarianten ausführlich überprüft. Dafür wurde der Systemregler mit der Gebäudesimulation sowie dem Pelletkessel-Modell verknüpft und anschließend analog der Software-in-the-Loop-Methode getestet.
Die Untersuchungen umfassten Analysen bezüglich erzielter Effizienzkennwerte der Erzeuger sowie entstandener Betriebskosten. Die Untersuchungen ergaben unter anderem, dass der Pelletkessel der bevorzugte Wärmeerzeuger unter Beachtung der Umgebungs- und Randbedingungen ist, welcher kostengünstiger den Bedarf an Wärme deckt. Der Strombezugspreis macht den Einsatz der Wärmepumpe unwirtschaftlich im Vergleich zum Betrieb des Pelletkessel mit dem zugehörigen Pelletpreis je kWh. Darüber hinaus konnten Betriebsweisen und Einflussgrößen ermittelt werden, unter welchen der Einsatz des Pelletkessels besonders effizient stattfindet.
Bearbeitet von: Luzie Mosig
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr.-Ing. Martin Knorr, Dipl.-Ing. Maximilian Beyer
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Entwicklung eines skalierbaren Schnittstellensystems mit automatisierter Einspeiseoptimierung von EEG-Anlagen
In den letzten Jahren nimmt der Anteil der Energiegewinnung aus erneuerbaren Energien
im Stromnetz immer weiter zu. Folglich erhöht sich damit auch der Einfluss des
Wetters auf den eingespeisten Strom in das Stromnetz. Dies wiederum wirkt sich auf
die Preisbildung an den Strommärkten – besonders den Kurzfristmärkten – aus und
führt vermehrt zu negativen Strompreisen. Um dem entgegenzuwirken, sollte steuerbare
Energiegewinnung so angepasst werden, dass diese bei hohen Strompreisen einspeisen
und bei niedrigen Strompreisen keine Einspeisung erfolgt.
In dieser Diplomarbeit wird ein Schnittstellensystem entwickelt, welches das Ziel verfolgt,
die Einspeisevergütung von EEG-Anlagen zu optimieren. Dabei steht besonders die
Optimierung des Fahrplans von Biogasanlagen im Fokus. Als wichtigste Randbedingung
der Optimierung werden Prognosen des elektrischen Strompreises verwendet.
Das Schnittstellensystem ist in der Programmiersprache Python verfasst und muss im
Wesentlichen drei Schnittstellen bedienen: den Bezug von Daten für die Optimierung,
die Kommunikation mit einem Optimierungsframework und den Export der optimierten
Fahrplandaten. Für eine vereinfachte Kommunikation mit dem Nutzer wird weiterhin
eine Benutzeroberfläche entwickelt.
Für die Auswahl eines geeigneten Solvers und Frameworks für die Optimierung wird
sich an der Vorgehensweise zur Erstellung einer Pugh-Matrix orientiert. Dazu werden
verschiedene Kriterien für die Auswahl ermittelt und diesen eine Gewichtung bezüglich
deren Relevanz zugeordnet. Als Ergebnis wurde FlixOpt als Optimierungsframework
und Gurobi als Solver festgelegt.
In dem weiteren Vorgehen wird das Schnittstellensystem aufgebaut und die Anforderungen an die benötigten Klassen definiert und umgesetzt. Dies beinhaltet auch,
welche Nebenbedingungen für die Optimierung des Fahrplans übergeben werden sollen
und wie diese ermittelt werden. Aufgrund der zu erwartenden Anzahl von bis zu 1000
Anlagen in dem Schnittstellensystem wird zusätzlich eine Datenbank aufgebaut, welche
die Verwaltung der anfallenden Daten übernimmt.
Abschließend werden die Funktionen des Schnittstellensystems getestet. Dazu wird
exemplarisch eine reale Anlage in dem Schnittstellensystem angelegt und deren Fahrplan
für einen Zeitraum von einer Woche optimiert. Das Ergebnis der Optimierung
und das Vorgehen für das Anlegen der Anlage wird mit einem bereits bestehenden
Vergleichssystem für die Optimierung gegenübergestellt. Als Ergebnis dessen wurde
ermittelt, dass das Schnittstellensystem die Optimierung schnell durchführen konnte
und ein höherer Erlös aus dem erstellten Fahrplan erzielt werden kann. Weiterhin
wurde durch das Anlegen von 1000 exemplarischen Anlagen (auch bewusst fehlerhafte)
in dem Schnittstellensystem nachgewiesen, dass dieses auch unter dieser Anzahl
ohne Einschränkungen funktioniert und fehlerhafte Anlagen dessen Funktion nicht
beeinflussen.
Bearbeitet von: Robin Böhm
Betreut von: Martin Frohs - Sachsen Energie, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Untersuchungen zur Auslegung von Reinsträumen in der Mikroelektronik
Im Rahmen dieser Fachpraktikumsarbeit wurde die bestehende Lüftungs- und Klima-tisierungsinfrastruktur im Gebäude 32 von Infineon Dresden analysiert und eine op-timierte Versorgungssituation für die Reinräume entwickelt. Der Fokus lag auf der ther-mischen und volumenstromtechnischen Lastberechnung als Grundlage für die Weiterentwicklung und Anpassung der bestehenden Lüftungsanlagen.
Die Analyse der aktuellen Versorgungssituation ergab, dass die bestehenden Lüftung-ssysteme aufgrund gestiegener Anforderungen durch neue Produktionsanlagen sowie bauliche Veränderungen nicht mehr vollständig ausreichen. Besonders die Erhaltung der Reinheitsklasse nach ISO 14644 stellte eine Herausforderung dar. Um eine gleichmäßige Luftverteilung sicherzustellen und die Gefahr der Verunreinigung durch benachbarte Bereiche zu vermeiden, wurde ein Überdruckkonzept ausgearbeitet. Dies verhindert, dass die Reinräume Luft aus angrenzenden Bereichen ansaugen und dadurch Partikel oder Verunreinigungen eindringen.
Auf Basis umfassender thermischer und volumetrischer Lastberechnungen wurde die notwendige Zuluft- und Abluftkapazität ermittelt, um eine stabile und effiziente Klimatisierung zu gewährleisten. Die Berechnungen zeigten, dass zur Vermeidung von Unterdruck eine Anpassung der Luftmengen erforderlich ist. Hierbei wurden sowohl die Prozessfortluft als auch die internen Wärmelasten berücksichtigt. Durch die präzise Abstimmung der Zuluft- und Abluftströme konnte sichergestellt werden, dass das gewünschte Druckgleichgewicht im Reinraum erhalten bleibt.
Zur Optimierung der Lüftungsanlage wurden verschiedene Maßnahmen entwickelt. Dazu zählen die Implementierung energieeffizienter Kreuzstromwärmeübertrager, die Integration moderner Hochdruckbefeuchtungssysteme sowie die Einführung einer zentralen Steuerungseinheit zur bedarfsgerechten Regelung der Luftströme. Darüber hinaus wurde eine verbesserte Luftbilanzierung durchgeführt, um ein stabiles Raumklima mit konstanter Temperatur und Feuchtigkeit zu gewährleisten.
Die durchgeführten Berechnungen und Planungen bieten eine langfristige Lösung für die energieeffiziente und normgerechte Klimatisierung von Reinräumen. Die optimierte Anlagenauslegung schafft eine stabile Grundlage für zukünftige Erweiterungen und gewährleistet eine zuverlässige Einhaltung der Reinheits- und Druckanforderungen. Die gewonnenen Erkenntnisse liefern zudem wertvolle Anwendungsbeispiele für weitere Infrastrukturmaßnahmen im Bereich der Reinraumtechnik.
Bearbeitet von: Selin Sari
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Lars Schinke, Klaus Ogiermann - Manager Process Dresden ATF
Jahr: 2024, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Konzeption und Bewertung von Maßnahmen zur Energieversorgung und -einsparung für ein Fußballstadion
Der Fußballsportverein Oschatz e. V. verfolgt das Ziel, seine Treibhausgasemission zu
reduzieren und die Unabhängigkeit externer Energielieferungen zu erhöhen. Zu diesem Zwecke wird eine Machbarkeitsstudie erstellt, die sowohl Effizienzmaßnahmen als auch den Umbau der Energieversorgung unter Einbeziehung erneuerbarer Energie untersucht.
Im ersten Schritt erfolgt eine Analyse des bestehenden Energiesystems, um Strom- und
Wärmelastgänge zu erarbeiten. Anschließend wird die Energie- und Kosteneinsparungen durch den Umbau der vorhandenen Flutlichtanlage auf LED-Technik berechnet sowie potenzielle Photovoltaikanlagen auf den Dächern der Vereinsgebäude simuliert. Die derzeitige Energieversorgung über das Stromnetz und einen Erdgaskessel wird als Referenzzustand drei alternativen Versorgungsvarianten gegenübergestellt:
1. Photovoltaikanlage mit Elektroheizstab und Wärmespeicher
2. Photovoltaikanlage mit Luft-Wasser-Wärmepumpe und Wärmespeicher
3. Photovoltaikanlage mit Batteriespeicher, Luft-Wasser-Wärmepumpe und Wärmespeicher.
Die Bewertung der Varianten erfolgt anhand energetischer, ökologischer und wirtschaftlicher Aspekte. Im Ergebniss wird Variante 3 aufgrund der größten Reduktion der Treibhausgasemissionen und einer zugleich positiven Wirtschaftlichkeit als
Vorzugsvariante empfohlen.
Bearbeitet von: Laurin Schmid
Betreut von: Clemens Schmitt - GICON®-Großmann Ingenieur Consult GmbH
Jahr: 2024, Studienarbeit
Bewertung der Praktikabilität optimierungsbasierter Regelungen in der Wärmeversorgung anhand eines Wohnkomplexes mit BHKW und Erdwärme-Wärmepumpe
In dieser Arbeit wird die Praktikabilität von optimierungsbasierten Steuerungen an einer Wärmeversorgungsanlage eines 70-Parteienwohnkomplexes simulationsgestützt untersucht. Das Energiesystem besteht aus einem Blockheizkraftwerk, einer Sole-Wasser-
Wärmepumpe, einem Brennwertkessel und zwei Schichtspeichern. Zu Beginn wird das grundlegende Fachwissen in den Bereichen Gebäudeautomation, Anlagentechnik und Optimierung umrissen, worauf eine Beschreibung des Optimierungs- und Simulationsmodells der Anlage und deren konventionelle Anlagenregelung folgt. Anschließend wird das Programm OptiLink entworfen und implementiert, welches die Überführung der Optimierungsergebnisse des Energieknotenmodells in praxistechnische Sollwert-Signale (teil-)automatisiert und generalisiert durchführt. Dabei werden technische Anforderungen an die Anlagentechnik berücksichtigt und in einer parallel laufenden Simulation die technische Zulässigkeit des Systemzustandes geprüft. Im ersten Ansatz wird der Spezialfall untersucht, in dem sich die Schnittstellen von Optimierung und Gebäudeautomation unterscheiden. Die Leistungsvorgaben des Anlagenfahrplans werden für die Integration in eine regelbasierte Regelung auf eine Speichersolltemperatur reduziert. Im zweiten Ansatz wird der Fall untersucht, in dem die Schnittstellen zwischen der Optimierung und der Gebäudeautomation übereinstimmen, d. h. die Ergebnisgrößen der Optimierung werden die Eingangsgrößen der Gebäudeautomation. Das Verhalten der realen Anlage bei unterschiedlichen Regelstrategien wird durch ein finales Kontrollmodell simuliert. Die Validierung zeigt, dass beim ersten Steuerungsansatz viel Optimierungspotenzial verloren geht und weiterführende Untersuchungen notwendig sind. Der zweite Steuerungsansatz belegt, dass die Leistungsvorgaben der Optimierung präzise umgesetzt werden können.
Die Steuerung der Speicherausgleichspumpe funktioniert abgesehen von Abweichungen aufgrund einer nicht perfekten Prognose des Optimierungsmodells. Somit bestätigt sich, dass die Steuerung mithilfe von OptiLink signifikant von der Qualität des Optimierungsmodells abhängt. Zusammenfassend kann jedoch festgehalten werden, dass mithilfe von OptiLink eine Überführung der optimierungsbasierten Steuerung in Anlagensignale unter Berücksichtigung einiger praxistechnischen Anforderungen generalisierend und in Echtzeit umgesetzt werden kann.
Bearbeitet von: Richard Sturz
Betreut von: Dipl.-Ing. Torsten Schwan - EA Systems Dresden GmbH, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Untersuchungen zur Optimierung des Referenzdruckmessung - und Auswertung in einem ausgedehnten Fabrikationsgebäude
Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Optimierung der Referenzdruckmessung in einem Gebäude einer Halbleiterfabrik. Ziel der Arbeit war es, die Einflüsse auf eine Referenzdruckleitung zu analysieren, da diese einen direkten Einfluss auf die Funktionalität der an die Leitung angeschlossenen Systeme haben und die Regelstabilität dieser Systeme beeinträchtigen können. Im Rahmen der Arbeit wurde der Reinraum von GlobalFoundries und dessen Lüftungssystem beschrieben, wobei besonderes Augenmerk auf die zugrundeliegenden mechanischen und regelungstechnischen Aspekte gelegt wurde.
Die Analyse stützte sich auf die vorhandenen Messdaten des bestehenden Messsystems, die genutzt werden, um das Problem der Druckschwankungen an windreichen Tagen zu bewerten. Zur strukturierten Auswertung der Messdaten wurde ein Visualisierungstool erstellt, das die Messdaten übersichtlich darstellt und eine detaillierte Bewertung ermöglicht. Dies diente dazu, die Ursache der Druckschwankungen innerhalb der Systeme zu bestätigen.
Im Verlauf der Untersuchung wurden die Einflussfaktoren auf die Referenzdruckleitung sowie auf die Druckmessung über verschiedene Tage im Jahresverlauf detailliert analysiert. Basierend auf den Ergebnissen dieser Analyse wurden mechanische Verbesserungen zur Dämpfung der Einflüsse auf die bestehende Referenzdruckleitung in Betracht gezogen. Darüber hinaus wurden Optimierungsmöglichkeiten der Referenzdruckleitung und deren Lüftungsableitungsstellen untersucht. Ergänzend wurden auch mögliche regelungstechnische Verbesserungen an den Messgeräten vorgeschlagen.
Dazu wurde ein allgemeiner Lösungsansatz formuliert, der die einzelnen Teillösungen integriert, um eine umfassende Optimierung der Referenzdruckmessung sicherzustellen. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden abschließend zusammengefasst und durch einen Ausblick auf mögliche weiterführende Untersuchungen sowie Optimierungsmaßnahmen ergänzt.
Bearbeitet von: Salah Habib
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dr.-Ing. Thomas Püschel – GlobalFoundris (GF®), Dipl.-Ing. Michael Scharf – GlobalFoundris (GF®)
Jahr: 2024, Projektarbeit im Fachpraktikum
Optimierung des Energieversorgungskonzeptes einer Neubausiedlung
In dieser Arbeit wird das Ziel verfolgt, ein optimiertes Energiekonzept für die Versorgung einer Neubausiedlung (21 Häuser) mit Strom aus einer Photovoltaik-Anlage (ca. 1 MWp) zu entwerfen. Dazu soll eine Optimierungsrechnung mit dem Optimierungsframework flixOpt durchgeführt und anschließend ausgewertet werden.
Zu diesem Zweck werden zunächst die Rahmenbedingungen des Projektes erläutert und Möglichkeiten sowie Einschränkungen beschrieben. Es folgt der Entwurf eines Energiekonzeptes, welches zentrale und dezentrale Batteriespeichersysteme beinhaltet. Weiterhin gehört dem Gesamtenergiekonzept eine lokale Wärmeversorgung an, ein Wasserstoffspeicherpfad und die Nutzung dezentraler, in den einzelnen Häusern platzierter Speichersysteme. Außerdem soll die dezentrale Wärmeversorgung der Häuser über hauseigene Wärmepumpen eine Option darstellen. Für die Komponenten des Energiekonzeptes werden in der Folge technische Daten und Kostenannahmen bestimmt, um diese in flixOpt modellieren zu können. In diesem Zuge werden auch Lastprognosen für den Strom- und Wärmebedarf der Neubausiedlung angestellt. Weiterhin wird eine bestehende Ertragsprognose für die PV-Anlage mit realen Erzeugungsdaten derselben
abgeglichen. Nach Zuordnung der anfallenden Kosten für Investitionen, Betrieb und Energie, wird als Optimierungsziel eine Kostenoptimierung für das Quartier festgelegt. Aufgrund zu hoher Rechenzeiten erfolgt eine Reduzierung des Problems mithilfe logischer Überlegungen und Berechnungen. Daraufhin werden Optimierungsrechnungen mit dem entwickelten Modell angestellt, ausgewertet und diskutiert. Es wird eine Bewertung der erzielten Ergebnisse vorgenommen und eine Handlungsempfehlung zur Umsetzung des Energiekonzeptes gegeben.
Die abschließende Empfehlung lautet, die entstehenden Häuser mit Luftwärmepumpen auszustatten und je nach Energiebedarf individuell zu prüfen, ob die Investition in einen Wärmespeicher sinnvoll ist. In der Zukunft sollen weitere Optimierungsrechnungen angestellt werden, um belastbarere Ergebnisse zu erzielen.
Bearbeitet von: Justus Jonas Kerlin
Betreut von: Dr.rer.nat. Peter Stange, Dipl.-Ing. Tiedo Behrends
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Analyse der Nutzung von Kondensationsenthalpie im Abluftsystem in der Trocknungspartie von Papiermaschinen
Die Papierindustrie zählt zu den energieintensivsten Wirtschaftssektoren und steht durch den Klimawandel und neue Klimaschutzvorgaben vor erheblichen Herausforderungen. Besonders die Trocknung der Papierbahnen erfordert große Energiemengen, bietet jedoch gleichzeitig ein erhebliches Potenzial für Energieeinsparungen durch Wärmerückgewinnung. Die vorliegende Arbeit untersucht, wie sich die Kondensationsenthalpie aus der feuchten Abluft der Trocknungssektion von Papiermaschinen nutzen lässt, um die Energieeffizienz zu steigern.
Zu diesem Zweck wurde das Prozessluftsystem mithilfe eines R&I-Fließschemas analysiert und ein Messkonzept entwickelt, das die Enthalpieströme erfasst. Die Prozess- und Messdaten (relative Feuchtigkeit und Temperatur) wurden in Echtzeit übertragen und für ein digitales Energiebilanzmodell aufbereitet, welches das Potenzial der Wärmerückgewinnung bestätigt. Das Ergebnis zeigt, dass ein Großteil der eingesetzten Energie in der Fortluft enthalten ist, woraus sich Möglichkeiten zur Optimierung der Prozessführung ergeben.
Empfehlungen für weiterführende Untersuchungen umfassen eine Ausweitung der Messung auf weitere Luftströme, sowie eine grundlegende Prüfung des Hallenklimasystems. Eine kontrollierte Feuchtigkeitsregulation könnte die bisher verwendete Heizenergie künftig für Dampfrückgewinnung nutzbar machen. Diese Arbeit leistet somit einen Beitrag zur Verbesserung der Energieeffizienz und zur Nachhaltigkeit in der Papierproduktion.
Bearbeitet von: Florian Günther
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr. Hagen Hilse - GICON
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Analyse eines zellulären Energiesystems im suburbanen Raum am Beispiel der Ortschaft Schwarzkollm
Die vorliegende Arbeit widmet sich der gebäudescharfen Energiebedarfsermittlung am Beispiel der Ortschaft Schwarzkollm. Die methodische Herangehensweise basiert auf der Aggregation öffentlich verfügbarer Geodaten in einem Geoinformationssystem in Verknüpfung mit lokalem Expertenwissen, wobei verschiedene energierelevante Parameter integriert werden. Die räumliche Visualisierung der Ergebnisse erfolgt mittels eines Wärmeatlasses sowie Wärme- und Elektroenergie-Heatmaps. Ein zentraler Aspekt der Arbeit ist die Prognose des Wärmebedarfs bis 2035, die unter Berücksichtigung der demografischen Entwicklung, der Leerstandsdynamik und der Sanierungsrate erfolgt. Die Modellierung basiert dabei auf einem mehrstufigen Ansatz, der sowohl statistische als auch empirische Daten integriert. Im Kontext der kommunalen Energieplanung werden abschließend konkrete Handlungsempfehlungen für die Implementierung eines nachhaltigen Energiesystems in Schwarzkollm entwickelt. Eine kritische Analyse und Weiterentwicklung der von Viessmann vorgelegten Konzeptstudie zur Nahwärmeversorgung komplettiert die Untersuchung und zeigt Optimierungspotenziale für die praktische Umsetzung auf.
Bearbeitet von: Jennifer Peine
Betreut von: Dipl.-Wi.-Ing. Pauline Grun, Dr.-Ing. Paul Seidel, Michael Boch - "IGES" Interessengemeinschaft Energieversorgung Schwarzkollm
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Automatisierte Klassifikation von Datenpunkten der technischen Gebäudeausrüstung anhand von Zeitreihen
Die Dekarbonisierung des Gebäudesektors ist essenziell für das Erreichen der Klimaziele, insbesondere angesichts der ineffizienten Betriebsweise vieler Bestandsgebäude. Die Nutzung softwarebasierter Anwendungen für Energieeinsparung wie Energiemonitoring, prädiktive Wartung oder digitaler Zwillinge erfordert eine detaillierte semantische Beschreibung der Gebäudeenergiesysteme. Diese Informationen fehlen jedoch häufig oder müssen manuell erfasst werden, was zeitaufwendig und fehleranfällig ist. In dieser Arbeit wurde ein ganzheitliches Verfahren zur Metadaten-Inferenz für lüftungstechnische Anlagen entwickelt, das darauf abzielt, mithilfe von maschinellem Lernen Anlagenwissensgraphen zu erzeugen. Dabei wurden zwei Informationsquellen – Datenpunktnamen und Zeitreihen – integriert, um die Typen von Datenpunkten zu klassifizieren und deren funktionale sowie räumliche Beziehungen zu erkennen. Zur Datenpunkttyp-Erkennung wurden zwei Ansätze verwendet: ein zeitreihenbasiertes Klassifikationsmodell und ein neuronales Sprachmodell, welches die Datenpunktnamen klassifiziert. Für die funktionalen Beziehungen wurde eine Methodik entwickelt, die ausschließlich auf Zeitreihen-Analysen basiert. Die räumlichen Beziehungen wurden mit einem neuronalen Sprachmodell, das als binärer Klassifikator fungiert, identifiziert. Ein Ensemble-Learning-Ansatz wurde eingesetzt, um die Genauigkeit der Datenpunkttyp- Erkennung zu verbessern. Die Funktionalität des Verfahrens wurde anhand des Open- Source-Datensatzes MORTAR evaluiert. Die Ergebnisse zeigen einen F1-Score von 99 % für Datenpunkt-Typerkennung und für die fünf Datenpunkt-Typen fehlerfreie Erkennung. Die Erkennung räumlicher Beziehungen erreicht 93 %, wobei hier vor allem viele falsche Positive auffallen. Funktionale Beziehungen werden zu 79 % korrekt erkannt, was auf Herausforderungen in diesem Bereich hindeutet. Dennoch bestehen Herausforderungen hinsichtlich der Datenvielfalt, Genauigkeit von Beziehung-Erkennungen und der Erweiterung auf zusätzliche Klassen und Komponenten. Diese Arbeit zeigt die Machbarkeit der automatisierten Erstellung von Wissensgraphen für Gebäudeenergiesysteme auf, hebt jedoch hervor, dass weitere Optimierungen notwendig sind, um die Robustheit zu steigern und den Anwendungsbereich zu erweitern.
Bearbeitet von: Hüseyin Tokul
Betreut von: Dr. Andreas Wilde - EAS, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2024, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Experimentelle Untersuchung an einem Thermosyphon
Für die experimentelle Untersuchung thermodynamischer Größen an einem Thermosyphon, wurde am Institut für Luft und Kältetechnik Dresden (ILK) ein Thermosyphon mit einer Höhe hrs = 1800 mm konstruiert. Um einen isothermen Betrieb zu simulieren, wurden für die Versuchsdurchführung Verdampfer und Kondensator mit Wasserkreisläufen verbunden. Der modulare Verdampfer wurde mit verschiedenen Modifikationen ausgestattet. Diese sind eine SiO2-Suspension, eine Spiralfeder und ein Stent. Die aufgezeichneten Werte wurden mittels eines Skriptes ausgewertet und mit der Referenzmessreihe an H2O verglichen.
Die Suspension erzielte eine deutliche Absenkung des thermischen Widerstandes im Bereich Qpe ≤ 200 W. Die Spiralfeder und der Stent senkten den thermischen Widerstand über den gesamten beobachteten Bereich nur leicht. Des weiteren ließ sich die Entstehung von Geysirzyklen bei dem Einsatz der Suspension, erst bei höheren Betriebstemperaturen beobachten; während eine Feder diese komplett unterdrückte.
Für die Untersuchung der Effekte einzelner Modifikationen, wurde der Verdampfer nach den Messreihen aufgeschnitten und fotografiert. Außerdem wurden auch die Arbeitsfluide aus dem inneren Verdampfer, mithilfe von Atomemissionsspektrometrie, auf Kupfer, Eisen und Silizium untersucht.
Bearbeitet von: Lukas Reinecke
Betreut von: PD Dr.-Ing.habil. Matthias H. Buschmann - ILK Dresden gGmbH, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Markus Rösler
Jahr: 2024, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Analyse von Energieströmen und Erarbeitung daraus resultierender Optimierungsvorschläge für die Vergärungsanlage Dresden-Klotzsche
In den vergangenen Jahren hat die Relevanz einer nachhaltigen Energieerzeugung sowie einer effizienten Abfallwirtschaft signifikant zugenommen. In diesem Kontext kommt Biogasanlagen eine zentrale Bedeutung zu, da sie nicht nur zur Produktion erneuerbarer Energien beitragen, sondern auch ein wesentlicher Bestandteil der Kreislaufwirtschaft sind. Obgleich Bioabfall bereits in großem Umfang industriell verwertet wird und das in Biogasanlagen gewonnene Biogas bereits gegenwärtig einen verlässlichen Beitrag zur deutschen Energieversorgung darstellt, bleibt ein beträchtliches Optimierungspotenzial bezüglich der Abfallströme und der Biogasnutzung bislang ungenutzt.
Die vorliegende Arbeit analysiert die aktuellen Herausforderungen und Chancen im Bereich der Biogasanlagen im Kontext der Abfall- und Kreislaufwirtschaft mit dem Ziel, die Vielfältigkeit der Optimierungsmöglichkeiten aufzuzeigen. Die dargestellten Ergebnisse werden anhand der Bioabfallvergärungsanlage der MVV Umwelt GmbH veranschaulicht. Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt auf der Darstellung der Möglichkeiten zur Erhöhung der Biomethan-Produktion sowie der Erschließung von weiteren Optimierungspotenzialen durch eine detaillierte Analyse der Betriebsprozesse. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die Wärmeversorgung der Anlage gelegt. Die Auswertung von Betriebsdaten sowie die Modellierung des Heizungssystems dienen der Erarbeitung von Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung des aktuellen Betriebs sowie zur Verringerung des Anteils an ungenutzter Wärme. Des Weiteren werden alternative Wärmeerzeuger in die Betrachtung mit einbezogen, da sie das Potenzial bergen, den Biogaseigenbedarf zu reduzieren und somit die Biomethanproduktion zu erhöhen. Das Ziel dieser Untersuchung besteht in der Aufzeigung von Maßnahmen, welche geeignet sind, die Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen zu steigern und somit deren Beitrag zur Energieversorgung im Sinne der Kreislaufwirtschaft zu maximieren.
Bearbeitet von: Richard Michael Hempel
Betreut von: Sven Böhler - MVV, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Thomas Sander
Jahr: 2024, Studienarbeit
Erweiterung einer standardisierten Auswerteroutine für Wärmespeicher-Versuchsreihen
Das Forschungsprojekt VKTES (Erarbeitung von Vergleichskennzahlen für thermische Energiespeicher) zielt darauf ab, Kennzahlen und Methoden zu entwickeln, die Ingenieuren den technischen und wirtschaftlichen Vergleich verschiedener thermischer Speicher erleichtern sollen. Diese Vergleichskennzahlen helfen Herstellern und Planern, die Eignung der Speicher für spezifische Anwendungsfälle wie Heizung, Trinkwassererwärmung oder Kühlung besser zu bewerten. Zudem sind die ermittelten Vergleichskennzahlen wichtig für die Auslegung von Heiz- und Kühlsystemen, da sie zur Optimierung des Energieverbrauchs und zur Sicherstellung eines nachhaltigen Betriebs beitragen.
In dieser Arbeit wird die Auswerteroutine zur Analyse von Versuchen an Wärmespeichern, die ursprünglich in der Studienarbeit von Cheng auf Basis von Excel-VBA entwickelt wurde, in die Programmiersprache Python überführt und erweitert. Ziel ist es, durch die neue Auswerteroutine die Auswertung der Messdaten effizienter und automatisierter zu gestalten. Die Versuche wurden an zwei Wärmespeichern des Unternehmens Kermi GmbH mit unterschiedlichen Volumina durchgeführt, wobei jeweils ein Be- und ein Entladevorgang analysiert wurde. Des Weiteren wurde die bestehende Excel-Auswertungsvorlage aus der Studienarbeit von Cheng erweitert, um Vergleichskennzahlen zu berechnen und Messwerte grafisch darzustellen. Zusätzlich wurde eine neue Excel-Vorlage entwickelt, die erweiterte Diagramme zur Darstellung von Messwerten enthält und einen Vergleich von drei Versuchen ermöglicht.
Eine ausführliche Dokumentation des erstellten Python-Skripts soll sicherstellen, dass die Auswertungen von jedem Nutzer reproduzierbar und nachvollziehbar sind. Die Ergebnisse der neuen Auswerteroutine sollen, ebenso wie in der Arbeit von Cheng, ein tieferes Verständnis für die Bedeutung der Vergleichskennzahlen in Bezug auf Wasser-Wärmespeicher vermitteln.
Bearbeitet von: Tran Xuan Thang
Betreut von: Dipl.-Ing. Franziska Koch, Dipl.-Ing. Stefan Hoppe
Jahr: 2024, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Analysen zu Einsatzpotenzialen und Rahmenbedingungen für schwimmende Photovoltaik-Anlagen in Pumpspeicherkraftwerken
In dieser Arbeit wird das Potenzial der Integration von schwimmenden Photovoltaikanlagen mit Pumpspeicherkraftwerken untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Analyse technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Aspekte, insbesondere anhand des Pumpspeicherkraftwerks Niederwartha als Fallstudie. Systeme mit schwimmenden PPV-Anlagen können die Effizienz von Pumpspeicherkraftwerken erhöhen, indem sie zusätzlichen Strom erzeugen und die Wasserverdunstung reduzieren. In der Studie werden drei verschiedene Oberflächenbedeckungsgrade (1 %, 15 %, 30 %) und mehrere Betriebsarten untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Integration von schwimmenden PV-Anlagen aus energetischer Sicht vielversprechend, aber aufgrund der langen Amortisationszeiten mit wirtschaftlichen Herausforderungen konfrontiert ist, die durch steigende Energiepreise und technologische Fortschritte gemildert werden könnten. Rechtliche Rahmenbedingungen und ökologische Auswirkungen werden ebenfalls berücksichtigt. Simulationen zeigen das Potenzial für eine nachhaltige Nutzung dieser Kombination zur Stabilisierung des Stromnetzes und zur Reduzierung der CO2-Emissionen.
Bearbeitet von: Heidar Mirahmadi
Betreut von: Dr.-Ing. Torsten Heyer - TU Dresden, Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik, Professur Wasserbau
Jahr: 2024, Studienarbeit
Erstellen eines Simulationsmodells für die Solarthermieanlage mit Fernwärmeeinspeisung NEST-W 2.0 und Vergleich mit Monitoringdaten
Im Jahr 2023 wurde im Rahmen des Projekts HYDRA RoS die Feldanlage NEST-W 2.0 in Betrieb genommen. Diese Anlage besteht aus einem Solarthermie-Kollektorkreislauf, der über einen Plattenwärmeübertrager Wärme an das Fernwärmenetz der Stadt Dresden abgibt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Plausibilisierung der Messdaten aus dieser Anlage und dem Erstellen eines realitätsnahen Simulationsmodells mit Hilfe von dazu relevanten Abstraktionsmethoden. Es werden dabei die wichtigsten Betriebszustände der Anlage angeschaut und im Programm POLYSUN® Designer implementiert. Zu diesen Betriebszuständen gehören der Einspeisebetrieb, der Frostschutzbetrieb und die Stagnation. Darauffolgend wird die Güte des Modells überprüft, in dem man ausgewählte Zeiträume für die einzelnen Betriebszustände mit realen Messdaten vergleicht. Am Anfang des Jahres 2024 erfolgte in der Anlage ein Umbau des Plattenwärmeübertragers mit dem Ziel die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz zu minimieren. Die Wirkung dieses Umbaus wird zuerst theoretisch begründet, danach mit Messdaten überprüft. Außerdem werden die zwei Wärmeübertrager in dem Simulationsmodell der Anlage implementiert und auf diesem Weg ebenfalls bewertet und verglichen.
Bearbeitet von: Alex Blandón
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2024, Studienarbeit
Entwicklung von Energiekonzepten für ein Laborgebäude unter Berücksichtigung des CO2-Fußabdrucks, der Recyclingfähigkeit und C2C-Prinzip
Die Errichtung und Nutzung von Gebäuden tragen maßgeblich zum Energieverbrauch und zu den Emissionen von Treibhausgas in Deutschland bei. Vorliegende Arbeit untersucht am Beispiel des Neubaus des Laborgebäudes „Center for Sustainable Materials and Energy (CSME)" im Technologiepark Weinberg Campus in Halle an der Saale verschiedene Energiekonzepte zur nachhaltigen Wärme- und Kältebereitstellung.
Das Ziel des Vergleichs der Energiekonzepte ist es, den CO2-Fußabdruck gering zu halten. Eine Energiebedarfsanalyse des Neubaus ermöglicht es, die benötigte Heiz- und Kühllast auf Basis der Gebäudegeometrie, der Bauteile und der Nutzungsprofile zu ermitteln. Dieser Schritt stellt die Grundlage für die Dimensionierung der Anlagentechnik dar. Anschließend werden Energiekonzepte entwickelt, die auf erneuerbaren Energien basieren. Diese Konzepte werden unter ökologischen, funktionalen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten bewertet. Besondere Beachtung finden dabei die Cradle to Cradle (C2C) Philosophie, d.h. die Kreislauffähigkeit der Anlagen und der Einsatz erneuerbarer Energien.
Die Analyse zeigt, dass das Energiekonzept mit einer reversiblen Wärmepumpenanlage und Kompressionskältemaschinen über den gesamten Betrachtungszeitraum von 50 Jahren die geringsten Umweltbelastungen und die zweitniedrigsten Gesamtkosten aufweist. Diese Variante nutzt erneuerbare Energien wie Umweltenergie und Solarenergie, die mehr als 50 % des Endenergiebedarfs ausmachen. Außerdem werden durch die Reversibilität der Wärmepumpe Materialkosten eingespart. Die Untersuchungen zeigen aber auch, dass die Eignung der Konzepte je nach Betrachtungswinkel variiert.
Bearbeitet von: Mathis Roynard
Betreut von: Peer-Uwe Waldbauer - ZWP Ingenieur AG, Jan Richarz - ZWP Ingenieur AG, Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Entwicklung und Bewertung von Wärmeversorgungszenarien für ein Quartiers-Wärmenetz im Bestand
Die Dekarbonisierung von Wärmenetzen stellt einen essenziellen Baustein für die Wärmewende in Deutschland dar.
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Dekarbonisierung eines Wärmenetzes im Dresdner Stadtteil Laubegast. Zunächst erfolgt eine Bestandsanalyse des Wärmenetzes. Dafür wurden die Wärmeverluste abgeschätzt, die Verbrauchsdaten ausgewertet und ein Wärmelastgang entwickelt. Es erfolgte die Identifizierung erneuerbarer Energiequellen für die leitungsgebundene, regenerative Wärmeversorgung. Diese sind Erdwärme, Abwasser und Grundwasser und können in Verbindung mit einer Wärmepumpe eine nachhaltige Alternative zur aktuellen Wärmeversorgung darstellen. Basierend auf den regenerativen Energiequellen im Quartier wird ein Erzeugerportfolio für verschiedene Wärmeversorgungsvarianten entwickelt.
Mit Hilfe des an der Professur GEWV der TU Dresden entwickelten Optimierungsframeworks flixOpt wird die kostengünstigste und emissionsärmste Versorgungsvariante ermittelt.
Die Wärmequelle Abwasser in Verbindung mit einer Wärmepumpe, einem Biomethankessel sowie einem Speicher erwies sich als die Vorzugsvariante für das Quartier.
Bearbeitet von: Laura Franz
Betreut von: Swen-Sören Börner - Sachsen Energie AG, Dr. Franziska Graube-Kühne - Sachsen Energie AG, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Auslegung, Umsetzung und Vermessung einer kombinierten PVT-Wärmepumpen-Anlage zu Demonstrations- und Lehrzwecken
In dieser Arbeit wird die Konzeption einer kombinierten PVT-Wärmepumpen-Anlage für die studentische Ausbildung und zu Demonstrationszwecken vorgenommen und deren Umsetzungsschritte im Zentrum für Energietechnik der TU Dresden vorgestellt. Die Anlage besteht aus vier photovoltaisch-thermischen Kollektoren (sogenannten PVT- Luft/Sole-Kollektoren vom Typ SOLINK), die die Wärmequellenanlage für eine Sole/Wasser-Wärmepumpe bilden. Gleichzeitig kann der Elektroenergiebedarf der Wärmepumpe zum Teil durch die PVT-Module gedeckt werden. Mittels eines Warmwasserspeichers und eines bereits bestehenden hydraulischen Moduls kann die Wärmeabfuhr (Raumheizung und Trinkwassererwärmung) für verschiedene Lastgänge realisiert werden.
Mit Blick auf Herstellervorgaben wird ein Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema der Anlage entwickelt. Die bereits vorhandenen Komponenten werden beschrieben. Es erfolgt zudem die Auslegung fehlender, für die Verschaltung und den sicheren Betrieb der Anlage benötigter Komponenten. Für ein zukünftiges studentisches Praktikum werden potenzielle Aufgabenstellungen formuliert und Anzahl und Ort der dafür benötigten Messstellen festgelegt. Eine konzipierte Methodik für den energetischen und exergetischen Ertragsvergleich der PVT-Module mit Photovoltaik- und Solarthermie-Modulen von an der Professur vorhandenen Anlagen soll den Studierenden Einblicke in die energetische Effizienz der PVT-Module geben. Die Umsetzung erster Teilabschnitte der PVT- Wärmepumpen-Anlage, wie die Anbindung der PVT-Module an das Elektroenergienetz wird begleitet und dokumentiert. Die Arbeit spricht zudem Umsetzungsempfehlungen für die Inbetriebnahme weiterer Teilabschnitte und Empfehlungen für potenzielle Erweiterungen aus.
Bearbeitet von: Elisabeth Elke Wudenka
Betreut von: Dipl.-Ing. Maximilian Beyer, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
Techno-ökonomische Analyse und Optimierung von Batteriespeichern für PV-Großanlagen
Der Umstieg von konventioneller auf erneuerbare und dezentrale Energieversorgung stellt das Energieversorgungssystem vor neue Herausforderungen. Da die Stromerzeugung aus Wind und Sonne nicht konstant und bedarfsgerecht erfolgen kann, entstehen immer häufiger Abweichungen zwischen Erzeugung und Verbrauch. Netzgekoppelte Batteriespeicher bieten einen innovativen und potenziell wirtschaftlichen Lösungsansatz, um diese Lücken und die damit verbundenen Preisschwankungen auszugleichen. In dieser Arbeit wird untersucht, ob sich netzgekoppelte Batteriespeicher neben Photovoltaik- Freiflächenanlagen wirtschaftlich betreiben lassen, wenn sie sich aus dem Netz laden und am Day-Ahead- sowie Intraday- Auktions-Markt vermarkten können. Dafür wurde ein Modell für die zweistufige Entscheidung bei der Vermarktung entwickelt. Mithilfe des Python-Frameworks „flixOpt“ wurde ein zweistufiges, stochastisches, gemischtganzzahliges und lineares Optimierungsproblem formuliert. Im Unterschied zu bestehenden Forschungsarbeiten berücksichtigt diese Einsatzoptimierung die Unsicherheit zukünftiger Intraday-Auktions-Preise, indem es deren Wahrscheinlichkeitsverteilung einbezieht, anstatt mit einer deterministischen Modellierung zu arbeiten. Die Ergebnisse zeigen, dass ein wirtschaftlicher Betrieb von Batteriespeichern erst durch die Vermarktung am Intraday-Auktions-Markt ermöglicht wird. Eine reine Energiearbitrage am Day-Ahead-Markt reicht hingegen nicht aus, um einen profitablen Betrieb zu gewährleisten. Die kombinierte Vermarktung an beiden Märkten führt zu einer weiteren geringfügigen Steigerung der Handelseinnahmen durch Arbitragemöglichkeiten zwischen den Märkten, wobei sich der Betrieb des Speichers kaum von einer reinen Vermarktung am Intraday-Auktions-Markt unterscheidet. Darüber hinaus sind Batteriespeicher mit einer C-Rate zwischen 0,25 und 0,5 für diese Vermarktungsstrategie am wirtschaftlichsten. Der Standort, ob alleinstehend oder neben einer Photovoltaikanlage, hat keinen signifikanten Einfluss auf die Handelseinnahmen.
Bearbeitet von: Jan Fischer
Betreut von: Dr. Carl-Philipp Anke - Sachsen Energie, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2024, Diplomarbeit, Poster
2023
SubReg: Substitution konventioneller Heizkörperregler – Monitoring und Analyse eines Einzelraumregelsystems am Beispiel Merkel-Bau in der Heizperiode 2023/2024
Diese Forschungsarbeit untersucht die Einzelraumversorgung und die damit verbundenen Fehlerpotentiale in smarten Heizsystemen. Ziel der Arbeit ist es, systematische Fehler zu identifizieren und eine Fehlerfrüherkennung zu entwickeln, um die Zuverlässigkeit und Effizienz der Raumtemperaturregelung zu verbessern. Die Untersuchung umfasst die Kategorisierung der Räume, die Datenerfassung und -verarbeitung sowie die Bewertung der thermischen und hydraulischen Versorgung. Durch die Analyse von Nutzungs- und Analysezeiträumen sowie die Implementierung von intermittierendem Heizbetrieb konnten signifikante Energieeinsparungen erzielt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass eine präzise Steuerung der Raumtemperatur nicht nur den thermischen Komfort erhöht, sondern auch zur Reduzierung des Energieverbrauchs beiträgt.
Bearbeitet von: Martin Fischer
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke, Dipl.-Wi.Ing. Laura Lehmann
Jahr: 2023, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Überprüfung der Dimensionierung von Trinkwassererwärmungsanlagen basierend auf Wärmezähler-Messdaten
In dieser Diplomarbeit wird die Dimensionierung von Trinkwassererwärmungsanlagen (TWE-Anlagen) des Fernwärmeunternehmens Vattenfall Wärme Berlin AG anhand von primärseitigen Wärmezählerdaten überprüft. Ein Großteil der an das Fernwärmenetz in Berlin angeschlossenen TWE-Anlagen verfügt über Wärmezähler, wodurch die Daten in einer 15-Minuten-Frequenz vorliegen.
Zu Beginn erfolgt die Ermittlung der Datengrundlage, auf deren Basis anschließend Methoden zur Auswertung entwickelt werden. Die Datenverarbeitung wird durch einen eigens entwickelten Python-Code durchgeführt, der es ermöglicht, auswertbare TWE- Anlagen und ihre Wärmezählerdaten herauszufiltern.
Für die Auswertung der Wärmezählerdaten werden zunächst primärseitig auswertbare Betriebszustände definiert, die je nach TWE-System variieren. Hierbei werden Kriterien festgelegt, die die Zuordnung der Wärmezählerdaten ermöglichen. Innerhalb dieser Kriterien wird für jedes TWE-System die durchschnittliche Rücklauftemperatur über die thermische Energie berechnet und statistisch ausgewertet. Anschließend wird die Heatmap-Auswertungsmethode angewendet, die eine manuelle Sichtung der Wärmezählerdaten für jede TWE-Anlage beinhaltet. Hierbei werden exemplarisch gut und schlecht funktionierende TWE-Anlagen näher betrachtet, basierend auf den zuvor durchgeführten statistischen Auswertungen mittels dieser Methode. Durch die Berechnung der gemittelten Rücklauftemperatur über das kumulierte Volumen und das Gesamtvolumen der TWE-Anlagen ermöglicht diese Methoden eine umfassende Datenanalyse der TWE-Anlagen im Kontext des Fernwärmenetzes.
Abschließend erfolgt ein Abgleich der Datenanalyse mit der TWE-Auslegung des Fernwärmeversorgungsunternehmens Vattenfall Wärme Berlin AG. Aus den Ergebnissen der unterschiedlichen Auswertungen werden Handlungsempfehlungen für Bestandsanlagen und zukünftige TWE-Anlagen formuliert.
Bearbeitet von: Dilara Karabacak
Betreut von: Marius Bergemann, Luise Mann - Vattenfall Wärme Berlin AG, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Energetische Neubewertung des Gebäudes der Gläserne Manufaktur und Entwicklung weiterer Optimierungsmaßnahmen
Die Gläserne Manufaktur Dresden (GMD) hat, als Industriegebäude, einen nicht unerheblichen Energieverbrauch, bei der die technische Gebäudeausrüstung einen Hauptteil einnimmt. Zu den Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung zählen neben Lüftungssystemen, Heizungs- und Kälteanlagen. Diese Anlagen werden unter dem aktuellen Stand der Technik betrachtet und beschrieben. Im Energiebericht zur GMD wurde der Energieverbrauch 2007 letztmalig untersucht und analysiert.
Seit einigen Jahren werden in der GMD die Energieverbräuche kontinuierlich erfasst, jedoch wurden die Ergebnisse nicht tiefgründiger analysiert oder ausgewertet. Auf Basis der erfassten Energieverbräuche, der letzten 5 Jahre, soll eine Verbrauchsanalyse mit Diagrammen dargelegt und mit aktuellen Referenzwerten verglichen werden. In dem Energiebericht von 2007 wurden Optimierungsmaßnahmen dargelegt, um den Energiebedarf zu reduzieren. Zwischenzeitlich wurde die GMD energetisch optimiert. Eine Dokumentation über tatsächlich umgesetzte Maßnahmen erfolgte nicht, so dass diese auf ihre Umsetzung überprüft werden sollen.
In der vorliegenden Arbeit sollen, auf Grundlage des gegenwärtigen Standes des Gebäudes, weitere Vorschläge zur Reduzierung des Energiebedarfs dargelegt werden. Um den Verbrauch simulieren zu können und das Einsparpotenzial aufzuzeigen, wird ein vereinfachter digitaler Zwilling der Gebäudehülle erstellt.
Bearbeitet von: Julius Dietrich
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr.-Ing. Paul Seidel
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Untersuchungen zu einem innovativen Regelverfahren für solarthermische Kraftwerke
Solarthermische Kraftwerke mit linearen Fresnelkollektoren besitzen typischerweise Strecken von aneinander geschweißten Absorberrohren, die bis zu hunderte von Metern lang sein können. Die Austrittstemperatur soll konstant auf einem Zielwert gehalten werden. Schnelle Veränderungen der Solarstrahlung (bspw. durch Wolken) stellen die Regelung vor große Herausforderungen, da das Regelungsverhalten der Strecke aufgrund langer Verweilzeiten des Wärmeträgerfluids sehr träge ist. Somit besteht ein Bedarf, die Solarstrahlung vorauszusagen oder in Echtzeit zu erfassen. Es konnte beobachtet werden, dass die Wärmeausdehnung der Strecke in Echtzeit auf die Veränderungen der Solarstrahlung reagiert. Dadurch besteht ein Interesse, ob über diese die Solarstrahlung auf die Strecke bestimmt werden kann. Ein mathematisch formulierter Zusammenhang ist dafür jedoch nicht bekannt.
In dieser Arbeit werden verschiedene thermodynamische Modelle erstellt, um diesen Zusammenhang zu formulieren. Das Verhalten von zwei aufgestellten Gleichungen wurde anschließend in simulierten Testfällen analysiert. Es stellte sich heraus, dass eine der Gleichungen dem Profil des Wärmestroms, der von der Rohrinnenwand an das Wärmeträgerfluid übergeben wird, in Echtzeit gut folgen kann. Die maximal beobachteten Abweichungen dieser Gleichung befinden sich im zweistelligen Prozentbereich. Dennoch könnte diese Gleichung für die Anwendung genau genug sein. Erste Untersuchungen in realen Kollektorfeldern sollten folgen, um dies zu bestätigen.
Bearbeitet von: Jonathan Gläßer
Betreut von: Dr. Max Mertens - FRENELL GmbH, Dipl.-Ing. Vera Boß
Jahr: 2023, Projektarbeit im Fachpraktikum
Identifikation des Nutzungspotentials vorhandener Trinkwarmwasserspeicher zum Lastmanagement in Fernwärmenetzen
Das Einsparen von Energie ist mit zunehmenden ökonomischen und ökologischen Anreizen einer der wichtigsten Faktoren bei der Konstruktion und Sanierung von Gebäuden geworden. Um diese zunehmend optimal zu gestalten, werden verschiedene Methoden zurzeit erprobt und Optimierungspotenzial in allen Bereichen untersucht, von der Isolierung bis zum Anschluss an Fernwärme.
Im Rahmen dieser Optimierung wurde in einem gemeinsamen Projekt zwischen mehreren Akademischen Einrichtungen eine Untersuchung durchgeführt. Bei diesem Projekt handelte es sich um „Digitalisierung von energieeffizienten Quartierslösungen in der Stadtentwicklung mit intelligenten Fernwärme-Hausanschlussstationen – iHAST (Phasen 1 - 2)“.
Es beschäftigte sich mit der Untersuchung, mit welchen Methoden man die Hausanschlussstationen eines Gebäudes mit Messeinrichtung ausstatten kann, die regelmäßig Informationen über den Energieverbrauch des Fernwärmeabnehmers sendet.
Im Anschluss an dieses Projekt sollte in dieser Arbeit ermittelte werden, ob aus einem Datensatz von implementierten Messtationen Aussagen über den Energieverbrauch des Netzwerks getroffen werden können.
Zudem wurde untersucht, ob und wie anhand der Daten ermittelt werden kann, welche Stationen einen Trinkwarmwasserspeicher besitzen, welche zur temporären Energiespeicherung und Entlastung des Fernwärmenetzes verwendet werden können.
Es konnte eine Methode entwickelt werden, welche es ermöglicht Stationen mit TWW-Speicher zu identifizieren. Anschließend konnten die Daten analysiert werden und es wurden Trends in der Speicherbeladung zwischen mehreren Stationen festgestellt.
Durch die hohe Datenausfallrate war es jedoch nicht möglich, eine definitive Aussage über das Energiesparpotenzial und das verfügbare Speichervolumen zu treffen. Hier können weitere Untersuchungen mit einer besseren Datengrundlage durchgeführt werden.
Bearbeitet von: Christoph Zetzsche
Betreut von: Dipl.-Ing. Vera Boß, Dipl.-Ing. Vera Alieva
Jahr: 2023, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Weiterentwicklung des Erzeugerportfolios eines Fernwärmenetzes um die Integration von Abwärme und Untersuchungen zur Gesamtsystemoptimierung
Die Dekarbonisierung von Fernwärmenetzen stellt einen zentralen Baustein der Wärmewende in dicht besiedelten Gebieten dar. In Anbetracht der fortschreitenden Digitalisierung und wachsender Bedeutung von künstlicher Intelligenz steigt gleichzeitig der Bedarf an Rechenzentrums-Infrastruktur. Das damit verbundene Potenzial nutzbarer Abwärme stellt neben dem Einsatz erneuerbarer Energien eine Möglichkeit dar, Treibhausgas-Emissionen beim Betrieb von Wärmenetzen zu vermeiden.
Die vorliegende Diplomarbeit erweitert die von der SachsenEnergie AG und GESA mbH im Transformationsplan entwickelten Szenarien für die Dekarbonisierung des Fernwärmenetzes der Gemeinde Königswartha (Sachsen) . Die darin beschriebenen Varianten für eine emissionsarme Wärmeversorgung enthalten folgende Technologien: Solarthermieanlage , Sole-Wasser-Wärmepumpe, Holzhackschnitzelfeuerung und Biomethankessel. Die Erweiterung der Varianten um die Abwärmenutzung ausgewählter Rechenzenten in Containerbauweise dient der Entwicklung zusätzlicher Lösungsvorschläge . Diese werden für die Szenarien 2026, 2035 und 2045 im Hinblick auf minimale Gesamtkosten und minimale Treibhausgas-Emissionen opt imiert . Das an der TU Dresden entwickelte Optimierungsframework flixOpt dient dabei als Simulationsumgebung.
Sowohl bei den Varianten des Transformationsplans als auch bei der im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelten Varianten der Erweiterung stellt die Sole-Wasser-Wärmepumpe den wichtigsten Wärmeerzeuger dar. Die Integration der Abwärmenutzung des Rechenzentrum-Containers sorgt für eine Einsparung bei der durch andere Wärmeerzeuger bereitzustellenden Energie und ermöglicht es, deren Nennleistung kleiner zu dimensionieren.
Bearbeitet von: Theo Sell
Betreut von: Felix Fischer - SachsenEnergie AG, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2023, Diplomarbeit
Analysen zur thermischen (lokalen) Behaglichkeit beim Einsatz von Infrarotheizungssystemen
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der thermischen Behaglichkeit von elektrischen Infrarotheizungssystemen in der Anwendung als Raumheizung in Wohngebäuden. Diese geben aufgrund ihrer hohen Oberflächentemperatur primär über Strahlung Wärme in den Raum. Daher ist auf eine Einhaltung der Grenzwerte der Strahlungsasymmetrie als lokales Kriterium der thermischen Behaglichkeit zu achten. Die Strahlungsasymmmetrie ist abhängig von der Raumgeometrie, der Positionierung der IR-Heizfläche, der Oberflächentemperaturen im Raum sowie der Position einer Person. Analytisch berechnet werden kann die Strahlungsasymmetrie nur aufwendig über die den Strahlungsaustausch beschreibenden Einstrahlzahlen. Zur einfachen Erfassung der Strahlungsasymmetrie wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Berechnungstool erstellt. Über einen Vergleich der Ergebnisse einer messtechnischen Untersuchung am Combined Energy Lab der TU Dresden mit denen des Berechnungstools konnte durch Anbringung von Dämmung die Abweichung verringert werden. Vor allem das Gehäuse, aber auch der Wärmeübergangskoeffizient hat Einfluss auf die Abweichungen zwischen Messung und Tool. Obwohl die messtechnischen Ergebnisse mitunter hohe Abweichungen in der Strahlungsasymmetrie aufweisen, ergeben sich bei der Bewertung über den PD nur geringe absolute Abweichungen.
Bearbeitet von: Klara Sulamith Bestehorn
Betreut von: Dipl.-Ing. Maximilian Beyer, Dipl.-Ing. Lars Schinke
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Umsetzung der Optimierung des Speichereinsatzes in der thermohydraulischen Simulation eines Fernwärmenetzes
Die Integration volatiler regenerativer Energiequellen und die Flexibilisierung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen kann in der Fernwärmeversorgung mithilfe von großen Wasserwärmespeichern erfolgen. Um die Auswirkungen solcher Szenarien auf das Fernwärmenetz analysieren zu können, ist die Untersuchung im Rahmen einer thermohydraulischen Netzsimulation bedeutsam. Hierzu wurde bereits die Kopplung eines detaillierten atmosphärischen Wasserwärmespeichermodells in der thermohydraulischen Netzsimulation mit TRNSYS-TUD im Rahmen einer Co-Simulation umgesetzt. Darauf aufbauend widmet sich die vorliegende Arbeit der Umsetzung von Betriebsoptimierungsszenarien in TRNSYS-TUD mit dem Optimierungsframework flixOpt. Im ersten Schritt wird hierzu die vorgegebene Co-Simulationsumgebung analysiert und die Eingliederung von flixOpt implementiert. Anhand eines fiktiven Beispielszenarios einer modellprädiktiven Betriebsführung des Wasserwärmespeichers wird die Funktionsfähigkeit der Schnittstelle nachgewiesen. Die Durchführung zeigt einen Anpassungsbedarf in der Modellierung der Speicherintegration in TRNSYS-TUD. Für ein realitätsnahes Betriebsführungsergebnis sollte außerdem ein höherer Detaillierungsgrad des flixOpt-Energiesystemmodells angestrebt werden. Somit bietet die vorliegende Arbeit Anregungen für weiteren Entwicklungsbedarf sowie Empfehlungen für die nachfolgende Forschung.
Bearbeitet von: Konstantin Seifert
Betreut von: Dr.rer.nat. Peter Stange, Dipl.-Ing. Bogdan Narusavicius
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Messdatenbasierte Kurz- und Langfristprognose des Wärmebedarfs
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Implementierung von Regressionsmodellen zur Prognose der primärseitigen Wärmelast für ein Fernwärmenetz in Mannheim. Die Wärmelastprognose ist ein wichtiges Werkzeug für die Regelung und Planung eines Fernwärmenetzes. Die Wärmelast hängt von der Außentemperatur und dem Nutzerverhalten des Gebäudes ab und kann mittels mathematischer Regression anhand dieser Größen prognostiziert werden. Für die Kurz- und Langfristprognose wird ein multiples lineares Regressionsmodell verwendet. Dieses wird für die Kurzfristprognose um einen saisonalen autoregressiven Ansatz erweitert. In einer Python-Umgebung werden sowohl die Modelle als auch die Datenaufbereitungsroutinen und Funktionalitäten zur Bewertung der Prognosegüte und zur visuellen Darstellung der Prognose implementiert. Dadurch ist der Export der Modelle gewährleistet und die Programmanwendung in anderen Fernwärmenetzen wird ermöglicht.
Bearbeitet von: Anne Luther
Betreut von: Dr.rer.nat. Peter Stange, Dipl.-Ing. Vera Alieva
Jahr: 2023, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Optimierung der Kälteversorgung bei der FEV Dauerlaufprüfzentrum GmbH
Im Rahmen des Dauerlaufs werden in der FEV Dauerlaufprüfzentrum GmbH Fahrzeugantriebe getestet. Für den unterbrechungsfreien Betrieb ist unter anderem eine potente und ausfallfreie Versorgung mit Kühlmedien essenziell. Besonders an heißen Tagen kann der Anlagenpark bestehend aus sieben luftgekühlten Kompressionskältemaschinen nicht genügend Kühlleistung aufbringen, um alle Verbraucher auf der Sekundärseite zu versorgen. Dies kann den Betrieb erheblich beeinträchtigen. Warum diese Probleme auftreten und wie die Anlage auch für hohe Außentemperaturen zu ertüchtigen ist, wird in dieser Diplomarbeit untersucht.
Innerhalb einer Literatur- und Marktstudie erfolgt ein Vergleich zu anderen Kühltechnologien, inwiefern die vorhandene Anlagentechnik für den Anwendungsfall geeignet ist. Danach wird die Anlage im Betrieb bezüglich der Zu- und Abluftströmungen und der Prozesse zur Kälteerzeugung untersucht. Zur Optimierung werden verschiedene Konzepte vorgestellt und die Vorzugsvariante mit der dafür nötigen Anlagentechnik im Detail geplant.
Aufgrund der dichten Aufstellungsweise und der vor Wind schützenden dreiseitigen Umbauung mit den Betriebsgebäuden ist die Versorgung mit kühler Frischluft ein Problem. Es bestehen Kurzschlüsse der Luftkonvektionen zwischen der heißen Abluft und der an den Verflüssigern der Kältemaschinen angesaugten Luft. Die Maschinen können ihre Abwärme nicht abtransportieren, sodass trotz hoher Verdichterleistungen die erforderliche Kühlleistung nicht aufgebracht werden kann. Der Ölkreislauf überhitzt und die Kältemaschinen schalten aus Anlagenschutz ab.
Mithilfe einer offenen Verdunstungskühlung durch Vernebeln von enthärtetem Wasser vor den Verflüssigern in Kombination mit der Installation von Luftleitblechen kann die vorhandene Anlagentechnik mit einer Amortisationszeit von etwa vier Jahren ertüchtigt werden. Gleichzeitig wird ein geringerer Stromverbrauch bei der Kälteerzeugung erzielt.
Bearbeitet von: Benjamin Goedecke
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Automatisierte Zuordnung von Abnehmermodellen in der Simulation von Wärmenetzen
Für eine möglichst genaue Simulation von Fernwärmenetzen sollen den Abnehmern Abnehmerprofile zugeordnet werden. Dies erfolgt auf Grundlage der Prognose der zeitlichen Verläufe der Wärmelast und der Rücklauftemperatur des betrachteten Netzes. In der Arbeit wurde primär ein Fernwärmenetz für die Zuordnung der Abnehmermodelle betrachtet. Ein weiteres Netz wurde anschließend als Vergleich herangezogen. Durch die Zuordnung der Abnehmermodelle ließen sich die Charakteristik der Wärmelast über ein Jahr gut prognostizieren. Jedoch ließen sich nicht alle Charakteristiken, gerade bei einer genaueren Betrachtung von kleineren Zeitbereichen, approximieren. Außerdem fiel die Abweichung der prognostizierten Wärmelast zu den Realdaten für beide Netze relativ groß aus. Die grobe Charakteristik der Rücklauftemperatur ließ sich ebenfalls durch die Prognose abbilden. Verschiedene, nach der Leistung unterteilte Bereiche, ließen sich unterschiedlich gut prognostizieren. Für die beiden betrachteten Netze gab es eine unterschiedliche Güte bezüglich einiger Kenngrößen und verschiedene Bereiche der zeitlichen Verläufe ließen sich unterschiedlich gut prognostizieren. Hieraus wird geschlossen, dass die Kombination aus dem betrachteten Fernwärmenetz und der Qualität, der zur Verfügung stehen Abnehmermodelle entscheidend für die Güte der Prognose ist. Weiterhin konnte beobachtet werden, dass ein kleinerer betrachteter Zeitraum der Prognose zu schlechteren Ergebnissen für das Bestimmtheitsmaße R², aber zu kleineren Abständen zwischen den approximierten Zeitreihen und Realdaten führt. Durch eine Prognose von kleineren Zeiträumen konnten deutlich bessere Ergebnisse erzielt werden als für die Ausschnitte derselben Zeiträume, wenn die Abnehmermodelle für die Prognose des gesamten Jahres zugeteilt wurden.
Bearbeitet von: Kai Witza
Betreut von: Dipl.-Ing. Tiedo Behrends, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2023, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Evaluierung unterschiedlicher Steuerungskonzepte für die netzorientiere Steuerung
Die Elektrifizierung des Wärme- und Verkehrssektors im Rahmen der Energiewende führt zur zunehmenden Belastung der Stromnetze, weshalb seit dem 01.01.2024 sowohl Netzbetreiber als auch Betreiber von steuerbaren Verbrauchseinrichtungen mit einem maximalen Leistungsbezug von mehr als 4,2 Kilowatt gesetzlich dazu verpflichtet sind, an der netzorientierten Steuerung teilzunehmen. Für die Durchführung der Steuerung, die im Zuständigkeitsbereich des Messstellenbetreibers liegt, gelten gesetzliche Fristen. Mithilfe von Laufzeittests wird untersucht, ob diese Fristen in der Praxis eingehalten werden können.
Es erfolgt eine auszugsweise Aufbereitung der Gesetze und Richtlinien, die den rechtlich verbindlichen Rahmen für den Betrieb der Steuerungslösungen/ -konzepte vorgeben. Aktuelle praxisrelevante Steuerungskonzepte mit Smart-Meter-Gateway werden beschrieben und anhand definierter Kriterien bewertet. Von den vorgestellten Steuerungskonzepten, die sich primär durch die verwendeten Kommunikationsprotokolle und die im Feld verwendete Hardware unterscheiden, ist das FNN-Steuerbox-Konzept am weitesten verbreitet. Der Fokus der Laufzeittests liegt deshalb auf diesem Konzept.
Die Laufzeit der Steuerbefehle hängt im Wesentlichen vom Status des Kanals ab (auf- oder abgebaut), der den externen Marktteilnehmer auf Seite des Rechenzentrums mit der Steuereinrichtung im Feld verbindet. Mit der gegenwärtigen IT-Systemarchitektur können die gesetzlichen Fristen selbst bei aufgebautem Kanal nicht eingehalten werden. Wird die Kommunikation der Services im Rechenzentrum optimiert, können die gesetzlichen Fristen bei aufgebautem Kanal eingehalten werden. Bei abgebautem Kanal ist dies aufgrund des zeitaufwändigen Verbindungsaufbaus nicht möglich.
Die gesetzlichen Fristen können in der aktuellen Form nicht eingehalten werden. Die Anpassung der Fristen in Kombination mit der Optimierung technischer Infrastruktur stellt einen realistischen Kompromiss zur Umsetzung der netzorientierten Steuerung dar.
Bearbeitet von: Joachim Werner Bernhard Bade
Betreut von: Dr.-Ing. Kai Herrmann - robotron Dresden, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Konzeption und Ableitung von Umsetzungsmaßnahmen für die Ertüchtigung eines Versuchsstandes zur Untersuchung von Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln
Wärmepumpen erhalten eine immer größere Bedeutung im Energiesektor. Um einen möglichst klimaneutralen Betrieb zu gewährleisten, werden klimaschädliche Kältemittel durch die Gesetzgebung eingeschränkt und der Einsatz natürlicher Kältemittel gefördert. Dabei spielt Propan eine wichtige Rolle als natürliches Kältemittel. Es zeichnet sich durch seine gute Verfügbarkeit und geringe Klimarelevanz aus. Seine chemischen Eigenschaften, wie die hohe Brennbarkeit, stellen jedoch eine Herausforderung dar. Wird eine Propanwärmepumpe im Außenbereich aufgestellt wird die Gefahr minimiert. Sollen jedoch reproduzierbare Tests bei solch einer Wärmepumpe vorgenommen werden, so sind Prüfstände unabdingbar. Die Technische Universität Dresden besitzt mit ihrem „Außenklimaraum“ des Combined Energy Labs einen solchen Teststand. Durch die Gegebenheiten der Prüfeinrichtung kann es zu erhöhten Risiken durch propanbetriebene Wärmepumpen kommen. Zur Minimierung der Risiken muss ein entsprechendes Notfallsystem konzipiert werden. Zur Auslegung des Systems wurde das Konzentrationsverhalten von Propan im Inneren des Außenklimaraumes untersucht und daraus eine entsprechendes Lüftungssystem abgeleitet. Die Aufstellung und das Notfallsystem unterliegen der DIN EN 387. Diese wurde analysiert und entsprechende Anforderungen an die Notfallanlage sowie den Außenklimaraum geschlussfolgert. Zur Steuerung der einzelnen Komponenten wurde ein Softwarebaustein entwickelt, welcher die notwendige Sensorik, Aktorik und normativen Anforderungen verbindet. Dadurch wird die Machbarkeit der Aufstellung einer Propanwärmepumpe im Inneren des Außenklimaraumes untersucht und ein Weg zur Umsetzung beziehungsweise Umrüstung diskutiert.
Bearbeitet von: Falco Stefan Schmidt
Betreut von: Dipl.-Ing. Maximilian Beyer, Dipl.-Ing. Lars Schinke
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Bewertung der Thermischen Behaglichkeit für lokale Heizelemente anhand von personenbezogenen Sensordaten
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem effizienten Einsatz von Energien und der Optimierung der thermischen Behaglichkeit in Büroräumen. Für diesen Zweck können lokale Heizelemente den thermischen Komfort der Nutzer gegenüber herkömmlichen Klimatisierungssystemen verbessern, indem sie ein individuelles Mikroklima erzeugen. Diese Arbeit untersucht einen Ansatz zur Ermittlung der thermischen Behaglichkeit in Abhängigkeit menschlicher Führungsgrößen, die mithilfe von Messtechnik ermittelt werden. Ziel ist es zu prüfen, ob mit einem solchen Ansatz Heizelemente autonom regelbar sind, ohne jegliche Nutzerinteraktion. Hierfür erfolgt eine eingehende Analyse der aktuellen Literatur, die eine Vielzahl von Ansätzen zur Untersuchung prädikativer Regelstrategien zur Bestimmung der thermischen Behaglichkeit anhand Körpersignale umfasst. Diese Ansätze basieren auf Führungsgrößen wie beispielsweise Hauttemperaturen, Herzfrequenz, Atemfrequenz, metabolischem Äquivalent, Geschlecht, Körpermasseindex, Kleidungsisolierung usw. Auf Grundlage dieser Literaturanalyse wird ein entsprechender Ansatz mithilfe eines Berechnungstools in Python erstellt, der in dieser Arbeit weitergehend und gegenüber der Literatur validiert werden soll. Im Anschluss wird ein geeignetes Versuchsdesign für experimentelle Untersuchungen erstellt. Eine kleine Studie mit Probanden zur Untersuchung der Vorhersagegenauigkeit des gewählten Ansatzes fand im Innenklimaraum des Combined Energy Labs der Professur für Gebäudetechnik und Wärmeversorgung (GEWV) an der Technischen Universität Dresden statt. Abschließend werden die Ergebnisse aus behaglichkeitstechnischer Sicht sowie die Vorhersagegenauigkeit des untersuchten Berechnungstools vorgestellt und diskutiert.
Bearbeitet von: Sergio Alejandro Espiritu Huaman
Betreut von: Dipl.-Ing. Maximilian Beyer, Dipl.-Ing. Lars Schinke
Jahr: 2023, Bachelorarbeit
Entwicklung eines Datenmodells und Validierung von Messverfahren in der Prüfung von Wärmepumpen zur Beschleunigung der Entwicklungszyklen neuer Wärmepumpensysteme
Die zunehmende Digitalisierung der Produktionsumgebung markiert einen entscheidenden Wendepunkt für zahlreiche Unternehmen, die bestrebt sind, ihre Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit zu steigern. In diesem Transformationsprozess spielen
Kommunikationsstandards eine entscheidende Rolle, da sie eine reibungslose Interaktion
sowie Datenaustausch zwischen den Produktionsmaschinen ermöglichen. Die zentrale Frage ist, ob bereits etablierte Kommunikationsstandards auch außerhalb des Produktionskontexts erfolgreich eingesetzt werden können.
Die vorliegende Arbeit widmet sich dieser Fragestellung und betrachtet das Potenzial einer Anwendung von Kommunikationsstandards in einer Testumgebung für Heizsysteme. Dabei liegt der Fokus besonders auf der Kommunikation im Bereich der Wärmepumpen. In enger Kooperation mit der Firma Viessmann Climate Solutions SE werden die Machbarkeit und Wirksamkeit dieser Übertragung von Standards in einen neuen Kontext untersucht.
Die Ergebnisse dieser Abschlussarbeit legen nahe, dass eine Standardisierung in der
Kommunikation durchaus Optimierungsmöglichkeiten bietet. Allerdings wird deutlich, dass der entscheidende Schritt zur Standardisierung bereits in einem früheren Stadium des Entwicklungsprozesses der Wärmpumpe erfolgen sollte, anstatt erst im Testbereich
implementiert zu werden. Eine frühzeitige Integration von Kommunikationsstandards erweist sich somit als essenziell, um das volle Potenzial dieser digitalen Transformation
auszuschöpfen und Synergien zwischen verschiedenen technologischen Domänen zu
ermöglichen.
Bearbeitet von: Fabius Fürstenau
Betreut von: Dr.-Ing. Lars Haupt, Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr. Marcus Thiele - Viessmann Werke Allendorf
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Erstellung eines Energiekonzeptes für ein Wohnquartier
Im Rahmen einer Projektarbeit wurde ein energetisches Versorgungskonzept für ein neu
zu erschließendes Wohngebiet aufgestellt. Als Anspruch wurde eine energieeffiziente,
nachhaltige und CO2-neutrale Energieversorgung durch den Auftraggeber formuliert.
Ausgehend vom vorliegenden vorläufigen Bebauungsplan erfolgte die Analyse der
örtlichen Gegebenheiten und Typisierung der prognostizierten Gebäude. Für diese
wurden die voraussichtlichen Energieverbräuche für Raumheizwärme,
Trinkwassererwärmung und Elektroenergie mit stündlicher Auflösung abgeschätzt. Für
die Energieversorgung des Wohngebiets wurden drei Versorgungsvarianten erstellt und
simuliert. Im Rahmen einer Parametervariation konnte der Einfluss veränderter
Eingangsgrößen und Annahmen untersucht werden. Abschließend erfolgte anhand
verschiedener Kriterien, wie z.B. Kosten, CO2-Ausstoß, Betreibermodell und rechtliche
Sicherung der Vergleich und die Bewertung der Versorgungsvarianten. Als
Vorzugsvariante stellte sich für das untersuchte Wohngebiet ein dezentrales Wärme- und
Stromversorgungskonzept heraus, für welches Empfehlungen zur Umsetzungen im
Bebauungsplan herausgearbeitet wurden.
Bearbeitet von: Toni Schalling
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Kaiser
Jahr: 2023, Projektarbeit
Ermittlung des Optimierungspotentials für den Spotmarkt-Einkauf am Standortbeispiel der ZF Friedrichshafen AG
Diese Forschungsarbeit untersucht das Lastverschiebungspotential verschiedener Anlagen am Standort Friedrichshafen der ZF Friedrichshafen AG mit dem Ziel, den Spotmarkt-Einkauf durch Flexibilitätsvermarktung zu optimieren. Angesichts der stetig zunehmenden Volatilität im Energieversorgungssystem trägt dies dazu bei die Netzstabilität aufrechtzuerhalten und ermöglicht potentielle Kosteneinsparungen für das Unternehmen.
Nach Identifizierung der sieben wichtigsten Erzeuger und Verbraucher des Standortes erfolgt eine detaillierte Analyse ihres Lastverschiebungspotentials. Die Wertigkeit des Potentials setzt sich aus der Verschiebungszeit, welche mindestens 15 Minuten betragen muss, der Höhe der verschiebbaren Last, welche sich auf mindestens 100 kW belaufen muss, sowie die dafür nötigen Prämissen und Investitionskosten zusammen.
Basierend auf den verfügbaren standortspezifischen Energiedaten und den genannten Vorgaben, wurde das Potential der einzelnen Anlagen berechnet und anschließend in von ZF definierte Kategorien unterteilt. Die Auswertung ergab, dass vor allem die Blockheizkraftwerke, Lüftungen und Notstromaggregate aufgrund ihrer hohen verschiebbaren Leistung und geringen Investitionskosten gut zur Lastverschiebung geeignet sind. Eine Lastverschiebung ist auch bei Kälteanlagen und Rückkühlanlagen denkbar, wäre jedoch mit erheblich höheren Kosten verbunden. Im Gegensatz dazu weisen Druckluftanlagen und Kühlschmierstoff-Anlagen aufgrund ihrer begrenzten Verschiebungszeit geringes beziehungsweise kein Potential auf.
Anhand der ermittelten Daten wurde durch den externen Anbieter ESFORIN eine Simulation zur Ermittlung der zu erwartenden Profitabilität durchgeführt. Die Ergebnisse bestätigen, dass bei Nutzung aller sinnvollen Lastverschiebungspotentiale, Einsparungs- möglichkeiten in Höhe von 440 T€ realisiert werden könnten, wovon ein erheblicher Anteil von den Blockheizkraftwerken getragen wird.
Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen, dass der Standort Friedrichshafen Potential zur Flexibilitätsvermarktung aufweist und schaffen die Grundlage für erste Umsetzungsmaßnahmen.
Bearbeitet von: Eva Harriehausen
Betreut von: Jörn Forwerk - ZF Friedrichshafen, Dipl.-Ing. Vera Boß
Jahr: 2023, Projektarbeit im Fachpraktikum
Entwicklung eines IoT-Konzeptes für eine bidirektionale Wärmeübergabestation in einem HiL-Versuchsstand
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines IoT-Konzepts für eine bidirektionale Wärmeübergabestation in einem HiL-Versuchsstand. Angesichts des verstärkten Übergangs zu nachhaltigen Energiesystemen ist die Integration von dezentralen Wärmequellen in Fernwärmenetze von zentraler Bedeutung. Die bidirektionale Wärmeübergabestation ermöglicht nicht nur den Bezug von Fernwärme, sondern auch die Einspeisung lokal produzierter Wärme. Dieser Funktionsumfang ist ein wesentlicher Schritt, um die Flexibilität und Nachhaltigkeit von Fernwärmenetzen zu erhöhen und den Einsatz erneuerbarer Energien zu fördern.
Eine umfangreiche Literaturrecherche liefert einen Überblick über Prototypen und bereits erprobte Anlagen und verdeutlicht den Bedarf an weiteren Forschungen zu bidirektionalen Wärmeübergabestationen. Die Arbeit befasst sich mit der Einbindung verschiedener Use Cases, weshalb unterschiedliche Systemkonfigurationen ermöglicht werden müssen. Der Versuchsstand wird mithilfe vorhandener Laboranlagen praxisnah umgesetzt und anschließend mit umfangreichen Referenzmessstellen ausgestattet.
Im Anschluss erfolgt die Entwicklung des IoT-Konzepts, welches die Datenübertragung der Sensoren und Aktoren an eine Cloud ermöglicht. Die Kommunikation erfolgt über die Protokolle Modbus und MQTT, mit einem MQTT-Broker als zentrale Schnittstelle. Unter Verwendung der Kommunikationsstruktur N5GEH, werden die Daten in einer Datenbank gespeichert und mithilfe der Software Grafana visualisiert. Die erfolgreiche Umsetzung des IoT-Konzepts wird durch Funktionstests belegt.
Die Arbeit schließt mit Untersuchungen zur Übertragbarkeit des Konzepts auf eine weitere Wärmeübergabestation an der TU Dresden. Es werden Kommunikationswege für die Datenübertragung erarbeitet, und Messstellenvergleiche zeigen die Anpassbarkeit des Konzepts.
Die Ergebnisse der Funktionstests zeigen, dass die bidirektionale Wärmeübertragung im Versuchsstand mithilfe der Wärmeübergabestation umgesetzt werden kann.
Bearbeitet von: Erik Wöhner
Betreut von: Dr.-Ing. Paul Seidel, Dipl.-Ing. Stefan Hoppe, Dipl.-Ing. Marcel Röschke
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Physikalische Weiterentwicklung einer Wolkenkamera-basierten Messmethode für Diffusstrahlung
Bodengestütze Messungen der direkt-normalen Bestrahlungsstärke (DNI) und der diffusen Bestrahlungsstärke (DHI) sind von Interesse für Anwendungen in der Solarenergie. Auf dem Markt etablierte Messsysteme weisen entweder hohe Anschaffungskosten, aufwendige Instandhaltung oder erhöhte Anfälligkeit für Abweichungen auf. Aus diesen Gründen wird derzeit am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) die Messung der Solarstrahlung mittels eines kombinierten Messsystems, bestehend aus Wolkenkamera und Pyranometer, im Weiteren als PyranoCam bezeichnet, untersucht. Die PyranoCam-Messmethode analysiert die von einem Pyranometer erfasste globale horizontale Bestrahlungsstärke (GHI) zusammen mit den Aufnahmen der Wolkenkamera, um daraus sowohl die DHI als auch die DNI abzuleiten. Die Messmethode zeigt noch Potenzial zur Verbesserung der Genauigkeit und Standort-Übertragbarkeit auf.
In der vorliegenden Diplomarbeit wird ein erweitertes physikalisches Modell zur Bestimmung der DHI und DNI mittels PyranoCam-Messsystem präsentiert. Kern der Untersuchung ist die Ermittlung eines dynamischen diffusen Breitbandkorrekturfaktors, der die spektral begrenzte Empfindlichkeit des Kamerasensors kompensieren soll. Im Gegensatz dazu basiert der aktuelle Stand der Technik auf einem statischen Faktor, der empirisch ermittelt wurde. Dieser statische Faktor wird auf die Wolkenkamerabilder angewendet, um die DHI für das Breitbandspektrum aus den Pixelintensitätswerte schätzen zu können. Damit soll die Genauigkeit der DHI- Messung verbessert werden. Das vorgestellte Modell berechnet den diffusen Breitbandkorrekturfaktor dynamisch, basierend auf dem Verhältnis der Rot- zu Blau- Kanäle in den Bildern. Zu diesem Zweck werden Daten von Wolkenkameras mit Spektroradiometermessungen kombiniert, um eine Korrelation zwischen dem gemessenen Breitbandfaktor und dem Farbkanalverhältnis herzustellen. Ein entsprechendes Regressionsmodell wird vorgestellt und die Ergebnisse werden für zwei Standorte präsentiert: Tabernas im Süden Spaniens und Oldenburg im Nordwesten Deutschlands. Die PyranoCam-Methode umfasst mehrere Schritte. Zunächst werden die radiometrisch und geometrisch angepassten Pixelintensitäten im Rahmen einer Grundkalibration auf die DHI-Werte skaliert. Nach der Grundkalibration beinhaltet die PyranoCam-Methode eine Korrektur, die entweder auf physikalischen Prinzipien basiert oder unter Einsatz von Machine-Learning-Techniken durchgeführt wird. Die vergleichende Analyse der Grundkalibration zeigt, dass das statische Verfahren zu einer Root Mean Square Deviation (RMSD) von 22,7 W/m² führt, was einem relativen RMSD (rRMSD) von etwa 17,4 % entspricht. Im Gegensatz dazu erreicht das dynamische Verfahren einen RMSD von 15,6 W/m², was einem rRMSD von 12,1 % entspricht und eine verbesserte Genauigkeit von 7,1 W/m² (5,3 %) über einen Datensatz von über 869.000 Wolkenkamerabildern aufzeigt. Nach Anwendung der physikalischen Korrektur zeigt das statische Verfahren einen RMSD von 14,2 W/m² und einen rRMSD von 10,8 %, während das dynamische Verfahren einen RMSD von 11,3 W/m² mit einen rRMSD von 8,5 % verzeichnet. Dies zeigt eine leichte Verbesserung durch den dynamischen Breitbandkorrekturfaktor. Im Vergleich zur physikalischen Korrektur erhöhte das Machine-Learning-Modell die Genauigkeit der DHI-Messung auf einen RMSD von 5,4 W/m² mit einem rRMSD von 4,1 %. Dies zeigt jedoch keine signifikante Veränderung im Vergleich zum dynamischen Verfahren, das einen RMSD von 5,3 W/m² mit einem rRMSD von 4,1 % erreicht.
Bearbeitet von: Paul Matteschk
Betreut von: Niklas Blum – Plataforma Solar de Almería (PSA), Michael Meinel – Softwareentwickler DLR, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
SubReg: Substitution konventioneller Heizkörperregler – Pilotvorhaben „Rektorat / Graduiertenakademie“
Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei universitäre Gebäude mit einem neuen Einzelraumregelsystem ausgestattet. Der Umbau erfolgt von einer mechanischen Einzelraumregelung auf elektrische Heizkörperthermostate in Kombination mit Wandthermostaten. Vorbereitend werden die neuen Komponenten in das TU eigene Datenbanksystem aufgenommen und entsprechend gekennzeichnet. Aufbauend darauf wird eine Topologie der Gebäude erstellt, welche den Standort jeder neu verbauten Komponente mit der entsprechenden Kennzeichnung beinhaltet. Um die Arbeiten vor Ort auf ein Minimum zu reduzieren, werden die Komponenten extern vorbereitet und in das System eingebunden. Aufgrund der Vorbereitungen wird für den Umbau auf das Einzelraumregelsystem pro Gebäude weniger als ein Werktag benötigt. Nach erfolgtem Umbau wird ein im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes Programm eingesetzt, um festzustellen, welchen Komponenten nicht in das Netzwerk eingebunden sind. Aufbauend darauf werden entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen. Anschließend daran wird ein Monitoringsystem aufgesetzt, welches fortlaufend grafische Darstellungen und Auswertungen der erfassten Betriebsgrößen generiert. Diese werden zusätzlich zeitlich differenziert erstellt, womit auch Einblicke in unterschiedliche Zeitspannen ermöglicht wird. Darüber hinaus wird eine Kennzahl entwickelt, welche Auskunft über die Datenqualität gibt. Unter der zu Hilfenahme des Monitoringsystems werden Darstellungen exemplarisch ausgewertet. Die ausgewerteten Daten resultieren aus einem bereits implementieren Monitoringsystems eines anderen universitären Gebäudes. Zu dem Zeitpunkt des Erstellens dieser Arbeit ist es nicht möglich die Daten aus den umgerüsteten Gebäuden auszuwerten, da diese Arbeit während der Sommermonate verfasst wurde und demnach kein Heizbetrieb besteht. Im Abschluss dieser Arbeit wird ein System zur Fehlererkennung entwickelt und teilweise in das Monitoringssystem implementiert. Verhindert wird ein vollständiges Aufnehmen in das Monitoring durch äußere Fehlerquellen. Das System zur Fehlererkennung umfasst Algorithmen, welche selbstständig Fehlverhalten im System erkennen und diese kenntlich machen. In Kombination mit einer Tabelle kann daraus auf mögliche Ursachen geschlussfolgert werden. Das entwickelte System zur Fehlererkennung wird exemplarisch angewandt und als funktionell befunden.
Bearbeitet von: Robin Böhm
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke, Dipl.-Wi.Ing. Laura Lehmann
Jahr: 2023, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Simulationsbasierte Erstellung typisierter Abnehmermodelle
Für eine zukünftige CO2 neutrale Wärmeversorgung ist der Ausbau der Fernwärmenetze essenziell. Zur Simulation der Netze bedarf es realistischer Abnehmermodelle bezüglich der Wärmelasten und der Rücklauftemperatur. Die Nutzung von Messdaten als Grundlage für die Modelle gestaltet sich durch fehlende Informationen zu den Abnehmerprofilen und dem Risiko von Messfehlern als schwierig.
In dieser Arbeit werden verschiedene Varianten von Mehrfamilienhäusern in „TRNSYS-TUD“ erstellt. Anhand dieser werden Simulationen durchgeführt, um die Verläufe von Wärmelast und Rücklauftemperatur der Gebäude abzubilden. Über das Prinzip der multiplen linearen Regression werden anschließend in MATLAB Abnehmermodelle erzeugt. Dabei werden Prognosen über die Wärmelast und die Rücklauftemperatur anhand verschiedener Einflussgrößen getätigt. Es können Modelle sowohl für die primärseitige als auch für die sekundärseitige Rücklauftemperatur erstellt werden. Im Anschluss wird die Abbildungsgüte der Regressionsmodelle anhand verschiedener Kenngrößen bewertet. Abschließend werden die erstellten Abnehmermodelle in der Modellbibliothek „FreePlan“ hinterlegt, um für Netzsimulationen der Fernwärme genutzt werden zu können.
Bearbeitet von: Max Müller
Betreut von: Dr.rer.nat. Peter Stange, Dr.-Ing. Alf Perschk, Dipl.-Ing. Juliane Schmidt
Jahr: 2023, Studienarbeit
Thermische Analyse einer PV-gestützten Kühlhalle inklusive Flüssigeisspeicher zur Maximierung des Autarkiegrades
Die vorliegende Diplomarbeit beschreibt die thermische Analyse einer Kühlhalle mit
Flüssigeisspeicher und betrachtet Daten im Zeitraum von August 2022 bis Juli 2023 vor allem im Hinblick auf einen zukünftigen Anschluss der vorhandenen PV-Anlage. Auf Ba- sis dieser Daten werden alle relevanten Energieflüsse und daraus resultierenden Bedarfe berechnet. Dazu werden verschiedene Ansätze genutzt und anhand ihrer Genauigkeit bewertet. Die Daten werden für eine erleichterte Auswertung in einer Zeitreihendaten- bank organisiert. Als Basis für eine prognosebasierte Steuerung werden Abhängigkeiten der Wärme- und Kältebedarfe der unterschiedlichen Lager identifiziert und ein Konzept für eine solche Steuerung vorgestellt. Weiterhin werden die Kältemaschinen anhand von Effizienzkennzahlen bewertet und Optimierungspotentiale aufgezeigt und diskutiert. Die Bedarfe des Kühlhauses werden mit einer Simulation verglichen und die von der Simulation bereitgestellten Daten zur Leistung der PV-Anlage für eine Einschätzung des erreichbaren Autarkiegrades bei der aktuellen Anlagenregelung genutzt. Die ther- mische Analyse konnte den Einfluss meherer umweltbezogener aber auch zeitlicher Faktoren identifizieren und mehrere Vorschläge für Optimierungsmaßnahmen unterbrei- ten. Das größte Potential konnte bei der Wärmeabfuhr am Verflüssiger der Eiserzeuger Kältemaschine identifiziert werden.
Bearbeitet von: Alexander Bertram Armin Raabe
Betreut von: Dipl.-Ing. Carsten Heinrich - ILK Dresden, Dr.-Ing. André Kremonke
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Low-Tech-Sanierungsmöglichkeiten nach GEG und BEG inkl. möglicher staatlicher Fördermaßnahmen am Beispiel von Wohngebäuden und Nichtwohngebäuden
Die energetische Sanierung des deutschen Gebäudebestands ist notwendig, um die Ziele der Novellierung des Gebäudeenergiegesetzes, einer erneuerbaren Energieversorgung von mindestens 65 %, zu erreichen. Um dies in der Praxis zu gewährleisten werden Energieberatungen und Sanierungen subventioniert. In der vorliegenden Arbeit werden Praxisbeispiele der Energieberatung an Wohn- und Nichtwohngebäuden ausgewertet. Initial wurde hierfür der Ablauf von Energieberatungen und Sanierungsbegleitungen recherchiert und angewendet. Im Anschluss wurden Fallbeispiele erstellt und energetisch, ökologisch sowie ökonomisch ausgewertet. Die Datengrundlage bilden hierbei überwiegend die Richtlinien der Bundesförderung für effiziente Gebäude, das Gebäudeenergiegesetz sowie Normen der Gebäudebilanzierung wie z.B. die DIN V 18599.
Die Auswertung der Sanierungsfahrpläne zeigt, dass die individuelle Betrachtung der Bestandsgebäude und deren Sanierungsmöglichkeiten unerlässlich für eine nachhaltige und zukunftssichere Sanierung des Gebäudebestands sind und nur so die persönlichen Präferenzen der Bauherren mit energetisch qualifizierten Maßnahmen kombiniert werden können.
Bearbeitet von: Alexander Leon Homann
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Vladi Schuralew – RevIng GmbH, Dipl.-Ing. Dennis Scholl – TSBR Ingenieurgesellschaft mbH
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Einsatz moderner Simulationsmethoden in der energetischen Inspektion raumlufttechnischer Anlagen
Um eine regelmäßige energetische Inspektion raumlufttechnischer Anlagen durchzuführen, werden verschiedene Hilfsmittel eingesetzt. Vielmals handelt es sich dabei um statische Berechnungstools zur Bestimmung der energetischen Effizienz von RLT-Anlagen. Aus den Ergebnissen dieser Berechnungen leitet ein Auditor Handlungsempfehlungen zur Optimierung der Energieeffizienz ab. Bei diesen Verfahren werden dynamische Einflussfaktoren wie die Außenbedingungen oder variable Heiz- und Kühllasten nicht ausreichend berücksichtigt, wodurch häufig erhebliche Abweichungen zwischen den ermittelten und den real auftretenden Energiebedarfen bestehen . Für die Optimierung der energetischen Inspektion ist daher zukünftig die Verwendung dynamischer Simulationsmethoden erforderlich.
Aufgrund dieses Entwicklungsbedarfs wird in der vorliegenden Arbeit die Verwendung Modelica-basierter Simulationsmodelle zur Unterstützung der energetischen Inspektion untersucht. Zu diesem Zweck wird eine Werkzeugkette konzeptioniert und umgesetzt, welche ab dem Zeitpunkt der elektronischen Datenerfassung eine automatisierte Modellierung, Simulation und Ergebnisdarstellung durchführt. Basierend auf üblichen Handlungsempfehlungen prüft die Werkzeugkette zusätzlich Systemanpassungen realen RLT-Anlage hinsichtlich ihrer energetischen Einsparpotenziale. Die ermittelten Einsparpotenziale werden vergleichend dargestellt und dienen dem Auditor als Auswahlhilfe der Handlungsempfehlungen.
Weiterhin wird die entwickelte Werkzeugkette am Beispiel von drei RLT-Anlagen unterschiedlicher Anlagentypen angewendet und validiert. Die Ergebnisse der Werkzeugkette werden zusätzlich mit denen statischer Verfahren verglichen, wobei Vorzüge und Optimierungspotenziale der Werkzeugkette herausgearbeitet werden.
Bearbeitet von: Kajetan Simon Benedict Weiß
Betreut von: Dr.-Ing. Martin Knorr, Dipl.-Ing. Torsten Schwan - EASD Dresden GmbH
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Erstellung von erweiterten Monitoringkonzepten für den Nachweis von Effizienzkennzahlen und die Entwicklung digitaler Zwillinge für Wärmepumpen und Solarthermieanlagen
Vor dem Hintergrund der zwingeenden Dekarbonisierung der Wärmenetze beschäftigt sich diese Arbeit mit zwei in Planung befindlichen Wärmeerzeugeranlagen, die umweltfreundliche Wärme in das Dresdner Fernwärmenetz einspeisen sollen. Es handelt sich hiernei um eine Solarthermie-Freiflächenanlage und eine Großwärmepumpenanlage mit Rechenzentrumsabwärme als Energiequelle. Für beide Anlagen sind Konzepte zum energetischen Monitoring erstellt. Zu Beginn sind alle, für die Überwachung notwendigen Sensoren und Aktoren identifiziert und aufgelistet. Die Definition von Bilanzräumen zur Bestimmung von energetischen Größen ermöglicht, durch das Auslesen der Sensormessdaten, die Berechnung von eingeführten Effizienzkennzahlen. Mit diesen lässt sich die energetische, exergetische und ökologische Effektivität der Anlagen bewerten. Charakteristische Betriebszustände und Ansätze für die Regelung sind spezifiziert. Die Schaltungen beider Anlagen sind in Simulationsumgebungen implementiert und für verschiedene Bedingungen getestet. Das Modell der Wärmepumpenanlage funktioniert bislang nur für stationäre Zustände. Als Weiterentwicklung bietet sich das Einlesen von Zeitreihen und die Simulation dynamischer Zustände an. Es hat sich herausgestellt, dass die Simulationsumgebung der Solarthermieanlage für die konkrete Anwendung nur bedingt geeignet ist. Die Ergebnisse der Simulationen sind aufbereitet und ermöglichen, in Verbindung mit den erstellten Bilanzräumen eine erste Berechnung der Effizienzkennzahlen. Nach der Fertigstellung der Anlagen können die aus den Simulationen berechneten Kennzahlen als Referenz genutzt werden, bis ausreichend Messdaten aus dem Dauerbetrieb vorhanden sind.
Bearbeitet von: Lukas Kayser
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Stefan Hellfritsch – SachsenEnergie AG, Tilo Keil – SachsenEnergie AG
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Anwendungsgrenzen von Ein-Rohr Niedertemperaturnetzen
Niedertemperaturnetze der fünften Generation haben sich als vielversprechende Lösung für die Umsetzung von Wärmenetzen auf Basis regenerativer Energiequellen erwiesen. Diese innovativen Netze ermöglichen eine effiziente und nachhaltige Wärmeversorgung von Quartieren. Um den aktuellen Stand der Forschung und die vorhandenen Erkenntnisse zu Wärmenetzen der fünften Generation zu präsentieren und einzuordnen, wird eine Literarturrecherche durchgeführt. Besondere Aufmerksamkeit wird dabei auf den Unterschied zwischen Ein-Leiter-Niedertemperaturnetzen und Zwei-Leiter-Niedertemperaturnetzen gelegt.
Obwohl die Vorteile von Niedertemperaturnetzen im Allgemeinen bekannt sind, gibt es bisher keine auswertbaren Betriebsdaten für Ein-Leiter-Niedertemperaturnetze. Um Anwendungsgrenzen von Ein-Leiter-Niedertemperaturnetzen zu definieren, werden auf Grundlage eines Referenzquartiers, vier unterschiedliche Varianten des Quartiers sowohl im Ein-Leiter-Netz als auch im Zwei-Leiter-Netz mit Hilfe der Simulationssoftware Polysun simuliert. Mithilfe der Simulationsergebnisse wird ein energetischer und wirtschaftlicher Vergleich zwischen Ein-Leiter-Netz und Zwei-Leiter-Netz durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Ein-Leiter-Netz im Vergleich zum Zwei-Leiter-Netz keine Nachteile aufweist und dementsprechend keinen Anwendungsgrenzen unterlegen ist, die nicht auch im Zwei-Leiter-Netz gelten. Es konnte nachgewiesen werden, dass beide hydraulische Netzvarianten für Wärmenetze der fünften Generation geeignet sind.
Bearbeitet von: Tim Esche
Betreut von: Dipl.-Ing. Cornelius Sternkopf, M.Sc. David Stuckey – Projektleiter, IPJ Wien
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Robuste Optimierungsansätze zur Dimensionierung von Erzeugerparks
In dieser Arbeit werden robuste Optimierungsmethoden für die Dimensionierung von
Energieerzeugungsanlagen untersucht. Die Arbeit besteht aus einem theoretischen und einem praktischen Teil. Zuerst wird die theoretische Grundlage für die Optimierung in der
Energietechnik erläutert. Anschließend wird die Integration von Unsicherheiten in das
Optimierungsproblem in vier Schritten behandelt: Identifizierung der Unsicherheitsfaktoren, Charakterisierung der Unsicherheiten, mathematische Modellierung des Optimierungsproblems und Anwendung von Lösungsalgorithmen. Im praktischen Teil wird die Optimierung des Energieeinsatzes für den Gebäudekomplex "Sonnenwald" im Schwarzwald durchgeführt. Zunächst werden Daten analysiert und das Optimierungsproblem als gemischt-ganzzahliges lineares Modell formuliert. Dies wird mit Hilfe des "flix-Opt"-Programms für den Fall einer perfekten Prognose durchgeführt und bewertet. Daraufhin wird das Betriebsverhalten des Referenzsystems unter unsicheren Randbedingungen mit einer szenarienbasierten Analyse untersucht, wobei Unsicherheiten wie Außentemperatur, Einstrahlung und Nutzerverhalten berücksichtigt
werden. Die generierten Szenarien dienen zur Ableitung robuster Investitionsentscheidungen für das Energiesystem. Diese robusten Auslegungsvarianten werden verglichen und auf die Worst-Case-Auslegung sowie die Zwei-Jahres-Kombi-Auslegung reduziert. Abschließend werden die Auswirkungen der Unsicherheiten auf die Betriebsführung erneut untersucht, wobei die robusten Investitionsentscheidungen als Grundlage dienen. Schließlich erfolgt ein Vergleich der Energiesysteme unter Berücksichtigung der beiden robusten Investitionsentscheidungen und perfekter Prognosedaten, um die zusätzlichen Kosten für die Robustheit des Systems zu ermitteln.
Bearbeitet von: Richard Sturz
Betreut von: Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2023, Studienarbeit
Entwicklung eines Erzeugersparks zur klimaneutralen Versorgung der Stadt Dresden mit Fernwärme
Ein zentraler Baustein für das Erreichen der Klimaneutralität ist die Wärmewende. Der Fernwärmeversorgung kommt hierbei eine tragende Rolle zu. Zur Unterstützung der Transformation der Fernwärmeerzeugung wird ein Optimierungsmodell vorgestellt, mit dem eine fundierte Diskussionsgrundlage für die anstehenden Investitionsentscheidungen geschaffen werden kann. Das Optimierungsmodell kombiniert eine Einsatzoptimierung mit Investitionsentscheidungen zum Jahresbeginn und optimiert die Systemgesamtkosten. Am Beispiel der Stadt Dresden wird der Transformationsprozess der Fernwärmeerzeugung bis 2045 über die Stützjahre 2030, 2035, 2040 und 2045 abgebildet. Das Modell basiert auf dem an der TU Dresden entwickelten Framework flixOpt und wird anhand von realen Messwerten der Fernwärmeerzeugung Dresdens aus dem Jahr 2021 sowie einer Vergleichsrechnung mit einem kommerziellen Einsatzoptimierungstool validiert. Für vier Szenariorechnungen mit unter anderem unterschiedlichen Zieljahren für die Klimaneutralität der Fernwärmeversorgung (2045, 2035, ohne Zielstellung) wird die jeweils optimale Transformationsstrategie vorgestellt. In allen Szenarien spielen Wärmepumpen ab 2035 eine wichtige Rolle und die Wärmespeicherkapazität steigt um mindestens den Faktor elf. Insbesondere die Kraft-Wärme-Kopplung ist aufgrund der immer kürzeren täglichen Zeitfenster mit hohen Strompreisen auf hohe Speicherleistungen und Speicherkapazitäten angewiesen. Kessel können aufgrund der niedrigen Investitionskosten als Brückentechnologie fungieren.
Wasserstoff wird erst im finalen Schritt zur Klimaneutralität eingesetzt, wobei der Energie- und Leistungsbedarf verglichen mit Erdgas im Jahr 2021 um ein Vielfaches geringer ist. Elektrodenheizkessel spielen aufgrund der aktuellen Strompreisstruktur (Steuern und Umlagen) keine Rolle. Die Kosten der Wärmeerzeugung liegen in allen Szenarien 5 - 19 % unter den Kosten des Referenzjahres 2021 mit hohem Preisniveau. Durch nur geringfügig höhere Wärmeerzeugungskosten lassen sich die bis 2045 ausgestoßenen Treibhausgase jedoch sehr stark reduzieren. Somit wird eine ambitionierte Zielstellung „Klimaneutrale Fernwärme 2035“ als Leitbild empfohlen, wobei eine rollierende Neubewertung der Transformationsstrategie notwendig ist.
Bearbeitet von: Felix Bumann
Betreut von: Dr. Carl-Philipp Anke – SachsenEnergie, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Energieeffizienz in der Trinkwasserinstallation – Ist-Zustand und Zukunftsoptionen am Beispiel
Für die Umsetzung von Klimaschutzmaßnahmen im Wärmesektor ist es unabdingbar, die Effizienz der Trinkwarmwasserbereitstellung zu erhöhen. In Bestandsgebäuden sind teilweise zu hohe Temperaturen am Trinkwassererwärmer eingestellt. Eine Absenkung unter Wahrung der Trinkwasserhygiene birgt das Potenzial zur Energieeinsparung, stellt allerdings auch einen wichtigen Schritt dar, künftig mehr regenerative thermische Energiequellen wie Solarthermie oder Wärmepumpen nutzen zu können.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Ist-Zustand der Trinkwasserinstallation sowie den Wirkungen auf die Fernwärmenetzparameter. Dazu werden Daten der Trinkwassererwärmung in einer Reihe von Mehrfamilienhäusern aus den 1970er Jahren in Dresden erhoben. Es erfolgt außerdem eine Bewertung des Endenergiebedarfs, der CO2-Emissionen und der thermischen Verluste. Aus den Untersuchungen werden Handlungsempfehlungen abgeleitet, welche unter Berücksichtigung der geltenden Trinkwasser-Verordnung einen erheblichen Spielraum für E!zienzsteigerungen bürgen.
Die Ergebnisse zeigen, dass nennenswertes Einsparpotenzial besteht.
Bearbeitet von: Hendrik Martin
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Yakup Kaya – Vonovia SE, Georg Hamann – SachsenEnergie AG
Jahr: 2023, Studienarbeit
Beitrag zur Inbetriebnahme und ersten funktionellen und energetischen Beurteilung der NEST-W 2.0
Das Forschungsprojekt HYDRA RoS NEST-W 2.0 befasst sich mit der Entwicklung und Erprobung eines neuartigen CPC-Vakuumröhrenkollektors für Solarthermieanlagen. Beteiligt daran ist die Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH und Co. KG, sowie die TU Dresden mit mehreren Professuren. Die vorliegende Projektarbeit begleitet die erfolgreiche Inbetriebnahme, ermittelt ausgewählte energetische Kennwerte und analysiert das Betriebsverhalten der Anlage. Grundlegend dafür ist die Durchführung einer Plausibilitätsprüfung der erfassten Monitoringdaten mittels geeigneter grafischer Darstellungen. Darauf aufbauend wird anhand gezielter Stagnationsversuche das Entleerverhalten der Kollektoren unter verschiedenen Strategien bewertet. Eine anschließende Durchspülung und die Analyse des abgelassenen Wassers geben Auskunft über die Auswirkungen der Versuche. Zusätzlich stellt die Überprüfung ausgewählter Betriebsmodi einen wichtigen Teil zur Bewertung der Funktionalität der Anlage dar. Berechnungen zur Leistungs- und Tagesertragskontrolle sowie auftretende Verluste geben Einblicke in die energetische Effizienz der Kollektoren sowie der gesamten Anlage.
Bearbeitet von: Theo Sell
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Thomas Weidemann – Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG, Dr. Rolf Meißner – Ritter XL
Jahr: 2023, Projektarbeit im Fachpraktikum
Ermittlung von Vergleichskennzahlen aus Messreihen von Warmwasser-Wärmespeichern
Im Forschungsprojekt VKTES wurden experimentelle zu ermittelnde Kennzahlen für Wärmespeicher entwickelt, um Informationen über deren tatsächlichen Wärmeinhalt und Wirkungsgrad zu liefern. Diese Kennzahlen sind nützlich für die Auswahl des passenden Wärmespeichers für spezifische Anwendungen, zur Bewertung seiner Leistungsfähigkeit und für den Vergleich mit anderen Speichern. Dadurch können Ingenieure und Planer fundierte Entscheidungen treffen, um die optimale Größe, Auslegung und Einsatzmöglichkeiten von Wärmespeichern zu bestimmen. Darüber hinaus spielen die Kennzahlen der Wärmespeicher eine wichtige Rolle bei der Berechnung und Auslegung von Heiz- und Kühlsystemen. Sie dienen als Grundlage für Energiebilanzen, die zur Optimierung des Energieverbrauchs und zur Gewährleistung eines nachhaltigen und wirtschaftlichen Betriebs beitragen.
Die vorliegende Studienarbeit beschäftigt sich mit den Be- und Entladeversuchen eines 400 L-Trinkwarmwasserspeichers, der über zwei innenliegende Wärmeübertrager indirekt beladen wird. Die Durchführung und Auswertung der Versuche stehen im Fokus dieser Arbeit. Ein zentraler Bestandteil dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Auswerteroutine unter Verwendung von Excel. Hierbei wird eine Excel-Auswertungsvorlage erstellt, die sowohl den grafischen Verlauf der Messwerte darstellt als auch die Berechnung der Vergleichskennzahlen ermöglicht. Zusätzlich wird die entwickelte Auswerteroutine auf die direkte Beladung angewendet, hier auf einen Heizungspufferspeicher. Die Erprobung und Anpassung der Routine an diese spezifische Beladungsart sind ebenfalls Gegenstand der Untersuchung.
Die Ergebnisse dieser Studienarbeit tragen dazu bei, das Verständnis für Bedeutung der Ermittlung von Kennzahlen in Bezug auf Wasser-Wärmespeicher zu vertiefen und bieten eine praktische Lösung zur Auswertung und Vergleichbarkeit verschiedener Speichertypen.
Bearbeitet von: Zihan Cheng
Betreut von: Dipl.-Ing. Stefan Hoppe, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2023, Studienarbeit
Wirksamkeitsanalyse eines Einzelraumregelsystems in einem Nichtwohngebäude
In einem Nichtwohngebäude der Technischen Universität Dresden ist ein Einzelraumregelsystem installiert. Dieses bietet die Möglichkeit einer umfassenden Analyse von Solltemperaturen, Ventilhüben und Raumtemperaturen sowie ein enormes Potenzial zu Energieeinsparung durch die Umsetzung eines intermittierenden Heizbetriebs. Im Rahmen der Arbeit erfolgt eine Wirksamkeitsanalyse des installierten Einzelraumregelsystems für die Heizperiode 2022/2023. Von Oktober 2022 bis Mitte April 2023 sind Beschränkungen in der Wärmeversorgung der Räume durch die EnSikuMaV aktiv und umzusetzen. Die umzusetzenden Maßnahmen sorgen für Raumtemperaturen unterhalb der Komforttemperaturen, sind jedoch durch das System gut eingeregelt. Eine minderwertige Messung der Raumtemperaturen durch Thermostate in Räumen ohne Wandgerät bedingt eine Solltemperaturanpassung für Räume ohne Wandgerät. Eine eingeführte Gleichung zur Bestimmung der tatsächlichen Regeltemperatur ermöglicht eine teilweise Analyse dieser Räume. Für vier Versuchsräume wird Mitte März ein intermittierender Betrieb ausgerollt. Eine Bewertung ergibt, dass das Gebäude aufgrund schlechter Wärmedämmung und der Bauschwere erhöhtes Energieeinsparpotenzial durch die Nachtabsenkung aufweist, da eine relativ starke Auskühlung möglich ist. Die Aufheizzeiten liegen im Bereich von 0 - 3 Stunden und das System hat somit genügend Leistungsreserven für die erhöhte Bedarfsanforderung während der Aufheizphase. Anfang April erfolgt die Umsetzung des intermittierenden Heizbetriebs für alle Räume des Gebäudes. Abseits von teilweise auftretenden Kommunikationsproblemen der Geräte ist die Umsetzung erfolgreich. Der intermittierende Heizbetrieb sorgt im Allgemeinen nicht für eine Beeinträchtigung des Komforts. Stattdessen ergeben sich witterungsbereinigte Einsparungen für den intermittierenden Heizbetrieb in Verbindung mit den umgesetzten Maßnahmen der Bundesregierung in Höhe von 21 %, und nach Auslauf der Maßnahmen, von 17 %, gegenüber den Vorjahreszeiträumen ohne intermittierenden Heizbetrieb. Unter Berücksichtigung von Einsparpotenzialen durch den Wechsel von thermostatischen Heizkörperventilen auf das Einzelraumregelsystem, ergibt sich ein Einsparpotenzial von 23 %.
Der Einsatz des Einzelraumregelsystems kann aus energetischer Sicht somit als sinnvolle Investition angesehen werden. Probleme sind in geringem Maß softwareseitig zu verorten. Das Einsparpotenzial lässt sich durch Optimierungen des intermittierenden Heizbetriebs weiter steigern. Dies kann für Zeiträume ohne stark einschränkende Maßnahmen der Bundesregierung untersucht werden. Eine Untersuchung auf Anlagenebene zeigt, dass auch noch Potenzial bei der Anpassung der aktuellen Heizkurve besteht. Diese ist für sehr niedrige und hohe Außentemperaturen nicht optimal eingestellt. Theoretische Ausführungen liefern einen Ausblick auf Umsetzungen von Maßnahmen für eine dem Bedarf besser angepasste Vorlauftemperaturregelung mithilfe der Einzelraumregelung.
Bearbeitet von: Paul Petermann
Betreut von: Dipl.-Ing. Markus Arendt, Dipl.-Ing. Juliane Schmidt
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Vereinfachte Modellierung eines Fernwärmenetzes in der Betriebsführungsoptimierung
In der Arbeit wird die Betriebsführungsoptimierung eines Fernwärmenetzes mit verschiedenen Ansätzen zu Lastverschiebepotenzialen durchgeführt. Dabei werden diese Ansätze anhand eines Beispielnetzes erprobt. Für die Durchführung der Optimierungsaufgaben wird das Python-basierte Optimierungstool Flix-Opt verwendet. In der Arbeit wird gezeigt, dass thermische Energie auf verschiedene Art und Weise in Fernwärmenetzen eingespeichert werden kann. Dabei werden verschiedene Ansätze diskutiert, die sich auf das Speichern von Wärme in Kurzzeitspeichern, in der Wassermasse des Fernwärmenetzes und in den Gebäudehüllen, der an das Netz angeschlossenen Gebäuden, beziehen. Es wird gezeigt, dass die Lasten im Fernwärmenetz durch die untersuchten Methoden verschoben werden können. Zudem wird untersucht wie sich die örtliche Trennung von verschiedenen Erzeugern und Verbrauchern unter Anwendung eines Clustering-Ansatzes auf die Betriebsführungsoptimierung auswirkt.
Bearbeitet von: Moritz Scheffel
Betreut von: Dr.rer.nat. Peter Stange, Dipl.-Ing. Tiedo Behrends, Dipl.-Ing. Juliane Schmidt
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
Erstellung eines Berechnungstools zur Bestimmung der hygienischen Behaglichkeitsparameter im Raum inkl. Erstellung eines Versuchsstandkonzeptes
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Raumluftqualität von Innenräumen als
Teilgebiet der hygienischen Behaglichkeit. Mit dem Ziel diese zu bewerten wurden die
wichtigsten Parameter, welche die hygienische Behaglichkeit beeinträchtigen, identifiziert
und deren Wirkung beschrieben. Über die Festlegung von Konzentrationsgrenzwerten
dieser Behaglichkeitsparameter kann eine Bewertung der Raumluftqualiät vollzogen
werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Berechnungstool in Excel entwickelt, welches die
Schadstoffkonzentration im Raum berechnet. Mithilfe des Tools konnten Analysen der
Einflussgrößen auf die Schadstoffbilanz vorgenommen werden. Dabei wurden der Frischluftvolumenstrom sowie die Personenzahl als wichtigste Einflussgrößen identifiziert.
Weiterhin wurden die Hintergründe der energetischen Bilanzierung erörtert und am
Beispiel der DIN EN 16798 vereinfacht durchgeführt. Damit soll verdeutlicht werden,
dass eine Bewertung der Raumluftqualität sowohl in Hinblick auf die Behaglichkeit als
auch auf den energetischen Aufwand wichtig ist.
Durch eine spezifische Kenngröße soll die Auslegung des Zuluftvolumenstroms einfach
und allgemeingültig erfolgen. Diese liefert abhängig von dem Aktivitätsgrad der
Menschen und der gewünschten Schadstoffdifferenz zwischen Zu- und Raumluft den
notwendigen Frischluftvolumenstrom.
Mit dem Ziel den Luftwechsel sowie die energetische Bilanzierung an einem Versuchsstand zu überprüfen wurden drei Konzepte zur Implementierung in das Combined Energy Lab der TU Dresden entwickelt und vergleichend bewertet.
Bearbeitet von: Klara Sulamith Bestehorn
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. Maximilian Beyer
Jahr: 2023, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Dimensionierung einer Lüftungsanlage unter Verwendung der BIM-Planungsmethode mit einem operativen Praxisvergleich von unterschiedlichen TGA-Berechnungsprogrammen hinsichtlich der Anforderungen eines Planungsbüros
Um den aktuellen Fortschritt der Digitalisierung am Standort Deutschland zu messen, wurde durch das Institut der Deutschen Wirtschaft der Digitalisierungsindex entwickelt. Der Index für das Jahr 2022 verdeutlicht insbesondere für die Branchengruppe „Sonstiges Produzierendes Gewerbe“, die unter anderem das Baugewerbe beinhaltet, ein weiterhin bestehendes Digitalisierungspotenzial, das durch gezielte Maßnahmen auszuschöpfen ist. Eine Möglichkeit für das Baugewerbe bietet die Nutzung des Building Information Modelings (BIM). Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Planung, den Bau und Betrieb von Bauwerken unter Nutzung von modellbasierten, digitalen Methoden zu realisieren. Allerdings ergibt sich die Frage, welche Software-Kombination im Jahr 2023 am zweckmäßigsten nach der BIM-Methodik für die Planung einsetzbar ist.
Aufgrund dessen befasst sich die vorliegende Diplomarbeit mit einem Vergleich von drei BIM-konformen Software-Kombinationen für das Gewerk Lüftung unter Anwendung der BIM-Planungsmethode. Dafür werden als Erstes die Grundlagen des Building Information Modelings sowie der Planungsanforderungen von raumlufttechnischen Anlagen erläutert. Anschließend werden das zu untersuchende Bürogebäude und das erstellte Lüftungskonzept für die zu belüftenden Räume beschrieben. Letzteres wird durch eine Druckverlust- und Schallberechnung weiterentwickelt sowie auf den Informationsgehalt in der resultierenden Bauteilliste, Aufmaßliste und IFC-Datei überprüft. Darauf aufbauend erfolgt die Analyse der Lüftungsplanung in zwei weiteren BIM-konformen Software- Kombinationen. Die Analyse beinhaltet aufgrund des fehlerbehafteten Importes eine Neu-Konstruktion des Lüftungskonzeptes im Kellergeschoss des Bürogebäudes sowie die Überprüfung der Druckverlust- und Schallberechnung, Bauteilliste, Aufmaßliste und generierten IFC-Datei. Durch den anschließenden Vergleich der betrachteten Softwarelösungen werden die jeweiligen Vor- und Nachteile der analysierten Aspekte aufgezeigt und anhand eines entwickelten Bewertungsmaßstabes bewertet.
Bearbeitet von: Marko Tadic
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) Bernd Klimes - INNIUS DÖ GmbH, Dipl.-Ing. Jens Kaiser
Jahr: 2023, Diplomarbeit, Poster
2022
Sommerliche Raumkühlung: Umsetzung einer auf skalierbaren Gebäude- und Anlagenmodellen basierenden Untersuchungsmethodik zum Kühleffekt Freier Heizflächen im Gebäudebestand
Um den Kühleffekt Freier Heizflächen abschätzen zu können, ist eine gekoppelte Anlagen- und Gebäudesimulation notwendig. Eine Erstellung einer solchen Simulation ist in der Regel aufwendig und benötigt Expertenwissen. Daher soll Im Rahmen dieser Arbeit ein Prototyp einer Webanwendung geschaffen werden, um auch Anwendern ohne detailliertes Fachwissen eine Abschätzung des Kühleffektes zu ermöglichen. Die Gebäudemodelle werden dabei in einer Bibliothek zur Verfügung gestellt. Diese wird um Gebäudemodelle erweitert. Für die Durchführung der Simulation mit freien
Heizflächen wird das grundlegende Vorgehen erarbeitet, um die benötigten Eingaben zu
automatisieren. Mit Hilfe von Simulationen werden die ermittelten Funktionen überprüft und eine Abschätzung des Kühleffektes dargestellt. Für die Auswertung werden Ideen zur Umsetzung der Auswertung aufgezeigt.
Bearbeitet von: Stefan Bayer
Betreut von: Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach, Dr.-Ing. Alf Perschk
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Entwicklung einer Hilfestellung zur Auswahl von Heizungssystemen im Gebäudebestand
In der Arbeit wird der Austausch von Wärmeerzeugern in Bestandsgebäuden betrachtet, wobei der Hauptfokus der Arbeit auf kommunalen Gebäuden liegt. Hierzu werden zuerst die aktuellen politischen Rahmenbedingungen, Besonderheiten kommunaler Bestandsgebäude und vorhandene Entscheidungshilfen betrachtet. Ein Fokus liegt hier auf dem neuen Entwurf der Bundesregierung mit der Vorgabe, dass Wärmeerzeuger zukünftig mit einem Anteil von 65% erneuerbaren Energien betrieben werden müssen.
Es werden Kriterien aufgestellt, um Technologien auszuwählen, die wirtschaftlich für den Wärmeerzeugertausch betrachtet werden sollen. Dies geschieht auf Grundlage der summierten Barwerte der Energiekosten. Die Investitionskosten fließen nicht mit in die Betrachtung ein auf Grund einer mangelhaften Datenlage. Ein Fokus dieser Arbeit liegt auf Wärmepumpen in der monovalenten und bivalenten Betriebsweise. Hierbei wird sich stark an der VDI 4650-1 orientiert.
Des Weiteren werden die Ergebnisse der Methodik ausgewertet und die Methodik auf ihre Unsicherheit in Bezug auf die Ergebnisse untersucht. Die entwickelte Methodik eignet sich vor allem, um die Auswahl an Wärmeerzeugertechnologien einzugrenzen. Eine Entscheidung, welche Technologie für den Tausch am besten geeignet ist, lässt sich jedoch nur bei genaueren anschließenden Betrachtungen treffen.
Bearbeitet von: Kai Witza
Betreut von: Armin Verch - SAENA, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2022
Nutzung einer Freiflächen-Photovoltaik-Anlage und eines Batteriespeichers zur direkten Strombelieferung einer Neubausiedlung in einem Arealnetz
In dieser Arbeit wird anhand eines konkreten Erneuerbare-Energien-Projektes in Sachsen,
ein Konzept für die optimale Nutzung von energetischen Erträgen einer großtechnischen Freiflächen-Photovoltaik-Anlage (PVA). Bei dem Konzept handelt es sich um ein Arealnetz, welches der direkten Stromversorgung einer Neubausiedlung dienen soll. Dazu werden zunächst die Projektgegebenheiten und energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen erläutert. Dann werden mittels der Berechnungstools „pvlib python“ und „LoadProfileGenerator“ eine Ertragsprognose für Stromertrag aus der PVA und eine Lastprognose für den Strombedarf der Neubausiedlung erstellt, bewertet und miteinander verglichen. Es stellt sich heraus, dass die Erweiterung des Projektes um einen Lithium-Ionen-Batteriespeicher als Quartierspeicher sinnvoll sein könnte. Dies wird anhand einer Optimalitätsberechnung hinsichtlich der Kosteneffizienz geprüft. Es stellt sich heraus, dass die vorgeschlagene Erweiterung um einen Batteriespeicher sinnvoll ist, da sie neben der Kosteneffizienz auch die Energieeffizienz des Gesamtprojektes verbessert. Auf Grundlage der Ergebnisse wird abschließend die Empfehlung gegeben, dass Projekt um einen Batteriespeicher der als optimal berechneten Kapazität zu erweitern.
Bearbeitet von: Justus Jonas Kerlin
Betreut von: Dr. rer. nat. Wolfgang Daniels – Sachsenkraft GmbH, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2022, Studienarbeit
Technische Entwicklung und Auswertung eines Konzeptes zur erneuerbaren Wärmeversorgung eines Wärmenetzes mit Seethermie
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein technisches Konzept entwickelt, um ein bestehendes Wärmenetz mit Wärme aus dem Groitzscher See (Seethermie) zu versorgen. Dazu wird ausgehend vom Wärmeverbrauch des bestehenden Netzes ein Modell zur Abschätzung der zukünftigen Betriebsparameter des Netzes entwickelt. Mit diesem Modell werden zwei Lastgänge entwickelt, die unterschiedliche Zukunftsszenarien abbilden. Zur Bestimmung der Temperaturschichtung im See wird ein 1D-Wärmeübertragung Simulationstool eingesetzt. Auf Basis der Temperaturschichtung des Sees, der generierten Lastgänge und der gesetzlichen Randbedingungen wird dann eine Wärmeversorgungsanlage konzipiert, die mit den gegebenen Eingangsgrößen die Wärmeversorgung abbildet. Die Wärmeversorgungsanlage ist eine zweistufige Anlage, bestehend aus einer konventionellen Wärmepumpe und einer Vakuum-Flüssigeisanlage. Abschließend wird das Zusammenspiel der drei Modelle dargestellt und die Wärmelast des Sees modelliert.
Bearbeitet von: Ege Cengiz
Betreut von: Johann Cavar - ENGIE Deutschland, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Wirtschaftlichkeit von Wärmerückgewinnungssystemen in raumlufttechnischen Anlagen mit und ohne adiabater Abluftbefeuchtung
Die sommerliche Klimatisierung von Gebäuden besitzt aufgrund des Einsatzes
konventioneller Kompressionskälteanlagen sowohl ein großes Potential zur
Energieeinsparung als auch zur Reduktion klimaschädlicher Emissionen. Zur Erschließung
dieses Potentials kommen zunehmend adiabate Kühlsysteme in raumlufttechnischen
Anlagen als klimafreundliche Alternative zum Einsatz. Aus Perspektive der
Gebäudebetreiber stellt sich zusätzlich die Frage nach der Wirtschaftlichkeit dieser
Systeme. Die Beantwortung dieser Fragestellung ist Gegenstand dieser Untersuchung.
Das Ziel ist es, Parameter zu quantifizieren, die einen wirtschaftlichen Betrieb adiabater
Kühlsystem indizieren. Bei den zu untersuchenden Parametern handelt es sich um den
Auslegungsvolumenstrom, die Betriebszeit der raumlufttechnischen Anlage und das
Wärmerückgewinnungssystem. Um den Einfluss der genannten Parameter zu
quantifizieren, werden diese variiert. Gegenstand dieser Arbeit sind zwei typische
Nichtwohngebäude, die aufgrund ihrer divergenten Nutzung unterschiedliche
Anlagenbetriebszeiten repräsentieren. Bei den betrachteten Systemen zur
Wärmerückgewinnung handelt es sich um Plattenwärmeübertrager und
Kreislaufverbundsysteme. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erfolgt gemäß VDI 2067,
wobei die energetischen Bedarfswerte anhand der DIN V 18599-3 ermittelt werden. Zur
Beurteilung der Wirtschaftlichkeit werden jeweils Varianten mit und ohne adiabaten
Kühlsystem gegenübergestellt. Als Ergebnis der Untersuchung lässt sich manifestieren,
dass lediglich für das Krankenhaus bei einer Anlagenbetriebszeit von 8.736 h/a und einem
Auslegungsvolumenstrom von 20.000 m³/h das adiabate Kühlsystem aus wirtschaftlicher
Sicht zu präferieren ist. Der Einfluss des verwendeten Wärmerückgewinnungssystems ist
nicht signifikant, da sich die Temperaturaustauschgrade unterschiedlicher rekuperativer
Systeme zu Wärmerückgewinnung nach dem heutigen Stand der Technik nur marginal
unterscheiden. Die Durchführung der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nach Methode der
Amortisationsdauer zeigt, dass alle Anlagenvarianten vorteilhaft sind, da sie sich
innerhalb der Nutzungsdauer amortisieren. Aufgrund der indirekten CO2-
Emissionseinsparung von bis zu 22 % ist das adiabate Kühlsystem für das Krankenhaus
unabhängig von der Anlagengröße zu empfehlen. Für die Universität gilt dies ab einer
Anlagengröße von 20.000 m³/h.
Bearbeitet von: Paul Straßburger
Betreut von: Dipl.-Ing. Ronald Nerger – Brendel Ingenieure, Dipl.-Ing. Felix Valentin
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Energieflussanalyse und Abwärmenutzung in einer Gießerei
In der vorliegenden Diplomarbeit wird die Nutzung von Abwärme in einer Gießerei untersucht. Dabei werden die bestehenden Prozesse und Anlagen betrachtet und die dazugehörigen Energieverbräuche analysiert. Als Grundlage dienen die Messwerte der Energieverbräuche der Gießerei aus dem Jahr 2021. Der Gesamtenergiebedarf lag 2021 bei 33.420 MWh und verteilt sich auf elektrische Energie (26.620 MWh/a), Erdgas (6.730 MWh/a) und Diesel (70 MWh/a). Außerdem werden die Aussagen von Mitarbeitenden zu Produktionsschritten und -abläufen für weiterführende Berechnung genutzt. Ziel der Arbeit ist es, die Möglichkeiten der Abwärmenutzung darzustellen und Umsetzungsvorschläge zu erarbeiten. Zur Darstellung der Auswirkungen der Wärmerückgewinnung werden Kennzahlen erhoben und ausgewertet. Es wird die Nutzung der Abwärme aus dem Betrieb der Schmelzöfen in einem Wärmeverteilnetz innerhalb der Gießerei zur Reduzierung des Erdgasverbrauchs in verschiedenen Wärmesenken vorgeschlagen. Des Weiteren wird die Rückgewinnung der Abwärme aus den Dunkelstrahler-Hallenheizungen zur Beheizung eines Verarbeitungsprozesses empfohlen. Durch die vorgeschlagenen Abwärmenutzungen ist es möglich, den Erdgasverbrauch um 1.590 MWh/a zu senken, dies entspricht einer Reduktion von 24 % des Gasverbrauches und 4,8 % des Gesamtenergiebedarfs.
Bearbeitet von: Rubén Günther
Betreut von: Dipl.-Ing. Vera Boß, Christoffer Schroth – Schmiedeberger Gießerei GmbH
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Ermittlung von Bedarfsprofilen und Verhaltensmustern aus Wärmezähler-Datensätzen
Die vorliegende Projektarbeit verfolgt das Ziel, eine Auswertung der Messdaten von 20
Hausstationen aus dem Fernwärmegebiet der Stadtwerke Böblingen vorzunehmen. Zu
diesem Zweck wird zunächst die thermische Energie des Wärmemengenzählers ermittelt
und aufbereitet. Im Anschluss werden relevante Kenngrößen und Kriterien vorgestellt,
um die Daten auswerten zu können. Des Weiteren werden die Verfügbarkeit und die
Plausibilität der Messdaten geprüft. Es erfolgt ein Vergleich der Hausstationen mithilfe
der vorgestellten Kenngrößen und Kriterien, wobei auffällige Stationen näher betrachtet
werden. In einem separaten Kapitel wird untersucht, ob sich Nutzungsprofile und
Verhaltensmuster aus den Messdaten ableiten lassen, wobei erneut auf besondere
Stationen eingegangen wird. Schließlich wird die Trinkwassererwärmung der Hausstation
genauer betrachtet. Im Fazit werden die Ergebnisse zusammengefasst, um einen
Überblick über die gewonnenen Erkenntnisse zu geben. Darüber hinaus werden im
Ausblick unterschiedliche Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz der Anlagen
vorgestellt.
Bearbeitet von: Valentin Grüber
Betreut von: Dipl.-Ing. Stefan Hoppe, Dipl.-Ing. Vera Alieva
Jahr: 2022, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Fallbasierte Auswahl von Regelstrategien zur Verbrauchsoptimierung in Gebäuden
In dieser Arbeit wird die Fragestellung überprüft, ob ein modellgestützter Algorithmus, welcher nach dem Prinzip der fallbasierten Auswahl (eng. „Cased-Based Reasoning“, kurz CBR) operiert, für die Verbrauchsoptimierung in Gebäuden verwendet werden kann. Hierfür wurde das Heizungskonzept der Grundschule Giebelstadt als Optimierungsbeispiel verwendet. Die Anlagentechnik, des im Jahr 2019 errichteten Gebäudes, wurde in Modelica modelliert und mit den Messdaten der Sensoren der realen Anlage validiert.
An diesem Modell wurden drei verschiedene Optimierungsstrategien getestet, um den Verbrauch an Energie zu minimieren. In der Arbeit werden die untersuchten Strategien vorgestellt und verglichen. Es handelt sich um eine Regelung der Anlagentechnik mittels statischer Steuergrößen, eine Regelung mittels Erzeugungsprognose und einen CBR- Algorithmus. Der Algorithmus verwendet typische Strukturen wie eine Falldatenbank sowie das Wiederverwendeten vergangener Lösungen, um eine Verbrauchsoptimierung vorzunehmen.
Um die Anwendbarkeit des CBR-Ansatzes einschätzen zu können, wurde dieser und die Vergleichsstrategien an einer zwei Jahres Simulation der Grundschule getestet. Dabei wurde das Modell der Anlage mit den Sensordaten aus den Jahren 2020 und 2021 simuliert und die verschiedenen Strategien genutzt, um die Steuergrößen der Anlage zu setzen.
Am Beispiel dieser Simulation konnte der Erfolg eines CBR-Algorithmus bei der Anlagensteuerung und Verbrauchsoptimierung aufgezeigt werden. Dabei konnte der Algorithmus den Gesamtenergieverbrauch in Bezug auf die prädiktive Variante um ca. 1.2 % reduzieren und im Vergleich mit der statischen Regelung konnte über die zwei Jahre eine Kosteneinsparung von ca. 9 % erzielt werden.
Ein solcher computergestützter Algorithmus muss jedoch stets die Systemgrenzwerte einhalten, um eine Anwendung außerhalb der Simulation zu finden.
Bearbeitet von: Sven Juhler
Betreut von: Dipl.-Ing. René Unger – EA Sytems Dresden, Dr.-Ing. Paul Seidel
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Analyse von Monitoring- und Abrechnungsdaten zur Bestimmung von CO2-Äquivalenten des Campus der TU Dresden
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Quellen der CO2-Emissionen des Campus der TU Dresden betrachtet. Der Einfluss des Klimafaktors auf den Wärmeverbrauch wird berücksichtigt. Die Relevanz dieses Parameters wiederum für die Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden, nämlich die Differenz zwischen absolutem Verbrauch und witterungsbereinigte Verbrauch. Darüber hinaus wurden Beispiele zur Berechnung des Emissionsfaktors für unterschiedliche Endenergieträger betrachtet, sowie Allokationsmethoden für thermische Energie und die Änderung des Emissionsfaktors für Strom bei unterschiedlichen Versorgungsschema. Ein wichtiger Punkt dieser Arbeit ist der Vergleich bereits umgesetzter oder gerade geplanter Energieeffizienzmaßnahmen an anderen deutschen Hochschulen. Im letzten Teil wurden mögliche Maßnahmen zur Emissionsminderung betrachtet, wie beispielsweise der Ersatz von Energieträgern durch umweltfreundlichere oder freiwillige Emissionskompensationen.
Bearbeitet von: Heorhii Polskyi
Betreut von: Dipl.-Ing. Markus Arendt
Jahr: 2022, Studienarbeit
Techno-ökonomische Analyse von Optionen zur Wasserstofferzeugung im Rahmen eines globalen Wasserstoffmarktes
Diese Arbeit stellt relevante Herstellungsverfahren für Wasserstoff dar und diskutiert mögliche Betriebsmodelle von Elektrolyseanlagen. Darauf aufbauend wird ein Modell zur Berechnung von Wasserstoffkostenpotentialkurven entwickelt, welches auf Regionen weltweit anwendbar ist. Somit können die Wasserstoffherstellungskosten und Wasserstoffpotentiale beliebiger Länder berechnet werden. Dafür wird die optimale Systemauslegung für minimale Wasserstoffherstellungskosten für Wasserelektrolyse in Kombination mit erneuerbaren Energien (Photovoltaik und Windenergie an Land) bestimmt. Auf Grundlage der dafür verwendeten erneuerbaren Energien Potentiale wurden fünf verschiedene Modellierungsvarianten identifiziert. Diese werden vergleichend auf die Länder Marokko und Ukraine für das Jahr 2050 angewendet, um Einflüsse der räumlichen Auflösung der erneuerbaren Energien Potentiale und der Berücksichtigung von Hybridkraftwerken auf die Wasserstoffgestehungskosten zu untersuchen. Für Marokko ergeben sich im Jahr 2050 die günstigsten Wasserstoffpotentiale bis 93 MtH2 für Wasserstoffherstellungskosten unter 2 €/kgH2. Aufgrund der besonders guten Solarpotentiale Marokkos haben PV-Wind-Hybridkraftwerke keine große Bedeutung und die günstigsten Wasserstoffmengen werden nur mit Strom aus Photovoltaikanlagen hergestellt. Durch Verwendung von Windenergie steigen die Wasserstoffherstellungskosten. In Ukraine hingegen sind die Solarpotentiale geringer. Daher werden für die günstigsten Wasserstoffpotentiale PV-Wind-Hybridkraftwerke verwendet. Bis zu 24 MtH2 können mithilfe von Hybridkraftwerken für Kosten zwischen 3,00 und 3,50 €/kgH2 hergestellt werden. In beiden Ländern ist der Einfluss der regionalen Auflösung der erneuerbaren Energien Potentiale gering. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt, dass die Wasserstoffherstellungskosten besonders sensitiv gegenüber den Investitionsausgaben der erneuerbaren Energien und dem kalkula-torischen Zinssatz sind.
Bearbeitet von: Jonas Meier
Betreut von: Dr.-Ing. Robert Kunze – ESA² GmbH Dresden, Hendrik Scharf, M. Sc. – TU Dresden, Lehrstuhl für Energiewirtschaft, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Optimierung der Tiefkälteprüfstande in einem Prüfzentrum
In der FEV Dauerlaufprüfzentrum GmbH werden Fahrzeugantriebe im Rahmen des Dauerlaufs getestet. Hierfür werden die Antriebe unterschiedlichen Umgebungsbedingungen wie Heißland, Tiefkälte oder Thermoschock des Kühlwassers ausgesetzt. Diese Arbeit thematisiert die Tiefkältetests von Verbrennungsmotoren und speziell die zugehörige vorhandene Anlagentechnik, wegen dieser die Prüflinge dauerhaft in ihrer Leistung und damit ihrer Wärmeabgabe und dem Luftbedarf limitiert werden müssen, um die geforderte Temperatur zu halten. Ziel der Untersuchungen ist es, auch Dauerläufe, wie sie in Standard- Motorenprüfständen unter Umgebungstemperaturen von 15 bis 35 °C üblich sind, in der Tiefkälte durchführen zu können.
Zunächst werden die vorhandenen Anlagen vorgestellt, experimentell untersucht und die gewonnenen Daten ausgewertet. Daraus lassen sich ein Berechnungsprogramm in Excel zur Voraussage, ob Dauerläufe durchgeführt werden können, sowie Konzepte zur Optimierung ableiten.
Die Gebäudehülle des Prüfstandes weist Undichtigkeiten auf. Außerdem muss generell mehr trockene Außenluft zugeführt werden, welche mit 15 °C in der Regel wärmer ist als die Zieltemperatur im Prüfstand, ohne dass diese als Verbrennungsluft für den Betrieb des Prüflings benötigt wird. Ebenfalls kann der verbaute Umluftkühler nicht die nötige Kühlleistung aufbringen, um den Prüfstand tiefer als -14 °C abzukühlen. Mittels der ermittelten Abkühlkurven wird eine Abschätzung möglich, inwiefern Dauerläufe in Bezug auf den Lastanteil des Verbrennungsmotors und dem damit verbundenem Wärmeeintrag und Frischluftbedarf in der Tiefkälte durchgeführt werden können. Ebenso werden Konzepte erarbeitet, um die vorhandene Anlagentechnik zu ertüchtigen.
Bearbeitet von: Benjamin Goedecke
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Lars Schinke
Jahr: 2022, Projektarbeit im Fachpraktikum
Identifikation von Verbrauchsmustern und Fehlerzuständen von Abnehmern im Fernwärmenetz durch Maschinelles Lernen
Die Zahl installierter Smart Meter steigt, wodurch stetig mehr Daten zur Verfügung stehen. Gleichzeitig steht der Wärmesektor vor den Herausforderungen der Energiewende, die nur bewältigt werden können, wenn gleichzeitig die Effizienz und Überwachung der Netze verbessert wird. Der Frage ob und wie Maschinelles Lernen hierzu einen Beitrag leisten kann, wird in der Arbeit nachgegangen, wobei ein Fokus auf die Analyse von Verbrauchsmustern und die Fehlererkennung gelegt wird.
Bestehende Ansätze aus der Literatur werden hierfür exemplarisch vorgestellt und unter der Verwendung von zwei Datensets mit stündlichen Verbrauchsdaten von Kunden zweier Fernwärmenetze demonstriert. Eines der Datensets enthält auch eine Gruppe von Verbrauchern, bei denen das sekundärseitige Verhalten auf Kundenseite detailliert erfasst wird. Zwei mögliche Ziele in der Verwendung dieser Daten – die Abschätzung des Warmwasser-bedingten Wärmeverbrauchs und die Identifikation der sekundärseitigen Anlagen – werden geschildert und die Anwendung des Maschinellen Lernens auf die verfügbaren Daten geprüft.
Gängige Konzepte des Maschinellen Lernens, Hürden in der Anwendung sowie deren Implikationen im Wärmesektor werden auf diese Weise an konkreten Beispielen nachvollzogen. Die Vorstellung mehrerer Fallbeispiele unterstreicht die diskutierten Themen. Aussichtsreiche Ansätze und häufige Probleme werden aus der Literatur herausgestellt und in Empfehlungen für zukünftige Arbeiten gebündelt.
Bearbeitet von: Felix Geister
Betreut von: Dr.rer.nat. Peter Stange, Dipl.-Ing. Sven Paulick
Jahr: 2022, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Berechnung eines verzweigten Trinkwasserverteilnetzes und Auslegung hygienisch korrekter Strömungsverhältnisse in Hauptverteilleitungen
Das Ziel der vorliegenden Abschlussarbeit ist es, zu beantworten, wie die ausgewählten technischen Maßnahmen und Betriebssituationen auf die Strömungsverhältnisse wirken und wie sich deshalb die Temperatur und Hygiene des Trinkwassers verändern.
Zuerst werden die relevanten Anforderungen an Trinkwassersysteme dargestellt. Die verschiedenen Hygienemaßnahmen für Trinkwasserhygiene werden aufgegriffen und diskutiert. In diesem Teil wird auch die aktuelle technische Entwicklung zur Beeinflussung der Trinkwassertemperatur dargelegt. Dann wird die Strömungsart in den Rohrleitungen des Trinkwassers berechnet. Die Wärme im Schacht wird auch in diesem Teil der Arbeit bestimmt. Sie ergibt sich aus den Wärmequellen, der Umgebungstemperatur der Rohrleitungen, den Wärmesenken und dem Wärmestrom durch die Wand. Die Wärmeaufnahme und -abgabe der Rohrleitungen des Trinkwassers werden mit der allgemeinen Gleichung für eine Wärmeleitung durch eine mehrschichtige Zylinderwand ermittelt. Der Wärmestrom durch die Wand wird mit der allgemeinen Gleichung für einen Wärmedurchgang berechnet.
Durch die ausgewählten Hygienemaßnahmen werden die Spüleffekte abgeleitet. Die Rohrleitungen des Trinkwassers Kalt können mit einer automatischen Spülung oder einem Ringsystem bzw. einer Kaltwasser-Zirkulation gespült werden. Für Warmwasser können die Rohrleitungen durch eine Verlängerung der Rohrleitung des Trinkwassers Zirkulation, ein Ringleitungssystem mit Strömungsteiler oder mit elektrischem Durchlauferhitzer behandelt werden. Danach werden die Kosten für die Maßnahmen mit der Richtlinie VDI 2067 berechnet. Außerdem wird bewertet, welche Maßnahme bei den verschiedenen Varianten optimal im Planungs- und Bauprozess ist.
Abschließend werden in der Zusammenfassung die Möglichkeiten zur weiteren Forschung analysiert. Für das Trinkwasser Kalt ist das Kaltwasser-Zirkulationssystem am günstigsten. Für das Trinkwasser Warm kostet die Hygienemaßnahme mit der Verlängerung der Rohrleitungen des Trinkwassers Warm am wenigsten, da in diesem Beispielprojekt in wenigen Bereichen diese Rohrverlängerung notwendig sind.
Bearbeitet von: Hyeju Noh
Betreut von: Dipl.-Ing. Mathias Behrens - CANZLER GmbH, Dipl.-Ing. (FH) Markus Taubner - CANZLER GmbH, Dr.-Ing. Lars Haupt
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Ein Beitrag zur Modellierung des Dresdner Wärmemarktes
Zur Begrenzung des Klimawandels ist eine Realisierung der Klimaziele dringend notwendig. Für die Erreichung der städtischen Klimaziele in Dresden werden im Rahmen eines integrierten Energie- und Klimaschutzkonzeptes (IEK), der Kommunalen Wärmeplanung und der Transformation der Fernwärmeversorgung durch den lokalen Energieversorger SachsenEnergie AG Strategien zur Umstellung der Wärmeversorgung und Schaffung eines effizienteren Gebäudebestandes in Dresden entwickelt. Dementsprechend ist ein Monitoring des Wärmebedarfs im Dresdner Gebäudesektor durch die Abbildung des IST-Standes im Jahr 2021 und der langfristigen Entwicklung des Wärmebedarfs grundlegend erforderlich.
Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der excelbasierten Modellierung der Wärmebedarfsentwicklung der Stadt Dresden für die Jahre 2021 bis 2045. Die Grundlage des Modells stellt eine Gebäudedatenbank dar, welche Bottom-Up durch Vergleich und Kalibrierung von Wärmebedarfs- mit Wärmeverbrauchsdaten geschaffen wurde. Sie ordnet jedem Gebäude Dresdens einen Jahreswärmebedarf, aufgeteilt in Raumwärme- und Trinkwarmwasserwärmebedarf, zu. Durch Parametrisierung von Einflussgrößen kann die Wärmebedarfsentwicklung langfristig und szenarienbasiert berechnet werden. Notwendige Informationen zur Modellierung und Gestaltung der Parameter wurden in einer umfänglichen Literaturrecherche erarbeitet. Die Ergebnisse zeigen, dass Dresden bereits einen durchschnittlich guten energetisch sanierten Gebäudebestand aufweist. Im Best-Case-Szenario sinkt der Wärmebedarf der Stadt Dresden von 6,92 TWh im Jahr 2021 um 64 % auf 2,48 TWh und im Trend-Szenario um 32,5 % auf 4,67 TWh bis zum Jahr 2045. Ein großes Potenzial für diese Wärmebedarfsreduktion stellen Effizienzmaßnahmen wie die energetische Sanierung der Gebäudehülle und der Verteilleitungen dar. Durch eine Umstellung des Nutzerverhaltens kann zusätzlich ein großer Anteil an Energie eingespart werden. Der Klimawandel lässt sich nur bedingt allein durch lokale Veränderungen bremsen und führt bei einer starken Fakultät Maschinenwesen „Friedrich List“ Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung Erderwärmung zum weiteren Sinken des Wärmebedarfs. Um den Wärmebedarf der Stadt Dresden zu reduzieren, muss die Umsetzungsgeschwindigkeit von Effizienzmaßnahmen durch finanzielle Anreize und gezielte Forderungen erhöht sowie die Bevölkerung sensibilisiert und mithilfe einer kommunalen Wärmeplanung für Planungssicherheit bei den Eigentümer:innen gesorgt werden. Um die Klimaziele bis zum Jahr 2045 zu erreichen, ist neben dem starken Rückgang des Wärmebedarfs im Gebäudesektor auch die Transformation der Wärmeversorgung durch einen Energieträgerwechsel hin zur Nutzung CO2-neutraler Wärmequellen zwingend notwendig.
Bearbeitet von: Anna Ebeling
Betreut von: Dr. Anke - SachsenEnergie AG, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Kombinierter Betrieb einer Luft-Wasser-Wärmepumpe: Effizienzbetrachtung und Modelbasierte Betriebsanalyse in einer Emulationsumgebung (Hardware-in-the-loop)
Bei der Entwicklung einer neuen Luft-Wasser-Wärmepumpe spielt das Zusammenspiel von Innen- und Außeneinheit eine entscheidende Rolle.
Die Inneneinheit mit hydraulischen Geräten und Steuereinrichtungen beeinflusst die Effi- zienz des Gesamtsystems. Bei der untersuchten Wärmepumpe wird die Effizienz durch die Wärmeverluste in der Inneneinheit, durch Mischungen, die durch die hydraulische Entkopplung und Messunsicherheiten durch die Temperatursensoren entstehen, und Hilfsenergie für elektrische Verbraucher reduziert. Diese haben je nach Betriebspunkten unterschiedlichen Einfluss, können aber grob mit einer 5 %-igen Verringerung des Seasonal Coefficient of Performance (SCOP) abgeschätzt werden. Bei hohen Volumen-
strömen und hohen Temperaturdifferenzen zur Umgebungsluft sind die Einŕüsse am größten.
Um die Robustheit des Gesamtsystems der Wärmepumpe zu testen, stellen Dauerver- suchsstände eine gute Möglichkeit dar. Ein möglichst realitätsnaher Betrieb ist durch eine Gebäudesimulation, die über Hardware-in-the-loop mit dem Gerät verbunden ist, gegeben. Durch eine gezielte Datenauswertung können Unstimmigkeiten, die durch andere reguläre Versuche nicht gefunden worden sind, behoben werden.
Bearbeitet von: Lea Sprenger
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Kaiser, Dr.-Ing. Martin Knorr
Jahr: 2022, Projektarbeit im Fachpraktikum
Automatisierte Bewertung und Zuordnung von Lastprofilen in der Simulation von Wärmenetzen
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein performantes Programm erstellt, welches trotz geringer Datengrundlage eines Wärmenetzes eine automatische Bewertung und Zu- ordnung von Lastprofilen zu Abnehmern durchführt. Das Programm wurde in Python programmiert. Die Mindestanforderung an benötigten Daten für die automatische Lastprofilzuordnung sind die Außentemperatur, der Lastgang des Wärmenetzes, der Jahreswärmebedarf der Abnehmer des Wärmenetzes sowie eine Lastprofildatenbank.
Für die Anpassung der automatischen Lastprofilzuordnung an die Bedürfnisse des Nutzenden stehen im Programm verschiedene Auswahlmöglichkeiten zur Verfügung. Der Nutzende kann zwischen unterschiedlichen Bezugswerten, Kenngrößen und Optimierungsarten in der grafischen Bedienoberfläche wählen. Als Bezugswert stehen die Jahresdauerlinie, der Lastverlauf des gesamten Jahres und der Lastverlauf der Heiz- und Nichtheizperiode des Wärmenetzes zur Verfügung. Fünf unterschiedliche Kenngrößen sind im Programm implementiert. Die Optimierung der Lastprofilzuordnung kann anhand
einer zufälligen Lastprofilzuordnung oder einer neu entwickelten Zuordnung, der Optimierung anhand von Gruppen (Sets), erfolgen. Im Vergleich mit der zufälligen Zuordnung erreicht die Optimierung anhand Sets eine zufriedenstellende Lastprofilzuordnung in geringerer Rechenzeit. In jedem Fall ist das Programm durch seine hohe Berechnungsgeschwindigkeit und objektiven automatischen Bewertung der händischen Lastprofilzuordnung vorzuziehen. Handlungsempfehlungen für die
automatische Lastprofilzuordnung wurden abgeleitet.
Zusätzlich wurde untersucht, ab welchem Messdatenumfang eines Abnehmers ein neu erstelltes Lastprofilmodell den bestehenden Lastprofilen für die vorzuziehen ist. Dieser Messdatenumfang ist erreicht, wenn mithilfe des neuen adaptiven Modells eine genauere Prognose des Lastverlaufes erfolgt als mit den bestehenden Lastprofilen. Die Modelle wurden mittels multipler linearer Regression erstellt. Für eine genaue Prognose müssen Messdaten aus der Heizperiode, der Nichtheizperiode, von Wochentagen und Nichtwo- chentagen vorhanden sein. Sind Messdaten über eine breite Außentemperaturspanne bekannt, verbessert sich die Prognosegüte. Eine allgemeingültige Aussage über den benö- tigten Messdatenumfang konnte nicht getroffen werden.
Bearbeitet von: Imke Lochner
Betreut von: Dr.rer.nat. Peter Stange, Dipl.-Ing. Sven Paulick
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Dekarbonisierung der Wärmeversorgung eines Wohngebietes mittels Niedertemperatur-Nahwärmenetz basierend auf erneuerbaren Wärmequellen
Um die Wärmeversorgung der Gartenstadt Alt-Lößnig in Leipzig zu dekarbonisieren, planen die Leipziger Stadtwerke GmbH die derzeitige Versorgung des Quartiers mit Erdgas durch ein Niedertemperatur-Nahwärmenetz abzulösen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Wärmeversorgungskonzeptes auf Basis von erneuerbaren Wärmequellen und der Nutzung von industrieller Abwärme. Dazu werden auf dem nahgelegenen Kraftwerksstandort Leipzig-Süd eine Freiflächen-Solarthermieanlage und eine Wärmepumpe zur Nutzung einer Niedertemperatur-Abwärmequelle aus dem Heizkraftwerk Leipzig-Süd geplant. Ein zu dimensionierender Wärmespeicher speichert die nachhaltig produzierte Wärme zwischen und erhöht damit die Flexibilität des Energiesystems. Extreme Lastspitzen werden über eine Anbindung an das primäre Fernwärmenetz der Stadt Leipzig gedeckt, wodurch die Versorgungssicherheit gewährleistet ist. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird ein Simulationstool entwickelt, mit dem die Wärmeströme im Energiesystem stundengenau über den Jahresverlauf dargestellt werden können. Anhand von technischen, ökologischen, wirtschaftlichen und fördermittelspezifischen Kriterien können verschiedene Varianten bezüglich der Steuerung der Speicherladetemperatur und des Speichervolumens bewertet und verglichen werden. Auf Basis der Simulationsergebnisse wird eine Empfehlung für die Steuerungsvariante und das optimale Speichervolumen ausgesprochen. Mit der vorgeschlagenen Lösungsvariante werden 90 % des Wärmebedarfes des Quartiers durch die Solarthermieanlage und die Wärmepumpe gedeckt und damit CO2-Einsparungen von 1150 tCO2/a bzw. 68 % im Vergleich zum Ist-Zustand erreicht.
Bearbeitet von: Michel Zimmer
Betreut von: Erik Jelinek - Stadtwerke Leipzig GmbH, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Konzeptionierung und Entwicklung eines Energiesimulationsmodells für ein Abwärme-gestütztes Klimatisierungssystem
In der vorliegenden Arbeit wird die Erstellung eines Energiesimulationsmodells für ein Abwärme-gestütztes Klimasystem eines Brennstoffzellen-Hybridtriebzugs dokumentiert. Den gewählten Modellansatz der Diskretisierung der instationären thermischen Prozesse mittels quasistatischer Zustandsänderungen setzt eine Zeitschrittintegration im lD-Simulationsprogrammm Simulink um. Es werden Teilmodelle für innovative Komponenten des Klimasystems, namentlich Thermisch-aktive Innenausbaukomponenten, Thermische Weiche und Absorptionskälteanlage anhand von Experimenten oder FEM-Simulationen plausibilisiert. Dabei kann die prinzipielle Eignung des Ansatzes nachgewiesen werden. Auf Seiten der Thermischen Weiche und der Absorptionskälteanlage werden allerdings auch die Grenzen aufgezeigt, die insbesondere durch eine starke Inhomogenität thermischer Felder zu begründen sind. Die Teilmodelle werden in das Gesamtsystem integriert, welches darüber hinaus eine Luftaufbereitungseinheit und die Abbildung mehrerer Fluidkreisläufe inklusive Pumpen und Ventilen umfasst. Dies stellt eine Regelstrecke dar. In der vorliegenden Ausarbeitung wurde kein zugehöriger Regler entwickelt, durch die konstante Vorgabe von Stellgrößen konnten jedoch erste Wechselwirkungen zwischen den Klimatisierungskomponenten analysiert und das Systemverhalten untersucht werden. Insbesondere im Heizbetrieb ist demnach der thermische Energiebedarf potentiell komplett durch die Abwärme der Brennstoffzelle zu decken. Für den Kühlbetrieb kann zunächst auch aufgrund der komplexen Anforderungen an die Entfeuchtung ohne einen Regler keine abschließende Aussage getroffen werden. Die Modularität des Simulationsmodells ermöglicht in Zukunft die Bewertung unterschiedlicher Verschaltungsvarianten des Klimasystems. Darüber hinaus sind die Entwicklung eines zugehörigen Reglers und die Integration in ein Gesamtfahrzeugmodell projektiert.
Bearbeitet von: Björn Kauer
Betreut von: Dipl.-Ing. Oliver Garack, Hörmann Vehicle Engineering GmbH, Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Erarbeitung einer Strategie für eine THG-neutrale kommunale Wärmeversorgung am Beispiel der Gemeinde Leubsdorf
Die Wärmeversorgung in Gemeinden muss zur Erreichung von Klimaschutzzielen sowohl im Bestand als auch im Neubau emissionsarmer bzw. möglichst emissionsfrei geplant und ausgeführt werden. Die Kommunen können dafür einen kommunalen Wärmeplan erstellen.
In dieser Arbeit soll anhand einer ländlichen Kommune der Prozess der kommunalen Wärmeplanung mit dem Ziel der Treibhausgasneutralität durchgeführt und Erkenntnisse über Hilfsmittel und Potenziale gewonnen werden. Dabei soll der IST-Stand der Kommune bestimmt, die Potenziale erneuerbarer Energien und Abwärme berechnet und diese dann in Maßnahmen zusammengefügt werden. Durch die Nutzung dieser Maßnahmen werden Wärmeversorgungsvarianten erarbeitet.
Es soll gezeigt werden, welche Daten zur Bestands- und Potenzialanalyse nötig und wie gut diese verfügbar bzw. verwendbar sind. Es werden außerdem eine Reihe von Programmen vorgestellt und genutzt, die helfen sollen die Planungen zu vereinfachen und zu beschleunigen.
Schlussendlich wird verglichen welche Varianten der Wärmeversorgung für kleinere Orte wirtschaftlich in Frage kommen und an welche Bedingungen diese Wirtschaftlichkeit geknüpft ist. Durch das Einbeziehen sozialer Kriterien in die Auswahl der Wärmeversorgung sollen die Menschen vor Ort stärker in die Konzepte mit einbezogen werden.
In den Ortskernen ist es sinnvoll, die Gebäude mit einem Niedrigtemperatur-Nahwärmenetz zu versorgen. Dabei können eine Vielzahl von regenerativen Energiequellen zur Wärmebereitstellung genutzt werden. Es bieten sich vor allem solarthermische Großflächenanlagen in Verbindung mit saisonalen Wärmespeichern an, um die Menschen mit Wärme zu versorgen. Durch diese Kombination ist ein solarer Deckungsgrad über ein Jahr von 82,72 % erreichbar. Durch die Nutzung von Netzen sind Wärmegestehungskosten von 0,12 EUR/kWh und weniger möglich. In Bereichen mit lichter Bebauung besteht die Möglichkeit der dezentralen Versorgung über beispielsweise Wärmepumpen.
In allen Fällen ist es wichtig, dass der Gebäudebestand energetisch saniert und der Energiebedarf, sowie die Temperatur zum Heizen gesenkt wird.
Der Strom, der für die Wärmeversorgung benötigt wird kann über bestehende Wind und Wasser-, sowie Photovoltaikanlagen erzeugt werden und damit die Erreichung der Treibhausgasneutralität garantieren.
Bearbeitet von: Maximilian Gutwein
Betreut von: Dipl.-Ing. André Müller – BCC-Energie GmbH, Dr.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Machbarkeitsuntersuchung zur Erweiterung eines Nahwärmeverbundes
Aufgrund der Erweiterung des Rechenzentrums des Potsdam-Instituts für
Klimafolgenforschung (PIK) wird in Betracht gezogen den bestehenden
Nahwärmeverbund, um das Gebäude A 31 zu erweitern, um die zusätzlich entstehende
Abwärme zu nutzen.
Daher wird in dieser Arbeit überprüft, ob die Einbindung des Gebäudes in den
Nahwärmeverbund ohne größere Umbaumaßnahmen sowohl im Gebäude als auch im
bestehenden Nahwärmeverbund realisierbar ist. Um einen effizienten Betrieb der
notwendigen Wärmepumpe zu ermöglichen wird untersucht, ob die Vorlauftemperatur
in A 31 abgesenkt werden kann.
Die dafür notwendigen Daten wurden mit Hilfe eines Modells in TRNSYS-TUD und
verschiedener Simulationen sowie Heizlastberechnungen bei verschieden
Außentemperaturen ermittelt.
Die Heizlastberechnung bei der Norm-Außentemperatur zeigte eine
Unterdimensionierung in sechs Räumen. Es zeigte sich aber auch, dass eine Absenkung
der Vorlauftemperatur in den meisten Räumen, wenn auch unterschiedlich stark, möglich
ist. Daher ergibt sich aus dieser Arbeit, vor dem Hintergrund eines möglichst geringen
Gaseinsatzes, die Empfehlung, dass im Zuge eines möglichen Anschlusses des Gebäude
A 31 an den bestehenden Nahwärmeverbund, weitere Maßnahmen an der Gebäudehülle
oder der Austausch einzelner Heizkörper angestrebt werden sollten.
Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass ein Anschluss an das Nahwärmenetz realisierbar
und anstrebenswert ist.
Bearbeitet von: Stefan Bayer
Betreut von: Dipl.-Ing. Cornelius Sternkopf
Jahr: 2022, Studienarbeit
Untersuchung von alternativen Konzepten für Wärmeübertragerstationen im Fernwärmenetz Dresden
Die SachsenEnergie AG betreibt in Dresden 99 Fernwärme-Sekundärnetze niedrigeren
Temperatur- und Druckniveaus, die indirekt über Wärmeübertragerstationen an das
Fernwärme-Primärnetz angebunden sind. Diese Arbeit untersucht die direkte Anbindung
von Sekundärnetzen mit dem Ziel infolge des Wegfalls der Wärmeübertrager bei
indirekter Anbindung die primärseitige Rücklauftemperatur absenken zu können, was
Leitungswärmeverluste und damit die erforderliche Einspeisewärmeleistung der
Erzeuger reduziert. Darüber hinaus ist die Analyse des gesamten hydraulischen Aufwands
bei indirekter und direkter Anbindung der Sekundärnetze Schwerpunkt dieser Arbeit. Es
erfolgt im ersten Schritt die Auswahl von drei Sekundärnetzen, die anschließend in einer
thermohydraulischen Wärmenetzsimulation für drei Lastfälle (Sommer, Übergang,
Winter) jeweils bei indirekter und direkter Anbindung untersucht werden. Die
abschließende Betrachtung der Investitionskosten der direkten Anbindung im Vergleich
zur indirekten Anbindung rundet die Arbeit ab.
Bearbeitet von: Benjamin Latta
Betreut von: Dipl.-Ing. Dominik Haas - SachsenEnergie AG, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Automatisierte Erkennung und Diagnose des Fehlverhaltens in Solarthermischen Anlagen
Die vorliegende Projektarbeit ist der automatisierten Fehlerdetektion in solarthermischen
Anlagen gewidmet. Einleitend werden Algorithmenarten erläutert, welche sich zur Fehlerdetektion in solarthermischen Systemen eignen. Daraufhin wird, aufbauend auf den Ergebnissen einer Literaturrecherche zu bestehenden Projekten zu dieser Thematik, die Auswahl einer Algorithmenart begründet und das Vorgehen zu einer möglichen Umsetzung an ausgewählten Beispielen erläutert. Es wird gezeigt, wie sich ein Fehlerdetektionsalgorithmus auf Basis von Expertenwissen mittels der frei zugänglichen Programmiersprache Python umsetzen lässt. Die Ergebnisse werden diskutiert und das Potenzial eines Ausbaus des Programmcodes, bei einer möglichen Fortführung des Projekts, wird aufgezeigt.
Editor: Justus Vollmer
Tutor: Dipl.-Ing. Martin Heymann
Year: 2022, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Bewertung der energetischen Qualität von Wohngebäuden in Sachsen
Um die Ziele des Bundes-Klimaschutzgesetzes zu erreichen, sind die CO2-Emissionen in den Sektoren Energiewirtschaft, Gebäude, Industrie, Landwirtschaft und Verkehr zu reduzieren. Vor allem im Gebäudesektor besteht aufgrund der Altersstruktur der Wohngebäude ein Klimaschutzpotential, das durch gezielte und wirkungsvolle Maßnahmen auszuschöpfen ist.
Aufgrund dessen befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Bewertung der energetischen Qualität von Wohngebäuden in Sachsen. Dies erfolgt explizit für die Gemeinde Kurort Rathen, die nach einer eingehenden Betrachtung potentieller Gemeinden ausgewählt wurde. Durch die Kontaktaufnahme mit ausgewählten Vertretern der Gemeinde, der Gebäudeerfassung über eine Internetrecherche sowie der Vor-Ort-Datenerfassung wurde die Datengrundlage geschaffen. Darauf aufbauend erfolgte die Berechnung der Endenergieverbräuche, Emissionen und Gebäudesanierungen. Dabei wurden plausible Ergebnisse hinsichtlich der Endenergieverbräuche und nach Szenario 2 der Gebäudesanierungen für mindestens 54 Wohngebäude in der Gemeinde Kurort Rathen ein Sanierungspotential erzielt. Die Erweiterung des Berechnungsansatzes durch die Anpassung der Vollbenutzungsstunden führte zu unplausiblen Ergebnissen. Ausgehend von den erzielten Ergebnissen wurde ein Ausblick für weitere unplausible Gemeinden sowie Maßnahmen für die Reduzierung der CO2-Emissionen in Wohngebäuden formuliert.
Bearbeitet von: Marko Tadic
Betreut von: Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach, Dipl.-Ing. Cornelius Zunk, Dipl.-Ing. Martin Altenburger
Jahr: 2022, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Untersuchungen zur Systemintegration von Solaranlagen für mehrere Außenstützpunkte der Stadtentwässerung Dresden
Die vorliegende Arbeit untersucht acht Außenstandorte der Stadtentwässerung Dresden auf das Integrationspotential von Solaranlagen, um Eigenverbrauchsan- teile zu erhöhen und Energiebezüge zu verringern. Auf Grundlage einer Analyse für Dach- und Freiflächen ist das Photovoltaik-Potenzial ermittelt und katalogisiert worden. Jedem Standort sind mindestens drei Auslegungsvarianten zugeordnet, die mit der Ertragssimulationssoftware POLYSUN® SPT der Firma Vela Solaris simuliert worden sind. In Kombination mit den zugehörigen Lastprofilen wird der simulierte jährliche Eigenverbrauch verwendet, um die Wirtschaftlichkeit der Varianten zu ermitteln und die technologisch und ökonomisch beste Anlagenplanung zu ermitteln. Die Ergebnisse werden in Handlungsempfehlungen für die weitere Realisierung umgewandelt.
Bearbeitet von: Lukas Kayser
Betreut von: Dipl.-Ing. Thomas Schöniger - Stadtentwässerung Dresden GmbH, Martin Schubert - Stadtentwässerung Dresden GmbH, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2022, Studienarbeit
Untersuchungen zur Systemintegration von PV-Anlagen für ein Areal der Chemie-Industrie
In dieser Arbeit werden Untersuchungen zur Systemintegration von Photovoltaikanlagen für das Areal der Chemie-Industrie Wacker Chemie AG, am Standort Nünchritz, durchgeführt.
Dabei wurden Dach-, Fassaden- und Freiflächen auf dem Werksgelände einer Potentialanalyse unterzogen, sodass mehrere für eine Errichtung geeignete Objekte ausgewählt werden konnten. Zwei Dachflächen sowie eine Freifläche wurden anschließend mit Hilfe der Software POLYSUN SPT, ein Simulationstool für Photovoltaikanlagen der Firma Vela Solaris, nachgebildet und eine PV-Anlage darauf errichtet. Zusammengefasst ergab sich daraus eine PV-Generatorleistung von 662,4 kWp. Anschließend prognostizierte das Programm die Ertragswerte jeder Anlage für ein repräsentatives Jahr unter Nutzung hinterlegter Wetterdaten.
Im weiteren Verlauf wurden regulatorische Rahmenbedingungen betrachtet und eine Wirtschaftlichkeitsberechnung durchgeführt. Die errechneten Amortisationszeiten liegen zwischen knapp sieben und zehn Jahren, sodass aus den Resultaten der Simulationen und Berechnungen abschließend eine positive Handlungsempfehlung für die Werksleitung abgeleitet werden konnte.
Bearbeitet von: Erik Wöhner
Betreut von: Dr. Markus Kirchhoff – Wacker Chemie AG, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2022, Studienarbeit
Etablierung von Testszenarien bifazialer Glas-Glas-PV-Module nach IEC61215:2021
In der vorliegenden Arbeit werden die neuen Anforderungen der IEC 61215:2021 an die Prüfung bifazialer PV-Module untersucht. Diese Normreihe beschreibt die Testabläufe und -kriterien der beschleunigten Lebensdauerprüfung von Photovoltaikmodulen, welche ein fundamentaler Bestandteil des Qualitätsprozesses ist.
Die Prüfprozedere werden an bifazialen Glas-Glas Modulen der Firma SOLARWATT als Vorstufe der Zertifizierung durchgeführt und ausgewertet. Hierfür werden die neuen bzw. veränderten Testverfahren analysiert und notwendige Anpassungen an Prüfständen des SOLARWATT Labors realisiert. Die zugrunde liegenden Degradationsmechanismen bifazialer Module werden erläutert und es wird eine Übersicht über die Konzepte verschiedener bifazialer Zelltechnologien gegeben.
Die Einflussgrößen auf den rückseitigen Leistungsgewinn werden sowohl auf Modulebene sowie auf Systemebene eruiert. Hierzu werden Simulationen auf Basis von Raytracing und 2D View Factor Modellen angewendet.
Die ermittelten Ergebnisse der Labormessreihen und Simulationen fließen in die Entwicklung eines optimierten bifazialen Moduldesigns der SOLARWATT GmbH ein.
Bearbeitet von: Carl Lukas Voigt
Betreut von: Dietmar Wald - Solarwatt GmbH, Dr.-Ing. Felix Panitz, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Optimierungsbasierte Analyse von Anreizsystemen für Photovoltaik-Eigenstromversorgung in Mehrfamilienhäusern
Für die Energiewende in Deutschland bildet der Ausbau von Photovoltaik eine wichtige Säule. Um die Pariser Klimaziele zu erreichen und der Flächenkonkurrenz von Landwirtschaft und Solaranlagen möglichst zu entgehen, müssen alle technischen Dachflächenpotenziale genutzt werden. Ein großes Potenzial bieten Dächer von Mehrfamilienhäusern in Verbindung mit einer Eigenstromversorgung, dem so genannten Mieterstrom. Im Gegensatz zur Volleinspeisung erlauben Eigenstromsysteme die Erzeugung von dezentralem und lastnahem Strom. Die staatlichen Anreize für Mieterstrom in Form von reduzierten Strompreisbestandteilen sowie dem seit 2017 im Erneuerbare-Energien-Gesetz enthaltenen Mieterstromzuschlag stehen einem großen administrativen Aufwand gegenüber und reichen bisher nicht aus, um einen nennenswerten Ausbau anzureizen.
In dieser Arbeit werden die Rahmenbedingungen für Mieterstrom in Deutschland zusammengefasst und ausgehend von Hemmnissen im bestehenden System Anreize entwickelt, die den Ausbau von Eigenstromprojekten auf Mehrfamilienhäusern beschleunigen sollen. Die entwickelten Anreizsysteme umfassen staatliche Einzelmaßnahmen, variable Stromtarife sowie die Integration von Elektromobilität und Wärmeversorgung in das Energiesystem des Mehrfamilienhauses. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf bisher unrentablen, kleineren Gebäuden. Analysiert werden die Anreize in einem gegenwärtigen sowie drei mittelfristigen Preisszenarien und mithilfe eines gemischt ganzzahligen linearen Optimierungsmodells mit viertelstündiger Auflösung. Es kann gezeigt werden, dass alle entwickelten Anreizsysteme zu einem wirtschaftlicheren Betrieb von Mieterstromprojekten führen. Besonders deutlich ist der Mehrwert bei der Integration variabler Lasten. Kurzfristig sind die Abschaffung administrativer Hürden und gezielte Förderungsprogramme vielversprechende Maßnahmen.
Bearbeitet von: Kristian Prewitz
Betreut von: Elias Dörre – Fraunhofer IEE, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Betrachtungen zur Einführung eines Energiemanagementsystems gemäß DIN EN ISO 50001 am Fraunhofer Institutszentrum Dresden IZD
Diese Diplomarbeit betrachtet ausgewählte Aspekte zur Einführung eines Energiemanagementsystems gemäß DIN EN ISO 50001 am Fraunhofer-Institutszentrum Dresden mit Schwerpunkten in der Ermittlung von aussagekräftigen Energieleistungskennzahlen sowie der Erarbeitung von Optimierungsmaßnahmen hinsichtlich der Verbesserung der energiebezogenen Leistung und der weiteren Einführung eines normkonformen Energiemanagementsystems. Dazu wurde eine speziell an den Anwendungsbereich angepasste Methodik zur energetischen Bewertung entwickelt und dokumentiert, die auf dem Gegenstromprinzip beruht und den Anforderungen der DIN EN ISO 50001 gerecht wird.
Entsprechend dieser Methodik wurde das Fraunhofer-Institutszentrum Dresden für die Jahre 2019 bis 2021 bewertet. Dazu wurde eine umfangreiche Datenaufnahme betrieben, die insbesondere die Auswwertung der stationären Messeinrichtungen, die Durchführung von mobilen Messungen sowie die Aufnahme von statischen und dynamischen Standort- und Einflussfaktoren beinhaltet. Die Weiterverarbeitung der aufgenommenen Kennzahlen erfolgt in Form von absoluten, relativen und statistischen Energieleistungskennzahlen, die für vergleichende Betrachtungen nach Bilanzräumen, Energieträger und Funktion differenziert und ausgewertet werden. Sie bieten eine Vergleichsgrundlage zur Überwachung und Bewertung der Entwicklung der energiebezogenen Leistung. Weiterhin werden die wesentlichen Energieeinsatzbereiche identifiziert und anhand einer Bewertungsmatrix kategorisiert.
Aufbauend auf den Ergebnissen der energetischen Bewertung, Literaturangaben sowie Empfehlungen von Mitarbeitenden wurde ein Maßnahmenkatalog erstellt, der eine Auswahl der im Zuge der Diplomarbeit betrachteten Energieffizienzmaßnahmen sowie die zur weiteren Einführung des Energiemanagementsystems notwendigen Optimierungsmaßnahmen enthält. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die Einführung eines Energiemanagementsystems am Fraunhofer-Institutszentrum Dresden unter den entsprechenden Bedingungen mölich, sinnvoll und rentabel ist
Alle relevanten Grundlagendokumente, Schemata, Analysen, Konzepte, unterstützende Dokumente und Quellen, die im Zuge der Diplomarbeit erstellt wurden, sind im Projektordner aufgeführt und werden mit Abschluss der Arbeit an die interessierten Parteien am Fraunhofer-lnstitutszentrum Dresden übergeben.
Bearbeitet von: Marian Hanke
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Gerd Obenaus – Fraunhofer Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Bewertungsverfahren für Gebäude
Gebäude haben durch ihre Herstellung, Errichtung, Nutzung und Entsorgung eine Wirkung auf die Umwelt. Mit dem Ziel, nachhaltiger und klimaneutraler zu bauen, werden
Verfahren beleuchtet, Gebäude zu bewerten. Die vorliegende Arbeit beschreibt in einem
ersten Teil existierende Nachweisverfahren für Gebäude anhand derer die Qualität eines
Gebäudes bewertet werden kann. Konkret werden auf die gesetzlichen Vorgaben durch
das GEG, auf die Fördermöglichkeit durch die BEG, auf die Nachhaltigkeitszertifizierungen
LEED und DGNB und auf die EU-Taxonomie eingegangen. Dabei wird sich im Zuge
der vielzähligen Anforderungen an ein Gebäude auf die ökologische, energetische und die
Tageslichtqualität beschränkt. Die ausgewählten Qualitäten sollen dabei repräsentativ
sein und keine ganzheitliche Bewertung darstellen.
Des Weiteren erfolgt eine Anwendung der Nachweisverfahren auf ein Beispielgebäude,
welches sich in der Planungsphase befindet. An diesem Beispielgebäude werden Berechnungsverfahren durchgeführt und die Ergebnisse werden in die Nachweisverfahren eingegliedert. Auch wird daran die Konsistenz der Berechnungsmethoden sowie der Nachweisverfahren geprüft und diskutiert.
In einem letzten Kapitel wird der Blick auf die noch kommende Inbetriebnahmephase
des Beispielgebäudes gerichtet. Durch die Inbetriebnahme eines Gebäudes wird
die Möglichkeit geschaffen, vorausgesagte Zielwerte eines Gebäudes zu prüfen und
die technischen Anlagen zu optimieren. Die Notwendigkeit einer geordneten Inbetriebnahme sowie die Rolle der Inbetriebnahme in den Nachweisverfahren wird näher betrachtet.
Bearbeitet von: Klara Bestehorn
Betreut von: Thomas Hoinka – HOINKA GmbH, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2022, Projektarbeit im Fachpraktikum
Erstellung und Validierung eines Python-Pakets zur zeitaufgelösten Berechnung solarer Erträge
Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Implementierung und Validierung eines Python-
Pakets zur Berechnung von zeitaufgelösten Sonnenerträgen. Das Paket stellt die
Tools zur Abschätzung der solarthermischen und photovoltaischen Leistungsabgabe
in Bezug auf die lokale Zeit (UTC+1) bereit.
Zuerst wird die Struktur des entwickelten Python-Pakets STLIB und ein Überblick
über die aktuellen Open-Source-Python-Bibliotheken für die Solartechnik vorgestellt.
Die Wetterdaten für diese Arbeit wurden vom Deutschen Wetterdienst zur Verfügung
gestellt. Die Wetterdaten wurden analysiert und kritisch ausgewertet.
Weiter wird ein Überblick über den theoretischen Hintergrund zur Abschätzung des
Sonnenstandes, des Einstrahlungswinkels und der auf eine schiefe Ebene einfallenden
Sonnenstrahlung gegeben. Methoden zur Modellierung von solarthermischen
Kollektoren werden in der Arbeit vorgestellt und in STLIB implementiert. Das
Python-Paket pvlib eines Drittanbieters wurde für die PV-Modellierung verwendet.
Pvlib ist ein etabliertes Python-Tool für die Modellierung von PV-Solarsystemen.
Insbesondere wurde das PVWatts-Modell für die Simulation von Photovoltaikmodulen
in STLIB implementiert.
Die Validierung der STLIB-Simulation wurde mit Hilfe des Excel-Tools FreeSolCalc,
des Excel-Tools Solites und der Simulationssoftware Polysun durchgeführt. Die Validierungsergebnisse zeigten, dass STLIB sowohl FreeSolCalc als auch Solites ersetzen
kann. Der Vergleich von solarthermischen Erträgen mit Polysun zeigte jedoch eine
relativ hohe Abweichung. Der Grund dafür könnte eine falsche Konfiguration der
Polysun-Modellparameter sein. Schließlich zeigte die STLIB PV-Simulation akzeptable
Ergebnisse im Vergleich zur Polysun PV-Simulation.
Die Anwendung von STLIB wurde anhand einer Integration von STLIB mit dem
Python-Optimierungstool FlixOpt demonstriert. Ein einfaches Beispielsystem wurde
in der FlixOpt-Umgebung erstellt, und die Simulationsergebnisse des solarthermischen
und des PV-Feldes wurden bereitgestellt. Die Optimierung führte zur Bevorzugung
von PV gegenüber solarthermischen Kollektoren.
Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen den Schluss zu, dass STLIB ein geeignetes
Werkzeug für die Simulation von Solarenergiesystemen ist. Der Autor empfiehlt
jedoch weitere Verbesserungen an STLIB, bevor es offiziell für die Öffentlichkeit
freigegeben wird.
Bearbeitet von: Bogdan Narusavicius
Betreut von: Dr.-Ing. Felix Panitz, Dipl.-Ing. Sven Paulick
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Konzepterstellung eines multifunktionalen Lüftungsgerätes mit Heizungsunterstützung für Niedrigstenergiegebäude
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Konzeptionierung und Berechnung von
technischer Gebäudeausstattung für den Einsatz in Niedrigstenergiegebäuden.
Aufgrund des gesetzlich geforderten hohen Anteiles an erneuerbarer Energie bei der
Bedarfsdeckung gestaltet sich der Einsatz herkömmlicher Brennwerttechnik immer
schwerer. Als Alternative wird oftmals die Wärmepumpe benannt, da diese
vornehmlich Energie aus erneuerbaren Quellen für die Bereitstellung von Wärme
nutzt. Allerdings liegen leistungsstärkere Geräte preislich zumeist deutlich über den
herkömmlichen Alternativen. Durch stetig steigende energetische Anforderungen im
Gebäudebau sinkt jedoch die benötigte Menge an Wärme kontinuierlich, womit sich
die Frage stellt, ob eine Wärmepumpe kleinerer Leistung, wie sie typischerweise für
die Bereitstellung von Trinkwarmwasser genutzt wird, ausreicht, um den
Gesamtwärmebedarf ausreichend zu decken.
Zuerst soll ein Einblick in die politischen Hintergründe bezüglich der
Entwicklungspfade im Gebäudeenergiesektor gegeben werden. Diese stellen die
Grundlage für das Anforderungsniveau von neu zu errichteten sowie zu sanierenden
Gebäuden dar. Anschließend wird eine Analyse der Anforderungen eines
Niedrigstenergiegebäudes auf Basis der Vorgaben des Gebäudeenergiegesetztes
aufgezeigt. Zusammen mit einer Betrachtung der geltenden Normen soll ein
Berechnungsprogramm erstellt werden, mithilfe dessen es möglich sein soll nicht nur
bestehende, sondern auch zukünftige Anlagenkonzepte, auszuwerten.
Aus den gewonnenen Erkenntnissen der politischen und normativen Grundlagen wird
im Anschluss ein wärmepumpenbasiertes Anlagenkonzept erstellt und hinsichtlich der
aktuellen Anforderungen geprüft. Abschließend werden Empfehlungen zur Anpassung
des Anlagenkonzeptes für zukünftige Anforderungen sowie zusätzliche
Untersuchungen für eine weitreichendere Analyse vorgeschlagen.
Bearbeitet von: Kevin Bock
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. J. Rammensee – Glen Dimplex
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Kombinierter Betrieb einer Luft-Wasser-Wärmepumpe: Effizienzbetrachtung und Modelbasierte Betriebsanalyse in einer Emulationsumgebung (Hardware-in-the-loop)
Bei der Entwicklung einer neuen Luft-Wasser-Wärmepumpe spielt das Zusammenspiel
von Innen- und Außeneinheit eine entscheidende Rolle.
Die Inneneinheit mit hydraulischen Geräten und Steuereinrichtungen beeinŕusst die Effizienz des Gesamtsystems. Bei der untersuchten Wärmepumpe wird die Effizienz durch
die Wärmeverluste in der Inneneinheit, durch Mischungen, die durch die hydraulische
Entkopplung und Messunsicherheiten durch die Temperatursensoren entstehen, und
Hilfsenergie für elektrische Verbraucher reduziert. Diese haben je nach Betriebspunkten
unterschiedlichen Einŕuss, können aber grob mit einer 5 %-igen Verringerung des
Seasonal Coefficient of Performance (SCOP) abgeschätzt werden. Bei hohen Volumenströmen und hohen Temperaturdifferenzen zur Umgebungsluft sind die Einŕüsse am größten.
Um die Robustheit des Gesamtsystems der Wärmepumpe zu testen, stellen Dauerversuchsstände eine gute Möglichkeit dar. Ein möglichst realitätsnaher Betrieb ist durch eine Gebäudesimulation, die über Hardware-in-the-loop mit dem Gerät verbunden ist, gegeben. Durch eine gezielte Datenauswertung können Unstimmigkeiten, die durch
andere reguläre Versuche nicht gefunden worden sind, behoben werden.
Bearbeitet von: Lea Sprenger
Betreut von: Dr.-Ing. S. Kaiser – Bosch Thermotechnik, Dr.-Ing. Martin Knorr
Jahr: 2022, Projektarbeit im Fachpraktikum
Energetische und wirtschaftliche Betrachtung zum Einsatz von Luft-Wasser-Wärmepumpen in Bestandsgebäuden
Bei einem Tausch der Heizungsanlage in Bestandsgebäuden besteht die Möglichkeit zum Umstieg auf das Heizen mit erneuerbaren Energien mittels einer Wärmepumpe.
Die Machbarkeit des Ersatzes von fossilbetriebenen Heizkesseln durch Luft-Wasser-Wärmepumpen wird in dieser Belegarbeit betrachtet. Die Untersuchungen umfassen verschiedene Sanierungsvarianten von Bestandsgebäuden, die nach energetischen, wirtschaftlichen sowie CO2-Emissionskriterien bewertet werden.
Zur Auswahl der drei Beispielgebäude wird eine Analyse des deutschen Gebäudebestand mithilfe von Fachliteratur vorgenommen. Ebenso werden für die Planung und Auslegung der Sanierungsmaßnahmen bzw. der Wärmepumpen die Ergebnisse einer Recherche zu Studien und Herstellerempfehlungen zum Einsatz von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden herangezogen. Mit diesen Erkenntnissen können die Einflussfaktoren auf die Effizienz einer Wärmepumpe identifiziert werden.
Die Sanierungsmaßnahmen werden anhand der größten Wärmeverluste und nach größter Auswirkung auf die Effizienz der Wärmepumpe gewählt.
Durch die Simulation der energetischen Sanierungen an den modellierten Beispielgebäuden ergeben sich die energetischen Kennwerte der Wärmepumpenanlagen in den sanierten Gebäuden.
Die Wirtschaftlichkeitsrechnungen erfolgen mithilfe von repräsentativen Investitionskosten, aktuellen Energieträgerpreisen mit einer festgelegten Entwicklung und den berechneten Energiebedarfen der unterschiedlichen Sanierungsvarianten.
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe erweist sich bei diesen Untersuchungen nicht nur als Heizsystem mit niedriger CO2-Emission, sondern auch als sehr wirtschaftliche Alternative zu konventionellen Heizkesseln erweist. Die hohen Investitionskosten zur energetischen Sanierung werden durch vergleichsweise niedrige Betriebskosten amortisiert und führen bei einer Betrachtung über 20 Jahre zu großen Einsparungen.
Bearbeitet von: Mathis Roynard
Betreut von: Willi Bromenne – Effizienzpioniere GmbH, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2022, Projektarbeit im Fachpraktikum
Potentialanalyse zur dezentralen Einspeisung von Solarthermie in ein bestehendes Wärmenetz
In dieser Arbeit wurde das Solarthermie-Potential der Stadt Böblingen untersucht. Dazu wurden Daten zu den Dachflächen der Stadt analysiert. Der maximal mögliche Wärmeertrag auf den Dachflächen installierbarer Kollektorflächen wurde in Kapitel 4 vereinfacht abgeschätzt. Werden auf allen Dachflächen der Fernwärmeabnehmer Solarkollektoren installiert, kann in den meisten Teilnetzen bis zu einem Viertel des Wärmebedarfs solarthermisch bereitgestellt werden. Die dezentrale Einspeisung ist ab einer Mindest-Kollektorfläche von 200 m2 sinnvoll. Kollektorflächen mit mehr als 200 m2 decken in allen Teilnetzen ca. 5 % des Wärmebedarfs.
Vier für die Installation einer Solarthermieanlage besonders geeignete Gebäude wurden ausgewählt und näher betrachtet wurden. Wie in Kapitel 5 festgestellt wurde lohnen sich aufgrund der geringen Differenz zwischen Abnehmer- und Fernwärmetemperaturniveau die aufwändigere HANEST für diese Gebäude nicht. Bei allen vier Gebäuden wurde die NEST als der am besten geeignete Stationstyp für die Netzkopplung identifiziert.
Bei den Ertragssimulationen in Kapitel 6 wurde festgestellt, dass die HANEST nicht in jedem Fall einen höheren Ertrag als die NEST erzielt. Auch die in Kapitel 7 berechneten Wärmegestehungskosten bestätigen die Vorteile der NEST. Die Erträge der HANEST können die höheren Investitionskosten für die Anschlussstation nicht ausgleichen. Die Erträge der CPC-Vakuumröhrenkollektoren heben sich ebenfalls nicht ausreichend von denen der Hochtemperatur-Flachkollektoren ab, um die höheren Kosten zu rechtfertigen.
Die Dachflächen der Gebäude in Böblingen, die eine ausreichende Größe für die Installation einer Solarthermieanlage und einen Fernwärmeanschluss aufweisen, können im Durchschnitt weniger als 10 % des Wärmebedarfs in Böblingen decken. Die betrachten Gebäude decken in den Sommermonaten bis zu 5 % des Wärmebedarfs. Nur in Dagersheim kann Gebäude 4 10 % des Wärmebedarfs in den Sommermonaten decken. Um einen relevanten Anteil des Wärmebedarfs solarthermisch zu Decken, müssen deutlich mehr Gebäude einbezogen werden.
Bearbeitet von: Julia Mara Meierkord
Betreut von: Dipl.-Ing. Maren Voß, Dipl.-Ing. Martin Heymann, Dr. Schicktanz - Stadtwerke Böblingen
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Potenzial der mathematischen Erzeugereinsatzoptimierung für die Wärmeversorgung eines Wohnkomplexes mit BHKW und Erdwärmesonde
In dieser Arbeit wird das Potenzial der betriebsbegleitenden Erzeugereinsatzoptimierung für die Wärmeversorgungsanlage eines 70-Parteien-Wohnkomplexes simulationsgestützt ermittelt. Die Anlage umfasst ein Blockheizkraftwerk, eine Sole-Wasser-Wärmepumpe, einen Brennwertkessel sowie zwei Schichtspeicher. Zunächst wird ein Überblick über die Struktur von Gebäudeautomationssystemen, verschieden Regelungskonzepte und bekannte Optimierungsansätze gegeben. Daran schließt sich eine Beschreibung des Simulationsmodells der Anlage und deren Regelung an.
Es werden zwei gemischt ganzzahlige lineare Optimierungsansätze als Teil einer überwachenden modellprädiktiven Regelung simulationsgestützt getestet. Der erste Ansatz berücksichtigt die temperaturabhängige Schichtung im Speicher und birgt dadurch einen sehr hohen Modellaufwand. Die Validierung in einem Testmodell mit einem einzelnen Schichtspeicher zeigt, dass der Entladevorgang trotz des hohen Modell- und Rechenaufwands nicht hinreichend genau beschrieben wird. In einem zweiten Ansatz wird der Speicher als einzelner Energieknoten angesehen, sodass sich der Modellaufwand wesentlich reduziert. Nach einer Erprobung im Testmodell wird mit diesem Ansatz ein Optimierungsmodell für die gesamte Anlage entwickelt und validiert.
Anhand von zwei Fallbeispielen wird mit diesem Modell das theoretische Potential der betriebswirtschaftlichen Erzeugereinsatzoptimierung in einer Simulation über zwei Winterwochen ermittelt. Während der optimierte Erzeugereinsatz bei einem Gaspreis von 0,06 €/kWh dem der regelbasierten Regelung sehr nahe kommt, führt eine Verdopplung des Gaspreises zu einer wesentlich veränderten Betriebsführung. Im Szenario mit erhöhten Gaskosten werden für den Winterbetrieb theoretische Kosteneinsparungen von 11,52 % gegenüber der regelbasierten Regelung ermittelt.
Abschließend erfolgt eine qualitative Einschätzung des Potenzials einer emissionsbezogenen Optimierung. Darüber hinaus wird der Aufwand der technischen Integration einer überwachenden modellprädiktiven Regelung für die betrachtete Anlage umrissen.
Bearbeitet von: Leonhard Wenzel
Betreut von: Dipl.-Ing. Torsten Schwan – EASD, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Bewertung der Wirksamkeit eines Einzelraumregelsystems in einem Nichtwohngebäude
Die Wärmeübergabe im Raum besitzt aufgrund der weiten Verbreitung konventioneller thermostatischer Heizkörperventile im Gebäudebestand sowohl ein großes Potential zur Energieeinsparung als auch zur Komfortverbesserung. Die Erschließung dieses Potentials erfolgt in der Praxis oftmals mittels elektronischer Einzelraumregelsysteme. Hersteller solcher Systeme propagieren signifikante Heizenergieeinsparungen von bis zu 30 %. In welchem Umfang sich tatsächlich energetische Einsparungen realisieren lassen, ist das Ziel dieser Untersuchung. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine produkt- und technikneutrale Bewertung des energetischen Einsparpotentials eines ausgewählten elektronischen Einzelraumregelsystems. Gegenstand der Untersuchung ist ein typisches Nicht-Wohngebäude mit Büro-, Unterrichts- und Laboreinheiten der Technischen Universität Dresden in dem die Installation und Inbetriebnahme des ausgewählten elektronischen Einzelraumregelsystems erfolgt. In den ersten Wochen nach der Umrüstung stellt sich aufgrund des durchschnittlich höheren Temperaturniveaus der Sollwerteinstellung ein energetischer Mehraufwand zum Beheizen der Räume gegenüber dem Referenzzustand mit thermostatischen Heizkörperventilen ein. Tendenziell ist im Verlauf des Praxisversuchs eine Reduktion des Temperaturniveaus der Sollwerteinstellung sowohl innerhalb als auch außerhalb der Nutzungszeit festzustellen. Dieser Umstand und die präzise Regelung während des Heizbetriebes des digitalen Heizkörperventils führen in der Gesamtbetrachtung des Praxisversuchs zu einer Heiznutzenergieeinsparung von 1,3 % in der Heizperiode vom 01.10.21 bis 30.04.22. Für die Diskrepanz zwischen dem erwarteten und den tatsächlichen Einsparungen existieren zwei wesentliche Gründe. Einer dieser Gründe ist das vergleichsweise höhere Temperaturniveau der Sollwerteinstellung zu Beginn des Praxisversuchs. Zum anderen erfolgt keine Umsetzung des raumseitigen intermittierenden Heizbetriebes in Form einer signifikanten Reduktion der Sollwerteinstellung außerhalb der Nutzungszeit. Dementsprechend stellt die ermittelte Einsparung keine belastbares Bewertungskriterium für das elektronische Einzelraumregelsystem dar. Der allgemeine Konsens der Wissenschaft über den großen Einfluss des Nutzerverhaltens auf den Heizenergiebedarf wird durch den Praxisversuch verifiziert.
Bearbeitet von: Paul Straßburger
Betreut von: Dipl.-Ing. Markus Arendt, Dr.-Ing. Alf Perschk
Jahr: 2022, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Möglichkeiten der FW-Temperaturabsenkung auf dem Campus der TU Dresden
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Thematik der Temperaturabsenkung im Fernwärmenetz der Technischen Universität Dresden. Bestimmte Technologien, dabei vor allem solche die regenerative Energiequellen wie zum Beispiel Solarthermie, Geothermie oder Wärmepumpen nutzen, können prinzipiell nur begrenzte Temperaturen erreichen. Um diese fortschrittlichen Technologien nutzen zu können, muss das Gesamtsystem demnach auf niedrige Vorlauftemperaturen ausgelegt werden. Eine Reduktion der Rücklauftemperatur hingegen, bei Unveränderlichkeit aller anderen Größen, erhöht die genutzte Enthalpie und verringert im Rücklauf die Wärmeverluste, wobei beide Einflüsse wiederum zu einer Steigerung des thermischen Wirkungsgrades beitragen. Dabei werden bei einer Vorlauftemperaturabsenkung entweder die Heizlasten den Abnehmern angeglichen und Verbesserung in der Regelung durchgeführt oder neue Fernwärmenetze entwickelt und bebaut, welche mit Heizsystemen arbeiten, die niedrige Vorlauftemperaturen erfordern. Bei der Rücklauftemperaturabsenkung können ebenfalls neue Maschen und Wärmenetze etabliert werden, welche je nach Bedarf in Drei- oder Zweileiternetzen arbeiten. Weiterhin könnten auch Rücklaufanschlüsse in ein bestehendes Wärmenetz integriert werden. In Bezug darauf, wird anhand des aktuellen Technologischen Standes diese Möglichkeiten genauer betrachtet. Es folgen unterschiedliche Effekte bei einer Netztemperaturabsenkungen, welche auf Grundlage von energetischen, ökonomischen und ökologischen Aspekten untersucht werden. Da sich die Arbeit mit dem Fernwärmenetz auf dem Campus der TU Dresden auseinandersetzt, werden mit der Webauswertung „Camper-Move“ vor allem der Merkel-Bau sowie der Andreas-Pfitzmann-Bau anhand ihrer Vor- und Rücklauftemperaturen untersucht. Es wird eine Auflistung von Gebäuden, welche Raum-Luft-Technische-Anlagen eingebaut haben aufgeführt und deren Auswirkungen auf die sekundärseitigen Temperaturen. Abschließend werden Handlungsempfehlungen aufgrund der vorherigen theoretischen, sowie der praktischen Betrachtung formuliert.
Bearbeitet von: Dilara Karabacak
Betreut von: Dipl.-Ing. Markus Arendt
Jahr: 2022; Studienarbeit
Vergleich solarthermischer Erträge von Heatpipe-Kollektoren mit trockener und nasser Einbindung auf Basis von Monitoringdaten
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Analyse und Auswertung der Monitoringdaten
der Solarthermieanlage mit Kältekopplung im Forschungsgewächshaus des Deutschen
Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung im Botanischen Garten Leipzig (iDiV).
Der Monitoringzeitraum umfasst zwei Jahre. Dabei stehen zwei verschiedene Anbindungsarten zwischen Solarkollektor und Wärmeträgermedium, die trockene und die
neuartige nasse Anbindung, direkt miteinander im Vergleich. Aufgrund von bei der
Installation vertauschten Signalen in der Datenaufzeichnung ist ein aussagekräftiger
Vergleich jedoch nicht möglich.
Aus den Monitoringdaten wird darüberhinaus ein Rohdatensatz für ein Referenzjahr
herausgefiltert, in dem sich die Anlagenregelung kaum verändert. Dieser dient als
Grundlage für die Erstellung eines Zustandsautomaten, der die Betriebszustände der
Gesamtanlage und der Solarthermieanlage im Speziellen sowie die entscheidenden
Umschaltkriterien aufzeigt. Darauf aufbauend werden die im Vergleich zwischen dem
Zustandsautomaten und der Bestandsdokumentation festgestellten Unstimmigkeiten,
wie nicht übertragene Regelparameter, und Optimierungsmöglichkeiten der Regelung
herausgearbeitet. Das Referenzjahr dient neben den im Zustandsautomaten definierten
Regelungsparametern auch als Basis für eine Ertragsprognose der Gesamtanlage mit
der Software Polysun. Im Vergleich mit den praktischen Messdaten zeigt sich, dass
der sekundärseitige Ertrag aufgrund des Anlagenverhaltens deutlich geringer ist, als
theoretisch möglich.
Bearbeitet von: Paula Röver
Betreut von: Dipl.-Ing. Stefan Hoppe, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2022, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Beschreibung des Betriebsverhaltens eines Fernwärmesystems mittels zeitlich hochaufgelöster Wärmezählerdaten
In dieser Diplomarbeit wird eine umfassende Untersuchung der Daten fernauslesbarer Wärmezähler eines realen Fernwärmesystems im Raum Berlin vorgestellt. Diese liegen für rund 32% aller am Netz angeschlossenen Hausstationen in einem Zeitraum von acht Monaten vor.
Zunächst wird eine Analyse der Datenerhebung zur Ermittlung von Fehlerquellen aus den Anlagen, der Datenkommunikationskette und fehlerhaften Messsignalen durchgeführt. Daraus werden geeignete Datenbereinigungsschritte und -verfahren abgeleitet. Daraufhin wird gezeigt wie die aggregierten Daten der gemessenen Hausstationen zur Beschreibung des Gesamtnetzverhaltens ohne Wärmeverluste genutzt werden können. Es wird die Methodik der Clusteranalyse zur automatisierten Auswertung der Zählerdaten für die Bildung von Abnehmergruppen vorgestellt. Die Ergebnisse der Clusteranalyse werden mit weitere Anlagendaten des Netzbetreibers verbunden und geeignete Kriterien für die Zusammenfassung von Abnehmern mit ähnlichem Verhalten im Netz ausgewählt. Zudem wird ein Ansatz zur Berechnung mittlerer Wärmeleistungsbedarfe bei den Norm-Außentemperaturen der Abnehmer angewendet. Mögliche Störeinflüsse der Auswertung aus der Anlagenregelungstechnik der Hausstationen werden analysiert.
Im betrachteten Fernwärmenetz wird das Verfahren am Beispiel der Gebäudeklassen und der Wärmeverwendung (Raumheizung/Trinkwassererwärmung) durchgeführt. Es resultieren zwei Standard-Lastfälle der Netzhydraulik. Der Zeitraum der kältesten gemessenen Außentemperaturen im Winter wird zur Validierung der Ist-Auslegung genutzt. Der Sommerfall beschreibt einen möglichen Auslegungspunkt für die Einspeisung dezentraler Anlagen. Es werden Grundlagen zur Validierung von Wärmeverlustmodellen und eine Indikation für physikalisch richtige Vollbenutzungsstunden abgeleitet. Es geht eine deutliche Verfeinerung bisheriger Auslegungsansätze hervor.
Bearbeitet von: Luise Mann
Betreut von: Jens Unterseher - Vattenfall, M. Sc. (FH) Bilal Kouka - Vattenfall, Dipl.-Ing. Maren Voß
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Ganzheitliche Bewertung von Wärmepumpensystemen
Die Entscheidung zwischen einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (LWWP) oder einer Sole-
Wasser-Wärmepumpe (SWWP) begründet sich neben dem verfügbaren Kapital auch
durch das Image der effizienteren und somit umweltfreundlicheren SWWP. Durch eine
Lebenswegbetrachtung wird die Klimaschutzwirksamkeit in Form von Treibhausgasemissionen und kumuliertem nicht erneuerbarem Primärenergieverbrauch
(KEVNE) anhand von zwei Referenzanlagen überprüft. Die Ergebnisse des LWWP-Systems
liegen etwa 6 % über denen des SWWP-Systems. Dem stehen hohe Risiken durch die
Errichtung und einen problematischen Rückbau der Erdwärmesonde gegenüber. Da die
Wärmepumpensysteme aufgrund der sehr unterschiedlichen Investitionskosten nur
bedingt vergleichbar sind, wird eine investitionskostengleiche Kombination aus LWWPSystem mit Photovoltaik-Dachanlage (PV-Dachanlage) gebildet und dem SWWP-System gegenübergestellt. Dieses System weist eine deutlich höhere Klimaschutzwirksamkeit und Wirtschaftlichkeit auf als das SWWP-System. Der höhere Strombedarf des LWWP-Systems wird durch den Eigenverbrauch des erzeugten Stroms auch im Winter stark reduziert. Durch die zusätzliche Netzeinspeisung wird die größere Notwendigkeit der Zwischenspeicherung von Strom über längere Zeiträume minimiert. Die alternative Beteiligung an einer lokalen PV-Freiflächenanlage verstärkt diese Effekte aufgrund der niedrigeren spezifischen Investitionskosten und somit höheren
investitionskostengleichen Anlagenleistung. Aufgrund der aktuellen Regularien zu
Netzdurchleitung ist ein Eigenverbrauch des produzierten Stroms nicht möglich. Somit ist
die Anlage jedoch deutlich unwirtschaftlicher als die PV-Dachanlage. Um möglichst
klimaschutzwirksame Investitionen zu ermöglichen wäre eine Prüfung besagter
Regularien und der Bedingungen zur Förderung von Wärmepumpensystemen
angebracht.
Bearbeitet von: Felix Bumann
Betreut von: Dr.-Ing. Felix Panitz, Dipl.-Ing. Cornelius Zunk
Jahr: 2022, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Energietechnische Bewertung von rohrbündelbasierten Latentwärmespeichern mit Hilfe von numerischen Simulationen
Vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Modellierung eines rohrbündelbasierten Latentwärmespeichers. Dazu wird ein dreidimensionales parametrisches Simulationsmodell in COMSOL Multiphysics implementiert, mit welchem sich die Speicherkinetik bei einer simultanen Be- und Entladung analysieren lässt. Zweck dieser Betriebsweise ist die Glättung einer beladeseitig zyklisch anfallenden Wärmeleistung, sodass eine konstante Entladeleistung zur Verfügung steht. Es kommt das Phasenwechselmaterial RT111HC, mit einer Phasenwechseltemperatur von 111 °C, zum Einsatz; bei dessen thermophysikalischer Modellierung mittels eines Feststoff-Modells findet die Kapazitätsmethode Anwendung. Nach dem Entwurf vierer Modellvarianten gleicher Speicherkapazitäten, die sich jedoch in den Rohrbündel-Parametern (Rohrdurchmesser, Rohrteilung, Rohranzahl) voneinander unterscheiden, werden diese bei gleichen Prozessbedingungen (be- und entladeseitige Massenströme sowie Vorlauftemperaturen) simulativ verglichen. Die Parametrisierung der Rohrbündel-Parameter äußert sich in unterschiedlichen Leistungsniveaus der vier Speichervarianten. Mit zunehmendem Leistungsniveau ist allerdings eine Abnahme der leistungs- bzw. temperaturglättenden Wirksamkeit des Latentwärmespeichers zu vernehmen. Letztlich wird die leistungsstärkste Speichervariante einer technisch-ökonomischen Optimierung unterzogen.
Bearbeitet von: Lennart Heggelmann
Betreut von: Dr.-Ing. Ulf Sénéchal - Fraunhofer IFAM Dresden, Dipl.-Ing. Lars Schinke
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Betrachtung der Wärmeversorgung von Einfamilienhäusern mittels solarer Systeme hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Primärenergiebedarf
Solarthermie oder Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Photovoltaik? Diese Arbeit geht der
Frage nach, wie man neu gebaute Einfamilienhäuser wirtschaftlich mit Sonnenenergie
heizen kann. Es steht zwar offenkundig die Wärmeversorgung im Vordergrund, doch wird
auch der Haushaltsstrombedarf angemessen berücksichtigt, denn er ist ein wesentlicher
Einfluss in Photovoltaik-Systemen.
Den ersten Teil der Untersuchung bilden Simulationen in Polysun. Sie werden dazu
genutzt, verschiedene Varianten des Heizsystems auf einen hohen Solarenergie-Anteil zu
optimieren, und liefern die benötigten Energiebilanzen. Aus ihnen ergeben sich nicht nur
die Energiekosten, sondern auch der Primärenergiebedarf.
Darauf aufbauend werden die Investitionskosten der Varianten ermittelt und eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mit der Annuitätenmethode durchgeführt. Dabei werden die unterschiedlichen Nutzungsdauern der Komponenten, Preissteigerungen und steuerliche Aspekte berücksichtigt. Den Abschluss bildet eine Sensitivitätsanalyse bezüglich der getroffenen Annahmen, um herauszufinden, wie sehr sie die Entscheidung für oder gegen eines der Systeme beeinflussen können.
Bearbeitet von: Simon Grandl
Betreut von: Jörg Hohlfeld – FASA AG, Dr.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Entwicklung einer Auswahlhilfe zur Raumdruckregelung in Reinräumen
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erstellung eines EXCEL-Tools als Auswahlhilfe
zwischen verschiedenen Varianten der Raumdruckregelung in Reinräumen. Zu Beginn
werden die Grundlagen der Raumdruckreglung hinsichtlich diverser Aspekte dargestellt.
Im Anschluss erfolgt die Definition der drei betrachteten Varianten der
Raumdruckregelung. Dabei handelt es sich um die Variante 1: variable Volumenstrom
(VVS) Abluftregelung, die Variante 2: Bypassregelung und die Variante 3: zusätzliche RLTAnlage zur Druckregelung. Anhand eines realen Projekts erfolgt anschließend eine
beispielhafte Untersuchung der projektspezifischen Eignung der definierten
Systemvarianten. Basierend auf den Ergebnissen der Betrachtung der verschiedenen
technischen und wirtschaftlichen Vergleichskriterien, werden allgemeine
Bewertungsmaßstäbe erstellt. Zum Erhalt einer Auswahlempfehlung werden die
resultierenden Bewertungen unter Einfluss einer projektspezifischen Gewichtung in einer
Bewertungsmatrix vereint. Aus dieser gehen starke Unterschiede zwischen der
technischen und wirtschaftlichen Eignung der Varianten hervor. Die Erkenntnisse aus der
Untersuchung des Beispielprojektes werden im Anschluss mithilfe einiger Annahmen zu
einer Auswahlhilfe in Form eines EXCEL-Tools zusammengefügt. Abschließend wird die
entwickelte Auswahlhilfe hinsichtlich ihrer praktischen Anwendbarkeit überprüft. Es
entstand eine in der Praxis einfach anwendbare Auswahlhilfe zur Raumdruckreglung,
welche im Hinblick auf die Vergleichbarkeit der betrachteten Systemvarianten plausible
Ergebnisse liefert..
Bearbeitet von: Kajetan Weiß
Betreut von: Dr.-Ing. Martin Knorr, Dipl.-Ing. (FH) Tom Frömmel – Caverion
Jahr: 2022, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Begleitung und Dokumentation des Planungsprozesses und der Inbetriebnahme der neuen Solarthermieanlage im ZET
In dieser Arbeit wird ein Teil des Planungs- und Umbauprozesses einer Solarthermieanlage mit Netzeinspeisestation (NEST), welche auf einer Bestandsanlage beruht, begleitet. Die Anlage befindet sich auf dem Dach des Zentrums für Energietechnik der Technischen Universität Dresden und speist in das primäre Fernwärmenetz der Stadt ein. Dabei wird die neue Anlage in Zusammenarbeit mit der Firma Ritter Energie - und Umwelttechnik GmbH und Co. KG unter Verwendung deren eigens entwickelten Vakuum-Röhren-Kollektoren geplant. Die neue Anlage soll ebenso wie die Bestandsanlage in das primäre Fernwärmenetz der Stadt Dresden einspeisen.
Hierfür wird die Bestandsanlage vorgestellt, analysiert, sowie die Mängel herausgefiltert. Das auf den Bestand aufbauend neue Rohrleitungs- und Instrumentenschema (R&I) wird vorgestellt. Um in Zukunft den Prozess des ‚Repowerings‘ der solarthermischen Bestandsanlagen zu erleichtern, wird hierfür noch ein einfaches Konzept erarbeitet. Das Schema stellt den Prozess von der Planung über die Montage und Demontage der alten Komponenten sowie die daraus resultierenden Entscheidungsprozesse dar.
Bearbeitet von: Laura Franz
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Mirjam Brielmaier – Ritter XL Solar
Jahr: 2022, Studienarbeit
Weißflächenkartierung zur Identifikation potenzieller Standorte von Photovoltaikanlagen mithilfe Geographischer Informationssysteme (GIS)
In dieser Arbeit wird eine Methodik der Potenzialflächenanalyse der Freiflächen-Photovoltaik entwickelt und erprobt, welche darauf abzielt, den Ausbau dieser Technologie zu vereinfachen und zu beschleunigen. Als Erstes wird der aktuelle Stand der Potenzialflächenanalyse herausgearbeitet, wobei Unterschiede einiger Studien auf regionaler und nationaler Ebene untersucht werden. Daraus geht eine Begründung des Bedarfs nach weiteren Potenzialflächenanalysen hervor. Anschließend wird der Workflow einer QGIS-gestützten, teilautomatisierten Potenzialflächenanalyse mit Fokus auf unternehmensspezifische Anforderungen entwickelt. Mithilfe der Erkenntnisse aus den Studien sowie unternehmensinterner Expertise wird ein Kriterienkatalog erstellt, in welchem auch ein Bewertungssystem für die Kriterien eingeführt wird. Anhand dessen werden die Potenzialflächen einer Region in Mittelthüringen untersucht und bewertet. Im Zuge der Implementierung in QGIS werden einige Datengrundlagen recherchiert und verglichen. Im Anschluss erfolgt eine Modulbelegung zweier beispielhafter, gut geeigneter Potenzialflächen mit unterschiedlichen Finanzierungskonzepten. Um die Methodik zu verifizieren, werden die Energieerträge der Photovoltaikanlagen simuliert. Die Simulationsergebnisse werden mit den Werten der Potenzialflächenanalyse in QGIS verglichen. Zuletzt wird die entwickelte Methodik kritisch hinsichtlich ihrer zukünftigen Anwendbarkeit für die Flächenbeschaffung diskutiert und es werden Alternativen aufgezeigt.
Bearbeitet von: Paula Anabel Clemens
Betreut von: Niklas Faust – BOREAS, Dr.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2022, Projekktarbeit im Fachpraktikum
Analyse und Entwicklung eines Workflows für eine direkte IFC-Modellankopplung an Energie-Simulationsprogramme
Um die global formulierten Klimaschutzziele erreichen zu können, ist auch ein energie- und ressourceneffizienter sowie klimaschonender Gebäudebestand notwendig. Dafür
müssen bereits in frühen Planungsphasen thermisch-energetische Simulationen durchgeführt werden, um Fehler in der Planung erkennen und vermeiden zu können.
Die Vielzahl von traditionellen zweidimensionalen Datenaustauschformaten erschweren
den notwendigen Informationsaustausch zwischen den beteiligten Partnern. Die bereits
weit verbreitete Arbeitsmethode des Building Information Modeling (BIM) bietet dagegen
allen am Bauvorhaben beteiligten Partnern ein dreidimensionales Abbild des Gebäudes,
welches den lückenlosen Austausch der Informationen gewährleisten soll.
Um die Simulationen auf Basis dieses Modells durchführen zu können, müssen die dafür
notwendigen Parameter in diesem Modell enthalten sein. Für die Schnittstelle zwischen
den Anwendungen sind klar definierte Konventionen erforderlich.
Ziel dieser Arbeit war es die offenen Problemstellen im BIM-basierten Planungsprozess
mit dem Schwerpunkt auf der automatisierten Übergabe des geometrischen Modells und
den dazugehörigen bauphysikalischen Werten zu analysieren. Hierfür wurde die Übergabe auf Basis des standardisierten Formats Industry Foundation Classes (IFC) untersucht und die daraus abgeleiteten notwendigen Schritte zur Übergabe an den EnergyPlus-Simulationskern erarbeitet.
In den untersuchten Programmen, dem Allplan Add-on AX3000 sowie dem
BIM HVAC Tool, wurden sowohl bezüglich der Geometriedaten als auch der Bauphysik
Beeinträchtigungen beim Daten-Import festgestellt. Mit dem Add-on AX3000 ist es darüber hinaus nicht möglich, die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Räumen darzustellen. Das BIM HVAC Tool erzeugt durch die nicht nachvollziehbare Verkleinerung aller Fensterflächen schwerwiegende, nicht händisch korrigierbare geometrische Fehler.
Aus Sicht der thermisch-energetischen Simulation ist derzeit keines der beiden untersuchten Programme in der Lage, die Informationen aus den IFC-Modellen hinreichend genau zu übergeben, sodass die Simulation mit EnergyPlus zu einem realitätsnahen Ergebnis für die Gebäude führen kann.
Bearbeitet von: Danny Borchert
Betreut von: Dr.-Ing. Claudia Liersch – INNIUS GTD), Dipl-Ing. Falk Schumann – INNIUS GTD), Dr.-Ing. Alf Perschk
Jahr: 2022 , Diplomarbeit, Poster
Rahmenbedingungen und Anwendungspotenziale für Gravity Power Pumpspeicher in Bergbauregionen
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Frage wie alternative Speicherkonzepte nach dem
Prinzip der Pumpspeicher in Braunkohlefolgelandschaften einsetzbar sind. Es wird ein
Überblick über verschiedene Speicherkonzepte und deren Bau- sowie Funktionsweise
gegeben. Pumpspeicher mit dem Prinzip der Gravity Power werden näher betrachtet
und für eine Konzeptionierung mit mehreren Szenarien in einem Tagebaugebiet des
Lausitzer Reviers verwendet. Ein Teil der Arbeit befasst sich mit Kriterien, die einen
wesentlichen Einfluss auf die Umsetzung des Konzeptes beitragen. Im Konkreten sind
das der Energiemarkt, der Braunkohleabbau im Allgemeinen und Besonderheiten des
Abbaugebiets der Lausitz. Es werden Einsatzmöglichkeiten von und Anforderungen
an Stromspeicher in Strom- und Regelmärkten als Grundstein der wirtschaftlichen
Gesamtbetrachtung aufgezeigt. Die Ergebnisse der Untersuchung von Strom- und
Regelmärkte zeigen, dass die aktuelle Vergütung von Strom und Regelreserven im
Vergleich zu den letzten Jahren deutlich gestiegen sind. Dadurch und durch weitere
gesetzliche Veränderungen haben sich in den letzten Jahren die Bedingungen für
Betreibende von kleinen Energiespeichern verbessert.
In dem erarbeiteten Konzept in der Lausitz werden mehrere Szenarien mit Berechnungen
abgeschätzt und miteinander verglichen. Diese betreffen Gewicht, Materialkosten, erzielbare Leistung und Energie bzw. Speicherkapazität der Speicher. Die dafür verwendeten Speicher basieren auf zwei Konzepten der Gravity Power. Zum Einen wird das Konzept des sogenannten Powertowers ausgewählt. Mit unterschiedlichen Dimensionierungen wird er einzeln oder im Zusammenschluss mehrerer Tower als Cluster in den Szenarien verwendet. Zum Anderen wird das Konzept Buoyant Energy ausgewählt- ein mit Zusatzlasten beschwerter, schwimmender Reservoirspeicher. Es geht bspw. aus den Berechnungen hervor, dass bereits mit einem Flächenbedarf von ca. 0,2 ha eine Speicherkapazität von 16 MWh erzielt werden kann. Schlussendlich werden die Szenarien
nach Ihrer Anwendbarkeit in und angrenzend an Tagebaurestseen, insbesondere dem
Revier Nochten in der Lausitz bewertet. Da die technische Entwicklung der vorgestellten
Speicherkonzepte noch nicht vollständig ausgereift ist, ist hier an vordergründiger Stelle
anzusetzten.
Bearbeitet von: Marita Spörl
Betreut von: Dr.-Ing. Torsten Heyer, Dipl.-Ing. Niklas Schwiersch (Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik, Professur Wasserbau)
Jahr: 2022, Diplomarbeit, Poster
Untersuchungen zu Wirksamkeit und Kosten von Energiesparmaßnahmen an einem Verwaltungsgebäude
In dieser Arbeit wurde ein bestehendes Verwaltungsgebäude hinsichtlich einer
energetischen Sanierung der Heizungsanlage betrachtet. Zu diesem Zweck ist der
Bestand der Heizung aufgenommen und das Gebäude energetisch bewertet worden. Ein
Heizungscheck nach DIN 15378 wurde durchgeführt und zeigt erste Einsparpotentiale.
Es handelt sich bei dem Gebäude um ein Bürogebäude mit vier Geschossen. Die
Wärmeversorgung erfolgt über eine Fernwärmstation mit 75 kW Anschlussleistung. Die
verbauten Heizkörper besitzen überwiegend nicht voreinstellbare Thermostatventile.
Auf Grundlage der Bestandsaufnahme wurde ein digitales Modell mittels der Software
Trimble Nova 16.2 erstellt, mit welchem eine Rohrnetzberechnung sowie Heizlastberechnungen durchgeführt wurde. Im folgenden Schritt wurden für das Gebäude
passende Maßnahmen vorgeschlagen und einzeln anhand vorher definierter Kriterien
bewertet. Eine Prioritätenliste fasst die Vorschläge zusammen und ordnet sie
entsprechend ihrer Dringlichkeit in drei Kategorien.
Eine Reinigung eines der vorhandenen Wärmeübertragers wird unmittelbar empfohlen,
um die ordnungsgemäße Funktion der Anlage zu gewährleisten. Kurzfristig wird
angeraten, einen hydraulischen Abgleich durchzuführen. Es wird zudem vorgeschlagen,
den Bereitschaftsraum im Erdgeschoss gesondert zu regeln. Pumpen und Regelung sind
zu erneuern. Langfristig wird nahegelegt, das Dach und die Außenwände zu dämmen.
Verfasst von: Hendrik Pohl
Betreut von: Dipl.-Ing. Thomas Hoffmann – Ingenieurbüro Hoffmann, Dr.-Ing. Paul Seidel
Jahr: 2022, Projektarbeit im Fachpraktikum
Operativer Praxisvergleich von unterschiedlichen TGA-Berechnungsprogrammen bei der Dimensionierung einer Heizungsanlage, unter Berücksichtigung der BIM Planungsmethode
Die Einführung modellbasierter Planungsmethoden zur Effizienzsteigerung bestehender Prozessabläufe rückt vermehrt in den Fokus der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA). Das interdisziplinäre Arbeiten und der verlustfreie Datentransfer an Informationsschnittstellen sind Kernkomponenten des Building Information Modelings (BIM). Durch die Vielfalt herstellerspezifischer Berechnungsprogramme wird deren geeignete Auswahl für Planungsbüros in einem stetig wachsenden vernetzten Anwendungsfeld erschwert. In Kombination mit zahlreichen unabhängigen Architektursoftwares, die die Basis für die Modellierung des zentralen Gebäudemodells darstellen, ist die Anzahl proprietärer Austauschformate für BIM impraktikabel. Dadurch gewinnt der nachhaltige Transfer über offene Datenmodelle, wie IFC oder gbXML, unter dem Konzept „Open-BIM“ vermehrt an Bedeutung.
Zur Analyse differierender Vorgehensweisen etablierter Hersteller für TGA-Berechnungsprogramme werden die Softwarepakete der Firmen „Solar-Computer“ und „mh-Software“ anhand der Dimensionierung einer Heizungsanlage verglichen. In Vorbereitung erfolgt eine Heizlastberechnung nach DIN EN 12831-1:2017 (DIN/TS 12831-1:2020) auf Grundlage eines in Autodesk Revit modellierten fiktiven Beispielgebäudes. Ein Überblick normativer Randbedingungen sowie eine exemplarisch durchgeführte manuelle Heizlastberechnung eines ausgewählten Raumes unterstützt die Diskussion systematisch auftretender Fehler bei der BIM-basierten Planung. Die Gegenüberstellung von proprietärem und offenem Datenaustausch zwischen dem bereitgestellten Rohbau und der Verarbeitung im Berechnungsprogramm deutet auf zum Teil nicht optimal abgestimmten Prozessketten hin. Der Softwarevergleich beinhaltet Kriterien zur Interoperabilität, korrekten Verarbeitung standardisierter Berechnungs- und Auslegungsverfahren sowie eine Reflexion der Benutzerfreundlichkeit der Programme.
Verfasst von: Konstantin Seifert
Betreut von: Dipl.-Ing. (BA) Robert Richter - Innius DÖ GmbH, Dr.-Ing. Alf Perschk
Jahr: 2022, Projektarbeit im Fachpraktikum
2021
Analyse und Bewertung solarthermischer Großkraftwerke unter Verwendung der Software EBSILON
Spätestens seit dem Klimabericht der Vereinten Nationen aus dem Jahr 2007 lässt
sich nicht mehr leugnen, dass die Welt auf eine Klimakatastrophe zusteuert, wenn
nicht endlich eine Abkehr von fossilen Energien hin zu regenerativen Energien wie
Sonnen-, Wind- oder Wasserkraft stattfindet. Der Sonnengürtel der Erde,
insbesondere die Wüsten bzw. wüstenähnlichen Regionen, bietet ein enormes
Potenzial an Solarstrahlung zur Gewinnung von elektrischer Energie mittels
Solarthermie.
Die vorliegende Diplomarbeit gibt einen Überblick über die Grundlagen der
Solarthermie sowie deren Nutzung mittels solarthermischer Kraftwerke,
insbesondere Parabolrinnen- und Solarturmkraftwerke. Die unterschiedlichen
Technologien werden dabei zunächst ausführlich vor- bzw. gegenübergestellt.
Als Referenzstandorte für die anschließende Simulation von Solarthermiekraftwerken
dienen der Solarpark „Mohammed bin Rashid Al Maktoum“ in den
Vereinigten Arabischen Emiraten sowie der Solarkomplex NOORo bei Ouazarzate
in Marokko. An diesen Standorten sollen mittels der Software EBSILON bzw. des
Moduls EbsSolar sowohl Parabolrinnen- als auch Solarturmkraftwerke simuliert
werden. Aus technischen Gründen ist es jedoch nicht möglich, die Simulation eines
Solarturmkraftwerks für die Referenzstandorte durchzuführen, da die hierfür
zusätzlich benötigte Software zum Einlesen der Daten käuflich erworben werden
müsste. Um Abhilfe zu schaffen, wurde ein Solarturmkraftwerk anhand
vorhandener exemplarischer Daten simuliert. Diese Arbeit dokumentiert den
Umgang mit der genannten Software, wertet die Ergebnisse der Simulationen aus
und trifft letztendlich einen Vergleich zu einem der am Referenzstandort
Ouazarzate bereits existierenden Parabolrinnenkraftwerke.
Verfasst von: John Omoruyi
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Hans Minkenberg – TH Mittelhessen, Friedberg, Dr.-Ing. Thomas Sander
Jahr: 2021, Diplomarbeit, Poster
Konzeptentwicklung - Integration von Fahrzeugbatterien als stationären Batteriespeicher in ein Gebäudequartier
Je größer der Anteil von regenerativ generiertem Strom wird, desto gefragter sind
effiziente Möglichkeiten, um Strom zwischenzuspeichern. Eine besonders spannende
und nachhaltige Lösungsmöglichkeit ist, ausgediente Batterien elektrisch angetriebener
Fahrzeuge als stationäre Energiespeicher weiterzuverwenden und ihnen damit ein zweites
Leben zu ermöglichen. Durch die ansteigende Zahl zugelassener Elektrofahrzeuge werden
zukünftig große Stückzahlen von Antriebsbatterien im Umlauf sein, deren Kapazität
zwar für die mobile Anwendung im Fahrzeug zu gering ist, aber für andere Zwecke
dennoch genügend Energie bereitstellen kann. Da aktuell Recyclingverfahren noch mit
hohem Aufwand und damit verglichen wenig Ertrag verbunden sind, bietet sich eine
Verlängerung der Nutzungsdauer von Batterien an. Für eine sinnvolle Nachnutzung
spielen zum einen Faktoren wie gleichzeitige örtliche Verfügbarkeit und Stückzahlen
baugleicher Batterien und zum anderen die Zustandsbestimmung gealterter Batterien
eine Rolle. Als Lösungen haben sich hier besonders Batterien von Flottenfahrzeugen
geeignet gezeigt, deren verfügbare Restkapazität nach dem Ausbau aus dem Fahrzeug
mit einem konventionellen Kapazitätstest bestimmt werden kann. Technischer, sowie
zeitlicher Aufwand zeigen sich jedoch beim Durchführen von Elektrochemischen Impedanzmessungen, mit denen aus reproduzierbaren Spektren der aktuelle Ladezustand und Gesundheitszustand des Speichers hervorgehen können, deutlich verbessert. Die Integration rückläufiger Fahrzeugbatterien in ein Gebäudequartier stellt dabei aufgrund vielfältiger möglicher Anwendungsfälle mit überschaubarem Mehraufwand eine sinnvolle und nachhaltige Alternative zu fabrikneuen Akkus dar.
Verfasst von: Lucas Tzschoch
Betreut von: Dipl.-Ing. T. Goretzki – RWE Battery Solutions, Dr.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2021, Diplomarbeit, Poster
Entwicklung eines Software-unterstützten Experimentationsvorgehens für reale Versuchsaufbauten
Experimente sind in der Wissenschaft und der Industrie ein wichtiger Bestandteil. Sie dienen zum Validieren von Ergebnissen der Computersimulation und der Produktentwicklung. Die Arbeit befasst sich mit dem Entwickeln eines Software-unterstützen Vorgehens für Experimente. Das Ziel ist es, Experimente strukturiert und zeiteffizient zu planen, durchzuführen und auszuwerten. Dazu werden die Methoden der statistischen Versuchsplanung genutzt und mit der Dimensionsanalyse verbunden. Es wurden Programme entwickelt, welche die Teilbereiche eines Experimentationsvorhabens, wie das Erstellen der Versuchspläne und Berechnen von dimensionslosen Kennzahlen automatisiert. Darüber hinaus werden Regressionsgleichungen erstellt und automatisiert Messfehler erkannt. Das entwickelte Vorgehen wurde an einem realen Versuch durchgeführt und bewertet. Durch das Vorgehen wird eine klare Struktur vorgegeben. Es wird aufgezeigt, wie durch das gleichzeitige Variieren mehrerer Versuchsparameter der Erkenntnisgewinn steigt und der Zeitaufwand sinkt.
Verfasst von: Hauke Beer
Betreut von: L. Keilmann - Cloud&Heat Technologies GmbH, Dr.-Ing. Lars Haupt
Jahr: 2021, Diplomarbeit, Poster
Erhöhung der Robustheit datenbasierter Lastprognosemodelle gegenüber extrapolierter Einflussgrößen
Lastprognosen sind insbesondere für Energieversorger wichtig, um die Erzeugung sowie
die Verteilung der Energie an die Abnehmer bedarfsgerecht angepasst abzuwickeln.
Eine Methode, solche Prognosen zu erstellen, stellt der Ansatz datenbasierter Regressionsmodelle dar, welcher gute Ergebnisse liefert, sofern für die Prognose der Wertebereich der dem Modell zugrundeliegenden Einflussgrößen nicht überschritten wird.
Diese Arbeit diskutiert mögliche Lösungen zur Erhöhung der Robustheit von Prognosen
außerhalb der sicheren Wertebereiche. Dabei werden Modelle aufgestellt, deren Güte
schließlich anhand ausgewählter Datensätze und Extremwerte überprüft wird. Im Ergebnis lassen sich gelungene Ansätze verzeichnen, die zur Erhöhung der Robustheit
beitragen.
Verfasst von: Frieder Sparsbrod
Betreut von: Dipl.-Math. Anja Matthees, Dr.rer.nat. Peter Stange
Jahr: 2021, Studienarbeit
Erarbeitung eines energetischen Sanierungskonzeptes für eine Produktions- und Lagerhalle nach GEG
Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit war es, ein energetisches Sanierungskonzept für eine Produktions- und Lagerhalle gemäß den Vorgaben des Gebäudeenergiegesetzes zu erarbeiten. Die untersuchte Produktions- und Lagerhalle wird von der BSH Hausgeräte GmbH am Standort Bad Neustadt genutzt. Für die Erarbeitung eines energetischen Sanierungskonzeptes wurde untersucht, wie durch wärmeschutztechnische und anlagentechnische Sanierungsmaßnahmen eine Verbesserung der gegenwärtigen energetischen Situation erreicht werden kann.
Vor der Untersuchung von geeigneten Sanierungsmaßnahmen wurde der aktuelle Gebäudeund Anlagenbestand dokumentiert und mithilfe des Energieverbrauchsausweises bewertet. Der ermittelte Primärenergieverbrauch beträgt 221,34 kWh/m2a und die Emissionen in CO2-Äquivalent 51,90 kg/m2a. Auf Basis des Energieverbrauchs wurde das Gebäude simuliert und ein entsprechender Energiebedarfsausweis erstellt. Durch die Simulation der entsprechenden
Sanierungsmaßnahmen konnten verschiedene energetischen Sanierungskonzepte untersucht werden. Beim aus energetischer Sicht besten Sanierungskonzept kommt ein Holzpelletkessel, kombiniert mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe für die Wärmeerzeugung, zum Einsatz. Dabei ergibt sich ein simulierter Primärenergieverbrauch von 36,74 kWh/m2a und Emissionen in CO2-Äquivalent von 13,67 kg/m2a.
Zusätzlich wurde ein energetisches Konzept erarbeitet, mit dem bereits zeitnah der Energieverbrauch des Gebäudes reduziert werden kann. Nach diesem Konzept ergibt sich ein Primärenergieverbrauch von 194,05 kWh/m2a und Emissionen in CO2-Äquivalent von 45,41 kg/m2a. Abschließend wurde eine Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung unter Nutzung von geeigneten Fördermöglichkeiten durchgeführt. Beim wirtschaftlich besten Sanierungskonzept kommt ein erdgasbetriebenes Blockheizkraftwerk in Kombination mit einer Wärmepumpe für die Wärmeerzeugung zum Einsatz. Dabei ergibt sich ein simulierter Primärenergieverbrauch von 68,56 kWh/m2a und Emissionen in CO2-Äquivalent von 21,60 kg/m2a. Das energetisch beste Sanierungskonzept landet in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit nur im Mittelfeld der untersuchten Sanierungskonzepte.
Verfasst von: Philip Zechendorf
Betreut von: Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach, S. Ebert - BSH Bad Neustadt
Jahr: 2021, Diplomarbeit
Rechenzeitreduktion der Erzeugereinsatzoptimierung durch Zeitreihenaggregation
Mithilfe eines Energiemanagementsystems können energietechnische Erzeugungs- und
Verbrauchseinheiten geplant und betrieben werden. In der vorliegenden Arbeit wird
ein reales Energiesystem einer deutschen Großstadt betrachtet, für das der Einsatz
der Erzeugungseinheiten hinsichtlich der Kosten optimiert werden soll. Dafür wird
ein mathematisches Optimierungsproblem formuliert. Für große Energiesysteme und
längere Zeiträume entsteht dabei eine Vielzahl an Variablen und Gleichungen, sodass
die Lösung sehr viel Rechenzeit in Anspruch nimmt. Diese Rechenzeit zu reduzieren und
dabei die Genauigkeit der Lösung beizubehalten stellt die Problemstellung dieser Arbeit
dar. Über den Ansatz der Zeitreihenaggregation werden typische Zeitperioden erstellt,
um die Größe des Modells und damit die Rechenzeit zu reduzieren. Entsprechende
Verfahren zur Zeitreihenaggregation werden vorgestellt und auf das betrachtete System
angewendet, um die aggregierten mit den originalen Zeitreihen vergleichen zu können.
Dabei zeigt sich insbesondere eine Abhängigkeit der Genauigkeit von der Anzahl typischer
Perioden.
In einem weiteren Schritt wird das Optimierungsproblem angepasst, um typische Perioden einbinden zu können. Die Optimierung wird zunächst für den Referenzfall ohne
Zeitreihenaggregation und anschließend basierend auf verschiedenen Periodenlängen und -anzahlen durchgeführt. Es folgt ein ausführlicher Vergleich der Optimierungsergebnisse. Bei einer deutlichen Rechenzeitreduktion um mehrere Größenordnungen kann eine sehr gute Genauigkeit des Zielfunktionswertes erreicht werden. Für einen zeitschrittweise optimierten Betriebsplan zeigt sich, dass die Abweichung von aggregierter zu originaler Zeitreihe stellenweise zu groß ist, sodass eine Anwendung auf das originale Energiesystem nicht möglich ist. Gute Näherungen ergeben sich für die jährliche und monatliche Nutzung von Komponenten. Die Planung von Energiesystemen, insbesondere ein schneller Vergleich vieler Varianten, lässt sich damit gut umsetzen.
Verfasst von: Tiedo Heie Behrends
Betreut von: Dr.rer.nat. Peter Stange, Dr.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2021, Diplomarbeit, Poster
Machbarkeitsstudie, Produktkonzept und Prototyp einer neuartigen Befestigungslösung einer leichten, flexiblen Solarfolie
Gegenstand dieser Arbeit ist die Durchführung einer Machbarkeitsstudie von neuartigen Befestigungslösungen von Solarfolien. Ziel soll die Erschließung neuer Installationsflächen für eine spezielle Solarfolie der Firma Heliatek sein, um gleichzeitig das Potential der Solareinstrahlung besser zu nutzen. Da die Spezialfolie bereits mit Vorhandensein von Fassaden und Dächern Anwendung findet, soll nun eine Abhängigkeit von bestehenden Gebäuden ausgeschlossen werden. Methodisch soll eine Machbarkeitsstudie erstellt werden, um konkrete Projektziele zu formulieren, welche den Projektentwicklungsprozess unterstützt. Diese Studie ebnet den Grundstein für eine voraussichtliche Produkteinführung. Generell soll mit der praktischen Erarbeitung und dem Produktentwicklungsprozess die Frage geklärt werden, ob eine neuartige Befestigungslösung für die eigens entwickelte Solarfolie konstituiert werden kann und machbar ist. Antworten und Ergebnisse sollen die gewonnenen Informationen aus dem Entwicklungsprozess liefern und durch den Bau eines Prototypens praktisch bewiesen werden. Ebenso soll das zukünftige Produkt auf Trag- und Wirtschaftsfähigkeit im Sinne des Unternehmens untersucht werden. Heliatek stellt für die Untersuchung und praktische Umsetzung seine Labor-Räumlichkeiten, Maschinen sowie ein eigens erstelltes Softwareprogramm bereit. Bevor eine ausführliche Vorstellung der Projektidee erfolgen kann, müssen grundlegende Kenntnisse über die Solartechnik und Solarfolien dargelegt werden, um Entscheidungen für technische Beschlüsse in der Produktentwicklung nachvollziehen zu können. Hieran schließt die Vorstellung des Konzepts und der umzusetzenden Aufgaben an. Danach wird die Projektplanung durchgeführt. Es werden mögliche Aufspannsysteme mit unterschiedlichen Randverstärkungsvarianten dargestellt. Im weiteren Verlauf kommt es zu der Projektdurchführung der Machbarkeitsstudie, mittels der Erstellung eines Prototypens. Abschließend wird es eine Beurteilung hinsichtlich der technischen Umsetzung sowie Änderungsvorschläge für die Firma Heliatek empfohlen. Durch die gewonnenen Informationen und erarbeiteten Ergebnisse können ein ausführliches Vorgehen sowie detaillierte Vorschläge zur Produkteinführung unterbreitet werden.
Verfasst von: Dorothee Hannak
Betreut von: Dipl.-Ing. Michael Meißner - Heliatek Dresden, Dr.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2021, Projektarbeit im Fachpraktikum
Bewertung und Regelung reversibler Wärmepumpen im Kühlbetrieb
Aufgrund des fortschreitenden Klimawandels, steigt die Bedeutung regenerativer Wär-
meerzeuger stetig an. Trotz einer Dekarbonisierung der Wirtschaft, geht aus den
Wetterdaten eine Steigung der weltweiten Temperaturen hervor. Damit ist zukünftig ein
erhöhter Bedarf an Klimatisierungsmöglichkeiten zu erwarten. Die reversible Anwendung
einer Wärmepumpe könnte hierbei ein einfaches Lösungskonzept für beide Probleme
liefern.
In der vorliegenden Projektarbeit werden Forschungsergebnisse von bereits bestehenden
Anlagen mit reversible Nutzung zusammengetragen. Anhand dieser Untersuchungen
werden die Erkenntnisse zu einzelnen Aspekten, wie der Kälteübergabe, dem Hydraulik-
system und der Regelung genauer betrachtet. Mit Hilfe dieser Quellen und aktuellen
Normen werden dann verschiedene Bewertungskriterien herausgearbeitet. Diese Kriterien werden anschließend genutzt, um einen in Python programmierten Regler zu optimieren. Dieser ist über eine Message Queuing Telemetry Transport (MQTT)-Schnittstelle mit dem Simulationsprogramm TRNSYS-TUD verknüpft und steuert eine Wärmepumpe zur Versorgung eine Einfamilienhauses (EHF). Mit TRNSYS-TUD werden mehrfach die Kühlleistung und die Effizienz für die gesamte Kühlperiode der Wärmepumpe erfasst. Nach der Auswertung ergibt sich eine optimierte Regelstrategie für die Wärmepumpe.
Verfasst von: Robin Schulze
Betreut von: Dipl.-Ing. Maximilian Beyer, Dipl.-Ing. Tim van Beek
Jahr: 2021, Projektarbeit im Fachpraktikum
Entwicklung eines Tools zur Auswahl der Raumkühlsysteme auf Grundlage der BIM-Planungsmethode
Die Dimensionierung und Auslegung von Kühlsystemen nehmen angesichts des Klimawandels und den damit einhergehenden steigenden Umgebungstemperaturen eine immer wichtigere Rolle ein. Vor allem wassergeführte Flächenkühlsysteme rücken in den Fokus der technischen Gebäudeausrüstung, da sie durch ihre Effizienz und ein hohes Maß an Behaglichkeit überzeugen. Die Planung solcher technischen Anlagen folgt dem digitalen Wandel und wird zunehmend auf dreidimensionalem Niveau durchgeführt. Damit verbunden wächst in der technischen Gebäudeausrüstung die Marktpräsenz der BIM-Planungsmethode. Sie basiert auf einem 3D-Gebäudemodell, dessen Daten konsistent durch alle Projektbeteiligten genutzt werden. In dieser Arbeit wird der aktuelle Stand dieser Planungsmethode vorgestellt sowie deren Vor- und Nachteile im Vergleich zur herkömmlichen Planung aufgezeigt.
Darauf aufbauend wird ein Excel-Tool entworfen, welches in den Vor- und Entwurfsplanungsprozess der INNIUS DÖ GmbH eingebaut werden soll. Es dient zur teilautomatisierten Kühlflächen- und Konvektorauslegung. Den Grundstein des Tools legt eine Datensammlung verschiedener Herstellerunterlagen, welche in eine ausführlich beschriebene Übersicht der relevanten Kühlsystemarten überführt wird. Daran anknüpfend bietet das Tool einen Variantenvergleich zur optimierten Systemauswahl dieser Kühlsystemarten an. Im Anschluss an die finale Produktauswahl erfolgt die Darstellung der Systeme im dreidimensionalen Modell. Um den Prozess zu beschleunigen, wird in dieser Arbeit ein möglicher Ablauf der Überführung der Tool-Ausgabedaten in das Gebäudemodell konzipiert. Abschließend werden die im Zuge der Diplomarbeit gesammelten Erfahrungen zusammengefasst und mögliche Ansätze zur Erweiterung des Tools dargelegt.
Verfasst von: Sebastian Zoch
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) Bernd Klimes – INNIUS DÖ GmbH, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2021, Diplomarbeit
Analyse eines dezentralen Lüftungssystems für die Nachrüstung in Klassenräumen
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse eines Lüftungssystems für den Einsatz in Bildungseinrichtungen. Historisch gesehen ist in den meisten Gebäuden ein Luftwechsel nur über die Fenster möglich. Dabei weisen diese jedoch durch ihre hohen Belegungsdichten meist unzureichende Raumluftqualitäten auf. Konzentriertes Arbeiten gestaltet sich dabei mit steigender Aufenthaltsdauer immer schwieriger. Mit sinkender Raumluftqualität steigt aber auch das allgemeine Ansteckungsrisiko, welches besonders in Zeiten der globalen Pandemie durch Covid-19 eine ernstzunehmende Gefahr darstellt.
Zuerst soll ein Einblick auf die technischen Grundlagen der Lüftung gegeben werden. Um einen Bewertungsmaßstab zu erhalten wird eine Betrachtung der geltenden Normen durchgeführt. Im Anschluss soll eine Analyse bestehender Gebäude und Konzepte Aufschluss auf sinnvolle Varianten für den nachträglichen Einbau in Bildungseinrichtungen liefern. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen es möglich machen, nicht nur bestehende Lüftungskonzepte, anhand der individuellen Raumanforderungen zu überprüfen, sondern auch neue Lösungen zu simulieren.
Mittels dieses Bewertungsschemas soll eine Pilotanlage der Firma Glen Dimplex in der Max Hundt Grund- und Mittelschule Kulmbach bewertet werden und auf mögliche Verbesserungen geprüft werden.
Verfasst von: Kevin Bock
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Lars Schinke
Jahr: 2021, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Betrachtungen zum Bertieb von Eisspeichern
In dieser Arbeit soll die latente Speicherart des Eisspeichers näher betrachtet werden.
Dabei soll zunächst die Technologie grundsätzlich erläutert und eingeordnet werden. Die verschiedenen Arten und Bauformen sollen vorgestellt werden, auch mit Hinblick auf die zu Grunde liegenden physikalischen Prozesse des Eisaufbaues und der Regeneration des Eises.
Diese theoretischen Grundlagen werden dann später in der Arbeit benötigt, da mithilfe dieser ein einfaches Programm zur Simulation von Eisspeichern erstellt wird .
Nachdem der technische Stand der Eisspeicher näher dargestellt wurde, soll anhand eines realen Beispieles behandelt werden, wie sich ein solches Speichersystem im Verbund mit verschiedenen Erzeugern, Lasten und Betriebsformen verhält .
Mithilfe von baulichen Daten und Zeichnungen, sowie Informationen über den Speicher, kann dieser in die davor dargelegten Eisspeicherformen eingeordnet werden. Um hier für ein besseres Verständnis zu sorgen, werden vereinfachte Wärmeschemen genutzt und in dieser Arbeit abgebildet.
Zudem liegen Datenreihen verschiedenster Messinstrumente vor, womit man Aussagen über den Betrieb treffen kann. Außerdem gibt es Einblick in die verschiedenen Betriebsmodi, die abhängig von den äußeren Einflüssen, zum Einsatz kommen und bei denen verschiedene Anlagen des Gesamtsystems zum Einsatz. Auch diese können anhand der Betriebsdaten besser verstanden werden.
Die Auswertung erfolgt vor allem mithilfe von Diagrammen, da ein besonderes Augenmerk auf der Veranschaulichung der realen Betriebsbedingungen liegt.
Nachdem ein realer Eisspeicher näher beleuchtet wurde, soll es um die Simulation eines
Eisspeichers derselben Art gehen. Mit dem vorher erlangten Wissen und der, durch den
realen Betrieb, erhaltenen Erfahrungen wird ein Programm erstellt .
Das Programm soll eine Simulation eines Eisspeichers ermöglichen. Als Softwareumgebung wurde MATLAB gewählt . Dabei werden Vereinfachungen und Annahmen getroffen um die Komplexität des Problems zu verringern, ohne die Genauigkeit des Ganzen außer Acht zu lassen. Davor wird, mittels einer Literaturrecherche, eine Betrachtung der Vorgänge beim Vereisen und der
Regeneration durchgeführt . Die so erhaltenen Zusammenhänge und Formeln werden dann im Programm angewendet.
Am Ende sollen die so erhaltenen Ergebnisse mit dem realen Eisspeicher verglichen werden, um die Daten zu validieren und mögliche Aussagen über die getroffenen Annahmen machen zu können.
Verfasst von: Maximilian Gutwein
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Kaiser
Jahr: 2021, Studienarbeit
Untersuchungen zu hybriden Deckensystemen zum Heizen, Kühlen und Lüften im Klimaraum der TU Dresden
In den letzten Jahren haben sich die technischen Möglichkeiten zur gezielten Regelung physikalischer Raumklimaparameter durch die Vielfalt an leistungsstarker Anlagentechnik enorm entwickelt. Dieser Fortschritt ist insofern notwendig, da die Anforderungen an das Raumklima vor allem in der Arbeitswelt gestiegen sind. In Ergänzung zu den bisher vielfältig eingesetzten Flächenheiz- und -kühlsystemen wurden in der Forschung bereits Konzepte zur gleichzeitigen Frischluftkonditionierung erarbeitet. Es fehlen jedoch teilweise gezielte wissenschaftliche Studien zur Nutzerakzeptanz der sogenannten Hybridsysteme im Hinblick auf die thermische Behaglichkeit und die Raumluftqualität.
Mit dieser Arbeit wird eine empirische Studie vorgelegt, die zunächst mehrere Varianten eines hybriden Deckensystems unter stationären Bedingungen im Klimaraum der TU Dresden untersucht und im Anschluss eine der Vorzugsvarianten in Form einer kleinen Probandenuntersuchung auf deren Nutzerakzeptanz überprüft.
Aus den generierten Ergebnissen wird ein Vergleich gegenüber den Erkenntnissen aus der Betrachtung der reinen Deckenheiz- und -kühlsysteme aufgestellt, um mögliche Vorteile des kombinierten Systems hervorzuheben. Durch die Auswertung der physikalischen Messungen sowie der Probandenstudie werden somit neue Erkenntnisse hinsichtlich der thermischen und lufthygienischen Behaglichkeit für die laufende Forschung hybrider Systeme gewonnen.
Verfasst von: Magdalena Thiel
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. Maximilian Beyer
Jahr: 2021, Diplomarbeit
Erstellung von Testszenarien und Referenzergebnissen zur Analyse von Verfahren der Erzeugereinsatzoptimierung
Diese Arbeit untersucht die Rechenzeiten von Betriebsoptimierungssimulationen sowie die Betriebskosten verschiedener Energieversorgungssystemmodelle. Die Energieversorgungs-systeme stellen ihren Benutzern ganzjährig elektrische und thermische Energie zur Verfügung.
Zwölf verschiedene Energiesysteme werden mit verschiedenen Energieversorgungs- sowie Energiespeicherkomponenten modelliert, wie zum Beispiel: Heizkraftwerk, Kraft-Wärme-Kopplung (BHKW), Wärmepumpe, Sonnenkollektor, Photovoltaik, Windkraftanlage, Wärmespeicher und Stromspeicher. Alle zwölf Energiesystemmodelle haben eine unterschiedliche Kapazität und sind darauf ausgelegt, ein von drei verschiedene Lastbedarfsdaten abzudecken.
Die Betriebsoptimierungsanalysen werden mit einer kommerziellen Analysesoftware namens TOP-Energy sowie einem mit Python zusammengestellten Code, FlixOptPy, durchgeführt. Für die Optimierung wird Mixed Integer Linear Programming (MILP) verwendet, und Gurobi wird als Solver für die Modelle verwendet. Um ein optimales Ergebnis zu erhalten, das als Referenz für eine spätere Recherche verwendet werden kann, wird der gesamte Zeitraum in einer geschlossenen Optimierung berechnet. Zusätzlich wird in jeder Simulation ein Toleranzkriterium (Gap) sowie ein Abbruchkriterium (maximale Rechenzeit) zur weiteren Feinabstimmung der Simulation konfiguriert.
Nach systematischem Vergleich der Ergebnisse der Betriebskostenoptimierungsanalyse innerhalb von TOP-Energy und FlixOptPy wird deutlich, dass sich die Rechenzeit eines Modells deutlich erhöht, wenn der Gap-Wert verringert oder zusätzliche Variablen in die Energieversorgungssystemmodelle eingeführt werden. Darüber hinaus sind die berechneten optimalen Betriebskosten der meisten Energiesystemmodelle aus der TOP-Energy- und der FlixOptPy-Analyse mit einer durchschnittlichen Abweichung von 1 % sehr ähnlich. Zwischen den Endergebnissen von TOP-Energy und FlixOptPy ist ein großer Unterschied in der Rechenzeit zu beobachten. Innerhalb der durchgeführten Analyse dauerte die Rechenzeit innerhalb von TOP-Energy länger als bei FlixOptPy. Dies lässt sich durch die zusätzlichen Variablen von TOP-Energy sowie die Ergebnisdarstellung erklären, deren Einarbeitung in die Simulation mehr Zeit in Anspruch nimmt.
Verfasst von: Se-Hoon Chang
Betreut von: Dr.rer.nat. Peter Stange, Dr.-Ing. Felix Panitz
Year: 2021, Diplomarbeit
Erstellung eines Konzepts zur klimaneutralen Energieversorgung auf dem Kompetenzzentrum für Mobilität – Gewerbepark Avantis
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der multikriteriellen Bewertung von regenerativen
Energieerzeugungstechnologien. Diese soll auf den Beispielstandort des
Kompetenzzentrums für Mobilität auf dem Gewerbepark Avantis angewendet werden.
Die Arbeit wurde im Zuge eines bestehenden Projekts angefertigt, dass sich mit der
allgemeingültigen Bewertung von nachhaltigen Technologielösungen für individuelle
Standorte befasst. Den Kern der Arbeit stellt die Erarbeitung eines Algorithmus zur
Bewertung der Nachhaltigkeit von Erzeugungstechnologien in Abhängigkeit von einer
Auswahl an Standortparametern dar. Nach einer kurzen Einleitung in die
zugrundeliegende Situation werden zunächst die Indikatoren für die Bewertung, sowie für
verschiedene regenerative Erzeugungstechnologien Kennwerte für diese Indikatoren
erörtert. Im nächsten Schritt wird die Bewertung der Technologien anhand der
Indikatoren in logische Zusammenhänge umgewandelt, welche die Grundlage für den
Algorithmus bilden. Der Algorithmus wird an einer Anzahl von Szenarien getestet, welche
die Dynamik verschiedener Standortparameter betrachten. Die Einflüsse der Parameter
werden erörtert und verifiziert. Als letzter Schritt wird der Algorithmus auf den
Beispielstandort angewendet und eine Technologiekombination ermittelt, welche im
Detail betrachtet wird. Zum Abschluss wird ein Ausblick über mögliche und nötige
Erweiterungen des Bewertungsalgorithmus gegeben.
Verfasst von: Niklas Schneider
Betreut von: Prof. Dr. Achim Kampker – RWTH Aachen, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2021, Diplomarbeit
Simulation von Optimierungsstrategien des Gaskessels in einem Mehrfamilienhaus
Mittels einer Gebäudesimulation in Kombination mit einem Gaskessel ohne Trinkwassererwärmung im TRNSYS wurden die Brennstoffeinsparpotentiale durch Änderungen der Betriebsweise des Wärmeerzeugers untersucht. Hierzu wurde ein Gebäude mit 12 Wohneinheiten modelliert. Das Betriebsverhalten des Modells ist dem einer Liegenschaft aus dem Monitoring Projekt BaltBest nachempfunden.
Der Betrieb des Gaskessels wurde mittels folgender einzelner Parameter variiert und untersucht: Gaskesselart (Brennwert- bzw. Niedertemperaturkessel) , Modulationsgrenze des Brenners, Nennleistung des Gaskessels, Heizkurve, Nachtabsenkbetrieb sowie nächtliche und sommerliche Abschaltung.
In weiteren Simulationen wurden die genannten Einzelparameter miteinander kombiniert und auf ihre Wechselwirkung hinsichtlich der Brennstoffeinsparung untersucht. Die maximale jährliche Brennstoffeinsparung lag im Vergleich zum Referenzfall bei 16,9 %.
Verfasst von: Su Hyun Hwang
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) Sebastian Rochau, Dr.-Ing. Alf Perschk, Dipl.-Ing. Jens Kaiser
Jahr: 2021, Diplomarbeit
Erstellung eines Wärmeversorgungskonzeptes mit regenerativer Energie für eine Lagerhalle
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Wärmeversorgungskonzept für eine Lagerhalle untersucht. Neben dem Austausch der aktuellen Gaskesselanlage ist weiterhin der Umbau von Lufterhitzern auf Deckenstrahlplatten geplant. Für die Auswahl einer Wärmeerzeugungsanlage wurden mehrere Möglichkeiten vorgestellt. Neben üblichen Konzepten wurde der Einsatz eines Eis-Energiespeichersystems in Verbindung mit einer Wärmepumpe näher untersucht. Mit dem Ziel der betreibenden Firma, die CO2-Emissionen bis 2030 um 80 % zu reduzieren, wurde ein besonderes Augenmerk auf den ökologischen Fußabdruck der Wärmeversorgungsmaßnahmen gerichtet. Weiterhin wurden die untersuchten Konzepte hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit untersucht und verglichen.
Weil der Lagerhallenbetreiber Windkraftanlagen betreibt und damit Ökostrom nutzt, ist Strom als Energiequelle aus ökologischer Sicht die beste Variante. Der Austausch der Gaskessel durch Brennwertkessel würde eine Emissionsreduktion von 24,4 % bewirken. Ein bivalent-paralleles Wärmepumpen-Eisspeicher System kann dagegen eine Verringerung von 89 % nachweislich erbringen. Der Einfluss der CO2-Steuer und Annahmen zur allgemeinen Energiepreiserhöhung wurden in Form einer Sensitivitätsanalyse untersucht.
Wirtschaftlich betrachtet rentieren sich derzeit elektrisch betriebene Wärmeversorgungssysteme gegenüber gasbetriebenen Anlagen aufgrund der hohen Strompreise nicht. Zusätzlich sind die Investitionskosten einer Eisspeicher-Anlage sehr hoch.
Verfasst von: Martin Zacharias
Betreiber: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Jens Claaßen – HLS-Plan
Jahr: 2021, Diplomarbeit
Vereinfachte Heizlastmodelle von Gebäuden für Quartiersbewertungen
Mit der zunehmenden Urbanisierung und der Notwendigkeit von Klimaschutz und Energiewende werden immer mehr Fernwärmesysteme als Energielösungen für Stadtquartiere eingesetzt. Aufgrund der großen Anzahl der enthaltenen Gebäude, liegt einer der Schwerpunkte der energetischen Bewertung von Stadtquartieren in der vereinfachten Vorhersage der Energieverbräuche der einzelnen Gebäude im Fernwärmesystem. Trotz Vereinfachung sollte die Vorhersage jedoch hinreichend genau sein. Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit vereinfachten Berechnungsansätzen zur Bestimmung der Heizlastverläufe und der Rücklauftemperatur von Gebäuden. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Weiterentwicklung eines Berechnungsansatzes zur Prognose der Rücklauftemperatur von Heizungsanlagen.
In dem gewählten Berechnungsansatz wird das Heizungssystem des Gebäudes vereinfacht in einem Heizkörper-Ersatzmodell zusammengefasst. Die Modellierung wird auf Basis des Verhaltens eines Heizkörpers durchgeführt. Das erstellte Berechnungsmodell beschreibt die Beziehung zwischen Heizlast, Übertemperatur und Massenstrom und kann entsprechend verschiedener Annahmen variiert werden. Die Validierung des Berechnungsmodells mit Koeffizienten aus der Literatur erfolgt mit Hilfe von Messdaten aus einigen Fernwärmeübergabestationen. Die Berechnungsergebnisse und deren Abweichungen von den Messdaten werden für jedes Gebäude dargestellt und diskutiert. Um das Berechnungsmodell zu verbessern, werden die Heizlastverhältnisse auf verschiedene Weise ermittelt und die Koeffizienten im Berechnungsmodell werden durch Messdaten für jedes Heizungssystem optimiert. Es wird verifiziert, dass die Optimierungen zu einer besseren Prognosegüte führen. Abschließend werden die Möglichkeiten zur Weiterentwicklung des Berechnungsansatzes und dessen Anwendbarkeit auf ein anderes Heizungssystem diskutiert.
Verfasst von: Chenxi Yang
Betreut von: Dipl.-Ing. Juliane Schmidt
Jahr: 2021, Diplomarbeit
Lebenszyklusanalyse von Photovoltaik Modulen
Die Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energien stellt eine Herausforderung unserer heutigen Zeit dar. Für eine sichere Versorgung müssen Photovoltaikanlagen ausgebaut werden, um die Stromversorgung zu garantieren. Doch die Herstellung der Solarmodule verbraucht selbst Energie und erzeugt Emissionen.
Um eine Einschätzung über die Größenordnung von Energieverbrauch und Emissionsausstoß zu erhalten, wird in dieser Arbeit eine Lebenszyklusanalyse für ein bestimmtes Solarmodul durchgeführt.
Zur Bestimmung der Ergebnisse wurde eine Lebenszyklusanalyse durchgeführt. Diese Art der Analyse wird genutzt, um den Ressourcenverbrauch und die anfallenden Emissionen eines Produktes über dessen gesamten Lebensweg zu bewerten und zu quantifizieren. Die betrachteten Lebensabschnitte wurden unterteilt in Materialherstellung, Produktion, Nutzung, Transport und Entsorgung. Dabei sind alle benötigten Vorlaufketten der Komponentenproduktion eines Photovoltaikmoduls mit eingeschlossen.
Die Lebenszyklusanalyse wurde auf Grundlage von verschiedenen Datensätzen durchgeführt. Aus einer intensiven Literaturrecherche wurden Daten gesammelt und für die Analyse ausgewertet. In Kooperation mit der Solarwatt GmbH wurden interne Informationen zur Verfügung gestellt, um eine Validierung der Literaturdaten durchzuführen. Es konnte festgestellt werden, dass die beiden Datensätze zwar Abweichungen zeigen, aber die allgemeine Größenordnung von Energieverbrauch und Emissionen übereinstimmen. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die Thematik der Entsorgung näher betrachtet. Die charakteristischen Eigenschaften des Einbettungsmaterials eines Solarmoduls sind für die aufwendigen Entsorgungsprozesse verantwortlich.
Um die Entsorgung zu vereinfachen ist die Entwicklung eines Solarmoduls ohne Einbettungsmaterial zu untersuchen. Dabei müssen Stabilität und Lebensdauer näher beobachtet und geprüft werden.
Verfasst von: Annika Richter
Betreut von: Peter Schumann – SOLARWATT, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2021, Diplomarbeit
Erzeugereinsatzoptimierung von Biomassekonversionsanlagen unter Berücksichtigung unsicherer Randbedingungen
Die vorliegende forschungspraktische Arbeit überträgt ein für konventionelle Energiesysteme erstelltes Optimierungsframework auf die Erzeugereinsatzoptimierung von typischerweise eingesetzten Biomassekonversionsanlagen. Zunächst erfolgt die Auswahl der Technologie der Biogasverwertung in KWK basierend auf energiepolitischen und -wirtschaftlichen Rahmenbedinungen. Anschließend werden basierend auf realen Daten zwei Biogasanlagen mit verschieden ausgerichteten Vergütungsprinzipien und die notwendigen Randbedingungen und Brennstoffverfügbarkeiten modelliert. An die Anlagenrecherche anknüpfend werden relevante Betriebseinflussfaktoren identifiziert und für mögliche vom Referenzzustand (2019) abweichende Umweltbedingungen quantifiziert.
Basierend darauf erfolgen die Erstellung von möglichen Alternativszenarien und Einflussprognosen auf den Biogasanlagenbetrieb. Die Anlagenmodelle werden in das vorgegebene Python-Framework FlixOpt implementiert. Hiermit wird der Erzeugereinsatz
nach den Zielgrößen „minimale Betriebskosten“ bzw. maximaler Gewinn für Anlagenbetreiber*innen und „minimaler CO2-Ausstoß“ im gesamten von der Biogasanlage energetisch beeinflussten Bilanzkreis optimiert. Durch jahreszeitlich fluktuierende Randbedingungen können zu beachtende Unterschiede im KWK-Erzeugereinsatz abgeleitet werden. Anschließend werden dieselben Kalkulationen zu resultierenden Betriebskosten und CO2-Bilanzen für die Alternativszenarien durchgeführt. Es ergeben sich Konsequenzen auf die Treibhausgasbilanz des BGA-Umfeldes und die Gewinnbilanz des Betriebes. Zunächst bestätigt sich die Eignung der Biogastechnologie unter geringfügigen Ergänzungen für die Anwendung im bestehenden Optimierungs-Framework. Ein energiepolitisch und betriebswirtschaftlich gefährdetes Potential für die Nutzung der Basistechnologie in zukünftigen dezentralen Energiesystemen wurde nachgewiesen. Die grund- und spitzenlastfähige Biogaskonversion besitzt für bestimmte Anlagencharakteristika einen in besonderem Maße CO2-bindenden Einfluss. Hinzu kommt eine gewisse Konstanz in der energetischen Effizienz unter extremen klimatischen Randbedingungen.
Verfasst von: Davis Kronenberg
Betreut von: Dr. rer. nat. Peter Stange, Dr.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2021, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Erarbeitung eines Lüftungskonzeptes mit Auslegung aller Komponenten für einen Reinraum in der Mikrobiologie
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erstellung eines Lüftungskonzeptes für einen Reinraum am Beispiel eines realen Laborraums sowie die Erarbeitung der Grundlagen zur Erstellung eines Tools zur Auswahl einer Druckregelungsvariante für einen Reinraum. Dabei wird zuerst das System Reinraum hinsichtlich seiner notwendigen Komponenten, des allgemeinen Funktionsprinzips, sowie weiterer wichtiger Einflussfaktoren untersucht. Anschließend werden drei verschiedene Varianten zur Raumdruckregelung beleuchtet und anhand diverser Vergleichskriterien bewertet. Somit ergibt sich eine Abschätzung der Tauglichkeit der Varianten für verschiedene Anwendungsfälle. Es zeigt sich insbesondere eine starke Abhängigkeit von der geforderten Reinheitsklasse des Raumes. Diese Erkenntnisse werden auf die Auslegung des Lüftungskonzeptes angewandt. Für das Beispiel des realen Reinraums Sterillabor 1 wird daher eine Druckregelung über einen Bypass in der Abluftleitung vorgenommen. Die einzelnen Komponenten sind basierend auf den gegebenen Reinheitsanforderungen auszuwählen. Auf Grundlage dieser Auslegungen ergibt sich ein real entstehendes, hinsichtlich der Anwendung effizientes Lüftungs- und Druckregelungssystem.
Verfasst von: Kajetan Weiß
Betreut von: Dipl.-Ing. Mirko Tillner – Caverion, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Martin Knorr
Jahr: 2021, Projektarbeit im Fachpraktikum
Die energetische Inspektion von raumlufttechnischen Anlagen unter der Berücksichtigung aktueller verordnungsrechtlicher Regelungen
Die vorliegende Projektarbeit befasst sich mit der Thematik der energetischen Inspektion von raumlufttechnischen Anlagen unter Berücksichtigung aktueller verordnungsrechtlicher Regelungen. In diesem Zusammenhang werden die Rechtsvorschriften aus dem Energieeinsparrecht nach EnEV und GEG für inspektionspflichtige Anlagen näher betrachtet.
Die Berechnungsmethoden zur Ermittlung von Effizienz- und Energiekennwerten von RLT-Anlagen werden anhand der Vorgaben der DIN SPEC 15240 dargestellt. Die Maßnahmen zur Durchführung der energetischen Inspektion werden für eine inspektionspflichtige Bestandsanlage auf Grundlage der DIN SPEC 15240 demonstriert und die ermittelten Kennwerte mit den Referenzwerten aus dem Energieeinsparrecht verglichen. Die infolge der Inspektion aufgeführten energetischen Optimierungspotentiale werden detailliert aufgezeigt.
Die Kälteversorgung in der Bestandsanlage wird mittels Direktverdampfung realisiert. Aus der Inspektion der Bestandsanlage geht ein Primärenergiebedarf von 26,87 kWh/(m3/h)/a für das RLT-Gerät hervor. Der Effizienzkennwert der Kälteerzeugung beträgt 3,21. Lediglich der Kennwert der Kälteerzeugung genügt den Anforderungen des GEG. Somit besteht seitens des Anlagenbetreibers noch Handlungsbedarf.
Verfasst von: Lennart Niepraschk
Betreut von: Dipl.-Ing. Jörg Isensee – Dresdner Kühlanlagenbau GmbH, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Martin Knorr
Jahr: 2021, Projektarbeit im Fachpraktikum
Modellbasierte Simulation urbaner Wärmenetze
Die Studienarbeit befasst sich mit der, im IBPSA Project 1[IBPSA Project 1: 2017 in San Francisco, USA gestartetes Projekt. https://ibpsa.github.io/project1/] Task 3.1 beschriebenen Aufgabenstellung, ein gegebenes urbanes Wärmenetz zu simulieren und weitere Testvarianten für den Vergleich mit anderen Programmen bereitzustellen.
Für diese Simulation wurde das an der Technischen Universität Dresden weiterentwickelte Programm TRNSYS-TUD verwendet. In diesem wurde das zur Verfügung gestellte radiale Strangnetz umfassend der 16 Abnehmer an zwei Hauptsträngen nachgebildet. Die Abnehmer fordern von einer zentralen Wärmequelle unterschiedliche Wärmeleistungen und sind auf verschiedene Merkmale zu untersuchen.
Einige wichtige Vorgaben, wie z.B. die zu verwendenden Lastprofile, wurden jedoch nicht genau definiert. Dies beeinflusst die Ergebnisse so sehr, dass andere Programme, welche das genau gleiche Netzwerk simulieren, signifikant andere Werte errechnen könnten.
Die zu untersuchenden Größen waren unter anderem der Wärmeeintrag der Wärmequelle, die Verluste an die Umgebung oder das gesamte während der Simulation umgewälzte Wasser. Viele dieser Werte folgen, auch auf Grund der strikten Randbedingungen der Simulation, den erwarteten Verläufen. Jedoch war der Zusammenhang zwischen den Verlusten und dem Massestrom im Netzwerk besonders auffällig. Bei der Variantenrechnung stellte sich heraus, dass entgegen der eingangs getroffener Vermutung, ein erhöhter Massestrom die Verluste des Systems vergrößert und nicht minimiert.
Am Ende der Arbeiten werden Empfehlungen für den zukünftigen Verlauf des Project 1 gegeben. Zu diesen zählen die Auflistung der getroffenen Annahmen und eine Einschätzung auf die Auswirkung der Ergebnisse, sowie ein Aufruf diese in der Aufgabenstellung zu präzisieren. Auch werden Vorschläge gegeben, welche weiteren Variationen des Netzwerks untersucht werden können.
Die zu untersuchenden Resultate der beschriebenen Basisvariante und die der Variantenrechnungen werden dem IBPSA Project 1 zur Verfügung gestellt. Dort werden die Ergebnisse, mit denen andere Simulationsprogramme, verglichen und leisten einen Beitrag zum besseren Verständnis der Gebäudesimulation.
Verfasst von: Sven Juhler
Betreut von: Dipl.-Ing. Juliane Schmidt, Dr.-Ing. Alf Perschk
Jahr: 2021, Studienarbeit
Gleichzeitigkeitsfaktoren in Wärmenetzen
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die umfassende Beschreibung der Gleichzeitigkeit, wobei das Hauptaugenmerk auf der Berechnung des Gleichzeitigkeitsfaktors liegt. Sowohl dessen Abhängigkeit von den inneren Wärmegewinnen als auch die für die Berechnung gewählten Bilanzgrenzen werden mithilfe von vier Untersuchungen analysiert.
Durch die Modellierung einer Musterhalle und die Erarbeitung eines Excel-Tools kann zunächst der Einfluss der inneren Wärmegewinne auf die ermittelte Heizlast der Halle und folglich den Gleichzeitigkeitsfaktor einer Industrieliegenschaft nachgewiesen werden. Insbesondere die Prozessabwärme trägt maßgeblich zur Reduzierung des Heizwärmebedarfs bei, sodass diese im Zuge der Auslegung des Wärmenetzes der Industrieliegenschaft nicht zu vernachlässigen ist.
Anhand realer Messdaten eines Fernwärmenetzes und vier betrachteten Szenarien kann gezeigt werden, dass die Berechnung des Gleichzeitigkeitsfaktors zu stark variierenden Ergebnissen für ein und dasselbe Wärmenetz führt. Durch das Ermitteln einer Netzverlustfunktion und das Einführen eines Faktors für die Überdimensionierung der Hausstationen der Abnehmer wird der allgemeine Berechnungsansatz erweitert und sowohl eine Bilanzierung auf Erzeuger- als auch Abnehmerseite ermöglicht.
Mithilfe des Excel-Tools FreePlan erfolgt die Nachbildung des Fernwärmenetzes auf Basis von simulierten Wärmelastgängen. Durch geeignete Wahl von Regressionsmodellen kann der unterschiedliche Einfluss der Abnehmertypen auf den berechneten Gleichzeitigkeitsfaktor abgeleitet werden. Es stellt sich heraus: Je heterogener die Abnehmerstruktur, umso relevanter ist die Berücksichtigung der leistungsbezogenen Anteile der Abnehmertypen an der Gesamtanschlussleistung des Netzes.
Zuletzt soll für ein Netz, bestehend aus künstlichen, aggregierten Lastprofilen, ein gewünschter Gleichzeitigkeitsfaktor vorgegeben werden. Dafür sind Strategien zu entwickeln, welche auf einer zeitlichen Verschiebung oder Streckung und Stauchung der Lastwerte beruhen. Durch Demonstration der Strategien anhand eines fiktiven Netzabschnittes von zehn Abnehmern können deren Anwendungsgrenzen aufgezeigt und weiterführend die Plausibilität der einzelnen Ansätze kritisch diskutiert werden. Es wird gezeigt: Das Festlegen möglichst strenger Randbedingungen für die Manipulation führt nicht zwangsläufig zu einer geringeren Verzerrung des ursprünglichen Wärmelastganges. Für eine niedrige Anzahl zur Verfügung stehender und manipulierbarer Lastwerte tritt in Abhängigkeit der Gleichmäßigkeit des Ausgangslastprofils eine starke lokale Deformation auf.
Verfasst von: Johannes Lenk
Betreut von: Dipl.-Ing. Eberhard Dux – PGMM AG, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr. rer. nat. Peter Stange
Jahr: 2021, Diplomarbeit
Vergleichende Untersuchungen zum Einsatz von Eisspeichern in Bürogebäuden
Am Stadtrand von Hannover ist der Neubau von einem Bürokomplex geplant. Die Versorgung der Gebäude soll durch ein Eisspeichersystem erfolgen, das in Kombination mit einem Wärmepumpenverbund und einem Rückkühler Wärme und Kälte über das gesamte Jahr bereitstellen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen angestellt, um die energetischen, wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile in Hinblick auf die Eisspeichernutzung herauszuarbeiten. Um die Ergebnisse in einen technologisch sinnvollen Zusammenhang zu bringen, wurde zusätzlich als Referenzvariante die Wärmeversorgung durch Geothermie in Form von Erdsondenanlagen für das konkrete Projekt analysiert.
Im ersten Schritt wurde eine energetische Simulation des Projektes durchgeführt, um realistische Lastverläufe bezüglich der Beheizung und Kühlung der Räumlichkeiten zu erhalten. Aus der unterschiedlichen Bauweise der Bürogebäude resultierten dabei nur geringe Unterschiede im Jahresenergiebedarf. Mithilfe einer selbsterstellten Berechnungstabelle konnte im Anschluss das Systemverhalten erfolgreich simuliert und die Regellogik sowie mögliche Betriebsweisen des Eisspeichersystems auf ein energetisches Optimum des Anlagenbetriebs angepasst werden. Dabei wurde das Verhalten sämtlicher technischer Bauteile und ihre Wechselwirkung untereinander
ausgiebig analysiert und für jeden möglichen Betriebspunkt mathematisch beschrieben.
Die Ergebnisse der Simulation zeigten, dass die Nutzung eines Eisspeichers im Anlagenverbund ein moderates Stromeinsparpotenzial aufweist. Es konnten ebenso die ökologischen Vorteile der Technologie in Form von CO2-Emissionseinsparungen mittels einer Lebenszyklusanalyse nachgewiesen werden. Durch die hohen Investitionskosten dieser Technologie wurde allerdings prognostiziert, dass eine Amortisation innerhalb der Lebenszeit von 50 Jahren nicht zu erwarten ist. In diesem konkreten Projekt erwies sich die Verwendung einer Erdsondenanlage als die generell bessere Lösung hinsichtlich aller oben genannten Punkte.
Es konnte gezeigt werden, dass ein Eisspeicher negative Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaikanlage hat, wenn diese zur Stromversorgung der Anlagentechnik genutzt wird.
Verfasst von: Johannes Reif
Betreut von: Dipl.-Ing. Stefan Fiddicke – STRABAG, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2021, Diplomarbeit
Sommerliche Raumkühlung – Betrachtung der Investitionskosten zur Erweiterung von Heizungsanlagen auf den Kühlbetrieb
In dieser Belegarbeit werden die Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten unterschiedlicher Wärme- und Kältebereitstellungsanlagen untersucht, die zur sommerlichen Raumkühlung mittels freier Heizflächen geeignet sind.
Diese Untersuchung umfasst sowohl verschiedene Umrüstungsvarianten bestehender als auch Neuinstallationen von Heizungsanlagen zur Bereitstellung einer Kühlfunktion. Während der Bearbeitung werden neben der Fachliteratur auch online Marktanalysen und persönliche Interviews von Prozessbeteiligten genutzt, um Herstellerpreise sowie Planungsrichtkosten in einem gebäudetypisierten Variantensystem vergleichend darzustellen. Hierfür wird der deutsche Gebäudebestand analysiert und eine Auswahl von acht Typgebäuden herausgearbeitet, anhand welcher beispielhafte Investitionskostenrechnungen durchgeführt werden. Daraufhin werden allgemeingültige Methoden zur Abschätzung der für den Kühlbetrieb erforderlichen Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten demonstriert.
Als Ergebnis dieser Gegenüberstellungen kann gezeigt werden, dass Wärmepumpen und Sorptionskältemaschinen aufgrund geringer Betriebskosten eine kostengünstige Methode zur Bereitstellung einer Kühlfunktion darstellen können.
Verfasst von: Gina Malorny
Betreut von: Dipl.-Ing. Sven Schulke - pbr Rohling, Dr.-Ing. André Kremonke, Dipl.-Ing. Markus Arendt
Jahr: 2021, Projektarbet im Fachpraktikum
Numerische Berechnung von Raumluftströmung und Raumluftqualität in einem Seminarraum unter Berücksichtigung eines Luftreinigers
Die anhaltende COVID-19-Pandemie hat die Aufmerksamkeit und intensive Diskussion auf die Übertragung von ausgeatmeten Virenaerosolen als ein Auslöser von Infektionen in Innenräumen ausgelöst.
Der Einsatz des Luftreinigers als eine ergänzende Maßnahme kann einen zusätzlichen Schutz für die Teilnahme an einer Präsenzveranstaltung anbieten. Diese Studienarbeit untersucht die Auswirkungen des installierten Zuluftsystems und eines Luftreinigers auf die Verlangsamung der Dissemination unter verschiedenen Lüftungsszenarien. Hierbei wird das Infektionsrisiko der im Raum befindlichen Personen auf Basis der Aerosolekonzentration virenbelasteter Ausatemluft einer infizierten Person in der Luft betrachtet. Es wurde festgestellt, dass sowohl die Verwendung eines Luftreinigungsgerätes als auch des Zuluftsystems deutlich zur Verringerung des Infektionsrisikos beitragen kann. Dabei ist anzumerken, dass im aktuellen realen Betriebszustand des Raumes, also wenn Zuluftsystem und Luftreiniger gleichzeitig im Betrieb sind, jede Person circa 156,92 m³/h frische Luft bekommt. Das ist das ist Vierfache dessen, was aus hygienischer Sicht erforderlich wäre.
Darüber hinaus wird untersucht, ob eine ungünstige Platzierung des Luftreinigers aufgrund der ungünstiger Beeinflussung Strömungswege die Situation im Raum verschlimmert, z.B. wenn sich eine infizierte Person gerade am Ausströmungsweg des Luftreinigers befindet. In dem Fall könnte der Student, der hinter der infizierten Person sitzt, ein problematisches Gemisch von infizierter und gereinigter Luft einatmen.
Dementsprechend wurde ein Vorschlag erarbeitet, den Luftreiniger bestmöglich im Zentrum des Raumes zu platzieren.
Verfasst von: Chutan Xue
Betreut von: Dr.-Ing. Ralf Gritzki, Dr.-Ing. Markus Rösler
Jahr: 2021, Studienarbeit
Analyse und Vergleich stundengenauer Wetterdaten der Testreferenzjahre des Deutschen Wetterdienstes
Wichtiger Bestandteil einer thermischen Gebäudesimulation sind realitätsnahe Wetterdaten. In dieser Arbeit werden die Wetterdaten der Testreferenzjahre, veröffentlicht im Jahr 2011 vom Deutschen Wetterdienst (DWD), mit den 2017 vom DWD veröffentlichten ortsgenauen Testreferenzjahren verglichen. Dafür werden diesen Wetterdaten für ausgewählte Standorte Messdaten ortsnaher Wetterstationen gegenübergestellt. Bis zur Neuveröffentlichung im Jahr 2017 war Deutschland in 15 Klimaregionen eingeteilt und es gab je einen Wetterdatensatz mit typischen Witterungsbedingungen für jede Region. Vor allem im Bereich von Großstädten sind in der Vergangenheit deutliche Temperaturunterschiede gegenüber der Umgebung festgestellt worden. Die Testreferenzjahre konnten bei Bedarf mit Hilfe eines Tools modifiziert werden, um dieses Stadtklima abbilden zu können.
Für die Neuveröffentlichung erfolgte eine grundlegende Überarbeitung der Datensätze. Diese sind für jeden Quadratkilometer in Deutschland verfügbar und es gibt somit über 340.000 neue Wetterdatensätze. Damit sollen zum einen die fortschreitenden Auswirkungen der Klimakrise besser dargestellt, anderseits aber auch die Verwendung der Testreferenzjahre vereinfacht werden.
Die Testreferenzjahre wurden vor allem hinsichtlich der Unterschiede bei einer dynamischen Heiz- und Kühllastberechnung untersucht. Es zeigt sich, dass die Wahl des Testreferenzjahres einen geringeren Einfluss auf die Anlagendimensionierungen hat als der Vergleich mit realen Wetterdaten vermuten ließ. Die Unterschiede bewegen sich in der Größenordnung anderer Randparameter der Planung und sollten genauso diskutiert und abgestimmt werden. Dann besteht auch hinsichtlich der Wahl der Wetterdaten ein Einsparpotential für die Errichtung und den Betrieb der Gebäudetechnik.
Verfasst von: Danny Borchert
Betreut von: Dipl.-Ing. Falk Schumann – INNIUS GTD, Dr.-Ing. Claudia Liersch – INNIUS GTD, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2021, Studienarbeit
Datenbasierte Modellierung gebäudeseitiger Rücklauftemperaturen
Die vorliegende Projektarbeit befasst sich mit der datenbasierten Modellierung gebäudeseitiger Rücklauftemperaturen von mit Fernwärme versorgten Gebäuden. Die Basis der Modellierung stellt eine umfangreiche Abhängigkeitsanalyse gebäudeseitiger Messdaten dar. Im Rahmen dieser zeigt sich, dass die Leistungen von Heizkreis und Trinkwassererzeuger zur Beschreibung durch datenbasierte Modelle geeignet sind. Im Gegensatz dazu können für die gebäudeseitige Rücklauftemperatur keine allgemeinen Abhängigkeiten identifiziert werden, welche für datenbasierte Modelle geeignet sind. Diese wird erheblich durch den Aufbau und die Regelung einer Heizungsanlage beeinflusst.
Um den internen Aufbau der Heizungsanlagen im Modell berücksichtigen zu können, werden mehrere Teilmodelle definiert. Zusammen bilden diese ein Gesamtmodell, welches es ermöglicht die gebäudeseitige Rücklauftemperatur zu modellieren. Abschließend werden die Güten der erstellten Modelle bestimmt. Zudem wird aufgezeigt, wie die erarbeiteten Modellansätze in das bestehende Prognosetool FreePlan integriert werden können.
Verfasst von: Simon Kimmig
Betreut von: Dr. rer. nat. Peter Stange, Dipl.-Math. Anja Matthees
Jahr: 2021, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Bewertung des Betriebsverhaltens von Heizungsanlagen im Zusammenhang mit dem Austausch von Wärmeerzeugern
Die Studienarbeit befasst sich mit der Bewertung des Betriebsverhaltens von Heizungsanlagen im Zusammenhang mit dem Austausch von Wärmeerzeugern. Es wurden zunächst die gebäude- und anlagentechnischen Charakteristika der einzelnen Liegenschaften dokumentiert. Als Grundlage der Bewertung dienten Messdaten aus dem Projektportfolio des Forschungsprojektes „BaltBest“. Anhand dieser wurden die Auswirkungen des Kesseltausches auf die Effizienz und Betriebsweise der Heizungsanlage quantifiziert. Anschließend wurden Vorschläge zu Optimierungsmöglichkeiten des Anlagenbetriebs erarbeitet und die zu erwartenden Effekte abgeschätzt. Es kam zu dem Ergebnis, dass der Kesseltausch nicht erfolgreich gewesen ist. Trotz Effizienzsteigerungen konnte nur vereinzelt eine Reduzierung des Gasverbrauchs erzielt werden. Bei der Mehrheit der Heizkessel liegt eine Überdimensionierung vor, die sich negativ auf das Taktverhalten auswirkt. Das Optimierungspotential ist groß. Möglichkeiten liegen im Bereich der Leistungsanpassung und Vergrößerung der Speicherkapazität der Heizkessel, um die Takthäufigkeit zu reduzieren. Die Durchführung des hydraulischen Abgleichs der Heizungsanlagen sollte bei allen Liegenschaften erfolgen, damit Energieverschwendungen so gering wie möglich gehalten werden.
Verfasst von: Paul Teschler
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) Sebastian Rochau, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2021, Studienarbeit
Lebenszyklusbetrachtungen von Anlagen zur Nutzung Erneuerbarer Energien
Erneuerbare Energieerzeugungstechnologien sind während ihrer Betriebsphase ressourcen- und klimaschonend, weshalb sie mit der aktuellen Klimapolitik eine zentrale Rolle einnehmen. Jedoch sind die Emissionen und der Verbrauch von Primärenergie über den gesamten Lebenszyklus nicht zu vernachlässigen, sodass eine ganzheitliche Ökobilanzierung dieser Anlagen für eine faire Gegenüberstellung notwendig wird. Diese Arbeit widmet sich solch einer Bilanzierung inklusive Quantifizierung und Bewertung umweltrelevanter Faktoren für die Technologien Photovoltaik, Windenergie und Erdgas.
Im Rahmen der in DIN EN ISO 14040 festgelegten Methodik für Lebenszyklusanalysen sind die Energieerzeugungssysteme nach ihrem Materialverbrauch, Ausstoß von Treibhausgasen und Primärenergieaufwand von der Herstellung bis zum Lebensende analysiert. Für die notwendigen Berechnungen des kumulierten Energieaufwandes und des Treibhauspotentials ist eine Benutzeroberfläche mit integrierter und erweiterbarer Datenbank realisiert. Wie zu erwarten ist die Herstellungsphase der Anlagen dominierend für das Ergebnis der ganzheitlichen Ökobilanz, wohingegen der Einfluss der Transport- und Wartungsphase vernachlässigbar gering ist. Am Lebensende der Anlagen kann mit der Modulation von Recyclingverfahren bis zu 50 % der Primärenergie und ausgestoßenen Treibhausgas durch Substitution von Primärgütern mittels Gutschrift zurückgewonnen werden. Die Technologien sind in einer Sensitivitätsanalyse auf die Beeinflussung signifikanter Anlagenparameter und deren Zusammenhang mit dem Endergebnis untersucht. Abschließend werden die Technologien weiteren erneuerbaren und fossilen Energieerzeugungsanlagen gegenübergestellt und ein Konzept zur Implementierung der Ökobilanz auf unternehmerischer Ebene mittels des EcoDesign-Ansatzes erarbeitet.
Verfasst von: Sarah Langner
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2021, Diplomarbeit
Untersuchung sommerlicher Wärmeschutzmaßnahmen an den Biologischen Instituten der TU Dresden
Im Rahmen dieser Arbeit werden die Wirkungen unterschiedlicher Maßnahmen zur Verbesserung des sommerlichen Wärmeschutzes der Biologischen Institute der TU Dresden untersucht.
Der 2006 fertiggestellte Neubau weist hinsichtlich der thermischen Situation nicht maschinell gekühlter Büroräume Handlungsbedarf auf.
Nach Präzisierung des bereits vorhandenen thermischen Gebäudemodells in der Simulationsumgebung Tas erfolgt die Validierung dieses Modells mithilfe von Messdaten aus einem Temperaturmonitoring.
Die Simulationsergebnisse der Maßnahmen werden anhand von Kenngrößen bezüglich der Mindestanforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz nach DIN 4108-2 und der thermischen Behaglichkeit, für welche eine zusammengesetzte zulässige Temperaturobergrenze gemäß der Anforderungen aus den Technischen Regeln für Arbeitsstätten, DIN EN 15251 und DIN EN ISO 7730 entwickelt wurde, analysiert und verglichen. Dabei steht die Summe der jährlichen bzw. in der Kühlperiode auftretenden Übertemperaturgradstunden im Vordergrund.
Die favorisierte Maßnahmenkombination enthält drei regelungstechnische und konstruktive Maßnahmen. Diese gewährleisten die sommerliche Nachtkühlung bestimmter Raumgruppen und senken gleichzeitig durch Reduzierung der solaren Wärmeeinträge auch während der Nutzungszeit die Temperatur im Atrium und den Räumen. Die Ergebnisse zeigen auch, dass selbst unter maximalem Einsatz von Maßnahmen einzelne Räume den Anforderungen nicht gerecht werden können und folglich spezielle Maßnahmen bedürfen.
Durch die empfohlenen Maßnahmen wird der Anteil der untersuchten Räume, welche die Mindestanforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz unter der meteorologischen Randbedingung des sommerfokussierten Testreferenzjahres (TRY) 2015_S erfüllen, von insgesamt 30,9 % auf 89 % erhöht. Gleichzeitig wird die thermische Behaglichkeit gesteigert und der jährliche Kühlenergiebedarf des Gebäudes kann um 4,36 % reduziert werden.
Verfasst von: Caroline Julia Rentzsch
Betreut von: Dipl.-Ing. Julia Seeger – TU Dresden, Institut für Baukonstruktion, Dipl.-Ing. Markus Arendt
Jahr: 2021, Diplomarbeit
Potentialabschätzung eines Systemreglers zur Einkopplung von PV-Strom in ein Fernwärmeversorgungskonzept für Mietwohngebäude
Die Überschusseinspeisung aus PV-Anlagen führt zu einer höheren Netzbelastung. Eine verstärkte lokale Nutzung wirkt diesem Umstand entgegen. Erhebliche Potenziale bestehen dabei in der Einbindung von PV-Strom in die Wärmeversorgung. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Bewertung einer Systemlösung zur sektorenübergreifenden Nutzung von PV-Überschüssen und Fernwärme, da letztere häufig zur Versorgung urbaner Mehrfamilienhäuser genutzt wird.
Eine Marktrecherche zeigt, dass die Wandlung von PV-Strom in Wärme über unabhängig geregelte Heizstäbe umsetzbar ist, die jedoch keine abgestimmte Wärmebereitstellung mit der Fernwärme ermöglichen. Diese Arbeit entwickelt und evaluiert daher anhand eines Simulationsmodells verschiedene Ansätze seitens des hydraulischen Konzepts und des Aufbaus eines Systemreglers für eine Kombination beider Wärmequellen, wobei die höchsten PV-Wärmeanteile beim Einsatz einer prognosebasierten Laderegelung eines Kombispeichers ermittelt wurden.
Die Laderegelung ist über einfache Wenn-Dann-Entscheidungen oder eine modellprädiktive Regelung (MPC) umsetzbar. Der PV-Wärmeanteil ist jedoch durch den zeitlichen Versatz der PV-Überschüsse und des Wärmebedarfs über die Jahreszeiten hinweg begrenzt, so dass die MPC-Regelung nur geringfügig bessere Ergebnisse liefern kann. Für beide Regelungsarten sind Vorhersagen für zukünftige Bedarfe und Erträge notwendig, die aber für einzelne Verbraucher und PV-Anlagen relativ hohe Fehler aufweisen. Die vorliegende Arbeit zeigt verschiedene Prognoseansätze, wobei komplexere
Prognoseverfahren bei der geringen verfügbaren Datenbasis qualitativ kaum besser abschneiden. Die MPC-Regelung benötigt schließlich eine höhere Prognoseauflösung und ist daher auch fehleranfälliger, so dass sie nicht empfohlen wird.
Die angestrebte Entlastung der elektrischen Netze wird durch die lokale Nutzung erreicht,
jedoch ist eine wirtschaftliche Abbildung nur bei Fernwärmepreisen über der Einspeisevergütung möglich und damit aktuell nicht gegeben. Ebenso wird die CO2-
Bilanz negativ beeinflusst.
Verfasst von: Martin Altenburger
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr.-Ing. Paul Seidel, Dipl.-Ing. Silvio müller - YADOS
Jahr: 2021
Sommerliche Raumkühlung – Bewertung einer auf skalierbaren Gebäude- und Anlagenmodellen basierenden Untersuchungsmethodik am Beispiel einer Untersuchung zum Kühleffekt Freier Heizflächen
Theoretische und Praktische Untersuchungen zeigten, dass mittels Freier Heizflächen ein signifikanter Kühleffekt erzielt werden kann. Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll dieser Kühleffekt für verschiedene Bestandswohngebäude untersucht werden. Dafür wird ein skalierbares Mehrfamilienhaus - Gebäudemodell erstellt. Die Skalierbarkeit bezieht sich auf die Größe der Wohnfläche und die Anzahl der Wohneinheiten. Dies bietet den Vorteil einer erheblichen Zeiteinsparung bei der Erstellung von Gebäudemodellen. Mit dem skalierbaren Gebäudemodell werden verschiedene Variantengebäudemodelle erstellt. Damit werden Simulationsrechnungen zur sommerlichen Raumkühlung mit Freien Heizflächen mit TRNSYS - TUD durchgeführt. Die Simulationsrechnungen dienen dem Vergleich und der Bewertung der sich einstellenden Empfindungstemperaturen und des Kühlenergiebedarfes.
Verfasst von: Toni Frohs
Betreut von: Dipl.-Ing. Markus Arendt, Dr.-Ing. Alf Perschk
Jahr: 2021, Diplomarbeit
Untersuchungen zum Blitzschutz an Windenergieanlagen
Moderne Windkraftanlagen sind aufgrund ihrer Höhe besonders blitzschlaggefährdet. Infolgedessen erhalten Windenergieanlagen eine Blitzschutzanlage, welche den Strom im Falle eines Blitzschlages auf definiertem Weg in die Erde leitet. Rotorblätter sind die Komponenten, die am häufigsten von Blitzschlägen betroffen sind. Um den Versicherungsschutz für eine Windkraftanlage zu erlangen, muss die Funktionalität des Ableitsystems der Rotorblätter nachgewiesen werden.
Das Blitzableitkabel eines Rotorblattes ist ein Metallkabel, welches von der Blitzeinfangvorrichtung im Bereich der Blattspitze bis in den Blattwurzelbereich verläuft. Der Stand der Technik ist, dass die Funktionalität des Blitzschutzsystems der Rotorblätter mit einer Widerstandsmessung nachgewiesen wird. Hierfür muss eine Person mit einem Seilmoped am Rotorblatt langfahren und den Stromkreis bei den Blitzeinfangvorrichtungen im Blattspitzenbereich mit Hilfe einer langen Leitung schließen. Abseits der Gefahren, die dieses Verfahren mit sich bringt, sind die Ergebnisse dieser Blitzschutzprüfung teilweise unrealistisch. Schon kleine Unterbrechungen des Blitzableitkabels ergeben zu große oder unendlich große Widerstandswerte. Ein Blitz würde diese Leitungsunterbrechungen einfach mit einem Lichtbogen überbrücken und somit wäre der Blitzschutz dennoch gewährleistet.
Die ENERTRAG WindStrom GmbH hat ein neues Blitzschutzüberprüfungsverfahren entwickelt, bei welchem das Blitzableitkabel des Rotorblattes mit mindestens 2.000 V Wechselspannung behaftet wird. Kleine Leiterunterbrechungen werden durch einen Lichtbogen überbrückt. Mittels einer Feldsonde, welche auf einer Drohne arretiert ist, kann im Blattspitzenbereich das sich ausbildende elektrische Wechselfeld nachgewiesen werden.
Verfasst von: Max Aschenbrenner
Betreut von: Dr.-Ing. Konrad Iffarth - ENERTTRAG WindStrom GmbH, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2021, Projektarbeit im Fachpraktikum
Betrachtungen zur Kombination von Photovoltaik und Wärmepumpen unter besonderer Berücksichtigung von Batteriespeichern
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Betrachtungen zur Kombination von Photovoltaikanlagen, Wärmepumpen und Batteriespeichersystemen. Dabei werden die
theoretischen Grundlagen aller Komponenten, sowie deren Wechselwirkungen beschrieben.
Durch Gesetzesvorlagen wird gebäudenah erzeugte elektrische Energie aus erneuerbaren Energieanteilen unterstützt. In diesem Zusammenhang werden Betrachtungen zu den Wechselwirkungen der verschiedenen Systeme durchgeführt. Dabei wird die Signifikanz verschiedener Parameter auf festgelegte Zielgrößen untersucht. Diese werden durch Simulationen und Berechnungen aus den Simulationsresultaten ermittelt. Weiterhin werden die untersuchten Varianten des Gesamtsystems vergleichend bewertet und eine Aussage zur Auslegung und Dimensionierung des Batteriespeichersystems getroffen. Auch eine wirtschaftliche Analyse eines Systems mit den drei Hauptkomponenten wird durchgeführt.
Verfasst von: Clemens Kost
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2021, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Raumklimatische und energetische Wirkung von Kühldecken in einem Bürogebäude unter Berücksichtigung der thermischen Behaglichkeit
Die vorliegende Arbeit untersucht eine Kühldecke in einem Praxisfall auf ihre raumklimatische und energetische Wirkung. Neben physikalischen Messungen des Raumklimas wurden die Nutzer des Gebäudes nach ihrer Zufriedenheit befragt. Es erfolgte eine Bewertung des Raumklimas anhand des thermischen Komforts und der Luftqualität am Arbeitsplatz. Die durchgeführte Untersuchung der Kühldecke umfasste die Überwachung der Messdaten. Die anschließende Auswertung der Daten in Verbindung mit den Nutzerantworten ist nützlich, um eine Aussage treffen zu können, ob die Kühldecke in der sommerlichen Kühlperiode optimal funktionierte. Daraus lassen sich Maßnahmen entwickeln, die eine Störung des Kühlbetriebes verhindern und somit die Effizienz der Kühldecke als auch die Nutzerzufriedenheit steigern. Wird der Prozess der technischen Gebäudeplanung betrachtet, können durch vermehrte Felduntersuchungen weitere Informationen bezogen auf das Raumklima gewonnen und somit der Gebäudebetrieb verantwortungsbewusster und nachhaltiger gestaltet werden. Der Austausch zwischen den Planern und Betreibern des Gebäudes wird ebenso verbessert. Um das Verständnis für den praktischen Anwendungsfall dieser Arbeit zu schärfen, wurden der Arbeit theoretische Kenntnisse zum Raumklima und der thermischen Behaglichkeit vorangestellt. Zusätzlich wurden am Markt übliche Kühlsysteme auf ihren Stand der Technik untersucht.
Das Ergebnis des Monitorings kann wie folgt zusammengefasst werden: Die Auswertung der Nutzerantworten zeigte auf, dass die befragten Personen das Raumklima grundsätzlich als angenehm empfanden. In manchen Räumen wurden jedoch Auffälligkeiten bei den raumklimatischen Parametern festgestellt, die zu einer Unzufriedenheit der Nutzer führten. Durch die verknüpfte Untersuchung der Messdaten konnte belegt werden, dass einzelne kritische Bewertungen aufgrund einer Störung im Kühlbetrieb erfolgten. Mithilfe der Identifizierung der Einflussparameter und Störgrößen wurde vor allem gezeigt, dass die Interaktion zwischen Menschen und Anlagentechnik verbessert werden kann, z. B. indem man das Verständnis für das ausgewählte System der Raumkühlung schärft und die Nutzer besser instruiert.
Berbeiter: Magdalena Thiel
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. Maximilian Beyer
Jahr: 2021, Projektarbeit im Forschungspraktikum
2020
Empirische Validierung von Berechnungsmodellen für Gaskessel anhand von Messdaten aus dem Wohngebäudebestand Deutschlands
Der Klimaschutzplan 2050 stellt die Rahmenbedingungen für ein weitgehend treibhausgasneutrales Deutschland bis zum Jahr 2050 dar. Im Gebäudebereich werden größtenteils beim Heizen etwa ein Drittel der Treibhausgase verursacht, weshalb der Primärenergiebedarf bis 2050 um 80 % gegenüber 2008 sinken soll. Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich thematisch mit der Wärmeerzeugung in Wohngebäuden. Im Rahmen des „BaltBest“- Forschungsprojektes wird die Steigerung der Effizienz von Heizungsanlagen und die damit verbundene Reduzierung von CO2-Emissionen untersucht. Ziel der Arbeit ist es, Rechenmodelle für Gaskessel hinsichtlich ihrer Eignung zur Bewertung des Betriebsverhaltens zu entwickeln, zu untersuchen und anhand ausgewählter Messdaten des Forschungsprojektes zu validieren. Die Datengrundlage bilden Mess- und Metadaten von hundert Mehrfamilienhäusern, die mit entsprechender Messtechnik ausgestattet wurden. Des Weiteren wurden relevante Einflussgrößen im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse identifiziert und Optimierungsansätze zur Verbesserung der Berechnungsergebnisse erarbeitet. Die Grundlage für die Berechnungsmodelle bilden Standardwerte der DIN V 18599-5 sowie aus Masse-, Energiebilanzen und physikalischen Grundlagen abgeleiteten Gesetzmäßigkeiten. Um die Forschungsfrage zu beantworten, wurden die wesentlichen Verluste der Wärmeerzeugung (Abgas-, Auskühl-, Umgebungsverluste) sowie die Kondensation mit verschiedenen Modellen berechnet und zusammen mit der messtechnisch bestimmten Nutzwärme der Erdgasverbrauch bilanziert. Die Eignung der Modelle wurde in Abhängigkeit der relativen Abweichung des gemessenen zum berechneten Gasverbrauch bewertet. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass der Umgebungsverlust und die Kondensation besonders relevante Einflussgrößen sind und den Gasverbrauch wesentlich bestimmen. Mit den Berechnungsgleichungen ist der monatliche Erdgasverbrauch für mit einer Genauigkeit von +3,5 % bis -3,5 % prognostizierbar. Für eine zeitlich höhere Auflösung werden Abweichungen zwischen + 10 % generiert. In weiterführenden Arbeiten sind die Ergebnisse in einer detaillierten Feinanalyse zu verifizieren.
Verfasst von: Marius Maurer
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) Sebastian Rochau, Dipl.-Ing. Jens Kaiser
Jahr: 2020
Einbindung von solarer Wärme in das Fernheiznetz Dresdens – Verfahren, Einsatzgrenzen und Wirtschaftlichkeit
Vor dem Hintergrund einer schnellen Dekarbonisierung der Wärmeversorgung in Dresden werden in dieser Arbeit drei Ansätze untersucht, solare Energie in ein Fernwärmenetz einbinden. Die Untersuchungen erfolgen an einem realen Sekundärnetz mit Vorlauftemperaturen bis 90 °C und einer fiktiven Freifläche von 30.000 m2.
Im ersten Szenario wird die Projektion einer Solarthermieanlage untersucht. Das zweite Szenario besteht aus einer Photovoltaikanlage und einer Luft-Wasser-Wärmepumpenanlage, die in das Netz einspeist. Im dritten Szenario generiert eine hybride Photovoltaisch-Thermische Anlage sowohl elektrische als auch thermische Energieerträge. Die thermischen Erträge dienen einer Sole-Wasser-Wärmepumpenanlage als Wärmequelle.
Die Dimensionierung der Anlagen erfolgte mit aktuellen, am Markt verfügbaren Solarmodulen und Kollektoren. Die Wärmepumpenanlagen entstanden in der Zusammenarbeit mit einem Hersteller.
Im Vergleich weist die Anlage nach Szenario 2 die geringsten Wärmegestehungskosten auf und ist daher die wirtschaftlichste Variante. Dagegen sind die Wärmegestehungskosten der Anlage in Szenario 3 am höchsten. Die Solarthermieanlage nach Szenario 1 generiert mit CPC-Vakuumröhrenkollektoren die höchsten flächenspezifischen solaren Erträge und ordnet sich in den Wärmegestehungskosten zwischen Szenario 2 und 3 ein. Die PVT-Anlage in Szenario 3 kann einen effizienten Betrieb der SoleWasser-Wasser-Wärmepumpe gewährleisten, den Großteil des Strombedarfs der Wärmepumpe decken und überschüssige elektrische Energie in das Stromnetz einspeisen.
Es wird empfohlen, auf fernwärmenahen Freiflächen Solarthermieanlagen zu projektieren, um einen optimalen Flächenertrag zu generieren. Zusätzlich wird die Projektierung von Luft-Wasser-Wärmepumpenanlagen empfohlen. Eine Anlage nach Szenario 3 wird in einem kleineren Maßstab als Pilotanlage empfohlen.
Verfasst von: Lion Gienger
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Mike Neumann, DREWAG Stadtwerke Dresden GmbH
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Machbarkeitsstudie zur Integration einer Wärmpumpe in ein Wärmenetz
Es wird die Einbindung einer Wärmepumpe in das Wärmenetz Dagersheim der Stadtwerke Böblingen dargestellt. Als Wärmequellen für die Wärmepumpe werden Fluss- und Abwasser betrachtet. Die thermische Nutzung des untersuchten Flusses ist möglich, unterliegt jedoch Einschränkungen. Die Abflussmengen sowie der ökologische und chemische Zustand des Flusses müssen unverändert bleiben. Flussabschnitte, an denen die Wärmeentnahme durchführbar wäre, sind nur begrenzt verfügbar. Eine Temperaturabsenkung des gesamten Gewässers um 1 K ist nicht zu überschreiten. Die Stadtverwaltung Böblingen empfiehlt, die Wärmepumpe aufgrund der höheren Quellentemperaturen und der einfacheren Installation an der Kläranlage zu errichten.
Es werden drei potenzielle Standorte für die Wärmepumpe untersucht. Die Wärmepumpen-Szenarien werden über eine Simulation, die das Abnehmer- und Wärmenetzverhalten in Dagersheim umfasst, abgebildet. Die Problematiken aller Standorte liegen in der Erschließung der Wärmequelle und der Einbindung in das Wärmenetz. Die Wärmegestehungskosten steigen durch die daraus resultierenden zusätzlichen Energie- und Investitionskosten an. Der im Gebäudeenergiegesetz (GEG) geforderte Deckungsanteil der Wärmepumpe von 50 % kann an allen Standorten erreicht werden und wird als Bezugsgröße für die Auslegung verwendet. Die im Erneuerbare-Wärme-Gesetz (EWärmeG) geforderte Jahresarbeitszahl von 3,5 wird an keinem Standort erreicht. Für die Wärmepumpen mit der Wärmequelle Flusswasser, die entweder im Zentrum des Wärmenetzes oder in der Nähe des Flusses positioniert sind, ergeben sich Wärmegestehungskosten zwischen 83 und 94 €/MWh. Eine Nutzung von Abwasser an der Kläranlage resultiert aufgrund der Entfernung zum Wärmenetz in Wärmegestehungskosten von 124 bis 137 €/MWh.
Der Einsatz von Solarthermie bietet das Potenzial, bei Inanspruchnahme von Förderung
geringere Wärmegestehungskosten zu erreichen. Die Kombination der Wärmepumpe mit einer Photovoltaik-Anlage hat positive Auswirkungen, muss aber in unmittelbarem räumlichem Zusammenhang geschehen. Es wird festgestellt, dass an der Kläranlage durch den Betrieb von Blockheizkraftwerken bisher ungenutzte Abwärme anfällt. Es wird empfohlen, den Einsatz einer Wärmepumpe zur Erwärmung von Klärschlamm zu untersuchen.
Verfasst von: Marc Kammerer
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr. Schicktanz, Dipl.-Ing Nagy –Stadtwerke Böblingen GmbH & Co. KG
Jahr: 2020 , Diplomarbeit
Energetisches Gesamtkonzept für ein Hochhaus in Kota Kinabalu (Borneo), Malaysia inklusive Einkaufszentrums, Parkdecks und Service Suites
Die vorliegende Diplomarbeit erstellt ein energetisches Gesamtkonzept für ein Hochhaus in Kota Kinabalu, Malaysia, welches zum einem dem projektierenden Team des Bauvorhabens als nützliches Instrument zur Erkennung momentaner Mängel und möglicher (energetischer) Verbesserungen dienen soll, zum anderen aber auch außenstehenden Betrachtern die Möglichkeit bietet, ein Bild des malaysischen Bausektors inklusive typischer technischer Gebäudeausrüstung sowie gängiger Verfahren vermittelt zu bekommen.
Das Konzept beginnt mit einer Beschreibung der Rahmenbedingungen, hierunter fallen die örtlichen Umstände, vorherrschende Klimaverhältnisse und rechtliche Anforderungen. In diesem Zusammenhang wird auch ein Verfahren/Konzept erläutert, mit dem die Regierung versucht, ökologisches Bauen mehr in den Vordergrund zu rücken, da bis zum jetzigen Zeitpunkt keine obligatorische Vorschrift diesbezüglich existiert. Es folgt eine Erläuterung der Gebäudestruktur sowie verwendeter Baumaterialien, um einen besseren Überblick zu ermöglichen und typische bauphysikalische Eigenschaften zu ermitteln.
Ein eigenes Kapitel widmet sich dem in Malaysia weitverbreiteten Indikator „Overall Thermal Transfer Value“, einer Art spezifischen Wärmetransmissionswerts. Anschließend werden die geplanten technischen Installationen zur Deckung des Elektrizitäts-, Kalt-/Warmwasser-, Lüftungs- und Kühlungsbedarfs erklärt. Zur Bestimmung dieser Nachfragewerte erfolgten eine ausführliche Literaturrecherche sowie eigens durchgeführte Messungen. Hierauf basierend werden Vorschläge zur Verbesserung der energetischen und ökologischen Situation gegeben, untersucht werden beispielsweise die Installation einer Wärmedämmung, neue Fenster mit Wärmeschutzglas und eine Photovoltaikanlage. Kriterien, die dabei berücksichtigt werden, umfassen die eingesparte Menge an (elektrischer) Energie, vermiedene CO2-Emissionen, die dynamische Amortisationsdauer (zur wirtschaftlichen Risikobewertung), Einfluss auf den im Absatz vorher genannten lokalen Indikator sowie erzielbare Punkte zur Zertifizierung des Gebäudes als nachhaltiges Bauprojekt. Schlussendlich wird eine finale Empfehlung ausgesprochen, die einzelne Varianten entsprechend ihrer Priorität und Durchführbarkeit gewichtet.
Verfasst von: Kai Ettrich
Betreut von: Ngu Ket Yi (B.Sc.) – Bina Puri Holdings Bhd. Executive Director: Datuk Matthew Tee Kai Woon (B.Com., FCPA), Dr.-Ing. Annina Gritzki – TU Dresden
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Nutzung des Energiepotentials einer großen Brauchwasserleitung in einem Wasser-Wärme-Kraftwerk WWK
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Möglichkeit untersucht, die in den letzten Jahren in Erfurt errichtete Wasserkraftanlage am Standort Moskauer Platz (Pelton-Turbine mit 720 kWel) zu einem Wasser-Wärme-Kraftwerk (WWK) auszubauen.
Als Wärmesenke wurden vier Varianten der Einbindung in das vorhandene Fernwärmenetz untersucht und als Wärmequelle das Brauchwasser vor Eintritt in die Pelton-Turbine (45.000 m³/d) mit Temperaturen zwischen 3 und 20 °C. Trotz der herausfordernden Randbedingungen im Winter, konnten Hersteller gefunden werden, die bereit sind eine entsprechende Anlage für den ganzjährigen Betrieb zu konzipieren. Behördliche Einwendungen wegen der Umweltauswirkung des Vorhabens sind nicht zu erwarten. Als Varianten, ausgehend von den fernwärmeseitigen Randbedingungen, wurde die Einbindung ins primäre Fernwärmenetz und in ein sekundäres Wärmenetz, je als Rücklaufanhebung um 5 K oder als Rücklauf-Vorlauf-Einspeisung untersucht.
Es zeigt sich, dass sowohl sekundär als auch primär die Wärmegestehungskosten für beide Einspeisungsvarianten ziemlich identisch sind. Bei der Rücklauf-Vorlauf-Einspeisung liegt aber, bedingt durch größere Anlagen, das größere CO2 Vermeidungspotential. Der Großteil der Kosten entfällt dabei auf die Bezugskosten für den Strom von der Wasserkraftanlage, obwohl durch die Eigenversorgung bereits Kosten gegenüber regulären Netzbezug gespart werden können. Das größte Kostensenkungspotenzial haben daher Maßnahmen, die diese Kosten weiter senken können, wie eine Verbesserung der Jahresarbeitszahl (JAZ) der Anlage.
Ohne eine Betriebskostenförderung, die es aktuell noch nicht direkt gibt, liegen die Kosten bei den aktuellen CO2-Preisen höher als die Grenzkosten des bereits installierten Gaskraftwerkes. Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Alternativen schneidet die Anlage aber gut ab und eine Betriebskostenförderung von Wärmepumpen wird gerade intensiv auf politischer Ebene diskutiert. In jedem Fall könnten je nach Variante ca. 700 tCO2 bis 2900 tCO2 jährlich eingespart werden und so ein wichtiger Beitrag zum Erreichen der deutschen Klimaziele geleistet werden.
Verfasst von: Cornelius Zunk
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Frank Springer – SWE Energie GmbH, Uwe Weiß – Thüringer Fernwasserversorgung
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Technisches Monitoring in der Planung eines Bauvorhabens
Diese Arbeit befasst sich mit der Durchführung eines Technischen Monitorings für einen
Neubau eines Laborgebäudes mit der Software „Synavision“. Dabei wird zuerst die Motivation für die Durchführung eines Technischen Monitorings erläutert. Im Anschluss wird ein Einblick in die Grundlagen des Technischen Monitorings gegeben, sowie die
verschiedenen Umsetzungsaspekte eingegangen. Dabei wird die Auswertungsmethodik der „Aktiven Funktionsbeschreibung“, die dem Auswertungsprogramm zugrunde liegt,
beschrieben und die Programmoberfläche mit ihren Funktionen erläutert.
Das Vorgehen bei der Erstellung des Konzeptes zum Monitoring wird erläutert und die
Umsetzung der Regelung exemplarisch für verschiedene Anlagengruppen des Beispielobjektes erläutert. Dabei wird auf Besonderheiten, die durch die Natur des bearbeiteten Projektes entstanden sind und auf projektspezifische vollbrachte Leistungen eingegangen. Es folgt eine Auswertung von ersten Betriebsdaten aus dem Betrieb des Objekts, wobei die Auswertungsmöglichkeiten der Software visualisiert werden.
Abschließend werden der entstandene Nutzen aus dem technischen Monitoring, sowie die Funktionalität der Software bewertet. Die Durchführung des Monitorings im Projekt wird aufgrund des Pilotcharakters bewertet und Probleme und Chancen für zukünftige Projekte aufgezeigt.
Verfasst von: Niklas Schneider
Betreut von: Alexander Preuße – decon GmbH , Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2020, Projektarbeit im Fachpraktikum
Vergleich verschiedener Wärmeerzeugeroptionen für einen Neubau
Die Wahl von Wärmeerzeuger, Lüftungskonzept und Gebäudehülle für einen Neubau zieht langfristige energetische, ökologische und ökonomische Konsequenzen nach sich. Diesbezüglich wurde auf Grundlage verschiedener Anforderungen der Heizwärmebedarf eines Mehrfamiliengebäudes unter Berücksichtigung der thermischen Gebäudehülle nach EnEV und KfW55 mit und ohne raumlufttechnischer Anlage, sowie der Energiebedarf zur Trinkwassererwärmung per Simulation bestimmt.
Als Wärmeerzeugeroptionen wurden ein Gas-Brennwertkessel in Kombination mit Solarthermie, eine Luft-Wasser-Wärmepumpe mit direktelektrischer Spitzenlastabdeckung, ein Pelletkessel, ein Blockheizkraftwerk mit Ottomotor und Spitzenlastgaskessel sowie Fernwärme untersucht. Weiterhin wurde der Einfluss der Regelung auf den energieeffizienten Einsatz der Wärmeerzeuger untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wärmeerzeugeroption Gas-Brennwertkessel mit solarthermischer Anlage unter den Voraussetzungen der thermischen Gebäudehülle nach KfW55 sowie dem Einbau einer raumlufttechnischen Anlage mit Wärmerückgewinnung in ökologischer Hinsicht nicht gerechtfertigt werden kann. Weiterhin wurde festgestellt, dass beim Betrieb eines Pelletkessels und der Nutzung von Fernwärme eine raumlufttechnische Anlage mit Wärmerückgewinnung weder für Energieeinsparung noch Emissionsminderung sorgt. Die Nutzung von fester Biomasse oder Fernwärme aus KWK erzielt eine Minderung der CO2-Emissionen gegenüber der nach dem neuen Gebäudeenergiegesetz zugelassenen Referenzvariante um bis zu 80 %. Die häufig als
wirtschaftlichste Variante anerkannte Option des Gas-Brennwertkessels ist zukünftig u.a. aufgrund des CO2-Preises nicht mehr konkurrenzfähig. Hinsichtlich der Regelung von Wärmeerzeugern führt die bedarfsorientierte Regelung mit Hysterese und geeignetem Abstand der Temperatursensoren im Speicher zu einem energieeffizienten und verschleißarmen Betrieb.
Verfasst von: Thomas Mehlig
Betreut von: Dr.-Ing. Martin Knorr
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Sommerliche Raumkühlung: Entwicklung und Erprobung eines analytischen Modells zur Wirkung freier Heizflächen auf die Luftströmung im Raum
Die vorliegende Projektarbeit befasst sich mit der Thematik einer sommerlichen
Raumkühlung durch freie Heizflächen. Ziel ist es, ein analytisches Modell zur Wirkung
freier Heizflächen auf die Luftströmung im Raum zu entwickeln und anschließend zu
erproben. Somit ist es möglich, die Vorgänge innerhalb des Kaltluftsees zu beschreiben und die Ergebnisse in die Anlagen- und Gebäudesimulation mit TRNSYS-TUD einzubetten.
Um ein derartiges Modell entwickeln zu können, ist eine Literaturrecherche durchgeführt worden, die sich auf die phänomenologischen Vorgänge an Heizflächen und in einem Kaltluftsee fokussiert hat. Deren Ergebnisse sind im Computeralgebrasystem Mathcad zu einem Software-Prototypen mit zwei Modellen zusammengeführt worden: Heizkörpermodell und Kaltluftseemodell.
Die Resultate des Software-Prototyps zeigen plausible und nachvollziehbare Werte. Damit ist eine Möglichkeit entwickelt worden, die Wirkung des Kaltluftsees im Gegensatz zu einer CFD-Simulation als Alternative schneller und mit geringeren Arbeitsaufwand darzustellen.
Verfasst von: Lukas Richter
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke, Dipl.-Ing. Markus Arendt
Jahr: 2020, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Erstellung eines Prognosemodells für die modellbasierte Bewertung und Optimierung in Fabrikgebäuden
Hohe Fluktuationseinträge als eine Folge der derzeit stattfindenden Energiewende stellen die immer dezentraler werdenden Netzstrukturen vor große Herausforderungen. Aufgrund der damit verbundenen Gesamtkostensteigerung im Energiemarkt sieht sich zunehmend auch das produzierende Gewerbe mit dieser Problematik konfrontiert. Prognosebasierte Optimierungsverfahren können zukünftig eine tragende Rolle einnehmen, um eigene kostenintensive Fluktuationen im Netz zu vermeiden. Den Kerninhalt der Arbeit bildet die Evaluation probabilistischer bzw. Bayesscher Methoden zur Lastprognose einer hochaufgelösten Zeitreihe mit einem kurzen Prognosehorizont. Weiterhin wurde ein Modelldesign vorgestellt, das aufgrund weniger Einflussgrößen vergleichsweise gut generalisierbar ist.
Zur Modellfindung werden mehrere etablierte Verfahren eingehend beleuchtet sowie anschließend bewertet. Alle vorgestellten Methoden werden dabei jeweils auf ihre probabilistische lnterpretierbarkeit geprüft. Es wird gezeigt, dass sich der gewählte bayessche Ansatz durch Artificial Neural Networks für eine Lastprognose im industriellen Kontext grundsätzlich eignet. Besonders hervorzuheben ist hierbei die gute Abbildung des Regelbetriebs durch die bayesschen Lösungen. Beim Vergleich der verschiedenen Ansätze zeigt sich, dass die Triviallösung bestehend aus einer Feedforward-Netzstruktur sowie einer Normalverteilung als bedingte Wahrscheinlichkeitsverteilung die robustesten Ergebnisse im Regelbetrieb liefert.
Die komplexeren Ansätze zeigen im vorliegenden Fall großes Potential, bleiben der Triviallösung allerdings unterlegen. Jedoch ist zu erwarten, dass sie diese bei besserer Hyperparameteroptimierung übertreffen. Sollten die Ein- und Ausgangswerte eine nicht so ausgeprägte Korrelation wie im hier betrachteten Fall aufweisen, so kann die Weiterentwicklung der komplexeren Lösungen hilfreich sein. Insgesamt lässt sich mithilfe des bayesschen Ansatzes ein hohes Potential zur Optimierung interner Prozesse ausmachen. Die aktive Steuerung werkseigener Puffer (Batterien , Kältenetze etc.) mithilfe probabilistischer Vorhersagen kann so dazu beitragen, Netzfluktuationen zu minimieren.
Verfasst von: Kevin Wolf
Betreut von: Dr. rer. nat. Lukas Jager – Bosch.IO, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Performance und Methoden regelbasierter Erzeugereinsatzoptimierung
In dieser Diplomarbeit werden regelbasierte Algorithmen für die Erzeugereinsatzplanung entwickelt. Es wird ein Energiesystem betrachtet, welches die energetische Versorgung durch ein Blockheizkraftwerk, einen Kessel und einen Wärmespeicher umfasst. Für die optimale Referenzlösung wird die Einsatzplanung mittels gemischt-ganzzahliger linearer Optimierung durchgeführt. Bei der Entwicklung der regelbasierten Algorithmen werden verschiedene Ansätze verfolgt. Der regressionsbasierte Ansatz regelt den Erzeugereinsatz über Regressionsgleichungen, die auf Basis der Referenzlösung erstellt werden. Bei dem Prinzip der fixen Logik wird mittels Wenn-Dann-Regeln das optimale Betriebsverhalten bei der Referenzlösung nachgeahmt. Bei der optimierten Logik werden die Regeln des regressionsbasierten Ansatzes und der fixen Logik übernommen und ausgewählte Parameter hinsichtlich dem Ziel der Minimierung der Betriebskosten optimiert. Die Bewertung der regelbasierten Algorithmen erfolgt über den Vergleich mit der optimalen Referenzlösung. Mit dem regressionsbasierten Ansatz und der fixen Logik kann die Rechenzeit deutlich reduziert werden. Die Abweichung der Betriebskosten bleibt bei allen entwickelten Algorithmen gering.
Verfasst von: Carlotta Scheder-Bieschin
Betreut von: Dr. rer. nat. Peter Stange, Dipl.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Untersuchungen bei Entwicklung eines PCM-Speichers zur Speicherung von Abwärme aus industriellen Prozessen
Im Rahmen dieser Arbeit werden tiefergehende Untersuchungen auf dem Gebiet der Speicherung thermischer Energie durchgeführt, um die Grundlage für die Entwicklung eines Latentwärmepeichers zu schaffen. Zu den Entwicklungsaufgaben gehören messtechnische Untersuchungen zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Phasenwechselmaterialien durch Additive sowie die Konzeptionierung eines Laborversuchsspeichers zur Untersuchung verschiedener Verkapselungsvarianten.
Als Grundlage für die messtechnische Untersuchung der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit werden zunächst vielversprechende Additive aus der Literatur zusammengetragen. Anschließend werden Proben aus jeweils einem Grundmaterial und einem Additiv hergestellt. Die effektive Wärmeleitfähigkeit der Probe wird mit einer Plattenapparatur gemessen. Anhand der in dieser Arbeit erzielten Messergebnisse stellen sich Expandiertes Naturgraphit sowie Fasern einer Aluminiumlegierung als geeignet heraus.
Für die Konzipierung des Versuchsstandes werden bestehende Gestaltungsvarianten recherchiert und hinsichtlich ihrer Eignung bewertet. Eine Vorzugsvariante wird ausgewählt und entsprechend dimensioniert. Bei der gewählten Variante handelt es sich um einen Speicher auf der Grundlage einer Rohrbündelbauweise. Er besteht aus einem zylindrischen Edelstahlbehälter, in dessen Zentrum ein Durchflussschaurohr angebracht ist, um eine visuelle Kontrolle zu ermöglichen. Die Unterbringung der Kapseln im Speicher kann entweder in einer Haltevorrichtung (Speicherpatrone) oder durch eine lose Schüttung erfolgen. Der Speicher eignet sich somit zur Untersuchung verschiedener Verkapselungstechniken und ist flexibel skalierbar.
Verfasst von: Henrike Puschmann
Betreut von: Torsten Seidel - Fraunhofer IFAM Dresden, Dipl.-Ing. Lars Schinke
Jahr: 2020, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Vergleichende Bewertung von Systemen zur Trinkwassererwärmung
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit werden klassische (Durchfluss-, Speicher- und Speicherladesysteme) und innovative Systeme (Systeme mit niedrigen Rücklauftemperaturen, Wärmerückgewinnung) zur Trinkwassererwärmung einer vergleichenden Bewertung unterzogen. Anhand diverser ökonomischer und ökologischer Beurteilungskriterien (z. B. Anschlussleistung, Investitions- und Wartungskosten, Platzbedarf, Einbindung regenerativer Energien, Hygiene) wird für die einzelnen Systeme und Systemkonfigurationen die notwendige Vergleichsgrundlage geschaffen und in der Folge eine Bewertung durchgeführt. Ergänzt werden die erzielten Ergebnisse durch IT-gestützte Berechnungen (mittels Hottgenroth-Energieberater-Software) nach DIN V 18599 und eine Auswertung der aktuellen Literatur. Betrachtet man die Einzel-Ergebnisse dieser Arbeit im Zusammenhang, so ist an dieser Stelle folgendes festzuhalten:
- Für ein Einfamilienhaus (EFH) und ein Mehrfamilienhaus (MFH) gibt es ganz unterschiedliche systemische Ansätze und für ein EFH kann die beste Lösung aufgrund der Gegebenheiten gegenüber einem anderen EFH ganz anders aussehen.
- Je nach Ausgangssituation kann bereits durch eine geringfügige Änderung der Systemkonfiguration eine signifikante energetische Einsparung generiert werden (z. B. Austausch des Heizkessels)
- Möglichkeiten für Verbesserungen in der Trinkwassererwärmung gibt es viele: Diese zielen im Wesentlichen auf primärenergetische Einsparungen ab.
Die möglichen Maßnahmen und das damit verbundene Verbesserungspotential orientieren sich an den vorliegenden Gegebenheiten (Versorgungsort, Räumlichkeiten, vorhandene Systemkonfiguration, etc.). Entscheidungen in der Praxis für oder gegen konkrete Maßnahmen sind dann jeweils individuell in Abhängigkeit vom Bedarfsfall zu prüfen. Erst der Bedarfsfall im Kontext der vorliegenden Umgebungsparameter bringt somit die notwendige Gewichtung der dargestellten Bewertungsergebnisse und daraus resultierend die Erkenntnis, welche Maßnahmen wirklich sinnvoll sind.
Verfasst von: Yannick Dederichs
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Entwicklung und Validierung einer Methodik zur Ermittlung von Flexibilitätspotentialen bei Stromgroßkunden
Mit dem steigenden regenerativen Anteil an der Stromerzeugung in Deutschland steigt auch der Anteil der volatilen Einspeisung aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen. Um die Schwankungen zwischen Stromerzeugung und -verbrauch auszugleichen, wird zukünftig
eine Flexibilisierung von beiden nötig sein.
Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung und Validierung eines standardisierten Verfahrens, das es ermöglicht, das technische Flexibilitätspotential von Stromgroßkunden zu ermitteln. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu dienen, das Potential einer Vielzahl an Kunden zu bewerten und zu vergleichen. Auf diese Weise können die für detaillierte, wirtschaftliche Untersuchungen nötigen Ressourcen gezielt für einen priorisierten Kundenkreis eingesetzt werden.
Im Rahmen der Arbeit erfolgt eine Charakterisierung verschiedener Betriebsweisen für elektrische Verbrauchseinrichtungen und deren Möglichkeiten zur Flexibilisierung. Dazu werden entsprechende Kennwerte definiert und Berechnungsgrundlagen für das technische Flexibilitätspotential eingeführt.
Als Leitfaden zur Durchführung wurde mit Microsoft Excel das zum Teil interaktiv gestaltete Tool FlexID erstellt. Es liefert Vorlagen zur Erstellung von Steckbriefen für die flexibilisierbaren Anlagen des Kunden. Die Ergebnisse werden anschließend auf einem Tabellenblatt zusammengefasst und grafisch ausgewertet.
Die Validierung des Verfahrens wurde anhand der Dresdner Trinkwasserversorgung durchgeführt. Als flexibilisierbare Anlagen wurden die Pumpwerke der Hochbehälter sowie die Pumpen und Gebläse zur Spülung der Filter identifiziert. Aufgrund der geringen elektrischen Leistung der Anlagen können mit dem flexiblen Betrieb aktuell jedoch keine Einsparungen erzielt werden, die diesen als wirtschaftliche Alternative darstellen lassen. Im Fall von Änderungen der regulatorischen Rahmenbedingungen kann der flexible Anlagebetrieb in Zukunft jedoch durchaus wirtschaftlich sein. Zusammenfassend ist die Validierung als erfolgreich zu bewerten und FlexID konnte im vollen Funktionsumfang getestet werden, sodass eine Anwendung bei leistungsstärkeren Verbrauchern erfolgen kann.
Die kritische Bewertung des Verfahrens zeigte, dass bei der Identifikation des technischen Flexibilitätspotentials unter Umständen fälschlicherweise Rückschlüsse auf das realisierbare Potential gezogen werden können. Weiterführend wird darum die detaillierte Untersuchung eines Kunden empfohlen, um zu zeigen, in welcher Form auf den erzielten Ergebnissen aufgebaut werden kann. Mit der Erweiterung von FlexID auf Stromerzeuger können weitere Flexibilitätsoptionen beachtet werden.
Verfasst von: Richard Weiß
Betreut von: Dipl.-Ing. Holger Hänchen – DREWAG NETZ GmbH, Dipl.-Ing. Juliane Schmidt
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Vergleich verschiedener Ansätze zur Ganzjahresoptimierung des betriebskostenoptimalen Einsatzes von Energieerzeugern und Wärmespeichern
Die vorliegende Arbeit untersucht verschiedene Ansätze zur zeiteffizienten Lösung ganzjähriger Optimierungsprobleme zur Betriebsführung eines integrierten Energiesystems. Zur Optimierung werden gemischte ganzzahlige lineare Modelle (MILP) genutzt. Die Tests werden an einem real gegebenen Beispiel durchgeführt. In diesem erfolgt die Energieversorgung durch drei Blockheizkraftwerke, zwei Heizwerke und einen Wärmespeicher. Alle Energieerzeuger werden entweder mit Kohle oder Erdgas als Brennstoff betrieben. Drei Szenarien mit jeweils unterschiedlicher Wärmekapazität des Wärmespeichers werden im Rahmen dieser Arbeit diskutiert. Außerdem werden die Zeitschritte sowie die relative Lösungsgenauigkeit der Optimierung variiert. Die geschlossene ganzjährige Optimierung wird zur Generierung von Referenzergebnissen genutzt. Vier weitere selbst umgesetzte Optimierungsansätze sowie eine Lösung mit der kommerziellen Software TOP-Energy werden dem Referenzansatz gegenübergestellt. In zwei der genannten Verfahren wird das Gesamtproblem eines Jahres in verschiedene Teilprobleme zerlegt, um die Rechenzeit zu verkürzen. Dies umfasst segmentierte Rechnungen mit festen Randbedingungen sowie mit überlappenden Zeitbereichen. Darüber hinaus wird eine rollierende Optimierung mit verschiedenen Prädiktionshorizonten durchgeführt. Weiterhin wird ein selbstentwickelter, regelbasierter, iterativer Ansatz mit den Ergebnissen der Optimierung verglichen. Nach dem systematischen Vergleich aller Ansätze ist zu erkennen, dass die Rechenzeit der ganzjährigen Optimierung durch die Nutzung der Segmentierung deutlich verkürzt werden kann. Unter Umständen führen die untersuchten Ansätze jedoch zu einem Rückgang der Qualität des Optimierungsergebnisses.
Verfasst von: Jinyu Zhou
Betreut von: Dr. rer. nat. Peter Stange, Dipl.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Sommerliche Raumkühlung - Erstellung eines Konzepts zur Kühllastberechnung mit TRNSYS-TUD
Die sommerliche Raumkühllastberechnung ist Bestandteil der Gebäude- und Anlagensimulation. An der Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung findet das Simulationsprogramm TRNSYS-TUD Anwendung. Gegenwärtig wird ein Kühllastberechnungsmodus für TRNSYS-TUD umgesetzt. Für den sommerlichen Kühlfall stellt die VDI 2078 spezielle Berechnungsvorschriften und Validierungsmöglichkeiten bereit. Für die Ermittlung der Maximallasten beinhaltet die VDI 2078 eine sogenannte Auslegungsperiode. Die Auslegungsperiode ist durch maximale Wärmebelastungen gekennzeichnet und ermöglicht die Berechnung der Kühllast unter reproduzierbaren Randbedingungen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Umsetzung für TRNSYS-TUD
beschrieben. Weiterhin stellt die VDI Testbeispiele für die Validierung eines Programmes der Kühllastsimulation zur Verfügung. Ausgewählte Testbeispiele werden nachgerechnet und mit der VDI verglichen. Die Vergleichswerte sind Resultate anderer Simulationsprogramme. Letztendlich erfolgt eine Zusammenstellung der Validierungsanforderungen und deren Bewertung auf Hinblick der
Validierungsmöglichkeiten.
Verfasst von: Toni Frohs
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke, Dr.-Ing. Alf Perschk, Dipl.-Ing. Markus Arendt
Jahr: 2020, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Passive Kühlung über Geothermie – Potenziale und Grenzen in Abhängigkeit von der Energiequelle (Sondenfeld), der Witterung und der Nutzung
In Zeiten der Umstellung von konventioneller Wärmeerzeugung auf regenerative Lösungen stellt die Nutzung von oberflächennaher Geothermie zum Heizen und Kühlen einen wichtigen Beitrag dar. Die gesetzten Ziele der Bundesregierung in der Agenda 2030 für eine nachhaltige Entwicklung fördern diesen Ausbau.
Die vorliegende Diplomarbeit gibt einen Überblick über die Auslegung eines Erdsondenfeldes zur passiven Kühlung des Trainingszentrums der Sportgemeinschaft Dynamo Dresden e.V.. Dabei wird der Entwurf vom Grundriss des Gebäudes über die Nutzung und dem daraus resultierenden Kühlenergiebedarf bis hin zur Auslegung des Erdsondenfeldes mit Earth Energy Designer verfolgt. Danach werden die Energiemengen die vom Erdsondenfeld zur Verfügung gestellt werden durch Änderung der Gebäuderandbedingungen variiert und die Folgen für das Erdreich analysiert. Die untersuchten Varianten umfassen eine Änderung der Nutzung des Sonnenschutzes, die Änderung der Anlagenfahrweise sowie der Betrachtung von extremen Witterungslagen. Die resultierenden Folgen für das Sondenfeld werden bewertet und eine Handlungsempfehlung zur Aufrechterhaltung der passiven Kühlung in den gesetzlichen Grenzen gegeben. Der Autor strebt einen Erkenntnisgewinn über die Möglichkeiten und Grenzen eines Erdsondenfeldes zum Heizen und Kühlen an.
Verfasst von: Andreas Blümel
Betreut von: Dr.-Ing. Martin Knorr
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Messdatenaufbereitung und Regressionsanalyse von Wärmebedarfs- und Rücklauftemperaturprofilen
Versorgungsunternehmen, Energiehändler sowie Kraftwerksbetreiber verwenden die Lastprognose, um die Erzeugerleistung vorherzusagen, die erforderlich ist, um das Gleichgewicht von Angebot und Nachfrage zu erreichen. Innerhalb des Energiesektors ist die Genauigkeit der Vorhersage von großer Bedeutung und dies wird von vielen Faktoren beeinflusst, z.B. von Verbrauchsmuster des Verbrauchers, Demografie, Wettervorhersage usw. Um eine genaue Lastvorhersage zu erstellen, werden umfangreiche Datenmengen benötigt, um Fallszenarien zu veranschaulichen.
Ziel dieser Studie ist es zu bestimmen, welche der bereitgestellten Daten in FreePlan, ein Tool zur Lastprognose für Wärmebedarf und Rücklauftemperatur, genutzt werden können, um die Modelldatenbank zu erweitern.
Bei der methodischen Konstruktion werden die bereitgestellten Daten, die verschiedene Messungen enthalten (z. B. Temperatur, Sonneneinstrahlung, Tag und Datum usw.), analysiert und verarbeitet. Basierend auf den verarbeiteten Daten werden charakteristische Steckbriefe für alle Modelldaten erstellt. Anschließend wird die Regressionsanalyse so durchgeführt, dass sie basierend auf ihrer Approximationsgüte für das Regressionsmodell bewertet wird. Anschließend werden die Regressionskoeffizienten des ausgewählten Datenmodells, die dem Standard von FreePlan entsprechen, in FreePlan als Modell übernommen.
Die Ergebnisse der Regressionsanalyse zeigen, dass sechs von 31 Datensätzen für die Verwendung in FreePlan geeignet sind. Die geringe Anzahl akzeptierter Daten kann durch die Länge des Messzeitraums und die Art des Gebäudes erklärt werden, aus dem diese stammen.
Editor: Se-Hoon Chang
Tutor: Dr. rer. nat. Peter Stange, Dipl.-Math. Anja Matthees
Year: 2020, Studienarbeit
Betrachtungen zum flexiblen Wärmenetzbetrieb bei zellularen Bilanzierungen
Die Arbeit setzt sich mit dem flexiblen Betrieb von Fernwärmenetzen unter Nutzung zellularer Strukturen auseinander. Es erfolgt eine Übertragung des zellularen Ansatzes von Elektroenergienetze auf Fernwärmenetze. Wichtige Begrifflichkeiten im Rahmen eines flexiblen, zellularen Betriebs von Fernwärmenetzen werden definiert und in einem Glossar zusammengetragen.
Zunächst wird dargelegt, wie ein flexibler Netzbetrieb mit teilweise zellularen Ansätzen in Forschung und Praxis bereits umgesetzt bzw. untersucht wurde und welche Erfahrungen daraus zu entnehmen sind.
Auf Grundlage dessen und den zu erwartenden Entwicklungen in der Fernwärme wird eine Variantenmatrix mit zu untersuchenden Flexibilitätsoptionen erstellt. Dabei steht die Anwendung auf Bestandsnetze im Vordergrund.
Die Flexibilitätsoptionen werden im Rahmen von drei Simulationsstudien umgesetzt. In Simulationsstudie S1 erfolgt eine teilzentrale lokale Vorlauftemperaturanpassung mittels Einsatzes einer Wärmepumpe bzw. einer Rücklaufbeimischung. In Simulationsstudie S2 wird die Wärmehaltung dezentral eingespeister Energie in einer Zelle durch Wärmespeicherung untersucht. In Simulationsstudie S3 wird die bedarfsgeführte Vorlauftemperaturregelung am zentralen Erzeuger umgesetzt. Die Simulation erfolgt an einem Beispielnetz unter Nutzung der Simulationssoftware TRNSYS-TUD.
Die durchgeführten Simulationen stellen erste Untersuchungen zum zellularen flexiblen Netzbetrieb dar und zeigen weiteres Untersuchungspotenzial auf.
Verfasst von: Luisa Lindner
Betreut von: Dipl.-Ing. Sven Paulick, Dipl.-Ing. Vera Volmer
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Energetische Gebäudesimulation des „Family Center Amman-Marka“
Die vorliegende Arbeit Energetische Gebäudesimulation des „Family Center Amman-
Marka“ untersucht den Entwurf eines Gebäudes, das saniert und erweitert werden soll. Das Family Center Amman-Marka ist ein von Deutschland gefördertes Entwicklungsprojekt, welches als Weiterbildungseinrichtung für geflüchtete Frauen genutzt werden soll. Dabei wurde der Entwurf des Gebäudes mit Hilfe einer energetischen Gebäudesimulation bewertet. Folgende Faktoren wurden einzeln und in Kombination untersucht: eine Wärmedämmung, Verschattung durch ein Photovoltaik-Dach, eine feststehende Außenverschattung (Maschrabiyya), sowie eine sommerliche Nachtlüftung.
Für die Berechnungen wurden die besonderen klimatischen Bedingungen und die bautechnischen Standards Jordaniens zugrunde gelegt. Eine wichtige Bedingung des Bauherren
war, dass keine Klimaanlage eingebaut wird, stattdessen Kühlung und Lüftung über freie Lüftung realisiert werden soll. Zur Bewerkstelligung wurde daher das Gebäude sowie das Simulationsmodell um das Element der Lüftungstürme erweitert.
Es wird der Nachweis erbracht, dass die Wärmedämmung des Gebäudes und die sommerliche Nachtlüftung über die Lüftungstürme wesentliche Faktoren sind, um in Amman ein Gebäude ohne technische Kühlung errichten zu können. Hierbei werden verschiedene Kennwerte genauer betrachtet, die sowohl raumklimatische als auch energetische Sachverhalte untersuchen.
Mit der vorliegenden Diplomarbeit wird nachgewiesen, dass der untersuchte Gebäudeentwurf gut auf die klimatischen Bedingungen des Standortes Amman abgestimmt ist und erwähnte Faktoren einem angenehmeren Innenraumklima zuträglich sind. Das Projekt kann als Modellprojekt für energiesparendes Bauen in dieser Region dienen.
Verfasst von: Jakob Reiter
Betreut von: Dr.-Ing. Alf Perschk, Dr.-Ing. André Kremonke, Dipl.-Ing. Olaf Reiter – Reiter Architekten GmbH
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Analyse der Energieversorgungsinfrastruktur im landwirtschaftlichen Raum im Hinblick auf den Betrieb einer Feldroboter-Ladestation
In dieser Arbeit wird die Energieversorgung für eine Feldroboter-Ladestation im ländlichen Raum am Beispiel des Freistaates Sachsen analysiert.
Hierbei werden zunächst Feldroboter allgemein, ihr Aufgabenspektrum und der aktuelle Entwicklungsstand vorgestellt. Anschließend werden die Plattform CERES, die als Grundlage der Betrachtungen dient, vorgestellt und der Energiebedarf dieses Roboters sowie seine benötigte Batteriekapazität berechnet.
Danach folgt die Auswahl und Vorstellung der Landwirtschaftsbetriebe, an denen beispielhaft die lokale Energiebereitstellung an den Betriebsstätten durch Photovoltaik, Biogas u. ä., untersucht wird sowie eine Analyse etwaiger Netzanschlüsse an Mittel- und Niederspannungsnetz. Hierzu werden drei Konzepte herausgearbeitet, anhand derer eine detaillierte Untersuchung stattfindet. Die Ergebnisse werden gegenübergestellt, verglichen und bewertet.
Zum Schluss werden die Ergebnisse zusammengefasst und zukünftige Entwicklungen sowie deren Einfluss auf die Technologie und die bearbeitete Fragestellung beleuchtet.
Verfasst von: Alexander Rommelmann
Betreut von: Dipl.-Ing. Catrin Weyers (Fraunhofer Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme Dresden)
Jahr: 2020, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Wirtschaftlichkeitsprüfung in Anlehnung an die VDI 2067 zum Einsatz eines BHKW mit und ohne Absorptionskältemaschine in einem Klinikum
Der Einsatz von finanziellen Ressourcen ist unumgänglich für die Ausschöpfung des Leistungspotentials der modernen Medizin. Jedoch sehen sich Krankenhäuser in Folge der zunehmenden Privatisierung bzw. Teilprivatisierung des Gesundheitswesens einem stetig wachsenden Kostendruck ausgesetzt. Folglich stellt die Überprüfung von etablierten Strukturen und Verfahrensweisen auf ihre Wirtschaftlichkeit ein zentrales Thema für Klinikbetreiber dar.
Die vorliegende Studienarbeit nimmt sich dieser Problematik von Seiten der Energieversorgung an. Gegenstand der Studie ist das „Elblandklinikum Meißen“.
Auf Basis der Verbrauchskostenabrechnung aus dem Jahr 2018 für die Medien Strom und Fernwärme sowie den technischen Daten der Anlagenkomponenten der Kälteversorgungstruktur erfolgt die Erarbeitung zweier Varianten zur Optimierung der Wärme- und Kälteerzeugung.
- Einsatz eines Blockheizkraftwerkes ohne Absorptionskältemaschine, d.h. Kälte aus Kompressionskältemaschine (Variante 1)
- Einsatz eines BHKW mit Absorptionskältemaschine (Variante 2)
Anhand einer Abschätzung der thermischen Grundlast des Elblandklinikum Meißens erfolgt die Dimensionierung aller Analgenkomponenten der jeweiligen Variante. Die anschließende Wirtschaftlichkeitsbetrachtung in Anlehnung an die VDI 2067 erfolgt unter Einbeziehung der kapital-, betriebs- und verbrauchsgebundenen Kosten. Eine Berücksichtigung der Erlöse findet ebenfalls statt.
Die Studienarbeit zeigt, dass der Einsatz von Kraft-Wärme-(Kälte)-Kopplung einen erheblichen Beitrag zur Verminderung der finanziellen Aufwendungen für die Energieversorgung leisten kann. Der wesentliche Grund dafür liegt in dem Eigenverbrauch des produzierten Stroms.
Verfasst von: Paul Straßburger
Betreut von: Dipl. Ing. Roland Nerger - Brendel Ingenieure, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2020, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Anwendung von Wärmepumpen in der Industrie unter Einbindung von Abwärme
Mehr als ein Drittel des Endenergieeinsatzes zur Wärmeerzeugung in Deutschland wird für industrielle Produktionsprozesse benötigt. Die dort anfallende Abwärme stellt ein bisher oft unterschätztes Effizienz- und Einsparpotenzial dar. Mithilfe einer Wärmepumpenanlage können die Temperaturen der Abwärme angehoben und erneut in Betriebsprozessen oder zu Heizzwecken genutzt werden. In dieser Arbeit werden für ein konkretes Industrieunternehmen verschiedene betriebsinterne Wärmequellen analysiert und hinsichtlich ihres Nutzungspotenzials für eine solche Wärmepumpenanwendung untersucht. Da die Wärmeversorgung bislang oftmals allein durch fossile Energieträger sichergestellt wird, kann der Einsatz einer Wärmepumpe den Bezug CO2-schädlicher Brennstoffe deutlich senken und im Idealfall vollständig verdrängen. Durch ein Optimierungstool in Excel werden verschiedene Berechnungen an konkreten Wärmepumpentypen durchgeführt und ausgewertet. Basierend auf Lastgang- und Energiekostenauswertungen lassen sich unterschiedliche Einsatzszenarien wirtschaftlich abschätzen und die ökonomische als auch ökologische Sinnhaftigkeit der Abwärmenutzung bewerten. Dabei wird auch geprüft, inwieweit die Anpassung der Netztemperaturen des Unternehmens an den Wärmepumpenbetrieb Effizienzsteigerungen hervorruft. Die Untersuchungen der Arbeit zeigen, dass Einsparungen von bis zu 130.000 € pro Jahr gegenüber der bestehenden Wärmeerzeugungstechnologie möglich sind und dabei sogar ca. 1.000 Tonnen weniger CO2 freigesetzt werden. Sollte die von der Bundesregierung im Zuge der Klimaziele angekündigte CO2-Bepreisung fossiler Energieträger im Wärmesektor umgesetzt werden, sind sogar noch höhere Einsparungen und kürzere Amortisationszeiten erreichbar.
Verfasst von: Melanie Petzel
Betreut von: Felix Kosack – Bosch EBS, Dipl.-Ing. Stefan Hoppe
Jahr: 2020, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Superposition, Glättung und Analyse von Zeitreihen zur Performance von Photovoltaikanlagen
Ziel dieser Arbeit ist der Vergleich der umgewandelten Photovoltaikenergie von Anlagen einzelner Kunden der SOLARWATT GmbH mit einem theoretischen Modell zur Feststellung der Arbeitsweise der Photovoltaikmodule. Mit Hilfe von Globalstrahlungsdaten, Lufttemperatur, Aufstellwinkel, Ausrichtungswinkel und Modulfläche kann eine theoretische Leistung als Zeitreihe, zeitlich geordnete Messdaten, aufgestellt werden. Für die Analyse wurde die Programmiersprache R genutzt. Die zugehörige Software ist freiverfügbar. In der Analyse wurden verschiede Kundenanlagen analysiert und ausgewertet. Diese unterscheiden sich in der Modulfläche, dem Modul-Typ, dem Aufstellwinkel, dem Ausrichtungswinkel und dem Standort untereinander. Für die Werte der Globalstrahlung in Deutschland wurde der kostenfreie Service des Deutschen Wetterdienstes genutzt. Mittels verschiedener Methoden werden Zeitreihen interpoliert, linearisiert und geglättet. In dieser Arbeit wird eine Anlage beispielhaft ausgewertet und analysiert, dazu zählen der Zeitverlauf der gemessenen und berechneten Energien.
Verfasst von: Annika Richter
Betreut von: Norbert Betzl – Teamleiter Produktmanagement Solarmodule
Jahr: 2020, Studienarbeit
Vorlauftemperaturvariable Zellbildungsverfahren für Wärmenetze
In vielen Bestandswärmenetzen mit zentraler Versorgung wird eine hohe, einheitliche
Vorlauftemperatur gefahren. Diese wird durch den Abnehmer mit der höchsten Vorlauftemperaturanforderung bestimmt. Die Flexibilisierung der Vorlauftemperatur kann
neue Perspektiven für die Einsparung von Wärmeverlusten und die Einbindung emissionsarmer Wärmequellen schaffen. Voraussetzung dafür ist es Netzabschnitte zu finden, deren Abnehmer ihre Nutzeranforderungen auch mit geringeren Vorlauftemperaturen decken können. Abnehmergruppen mit ähnlicher Lage im Netz und ähnlichen benötigten Vorlauftemperaturen werden zu vorlauftemperaturvariablen Zellen zusammengefasst.
In dieser Studienarbeit werden die Möglichkeiten des Verfahrens der Clusteranalyse zur
Identifizierung dieser Zellen untersucht. Die Zellbildung erfolgt unter Berücksichtigung
der Netztopologie sowie räumlich und zeitlich diskret.
Die Arbeit gibt einen Überblick über die Grundlagen der Methodik und bisherige Anwendungen der Clusteranalyse im Energiesektor. Weiterhin werden Ansätze zur Ermittlung der benötigten Vorlauftemperatur eines Abnehmers in Bestandsfernwärmenetzen dargelegt.
Zur Realisierung der Zellbildung durch Clusteranalyse wird das Wärmenetz in ein
Graphenmodell übersetzt, aus welchem die Eingangsdaten für die untersuchten Verfahren gewonnen werden. Insbesondere werden das hierarchische Single-Linkage-Verfahren und seine graphentheoretischen Eigenschaften, die dichtebasiert clusternden Algorithmen BSCAN und OPTICS sowie zwei weitere Verfahren namens Affinity Propagation und Spektrales Clustering betrachtet. Schließlich wird deren Umsetzung in einem urbanen, unvermaschten Beispielwärmenetz demonstriert und ihre Eignung evaluiert. Genutzt wird dafür die Programmiersprache Python.
Verfasst von: Luise Mann
Betreut von: Dipl.-Ing. Sven Paulick, Dipl.-Ing. Vera Volmer
Jahr: 2020, Studienarbeit
Musterkatalog für unterschiedliche Bautypen inklusive Anlagentechnik für den energetischen Vergleich
Der Gebäudesektor bietet ein wesentliches thermisches Energieeinsparpotential und daraus resultierend Ersparnisse bei den CO2-Emissionen. Die Umsetzung ist sowohl im Neubaubereich möglich als auch mittels Sanierung von Bestandsgebäuden. Dies wird durch höhere Wärmschutzniveaus und die Anpassung der Anlagentechnik an die aktuellen technischen Standards erreicht. Diese Arbeit untersucht die Entwicklung des deutschen Gebäudebestands und den Einfluss der Gebäudehülle, Gebäudegröße und Anlagentechnik auf den Energiebedarf im Heizfall. Unter der Berücksichtigung wärmephysiologischer Aspekte, Nutzerverhalten und den Baustandards verschiedener Baujahre wird ein mögliches Berechnungs- und Simulationsmodell dargestellt. Nach der Anpassung des Modells zu unterschiedlichen Varianten wird die Methodik anhand der ermittelten Werte untersucht und der thermische Energiebedarf unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren aufgezeigt.
Verfasst von: Madelaine Göksin
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr.-Ing. Alf Perschk
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Methoden zur Bewertung der Klimawirksamkeit von Technologien
Die derzeitige globale Erwärmung erweist sich als anthropogen verursacht. Der Ausstoß von Treibhausgasen ist, verknüpft mit beschriebenen Prognoseunsicherheiten, ursächlich für die bisherige und zukünftige Erwärmung der Erde. Daraus folgt eine Reihe von direkten Konsequenzen für das Erdsystem, wie Gletscherschwund, Meeresspiegelanstieg und Änderung der mittleren globalen Niederschlagsverteilung, die in der jüngeren Vergangenheit bereits beobachtet wurden und in weit höherem Ausmaß für die Zukunft prognostiziert werden. Indirekt folgen hieraus für Ökosysteme, Menschen und Gesellschaft negative Konsequenzen, wie Artensterben, negative Folgen für die Ernährungssicherheit, Verknappung von (Trink-)Wasserverfügbarkeit und Gefährdung der globalen Sicherheit durch Konflikte um knapper werdende Ressourcen.
Um diese einzuschränken, erweist sich die rasche Reduktion von ausgestoßenen Treibhausgasen als effektivste Sicherheitsmaßnahme. Diese Reduktion rückt Technologien - hier Technologien zur Bereitstellung von Wärme- und Elektroenergie - in den Mittelpunkt, da sie für einen Großteil der in Deutschland ausgestoßenen Treibhausgase verantwortlich sind.
Mittels der Lebenszyklusanalyse, orientiert nach der Methode der Ökobilanzierung in DIN EN ISO 14040 werden möglichst ganzheitlich die Treibhausgase, welche eine Technologie in ihrem Lebenszyklus ausstößt, erfasst. Hierbei stellt die Arbeit eine umfassende Recherche nach verfügbaren Daten an, die möglichst Nahe an die Anforderungen der Ökobilanzierung liegen sollen.
In Orientierung an die Ziele des Pariser Klimaabkommens formulieren die Bundesregierung, sowie ausgewählte Studien den notwendigen Treibhausgaspfad Deutschlands. In Anlehnung an diesen werden Transformationspfade für Gesellschaft und Energiesys-tem angestellt aus welchen die Treibhausgaspfade für spezifische Sektoren hervorgehen. Gleichzeitig ist die Erkenntnis in leitenden Studien, dass die verbindlichen Ziele des Pari-ser Klimaabkommens nur mit Hilfe ambitionierter Eÿzienzsteigerung in allen Sektoren und somit auch ambitionierten Energiebedarfssenkungen erreicht werden können. Somit ergeben sich sektorspezifische Treibhausgaspfade und Energiebedarfspfade bis 2050. Aus diesen werden in Abhängigkeit des Baujahres und der Lebensdauer durchschnittliche Treibhausgasausstoße pro gelieferter Energie errechnet.
Im letzten Teil der Arbeit wird dann die Bewertung angestellt, indem die Emissionsfaktoren der Lebenszyklusanalyse von Technologien mit diesen durchschnittlichen Emissionsfaktoren verglichen werden.
Dies wird exemplarisch an ausgewählten Technologien durchgeführt.
Im Ergebnis zeigt sich, dass Technologien der Zukunft äußerst ambitionierte Anforderungen in ihren Treibhausgasaustoßen pro gelieferter Energie zu bewältigen haben. Zudem zeigt sich, dass der aktuelle Technologiemix eine hohe Abweichung von diesen Anforderungen aufweist.
Verfasst von: Claudio Gardtke
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2020, Studienarbeit
Optimierung und Steuerung einer Speicher-Schnellladeinfrastruktur zur kurativen und präventiven Netzbewirtschaftung
Im Zuge der Energiewende, sowie zur Vermeidung von gesundheitsschädlichen Stickoxiden in urbanen Regionen, findet eine stetige Substitution konventioneller PKW durch Elektrofahrzeuge statt. Um schnellstmöglich den Verkehrssektor auf alternative Antriebe umzustellen, wird neben deren Subventionierung auch der flächendeckende Ausbau der Ladeinfrastruktur Deutschlands unterstützt.
In Dresden findet dabei die Erweiterung herkömmlicher und Schnellladeinfrastruktur primär an Mobilitätspunkten statt. Um den Ausbau von Schnellladeinfrastruktur zu beschleunigen, wird dabei auch die temporäre Versorgung konventioneller Schnellladeinfrastruktur durch eine Speicherapplikation in Erwägung gezogen. In einem ersten Pilotprojekt wird die Unterstützung von Schnellladesäulen unter Zuhilfenahme eines Speichers am Fetscherplatz erprobt.
Aufgabe dieser Arbeit ist es, die Wirtschaftlichkeit und die notwendigen Speicherparameter verschiedener Szenarien dieser Speicherapplikation zu ermitteln.
Dazu werden empirische Schnellladedaten validiert, gewichtet und zur Erzeugung von Verteilungsfunktionen genutzt. Die ermittelten Ladeparameter werden zum Erzeugen einzelner Ladeleistungskurven verwendet. Im Rahmen einer Monte-Carlo-Simulation werden Ladeparameter für einen Betrachtungszeitraum von einem Monat generiert und aus diesen Ladeleistungskurven erzeugt. Die Ladeleistungskurven einzelner Ladepunkte werden kumuliert und stellen die zeitabhängige Ladeleistung der Ladeinfrastruktur dar.
Nachdem eine aussagekräftige Ladeleistungskurve ausgewählt wurde, dient sie als Randbedingung des Optimierungsmodells. Das Optimierungsmodell vergleicht zwei Batteriespeicher verschiedener Zellchemie und einen Schwungradspeicher. Die einzelnen Speicherapplikationen werden hinsichtlich ihrer Degradationseffekte, Lebensdauer und Investitionskosten unterschieden. Das Optimierungsmodell wählt modellendogen den optimalen Speicher für den implementierten Ladeleistungsvektor aus. Dabei erwies sich der LiFePO4-Batteriespeicher aufgrund seiner günstigen Investitionskosten und der Möglichkeit hohe Laderaten gewährleisten zu können als der bevorzugte Speichertyp.
Mit dem Optimierungsmodell wurden die monatlichen Gesamtkosten des Speichers mit Ladeinfrastruktur ermittelt. Dabei ergab sich, dass sich die Speicherapplikation in keinem der betrachteten Szenarien für die gegebenen Randbedingungen amortisiert. Aus den Ergebnissen der verschiedenen Betrachtungen lassen sich für den Betreiber der Ladeinfrastruktur die vom Elektrofahrzeugkunden zu verlangenden Ladekosten ableiten, welche für einen kostendeckenden Betrieb erforderlich wären.
Verfasst von: Julius Jacob
Betreut von: Paul-Martin Körner – DREWAG-NETZ GmbH, Dr. rer. nat. Peter Stange
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Potentialermittlung zur dezentralen Bereitstellung von Wärme aus Abwasser (WaA) in Berlin und Dokumentation in Form eines Wärme-Atlas
Zur Erfüllung der Berliner Klimaziele ist eine grundlegende Transformation der Wärmeversorgung mit einer deutlichen Steigerung des Anteils erneuerbarer Energieträger notwendig. Ein sinnvoller Bestandteil des zukünftigen Energiemix kann die Wärmerückgewinnung aus häuslichem und gewerblichem Abwasser sein, welches durch sein ganzjährig hohes Temperaturniveau eine gute Eignung zur Nutzung durch Wärmepumpen aufweist. Mit dem Ziel eine öffentlichkeitswirksame Sensibilisierung und verstärkte Umsetzung der Abwasserwärmenutzung (AWN) zu erreichen, werden in dieser Arbeit systemseitig geeignete Standorte identifiziert und in Form einer Potentialkarte dokumentiert.
Es werden relevante Randbedingungen erfasst und hinsichtlich ihrer Relevanz für die Potentialanalyse bewertet. Hierbei stellt sich der Abwasservolumenstrom als wichtigster Einflussfaktor heraus. Aufgrund dessen wird, unter Verwendung umfangreicher Modelle für die verschiedenen Abwassersysteme, die Verteilung aller Abwasservolumenströme im Stadtgebiet analysiert. Aus den ermittelten Durchflussdaten wird für jeden Standort ein Wärmeentzugspotential abgeleitet.
Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt im Geoinformationssystem (GIS) der BWB. Diese zeigen ein beträchtliches Wärmeentzugspotential auf, welches an einigen Standorten im Maximum bis zu 23 MW beträgt. Insgesamt wird auf einer Länge von 586 km der Abwasserinfrastruktur ein Potential ausgewiesen. In einer groben Abschätzung wird ein stadtweites Summenpotential von ca. 275 MW ermittelt.
Weiterer Forschungsbedarf besteht in einer Verbesserung der Modellgüte und der Implementierung einer automatisierten Modell-Aktualisierung. Des Weiteren ist eine Verschneidung der Daten mit Sanierungsdaten zur Nutzung von Synergiepotentialen im Bauprozess erforderlich. Für eine verstärkte Umsetzung wird die Veröffentlichung der Potentialkarte auf geeigneten Plattformen empfohlen, wobei die Kopplung der erzeugten Datensätze mit Daten zu Wärmeverbrauchern und -erzeugern in Berlin ein wichtiger Aspekt ist.
Verfasst von: Heinrich Gürtler
Betreut von: Dipl.-Ing. Michel Gunkel – Berliner Wasserbetriebe, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2020, Diplomarbeit
BIM Methode in der Planung der technischen Gebäudeausrüstung am Beispiel „Autodesk Revit“
Mit dem Building Information Modeling (BIM) sieht sich die Bauindustrie mit einer neuen Herausforderung konfrontiert. Buliding Information Modeling ist eine Methode zum Erzeugen, Ändern und Verwalten eines digitalen Gebäudemodells. Dieses Gebäudemodell dient als zentrale Datenbank sämtlicher aktueller Informationen, um eine höhere Planungssicherheit zu erzielen. Die Planung eines Gebäudes mit BIM erfordert Softwarelösungen, welche konstanten Datenaustausch und eine Kollaboration aller Beteiligten ermöglichen. Insbesondere die technische Gebäudeausrüstung gewinnt immer mehr an Relevanz im Hinblick auf die Energiewende im Gebäudesektor und das dadurch geforderte nachhaltige Bauen in ökonomischer und ökologischer Hinsicht. Eine besonders hohe Anforderung an den Datenaustausch in der BIM-Software entsteht aufgrund der komplexen Systeme in der technischen Gebäudeausrüstung.
Vorliegend wird untersucht, inwieweit die Softwarelösungen Autodesk Revit® in Verbindung mit liNear Bulidings® und SOLAR-COMPUTER® die Anforderungen an BIM erfüllen. Exemplarisch wird eine Heizlastberechnung an einem Gebäudemodell durchgeführt, um den Datenaustausch und die Möglichkeit zur Kollaboration im BIM-orientierten Planungsprozess zu überprüfen.
Die Untersuchung ergibt, dass die Anforderungen nicht in Gänze erfüllt werden können. Ein konstanter Datenaustausch gestaltet sich als problematisch. Mithilfe der auf dem Verständnis von Datenaustausch beruhenden Festlegung von Standards kann ein konstanterer Informationsfluss erreicht werden. Dies führt zu einem Mehraufwand bei Projektbeginn, welcher sich jedoch durch die Anwendung der BIM-Methode in Teilen kompensieren lässt .
Es zeigt sich, dass die getestete BIM-Software für den Bereich der technischen Gebäudeausrüstung noch nicht vollständig ausgereift ist. Dennoch setzt vor allem Autodesk® viele BIM-theoretische Ansätze mit der Software Revit® um.
Die BIM-Methode verändert nicht nur Prozessabläufe und Planungssoftware, sondern auch das Berufsbild des TGA-lngenieurs. Es wird immer noch eine fachliche Expertise benötigt, allerdings mehr zur Plausibilitätsprüfung der Ergebnisse, als für die Berechnungen selbst. Vielmehr wird das Wissen über die informationstechnischen Vorgänge künftig von Bedeutung sein.
Verfasst von: Maximilian Lambertz
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Kaiser, Dr.-Ing. Alf Perschk
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Automatische Modelladaption zur Erstellung von Wärmelastprognosen
Die Prognose des Wärmebedarfs ist eine wichtige Grundlage zur Einsatzoptimierung in Energiesystemen. Der weltweite Energiebedarf wird, infolge des Klimawandels, zunehmend durch regenerative Energiequellen gedeckt. Da der Energieertrag aus diesen Quellen stark fluktuiert, ist eine möglichst genaue Vorhersage essenziell. So kann der Bedarf an Energie in Zeiten hoher Nachfrage zuverlässig gedeckt werden.
Automatische Modelladaption ermöglicht es, Prognosemodelle selbst nach Beeinflussung
des charakteristischen Verlaufs von Lastprofilen weiterverwenden zu können. Dadurch erübrigen sich zeitaufwendige Messungen, um die Modelle an eine neue Nutzercharakteristik anzupassen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Prognosegüte während einer kontinuierlichen Modelladaption und bewertet diese in geeigneter Form. Unter Modelladaption wird eine stetige Aktualisierung der historischen Messdatenbasis und eine kontinuierliche Neuberechnung der Modellparameter verstanden. Darüber hinaus wird mittels eines graduellen Abgleichs die Vorhersage korrigiert. Der Abgleich passt die absolute Höhe des prognostizierten Wärmebedarfs an die zugrundeliegende Messdatenbasis an. Außerdem werden typische Anlaufzeiten beziehungsweise Übergangsdauern, nachdem diese Modelle zuverlässige Prognose liefern, herausgearbeitet.
In dieser Arbeit werden vier verschiedene Modelle aufgestellt und untersucht. Ein
Standardlastprofil-Modell, ein Regressions-Modell, ein ARIMA-Modell und eine Kombination aus dem Regressions- und dem ARIMA-Modell. Die Umsetzung erfolgt durch
das Erstellen von drei Testszenarien, die alphabetisch benannt sind. Das Szenario a
beschreibt einen Messbeginn ohne eine vorhandene historische Messdatenbasis. Szenario b simuliert einen Nutzerwechsel, der den charakteristischen Verlauf der Lastprofile zeitlich und quantitativ beeinflusst. Das Szenario c behandelt eine Bedarfsreduzierung infolge von Modernisierung.
Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist, dass das kontinuierliche Aktualisieren der
historischen Messdatenbasis die Prognosegüte verbessert. Des Weiteren kann das
Beibehalten bestehender, nicht abgestimmter Messdatenbasen Ausreißer in der Prognose verhindern. Der graduelle Abgleich für Korrekturen, falls sich der Wärmebedarf signifikant in der absoluten Höhe verändert, erzielt in Szenario c für eine Bedarfsreduzierung von 65 % eine Verbesserung der Prognosegüte. Dies ist direkt nach dem Eintritt der Bedarfsreduzierung bemerkbar. Das kombinierte Regressions-ARIMA-Modell hat bei allen drei Testszenarien die besten Ergebnisse erbracht und wird somit als das am besten geeignete Modell identifiziert.
Verfasst von: Fabian Burkhardt
Betreut von: Dr. rer. nat. Peter Stange, Dipl.-Math. Anja Matthees
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Entwicklung und Validierung eines Energiemanagements zur Steuerung einer Kälteanlage im Kontext zu Smart-Grid
Im Rahmen des Projektes „Solar Split“ entwickelt das Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden ein Steuerungskonzept zur Raumluftkühlung für ein Mono-Split-Klimagerät mit integriertem Eisspeicher und einer PV-Anlage. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung, Umsetzung und Erprobung eines Energiemanagementsystems zur Steuerung des kombinierten Kältesystems unter Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden PV-Energieangebotes, der thermischen Gebäudelast und der Nutzeranforderungen. Im Zuge einer Marktrecherche wird ein kommerzielles Energiemanagementgerät für die koordinierte Nutzung der PV-Energie in Zusammenarbeit mit der Steuerung ausgesucht. Für die kommunikationstechnische Anbindung der Steuerung an das Energiemanagementgerät wird eine Schnittstellenlösung entwickelt und umgesetzt. Die Konzipierung der Steuerung und Regelung erfolgt unter Berücksichtigung verschiedener Optimierungskriterien, von denen die Bereitstellung eines festgelegten thermischen Komforts und die Eigenverbrauchsmaximierung des generierten PV-Stromes für die Umsetzung priorisiert werden. Es werden verschiedene Betriebszustände mit festen Stellgrößen definiert, die dem Kältesystem vorgegeben werden können. Der Betriebsführungsalgorithmus wird so aufgebaut, dass eine regelbasierte Berechnung und Auswahl der Betriebszustände unter Berücksichtigung der aktuellen Raumlufttemperatur, des Speicherladezustands (SOC), der verfügbaren PV-Leistung sowie des vorherigen Betriebszustands erfolgt. Des Weiteren werden zwei selbstlernende Prognosealgorithmen entwickelt und umgesetzt. Dabei dient der eine zur Berechnung eines Ziel-SOC und der andere zur Prognose eines Kühllastverlaufes für den Folgetag. Anschließend werden der Steuerungs- und Regelungsalgorithmus sowie der Prognosealgorithmus zur Berechnung des Ziel-SOC in ein bestehendes Steuerungsprogramm implementiert, auf einem Controller ausgeführt und zusammen mit dem Energiemanagementgerät sowie der Schnittstellenlösung an einem Versuchsstand erprobt. Die Umsetzung der Lastverlaufsprognose erfolgt hingegen als separates Softwaremodul, welches auf einer leistungsstärkeren Hardware getestet wird.
Der Steuerungs- und Regelungsalgorithmus konnte die Raumlufttemperatur die meiste Zeit über in den festgelegten Temperaturgrenzen halten und somit den geforderten thermischen Komfort bereitstellen. Das Auftreten starker Lastwechsel der Außeneinheit während des Umschaltens zwischen dem Direktkühl- und dem Beladebetrieb konnte durch erneute Anpassung des Algorithmus vermieden werden. Der Elektroenergiebedarf des Mono-Split-Gerätes wurde weitestgehend mit PV-Strom gedeckt. In den durchgeführten Versuchen konnten mit der Systemlösung solare Deckungsgrade zwischen 87 und 100 % erreicht werden. Es ließ sich eine Steigerung der solaren Deckungsgrade um durchschnittlich 19 % gegenüber einem System ohne Eisspeicher erzielen. Die Eigenverbrauchsquote lag im Mittel bei 41 %.
Verfasst von: Daniel Kröger
Betreut von: Dipl.-Ing. Wolfgang Hernschier – ILK Dresden, Dipl.-Ing. Carsten Heinrich – ILK Dresden, Dr.-Ing. André Kremonke
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Betriebsverhalten eines Druckspeichers mit mehreren Be- und Entladeebenen in einem LowEx-Versorgungskonzept
Im Zuge einer gebäudetechnischen Modernisierung eines Schul- und Sportzentrums wurde das dazugehörige Wärmeversorgungskonzept umgestaltet und ein Druckspeicher darin vorgesehen. Dieser dient als Tagesspeicher für ein komplexes Energiesystem mit mehreren Erzeugern zum Lastmanagement in der Wärmeversorgung. Zum Monitoring der Speichertemperaturen wird eine faseroptische Temperaturmesstechnik (DTS) verwendet. Dies ist eine innovative Messtechnik, die eine Glasfaser nutzt, um örtlich und zeitlich hochauflösend das Temperaturprofil auf der Außenseite des Speicherbehälters zu erfassen.
Im Rahmen der Diplomarbeit wurden die Messdaten der faseroptischen Temperaturmessung aufbereitet und repräsentative Abschnitte des Glasfaserkabels für die Auswertung bestimmt. Dabei wurden horizontale Ebenen sowie eine vertikale Messstrecke des Glasfaserkabels als geeignet befunden. Durch einen bereits vorhandenen Programmcode, der auf die speziellen Geometrien der Messanordnung angepasst wurde, konnte eine geeignete grafische Oberfläche entwickelt werden, in der die Messdaten in einer animierten Darstellung aufbereitet wurden. Dadurch konnte das Betriebsverhalten des Druckspeichers unter Berücksichtigung seiner konstruktiven Besonderheiten charakterisiert werden.
Dabei dient eine spezielle Anordnung und Anzahl an Diffusoren zur Einteilung des Speichervolumens in drei verschiedene Speicherbereiche, deren Temperaturprofile klar voneinander zu unterscheiden sind und von kleinen Übergangsbereichen getrennt werden. Zudem konnten mittels der DTS-Technik die Ladezustände im Speicher ermittelt sowie Umfangseffekte und Scherschichtbildungen nachgewiesen werden. Die DTS-Messung stimmt hierfür im Allgemeinen gut mit den zur Betriebsführung eingesetzten PT100-Sensoren überein, mit denen Aussagen zum Speicherverhalten in den Betriebsabläufen der angebundenen Erzeuger und Verbraucher getroffen werden können. Besonders bei den Wärmeerzeugern hat sich herausgestellt, dass deren Regelung verbessert werden sollte, um einen günstigeren Speicherbetrieb mit besserer Schichtung zu ermöglichen.
Verfasst von: Hoang Le
Betreut von: Dipl.-Ing. Luise Umbreit, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Technische und wirtschaftliche Untersuchung von Eisdetektionssystemen an Windenergieanlagen
Das Ziel dieser Arbeit ist der Vergleich verschiedener Eiserkennungssysteme an Windenergieanlagen und die Formulierung einer Handlungsempfehlung zur Nachrüstung solcher an den Anlagen der „Das grüne Emissionshaus GmbH".
Dazu werden am Anfang Vereisung und deren auftretende Formen erläutert. Aus den aus Vereisung resultierenden Problemen ergibt sich die Notwendigkeit einer funktionierenden Eiserkennung. Darauf aufbauend werden die verschiedenen Konzepte der Eisdetektion vorgestellt und die Vorteile der rotorblattbasierten Eiserkennung erläutert. Eine anschließende Analyse langjähriger Wetterdaten und SCADA-Daten der vergangenen Jahre stellt die für eine Nachrüstung in Frage kommenden Windparks zusammen. In diesen wird anschließend durch eine Amortisationsrechnung der wirtschaftliche Nutzen
beurteilt und eine Handlungsempfehlung formuliert.
Vereisung kann allgemein bei niedrigen Temperaturen. um den Gefrierpunkt oder darunter, und einer hohen relativen Luftfeuchtigkeit auftreten. Wenn sich unter den gegebenen Bedingungen ein Eisansatz an den Messinstrumenten auf der Gondel bildet, spricht man von instrumenteller Vereisung. Bildet sich ein Eisfilm auf den Rotorblättern, nennt sich dies Rotorblattvereisung. Insbesondere aus der Rotorblattvereisung entstehen Schädigungen an der Windkraftanlage durch Unwuchten aufgrund der zusätzlichen Eismasse und eine Gefährdung der Umgebung durch Eiswurf. Weiterhin müssen
Windenergieanlagen bei Eisansatz gestoppt werden und es entstehen Ertragsverluste. Zur Vermeidung dieser Schäden werden Eiserkennungssysteme eingesetzt. Hier bieten die rotorblattbasierten Erkennungssysteme einen großen Vorteil durch einen automatisierten Wiederanlauf bei Detektion von Eisfreiheit. Dadurch können die Stillstandszeiten im Vergleich zu anderen Systemen (meteorologische Erkennung, Messysteme auf der Gondel) um 40 - 70 % verkürzt werden. Der wirtschaftliche Vergleich in den für eine Nachrüstung interessanten Parks führt zu dem Ergebnis, dass eine Nachrüstung in den Windparks Ahlerstedt und Hohenlochen sinnvoll ist. In Königsfeld und dem Kambacher Eck ist es prinzipiell auch wirtschaftlich sinnvoll, allerdings sind dort Vereisungsereignisse in den letzten Jahren seltener auftgetreten und ein neues Eiserkennungssystem ist nicht zwingend erforderlich. Weiterhin sollte im Falle eines kommenden Repowerings auch in den Portfoliowindparks eine ähnliche Analyse durchgeführt werden.
Besondere Relevanz hat diese Arbeit für Windparkbetreiber, hier insbesondere für „Das grüne Emissionshaus GmbH".
Verfasst von: Thomas Schmidt
Betreut von: Herr Rudolph – Das grüne Emissionshaus GmbH, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2020, Projektarbeit im Fachpraktikum
Betrachtungen zur Autarkie von Gebäuden an einem konkreten Beispiel
IIn der vorliegenden Diplomarbeit wird eine autarke Wasserversorgung für ein konkretes Wohngebäude konzipiert. Die Auswahl der Anlagenkomponenten orientiert sich an einer technisch und praktisch zu realisierenden Umsetzung. Eine Kleinwindkraftanlage mit einer Nennleistung von 2,5 kW treibt eine Wasserpumpe an, um Brunnenwasser in einen 10 m höher gelegenen Wasserspeicher zu fördern.
Die Auslegung des Wasserspeichers mit einer Größe von 8 m³, erfolgt anhand von Verbrauchscharakteristiken und am Standort zur Verfügung stehender Windenergie. Aufgrund des Höhenunterschieds und der Vorhaltung von Wasser ist die Versorgungssicherheit für einen sechs Personenhaushalt zu jedem Zeitpunkt gegeben. Ein anschließendes Teilsystem basierend auf einer 85 Ah Batterie stellt ausreichend Elektroenergie für eine Druckerhöhungsanlage für das Hauswassernetz und einer Umwälzpumpe für das Trinkwarmwasser bereit. Der Einsatz einer größeren Batterie ermöglicht zukünftig die Erweiterung des Systems hinsichtlich einer autarken Stromversorgung.
Überschüssige Energie kann zur Erwärmung von Trinkwasser beitragen und in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Die für das Trinkwarmwasser erforderliche Wärme wird mittels Windenergie durchschnittlich zu 20 % gedeckt. Eine abschließende Wirtschaftlichkeitsberechnung ergibt den 2,4-fachen Wasserpreis eines öffentlichen Versorgungsunternehmens, sodass eine autarke Wasserversorgung nur in Gebieten sinnvoll ist, die nicht an das öffentliche Wasserversorgungsnetz angeschlossen sind. Eine Amortisation der Anlage ist nur durch einen Eigenverbrauch der überschüssigen Energie in Form von Haushaltsstrom möglich.
Verfasst von: Thomas Schmidt
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Vereinfachte Wärmenetzmodellierung im Optimierungstool FreeOpt
In der vorliegenden Arbeit wird ein gemischt ganzzahliges Optimierungsmodell für die Betriebsführungsoptimierung eines Fernwärmenetzes mit einem Netzclustering erstellt. Durch das Netzclustering ist das Fernwärmenetz in mehrere Bereiche eingeteilt, die thermische Energie an andere Cluster abgeben können. Durch die Verbindung der Cluster können Wärmeerzeuger auch clusterübergreifend optimal eingesetzt werden. Der Fokus liegt auf der Modellierung der einzelnen Komponenten und der Sachverhalte, die durch das Clustering entstehen. Es werden jegliche Nebenbedingungen und eine Zielfunktion aufgestellt, sodass ein kostenoptimaler Fahrplan für die Wärmeerzeuger erstellt werden kann. Das Ziel ist die Untersuchung des Einflusses des Netzclustering auf die Betriebsführung.
Verfasst von: Carlotta Scheder-Bieschin
Betreut von: Dr. rer. nat. Peter Stange
Jahr: 2020, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Analyse und Optimierung der Wärmebereitstellung in einem Bestandswärmenetz
Die erzeugte Wärme, die über das zentrale Wärmenetz einer mittelgroßen Stadt abgesetzt wird, lag 2018 bei rund 127 MWh. 79 % davon stammten aus einem Restmüll-HKW, welches daher als charakteristisch für das gesamte Netz angesehen werden kann. Der nach der Verdrängungsmixmethode ermittelte PEF von -0,321 und der nach der Carnot-Methode berechnete CO2-Emissionsfaktor von 40,79 t CO2/GWh liegen beide jeweils unter den im Jahr 2014 gutachterlich bestimmten Werten für den Netzverbund. Aufgrund des hohen Anteils an Wärme aus dem RMHKW ist auch durch eine in Zukunft erfolgende Umstellung der Methodik zur Ermittlung des PEF keine Steigerung dies Faktors zu erwarten. Durch die Formulierung der technischen und wirtschaftlichen Restriktionen in Form von linearen Nebenbedingungen kann perspektivisch ein lineares Optimierungsmodell zur Einsatzoptimierung angewendet werden. Die untersuchte Variante, welche eine Abwasserwärmepumpe nutzt, um Wärme zu erzeugen (Variante 1) und lässt sich genau wie die Variante „Solare Wärme“ (Variante 2) und die Variante der Wärmebereitstellung auf Basis holzartiger Biomasse (Variante 3) den erneuerbaren Wärmeerzeugertechnologien zuordnen. Außerdem wurde mit der Integration einer Power-To-Heat-Anlage (Variante 4) auch der Einsatz einer Sektorenkopplungstechnologie untersucht. Die wirtschaftliche Bewertung der Erzeugervarianten kommt zu dem Ergebnis, dass lediglich durch die Wärmebereitstellung aus holzartiger Biomasse und durch eine Power- To-Heat-Anlage Wärmegestehungskosten im anzustrebenden Bereich erreicht werden können. Es zeigt sich, dass die Integration erneuerbarer Erzeuger in ein Wärmenetz zur Deckung der Grundlast zu einer Steigerung des berechneten Primärenergiefaktors des Netzes führt, wenn dieser nach der Verdrängungsmixmethode ermittelt wird. Eine Senkung kann durch die Varianten, bei denen es sich um ungekoppelte Wärmeerzeuger handelt, nur erreicht werden, wenn sie keine KWK-Wärme verdrängen. Jedoch hat keine dieser Steigerungen einen Einfluss auf den anzugebenden Primärenergiefaktor.
Verfasst von: Johannes Dornberger
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2020, Diplomarbeit
Eisspeicherintegration in Mono-Split-Klimageräten zur Steigerung des PV-Eigenverbrauchs – Bestimmung optimaler Betriebsparameter
Das ILK Dresden untersucht im Rahmen des „Solar-Split-Projektes“ die Möglichkeit zur Integration eines Eisspeichers in ein Mono-Split-Klimagerät zur Deckung des Raumklimatisierungsbedarfes in Verbindung mit Energieerzeugung über eine PV-Anlage. Durch die Integration des Speichers soll der PV-Eigenverbrauchsanteil gesteigert werden und die Entkopplung von Kälteerzeugung und Kältebedarf (Lastverschiebung) möglich gemacht werden. Im Rahmen dieser Studienarbeit wird bei der Umsetzung des Versuchsstandes „SolarSplit2“ mitgearbeitet. Dieser ist ein kompaktes System aus Inneneinheit, Außeneinheit, Eisspeicher und einem sekundären Solekreislauf, mit dem Feldtests unter Realbedingungen durchführbar sind. Ziel der Arbeit ist es, optimale Betriebsparameter für die Drehzahlstufe der Solepumpe und Stellwerte der Leistungsansteuerung von Innen- und Außeneinheit im Belade- und Entladebetrieb des Speichers zu finden. Dazu werden beide Betriebsmodi unter Variation der genannten Parameter vermessen und Rückschlüsse auf die Effizienz gezogen. Im Entladebetrieb
wird das Schmelzverhalten gesondert betrachtet und unter idealisierten Bedingungen ein Modell des thermischen Widerstandes von der Sole zum Eis erstellt. Im Zuge der Untersuchung des Ladebetriebs wird die Anbindung des Solekreislaufes an die Außeneinheit über einen Plattenwärmeübertrager vermessen. Auf Grundlage aller Ergebnisse können Aussagen zu optimalen Betriebsparametern der vorhandenen Versuchsanlage getroffen werden.
Verfasst von: Michel Zimmer
Betreut von: Dipl.-Ing. Carsten Heinrich – ILK Dresden, Dr.-Ing. André Kremonke
Jahr: 2020, Studienarbeit
Modellbasierte Analyse des Potentials der thermischen Nutzung und Speicherung von selbst erzeugtem Strom in einem Wohngebäude
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem Simulationsmodell in der MATLAB/Simulink-
Umgebung. Das Simulationsmodell bildet ein Einfamilienhaus ab, welches über eine Photovoltaik-Anlage, einen thermischen Pufferspeicher, eine Heizungs- und Warmwasser-Wärmepumpe sowie ein thermisches Energiemanagement verfügt. Das thermische Energiemanagement optimiert das System im Hinblick auf Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit über die intelligente Verknüpfung und Steuerung der Komponenten Photovoltaik-Anlage, thermischer Pufferspeicher und Wärmepumpe.
Das Simulationsmodell basiert auf einem bestehenden Modell, welches in der Arbeit zunächst ausführlich beschrieben und anschließend optimiert und erweitert wird. Das Simulationsmodell bildet ein reales Gebäude ab, zu welchem im Rahmen des WPuQ-Forschungsprojektes von Stiebel Eltron umfangreiche Messdaten aufgenommen wurden.
Anhand dieser Messdaten wird eine Validierung des Simulationsmodells durchgeführt. In
der Simulationsumgebung wird anschließend eine energetische und energiewirtschaftliche Variantenuntersuchung der Trinkwarmwasser- und Pufferspeicher hinsichtlich des Volumens durchgeführt.
Das Ergebnis der Validierung ist, dass die thermischen Zusammenhänge des zum Vergleich herangezogenen Einfamilienhauses von dem Simulationsmodell hinreichend genau abgebildet werden.
Die Variantenuntersuchung zeigt, dass bei dem Volumen des Pufferspeichers Optimierungsbedarf besteht. Der Einsatz eines kleineren Speichers ist aus energetischer und wirtschaftlicher Perspektive sinnvoller. Bei dem Trinkwasserspeicher ist das Optimierungspotential vergleichsweise gering. Der eingesetzte Speicher unterscheidet sich nur unwesentlich von den untersuchten Varianten.
Verfasst von: Jakob Petrek
Betreut von: Lion Franzen - Stiebel Eltron, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2020, Projektarbeit im Fachpraktikum
Eisspeicherintegration in Mono-Split-Klimageräten zur Steigerung des PV-Eigenverbrauchs – Vergleich Ladebetrieb unterschiedlicher Varianten, Bewertung des Feldtests
Im Rahmen des Projektes Solar Split des ILK Dresden wird ein solarelektrisch unterstütztes Eisspeichersystem für die Integration in eine Mono-Split-Klimaanlage zur Raumklimatisierung entwickelt. Das Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung und energetische Bewertung der unterschiedlichen Wärmeübertrager und Systeme. Dafür wurden Beladungsversuche mit einem Direktverdampfersystem und einem solebasierten Versuchsstand durchgeführt und ausgewertet. Für einen Vergleich der drei entwickelten Verdampferbauarten im Direktverdampfersystem mit dem Solesystem wurden die thermischen Widerstände berechnet und mit den Messdaten verglichen. Die Messreihen der Systeme wurden ebenfalls untereinander verglichen.
Der Draht-Rohr-Verdampfer zeigte leichte Verbesserungen hinsichtlich der Effizienz gegenüber den vorherigen Prototypen. Für einen Stellwert der Außeneinheit von 50 % wurde ein mittlerer Energy Efficiency Ratio (EER) von 3,5 erzielt. Ein Problem stellt die Korrosion des Verdampfermaterials dar. Mit dem Solesystem konnte die Effizienz im Ladebetrieb weiter gesteigert werden. Ein höherer EER und ein niedrigerer thermischer Widerstand wurden nachgewiesen. Nachteilig sind die langen Beladungszeiten. Für die Bewertung des Gesamtsystems mit Photovoltaik, Eisspeicher und Kompressionskältemaschine wurde eine Versuchsreihe mit dem Solesystem im Automatikbetrieb aufgenommen. Bei zeitlichem Versatz von PV-Stromerzeugung und Kältebedarf kann der solare Deckungsgrad durch einen Eisspeicher erhöht werden. Die Effizienz verringert sich geringfügig gegenüber dem Direktkühlbetrieb. Die erstellte Wirtschaftlichkeitsanalyse ist durch weitere Messdaten der Sommermonate zu
untermauern.
Verfasst von: Maren Voß
Betreut von: Dipl.-Ing. Carsten Heinrich – ILK Dresden, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2020, Diplomarbeit
2019
Betrachtungen zu Methoden einer umfassenden Renovierung des Gebäudebestandes
Im Zuge der fortschreitenden Klimaerwärmung und ihrer negativen Auswirkungen auf das Ökosystem der Erde wird aktiv die Senkung des Treibhausgasausstoßes aller Sektoren in Deutschland angestrebt. Neben den größten Verbrauchern Industrie und Verkehr gingen 2017 die Haushalte in Deutschland mit 26 % des Endenergiebedarfs in die Gesamtbilanz ein und weisen damit ein großes Einsparpotential auf.
Bestandteil dieser Arbeit ist die Untersuchung verschiedener baulicher und anlagentechnischer Maßnahmen zur Sanierung des deutschen Gebäudebestands in Hinblick auf die Reduktion des Energieverbrauchs und die Sicherstellung der Raumbehaglichkeit. Dabei soll konkret überprüft werden, ob die Anforderungen an ein Niedrigstenergiegebäude mit einem Primärenergiebedarf von 50 kWh/m²a erfüllt werden und der sommerliche Sommerschutz sichergestellt werden kann.
Um ein repräsentatives Ergebnis zu erzielen, wird zunächst eine Recherche zu durchschnittlichen Parametern des deutschen Gebäudebestands durchgeführt. An- schließend erfolgt die Erstellung entsprechender Gebäudemodelle auf Basis der Recherche und die Simulationsumsetzung mittels eines validierten Berechnungsprogramms.
Die Auswertung ergibt, dass sich generell die beschriebenen Anforderungen bei Wohngebäuden mit einer größeren Anzahl an Wohneinheiten einfacher realisieren lassen als bei kleineren Wohnhäusern. Dabei ist zu beachten, dass lediglich eine bauliche Sanierung nicht ausreichend ist und zusätzlich die Erneuerung der Wärmeerzeugung sowie die Nachrüstung einer kontrollierten Wohnungslüftung erfolgen sollte.
Basierend auf dieser Dokumentation besteht bei aktuellem Stand der Technik ein großes ungenutztes Potential bezüglich der Verbesserung des Wärmeschutzes und der Effizienzerhöhung moderner Versorgungssysteme bei Bestandsbauten. Aufgrund variierender baulicher Rahmenbedingungen und Nutzungsarten der Gebäude sind Sanierungsmaßnahmen jedoch unterschiedlich effektiv.
Verfasst von: Johannes Reif
Betreut von: Dr.-Ing. Annina Gritzki, Dipl.-Ing. Jens Naumann - GWT
Jahr: 2019, Studienarbeit
Untersuchungen zum Einsatz von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden
In Deutschland erfolgt die Wärmeversorgung von Bestandsgebäuden zu einem überwiegenden Teil durch konventionelle Heizkessel. Geringe Brennstoff- und Anschaffungskosten begünstigen die Wahl dieser Variante zur Wärmeversorgung. Im Bestand sind Heizkörper oft überdimensioniert, wodurch der Wärmebedarf der Gebäude auch mit geringeren Vorlauftemperaturen gedeckt werden kann. Aufgrund der technischen Ausführung von Wärmepumpen können diese die energetischen Anforderung zur Wärmebereitstellung nicht in jedem Heizsystem erfüllen. Zur Einbindung in bestehende Systeme ist vor allem die Durchführung eines hydraulischen Abgleichs notwendig.
Die Emission von Treibhausgasen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Schonung endlicher Ressourcen unterstützen die technische Auswahl zum Einsatz einer Wärmepumpe. Im Zuge dieser Arbeit wurden elektrisch betriebene Wärmepumpen untersucht, welche auf unterschiedliche Wärmequellen zurückgreifen. Aufbauend wurden Simulationen zur Anwendbarkeit auf individuelle Bestandssysteme durchgeführt. Dabei müssen die ausgewählten Varianten zur Sicherstellung eines kontinuierlichen und störungsfreien Betriebs durch technische Komponenten ergänzt werden. Weitere Simulationen wurden für die Ergänzung einer Wärmepumpe zu einer bestehenden Heizkesselanlage sowie für den einfachen Austausch der Heizkesselanlage durchgeführt. Zusätzlich wurde die Wirkung einer Photovoltaik-Anlage auf die einzelnen Heizsysteme untersucht. Zur Einordnung der Simulationsergebnisse ist gleichermaßen die Bestandsanlage modelliert und als Vergleichswert herangezogen worden. Die Auswertung der Simulationsergebnisse zeigt auf, dass unter den benannten Voraussetzungen, eine gesicherte Wärmeversorgung der ausgewählten Gebäudetypen (Einfamilien-/ Mehrfamilienhaus) mittels Wärmepumpe möglich ist.
Der Einsatz einer monovalent betriebenen Sole-Wasser-Wärmepumpe führt im Einfamilienhaus theoretisch zur Senkung der verbrauchsgebundenen Kosten. Im Mehrfamilienhaus führt die Ergänzung einer Luft-Wasser-Wärmepumpe zu einem Kostenniveau gleich dem Ausgangszustand. Alle Varianten weisen einen signifikant geringeren Primärenergiebedarf zum Betrieb des Heizsystems auf. Die Nutzung der Sekundärenergie Strom, führte zu einer Senkung der CO2-Emissionen. Die Einbindung einer Photovoltaik-Anlage bewirkte eine weitere Reduktion von Primärenergie.
Verfasst von: Hannes Jänicke
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Auswertung und Analyse von Effizienzsteigerungsmaßnahmen von Gaskesseln
Im Rahmen eines Forschungsprojektes untersucht die „Allianz für einen klimaneutralen Wohngebäudestand“ die Wirkung verschiedener technischer Maßnahmen auf die Energieeffizienz von Mietwohngebäuden. Es wurden insgesamt acht verschiedene technische Maßnahmen implementiert und die Liegenschaften jeweils mit umfassender Messtechnik zur Datenaufzeichnung ausgestattet. In dieser Arbeit wird ein Überblick über die beteiligten Liegenschaften vermittelt. Die Maßnahmen werden vorgestellt und charakterisiert.
Ziel der Arbeit ist die Wirksamkeit der Maßnahmen zu bewerten. Die aufgenommenen Messdaten wurden gesichtet und geprüft, ob sie für die Analyse verwertbar sind. Bei der Sichtung der Messdaten entfiel eine große Anzahl an Liegenschaften durch mangelnde Datendichte und -qualität. In der Arbeit wird eine kurze Übersicht über die Datenqualität der Gas- und Wärmemengenzähler aller am Projekt beteiligten Liegenschaften gegeben, da eine bereits im Vorfeld dieser Arbeit eine Übersicht aller Liegenschaft in Hinsicht auf Datenqualität und -dichte erarbeitet wurde. Mit den verwendbaren Datensätzen wurde eine ortsabhängige Witterungsbereinigung durchgeführt und später mit den Vorjahresverbräuchen verglichen. Zudem, sofern möglich, wurden Jahresnutzungsgrade der beteiligten Liegenschaften ermittelt. Es wurden widererwartend häufige Mehrverbräuche verzeichnet und es konnte keine Konstanz in der Wirksamkeit der Maßnahmen erkannt werden. Jedoch konnten positive Veränderungen mit den Optimierungen, welche Anfang 2018 durchgeführt wurden, erzielt und bewiesen werden. Im Anschluss wurde der Einfluss verschiedener Betriebsparameter auf die Effizienz der Wärmeerzeugung identifiziert und bewertet. Letztlich wurden Empfehlungen zur weiteren Umsetzung der technischen Maßnahmen an anderen Gebäuden abgeleitet.
Verfasst von: Steffen Begerock
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) Sebastian Rochau
Jahr: 2019, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Grundlagenermittlung zur Temperaturabsenkung im Fernwärmenetz der Meißener Stadtwerke GmbH
Im Hinblick auf die Reduzierung von Wärmeverlusten, den effizienten Betrieb von Wärmeerzeugern mit Kraft–Wärme–Kopplung und der Einsparung von Pumpenarbeit beim Betrieb bestehender Fernwärmenetze stehen die Rücklaufauskühlung und die Absenkung des Temperaturniveaus im Fernwärmenetz immer wieder im Mittelpunkt. Da die Rücklaufauskühlung in der Hausanschlussstation die Schnittstelle zu den Kundenanlagen darstellt, stehen sich an dieser Stelle die Forderungen der Netzbetreiber nach niedrigen Rücklauftemperaturen sowie das Bestreben der Kunden nach Erhalt der Bestandsanlagen und niedrigen Investitionskosten für Neuanlagen gegenüber. In der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen zur Temperaturabsenkung mit Schwerpunkt auf der Rücklaufauskühlung am Anwendungsbeispiel der Meißner Stadtwerke GmbH dargestellt. Dies umfasst eine Netzanalyse mit einer Systematisierung der Verbraucher, die Beschreibung der Einflussgrößen auf die Rücklauftemperaturauskühlung sowie die Untersuchung des Potentials einer zukünftigen Temperaturabsenkung unter Beachtung der Netzhydraulik. Es werden Möglichkeiten zur Absenkung der Rücklauftemperatur aufgezeigt und bewertet. Als Vorzugslösung werden der Rücklaufanschluss von Verbrauchern näher untersucht und dessen Potentiale für die Umsetzung, Temperaturabsenkung und Energieeinsparung für das bestehende Fernwärmenetz bestimmt. Da eine langfristige Absenkung der Rücklauftemperaturen und der Ausbau von Rücklaufanschlüssen mit Investitionen in die Heizungsanlagen auf Kundenseite einhergehen, erfolgt eine Recherche nach Fördermitteln und eine Diskussion von Anreizen der Stadtwerke zur Unterstützung dieses Prozesses.
Verfasst von: Laurenz Schitthelm
Betreut von: Ute Zingel - Fachbereichsleiterin Netzmanagement – Meißener Stadtwerke GmbH, Dr.-Ing. Thomas Sander
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Monitoring eines LowEx-Wärmeversorgungssystems mit dezentraler Einspeisung
Untersuchung eines Niedertemperatur Fernwärmenetzes in Berlin, welches aus mehreren Hausanschlüssen und einer Wärmeübergabestation (WÜST) besteht. Eine Anlage der Hausanschlüsse für die Wärmeerzeugung wird durch eine Solaranlage unterstützt, welche durch eine Überproduktion von Wärme zurück in das Fernwärmenetz einspeisen kann (HANEST).
In der Studienarbeit wurden die zur Verfügung gestellten Messdaten auf Plausibilität geprüft. Die Monitoringdaten wurden ausgewertet und eine Betriebsanalyse der HANEST und ihrer Einspeisepumpe durchgeführt.
Ebenfalls untersucht wurde das Betriebsverhalten der WÜST und Möglichkeiten zur Betriebsoptimierung aufgezeigt.
Beide Anlagen WÜST und HANEST wurden zunächst jede für sich über einen bestimmten Zeitraum betrachtet. Anschließend wurden die Daten der beiden Anlagen für denselben Zeitraum betrachtet, um hier Wechselwirkungen zwischen der HANEST und WÜST festzustellen.
Verfasst von: Christian Beigl
Betreut von: Dipl.-Ing. Martin Heymann
Jahr: 2019, Studienarbeit
Betrachtungen zum Energie- und Lastmanagement für Erneuerbare Stromerzeuger
Das Ziel dieser Arbeit ist es, Probleme und Potenziale innerhalb des Energie- und Lastmanagements in der Industrie aufzuzeigen. Eingangs müssen die spezifischen Anforderungen und Bedarfe einer Beispielanlage aufbereitet und ergänzt werden. Dabei ergeben sich Einsparpotenziale durch bisher ungenutzte Abwärme und hohe Temperaturen im Kühlwasser. Darauf aufbauend wird eine strombasierte Wärmeerzeugung dimensioniert, die die fossilen Energieträger ersetzt und CO2 einspart. Zusätzlich wird ein großer Wind- und PV-Park erschlossen, dessen erzeugte Energiemengen mit entsprechenden Speichern abgefangen werden sollen. Ein Warmwasserspeicher zum Tagesausgleich mit 50.000 L und ein Lithium-Ionen-Speicher zum Senken hoher Leistungsspitzen mit 1,5 MWh werden in die jeweiligen Netze integriert. Das resultierende Gesamtsystem wird in die Optimierungs- und Simulationssoftware Top Energy übertragen und mithilfe des prognosebasierten Algorithmus ein theoretisches Optimum für das Beispieljahr 2018 errechnet. Da reelle Anlagen nicht nach mathematischen Optima geregelt werden, werden einfache Parameter daraus abgeleitet, zu Gesamtregelungen verknüpft und in 20 verschiedenen Varianten getestet und verglichen. Für ein quasi-optimales Gesamtergebnis ist dabei eine Kombination aus der Priorisierung der Abwärmenutzung und dem Laden der Speicher ab einer Windgeschwindigkeit von 3,5 m/s möglich. Erreichbar sind Einsparungen von über 90 % der ursprünglichen Gesamtemissionen und über 45 % der anfänglichen Arbeitskosten. Für die Validierung der Robustheit und Anwendbarkeit der erstellten Regelung wird diese auf verschiedene Anlagenkonfigurationen mit veränderten Nennleistungen oder Speicherkapazitäten angewandt.
Die Regelung ist für andere Systemvariationen stabil, solange die Größen des Windparks, des Abwärmepotenzials oder des Warmwasserspeichers nicht signifikant unterschritten werden. Das Werk stellt demzufolge ein gutes Beispiel für eine Kombination aus Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit dar. Die gewonnenen Erkenntnisse bezüglich der Vorgehensweise und der Software werden abstrahiert und auf ihre Anwendbarkeit auf ähnliche Problemstellungen hin bewertet.
Verfasst von: Hannah Hundt
Betreut von: Jan Schulze, M.Eng.(FH) - Bosch BT-IE/SPB2-ES-DE, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Energiekonzept zur Senkung der Treibhausgasemissionen von Autobahnmeistereien
Die Reduktion von Treibhausgasemissionen nach dem Klimaschutzplan 2050 der Bundesregierung betrifft auch die zur Straßeninfrastruktur gehörigen Autobahn- und Straßenmeistereien. Die Ziele dieser Arbeit sind eine Analyse zu den Energiebedarfen der
Meistereien und das Aufzeigen von Potenzialen zur Energieeinsparung sowie verstärkten
Nutzung regenerativer Energien. Dazu wurden beispielhaft fünf Referenz-Meistereien
untersucht. Die Datengrundlage bildeten sowohl Bestandsunterlagen und Fragebögen
als auch Vor-Ort-Begehungen. Die Gebäude wurden hinsichtlich ihrer Bauphysik, der
technischen Anlagen und der Nutzung analysiert. Der Fokus lag dabei auf der Wärmeversorgung, wenngleich der Ansatz einer gesamtheitlichen Betrachtung der Energie und Stoffströme verfolgt wurde. Einen wesentlichen Bestandteil der Bestandsaufnahme stellte die Auswertung der Verbrauchsdaten dar.
Die Gebäudestruktur der Meistereien lässt sich im Wesentlichen in einen Verwaltungsbereich, die Werkstätten und die Fahrzeugabstellhallen unterteilen, wenngleich sich die Anzahl und Aufteilung der Gebäude unterscheidet. Der energetische Zustand variiert in Abhängigkeit des Baualters der Gebäude und der Sanierungshistorie zwischen den Meistereien. Die Wärmeversorgung basiert neben typischen fossilen auch auf regenerativen Energieträgern, so dass es Erfahrungen zu verschiedenen energetischen Konzepten gibt.
Auf Basis der Bestandsaufnahme wurden Energiebedarfsberechnungen der beheizten
Gebäude nach DIN V 18599 durchgeführt und mit den Verbrauchsdaten abgeglichen. Es
zeigte sich, dass die Energiebedarfe der Meistereigebäude nur bedingt mit standardisierten Annahmen der Norm abgebildet werden können und die zur Verfügung stehende Datenbasis in der Regel keine detaillierte Anpassung erlaubte.
Im nächsten Schritt wurden Einzelmaßnahmen zur energetischen Optimierung der Bausubstanz, technischen Gebäudeausrüstung und Nutzung formuliert. Eine vereinfachte
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ergab sich durch Gegenüberstellung der Energiekosteneinsparungen und einer Grobkostenschätzung der notwendigen Investition. Eine Bewertung der Meistereien konnte über Energiestandards unter Beachtung der gesetzlichen Anforderungen der EnEV und des EEWärmeG vorgenommen werden. Dabei wurden auch Aspekte zur Umsetzung und Finanzierbarkeit diskutiert.
Verfasst von: Christoph Hübner
Betreut von: Dipl.-Ing. Tobias Wolf – Intep - Integrale Planung GmbH, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Energetische Bewertung einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) mittels der „Hardware in the Loop“-Methode
Inhalt dieser Arbeit ist die energetische Bewertung einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) unter Anwendung eines Emulationsversuchsstands 4.0, welcher auf der Hardware-in the-loop-Methodik basiert. Im Gegensatz zu stationären oder rein simulationsbasierten Bewertungsverfahren können mit dieser Methodik Einflüsse von Geräte- und Regelungsspezifika auf die Gesamteffizienz berücksichtigt werden. Im Einzelnen wurde nach einer umfassenden Einführung in den Stand der Technik von SOFC zunächst eine Simulation möglicher hybrider Anlagenkonzepte für die Energieversorgung eines Einfamilienhauses durchgeführt und eine Auswahl aus energetischen, ökologischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten getroffen. Das gewählte Konzept, bestehend aus der SOFC und einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, wurde für die Durchführung des Versuchs in den Emulationsversuchsstand überführt. Der Versuchsstand wurde hinsichtlich Messsensorik und -aktorik dem neuen Versuchsaufbau angepasst und Einstellungen in der Regelung vorgenommen. Durch die Kopplung der numerischen Gebäude- und Anlagensimulation TRNSYS-TUD mit der physischen Anlagentechnik konnte die SOFC dynamisch betrieben und Messwerte zur Bestimmung von Nutzungsgraden aufgenommen werden.
Verfasst von: Tim van Beek
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. Maximilian Beyer
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Bewertung innovativer Technologien im Hinblick auf die CO2-Neutralität im Gebäudesektor
Die energie- und klimapolitischen Pläne der Bundesregierung sehen eine ambitionierte Einsparung an THG-Emissionen vor. Bis 2030 sollen im Gebäudesektor 66-67 % der Emissionen gegenüber dem Bezugsjahr 1990 und bis 2050 80-95 % der Emissionen eingespart werden. Besonderes Augenmerk liegt auf dem öl- und gasbeheizten Wohnungsbestand. Rund dreiviertel aller Wohnungen werden fossil beheizt. Zudem zeichnet sich der Bestand der Wärmeerzeuger durch unzureichende Effizienz aus.
Der Einfluss des Einsatzes innovativen Technologien auf die Einsparung an THG-Emissionen sollte analysiert werden. Dazu wurde zuerst das anlagenspezifische Einsparpotential, unter Verwendung von auf die Erzeugernutzwärme normierter Emissionskennwerte, ermittelt. Dabei zeigte sich, dass mit effizienten Anlagen gute Einsparungen erzielt werden können. Vor allem der Einsatz von Umgebungswärme zur Effizienzsteigerung birgt großes Potential.
Neben den anlagenspezifischen THG-Einsparungen wurden die THG-Einsparungen in
unterschiedlichen Typgebäuden mit unterschiedlicher Sanierungstiefe betrachtet. Hierbei zeigt sich, dass neben der anlagenseitigen Sanierung auch die Sanierung der Gebäudehülle eine deutliche Reduktion der THG-Emissionen mit sich bringt.
Nach der Analyse der Einflussfaktoren für die Marktchancen der jeweiligen Technologien wurden die Einsparungen der Typgebäude auf den Gesamtbestand hochgerechnet. Die Hochrechnung zeigt, dass zur Erreichung der THG-Minderungsziele 2030 und 2050 ein Zusammenspiel aus ambitionierter Steigerung der Anlageneffizienz, Sanierung des baulichen Wärmeschutzes und energieträgerseitiger Emissionsreduktion notwendig ist.
Entsprechende Bewertungsmethoden können die Marktchancen innovativer Technologien
erhöhen. Insbesondere dekarbonisierte Brennstoffe sollten bei der ökologischen Bewertung betrachtet werden. Ebenso sollten innovative Anlagenkonzepte zügig in aktuelle Bewertungsnormen aufgenommen werden. Eine entsprechende Berücksichtigung der Systemdienlichkeit von stromnutzenden und stromerzeugenden Anlagen in der ökologischen Bewertung ist vorzunehmen.
Verfasst von: Florian Emmrich
Betreut von: Dr.-Ing. Bernadetta Winiewska – ITG Dresden, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Experimentelle Charakterisierung und modellbasierte Bewertung eines elektrisch beladenen Latentwärmespeichers
Um die Etablierung erneuerbarer Energien voranzutreiben und gleichzeitig eine zuverlässige Energieversorgung sicherzustellen, benötigt es Speichertechnologien zum Ausgleich von Fluktuationen. Thermische Energiespeicher bieten an dieser Stelle durch Power-to-Heat den Vorteil der Sektorenkopplung und tragen zur Elektrifizierung des Wärmesektors bei. Latentwärmespeicher profitieren dabei von der Schmelzenthalpie, die während des Phasenwechsels des Speichermaterials aufgenommen oder abgegeben wird. In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen an einem Latentwärmespeicher am DLR vorgestellt, welcher elektrisch beladen und thermisch entladen wird. Dazu werden Versuche mit Messungen der elektrischen Energie der Heizstäbe, des Volumenstroms des Wärmeträgefluids und von lokalen Temperaturen an einem mit Nitratsalz befüllten thermischen Energiespeicher in Plattenbauweise durchgeführt. Es wird der Phasenwechsel fest-flüssig genutzt, welcher bei 222 °C stattfindet. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Salzes wird eine Wärmeleitstruktur aus Aluminium eingesetzt, die zur Vergrößerung der Wärmeübertragerfläche dient. In Abhängigkeit verschiedener Beladestrategien, wie beispielsweise Variationen der Heizstabkonstellation, und Entladestrategien, wie beispielsweise Variationen der Wärmeträgerfluidtemperatur, konnten ausführliche Informationen über das Speicherverhalten gewonnen werden. Durch aktive Regelung der Heizstabtemperaturen ist es gelungen, die Beladedauer annähernd zu halbieren. Der Vergleich mit Ergebnissen eines Simulationsmodells zeigte im Rahmen dermöglichen Genauigkeit gute Übereinstimmung.
Verfasst von: Nele Merve David
Betreut von: Maike Johnson; Wolf-Dieter Steinmann – DLR, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Projektarbeit im Fachpraktikum
Entwicklung und Bewertung eines Energieversorgungskonzepts für ein Produktionsunternehmen mit dem Schwerpunkt der Energieeffizienz
In dieser Arbeit wird ein vollständiges Energiekonzept für den Neubau der Produktionshalle des Betriebs Drechsler + Liebich Werkzeugbau entworfen. Hierfür wird zuerst der Ist-Zustand (Bestandsgebäude) betrachtet und anschließend der Erweiterungs-Neubau erklärt. Daraufhin werden die Randbedingungen zusammengefasst, die dem Erreichen der erforderlichen Standards dienen. Dafür werden sowohl geltende Gesetze als auch Anforderungen seitens des Auftraggebers beachtet.
Nachfolgend kommt es zur energetischen Betrachtung des Gebäudes, hier werden mögliche Varianten der gewählten Anlagentechnik erstmals erwähnt (Variante I: Abwärmenutzung eines benachbarten BHKWs und Variante II: Wasser-Wasser-Wärmepumpe). Weiterführend wird die Heizlast für Bestand und Neubau berechnet. Eine bereits vorhandene Solarthermieanlage, welche unbedingt genutzt werden soll, wird extern simuliert und ausgewertet.
Nach dem Erhalt aller relevanten Werte und Randbedingungen erfolgt die Auswertung mit Hilfe eines EnEV-Programms. Untersucht werden die Energiebedarfe (Nutz-, End- und Primärenergiebedarf) aller einzelnen Variationen. Anschließend werden die Erzeugungseinrichtungen und zugehörige Speicher für die jeweilige Variante dimensioniert, unter Beachtung der Zusammenführung von Bestandsgebäude und Neubau. Zum Schluss wird eine Wirtschaftlichkeitsrechnung durchgeführt, um eine Aussage treffen zu können, welche Variante den besten Kosten-Nutzen-Faktor mit sich bringt.
Verfasst von: Nicole Zimmermann
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) Lutz Drechsler – Drechsler + Liebich Werkzeugbau Heidenau, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Studienarbeit
Automatisierte Klassifikation und Bewertung von Betriebszuständen raumlufttechnischer Anlagen
Hinter dem Betrieb raumlufttechnischer Anlagen verbirgt sich wegen Betriebsfehlern oft großes Sparpotenzial. Die Fehlererkennung und -diagnose im Bereich Klimatechnik spielt dabei eine wichtige Rolle. In dieser Arbeit wird ein Algorithmus zur automatisierten Fehlererkennung und Klassifikation von Betriebszuständen weiterentwickelt. Dieser Algorithmus verwendet den stündlichen Mittelwert der Betriebsdaten und klassifiziert die Betriebsstunden mithilfe der hierarchischen Clusteranalyse in verschiedene Cluster, die unterschiedlichen Betriebszuständen oder Fehler entsprechen. Der Algorithmus wird auf drei RLT-Anlagen angewendet, die alle einen ähnlichen Aufbau haben. Die vier erwarteten Betriebszustände wurden dabei erkannt und einige Betriebsfehler koordiniert, nämlich die Zeiten und Orte, an denen Fehler auftreten. Zudem wurde die Robustheit des Algorithmus bei unvollständiger Sensorausstattung und der Einfluss des Normierungsverfahren am Beispiel einer dieser Anlagen untersucht. Beim Fehlen unwichtiger Datenpunkte oder bei verschiedenen Normierungsverfahren funktioniert der Algorithmus sehr robust.
Verfasst von: Mingjun Wei
Betreut von: Dr. Andreas Wilde – Fraunhofer IIS-EAS, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Ökologische und ökonomische Betrachtung des Gebäudeenergiegesetz-Entwurfes
Mit dem neuen Gebäudeenergiegesetz-Entwurf will die Regierung den Klimazielen im Gebäudesektor näherkommen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Wärmeversorgung in Gebäuden mit den Vorgaben des Gebäudeenergiegesetzes näher betrachtet. Weiter wird geprüft, ob der Gesetzentwurf im Vergleich zum alten Standard, der Energieeinsparverordnung, eine Verbesserung darstellt. Mit dem Energieplaner-Programm vom Baukosteninformationszentrum Deutscher Architektenkammern wird mit Hilfe eines Modellgebäudes der Wärmebedarf von drei verschiedenen Wärmeschutz-Standards in Kombination mit gängigen Heizungsanlagen berechnet. Dabei wird beantwortet, welche Anlagen-Kombinationen nach dem Gesetzentwurf zulässig sind und welche dabei die günstigste Variante darstellt.
Es konnte gezeigt werden, dass einige Heizungsanlagen den Höchstprimärenergiebedarf des Gebäudeenergiegesetz-Entwurfes ausschließlich durch den Einbau von zusätzlichen Maßnahmen zur Einsparung von Energie sowie in Kombination mit einer Photovoltaikanlage erfüllen. Durch die im Gesetzentwurf gegebene Möglichkeit einer direkten Anrechnung von selbst erzeugtem Photovoltaik-Strom auf den Primärenergiebedarf ist es möglich, sonst nicht zulässige Heizungsanlagen einzubauen. Die Anforderung an die Nutzung erneuerbarer Energien ist dabei sehr einfach zu erfüllen. Ökonomisch betrachtet sind höherer Wärmeschutz und zusätzliche Energieeinspar-Methoden nicht lohnend. Die dadurch eingesparten Energiekosten wiegen die höheren Investitionskosten nicht auf. Im Vergleich zur Energieeinsparverordnung von 2014 mit Änderungen ab 2016 ist keine signifikante Verbesserung sichtbar.
Verfasst von: Larissa Warnke
Betreut von: Dipl.-Ing. Marcel Ebert – Leipziger Institut für Energie, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Analyse der Projektplanung, Inbetriebnahme und Funktionalität einer HANEST Pilotanlage einschließlich der Solarthermieanlage
In den Jahren 2012 bis 2018 wurde eine kombinierte Hausanschluss- und Netzeinspeisestation in einem Niedrigtemperatur-Fernwärmenetz in Berlin Adlershof geplant und realisiert. Heute speist diese HANEST-Anlage solare erzeugte Wärme in das Niedrigtemperaturnetz ein und deckt den Heizwärme- und Warmwasserbedarf. Bisher ist diese Anlage die einzige ihrer Art, die in einem realen Fernwärmenetz in Betrieb ist. Um die Umsetzung weiterer Anlagen in der Zukunft zu erleichtern, wurden in dieser Arbeit die Planung, der Bau und die Inbetriebnahme der Pilotanlage nachvollzogen und die gemachten Fehler analysiert. Die Kommunikation zwischen den am Projekt Beteiligten ist ein Schlüsselfaktor für viele der aufgetretenen Probleme. Der Erfolg der Planung wird bestimmt durch die Qualität der Informationsquellen und die Erfahrung des Fachplaners. Äußere Einflüsse wie Hausbau und Materiallieferungen bestimmen den Ablauf des Anlagenbaus und im Gebiet der Fernwärme und der Solarthermie erfahrene Installateure ermöglichen eine fehlerfreie Installation. Die Inbetriebnahmen erfordern Struktur, Kommunikation und ausführliche Protokollierung, damit aufgetretene Probleme frühzeitig identifiziert und gelöst werden können. Die Verwendung des HANEST-Konzeptes, statt der getrennten Umsetzung in Form einer Hausanschlussstation und einer Netzeinspeisestation, ist nur bei gewissen Randbedingungen – unter anderem einer im Vergleich zum sommerlichen Abnehmer-Wärmebedarf überdimensionierten Kollektorfläche sowie sich unterscheidenden Temperaturniveaus von Fernwärmenetz und Abnehmerkreis – sinnvoll (s. SOLSTAND), damit sich die Mehrinvestition und der erhöhte technische Aufwand lohnen. Die gegebenen Bedingungen in Berlin erforderten keine HANEST-Anlage. Die Station ist seit dem 27. Juni 2018 im Automatikbetrieb, versorgt die Hausbewohner mit Wärme und speist Überschüsse in das Netz ein. Heute besteht dennoch Optimierungspotential, um die Anlagenfunktion und die Abnehmerversorgung besser zu gewährleisten.
Verfasst von: Anna Lisa Raab
Betreut von: Andreas Reinholz - BTB Blockheizkraftwerks- Träger- und Betreibergesellschaft mbH Berlin, Dipl.-Ing. Martin Heymann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Analyse der Verwendung von Energieleistungskennzahlen zum Nachweis der Verbesserung der energiebezogenen Leistung am Standort Reutlingen der Robert Bosch GmbH
In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie der Nachweis der fortlaufenden Verbesserung der energiebezogenen Leistung als Normanforderung der ISO 50001 am Standort Reutlingen der Robert Bosch GmbH umgesetzt werden kann.
In diesem Zusammenhang wurde analysiert, welche Vorgaben Hauptnorm und Begleitnormen auferlegen. Es hat sich gezeigt, dass eine einzige übergeordnete Kennzahl am untersuchten Standort mit einem hohen Stromverbrauch und einer komplexen Versorgungstechnik nicht im Sinne der Norm ist. Deshalb wurde ein wurde ein Konzept entwickelt, das die Kombination und Aggregation unterschiedlicher Energieleistungskennzahlen beinhaltet. Des Weiteren wurde die Eignung von aus Energieeffizienz-Benchmarks bekannten Kennzahlen für eine Anwendung am Standort untersucht. Anschließend wurde für den als Hauptverbraucher identifizierten Bereich Epitaxie in der Halbleiterfertigung der Zusammenhang zwischen Stromverbrauch und Einflussgrößen sowie Prozessparametern analysiert. Mithilfe dieser Erkenntnisse konnten entlang einer auf andere Bereiche übertragbaren Methodik mehrere geeignete
Energieleistungskennzahlen entwickelt werden. Bei der abschließenden Empfehlung einer bestimmten Kennzahl wurde verschiedenen Aspekte wie Handhabbarkeit und Genauigkeit Rechnung getragen.
Verfasst von: David Neugebauer
Betreut von: M. Sc. Mario Kauderer – Robert Bosch GmbH, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Projektarbeit im Fachpraktikum
Nutzung variabler Zeitschrittweiten in der Erzeugereinsatzoptimierung
Die vorliegende Studienarbeit untersucht einen Ansatz zur Rechenzeitverkürzung für eine gemischt ganzzahlige lineare Optimierung (MILP) eines übergreifenden Energieverbundsystems. Die Komponenten und ihre spezifischen Daten des Energienetzes sind gegeben, ein Blockheizkraftwerk (BHKW), ein Heizkessel (GK), ein Wärmespeicher (WS) und eine PV-Anlage (PV). Die linearen Gleichungs- und Ungleichungsbedingungen sind in der Einsatzoptimierung abgebildet. Das Optimierungsproblem wird mit dem leistungsstarken Lösungsalgorithmus CPLEX in Matlab gelöst. Um die Rechenzeit so stark wie möglich zu verkürzen, wird zuerst der gegebene Matlab Code verbessert und anschließend angepasst und erweitert. Für eine weitere Rechenzeitverkürzung werden variablen Zeitschrittweiten in den rollierenden Berechnungen benutzt. Die Schrittweiten sind sowohl äquidistant als auch nicht äquidistant definiert. In dem äquidistanten Fall entspricht die Zeitschrittweite gleich einer Stunde und der Prädiktionshorizont ist in 24h, 48h und 72h eingestellt, in dem nicht äquidistanten Fall sind die gleichen Prädiktionshorizonte mit variabler Zeitschrittweiten eingestellt. Für jeden Prädiktionshorizont werden zwei bis drei Kombinationen der Zeitschritte untersucht. Die Optimierungszeit und Ergebnisse verschiedener Optimierungsmodelle von drei Optimierungsszenarien werden miteinander verglichen, die geschlossene Optimierung wird als Referenz betrachtet. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen auf, dass die Rechenzeitverkürzung einer rollierenden Optimierung durch die Nutzung variabler Zeitschrittweiten erfolgen kann, jedoch führt dies zu einem leichten Rückgang der Qualität des Optimierungsergebnisses. Die Einflüsse der variablen Zeitschritte auf das Optimierungsergbnis sind von Jahreszeit, Prädiktionshorizont, Optimierungszeitraum und vielen anderen Faktoren abhängig, deshalb sind die relativen Abweichungen zum Referenzmodell unterschiedlich.
Verfasst von: Jinyu Zhou
Betreut von: Dr. rer. nat. Peter Stange
Jahr: 2019, Studienarbeit
Untersuchungen zur energieautarken Versorgung eines Warenhauses unter Ausnutzung lokaler regenerativer Energiequellen
In der vorliegenden Diplomarbeit werden auf Basis der Abschätzung zukünftig erwarteter Energieverbräuche von Globus-Warenhäusern zwei Konzepte entwickelt, die den prognostizierten Bedarf mit lokal verfügbaren regenerativen Energiequellen und unter Zuhilfenahme von Speichern bilanziell bzw. physikalisch decken sollen.
In diesem Zusammenhang wurden zunächst Lastgänge eines bestehenden Warenhauses (Globus Rüsselsheim) qualitativ und quantitativ sowie nach Art des Energieträgers ausgewertet.
Anschließend wurde unter Einfluss mehrerer Faktoren eine Anpassung an den zukünftigen Standort in Neunkirchen (Saar) vorgenommen. Als Ergebnis dieser Betrachtung stehen die zu deckenden Energiebedarfe des zukünftigen Standorts.
In einem nächsten Schritt wurde untersucht, welche Energieträger und in welcher Größenordnung diese am Standort zur Verfügung stehen. Auf den zur Verfügung stehenden Flächen wurde das erdenklich installierbare Potential jeweils bestimmt.
Nach einer theoretischen Abschätzung der Umsetzbarkeit wurde eine Vorauswahl der nachfolgend bei der Konzeptentwicklung betrachteten Technologien getroffen.
Aus den Ergebnissen dieser beiden Betrachtungen hinsichtlich Verbrauch und potentieller Energiebereitstellung wurden anschließend mehrere Konzepte sowohl hinsichtlich bilanzieller als auch lastgerechter Autarkie erarbeitet.
Die erzielten Resultate wurden im Hinblick auf Autarkiegrad, Eigenverbrauchsanteil und Flächenbedarfs bewertet und auf dieser Grundlage ein bilanzielles und ein lastgerechtes Konzept ausgewählt. Beide Konzepte wurden abschließend einer wirtschaftlichen Betrachtung hinsichtlich einer möglichen Umsetzbarkeit unterzogen.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine Umsetzung der beiden ausgewählten Konzepte aktuell nicht wirtschaftlich ist. Ein Betrieb mit alternativen Energieträgern, die bei geringeren Autarkiegraden trotzdem bilanziell den Strombedarf decken, kann aber schon heute wirtschaftlich rentabel sein.
Abschließend wurde der Einfluss sich entwickelnder Technologie- und Energiekosten auf die Wirtschaftlichkeit der Konzepte untersucht. Bei den prognostizierten Entwicklungspfaden können beide betrachteten Konzepte längerfristig wirtschaftlich umgesetzt werden.
Verfasst von: Leona Freiberger
Betreut von: Dipl. Ing. Guido Koch – Globus SB-Warenhaus Holding GmbH & Co. KG, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Anwendung maschineller Lernverfahren auf Monitoring-Daten der Gebäudetechnik
Aufgrund der ökologischen, politischen und technologischen Entwicklungen wird die Datenerfassung im Bereich der Gebäudeenergietechnik immer umfangreicher. In diesem Zusammenhang gewinnen neue datengesteuerte Methoden speziell für die Systemanalyse und -optimierung solcher technischen Systeme, an Bedeutung. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Relevanz und Anwendbarkeit von Machine Learning (ML) bei der Lösung anwendungsspezifischer Herausforderungen zu untersuchen, wobei die Monitoring-Daten eines modernen Gebäudeenergiesystems als Fallstudie verwendet werden. Es wurde eine ML-basierte Toolchain entwickelt, die aus drei allgemeinen Forschungszielen besteht, dem Lernen von Sensorassoziationen für Systemverständnis, Datenvalidierung und konkrete Systemanalyse. Einzelne ML-Pipelines, die die allgemeine Pipeline-Architektur nutzen, wurden unter Verwendung von Association Learning (AL), Klassifikations- und Regressions-ML-Algorithmen entwickelt. Die Auswertungen zeigten, dass AL nur bedingt anwendbar war, während die klassifizierungs- und regressionsbasierten Pipelines gut abschneiden und die damit verbundenen Ziele der Datenvalidierung und Systemanalyse erfüllen. Konkret zeigte der Random Forest die besten Ergebnisse, da er in der Lage war, die zugrunde liegende Systemdynamik zu erlernen. Er besitzt somit das Potenzial den manuellen Aufwand im Prozess der Systemanalyse zu reduzieren. Die Ergebnisse zeigen, dass ML auf Gebäudemonitoring-Daten anwendbar ist und dass die angewandten Methoden automatisierbare und datenbasierte Lösungen für interdisziplinäre Herausforderung bieten.
Verfasst von: Ole Zießler
Betreut von: Dipl.-Ing. Torsten Schwan – EASD Dresden GMBH, Dipl.-Ing. Jens Kaiser
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Automatische Mustererkennung und Modellierung von Trinkwarmwasser-Bedarfsprofilen
Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist die Erstellung eines Tools zur automatischen
Musterkennung und Prognose messdatenbasierter Trinkwarmwasser-Bedarfsprofile.
Grundlage dieses Tools sind umfangreich gemessene Trinkwasserdaten (Temperaturen
und Volumenströme) von 73 Objekten im Rahmen des Forschungsprojektes EE+HYG@TWI. Nach einer Analyse und Untersuchung des Einflusses von Temperatur und Zapfvolumenstrom auf den benötigten Wärmebedarf der Trinkwassererwärmung wird mithilfe künstlichen neuronalen Netzen (KNN) eine automatisierte Mustererkennung durchgeführt. Datengrundlage der Mustererkennung sind Lastdauerlinien des Zapfvolumenstroms der verschiedenen Gebäude. Neue Gebäude können, anhand ihrer
Gebäudespezifikationen, den erkannten Mustern zugeordnet werden. Die Muster ermöglichen eine messdatenbasierte Prognose zu TWW-Verbrauch, -Temperatur und
-Wärmebedarf.
Verfasst von: Jonas Haupt
Betreut von: Dr. rer. nat. Peter Stange, Dipl.-Math. Anja Matthees
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Vergleich von Daten aus Probandenuntersuchungen zur trockenen Haut mit Ergebnissen eines Personenmodelles
Zur Validierung eines Personenmodells durch Abgleich mit Probandendaten hinsichtlich der Verdunstungsrate bei unterschiedlichen Raumklimaverhältnissen wurden Messwerte und die dazugehörigen Randbedingungen von Versuchen der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin in Dortmund aus den Jahren 2017 und 2018 analysiert. Es konnten 8 Szenarien mit den Temperaturen 20°C und 24°C, sowie relativer Luftfeuchtigkeit von 20 % und 40 % jeweils mit Quell- und Mischlüftung ausgewählt werden, wobei im Umfang dieser Arbeit lediglich die Mischlüftung betrachtet wird. Des Weiteren erfolgte der Vergleich von Probandendaten mit den Berechnungsergebnissen eines Personenmodells (in Anlehnung an Streblow, R: Thermal Sensation and Comfort Model for Inhomogeneous Indoor Environment, Dissertation RWTH Aachen, 2010) unter Verwendung der ausgewählten Szenarien. Dabei wurden die Änderungen der Verdunstungsraten bei Variation der Randbedingungen betrachtet, um Tendenzen des Modells bewerten zu können. Es konnte festgestellt werden, dass in 60 % der Fälle, die Tendenzen des Modells mit denen der Probandendaten übereinstimmen, sich die Werte jedoch oft in anderen Dimensionen bewegen. Der Vergleich von Absolutwerten der Verdunstungsrate aus Literatur, Probandendaten und Modell zeigt, dass die Modellwerte deutlich geringer ausfallen, was die Ergebnisse der vorherigen Betrachtung der Tendenzen bestätigt. Zur Verbesserung des Modells könnten Wärmeübergangskoeffizienten optimiert und dadurch auch unterschiedliche Lüftungsformen dargestellt werden. Eine weitere Möglichkeit wäre, die genauere Betrachtung der Isolation durch Kleidung und die Bildung von Lufttaschen bei Veränderung der Körperhaltung. [1] Besonders in Bezug auf den Detaillierungsgrad weist das Modell Möglichkeiten zur Verbesserung auf. So wird der Kopf bisher als ein Körpersegment betrachtet und könnte in mehrere Berechnungspunkte aufgeteilt werden. Dadurch könnten deutlich genauere Vergleiche zu Probandendaten angestellt werden. Auch die Respiration findet im derzeitigen Modell nicht genug Betrachtung und könnte detaillierter dargestellt werden.
Verfasst von: Noah Mertens
Betreut von: Dr.-Ing. Markus Rösler
Jahr: 2019, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Erstellung eines excelbasierten Berechnungstools zur Berechnung eines Lüftungskonzeptes sowie zur Auslegung verschiedener Lüftungssysteme einschließlich aller erforderlichen Lüftungskomponenten nach DIN 1946-6 : 2019 unter Berücksichtigung weiterer Normen
Gegenstand dieser Arbeit ist die Dokumentation und Erstellung eines planungsbasierten Berechnungstools auf Grundlage der neuen Wohnungslüftungsnorm DIN 1946-6:2019 zur Berechnung eines umfassenden Lüftungskonzepts. Die hier wichtigen Kernaspekte für die Erstellung eines Lüftungskonzepts und die Auslegung einer Lüftungsanlage eines Wohngebäudes sind:
- die Berechnung und Auslegung von freien und ventilatorgestützten Lüftungs-anlagen (DIN 1946-6:2019)
- die Wechselwirkungen der Lüftungssysteme mit Entlüftungsanlagen nach DIN 18017-3:2019
- die ventilatorgestützte Lüftung bei Heizlastberechnung (DIN SPEC 12831:2018)
- Lüftungsanlagen und Feuerstätten (DIN 1946-6:2019 Bbl. 3 und 4)
- der Einsatz von kombinierten Lüftungssystemen (DIN 1946-6:2019)
- die Besonderheiten der Kellerlüftung (DIN 1946-6:2019 Anhang F) und
- die Radonbelastung ergänzend zur Kellerlüftung (DIN SPEC 18117-1:2019).
Die Arbeit gliedert sich dabei in vier Teile. Zunächst wird eine Literaturrecherche zu den hier aufgezählten Normen durchgeführt und die Algorithmen, Sondersituationen und Begriffe der Wohnungslüftung beschrieben. Ein Vergleich zwischen der alten DIN 1946-6:2009 und der neuen Fassung der DIN 1946-6:2019 wurde ebenfalls im Anschluss aufgeführt. Anschließend werden die wichtigsten Schritte zur Konzeptionierung des Berechnungstools vorgestellt, unter anderem die Problemstellung des Tools, die notwendigen Ein-/Ausgabegrößen und Flussdiagramme zur Veranschaulichung aller Programmbestandteile, Prozesse und Schnittstellen zu weiteren Normen. Der Schwerpunkt des dritten Teils der Arbeit liegt auf dem fertigen Berechnungstool. Hier wird der Aufbau vorgestellt und die Bedienung mittels Screenshots erläutert. Durch eine Reihe von händisch und automatisch berechneten Lüftungskonzepten von anderen Autoren kann die Validität des Berechnungsalgorithmus nachgewiesen werden. Zum Abschluss der Arbeit werden das Ergebnis diskutiert, eventuelle Schwachstellen aufgedeckt und Hinweise zu den Normen gegeben.
Verfasst von: Hristo Markov
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Thomas Hartmann – ITG Dresden, Dipl.-Ing. Christine Knaus – ITG Dresden, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Analyse der Auswirkungen unsicherer Randbedingungen auf die Erzeugereinsatzoptimierung
Die vorliegende Arbeit untersucht den Ansatz der Robustheit für gemischt-ganzzahlig
lineare Optimierungen bei dem Einsatz von Energieerzeugern. Hierbei werden Unsicherheiten in den sonst als deterministisch angenommen Variablen in die Optimierung integriert um diese soweit wie möglich immun gegen Schwankungen in den Eingangsvariablen zu machen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den verschiedenen Ansätzen zur Berücksichtigung der Unsicherheiten.
Die Ergebnisse zeigen auf, wie sich die Betrachtung der Schwankungen auf das Ergebnis der Optimierung auswirkt und welche Bedeutung der robusten Optimierung in Zukunft zukommen wird. Das Einbeziehen der Unsicherheiten erfolgt mit Hilfe des Worst-Case-Maßes bei dem die prozentualen Schwankungen und die Schwankungsrichtung vom Anwender selbst gewählt werden kann und somit sehr schnell an das jeweilige Problem adaptiert werden kann.
Verfasst von: Claudius Schenuit
Betreut von: Dr. rer. nat. Peter Stange
Jahr: 2019, Studienarbeit
Entwicklung, Simulation und Konstruktion der Tragwerksstruktur für ein Wellenkraftwerk
Wellenenergie gewinnt als erneuerbare Ressource zur Stromerzeugung laufend an Bedeutung, da sie entscheidende Vorteile im Vergleich zu etablierten Technologien, wie Photovoltaik oder Windkraft bietet. Die Firma SINN Power (Gauting, Deutschland) entwickelt in diesem Zusammenhang ein Wellenkraftwerk zur dezentralen Stromerzeugung in Küstengebieten. Die Anlage besteht aus einem schwimmenden Verbund einzelner Kraftwerksmodule, die über eine Tragwerksstruktur miteinander
verknüpft sind. Die Auf- und Abwärtsbewegung der Wellen wird über die bojen-ähnlichen Schwimmkörper der Einzelmodule auf eine gelagerte Hubstange und von dort auf die Generatoren übertragen, die aus der Relativbewegung Strom erzeugen.
Die Entwicklungen der Firma SINN Power werden zunächst an einzelnen Kraftwerksmodulen getestet, die fest an einer Hafenmauer auf der Insel Kreta verankert sind. Im Jahr 2020 wird das erste schwimmende Wellenkraftwerk errichtet. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der hierfür notwendigen Neuentwicklung der Tragwerksstruktur des Kraftwerks.
Auf Basis vorangegangener wissenschaftlicher Untersuchungen in der Firma SINN Power wurden dabei die bisherigen Schwachstellen von Tragwerkszaun und Hubstangen-Hauptlager identifiziert und verbessert. Zudem konnte ein neues Auftriebskonzept für den schwimmenden Kraftwerksverbund erarbeitet werden. Teile der Tragwerksstruktur generieren nun zusätzlichen Auftrieb, wodurch eine
Leistungssteigerung von 50 % bei gleichzeitig 54 % geringeren Belastungen erreicht wird.
Die vorliegende Arbeit umfasst insbesondere den iterativen Konzeptentwurf und die konstruktive Detaillierung von Tragwerkszaun und Hauptlager. Herzstück der Konstruktion sind drei neu entwickelte Gussbauteile aus Aluminium. Zudem werden die Baugruppen auf Basis eines Mehrkörpersimulationsmodells des Kraftwerks dimensioniert und damit für die erhöhten Belastungen im schwimmenden Kraftwerk ausgelegt. Es ergibt sich ein wirtschaftliches, leistungsstarkes Tragwerk, das den Grundstein für eine konkurrenzfähige Stromerzeugung aus Meereswellen bildet.
Verfasst von: Annabel Michel
Betreut von: M.Sc. Dominik Schwaiger – SINN Power GmbH | Wave Technology, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Optimierung und Bestandsaufnahme eines kommunalen Fernwärmenetzes
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals eine umfangreiche Bestandsaufnahme aller Netzbestandteile des Fernwärmenetzes Wilthen durchgeführt. Wesentlicher Bestandteil war die Erstellung eines georeferenzierten Netzplans, der in mehreren Ebenen alle relevanten Komponenten, wie Teilstrecken und Abnehmer, enthält. Im Rahmen der Bestandsaufnahme wurden Wärmebrücken im Netz identifiziert, die zu einer Erhöhung von Wärmeverlusten führen. Diese ließen sich kurzfristig durch gezielte Nachbesserungsmaßnahmen verringern.
Auf Basis des erstellten Netzplans wurde ein thermohydraulisches Netzmodell erstellt und mit dem Netzberechnungsprogramm "`TRNSYS-TUD"' simuliert. Mithilfe eigener Messdaten und des Betriebstagebuchs der Anlage wurde das Netzmodell validiert. Hierbei wurde deutlich, dass die teils gealterte Wärmedämmung im Zusammenspiel mit Wärmebrücken zu hohen Wärmeverlusten führt.
Am Netzmodell wurden verschiedene Änderungen der Betriebsführung des Netzes implementiert. Die geringen simulierten Einsparungen legen nahe, dass durch kleinteilige Optimierungen an der Betriebsführung in der Vergangenheit bereits ein sehr günstiger Betriebszustand erreicht wurde.
Weiterhin wurden fünf verschiedene Szenarien mit investiven Maßnahmen simuliert. Dabei ergeben sich hohe energetische Einsparpotentiale sowohl durch Temperaturabsenkungen als auch durch bauliche Maßnahmen im Netz. Die Ergebnisse wurden in einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unter Berücksichtigung staatlicher Fördermöglichkeiten gegenübergestellt.
Verfasst von: Andreas Fuchs
Betreut von: Dipl.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Haustechnik in Baudenkmalen und schützenswerten Altbauten
Die vorliegende Arbeit untersucht inwieweit die gleichrangigen öffentlichen Interessen
Denkmalschutz und Energieeffizienz miteinander vereinbar sind. Dazu werden gesetzliche Vorgaben und Fördermöglichkeiten aufgezeigt. Anhand der Betrachtung von vier beispielhaften Sanierungsprojekten ergibt sich, dass energetische Sanierungen, trotz der Einschränkungen durch Denkmalschutzbelange, grundsätzlich sinnvoll sind. Bei Dämmung der Außenhülle und Installation eines effizienten Wärmeversorgungssystems kann der Primärenergiebedarf um über 50 % gesenkt werden. Für die Erfüllung der gesetzlichen Effizienz-Vorgaben ist jedoch die Integration erneuerbarer Energien ausschlaggebend.
Für ein konkretes Bauernstallhaus werden fünf denkmalgerechte Wärmeerzeugungssysteme (mit Holz, Sonne und Umweltwärme als Energieträger) mit Polysun simuliert und nach vielseitigen Kriterien bewertet. Alle Varianten erreichen sehr gute Primärenergiekennwerte der Energieeffizienzklasse A (30-50 kWh/(m²a)). Aus ökologischen und ökonomischen Gründen wird der Einbau eines Stückholzvergaserkessels mit Solarthermieanlage empfohlen. Im Vergleich zum heutigen System können jährlich 70 % der CO2-Emissionen und 45 % der Energiekosten eingespart werden. Bei Umsetzung aller Vorschläge erreicht das Haus den KfW-Effizienzhaus Standard 70.
Aus den Ergebnissen dieser Arbeit werden schließlich Grundsätze für Sanierungsmaßnahmen an Baudenkmalen abgeleitet und mit Hilfe von Entscheidungsbäumen visualisiert.
Verfasst von: Christiane Zietz
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Sommerliche Raumkühlung - Bewertung der Möglichkeiten zur Kältebereitstellung
Als Konsequenz der aktuellen klimapolitischen Diskussion und vor dem Hintergrund
des Klimawandels müssen neue und zugleich effiziente Möglichkeiten gefunden werden,
die Komfortanforderungen der Menschen zu erfüllen. Die Arbeit basiert auf dem technischen Konzept der Raumkühlung mittels freier Heizflächen, welche mit Kaltwasser beaufschlagt werden. Ziel ist es, verschiedene Anlagentypen, zur Bereitstellung des benötigten Kaltwassers im betrachteten Bürogebäude vorzustellen und anschließend zu bewerten. Untersucht wird die Kältebereitstellung mittels Kompressionskältemaschine, Absorptionskältemaschine, Adsorptionskältemaschine und Gas-Motor-Wärmepumpe.
Dabei liegt der Fokus auf der Ausarbeitung anlagenspezifischer Merkmale, auf der Untersuchung der Möglichkeit zur netzdienlichen Betriebsweise, auf der Verwendung neuer Kältemittel und auf der Möglichkeit zur Kraft- Wärme- Kälte- Kopplung. Anschließend werden die unterschiedlichen Anlagen hinsichtlich der äußeren Einflussparameter untersucht und ökonomisch als auch ökologisch bewertet.
Verfasst von: Markus Knispel
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke, Dipl.-Ing. Markus Arendt
Jahr: 2019, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Modellierung, Simulation und Lebenskostenanalyse von Fernwärmenetzen mit solarer Einspeisung
One of the challenge of our time is to develop a more sustainable environment, with a gradual reduction of fossils supply and an increasing use of renewable energy systems. Regarding space heating and heating of domestic hot water, many advantages occur with the application of district heating networks, for the possibility to use many different sources of heat.
The purpose of this work is to present the planning of the integration of a solar thermal plant connected to the heating network and to compare the procedure with the use of a software.
The dimensioning of a solar thermal plant is structured on many levels, that have to be carried forward at the same time, in order to obtain good performances and to observe the precautions determined for the solar plant and the district heating network.
With the use of a tool, the workload can be strongly reduced, by running a simulation in few seconds and having the possibility to change not only the structure of the system, inserting and removing elements, but also their size and properties.
The conclusions obtained show that the software Sceno-Calc Fernwärme 2.0 is able to calculate the solar heat that can be possibly produced with the boundary conditions characteristic of the network; it takes into account the main elements required by a solar thermal system, such as collectors, storage tank, heat exchangers and pipe lines, and, by varying their parameters, shows the possible different situations and configurations that can be chosen.
Verfasst von: Giorgia Tomassini
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Bewertung und energetische Optimierung eines Kälteverbundsystems
Diese Studienarbeit beschäftigt sich mit alternativen Rückkühlverfahren der Kälteversorgung am Dresdner Neumarkt. Dabei wurde die Kältezentrale Kulturpalast und das Kälteverbundsystem bewertet. Als Grundlage der Ergebnisse dienten Messwerte der Drewag aus dem Jahr 2018. Analysiert wurden die aktuelle Betriebsweise des Kälteverbundes, die damit verbunden Problemstellungen und benötigten Randbedingungen zur Abwärmenutzung. Mögliche alternative Betriebsweisen wurden einzeln bewertet und anschließend verglichen. Es hat sich gezeigt, dass es schwierig ist eine energetisch und wirtschaftlich sinnvolle alternative Rückkühlung zu finden. Der Einsatz einer Wärmepumpe zur Nutzung der Abwärme und Einspeisung in den Fernwärmevorlauf hat sich als Vorzugsvariante herausgestellt. Hier zeigt sich, dass bei veränderten energiewirtschaftlichen Randbedingungen auch eine Wirtschaftlichkeit möglich ist und im Sinne der angestrebten Energiewende eine regenerative Wärmequelle erschlossen werden kann.
Verfasst von: Rubén Günther
Betreut von: Swen-Sören Börner – DREWAG, Dipl.-Ing. J. Löffler – DREWAG, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Studienarbeit
Energieeinspar- und Dekarbonisierungsstrategien für Mehrfamilienhäuser im Bestand
In Hinblick auf die 2050 Ziele der Bundesregierung wird in dieser Arbeit das
Dekarbonisierungspotenzial bei der Bewirtschaftung von Mehrfamilienhäusern im
Bestand untersucht. Dabei werden Sanierungsmaßnahmen unter Beachtung
ökologischer und ökonomischer Faktoren vorgestellt und ausgewertet.
Zwei Beispielobjekte mit dem Standort in Dresden werden dabei näher untersucht,
deren gegenwärtiger Zustand aus bautechnischer und anlagentechnischer Sicht
vorerst dargelegt wird. Hierfür wird die Software ZUB Helena genutzt.
Im Anschluss erfolgt eine Vorstellung von bautechnischen Sanierungsmaßnahmen
im Allgemeinen. Dabei stehen grundlegende Optionen zur Reduktion von Transmissionswärmeverlusten im Fokus. Spezielle Anforderungen an Bestandswohngebäude sind ebenfalls Teil der Arbeit.
Anschließend werden fundamentale anlagentechnische Maßnahmen sowie
regenerative Energiesysteme zur Reduktion der CO2-Emissionen vorgestellt. Dabei
wird auf die gängigsten Möglichkeiten zur Erwärmung von Räumen und Trinkwasser
eingegangen. Auch die Option einer Gebäudekühlung wird im Hinblick auf
sich verändernde Klimabedingungen angeschnitten. Es erfolgt eine Kategorisierung
verschiedener Energieträger nach ökologischen Aspekten.
Einzelne bautechnische und anlagentechnische Sanierungsmaßnahmen werden
schließlich mittels ZUB Helena an den Beispielobjekten simuliert. Vorerst werden
die Maßnahmen einzeln untersucht und anschließend aus ökonomischer und
ökologischer Sicht bewertet. Daraufhin werden geeignete Maßnahmen kombiniert
und an den Objekten simuliert. Ebenfalls erfolgt eine Untersuchung hinsichtlich
wirtschaftlicher und ökologischer Gesichtspunkte.
Nach einer Diskussion über Förderanreizsysteme der Bundesregierung wird in
dieser Arbeit ein Leitfaden für die Erstellung eines individuellen Sanierungsfahrplans
vorgeschlagen. Dabei werden grundlegende Ergebnisse der Simulation
beachtet.
Es zeigt sich, dass es unter wirtschaftlichen Bedingungen möglich ist, eine enorme
Dekarbonisierung von Mehrfamilienhäusern im Bestand bis 2050 umzusetzen.
Voraussetzung dabei ist eine langfristige Festlegung einzelner oder kombinierter
Sanierungsmaßnahmen. Ohnehin anfallende Maßnahmen sollten dabei als Anlass für eine energetische Optimierung von Gebäuden genutzt werden.
Verfasst von: Markus Bauch
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Erfassung und Untersuchung der Betriebszustände der Erzeugeranlagen im HKW-Reick
Die effektive Nutzung der aus Kraft-Wärme-Kopplung erzeugten Wärme der zentralen Heizkraftwerke der DREWAG über das Zentrale Fernheiznetz wird über die Wärmespeicher im HKW Dresden-Reick umgesetzt. Die Auswirkungen der Energiewende spiegeln sich nicht nur in der fluktuierenden Stromerzeugung, sondern auch in der Fernwärmeversorgung in Form von stärkeren Schwankungen der Druck- und
Temperaturverhältnissen im Fernheiznetz wider. In dieser Arbeit werden die Betriebszustände des HWK Reick anhand historischer Daten ausgewertet und hinsichtlich der zulässigen Betriebsbereiche und kritischen Systemzustände beurteilt. Weiterhin werden für einen zukünftigen intelligenten Regelalgorithmus Modelle für den Wärmespeicher-Betrieb erstellt, um Betriebspunkte in Abhängigkeit vom Differenzdruck des Zentralen Fernheiznetzes berechnen zu können, sodass kritische Betriebszustände vermieden werden können und die Regelgeschwindigkeit erhöht wird. Die Ergebnisse dieser Auswertung zeigen, dass die Regelungstechnik hinsichtlich der zukünftigen Anforderungen weiterentwickelt werden muss, da die Erweiterung des HKW-Reick mit einem BHKW die bisher kaum genutzte Lastflexibilität der Wärmespeicher voll ausnutzen wird.
Verfasst von: Martin Herlt
Betreut von: Klaus Höhnel - DREWAG, Dr.-Ing. Thomas Sander
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Betrachtungen zur energetischen Bewertung von Wärmepumpen
Die Optimierung von Heizungsanlagen bietet die Möglichkeit zur Effizienzsteigerung. Gerade bei Wärmepumpen ist aufgrund der Nutzung von Strom als Antriebsenergie die höchstmögliche Effizienz wünschenswert, um den Primärenergiebedarf zu verringern. Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich daher mit der Auswertung und Interpretation des Betriebs einer komplexen Wärmepumpenanlage mit mehreren Wärmepumpen in Kombination mit Wärmeerzeugern mit fossiler Brennstoffnutzung zur Deckung des Wärme- und Kälteenergiebedarfs. Besonderheit der betrachteten Anlage ist die erst seit etwa zehn Jahren auf dem Markt verfügbare Kombination von Eisspeichern und Solarkollektoren als doppelte Wärmequelle. Diese Diplomarbeit lässt sich dazu in drei Hauptschwerpunkte einteilen.
Im ersten Teil wird vorweg die bisherige Studienlage zu Anlagen mit gleicher Wärmequellennutzung erläutert und anhand dessen zu erwartende Effizienzwerte definiert. Es werden mit Hilfe der VDI 4650 die Bilanzgrenzen zur Auswertung des Wärmepumpenbetriebs definiert und die Spezifika bei der Verwendung von Eisspeichern in Heizungsanlagen erklärt. Weiter werden die Besonderheiten des Gebäudes, das Planungskonzept und die Methodik erläutert, mit der die erfassten Daten ausgewertet
wurden.
Den zweiten Teil bilden die Beschreibung der Integration der Wärmepumpen in die Heizungsanlage und die eigentliche Auswertung des Betriebsverhaltens.
Folgend auf die Bewertung des normalen Betriebs werden weitere Einflüsse auf die Effizienz der Wärmeerzeugung sowie das Erreichen der Planungsintentionen geprüft. Abschließend werden die entwickelnden Auswertungshilfen des Wärmepumpenbetriebs vorgestellt, welche eine kontinuierliche Überwachung der Effizienz der einzelnen Wärmepumpen ermöglichen. Anhand dessen werden im Ausblick Möglichkeiten zur Optimierung der Wärmepumpenanlage vorgeschlagen.
Verfasst von: Philipp Röll
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Kaiser
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Untersuchungen zur Nachrüstung von Wärmepumpen in Bestandsgebäuden
Die Nachrüstung einerWärmepumpe zu einem konventionellen, fossil befeuerten Heizsystem im Gebäudebestand ist oft ineffizient, aufgrund meist hoher benötigter Vorlauftemperaturen des Heizkreises, welche konträr zum optimalen Arbeitsbereich von Wärmepumpen stehen. Zwar bewirkt die Einbindung einer Wärmepumpe eine deutliche Reduktion der emittierten Treibhausgase, jedoch stellen die hohen Investitionskosten einerWärmepumpenintegration, hohe laufende Kosten für den Unterhalt der beiden Systeme sowie die hohen Stromkosten in Deutschland die finanzielle Sinnhaftigkeit einer Nachrüstung in Frage. Zur Validierung dieser Aussagen wurden in der vorliegenden Studie systematisch Einflussfaktoren auf die Auswirkungen einer Wärmepumpenintegration analysiert. Neben unterschiedlichen Varianten der hydraulischen Einbindung wurden auch verschiedene Betriebsweisen und Leistungsgrößen der Wärmepumpe sowie eine Absenkung der Heizkreistemperaturen untersucht. Bedingt durch die niedrigeren Investitionskosten, die gute Erschließbarkeit der Wärmequelle und die einfache hydraulische Integration wurden in den durchgeführten Simulationen nur Luft-Wasser-Wärmepumpen betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass sich bei den prognostizierten Energiepreisentwicklungen die Integration einer Wärmepumpe zur Grundlastversorgung in Mehrfamilienhäusern mit Ölkessel finanziell lohnt. In Einfamilienhäusern dagegen übersteigen die hohen Wartungs- und Investitionskosten die erreichten Einsparungen bei den Energiekosten. Nur die Verbindung eines Ölkessels mit einer Wärmepumpe, die einen hohen Anteil an der gesamten Heizarbeit erreicht, kann die jährlichen Gesamtkosten senken. Die Integration zu einem bestehenden Gaskessel bringt dagegen keine finanziellen Vorteile. Im Bezug auf die Treibhausgasemissionen zeigten alle Anlagenvarianten eine deutliche Reduktion um bis zu 50 Prozent im Vergleich zum modellierten Referenzsystem.
Verfasst von: Johann Höflitz
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Erstellung eines Regelalgorithmus für hybride Energieerzeugungssysteme aus Wärmepumpe und Photovoltaikanlage im Wohngebäudebereich
Vor dem Hintergrund der klimapolitischen Ziele der Bundesregierung den Anteil erneuerbarer Energien zu erhöhen und sowohl CO2-Emmissionen als auch den Primärenergiebedarf im Gebäudesektor zu reduzieren, wird in dieser Arbeit ein hybrides Energieerzeugungssystem (HEES), bestehend aus Wärmepumpe, Elektroheizeinsatz, PV-Generator und einem elektrischen und einem thermischen Speicher untersucht. Innerhalb dieser Untersuchung liegt der Fokus auf der koordinierten und aufeinander abgestimmten Regelung der einzelnen Komponenten. Hierfür wird ein konventioneller Regler mit Smart-Grid-Schnittstelle und Kommunikationsmöglichkeit zwischen den einzelnen Komponenten und ein optimierter Regler, welcher zusätzlich über eine 24 h-Prädiktion verfügt, entwickelt.
Die Anwendung auf ein Mehrfamilienhaus mit vier Wohneinheiten hat gezeigt, dass HEES einen wichtigen Bestandteil zur Erreichung der klimapolitischen Ziele darstellen können. Bereits durch den konventionellen Regler wird ein Eigenverbrauchsanteil von 0,95 und ein Autarkiegrad von 0,31 erreicht, sodass eine geringe Netzbelastung zu verzeichnen ist. Durch die Erweiterung des Reglers um eine 24 h-Prädiktion werden Netzbezug, Gesamtverbrauch, Betriebskosten und CO2-Emmissionen gegenüber dem konventionellen Regler in einem Bereich von 1 bis 1,5 % reduziert. Eine Reduzierung des Eigenverbrauchs um 1,5 Prozentpunkte weist hierbei auf weitere Optimierungsmöglichkeiten der Prädiktion hin.
Verfasst von: Jonas Franken
Betreut von: Dipl.-Ing. Maximilian Beyer, Dr.-Ing. Martin Knorr, Herr Forster - Fa. NordWestPlan
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Modellierung und Simulation von Lüftungsanlagen in Bestandswohngebäuden
In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung von vier dynamischen Simulationsmodellen von zentrale und dezentrale Lüftungsanlagen in Modelica vorgestellt. Die Lüftungsanlagen werden durch den Bestandswohngebäude unter Annahmen und Normen konfiguriert. Dadurch werden quantitativen Vergleichen von dynamischen hydraulischen Verhalten und energetische Performance von unterschiedlichen Lüftungsvarianten ermöglicht. Der Einsatz von Hauptventilator in relativen kleinen Auslegungsvolumenstrom kann den Energieverbrauch verringern als die nur mit dezentralen Ventilatoren. Außerdem werden Reglermodelle mit bedarfsgerechter Regelung für die Anlagen entwickelt. Durch Parametrisierung der Regler wird geprüft, dass der Hauptventilator mehr „empfindlich“ als die dezentralen Ventilatoren ist. Eine Sensibilitätsanalyse wird von den Ventilatoren über Zielvolumenströme, Druckverluste und Regelparameter durchgeführt. Durch Implementierung einer Co-Simulation mit EnergyPlus werden die ausgewählte Variante mit dem Pendellüftersystem im gesamten Gebäudemodell bei definierten Nutzerverhalten und Außenbedingung verglichen.
Verfasst von: Fanglin Chen
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Nicolas Carbonare – Fraunhofer ISE, Freiburg
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Sommerliche Raumkühlung – Entwicklung eines Gebäude- und Anlagenmodells mit TRNSYS
In der vorliegenden Arbeit wird im Rahmen des Forschungsprojektes KUEHA die Leistungsfähigkeit von freien Heizflächen zur Kühlung untersucht. Dazu wird die thermische Behaglichkeit als Maß für die Eignung des Systems herangezogen. Die erforderlichen Größen der thermischen Behaglichkeit werden im Theorieteil der Arbeit beschrieben.
Anschließend folgt eine kurze Beschreibung des Programmes „TRNSYS-TUD“, unter
Verwendung der für das Modell notwendigen Annahmen und Rahmenbedingungen.
Als Modell dient der bereits für technische Versuche genutzte Anbau des Merkelbaus
der Technischen Universität Dresden, in dem neben den zu untersuchenden, freien
Heizflächen diverse Komfortkühlsysteme installiert sind. Diese sind zur Gegenüberstellung im Modell zusätzlich simuliert und liefern die zur Einschätzung relevanten Vergleichsergebnisse des Modells. Demnach leisten die freien Heizflächen abhängig von der Vorlauftemperatur einen signifikanten Beitrag zur Absenkung der operativen Raumtemperatur und können die durch zusätzliche Dämmung hervorgerufenen Temperatursteigerungen nahezu vollständig kompensieren. Dennoch sind durch die eingesetzten Referenzsysteme geringfügig bessere Werte in Bezug auf die thermische Behaglichkeit zu erreichen. Weiterhin werden die Vorteile eines kombinierten Einsatzes der unterschiedlichen Kühlsysteme aufgezeigt.
Verfasst von: Felix Taubert
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke, Dr.-Ing. Alf Perschk, Dipl.-Ing. Markus Arendt
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Wärmepumpen für Bestandsgebäude
Vor dem Hintergrund des Klimawandels rücken Ziele zur Einsparung von klimaschädlichen Treibhausgasen immer stärker in den Vordergrund. Der deutsche Gebäudebestand leistet einen großen Beitrag zu diesen Emissionen.
In der vorliegenden Arbeit wurde daher untersucht, inwiefern Wärmepumpen, die einen
wichtigen Baustein in den Szenarien der Energiewendepläne der Bundesregierung darstellen, in Bestandsgebäuden eingesetzt werden können und ob dies wirtschaftlich ist. Neben einer weit gefassten Analyse des deutschen Gebäudebestands hinsichtlich der zu erwartenden Rahmenbedingungen wurden zwei Beispielgebäude durch energetische
Berechnungen verschiedener Modernisierungsvarianten und darauf aufbauender
Simulationen von Wärmepumpenanlagen umfassend untersucht. Hierbei flossen auch weitere Technologien wie Solarthermie oder Photovoltaik ein.
Wie sich herausstellte, können durch den Einsatz von Wärmepumpen erhebliche Mengen an Treibhausgasen eingespart werden. Doch leider zeigte sich auch, dass die Kombination von Wärmepumpenanlagen mit Bestandsgebäuden in den seltensten Fällen wirtschaftlich ist. Dies liegt nicht etwa daran, dass Wärmepumpen in Bestandsgebäuden weniger effizient arbeiten als in Neubauten, sondern vielmehr daran, dass die erzielten Einsparungen die hohen Investitionskosten nicht ausgleichen können.
Verfasst von: Daniel Kellermann
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Modellierung und Berechnung des Wärmeüberganges von strukturierten Wärmeübertragerflächen
Das Ziel in der vorliegenden Arbeit war eine ausführliche Recherche und Bewertung der gegenwärtig nutzbaren numerischen Modelle zur Ermittlung des Wärmeübergangs und des Strömungsdruckverlustes bei strukturierten Wärmeübertrager-Oberflächen. Dazu wurden Studien an Apparaten mit Rohren und Platten herangezogen. Sämtliche Studienergebnisse bestätigen den bekanntlich höheren Wärmeübergang und Strömungsdruckverlust bei strukturierten Wärmeübertrager-Oberflächen.
Das realisierbare k-ε-Turbulenzmodell zeigte ein gutes Verhalten bei der Strömungssimulation an Einfachdrallrohren und an Platten mit Chevron-Prägung und führte zu einer guten Abschätzung der experimentellen Ergebnisse. Das Gleiche galt für das RSM-Modell für die Simulation an Einfachdrallrohren. Das SST-Modell sowie das Standard-k-ε-Modell sind für die Simulationen an Einfachdrallrohren nicht zu empfehlen. Das Standard-k-ε-Modell führte hingegen beim Querdrallrohr trotz vereinfachter Betrachtung einer zweidimensionalen achsensymmetrischen Strömung zur guten Abschätzung der experimentellen Ergebnisse. Es wurde in den Studien gezeigt, dass die Änderungen der Strukturparameter und der Strukturgeometrie die Wärmeübergangs- und Druckverlusterhöhung gegenüber der glatten Oberfläche über der Reynoldszahl unterschiedlich stark beeinflussen. Die Wahl der geeigneten Strukturierung hängt somit von der Anwendung ab.
Verfasst von: Alexander Bouguila
Betreut von: Dipl.-Ing. Torben Möller - G.A.M. HEAT GmbH, Dr.-Ing. Markus Rösler
Jahr: 2019, Projektarbeit im Fachpraktikum
Simulationsgestützte Entwicklung eines Dekarbonisierungskonzeptes für die Fahrzeugfertigung bei Volkswagen am Beispiel des Standorts Zwickau
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Konzept entworfen, welches die Automobilproduktion des Volkswagen Konzernstandorts Zwickau CO2-neutral hinsichtlich von Scope-1- und 2-Emissionen gestaltet, die in Zusammenhang zu dessen Energieversorgung und fertigungsbedingten Energiewandlungsprozessen stehen. Verbraucherseitige Lastgänge wurden durch leistungs- und gewerksspezifische multiple lineare Regressionsmodelle in Matlab abgebildet. Mittels der Software TRNSYS erfolgte die Modellierung der Erzeuger, zu welchen ein BHKW zählt. Die Modelle wurden anschließend gekoppelt und zur Simulation des Einflusses emissionsreduzierender
Maßnahmen und derenWechselwirkungen untereinander verwendet. Nach der Bewertung der Maßnahmen anhand ihrer Reduktionspotenziale und CO2-Vermeidungskosten wurden diese zu einem Dekarbonisierungskonzept kombiniert, das die Anpassung der BHKW-Fahrweise, den Umstieg auf CO2-neutrale Brennstoffversorgung sowie die Effizienzsteigerung durch Kombination aus Wärmepumpe und Kältemaschine inkludiert.
Verfasst von: Till Meinel
Betreut von: Marlisa Janke-Laumer – Volkswagen AG (K-PPSU/E), Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Bewertung von Technologien zur Kühlung von Büro- und Verwaltungsgebäuden
Verfasst von: Christoph Hübner
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Studienarbeit
Energetische Untersuchung eines Verwaltungsgebäudes
In der vorliegenden Arbeit werden die Kühlung von Räumen mittels Freier Heizflächen in den Mittelpunkt der Betrachtungen gestellt. Das Ziel liegt darin, dass mit Hilfe von Simulationswerkzeugen auf der Grundlage von Variantenrechnungen eine Anlagenbewertung und Anlagenoptimierung erfolgen.
Dazu wurden in TRNSYS-TUD und POLYSUN Modelle des Gebäudes und der Anlage erstellt. Das TRNSYS-TUD Modell bildet das Gebäude detailliert wieder, während das POLYSUN-Modell die Anlagenstruktur besser darstellt.
Mit Hilfe dieser Modelle wurden verschiedene Varianten zur Gebäudekühlung der ungekühlten Variante gegenübergestellt. Die Kühlung über Freie Heizflächen führt zu einer deutlichen Absenkung der Raumtemperaturen (ca. 5 K) und damit zu einer deutlichen Verbesserung der thermischen Behaglichkeit. Das Temperaturabsenkungspotential nimmt mit steigenden Raumtemperaturen zu. Eine zusammenfassende Bewertung unter der Berücksichtigung ökologischer, energetischer und ökonomischer Aspekte erfolgt auf Grundlage eines langfristigen Betrachtungshorizontes. Wird die Variante mit einer reinen Heizkörperkühlung betrachtet, sind die Investitionskosten gegenüber der Variante ohne Kühlung deutlich höher, aber nur halb so hoch wie die Kosten einer Kühlung über Kühldeckensegel. Werden die Gesamtenergiekosten betrachtet ist kein großer Unterschied zwischen
dem ungekühlten Fall und den gekühlten Fällen zu sehen, da durch den längeren Betrieb des BHKWs die Stromkosten substituiert werden.
Verfasst von: He Xu
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke, Dr.-Ing. Alf Perschk, Dipl.-Ing. V. Braune - Ohra Energie GmbH
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Einsatzoptimierung von Energieerzeugern in der Fernwärme
Der Ausbau regenerativer Energiequellen steigt immer weiter an. Grund dafür sind die Verknappung endlicher, fossiler Ressourcen und der durch diese fossilen Energieträger verstärkte Klimawandel. Da regenerative Energiequellen, durch Platzmangel in Städten, oft dezentral gelegen sind, müssen diese an Netze angeschlossen werden. In dieser Arbeit wird die Auswirkung von dezentralen Energiequellen, die ihre Wärme in das Fernwärmenetz einspeisen, auf zentral gelegene Erzeuger untersucht. Es werden verschiedene Varianten für zwei unterschiedliche Fernwärmenetze betrachtet. Die Varianten unterscheiden sich in ihren zentralen Erzeugern, den dezentralen Einspeisern und einem Wärmespeicher mit unterschiedlichen Begrenzungen und Fahrweisen. Das Jahr wird für die verschiedenen Szenarien in Typ-Wochen unterteilt. Diese Wochen spiegeln die schwankende thermische Leistung des Netzes für sowohl Sommer-, Winter- und Übergangszeit wider. Für eine Variante wird eine segmentierte Ganzjahresoptimierung durchgeführt und die Problemstellung der Segmentierung erklärt.
Das Ziel ist es, die bestmögliche Fahrweise der zentralen Erzeuger und des Wärmespeichers mit Hilfe der Application FreeOpt 3.0 zu bestimmen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die dezentralen Einspeiser in der Winterzeit kaum einen Einfluss auf die zentralen Erzeuger haben. In der Sommer- und Übergangszeit werden die Betriebszeiten der zentralen Erzeuger stark verkürzt. Die Speicherlimitierung des Wärmespeichers hat zufolge, dass der Solarthermie-Ertrag aufgrund von Stagnation nicht komplett genutzt werden kann. Durch die Beschränkung der Speicherfahrweise müssen die zentralen Erzeuger häufiger gefahren werden und es bleibt teilweise thermische Energie am Ende der Optimierungsszenarien ungenutzt im Wärmespeicher zurück.
Die kostengünstigsten Varianten sind jeweils die Szenarien mit dem größten Anteil an dezentral eingespeister Wärme mit einem flexiblen, unbegrenzt großen Wärmespeicher. Durch ihre hohen Investitionskosten, die in dieser Optimierung nicht berücksichtigt werden, ist es jedoch fraglich, ob so große Wärmespeicher wirtschaftlich sind.
Verfasst von: Fabian Burkhardt
Betreut von: Dr. rer. nat. Peter Stange
Jahr: 2019, Studienarbeit
Entwicklung und Evaluierung eines Sensormoduls für die Temperaturmessung an IT-Hardwarekomponenten
Die vorliegende Projektarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Evaluierung eines Sensormoduls für die Temperaturmessung an IT-Hardwarekomponenten. Müssen diese mithilfe eines Kühlkörpers gekühlt werden, steht nur ein stark begrenzter Bauraum für das Anbringen von Sensoren zur Verfügung, was den Einsatz üblicher Messsysteme verhindert.
Zuerst wird auf die Grundlagen der technischen Temperaturmessung und verschiedene Temperatursensoren eingegangen. Eine Bauteilanalyse bildet die Grundlage für die Definition von Randbedingungen für mögliche Sensoren. Diese berücksichtigen, neben dem einzuhaltenden Bauraum, weitere Kriterien, welche zur Erfüllung der Messaufgabe eingehalten werden müssen. Die Beeinflussung der Kühlung wird mithilfe einer thermischen Analyse beurteilt. Hierfür wird der Einfluss durch die Sensoren auf einem Bauteil auf die Wärmeübertragung von diesem in ein Kühlmedium betrachtet. Des
Weiteren wird eine Berechnung der erreichbaren Messunsicherheiten durchgeführt. Auf Basis dieser Analysen werden mögliche Sensoren verglichen und die zwei besten ausgewählt. Um Messunsicherheiten zu minimieren, werden diese kalibriert. Anschließend werden Messungen auf den Bauteilen einer Grafikkarte durchgeführt und ausgewertet, um die Tauglichkeit des Messsystems zu beurteilen. Abschließend werden Verbesserungen und zusätzliche Untersuchungen vorgeschlagen, mithilfe derer das
thermische Verhalten weiter untersucht und die Aussagekraft der Messungen verbessert werden kann.
Verfasst von: Simon Kimmig
Betreut von: Dipl.-Ing. Karl Wolffgang, Dipl.-Ing. Stephan Wiemann, Dipl.-Ing. Lukas Friedenstab - Cloud&Heat Technologies GmbH Dresden
Jahr: 2019, Projektarbeit im Fachpraktikum
Ermittlung des Potentials der Nutzung dezentraler Solarthermie in einem Quartier
Für eine gelingende Energiewende im Zuge der Bestrebungen Europas, eine emissionsarmeEnergieversorgung zu garantieren, spielt die Integration Regenerativer Energiequellen in die Wärmeversorgung eine große Rolle. Diese Arbeit fokussiert sich dabei auf die dezentrale Einbindung von solarthermisch bereitgestellterWärme in Fernwärmenetze. Es wird das Solarpotential-Dachkataster der Stadt Dresden ausgewertet, das sich zum Ziel setzt, alle auf Dresdner Dächern als Solarkollektorflächen infrage kommenden Flächen zu erkennen und zu listen. Die
Auswertung offenbart einige Defizite hinsichtlich der Genauigkeit der gelisteten potentiellen Kollektorflächen, wird aber in leicht abgewandelter Form als Datengrundlage in dieser Arbeit verwendet. Es wird ein Sekundärnetzabschnitt in Dresden mit 131 Abnehmern dahingehend untersucht, inwiefern sich solare Erträge ergeben, inwieweit sie lokal am Ort der Erzeugung verwendet werden können, ob eine Verteilung über das Fernwärmenetz möglich ist und was für thermische Speicher vorzusehen wären. Die Prognose der Wärmebedarfe erfolgt mithilfe des Tools FreePlan. Diese werden den mithilfe des Tools FreeSolCalc erstellten Simulationsergebnissen
der Solarerträge gegenübergestellt. Dazu werden 2 Szenarien entwickelt, wie bei Gebäuden mit mehreren Hausanschlussstationen die potentielle Kollektorfläche zugeordnet werden kann. Die im Forschungsprojekt SOLSTAND entwickelten Stationsnutzungskonzepte NEST, HANEST und HANEST-Speicher zur dezentralen Einspeisung sowie HAST-ST werden vorgestellt. Es erfolgt eine Einordnung der betrachteten Fernwärmeabnehmer hinsichtlich der Jahresertragsmaximierung bei Anwendung der Stationsnutzungskonzepte nach einem Konzeptionierungsentwurf aus dem Forschungsprojekt SOLSTAND. Der maximale Jahresertrag lässt sich zumeist mit einer NEST oder HANEST-Speicher erreichen, wobei sich sowohl fernwärme- als auch abnehmerseitig Speicherdimensionen ergeben, die in der Realität schwer zu realisieren sind. Es können Annahmen getroffen werden, wie sich die Grobwahl eines Stationsnutzungskonzeptes weiter vereinfachen lässt.
Verfasst von: Elisabeth Wudenka
Betreut von: Dipl.-Ing. Martin Heymann, Dipl.-Ing. Toni Rosemann
Jahr: 2019, Studienarbeit
Entwicklung eines Systemkonzeptes zur Einbindung von KWK-Systemen auf Basis von Biogas in Energiemanagementsysteme
Die vorliegende Diplomarbeit untersucht Möglichkeiten zur Einbindung eines flexiblen KWK-Systems auf Basis von Biogas in ein übergeordnetes Energiemanagementsystem. Zunächst wird eine umfassende Literaturrecherche zu Möglichkeiten zur und Beschreibungder Flexibilisierung dieser durchgeführt. Basierend darauf erfolgt eine Modellierungder Komponenten eines KWK-Systems inklusive einer Biogasanlage in Matlab Simulink.
Unter der Verwendung von realen thermischen Lastdaten aus einer vorangegangenen Diplomarbeit wird ein prädiktiver Regelalgorithmus für einen wärmenutzungsgradoptimierten und maximal flexiblen Betrieb dieses Systems entwickelt. Zur Umsetzungdessen wird ein MSR-Konzept abgeleitet. Danach wird das Flexibilisierungspotenzialeines exemplarischen Szenarios analysiert. Es zeigt sich im Sommer ein großes Potenzial der Lastverschiebung bis über mehrere Tage. Der Herbst wird aufgrund des plötzlichen und anhaltenden Anstiegs der benötigten thermischen Leistung als kritischer Zeitraum für die Stabilität eines wärmegeführten KWK-Systems auf Basis von Biogas identifiziert. In diesem Zeitraum ist eine Flexibilität nur eingeschränkt möglich. Im Winter ist unter Berücksichtigung der Speicherzustandsgrößen eine flexible Anordnung von Betriebsblöcken innerhalb des Tages möglich.
Verfasst von: Sebastian Eichhorn
Betreut von: Dr. Ing. Paul Seidel, Dipl.-Ing. Jens Werner, PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Maximilian Geisberger - Geisberger Gesellschaft für Energieoptimierung
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Nutzung Erneuerbarer Energien in Baudenkmalen
Da das Erscheinungsbild und die Bausubstanz eines Baudenkmals zu wahren sind, werden diese oftmals aus den Pflichten der Energieverordnungen und Gesetzen mit einem Paragraphen ausgenommen. Falls sich Bauherren trotzdem entscheiden eine energetische Ertüchtigung durchzuführen, ist eine Zusammenarbeit mit dem Denkmalschutzamt unumgänglich.
In dieser Arbeit wurden zunächst die Gesetze und Fördermöglichkeiten für erneuerbare Energien in Baudenkmalen zusammengefasst.
Es wurden verschiedene Maßnahmen zur energetischen Sanierung beschrieben und in ihrer Einsetzbarkeit in Baudenkmalen bewertet. Einige Maßnahmen wurden mit umgesetzten good practice Beispielen dargestellt.
Abschließend wurde anhand eines selbstgewählten Baudenkmals die Einsetzbarkeit verschiedener anlagentechnischer Maßnahmen hinsichtlich ihrer energetischen, ökologischen, und ökonomischen Wirkungen verglichen und eine Prioritätenliste der umzusetzenden Vorhaben erstellt.
Verfasst von: Martin Zacharias
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Systemkonzept zu einem dezentralen Lüftungsgerät mit hohen Rückwärmzahlen
Die Arbeit gibt zunächst einen Überblick über aktuell verfügbare dezentrale Lüftungsgeräte sowie der in diesen Geräten eingesetzten Technologien. Insbesondere die Technologien zur Wärmerückgewinnung werden ausführlich erläutert. Anhand der gesetzlichen und normativen Rahmenbedingungen werden Anforderungen definiert, die ein dezentrales Lüftungsgerät zu erfüllen hat.
Besonderer Fokus liegt dabei auf den energetischen Anforderungen der ErP-Richtlinie und den Anforderungen an die Luftqualität nach DIN EN 16798-1...3. Mit dem Ziel, die gesetzten Anforderungen zu erfüllen, werden zwei dezentrale Lüftungsgeräte mit unterschiedlichen Wärmerückgewinnungs-Komponenten jeweils für den Sommer- und den Winterfall ausgelegt. In einem der Geräte kommt dabei eine Wärmepumpe zur Wärmerückgewinnung zum Einsatz, in dem anderen Gerät ein Plattenwärmeübertrager. Im Winterfall können beide Geräte die gestellten Anforderungen erfüllen, im Sommerfall gelingt dies nur dem Gerät mit Wärmepumpe uneingeschränkt.
Beide Geräte sind einer messtechnischen Analyse auf einem HIL-Prüfstand zu unterziehen, um die theoretische Auslegung zu überprüfen.
Verfasst von: Jakob Petrek
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr.-Ing. Markus Rösler
Jahr: 2019, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Anforderungen der Gebäudeautomation an die IKT Struktur
In dieser Arbeit werden wesentliche „intelligente“ Funktionalitäten durch Recherche und nach der bestehenden Norm DIN EN 15232-1 kategorisiert um später die Anforderungen an die Informations-Kommunikationstechnische–Struktur für die Konzeption eines Gebäudeautomationssystems abzuleiten. Auf den Weg dahin werden wichtige Zusammenhänge und Begriffe erläutert. Dabei steht der Begriff Smart Home, Smart Building und die vernetze Gebäudeautomation im Vordergrund. Anschließend werden die Energieeffizienz und Energieeinsparung für die Typgebäude Einfamilienhaus, Mehrfamilienhaus und Bürogebäude durch Funktionalitäten, mithilfe eines Berechnungstools nach Vorbild der DIN EN 15232-1 (gewichtetes Verfahren), abgeschätzt. Abschließend soll die Frage geklärt werden ob die vernetze Gebäudeautomation für die betrachteten Typgebäude, und speziell für ein Smart Home-System eines Einfamilienhaus unter Berücksichtigung der Investitionskosten, rentabel ist. Daraus resultieren auch Handlungsempfehlungen für Neubau und Nachrüstung.
Verfasst von: Hristo Markov
Betreut von: Dr.-Ing. Martin Knorr
Jahr: 2019, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Auswertung und Analyse von technischen Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz in Mehrfamilienhäusern
Im Rahmen eines Forschungsprojektes der EBZ Business School Bochum, welches sich mit dem Einsparpotenzial im Bereich Gebäudeheizung befasst, wurden über mehrere Heizperioden Gebäudedaten erfasst. Dabei wurden acht verschiedene Energiesparmaßnahmen getestet. In dieser Arbeit wird ein Überblick über die beteiligten Liegenschaften vermittelt. Die Maßnahmen werden vorgestellt und charakterisiert. Außerdem wird der Aufbau und Umgang mit der Datenbank, in welcher die Daten hinterlegt sind, beschrieben.
Die Wirksamkeit der Maßnahmen soll im Zuge dieser Arbeit bewertet werden. Dazu wurden die erfassten Daten gesichtet und auf ihre Verwertbarkeit geprüft. Bei vielen Liegenschaften wurde eine kritische Datenlage festgestellt, weshalb diese für eine nähere Betrachtung ausschieden. Das Vorgehen und die Methode der Sichtung wird näher erläutert. Dabei entstand eine Übersicht welche die Datenqualität der Gas- und Wärmemengenzähler aller beteiligten Liegenschaften darstellt. Brauchbare Datensätze wurden witterungsbereinigt und mit historischen Verbrauchsdaten verglichen. Außerdem wurden die Jahresnutzungsgrade ermittelt und der Versuch einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung getätigt. Es konnte kein Muster erkannt werden, wodurch die Wirksamkeit der Maßnahmen bestätigt werden kann. Im Gegenteil wurden sogar Mehrverbräuche festgestellt. Allerdings konnten positive Veränderungen nach Optimierung der hydraulischen Systeme festgestellt werden. Am Ende werden Anmerkungen zur Versuchsdurchführung und eventuelle Fehlerquellen benannt und diskutiert.
Verfasst von: Martin Lehmann
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Analyse von Monitoringdaten verschiedener PV-Anlagen auf dem Campus der TU Dresden
In dieser Arbeit wird die Wirkung unterschiedlicher Einflussfaktoren auf die Anlagen-Performance von Photovoltaikanlagen untersucht. Dazu werden die aufgezeichneten Monitoringdaten verschiedener PV-Anlagen auf dem Campus der TU Dresden bezüglich ihrer normierten Erträge und Anlagen-Performance ausgewertet.
Die zur Kennzahlenbildung benötigten Referenzerträge konnten in guter Genauigkeit anhand der lokalen Wetterdaten simuliert werden. Dazu wurden Modelle der Anlagen in der Software Polysun erstellt.
Den größten Einfluss auf den Ertrag haben Ausrichtung und Neigung der Module. Darüber hinaus wirken sich nahe Objekte, die für Verschattung sorgen, negativ aus. Eigenverschattung bei ausreichendem Reihenabstand kann vernachlässigt werden. Bei Fassadenanlagen fallen sowohl normierter Ertrag als auch Anlagen-Performance deutlich schlechter als bei geneigten Modulen aus. Zwei der elf analysierten Anlagen wiesen über die Jahre sinkende Kennzahlen auf.
Verfasst von: Eric Schulz
Betreut von:Dr.-Ing. Annina Gritzki, Dipl.-Ing. Dennis Thorwarth – TU Dresden, Institut für Baukonstruktion
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Energetische und wirtschaftliche Betrachtungen zum Einsatz von Wärmepumpen in Luftheiz- und Kühlsystemen
Durch regulatorische Vorgaben wird der Anteil an Niedrigstenergiehäusern in der EU weiter zunehmen. Dadurch wächst auch der Markt für die Nutzung von luftgeführten Heizsystemen.
Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, verschiedene Schaltungsvarianten von Wärmepumpen in Luftheizungssystemen als auch die Einbindung regenerativer Energien in solche zu analysieren. Dabei wird neben einer energetischen Betrachtung auch die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Maßnahmen betrachtet. Dafür wurde der Stand der Technik recherchiert und eine Marktanalyse durchgeführt. Mithilfe von Gebäude- und Anlagensimulationen fand die Berechnung der Energieverbräuche des Heizungssystems eines Referenzgebäudes statt. Hierbei wurde auch die Auswirkung der aktiven Kühlung im Sommer untersucht. Anschließend wurden die Ergebnisse untereinander verglichen und eine Betrachtung der Wirtschaftlichkeit für einen Zeitraum von 20 Jahren durchgeführt.
Die Nutzung der Fortluft als Wärmequelle der Wärmepumpe ist energetisch und wirtschaftlich die günstigste Variante. Die Einbindung regenerativer Energien ist in vielen Fällen, z.B. mit einer Solarthermieanlage zur Trinkwassererwärmung oder mit einem Erdwärmeübertrager zur Luftvorwärmung, energetisch vorteilhaft. Eine wirtschaftlich sinnvolle Einbindung regenerativer Energien kann jedoch nur mithilfe einer Photovoltaikanlage erfolgen.
Verfasst von: Paul Seeber
Betreut von: Dipl.-Ing. Stefan Hoppe
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Thermische Modellierung eines Lithium-Ionen Batteriespeichers für Wohngebäude
Im Rahmen der Arbeit wird das thermische Verhalten eines Lithium-Ionen Batteriespeichers untersucht. Der Batteriespeicher ist für die Anwendung in Wohngebäuden konzipiert und wird in einem Unternehmen entwickelt, mit dem zur Erstellung dieser Arbeit kooperiert wird.
Das thermische Verhalten wird mittels eines Simulationsprogramms zur detaillierten Betrachtung des eingeschwungenen Zustands und eines eigens entwickelten, vereinfachten Modells für die Berechnung der zeitlichen Temperaturverläufe untersucht. Der Aufbau, die Funktionsweise und die thermodynamischen Gleichungen zur Berechnung dieses Modells werden beschrieben und die Plausibilität getestet. Aus den Untersuchungen des thermischen Verhaltens zweier Konstruktionsstände unter Betrachtung verschiedener Randbedingungen sowie weiterer konstruktiver Variationen werden Empfehlungen für zukünftige Konstruktionsstände abgeleitet.
Die an einem Prototypen durchgeführten Versuche werden beschrieben und die gemessenen Temperaturen für die Validierung der Simulationen verwendet. Die getroffenen Annahmen und die Eignung des entwickelten Modells zur Abbildung der realen Temperaturverläufe werden überprüft. Die Möglichkeiten zur Anwendung des Modells und der berechneten Ergebnisse im weiteren Entwicklungsprozess des Batteriespeichers werden vorgestellt.
Verfasst von: Johannes Eckel
Betreut von: M. Hemery - Viessmann Werke GmbH & Co, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Entwicklung, Bewertung und Optimierung des energetischen Gebäudekonzeptes für eine Kindertagesstätte
Zum Entwurf des energetischen Gebäudekonzepts für die evangelische Kindertagesstätte wird vorab die Ist-Situation (Bestandsgebäude) erfasst. Es folgt eine Aufstellung der Randbe dingungen zum Erreichen der geforderten Standards des Erweiterungsneubaus, sowohl von Seiten des Auftraggebers als auch durch geltende Gesetze. Anschließend wird eine Variantenmatrix aufgestellt, um einen möglichst guten Überblick der verschiedenen Wärmeerzeugungseinrichtungen zu gewinnen, darunter
eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, eine Sole-Wasser Wärmepumpe und ein erneuerter Gas-Brennwertkessel. Weiterhin werden energetische, ökologische und ökonomische Eigenschaften bewertet, dies geschieht zu großen Teilen in einem eigens verfassten Programm auf Grundlage der DIN V 18599. Jene Aspekte bilden die Grundlage der finalen Empfehlung, welche den Abschluss des Konzepts darstellt.
Verfasst von: Jakob Reiter, Kai Ettrich
Betreut von: em. Prof. Dr. rer. nat. habil. Steffen Wagner - TU BA Freiberg, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Studienarbeit
Bewertung von Technologien zur Kühlung von Büro- und Verwaltungsgebäuden
Für Büro- und Verwaltungsgebäude, die vor allem tagsüber genutzt werden und in denen Menschen produktiv und gern arbeiten sollen, werden Kühlungskonzepte immer häufiger nachgefragt. Neben den Anforderungen an die Technologien zur Kälteerzeugung existieren dabei auch zahlreiche Herausforderungen bei der Kälteübergabe an die Orte des Bedarfs. Konvektiv können Luftströmungen Wärmeenergie aus den Räumen abführen. Diese können allerdings auch Geräuschemissionen oder Zuglufterscheinungen verursachen, die einer Verbesserung der Behaglichkeit entgegenwirken. Systeme, bei denen die Wärme auch über Strahlung abgeführt wird, lösen dieses Problem, entfeuchten die Raumluft aber oftmals nicht, wodurch wiederum das Problem der Kondensation entsteht. Gleichzeitig muss ein Luftwechsel im Raum erfolgen, um Hygieneanforderungen einzuhalten. Um die Anforderungen bestmöglich abzudecken, kann eine Bewertung der Kälteübergabesysteme vorgenommen werden. Die Vergleichbarkeit ist jedoch nur gegeben, wenn allgemeingültige Kriterien gefunden werden, die weitestgehend unabhängig voneinander betrachtet werden können. Die Arbeit geht zunächst auf die Einflussgrößen und Rechercheergebnisse für den Kühlbedarf ein. Im nächsten Schritt werden die Bewertungskriterien definiert und die betrachteten Technologien beschrieben. Als Ergebnis steht neben einem Bewertungsschema als Entscheidungshilfe für die Systemauswahl auch die Betrachtung eines Beispielgebäudes.
Verfasst von: Christoph Hübner
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Studienarbeit
Optimierung eines bestehenden Bypassventils unter Verwendung Nummerischer Strömungssimulation mittels „Mentor FloEFD“ in „PTC Creo“
Wohnungsstationen stellen eine gute Möglichkeit zur Versorgung von Wohneinheiten in Mehrfamilienhäusern mit Trinkwarmwasser dar. Bei niedrigen Vorlauftemperaturen, wie beim Einsatz von Wärmepumpen, können allerdings nicht immer oder nur mit Effizienzminderung die geforderten Trinkwarmwassertemperaturen eingehalten werden. Um dies auszugleichen, können Durchlauferhitzer zur elektrischen Nachwärmung eingesetzt werden. Dies führt allerdings zu sehr hohen Druckverlusten bei großen Warmwasserzapfmengen, wie sie unter anderem bei Komfortduschen auftreten.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung eines bestehenden Bypass-Ventils, das eingesetzt wird, um den Druckverlust bei großen Warmwasserzapfmengen zu senken. Das Ziel bestand darin eine neue Geometrie zu finden, die einen geringeren Druckverlust erzeugt und ohne Dichtung auskommt. Es sollten somit eine Leistungs- sowie eine Kostenoptimierung entstehen. Um dies zu erreichen, wurden verschiedene Ventilgeometrien mit der Simulationssoftware „Mentor FloEFD“ integriert in „PTC Creo“ untersucht und nach ihrem Druckverlust bewertet. Anschließend wurden Prototypen der besten Geometrien gefertigt und Messungen durchgeführt. Der Druckverlust konnte signifikant gesenkt und gleichzeitig die nötigen Parameter für die Funktion der Gesamtanlage eingehalten werden. Basierend auf diesen Ergebnissen entschieden die Verantwortlichen der Firma Stiebel-Eltron, dass neue Ventil in die Serienproduktion zu übernehmen.
Verfasst von: Klaas Albers
Betreut von: Alexander Janzen - STIEBEL ELTRON GmbH & Co. KG, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Projektarbeit im Fachpraktikum
Vergleichend Betrachtung zur Einbindung von Erzeugeranlagen in Digitalisierung der Gebäudeenergietechnik – Anforderungen, technischer Stand und Entwicklungspfade für Regelungsbestandteile von Energiesystemen in Gebäuden
Im Hinblick auf die Digitalisierung im Energiesektor sollen wesentliche Entwicklungspfade für die Gebäudeenergietechnik diskutiert werden. Davor werden wesentliche technische Eigenschaften und Anforderungen an die technischen Geräte und die Übertragungsstandards zur Gebäudeautomation besprochen. Außerdem werden intelligente Feldgeräte und Funktechnologien betrachtet, die aktuell zum Einsatz kommen. Bei der Diskussion über die Potentiale und Hemmnisse geht es vor allem um die zunehmende Vernetzung durch IoT. Als Potentiale haben sich die Steigerung der Energieeffizienz, die Erhöhung des Komforts und neue Konzepte herausgestellt. Die wesentlichen Hemmnisse sind die Datensicherheit, die fehlende Kompetenz im Umgang mit Big Data und Machine Learning herausgestellt. Auch die Einführung von Standards zur größtmöglichen Interoperabilität spielt eine Rolle.
Editor: Florian Emmrich
Tutor: Dr.-Ing. Martin Knorr. PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Year: 2019, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Erarbeitung eines Wartungsplanes für die Instandhaltung einer Mehrmotorenanlage
Der deutsche Strommarkt erfordert eine hoch flexible Stromerzeugung. Dresdens regionale Energieversorger, die DREWAG, setzt dies um, indem sie große Blockheizkraftwerke zur zentralen Strom- und Wärmeproduktion nutzt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es notwendige technische Grundlagen und die Technologie des neu entstehenden Blockheizkraftwerkes, sowie die notwendigen Rahmenbedingungen für den Standort Dresden-Reick zu erörtern. Anhand der vom Hersteller vorgegebenen Instandhaltungsmaßnahmen und Wartungspläne wurde ein Einsatzplan für das neue
Blockheizkraftwerk erarbeitet. Ziel dieses Planes ist eine hoch flexible, effiziente Stromerzeugung bei geringer Anfälligkeit für Betriebsstörungen.
Verfasst von: Martin Herlt
Betreut von: Klaus Höhnel - DREWAG. Dipl.-Ing. Jan Löser
Jahr: 2019, Projektarbeit im Fachpraktikum
Nutzung von Solarthermie und Wärmepumpen zur Fernwärmeversorgung im Sommer
Zur Untersuchung der Vor- und Nachteile regenerativer Wärmeerzeuger in der Fernwärmeversorgung vergab DNV GL Energy Advisory GmbH die Aufgabenstellung dieser Projektarbeit im Fachpraktikum. Es werden am Markt verfügbare Solarkollektoren und Wämepumpen zur Substitution erdgasbetriebener Anlagen untersucht. Die Wärmeerträge der einzelnen Wärmeerzeuger werden berechnet. Die Wärmebedarfsauswertung eines realen Wärmenetzes erlaubt die Auslegung von Anlagen mit diesen Wärmeerzeugern auf die Sommerlast. Drei Anlagen mit verschiedenen Speichergrößen werden für jeden regenerativen Wärmeerzeuger betrachtet. Es zeigt sich, dass die Anlagen keine Primärenergie- oder Emissionseinsparungen bringen, wenn die Wärme einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage verdrängt wird. Wird ein Heizkessel ersetzt, werden 3 bis 13 % der nicht erneuerbaren Primärenergie eingespart. Die Emissionseinsparungen der Solaranlagen betragen ca. 3 %. Die meisten Wärmepumpen verursachen mehr Emissionen, als der Heizkessel. Nur die Hälfte der Anlagen ohne Speicher sind wirtschaftlich. Mit Speicher rentieren sich die Solaranlagen nicht. Bei den Wärmepumpen haben die Speicher kaum einen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit.
Verfasst von: Julia Meierkord
Betreut von: Dr.-Ing. Robert Huhn – DNV GL GmbH, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2019, Projektarbeit im Fachpraktikum
Untersuchungen des Langzeitverhaltens unterschiedlicher PV-Anlagen an einem Standort
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Langzeitverhaltens der drei unterschiedlichen Photovoltaikanlagen, welche seit Juni 2010 am Zentrum für Energietechnik betrieben werden.
Im Fokus der Analyse stehen die auf das Verhalten der Teilanlagen beobachtbaren Folgen der unterschiedlichen Einstrahlungs- und Verschattungssituationen. Die Auswertung wird aus drei Perspektiven betrachtet und soll eine Aussage hinsichtlich Degradation und Schwachstellen der Anlage ermöglichen. Anhand der messdatenbasierten Erträge, die durch das professureigene Datenbanksystem DATA gesammelt werden, wurde eine Analyse der realen flächenspezifischen Erträge der Stränge durchgeführt. Neben der jahres- und langzeitlichen Ertragsauswertung wurden auch die Daten der Einstrahlungssensoren in den unterschiedlichen Kollektorebenen und der Modultemperatursensoren der Fassadenanlage ausgewertet. Die gesamte Anlage wurde zum Zwecke einer Ertragssimulation in dem Programm Polysun Designer der Firma Vela Solaris abgebildet. Dabei wurden die teilanlagen- und strangspezifischen Verschattungssituationen, die durch angrenzende Gebäude, Bäume und Modulreihen entstehen, berücksichtigt. Zur Erfassung der elektrischen Kenngrößen der Stränge erfolgte eine Kennlinienmessung mithilfe des Kennlinienmessgerätes der Firma h.a.l.m. electronik GmbH. Die erhaltenen Größen wurden mit den Herstellerangaben der Module verglichen, während die Kennlinien auf Auffälligkeiten untersucht wurden.
Abschließend wurden Empfehlungen für den weiteren Betrieb der Anlage formuliert.
Verfasst von: Caroline Julia Rentzsch
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2019, Studienarbeit
Quartierenergiemanagementsystem (QEMS) – Dimensionierung der Wärmeversorgung von Quartieren
Vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels rückt die Versorgung von Gebäuden mit Strom und Wärme in den Fokus. Ein Clustering vieler Einzelgebäude zu einem Quartier bietet vielversprechende Möglichkeiten bei der Abkehr von fossiler Energieinfrastruktur hin zu regenerativer, lokaler und wirtschaftlicher Energieversorgung. Die Trennung zwischen Strom- und Wärmeversorgung ist dabei nicht zukunftsweisend, vielmehr müssen die einzelnen Elemente unter Nutzung der Sektorkopplung als ganzheitliches Energiesystem betrachtet werden. Die Optimierung
des Anlagenbetriebs stellt dabei zusätzliche Effizienz- und Gewinnsteigerungen in Aussicht. Bei der Planung der Quartiere spannt sich jedoch ein enormer Lösungsraum an Betriebsmitteln auf; ebenfalls ist unklar, ob und wie die Berücksichtigung der Regelung des Systems bei der Auslegung Einfluss nimmt.
Das im Rahmen dieser Diplomarbeit entwickelte Quartierenergiemanagementsystem (QEMS) schafft eine Simulations- und Optimierungsumgebung, um diese Fragestellungen zu bearbeiten. Mithilfe eines genetischen Algorithmus optimiert das QEMS die Dimensionierung eines Energiesystems. Zu diesem Zweck greift das QEMS auf in dieser Arbeit erstellte physikalische Modelle verschiedener Energiekomponenten zurück, welche automatisch zu einem Gesamtmodell beliebiger Energiesysteme
verknüpft werden. Für die Bewertung einer ausgewählten Systemdimensionierung führt das QEMS dynamische Simulationen des Systems aus, welches das QEMS gleichzeitig mithilfe einer modellprädiktiven Regelung, englisch „model predictive control" (MPC), im Betrieb optimiert. Das QEMS optimiert auf diese Weise sowohl Technologieauswahl und Dimensionierung, als auch die Betriebsstrategie eines Energiesystems.
Dabei liegt die Vermutung nahe, dass die Berücksichtigung der Betriebsstrategie Einfluss auf die Dimensionierung eines Quartierenergiesystems nimmt. Die Arbeit überprüft diese These durch Identifikation und gezielte Variation geeigneter Reglerparameter der MPC.
Durch die Optimierung des Energiesystems eines fiktiven Beispielquartiers zeigt sich, dass ein Einfluss der Betriebsstrategie auf das Optimierungsergebnis erkennbar ist. Im Rahmen der Arbeit ist es zu früh, allgemeingültige Aussagen über diesen Einfluss zu treffen; zu diesem Zweck sind entsprechende Folgeuntersuchungen nötig.
Verfasst von: Lukas Hoffmann
Betreut von: Lukas Ruck – IAV GmbH, Dr. rer. nat. Peter Stange
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Energetische Betrachtung für die Optimierung der Druckluftversorgung für den GSK Standort Dresden
Im Rahmen der Projektarbeit wurde die Drucklufterzeugung am Standort Dresden untersucht. Dabei wurden die Daten aus den eingebauten Zählern und Messpunkten aufgenommen, aufbereitet und ausgewertet.
Das Druckniveau kann nach umfassender Untersuchung aufgrund der validierten Prozesse sowie der Nutzeranforderung einzelner Verbraucher nicht verringert werden. Die Messergebnisse der Druckluftmenge zeigen, dass die Druckluftanlagen überdimensioniert sind und die Anlagen über 50% der Zeit im Teillast- oder Leerlaufbetrieb fahren. Da die Frequenzregelung der Kompressoren nur im Bereich von 50-100% stufenlos arbeitet, laufen die Verdichter vor allem in der Nacht und am Wochenende im Taktmodus.
Mit diesen Ergebnissen konnte die Schlussfolgerung getroffen werden, dass ein energetisch günstiger Grundlast-Kompressor weiterhin die 9,5 bar Druckluft liefern sollte und einen Volumenstrom von max. 450 mN³/h aufbringen sollte.
Damit wurde bei verschiedenen Druckluftkompressorenherstellern nach einer geeigneten Alternative gesucht und für den ausgewählten Schraubenkompressor der Firma Boge ein Implementierungsvorschlag ausgearbeitet.
Verfasst von: Theresa Ettingshausen
Betreut von: André Petters – GSK GmbH & Co. KG, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Vergleichende energetische und wirtschaftliche Betrachtungen zum Einsatz von Gas-Wärmepumpen
Eine Gaswärmepumpe zählt zu den neuen und jungen Technologien, die erneuerbare und fossile Energieträger kombinieren und effizient zum Heizen nutzen. Eine Marktanalyse wurde durchgeführt, um die Verkaufssituation von Gaswärmepumpen im Wärmemarkt zu ermitteln. Für die energetische Bewertung von Gaswärmepumpen wurden die relevanten Normen und Richtlinien beschrieben und die Kennzahlen zur Beurteilung der Effizienz einer Gaswärmepumpe abgeleitet. Um das Energieeinsparpotential von Gaswärmepumpen zu prüfen, wurde der Einsatz von Gaswärmepumpen in Wohn- und Gewerbeimmobilien anhand EnEV-Software Solar-Computer betrachtet und mit konventionellen Anlagenvarianten verglichen. Mit Hilfe der Sensitivitätsanalyse waren wesentliche Einflussgrößen auf den optimierten Betrieb herauszuarbeiten. Eine Gaswärmepumpe ist keine kleine Investition, darum erfolgte eine Wirtschaftlichkeitsuntersuchung für Gaswärmepumpen. Trotz des hohen Nutzungsgrads der Gaswärmepumpen gibt es im Vergleich zu anderen Heizungstechniken keinen wirtschaftlichen Vorteil.
Verfasst von: Jiaqi Yuan
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2019, Diplomarbeit
Sommerliche Raumkühlung – Möglichkeiten des Einsatzes von Photobioreaktoren
Photobioreaktoren (PBR) als Fassadenpaneele können einen Beitrag zur umweltfreundlichen Energieversorgung von Gebäuden leisten. Sie erschließen als eine der ersten Technologien die Fassaden- und Fensterflächen von Gebäuden als Energiequelle.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Anwendung der Photobioreaktor-Technologie innerhalb der energetischen Erzeuger- und Verbraucherstrukturen im Verwaltungsgebäude der Ohra Energie GmbH betrachtet. Es wurden verschiedene Nutzungskonzepte für Wärme- und Biomasseerträge im Zusammenspiel mit den bestehenden Anlagen zur Beheizung und Kühlung des Gebäudes untersucht.
Hierbei ist die Nutzung von Biogas auf Basis der anfallenden Algenbiomasse u.a. zur Wärme- und Strombereitstellung in Blockheizkraftwerken und Brennstoffzellen oder in Verbrennungsmotoren zum Antrieb von Kraftfahrzeugen unproblematisch möglich.
Die Verwertbarkeit der größtenteils im Sommer anfallenden Wärme, die den größten Teil der energetischen Erträge einer PBR-Anlage ausmacht, stellt jedoch eine Herausforderung dar. Hier wurde eine Nutzung zu Kühlungszwecken untersucht. Im betrachteten Ist-Zustand erfolgt die Wärmebereitstellung jedoch durch ein Blockheizkraftwerk, dessen Wirtschaftlichkeit durch die PBR-Anlage nicht erreicht werden kann.
Insgesamt ist daher eine wirtschaftliche Integration einer Photobioreaktor-Anlage in die untersuchten, bestehenden energietechnischen Strukturen der Ohra Energie derzeit noch nicht möglich.
Für potenzielle Folgeprojekte mit neu konzipierten Anlagen zur Wärme- und Kältebereitstellung können Photobioreaktoren allerdings eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Wärmequellen darstellen. Sowohl bei Konstruktion und Betriebsführung als auch bei der Einbindung von PBR in Energieversorgungssysteme besteht noch großes Optimierungspotential.
Verfasst von: Andreas Kaden
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke, Dipl.-Ing. Markus Arendt
Jahr: 2019, Studienarbeit
Untersuchungen zum thermischen und elektrtischen Ertrag eines hybriden
Photovoltaik-Solarthermie (PW)-Kollektors in der Fassade
Die Kombination von Photovoltaik (PV) und Solarthermie (ST) in einem hybriden (PVT)-Kollektor ermöglicht durch die aktive Kühlung der PV-Zellen eine Steigerung des Zellwirkungsgrades ηel. Die abgeführte Wärme eignet sich für Niedertemperaturanwendungen. Durch die Verbindung beider Technologien in einem Kollektor wird der Platzbedarf gesenkt. In der vorliegenden Arbeit wird ein am Institut für Baukonstruktion (IBK) der Technischen Universität Dresden entwickelter, unabgedeckter, ungedämmter PVT-Flachkollektor mit einem Glas-Glas-Modul mit Dünnschichtzellen und einem Wärmeträgerblech aus Aluminium untersucht. Dieser wird als hinterlüftetes Element in die Gebäudefassade integriert. Ein Simulationsmodell des Kollektors wird mit der Software Delphin 5.9 erstellt. Durch Variation energetischer Einflussgrößen wird ein optimaler Kollektoraufbau und -betrieb abgeleitet. Wichtige Einflussgrößen sind der Volumenstrom und die Eintrittstemperatur des Wärmeträgerfluids sowie der Durchmesser und Abstand der Wärmeträgerrohre. Der Einfluss der Hinterlüftung ist gering, eine rückseitige Wärmedämmung des Kollektors ist nicht erforderlich. Die Parameter der Kollektorkennlinie werden nach DIN EN ISO 9806 bestimmt. Der optische Wirkungsgrad η0 liegt bei 0,486 und ist vergleichsweise niedrig. Die elektrischen und thermischen Erträge bei Systemeinbindung des Kollektors werden mithilfe der Software Polysun im Jahresverlauf ermittelt. Bei Betrieb des Kollektors am Freibewitterungsteststand des IBK können thermische Erträge von 303,4 kWhth/(mKoll²a) bei einer mittleren Austrittstemperatur von 9 °C und elektrische Erträge von 87,85 kWhel/(mKoll²a) erwartet werden. Im Vergleich mit ungekühlten PV-Zellen ist der elektrische Ertrag des PVT-Kollektors um 4,55 % höher. Bei Einbindung von PVT-Kollektoren in den Erdsondenkreislauf einer Erdwärmepumpe kann die Niedertemperaturwärme der Kollektoren zur Entlastung und Regeneration des Erdreichs genutzt werden.
Verfasst von: Charlotte Vivian Ahrens
Betreut von: Dipl.-Ing. Christian Popp, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Energetische Betriebsanalyse und -optimierung von gebäudetechnischen Anlagen und Teilsystemen am Beispiel des „Schul- und Sportzentrums Lohr am Main“
Die nachhaltige und energieeffiziente Energieversorgung entwickelt sich insbesondere im Gebäudeenergiesektor zunehmend zu einem zentralen Thema der heutigen Gesellschaft. In dem Zusammenhang nimmt die Bedeutung der Integration von intelligenten Energiemanagement- sowie umfassenden Datenmonitoringsystemen zu. Derartige Systeme helfen Anlagenplanern und -betreibern, sowohl die Energieerzeugung als auch den Energieverbrauch eines Gebäudes oder Gebäudekomplexes energieeffizient zu gestalten und im laufenden Betrieb stetig zu optimieren. Dieser Ansatz wurde u.a. unter Mithilfe der TU Dresden an einem praktischen Referenzobjekt umgesetzt. Im Rahmen einer energetischen Generalsanierung erfolgten umfangreiche Maßnahmen (gebäude- und anlagentechnisch) für eine nachhaltige Energieversorgung des Schul- und Sportkomplexes in Lohr am Main. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, die anlagentechnischen Komponenten bzw. durchgeführten Sanierungsmaßnahmen im wärmeerzeugenden Teilsystem näher zu beleuchten, die IST-Situation des Anlagenbetriebs in Form einer energetischen Ausgangsbasis aufzustellen und daraus folglich mögliche Verbesserungsansätze für eine Betriebsoptimierung abzuleiten. Das untersuchte Teilsystem besteht aus mehreren Wärmepumpen, einem BHKW, zwei Gasbrennwertkesseln sowie zwei Solarabsorberfeldern und einem Schichtwärmespeicher. Die Diplomarbeit liefert sowohl einen theoretischen Handlungsleitfaden (basierend auf einer Recherche zu gängigen Normen) zur Durchführung einer energetischen Betriebsanalyse und Betriebsoptimierung als auch deren Anwendung anhand des praktischen Referenzobjektes. Die Ergebnisse der Analysen sowie die berechneten Energiekenngrößen und Effizienzen der Einzelsysteme sowie des Gesamtsystems der Wärmeerzeugung werden mittels geeigneter Visualisierungen dargestellt. Im Ergebnis liefert das Teilsystem eine gute Energieeffizienz, weist aber an einigen Stellen durchaus Verbesserungsmöglichkeiten auf. Die jeweilig aufgedeckten Optimierungsansätze werden in einem Maßnahmenkatalog zusammengefasst und könnten zukünftig in Absprache mit den Planern und Betreibern Anwendung finden.
Verfasst von: Stefan Rüdiger
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Kaiser
Jahr: 2019, Diplomarbeit
2018
Erstellung eines Elektromobilitätskonzepts für eine Gemeinde unter Einbeziehung der energiepolitischen Relevanz und der technischen Umsetzbarkeit
Um die negativen Umweltauswirkungen des Verkehrs zu reduzieren und gleichzeitig die steigenden Mobilitätsbedürfnisse zu erfüllen, müssen nachhaltige Mobilitätskonzepte für den Personenverkehr entwickelt werden. Diese sollen Maßnahmen zur Reduktion der spezifischen Emissionen, Verkehrsvermeidung, -verlagerung und -optimierung kombinieren.
Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist es, Mobilitätskonzepte unter Einbeziehung von Elektromobilität zu entwickeln, die an unterschiedliche städtebauliche, verkehrliche und demografische Randbedingungen angepasst sind. Dafür wird zunächst die energiepolitische Relevanz von Elektromobilität anhand des energiepolitischen Zieldreiecks validiert. Voraussetzung für die Einbeziehung von Elektromobilität ist deren technische Umsetzbarkeit, die bezüglich der Leistungsfähigkeit von Elektroautos und Ladeinfrastruktur untersucht wird.
Anschließend werden für drei Raumtypen Mobilitätskonzepte erstellt, deren Maßnahmen für die jeweiligen Randbedingungen das größte Potenzial haben, den verkehrsbedingten Energieverbrauch und die verkehrsinduzierten Emissionen zu minimieren. Nach der Erstellung eines Mobilitätskonzepts für die Gemeinde Leingarten wird dieses energiepolitisch bewertet, indem auf Grundlage regionalstatistischer Daten die Umweltauswirkungen simuliert werden.
Verfasst von: Juliane Schanze
Betreut von: Tomislav Boras – ZEAG Energie AG, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018
Untersuchungen zur Einbindung von Solarthermieanlagen in ein Fernwärmenetz des Bestandes
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Einbindung von solarthermischen Anlagen (STAs) in ein Bestandsnetz von 1993 mit einer Anschlussleistung von 3,4 MW und 19 Abnehmern simulativ untersucht. Die Auswertung zuvor aufbereiteter Messdaten ergab im Mittel Netzvorlauftemperaturen von 80 °C und Rücklauftemperaturen von 61 °C. Der Differenzdruck am zentralen Erzeuger beträgt im Mittel 1 bar. Eine Potenzialanalyse ergab ein negatives Ergebnis für die Freiflächen im Netzareal, resultierte aber in Abnehmerdachflächen von insg. 15 000 m², die für die Installation von STAs geeignet sind.
In einer Simulationsstudie wurden acht Systemvarianten miteinander verglichen, die in Bezug auf Einspeisepunkt, Bruttokollektorfläche A_K,brutto, Kollektorneigung, -ausrichtung, Stationskonzept und Speichernutzung variieren und sich in vier Gruppen einteilen lassen: ST - Einspeisung mit A_K,brutto = 250...320 m², SP - Einspeisung mit 50 m³-Speicher und A_K,brutto = 1000…2000 m², SPN - Einspeisung mit Zieltemperaturanhebung und A_K,brutto = 1000…2000 m², ST-TWE - lokale TWE-Unterstützung bei 17 Abnehmern ohne Einspeisung und A_K,brutto,ges = 354 mm². Die Simulation ergab, dass ST -Varianten mit A_K,brutto = 250 . . . 380 m² bereits solare Deckungsgrade von ca. 2% bei nur 10 Stagnationstagen erzielen können. Die ST-TWE-Variante erreicht einen äquivalenten solaren Deckungsgrad von 3,6 %. Für die SP/-N-Varianten hat die Simulation ergeben, dass sie mit 78 bis 186 Stagnationstagen pro Jahr für Netz- und Speichergröße eindeutig überdimensioniert sind. Es konnte allerdings gezeigt werden, dass für Netze dieser Größenordnung solare Deckungsgrade größer 5 % energetisch realisierbar sind. Die Zieltemperaturanhebung der SPN-Varianten zeigte, dass ein Speicher bei geringer Ertragsminderung eingespart werden kann. Aus einer ersten Kostenabschätzung geht hervor, dass nur die Wärmegestehungskosten einiger ST-Varianten unter dem Wärmepreis 68,56 €/MWh des Netzes liegen. Mithilfe verschiedene Förderprogramme und Skalierungseffekte können aber auch die anderen Varianten diese Marke erreichen. Grundsätzlich stellten die Südwest-Systeme die kosteneffizienteren Varianten dar.
Verfasst von: Kaspar Konrad
Betreut von: Dipl.-Ing. Sven Paulick, Dipl.-Ing. Christoph Schroth, Dipl.-Ing. Matthias Mehnert – WVR GmbH, Dr.-Ing. Helmut Adwiraah – Averdung Ingenieurgesellschaft mbH
Jahr: 2018 , Diplomarbeit
Phänomenologische Abbildung eines Latentwärmespeichers und modellgestützter Entwurf einer bedarfsgerechten Heizungsregelung
Im Projekt Heat2Go, des Fraunhofer IVI, wird eine Latentwärmespeicherheizung entwickelt, um elektrische Stadtbusse im Winter emissionsfrei ohne Einschränkungen der Reichweite zu beheizen. Im Rahmen dieses Projekts wird ein Simulationsmodell der Wärmespeicherheizung in MATLAB-Simulink entwickelt. Darauf aufbauend wird eine bedarfsgerechte Steuerung entworfen. Das Modell setzt sich aus den Teilmodellen Innenraum, Heizungskreislauf und PCM-Wärmespeicher zusammen. Für den
PCM-Speicher, welcher elektrisch beladen und hydraulisch entladen wird, erfolgt eine
Ladezustandsanalyse. Das Innenraummodell wird hinsichtlich seines Wärmedurchgangskoeffizienten und seiner thermischen Kapazitäten anhand von Messdaten validiert. Fortführend wird am Innenraummodell der Wärmebedarf des Busses untersucht. Exemplarisch wird die Steuerung an einem realen Fahrzyklus, für unterschiedliche Umgebungstemperaturen getestet. Außerdem erfolgt eine Kopplung des erstellten thermischen Modells, mit einem elektrischen Modell eines Busses. Mit diesem kann eine Nutzungsgradoptimierung des PCM-Speichers, unter Verwendung von Rekuperationsenergie, geprüft und dessen Auswirkungen auf die zyklische Lebensdauer der Traktionsbatterie betrachtet werden.
Verfasst von: Daniel Scholz
Betreut von: Dipl.-Ing. Stefan Kuitunen – Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Messung der Temperaturverteilung eines großen atmosphärischen Wärmespeichers – Aufbereitung und Auswertung der Daten
Ein großer atmosphärischer Warmwasserspeicher wurde neben der für die Betriebsführung notwendige Standardsensorik mit faseroptischer Temperaturmesstechnik (DTS - Distributed Temperature Sensing) ausgestattet. Diese Arbeit beschäftigt sichmit der Auswertung der Daten aus der faseroptischen Temperaturmessung zur Untersuchung der vertikalen Temperaturverteilung
im Speicher, insbesondere in Bezug auf den Übergangsbereich zwischen heißer und kalter Schicht. Weiterhin wird die Temperaturverteilung unterhalb des unteren Diffusors mit Hilfe eines horizontalen Messabschnittes untersucht. Dazu werden zunächst die Daten der für die Betriebsführung notwendigen Standardsensorik aufbereitet und auf die Zeitpunkte der DTS-Messung interpoliert. Anschließend werden die DTS-Daten kalibriert und hinsichtlich ihrer Lage im Speicher zugeordnet. Hierfür werden markante Punkte des DTS-Aufbaus des horizontalen und vertikalen Messaufbaus identifiziert.
Es folgt eine Visualisierung der Daten in einer animierten Darstellung. Aus dieser werden typische sowie markante Betriebssituationen ausgewählt und beschrieben.
Verfasst von: Jana Reichelt
Betreut von: Dipl.-Ing. Andreas Herwig
Jahr: 2018, Studienarbeit
Erstellung/Erarbeitung eines internen Energie-Kommunikationskonzepts für das Werk 40 unter Beachtung der Anforderungen aus ISO 50001
Für eine erfolgreiche Energiewende in Europa und maximale Energie-Effizienzsteigerungen müssen die Mitarbeiter in einem Unternehmen mit eingebunden werden. Ohne diese Verknüpfung wird nicht das komplette Potenzial der Reduzierung des Energieverbrauchs ausgeschöpft. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit ein Energie-Kommunikationskonzept für das Mercedes-Benz Werk Berlin erstellt. Die Ziele sind die Erfüllung der Kommunikationsforderungen nach DIN EN ISO 50001, Entwicklung von aussagekräftigen Energiekennzahlen sowie die Stärkung des Energiebewusstseins im Produktionsbereich.
Durch quantitative und qualitative Mitarbeiterinterviews verschiedener Personengruppen werden die Anforderungen an die Energiekommunikation in den Produktionshallen, die als energieintensivste Bereiche im Werk gelten, erarbeitet. Für eine wirksame Berichterstattung im Produktionsbereich werden neue Energiekennzahlen entwickelt, die das Energieverständnis erhöhen sollen. Weiterhin werden mögliche Maßnahmen der Mitarbeiter zur Energieeinsparung und Verbesserung der Kennzahlen vorgestellt. Letzter Forschungsgegenstand ist die Erarbeitung eines internen Energie-Kommunikationskonzepts für den Produktionsbereich.
Die Befragungen der Mitarbeiter in der Produktion ergaben eine Notwendigkeit der Verbesserung der Energiekommunikation. Aktuellere Informationen über Energieverbräuche mit kurzzeitigen Berichts-Intervallen sowie nachvollziehbare Energiekennzahlen sind gewünscht. Das Energieberichtswesen wurde um monatliche Hallenberichte sowie einen Wochenbericht für eine Pilot-Kostenstelle erweitert. In diesem Zusammenhang wurden drei neue Energieeffizienzkennzahlen entwickelt, die eine verursachungsgerechte Zuordnung des Stromverbrauchs pro Kostenstelle ermöglichen und als Steuerungsinstrument dienen können. Dadurch wird eine schnellere Handlungsmöglichkeit zur Verbrauchsreduktion durch die Mitarbeiter geschaffen. Schlussendlich ist ein Energie-Kommunikationskonzept für den Produktionsbereich entstanden, das den Anforderungen der ISO 50001 aus dem Jahr 2011 und dem revidierten Norm-Entwurf von 2017 genügt.
Verfasst von: Fabian von Bienenstamm
Betreut von: Andreas Klotz – Daimler AG, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Wärmepumpen und Kraft-Wärme-Kopplung – eine sinnvolle Kombination?
Die Verbindung von Wärmepumpen und Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung in einer
gemeinsamen Anlage ist eine derzeit eher selten angewandte Kombination für
Energieerzeugungssysteme. Die vorliegende Arbeit untersucht mögliche Einsatzgebiete und betriebliche Anforderungen dieser Kombination. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf Kompressions-Wärmepumpen (WP) und motorisch betriebenen Blockheizkraftwerken (BHKW).
Zu Beginn werden verschiedene Anlagenkonzepte einer Verbindung von WP/BHKW vorgestellt und bereits umgesetzte Projekte diskutiert. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Kombination mit dem Programm Polysun simuliert. Es wird auf Varianten zur Auslegung der Anlagenkomponenten und den Einsatz thermischer und elektrischer Speicher eingegangen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Analyse des Betriebsverhaltens der beiden Energieerzeuger. Hieraus werden mögliche Regelstrategien abgeleitet.
Es zeigt sich, dass sich für die Anwendung einer Kombination WP/BHKW vielfältige
Einsatzvarianten ergeben, hierzu zählen vor allem Objekte mit einem kombinierten Bedarf an Wärme, Strom und Kälte. Denkbar ist eine Anwendung beispielsweise für Wohnquartiere, Bürogebäude und öffentliche Einrichtungen, aber auch für größere Mehrfamilienhäuser. Es wird jedoch klar, dass sich durch die Kombination hohe Anforderungen an die Anlagenplanung, Betriebsführung und Regelung ergeben und zudem die erhöhten Investitionskosten durch Einsparungen im Betrieb ausgeglichen werden müssen.
Verfasst von: Jonay Brandel
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Studienarbeit
Entwurf einer Benchmarking-Methodik zur Bewertung der technischen Strukturbausteine eines Gesamtenergiesystems mit hohen Anteilen regenerativer, volatiler Einspeisung am Beispiel des BMWi-Förderprogramms WindNODE
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Benchmarking-Methodik für WindNODE, ein Pilotprojekt zur Demonstration der Funktionsweise eines Energiesystems mit hohen Anteilen volatiler Stromerzeugung im Rahmen des BMWi-Förderprogramms SINTEG („Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende“). In einer Benchmarking-Studie sollen die technischen und wissenschaftlichen Ergebnisse des Projektes mittels eines qualitativen Vergleichs im
europäischen Rahmen validiert und internationale Weiterverwertungschancen eruiert werden. Da das traditionelle Benchmarking nach Robert C. Camp sich ausschließlich auf den Kontext eines marktwirtschaftlich operierenden Unternehmens bezieht und auch Abwandlungen dieser ursprünglichen Methodik, wie zum Beispiel das von Patricia Keehley und Neil Abercrombie entwickelte Benchmarking für gemeinnützige Organisationen, den Rahmenbedingungen eines thematisch sehr komplexen Pilotprojektes nicht gerecht werden können, besteht die Aufgabe dieser Arbeit darin, die Prozessschritte des Benchmarkings an die thematischen und organisatorischen Besonderheiten sowie die zeitlichen Einschränkungen des WindNODE-Projekts anzupassen und innerhalb dieser neuen Methodik einen qualitativen statt des traditionell üblichen, kennzahlenbasierten Vergleichs zu ermöglichen.
Die Anpassung und Ausgestaltung dieser neuen Benchmarking-Methodik beinhaltet die Entwicklung geeigneter qualitativer Metriken, die sowohl den starken Systembezug der Projektaktivitäten von WindNODE berücksichtigen (Systemmetriken) als auch eine vereinheitlichte Bewertung einzelner Lösungskonzepte bzw. Praktiken ermöglichen (Konzeptmetriken). Um den qualitativen Charakter des Vergleichs zu wahren, werden die Metriken als Skalen mit einer Reihe erreichbarer Zustände definiert, die von einem Referenzrahmen abgeleitet werden, der unterschiedliche Erreichungsgrade der Energiewendeziele beschreibt. Zur Berechnung der Leistungslücke werden die Skalenzustände mit aufsteigenden Rangzahlen bezeichnet und anschließend die Differenz zwischen dem Zustandswert des Benchmarking-Objekts und dem des Benchmarking-Partners gebildet. Je nach Ausprägung der Leistungslücke (positiv, negativ oder Gleichheit) ergeben sich unterschiedliche Formen des Handlungsbedarfs.
Außerdem wird die Methodik um Auswahlkriterien für Benchmarking-Partner ergänzt, die durch die Verfolgung sowohl eines konzeptbasierten als auch eines systembasierten Ansatzes eine möglichst vollständige Abdeckung aller für das WindNODE-Benchmarking relevanter Themen gewähren sollen. Die Methodikentwicklung schließt mit der Aufstellung eines Handlungsschemas für die Durchführung aller notwendigen Teilstudien zur Erstellung des WindNODE-Benchmarkings. Anschließend wird die
Methodik im Rahmen einer Teststudie mit dem beispielhaften Benchmarking-Partner Smart Grid Gotland auf ihre Funktionalität überprüft.
Die Teststudie zeigt, dass sich die Benchmarking-Methodik in der gewünschten Weise anwenden lässt und zur Erstellung der WindNODE-Benchmarking-Studie verwendet werden kann. Vorsicht ist bei der Kommunikation der Benchmarking-Ergebnisse geboten, um eventuelle Missverständnisse bezüglich der qualitativen und vereinfachenden Natur des Vergleichs sowie seines maßgeblichen Zwecks (Validierung
der Ergebnisse bzw. Indikation von Chancen und Problemfeldern) zu vermeiden. Für ähnliche Vorhaben wird aufgrund des signifikanten Zeit- und Arbeitsaufwands, der für den Durchführenden des Benchmarkings entsteht, die Überprüfung weiterer Controlling- bzw. Qualitätsmanagementwerkzeuge empfohlen, zumindest aber eine ebenso sorgfältige Anpassung der Benchmarking-Methodik an die individuellen
Rahmenbedingungen des eigenen Benchmarking-Objekts wie hier an die des WindNODEProjekts.
Verfasst von: Wiebke Kraeft
Betreut von: M. Graebig, WINDNODE / 50 Hertz, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Technisch-wirtschaftlicher Vergleich solar unterstützter Wärmeversorgungssysteme für Quartiere
Sinkende Wärmebedarfe infolge steigender Anforderungen an die Gebäudedämmung führen zu abnehmenden Wärmebedarfsdichten in Quartieren. Weiterhin erfordern umweltpolitische Ziele eine Reduktion von Treibhausgas-Emissionen in der Wärmeversorgung.
Vor diesen Hintergründen untersucht die vorliegende Arbeit Möglichkeiten der solar unterstützten Wärmeversorgung für Quartiere unter Einsatz von LowEx-Wärmenetzen (Niedrigtemperatur-Wärmenetzen). Es werden zwei Quartiere unterschiedlicher Wärmebedarfsdichten betrachtet. Eins der Quartiere zeichnet sich durch Mehrfamilienhaus-Bebauung im urbanen Kontext aus, wogegen das andere von Einfamilienhäusern im ländlichen Raum geprägt ist.
Für beide Quartiere werden zu diesem Zweck je zwei verschiedene Versorgungskonzepte entworfen. Eines der Konzepte setzt dabei jeweils auf eine solare Wärmebereitstellung durch Solarthermie-Anlagen, während im anderen Konzept Photovoltaik-Anlagen in Kombination mit Kompressionswärmepumpen zum Einsatz kommen.
Der Vergleich der Konzepte erfolgt auf Basis von Simulationsergebnissen aus der Software Polysun Designer. Es werden technische, energetische, ökologische und ökonomische Aspekte der Versorgungslösungen diskutiert.
Verfasst von: Peter Scheer
Betreut von: Dr. Tilman Werner, Dipl.-Ing. Katja Weinhold (DREWAG Stadtwerke Dresden GmbH), Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Vergleichende Betrachtung zu Wärmepumpenanwendungen in Gebäuden
In dieser Arbeit wird die zukünftige Rolle der Wärmepumpen untersucht. Es wird zunächst eine Übersicht über die zu erreichenden Klimaziele gegeben, danach werden die (anhand dieser Ziele) erstellten Zielszenarien mit den Trendszenarien, die eine realere Entwicklung darstellen, verglichen. Als Ergebnis dieses Vergleichs werden die resultierenden Anteile der Wärmepumpen an der Gesamtwärmeversorgung identifiziert und diskutiert. Im nächsten Teil der Arbeit werden die verschiedenen Wärmepumpenarten und –technologien dargestellt. Dabei wird auf die elektrisch betriebenen Wärmepumpen konzentriert. Hier soll gezeigt werden, für welche Bauarten eine führende Rolle prognostiziert wird und für welche Wärmepumpenarten eher mit einem Nischenpotenzial zu rechnen ist. Die Auswertungen konzentrieren sich auf den Gebäudesektor. Im letzten Teil der Arbeit werden konkrete Anwendungsszenarien für Wärmepumpen definiert. Hier werden anhand geeigneter Referenzfälle die für die Zukunft relevanten Wärmepumpenarten miteinander und mit konventionellen fossilen Wärmeerzeuger verglichen mit dem Ziel, den Beitrag der Wärmepumpen zur Minimierung der Klimawirkungen (Primärenergie- und Treibhausgasminderung) in konkreten Anwendungsfällen des Gebäudesektors zu quantifizieren.
Verfasst von: Boglárka Johanna Braunitzer
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Numerische Analyse und Gegenüberstellung von Kreuzdrallrohren mit konventionellen Rohren in Rohrbündelwärmeübertragern
In der vorliegenden Arbeit wurde mittels numerischer Simulation der Wärmeübergang und Druckverlust bei der Innen- und Außenströmung von Kreuzdrallrohren untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Strukturierung der Wandoberfläche zu einer wesentlichen Verbesserung des Wärmeübergangs gegenüber Glattrohren führte. Gleichzeitig wurde bedingt durch die höheren Rohrreibungsbeiwerte ein erhöhter Druckverlust bestimmt. Für die Simulationen wurde das SST-Turbulenzmodell verwendet, mit dem die Tendenzen der experimentellen Ergebnisse aus der Literatur nachgewiesen werden konnten.
Verfasst von: Alexander Bouguila
Betreut von: Dipl.-Ing. Torben Möller – G.A.M. HEAT GmbH, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Vergleichende Betrachtungen von Methoden zur Bestimmung der Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpen
Arbeitszahlen von Wärmepumpen beschreiben wie effizient Nutzwärme unter Aufwendung von Hilfsenergie in einem betrachteten Zeitraum bereitgestellt werden kann. Die mit prognostischen Verfahren ermittelten Arbeitszahlen weichen oft von den Resultaten unter Realbedingungen ab. Während der Planung sind voraussehbare Effizienzwerte hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit für Investoren und Förderprogramme essentiell. Diese Projektarbeit untersucht im Zuge dessen die Verfahren der drei Normen VDI 4650, DIN EN 14825 und DIN V 18599. Diese Verfahren werden an einem mit der Simulationssoftware POLYSUN erstellten Objekt angewandt. Mittels einer Sensibilitätsanalyse werden durch Variation der Randbedingungen Erkenntnisse bezüglich des unterschiedlichen Verhaltens der Verfahren gewonnen und diskutiert.
Verfasst von: Marc Kammerer
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Energiewirtschaftliche Analyse der Vermarktungsstrategien für KWK
Die Arbeit befasst sich mit den in Deutschland geltenden Mechanismen für die Förderung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen nach dem Kraft-Wärme-Kopplungs- und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz. Es wird zunächst eine übersichtliche Darstellung der jeweiligen Förderlogik vorgenommen, um im Anschluss die bisher erfolgten Förderungen statistisch auszuwerten und zu vergleichen, insbesondere im Hinblick auf Fördereffizienz und erreichte Ziele. Im dritten Teil der Arbeit wird am Beispiel eines Einfamilienhauses der Einfluss der Förderungen auf Auslegung und Betrieb eines Blockheizkraftwerkes untersucht.
Dabei konnte festgestellt werden, dass durch den hohen Fördersatz des EEG biomassebetriebene Anlagen bei entsprechender Brennstoffverfügbarkeit wirtschaftlicher betrieben werden können, als öl- und gasbetriebene, sowie nach dem KWKG geförderte Biomasseanlagen.
Verfasst von: Hannes Friedrich Knischewski
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Studienarbeit
Entwicklung und Erprobung eines funkbasierten Systems zur Datenübertragung innerhalb von Gebäuden
Im Zuge der Energiewende wird angestrebt, den energetischen Bedarf von Gebäuden und Quartieren mit einem maximalen Anteil an erneuerbaren Energien effizient abzudecken. In diesem Zusammenhang sind sog. Virtuelle Kraftwerke, welche dezentrale Erzeuger und Verbraucher in Pools integrieren, ein wichtiges Werkzeug. Das TEK-EKG Projekt reagiert auf diesen Bedarf, indem es ein Kurzzeitanalysesystem entwickelt. Dieses soll eine genaue und fundierte Erfassung des energetischen Versorgungszustands einer Liegenschaft ermöglichen. Im Rahmen dieser Aufgabe war die Konzipierung eines robusten Kommunikationssystems zur funkbasierten Übertragung der Daten im Gebäude von zentraler Bedeutung und Ziel dieser Arbeit. In einer Literaturrecherche wurde der Stand der Technik beschrieben, danach die technischen Anforderungen dieses Systems erfasst und definiert. Anschließend wurde eine Marktrecherche durchgeführt, die zur Auswahl der Funkmodule "LoPy" der Firma "Pycom" geführt hat. Im Rahmen von Feldversuchen wurden diese programmiert, um einen typischen Datenverkehr im Gebäude zu simulieren und Versuchswerte zu generieren. Als Versuchsumgebung wurde ein Sandsteingebäude sowie ein typisches
Betongebäude gewahlt. In einer Excel-Auswertung wurde die Ankunftsrate anhand
der o.g. Ergebnisse berechnet. Die Ergebnisse wurden zusammengefasst, gegenübergestellt und analysiert.
Verfasst von: Karam Chehade
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Paul Seidel
Jahr: 2018, Projektarbeit im Fachpraktikum
Betrachtungen zur energetischen Bewertung von Wärmepumpen
Wärmepumpen bieten durch ihre hohen möglichen Effizienzwerte und Einbindung von Umweltwärme ein großes Einsparpotential an Primärenergie, sowohl für das Heizen als auch das Kühlen von Gebäuden. Dennoch weichen die Effizienzwerte im realen Betrieb immer wieder von denen der Auslegung ab und gefährden dabei die Wirtschaftlichkeit der Anlagen, als auch deren energetische Sinnhaftigkeit. In dieser Arbeit werden die Messwerte einer realen Wärmepumpen-Anlage, welche Geothermie als Wärmequelle nutzt, in Relation zu den erwarteten, berechneten Effizienzwerten gesetzt werden. Dafür wird die Berechnung der Arbeitszahl anhand der VDI 4650 erläutert und aktuelle, reale Effizienzwerte anhand einer Metastudie, welche die Entwicklung der Effizienz und auch Fehlerquellen analysiert, dargelegt. Anschließend folgt anhand eines konkreten Objektes eine Auswertung der Temperaturentwicklung des Erdwärmesondenfeldes seit der Inbetriebnahme und dessen Beeinflussung des umgebenden Erdreiches. Zuletzt werden Mess- und Erwartungswerte verglichen und Vorschläge für die bessere Vorhersage der Effizienzkennwerte erarbeitet. In diesem Kontext erfolgt die Diskussion der Schwierigkeiten bei der Optimierung realer Projekte, für die ursprünglich kein Monitoring geplant war.
Verfasst von: Philipp Röll
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Betrachtungen zur simulationsgestützten Heiz- und Kühllastberechnung in Gebäuden
Im Rahmen dieser Arbeit wurde aufbauend auf bestimmten standardisierten Berechnungsalgorithmen aus der Norm ISO 52016/52017 eine programmtechnische Umsetzung zur Simulation der Raumtemperatur, der Heiz- und Kühllasten in C++ realisiert. Auf Grundlage dieses Programms wurden erste Plausibilitätstests und Validierungsläufe, um die Vorhersagequalität/Verlässlichkeit und Robustheit der Implementierung bewerten zu können, durchgeführt. Zusätzlich wurden erste Tests zur Bewertung der Performance durchgeführt und ausgewertet. Für eine Weiterentwicklung wurde der Entwicklungsstand vollständig dokumentiert und diskutiert.
Verfasst von: Richard Franke
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Alf Perschk
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Experimentelle Untersuchungen an einem mit Ferronanofluiden betriebenen Thermosyphon
In dieser Arbeit wird mit der bestehenden Versuchsanlage des kurzen Thermosyphons der ILK GmbH Dresden der Einfluss auf die Wärmeübertragung bei Einsatz des neu hergestellten 5 vol.-%igen Ferronanofluids mit/ohne Magnetfeld untersucht. Hauptziel ist dabei, mit Hilfe der installierten Sensoren und dem Programm Profisignal sowie dem Programm Busmanager, die thermische Leistung und den thermischen Widerstand des kurzen Thermosyphons bei Einsatz des 5 vol.-%gen Ferronanofluids mit/ohne Magnetfeld zu messen. Als Referenz werden die Messungen mit deionisiertem Wasser als Arbeitsfluid im kurzen Thermosyphon durchgeführt.
Die Messergebnisse zeigen, dass der thermische Widerstand des kurzen Thermosyphons bei Einsatz des 5 vol.-%igen Ferronanofluids im Vergleich zu deionisiertem Wasser bei niedriger Eintrittstemperatur am Verdampfer gesunken ist. Jedoch steigt bei mittleren bis hohen Verdampfer-Eintrittstemperaturen der thermische Widerstand des kurzen Thermosyphons bei Einsatz des 5 vol.-%igen Ferronanofluids im Vergleich zu deionisiertem Wasser an. Die Änderungen des thermischen Widerstands bei Einsatz des 5 vol.-%igen Ferronanofluids werden durch das angelegte Magnetfeld geschwächt.
Verfasst von: Shen Liu
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. M. H. Buschmann - ILK GmbH Dresden, Dr.-Ing. Karin Rühling
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Betrachtungen zu Kühllasten und sommerlichem Wärmeschutz in Gebäuden
Im Rahmen der Diplomarbeit sind vorrangig die Grundlagen der Mindestanforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz gemäß DIN 4108-2 sowie der Kühllastberechnung nach VDI 2078 zu ermitteln und die Konsistenz der Randbedingungen zu prüfen. Darüber hinaus werden der Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes sowie die Kühllastberechnung für die Beispielgebäude (Wohn- und Nichtwohngebäude) durch Simulationssoftware durchgeführt und die berechneten Daten werden miteinander verglichen, damit die Einflussfaktoren analysiert werden können. Zum Schluss sind es bauliche und anlagentechnische Maßnahmen zur Reduzierung der Kühllasten bzw. zur notwendigen Kühlung der Gebäude hinsichtlich deren Kosten und Auswirkungen auf die Umwelt miteinander zu vergleichen. Zusammenfassend ist eine Prioritätenliste für Maßnahmen abzuleiten.
Verfasst von: Yulong Shang
Betreuerr: Dipl.-Ing. Markus Arendt
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Betrachtungen zur energieeffizienten Kühlung von Gebäuden
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der energieeffizienten Kühlung von Gebäuden. Steigende Außentemperaturen und zunehmende Komfortanforderungen lassen den für die Kälteversorgung notwendigen Energiebedarf weiter ansteigen. Um die Belastung für die Stromnetze gering zu halten, werden im Rahmen dieser Arbeit zwei Ansätze untersucht. Der erste Ansatz betrifft alternative Technologien zu elektrisch betriebenen Kompressionskältemaschinen. Etablierte Technologien sind die thermisch angetriebenen Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen sowie die Sorptionsgestützte Kälteerzeugung. Vorteilhaft an diesen Systemen ist, dass der Antrieb über solarthermische Anlagen realisiert werden kann. Der zweite beschriebene Ansatz ist ein netzdienlicher Betrieb elektrisch betriebener Kältemaschinen. Durch Flexibilitätsoptionen in Form von thermischen Speichern kann der Strombezug in günstige Zeiten verschoben werden. Mit dem Grid-Support-Coefficient wird eine Größe vorgestellt, die das Bezugsverhalten der Kältemaschine im Hinblick auf ökologische und ökonomische Kenngrößen bewertet. Abschließend wird anhand des Grid-Support-Coefficient das hinsichtlich zweier Bewertungsgrößen optimierte Strombezugsverhalten der Kälteversorgung zweier konkreter Gebäude bewertet. Es wird erkenntlich, dass die Installation von Flexibilitätsoptionen einen positiven Einfluss auf den Grid-Support-Coefficient hat, sich aber aus finanzieller Hinsicht bei reiner Betrachtung der Kälteversorgung noch nicht lohnt.
Verfasst von: Leona Freiberger
Betreut von: Dipl.-Ing. Juliane Schmidt, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Studienarbeit
Erstellung und praktische Validierung eines Regelungskonzeptes für eine Wärmepumpen-Systemlösung zum parallelen Heizen und Kühlen
In der vorliegenden Arbeit wird in Kooperation mit dem Wärmepumpenhersteller Glen Dimplex Thermal Solutions (GDTS) ein Regelungskonzept für eine Wärmepumpenanlage zum parallelen Heizen und Kühlen erarbeitet und anhand einer Versuchsanlage getestet.
Auf Basis der vorhandenen Regelungsalgorithmen werden zusätzliche Regelungslogiken entwickelt, welche den Betreib der betrachteten Wärmepumpenanlage zum parallelen Heizen und Kühlen ermöglichen. Anhand einer Versuchsanlage konnte die Funktionsfähigkeit des entwickelten Regelungskonzeptes nachgewiesen und optimiert werden.
Zusätzlich zum Regelungskonzept wird das Hydraulikkonzept der betrachteten Wärmepumpenanlage genauer untersucht und notwendige Sicherheitseinrichtungen für den Betrieb der Wärmepumpenanlage nach DIN EN 12828 beschrieben. Eine erste Auslegung des Hydraulikkonzeptes und dessen Komponenten hat gezeigt, dass die Wärmepumpenanlage mit bestehenden Produkten des Herstellers GDTS in unterschiedlichen Leistungsgrößen umgesetzt werden kann.
Zum Abschluss der Arbeit wird der energetische Nutzen der betrachteten Wärmepumpenanlage betrachtet. Dazu wird die Versorgung eines Beispielszenarios anhand konventioneller Anlagentechnik im Gegensatz zur Versorgung mit der betrachteten Wärmepumpenanlage hinsichtlich des Primärenergieverbrauchs sowie der erwarteten Treibhausgasemissionen bewertet.
Verfasst von: Jakob Beetz
Betreut von:apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Th. Hackensellner – Glen Dimplex Deutschland GmbH, PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Analyse der Funktionen und Vorteile moderner TGA Planungsprogramme im Hinblick auf eine anstehende Softwareumstellung in der Firma LUXHaus
Da in der Abteilung Gebäudetechnik der Firma Luxhaus ein veraltetes Planungsprogramm verwendet wurde, war eine Umstellung der Software notwendig. Auf Basis von fünf unternehmensinternen Anforderungen konnte die Auswahl auf drei mögliche Programme beschränkt werden. Man entschied sich schließlich für das aktuell verwendete Plancal nova in der neusten Version, da hierbei die geringsten Kosten entstehen und die Anforderungen weitestgehend erfüllt werden.
Im neuen Programm soll ein überarbeitetes Planungsverfahren angewendet werden. Dieses neu entwickelte Verfahren enthält erstmals das Zeichnen in 3D, die Berechnung der gebäudetechnischen Systeme und das Erstellen einer Mengenliste. Durch den neuen Ablauf wird zwar pro Bauvorhaben 20 % mehr Zeit benötigt, allerdings bietet es Vorteile wie die 3D Visualisierung, die nachweisbar normgerechte Auslegung der Anlagen und eine exakte Massenermittlung, die Kosten einsparen soll.
Building Information Modelling, kurz BIM, soll in der neuen Software anwendbar sein. BIM ermöglicht das gemeinsame Arbeiten aller an der Planung, dem Bau und dem Betrieb eines Gebäudes beteiligten Gewerke an einem Modell. Dieses Modell enthält Bauwerksinformationen und wird nach Änderungen sofort aktualisiert. Da in anderen Abteilungen verschiedene Software verwendet wird, ist BIM in der Firma Luxhaus mit Plancal nova derzeit nur begrenzt möglich.
Es wurde deutlich, dass Fachingenieure der Gebäude- bzw. Energietechnik erweiterte Kenntnisse zur Anwendung von TGA Planungssoftware benötigen. Damit Studierende der TU Dresden diesen Anforderungen gerecht werden, ist die Erweiterung einer bestehenden Lehrveranstaltung sinnvoll. Dabei wäre das Anfertigen einer Belegarbeit zur Nutzung eines Planungsprogramms denkbar.
Verfasst von: Niklas Wank
Betreut von: Patrik Gangl (B.Eng.) – LUXHaus GmbH & Co KG, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Projektarbeit im Fachpraktikum
Integration von Eisspeichern in Mono-Split-Klimageräten zur Steigerung des PV-Eigenverbrauchs in solargestützten Klimasystemen im Wohnbereich – Entwicklung und Untersuchung eines prognosebasierten Reglersystems
Aufgrund des zeitlichen Zusammenhangs zwischen Strahlungsangebot und Kühlbedarf besteht ein großes Potential bei der Nutzung von PV-Energie für die Gebäudeklimatisierung. Dieses Potential lässt sich durch die Einbindung eines Energiespeichers in ein solares Kühlsystem deutlich besser nutzen. Im Rahmen dieser Arbeit wird am Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden die Umsetzung eines entworfenen Regelalgorithmus für eine Integrationsvariante eines Eisspeichers in ein Mono-Split-Klimagerät untersucht. Zielstellung ist dabei den Eigenverbrauch des erzeugten PV-Stroms zu steigern und Kälte für Zeiten ohne PV-Ertragsleistung zu speichern. Zu diesem Zweck wird eine Vorauswahl an potentieller Hardware getroffen und bewertet. Die Stellgrößen am Verssuchstand müssen identifiziert und von dem gewählten Controller angesteuert werden können. Nach der Entscheidung für eine Plattform wird die zuvor simulierte Logik in einem Python-Programm umgesetzt. Mit Hinblick auf die übergeordnete Zielstellung eine marktfähige Lösung zu entwickeln, ersetzen teilweise digitale Sensoren die PT100-Messfühler am Versuchsstand. Zur Einbeziehung von Prognosedaten für Kühlbedarf und PV-Ertrag in den Regelalgorithmus werden diese von einem Webserver abgefragt. Nach Inbetriebnahme des Reglersystems am Versuchstand und ersten Messreihen mit variabler Wärmelast und variabler PV-Einspeiseleistung bildet die entwickelte Lösung die Grundlage für weiterführende Untersuchungen. Auf Basis dieser Arbeit kann in Folge die prädiktive Betriebsführungsstrategie in Langzeittests untersucht werden.
Verfasst von: Tobias Franzky
Betreut von: Dipl.-Ing. Carsten Heinrich – ILK Dresden, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Erstellung und Validierung eines Plattenwärmeübertrager-Modells für Anwendungen im Fernwärmebereich
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung von Plattenwärmeübertragern bei dynamischen Betriebszustandsänderungen.
Durch den erhöhten Einsatz von erneuerbaren Energien, treten häufiger dynamische Betriebszustandsänderungen in den Energienetzen auf. Deshalb müssen auch die Modelle von Komponenten dieser Anlagen in der Lage sein, das dynamische Betriebsverhalten abzubilden. Mit den mathematischen und physikalischen Grundlagen und der Analyse verschiedener Modellansätze konnten zwei verschiedene Modelle umgesetzt werden: das Epsilonmodell und das Zellmethodenmodell. Für eine erste Validierung wurden vier verschiedene Plattenwärmeübertrager vermessen. Die dabei genutzten Prüfszenarien wurden auf der Basis von Messdaten realer Plattenwärmeübertrager in Fernwärmenetzen erstellt. Nach einer detaillierten Analyse der Simulationsergebnisse, konnte herausgestellt werden, dass die Modelle geringe Abweichungen zu den realen Messdaten aufweisen und gewisse Gültigkeitsgrenzen besitzen. Schlussendlich konnte die Abbildung eines Plattenwärmeübertrages unter dynamischen Betriebsbedingungen gelingen. Dies zeigte sich insbesondere bei der Validierung des Epsilonmodells anhand der Messdaten eines Plattenwärmeübertragers in einer HANEST.
Verfasst von: Mathias Hauskeller
Betreut von: Dipl.-Ing. Sven Paulick
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Etablierung eines DTS-unterstützten Thermal Response Tests als Grundlage für die Langzeitbeobachtung eines Erdwärmesonden-Feldes
Die vorliegende Studienarbeit beschäftigt sich mit dem Thermal Reponse Test (TRT) als
Möglichkeit der Erdreichuntersuchung und -beobachtung. Der Fokus liegt dabei auf einer tiefenaufgelösten Auswertung.
Zunächst wird die untersuchte Anlage im ZET der TU Dresden ebenso wie Auswertungsmethoden des TRT vorgestellt. Nach einer Literaturecherche vergleichbarer TRTs werden die Erkenntnisse bestmöglich auf die Anlage angewendet. Der durchgeführte Versuch wird hinsichtlich Erdreicheigenschaften sowie äußeren Einflüssen ausgewertet. Weiterhin finden ein thermodynamischer Ansatz sowie der Versuch einer Simulation statt, um trotz der Besonderheiten der Anlage eine tiefenabhängige Auswertung durchführen zu können.
Zuletzt werden Vorschläge für weitere Untersuchungen mit der Anlage gemacht, die in ein Praktikum für Studierende integriert werden sollen.
Verfasst von: Tiedo Hele Behrends
Betreut von: Dipl.-Ing. Stefan Hoppe, Dipl.-Ing. Jan Löser
Jahr: 2018, Studienarbeit
Möglichkeiten zur Integration größerer Energiespeicher (Wärme/Kälte) auf dem Campus der TU Dresden
In dieser Arbeit wird für zwei Standorte auf dem Campus der TU Dresden untersucht, inwiefern sich Großkaltwasserspeicher lohnen. Es wird der Standort Andreas-Pfitzmann-Bau untersucht. Dessen Kältebedarf ist dadurch gekennzeichnet, dass er bis 10 C konstant ist und danach proportional zur Außentemperatur ansteigt. Weiterhin ist das benötigte Kaltwassertemperaturniveau gering. Als anderer Standort wird das Lehmann-Rechenzentrum untersucht, welches einen von der Außentemperatur unabhängigen Kältebedarf hat. Außerdem ist das benötigte Temperaturniveau höher als beim Andreas-Pfitzmann-Bau.
Mithilfe eines selbst erstellten Exceltools werden verschiedene Anlagenkonzepte simuliert. Dabei soll zum Einen eine Prognose der Außentemperatur zur Regelung der Speicherentladung genutzt werden und zum Anderen wird eine Simulation ohne eine solche Regelung durchgeführt. Um die optimale Speichergröße zu erkennen, wird das Speichervolumen variiert, um die wirtschaftlichste Lösung zu finden.
Es wird empfohlen für den Andreas-Pfitzmann-Bau einen Speicher mit ungefähr 50 m3 zu verwenden und auf eine Regelung mithilfe einer Temperaturprognose zu verzichten. Für das Lehmann-Rechenzentrum ist die wirtschaftlichste Lösung einen Speicher mit 300 m3 zu verwenden und zusätzlich die Regelung mit Hilfe der Temperaturprognose zu nutzen.
Verfasst von: Alexander Hentschel
Betreut von:Dr.-Ing. Annina Gritzki
Jahr: 2018, Studienarbeit
Untersuchungen zum thermischen Lastmanagement eines Klärwerkareals bei zunehmendem regenerativen Leistungsanteil
Die vorliegende Arbeit untersucht die Nutzung von Solarthermieanlagen und BHKW-Abwärme auf dem Gelände der Kläranlage Kaditz der Stadtentwässerung Dresden. Es wurden unterschiedliche Solarthermieanlagen für drei mögliche Flächen entworfen und anschließend mithilfe des Simulationsprogramms Polysun Designer auf ihre Erträge untersucht. Parallel dazu fand die Auswertung von Messdaten der vorhandenen Blockheizkraftwerke statt. Aus den gewonnenen Ergebnissen konnten Betriebsführungsvarianten erstellt werden, die eine Einspeisung in das vorgelagerte Fernwärmenetz vorsehen. Durch die parallele Bearbeitung wurde erst am Ende festgestellt, dass die erzeugte Wärme im Sommer nur begrenzt abgenommen werden
kann. Eine Wirtschaftlichkeitsanalyse nach VDI 2067 hat dennoch ergeben, dass die Nutzung der BHKW-Abwärme und der Bau einer großen Solarthermie-Aufdachanlage zu empfehlen sind.
Verfasst von: Maren Voß
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl-Ing. Thomas Schöniger – Stadtentwässerung Dresden GmbH, Dipl.-Ing. Bernd Klimes – INNIUS DÖ GmbH, Dresden
Jahr: 2018, Studienarbeit
Modellierung, Simulation und Lebenskostenanalyse von Fernwärme- und Fernkältenetzen der 5. Generation
Die fünfte Generation der Nahwärme- und Kältenetze (5GDHC) wird charakterisiert durch ihre niedrige Vorlauftemperatur im Bereich der Raumtemperatur von 15-25 °C. Diese reduziert nicht nur den Wärmeverlust, sondern ermöglicht zudem die Integration jeglicher Niedertemperaturabwärme. Die Fähigkeit der Abwärmenutzung, die unter bestehenden Umständen nicht gegeben ist, macht diese Systeme zu einer attraktiven Lösung für die zukünftige Energieversorgung von urbanen Gebieten. Um die Implementierung solcher Netzwerke zu unterstützen, befasst sich diese Forschungsarbeit mit der Entwicklung eines Softwaretools zur Analyse der Umsetzbarkeit von 5GDHC Systemen in sowohl neuen als auch bestehenden Gebieten.
Diese Diplomarbeit soll die Frage beantworten, ”welche Gebäude an ein hydraulisches Niedertemperaturnetzwerk angeschlossen werden sollen, unter Betrachtung von inkrementellem Nutzen und wirtschaftlicher Aspekte, im Vergleich zur dezentralen Beheizung und Kühlung der Gebäude?” Hierfür müssen alle möglichen Netzwerkanordnungen der Gebäude betrachtet werden, bei denen die
Beheizung und Kühlung mittels des 5GDHC Netzwerk bewältigt wird. Simulationen quantifizieren das Verhalten des 5GDHC Netzwerkes basierend auf zahlreichen Ausgabeparametern, beispielsweise des primären Energiebedarfs, der CO2 Emissionen und der Investitionskosten des Netzwerkes. Die Gebäude in solchen Systemen fungieren als thermale Prosumer, da ein Gebäude sowohl als Wärmequelle als auch als Wärmesenke in dem Netzwerk agieren kann, abhängig davon, ob es im Heiz- oder Kühlmodus ist. Zur Beschreibung der Wärme- und Kälteprofile werden ordnungsreduzierte Modelle genutzt, derweil erneuerbare Energie und Abwärmequellen in das Netz eingebunden werden.
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung eines hydraulischen Models zum flexiblen Einsatz in der urbanen Energiemodulierung und der Optimierung von 5GDHC Netzwerktopologien in bestehenden urbanen Gebieten.
Verfasst von: Justus von Rhein
Betreut von: Prof. G. Henze – University of Colorado, Boulder USA , Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Untersuchung eines Lüftungskonzeptes mit teilzentralen Ventilatoren
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der energetischen und wirtschaftlichen Bewertung von zwei unterschiedlichen Lüftungskonzepten für den Neubau des Kriminaltechnologischen Instituts (KTI) in Dresden. Das KTI unterliegt dem Bewertungssystem für Nachhaltiges Bauen (BNB) für Bundesgebäude. Aus den Anfangsbedingungen wurden zwei Lüftungsarten ausgewählt, die den Anforderungen entsprechen sollten. Dabei fiel die Wahl auf die konventionelle Einkanal-Klimaanlage mit variablem Volumenstrom (VVS-System) und einem neuartigen Lüftungssystem mit zentraler Raumlufttechnik-Anlage und dezentralen Ventilatoren (dVt-System). Mit Hilfe des Luftvolumenstrombedarfs und dem Druckverlust eines konstruierten Kanalnetzes, wurden passende Anlagen und Ventilatoren ausgewählt. Die anschließende Berechnung des Energiebedarfs und der Kosten während des Nutzungszeitraums sollten das Einsparungsvermögen des dVt-Systems für das KTI erkenntlich machen.
Verfasst von: Hoang Thanh Long
Betreut von:Dipl. –Ing. Michael Deuble (Planungsgruppe M+M AG, NL Dresden), PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Einsatz einer Luft-Wasser-Wärmepumpe in einem denkmalgeschützten Gebäude
Im Rahmen dieser Arbeit werden am Beispiel der Komplettsanierung eines denkmalgeschützten Gebäudes mit gemischter Nutzung die Möglichkeiten des Einsatzes einer Wärmepumpe geprüft sowie die erreichbare Verbesserung der Gebäudeenergieeffizienz und Reduktion von CO2-Emissionen abgeschätzt. Als Vergleichsfall wird eine konventionelle Wärmeversorgung mit Gas-Brennwerttherme betrachtet. Die im Ausgangszustand vorhandene Bausubstanz und geplante Modernisierungsmaßnahmen werden eingehend beschrieben und die Gebäudeheizlast als Grundlage für die spätere Auslegung der Heizungsanlage berechnet. Nach Darstellung der örtlichen Gegebenheiten und weiterer Randbedingungen werden am Markt verfügbare Wärmepumpenarten hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten analysiert und geeignete Geräte ausgewählt. Bei der anschließenden primärenergetischen Betrachtung nach DIN V 18599 werden vier relevante Konzepte miteinander verglichen, von denen drei ohne zusätzliche bauliche Anpassungen für den praktischen Einsatz geeignet wären.
Zusammenfassend zeigt sich, dass beim betrachteten Gebäude durch den Einsatz einer elektrischen Luft-Wasser-Wärmepumpe in bivalent-paralleler Betriebsweise mit einer Gas-Brennwerttherme im Vergleich zur ausschließlichen Versorgung mit Gas-Brennwerttherme 34 % an Primärenergie und 19 % an CO2 eingespart werden können. Setzt man eine Gasabsorptionswärmepumpe ein, können Einsparungen von 23 % an Primärenergie und 20 % der CO2–Emissionen erzielt werden. Im Ergebnis einer dynamischen Wirtschaftlichkeitsrechnung unter Berücksichtigung zukünftig steigender Energiepreise erweist sich die Verwendung einer Gasabsorptionswärmepumpe als kostengünstigste Lösung mit gegenüber dem konventionellen Vergleichsfall ca. 7 % geringeren Gesamtkosten. Die Versorgung mit Elektrowärmepumpe stellt mit um ca. 13 % erhöhten Gesamtkosten die teuerste Variante dar.
Verfasst von: Christian Beise
Betreut von:Dr.-Ing. Annina Gritzki, Dipl.- Ing. U. Linkmann – IKG-Ingenieurbüro
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Untersuchung zum Einfluss verschiedener Systemkonzepte und Reglungsverfahren auf den PV-Eigenverbrauch und Netzbezug für solar-elektrische Klimatisierungssysteme auf Basis von Mono-Split-Systemen mit integriertem Eisspeicher
In dieser Arbeit wird die Kopplung einer Mono-Split-Kälteanlage und einem Eisspeicher unter den Bedingungen der solaren Kühlung anhand Dymola (Modelica) untersucht. Im Rahmen des Modells werden hauptsächlich der Einfluss von Reglungsmethode, Umsetzungsvarianten zur Eisspeicherintegration, Speichergröße und Standort auf die energetische Performance des Kühlsystems simuliert. In dem untersuchten Modell wird eine PID-Regelung genutzt. Optional kann mit Hilfe einer Fuzzy-Regelung eine Wettervorhersage eingebunden werden. Die Ergebnisse zeigen, dass relativ komplexere Umsetzungsmethoden und Steuerungsverfahren die Abhängigkeit des Benutzers vom Stromnetz erheblich verringern. Außerdem ist die Kombination aus Eisspeicher und Kälteanlage in heißere Gebiete effizienter als in kältere Gebiete.
Verfasst von: Ming Sheng
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke, Dipl.-Ing. Carsten Heinrich –ILK Dresden
Jahr: 2018, Studienarbeit
Wärmerückgewinnung bei Lüftungsanlagen in Bestandsgebäuden
Um den Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen von Lüftungsanlagen zu reduzieren, wurde 2014 eine europäische Verordnung erlassen, die Mindestanforderungen an die Wärmerückgewinnung und die Ventilatorleistung von Lüftungsanlagen festlegt. In der Arbeit wurde untersucht, welche Konsequenzen diese Anforderungen im Hinblick auf die Sanierung von Lüftungszentralen haben und welche technischen Möglichkeiten sich für Lüftungsanlagen in Bestandsgebäuden ergeben. Dabei wurden die Berechnungen mit unterschiedlichen Zu- und Abluftvolumenströmen durchgeführt und eine Möglichkeit zur Ermittlung des Wirkungsgrades hintereinander geschalteter Wärmeübertrager integriert. Mit Hilfe der vorhandenen Nutzeranforderungen und Luftmengenberechnung der Württembergischen Landesbibliothek wurden Varianten zur Sanierung der Lüftungsanlage erstellt und anhand der technischen und baulichen Umsetzbarkeit, der Wirtschaftlichkeit und der Möglichkeit zur Konformitätserklärung miteinander verglichen. Es zeigt sich, dass auf Grund der baulichen Gegebenheiten der Bibliothek nur eine zentrale Wärmerückgewinnung integriert werden kann.
Verfasst von: Lukas Rothmann
Betreut von: Dipl.- Ing. Sebastian Günther – Günther Ingenieure GmbH Dresden, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Untersuchungen zum elektrischen Lastmanagement eines Klärwerkareals bei zunehmendem regenerativen Leistungsanteil
Die vorliegende Arbeit untersucht das Potential der Steigerung des energetischen Autarkiegrades durch Photovoltaikanlagen für das Areal der Kläranlage Kaditz der Stadtentwässerung Dresden. Ausgehend von einer Recherche zu den Technologien der elektrischen Energiespeicherung wurde der Vergleich zwischen den aktuell bedeutendsten Batterietechnologien hergestellt. Durch die Erstellung detaillierter Anlagenkonzepte für zwei Dachflächen und eine Freifläche mit dem Simulationtool Polysun Constructor der Firma Vela Solaris, wurden Ertragsprognosen generiert. Diese wurden dem Erzeugungs- und Bezugsprofil der Stadtenwässerung verglichen. Unter Berücksichtigung eines Batteriespeichers wurden Varianten der Betriebsführung konzipiert. Für die Anlagenkonzepte wurden Richtpreisangebote eingeholt und anschließend eine Wirtschaftlichkeitsuntersuchung nach VDI 2067 mit und ohne Speicher durchgeführt. Abschließend sind Handlungsempfehlungen für das weitere Vorgehen der Stadtentwässerung beschrieben.
Verfasst von: Merlin Mitzel
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl-Ing. Thomas Schöniger – Stadtentwässerung Dresden GmbH, Dipl.-Ing. Uwe Burmeister – INNIUS DÖ GmbH, Dresden
Jahr: 2018, Studienarbeit
Entwicklung, Implementierung und Test eines Zustandsautomaten für das HANEST Funktionsmuster
Durch das Förderprogramm „Modellvorhaben Wärmenetzsysteme 4.0“ der Bundesregierung sollenFernwärmenetze mit hohem Anteil erneuerbarer Energien in den Fokus gerückt werden. Die dezentrale Einbindung von Solarthermieanlagen an bestehende Fernwärmenetze kann einen Beitrag zur emissionsärmeren Wärmeversorgung in Städten bieten. Bisher wurde das HANEST Funktionsmuster - eine
hydraulische Verbindung von Hausanschluss- und Netzeinspeise- Station - im Zentrum für Energietechnik (ZET) der Technischen Universität Dresden teilautomatisiert bedient. Die Umsetzung der manuell getätigten Schalthandlungen in einen Zustandsautomaten macht den vollautomatisierten Versuchsbetrieb dieser Anlage möglich. Die Realisierung und eine größtenteils automatische, grafische Aufbereitung der anfallenden Messdaten erleichtert den Versuchsbetrieb erheblich. Das Verhalten des Funktionsmusters an bestimmten Typtagen kann so einfacher analysiert und verglichen werden. Um ein effizientes und stabiles Anlagenverhalten zu gewährleisten, mussten die Regelparameter einiger Ventile und Pumpen angepasst sowie ein zusätzliches Drosselventil in das Funktionsmuster integriert werden. Ein möglichst schwingungsarmes System erleichtert die Bestimmung von Zustandswechselkriterien erheblich. Der Vergleich von automatisierter und aus dem Forschungsprojekt
DEZENTRAL entnommener, teil-automatisierter Messung weist sehr ähnliches Anlagenverhalten auf. Mit dem HANEST Funktionsmuster können nun einfacher wichtige Erkenntnisse für die in der Praxis verwendeten Anlagen mit ähnlicher Bauweise gewonnen werden. Der zeitliche Aufwand für die Versuchsstandbetreuung und Auswertung reduziert sich erheblich. Es wurde außerdem eine schrittweise
Anleitung erstellt, um den Einarbeitungsaufwand zu verringern.
Verfasst von: Johann Höflitz
Betreut von: Dipl.-Ing. Toni Rosemann
Jahr: 2018, Studienarbeit
Einsatz von Batterien in der SRL und MRL – Entwicklung eines EXCEL-Simulationstools
Der deutsche Energiemarkt befindet sich im Zuge der voranschreitenden Energiewende in einem Umbruch. Neue Technologien zur Erbringung von Regelleistung werden zugelassen, die, trotz vermehrter Stromerzeugung aus regenerativen Quellen, zu einem stabilen Stromnetz mit hoher Versorgungssicherheit beitragen sollen. Batteriespeichern wird hinsichtlich dessen ein großes Potential zugeschrieben – sie können sehr kurzfristig und präzise Leistung bereitstellen und damit Schwankungen der Netzfrequenz verringern. Bisher erbringen Batterien ausschließlich Primärregelleistung (PRL), das Einsatzgebiet soll in Zukunft auf die Sekundärregelleistung (SRL) und Minutenreserveleistung (MRL) erweitert werden. Während die PRL über kurze Zeiträume geliefert wird, wird von Technischen Einheiten (TE) in der SRL und MRL eine durchgehende Erbringung von mindestens vier Stunden erwartet. Für Batterien würde das bei gängigen Kapazitäten nur sehr kleine Leistungen zulassen, ein unwirtschaftliches Szenario für Anbieter. Die vorliegende Arbeit diskutiert Möglichkeiten zur Nutzung von Batterien in der SRL und MRL, insbesondere wird die Verwendung von Ausgleichsgeschäften berücksichtigt. Diese Überlegungen werden mithilfe eines EXCEL-Simulationstools geprüft. Grenzen bei der Wahl der Batterieparameter werden dargelegt. Das Tool wurde auf Basis der Vorgaben des TransmissionCodes und historischer SRL-Abrufdaten entwickelt und erlaubt konkrete Auslegungsfälle speicherbegrenzter TE auf eine vertragskonforme Erbringung hin zu untersuchen.
Verfasst von: Martin Merkel
Betreut von: Arndt Neubauer – Tennet; Ronny Strobel – Tennet, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Projektarbeit im Fachpraktikum
Multikriterielle lebenszyklusoptimierte Auslegung von Energieerzeugern
Im Zuge der durch die Bundesregierung definierten Klimaziele sind komplexe Anreizprogramme entstanden, die in unterschiedlichen Sektoren die Standards anheben sollen. Einer dieser Sektoren ist die energetische Gebäudemodernisierung. Eine Möglichkeit, die Bestandsgebäude effizienter zu gestalten, ist die Ergänzung oder Neuinstallation der vorhandenen Heizungskomponenten mit einem Blockheizkraftwerk. Die dabei zutreffenden Rahmenbedingungen werden in der vorliegenden Arbeit erarbeitet und in einem Simulationsmodell angewandt. Die Simulation optimiert multikriteriell sowohl entscheidende Größen fur den Lebenszyklus der
Blockheizkraftwerke, als auch monetäre Größen. Die anschließende Auswertung mit Hilfe des entwickelten Algorithmus ermöglicht dem Anwender eine Potentialanalyse der Modernisierungsmaßnahme und leistet damit einen Beitrag zur Umsetzung der ausgegebenen Klimaziele.
Verfasst von: Felix Taubert
Betreut von: Dr. rer. nat. Peter Stange
Jahr: 2018, Studienarbeit
Energetische Systembilanzierung und –bewertung von Gebäuden und
gebäudetechnischen Anlagen mit Hilfe von Performance-Indikatoren am Beispiel des
„Schul- und Sportzentrums Lohr am Main“
Das Ziel der Diplomarbeit war es, die Gebäude und gebäudetechnischen Anlagen des „Schul- und Sportzentrums Lohr am Main“, mit Hilfe von Performance-Indikatoren, energetisch zu bilanzieren und zu bewerten. Anhand der Analyse von Gebäude-Zertifizierungsansätzen, relevanten Normen und Richtlinien sollten Performance-Indikatoren definiert werden. Anschließend waren die gebäude- und anlagentechnischen Systeme und Subsysteme im „Schul- und Sportzentrum Lohr am Main“ zu identifizieren. Über die vorliegenden Messdaten sollte die energetische Bilanzierung erfolgen und die Ergebnisse anhand verfügbarer Benchmarks bewertet werden.
Baumaßnahmen im Objekt führten zu einer Verkürzung des Betrachtungszeitraumes auf wenige Monate, so dass die Bildung der beschriebenen Performance-Indikatoren aus den für das Objekt vorliegenden Messdaten nur eingeschränkt möglich war.
Verfasst von: Tom Heinze
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Kaiser, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Modellierung eines integrierten Portfoliomanagement-Systems unter Berücksichtigung von Erzeugung, Verbrauch und Flexibilität für den netzgebundenen Betrieb
Um das zukünftige Energiesystem sicher betreiben zu können, wächst der Bedarf an Flexibilität. Eine Möglichkeit mehr Flexibilität bereitzustellen, besteht in der Flexibilisierung von verbraucherseitiger Last. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein portfolio-orientiertes Energiemanagementsystem in der Modellierungsumgebung MATLAB entwickelt. Das Managementsystem hat die Aufgabe, die variablen Kosten des Energieverbrauchs für die Medien Wärme, Kälte und Strom unter Berücksichtigung von vorhandenen Eigenerzeugungsanlagen gesamtheitlich zu minimieren. Weiterhin besteht innerhalb des Managementsystems die Möglichkeit, den Mehrwert von verbrauchsseitiger Flexibilität durch die Teilnahme am Spot- oder Regelleistungsmarkt zu ermitteln. In dieser Arbeit wurde die Quantifizierung des Mehrwertes der Vermarktung von Flexibilität am Minutenregelleistungsmarkt und Spotmarkt für das Jahr 2017 anhand einer Lebensmitteleinzelhandelsfiliale untersucht. Unter Berücksichtigung der gegenwärtigen Randbedingungen des deutschen Marktes und der nötigen investiven Maßnahmen ergab die Vermarktung von verbrauchsseitiger Flexibilität keinen wirtschaftlichen Mehrwert. Dies deutet darauf hin, dass es momentan genügend Anbieter von Flexibilität am Markt vertreten sind, um den Bedarf zu decken.
Verfasst von: Lucas Schröder
Betreut von: M. Sc. Christian Wengert – BLS Energieplan, Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing Juan José Victoria Villeda – BLS Energieplan, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018
Betrachtungen zur Abwärmenutzung eines Rechenzentrums auf dem Campus der TU Dresden
In dieser Arbeit wird die gegenwärtige Nutzung der Abwärme der Supercomputer (HPC) des Lehman-Zentrum – Rechenzentrums (LZR) im Hermann-Krone-Bau (KRO) analysiert. Dabei wird zuerst der Stand der Technik in dem Bereich der Kühlung von Rechenzentren dargestellt und auf die verschiedenen Kühlungsarten eingegangen. Damit in Verbindung werden die verschiedenen Möglichkeiten zur Nutzung der weggeführten Wärme und auch von Abwärme allgemein betrachtet. Nach der Darstellung des gegenwärtigen Ausbauzustandes am LZR wird anhand vorhandener Betriebsdaten die Wärmeerzeugung der HPC, die Nutzung der Abwärme im LZR und im KRO und die an die Umgebung abgeführte Wärme analysiert. Dabei werden Lastganganalysen und Temperaturvergleiche von Wärmeangebot und -bedarf hergestellt sowie ausgewertet. Es hat sich ergeben, dass zurzeit ca. 50 % der HPC-Abwärme weiter benutzt wird. Bei der überschlägigen wirtschaftlichen Bewertung wird die ökonomische Sinnhaftigkeit der Abwärmenutzung bewiesen. Abschließend wird die Möglichkeit der Nutzung der unbenutzten Menge LZR-Abwärme in weiteren Gebäuden beurteilt.
Verfasst von: Boglárka Johanna Braunitzer
Betreut von:Dr.-Ing. Annina Gritzki
Jahr: 2018, Studienarbeit
Weiterentwicklung eines Durchflussprüfstandes
In der Energietechnik werden viele Berechnungen und Bewertungen auf Basis von Messdaten von Volumenstromsensoren durchgeführt. Deswegen muss deren Genauigkeit geprüft werden, um mit verlässlichen Werten weiter rechnen zu können. Diese Arbeit beschreibt Aufbau und Bewertung eines Prüfstandes mit dessen Hilfe Volumenstromsensoren kalibriert werden können. Dabei wird genauer auf die Arbeitsphasen Literaturrecherche, Konzeptionierung, Planung, Umsetzung und Bewertung eingegangen. Das errichtete System wird beschrieben und eine Bewertung der Messunsicherheiten wird vorgenommen. Der gebaute Prüfstand ist jedoch noch nicht für die Kalibrierung anderer Messgeräte geeignet, da die Messungenauigkeiten noch zu hoch sind. Diese Unsicherheiten können durch das Einbinden weiterer Komponenten und die Durchführung von Tests in Zukunft verbessert werden. Das Ziel einen Prüfstand für Volumenstromsensoren zu bauen und zu testen wurde erreicht.
Verfasst von: Johannes Bärschneider
Betreut von: Dipl.-Ing. Karl Wolffgang, Dipl.-Ing. Paul Seidel
Jahr: 2018, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Modellgestützter Test von Einsatzplanungsverfahren in Fernwärmenetzen
In dieser Arbeit wurde eine modellbasierte Testplattform für die Validierung und Bewertung von Einsatzplanungsalgorithmen am Beispiel eines Fernwärmenetzes entwickelt und getestet. Basis dafür war die Entwicklung eines Modelica-basierten Simulationsmodells (SimulationX/Green City). Dieses wurde anhand realer, technischer Rahmenbedingungen entwickelt und umfasst neben den Wärmerzeugern, thermischen Speichern, und Regelungseinrichtungen auch das Wärmenetz (Verbraucher) als solches sowie dessen Eigenschaften im Betrieb. Durch die flexible Einbindung von Day-Ahead Einsatzplanungen sowie Wärmelast- und Temperaturprognosen ist eine dynamische Simulation des Gesamtsystems ermöglicht worden. Die Dynamik der Simulation berücksichtigt komplexe technische und physikalische Rahmbedingungen und stellt somit ein sehr realitätsnahes Verhalten da. Das Simulationsmodel wurde anhand von realen Einsatzplanungsalgorithmen auf Plausibilität und Sensitivität geprüft. Damit konnten auch Verwendungsmöglichkeiten für die Validierung und Bewertung weiterer derartiger Algorithmen dargestellt werden.
Verfasst von: Ole Ziessler
Betreut von:Dipl.-Ing. T. Schwan –EASD, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Erstellung von excelbasierten Planungstools zur überschlägigen Bestimmung von Luftvolumenströmen in Gebäuden und der daraus resultierenden Raumluftqualität
Gegenstand dieser Arbeit ist die Erstellung zweier excelbasierte Planungstools zur überschlägigen Bestimmung von Außenluftvolumenströmen durch freie Lüftung in Gebäuden und die anschließende Bewertung der resultierenden Raumluftqualität in Schulgebäuden. Die Arbeit gliedert sich grob in zwei Teile.
Zunächst wird das „Tool 1“ behandelt, welches zur Bestimmung der Außenluftvolumenströme gedacht ist. Dabei wird zuerst eine Literaturrecherche zur freien Lüftung und Infiltration von Gebäuden durchgeführt, auf deren Basis der Algorithmus für das Tool entstehen soll. Anschließend werden alle wichtigen Ein- und Ausgabegrößen zusammengefasst, die Tooloberfläche präsentiert und die Berechnungsergebnisse mit der Literatur verglichen. Ein messtechnischer Vergleich ist noch nicht möglich, da die Interpretation der experimentellen Ergebnisse zum Zeitpunkt der Fertigstellung dieser Arbeit noch nicht vorlagen.
Der Schwerpunkt des zweiten Teils liegt auf dem BNB-Tool. Dieses Baut auf dem Tool 1 auf und soll Anhand variabler Randbedingungen zusätzlich den CO2-Konzentrationsverlauf über die Zeit in einem Büro oder Schulgebäude berechnen und die Raumluftqualität nach BNB Kriteriensteckbrief bewerten [1]. Hierfür wird ebenfalls eine Literaturrecherche durchgeführt, ein Programmablaufplan erstellt und die Oberfläche erläutert. Die Ergebnisse werden anschließend mit einer mehrwöchigen Versuchsreihe, zur Bestimmung von Außenluftvolumenströmen, CO2-Konzentrationen und Raumklimaverhältnissen für verschiedene Konzepte am ILK Dresden messtechnisch überprüft. Dies geschieht unter Variation wesentlicher Randbedingungen (z.B.: Raumbelegung, CO2-Ausgaberate der Teilnehmer, Außenluftvolumenstrom).
Verfasst von: Hristo Markov
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Thomas Hartmann - ITG Dresden, Dipl.-Ing. Christine Knaus - ITG Dresden, PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Jahr: 2018, Projektarbeit im Fachpraktikum
Wirtschaftlichkeitsvergleiche von Heizungsanlagen im Zeitraum 2017-2035
Ein großer Teil des Endenergieverbrauchs in Deutschland geht auf die Erzeugung von Wärme im Gebäudesektor. Das macht Heizungsanlagen zu einem wichtigen Träger der Energiewende, welche im Klimaschutzplan der Bundesregierung beschlossen wurde. Dabei sind nicht nur ökologische Faktoren wichtig für die Betrachtung. Auch die Wirtschaftlichkeit einer Heizungsanlage spielt eine große Rolle, besonders für den Betreiber.
In dieser Arbeit wurden Heizungsanlagen auf ihre Wirtschaftlichkeit untersucht. Zuerst wurde für das Bezugsjahr 2017 verglichen, um die aktuelle Situation zu erfassen. Danach wurde der Einfluss der Energiepreise auf die Wirtschaftlichkeit einer Anlage untersucht, um die Auswirkungen dieser zu quantifizieren und um eine Prognose für die zukünftige Wirtschaftlichkeit abzugeben.
Unter der Maßgabe, dass auch ökologische Vorgaben an die zukünftigen Anlagen steigen, wurde außerdem die Abgabe der CO2-Emissionen und des Primärenergieverbrauchs, bei sich ändernden Energieträgerkennwerten, untersucht. Es wurden Annahmen und Prognosen getroffen die eine realistische Entwicklung abbilden könnten.
Die verglichenen Heizungsanlagen wurden anhand ihrer jetzigen Situation und einer möglichen Entwicklung gegenübergestellt, um Empfehlungen basierend auf den getroffenen Annahmen abzugeben.
Verfasst von: Florian Emmrich
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz - ITG Dresden, Dipl.-Ing. Jens Rosenkranz - ITG Dresden, PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Jahr: 2018, Projektarbeit im Fachpraktikum
Auslegung von KWK-Anlagen unter Berücksichtigung flexibler und unsicherer Betriebsweisen
Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, inwiefern sich Unsicherheiten in Auslegung und Betrieb auf die Wirtschaftlichkeit einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage (KWK-Anlage) auswirken. Für den Betreiber einer Energieanlage ist es essentiell, zu wissen, ob und in welcher Höhe ein wirtschaftlicher Nutzen daraus resultiert. Diese Vorhersage wird aber dadurch erschwert, dass es unmöglich ist, die genauen Last- und Betriebsbedingungen mehrere Jahre im Voraus vorherzusagen. Das resultiert einerseits aus schwankenden äußeren Bedingungen, wie Außentemperaturen und Wetter, andererseits kann auch auf Abnehmerseite durch geänderte technische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen eine gewisse Flexibilität erforderlich sein.
Im Ergebnis zeigt sich, dass die Empfindlichkeit einer KWK-Anlage in diesem Zusammenhang entscheidend davon abhängt, in welche Richtung eventuelle Unsicherheiten auftreten. Eine überdimensionierte Anlage sollte unbedingt vermieden werden. Sicherer ist es, die Leistung etwas kleiner zu wählen, als es nach Auslegungsbedingungen optimal wäre. So kann zwar unter Umständen nicht das ganze wirtschaftliche Potential ausgeschöpft werden, aber es werden sehr ungünstige Betriebsszenarien, die einen geringeren Nutzungsgrad mit sich bringen, eher vermieden.
Verfasst von: Jacob Kriehmig
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Entwicklung eines robusten und mobilem Durchflussmesssystems auf Basis von Ultraschall
Um den Durchfluss durch Rohrsysteme zu messen, existieren die verschiedensten Herangehensweisen. Uber eine Recherche zum Thema Durchflussmessung wurden hierfur zuerst die unterschiedlichen gebrauchlichen Verfahren herausgearbeitet, die zur Lösung Entwicklung eines Messsystemes eingesetzt werden konnten.
Fur die Umsetzung dieses Konzeptes wurde ein Einplatinencomputer verbaut, der zusammen mit dem eigentlichen Messgerat das Kernstuck des Messsystemes bildet. Diese Arbeit erlautert unter anderem den Entwurf eines Programmes, mit dem der Computer durch einfachste Benutzereingaben selbstandig Werte aus dem Messgerat ausliest, in einem geeigneten Dateiformat abspeichert und dem Benutzer zur Verfugung stellt. Die Mobilitat des Messsystems wurde dadurch gewahrleistet, dass der komplette Aufbau in einem robusten Hartschalenkoffer mit diversen Anschlussmöglichkeiten untergebracht und damit auch vor Umwelteinflüussen den Ansprüchen entsprechend geschüutzt wurde. Zur Erprobung und Validierung des entwickelten Messsystemes wurden verschiedene Messreihen durchfahren und mit anderen Messgeräten verglichen. Dokumentationen des Aufbaues und die Erstellung von Installations- und Bedienungsanweisung runden diese Arbeit ab.
Verfasst von: Lukas Hubert
Betreut von: Dipl.-Ing. Karl Wolffgang, Dipl.-Ing. Paul Seidel
Jahr: 2018, Studienarbeit
Analyse und experimentelle Untersuchungen zum Einsatz von Plattenwärmeübertragern in Kälteversorgungssystemen mit Flüssigeis als Kälteträger
Durch den Einsatz von Flüssigeis kann die Energieeffizienz von Kälteversorgungssystemen gesteigert sowie die Füllmenge umweltschädlicher Kältemittel reduziert werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden kommerziell verfügbare Plattenwärmeübertrager hinsichtlich ihrer Eignung zur Durchströmung mit Flüssigeis untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein Wärmeübertragerprüfstand konzipiert, aufgebaut und in eine bestehende Versuchsfeldstruktur integriert. Die hierfür wesentlichen Erkenntnisse konnten aus einer Literaturdatenanalyse bereits durchgeführter Untersuchungen abgeleitet werden. Auch die Auswahl der zu untersuchenden Prüflinge basiert auf dieser Analyse. Demnach lag der Fokus dieser Arbeit auf der Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Plattenprofile. Die Konzeption eines Strömungskalorimeters ermöglichte eine kontinuierliche Bestimmung des Eisanteils während der Untersuchungen. Obwohl alle ausgewählten Prüflinge die Durchströmung mit Flüssigeis ermöglichten, konnte ein Einfluss durch die Auswahl verschiedener Plattenprofile nachgewiesen werden. Abschließend wurden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen mit den wesentlichen Erkenntnissen bisheriger Arbeiten sowie den Theorien des VDI-Wärmeatlas verglichen. Auf Grundlage der vorliegenden Arbeit können weiterführende Untersuchungen zum Einsatz von Plattenwärmeübertragern in Systemen mit Flüssigeis als Kälteträger durchgeführt werden.
Verfasst von: Johannes Schwarz
Betreut von:Dipl.-Ing. Christoph Steffan – ILK Dresden gGmbH, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Gebäude- und Anlagensimulation im Planungsprozess (HOAI)
Zu Beginn der Arbeit werden die Grundprinzipien von thermischer Gebäude- und Anlagensimulation und weiterer damit kombinierbarer Simulationsarten erläutert. Darauf folgt ein Überblick über die rechtlichen Aspekte der energetischen Gebäudeplanung sowie die Anforderungen von Gebäudezertifikaten und staatlichen Förderungen. Um sich mit der großen Anzahl möglicher Eingabeparameter von Simulationssoftware auseinanderzusetzen, werden die einzelnen Schritte bei der Dateneingabe behandelt. Auf eine Analyse der Leistungsphasen der HOAI folgt die Erörterung möglichst allgemeingültiger und nicht projektspezifischer Nutzungsmöglichkeiten von Simulationssoftware sowie deren Einordnung in den Planungsprozess. Die zeitliche Verfügbarkeit der zuvor dargestellten Eingabeparameter wird aufgezeigt. Es wird eine Übersicht erstellt, wie die Ergebnisse einer Simulation genutzt werden können und welche Eingabeparameter dafür nötig sind. Die so gefundenen Nutzungsmöglichkeiten für die weniger genaue, zum Teil statische Berechnungsverfahren existieren, werden mit Simulation verglichen. Danach werden die Anwendungen vorgestellt, für die keine konventionellen Berechnungsmethoden verfügbar sind. Die Nutzung von Simulationssoftware zur Qualitätssicherung und Betriebsoptimierung wird gesondert und in Kombination mit dem „Performance Gap“ zwischen Planungszielgrößen und realem Betrieb behandelt, da diese Themen besonders relevant füreinander sind. Außerdem wird versucht, die ökonomischen Aspekte von Simulation zu quantifizieren. Es wird sich auch der zukünftigen Entwicklung von Simulation und der Planung im Allgemeinen gewidmet. Mit dem Building Information Modeling findet derzeit weltweit eine Transformierung der Gebäudeplanung statt, die sich maßgeblich auf die Anwendung von Simulation auswirken wird. Abschließend werden Entwicklungspotentiale von Simulation im Kontext des Maschinenlernens und Künstlicher Intelligenz vorgestellt. Neben der theoretischen Erarbeitung dieser Sachverhalte wurden, während der Arbeit bei der Firma SOWATEC GmbH, verschiedene Beispielobjekte simuliert. Auszüge aus diesen Projekten finden sich als Veranschaulichungen in der Arbeit.
Verfasst von: Patrick Eger
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Kaiser, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Betrachtungen zur Netzdienlichkeit von elektrischen Kompressionswärmepumpen
Der Ausbau von Erzeugerkapazitäten auf Grundlage regenerativer Energien hat eine zunehmend fluktuierende Stromerzeugung zur Folge. Durch netzdienliche Lastverschiebungen können flexible elektrische Kompressionswärmepumpen dazu beitragen, diese auszubalancieren. In dieser Arbeit werden Auswirkungen des vermehrten Einsatzes von dezentralen Heizungswärmepumpen im zukünftigen Energiesystem untersucht. Auf Basis stündlich aufgelöster Heizlastgänge werden elektrische Jahreslastgänge der zusätzlich installierten Wärmepumpen für das Jahr 2030 bestimmt. Diese werden mit einem Modell der elektrischen Energieerzeugung abgeglichen.
Es zeigt sich, dass Primärenergiebedarf und CO2-äquivalente Emissionen des Wärmesektors durch den vermehrten Einsatz von elektrischen Kompressionswärmepumpen reduziert werden können. Weiterhin ermöglichen zusätzliche Wärmepumpen eine Integration höherer Strommengen aus regenerativen Energien. Allerdings kommt es aufgrund des vermehrten Einsatzes von elektrischen Wärmepumpen zu einer Steigerung der Residualproduktion.
Durch netzdienliche Lastverschiebungen können Primärenergiebedarf und CO2-äquivalente Emissionen der neu installierten Wärmepumpen reduziert werden. Weiterhin ermöglicht der flexible Betrieb elektrischer Kompressionswärmepumpen höhere nutzbare Strommengen aus regenerativen Energien.
Verfasst von: Moritz Clausnitzer
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Wirtschaftliche, ökologische und technische Bewertung der Heizungs- und Klimaanlage in einem Bürogebäude
Die vorliegende Arbeit untersucht energetische und wirtschaftliche Optimierungspotenziale von bestehenden gebäudetechnischen Anlagen in Bürogebäuden. Die Verfahrensweise einer Analyse der gebäudetechnischen Anlage ist theoretisch beschrieben und exemplarisch am Bürogebäude der GSA-CAD GmbH & Co. KG angewendet. Die aufgenommenen Daten sind in Form einer CAD-Zeichnung in Autodesk Revit dokumentiert. Zur energetischen Einschätzung der gebäudetechnischen Anlage erfolgt die Erstellung eines Energieausweises auf Grundlage der Verbrauchsabrechnungen von Wärme und elektrischer Energie. Anschließend sind verfügbare Technologien beleuchtet, welche die bestehende Anlage ergänzen oder ersetzen können um die energetische und wirtschaftliche Effizienz zu erhöhen. Das Ergebnis der Untersuchung ist anhand einer Amortisationsrechnung auf Grundlage der jährlichen Einsparungen sowie der Anschaffungskosten verdeutlicht.
Verfasst von: Christian Keil
Betreut von: Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach, Axel Wulke – GSA-CAD GmbH & Co. KG, Udo Clement – GSA-CAD GmbH & Co. KG
Jahr: 2018, Projektarbeit im Fachpraktikum
Modellierung und Simulation eines Großwärmespeichers mit COMSOL Multiphysics
Im Rahmen der Diplomarbeit „Modellierung und Simulation eines Großwärmespeichers mit COMSOL Multiphysics®“ wurde ein 500.000 m³ großer Erdbeckenspeicher untersucht. Im Mittelpunkt der Betrachtungen stand eine Langzeitsimulation des realen Speicherbetriebs. Mithilfe getroffener Vereinfachungen wurde ein an die gegebenen Rahmenbedingungen angepasstes Simulationsmodell erstellt. Anhand einer Fünfjahressimulation konnten detaillierte Ergebnisse hinsichtlich der Wärmeverluste des Speichers und der Erwärmung des den Speicher umgebenden Erdreichs erzielt werden. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass am Ende des Simulationszeitraum noch keine stationären Bedingungen der Speicherverluste erreicht wurden. Die Erwärmung des Erdreichs reichte nach dem untersuchten Zeitraum ca. 30 m weit. Der dominierende Anteil der Wärmeverluste des Speichers wurde im Bereich des schwimmenden Deckels beobachtet. Hier und auf der unmittelbar an den Speicher angrenzenden Erdoberfläche, wurde das größte Verlustoptimierungspotenzial identifiziert. Ein übermäßig großer Wärmeeintrag in eine 10 m unterhalb des Speichers liegende Grundwasserschicht, konnte in dieser Arbeit nicht festgestellt werden. Als Beitrag zum Verbundprojekt Green Heat³ bildet diese Diplomarbeit die Grundlage für weiterführende Detailuntersuchungen.
Verfasst von: Alessandro Hülser
Betreut von: Dipl.-Math. Anja Matthees, Dr. rer. nat. Peter Stange
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Energiewirtschaftliche Betrachtung zum Einsatz von BHKW in einer multivalenten Anlage
In der folgenden Diplomarbeit wurde eine bestehende multivalente Wärmeerzeugungsanlage eines Krankenhauses mit einer installierten Leistung von rund 6.500 kWth und 420 kWel energiewirtschaftlichen untersucht und soll Aufschluss über den Einsatz weiterer BHKW-Leistung geben. Die durchgeführte Analyse soll das bestehende System auf Grundlage von historischen Erzeugungs- und Verbrauchsdaten auswerten, bestehende Fehler analysieren und freie thermische und elektrische Kapazitäten für weitere BHKW-Leistung identifizieren. Die Ergebnisse bilden die Basis
zur energetischen Betrachtung unterschiedlicher Aggregate. Diese werden auf verschiedene Kennwerte, wie zum Beispiel Stromeigenverbrauchsanteil untersucht, gegenübergestellt und bewertet. Neben diesen Kennwerten werden die gesetzlichen Rahmenbedingungen zum aktuellen Zeitpunkt festgestellt, um die Bedingungen und die Höhe der Zuschlagsförderung durch das Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetzes in der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung berücksichtigen zu können. Die Untersuchung der Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher Aggregate in der Bestandanlage wurde
hinsichtlich der Entwicklung der Kapitalwerte und den Amortisationszeiträumen durchgeführt und gegenübergestellt. Basierend auf den einzelnen energetischen und wirtschaftlichen Ergebnissen wurde das EM-238/363 als favorisierte BHKW-Größe ausgewählt und begründet. Das gewählte Modul wurde hydraulisch in das bestehende System einplant und die entsprechenden Bauteile geprüft und dimensioniert. Zudem wurden die gesamten baulichen Maßnahmen betrachtet und in einer Grobkostenschätzung der Zubau-Maßnahme bewertet. Die identifizierten Investitionskosten in Höhe von 290 T€, dienen zum einem dem Krankenhaus zur Aufstellung eines Finanzierungsplans und zum anderen zur Verifizierung der angenommen Investitionskosten in der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Alle nötigen kurzfristigen Optimierungen bestehender Probleme und die wirtschaftliche Nutzung von
stromseitigen Hochlastzeitfenstern werden unabhängig eines BHKW-Zubau erläutert. Abschließend werden die mittel- und langfristigen Möglichkeiten des Verbundsystems für eine zukunftsweisende Energieerzeugungsanlage vorgestellt.
Verfasst von: Michael Wördemann
Betreut von:Dipl.-Ing. (FH) B. Klimes – INNIUS DÖ, Dresden, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Strömungstechnische Untersuchungen an Schüttbett-Filtern
Schüttbettfilter werden in verschiedenen Industriebereichen zur Gasreinigung eingesetzt. Im vorliegenden Projekt „NPP DOEL1 & 2“ werden Zeolith-Schüttungen zur Abscheidung von radioaktiven Zerfallsprodukten beim Venting im Falle einer Havarie eingesetzt.
Dafür ist eine Untersuchung bezüglich einer optimalen Ausnutzung des Filtermaterials erforderlich. Eine sehr gleichmäßige Verteilung der Luftgeschwindigkeit im Zeolith spielt dabei eine große Rolle, da diese die Kontaktzeit zwischen Gas und Schüttung bestimmt.
Im Rahmen des Projekts „NPP DOEL1 & 2“ behandelt diese Arbeit die Optimierung der Gleichverteilung der Luftanströmung durch einen Festbettfilter. Insbesondere wurde die Eignung numerischer Strömungssimulation für die Auslegung von Schüttbettfiltern untersucht. Dazu wurde ein experimenteller Versuchsaufbau erstellt, der als Modell einer Filterzelle dient. Parallel wurde die Strömung mittels numerischer Simulation dargestellt und es wurden die Ergebnisse der Berechnung mit denen der Messung verglichen.
Zur Bewertung der Gleichförmigkeit der Filterdurchströmung wurde der Varianzkoeffizient angewendet, d.h. je näher der Varianzkoeffizient der Geschwindigkeiten in einem bestimmten Bereich zu Null ist, desto weniger Geschwindigkeitsschwankungen werden in diesem Bereich angesetzt. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Varianzkoeffizienten der Filterdurchströmung unter 5 % zu erreichen.
Mittels der Software Phoenics der Fa. Cham wurde ein CFD-Modell erstellt und mit verschiedenen Varianten in Bezug auf Gleichförmigkeit der Durchströmung simuliert. Außerdem wurden zur Validerung der numerischen Simulation experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Im besten Simulationsergebnis beträgt der Varianzkoeffizient nur 2,36 % und beim Versuchstand wurde ein Varianzkoeffizient von unter 5 % erreicht.
Verfasst von: Ge Liu
Betreut von:Dr. Eckehard Fiedler – Caverion Deutschland GmbH, Dr.-Ing. Claudia Kandzia, Dr.-Ing. Markus Rösler
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Konzeptionierung von Reinräumen
Das Ziel der vorliegenden Projektarbeit im Fachpraktikum war es, alle für die Planung von Reinraumanlagen notwendigen Richtlinien und Geräteausstattungen zusammenzutragen. Hierbei wurden die zuständigen Normen und Richtlinien untersucht und beschrieben. Alle für den Betrieb von Reinraumanlagen aktuellen technischen Systeme wurden in Ihrer Funktion und dem daraus resultierenden Nutzen zusammengetragen. Ein ausschlaggebender Parameter ist die Reinheitsklasse und die Luftwechselzahl welche durch die Normen DIN ISO 14644 und VDI 2083 definiert sind. Ebenfalls kann anhand der notwendigen Reinheit die Wahl des Endfilters bestimmt werden. Hierbei ist die Standzeit zu beachten nachdem der Filter seinen Wirkungsgrad mit zunehmender Partikelabscheidung verschlechtert. Der Vergleich von Reinraumfläche und der notwendigen Filterfläche gibt die prozentuale Filterbelegung an. Diese ist für die Wirtschaftlichkeit entscheidend und sollte den notwendigen Bedingungen angepasst sein. Die Amortisation der Anlage beginnt mit der Fertigung im Reinraum. Die Fertigung ist die letzte von drei Betriebs- oder Bereitschaftsphasen einer Reinraumanlage und folgt der Bereitstellung und dem Leerlauf, welche als Bauphasen betrachtet werden können und die Kontaminationsrisiken im Reinraum benennen.
Verfasst von: David Hess
Betreut von:Mr. Frank Pietsch – M+W Central Europe GmbH, Dresden , Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Projektarbeit im Fachpraktikum
Weiterentwicklung eines Heatpipe-Flachkollektors unter besonderer Berücksichtigung der Fertigungsverfahren
In dieser Arbeit wird der Prototyp eines solarthermischen Flachkollektors mit Wärmerohren ausgelegt, zusammen mit KBB Kollektorbau gefertigt und bewertet. Die Wärmerohre dienen dazu, die Stagnationstemperatur zu begrenzen. Um den Kollektor auslegen zu können, wird ein Kollektormodell entwickelt, das die Abschaltcharakteristik der Wärmerohre berücksichtigt. Die Zielvorgabe für den Konversionsfaktor beträgt 75 %. Die Stagnationstemperatur soll nicht mehr als 120 °C betragen.
Die Wärmerohre werden eigens für die Herstellung der Prototypen gefertigt. Hierbei wird eine Recherche zu möglichen Umformverfahren durchgeführt, um ein geeignetes Verfahren für eine seriennahe Fertigung zu identifizieren.
Neben den Wärmerohren wird der für den Wärmetransport in die Solarflüssigkeit notwendige Sammler fertigungstechnisch untersucht. Hier wurde ein Werkzeug zur Herstellung des Sammlers aus Kupferrohren in einer hydraulischen Presse entwickelt und erprobt.
Nach der in dieser Arbeit dokumentierten Fertigstellung des Prototyps wurden am Institut für Solarenergieforschung in Hameln der Konversionsfaktor, die Wirkungs-gradkurve und die Stagnationstemperatur des erstellten Prototyps bestimmt. Hierbei kann hervorgehoben werden, dass die Zielvorgabe für den Konversionsfaktor mit 76,2% bei Normmassenstrom eingehalten wurde. Dieser Kollektor-Prototyp weist eine Stagnationstemperatur von 125 °C auf.
Verfasst von: Sebastian Braun
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dr.-Ing. Steffen Jack – KBB Kollektorbau GmbH Berlin
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Entwicklung eines Modells für einen Aggregator von heterogenen Flexibilitäten im Niederspannungsnetz
Im Zuge der Energiewende steigt der Anteil von Photovoltaikanlagen und Windenergieanlagen an der Stromerzeugung. Da diese Anlagen stark wetterabhängig sind, nimmt auch die Volatilität der Stromerzeugung zu. Um weiterhin die Netzstabilität sicher stellen zu können, müssen geeignete Maßnahmen durchgeführt werden. Eine dieser Maßnahmen ist der Einsatz von Flexibilitäten. Dafür können entweder leistungsstarke Anlagen einzeln oder mehrere leistungsschwache Anlagen gebündelt genutzt werden. Die Aufgabe der Poolung mehrerer Anlagen wird von Aggregatoren übernommen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Modell für einen Aggregator zu erstellen, welches beschreibt, wie die Poolung der Flexibilitäten erfolgen kann. Des Weiteren beinhaltet das Modell ein Konzept zur Disaggregation der abgerufenen Poolleistung auf die einzelnen Flexibilitäten. Die betrachteten Flexibilitäten sind alle am Niederspannungsnetz angeschlossen und weisen unterschiedliche Charakteristika auf, welche bei der Modellerstellung beachtet werden. Außerdem erfolgt eine Differenzierung des Modells hinsichtlich der Vermarktung am Spotmarkt und der Vermarktung am Regelleistungsmarkt. Für die Evaluierung des Modells wird dieses in einen Programmcode implementiert und simuliert.
Verfasst von: Saskia Hübner
Betreut von:M. R. Neubauer – Kiwigrid GmbH, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Jens Werner – TU Dresden
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Überlegungen zu gebäudetechnischen Versorgungskonzepten eines Smart Buildings am Beispiel eines Büro- und Verwaltungsgebäudes mit Studio
Die vorgestellte Diplomarbeit setzt sich mit der Planung der technischen Gebäudeausrüstung eines Büro- und Verwaltungsneubaus mit Studio auseinander und beleuchtet den Begriff eines Smart Buildings. Eingangs werden die architektonischen Besonderheiten und das Gebäudekonzept präsentiert. Im Anschluss erfolgt eine detaillierte Begutachtung der technischen Gewerke, um den Planungsverlauf aus Entwurfs- und Ausführungsphase zu erfassen. Für die Untersuchung des Begriffs Smart Building wird eine eigene Definition vorgestellt, die als Orientierung während der Bearbeitung dient. Als Anregung zu möglichen Versorgungsvarianten werden moderne Referenzgebäude präsentiert. Daraufhin werden drei alternative Konzepte erläutert, die zunächst untereinander und abschließend mit der derzeitigen Planung verglichen und bewertet werden. Ziel soll eine Reduktion der Energiebedarfe sein. Es folgt die Betrachtung des Aufbaus eines Gebäudeautomationssystems, sodass geeignete Funktionen mit Fokus auf die Raumautomation und Nutzerfreundlichkeit ergänzt werden. Infolgedessen wird ein Abgleich der Gebäudeautomation mit der Funktionsliste nach DIN EN ISO 15232 durchgeführt, um die Praxistauglichkeit der Norm zu evaluieren. Abschließend wird dargelegt, ob es sich beim untersuchten Gebäude um ein Smart Building handelt bzw. welche Erkenntnisse bezüglich des Begriffs gewonnen wurden.
Verfasst von: Robert Matthias Scharf
Betreut von:Dipl.-Ing. Uwe Hopf – Kofler Energies Energieeffizienz GmbH, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Ressourcenverbrauch im technischen Gebäudebetrieb - Entwicklung eines Modells für die Vorhersage des Energieverbrauchs und des Verschleißes der installierten TGA
Das Ziel der vorliegenden Projektarbeit war es, ein Modell auf Grundlange der DIN V 18599 zur Vorhersage des Energieverbrauches von Gebäuden zu erstellen. Dafür wurde für ein Testgebäude in der Software „Solar-Computer“ und dem Excel-Tool „EnerCalc“ eine energetische Bilanzierung durch die Variation von Parametern möglichst nah der Realität angepasst und mit Verbrauchswerden verglichen. Anschließend wurden Prognosemodelle und –möglichkeiten untersucht. Im Rahmen der Projektarbeit erfolgte außerdem eine Betrachtung von Verschleiß der TGA. Es wurden die allgemeine Problematik und relevante physikalische Wirkprinzipien untersucht, sowie die Darstellbarkeit von Alterungsmechanismen in Modellen nach DIN V 18599 bewertet. Es erfolgten weiterhin eine Beschreibung der modellbasierten Unterstützung des TGA-Operators beim Gebäudebetrieb unter dem Aspekt der Alterung und eine konkrete Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Alterungs-Modelle.
Verfasst von: Noah Mertens
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Projektarbeit im Fachpraktikum
Entwicklung und Charakterisierung einer Direkt-Heißwasserkühlung für Grafikkarten
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Charakterisierung der Direkt-Heißwasserkühlung von Grafikkarten. Es wird ein neuartiger Grafikkartenkühler thermisch und hydraulisch ausgelegt, welcher für den Einsatz in wassergekühlten Rechenzentren mit Abwärmenutzung konzipiert ist. Die Einleitung in das Thema erfolgt durch eine Einführung in verschiedene Technologien zur Klimatisierung von Rechenzentren. Zudem wird ein Überblick über Wasserkühlungskonzepte von Grafikkarten und Abwärmenutzungsmöglichkeiten gegeben. Die Definition von Anforderungen an den Grafikkartenkühler bilden die Grundlage für dessen Auslegung. Diese berücksichtigen, neben den Randbedingungen, die durch die Grafikkarte vorgegeben werden, auch die Integration des Kühlers in den Kühlkreislauf von wassergekühlten Rechenzentren. Zum Erstellen eines Prototyps wird ein 3D-Druckverfahren angewendet. Hierfür wird die Herstellung von wasser-, druck- und temperaturbeständigen Strukturen durch das Verfahren erprobt. Die Vorarbeit zur thermischen Auslegung besteht aus grundlegenden Betrachtungen der Wärmeübertragung von den wärmeabgebenden elektronischen Bauteilen in das Kühlwasser. Darauf folgt die detaillierte Auslegung eines Rippenkühlkörpers, für den die optimalen Geometrieabmessungen bestimmt werden. Es wird ein Konzept der Fluidführung innerhalb des Grafikkartenkühlers erarbeitet und ein darauf abgestimmtes, dreidimensionales Modell erstellt. Zur hydraulischen Untersuchung erfolgt eine Nachrechnung des Kühlers, durch die Optimierungsansätze hinsichtlich des Druckverlusts abgeleitet werden. Für die Charakterisierung wird ein Messkonzept für die Leistungsfähigkeits- und Effizienzbewertung von Grafikkartenkühlern erarbeitet. Dieses fließt in die Entwicklung und den Aufbau eines Teststands ein, mit Messungen am einer belasteten Grafikkarte durchgeführt werden. Dadurch ist, neben der Charakterisierung des Kühlers, auch die Bestimmung des Betriebsverhaltens der Grafikkarte möglich. Abgerundet wird die Arbeit durch Optimierungsvorschläge des Grafikkartenkühlers, des Herstellungsverfahrens und des Testaufbaus.
Verfasst von: Lukas Friedenstab
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dr. Jens Struckmeier – Cloud&Heat
Jahr: 2018, Diplomarbeit
Die Planung von Windenergieanlagen in Sachsen
Bei der Planung von Windenergieanlagen sind zahlreiche Aspekte zu berücksichtigen. In dieser Arbeit werden die Kriterien, die für die Standort- und Anlagenauswahl eine Rolle spielen, erläutert. Es werden unter anderem die vorherrschenden Windverhältnisse, die Umgebung mit der Natur und Landschaft und die Ausweisung von Vorrang- und Eignungsgebieten durch Regionalplanung betrachtet. Des Weiteren müssen Gesetze und Vorschriften eingehalten werden, die den Schutz von Mensch und Natur sicherstellen. Außerdem werden der Ablauf des Planungsprozesses und Genehmigungsprozesses nach Bundesimmissionsschutzgesetz beschrieben. Abschließend wird die Rolle der gesellschaftlichen Akzeptanz und der Politik bei dem Ausbau der Windenergie diskutiert.
Verfasst von: Carlotta Scheder
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander
Jahr: 2018, Projektarbeit im Fachpraktikum
Energiesystemanalyse – Erneuerbare Energien in Kuwait
Modellierung, Analyse und Bewertung der Integration erneuerbarer Energien in das Stromnetz sowie Optimierung der daraus resultierenden Kraftwerksstruktur
Als Konsequenz gestiegenen lokalen Verbrauches von Ressourcen sowie Herausforderungen des Klimaschutzes strebt der Staat Kuwait eine Diversifikation seiner Energieproduktion an. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, in welchem Umfang eine Integration erneuerbarer Energien in das Energiesystem sinnvoll ist, und wie sich der daraus resultierende Kraftwerkspark/-mix hinsichtlich der Auswahl verschiedener erneuerbarer und konventioneller Technologien zusammensetzt.
Ziel der Arbeit stellt eine Evaluation des optimalen Kraftwerksparkes mit hohem Anteil erneuerbarer Energien und die Auswirkungen auf das gesamte kuwaitische Energiesystem dar. Als Ergebnis dieser Forschungsarbeit wird die Integration der erneuerbaren Technologien in das Energiesystem als sinnvoll betrachtet. In den analysierten Szenarien setzt sich der optimale Kraftwerkspark aus 27 bis 40 GW an installierter Leistung erneuerbaren Energien zusammen, die einen Anteil von 45 bis 65 % an der Nettostromversorgung erreichen. Dabei wurde die Integration von PV- und Windenergieanlagen in allen Szenarien als sinnvoll erachtet. Die Menge an zugebauter Leistung variiert dabei je nach Modellrestriktion. Der Zubau von CSP-Anlagen und Batteriespeichern ist stark von den gewählten Anforderungen an den regenerativen Kraftwerkspark, sowie den Entwicklungen hinsichtlich der Brennstoff- und CO2-Kosten, abhängig.
Verfasst von: Florian Dallhammer
Betreut von:Dr.-Ing. Niklas Hartmann – Fraunhofer ISE, Freiburg, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2018, Diplomarbeit
2017
Untersuchung des Schichtungsverhaltens eines Warmwasserspeichers mittels faseroptischer Temperaturmesstechnik
Die vorliegende Studienarbeit befasst sich mit der Untersuchung des Schichtungsverhaltens eines in der Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung der TU Dresden vorhandenen Warmwasserspeichers mittels faseroptischer Temperaturmesstechnik (DTS - Distributed Temperature Sensing), der sich im Stillstand befand und im Rahmen dieser Studienarbeit wieder in Betrieb genommen wurde.
Die DTS-Messtechnik ist nach wie vor ein neues Messverfahren, das sich von konventioneller Temperatur-Messtechnik wie PT100-Sensoren oder Thermoelementen unterscheidet. Es ist hierbei möglich, mittels Laserpulse, die sich durch den Glasfaserleiter ausbreiten, anhand der Ruckstreuung die am Glasfaserkabel anliegende Temperatur zu bestimmen. Dabei wurde die Funktionstüchtigkeit aller Apparate wiederhergestellt und alle relevanten Temperatursensoren auf ein Referenz Temperaturmesssystem kalibriert. Zudem wurde das für DTS-Messungen verwendete Glasfaserkabel, das als Gitter im Speicher angeordnet ist, neu ausgerichtet und die Positionszuordnung von Messgitterpunkten auf dem Glasfaserkabel überarbeitet.
Als Versuche wurden Entladeversuche durchgeführt, die einen voll beladenen Speicher mit verschiedenen Volumenströmen leer fahren. Als Dimensionierung wurden 1,5 m³/h und 6 m³/h als Entlade-Volumenströme bei einem Speichervolumen von brutto 6,3 m³ ausgewählt. Es wurde hierbei auf ähnliche Versuchsbedingungen geachtet, um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Für die Auswertung mussten aufgrund der unterschiedlichen Volumenströme die Entladeversuche bei Zeitpunkten gleicher Menge an gefördertem Wasservolumen verglichen werden. Dafür wurden die Temperaturverläufe während der Entladung untersucht, die für jede einzelne Speicherebene anhand von Entladekurven analysiert wurden.
Es konnten als Erkenntnisse gewonnen und mit dem Messaufbau beobachtet werden, dass hohe Volumenströme bei der Entladung eine stärkere Mischung zeigen als geringere Volumenströme, was physikalisch plausibel ist. Bei kleinen Volumenströmen lagert sich das einströmende Wasser eher direkt unten am Speicherboden ein, wobei Vermischungen nur eine kleine Rolle spielen und die anfängliche Schichtung des Speichers wenig gestört wird. Jedoch haben auch die höchsten untersuchten Volumenströme nur zu einer moderaten Vermischung geführt, wobei die Schichtung im Speicher weitestgehend erhalten geblieben ist. Mit diesen gewonnenen Erkenntnissen und den während der Studienarbeit entwickelten Auswertungsmethoden ist es vorstellbar, über die Studienarbeit hinaus weitere Versuche und Untersuchungen am Speicher durchzufuhren und zu konzipieren.
Verfasst von: Hoàng Lê
Betreut von: Dipl.-Ing. Andreas Herwig
Jahr: 2017
Einsatz von Flüssigeis in Power-to-Cold-Anwendungen – theoretische und experimentelle Analyse ausgewählter Additive zur Anpassung der Kälteträgertemperatur
In der vorliegenden Arbeit wurde unter anderem eine Definition des Begriffs Power-to-Cold eingeführt sowie ein Systemvergleich dafür geeigneter Kältespeichersysteme ausgearbeitet. Den Schwerpunkt der weiterführenden theoretischen Betrachtungen stellten Wassereisgemische als Speichermedium dar. Um das Einsatzspektrum von Flüssigeis erweitern zu können, muss diesem ein gefrierpunktsenkendes Additiv beigemischt werden. Dazu wurden innerhalb der Arbeit Additive, welche für den Erzeugungsprozess mittels Direktverdampfung geeignet sind, identifiziert sowie theoretisch und experimentell untersucht. Die Auswahl der zu untersuchenden Additive erfolgte dabei anhand des Vergleichs wichtiger thermophysikalischer Eigenschaften derer wässrigen Lösungen wie z.B. die spezifische Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit oder die dynamische Viskosität. Innerhalb der Versuchsdurchführung gelang es, die angestrebte Flüssigeistemperatur zu erreichen. Abschließend wurden Empfehlungen zu konstruktiven Anpassungen am Versuchsstand sowie zukünftig notwendiger Untersuchungen ausgesprochen.
Verfasst von: Sandra Giese
Betreut von: Dr.-Ing. Mathias Safarik – ILK Dresden, Dipl.-Ing. Christoph Steffan – ILK Dresden Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Lastganganalysen zu PV-Ausbauszenarien für den Campus der TU Dresden
In dieser Arbeit wird analysiert, inwieweit sich die in fiktiven Ausbauszenarien mit Photovoltaikanlagen auf dem Campusgelände der Technischen Universität Dresden erzielbaren Solarstromerträge für die Eigenversorgung innerhalb des Campusverteilnetzes auf Nieder- und Mittelspannungsebene nutzen lassen und wo sich ein zusätzlicher Einsatz von Batteriespeichersystemen zur Eigenverbrauchserhöhung als sinnvoll erweist.
Vorab wird ein kurzer Überblick über den aktuellen Stand der Wissenschaft und Technik von Photovoltaikanlagen und Batteriespeichersystemen gegeben. Anschließend werden die Verbraucherlastprofile der unterschiedlichen Spannungsebenen des Campusnetzes analysiert. Danach werden zwei Photovoltaik Ausbauszenarien dargestellt, welche für die solaren Ertragssimulationen gewählt wurden. Im Anschluss daran erfolgt die Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse des jeweiligen Szenarios mit den unterschiedlichen Lastprofilen sowie die Berechnung spezifischer Kennzahlen für den Verbrauch selbst generierten Solarstroms. Anhand der Kennzahlen werden Überlegungen getroffen, wo eine Integration von Batteriespeichern sinnvoll wäre. Dazu wird ein grober Überblick über die Dimensionierung und die Investitionskosten gegeben.
Die Ergebnisse zeigen, dass in beiden Ausbauszenarien fast der gesamte Solarstrom für den Eigenverbrauch genutzt werden kann. Nur in zwei sich auf dem Campus befindlichen Mittelspannungsringen werden bei einem maximalen Ausbaugrad mit Photovoltaikanlagen nennenswerte Ertragsüberschüsse erzielt. Durch die Integration großer Batteriespeicher innerhalb dieser Mittelspannungsringe ließe sich der überschüssige Solarstrom nahezu vollständig zwischenspeichern und für den Eigenverbrauch nutzen. Die hohen Investitionskosten solcher Batteriespeicher würden jedoch zu erheblichen Mehrkosten für das Gesamtprojekt führen.
Verfasst von: Daniel Kröger
Betreut von:Dr.-Ing. Annina Gritzki, Dipl.-Ing. D. Thorwarth
Jahr: 2017, Studienarbeit
Randbedingungen zur Bewertung der thermischen Behaglichkeit
In adaptivem Behaglichkeitsmodell werden die physiologische, psychologische Anpassung und Verhaltensanpassung als die Ursachen der Abweichung zwischen der vorausgesagten und der tatsächlichen Klimabewertung behandelt. Die „weichen Faktoren“, die nicht thermisch erfassbar sind, können die Adaptationsprozesse indirekt beeinflussen. Jedoch gibt es noch nicht ausreichenden Studien zur Einflüsse der „weichen Faktoren“ auf die thermische Behaglichkeit.
In dieser Studienarbeit wurde Literaturrecherche zu den Kriterien der thermischen Behaglichkeit und einigen Studienergebnissen von den relativen „weichen Faktoren“ gemacht. Und ein Konzept wurde zur Berücksichtigung den ausgewählten „weichen“ Randbedingungen im Studentenraum ILK erarbeitet und in der Praxis probiert. Die Ergebnisse des Versuchs werden ausgewertet. Zum Schluss werden einige Vorschläge gegen die erkannten Hindernisse für eine zukünftige langfristige Untersuchung gemacht.
Verfasst von: Liu Shen
Betreut von: Dr.-Ing. Markus Rösler, Dipl.-Ing. Alexander Buchheim, Dr.-Ing. S. Blei, Dipl.-Ing. (FH) H. Rosenbaum – Institut für Luft- und Kältetechnik GmbH Dresden
Jahr: 2017, Studienarbeit
Möglichkeiten zur Erweiterung des Kälteverbundes auf dem Campus der TU Dresden
Das Ziel der vorliegenden Studienarbeit war es, die Kälteversorgung des Campus der TU Dresden zu analysieren und Möglichkeiten zur Realisierung bzw. Erweiterung bereits bestehender Kälteverbünde zu erarbeiten. Hierzu wurden zunächst aus diversen Quellen Informationen zu den bereits bestehenden 7 Kälteinseln zusammengetragen (Erzeugerarten, installierte Leistung, etc.). Zum Erlangen energetischer Kenngrößen wurden Daten zu Kälteverbrauch, Antriebsenergien der Kälteerzeuger, sowie Netztemperaturen aus verschiedener GLT-Software (Desigo Insight, Siemens Navigator, Siemens Visonik) zusammengetragen und ausgewertet. Unter Zuhilfenahme dieser Daten wurden Angaben zu auftretenden Kältelasten, Endenergieverbräuchen (Strom, Fernwärme), Jahresarbeitszahlen und CO2-Emissionen der Kälteversorgung des Campus der TU Dresden ermittelt.
Die Ergebnisse der Studienarbeit bringen weitreichende Erkenntnisse über den gegenwärtigen Anlagenbetrieb und Optimierungspotentiale der Kälteversorgungssysteme auf dem Campus der TU Dresden. Außerdem bieten sie eine gute Grundlage, um zukünftige Entwicklungen der Kälteversorgung auf dem Campus der TU Dresden zu konzipieren.
Verfasst von: Peter Scheer
Betreut von:Dr.-Ing. Annina Gritzki
Jahr: 2017, Studienarbeit
Energetische und wirtschaftliche Betrachtungen zu Wärmepumpensystemen
Diese Ausarbeitung geht auf den Grundaufbau einer Wärmepumpe sowie deren Funktionsweise ein. Weiterhin wird ein Überblick über die Arten und Nutzung von Wärmequellen in der Umwelt gegeben. Darüber hinaus je nach der unterschiedlicher Wärmequelle, Leistungsgröße sowie anderen charakteristischen Kennwerten wird der globale Markt für Wärmepumpen analysiert. Anbei werden der deutsche Markt sowie der amerikanische Markt als Beispiele ausführlich analysiert. Danach durch grobe Berechnungen von zwei Szenarien 2020 wird das Verhältnis zwischen der Entwicklung der elektrisch betriebenen Wärmepumpen und dem Stromverbrauch sowie den Anteil regenerativer Energien an der Elektroenergieversorgung abgeschätzt. Schließlich werden die optimale Regelung und Steuerung der Wärmepumpen für den flexiblen Einsatz zusammengestellt, um die oben genannte Auswirkungen von Stromverbrauch sowie Anteil der erneuerbaren Energien an Stromerzeugung zu kompensieren.
Verfasst von: Yulong Shang
Betreut von: Dr.-Ing. Martin Knorr
Jahr: 2017, Studienarbeit
Energiewirtschaftliche Bewertung zum Einsatz von Wärmepumpen in Niedertemperatur-Wärmenetzen
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Absenkung von Systemtemperaturen in Bestandswärmenetzen sowie dem Einsatz von dezentralen Wärmepumpen in Niedertemperatur-Wärmenetzen. Im Rahmen der Studienarbeit wurden energetische, wirtschaftliche und ökologische Effekte solcher Anlagenkonzepte mit Fokus auf der Anwendung „Fernwärme als Wärmequelle für dezentrale Wärmepumpen“ untersucht. Zunächst werden neben allgemeinen Informationen zu Niedertemperatur-Wärmenetzen eine Reihe von Wärmenetzen in Kombination mit dezentralen Wärmepumpen vorgestellt. Anschließend folgen Simulationen einiger dieser Anlagenkonzepte mittels der Software Polysun. Es stellt sich heraus, dass sich der Einsatz von Wärmepumpen in Niedertemperatur-Wärmenetzen sowohl wirtschaftlich, als auch ökologisch positiv für den Verbraucher auswirken kann.
Verfasst von: Yannick Dederichs
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Studienarbeit
Einsatz einer Multi-Agenten-Simulation für die Bedarfsanalyse in der Gebäudetechnik
In dieser Arbeit wurde eine Tool-Kette geschaffen, welche die Grundlage für das nutzungsabhängige Simulieren von Lastprofilen mithilfe einer Multi-Agenten-Simulation ermöglicht. Die Integration der agentenbasierten elektrischen Lastprofile in die Gebäude- und Anlagensimulation in einer Modelica-basierten Simulationsumgebung (SimulationX) wurde sowohl sequentiell als auch in Form einer Co-Simulation mithilfe einer FMU (functional mock-up unit) realisiert. Das Multi-Agenten-Modell und dessen Simulation wurden in Netlogo umgesetzt. Das Modell beschreibt das Bewohnerverhalten in einem Mehrfamilienhaus und konzentriert sich dabei auf die Benutzung von elektrischen Geräten. Die Eingabeparameter können innerhalb dieser Tool-Kette durch den Nutzer variabel eingestellt werden, basieren jedoch grundsätzlich auf statistischen und stochastischen Zusammenhängen. Die Ergebnisse der Tool-Kette werden mit konventionellen Methoden in der Gebäudesimulation und anonymisierten realen Messwerten verglichen und eingeordnet. Die entwickelte Tool-Kette ermöglicht eine realitätsnähere und besonders variable Lastprofildatensynthese für die Gebäudesimulation im Vergleich zu konventionellen Methoden.
Verfasst von: Tom Eckhardt
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Torsten Schwan - EASD Dresden GmbH
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Überlegungen zur praktischen Anwendung von Wärmetransformatoren
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Technologie des Wärmetransformators. Im Rahmen der Klimapolitik stellt die Aufwertung und Nutzung von Abwärme eine große Herausforderung dar, weshalb die Untersuchung einer solchen Technologie zur heutigen Zeit einen wichtigen Teil zum technischen Fortschritt beitragen kann. Es gilt herauszufinden, welche Anwendungen sich heutzutage für diese Absorptionsmaschine finden lassen. Hierfür wird neben dem geschichtlichen Hintergrund die Funktionsweise genauer erläutert, Betriebsgrenzen und Arbeitsstoffe erforscht, Anwendungsgebiete erörtert und geprüft, in wie weit Wärmetransformatoren wirtschaftlich und ökologisch rentabel sind. Auch wurde der Wärmetransformator auf Konkurrenzfähigkeit untersucht, sowie aktuelle Entwicklungen vorgestellt. Es stellte sich heraus, dass der Wärmetransformator vor allem für industrielle Anwendungen rentable und sinnvolle Einsatzmöglichkeiten bietet.
Verfasst von: Markus Bauch
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Studienarbeit
Analyse und Weiterentwicklung linearer, gemischt ganzzahliger Optimierungsmodelle von thermischen Speichern
Bei der Konzeption thermischer Energiespeicher ist die Optimierung der Einsatzplanung
und der Regelstrategie zur Be- und Entladung des Speichers von zentraler Bedeutung.
Bisher häufig eingesetzte mathematische Speichermodelle bilden jedoch die thermische
Schichtung im Wärmespeicher nicht hinreichend genau ab. Schwerpunkt dieser Arbeit ist daher, den Einfluss der vorhandenen Speichermodelle auf die Regelstrategie der Erzeuger in einer gegebenen mathematischen Optimierungsumgebung zu untersuchen und das gegebene Schichtspeichermodell weiterzuentwickeln.
Im Vergleich zu den gegebenen Speichermodellen weist das weiterentwickelte Schichtspeichermodell eine signifikant verbesserte Temperaturschichtung auf und verändert die Regelstrategie der Erzeuger durch die realtitätsnahe Abbildung maßgeblich. Die aus der Weiterentwicklung des Schichtspeichermodells gewonnenen Erkenntnisse können zur Verbesserung der rechnergestützten Simulation und Optimierung thermischer Energiespeicher eingesetzt werden.
Verfasst von: Steffen Schröder
Betreut von: Dr. rer. nat. Peter Stange, Dr.-Ing. Bernd Hafner – Viessmann
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Betrachtungen zur Energieversorgung des Botanischen Gartens der TU Dresden
Für den Botanischen Garten der TU Dresden sind umfangreiche Umbau-, Modernisierungs- und Erweiterungsmaßnahmen geplant. Die vorliegende Diplomarbeit untersucht die Medien- und Energieversorgung des Standorts im Hinblick auf eine energieeffiziente, nachhaltige und ökonomische Neuausrichtung.
Dazu werden Recherchen zur energetischen Optimierung von Gewächshäusern durchgeführt und innovative Beispiel- und Forschungsprojekte ähnlicher Einrichtungen vorgestellt. Eine Betriebs- und Verbrauchsanalyse der bestehenden Gebäude und Gewächshäuser des Botanischen Gartens Dresden dient neben vorhandenen Planungsunterlagen und Nutzeranforderungen als Grundlage für die Anfertigung eines konstruktiven und anlagentechnischen Konzepts der Neu- und Umbaumaßnahmen. Dieses wird bedarfsgerecht entwickelt und mit der Gewächshaus-Auslegungssoftware HORTEX simuliert. Auf Basis dieses Konzeptes werden Energiebedarfswerte für den Standort des Botanischen Gartens prognostiziert und Projektstudien zur Energieversorgung aufgestellt, welche hinsichtlich ihrer technischen Umsetzbarkeit sowie dem wirtschaftlichen und primärenergetischen Nutzen miteinander verglichen werden.
Der Einsatz eines Gas-Brennwertkessels mit einem Grundlast-Blockheizkraftwerk mit 15 kWel installierter Leistung erweist sich als wirtschaftlich rentabelste Versorgungslösung. Primärenergetisch betrachtet sind der Bezug der Dresdner Fernwärme und eine vollständige Elektroenergieversorgung aus den Stromnetz zu bevorzugen. Als eine innovative Variante ergibt sich eine Versorgungskombination aus Grundlast-Blockheizkraftwerk sowie den regenerativen Energiequellen oberflächennahe Erdwärmenutzung, Photovoltaikanlage und solarthermische Wärmebereitstellung.
Verfasst von: Laura Fritsche
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Untersuchungen zur Systemintegration von Solarthermie-Anlagen am Standort eines Klärwerkes
Diese Studienarbeit befasst sich mit der Potentialanalyse von Solarthermie am Standort Kaditz der Stadtentwässerung Dresden.
Im ersten Schritt wurde das Areal der Kläranlage untersucht und geeignete Flächen für das Aufstellen von Solarkollektoren ermittelt. Relevante Daten von Frei- sowie Dachflächen wurden zusammengestellt und daraus Steckbriefe der einzelnen Flächen erstellt. Drei Dachflächen wurden ausgewählt und für diese Anlagenkonzepte erarbeitet. Augenmerk wurde dabei auf die Belegung der Fläche und die Verschattung gelegt. Für die resultierenden Varianten erfolgte die Ertragssimulation mit Polysun 10.0 der Firma Vela Solaris.
Unter Berücksichtigung des derzeitigen Fernwärmebezugs wurde die mögliche Eigenbedarfsdeckung abgeschätzt. Abschließend erfolgten für die verschiedenen Varianten eine Wirtschaftlichkeitsuntersuchung nach VDI 2067. Aus deren Ergebnis wurde eine Handlungsempfehlung für die Stadtentwässerung Dresden abgeleitet.
Verfasst von: Tobias Franzky
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl-Ing. Thomas Schöniger – Stadtentwässerung Dresden GmbH, Dipl.-Ing. (FH) Bernd Klimes – INNIUS DÖ GmbH, Dresden
Jahr: 2017, Studienarbeit
Solar Cooling – Technische Möglichkeiten und Machbarkeitsanalyse am Beispiel ausgewählter Standorte der Daimler AG
In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten der solaren Kühlung aufgezeigt und für Standorte der Daimler AG ausgewertet. Dabei handelt es sich um die Erzeugung von Kälte aus solarer Energie, die auf verschiedene Arten erfolgen kann. Das Hauptaugenmerk liegt auf der industriellen solaren Kühlung. Es werden Grundlagen über einzelne Komponenten von Solar Cooling Anlagen erarbeitet und die Marktverfügbarkeit geprüft. Um dieses Wissen auf die Standorte der Daimler AG zu übertragen, wird eine Standortanalyse an den vier zu untersuchenden Standorten in Jawor, Kecskémet, Rastatt und East London durchgeführt. Diese bezieht ich auf diverse Hallen und Gebäude, die sich gerade im Bau befinden oder deren Kälteversorgung erneuert wird.
Auf die Unterschiede in Kältebedarf, Kältebereitstellung und Kühlung wird, je nach Gebäudetyp, eingegangen. Anschließend werden verschiedene Varianten für die Standorte berechnet. Dabei werden alle gängigen Kombinationsmöglichkeiten, die aus Literaturrecherche und Beispielanlagen hervorgingen, für verschiedene Anlagenbedarfe berechnet. Besonders Wirtschaftlichkeit und technische Machbarkeit stehen im Vordergrund. Für jeden Standort und jede Variante kann eine erwartete Amortisierungszeit, für die erhöhten Investitionskosten durch die Solar Cooling Anlage im Vergleich zur herkömmlichen Variante einer mit Netzstrom gespeisten Kältemaschine, berechnet werden.
Zusätzlich gehen aus Standortanalyse, Lage und Größe der Anlage verschiedene Probleme und Risiken hervor, die es zu berücksichtigen gilt. Ein besonderes Anliegen des Unternehmens ist, dass Solar Cooling Anlagen im Betrieb keine Emissionen erzeugen und somit CO2-Ausstoß vermieden werden kann. Dadurch kann das Unternehmen seine Umweltbilanz signifikant verbessern. Aus den Ergebnissen der Kostenrechnungen in Abwägung mit Problemen und Risiken sowie der Vermeidung von Emissionen werden Handlungsempfehlungen abgeleitet. Anhand dieser Bewertung wird ersichtlich, ob und wie Solar Cooling an den betrachteten Standorten Sinn macht.
Verfasst von: Lukas Keul
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Marius Eydner – Daimler AG
Jahr: 2017, Interdisziplinäre Projektarbeit
Bewertung von durchgängigen Stromnutzungskonzepten mit Power2Gas und KWK
In Folge des zunehmenden Ausbaus der regenerativen Erzeugungskapazitäten und den daraus resultierenden fluktuierenden Einspeiseleistungen wird deren Integration in die bestehende Stromversorgung immer schwieriger. Durch das Voranschreiten der deutschen Energiewende nimmt der Stromspeicherbedarf für überschüssige elektrische Energiemengen weiter zu. Für die Einspeicherung großer Mengen elektrischer Energie über einen langen Zeitraum bietet sich eine Kombination aus Power-to-Gas und Kraft-Wärme-Kopplung an. Die energiewirtschaftliche Bewertung dieser Prozesskette ist das Ziel dieser Arbeit. Dabei wird die gesamte Prozesskette im Detail beschrieben und deren Stoff- und Energieströme bilanziert. Ferner wird der Stand der Technik und die Marktverfügbarkeit der einzelnen Komponenten der Power-to-Gas-to-Power-Prozesskette recherchiert. Zudem werden die Fragen geklärt, welche elektrischen Energiemengen für die Prozesskette zukünftig zur Verfügung stehen und welche geeigneten Anwendungsfälle es für einen möglichen, perspektivischen Einsatz der Prozesskette in der deutschen Energiewende gibt. Die Bewertung der Anwendungsfälle erfolgt mittels der Abschätzung von Stromgestehungskosten, Systemverlusten und Wirkungsgraden. Zum Schluss werden alternative Nutzungskonzepte (z.B. die Stromspeicherung) mit der betrachteten Prozesskette verglichen.
Verfasst von: Lukas Zitzmann
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Energiegewinnung durch präparierte Trittplatten
In dieser Studienarbeit wird ein Konzept ausgearbeitet, wie eine Demonstrationsanlage aus präparierten, Strom erzeugenden Trittplatten auf dem Campus der TU Dresden realisiert werden kann. Für diese Demonstrationsanlage wird sowohl eine Technologie- und Standortauswahl getroffen als auch Abschätzung der bereitstellbaren Elektroenergie durchgeführt.
Als Technologie für eine solche Anlage wurde das Produkt V3 der Firma Pavegen gewählt, weil damit die Verkehrssicherheit der Anlage am einfachsten zu gewährleisten ist. Mittels einer Nutzerstromanalyse wurde bestimmt, dass sich Ein- und Ausgang des Lesebereichs der Universitätsbibliothek „SLUB“ und die Eingangshalle der Alten Mensa am besten für eine Installation präparierter Trittplatten auf dem Campus eignen, da in diesen Bereichen das Fußgängeraufkommen am höchsten ist.
Für beide Standorte werden Konzepte für eine Demonstrationsanlage vorgestellt, wobei das Konzept für die Alte Mensa als Teil dieser Studienarbeit ausgearbeitet wurde. Ein Vergleich der erzielbaren Erträge an Elektroenergie beider Anlangen ergibt, dass mit der vorgeschlagenen Anlage für die Alte Mensa ein höherer jährlicher Stromgewinn erreicht werden kann. Der Stromgewinn beider Anlagen ist jedoch so gering, dass eine wirtschaftliche Amortisation bei heutigen Preisen nicht möglich ist. Auch wird derzeit zur Herstellung der Platten mehr Energie benötigt, als während der Nutzungsdauer mit der Anlage bereitgestellt werden kann. Das Pilotprojekt kann aber wirkungsvoll dazu eingesetzt werden, um die Öffentlichkeit stärker für neue Wege der Stromerzeugung und den Stromverbrauch von Alltagsgeräten zu sensibilisieren.
Verfasst von: Hanna Krüger
Betreut von:Dr.-Ing. Annina Gritzki, Dr.-Ing. André Kremonke
Jahr: 2017, Studienarbeit
Entwicklung eines neuartigen rotierenden Wärmeübertragers für die Raumlüftung
In dieser Arbeit wurde ein kompaktes zentrales Lüftungsgerät entwickelt und untersucht. Für die Untersuchung des Lüftungsgerätes wurde ein Versuchsstand aufgebaut. Das Lüftungsgerät weist einige Besonderheiten auf. Zum einen werden die beiden Luftvolumenströme –Zuluftstrom und Abluftstrom- durch nur einen Antrieb gefördert. Desweiteren wird für die Wärmerückgewinnung ein rotierender Wärmeübertrager mit radial rotierenden Wärmerohren verwendet. Die Rotation des Wärmeübertragers erfolgt mit demselben Antrieb wie die Luftvolumenstromförderung. Die Leistungsfähigkeit des Systems spielt zunächst eine untergeordnete Rolle. Vielmehr geht es darum, zu untersuchen in wieweit sich dieses Konzept für den Aufbau eines einfachen kompakten Lüftungsgerätes eignet und welche zu lösenden Probleme ein solches System mit sich bringt. Es konnte ein funktionierendes Gerät aufgebaut werden, welches eine Rückwärmezahl von 38 % erreicht. Probleme bereiteten vor allem Leckagen im Inneren des Gerätes, die die Messergebnisse beeinflussen. Es müssen weitere Anpassungen und Optimierung erfolgen. Folgende Probleme sind noch zu lösen: Senkung der inneren Leckagen, Erhöhung der Rückwärmezahl und Optimierung der Volumenstromförderung.
Verfasst von: Philip Schneider
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt – ILK Dresden
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Vergleichende energetische und wirtschaftliche Betrachtung zum Einsatz von Wärmepumpen in Gebäuden
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Planung von Wärmepumpensystemen. Anhand eines Beispielprojektes werden ein Wärmepumpensystem und zwei weitere Versorgungskonzepte miteinander verglichen. Die konventionell ermittelten energiewirtschaftlichen Kenndaten werden in einer Entscheidungsmatrix gegenübergestellt. Es wird ersichtlich, dass das Wärmepumpensystem die wirtschaftlich und primärenergetisch beste Variante darstellt.
Daran schließt sich eine Untersuchung zum Nutzen von Simulationsplattformen für den Planungsprozess an. Das Wärmepumpensystem wird dabei mithilfe der Software ‚SimulationX ‘ modelliert und über den Zeitraum eines Testreferenzjahres simuliert. Ein Vergleich ergibt eine geringe Abweichung zwischen den simulativ und konventionell ermittelten energiewirtschaftlichen Kenndaten.
Im Rahmen der weiterführenden Untersuchungen werden verschiedene Hydraulikschaltungen von Wärmepumpensystemen mithilfe von ‚SimulationX‘ analysiert. Dabei sind drei der insgesamt fünf simulierten Schaltungen der DIN EN 15450 entnommen, in der die hydraulischen Standardschaltungen für Wärmepumpensysteme angegeben sind.
Aus den Ergebnissen lässt sich ableiten, dass die Verwendung von Simulationssoftwares zur Nutzung immer ein Mindestmaß an konventioneller Planung benötigt. Aus diesem Grund können jene Software-Tools nur ergänzend und unterstützend bei der Planung in Betracht gezogen werden. Zur Optimierung und der Abstimmung von Systemparametern innerhalb der Detailplanung bieten Simulationsplattformen ein sehr hilfreiches und zeitsparendes Werkzeug an.
Verfasst von: Felix Schlamm
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. U. Bauer – IPROconsult GmbH
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Mechanische Energiespeicher für Offshore-Windenergieanlagen
Mit der Energiewende wird die Energieversorgung zunehmend auf erneuerbare Energien, insbesondere auf Wind- und Solarenergie, umgestellt, Damit geht das Problem einer flukuierenden Energieeinspeisung ins Netz einher, In dieser Studienarbeit wird das Potenzial mechanischer Energiespeicher zur Vergleichmäßigung der Energieeinspeisung von Offshore-Windenergie und der damit verbundenen Verminderung der Belastung von Transport- und Übertragungsnetzen untersucht. Nach Herleitung des Energiespeicherbedarfs im Umfeld der Offshore-Windenergieanlagen und der Untersuchung der Umweltbedingungen an den Standorten Nord- und Ostsee wurden verschiedene mechanische Energiespeicherkonzepte beleuchtet. Für diese Konzepte wurden wirtschatliche Aspekte, wie Investitions- und Betriebskosten, finanzielle Förderprogramme sowie die steuerliche Behandlung und sonstige Zuschläge, betrachtet. Es folgte ein Vergleich der Energiespeicherkonzepte für die zuvor definierten Vergleichskriterien und abschließend ein Ausblick, der das Potential der mechanischen Energiespeicher, welches jedoch durch politische Begebenheiten eingeschränkt ist, zeigt.
Verfasst von: Laurin Benedict Leuker
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Studienarbeit
Numerische Berechnungen zum Einfluss des Windprofils auf den Ertrag einer gebäudenahen Kleinwindanlage
Die erneuerbaren Energien sind unter Beachtung aller Randbedingungen wirtschaftlich wettbewerbsfähig und besitzen Entwicklungspotenzial. Windenergie ist eine der beliebtesten „sauberen“ Energien. Mit dem Fortschreiten der Entwicklung und dem Einsatz von Windanlagen sorgt dies für eine deutliche Reduzierung der Produktionskosten. Die Leistung einer Windenergieanlage hängt vor allem von der Windgeschwindigkeit und den Strömungsverhältnissen ab, die stark vom Windprofil und der Umgebung beeinflusst wird. Dies zeigt sich insbesondere bei kleinen Windkraftanlagen, da die Strömung durch das Gebäude oder durch die umliegenden Hindernisse verändert wird.
In dieser Arbeit wird die Leistung einer ausgewählten Windkraftanlage untersucht. Die Wahl fiel auf eine größere Windkraftanlage mit 50 m Rotordurchmesser, da nur für größere Windkraftanlagen Geometriedaten allgemein zugänglich waren. Ein stabiler Arbeitszustand der Windturbine wurde bei verschiedenen Windgeschwindigkeitsklassen mit Hilfe der Open Source CFD (Computational Fluid Dynamics) Toolbox OpenFOAM simuliert. Mit den Annahmen der mechanischen und elektrischen Verluste des Generators wurde die Leistung der Windenergieanlage ausgewertet. Diese berechneten Werte werden mit verfügbaren Herstellerdaten verglichen. Basierend auf den Simulationsergebnissen wird eine Schätzung der jährlichen Volllaststunden durchgeführt.
Dabei werden die Strömungsprofile modifiziert, so dass die Windgeschwindigkeitsverteilung nahe an der Realität liegt. Es sind drei Gebäude in der Nähe der Windkraftanlage implementiert. Wie die Hindernisse auf die Leistung wirken, kann man durch den Vergleich mit der idealen Zuströmung beurteilen
Verfasst von: Yongqing Xia
Betreut von: Dr.-Ing. Markus Rösler
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Performancevergleich von Lösungsstrategien zur prädiktiven Optimierung eines Energiesystems
Die vorliegende Diplomarbeit untersucht verschiedene Ansätze für die Optimierung
linearer gemischt-ganzzahliger Programme, die bei der modellprädiktiven Regelung
von Energiesystemen zu lösen sind. Dafür werden sowohl heuristische als auch deterministische Verfahren theoretisch untersucht und in MATLAB implementiert. Als
deterministisches Verfahren kommt die dynamische Programmierung zum Einsatz.
Die untersuchten heuristischen Verfahren sind ein genetischer Algorithmus und eine
Ant Colony Optimization. Im Vergleich mit kommerziellen Branch & Cut-basierten
Programmen erreichen die vom Autor implementierten Verfahren schlechtere Lösungen
und benötigen zum Teil deutlich größere Rechenzeiten. Die Gründe dafür werden
analysiert und Verbesserungen sowie alternative Anwendungsweisen vorgeschlagen.
Verfasst von: Ronny Gelleschus
Betreut von: Dr. rer. nat. Peter Stange
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Untersuchung und Betriebsoptimierung der Kälteversorgung von Nichtwohngebäuden im Hinblick auf Netzdienlichkeit am Beispiel des Gebäudekomplexes Zellescher Weg (BZW)
Diese Arbeit behandelt die Kälteversorgung des BZW. Durch die Kälteanlage im
Bürogebäude Zellescher Weg (BZW) soll im Sommer für eine gute thermische Behaglichkeit der Nutzer gesorgt werden.
Im ersten Teil der Arbeit wird der Gebäudekomplex allgemein vorgestellt und die Grundlagen der Thermischen Behaglichkeit erläutert. Anschließend werden die Ergebnisse einer Befragung der Nutzer zum thermischen Wohlbefinden im BZW vorgestellt. Das zweite Kapitel erläutert die Funktion einzelner Komponenten der Kälteversorgung. Die Arbeitsweise der Anlage wird anhand von ausgewählten Messdaten näher erläutert. Danach werden die einzelnen Messsysteme vorgestellt und eine energetische Bilanzierung der Anlage vorgenommen. Die Energiebilanz wird mit Hilfe eines Sankey Diagramms visualisiert. Durch die nicht immer gut geeigneten Messdaten, mussten einige Abschätzungen in der Berechnung des Energieverbrauchs vorgenommen werden. Letztendlich ergibt sich dennoch ein Verbrauch der auch durch die Stromzähler des BZWs gemessen wurde. Anhand der Messdaten wurde eine Kältelastprognose für die gesamte Kühlperiode aufgestellt. Abschließend werden Optimierungsvorschläge zum Betrieb der Anlage vorgestellt. Es hat sich gezeigt, dass die Anlage ihren Zweck erfüllt und eine Optimierung nur mit größeren finanziellen Mitteln möglich ist.
Verfasst von: Felix Hennig
Betreut von: Dipl.-Ing. Juliane Schmidt, Dr. rer. nat. Peter Stange
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Betrachtung von Energiekonzepten für Wohngebäude unter Berücksichtigung des Gebäudeenergiegesetzes und von Rebound-Effekten
Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit klimaneutralen Versorgungskonzepten für Wohngebäude. Dabei wird zunächst auf das Gebäudeenergiegesetz eingegangen, welches die bisherigen Energiegesetze ablösen soll. Es wird ein Leitfaden mit den Änderungen durch das Gebäudeenergiegesetz erstellt. Anschließend wird auf den Rebound-Effekt eingegangen. Dieser wird in die drei Arten unterteilt und es wird ein Wertebereich für die aus dem Rebound-Effekt resultierenden verringerten Energieeffizienzsteigerungen gegeben. Danach wird ein typisches mehrgeschossiges Wohngebäude von Bonava im Hinblick auf Kubatur, bauphysikalische Parameter und Versorgungslastprofile definiert. Im nächsten Schritt werden fünf Versorgungskonzepte aufgestellt und miteinander verglichen. Die dabei ausgewählten zwei Versorgungskonzepte werden daraufhin ausgelegt. Im Anschluss daran folgt eine energetische und wirtschaftliche Bewertung der Konzepte. Abschließend wird der bei diesen Varianten auftretende Rebound-Effekt auf Grundlage der vorher durchgeführten Literaturrecherche abgeschätzt.
Verfasst von: Florian Bauch
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. Marcel Moersch – Firma BONAVA
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Bewertung vorhandener Softwarelösungen zur energetischen Analyse und Optimierung von Quartieren und Siedlungen
Trotz des großen technischen Fortschritts im Baubereich ist der Bausektor gegenwärtig immer noch für einen wesentlichen Teil des Endenergieverbrauchs und der CO2-Emissionen verantwortlich. Um die Energieeffizienz weiter zu verbessern, nachhaltige Städte zu bauen und die ehrgeizigen Klimaschutzziele der Bundesregierung zu erreichen, wird allein die Optimierung einzelner Gebäude nicht ausreichen. Es ist sinnvoll, auf ein integriertes energetisches Quartierskonzept überzugehen.
In dieser Arbeit werden die energetischen Quartierskonzepte erklärt, die für die Quartiersbetrachtung und energetische Stadtplanung notwendigen Bearbeitungsschritte und Prozess zusammengestellt und dafür geeigneten Methoden diskutiert. Sechs computerunterstützte Werkzeuge und Software, die im Rahmen des Energieforschungsprogramms in Deutschland in den letzten Jahren entwickelt werden, werden vorgestellt und verglichen. Am Ende dieser Arbeit wird eine energetische Betrachtung des Campus der TU Dresden auf Quartiersebene mit einem vorhergehend vorgestellten Softwaretool leistet. Anhand dieses Beispiels wird die Anwendung des Softwaretools bewertet. Weiterer Entwicklungsbedarf wird ableitet.
Verfasst von: Siyuan Fan
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Strömungstechnische und energetische Optimierung der Luftführung im großen Saal der Stadthalle Chemnitz
Die vorliegende Projektarbeit untersucht die Luftführung im großen Saal der Stadthalle Chemnitz. Ziel der Untersuchung ist die strömungstechnische Optimierung der Luftführung sowie die Umsetzung eines volumenstromvariablen Betriebes der RLT-Anlagen. Dafür wird in einer Bestandsanalyse zunächst der Istzustand beschrieben und bewertet. Folgend wird der energetische Aufwand zur Belüftung und Klimatisierung des Saals untersucht, wobei ein großes Potential zur Steigerung der Energieeffizienz für die Nutzung des volumenstromvariablen Anlagenbetriebes ermittelt wird. Diese Betriebsweise war bislang nicht ohne Einschränkungen der thermischen Behaglichkeit in der Aufenthaltszone möglich. Daher wird im Zuge der Optimierung eine Anpassung der Luftauslässe ermittelt, welche eine stufenweise Regelung des Volumenstromes zulässt. Dafür werden die Luftauslässe neu dimensioniert und mit Hilfe der Freistrahlbeziehungen, die in der Aufenthaltszone auftretenden Luftgeschwindigkeiten abgeschätzt. Eine Verbesserung der thermischen Behaglichkeit wird durch diese Anpassung jedoch nur in einem der drei Bereiche des Saals erreicht. Abschließend folgt eine Bewertung der erreichten Ergebnisse und ein Ausblick auf einen zukünftigen Anlagenbetrieb.
Verfasst von: Laurenz Schitthelm
Betreut von: Dr.-Ing. Markus Rösler, Dipl.-Ing. (FH) Robert Kittel – Klemm Ingenieure Dresden
Jahr: 2017, Projektarbeit im Fachpraktikum
Erweiterung des Modells zur Berechnung der Zelle-zu-Modul-Verluste für Photovoltaikmodule mit geschindelten Solarzellen
Module mit geschindelten Solarzellen versprechen die Möglichkeit, durch die direkte Kontaktierung der Zellen und eine effizientere Flächenausnutzung die Verluste bei der Modulintegration zu verringern und damit Leistung und Wirkungsgrad des Moduls zu erhöhen.
Um die Modultechnologie hinsichtlich ihrer Leistung und ihrem Wirkungsgrad zu beurteilen, wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit das Modell der Zelle-zu-Modul-Verluste (CTM) um zwei Faktoren erweitert und an die Schindeltechnologie angepasst, um die Ergebnisse mit denen von herkömmlichen Solarmodulen zu vergleichen. Dafür werden sowohl Aufbau und Struktur beider Modultechnologien als auch das CTM-Modell allgemein erläutert. Bevor die einzelnen CTM-Faktoren bestimmt und berechnet werden können, werden vorbetrachtende Annahmen für das Moduldesign von Modulen mit geschindelten Solarzellen festgelegt. Bei der Berechnung der CTM-Faktoren werden auch zwei gänzlich neu berücksichtigte Faktoren eingeführt und für beide Modultechnologien berechnet. Die Ergebnisse der CTM-Analyse werden mit denen herkömmlicher Solarmodule verglichen und in einer Wirtschaftlichkeitsabschätzung auf ihre Umsetzung geprüft. Es wurde ein Solarmodul im Miniformat gebaut, um die theoretischen Ergebnisse zu validieren und nicht nur die Machbarkeit, sondern auch die Risiken und Nachteile des Herstellungsprozesses von Modulen mit geschindelten Solarzellen zu zeigen.
Verfasst von: Johann Rüdiger
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Max Mittag – Fraunhofer ISE
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Untersuchungen zur Systemintegration von PV-Anlagen am Standort eines Klärwerkes
Diese Studienarbeit untersucht für das Areal der Kläranlage Kaditz der Stadtentwässerung Dresden das Integrationspotential von Photovoltaikanlagen.
Ausgehend von einer ausführlichen Potentialanalyse der Freiflächen mit einer ersten Verschattungsbetrachtung wurde ein Katalog mit Steckbriefen erstellt. Mit Hilfe des Simulationstools POLYSUN Constructor der Firma Vela Solaris erfolgten anschließend für zwei Gebäude und eine Freifläche die detaillierte Anlagenkonzeption und eine Ertragsprognose. Zudem wurde die Vernetzung innerhalb des Areals festgelegt.
Unter Berücksichtigung des Ziels der Eigenbedarfsdeckung und Betrachtung von Lastgängen wurde die Betriebsführung der PV-Anlagen konzipiert. Es erfolgte für alle Anlagenvarianten eine Gesamtwirtschaftlichkeitsuntersuchung nach VDI 2067. Für jeden Anlagenstandort konnte die technisch wie auch ökologisch aussichtsreichste Variante identifiziert werden. Abschließend wurden aus diesen Resultaten Handlungsempfehlungen für den Klärwerksbetreiber abgeleitet.
Verfasst von: Theresa Struckmann
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Thomas Schöniger – Stadtentwässerung Dresden GmbH, Dipl.-Ing. Uwe Burmeister – INNIUS DÖ GmbH, Dresden
Jahr: 2017, Studienarbeit
Erstellung eines Auslegungstools für KWK-Anlagen in Wohngebäuden auf Basis von Monitoringdaten eines Feldtest
Das Ziel der Diplomarbeit war es, auf Basis des Feldtests eines Regionalen Virtuellen Kraftwerks (RVK), geeignete Anlagenschaltungen von Kraft‑Wärme‑Kopplungs (KWK)-Anlagen in Wohngebäuden für eine Mitwirkung in einem RVK zu definieren und die gewonnenen Erkenntnisse in einem Auslegungstool zusammenzufassen. Dazu wurde der Feldtest eines RVK mit 17 Liegenschaften für sechs Monate hinsichtlich der Ausfallerscheinungen bei der Datenübertragung, energetischer Effektivität der Anlagenschaltungen und spezifischen Betriebsweisen der KWK‑Anlagen im RVK hin ausgewertet. In einem weiteren Schritt wurden Normen, Richtlinien, Herstellerangaben und Literaturquellen analysiert und Erkenntnisse für die Dimensionierung von KWK‑Anlagen als Bestandteil eines RVK abgeleitet. Eine Parameteranalyse, auf Basis einer in Matlab geschaffenen Simulationsumgebung, brachte weitere theoretische Erkenntnisse für die Anlagendimensionierung. Im Ergebnis der Arbeit eignen sich bivalent betriebene KWK‑Anlagen besonders für den Einsatz in einem RVK, da sie sich durch eine gute Regelbarkeit auszeichnen. Das in Microsoft Excel realisierte Auslegungstool beinhaltet nicht nur die Dimensionierung solcher Anlagenschaltungen und deren KWK‑Geräte, Zusatzerzeuger und Pufferspeicher, sondern zusätzlich eine Simulationsumgebung, welche dem Nutzer die Möglichkeit eröffnet, Einzelbetrachtungen unterschiedlicher Anlagenschaltungen vorzunehmen.
Verfasst von: Nils Reeh
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Paul Seidel
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Möglichkeiten zur energieeffizienten Kältebereitstellung auf dem Campus der TU Dresden
Die vorliegende Arbeit analysiert beispielhaft die Kälteversorgung des Informatikgebäudes (APB) der TU Dresden und bewertet verschiedene Ansätze zur Effizienzsteigerung aus ökologischer und ökonomischer Sicht.
Etwa ein Drittel der Endenergie des APB wird für die Kälteversorgung genutzt. Sie wird zurzeit durch eine fernwärmegespeiste Absorptionskältemaschine in Kombination mit freier Kühlung in den kühlen Monaten sowie einer Kompressionskältemaschine gewährleistet.
Mit Hilfe vorher erarbeiteter Bewertungskriterien wurde der Einsatz von drei alternativen Kälteversorgungstechnologien genauer geprüft. Dazu zählt die Kälteerzeugung mittels effizienter Kompressionskältemaschine mit Turboverdichter, Adsorptionskältemaschine und Wärmepumpe mit Einspeisung überschüssiger Wärme in das Fernwärme- oder Nahwärmenetz. Im Ergebnis wird die Realisierung einer Kälteversorgung mit Turbo-Kompressionskältemaschine in Kombination mit einer hauseigenen PV-Anlage empfohlen. Überzeugend sind insbesondere die Reduzierung von Primärenergie und des CO2-Ausstoß, die schnelle Amortisation und das exzellente Teillastverhalten der Kältemaschine.
Verfasst von: Christiane Zietz
Betreut von:Dr.-Ing. Annina Gritzki
Jahr: 2017, Studienarbeit
Technische und wirtschaftliche Bewertung von Wärmepumpen zur Effizienzsteigerung in Heizkraftwerken
Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Abwärmenutzung des Kühlsystems im Heizkraftwerk Nossener Brücke durch eine Wärmepumpe. Ziel ist dabei die Nutzbarmachung der Abwärme für das Fernwärmenetz der Stadt Dresden.
Neben der Auseinandersetzung mit theoretischen Grundlagen wird auf die Auswahl geeigneter Kältemittel eingegangen. Zudem wurde eine Datenbank mit realisierten Referenzobjekten erstellt. Ein Marktüberblick wird gegeben und potentielle Einsatzfelder von Großwärmepumpen im angestrebten Temperaturbereich werden aufgezeigt. Nach der Ermittlung der thermodynamischen Randbedingungen werden verschiedene Einbindevarianten beleuchtet. Für die Planung wurde ein Modell in der Simulationssoftware EBSILON Professional entwickelt und eine Parametervariation durchgeführt. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und eine energetische Bewertung des untersuchten Anwendungsfalles der Wärmepumpe werden realisiert. Abschließend werden ein Vorschlag zur konkreten Umsetzung des Projektes unterbreitet und ein Ausblick für zukünftige Projekte gegeben.
Nach dem Vergleich verschiedener Einsatzmöglichkeiten und Aufstellorte wurde eine optimale Anlagenkonfiguration gefunden. Unter den betrachteten Randbedingungen erscheint eine Realisierung wirtschaftlich und ökologisch lohnenswert.
Verfasst von: Marwin Kretschmer
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander, Herr Hellfritsch – DREWAG
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Kühllastberechnung nach VDI 2078 zur Abschätzung von Flexibilitätsoptionen
Das Ziel der Studienarbeit war es, die Auswirkungen von Flexibilitätsoptionen auf die Kühllast zu untersuchen. Die Grundlage stellte die Recherche zu existierenden Klimasystemen und Kältespeicher sowie die Kühllastberechnung nach VDI 2078 dar. Inwieweit sich die VDI 2078 für den Untersuchungszweck eignet, wurde qualitativ bewertet. Resultierend aus den Ergebnissen wurden Beispielsimulationen durchgeführt. Diese wurden mit der Softwareumsetzung des Herstellers „mh-Software“ mit seinem Programm „mh-BIM“ durchgeführt. Das Fazit der Untersuchung war, dass einige Flexibilitätsoptionen durch die VDI 2078 nicht berücksichtigt werden können. Dazu zählt unter anderem der Kältespeicher und ein gezieltes raumübergreifendes Lastmanagement. Trotzdem lassen sich die Auswirkungen anderer Flexibilitätsoptionen durch die Variation der Regelungs-, Betriebs- und Steuerungsweise einzelner Komponenten untersuchen. Die Studienarbeit ist für alle empfehlenswert, die mit der VDI 2078 kühllastbeeinflussende Maßnahmen durchführen wollen, da dessen Potenziale und Grenzen aufgezeigt sind.
Verfasst von: Tom Heinze
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Studienarbeit
Erweiterung des Zustandsautomaten einer solarthermischen Netzeinspeisestation um die taktende Einspeisung
In der vorliegenden Studienarbeit wird die Steuerung der im Zentrum für Energietechnik
vorhandenen solarthermischen Einspeisestation der TU Dresden um ein alternatives
Einspeiseverfahren erweitert. Diese zeichnet sich dadurch aus, bei geringen
Einstrahlungsintensitäten eine Einspeisung in das Fernwärmenetz der Stadt Dresden
vornehmen zu können.
Einer Patentrecherche zur Informationsdarstellung aktuell patentierter Innovationen in Hinblick auf die Verwendbarkeit im Forschungsprojekt SOLSTAND, folgt die Entwicklung des alternativen Einspeiseverfahrens. Es werden drei mögliche Einspeiseprinzipien vorgestellt von denen eins für die weitere Ausarbeitung ausgewählt wird. Es wurde entschieden die Auswahl des späteren, alternativen und kontinuierlichen Einspeiseverfahren auf Basis der vor Ort gemessenen Einstrahlungsintensität vorzunehmen. Der neue Zustandsautomat wurde im ersten Schritt für eine idealisiert betrachtete Einspeisestation entworfen und nach Tests an der realen Anlage weiter optimiert.
Final wird eine vereinfachte Prognose vorgenommen, welche Steigerung der Wärmeeinspeisung durch das alternative Einspeiseverfahren erwartet werden kann.
Verfasst von: Rolf Terzan
Betreut von: Dipl.-Ing. Toni Rosemann
Jahr: 2017, Studienarbeit
Untersuchung der Wärmeverluste über die Bodenplatte eines großen Warmwasserspeichers
Ziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung einer Methode zur Bestimmung der Wärmeverluste über die Bodenplatte von großen Wärmespeichern mithilfe einer Simulation. Das exakte thermische Verhalten aller Speicherbestandteile ist aber bis zum heutigen Zeitpunkt noch nicht vollständig untersucht worden und ist deshalb Gegenstand aktueller Forschung. An der TU Dresden wird im Rahmen des SPICE-Projekts (Temperaturfeldmessung in Großwärmespeichern von KWK-basierten Fernwärmesystemen als Werkzeug zur Effizienzsteigerung
- SPICE (SPeICherEffizienz)) das thermische Verhalten mehrerer solcher Wärmespeicher unter Verwendung umfangreicher Messtechnikaufbauten untersucht. Aufgrund der hohen Komplexität des Temperaturfeldes im Bereich der Bodenplatte ist eine Berechnung der Wärmeverluste in dieser Zone nicht trivial. Die AGFW-Richtlinie FW313 enthält einen rechnerischen Ansatz zur Abschätzung jener Wärmeverluste.
Basierend auf einem geometrischen Modell der relevanten Bereiche eines realen Speichers und seiner Umgebung wird mit Hilfe der Simulationssoftware OpenFOAM der Wärmeverlust über die Bodenplatte bestimmt. Das Modell wird unter vorheriger Aufstellung passender Annahmen bezüglich seiner physikalischen Eigenschaften erstellt. Danach werden das Gitternetz des Modells angepasst sowie die numerischen Schemata gewählt, um deren Einfluss auf das Simulationsergebnis zu untersuchen
und zu minimieren. Anschließend wird ein Vergleich mit den im Rahmen des SPICE-Projekts gewonnenen Messdaten zur Verbesserung des Modells durchgeführt und das Modell wird dementsprechend verändert. Schlussendlich wird der in der Simulation bestimmte Wärmeverlust über die Bodenplatte mit Werten verglichen, die mithilfe der AGFW-Richtlinie FW313 berechnet werden. Obwohl Abweichungen auftreten, legen die Ergebnisse dieser Arbeit nahe, dass die Verwendung einer Simulationssoftware ein angemessener Ansatz für die Bestimmung der hier betrachteten Wärmeverluste
des realen Objekts sein kann. Es sollten noch weitere Messdaten zu Rate gezogen werden, um das Modell zu validieren, zu verbessern und seine Aussagekraft insgesamt zu erhöhen. Mithilfe des verbesserten Modells könnten zukünftig valide Vorhersagen getroffen werden, die bereits frühzeitig in den Planungsprozess von großen Wärmespeichern einfließen könnten.
Verfasst von: Markus Mazanec
Betreut von: Dipl.-Ing. Andreas Herwig
Jahr: 2017, Großer Beleg
Erarbeitung eines 3D-Volumenmodells für offenporige zellulare Strukturen
Offenporige zellularen Metallschaum-Strukturen haben sich Ingenieure von der Natur abgeschaut und werden seit einigen Jahren in vielen Industriezweigen eingesetzt. Die vorliegende Arbeit zielt auf die Erarbeitung eines 3D-Volumenmodells für offenporige zellulare Strukturen anhand des Beispiels Metallschaum. Zuerst werden durch eine durchgeführte Literaturrecherche die physikalisch-technischen, thermischen, mechanischen und akustischen Eigenschaften einiger typischer Vertreter des Metallschaums systematisch dokumentiert. Verschiedene Herstellungsverfahren der Metallschäume werden diskutiert und mit einander verglichen. Zur Analyse werden insgesamt 17 offenporige Metallschaumproben gesammelt, davon wurden sieben Metallschaum-Proben jeweils mittels Stereomikroskop, Raster-Elektronenmikroskop und Röntgen-Computertomographie zur Ermittlung der geometrischen Struktur untergesucht. Mit den erworbenen Kenntnissen werden 3D-Volumenmodelle für offenporigen Metallschaum aus drei Verfahren entwickelt und mit einander verglichen. Das Kugelmodell und das Stegmodell weisen hohe Reproduzierbarkeit auf aber können die Realität ansatzweise wiederspiegeln. Die Modelle aus dem 3D-Scan verfügen über fast identische Strukturen wie die Metallschaum-Proben und könnten zur weiteren Analyse mittels Simulation eingesetzt werden. Die Beschränkungen dieses Modellierungsverfahrens liegen in der Rechen- und Speicherkapazität des benutzten Computers. Das Stegmodell wird an einer analysierten Beispielprobe getestet und zeigt hinsichtlich der Poren- und Stegmorphologie befriedigende Ergebnisse.
Verfasst von: Shengqing Xiao
Betreut von: Dipl.-Ing. Jan Löser
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Gesamteffizienz der Absorptionskälteerzeugung unter Berücksichtigung vorgelagerter KWK-Anlagen
Im Rahmen des Projekts „EnEff Wärme: Feldtest Absorptionskälteanlagen für KWKK-Systeme“ wird unter Beteiligung der Technischen Universität Dresden die Einbindung von Absorptionskälteanlagen in vorhandene Wärmeversorgungssysteme getestet und ausgewertet. Die vorliegende Arbeit reiht sich in dieses Projekt ein und befasst sich mit den Rückwirkungen der Absorptionskälteerzeugung auf Fernwärmenetze und Erzeugeranlagen. Um die Effekte zu quantifizieren, werden mit dem Programm MATLAB® Netz- und Erzeugermodelle entworfen und verschiedene Simulationen durchgeführt. Die Einbindung der im Rahmen des Projekts gewonnenen Messdaten spielt dabei eine wesentliche Rolle.
Die Arbeit wird in drei Teilbereiche untergliedert und die Wirkungen des zusätzlichen Abnehmers Absorptionskälteanlage auf die thermischen Netzverluste, die hydraulischen Verluste sowie die Fahrweise der Wärmeerzeuger in getrennten Kapiteln untersucht.
Bei der Berechnung der zuästzlichen Wärmeverluste stellt sich die Anhebung des Vorlauftemperaturniveaus des Netzes als ausschlaggebender Faktor heraus. Hier sind Erhöhungen der Wärmeverluste von bis zu 13 % möglich. Die zusätzlichen thermischen Netzverluste durch Anhebung der Rücklauftemperatur sowie durch die Stichleitung sind vernachlässigbar gering.
Die von der Netzpumpe zusätzlich verbrauchte elektrische Energie kann - abhängig vom
Aufbau des Netzes - bis zu 21 % betragen. Hier spielt die Positionierung der Absorptionskälteanlage innerhalb des Netzes eine wesentliche Rolle, weshalb verallgemeinerte Aussagen kaum möglich sind.
Die Modelle der Wärmeerzeugeranlagen, die im Rahmen dieser Arbeit entworfen wurden, sind noch nicht ausgereift. So kann zwar die Größenordnung der zusätzlich erzeugten elektrischen Energie sowie des zusätzlichen Brennstoffverbrauchs abgeschätzt werden, auf eine detaillierte Auswertung wird allerdings verzichtet, da die Ergebnisse zum jetzigen Stand des Modells nicht aussagekräftig genug sind. Stattdessen wird der Schwerpunkt der Betrachtungen auf die noch notwendige Weiterentwicklung der Modelle gelegt.
Verfasst von: Vera Volmer
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Modellierung des Kollektorfeldes einer Solarthermie-Feldanlage einer dezentralen Fernwärmeeinspeisestation
In der vorliegenden Diplomarbeit wird ein Simulationsmodell zur thermohydraulischen Modellierung einer Solarthermieanlage erstellt. Untersucht wird ein Vakuumröhrenkollektor mit Heatpipes sowie die verbindenden Rohrleitungen der Kollektorfelder.
Nach einer kurzen Einführung in die Thematik sowie Diskussion der dynamischen Kollektorgleichung nach DIN EN ISO 9806 wird ein Modell für den vorliegenden Kollektortyp und die Rohrleitungen in der Simulationssoftware Dymola erstellt.
Mithilfe der Messtechnik der untersuchten Anlage auf dem Dach des Zentrums für Energietechnik der TU Dresden war es möglich, durch die Auswertung von Auskühlversuchen Wärmedurchgangskoeffizienten zu bestimmen, die als Parameter in der Simulation genutzt werden. Im letzten Teil der Arbeit werden das erstellte Modell und die aus Versuchen bestimmten Parametern validiert. Die erstellen
Simulationsmodelle können die Systemzustände „Stillstand/Auskühlen“ und „Frostschutz“ der solarthermischen Anlage modellieren.
Verfasst von: Robert Bosse
Betreut von: Dipl.-Ing. Martin Heymann, Dipl.-Ing. Toni Rosemann
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Analyse, Bewertung und Optimierung des Wärmeenergieverbrauches von Trinkwarmwasserversorgungsanlagen von kommunal versorgten Liegenschaften
Infolge einer Novellierung der Heizkostenverordnung kam es bei kommunal versorgten
Liegenschaften in Freital zu einer ungewöhnlich breiten Streuung der Werte innerhalb der Heizkostenabrechnung. Diese Streuung betraf die der Trinkwassererwärmung zugeordneten Wärmeverbräuche und Heizkosten. Infolgedessen erfolgte eine Analyse, Bewertung und Optimierung des Wärmeenergieverbrauches von ausgewählten Trinkwarmwasserversorgungsanlagen.
Für eine bessere Verständlichkeit der Heizkostenabrechnung wurden die einzelnen
Berechnungsschritte und die dabei verwendeten gesetzlichen Vorgaben nachvollziehbar
aufgearbeitet. Anschließend wurden die vorliegenden Abrechnungsdaten der Liegenschaften hinsichtlich verschiedener Untersuchungsschwerpunkte analysiert. Die Ergebnisse dienten dazu einige Gebäude für eine detailliertere Untersuchung und nachfolgender Versuchsmessung auszuwählen. Die gewonnenen Messdaten bildeten die Grundlage für die lösungsorientierte Aufarbeitung der dargestellten Abweichungen. Die erarbeiteten Ursachen und Optimierungsvorschläge sollen den Betreibern der Trinkwarmwasseranlagen als Hilfestellung dienen, die energetischen Aufwendungen und die Kosten der Trinkwassererwärmung zu reduzieren.
Verfasst von: Julia Schreiber
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Rössel – Technische Werke Freital, Prof. Dr.-Ing. Reichel – HTW Dresden
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Untersuchung der Betriebsweise einer Kompressionskältemaschine in Verbindung mit einem Kältespeicher am Bespiel des Gebäudekomplexes Zellescher Weg (BZW)
Ziel der vorliegenden Arbeit war Untersuchung der Betriebsweise der
Kompressionskältemaschinen in Verbindung mit einem Kältespeicher im Gebäude
BZW. Es wurden Möglichkeiten zur Optimierung des Anlagenbetriebes gesucht.
Um die Betriebsweise des Kältesystems zu erfassen, wurde ein
Messdatenerfassungssystem verwendet. Dazu wurde zuerst ein Messkonzept
entworfen, das die Dokumentation der Nutzer- und Betriebsanforderungen, der
Anlagentechnik und Anlagenbetriebsweise berücksichtigt, und auf den Nutzer- und
Betriebserfahrungen basiert. Im Rahmen der Umsetzung des Messkonzeptes wurde
die Messstrecke in der Kältezentrale installiert. Als Messdatenerfassung (MEF)
kommen die Messgeräte TX25-Sensoren mit externem Temperaturfühler zum Einsatz.
Für die anfallenden Messdaten wurde individuell angepasste Werkzeuge in Form einer
Excel-Arbeitsmappe zur Auswertung entwickelt. Mit den geladenen zugehörigen
Datensätzen wurden das Betriebsverhalten der Anlage durch die Excel-Datei grafisch
dargestellt.
Zur Optimierung des Anlagenbetriebes wurden insbesondere der Aufbau des
Kältespeichers in Verbindung mit weiteren Kälteerzeugungsanlagen auf dem Campus
der TU Dresden betrachtet. Dabei wurden in der Arbeit der Speicheraufbau und
Möglichkeiten der Betriebsänderung diskutiert und die Kühlenergieversorgung an der
TU Dresden vorgestellt. Weiterhin wurde die Möglichkeiten der Abwärmenutzung
diskutiert.
Verfasst von: Ge Liu
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke
Jahr: 2017, Großer Beleg
Aufbau und Test eines Messwerterfassungssystems für Monitoring-Aufgaben
In der vorliegenden Arbeit wird ein in der Entwicklung befindliches Messwerterfassungssystem in einem praktischen Einsatztest untergezogen werden. Das Messwerterfassungssystem ermöglicht die Erfassung der Vor- und Rücklauftemperatur sowie der mittleren Heizflächentemperatur am Heizkörpe, der Vor- und Rücklauftemperatur des Steigestranges sowie der Raumtemperatur und der relativen Feuchte. Das Messwerterfassungssystem wird in zwei ausgewählten Anlagenabschnitten im Andreas-Pfitzmann-Bau eingesetzt. Dadurch werden die Nützlichkeit und Sinnfähigkeit des Systems getestet und das Betriebsverhalten der Anlagenabschnitte in Heizperiode untersucht. Im Ergebnis der Arbeit sind die Reichweiten Verkürzung wegen Betonwänden und die Empfindlichkeit und Stabilität des Funkmoduls die größten Probleme des Systems. Nach der Auswertung der Messdaten lassen sich feststellen, dass die Vorlauftemperaturen mit der zunehmenden Entfernung fallen, die Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur ist immer sehr gering und die Vorlauftemperaturen schwanken immer. Vermutlich sind die im Fußboden verlegten Anschlussleitungen unzureichend gedämmt und die Thermostatregelventile instabil wegen zu hohem Differenzdruck sind.
Verfasst von: Lei Chen
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Dekarbonisierte Energieversorgung einer sächsischen Kommune bis zum Jahr 2050
Eine ländliche Kommune hat durch die standortunabhängige Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien nicht nur die Möglichkeit ihre Energieversorgung bis zum Jahr 2050 erheblich zu dekarbonisieren, sondern auch wirtschaftlich zu gestalten.
In dieser Arbeit wird für die Kommune Obergurig, ausgehend vom IST‑Zustand der Energieversorgung und des Strom‑ und Wärmebedarfs in den Sektoren Privathaushalte, GHD und Industrie, kommunale Einrichtungen und Verkehr, ein Referenzszenario für das Jahr 2050 unter Berücksichtigung demographischer Entwicklungen und klimapolitischer Ziele entworfen. Darauf basierend werden drei Energieversorgungvarianten entwickelt und auf energetische und wirtschaftliche Aspekte untersucht. Im Vergleich erreicht die dezentrale Energieversorgungsvariante mit dem Ausbau des gesamten Photovoltaikpotentials und einem zentralen Stromspeicher die höchste Wirtschaftlichkeit. Dabei wird das Stromnetz durch die hohe Stromeinspeisung in den Sommermonaten und den Energiebedarf in den Wintermonaten stark belastet. Eine zentrale Wärmeversorgung mit einem Nahwärmenetz lässt sich ebenfalls wirtschaftlich darstellen. Die Elektromobilität, ohne Anpassung des Ladeverhaltens der Fahrzeugnutzer, erhöht einerseits den Eigenverbrauch an Photovoltaikstrom, stellt jedoch eine zusätzliche Netzbelastung dar. Die Auswirkungen einer regionalen Energieversorgung dieser Art auf die Netzstabilität, Versorgungssicherheit und die daraus resultierenden Wechselwirkungen müssen weiterführend betrachtet werden.
Verfasst von: Adrienne Gehre
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Uwe Kluge - Sächsische Energieagentur, SAENA GmbH
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Analyse der Maßnahmen zum Einspeisemanagement Erneuerbarer-Energien-Anlagen
Das Einspeisemanagement von Erneuerbaren-Energien-Anlagen (EE-Anlagen) ist rechtlich in §14 EEG geregelt. Dabei müssen EE-Anlagen ihre Einspeisung drosseln oder sogar vollständig reduzieren, um eine Überlastung des Stromnetzes zu vermeiden. Der Umfang des Einsatzes dieser Maßnahmen hat in den letzten Jahren erheblich zugenommen. Für das Jahr 2015 berichtet die Bundesnetzagentur von einer Verdreifachung der Abregelung auf 4.722 GWh und damit verbundenen Entschädigungsansprüchen von 478 Mio. EUR. Die vorliegende Arbeit beleuchtet hierbei die zeitlichen und räumlichen Zusammenhänge genauer. Am Beispiel des Netzgebiets „Schleswig-Holstein-Netz“ werden die einzelnen Maßnahmen mit den, zu diesem Zeitpunkt vorhandenen Wetterbedingungen verknüpft. Daraus lassen sich Rückschlüsse darüber ziehen, in wieweit einzelne Anlagen zum Zeitpunkt ihrer Abregelung ausgelastet waren. Ziel der Arbeit war es, in übersichtlicher Form darzustellen aus welchem Grund und zu welchem Zeitpunkt Einspeisemanagement-Maßnahmen unternommen wurden. Mithilfe der während der Arbeit aufgebauten Datenbank, können einzelne Einsätze genauer betrachtet und mögliche Einsparpotenziale analysiert werden. Durch den Einsatz des Einspeisemanagements entstehen den Stromkunden hohe Kosten, die durch ein ausreichend ausgebautes Übertragungsnetz vermieden werden können. Hierzu werden unterschiedliche Speichertechnologien vorgestellt, die in Zukunft zur Stabilisierung des Netzes beitragen können.
Verfasst von: Kolja Rubel
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, M.Sc. Volker Berkhout – Fraunhofer IWES
Jahr: 2017, Projektarbeit im Fachpraktikum
Effizienzsteigerungs- und Netzdienlichkeitspotenziale einer niederexergetischen Kälteversorgung / Betriebs- und Netzdienlichkeitsanalyse auf Basis von Langzeit-Monitoring-Daten
Auf Basis von Langzeit-Monitoring-Daten eines Laborgebäudes mit thermischem Speicher wird in dieser Arbeit der Betrieb einer niederexergetischen Kälteversorgung analysiert und geprüft inwiefern sich die Energieeffizienz und die Netzdienlichkeit der Kältebereitstellung durch eine Anpassung der Regelung (Demand Side Management) steigern lassen. Hierfür wird anhand von Leistungszahlen untersucht, wie verschiedene Parametrierungen der Regelung sowie äußere Einflussgrößen die Energieeffizienz verschiedener Komponenten der Kältebereitstellung beeinflussen.
Das Strombezugsverhalten im effizienzoptimierten und netzdienlichen Betrieb wird durch die Anwendung eines Greedy Algorithmus und die Nutzung einfacher Modelle der Komponenten der Kälteversorgung näherungsweise berechnet. Es zeigt sich, dass ein Betrieb der Erzeuger nahe am ermittelten optimalen Arbeitspunkt und eine Verschiebung der Betriebsintervalle in Zeiträume mit geringer Umgebungstemperatur eine Steigerung der Energieeffizienz der Erzeuger um rund 27 % ermöglichen.
Zur Bewertung der Netzdienlichkeit wird die Netzdienlichkeitskennzahl „Relative Grid Support Coefficient“ bezüglich verschiedener netzbasierter Referenzgrößen sowohl für den Realbetrieb als auch den effizienzoptimierten und netzdienlichen Betrieb berechnet und verglichen. Während im Realbetrieb ein netzneutrales Strombezugsverhalten vorliegt, kann durch eine Optimierung der Regelung auf den Anteil von Windkraft und Photovoltaik am Strommix eine signifikante Steigerung der Netzdienlichkeit erreicht werden. Diese Optimierung geht jedoch mit erheblichen Effizienzeinbußen einher. Allerdings zeigt sich, dass ein effizienzoptimierter Betrieb gut mit dem Ziel eines netzdienlichen Verhaltens bzgl. des Börsenstrompreises vereinbar ist. Eine Optimierung der Regelung auf den Börsenstrompreis erweist sich daher als guter Kompromiss zwischen Netzdienlichkeit und Energieeffizienz.
Verfasst von: Andreas Kast
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, M. Eng. Benjamin Köhler – Fraunhofer ISE
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Entwicklung eines temperierbaren Fensterelements für Versuchsstände
Die Belegarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Fensterelements, dessen Glasoberfläche gleichmäßig und gezielt temperiert werden soll. Die Konzipierung erfolgte im Rahmen des Klimaraum-Projekts der Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung des Instituts für Energietechnik an der TU Dresden. Glasflächen sind ein wichtiger Bestandteil von gebäudeenergietechnischen Untersuchungen, da sie die Beobachtbarkeit geschlossener Räume ermöglichen und ihr Flächenanteil bei modernen Wohn- und Bürogebäuden stetig zunimmt.
Eine zentrale Voraussetzung des zu entwickelnden Prototyps war die Übertragbarkeit
des Konzepts auf andere Versuchsstände. Mit Hilfe einer Entscheidungsmatrix wurden verschiedene Temperiertechnologien bewertet und die Thermoelektrik ausgewählt. Diese ermöglicht einen modularen Aufbau des Systems, wodurch eine Skalierbarkeit des Leistungsvermögens sichergestellt ist. Die Entwicklung des Prototyps umfasste die Konstruktion, thermodynamische und elektronische Auslegung, die Ausarbeitung eines Ansteuerungs- und Regelkonzepts sowie dessen Umsetzung. In mehreren Versuchsreihen wurde der Prototyp mit konstanten Eingangssignalen und den Eingangsfunktionen Rampe und Sprung im Temperaturbereich von 20 °C bis 28 °C vermessen. Die Messergebnisse konnten die Eignung der Thermoelektrik zur Temperierung des Prototyps bestätigen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden weitere Einsatzbereiche neben der Gebäudeenergietechnik wie z.B. im Automobilbereich als Wärmedämmung.
Verfasst von: Jannik Schug
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Großer Beleg
Entwicklung von Simulations-Modellen für Rückkühlwerke auf Basis von Messdaten
Vor dem Hintergrund des steigenden Kaltebedarfs weltweit, ist die Abgabe der Warme von großer Bedeutung. Sie beeinflusst die Effektivitat des Kältesystems und fordert eine angepasste, leistungsfahige Regelung. In der vorliegenden Arbeit werden in diesem Zusammenhang trockene Rückkühlwerke von verschiedenen Liegenschaften mit Kältesystemen auf Absorptionskaltebasis untersucht und vergleichend bewertet. Nachfolgend werden geeignete Berechnungsansäatze erstellt, um mit diesen und mithilfe von Messdaten, vereinfachte Simulations-Modelle zu erstellen. Diese Modelle schatzen die Kühlwasseraustrittstemperatur der Rückkühlwerke ab. Das Physikalische Modell wird anschließend erweitert um mittels der gegebenen Solltemperatur auch den Elektroenergieaufwand der Rückkühlwerke zu berechnen. Abschließend werden die Modelle bewertet und Ansatze zur Optimierung aufgeführt.
Verfasst von: Theresa Kramer
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2017, Studienarbeit
Analyse des Elektroenergieverbrauches auf dem Campus der TU Dresden
Der Anstieg des Elektroenergieverbrauches auf dem Campus der TU Dresden in Kombination mit der kontinuierlichen Erhöhung der Strompreise der letzten Jahre verursacht einen nicht zu vernachlässigenden Kostenaufwand für die Universität. Neben diesem sind die durch die Elektroenergiebereitstellung verursachten CO2-Emissionen von erheblicher Bedeutung im Hinblick auf Klima und Umwelt sowie die zukünftige Energieversorgung. Anhand des Merkel-Baus, einem Gebäude auf dem Campus der Universität, wird deshalb in der vorliegenden Arbeit eine Analyse des Elektroenergieverbrauches durchgeführt. Hierbei werden nutzungszonen- und verbrauchergruppenabhängige Bedarfskennwerte bestimmt. Ziel ist die Klassifizierung des Elektroenergieverbrauches aller Campus-Gebäude zur weiterführenden Abschätzung der Entwicklung des Elektroenergieverbrauches auf dem Campus der TU Dresden. Des Weiteren dient die Analyse der Aufdeckung möglicher Einsparpotenziale und gibt in Bezug auf eine vollständige Bilanzierung Hinweise für eine nutzbringende Nachrüstung von Elektroenergiezählern. Die erzielten Ergebnisse dienen als Grundlage für weiterführende Analysen und Maßnahmen für einen nachhaltigen Umgang mit der Energieform Elektroenergie.
Verfasst von: Corinna Strube
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Simulations-Modell für eine Absorptionskältemaschine auf Basis von Messdaten
In der vorliegenden Studienarbeit werden verschiedene Modelle für Absorptionskälteanlagen entwickelt, getestet und ausgewertet. Dabei werden im Rahmen des FAkS-Projekts zwei Typen von Anlagen untersucht, Hummeln und Bienen. Die erstellten Modelle basieren ausschließlich auf Messwerten der externen Heiß-, Kühl- und Kaltwasserkreisläufe und kommen ohne Kenntnis der thermodynamischen Vorgänge im Inneren der Absorptionskälteanlage aus. Das Modell der erweiterten charakteristischen Gleichungen sowie die Anwendung von linearen Regressionsmodellen wird in diesem Zusammenhang implementiert und analysiert. Es wird untersucht, ob für die Anlagen eines Typs ein ausreichend genaues, gemeinsames Modell erstellt werden kann. Abschließend werden die erstellten Modelle dazu genutzt, die Eigenschaften der untersuchten Maschinen zu evaluieren.
Verfasst von: Lisa Müller
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2017, Studienarbeit
Validierung eines Wetterprognosemodells für die prädiktive Regelung im Gebäude- und Anlagenbereich
Seit einigen Jahren ist es möglich, die wetterprognosegestützte prädiktive Regelung im Gebäude- und Anlagenbereich einzusetzen. Ziel dieser Arbeit ist die Überprüfung der Wetterprognosegenauigkeit für die prädiktive Regelung. In dieser Arbeit soll die Wetterprognose von zwei unterschiedlichen Prognosequellen für den Raum Dresden mit vor Ort gemessenen Wetterdaten verglichen und die Prognosegenauigkeit für den betrachteten Standort analysiert werden. Dazu werden zuerst die Wetterprognosequellen und Messdatenquellen erklärt und allgemeines zu Wetterprognosen und lokalen Einflüssen beschrieben. Die Wetterprognosefehler werden dann detailliert untersucht und die Prognosequalitäten beider Prognosequellen bewertet. Ein mögliches Verfahren wird aufgezeigt, um die Wetterprognosen anhand von lokalen Messdaten zu verbessern. Im Anschluss daran folgt die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Wetter und energetischem Bedarf bzw. Ertrag von ausgewählten Gebäuden und Anlagen. Darauf aufbauend wird der Einfluss von Wetterprognoseunsicherheit auf den energetischen Bedarf bzw. Ertrag analysiert. Zum Schluss wird eine Bewertung zum Einsatz von Wetterprognosen für die prädiktive Regelung gegeben.
Verfasst von: Yaxi Ou
Betreut von: Dipl.-Ing. Sven Paulick, Dr. rer. nat. Peter Stange, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Möglichkeiten einer Absenkung von Vorlauftemperaturen für Geothermieanlagen im SWM FW-Netz
Um die Vision, bis zum Jahre 2040 die Fernwärmeversorgung der Stadt München vollständig aus erneuerbaren Energien bereitzustellen, Realität werden zu lassen, setzt die Stadtwerke München GmbH (SWM) verstärkt auf tiefe Geothermie. Für eine wirtschaftlichere Einspeisung derselben muss die Vorlauftemperatur des Fernwärmesystems auf die Thermalwassertemperaturen abgestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Möglichkeiten einer Absenkung der Vorlauftemperaturen beschrieben und deren Anwendung im FW-System der SWM untersucht. Neben einer möglichst genauen Lastprognose und Kenntnissen der Netzhydraulik spielen dabei auch die Kundenanlagen eine wichtige Rolle. Da bei den SWM kaum Informationen über das Regelungsverhalten der Kundenanlagen vorliegen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Versuch durchgeführt, der das Verhalten der Hausanschlussstationen bei geringeren Vorlauftemperaturen untersucht. Aufgrund hydraulischer Begrenzungen des FW-Netzes ist eine beliebige Absenkung der Temperatur nicht möglich, da insbesondere im Winter das Netz bereits am Limit gefahren wird. Daher wurden zusätzlich drei Konzepte der Nachheizung der Geothermie vorgestellt und deren Wirtschaftlichkeit in Abhängigkeit variabler Vorlauf- und Thermalwassertemperatur untersucht. Dabei stellte sich ein stromgeführtes Blockheizkraftwerk (BHKW) als sinnvolle Ergänzung einer Geothermie-Anlage heraus, wenn für den Strombezug der Thermalwasserpumpe ohne BHKW die EEG-Umlage fällig wäre.
Verfasst von: Johannes Schrader
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr. Nadine Wasserrab - Stadtwerke München
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Thermische Komfortanalysen unter stationären Bedingungen für Flächenheizsysteme
Die vorliegende Forschungsarbeit hat die stationäre Bewertung des thermischen Komforts von Deckenheizungen zum Ziel. Dazu wurden mit 10 Probanden Versuche im Klimaraum der TU Dresden unternommen. Zu Beginn wurde auf den aktuellen Wissensstand der wärmephysiologischen Bewertung eingegangen. Der darauffolgende Abschnitt enthält einen Überblick über Möglichkeiten, Probleme und technische Ausführung von Flächenheizsystemen. Danach wird auf die Methodik der Probandenuntersuchungen und auf den Versuchsraum eingegangen. Im vorletzten Abschnitt wird kurz die verwendete Messtechnik erläutert. Abgeschlossen wird die Arbeit von der Betrachtung der gewonnenen Ergebnisse und dem Vergleich mit der Norm.
Verfasst von: Christian Pappermann
Betreut von: Dipl.-Ing. Maximilian Beyer, Dipl.-Ing. Lars Schinke, PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Jahr: 2017, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Konzeptionierung einer nahwärmebasierten Wärmeversorgung für eine Einfamilienhaus-Siedlung
Die Arbeit untersucht die Wirtschaftlichkeit eines neu zu erbauenden Nahwärmenetzes in einer Siedlung in Bärnsdorf. Dabei werden alle Aspekte von der Bestimmung der Heizlasten der Wohnhäuser über die Dimensionierung des Netzes für verschiedene Netzausbauvarianten bis hin zur Simulation verschiedener Erzeugervarianten beleuchtet.
Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Nahwärmenetzes erfolgt für drei verschiedene Erzeugervarianten. Bei der Konzeptionierung der Erzeugervarianten lag der Fokus auf Nachhaltigkeit und einem weitestgehenden Einsatz erneuerbarer Energie. Zudem wird die dezentrale Einbindung von Solarthermie und Photovoltaik untersucht.
Um die Wirtschaftlichkeit des Ausbaus des Nahwärmenetzes zu bestimmen, werden die Wärmegestehungskosten der drei Varianten mit denen einer dezentralen Wärmebereitstellung mit Ölheizkesseln verglichen.
Verfasst von: Luisa Lindner
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Felix Panitz
Jahr: 2017, Studienarbeit
Vergleichende energetische und wirtschaftliche Betrachtungen zum Einsatz von Wärmepumpen
Um den Ausstoß von Treibhausgasen bei der Wärmeerzeugung in Wohnhäusern einzudämmen, bietet sich die Verwendung einer Kompressionswärmepumpe an. Diese hat bei Bezug von regenerativen Strom kaum Emissionen und besticht durch ihren hohen Wirkungsgrad. Damit sie so effizient wie möglich betrieben werden kann, muss ihre Einbindung ins Heizungssystem perfekt abgestimmt sein.
Daher gibt es mehrere Normen, Richtlinien und Leitfäden, die eine optimale Integration der Wärmepumpe in die gesamte Hydraulikschaltung ermöglichen. Damit der Nutzer einen klaren Überblick über die Planungshinweise erhält, wurde ein Vergleich angestellt. Dabei wurden fünf Systemschaltungen, die in drei ausgewählten Leitfäden vorgestellt werden, gegenübergestellt und deren Vor- und Nachteile hervorgehoben.
Alle fünf Systeme bestehen aus einer Wärmepumpe, kombiniert mit einer Flächenheizung und einem Trinkwarmwasserspeicher. Zusätzlich kommen auch in Reihe oder parallel geschaltete Pufferspeicher zum Einsatz. Außerdem wird die Wärmepumpe in zwei Systemen entweder von einer Solarthermieanlage oder einem zusätzlichen Pelletkessel unterstützt.
Der Betrieb aller Schaltungen unter denselben Referenzbedingungen wurde in einem Simulationsprogramm nachgestellt. Dabei konnte ermittelt werden, dass die Wärmepumpe im System mit eingebautem Reihenpufferspeicher am effizientesten arbeitet. Allerdings ist der Systemwirkungsgrad der Kombination aus Wärmepumpe und Solarthermieanlage am höchsten.
Verfasst von: Niklas Wank
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Integration von dezentralen Erzeugern in ein bestehendes Fernwärmenetz unter Berücksichtigung der Netzhydraulik
Der politisch bedingte Wandel der Energieversorgung strebt eine Reduzierung von fossilen Energieträgern an. Dadurch werden sich in den kommenden Jahren die Versorgungsstrukturen des in dieser Diplomarbeit betrachteten Sekundärnetzes verändern. Dieser Umstand macht Überlegungen zur dezentralen Versorgung des Systems zwingend notwendig.
Auf der Grundlage von Betriebsmessdaten wurden mit der Software SINETZ Modelle des Sekundärnetzes erstellt und die Netzhydraulik berechnet, um den IST-Stand des Systems zu erfassen.
Aufbauend auf den Erkenntnissen der netzhydraulischen Berechnungen wurde die Möglichkeit einer Netzverdichtung untersucht. Unter Berücksichtigung der Wärmeübertrager zwischen Primär- und Sekundärnetz, der Umwälzpumpen, sowie der Netzhydraulik, wurde die Umsetzbarkeit des Anschlusses neuer Verbraucher mit einer thermischen Gesamtleistung von 3,2 MWth überprüft.
Anschließend erfolgten Untersuchungen zur Dezentralisierung des Systems, wobei drei Varianten identifiziert wurden. Die erste sieht eine Aufteilung des Sekundärnetzes in acht Teilsysteme vor, die eigenständig mit Wärme versorgt werden. Zum Erhalt der Netzstrukturen wurde als zweite Variante die Errichtung eines Energieclusters (Kombination aus mehreren Blockheizkraftwerken, einer Power-to-Heat-Anlage und eines Wärmespeichers) am Standort der Wärmeübergabestation untersucht. Die dritte Variante der Dezentralisierung sieht eine Kombination aus einem leistungsreduzierten Energiecluster am Standort der Wärmeübergabestation und der Versorgung über das Primärnetz vor.
Über einen bewertenden Vergleich konnte abschließend die aussichtsreichste Dezentralisierungsvariante ermittelt werden.
Verfasst von: Robert Kerstan
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dr.-Ing. Mathias Rieger – VPC GmbH, Vetschau/Spreewald
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Ermittlung energetischer Kennwerte von Mikro-KWK-Systemen und Sole-Wasser-Wärmepumpen mit einem „Hardware-in-the-loop“ Versuchsstand
Diese Projektarbeit im Forschungspraktikum beschäftigt mit der Ermittlung von energetischen Kennwerten von Mikro-KWK-Systemen und Sole-Wasser-Wärmepumpen in einem ”Hardware-in-the-loop“ Versuchsstand. Dazu wird zunächst auf bestehende Normen und Richtlinien zu Bewertungsverfahren von Mikro-KWK-Systemen und Wärmepumpen eingegangen.
Anschließend wird ein neuartiges dynamisches Bewertungsverfahren vorgestellt, welches einen ”Hardware-in-the-loop“ Versuchsstand nutzt. Der Versuchsstand wird überprüft und in Betrieb genommen, um danach Emulationsversuche durchzuführen und auszuwerten.
Darüber hinaus wird der Versuchsstand um ein Solemodul zur Einbindung einer Sole-
Wasser-Wärmepumpe erweitert. Dieses Solemodul wird in dieser Arbeit dimensioniert und konstruiert. Abschließend werden erste Versuche mit der Wärmepumpe zum Test der Versuchsstanderweiterung durchgeführt.
Verfasst von: Florian Bauch
Betreut von: Dr.-Ing. Martin Knorr, Dipl.-Ing. Maximilian Beyer, Dipl.-Ing. Lars SchinkeJahr: 2017, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Energetische Bilanzierung einer durch eine magnetokalorische Kühleinheit erweiterten DEC-Klimaanlage
Im Rahmen dieser Arbeit wird ausgehend von einer ausführlichen Literaturrecherche zu DEC-Klimaanlagen und magnetokalorischer Kühlung ein Berechnungstool entworfen, mit dem sich alle Zustandspunkte und Energieströme in einer um eine magnetokalorische Kühleinheit (MKE) erweiterten DEC-Klimaanlage berechnen lassen.
Für ausgewählte Betriebsfälle, für die Annahmen zu Außenluft- und Raumluftzustand, sowie thermischen Lasten und Feuchtelasten getroffen werden, erfolgt mit dem Excel-Tool eine energetische Bilanzierung. Dabei wird neben dem DEC-Prozess auch eine die MKE umfassende Bilanzgrenze betrachtet. Mit der energetischen Bilanzierung kann gezeigt werden, dass der gesamte Antriebsleistungsbedarf von DEC-Klimaanlagen durch die Integration der MKE zum Teil über 50 % verringert werden kann. Die Energieflüsse einer solchen DEC-Klimaanlage mit magnetokalorischer Kühleinheit werden in einem Sankey-Diagramm dargestellt.
Anhand der Berechnungsergebnisse und einer zusätzlichen Sensitivitätsanalyse werden zudem Auslegungsparameter abgeleitet, die für die Auslegung einer Demonstrationsanlage für eine um eine MKE erweiterte DEC-Klimaanlage verwendet werden können. Aufgrund der notwendigen Kühlleistung der MKE von 400 W und der dabei erforderlichen Temperaturdifferenz von 22 K wird ersichtlich, dass die Umsetzung einer solchen Anlage im Hinblick auf den Stand der Technik der magnetokalorischen Kühlung technisch herausfordernd aber perspektivisch erreichbar erscheint.
Verfasst von: Paul Adam
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Jahr: 2017, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Technische Umsetzungskonzepte für Wärmepumpensystem
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Überblick über verschiedene Wärmepumpen-Systemkonzepte zu geben und diese anhand von unterschiedlichen Simulationswerkzeugen energetisch zu bewerten sowie qualitativ miteinander zu vergleichen. Nach DIN EN 15450 und durch den Leitfaden Hydraulik des Bundesverbandes Wärmepumpe e.V. werden 3 Standard-Hydraulikkreise ausgewählt. Dabei nehmen deren hydraulische Einbindung und Betriebsweise einen großen Einfluss auf die energetischen Kennzahlen.
Für die Ermittlung der sogenannten Energiekennzahlen, welche erklärt werden, sind Möglichkeiten der erforderlichen Messeinrichtungen dargestellt.
Zusätzlich werden mithilfe der Software Polysun die zuvor ausgewählten Wärmepumpen-Systeme simuliert, um deren Abbildung zu beleuchten und abschließend einen Vergleich zwischen den unterschiedlichen Planungshilfsmitteln ziehen zu können.
Verfasst von: Maximilian Schicker
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Studienarbeit
Entwicklung eines für die Auslegung und den Vertrieb von Klein-Windkraftanlagen geeigneten Hilfsmittels
Diese Arbeit wurde mit dem Zweck verfasst, das Grundwissen, das zur Nutzung kleiner Windkraftanlagen erforderlich ist, zu übermitteln. Dabei sind technische, geografische, wirtschaftliche und rechtliche Aspekte von Belang und werden in ihren Grundzügen erläutert.
Im Ergebnis sollen mögliche Interessenten einer Kleinwindanlage einen Überblick erhalten, welche Einflussfaktoren relevant sind und wie mit diesen umzugehen ist. Somit entsteht dann ein elektronisches Auslegungshilfsmittel, welches alle genannten Schwerpunkte berücksichtigt. Dieses besteht aus einer Liste gängiger Klein-Windkraftanlagen mit deren wesentlichen Kenngrößen und einer Berechnungstabelle, die auf vereinfachte Art schnell zu erwartende Erträge und Kosten liefert. Dazu müssen lediglich wenige Eingangsgrößen, wie Windgeschwindigkeit und Energiebedarf angegeben werden.
Durch dieses vereinfachte Vorgehen kann sich dann unverbindlich und schnell ein Überblick geschaffen werden, was von einer Kleinwindanlage am jeweiligen Standort zu erwarten ist. Jedoch ersetzt dies keine detaillierte Auslegung, sondern stellt lediglich eine Orientierungshilfe dar.
Verfasst von: Jacob Kriehmig
Betreut von: Dr.-Ing. Markus Rösler; Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann; Dietmar Pöter – aedes engineering GmbH
Jahr: 2017, Projektarbeit im Fachpraktikum
Konzeptionelle Überlegungen zur Energie- und Wasserversorgung einer Berghütte
Die Dresdner Hütte im österreichischen Stubaital ist durch ihre exponierte Lage und Größe sowohl im Winter als auch im Sommer ein Anlaufpunkt für viele Touristen. Dementsprechend steigt der Komfortanspruch jedes Jahr. Noch immer ist die Dresdner Hütte jedoch eine eingetragene Schutzhütte und soll diesen Status beibehalten. Somit wird den touristischen Ansprüchen nicht bedingungslos nachgegangen, sondern es besteht der Anspruch, durch intelligente energieeinsparende Maßnahmen Mängel zu beseitigen, die Behaglichkeit zu erhöhen, die Kosten zu senken und den Umwelteinfluss zu reduzieren. In diesem Sinne widmet sich die Projektarbeit der Erstellung eines gesamtheitlichen Konzeptes zur Modernisierung der Heizungs- und Lüftungsanlage. Für das Heizkonzept werden zum einen konventionelle Versorgungsmöglichkeiten und zum anderen Wärmeversorgungskonzepte aus regenerativen Energiequellen betrachtet. Das Lüftungskonzept untergliedert sich in die Betrachtung einer zentralen Anlagenlösung und einer Lösung mit einzelnen dezentralen Geräten. Eingangs werden die exponierte Lage und die klimatischen Bedingungen der Hütte sowie der technische Ist-Stand der Hütte beschrieben, um die Anforderungen an eine Neukonzeptionierung darzulegen. Des Weiteren wird der Stand der Technik mit anderen Hütten verglichen, um festzustellen, ob effizientere Versorgungslösungen unter ähnlichen Umständen existieren und ob Handlungsbedarf besteht. Folglich wird der Bedarf an Wärme und Frischluft ermittelt und die Anlagen werden nach diesen ausgelegt. Anschließend erfolgt ein interner Vergleich der beiden Themenkomplexe, sodass die am besten geeigneten Varianten herausgestellt werden. Daraufhin wird eine kombinierte Empfehlung aus Heizungs- und Lüftungskonzept erörtert.
Verfasst von: Alexander Kosel, Marwin Kretschmer, Thomas Mehlig, Robert Scharf
Betreut von: Herr Dr. Konrad – Deutscher Alpenverein, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Projektarbeit im Forschungspraktikum
Vorbereitungen zur Berechnung von Wasserturbinen mit Lattice-Boltzmann-Methoden
Lattice-Boltzmann-Methoden haben grundsätzlich einen Vorteil gegenüber anderen numerischen Berechnungsmethoden, wenn sich die Geometrie während des zu untersuchenden Prozesses ändert. In dieser Arbeit wird ein Überblick über die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) gegeben. Zwei Fluidsimulationsmodelle werden mit Lattice-Boltzmann-Methoden, einer stetigen Wasserströmung im Turbinengehäuse und einem Strömungskanal mit rotierendem Laufrad realisiert. Die Grundprinzipien und die Konfiguration der Simulation werden im Detail erläutert. Die berechneten Situationen von beide Simulation sind vor allem hinsichtlich Druck- und Geschwindigkeitsverteilung analysiert worden. Das Ergebnis der Simulation des Druckes im Leerturbinengehäuse und die Geschwindigkeitsdifferenz sind plausibel, eine offensichtliche Druckdifferenz wird durch das rotierende Laufrad in dem quadratischen Kanal hinzugefügt. Ausgehend von einer kritischen Bewertung der Ergebnisse wird dere Ausblick gegeben, dass die Berechnung von Wasserturbinen mit LBM für die Demonstration der Funktionsweise in der Lehre demnächst verfügbar ist.
Verfasst von: Yongqing Xia
Betreut von: Dr.-Ing. Markus Rösler
Jahr: 2017, Interdisziplinäre Projektarbeit
Abwärmenutzung
Die weltweit bei industriellen Produktionsprozessen anfallende Abwärme stellt ein bisher ungenutztes Effizienzpotenzial dar. Die Nutzung dieses Potenzials kann einen entscheidenden Beitrag zur Erreichung der ehrgeizigen Klimaziele des Paris–Abkommens leisten.
In der folgenden Arbeit wird eine Abschätzung des weltweit verfügbaren Abwärmepotenzials durchgeführt und die Aufteilung dieses Potenzials hinsichtlich verschiedener Nutzungsmöglichkeiten untersucht.
Für zwei unterschiedliche Nutzungsmöglichkeiten werden die mit der Anwendung von Abwärmenutzungsanlagen entstehenden Investitionskosten betrachtet und gemäß den industriellen Anforderungen an eine Investition bewertet.
In Bezug auf die Technologieauswahl bestehen oft Unsicherheiten, daher wird eine Auswahlmethode für die Hauptkomponente einer Abwärmenutzungsanlage, den Wärmeübertrager, entwickelt.
Verfasst von: Oliver Lind
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander, Dipl.-Phys. Thomas Schille – Siemens AG, Power and Gas Division (Strategy), Görlitz
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Flüssigeiserzeugung durch direkte Verdampfung und Absorption von Wasserdampf im Grobvakuum
Ein wachsendes Interesse an Komfort und zunehmender technischer Fortschritt führen zu einem weltweit ansteigenden Kältebedarf. Die Absorptionstechnik bietet die Möglichkeit, Kälteleistung unter Nutzung von Wärme als Antriebsenergie bereitzustellen. Umweltaspekte, Effizienz und schwankende Lastprofile durch zunehmende Nutzung regenerativer Energiequellen erhöhen die Nachfrage nach Technologiekonzepten, welche die aufgeführten Anforderungen berücksichtigen. Zu diesem Zweck wurde ein Versuchsfeld zur Untersuchung der Flüssigeiserzeugung durch Direktverdampfung und thermische Verdichtung im Grobvakuum konzipiert. Als thermischer Verdichter kommt eine Wasser/ Lithiumbromid Absorptionskälteanlage zum Einsatz. Wasser dient im Versuchsfeld zugleich als Kältemittel, Kälteträger- und Speichermedium ohne, zusätzlich entstehende Wärmeübertragungsverluste. Das generierte Flüssigeis ist ein Zweiphasengemisch, wobei neben sensibler auch latente Wärme beim Aufschmelzen genutzt werden kann. Erarbeitete theoretische Grundlagen, sowie die Auslegung und Konzeption beider Teilprozesse und deren Zusammenführung werden abschließend im Rahmen der Inbetriebnahme der Versuchsanlage überprüft und kritisch bewertet. Die Arbeit soll als Grundlage für weiterführende Forschungsarbeiten im Versuchsfeld dienen.
Verfasst von: Kristin Wiegand
Betreut von: Dipl.-Ing. Christoph Steffan - ILK Dresden, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Messtechnische Analyse eines Verdunstungskühlers und Ableitung von Optimierungspotentialen, sowie die Erörterung eines Anwendungspotentials
In der vorliegenden Arbeit wurde im Rahmen des Projektes autartec® am Fraunhofer IVI der Prototyp eines neuartigen Verdunstungskühlers messtechnisch untersucht und auf den Ergebnissen aufbauend konstruktiv optimiert. Für die strömungstechnische Analyse waren umfangreiche Geschwindigkeitsmessungen erforderlich. Die Leistungscharakterisierung bedingte Temperatur- und Feuchtevermessungen bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen. Weitere Optimierungspotentiale wurden aufgezeigt und konkrete Änderungsempfehlungen gegeben. Die Evaluation der hygienischen Risiken mithilfe einer Laboranalyse offenbarte geringe mikrobiologische Belastungen. Abschließend folgte die Diskussion, inwiefern eine Anwendung von Verdunstungskühlern in Fahrzeugen sinnvoll ist. Es stellte sich heraus, dass die Anlagen die entsprechenden Anforderungen nicht optimal erfüllen. In der Gebäudekühlung wird der autartec®-Verdunstungskühler aber in Zukunft einen wertvollen Beitrag leisten können, wenn entsprechende Optimierungen umgesetzt werden.
Verfasst von: Tim Böttner
Betreut von:Dipl.-Ing. Christian Städel – Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Jahr: 2017, Diplomarbeit
Dynamische Simulation von Klimaanlagen für Gebäude
Diese Arbeit beschaftigt sich mit der Simulation von Klimaanlagen mittels der Simulationssoftware TRNSYS-TUD und im speziellen dem Type 94. Dazu wurden Messungen an der Klimaanlage des Climate Room - part of the Combined Energy Lab 2.0 bei verschiedenen Lastfällen durchgeführt und anschließend mit TRNSYS-TUD simuliert. Wahrend stationäre Lastfäalle mit Hilfskonstrukten vergleichsweise gut nachgebildet werden konnten, ist es mit dem Type 94 nicht möglich, dynamisches Verhalten realitatsnah nachzubilden. Fur eine realitatsnahe Modellierung fehlen im Type 94 thermische Verluste sowie thermische Speichereffekte.
Darüber hinaus wurde alternative Simulationssoftware fur Klimaanlagen aufgezeigt und analysiert. Abschließend wurden verschiedene Weiterentwicklungspotentiale fur TRNSYS-TUD im Hinblick auf Klimaanlagen diskutiert.
Verfasst von: Christian Doerffel
Betreut von: Dr.-Ing. Alf Perschk, Dr.-Ing. Markus Rösler, PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Jahr: 2017, Studienarbeit
2016
Möglichkeiten der Nutzerbeeinflussung hinsichtlich eines energiesparenden Verhaltens
Als größte Universität Sachsens hat die TU Dresden den Energiebedarf einer mittleren Kleinstadt. Besonders in Zeiten wachsenden Bewusstseins für Klimaschutz und Ressourcenschonung stellt sich die Frage, wie Mitarbeiter und Studierende ihren Teil zu einem sinkenden Energieverbrauch beitragen können. Dazu wurde für diese Arbeit eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt, die die psychologischen und technischen Rahmenbedingungen zur Nutzerbeeinflussung hinsichtlich eines energiesparenden Verhaltens aufzeigt. Neben verschiedenen Studien, die sich mit dem Ziel der Verhaltensänderung in Organisationen befassen, wird auch genauer auf die Ausgangslage an der TU Dresden, insbesondere deren Bewirtschaftungssituation, eingegangen. Neben der Analyse von Einsparpotenzialen für verschiedene, für die TU Dresden typische Raumnutzungen bildet eine Befragung zum Nutzer- und Mobilitätsverhalten von Mitarbeitern der TU Dresden den Kern dieser Arbeit. Die Ergebnisse dieser Befragung zeigen, dass die Mitarbeiter sich durchaus ihres Einflusses auf den Energieverbrauch bewusst sind und in verschiedenen Bereichen bereits ein sparsames Verhalten an den Tag legen. Gleichzeitig zeigen sich große Potenziale, die insbesondere die Motivation zur Umsetzung von Energiesparmaßnahmen betreffen. Anhand dieser Ergebnisse wurden ein Maßnahmenkatalog und eine Handlungsempfehlung erarbeitet, deren zentralen Bestandteil die Informationsplattform „Energie“ bildet.
Verfasst von: Lorin Neumann
Betreut von:Dr.-Ing. Annina Gritzki, Dr.-Ing. André Kremonke
Analyse des Inbetriebnahme- und Prüfprozesses der gebäudetechnischen Anlagen eines Laborgebäudes unter Berücksichtigung der novellierten Normung
Die Planung und Objektüberwachung von komplexen Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung in Laborgebäuden gewinnen mit zunehmender Technisierung der Abläufe stetig an Bedeutung. Zur Verbesserung der Prozesse ist daher eine Analyse des Inbetriebnahmeprozesses, eine Klärung und Definierung des Begriffes Gesamtanlagenkonformität und die Aufarbeitung des Erstellungsprozesses einer Brandfallsteuermatrix auf theoretischer und praktischer Ebene durchgeführt.
Die Entwicklung von Handlungsempfehlungen und Hilfestellungen in Form von Schrittfolgen, Checklisten und Nulloriginalen für Planung und Objektüberwachung erfolgt auf Grundlage der gesetzlichen und normativen Vorgaben. Anschließend sind die Vorlagen an einem Beispielbauprojekt auf praktische Anwendbarkeit geprüft und optimiert.
Die Empfehlungen, Checklisten und Vorlagen erleichtern dem Anwender zukünftig die Bearbeitung dieser Themen in einem Bauprojekt.
Die Auswertung des Inbetriebnahmeprozesses, der Gesamtanlagenkonformität und der Brandfallsteuermatrix ergibt ein Verbesserungspotential in der zeitlichen Eingliederung dieser Prozesse in der Projektdurchführung. So sollten diese Komplexe frühzeitig aufgegriffen, Zuständigkeiten festgelegt und behördliche Zusammenarbeiten forciert werden.
Verfasst von: Judith Jung
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. U. Pahl – PG M+M AG
Optimierungstool für den Einsatz erneuerbarer Energien in der Gebäudeenergieversorgung
In der Studienarbeit wird die Entwicklung eines Tools beschrieben, welches die optimale Anlagenauswahl und -dimensionierung, für die energetische Versorgung eines Einfamilienhauses ermittelt. Dabei werden für die elektrische Energieversorgung ein Netzanschluss an das Stromnetz und eine Photovoltaikanlage mit optionalem Solarstromspeicher verglichen. Um den thermischen Energiebedarf zu decken, werden eine Luft-Wärmepumpe und Solarthermieanlage, jeweils mit Pufferwärmespeicher, einem Fernwärmeanschluss gegenübergestellt. Die Optimierung erfolgt somit von autarker Energieversorgung, bis hin zum reinen Netzbezug.
Die wirtschaftliche Betrachtung kann in einem selbst gewähltem Zeitraum berechnet werden. In diesem findet eine Erneuerung der Anlagentechnik, unter Berücksichtigung der Preisentwicklung statt. Des Weiteren wird auch die Energiekostenentwicklung im Optimierungszeitraum betrachtet, welche vom Nutzer aus gegebenen Szenarien gewählt werden kann.
Ziel der Arbeit stellt die Schaffung, der Grundlage eines Berechnungstools dar. Mit dessen Hilfe, Bauherren und Energieberatern eine Richtweisung erhalten sollen, welche regenerative Anlagentechnik sich für den Einzelfall am rentabelsten erweist.
Verfasst von: Daniel Scholz
Betreut von:Dipl.-Ing. Richard Kratzing; Dipl.-Ing. Christian Städel – Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Luft-Wärmepumpe und Luft-Erdreichwärmeübertrager
Der vorliegende Große Beleg gibt einen Einblick in die Luft-Wärmepumpentechnik mit
vorgeschalteten erdverlegten Luftkanälen. Dazu wurden Planungs- und Bewertungsverfahren entwickelt, mit welchen die Leistungssteigerung und die Effizienzverbesserung durch den Einsatz von Luft-Erdreichwärmeübertragern untersucht wurden. Als Basis wurden technische Anwendungen von bestehenden Luft-Erdreichwärmeübertragersystemen analysiert und zur Validierung des Planungsverfahrens genutzt. Anschließend wurde das Planungs- und
Bewertungsverfahren auf drei ausgewählte Gebäude angewendet und ausgewertet. Dabei wurden neben energetischen Aspekten, auch wirtschaftliche und ökologische Aspekte beachtet und in die Bewertung einbezogen. Die Bewertung zeigt die tatsächlichen Potentiale dieser Technologie und Empfehlungen zur Weiterentwicklung.
Editor: Theo Gottwald
Tutor: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Weiterentwicklung der Methode der zeitvariablen Bewertung von Elektroenergie
Aufgrund des volatilen Anteils der erneuerbaren Energien am Strommix wurde eine zeitvariable Bewertungsmethodik von Panitz et al. (2015) entwickelt, welche die Strommix-Betrachtung und einen marginalen Ansatz umfasst. Dabei wurde die Allokation der KWK-Stromproduktion bisher vernachlässigt sowie eine vereinfachte Merit Order als Grundlage verwendet. In dieser Arbeit wurde durch die Nutzung des Strommarktmodells ELTRAMOD der detaillierte Kraftwerkseinsatz jeder Stunde ermittelt, welche als Erweiterung in die zeitvariable Bewertungsmethodik eingebunden wird. Ein gesamtdeutscher Wärmelastgang auf Basis synthetischer Lastprofile, bildet die Basis der Erzeugung in insgesamt 21 KWK-Typen, wobei zusätzlich ein Gaskessel sowie eine Power-to-Heat-Anlage als Wärmebereitstellungsalternative zur Verfügung stehen. Deren Einsatz durch eine modellgestützte Optimierung in Abhängigkeit des Strompreises ermittelt wird. Aus der optimalen stündlichen Wärmebereitstellung wurde mit Hilfe statistischer Stromkennzahlen die stündliche KWK-Nettostromerzeugung berechnet, die sowohl mit realen Jahres- als auch Monatswerten gut übereinstimmt. Die damit erstellten Zeitverläufe der Ökobilanz zeigen, dass die Auswirkung der exergetischen Allokation für beide Betrachtungsvarianten zwischen dem Referenzjahr 2013 und dem Prognosejahr 2030 zunimmt und die Anwendung einer detaillierten Merit Order für eine stündliche Bewertung notwendig ist.
Verfasst von: Sebastian Eberhardt
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Felix Panitz, Prof. Dr. rer. pol. Dominik Möst, M.Sc. Christoph Zöphel
Möglichkeiten zur Energieeinsparung durch innovative Beleuchtungstechniken auf dem Campus der TU Dresden
Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Maßnahmen für die beleuchtungsbezogene Energieeinsparung in unterschiedlichen Bereichen. Die verschiedenen beleuchtungsbezogenen Energieeinsparmöglichkeiten werden unter Berücksichtigung der Anforderung der guten Beleuchtung und der relevanten gesetzlichen Normen inhaltlich diskutiert. Damit die Kenntnisse von diesen Einsparmaßnahmen in Praxis umgesetzt werden können, lässt sich der Energiebedarf und die Lichtverhältnisse in einem Bürogebäude - MER-BAU auf dem Campus TU Dresden – betrachten. Die Untersuchung erfolgt durch einen universitätsinternen Fragebogen von Nutzerverhalten und eine Begehung des Gebäudes. Es kommt heraus, dass der Anteil von Beleuchtungsbedarf 26% des gesamten Stromverbrauchs von MER-BAU gehört. Entsprechend der VDI 3807 Blatt 4 zeigt sich ein geringe installierte Leistungsgrad, niedrige Betriebsstunden und ein geringer spezifischer Energiebedarf. Nach DIN 15232 ist die Beleuchtungssysteme in Effizienzklasse „D“ zugeordnet. Die selten genutzten bzw. beleuchteten Grundflächen werden nicht betrachtet. Um den jährlichen Energiebedarf zu senken und die Lichtqualität im MER-BAU zu verbessern, sollten die ineffizienten Lampen bzw. Leuchten durch LED-Anlagen und KVG durch EVG ersetzt werden. Im Vergleich mit dem jährlichen Energiebedarf vor der Umsetzung der Einsparmaßnahmen kann Energie von rund 52 % eingespart und die Lichtqualität ebenso verbessert werden.
Verfasst von: Anchalee Prapatsornpittaya
Betreut von:Dr.-Ing. Annina Gritzki, Dr.-Ing. André Kremonke
Untersuchungen zu Nutzerverhalten und -akzeptanz hinsichtlich der sommerlichen Raumkühlung in einem Bürogebäude der TU Dresden
Steigende sommerliche Außentemperaturen und erhöhte Anforderungen an die thermische Behaglichkeit von Nutzern führen zu einer verstärkten Forderung nach Möglichkeiten zur Raumkühlung. Besonders in Bestandsgebäuden müssen hierfür alternative Technologien entwickelt werden, die mit einem geringen Investitionsaufwand realisiert und kostengünstig betrieben werden können. Eine Möglichkeit hierfür bietet die Kühlung über vorhandene freie Heizflächen, die in Mitteleuropa in vielen Gebäuden bereits zur Abdeckung der Heizlasten installiert sind. In einem Feldobjekt auf dem Campus der TU Dresden wurde diese Technologie umgesetzt und eine Möglichkeit geschaffen das Heizungsnetz mit kaltem Wasser zu beschicken. Dabei wurden in einem
Feldversuch die relevanten Raumluftparameter, das Nutzerverhalten und die Nutzerzufriedenheit im Feldobjekt sowohl für den ungekühlten Fall, als auch bei aktivierter Kühlung aufgezeichnet und analysiert. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass mit den freien Heizflächen die Ausbildung eines Kaltluftsees in den Räumen begünstigt wird. Dieser hat aufgrund des thermischen Auftriebs an den Nutzern einen positiven Effekt auf die Zufriedenheit mit den thermischen Bedingungen. Vor allem für hohe Raumtemperaturen konnte hierbei eine Verbesserung der Behaglichkeit erzielt
werden. Aufgrund der günstigen Systemanforderungen lässt sich diese Technologie gut mit Umweltenergiekonzepten kombinieren und ist somit eine zukunftsträchtige Möglichkeit, die Arbeitsverhältnisse in Bestandsgebäuden zu verbessern.
Verfasst von: Fabian Franke
Betreut von: Dipl.-Ing. Alexander Buchheim, Dr.-Ing. André Kremonke
Energietische und wirtschaftliche Optimierung einer automatisierten Lackieranlage für Kunststoffteile
Innerhalb eines Energieeffizienzprojekts im wirtschaftlichen Umfeld bestand die Aufgabe, eine automatisierte Lackieranlage für Kunststoffteile und deren Peripherie auf Energieeinsparpotenziale hin zu untersuchen und einen Maßnahmenkatalog zur Steigerung der energiebezogenen Leistung abzuleiten. Die Fabrikanlage ist in ein komplexes Produktionssystem eines Automobilwerks eingebunden. Durch strukturierte Analyse der Produktionsprozesse, Anlagen und Versorgungssysteme wurde unter Zuhilfenahme der bestehenden Energie- und Medienzähler ein Energiemonitoring erstellt. Daran anschließend wurden mittels verschiedener Methoden wie Lastganganalysen und Anlagenbegehungen Einsparpotenziale technischer, prozessorientierter und betriebswirtschaftlicher Art abgeleitet. Unter Beachtung der hohen Anforderungen des Produktionsprozesses in Hinsicht auf Qualität und Quantität entstanden im weiteren Verlauf technische und organisatorische Maßnahmen, die für eine zukünftige Umsetzung entsprechend der Faktoren Prozesseingriff, Amortisationszeit und Umsetzungsaufwand priorisiert wurden. Als Ergebnis der Arbeit stehen Einsparpotenziale in Höhe von fast 1,8 GWh/a, von denen für das erste Umsetzungspaket Maßnahmen von etwa 600 MWh/a empfohlen werden.
Verfasst von: Stephan Pursche
Betreut von: M. Sc. Alexander Schlegel, OSB AG Leipzig , Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Numerische Untersuchungen zum Strömungsdruckverlust und Wärmeübergang an Wärmeübertragerplatten mit Ansys-CFX
Der Hybrid-Wärmeübertrager verwendet Wärmeübertragerplatten zur Übertragung von Wärme zwischen zwei Prozessströmen. Als Besonderheit simulieren die Plattenelemente das Strömungsverhalten eines Rohrbündelwärmeübertragers. Die dabei verwendeten Tubular-Prägestrukturen bilden einen rohrähnlichen Strömungskanal, der von dem zweiten Medium umströmt wird. In der vorliegenden Arbeit wurde das Strömungsverhalten hinsichtlich des Wärmeübergangs und des Druckverlustes numerisch, mit der kommerziellen Software Ansys-CFX, untersucht. Aus der Analyse der numerischen Untersuchungen wurde das Strömungsverhalten bestimmt und Korrelationen für dimensionslose Kennzahlen entwickelt. Dabei sind sowohl einzelne Plattenelemente als auch ein Plattenpaketes bei unterschiedlichen Prägetiefen für laminare und turbulente Strömungen betrachtet und verglichen worden. Mittels der erhaltenen halbempirischen Ansätze kann zukünftig eine Abschätzung des Wärmeübergangs und des Druckverlustes ohne zeitintensive numerische CFD-Simulationen erfolgen.
Verfasst von: Alexander Bauer
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. (FH) Torben Möller - G.A.M. - Heat GmbH
Kühllasten und Kälteversorgung von Nichtwohngebäuden
Der Kältebedarf von Nichtwohngebäuden setzt sich aus verschiedenen Einflussfaktoren
zusammen. Hierzu zählen neben dem solaren Wärmeeintrag auch die gebäudeintern
ablaufenden Prozesse. So sorgen Personen, Beleuchtungseinrichtungen und Arbeitsgeräte für zusätzliche Wärmegewinne. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand der Kühllastberechnung nach VDI 2078 am Beispiel des Andreas-Pfitzmann-Baus (APB) den Einfluss dieser Faktoren zu analysieren, um daraus Aussagen hinsichtlich einer optimierten Kälteversorgung abzuleiten. Dazu wurde mit Hilfe des Programms mh-software das Gebäude nachgebildet und eine Kühllastberechnung durchgeführt, um die Ergebnisse dieser Berechnung mit den Messdaten zu vergleichen. Dabei kommt es zu erheblichen Unterschieden zwischen den berechneten und den tatsächlichen Kühllasten. Eine detaillierte Beschreibung der Erstellung des Gebäudemodells sowie der einzelnen Arbeitsschritte der Kühllastberechnung sind ebenfalls Teil dieser Arbeit. Auf Grundlage des erstellten Modells wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, in welcher die Abhängigkeiten der Einflussfaktoren untersucht werden. Die abschließende Prognose zeigt die Vielzahl der Faktoren auf, die eine Steigerung des Kältebedarfs vermuten lassen. Gleichzeitig kann dieser Entwicklung durch eine Steigerung der Effizienz der Kälteanlagen sowie durch geeignete Maßnahmen zur Reduzierung der Wärmegewinne entgegengewirkt werden.
Verfasst von: Johannes Schwarz
Betreut von: Dr.-Ing. Annina Gritzki, Dr.-Ing. André Kremonke
Analyse netzdienlicher Kälteversorgungssysteme in Nichtwohngebäuden des GHD-Sektors am Beispiel Einzelhandel
Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung verschiedener netzdienlicher Versorgungskonzepte für die Bereitstellung von Kälteleistung zur Lebensmittelkühlung.
Im Fokus der Arbeit steht dabei die Wechselwirkung zwischen der standardmäßigen Kälteanlagentechnik im Lebensmitteleinzelhandel und den Möglichkeiten bzw. Veränderungen dieser Anlagentechnik und -regelung, hinsichtlich der Bereitstellung von Regelleistung.
Der Konzeptentwicklung vorangestellt ist eine Recherche der aktuellen wissenschaftlichen Literatur und verschiedener technischer und wirtschaftlicher Randbedingungen für die Bereitstellung von Regelleistung. Insgesamt werden drei netzdienliche Kältekonzepte erarbeitet und verglichen. Aus den drei Konzepten wird eine favorisierte Variante ermittelt, welche hinsichtlich einer netzdienlichen Kälteversorgung optimiert ist. Auf Grundlage des bevorzugten Konzeptes erfolgt eine Hochrechnung und Bewertung der Netzdienlichkeit der gesamten Lebensmittelbranche.
Verfasst von: Christian Schwind
Betreut von: Dipl.-Ing. Juliane Schmidt
Erstellung einer Bewertungsmethodik für netzdienliche Wärme- und Kälteversorgungssysteme in Nichtwohngebäuden des GHD-Sektors
Die Entwicklungen beim Ausbau der erneuerbaren Energien mit volatiler Energieerzeugung, wie Windkraft und Solarenergie, bringen das Elektrizitätsnetz an seine Leistungsgrenzen. Neben Investitionen in den Netzausbau und Energiespeicher kann Lastmanagement dazu genutzt werden netzdienlichen Betrieb von Anlagen zu gewährleisten. Elektrische Heizungs-, Lüftungs- sowie Klima- und Kältesysteme beherbergen ein hohes Potenzial für Lastmanagement. Insbesondere im Sektor Gewerbe, Handel und Dienstleistungen (GHD) haben Ansätze zum Lastmanagement noch wenig Aufmerksamkeit erhalten. Die große Anzahl verschiedener Gebäudetypen, Gebäudetechnik und Kältesystemen, Nutzungsarten, Lastkurven und eine inhomogene Besitzstruktur erlauben keine Patentrezepte.
Diese Studienarbeit erarbeitet eine Bewertungsmethodik für netzdienliche Wärme- und Kältesysteme in Gebäuden des GHD-Sektors in Deutschland. Ein lineares Optimierungsmodell wurde entwickelt um Kostenersparnisse durch einen Real Time Pricing (RTP) Demand Response (DR) Ansatz abzuschätzen. Das Model umfasst die Simulation der Temperaturen in einem Bürogebäude auf Basis einer einstündigen Zeitauflösung über ein Jahr. Lastmanagementstrategien und Geschäftsmodelle werden anhand verschiedener technischer, wirtschaftlicher und rechtlicher Rahmenbedingungen in Deutschland auf ihre Anwendbarkeit hin geprüft. Die Verhältnisse im Gebäudebestand des GHD-Sektors werden auf Basis der in letzte Zeit in diesem Feld vermehrt erscheinenden Literatur abgeschätzt.
Die Ergebnisse zeigen, dass potenzielle Kostenersparnisse durch Lastmanagement möglich sind und gleichzeitig netzdienlicher Betrieb der Anlagen erreicht werden kann. Marktbeschränkungen und Regularien in Deutschland müssen angepasst werden um das volle wirtschaftliche ausschöpfen zu können. Anlagengrößen, eine Vielzahl an Lastkurven und hoher Wärme- und Kältebedarf lassen den GHD-Sektor als vielversprechendes Ziel für Lastmanagementstrategien erscheinen.
Verfasst von: Florian Eichkorn
Betreut von: Dipl.-Ing. Juliane Schmidt
Energetische Analyse des Informatikgebäudes der TU Dresden
In dieser Arbeit erfolgt die Erstellung und Simulation eines theoretischen Vergleichsmodells des Informatikgebäudes der TU Dresden. Hierfür wird das Gebäude mithilfe des CAD-Eingabeprogramms "TestNetz" in ein vereinfachtes geometrisches Modell überführt, wobei Räume ähnlicher Nutzung zu Zonen zusammengefasst werden. Der Ausstattungsgrad des Gebäudes sowie die individuelle Nutzercharakteristik werden so realitätsnah wie möglich abgebildet. Bei einer ungenügenden Datenlage werden sinnvolle Annahmen mithilfe geeigneter Quellen getroffen. Die Simulation des Gebäudemodells erfolgt durch die numerische Gebäude- und Anlagensimulation "TRNSYS-TUD". Abschließend werden die gewonnenen Simulationsergebnisse analysiert, bewertet und mit den im Energieverbrauchsausweis angegebenen Energieverbräuchen des Informatikgebäudes verglichen.
Verfasst von: Hans Kaiser
Betreut von:Dr.-Ing. Annina Gritzki, Dr.-Ing. André Kremonke
Entwicklung eines Wärmeauskopplungsmoduls für den Einsatz in einer Magnetokalorischen Kühleinheit
Die Entwicklung magnetokalorischer Kälteanlagen stellt eine vielversprechende Technologie für eine energieeffiziente Kälteerzeugung dar. Der Große Beleg liefert eine Vorarbeit zur thermischen und hydraulischen Auslegung des Wärmeauskopplungsmoduls einer magnetokalorischen Kälteeinheit. Diese soll im Rahmen des SOMAK Projekts in eine DEC Klimaanlage integriert werden. Dazu gibt die Arbeit eine Einführung in die magnetokalorische Kühlung und stellt ausgewählte Anlagenkonzepte vor. Daraus erfolgt die Ableitung von Anforderungen an den Fluidkreislauf und die aus thermischer und hydraulischer Sicht sinnvolle Gestaltung des magnetokalorischen Materials. Anschließend werden verschiedene geometrische Formen des Materials durch analytische Berechnungen untersucht. Zu diesem Zweck wird ein Excel Tool entwickelt, mit dem sich Auswirkung veränderter Parameter auf die thermischen und hydraulischen Eigenschaften feststellen lässt.
Ergänzend dazu erfolgt der Aufbau eines Fluidkreislaufes für hydraulische Untersuchungen. Dazu wird geeignete Messtechnik ausgewählt und kalibriert, um Druckverlustmessungen mit gefertigten magnetokalorischen Materialproben durchzuführen. Die ermittelten Messwerte ermöglichen abschließend den Vergleich mit den berechneten theoretischen Größen. Durch die Ergebnisse lassen sich Anforderungen an die Fertigungsgüte des magnetokalorischen Materials ableiten.
Verfasst von: Lukas Friedenstab
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. Maximilian Beyer, PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Messtechnische Analyse und Untersuchung von Regelungskonzepten von Mikro-KWK-Systemen mittels Emulation
Im Rahmen der Diplomarbeit werden zwei verschiedene Mikro-KWK-Systeme, für Gebäudegrößenordnungen von Ein- bis Zweifamilienhäusern, energetisch analysiert.
Zum einen ist das das System der Kombination von Stromerzeugung mit gleichzeitiger Bereitstellung thermischer Energie für die Gebäudeheizung allein und zum anderen ist das die Kombination von Stromerzeugung mit gleichzeitiger Bereitstellung von Energie für Heizzwecke und Trinkwarmwasser.
Hierzu werden als erstes die Mikro-KWK-Systeme mittels einer Simulation analysiert. Anschließend werden die Versuchsstände an die jeweilige Funktionsvorgabe angepasst und die Emulationsversuche ausgeführt.
Die daraus ermittelten Nutzungsgrade der Emulation werden den entsprechenden Nutzungsgraden aus den Simulationen sowie dem Normnutzungsgrad gemäß DIN 4709 vergleichend gegenübergestellt.
Abschließend wird die energetische Analyse kritisch betrachtet.
Verfasst von: Matthias Kunze
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Paul Seidel, Dr.-Ing. Martin Knorr
Gebäude als thermische Speicher
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Nutzung von Bestandsgebäuden als thermischer Speicher. Mit der Bestrebung Energien umweltfreundlich bereit zu stellen und zu nutzen, haben Energiespeicher einen wesentlichen Stellenwert auf dem Energiemarkt eingenommen. Aufgrund ihrer großen Masse scheinen sich Gebäude von Natur aus für die Speicherung thermischer Energie anzubieten. Mittels eines Simulationsprogrammes wurde das thermische Verhalten eines Einfamilienhauses über ein Jahr betrachtet. Zusätzlich wurden verschiedene Varianten der Einspeicherung von thermischer Energie überprüft und untersucht, welche Auswirkungen diese auf das Gebäude haben. Die dabei festgestellte energetische Qualität, die vorhandene Speichermasse und die anhaltende Speicherwirkung zeichnen es als einen potentiellen thermischen Speicher aus, wobei die Sinnhaftigkeit einer Nutzung an ein optimales Gebrauchsverhalten geknüpft ist. Unter der Betrachtung verschiedener Szenarien konnten zusätzlich Empfehlungen in Bezug auf Speichertemperatur und Beladezeiten formuliert werden. So kann sich die Nutzung unter Umständen als wirtschaftlich herausstellen.
Verfasst von: Mathias Hauskeller
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Integration eines wassergekühlten Serverracks in eine Wärmeversorgungsanlage
Die Firma „CLOUD and HEAT Technologies GmbH“ bietet im Bereich der Wärmerückgewinnung eine energieeffiziente Lösung, um den hohen Stromverbrauch von Rechenzentren zu minimieren. Diese basiert auf der Abwärmenutzung von Rechenzentren. Dabei beschäftigen sie sich mit dem Bau und dem Betrieb von dezentralen Rechenzentren, welche in Immobilien installiert werden und diese durch ihre Abwärme heizen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Versorgungskonzept für eine Wohnanlage zu konzipieren, in dem wassergekühlte Serverracks aus verschiedene Generationen eingebunden werden, welche unterschiedliche hydraulische Eigenschaften haben. Dieses Versorgungskonzept soll dabei auch als eine Testanlage für die Firma gelten, in der künftig neu entwickelte Serverracks getestet werden können. Im Laufe dieser Arbeit werden mögliche Varianten für die wärmetechnische Einbindung vorgestellt und eine Vorzugsvariante ausgewählt. Anschließend werden die Hauptkomponenten der ausgewählte Variante dimensioniert. Es erfolgt auch eine Druckverlustberechnung.
Verfasst von:Roque Salazar Alvear
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl. -Ing. A. Strech – Cloud & Heat Technologies GmbH
Der Einsatz von BIM in der Nutzungsphase von Gebäuden
BIM ist eine fortschrittliche Arbeitsmethode im Bauwesen, die eine durchgängige Nutzung des 3D-Modells mit kompletten Gebäudedaten im Lebenszyklus des Gebäudes vorschlägt. Schon in der Planungs- und Bauausführungsphase des Gebäudes findet BIM viele Anwendungen, aber das größte Potenzial des BIM-Einsatzes liegt in der Nutzungsphase, wo es größtenteils noch ungenutzt bleibt. Ziel dieser Arbeit ist es, den Einsatz des BIM in der Nutzungsphase zu untersuchen. Die Chancen und Risiken des BIM für Computer Aided Facility Management (CAFM) werden diskutiert. Des Weiteren werden die Einführungsprozesse, die Arbeitsprozesse des CAFM und die benötigten Daten aus dem BIM-Modell beschrieben und analysiert Der Einsatz des BIM in der Nutzungsphase wird durch CAFM-Softwares und die Technologien aus buildingSMART unterstützt. Die BIM-gestützten CAFM-Softwares auf dem Markt werden aufgelistet und verglichen. Ebenfalls wird die Methodik für Interoperabilität aus buildingSMART wie IFC, IDM und bSDD in dieser Arbeit dargestellt. Am Ende dieser Arbeit werden die Ergebnisse der Untersuchung zusammengefasst, um Schlussfolgerungen daraus zu ziehen.
Verfasst von: Rui Zhou
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Kaiser
Modellierung einer Absorptionskälteanlage anhand von Messdaten
In der vorliegenden Studienarbeit sind eine vollständige Modellierung der Absorptionskältemaschine in einem Erzeugerpark zu entwickeln und das Modell in die vorhandene Absorptionskältemaschine umzusetzen, um später auf Basis prognostizierter Lastgänge Simulationsrechnungen anstellen zu können. Die Absorptionskälteanlage selber wird als Blackbox gesehen. Das Modell basiert auf die charakteristischen Gleichungen und die Backup-Strategie. Mithilfe des Programms „MATLAB“ wird das Modell analysiert und entwickelt. Die Parameter in charakteristischen Gleichungen als Maschine-Charakteristik werden berechnet und danach an Messergebnisse erprobt. Durch Vergleich von simulierten Werten und Messergebnissen konnten die Genauigkeit vom Modell verifiziert werden. Danach werden die Messdaten aus unterschiedlichen Filtern dargestellt und analysiert. Auf Basis Maschine-Charakteristik wird die Maschine-Performance untersucht.
Verfasst von: Lei Chen
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Felix Panitz
Messtechnische Untersuchung wärmephysiologischer Zustände in Patientenzimmern
Thermische Behaglichkeit und Innenraumluftqualität spielen in zunehmenden Maße eine große Rolle für den Menschen. Zur Ermittlung von Grundlagen für eine detaillierte Untersuchung zu thermischen Zuständen in Innenräumen des Gesundheitswesens findet daher eine Ist-Stand- Analyse in ausgewählten Patientenzimmern einer Rehabilitationsklinik statt. Die Messung erfolgt mit zwei mobilen Messanordnungen, wodurch eine Parallelmessung von zwei Räumen möglich ist. In einem Zeitraum von acht Wochen sind Luftfeuchtigkeit, -geschwindigkeit, -temperatur und die operative Raumtemperatur erfasst worden.
Zum Vergleich der objektiven mit den subjektiven Empfindungen sind Fragebögen an die Patienten ausgegeben worden, welche anschließend analysiert werden. Unter Betrachtung der Zusammenhänge zwischen Fragebogen und normativer Berechnung erfolgt eine Untersuchung auf Anwendbarkeit der normativen Vorgaben in diesem Bereich sowie der Auswertung von unterschiedlichen Ein ussfaktoren auf die thermische Behaglichkeit. Die Gesamtanalyse der Messdaten und erhaltenen Fragebögen zeigt einen großen Toleranzbereich der Probanden gegenüber auftretenden, nach Norm unbehaglich definierten, thermischen Situationen im Raum.
Verfasst von: Judith Jung
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr.-Ing. Martin Knorr
Optimierung der Einlaufgeometrie eines Plattenwärmeübertragers mit Ansys-CFX
Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem Bereich „Forschung und Entwicklung Wärmeübertrager“ der G.A.M. HEAT GmbH zur Beschreibung und funktionalen Überprüfung der Konstruktion des Plattenwärmeübertragers „Piranha“ (ehem. „MiniFisch“). Das Ziel ist, die Druckverluste für die Durchströmung der Ein- und Auslaufbereiche, sowie die Massenstromverteilung innerhalb des Apparates, nummerisch mit Hilfe der kommerziellen Software ANSYS-CFX zu untersuchen. Die Druckverluste sollen möglichst mit analytischen Lösungen verglichen werden. Weiterhin soll mit den Untersuchungen geprüft werden, wo Änderungen der vorgegebenen Geometrie notwendig sind und welche Optimierungsmöglichkeiten sich hier ergeben. Mit den nummerischen Untersuchungen wurden die Widerstandsbeiwerte jeweils für den Ein- und Auslaufbereich der Primärseite ermittelt, dargestellt und mit analytischen Korrelationen verglichen
Mit den daraus resultierenden empirischen Gleichungen ist es nun möglich, den Druckverlust für verschiedene Volumenströme direkt zu berechnen. Mittels Analyse der Massestromverteilung wurde weiterhin festgestellt, dass die vorhandene Geometrie der Primärseite (lt. Auslegungsdaten G.A.M. HEAT GmbH) für die Strömungsführung gut geeignet ist und keiner weiteren Optimierung bedarf. Die Strömung der Sekundärseite wurde ebenfalls numerisch untersucht und anschließen der jeweilige Widerstandsbeiwert ermittelt. Im Vergleich zur Primärseite weißen diese einen deutlich größeren Druckverlust auf, weshalb eine Optimierungsmöglichkeit für die Ein- und Auslaufströmung überlegt wurde. Mit der Verwendung von Leitblechen senkt sich der Druckverlust deutlich ab, so dass dies für die Umsetzung des Plattenwärmeübertragers empfohlen wird.
Verfasst von: Jiasheng Chen
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. (FH) Torben Möller - G.A.M. HEAT GmbH
Entwicklung von Gebäudemodellen auf Basis von Feldtestobjekten für ein Regionales Virtuelles Kraftwerk
Die Arbeit beschreibt die Erstellung von fünf numerischen Modellen von Einfamilienhäusern für einen Feldtest der Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung der TU Dresden und der EWE AG. In diesem Feldtest sollen micro-BHKWs erprobt werden, die in einem Regionalen Virtuellen Kraftwerk zusammen gefasst sind. Es wurden numerischen Modelle mit Heizungsnetz von den Feldtestobjekte mit TestNetz erstellt.
Diese wurden mit TRNSYS-TUD mit einem Idealen Heizer und teilweise mit dem Heizungsnetz simuliert. Durch vergleichen mit den Nutzerangaben konnten die Modelle verifiziert werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden eine Reihe von statistischen Prognoseverfahren vorgestellt und Teile davon an einem numerischen Modell aus dem ersten Teil erprobt. Die zwei geeignetsten wurden am Schluss in einem TYPE für TRNSYS-TUD umgesetzt und an den restlichen numerischen Modellen erprobt.
Verfasst von: Karl Eugen Wolffgang
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach, Dr.-Ing. Alf Perschk
Optimierung der Betriebsführung der heizungs- und kältetechnischen Anlagen eines Laborgebäudes
Ziel dieser Studienarbeit ist es, die heizungs-, lüftungs- und kältetechnische Anlage des im Jahr 2013 neu erbauten Betriebslabors der Stadtentwässerung Dresden zu untersuchen und zu validieren. Diese Anlage besteht aus einer Wärmepumpe mit Heiz- und Kaltwasser-Pufferspeicher sowie einem Fernwärmeanschluss der DREWAG. Als Niedertemperaturquelle dienen zum einen die Vorklärbecken der Stadtentwässerung und zum anderen der Kaltwasser-Pufferspeicher. Die durchgeführte Bestandsaufnahme der Anlage beinhaltet eine Analyse der Anlagenfunktion, die Erstellung eines Schaltplans der Gesamtanlage sowie Untersuchungen von Abweichungen der Anlage gegenüber den Planungsvorgaben. Mit Hilfe von Messdatenaufzeichnungen wird eine Bewertung von Anlagenteilen und deren Interaktion durchgeführt.
Eine energetische Bilanzierung der Gesamtanlage sowie eine COP Betrachtung der Wärmepumpe dienen zur Bestimmung des Gesamtnutzungsgrades und des COP in verschiedenen Betriebsarten der Wärmepumpe. In einer Nutzerbefragung zur thermischen Behaglichkeit werden Wünsche und Probleme der Mitarbeiter des Gebäudes identifiziert und Lösungsvorschläge unterbreitet. Bedingt durch die Aufbewahrung empfindlicher Proben benötigt ein Raum des Betriebslabors eine konstante Raumtemperatur von 20 °C. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine eigenständige Kälteversorgung erarbeitet, die auch bei Ausfall der Wärmepumpe die geforderten Temperaturen im Raum sicherstellt.
Verfasst von: Laura Fritsche
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Thomas Schöniger, Stadtentwässerung
Untersuchungen zur simulativen und messtechnischen Bestimmung und Optimierung des Füllstandverhaltens eines Salzhydratspeichers mittels thermischer CFD-Simulationen
Die Studienarbeit wird vom Fraunhofer Institut IVI in Kooperation mit der Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung der TU Dresden durchgeführt. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Ladezustandsvorhersage von Latentwärmespeichern mit dem Speichermaterial Natriumacetat-Trihydrat. Der untersuchte Speicher wird im Rahmen des autartec® Projektes zur Realisierung eines autarken, schwimmenden Wohngebäudes eingesetzt. In dieser Studienarbeit wird ein thermisches CFD-Modell mit dem Multiphysik Simulationstool COMSOL® für das Phasenwechselverhalten eines einzelnen, im Speicher verbauten Pakets des Speichermaterials simulativ untersucht.
Auf Basis dieser Simulationsdaten werden weiterführende Modelle zur Abbildung des gesamten Speichers entwickelt und erläutert. Zur Validierung der durchgeführten Simulationen wird ein Strömungsprüfstand entworfen und konstruiert. Die notwendigen Komponenten werden festgelegt und kommerzielle Anbieter ausgew ählt. Die messtechnischen Einrichtungen zur Validierung und ein Fluidtemperiergerät werden ermittelt, die Messdatenerfassung entwickelt und eine Hydraulikplan mit dem benötigten Bauteilen und Anschlussstücken erarbeitet. Um die Versuche zur Simulationsvalidierung möglichst effizient durchführen zu können, wird eine Versuchsplanung mit Definition der zu variierenden Parameter ausgearbeitet.
Verfasst von: Peter Bendix
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Richard Kratzing / Dipl.-Ing. Christian Städel – Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI
Entwicklung von Wärmebedarfskarten bzw. Energieatlanten
Ziel der Arbeit ist es zum einen sich mit der Entwicklung einer Wärmebedarfskarten bzw. eines Energieatlas zu beschäftigen und zum anderen eine Analyse bereits bestehender Atlanten für die Stadt Dresden und deren nationalem und internationalem Umfeld vorzunehmen. Dazu wird zunächst benannt, welche Daten für die Erstellung einer Wärmebedarfskarte benötigt werden und beschrieben, wie die Berechnung der Wärmebedarfswerte mit differierenden Belastbarkeiten erfolgen kann. Für die Vollständigkeit eines Energieatlas müssen mehrere Energiequellen in die Betrachtung mit einfließen.
In dieser Arbeit soll hauptsächlich die Ermittlung des Abwärmepotentials von verschiedenen Unternehmen betrachtet werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden Darstellungs- und Anwendungsmöglichkeiten von Wärmebedarfskarten mit Hilfe eines Geoinformation-Systems untersucht sowie Beispiele auf nationaler und internationaler Ebene analysiert. Festgestellt wurde, dass es in Deutschland zum jetzigen Zeitpunkt nur wenige Gemeinden gibt, für welche eine Wärmebedarfskarte erstellt wurde. Für die Gemeinden des Freistaates Sachsen und somit auch für die Stadt Dresden ist die Nutzung einer solchen Karte nicht bekannt.
Verfasst von: Saskia Hübner
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Jens Kaiser
Konzept und Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzung in einem Testzentrum
In dieser Arbeit wurden die Nutzungsmöglichkeiten der am Turbolader Test Center (TTC) der Kompressorenbau Bannewitz GmbH (KBB) anfallenden Abwärme untersucht. Es sollte herausgefunden werden, ob es möglich ist, diese Abwärme wirtschaftlich zu nutzen. Nach der Bestandsaufnahme über die verschiedenartigen betriebsinternen Wärmequellen und -senken wurden Technologien und einzelne Komponenten der industriellen Abwärmenutzung recherchiert, dargestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für die Anwendung bei KBB eingeschätzt. Für die herausgearbeiteten Nutzungsmöglichkeiten wurden Konzeptbausteine erstellt und aus deren Kombinationen Konzepte entworfen. Um diese bzgl. ihres Brennstoff-Einsparpotentials und ihrer Wirtschaftlichkeit bewerten zu können, musste zusätzlich eine grobe Dimensionierung der entscheidenden Komponenten vorgenommen werden.
Da die Leistung der bedeutendsten Wärmequelle (Abgas des Versuchsbetriebes mit 0,15 ... 3,5 MW) nur stundenweise verfügbar ist und auch während der Betriebszeit starke Schwankungen bzgl. Temperatur und Massestrom auftreten, war auÿerdem eine grobe Optimierung der Komponenten erforderlich. Entsprechende Vorgehensweisen zur Dimensionierung von Speicherkapazität und Wärmeübertragerflächen wurden entwickelt. Ein Konzept zur Heizungsunterstützung und ein darauf aufbauendes Konzept mit zusätzlicher Kühlfunktion wurden aus energetischer Sicht als sinnvoll bewertet, Erdgaseinsparungen in der Gröÿenordnung von 500 MWh pro Jahr sind erreichbar. Amortisationsdauern und Kapitalwerte wurden für verschiedene Bedingungen berechnet. Die Wirtschaftlichkeit der Konzepte hängt wesentlich von weiteren Optimierungen, dem Gaspreis und der Möglichkeit einer Förderung ab. Grundsätzlich wird die Weiterverfolgung der Abwärmenutzung bei KBB als sinnvoll erachtet.
Verfasst von: Martin Schorcht
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann; Oliver Schulz – Kompressorenbau Bannewitz GmbH
Leistungsdimensionierung und Konstruktionsentwurf eines Verdunstungskühlers für energieautarke Wohngebäude
Ziel dieser Studienarbeit ist der Konstruktionsentwurf und die Leistungsdimensionierung eines Verdunstungskühlers für ein energieautarkes Wohngebäude. Das energieautarke Gebäude wird durch das autartec®-Projektvorhaben realisiert. Dazu wird zuerst, ein kurzer Überblick über die Entwicklung des deutschen Kühlbedarfes im Wohngebäudebereich geben. Anschließend wird das autartec®-Projektvorhaben beschrieben und das Kühlkonzept des autarken Gebäudes vorgestellt. Im Anschluss finden ein energetischer Vergleich von Kühltechnologien und eine Marktrecherche zu aktuellen Konkurrenzprodukten an Verdunstungskühlern statt.
Mit der Beschreibung eines aktuellen Anwendungsfalls aus der Praxis für die Verdunstungskühlung wird das Kapitel abgeschlossen. Als nächstes werden die aufgenommenen Messwerte ausgewertet und das nicht passende Formelwerk nach Merkel zur Beschreibung des Verdunstungsvorgangs für den hier betrachteten Fall modifiziert. Durch die Nutzung des modifizierten Formelwerks wird in Matlab ein Auslegungstool geschrieben. Mit Hilfe des Auslegungstools wird die Leistung des Verdunstungskühlers dimensioniert. Abschließend wird der Konstruktionsentwurf des Verdunstungskühlers vorgestellt.
Verfasst von: Lukas Zitzmann
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann; Dipl.-Ing. Christian Städel, Dipl.-Ing. Ernst-Eckart Schulze, Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI
Energiewirtschaftliche Betrachtungen zur Fernwärme
Die Studienarbeit ist ein wirtschaftlicher Vergleich zwischen Heiztechnologien anhand zweier verschiedener Beispiele. Der Fokus liegt auf dem Privathaushalt. Es wird ein schemenhafter Einblick in die Investitionen in ein Fernwärmenetz gegeben. Es folgt eine ausführliche Analyse des deutschen Fernwärmemarkts. Hierbei wurde das Augenmerk auf die Preiszusammensetzung gelegt. Vor allem die Kopplung an verschiedene Preise und Märkte wurde genauer untersucht.
Es wurden zwei Tarife hervorgehoben, die innovativ aufgebaut sind und eventuell zukünftige Alternativen darstellen könnten. Des Weiteren beinhaltet die Arbeit ein Übersicht über moderne Wärmetechnologien und deren Auswirkungen auf den Fernwärmemarkt . Zum Einen liegt der Fokus dabei auf der besseren Ausnutzung der Wärmenetze und KWK- Anlagen und zum Anderen auf der Einbindung der regenerativen Energien in das Wärmenetz.
Verfasst von: Lydia Seifert
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Thermografische Messungen von Kühldecken
Die vorliegende Arbeit setzt sich mit der Überprüfung des zu erbringen Leistungs- und Funktionsnachweises eines Kühldeckensystems auf Grundlage der bereitgestellten Messtemperaturtripel und Thermografieberichte der ausführenden Firma auseinander. Der Leistungsnachweis wird mittels einer thermischen Plausibilitätskontrolle des Temperaturtripels geprüft, hingegen der Funktionsnachweis durch Sichtung der Thermografien bestätigt wird.
Hierbei werden mögliche Messeinflüsse sowie insbesondere die Messdurchführung kritisch betrachtet. Ziel soll es sein anhand der Bewertung eine einwandfreie Raumklimatisierung auf 50.000 m² nachzuweisen. Abschließend wird eine Vorgabe- und Durchführungskonzept erläutert, das für die Abwicklung gleichartiger Projekte als Leitfaden dienen soll.
Verfasst von: Robert M. Scharf
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Herr Behrens - CANZLER GmbH Dresden
Kostenvergleich von Heizungssystemen
Für jedes Gebäude gibt es eine große Anzahl von anwendbaren Heizungssystemen. Ein wesentliches Entscheidungskriterium für ein Heizungssystem sind neben den baulichen Voraussetzungen und den technischen Anforderungen vor allem die Kosten, die mit dem jeweiligen System einhergehenden.Die Aufgabe besteht darin, einen Kostenvergleich von typischerweise eingesetzten Heizungssystemen mit Hilfe der Annuitätsmethode zu erstellen.
Neben den Investitions- und Installationskosten müssen hierbei auch die Kosten für die technische Aufrechterhaltung der Heizungsanlage während der Nutzungsphase betrachtet werden. Die in Betracht gezogenen Heizungssysteme werden für repräsentative Anwendungsfälle im Wohnungsbau angepasst und vergleichend gegenübergestellt.
Verfasst von: Matthias Kunze
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Entwicklung koppelbarer Prozessmodule für intelligente Wärmenetze
Diese Diplomarbeit beschreibt die Prozessabläufe und Berechnungsmodule für die Auslegung und Simulation von Wärmenetzen, welche innerhalb einer Software auf Basis von Microsoft-Excel und dessen Programmierumgebung „Visual Basic for Applications“ umgesetzt sind. Es werden die einzelnen Module einer Wärmeversorgung ausgehend der Verbraucher über die Dimensionierung der Erzeuger, inklusive Wärmespeicher und deren Verknüpfung über eine Netzstruktur separat vorgestellt. Mit der Kopplung der Berechnungen sind die stündlichen Lastgänge der Erzeuger und eine wirtschaftliche Bilanzierung des Wärmenetzes und seiner Komponenten abbildbar. Das erstellte Programm bietet die Möglichkeit, Empfehlungen bezüglich der Rohrdimensionierungen zu geben und mehrere Erzeuger an verschiedenen Positionen des Wärmenetzes einzubinden. Die Software beruht auf hinreichenden Eingabewerten und standardisierten Parametern und bietet dem Nutzer die Möglichkeit individuelle Projekte abzubilden. Die erstellten allgemeingültigen Berechnungs- und Visualisierungsprogramme werden anhand eines fiktiven und eines realen Projektes verifiziert.
Verfasst von: Eric Zimmermann
Betreut von: Dr.-Ing. Stefan Gnüchtel; Dipl.-Ing. H. Wernecke – Ventury GmbH Energieanlagen, Dipl.-Ing D. Bigalke – Ventury GmbH Energieanlagen
Konzeption und Dimensionierung der Gebäudeenergietechnik im Rahmen der Umnutzung des Gebäudekomplexes „Universelle Werke Dresden“
Im Rahmen der geplanten Umnutzung des Gebäudekomplexes der Universellen Werke Dresden bestand die Notwendigkeit eines energietechnischen Konzeptes der Gebäude. Dafür wurde vorerst die Bestandsanlage auf Wiederverwendung der Komponenten und Strukturen untersucht. Das Resultat dieser Untersuchung zeigte, dass eine komplett neue Anlage einschließlich der Infrastruktur geschaffen werden muss.
Für die Bestimmung der Leistungsgrößen wurde die thermische Gebäudehülle untersucht, das Vorgehen der Heizlastberechnung beispielhaft aufgezeigt und die gewählte Methode der Wärmebereitstellung diskutiert. Neben der Wärmebereitstellung zeigte sich die Notwendigkeit für Lüftungsanlagen, sodass diese ebenfalls beispielhaft konzeptioniert und dimensioniert wurde. Auf Grundlage dessen ist der aktuelle Entwurfsstand vorgestellt. Abschließend sind Ansätze zur Energieoptimierung aufgezeigt.
Verfasst von: Thomas Mehlig
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Thomas Hoffmann – Ingenieurbüro Hoffmann Planungsbüro für Energie- & Haustechnik
Analytische Modellierung eines PVT-Sandwichelements zur Verbesserung der energetischen Kennwerte
Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der analytischen Untersuchung von wassergekühlten Photovoltaik-Thermie-Modulen (PVT) hinsichtlich der elektrischen und thermischen Leistungskennwerte sowie deren Optimierung. Konkret wurden zwei Prototypen untersucht, deren Besonderheit die Nutzung von rückseitig aufgeklebten Polypropylen-Kapillarrohrmatten als Wärmeübertrager ist. Dabei wurde ein ausführliches analytisches Modell erstellt, welches an einem Outdoor-Versuchsstand validiert wurde. Anhand des erstellten Modells konnte dann eine energetische Optimierung des Aufbaus der Prototypen vorgenommen werden. Konkret wurde der Einfluss der Wärmeleitfähigkeit und der Dicke der Verbindungsschicht sowie die Auswirkungen der Dicke derRückseitendämmung, des Abstandes der Kapillarrohre voneinander und des Absorptionskoeffizienten der photovoltaisch inaktiven Flächen untersucht. Weiterhin wurden auch der Neigungswinkel der Module, die Konzentration des Frostschutzmittels, die Eintrittstemperatur und der Volumenstrom variiert. Auf Basis der sich daraus ergebenden Veränderungen auf die energetischen Kennwerte und der Abschätzung der finanziellen und technologischen Machbarkeit wurden die Kollektorparameter optimiert. Die Ergebnisse wurden mit den Ausgangswerten verglichen und zeigten deutliche Verbesserungen.
Verfasst von: Carsten Pietzsch
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Claudia Döhler, SMK Ingenieure GmbH & Co. KG
Betrachtungen zum Einsatz von Mikrogasturbinen als dezentrale KWK
Ziel der Studienarbeit ist die Untersuchung des Einsatzes einer Mikrogasturbine als dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung-Anlage, um bevorzugte Einsatzbedingungen und -grenzen sowie aktuelle Entwicklungen herauszuarbeiten. Dazu werden die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und die Funktionsweise einer Mikrogasturbine erläutert. Des Weiteren wird die aktuelle Marktsituation beschrieben und es werden aktuelle Forschungsergebnisse vorgestellt. Durch Anwendungsbeispiele werden die praktische Umsetzung des Mikrogasturbinen- Blockheizkraftwerk illustriert und durch praktische Erfahrungen realer Nutzer weiter ergänzt wobei Vor- und Nachteile gegenüber anderen KWK-Technologien aufgezeigt und die verschiedenen Kraftwerkstypen miteinander verglichen werden. Im Anschluss werden in einer energiewirtschaftlichen Bewertung energetische, ökonomische und ökologische Vergleiche zu anderen KWK-Technologien angestellt. Abschließend wird eine zusammenfassende Empfehlung ausgesprochen und weiterer Handlungsbedarf aufgezeigt.
Verfasst von: Markus Arendt
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Entwicklung von Modellbeschreibungen für solarthermische Kraftwerke
Diese Diplomarbeit wurde im Unternehmen ITI GmbH, Dresden, geschrieben, die die Software SimulationX zur Modellierung, Simulation und Analyse physikalischer Effekte entwickelt. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden die ersten Modelle für SimulationX für die dynamische Simulation von solarthermischen Kraftwerken entwickelt. Der Fokus wurde insbesondere auf Parabolrinnenkraftwerke gelegt. Modelle für die Komponenten Dampfturbine und Parabolrinnenkollektor wurden entwickelt und die Fluide für geschmolzenes Salz und Thermoöle modelliert. Um ein besseres Verständnis zu ermöglichen, wurden Grundlagen der solarthermischen Kraftwerke und der Stand der Technik der Simulation in der Solarthermie-Industrie erklärt. Dann wurden nacheinander für das Modell Dampfturbine, das Modell Kollektor und die Fluide die Literaturrecherche, der Aufbau der Komponenten und deren Validierung vorgestellt. Zum Schluss wurde der Forschungskreislauf „Innovative Fluids“ modelliert, der die Benutzung von CO2 als Wärmeträgermedium in Parabolrinnen-Kraftwerke betrachtet. Die Ergebnisse wurden mit Messdaten verglichen. Eine Sensitivitätsanalyse wurde außerdem durchgeführt, um den Einfluss der Änderung der Eingangsgröße zu betrachten.
Verfasst von: Marianne Biéron
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander, Alex Magdanz – ITI GmbH Dresden
Reduktion der Vorwärmeleistung von Gasdruckregelanlagen durch die Nutzung des thermischen Separationseffektes eines Ranque-Hilsch-Rohres
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Reduzierung der Vorwärmleistung in Gasdruckregel- und Vorwärmanlagen. Dabei wird eine Anlagenschaltung zur Integration eines Wirbelrohres in eine konventionelle Vorwärmanlage entwickelt. Die Anlagenschaltung nutzt den Ranque-Hilsch-Effekt eines Wirbelrohres, um aus der Umgebungsluft einen Wärmestrom zu beziehen. Dabei wird die entwickelte Anlagenschaltung mit einer bereits bestehenden Technologie in Hinblick auf die energetische Einsparung sowie der Verringerung der CO2-Emissionen verglichen. Zur Bewertung der entwickelten Anlage werden Anforderungen der Gasnetzbetreiber an eine Technologie zur Reduzierung der Vorwärmleistung von Gasvorwärmanlagen definiert. Die Auswertung zeigt, dass es sich bei der entwickelten Anlage um eine wettbewerbsfähige, attraktive Möglichkeit zur Einsparung von Emissionen und Kosten handelt.
Verfasst von: Florian Bauch
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. Maximilian Beyer
Nutzung von PV im Systemvergleich
Die Photovoltaik hat in den letzten Jahren einen starken Wandel durchlebt. Durch verschiedene Einflussgrößen wurden Vergütungen und Kosten der Technologie entscheidend verändert. Daher stellt sich die Frage, ob die lokale Nutzung von durch Photovoltaikanlagen erzeugte Energie die sinnvollste Nutzungsform erneuerbarer Energiequellen darstellt und wie diese optimiert werden kann. Ziel der Arbeit stellt die Ausarbeitung einer vergleichenden Methodik für Systeme (mit und ohne Photovoltaik) zur energetischen Versorgung der drei Referenzgebäude Ein-, Mehrfamilienhaus und öffentliches Verwaltungsgebäude dar. Diese erfolgt auf Basis einer Nutzwertanalyse. Zur Bildung der hierfür benötigten Nutzwerte werden Bewertungskriterien und –strukturen festgelegt. Je System werden die Werte dieser Bewertungskriterien mittels Markt- und Technologieanalysen und durch Simulationen dieser Systeme in der Simulationsumgebung Polysun ermittelt. Um die Qualität der Nutzwertanalyse, und damit die Aussagekraft der Ergebnisse zu bestätigen, erfolgt eine Sensitivitätsanalyse. Um die Vorgehensweise bei der vergleichenden Methode deutlich zu machen, widmet sich der erste Teil der Arbeit einer detaillierten Beschreibung dieser, gefolgt von grundlegenden Informationen der für die betrachteten Systeme genutzten Komponenten. Im zweiten Teil erfolgt dann eine beispielhafte Anwendung der Methodik an den Referenzgebäuden.
Verfasst von: Florian Dallhammer
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Konstruktive und technologische Weiterentwicklung eines Stirling-Motors
Die vorliegende Studienarbeit verschafft einen Überblick über die bisherigen Ausarbeitungen zum Bau eines Niedertemperatur-Stirlingmotors als Antrieb einer Wasserförderanlage und erweitert diese. Dazu wurde die rechnerische Grundlage für die optimale Auslegung der wichtigsten Bauteile erarbeitet, Schlussfolgerungen für weitere Maßnahmen zur Optimierung des Grundkonzeptes gezogen und deren mögliche Umsetzung erläutert und dargestellt. Ferner wird ein Ausblick über mögliche Einsatzfälle gegeben, bei dem durch den Vergleich zu Konkurrenzprodukten aufgezeigt wird, inwiefern die Umsetzung der angestellten Überlegungen den geplanten Niedertemperatur-Stirlingmotor befähigen können, seinem Ziel nachzukommen „Hilfe zur Selbsthilfe“ in schwächer gestellten Regionen zu leisten.
Es hat sich gezeigt, dass die vorhandenen Ausarbeitungen in großen Teilen ausgereift sind, jedoch in einigen Bereichen weiter optimiert werden können. Die Umsetzung weiterführender Maßnahmen wurde in Form eines zweiten Motors konstruktiv dargestellt. Die möglichen Einsatzfälle werden in der Förderung von Brunnenwasser und der Bewässerung von kleineren Feldern in geeigneten Regionen gesehen. Aus dem Vergleich zu anderen Produkten folgte die Erkenntnis, dass sich der geplante Niedertemperatur-Stirlingmotor nach theoretischer und konstruktiv-technologischer Optimierung, im Rahmen der angesprochenen Einsatzfälle, behaupten kann.
Verfasst von: Nils Niklas Müller
Betreut von: Dipl.-Ing. Volkmar Lippert
Trinkwasser-Installationen unter Berücksichtigung neuer Rahmenbedingungen
In der Arbeit erfolgt in Betrachtung von Trinkwasserinstallationen innerhalb eines Gebäudes eine Zusammenstellung von Vorschriften und Regelwerke sowie Normen mit wesentlichen Inhalten. Im Vergleich der Trinkwasserinstallationen in einem Einfamilienhaus und einem Mehrfamilienhaus werden die Berechnungsverfahren nach DIN 1988-3, DIN 1988-300 und DIN EN 806-3 angewendet und Unterschiede aufgezeigt. Für ein Mehrfamilienhaus mit sechs Wohneinheiten werden die Auswirkungen des Einsatzes verschiedener Rohrwerkstoffe innerhalb einer Trinkwasserinstallation auf Grundlage einer Rohrnetzberechnung nach DIN 1988-300 untersucht.
Die Bemessung der Wasseranschlussleitungen an das Gebäude und die Wasserzählerauswahl sind ebenfalls Untersuchungsgegenstand. Es werden Informationen zu Ausstoß-, Verweil- und Wartezeiten in häuslichen Trinkwassernetzen für kaltes und erwärmtes Trinkwasser dargestellt. Unter Bezugnahme auf die europäischen Referenzlastprofilen (European Tapping Cycles) sind Richtlinien und Regelwerke zur Verweilzeit von erwärmtem Trinkwasser recherchiert. Das Ergebnis ist die Darstellung einer stark vereinfachten Methodik zur Bestimmung der Verweilzeit des Trinkwassers in der Trinkwarmwasserverteilung für verschiedene Zapfprofile an den Entnahmestellen des betrachteten Mehrfamilienhauses.
Verfasst von: Thorsten Lukas
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Test und Optimierung der Leistungsparameter einer Kaskadenkälteanlage eines Einfriergerätes
Bisher werden Blut- und Gewebeproben mit flüssigem Stickstoff eingefroren, wodurch aber die GMP-Anforderungen nicht hinreichend erfüllt werden. Aus diesem Grund ist das Ziel dieser Diplomarbeit die Optimierung einer dreistufigen Kaskadenkälteanlage um diese Proben einfrieren zu können. Die Pilotanlage wurde am ILK Dresden entwickelt. Optimierungsbedarf an der Kälteanlage besteht vor allem im Mitteltemperaturkreis. Hierzu ist es notwendig, die Kälteleistung dieses Kreises zu erhöhen und somit die minimale Kühltemperatur von derzeit -30 °C auf -60 °C zu senken.
Im ersten Schritt wurden Versuche an der Anlage durchgeführt sowie der Prozess mit Refprop simuliert, um Schwachstellen ausfindig zu machen und zu analysieren. Ausgewählte Anlagenkomponenten wurden charakterisiert und Verbesserungsmaßnahmen daraus abgeleitet. Durch Austausch des Ver flüssigers konnte die Kühltemperatur bereits um 10 K gesenkt werden. Außerdem wurde festgestellt, dass der Luftküuhler im Mitteltemperaturkreis hauptsächlich für die Limitierung der Kälteleistung verantwortlich ist. Um die erwartete Kälteleistung zu erreichen, muss diese Komponente neu dimensioniert und ersetzt werden.
Verfasst von: Stefanie Bachmann
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Björn Großmann – ILK Dresden
Überdruckhaltung am Kopf einer Reinjektionsbohrung bei Teillastfahrweisen von geothermischen Anlagen
Bei der Förderung von Tiefengrundwasser in geothermalen Anlagen wird das chemisch- thermodynamische Gleichgewicht gestört und das gelöste Kohlenstoffdioxid neigt zum Ausgasen aus dem Tiefengrundwasser, was die Bildung von Scalings in den Rohrleitungen zur Folge hat. Aus diesem Grund ist eine Überdruckhaltung in geothermalen Anlagen notwendig, um das Ausgasen von Kohlenstoffdioxid zu verhindern. Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der technischen Realisierung einer Druckhaltung von geothermischen Anlagen und deren Verhalten bei einer veränderlichen Thermalwasserförderung. Nach der theoretischen Aufarbeitung des Themas werden anhand eines Fallbeispiels innovative Druckhaltesysteme hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit und Auswirkungen auf den Betrieb einer geothermalen Anlage untersucht und miteinander verglichen. Aus den Ergebnissen wird eine Systemempfehlung abgeleitet und ein Prognosediagramm erstellt, dass es ermöglicht, für zukünftige Projekte eine Systemvorauswahl zu treffen anhand von Reservoirdaten und der Abnehmerstruktur. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass eine Injektionsturbine mit Bypass das größte Einsparpotential aufweist, da dieses System in der Lage ist Elektroenergie zurückzugewinnen. Vollregelbare Injektionsturbinen könnten diese Rückgewinnung noch steigern, befinden sich jedoch noch im Entwicklungsstatus.
Verfasst von: Hannes Junker
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr. -Ing. Frank Kabus - Geothermie Neubrandenburg GmbH (GTN)
2015
Die Auswirkung verschiedener Lüftungskonzepte auf Geräuschpegel, Exposition und Konzentrationsleistung von Schülern in einem Klassenraum einer Grundschule in gemäßigtem Klima
Schulgebäude werden meist mittels natürlicher Antriebskräfte (z.B. manuell oder automatisch öffenbare Fenster) oder ventilatorgestützter Lüftung (z.B. zentral oder dezentral) belüftet. Die wichtigsten Kriterien für Renovierungen sind die Anschaffungs- und Betriebskosten, während Leistung und Wohlbefinden der Schüler eine entscheidendere Rolle bei Neubau und Renovierung von Schulen spielen sollten. Ziele dieser Arbeit sind: 1. Zusammenfassen von Normen und Gesetzen bezüglich Lüftung und Innenraumklima in Schulen und von Berichten über die Leistung von Lüftungssystemen; 2. Untersuchen des Einflusses von Lüftungssystemen in Klassenzimmern auf die Luftqualität und die Lernfähigkeit der Schüler. Im Zusammenhang mit dem ersten Ziel werden die deutschen Gesetze und Normen präsentiert und Studien über Raumluftqualität und Leistungsfähigkeit in deutschsprachigen Ländern begutachtet. Beispiele herausragender neugebauter und renovierter Schulen werden vorgestellt. In diesem Teil wird gezeigt, dass die CO2-Konzentration häufig über den Anforderungen liegt und keine konsistenten Ergebnisse für die Leistungsfähigkeit auftreten. Für das zweite Ziel der Arbeit werden Messungen in einem Schulgebäude im Norden von Kopenhagen durchgeführt.
Folgende Systeme wurden angewendet: dezentrale Lüftung, hybride Lüftung, automatisch öffnende Fenster und manuell öffenbare Fenster mit visuellem Feedback oder nach Gewohnheit. Die Bedingungen in allen Klassenzimmern werden gemessen und CO2 – Konzentration, Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Schalldruckpegel erfasst. Die Schüler führen kognitive und schultypische Tests durch. Die Auswertungen zeigen, dass die Nachrüstungen der Lüftungssysteme die Luftqualität in den Klassenzimmern verbessert, was durch eine reduzierte CO2-Konzentration verdeutlicht wird und dass in vielen Fällen Verbesserungen in den kognitiven Tests und schultypischen Aufgaben auftreten. Die Ergebnisse deuten an, dass der Einfluss der Luftqualität (geringere CO2-Konzentration) auf Schüler größer ist, die in den Tests bei schlechterer Raumluftqualität schlechtere Ergebnisse erzielen. Zusammenfassend können das dezentrale und das hybride Lüftungssystem empfohlen werden, da bei ihrem Einsatz die von deutschen und europäischen Normen geforderte CO2-Konzentration am besten eingehalten werden können. Die Nutzung der genannten Systeme bringt die konsistentesten und größten Effekte auf die Leistungsfähigkeit der Schüler und die Systeme können für Nachrüstungen in Schulen im gemäßigten Klima empfohlen werden.
Verfasst von: Anne Hartmann
Betreut von: Dr.-Ing. Claudia Kandzia , PhD P. Wargocki, Associate Professor (Dänemarks Technische Universität)
Energetische Betrachtung bei der Sanierung von Torluftschleieranlagen in Bezug auf den Gesamtwärmebedarf einer Fabrikhalle
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit werden zwei Torluftschleieranlagen der Audi AG energetisch und wirtschaftlich verglichen. Hierbei wird eine Bestandsanlage der Firma Meissner und Wurst mit hohem Heizenergiebedarf und ein neu aufgestellter Luftschleier der Firma Arwus mit niedrigerem Wärmebedarf gegenüber gestellt. Beide Anlagen werden zunächst detailliert dargestellt, um einen Einblick in das Betriebsverhalten der Luftschleier zu erhalten. Anschließend wird der jährliche Wärmeverlust berechnet, der durch den Luftwechsel in einem geöffneten Industrietor ohne Luftschleier entsteht.
Der Luftwechsel wird dabei durch die Druckdifferenzen berechnet, die aufgrund von Wind und Thermik am Tor entstehen. Dazu werden die aufgezeichneten Wetterdaten der werksinternen Wetterstation von 2012 bis 2014 genutzt. Im weiteren Verlauf werden die jährlichen Heizenergieverbräuche beider Anlagen bestimmt, die mithilfe der vorliegenden technischen Unterlagen berechnet werden. Bei der Nutzung der Luftschleier entstehen verschiedene energetische Verluste für den Raum, die ebenfalls bestimmt und in der Bilanzierung einbezogen werden. Dazu gehören die Wärmeverluste durch eine unzureichende Abschirmleistung der Luftschleier sowie Mischungsverluste, die durch das Mischen von Außenluft mit den Luftwalzen entstehen.
Verfasst von: Konstantin Etzel
Betreut von: Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. K. Graf (Audi) Dresden
Gebäude als thermische Speicher
In dieser Arbeit wird die Nutzung von Gebäuden als thermische Speicher untersucht und es werden verallgemeinernde Abschätzungen hinsichtlich der Effekte auf Lastgang, Lastspitzen und Heizbedarf beschrieben. Nach Betrachtung der Möglichkeiten durch die eine thermische Speicherung realisiert werden kann, werden bautechnische Eigenschaften und Bedingungen in der Gebäudenutzung auf ihren möglichen Einfluss auf das Speicherpotential des Gebäudes untersucht. Mit Hilfe dieser Vorbetrachtung wird das Modell eines Einfamilienhauses unter verschiedenen Gesichtspunkten variiert und anschließend mögliche Kombinationen der Veränderungen am Gebäude und der Betriebsführung in TRNSYS simuliert.
Die so gewonnen Daten der Lasten und Gebäudetemperaturen werden dann unter Einführung von Vergleichswerten hinsichtlich des Tages- und Jahresverlaufs untersucht und mit Hilfe der Vergleichswerte eine Einordnung und Bewertung der Gebäudekonfigurationen bezüglich ihres Speicherpotentials vorgenommen. Zusätzlich werden die Variationen auf ihre Wirtschaftlichkeit hin untersucht. Es werden qualitative Aussagen gemacht die sich auf bestimmte Anhaltspunkte in Gebäudekonfigurationen beziehen und wesentliche Verhaltensweisen bei der Nutzung von Gebäuden als thermische Speicher aufzeigen und Empfehlungen zur Betriebsführung geben.
Verfasst von: Marten Clauß
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Entwicklung eines Software-Werkzeuges zur Durchführung und Dokumentation der energetischen Inspektion nach §12 EnEV für Klima- und Kälteerzeugungsanlagen unterschiedlicher Kategorie
Die vorliegende Arbeit behandelt die Erstellung eines Berechnungswerkzeuges zur Durchführung und Dokumentation der energetischen Inspektion von Klimaanlagen nach § 12 EnEV. Es wird der Frage nachgegangen, wie der ausführende Ingenieur sicherstellen kann, die Dienstleistung der „energetischen Inspektion nach § 12 EnEV“ zeit- und kostenoptimal sowie von hoher Qualiität durchzuführen. Ziel ist es, dem Inspekteur ein Werkzeug an die Hand zu geben, mit dem er die Inspektion in Sinne der Intention der EnEV beziehungsweise der EU-Gebäuderichtlinie durchführen und durch Vorschläge zur Verbesserung der Energieeffizienz der untersuchten Anlage beitragen kann.
Nach der Klärung der rechtlichen Rahmenbedingungen und dem Einarbeiten in den Ablauf des Bewertungsverfahrens nach DIN SPEC 15240 werden Möglichkeiten zur Umsetzung des Berechnungswerkzeuges diskutiert. Die Umsetzung des Berechnungsverfahrens in ein handhabbares Werkzeug bietet die Möglichkeit das Verfahren tiefgründig kennenzulernen. Daher werden die Stärken und Schwächen des Verfahrens zur Durchführung der energetischen Inspektion nach DIN SPEC 15240:2013 beleuchtet. Um weitere Erkenntnisse aus der Sicht des Anwenders zu erlangen wird die energetische Inspektion an einer bestehenden Anlage durchgeführt und schließlich diskutiert inwieweit Kosten- und Zeiteffizienz sowie Qualität bei der energetischen Inspektion durch das Berechnungswerkzeug gewährleistet können.
Verfasst von: Nils Sachsenröder
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Entwicklung eines Kreislauf-Verbundsystems für die dezentrale Raumlüftung
In dieser Arbeit wurde ein Kreislaufverbundsystem für die dezentrale Raumlüftung entwickelt, aufgebaut und dessen Funktionsfähigkeit nachgewiesen. Das Ziel war der Aufbau eines kompakten Systems, das aus am Markt verfügbaren Komponenten besteht. Als dafür geeignete Komponenten sind recherchiert worden: der Wärmeübertrager HTFS2 3x120 LT von Watercool und der Radialventilator DB12032B12L von M-Fan. Die Wasserzirkulation wurde mit einer Schrittmotor-betriebenen Schlauchpumpe realisiert.
Für die Bedienung des Kreislaufverbundsystems ist eine Steuerung entwickelt und aufgebaut worden. Im Zusammenspiel dieser Komponenten sind Wärmerückgewinnungsgrade von 0,55 erreicht worden. Um die Anforderungen der KfW oder EnEV mit Werten von mindestens 0,6 bzw. 0,7 zu erfüllen müssen die Komponenten weiterentwickelt werden. Des weiteren muss die nutzbare Wärmeübertragerfläche wirksam werden. Optimierungspotential bieten noch die Luftführungen. Mit dem erreichten Ergebnis wird eine Weiterentwicklung empfohlen.
Verfasst von: Miko Trusch
Betreut von: Dr.-Ing. Markus Rösler, Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dr.-Ing. K. Hackeschmidt, ILK Dresden
Leistungsregelung von Wärmepumpen
Der Klimawandel hat weitreichende Folgen für die Umwelt und Ökosysteme. Eine wichtige Herausforderung hierbei stellt die effiziente und effektive Bewältigung der Temperaturvaribilit ät dar. Wärmepumpen müssen ein größeres Heizleistungsspektrum abdecken sowie eine höhere Anzahl an Betriebsstunden in dem Teillastverhalten bewältigen. Die entsprechende Leistungsregelung der Wärmepumpen wird im Rahmen dieser Studienarbeit evaluiert. Es wird dargelegt, inwieweit die Leistungsregelung bei der Kennzeichnung der Wärmepumpe berücksichtigt wird. Die Klassiffizierung der Komponenten einer Wärmepumpe schafft die Voraussetzung für eine stufenweise Implementierung der Leistungsregelung. Die drehzahlvariable Steuerung des Verdichters mit der Invertertechnologie hat sich als effiziente Technologie etabliert.
Eine Analyse der DIN EN 14825 ergab, dass bei der Berechnung der Jahresarbeitszahl zwischen der kontinuierlichen und diskontinuierlichen Leistungsregelung unterschieden wird. Das bessere Verhalten der kontinuierlichen Leistungsanpassung in der Teillast wirkt sich auf den Primärenergieverbrauch der Wärmepumpen aus. Dies resultiert in einer besseren Bewertung nach der Energiekennzeichnungsverordnung. Der abschlieÿende, realitätsnahe Vergleich bestätigt den Fortschritt durch die kontinuierliche Leistungsregelung. Die höheren Jahresarbeitszahlen ermöglichen, neben der Einsparung an Stromkosten, den Erhalt einer finanziellen Förderung der Wärmepumpe. Dies führt zu einer schnellen Amortisierung der Anschaffungskosten und macht die kontinuierliche Leistungsregelung somit nicht nur ökologisch, sondern auch finanziell attraktiv.
Verfasst von: Justus von Rhein
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Einfluss von Diamantnanopartikeln auf die thermische Leistung eines Thermosyphon-Systems
Ein Thermosyphon ist ein Wärmerohr, welches sehr effektiv Wärme von der Quelle zur Senke transportieren kann. Der Thermosyphon ist dabei mit einem Fluid gefüllt, welches durch den Phasenwechsel beim Verdampfen und Kondensieren eine hohe Wärmestromdichte garantiert. Zur weiteren Optimierung der Wärmeübertragung wurden in Experimenten das Fluid (Wasser) mit Diamantnanopartikeln versetzt. Die Auswertung der Messergebnisse ergab, dass die Nanopartikel nur im Bereich der freien Konvektion den thermischen Widerstand des Thermosyphons senken konnten. Im Bereich der Blasenverdampfung konnte kein Unterschied zwischen dem Referenzfluid und dem Diamant-Fluid festgestellt werden.
Weitere chemische Untersuchungen nach den Messreihen zeigten, dass die Diamant-Nanopartikel agglomerieren und sedimentieren und somit nicht mehr in dem Fluid dispergiert sind. Auch eine oft beschriebene Bildung einer porösen Schicht an der Rohrinnenwand konnte nicht festgestellt werden. Letztendlich konnte durch die Experimente eine in der Literatur beschriebene Abhängigkeit zwischen der Wärmeleitzahl und einer Potenzfunktion mit dem Druck und der Wärmestromdichte widerlegt werden. Die Nutzung von Diamantnanopartikel ist unter den gewählten Randbedingungen nicht empfehlenswert.
Verfasst von: Rico Günther
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Martin Heymann
Wetterprognosemodelle in der Gebäudetechnik
Prädiktive Regelverfahren in der Gebäudeautomation unter Verwendung von Wetterprognosedaten sind seit einigen Jahren nicht mehr nur Gegenstand intensiver Forschung sondern bereits in der Praxis angekommen. Ziel dieser Arbeit ist die Beschreibung der aktuellen Marktsituation prädiktiver Regelsysteme. Dazu wird zunächst über die Erstellung und die Qualität von Wetterprognosen aufgeklärt. Eine Übersicht der verschiedenen Empfangs- und Bezugswege von Prognosedaten von Wetterdiensten ist ebenfalls Bestandteil.
Im Anschluss daran folgen einige Grundlagen zur Gebäudeautomation sowie eine aktuelle Übersicht der am Markt vertretenen Unternehmen mit wetterprognosebasierter Regelungstechnik. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden theoretische und praktische Anwendungsbeispiele aufgezeigt. Hierfür wurden zur besseren Übersicht Steckbriefe einiger bereits realisierter Projekte mit Wettervorhersagesteuerung angefertigt und deren Einsparpotential zusammengefasst. Die Arbeit schließt mit Ideen zu einer Konzeptionierung eines Versuchstandes an der TU Dresden.
Verfasst von: Thorsten Krohn
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Auslegung und Entwurf einer Heizungsanlage
In der vorliegenden Arbeit wurde eine Heizungsanlage für das ehemalige Pressenhaus des Weingutes Hoflößnitz in Radebeul ausgelegt. Im ersten Schritt wurde die Heizlast über das ausführliche Verfahren nach DIN 12831 softwaregestützt, sowie nach dem vereinfachten Verfahren nach DIN 12831 Beiblatt 3, ermittelt und die Ergebnisse verglichen und diskutiert. Mit der Heizlast und unter Berücksichtigung baulicher Gegebenheiten und Anforderungen seitens der Nutzer erfolgte anschließend die Auslegung der Anlagenkomponenten des Heizsystems.
Diese umfassten unter anderem einen Gas-Brennwertkessel, entsprechende Heizkörper im Keller- und Dachgeschoss und eine Fußbodenheizung sowie Türluftschleieranlage im Erdgeschoss. Es erfolgte ebenfalls eine detaillierte Ausarbeitung der Rohrverlegung und Komponentenanordnung. Mit Hilfe der Software PlanCal Nova schloss sich die Rohrnetzberechnung an, woraufhin die drei Heizungs-Umwälzpumpen auszulegen waren. Am Ende wurde der jährliche Heizenergiebedarf berechnet und eingeordnet.
Verfasst von: Tim Böttner
Betreut von: Dr.-Ing. André Kremonke
Ertragsprognose für Geothermie
Die Bedeutung der Geothermie in Deutschland hat in den letzten Jahren zugenommen. Unabdingbar für die richtige Dimensionierung von geothermalen Erdwärmesonden ist die zuvor durchgeführte Planung. Dabei spielen Faktoren wie der genaue Energiebedarf, die thermalen Bedingungen des Untergrundes, sowie die eventuelle Durchführung eines Thermal Response Tests eine wichtige Rolle. Hilfreich bei der Planung von Anlagen mit einer Leistung kleiner als 30 kW und empfohlen bei der Planung von Anlagen mit einer Leistung größer als 30 kW sind
Simulationsprogramme, wie sie von zahlreichen Firmen angeboten werden. In dieser Arbeit werden ausgewählte Programme kurz vorgestellt und hinsichtlich des Einsatzes zu Lehrzwecken analysiert. Dazu wird ein einheitliches Testszenario geschaffen, welches im Anschluss in den drei Programmen Erdwärmesonde (Prof. Glück), EED und TRNSYS-TUD simuliert wird. Basierend auf den Simulationsergebnissen und den Schlüssen aus einer Sensitivitätsanalyse wird abschließend eine Empfehlung abgegeben.
Verfasst von: Johannes Schrader
Betreut von: Dipl.-Ing. Stefan Hoppe, Dipl.-Ing. Wojciech Kozak
Prognose der Zeitreihen der Onshore-Windeinspeisung für 2030
Um unterschiedliche Energieträger miteinander zu vergleichen, wird häufig der Primärenergiefaktor zu Rate gezogen. Im Zuge der Energiewende und dem damit verbundenen Ausbau der regenerativen Energien stellt sich die Frage, ob die Stromeinspeisung in höherer Zeitauflösung zu beachten ist. Aus diesem Grund wird zur Zeit an unterschiedlichen neuen Methoden geforscht.
Eine dieser Methoden nennt sich „Zeitvariable Bewertungsgrößen für Strom“, welche mit stündlich aufgelösten Einspeiseverhalten dem Anwender eine Möglichkeit bietet, Versorgungskonzepte realistisch zu bewerten. Da für eine vernünftige Bewertung eine Betrachtung über die Lebensdauer einer Anlage erfolgen muss, ist es nötig, eine aussagekräftige Prognose zu verwenden.Untersucht wird für diese Prognose die volatile Einspeisung von Windkraftanlagen. Um eine Vorhersage zur zukünftigen Entwicklung der Stromeinspeisung zu machen, wurden vor allem Entwicklungen der Nabenhöhen und des Leistungsbeiwertes bzw. der Leistungskennlinie betrachtet.
Verfasst von: Lukas Rothmann
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Felix Panitz
Untersuchung zum Betrieb spezieller Windkraftanlagen mittels der im Bereich von Startbahnen induzierten Luftströmung
Ein neuartiges Konzept sieht vor, mittels spezieller Windkraftanlagen den von Flugzeugen im Startvorgang hervorgerufenen, starken Luftstrom zur Stromerzeugung zu nutzen. Die Windkraftanlagen sind dabei so im Bereich der Startbahn anzuordnen, dass sie keine Gefahr für den Flugverkehr darstellen und gleichzeitig einen möglichst hohen Ertrag generieren. Im Rahmen der Diplomarbeit soll das bisher nur in Grundzügen formulierte Konzept erstmals genauer untersucht werden.
Dazu werden im ersten Schritt die zur Umsetzung der Idee notwendigen Arbeitspakete heraus gearbeitet und die Forschungsfragen, welche in der Gesamtuntersuchung des Konzepts zu Beginn vorliegen, detaillierter untersucht. Im Anschluss werden die Resultate den recherchierten Studien bzw. Veröffentlichungen aus der Literatur gegenübergestellt. Zur besseren Auswertung der Ergebnisse folgt eine Fehlerbertachtung, die nach den typischen Fehlerarten der Numerischen Strömungsberechnung gegliedert ist. Im Ausblick werden die nächsten Schritte und dazugehörige Überlegungen angesprochen.
Verfasst von: Patrick Arrue
Betreut von: Dipl.-Ing. Andreas Herwig
Konzeption einer solarthermischen Versuchsanlage auf dem Dach des ZET mit dezentraler Einspeisung in ein Fernwärmenetz
In dieser Arbeit werden unterschiedliche Regelkonzepte zur bestmöglichen Ausnutzung der abgegeben Energie solarthermischer Systeme vorgestellt und miteinander verglichen. Zudem wird die Konzeption einer Anlage auf dem Dach des ZET-Gebäudes der TU Dresden dokumentiert. Es wurden die räumlichen Gegebenheiten des Daches analysiert, ein Sammelrohrsystem entworfen und auf dieser Basis die Netzkennlinie des Solarthermiekreislaufs bestimmt.
Die Studienarbeit stellt erarbeitete Vorschläge zur Solarpumpenwahl vor und vergleicht unterschiedliche Ertragssimulationen der Anlage. Hierfür sind die Programme Polysun und T-SOL genutzt wurden. Weiterhin wurden die Messdaten einer bereits bestehenden Anlage ausgewertet. Darauf aufbauend wurde ein MATLAB-Modell der Anlage untersucht und mit den realen Messwerten verglichen bzw. validiert.
Verfasst von: Maximilian Leonhardt
Betreut von: Dipl.-Ing. Martin Heymann, Dipl.-Ing. Toni Rosemann
Simulation einer DEC-Klimaanlage mit magnetokalorischer Einheit
Im Rahmen dieser Arbeit sollte analysiert werden, wie die neuartige Technik der magnetokalorischen Einheit in eine DEC-Klimaanlage integriert werden kann. Es wurde überprüft, ob eine magnetokalorische Einheit als Unterstützung zur Spitzenlastabdeckung für DEC-Klimaanlagen bei heißem und feuchtem Außenklima genutzt werden kann. Die Überprüfung erfolgte mithilfe des Simulationsprogrammes TRNSYS-TUD, dessen Quellcode erweitert wurde. Das entwickelte neue Simulationsmodul wurde anhand von Vergleichsdaten validiert.
Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die Variante mit magnetokalorischer Einheit extreme Außenluftzustände (hohe Temperatur und Luftfeuchtigkeit) besser bewältigt, als eine Variante mit klassischer DEC-Klimaanlage. Dies äußerte sich in einer niedrigeren Raumtemperatur. Das Simulationsmodul steht auch zukünftig für weitere Untersuchungen raumlufttechnischer Anlagen zur Verfügung.
Verfasst von: Benjamin Perschk
Betreut von: Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr.-Ing. Markus Rösler
Energetische Bewertung und Optimierung eines Passivhausgebäudes
Die im Jahre 2009 in Passivhausbauweise errichtete Gerhard-Grafe-Sporthalle im Dresdner Stadtteil Weixdorf ist Teil der Weiterentwicklung im Bereich des energieeffizienten Bauens. Neben einer komplexen Anlagentechnik mit umfangreicher Umweltenergienutzung wurde das Gebäude so konzipiert, dass die primärenergetischen Anforderungen eines Passivhauses von 120 kWhm²a um 50 % unterboten werden. Nach Vollendung des Baus initiierte man ein Forschungsprojekt zur wissenschaftlichen Evaluierung des Gebäudebetriebs. Erste Auswertungen des umfangreichen Monitorings konnten das hochgesteckte Planungsziel nicht bestätigen, wodurch einige Optimierungsmaßnahmen stattfanden. In dieser Arbeit wird eine Energiebedarfsberechnung der Sporthalle als Nichtwohngebäude unter Maßgabe der aktualisierten EnEV 2014 durchgeführt.
Die ermittelten Werte werden mit früheren Berechnungsergebnissen sowie mit dem tatsächlichen Energieverbrauch der Sporthalle verglichen. Dabei wird festgestellt, dass eine zuverlässige energetische Bewertung eines Passivhausgebäudes mit Hilfe der marktüblichen EnEV-Programme nicht möglich ist. Die ermittelten Werte widersprechen den realen Verbrauchsdaten. Die Einhaltung der 50 %igen primärenergetischen Unterschreitung der Passivhausanforderungen, konnte jedoch anhand der realen Verbrauchsdaten bestätigt werden. Zur Untersuchung der bereits vorgenommenen Optimierungsmaßnahmen werden anhand Messdaten ausgewählte Anlagenkomponenten analysiert und bewertet. Eine Verbesserung der Energieeffizienz des Gebäudes konnte trotz weiterhin auftretender Probleme festgestellt werden. Abschließend werden weitere Empfehlungen zur Optimierung des Anlagenbetriebs aufgezeigt.
Verfasst von: Susann Klöditz
Betreut von: Dipl.-Ing. Juliane Schmidt
Integration einer solarthermischen Großanlage in eine städtische Fernwärmeversorgung
Die „Stadtwerke Zittau GmbH“ planen perspektivisch 2 konventionelle Blockheizkraftwerke aus ihrem Erzeugerpark im „Heizwerk Friedensstraße“ durch eine Solarthermieanlage zu ersetzen. Diese Solartermieanlage soll gemäß den Bestimmungen des EEWärmeG (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz) einen fünfprozentigen Anteil an der jährlichen Fernwärme-Einspeisung liefern. Zunächst wird die Fernwärme-Lastsituation der Jahre 2013 und 2014 analysiert. Auf dieser Basis und unter Einbeziehung des zu erwartenden zukünftigen Fernwärmeverbrauchs der Endkunden wird ein fiktiver Fernwärme-Lastgang aufgestellt.
Dieser bildet die Grundlage für die anschließende Dimensionierung der Solarthermieanlage.Es wird zunächst geprüft, ob eine Solarthermieanlage ohne einen Speicher die sich ergebenden Anforderungen erfüllen kann. Anschließend wird die Solarthermieanlage um einen Wasserwärmespeicher, dessen Dimensionierung, genau wie die Bemessung der verschiedenen Kollektorfelder, Teil dieser Studienarbeit ist, ergänzt. Es wird deutlich, dass die Anlage nur mit einem integrierten Speicher sinnvoll in das Fernwärmenetz eingebunden werden kann. Nach einer vergleichenden Bewertung wird sich zeigen, dass eine Solarthermieanlage als Ersatz für die konventionellen Blockheizkraftwerke wirtschaftlich sinnvoll ist.
Verfasst von: Alessandro Hülser
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl-Ing. Thomas Große; Stadtwerke Zittau GmbH
Betrachtungen zum Einsatz von Gaswärmepumpen
Die umweltpolitischen Forderungen der Bundesregierung den Primärenergiebedarf sowie die Treibhausgas- Emissionen, unter erhöhter Einbindung erneuerbarer Energien, zu senken zielen auf eine umweltschonende, effiziente sowie bezahlbare Energieversorgung ab. Die innovative Gaswärmepumpen- technologie vereint all diese Forderungen in einem kompakten Gerät. Gegenüber konventionellen Gaskesseln und Gasbrennwertgeräten kann eine weitere Effizienzsteigerung, hinsichtlich der Menge des einzusetzenden Energieträgers, erzielt werden. Die Arbeit untersucht die gegenwertige Wärmemarktsituation der Gaswärmepumpe. Unter diesem Aspekt wurde, mittels umfassender Recherchearbeit, eine ausführliche Marktübersicht der aktuell verfügbaren Gaswärmepumpen erstellt. Des Weiteren wurden die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten der Gaswärmepumpe, unter Berücksichtigung alternativer Technologien, näher beleuchtet. Abschließend wurden die zukünftige Wärmemarktsituation der Gaswärmepumpe abgeschätzt sowie Vorschläge zur Unterstützung der weiteren Marktentwicklung unterbreitet. So deuten Aspekte wie die hohe Erdgasverfügbarkeit, ein gut ausgebautes Erdgasnetz sowie die starke Verbreitung von Erdgasanwendungen im Wärmemarkt auf das große Marktpotenzial der Gaswärmepumpentechnologie in Deutschland hin.
Verfasst von: Sandra Giese
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Literaturstudie zu elektro-physikalischen Parameter von Biofilmen in Trinkwasser führenden Rohrleitungssystemen
Durch die Bildung von Biofilmen ändern Bakterien ihre Lebensweise. Dies zieht Änderungen in ihrem Stoffwechsel, als auch der physikalischen Eigenschaften der Trägermaterialien mit sich. In der Arbeit werden die Adhäsion von Bakterien am Substrat und wichtige Einflussfaktoren auf die Eigenschaften von Biofilmen beleuchtet. Des Weiteren werden die Auswirkungen von Biofilmen auf technisch relevante Aspekte, wie Druckverlust, Wärmeübertragung und Korrosion betrachtet. Anschließend werden bestimmte Eigenschaften von Biofilmen dargestellt, welche zu Energieverlusten im Rohrleitungssystem führen. Den Abschluss bildet eine Übersicht heute gängiger Detektionsverfahren. Ziel der Arbeit ist es Möglichkeiten für neue Detektionsmöglichkeiten aufzuzeigen, welche weitere Informationen über die Biofilmbildung geben können. Denn nur durch das bessere Verstehen von den Prozessen, welche zur Biofilmbildung führen, kann versucht werden, der Biofilmbildung entgegenzuwirken.
Verfasst von: Alexander Bil
Betreut von: Dipl.-Ing. Jan Löser
Informationstechnische Grundlagen für die Erstellung von Energiekonzepten
Diese Studienarbeit beschreibt den Entwicklungsprozess von Energiekonzepten für Quartiere. Zunächst wird einleitend der Stellenwert von Energiekonzepten eingeschätzt. Anschließend folgt schrittweise die Beschreibung des Entwicklungsprozesses. Angefangen mit Voraussetzungen und zu erfüllenden Rahmenbedingungen werden die Punkte einzeln erläutert. Notwendige Informationen zur Analyse werden genannt und auf ihre Beschaffbarkeit eingegangen. Im Zuge der Möglichkeiten zur Energieversorgung werden verschiedene Techniken zur Energiebereitstellung vorgestellt und Erläuterungen zur Potenzialabschätzung vorgenommen. Dabei stehen vor allem regenerative Energiequellen wie Sonne, Biomasse und Geothermie im Vordergrund. Weiterhin werden Akteure genannt, die am Planungsprozess beteiligt sind. Unterstützt durch ein Fließschema wird noch einmal auf den Prozessablauf in seiner Gesamtheit eingegangen. Dabei werden Planungswerkzeuge genannt und vorgestellt, die die Entscheidungsfindung unterstützen können. Schlussendlich wird in Form einer Checkliste die Herangehensweise an die Planung von Energiekonzepten übersichtlich zusammengefasst und am Beispiel des Campusgeländes der Technischen Universität Dresden kurz veranschaulicht. Dabei handelt es sich nicht um eine detaillierte Erstellung eines Energiekonzepts, sondern soll dazu dienen, in Ansätzen die ersten Schritte zu demonstrieren. Abschließend steht ein Ausblick auf mögliche zukünftige Entwicklungen.
Verfasst von: Tobias Kade
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Kaiser
Konzeption, Aufbau und Programmierung eines Versuchsstandes zur wärmetechnischen Prüfung von Plattenwärmeübertragern
Dieser Große Beleg befasst sich mit der Konzeption, der Auslegung und dem Aufbau eines Versuchsstandes für die Untersuchung von Plattenwärmeübertragern. Am Anfang dieser Arbeit werden anhand der Fachliteratur und der Forschung der letzten Jahrzehnte Hintergrundinformationen zu den Theorien der Wärmeübertragung an Plattenwärmeübertragern gegeben. Es folgt eine ausführliche Beschreibung des Aufbaus des Versuchsstandes und der Programmierung der Steuerungssoftware, welche zusammen den Großteil der praktischen Arbeit ausgemacht haben. Bei der Entwicklung des Versuchsstandes sollten vorhandene Bauteile genutzt werden und die Anlage mit möglichst geringem Platzbedarf konzipiert werden. Außerdem sollte der Versuchsstand eine große Zahl an unterschiedlichen Bauformen von Plattenwärmeübertragern aufnehmen können. Ebenso sollten auch auf beiden Seiten des Wärmeübertragers die Parameter Vorlauftemperatur und Volumenstrom in einem großen Bereich frei wählbar sein. Ziel dabei war das Erreichen eines möglichst hohen Automatisierungsgrades und die Ermittlung von Nußelt-Gleichungen.
Verfasst von: Carsten Pietzsch
Betreut von: Dipl.-Ing. Jan Löser
Thermische und strömungstechnische Optimierung des Wärmemanagements eines Batterie-Kurzzeitspeichers
Die Zunahme erneuerbarer Energiequellen im Zuge der Energiewende erfordert zur Sicherung der Netzstabilität elektrische Speicher, welche in lokale bzw. globale Managementsysteme eingebunden sind. Diese können als flexible und schnell einsatzfähige Technologie Maßnahmen wie Frequenzregelung und Lastmanagement übernehmen. Die Belectric GmbH realisiert Blei-Säure-Batteriesysteme im internationalen Frachtcontainer-Design mit einer Maximalleistung von 1000 kW, welche im Zusammenhang mit Photovoltaik-Kraftwerken Systemdienstleistungen erbringen. Im Betrieb der Akkumulatoren entsteht je nach Leistungsanforderung ein signifikanter Wärmeumsatz, welcher die Alterungsprozesse der Zellen stark beschleunigt. Um, vor allem in warmen Regionen mit hohem Potential für Solarstromerzeugung, derartige Batteriespeicher betreiben zu können, ist ein optimales Wärmemanagement notwendig. In der Diplomarbeit wird das bestehende Luftkühlsystem mit Hilfe einer numerischen Strömungssimulation (Autodesk Simulation CFD) untersucht und stufenweise optimiert. Des Weiteren erfolgt die strömungstechnische Verifizierung eines neuartigen Luftkühlkonzeptes. Zusätzlich wird eine alternative Flüssigkühlung ausgelegt und ebenfalls fluiddynamisch untersucht. Die thermische Belastung der Kühlvarianten und deren Wirkung werden am Beispiel des Präqualifikationsverfahrens nachgewiesen. Zusammenfassend werden die zwei Konzepte der Luftkühlung und die entwickelte Flüssigkühlung gegenübergestellt und ein technisches Optimum identifiziert.
Verfasst von: Tobias Kämmerer
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. L. Fallant, BELETRIC GmbH Dresden
Energieeinsparung durch Raumtemperaturregelung
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollen die empirischen Forschungen zum Energieeinsparungspotenzial des Raumtemperaturreglers vertieft werden. Die Zertifizierung für die Produkte der mechanischen Heizköperthermostate wird oft durch das sogenannte TELL erreicht. TELL ist eine Abkürzung von „Thermostatic Efficiency Labelling“, welcher ein Klassifizierung-Schema zur Energieeffizienzkennzeichnung von Heizköperthermostatventilen darstellt. Es ist ein freiwilliges energetisches Labelling-System, das durch namenhafte europäische Hersteller entwickelt worden ist. Eunited Valves, der Europäische Verband der Ventilhersteller, hat durch den Antrag auf Registrierung das TELL-Label für Heizkörperthermostatventile vergeben. Für die Zertifizierung der elektronischen Heizköperregler wird ein neues Verfahren, das sogenannte eu.bac.cert, eingesetzt.
eu.bac ist die Abkürzung für „European Building Automation Control Association“. Dieser ist ein europäischer Verband, der von den Herstellern und Anbietern im Bereich Haus- und Gebäudeautomation im Jahr 2003 gegründet wurde. Zurzeit repräsentieren die Mitglieder von eu.bac etwa. 95% der Hersteller auf dem europäischen Markt. Um das zuvor schon beschriebene Zertifizierungsverfahren TELL und „eu.bac“ zu überprüfen, wird in diesem Kapitel ein Gebäude in der Stadt Frechen als Beispiel betrachtet. Mit der Simulations-Software „Gebäude-Simulation 3D Plus“ von der Firma Hottgenroth/ETU wird eine Gebäude- und Anlagensimulation über das Beispielsgebäude durchgeführt. Durch die Eingabe unterschiedlicher Sollwerte der Raumtemperatur wird der Heizenergieverbrauch des Gebäudes mit verschiedenen Einzelraumreglern simuliert.
Verfasst von: Ou Xiang
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Auswirkungen von Automation und Regelung auf den Energieverbrauch von Gebäuden
Automation und Regelung wirken sich signifikant auf die Energieeffizienz und die Nachhaltigkeit von Gebäuden während ihres Lebenszyklus aus. Die vorliegende Arbeit untersucht die Teilbetriebskennwerte der Gebäudeautomation nach der Normenreihe DIN V 18599-11, die den Beitrag der Gebäudeautomation zur Energieeinsparung beschreibt. Zunächst sind unterschiedliche Gebäudemodelle unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen und Einflussgrößen zu erstellen. Daran anschließend werden die Endenergiebedarfe von den Gebäudemodellen durch geeignete Softwaretools bewertet, die für die Berechnungen der Teilbetriebskennwerte benötigt werden. Dabei sind die ausgerechneten Teilbetriebskennwerte in Anlehnung an das vereinfachte Verfahren nach DIN EN 15232 den Automatisierungsgrad gemäß einzuordnen, um einen eingehenderen Vergleich anzustellen. Ferner ist eine Plausibilitätsprüfung zur Beurteilung der Genauigkeit der erzielten Ergebnisse und der Automatisierungsgrade durchzuführen. Ganz unvermeidlich stellt sich die Frage, inwieweit die Gebäudeautomation in Software umgesetzt wurde. Zum Schluss wird ein kurzer Ausblick auf die Zukunftsaspekte und die zukünftige Entwicklung von Gebäudeautomation gegeben.
Verfasst von: Yipin Zang
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Vergleich von VDI 2078 (07.96, 2012 (Entwurf)) und thermischer Simulation hinsichtlich theoretischer Grundlagen und der damit erzielbaren Ergebnisse
Die zeitgleich mit Abgabe dieser Diplomarbeit erschienene, völlig neu überarbeitete VDI 2078: 2015-06 hat im Vorfeld ihres Erscheinens für kontroverse Diskussionen in der Fachwelt gesorgt. So verzögerte sich der Ausgabetermin von ursprünglich Ende 2014 auf schließlich Juni 2015. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Rechenergebnisse, die mit der neuen VDI 2078 erzielt werden, auf neue Möglichkeiten hin zu überprüfen. Dazu wurden zuerst die inhaltlichen Unterschiede zwischen VDI 2078:1996 und der für diese Arbeit herangenommene Entwurfsfassung VDI 2078:2012 herausgearbeitet. Danach wurde anhand von einfachen Beispielen die von SOLAR-COMPUTER entwickelte Software für die VDI 2078:2012 mit einem Simulationsprogramm (IDA ICE) verglichen und diese Ergebnisse mit verschiedenen Handrechenverfahren überprüft. Dabei sind zum Teil erhebliche Abweichungen festgestellt worden.
Verfasst von: Lukas Spörl
Betreut von: Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr.-Ing. P.Vogel (INNIUS)
Analyse der Modelica-basierten Gebäudesimulation und Co-Simulation mit TRNSYS-TUD
Modelica ist eine objektorientierte und gleichungsbasierte Programmiersprache, um komplexe physikalische Systeme zu modellieren. Im Bereich der Gebäudesimulation stehen zahlreiche Modelica-Modellbibliotheken frei zur Verfügung. Im Rahmen des vorliegenden großen Belegs erfolgt nach einer kurzen Vorstellung von Modelica und seiner Entwicklungsumgebung eine Analyse der Möglichkeiten zur dynamischen Simulation von gebäude- und anlagentechnischen Systemen. Diese Analyse besteht aus der Beschreibung und einem Vergleich von verschiedenen Modellbibliotheken, zu den Themen Raumsimulation, Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagensimulation, Wettersimulation, innere Wärmegewinne und Behaglichkeit. Während dieser Analyse wurden auch die Möglichkeiten der Kombination der Modellbibliotheken betrachtet und zusammengetragen. Anschließend werden verschiedene, schon in TRNSYS-TUD umgesetzte, Validierungsverfahren zur Umsetzung in Modelica ausgewählt, um die beiden Simulationsprogramme zu vergleichen. Zum Schluss wird die Co-Simulation zwischen Modelica und TRNSYS-TUD betrachtet.
Verfasst von: Marianne Biéron
Betreut von: Dr.-Ing. Alf Perschk, Dipl.-Ing. Sven Paulick
Gestaltung von Probandenuntersuchungen zur Bewertung der thermischen Behaglichkeit in einem Versuchsraum
Lüftungstechnische Aspekte nehmen bei Neubauten einen immer größeren Stellenwert ein. Zur energetischen Einschätzung unterschiedlicher anlagentechnischer Varianten ist jedoch die genaue Kenntnis des Übertragungsverhaltens unter statischen und dynamischen Gesichtspunkten von großem Interesse. Im Rahmen der Belegarbeit soll eine Literaturübersicht zu bestehende Modellen von Luftbefeuchtern erstellt werden. Die Vor- und Nachteile der einzelnen Modelle sollen dargelegt und analysiert werden. Der Luftbefeuchter soll programmtechnisch bearbeitet werden, um ihn der Simulationsumgebung TRNSYS-TUD zugänglich zu machen.
Verfasst von: Dmitrij Gorlovsky
Betreut von: Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Wojciech Kozak
Löslichkeitsuntersuchungen für Wasser-Glykol-Gemische
Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde ein Versuchsstand entwickelt, an dem es möglich ist, Löslichkeitskoeffizienten für Atmosphärengase in Wasser-Glykol-Gemischen experimentell zu bestimmen. Erste bereits durchgeführte Untersuchungen werden nun für zusätzliche Gase und Lösungsmittel ausgeweitet. Neben der Weiterentwicklung der Versuchsapparatur und der Optimierung von Versuchsabläufen sollen auch Vergleiche zu den bisherigen Ergebnissen neue Erkenntnisse und eine breitere Grundlage zur Interpretation liefern. Es wurden Löslichkeiten von Stickstoff und Luft sowohl in reinen Wasser-Glykol-Gemischen unterschiedlicher Konzentrationen, als auch in Fertigmischungen mit korrosionshemmenden Zusatzstoffen, welche in der Praxis verwendet werden, untersucht. Dadurch ist es möglich den Einfluss dieser Inhibitoren in den Fertiggemischen auf die Löslichkeit von Atmosphärengasen zu analysieren und mögliche Problemursachen in modernen Anlagen zu identifizieren. An insgesamt 65 auswertbaren einzelnen Versuchstagen konnten wichtige Daten für die Berechnung von Löslichkeitskoeffizienten und die Analyse und Interpretation von Temperatur- und Druckverläufen gesammelt und genutzt werden. Zudem können durch eine vereinfachte Abschätzung der Messunsicherheiten von unterschiedlichen Untersuchungsmethoden die Ergebnisse besser eingeordnet werden.
Verfasst von: Max Pham
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Felix Panitz
Erstellung eines Modulsystems für Klimaanlagen
Raumlufttechnische Anlagen erlangen innerhalb der Gebäudetechnik einen immer größeren Stellenwert. Besonders in Bereichen mit hohen Anforderungen an den Komfort werden raumlufttechnische Anlagen eingesetzt. Zunehmend werden diese aber auch in Einfamilienhäusern, vor allem in Niedrigenergie- und Passivhäusern verbaut. Vor dem Hintergrund weiter steigender Forderungen der Energieeinsparverordnung (EnEV), welche eine immer größere Luftdichtheit und Einsparungen bei dem Primärenergiebedarf des Gebäudes fordert, wird Klimatechnik und die Simulation dieser einen wichtigen Anteil innerhalb der Gebäudetechnik einnehmen. Ein geeignetes Simulationsprogramm hierfür ist TRNSYS-TUD, welches im Rahmen dieser Arbeit um die Funktion erweitert wurde Klimatechnik in der Simulationsumgebung abzubilden. Das Modell ermöglicht es, verschiedene Bauteile zu einer Klimaanlage zu kombinieren und diese Anlage zu simulieren. Damit ist es möglich Aussagen über die Auswirkungen variierender raumlufttechnischer Anlagen zu treffen. Diese stellen die Grundlage für weitere Forschung und die Auslegung von Klimaanlagen dar.
Verfasst von: Benjamin Perschk
Betreut von: Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr.-Ing. Markus Rösler
Entwurf, Aufbau und Inbetriebnahme eines Versuchsstandes zur Emulation vom Mikro-KWK Anlagen
Die aktuell verwendeten Kennzahlen zur Angabe der Effizienz von Mikro-KWK-Anlagen entsprechen bedingt durch das angewendete stationäre Messverfahren oft nicht den in der Realität erreichten Leistungszahlen. Dies führt zu ökonomischen Fehlkalkulationen und enttäuschten Nutzern, was die Verbreitung und Akzeptanz der Technologie gefährdet. Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist daher die Erstellung eines Emulationsversuchsstandes zur instationären Untersuchung dieser Anlagen, um eine dem realen Betrieb entsprechende Effizienz ermitteln zu können. Dafür wird die Auslegung und Konstruktion des Versuchsstandes begleitet sowie die Inbetriebnahme und erste Messungen durchgeführt. Um das zur Emulation verwendete Gebäudemodell validieren zu können, wird eine Normen und Literaturrecherche zu statistischen Gebäudekennwerten und dem durchschnittlichen Nutzerverhalten durchgeführt. Diese Recherche bezieht sich dabei auf den Ein- und Zweifamilienhausbereich, da Mikro-KWK-Geräte aufgrund ihrer Leistungsklasse hauptsächlich dort eingesetzt werden.
Verfasst von: Franziska Pleißner
Betreut von: Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dr.-Ing. Martin Knorr
Auslegung einer Wärmepumpenanlage zur Beckenwasserwärmung einer Schwimmhalle mit Abwärme- und Umweltwärmenutzung
In einer Schwimmhalle fallen jährlich hohe Mengen an Duschwasser und Abwasser einer Filtrationsanlage an. Durch den Einsatz einer Wärmepumpenanlage kann die Abwärme des anfallenden Abwassers genutzt werden, um den Fernwärmebezug, der für die Becken- und Trinkwassererwärmung erforderlich ist, zu senken. Da die nutzbare Abwärme nicht ausreicht um den Gesamtenergiebedarf (ca. 860 MWh/a) abzudecken, wird in der Arbeit die zusätzliche Einbindung von Außenluft untersucht. Es wird geprüft, ob der anlagentechnische Mehraufwand oder der Betrieb einer kleineren Wärmepumpe mit der ausschließlichen Nutzung von Abwärme und der Deckung des Restbedarfes aus bereits anliegender Fernwärme wirtschaftlicher ist. Die Einbindung der Wärmequellen in den Wärmepumpenprozess wird anhand eines hydraulischen Schemas vorgenommen und eine Regelungs- und Steuerungsstrategie in Abhängigkeit des anfallenden Abwassers, der Außenlufttemperatur sowie des Wärmebedarfes ausgearbeitet. Anschließende Untersuchungen der Arbeit zeigen, dass die alleinige Nutzung der Abwärme, aufgrund zu hoher Investitionskosten bei zu geringem Heizenergieertrag, zu keinen wirtschaftlichen Betrieb der Wärmepumpenanlage führt. Durch die zusätzliche Einbindung von Außenluft wird der Heizenergieertrag deutlich gesteigert, wodurch jährlich Einsparungen von bis zu 36.000 € gegenüber der bestehenden Fernwärmeversorgung erzielt werden können.
Verfasst von: Markus Vass
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. André Preuß, FWU Ingenieurbüro GmbH, Dresden
Erstellung eines Modells zur Be- und Entfeuchtung in klimatechnischen Prozessen
Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines Konzeptes für Versuche zur thermischen Behaglichkeit in einem neu errichteten Versuchsraum der TU Dresden, Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung im Merkelbau. Für diesen Versuchsraum werden die drei Bereiche Raumausstattung, Probanden und Messtechnik diskutiert. Im ersten Bereich wird nach einer Literaturrecherche von Studien mit dem Schwerpunkt Büroräume besonderes Augenmerk auf die Möblierung, Beleuchtung und Akustik des Raumes gelegt. Aber auch die farbliche Gestaltung wird betrachtet. Im zweiten Teil werden Aspekte betrachtet, die im Umgang mit Versuchspersonen wichtig sind. Dazu zählen deren Akquise, die Auswahl, die Konditionierung sowohl vor dem Versuchstag in Form von Informationsveranstaltungen als auch am Versuchstag mit der Einweisung in die Versuche und die Beschäftigung während der Versuche. Bei der Auswahl werden die Anzahl der Personen, entscheidende Kriterien und die Zusammenstellung einer repräsentativen Stichprobe erörtert. Den dritten Teil bildet die Festlegung der Messgrößen auf der Basis vorhandener Behaglichkeitsmodelle, die Auswahl von Messgeräten und die Bestimmung der Position dieser Messgeräte. Zusätzlich wird das konzipierte Beleuchtungssystem messtechnisch überprüft. Abschließend werden Überlegungen zu Variationen im Versuchsaufbau und daraus resultierenden weiteren Anwendungsmöglichkeiten des Versuchsraumes angestellt.
Verfasst von: Anne Hartmann
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. Alexander Buchheim
Energetische Optimierung und Nachhaltiges Bauen
Die Arbeit befasst sich mit der Frage was Nachhaltigkeit ist und inwiefern Sie innerhalb des Gebäudesektors realisiert werden kann. Mit Hilfe von bestehenden Zertifizierungssystemen versucht man diese Optimierung mess- und vergleichbar zu machen. Im Rahmen der Betrachtung rücken vor allem deren energierelevanten Aspekte in den Fokus. Das erste Kapitel vergleicht drei in Deutschland verbreitete Varianten der Bewertung von nachhaltigem Bau. Die Organisationen, welche hinter diesen Methoden stehen, werden hierbei näher untersucht und ein erster Einblick in die entsprechenden Kriterien gewährt. In den folgenden zwei Kapiteln beschränkt man sich nun auf ein System und beschreibt dessen Vorgehen bei der Bewertung von ausgewählten Punkten mit energetischem Bezug im Detail. Dafür werden Gebäude und Gebäudeensemble (Quartiere) getrennt betrachtet. Das vierte Kapitel handelt von der Verknüpfung von Gebäudesimulationsprogrammen mit den vorher beschriebenen Kriterien. Ein geeigneter Ansatz wird erläutert und auf die Probleme einer möglichen Umsetzung hingewiesen. Im letzten Kapitel werden die gewonnenen Erkenntnisse angewendet und die Nachhaltigkeitsbewertung an bestimmten Gebäuden beispielhaft durchgeführt.
Verfasst von: Sebastian Gruber
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Beitrag zur Modellierung und Erprobung der dezentralen Solarthermie-Einspeisung in Fernwärmenetze
Im ersten Teil der Arbeit wird anhand von Anlagendaten einer existierenden Solarthermieanlage das dynamische Verhalten eines Solarthermieanlagen-Modells untersucht. Die verwendete Simulationsumgebung ist MALAB-Simulink mit Komponenten der CARNOT-Toolbox. Die Ergebnisse des Modells werden anhand zweier Lösungsansätze, der sprunghaften Zustandsänderung und der Jahressimulation, validiert und bewertet. Im zweiten Teil werden Messdaten für zwei Fernwärmestationen: die Dresdner Gartenheimsiedlung (GHS) und dem Münchner Ackermannbogen (MAB) aufgearbeitet. Für die beide Fernwärmestationen werden hochaufgelöste Lastgänge nach dem Typtagverfahren generiert. Die Daten können für die Emulation des Abnehmers und die Aufnahme in eine bestehende Messdatenbank dienen. Im dritten Teil der Arbeit wird ein CARNOT-HANEST-Modell mit Zustandsautomat und hydraulischer Weiche in die Simulationsumgebung MATLAB-Simulink implementiert. Auf die Rückkopplung zwischen der HANEST und dem Fernwärmenetz wird verzichtet. Anhand eines ausgewählten Typtags wird das Modell bewertet und Lösungsansätze für zukünftige Arbeiten erarbeitet.
Verfasst von: Lisette Hähnel
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Martin Heymann, Dipl.-Ing. Toni Rosemann
Untersuchung der ASHRAE-basierten Energiebilanzierungssoftware Sefaira hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für die energetische Gebäudeplanung im Geltungsbereich der deutschen Normung
Die US-amerikanische Firma Sefaira bietet mit der gleichnamigen ASHRAE-basierten Online-Anwendung ein potenzielles Werkzeug für die frühzeitige Integration von Nachhaltigkeits- und Energieeffizienzaspekten in der Gebäudeplanung. Sefaira ermöglicht dies unter anderem durch die Ermittlung zu erwartender Energiebedarfskennwerten. Ziel ist daher eine Einschätzung der Verwendbarkeit und des Nutzens Sefairas für die energetische Gebäudeplanung und Nachhaltigkeitsberatung von Gebäuden. Hierbei steht insbesondere die Anwendung Sefairas zur Vorbewertung eines Gebäudes für die Ausstellung des Energieausweises nach DIN V 18599 im Fokus. Zu diesem Zweck erfolgt eine Gegenüberstellung der Eigenschaften Sefairas mit denen der DIN 18599-basierten Software SOLAR-COMPUTER. Im Mittelpunkt der Untersuchung steht der Vergleich der Berechnungsergebnisse Sefairas mit denen SOLAR-COMPUTERs anhand drei ausgewählter Bürogebäude. Eine anschließende Analyse diskutiert potenzielle Ursachen der festgestellten Kennwertabweichungen. Die abschließende Bewertung rät von einer Nutzung Sefairas als Vorbewertungswerkzeug für die DIN V 18599 ab. Es werden Grenzen aber auch weitere Anwendungsmöglichkeiten Sefairas aufgezeigt.
Verfasst von: Kristin Küther
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Hydraulik in Heizungsanlagen
Kaum ein elektronisches Auslegungsprogramm unterstützt die Berechnung von Teillastzuständen in Heizungsrohrsystemen. Auch deshalb werden Umwälzpumpen ausschließlich über den kaum auftretenden Auslegungsfall ermittelt und gewählt. Wird die Pumpe nach dem tatsächlich auftretenden Lastzuständen gewählt, arbeitet die Heizungspumpe im günstigeren Arbeitsbereich. Sie verbraucht weniger Energie ohne die Versorgungssicherheit zu gefährden. An einem Bürogebäude konnten so durch diese Betrachtung einige hundert Euro gespart werden. Auch in Bestandsgebäuden lohnt sich eine nachträgliche Betrachtung. Hier kann das Einsparpotenzial noch deutlich größer ausfallen. Der Tausch der Heizungspumpe gegen eine Hocheffizienzpumpe rechnet sich bei einem Einfamilienhaus nach 2 bis 7 Jahren. Über die gesamte Nutzungsdauer können wiederrum mehrere hundert Euro gespart werden.
Verfasst von: Rico Günther
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, B. Götze, Cofely Deutschland GmbH
Numerische Berechnung der Raumluftströmung in einem Modellraum auf Basis der Lattice-Boltzmann-Methode
Eine Raumluftströmung, die 1995 durch ein Modellexperiment untersucht wurde, wird mit der Lattice-Boltzmann-Methode nachgerechnet. Die numerischen Ergebnisse werden mit den Messdaten verifiziert. Die prinzipielle Funktionsweise und praktische Konfiguration der Simulation werden ausführlich erläutert.
Viele Diskussionen über die numerische Genauigkeit und Stabilität sind enthalten. Zahlreiche Erkenntnisse und Erfahrungen werden dokumentiert. Während die zweite Hälfte der Arbeit eher praxisorientiert ist, werden davor die umfangreichen theoretischen Grundlagen der Methode systematisch dargestellt.
Verfasst von: Xunzhang Yuan
Betreut von: Dr.-Ing. Ralf Gritzki , Dr.-Ing. Markus Rösler
Optimierung einer p-dotierten µc-SiOx Schicht in einer a-Si/µc-Si-Tandemsolarzelle zur Verbesserung des Lichtmanagements
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden ein p-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschichten mit variabler Stöchiometrie(μc-SiOx:H) optimiert. Das Ziel der Optimierung war die Senkung des Brechungsindex bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der elektrischen Eigenschaften der Schicht. Im Besonderen die Aufrechterhaltung der Leitfähigkeit, durch die Schicht, soll durch eine genügend hohe Kristallinität gewährleistet werden. Es wurde der Einfluss der Precursorgaszusammensetzung auf die resultierenden optoelektronischen und strukturellen Schichteigenschaften untersucht. In den erstellten Versuchsreihen wurden variierende Kohlendioxidgehalte, Wasserstoffverdünnungen und Gesamtflüsse untersucht. Eine Senkung des Brechungsindex der Schichten konnte durch eine höhere Kohlendioxidkonzentration im Precursorgas erreicht werden, wobei die Ausbildung von Kristalliten gehemmt wird und die Leitfähigkeit der Schicht sinkt. Durch hohe Wasserstoffverdünnungen war es möglich den Brechungsindex zu senken und dabei die Kristallinität der Schicht zu erhöhen. Bei steigenden Gesamtflüssen konnte eine Erhöhung des Brechungsindex gezeigt werden, gleichzeitig ermöglichen hohe Gesamtflüsse gesteigerte Kristallinitäten und weniger Fehlstellen. Vielversprechende Einzelschichten wurden zur Herstellung von Dünnschicht-Tandemsolarzellen genutzt. Die so hergestellten Solarzellen wurden hinsichtlich der resultierenden Zellparameter untersucht. Es konnten Schichten hergestellt werden, bei denen sowohl der Brechungsindex als auch der Serienwiderstand deutlich gesenkt wurden. Mit der besten Solarzelle konnte eine stabilisierte Wirkungsgradsteigerung von 0,4% (4% relative Verbesserung) im Vergleich zur Referenzzelle erreicht werden. Die erhaltenen Ergebnisse können als Grundlage für weitere Verbesserungen genutzt werden, wie zum Beispiel dem Einsatz der Schicht in Bragg-Spiegeln, wofür lediglich eine Schichtdickenoptimierung nötig wäre.
Verfasst von: Patrick Krüger
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dr.-Ing. Simon Kirner,Helmholtz-Zentrum Berlin f. Materialien u. Energie GmbH
Bewertung der Planungs- und Bauabläufe am Beispiel eines Forschungsgebäudes
Die Folgende Interdisziplinäre Projektarbeit befasst sich, mit dem Thema „BEWERTUNG DER PLANUNGS- UND BAUABLÄUFE AM BEISPIEL EINES FORSCHUNGSGEBÄUDES“. Das Zentrum für radiopharmazeutische Tumorforschung (ZRT) wurde hierbei als konkretes Objekt benannt. Zunächst wird auf die Beschreibung des Bauvorhabens im Allgemeinen wie im speziellen eingegangen. Anschließend werden spezifische Planungswerkzeuge vorgestellt, welche der Unterstützung der Planungsphasen dienen. Innerhalb der Planungsphasen kommt es zu Änderungen, welche im Abschnitt 4 der Arbeit aufgegriffen werden. Abschließend erfolgt eine Jahreskostenschätzung für ausgewählte Bereiche der technischen Gebäudeausrüstung. Zusammenfassend ergibt sich für das Planungsvorhaben des ZRT eine umfangreiche und umfassende Aufgabenstellung an die besonderen technischen Anforderungen und daraus resultierenden Bauabläufe.
Verfasst von: Julia Scholz
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Numerische Berechnung der Luftqualität und Lüftungseffektivität im direkten Umfeld von Personen zum Vergleich verschiedener Konzepte maschineller Lüftung
Mit dem Ziel der Untersuchung der Luftqualität und Lüftungseffektivität im direkten Umfeld von Personen, wird ein Büro mit zwei Arbeitsplätzen mittels CAD-Eingabeprogramms modelliert. Das Personenmodell wird modelliert mittels eines 3D-Scanners. Für die Innenraum-Belüftung werden zwei konventionelle Lüftungskonzepte nämlich Mischlüftung sowie Quelllüftung und eine persönliche Lüftung ausgelegt und eingesetzt. Nach Modellierung und Vernetzung des kompakten Modells wird eine gekoppelte Gebäude-, Anlagen- und Strömungssimulation durchgeführt. Bei jedem Lüftungskonzept lässt eine Phase von 15 Tagen jeweils im Heizfall und im Kühlfall simulieren. Mit Hilfe der numerischen Simulationsverfahren können alle Zustandsparameter der Raumluft an beliebiger Stelle im Büro im Zeitablauf berechnet werden, einschließlich Schadstoffkonzentration und Luftalter, die hier für Untersuchung der Luftqualität und Lüftungseffektivität erforderlich sind. Ausgehend von den allgemeinen Kriterien für Lüftungseffektivität werden angemessene Kriterien für die Lüftungseffektivität im direkten Umfeld von Personen erstellt. Mit diesen Kriterien werden die Ergebnis-Daten der sechs Basissituationen ausgewertet. Jede Basissituation wird mehrmals simuliert mit verschiedenen Ist-Temperaturen und Proportionalfaktoren für Regelung, um die optimale Sensorpositionierung und Sensitivität der untersuchten Anwendungsfalls zu untersuchen. Außerdem werden der Energiebedarf der eingesetzten HLK-Systeme für die betrachteten Anwendungsfälle und die damit erzielte thermische Behaglichkeit analysiert und miteinander verglichen. Zuletzt wird die Möglichkeit zur Reduktion von Luftvolumenströmen bei persönlicher Lüftung geprüft.
Verfasst von: Zheyu Wang
Betreut von: Dr.-Ing. Claudia Kandzia , Dr.-Ing. Markus Rösler
Aufbau, Analyse und Optimierung eines alternativen Wärmekraftkopplungskonzeptes
Die enorm hohen CO2-Emissionen, die aus vielen Jahrzehnten nicht nachhaltiger Erzeugung von Strom und Wärme aus fossilen Brennstoffen entstanden sind, werden allgemein als die Hauptursache für den Klimawandel, heute die größte Bedrohung für die Umwelt, gesehen. Es besteht ein dringender Bedarf für die Bereitstellung nachhaltiger Energietechnologien. Eine viel versprechende Option für eine nachhaltige Energieversorgung von Wohngebäuden sind Verbundsysteme zur kombinierten Produktion von Wärme und Strom. Diese Systeme könnten auf ihren Einsatz optimiert und in unmittelbarer Nähe des Verbrauchers aufgestellt werden. Aufgrund der dezentralen Lage unserer Liegenschaft im Allgäu und den regelmäßigen Unterbrechungen in der Elektrizitätsversorgung durch den örtlichen Energieversorger, war die Anschaffung eines Notstromaggregates für unsere Liegenschaft sinnvoll. Bei der Berechnung der Anschlussleistung unserer Liegenschaft stellte sich schnell die Frage, wie viel Versorgungssicherheit im Falle eines Stromausfalls benötigt wird. Die Suche auf einer der größten Auktionsplattformen lieferte für alle denkbaren Fälle durchaus bezahlbare Alternativen. Aufgrund meiner Ausbildung zum Truppenoffizier der Instandsetzung und der Tätigkeit als Leiter Technischer Einsatzführung sind mir Begriffe wie Standfestigkeit und Wartungsaufwand als sehr wichtige Parameter bekannt. Zur Warmwasserbereitung sowohl für Brauchwasser als auch für die Versorgung der Zentralheizung wurden bereits im Jahr 2008 ein Pufferspeicher mit einem Volumen von VP = 1m3 und darauf abgestimmt Solarkollektoren in Ergänzung zu einer bereits bestehenden Ölheizung installiert. Aufgrund dessen war die Entscheidung eines wassergekühlten Notstromaggregates, welches zusätzlich die Warmwasserversorgung sicherstellt, schnell getroffen. Es wird derzeit ein 4,4 Liter Perkins-Dieselmotor betrieben, der einen Synchron-Drehstromgenerator mit einer maximalen Leistung von Pel = 30 kW antreibt. In der nachfolgenden Arbeit wird dargestellt, warum genau diese Alternative gewählt wurde. Weiterhin wurde eine sich selbstregelnde Einstellung des Volumenstroms des Kühlwassers entwickelt, konstruiert und auf seine Güte hin vermessen. Um die Wärmekapazität der Abgase nutzen zu können, wurde ein Abgaswärmeübertrager berechnet und gefertigt, da eine effektive Ausnutzung der Primärenergie wichtig ist. Der oft versprochene hohe Wirkungsgrad von η ≈ 90% bei Öl- bzw. Gasheizungen zur Erzeugung von Warmwasser ist rechnerisch richtig, jedoch fehlt in der Regel eine Exergiebilanz. Nach Inbetriebnahme der Anlage wurde diese mit der notwendigen Messtechnik versehen, um die Wirkungsgrade und Nutzungsgrade zu ermitteln, was ein Vergleich mit auf dem Markt erhältlichen Anlagen ermöglicht.
Verfasst von: Rainer Dietrich Jung
Betreut von: Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Paul Seidel
Grundlagenanalysen zur Modellierung von komplexen Gasnetzen
In der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen für Druckverlustberechnungen in Gasnetzen für die Software TRNSYS-TUD zusammengetragen und validiert. Hierfür wurde eine Gleichung zur Berechnung dieses Druckverlustes und eine Formel zur Berechnung des Wärmeübergangs erarbeitet. Für beide Berechnungen wurden Formeln zur Ermittlung der Stoffwerte zusammengetragen. In einem letzten Schritt vor der Umsetzung wurden die Theorie der Netzberechnung und die damit verbundenen Begrifflichkeiten erläutert. Ein Algorithmus wurde aus diesen Theorien erstellt und für Kontrollen in visual basic for applications (VBA) geschrieben. Dadurch konnte in zwei Beispielen erst geprüft werden, ob der Algorithmus korrekte Werte liefert und dann in einem zweiten Beispiel, ob der Algorithmus korrekt in TRNSYS-TUD implementiert wurde. Diese Arbeit schließt dann mit einem Vergleich dieser Werte ab.
Verfasst von: Karl Eugen Wolffgang
Betreut von: Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr.-Ing. Alf Perschk
Untersuchungen an einem fensterintegrierten Belüftungssystem mit Wärmerohr-Wärmeübertrager
In dieser Arbeit wurde ein Prototyp eines dezentralen Fensterlüftungssystems mit Wärmerückgewinnung entwickelt. Der Schwerpunkt lag darauf, nur einen Ventilator zu verwenden und die Wärmerückgewinnung mittels eines Wärmeübertragers aus am Markt verfügbaren Wärmerohren durchzuführen. Durch die Verwendung von nur einem Ventilator soll erreicht werden, dass das Gerät leise arbeitet. Der Gegenluftstrom soll dann frei nachströmen. Als eine weitere Zielstellung galt die Erfüllung der Vorgaben des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes für die Wärmerückgewinnung als Ersatzmaßname der Nutzung erneuerbarer Energien. Dazu wurden verschiedene Wärmeübertrager aufgebaut und vermessen sowie verschiedene Ventilatortypen auf Luftdurchsatz und Geräuschemission untersucht. Die Messungen haben ergeben, dass die Verdampferleistung der untersuchten am Markt verfügbaren Wärmerohre für den eingesetzten Temperaturbereich zu gering ist. Die Vorgaben des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes konnten noch nicht erreicht werden. Der Aufbau mit nur einem Ventilator und nachströmender Zuluftseite erweist sich dann nicht als praktikabel, wenn die Leckagen im Raum zu groß sind. Es wird daher empfohlen für weitere Aufbauten jeweils einen möglichst leisen Ventilator für Zu- und Abluftseite einzusetzen.
Verfasst von: Miko Tusch
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dr.-Ing. K. Hackeschmidt, ILK Dresden
Realistisches Lüftungsverhalten für die Gebäudesimulation TRNSYS-TUD
Die vorliegende Arbeit hat das Ziel die theoretischen Grundlagen zur Fensterlüftung und Infiltration der Gebäudesimulation TRNSYS-TUD [2] (Weiterentwicklung von TRNSYS, Version 14.2) zu erarbeiten. Dafür wird zuerst das Fensterlüftungsverhalten der Bewohner von Wohngebäuden analysiert. Mit diesem Wissen werden dann Fensterlüftungszeitpläne erstellt. Vor allem die raumabhängigen Fensterluftwechselraten nach KLESSE [1] sind eine wichtige Grundlage
dafür. Zusätzlich wird im selben Kapitel kurz die von TRNSYS-TUD benutzte Methode erläutert, welche den simulierten Fensterluftwechsel vom Wetter abhängig macht. Im Anschluss wird eine vereinfachte Methode aus der DIN EN 15242 herausgearbeitet und vorbereitet, welche in Zukunft den Zoneninfiltrationsluftwechsel in TRNSYS-TUD vom Wetter abhängig machen soll. Abschließend werden mit den in dieser Arbeit entwickelten Neugestaltungen Simulationen
ausgeführt und diese veriziert.
[1] Andreas Klesse. Modellierung und Bewertung unterschiedlichen Nutzerverhaltens in hochwarmegedämmten Einfamilienhäusern. 2012.
[2] Alf Perschk. Gebäude- und Anlagensimulation - Ein "Dresdner Modell". GI- Gesundheitsingenieur, 131:178-183, 2010.
Verfasst von: Mathias Hummel
Betreut von: Dr.rer.nat. Christoph Schünemann, Dr.-Ing. Alf Perschk
Konzipierung eines biogas- und biomassebasierenden Fernwärmenetzes
In Deutschland entfielen 2012 rund 34 % des gesamten Energieeinsatzes auf die Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser. Die staatliche Förderung von Biogasanlagen hat in den vergangenen Jahren im ländlichen Raum ein großes Potential für die Wärmeversorgung aus erneuerbaren Energien geschaffen. Anhand einer 721-Personen-Gemeinde in Norddeutschland
wird gezeigt, wie eine bestehende Biogasanlage zur Grundlastabsicherung in Verbindung mit einer Holzhackschnitzelheizung als Spitzenlastkessel das Potential besitzt, eine jährliche Wärmemenge von rund 2,4 MWh jährlich mittels Fernwärme bereitzustellen. Das erarbeitete Wärmenetz besteht dabei sowohl aus Kunststoffmantelrohren als auch
aus polymeren Medienrohren. Die Vorlauftemperatur ist auf 85 °C und der maximale Betriebsdruck auf 6,5 bar begrenzt. Der Primärenergiefaktor beträgt dabei 0. Die weitläufige Gemeindestruktur wirkt sich durch den mittleren Wärmeabsatz von 531 kWh/m*a negativ auf die Investition und die Wärmeverluste im Betrieb aus. Somit erwirtschaftet das energetisch sehr positive Konzept trotz enormer Förderung durch den Staat langfristig kaum Rendite. Ausschlaggebend dabei ist die bis 2025 begrenzte Förderung des Stromverkaufes der Biogasanlage durch das EEG, die im Gesamtkonzept einen erheblichen Anteil darstellt. Deshalb ist eine direkte Umsetzung des Projektes ohne erneute Prüfung der Wirtschaftlichkeit zur Zeit nicht sinnvoll.
Verfasst von: Jan Lobsien
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Emulation des instationären thermischen Verhaltens einer Raumumfassungskonstruktion
In der vorliegenden Arbeit wurde mit dem Aufbau eines Informationsverbundes aus numerischer Gebäude- und Anlagensimulation und Steuerungssoftware des Versuchsraumes der TU Dresden die Grundlage für realitätsnahe Randbedingungen bei Untersuchungen zur thermischen Behaglichkeit geschaffen. Das Konzept der Emulation, also die Nachbildung von simulierten Gebäude- und Anlagenverhalten an einem real existierenden Versuchsstand, benötigt dabei Informationen zu realitätsnahen Oberflächentemperaturen. Hierfür wurde ein Gebäudemodell erschaffen, bei welchem ein Raum die einzeln temperierbaren Flächen im realen Versuchsraum widerspiegelt. Durch die Umsetzung des Gebäudemodells in verschiedenen Wärmeschutzniveaus lassen sich unterschiedliche thermische Zustände der Raumumfassungskonstruktionen betrachten. In Simulationen der Gebäudemodelle mit Hilfe von TRNSYS-TUD wurde eine Datenbasis geschaffen, mit der eine Auswahl von charakteristischen Betriebsszenarien und die Definition von realitätsnahen Einsatzgrenzen durchgeführt wurde.
Mit der Emulation der ausgewählten Szenarien wurde die Funktion des Informationsverbundes nachgewiesen und die mit der Simulation ermittelten Temperaturen bzw. Temperaturänderungen konnten umgesetzt werden. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf die Ausweitung des Informationsverbunds auf den vollständigen Versuchsraum und Vorschlägen zur Erweiterung der verwendeten Software ab.
Verfasst von: Martin Henkner
Betreut von: Dr.-Ing. Alf Perschk, Dipl.-Ing. Alexander Buchheim
2014
Wärmepumpen im Smart Grid
Der Forschungsdrang und das allgemeine Interesse an dem Konzept „Smart Grid“ sind in neuster Zeit in Anbetracht des Atomausstieges und des Zuwachses Erneuerbarer Energien angestiegen. Es wird händeringend nach optimalen Speichermöglichkeiten für die fluktuierende dezentrale Erzeugung von Strom gesucht. Die Wärmepumpe als gut steuerbare elektrische Last kann hier eine Lösung repräsentieren. In diesem Kontext wird der Einsatz der Wärmepumpe im Smart Grid dargestellt. Eine Herstellerübersicht smarter Wärmepumpen wird gegeben und die Problematik der Kommunikation mit dem intelligenten Netz wird beleuchtet. Weiterhin sind Pilotprojekte in unterschiedlichen europäischen Staaten beschrieben, in denen Wärmepumpen eingesetzt werden. Der letzte Teil der Studienarbeit handelt von den Anwendungsmöglichkeiten der Wärmepumpe in Zusammenhang mit der Verfügbarkeit der Wärmequellen oder der Kühlung des Gebäudes. Das Ergebnis ist, dass Wärmepumpen im Smart Grid-Verbund eine Möglichkeit zum netzdienlichen Lastmanagement bieten. Die Hersteller haben verschiedenen Möglichkeiten geschaffen, um die Wärmepumpe Smart Grid-fähig zu bekommen. Ein großes Problem sind die Kommunikationsstrukturen, um bidirektionale Stromaustausche zu messen. Einheitliche Rahmenbedingungen und Gesetze für intelligente Zähler im Niederspannungsbereich und welche Akteure im smarten Verbund welche Schalthandlungen durchführen dürfen fehlen noch. Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik nimmt hier eine Vorreiterrolle ein und entwickelte Sicherheitsstandards für die Messgeräte. In Smart Grid-Projekten werden die Maschinen noch als Randtechnologie eingesetzt und sollen Erkenntnisse für spätere Vorhaben liefern. Die Kosten für die Anschaffung einer Wärmepumpe müssen für den Endkunden lohnenswert sein. Netzbetreibern muss eine einfache Integrierung der Wärmepumpe in das Smart Grid ermöglicht werden. Neuere Geschäftsmodelle mit renovierten Anreizen für den flächendeckenden Einsatz von Wärmepumpen im Smart Grid werden in Zukunft an Bedeutung gewinnen.
Verfasst von: Fabian von Bienenstamm
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Numerische Untersuchungen zu Strömungsdruckverlusten bei Wärmeübertrager regenerativer Gaskreisprozesse
Mit der vorliegenden Arbeit soll eine numerische Untersuchung des Druckverlustverhaltens von Wärmeübertragern regenerativer Gaskreisprozesse durchgeführt werden, deren Erkenntnisse zur Auslegung und zum Betrieb dieser Maschinen verwendet werden können. In einem ersten Schritt wird dazu eine Übersicht vorhandener regenerative Gaskreisprozesse erstellt. Darauf aufbauend werden die Wärmeübertrager ausgeführter Maschinen auf ihre Geometrie untersucht und die Randbedingungen für die numerische Betrachtung definiert.
Im Anschluss wird, basierend auf den Voruntersuchungen und entsprechender Literaturrecherchen, ein numerisches Simulationsmodell untersucht, das die Berechnung des Druckverlustverhaltens unter den Randbedingungen der oszillierenden Strömung ermöglicht. Auf Grundlage des Simulationsmodells erfolgt eine Parameterstudie, um die Einflüsse der Änderung der Parameter auf den Druckgradienten zu untersuchen. Die ermittelten Ergebnisse werden anschließend mit den Korrelationen verglichen, die in der Praxis für Simulationsmodelle regenerativer Gaskreisprozesse üblicherweise Verwendung finden, z. B. dem quasistationären Ansatz. Für einen gegebenen Massestrom stellt die mittlere Variante der 3 untersuchten Geometrien als optimal heraus. Für die kleine Variante ergeben sich höhere Verluste aufgrund der größeren Oberfläche und für die große Variante aufgrund des erhöhten Oszillationseinflusses.
Verfasst von: Robert Heidrich
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) Torben Möller
Energetische Optimierung eines Bürogebäudes unter besonderer Berücksichtigung der Geothermie
Der Gebäudebereich bietet ein immenses Potenzial für Energieeinsparungen und Effizienzsteigerungen. Eine vielseitige Möglichkeit dieses Potenzial auszureizen stellt die geothermische Nutzung des Untergrundes mittels Wärmepumpen dar. In dieser Arbeit wird ein innovatives Energiekonzept zum Heizen und Kühlen eines Bürogebäudes mit dieser Technologie untersucht. Es wird versucht für sämtliche Anlagenkomponenten Optimierungspotenziale zu identifizieren. Dazu werden Daten aus verschiedenen Quellen zusammengetragen, aufbereitet und analysiert. Diese Datenquellen sind die verbauten Energiezähler, in einigen Erdwärmesondenbohrungen verbaute Lichtwellenleitermesstechnik, eine Heizleistungsmessung der Wärmepumpen und die historischen Daten der Gebäudeleittechnik. Es wird gezeigt, dass zur Umsetzung eines Optimierungsprozesses ein angepasstes Monitoring notwendig ist und Empfehlungen zu dessen Umsetzung gegeben. Zudem wird deutlich gemacht, dass mit der Entwicklung eines Software-Werkzeugs dieser Prozess erheblich vereinfacht und so einer großflächigen, wirtschaftlichen Anwendung zugeführt werden kann.
Verfasst von: Lukas Reimer
Betreut von: Dipl.-Ing. Stefan Hoppe, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Untersuchungen zum Einfluss von atmosphärischen Gasen auf Wirkungsgrad und Druckverlust solarthermischer Kollektoren
In solarthermischen Anlagen werden negative Auswirkungen freier Gase im Solafluid, wie Durchflussstörungen und reduzierter Wärmeübergang, vermutet. Da bisher jedoch keine Messdaten zu den in der Literatur genannten Effekten existieren, ergibt sich die Notwendigkeit diese zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden in der Arbeit die Auswirkungen einer gezielten Gasbeladung der Anlage auf den Kollektorwirkungsgrad und die Druckverluste an einem Indoor-Teststand untersucht. Zunächst werden bekannte Eintragsmechanismen atmosphärischer Gase sowie deren Erscheinungsformen und vermutete Wirkungen zusammengestellt. Anschließend werden für die Planung der Versuche theoretische Grundlagen zur Löslichkeit von Gasen im Solarfluid, zur Wirkungsgrad- und Druckverlustbestimmung und zu den im praktischen Teil verwendeten Nachweismethoden freier und gelöster Gase im Solarfluid aufgearbeitet. Diese wurden genutzt um am Indoor-Teststand notwendige Modifikationen, wie die Installation einer Begasungseinheit, vorzunehmen. Dabei wurden die in DIN EN 12975-2 geforderten Versuchsbedingungen berücksichtigt. Anschließend wurden unter Variation des Volumenstroms des Solarfluids, der mittleren Temperaturdifferenz zur Umgebung und der Gasbeladung Vorversuche zur Festlegung der Grenzen der Versuchsparameter durchgeführt. Die Erkenntnisse wurden genutzt um einen Referenzzustand ohne Gasbeladung und einen Zustand maximaler Gasbeladung zu testen und hinsichtlich des Kollektorwirkungsgrades und der Druckverluste miteinander zu vergleichen. In den Ergebnissen zeigt sich einerseits, dass eine Abhängigkeit des Kollektorwirkungsgrades vom Volumenstrom des Solarfluids besteht. Andererseits kann Einfluss freier Gasblasen im Kollektor auf den Kollektorwirkungsgrad insbesondere bei hohen Volumenströmen des Solarfluids vermutet werden. Bei kleinen Volumenströmen des Solarfluids hingegen konnte eine Änderung des Stagnationsverhaltens beobachtet werden. Hinsichtlich der Druckverluste ist ebenfalls ein negativer Einfluss der freien Gasblasen erkennbar, es lassen sich jedoch noch keine eindeutigen Tendenzen hinsichtlich deren Größe ableiten. Insgesamt können noch keine allgemein gültigen Aussagen zu den Auswirkungen freier Gasblasen auf den Kollektorwirkungsgrad und die Druckverluste getroffen werden, da bisher zu wenige Messdaten vorhanden sind. Insofern besteht weiterer Forschungsbedarf. Ein langfristiges Ziel der Untersuchungen kann sein, die während des Betriebs einer solarthermischen Anlage auftretenden Verluste mit der Kenntnis weniger Betriebsparameter und einem angemessenen mathematischen Modell theoretisch abzuschätzen und so beispielsweise die Notwendigkeit einer Entgasung des Solarfluids zu bestimmen.
Verfasst von: Luise Umbreit
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Martin Heymann
Wirtschaftliche Betrachtung von Passivhäusern im Vergleich zu Neubauten nach Energieeinsparverordnung
In dieser Arbeit werden vergleichbare Entwürfe eines Einfamilienhauses nach unterschiedlichen, energetischen Standards, bezogen auf Ihre Gesamtkosten während einer festgelegten Nutzungsdauer, miteinander verglichen. Die Fragestellung lautet, unter welchen Bedingungen der Bau eines Passivhauses wirtschaftlicher ist, als der Bau eines Hauses nach Energieeinsparverordnung (EnEV 2014) oder auf KfW Niveau. In Summe werden zwölf verschiedene Gebäude-Anlagen-Kombinationen bewertet. Es wird aufgezeigt, dass bei energetisch höherwertigen Gebäuden eine geringe notwendige Investition in die Anlagentechnik und der resultierende, geringere Energieverbrauch die anfallenden Mehrkosten für die Gebäudehülle ausgleichen. Das Passivhaus ist, mit einer auf den geringen Bedarf optimierten Anlagentechnik und ab einem Anstieg der Energiekosten von 3% jährlich, die wirtschaftlich empfehlenswerte Option.
Verfasst von: Eva Boog
Betreut von: Dr.rer.nat. Christoph Schünemann
Konzeptionelle Überlegungen in Vorbereitung eines Tiefengeothermieprojektes
Diese Arbeit befasst sich mit konzeptionellen Überlegungen in Vorbereitung eines Tiefengeothermieprojektes im Umfeld Dresdens. Im ersten Teil der Arbeit wird auf die Charakteristika des Projektumfeldes und dessen Nutzungsmöglichkeit eingegangen. Es werden Abschätzungen zu erreichbaren Fördertemperaturen und Masseströme und daraus abgeleiteten thermischen Leistungen angestellt. Außerdem wird die Frage des Anteils der Tiefengeothermie an der gesamten Energieversorgung und die Anbindung an das bestehende Fernwärmenetz der DREWAG Stadtwerke Dresden GmbH beantwortet. Im zweiten Teil der Arbeit geht es darum, mögliche Anlagenvarianten zur Wärme- und/oder Stromerzeugung aus Dresdens Tiefengeothermie hinsichtlich der im ersten Punkt diskutierten Untersuchungsergebnisse zu überprüfen und ein geeignetes System auszuwählen. Dabei wird ein KWK -Konzept mit einem Konzept zur ausschließlichen Wärmenutzung verglichen. Anschließend werden die Hauptanlagenkomponenten der besser geeigneten Anlage kurz erläutert und soweit es möglich ist überschläglich bemessen. Im dritten Punkt geht es um die Wirtschaftlichkeit der Tiefengeothermieanlage in Form von Wärmegestehungskosten und deren Sensitivität im Bezug zu unterschiedlichen Fördertemperaturen und Masseströmen.
Zum Schluss werden unterschiedliche Risikogruppen zu einem Tiefengeothermieprojekt diskutiert und auf den Projektstandort Dresden abgeleitet. Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass Dresden ausschließlich petrothermal durch eine EGS -Technologie nutzbar ist und Tiefen von bis zu 5000 m abgeteuft werden müssen, um gewinnbringende thermische Leistungen zu erzielen. Bei einer maximal möglichen Fördertemperatur von 116 °C und einem Massestrom von 60 kg/s können thermische Leistung von 11,5 MW erreicht werden [1]. Weiterhin ist durch die hohe Wärmelast Dresdens und der effizienteren Wärmenutzung eine Stromgenerierung auf Tiefengeothermiebasis nicht sinnvoll und sollte daher ausgeschlossen werden. Ein geeignetes Anlagenkonzept stellt die ausschließliche Wärmenutzung der tiefengeothermischen Quelle dar. Die Sensitivitätsanalyse zeigt, dass die thermische Leistung der Anlage vor allem von der Fördertemperatur abhängt und Wärmegestehungskosten im Bereich von 40 €/MWh bis 65 €/MWh liegen. Als Ergebnis zur Diskussion der Risiken ist festzuhalten, dass Dresden zwar außerhalb der Gefährdungszone vor natürlicher Seismizität liegt, aber aufgrund der anliegenden Mikroelektronikindustrie sowie sensiblen historischen Bausubstanz dennoch einem erhöhten Gefährdungspotenzial ausgesetzt ist.
Verfasst von: Marco Reinisch
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Thermodynamische und hydraulische Auslegung von MED-Anlagen mit dezentraler Rohwasserzuführung
Zur Entsalzung von Meerwasser können für die Erzeugung von Trink- oder Prozesswasser unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden. Die vorliegende Arbeit widmet sich dahingehend der thermodynamischen Auslegung sowie der Optimierung von Anlagen auf Basis der Mehrfach-Effekt-Destillation (MED).
Dabei wird zunächst anhand theoretischer Grundlagen die Entwicklung eines Simulationsprogramms zur Berechnung der Betriebskennwerte von dezentral einsetzbaren MED-Anlagen mit Plattenwärmeübertragern beschrieben.
Im Anschluss erfolgt eine Modellvalidierung anhand der Messwerte eines am ILK Dresden entwickelten Prototypen, der in erster Linie als Teststand für Wärmeübertrager eingesetzt wird. Ein Vergleich der theoretisch simulierten und in der Praxis gemessenen Werte unterschiedlicher Wärmeübertrager-Ausführungen zeigt dabei, dass das Simulationsprogramm eine hinreichende Berechnungsgenauigkeit bezüglich der relevanten Anlagenparameter erreicht. Nachfolgend werden die Auswirkungen einer Dezentralisierung der Rohwasserzufuhr bei einer Double-Quattro-MED-Anlage sowohl theoretisch als auch in der Praxis untersucht. Nachdem zunächst auf Basis des zuvor entwickelten Berechnungsprogramms der Nutzen einer angepassten Rohwasserzufuhr untersucht und als positiv bewertet wird, wird im Anschluss eine dezentrale Rohwasserzufuhr konstruktiv realisiert und der sich einstellende Analagenbetrieb anhand verschiedener Messreihen analysiert. Ein Vergleich mit den durchgeführten Messungen bei der ursprünglichen zentralen Rohwasserzuführung zeigt dabei deutlich, dass sich die leistungsspezifische Destillatproduktion durch die Optimierung der Zuführung um mehr als 10% steigern lässt und somit die energetische Anlageneffektivität verbessert werden kann.
Verfasst von: Andreas Meurer
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dr.-Ing. Bodo Burandt; ILK Dresden gGmbH
Erarbeitung und Bewertung eines Energiekonzeptes
Durch die fluktuierende und damit zeitlich unzuverlässige Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen wie Sonne und Wind, wird die Frage der Stromspeicherung in Zukunft immer drängender. Die vorliegende Arbeit untersucht daher das Prinzip ,,Power to gas to power'', die Umwandlung von Strom in chemische gebundene Energie in Form eines synthetischen Gases mittels Elektrolyse und die anschließende Rückverstromung. Neben einer Betrachtung der dabei verwendeten chemischen Grundvorgänge Elektrolyse und Methanisierung, erfolgt dabei eine Analyse der Teilschritte des Prozesses. Dabei werden Vor- und Nachteile von möglichen alternativen Teilschritten beleuchtet, sowie Stoff und Energieströme untersucht. Anschließend werden mögliche Prozessabläufe genannt, sowie bereits vorhandene Projekte vorgestellt. Bei einer Untersuchung der Wirtschaftlichkeit stellt sich heraus, dass ein wirtschaftlicher Einsatz des Prozesses nur selten erreicht werden kann. Eine Gegenüberstellung zu anderen Stromspeichertechnologien stellt Vorzüge und Nachteile im Vergleich zu den Alternativen dar. Eine anschließende Aufstellung von Chancen und Hemnissen für die Power-to-Gas-Technologie schließt die Arbeit ab. Es wird zusammenfassend erkannt, dass die Technologie für die Zukunft große Chancen bietet, eine rein regenerative Energieversorgung zu ermöglichen, jedoch zum jetzigen Zeitpunkt vor allem wirtschaftliche Gründe gegen eine breite Nutzung sprechen.
Verfasst von: Franziska Pleißner
Betreut von: Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert; Dr.-Ing. M. Göbel, Dr.-Ing. J. Hartan (VNG Gasspeicher GmbH)
Abschätzung des Potenzials und Bewertung von Smart Home Konzepten
Im Zuge fortschreitender technologischer Entwicklungen wird das Konzept des Smart Home (SH) Wirklichkeit für den Endanwender. Dem SH werden große Vorteile in Energieeffizienz und Komfortbereitstellung zugeschrieben. In der vorliegenden Arbeit wird eine Potenzial- und Wirtschaftlichkeitsanalyse mit Augenmerk auf den Bereich des Energiemanagements eines SH durchgeführt. Mehrere marktreife SH Lösungen sind bereits jetzt in einem im Jahr 2017 mit fünf Mrd. Euro prognostizierten Markt verfügbar. Mittels einer Gebäudesimulation werden sowohl der Bereich der Wärmebereitstellung als auch der Geräte und Anwendungen untersucht. Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass vor allem Gebäude mit hohen Energiebedarfen aufgrund geringem Gebäudeenergiestandard und geringer Energieeffizienz im Gerätebestand Potenziale für einen wirtschaftlichen Betrieb aufweisen. Insbesondere die intelligente Heizungssteuerung erreicht in vielen Fällen eine Investitionsempfehlung, wohingegen eine einzeln betrachtete intelligente Geräte- und Lichtsteuerung aus wirtschaftlicher Sicht keine Empfehlung erhält. Im Vergleich zu andern Maßnahmen der Energie- bzw. CO2-Emissionsreduktion fällt die SH Lösung für einzelne Bereiche ebenso positiv aus, da sie in ihren Vermeidungskosten anderen Lösungen wie beispielsweise der Heizungsmodernisierung überlegen sein kann.
Verfasst von: Stefan Ubben
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Prof. Dr. D. Möst
Ermittlung einer optimierten Betriebsfahrweise von Gegenstromkühltürmen zur Minimierung des Primärenergieeinsatzes am Beispiel der Maschinenhalle Nord im EVC 1, Dresden
Das Energieversorgungscenter in Dresden Wilschdorf stellt seit 1998 für den Halbleiterhersteller Globalfoundries Strom, Heiß-, Warm- und Kaltwasser bereit. 2006 musste der Kraftwerkspark u.a. um sechs zusätzliche Turbokältemaschinen erweitert werden, um den wachsenden Energiebedarf des Verbrauchers und seine Versorgung mit Kaltwasser im 5/11° C- sowie im 11/17°-C Betrieb abdecken zu können. Dabei wurde der Kühlkreislauf der Turbokältemaschinen mit 27°C Vorlauf- und 34°C Rücklauftemperatur ausgelegt, um Warmwasser aus einem anderen Prozess vorwärmen zu können. Die Untersuchungen dieser Arbeit belegen, dass die bisherige Betriebsweise durch eine effizientere Kopplung von Kältemaschinen, Kühlwasserpumpen und Gegenstrom-Kühltürmen abgelöst und so ein beträchtliches Maß an Primärenergie eingespart werden kann.
Der theoretische Teil beleuchtet zunächst die Wirkmechanismen der Kälteanlage, bevor vor Ort und durch Kontakt mit den Herstellern die technischen Rahmenbedingungen und die Betriebscharakteristika der eingesetzten Maschinen ermittelt, in Testfahrten analysiert und überprüft wurden. Nachdem sich ein Messen aller Betriebspunkte als unrealisierbar erwies, wurde ein Simulationsmodell entwickelt, dass das Problem der komplexen Abhängigkeit der verschiedenen Einflussgrößen untereinander berücksichtigt. Dabei wurde die Zielgröße, in dieser Arbeit die Summe aus Verdichterleistung, Pumpenleistung und Ventilatorleistung soweit wie möglich minimiert. Das Einsparpotential wurde errechnet.
Verfasst von: Felix Pfeiler
Betreut von: Dipl.-Ing. Elisabeth Eckstädt; Uwe Püschmann, Dipl.-Ing. Matthias Schmidt, Dipl.-Ing. Sophie Fischer, Energieversorgungscenter, Dresden-Wilschdorf GmbH & Co. KG
Modellierung von Kältespeichern
In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Modelle für die Verluste, die bei Kaltwasserspeichern auftreten, vorgestellt. Durch die Vermischung des kalten, nutzbaren Wassers mit warmem Wasser entstehen bei geschichteten Kaltwasserspeichern Kapazitätsverluste. Zusätzlich treten Wärmeleitungsverluste auf, da Wärme von der wärmeren Umgebung durch Wärmeleitung auf das Wasser übertragen wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Excel-Kalkulation entwickelt, mit der die Wärmeleitungsverluste näherungsweise berechnet werden können. Der Wert für das Verhältnis aus Wärmeleitungsverlusten und maximaler Speicherkapazität lag für einen großen Kaltwasser-speicher mit beispielhaften Parametern in dem Bereich 2*10-3. Damit konnte die Annahme aus der Literatur bestätigt werden, dass die Wärmeleitungsverluste im Normalfall vernachlässigt werden können. Für die Abschätzung der anderen Verluste, die hauptsächlich durch Vermischung entstehen, werden zwei Modelle aus der Literatur vorgestellt. Im ersten Modell werden zwei Kenngrößen zur Leistungsbemessung präsentiert. Anschließend wird deren Abhängigkeit von Speicherparametern mittels eines CFD-Modells und einer Regressionsanalyse hergeleitet. In dem zweiten Modell wird eine analytische Lösung der Energiegleichung vorgestellt. Die resultierende Gleichung für das zeit- und ortsabhängige Temperaturprofil wird dafür verwendet, um den Wirkungsgrad des Speichers zu berechnen. Bemerkungen zur Anwendung der Modelle schließen die Arbeit ab.
Verfasst von: Christina Kirschstein
Betreut von: Dipl.-Ing. Elisabeth Eckstädt
Inbetriebnahme und Vermessung einer Wärmepumpe kleiner Leistung sowie Erstellung eines studentischen Praktikums
Der Wärmeverlust durch die Zirkulation in zentralen Trinkwassererwärmungsanlagen kann bis zu 50% des Gesamtwärmebedarfs für die Trinkwassererwärmung betragen. Als Maßnahme zur Senkung der Zirkulationsverluste wurde am Institut für Energietechnik mit einem Industrieforschungspartner eine Pilot-Zirkulationswärmepumpe entwickelt und aufgebaut. Auf Grund der variierbaren Wärmequelle, dem hohen messtechnischen Ausrüstungsgrad und der guten Zugänglichkeit der Anlagenkomponenten ist das Aggregat dafür prädestiniert in der studentischen Ausbildung eingesetzt zu werden. Im Rahmen der Belegarbeit soll die vorhandene Wärmepumpe ertüchtigt und in die bestehende Peripherie im Zentrum für Energietechnik (ZET) eingebracht werden. Anhand der Messergebnisse geeignet zu konzipierender Versuchsreihen sind gegebenenfalls Vorschläge zur Verbesserung der Wärmepumpe zu erarbeiten und umzusetzen.
Verfasst von: Felix Werner
Betreut von: Dipl.-Ing. Stefan Hoppe, Dr.-Ing. Karin Rühling
Solare Trinkwarmwasserbereitung mit Photovoltaik
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Trinkwarmwasserbereitstellung durch die Technologien der Photovoltaik und Solarthermie. Es wird der Frage nachgegangen, unter welchen Aspekten und zugehörigen Rahmenbedingungen eine dieser Technologien bevorzugt zur Verwendung kommen kann. Ziel ist es zu klären, inwiefern sich die bisher noch nicht weit verbreitete photovoltaische Stromerzeugung zum Zweck der Wärmebereitstellung in Einfamilienhäusern anhand von primärenergetischen, wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten rentiert. Die Fragestellung wird auf der Grundlage anwendungsspezifischer Normen und Richtlinien sowie aktueller Fachliteratur ausgearbeitet und diskutiert. Stundengenaue Wetterdaten stellen eine ergänzende Datenquelle dar, die präzisere Ergebnisdarstellungen ermöglichen. Im Ergebnis wird deutlich, dass die Solarthermie die wesentlich geringeren Energiegestehungskosten im Vergleich zu Photovoltaikanlagen hat und somit die geeignetere Variante zur Trinkwassererwärmung darstellt. Die Einbindung der Technologien auf der Grundlage der o. g. Medien in ein Gesamtsystem führt zu einer detaillierteren Untersuchung der weiteren Systemkomponenten. Dabei erscheint die Auswahl des Trinkwassers- und Batteriespeichers für die ökonomische Bewertung des Systems von tragender Bedeutung.
Verfasst von: Marc Kissling
Betreut von: Dipl.-Ing. Elisabeth Eckstädt
Energiemanagement und Automation
Der Kampf gegen den Klimawandel ist allgegenwärtig, vor allem im Bereich der Technischen Entwicklung. Alternative Energien werden ausgebaut, erforscht und weiterentwickelt. Doch die Gesellschaft steht vor einem Problem. Sie weiß bislang nicht mit der verfügbaren Energie zu haushalten. Der Trend der Energieerzeugung bewegt sich hin zur Dezentralisierung, was auch eines Tages auch eine Beschränkung der verfügbaren Energie herbeiführt. Um diese Herausforderung zu bestehen ist höchste Energieeffizienz erforderlich, einerseits von den Verbrauchern selbst, andererseits von den technischen Anlagen, die sie umgeben. Energiemanagementsysteme stellen eine wichtige Grundvoraussetzung dafür dar. Durch derartige Systeme werden Energieeinsparpotenziale in Gebäuden entdeckt, was wiederrum durch das Ergreifen geeigneter Maßnahmen zu einer Verbesserung der energiebezogenen Leistung führt. Die DIN EN ISO 50001 beschreibt weitestgehend die organisatorische Umsetzung eines Energiemanagementsystems. Diese Belegarbeit untersucht, für welche Gebäudetypen sich Energiemanagementsysteme besonders eignen und mit welchen automationstechnischen Anlagen die Gebäude ausgestattet sein sollten, um den Anforderungen der Norm gerecht zu werden. Weiterhin wird analysiert, in wieweit die Technische Universität Dresden ein derartiges Konzept umsetzt und in welchem Umfang die Implementierung eines Energiemanagementsystems bei Smart Home Konzepten Sinn macht.
Verfasst von: Tobias Kämmerer
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Instationäres thermisches Verhalten von Gebäuden unter Verwendung vereinfachter Gebäudemodelle
Dynamische Simulationen des thermischen Verhaltens von Gebäuden sind wertvolle Werkzeuge der Analyse und Optimierung gebäudetechnischer Versorgungssysteme. Dennoch stehen vor allem der notwendige Eingabeaufwand im Rahmen der Modellerstellung und auch die eigentliche Ausführungsrechenzeit nicht in jedem Anwendungsfall im rechten Verhältnis zu den notwendigen Erkenntnissen. Vor diesem Hintergrund ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit die Untersuchung der Fragestellung, wie und insbesondere unter welchen Prämissen ein detailliertes, mehrzoniges Gebäudemodell vereinfacht bzw. reduziert werden kann, ohne dass durch diese Vorgehensweise signifikante Verluste der Ergebnisgüte der Simulation bedingt werden. Interessierende Ergebnisgrößen sind im konkreten Fall dabei sowohl der Heizenergiebedarf als auch der eigentliche kalorische Lastverlauf. Als Werkzeug der Modellreduktion dient in dieser Arbeit der Type 56 der Software TRNSYS 17, dessen Regelgröße jedoch ein softwareunabhängig gebildeter effektiver mittlerer Gebäudetemperatursollwert darstellt. Die Untersuchung abschließend erfolgt ein Ergebnisvergleich der abgeleiteten vereinfachten Gebäudemodelle mit dem anerkannten Rechenverfahren nach der VDI 6007 Blatt 1 basierend auf einem elektrotechnischen Ersatzmodell in Form des 2-Kapazitäten-Modells.
Verfasst von: Tobias Schlosser
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Alf Perschk
Design eines Messkonzeptes, einer Umfrage und einer Datenbankstruktur zur Erfassung von subjektiven und objektiven Behaglichkeitskriterien
Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der thermischen Behaglichkeit an Büroarbeitsplätzen über einen langen Zeitraum. Dafür wurde ein Konzept entwickelt, dass der Erfassung physikalischer Messwerte einerseits, und der Erhebung von Umfragewerten andererseits dient. Es ist flexibel gestaltet, sodass weitere Messgeräte, Fragen, Fragebögen, Messräume und Probanden jederzeit hinzugefügt werden können. Zunächst wurde der Stand der Forschung umrissen, um innerhalb des Forschungsfeldes der thermischen Behaglichkeit Forschungsfragen herauszustellen, die als besonders interessant erscheinen. Eine Liste möglicher physikalisch messbarer Daten wurde erstellt, nach diesen Kriterien gefiltert und Modulen zugeordnet, die ausgewählten Forschungsinteressen dienen. Einige Grundlagen für die Nutzung von Fragebögen wurden dargelegt und Fragen ausgewählt, die Positionierung von Messtechnik im Büroraum beschrieben, die Vernetzung des Messsystems und die Architektur einer Datenbank erstellt. Für die Bewertung thermischer Behaglichkeit von Strahlungsheizungen wurden Hinweise, Anregungen und Denkansätze geliefert, die deren Vergleichbarkeit mit konvektiven Heizungen für die Zukunft etwas greifbarer machen sollen.
Verfasst von: Martin Schorcht
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Haupt
Einsatzoptimierung von Wärmepumpen
Diese Arbeit beinhaltet Untersuchungen zum stromgeführten und solargeführten Wärmepumpenbetrieb unter der Ausnutzung von thermischen Speichereffekten im Gebäude. Durch die Verwendung von intelligenten Steueralgorithmen, sollen die Kosten des Strombezugs aus dem öffentlichen Netz unter Ausnutzung von veränderlichen Stromtarifen bzw. durch die Steigerung des Anteils an eigenverbrauchtem Photovoltaikstrom gesenkt werden. Im Zuge dieser Arbeit wird für zwei Gebäudetypen untersucht, wie groß die erzielbaren Effekte im Rahmen der Energiemanagementmaßnahmen sind. Auf der Grundlage der zukünftig steigenden Durchdringung von Erneuerbaren Energien im Stromnetz, wodurch Frequenz- und Spannungsschwankungen entstehen, soll ebenfalls das sich ergebende Potential zur Flexibilisierung der Strom-Nachfrageseite bewertet werden.
Die Untersuchungen zeigten, dass die entwickelten Algorithmen dazu führen, dass der Wärmepumpenbesitzer, durch die Teilnahme am Lastmanagement, Einsparungen bei den jährlichen Betriebskosten erzielen kann. Dabei ist für den stromgeführten Betrieb die Einführung lastvariabler Stromtarife für den Endkunden notwendig. Das Potential einer einzelnen Wärmepumpe zur Stabilisierung von Frequenz- und Spannungsschwankungen ist bezogen auf das gesamte Stromnetz eher gering, doch aufgrund der Vielzahl an dezentral vorhandenen Wärmepumpen kann ein guter Wirkungsgrad entstehen. Dafür ist die Schaffung eines Preisanreizes ein guter Aktivator.
Verfasst von: Rene Kronenberg
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Felix Panitz
Eigenverbrauch von Photovoltaikstrom – Stunden- oder Minutenwerte?
Die zeitliche Auflösung der Stromerzeugung aus Photovoltaik (PV) ist einer der Parameter, die sich auf die Simulation von PV-Systemen auswirkt. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Einflüsse von zeitlicher Auflösung auf den Energiebedarf aus dem Stromnetz, den eingespeisten PV-Strom und somit auf den Eigenverbrauchs-/ bzw. Autarkieanteil und auf die Gesamtkosten der PV-Anlage betrachtet. Dafür werden die unterschiedliche zeitlichen Auflösungen der PV-Stromerzeugung und des Energieverbrauchs von 1 Minute, 15 Minuten, 30 Minuten und 1 Stunde untersucht. Die hohen zeitlichen Auflösungen führen zu einer hohen Leistungsschwankung, während die niedrigeren Auflösungen die Leistungsprofile glätten und Spitzenleistung somit ausblenden. Diese Auswirkungen rufen weiter die Steigerung der Eigenverbrauchs- und Autarkieanteilswerte, Verminderung des vom Netz bezogenen Stroms und ebenfalls die Erhöhung der Einspeisungserlöse hervor. Je niedriger der Zeitschritt ist, umso größer können die Abweichungen der Eigenverbrauchs-/ und Autarkieanteil von zeitlicher Auflösung von 1 Minute werden. Es zeigt sich jedoch, dass die Autarktie-/Eigenverbrauchsquoten für die unterschiedlichen Zeitschrittweiten in der Jahressumme nicht signifikant voneinander abweichen. Zur akurateren Abschätzung des Eigenverbrauchs sollte natürlich trotzdem eine geringe zeitliche Auflösungn gewählt werden.
Verfasst von: Anchalee Prapatsornpittaya
Betreut von: Dr.rer.nat. Christoph Schünemann
Energieeffiziente Pumpen für die Landeshauptstadt Dresden
Heizumwälzpumpen bieten heutzutage ein enormes Einsparpotenzial. Oft sind die eingebauten Pumpen nicht nur überdimensioniert sondern völlig veraltet und längst nicht mehr auf dem neuesten Stand der Technik. Um letzteres einschätzen zu können, wurden 47 Pumpen in 13 Objekten der Stadt analysiert und durch eine passende, neue Pumpe ersetzt. Damit wurde die Einsparung von Stromverbrauch und CO2-Emissionen sowie die Amortisationsdauer und Kosteneinsparung nach 15 Jahren Lebensdauer bestimmt. Es zeigte sich bei fast allen Pumpen das erwartete technische Verbesserungspotenzial, allerdings erwiesen sich die zwei im Vergleich zum Privatkunden sehr günstigen Strompreistarife der Stadt als entscheidender, finanzieller Faktor beim Pumpenaustausch, da der Strompreis und dessen Wachstum zentrales Element der Wirtschaftlichkeit der neuen Pumpe ist. Auch wenn die Realitätsnähe der Berechnungen und damit der Ergebnisse nicht einhundertprozentig sicher ist, so konnten doch die Chancen und Probleme eines Pumpenaustauschs erfasst und quantifiziert werden.
Verfasst von: Johann Rüdiger
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Energetische Nutzung von Gebäudefassaden
Ein Großteil der deutschen Bevölkerung spricht sich für einen Ausbau der Nutzung von erneuerbaren Energien aus und auch die Bundesregierung, sowie der UN-Klimarat IPPC (intergovernmental panel on climate change) forcieren eine Erweiterung des Ausbaus von erneuerbarer Energienutzung. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen Technologien weiterentwickelt und neue Nutzungsflächen erschlossen werden. Diese Arbeit befasst sich mit Technologien, welche die bislang meist passiv genutzte Gebäudefassade energetisch erschließen sollen. Dabei werden folgende sechs Technologien: Photovoltaik, Solarthermie, hybride Doppelfassade, transluzente Wärmedämmung, Photobioreaktoren und das Projekt Windrail, vorgestellt und unter den Gesichtspunkten der energetischen Effizienz, der Standortbedingungen, des konstruktiven Aufwandes und der Wirtschaftlichkeit bewertet. Das Ziel dieser Arbeit ist es eine Übersicht verschiedener möglicher Technologien für eine energetische Erschließung der Gebäudefassade bereitzustellen. Der Preis vieler Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien sinkt zunehmend, gleichzeitig ist eine Zunahme der energetischen Effizienz zu verzeichnen. Dies begünstigt einen verbreiteten Ausbau erneuerbarer Energiesysteme auch an vermeidlich ungünstigen Flächen, wie einer senkrechten Gebäudefassade. Die energetische Nutzung von Gebäudefassaden wird immer lukrativer, jedoch muss immer eine Prüfung der Standortbedingungen erfolgen, um eine solche Technologie sinnvoll nutzen zu können.
Verfasst von: Tom Eckhardt
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Konzeption, technische Auslegung und Aufbau eines Praktikums- und Versuchsstandes für ein Mikro-KWK-Gerät auf Stirlingmotor-Basis
Diese Interdisziplinäre Projektarbeit befasst sich mit der Konzeption, der Auslegung und dem Aufbau eines Versuchs- und Praktikumsstandes für das Mikro-KWK-Gerät Viessmann Vitotwin 300-W. Dabei wird in der Vorbetrachtung auf die Grundlagen zu den Themen Kraftwärmekopplung (KWK), Mikro-KWK, Stirlingmotoren, Sankey-Diagramme und Verbrennungsrechnung eingegangen. Im Anschluss folgen Informationen über die verwendeten Komponenten des Versuchsstandes, über die Planung, über den Aufbau der Anlage und schließlich über die ersten Praktikumsversuche. Dabei wird im Besonderen auch auf die verwendete Messtechnik Wert gelegt. Zum Schluss werden eine Zusammenfassung und ein Ausblick gegeben. Im Anhang finden sich Unterlagen wieder, die im Laufe der Erstellung der Interdisziplinären Projektarbeit entstanden sind. Dazu zählen das Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema, die Mess- und Regelstellenliste, die Praktikumsunterlagen mit Lösungen und außerdem die Auszüge der erstellten Wikiseiten.
Verfasst von: Carsten Pietzsch
Betreut von: Dipl.-Ing. Jan Löser
Zeitvariable Bewertungsgrößen für Strom zur Berücksichtigung fluktuierender Erneuerbarer Energiequellen
Bisher werden vereinfacht jahresdurchschnittliche Werte des Primärenergiefaktors, der spezifischen Treibhausgasemissionen sowie des Anteils Erneuerbarer Energiequellen an der Stromerzeugung zur Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden und der Kraft-Wärme- Kopplung verwendet. Die starke Fluktuation der Einspeisung der regenerativen Energiequellen wird nicht berücksichtigt. Daher soll die Zeitvariabilität in dieser Arbeit untersucht werden. Dazu wird zunächst die Datengrundlage erklärt, Annahmen und Vereinfachungen für die Berechnung der zeitvariablen Bewertungsgrößen erläutert und verwendete Formeln hergeleitet. Anschließend werden Jahres-, Wochen-, und Tagesverläufe der Bewertungsgrößen dargestellt und erläutert sowie Häufigkeitsverteilungen abgebildet. In Kapitel 4 wird dann eine Berechnungsmöglichkeit für die Prognosejahre 2020 und 2030 hergeleitet. Im 5. Kapitel wird anschließend in zwei Beispielen die bisherige Bewertungsvariante mit der zeitvariablen Bewertung verglichen. Bei den verschiedenen Beispielen kommt es für die Jahre 2011- 2013 zu Abweichungen von 2,8 bis 3,39 %, sodass eine Verwendung des zeitvariablen Bewertungskriterium zunächst noch nicht sinnvoll erscheint. Für das Prognosejahr 2030 kommt es zu Abweichungen von 7,8 bis 8,8 %. Durch den flächendeckenden Einsatz von Demand Side Management in der Zukunft, also das Einschalten von stromintensiven Geräten und Anlagen bei günstigem Primärenergiefaktor, könnten diese Abweichungen noch wesentlich größer werden und die Bewertungsvariante attraktiver machen.
Verfasst von: Andreas Odenkirchen
Betreut von: Dipl.-Ing. Felix Panitz, Dr.-Ing. Karin Rühling
Möglichkeiten und Potentiale der Energierückgewinnung aus Be- und Entwässerungssystemen in Gebäuden
Die Systeme der Trinkwasserverteilung und Abwasserentsorgung in West- und Mitteleuropa verrichten seit dem 19. Jahrhundert zuverlässig ihre Dienste. Seither sind neben den entstandenen Großwasserkraftanlagen auch zahlreiche Entwicklungen im Bereich der Klein- und Kleinstwasserkraftanlagen sowie der Nutzung thermischer Energie für den Gebäudebereich zu verzeichnen. Nun ist von Interesse, welche dieser Technologien effektiv und effizient genug arbeiten, um einen signifikanten ökologischen und ökonomischen Nutzen zu produzieren. Diese Arbeit untersucht deshalb die systemischen Voraussetzungen für die Nutzung von Energierückgewinnungssystemen in Be- und Entwässerungsanlagen in Gebäuden. Dazu wird eine die Verschiedenheit der Bauwerke in den Dimensionen ihrer Trinkwassernetzanschlüsse berücksichtigende Klassifikation von Gebäuden entwickelt und die Problematik der jeweiligen Verbrauchsschwankungen thematisiert. Die sich anschließende differenzierte Betrachtung der Möglichkeiten zur Energierückgewinnung im Bereich der Be- und Entwässerungsanlagen im Gebäudebereich beinhaltet sowohl Aussagen zu technischen als auch zu ökonomischen Gesichtspunkten der Technologien. Darauf aufbauend wird eine Bewertung und ein Vergleich der Technologien untereinander vorgenommen. Zuletzt werden die Technologien dahingehend bewertet, wie effizient sie in den unterschiedlichen Gebäudeklassen eingesetzt werden können. Bisher ungenutzte Potentiale werden dabei deutlich; aber auch die Grenzen bereits genutzter Lösungen können dadurch besser erkannt werden.
Verfasst von: Mathias Poetzsch
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Nachhaltigkeitsanalyse von Solarstromspeichern in Gebäuden
In dieser Studienarbeit „Nachhaltigkeitsanalyse von Solarstromspeichern in Gebäuden“ wird die Verwendung des Solarstromspeichers hinsichtlich seiner Nachhaltigkeit bezogen auf den Primärenergieaufwand und die Treibhausgasemissionen untersucht. Er dient der Speicherung des durch die Photovoltaikanlage erzeugten aber nicht sofort verbrauchten Stromes. Die betrachteten Speicheralternativen sind Blei – Säure und Lithium – Ionen Akkumulatoren. Zudem werden die zu den Speichern gehörenden Batteriemanagement -systeme und im weiteren Verlauf der Arbeit die Integration des Speichersystems in ein Einfamilienhaus mit einer Photovoltaikanlage auf Nachhaltigkeit überprüft. Zum Vergleich wird die bisherige, konventionelle Methode ohne Speicher mit sofortigen Eigenverbrauch und der Einspeisung des übrigen PV - Stromes in das öffentliche Netz herangezogen. Ergebnis der Arbeit ist, dass Systeme mit Solarstromspeicher unabhängig ob Blei – Säure oder Lithium – Ionen Akku in Einfamilienhäuser ökologischer sind als Systeme ohne Speicher. Sie benötigen bis zu 50% weniger Primärenergie als Photovoltaiksysteme ohne Speicher. Im Vergleich zum reinen Strombezug aus dem Netz, können mit einem Solarstromspeicher bis zu 70% Primärenergie eingespart werden. Nach der Sensitivitätsanalyse zeigt sich, dass auch mit den neuen Festlegungen des Primärenergiefaktors zum Strommix ab 2016 diese Feststellung, zwar mit einer etwas geringeren Einsparung an Primärenergie und Treibhausgasemissionen, ihre Gültigkeit behält und Solarstromspeicher auch für Gebäude mit einem höheren Stromverbrauch denkbar sind.
Verfasst von: Catrin Weyers
Betreut von: Dr.rer.nat. Christoph Schünemann
Untersuchung eines neuartigen Verfahrens zur Speicherung von Elektroenergie
Auf Grund der aktuellen Diskussion über die Nutzung von Systemen zur Speicherung von Elektroenergie, angetrieben durch die Energiewende, wurde in dieser Studienarbeit ein neuartiges Verfahren untersucht, welches auf der Patentschrift „Verfahren zur Umwandlung und Speicherung von regenerativer Energie“ basiert. Bei diesem Verfahren wird die Elektroenergie mittels Druckanhebung von Wasser durch eine Pumpe gespeichert. Dieses Wasser verdichtet während der Beladung des Speichers ein Arbeitsfluid bis über den Kondensationspunkt. Zur Entladung wird das Arbeitsfluid verdampft und verdrängt dadurch das Wasser, welches unter Festdruckbedingungen in einer Turbine die gespeicherte Energie wieder abgibt. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Frage der Realisierbarkeit des Verfahrens in der im Patent beschriebenen Form. Dazu wurden zunächst, mit Hilfe des Stoffwertprogramms „FluidExcel“, die Möglichkeiten zur Variation des thermodynamischen Prozesses untersucht. Nach der Bewertung der Ergebnisse wurde dann für die energetisch günstigste Variante eine konstruktive Auslegung der Turbine und des Generators vorgenommen. Diese wurde anschließend mit einer Auslegung verglichen, die eine energiewirtschaftlich relevante Leistung ergibt. Abschließend wurde die Integrierbarkeit in Energieverbundsysteme betrachtet.
Verfasst von: Fiona Dominique Lüdecke
Betreut von: Dipl.-Ing. Felix Panitz, Dr.-Ing. Karin Rühling
Nachhaltigkeitsanalyse von Gebäudedämmung und Gebäudeanlagentechnik
In der Arbeit werden der Primärenergiebedarf und die entstehenden Treibhausgasemissionen bei der Herstellung verschiedener Gebäudeanlagen und Gebäudedämmungen erfasst. Der größere Herstellungsaufwand bei besserer Gebäudedämmung und effizienterer Anlagentechnik ist den Primärenergieeinsparungen während der Nutzungsphase gegenüber zustellen. Es werden Gebäude mit EnEV14-Standard und Passivhausstandard mit ökologisch unterschiedlichen Anlagen und Dämmstoffen verglichen. Das Besondere der Arbeit ist, dass der Herstellungsaufwand der Anlagen miteinbezogen wird und dass die Werte für den Primärenergieaufwand und die entstehenden Treibhausgasemissionen für die Dämmmaterialien aus mehreren verschiedenen Quellen bezogen wurden. Damit konnte die Genauigkeit der Daten im Vergleich zu anderen Arbeiten erhöht werden. Die nachhaltigsten Maßnahmen zur Senkung des Primärenergiebedarfs und der Treibhausgasemissionen sind die Verwendung von ökologischen Dämmstoffen, wie z.B. Zellulose und der Einbau von effizienten Anlagen mit niedrigem Brennstoff- und Stromverbrauch. In einem Betrachtungszeitraum von 20 Jahren kann durch diese Maßnahmen ein EnEV14-Neubau den gleichen Primärenergieverbrauch und die dabei entstehenden Treibhausgasemissionen wie ein Passivhaus erreichen.
Verfasst von: Adrienne Gehre
Betreut von: Dr.rer.nat. Christoph Schünemann
Intelligente Einbeziehung thermischer Speicher zur Erhöhung der Eigennutzung von Photovoltaikstrom im Wohngebäude
Diese Arbeit beinhaltet eine Untersuchung zur Verwendung von intelligenten Steueralgorithmen für die Gebäudeheizung und Trinkwarmwasserbereitung. Diese Algorithmen sollen eine Erhöhung des Eigenstrom verbrauchs der Photovoltaikanlage erzielen, da durch die sinkende Einspeisevergütung von Photovoltaikstrom der Eigenverbrauch immer rentabler wird. Im Zuge dieser Arbeit wird untersucht, wie sich Wandaufbauten auf das Abkühlverhalten des Gebäudes und somit auf die Möglichkeit der Verschiebung von Heizlasten auswirken und welche Anlagentechnik für diese Anwendung am geeignetsten ist. Des Weiteren werden Methoden entwickelt, die z. B. durch Abschätzen des Heizwärmebedarfs dazu beitragen sollen, die Algorithmen möglichst effizient zu gestalten. In der Untersuchung zeigte sich schlussendlich, dass die entwickelten Algorithmen derzeit noch nicht effizient genug sind, um den erhöhten finanziellen Aufwand für zusätzliche Anlagentechnik zu kompensieren. Jedoch besitzen die intelligenten Steueralgorithmen durch weitere Optimierung und in Anbetracht der zukünftigen Entwicklung des Strompreises und der Einspeisevergütung durchaus Potenzial, die anfallenden Heizkosten zu verringern und somit die Investition einer Photovoltaikanlage noch rentabler zu gestalten. Des weiteren wurde auch erarbeitet, dass die Verwendung von direktelektrischen Heizelementen zwar den Eigenverbrauch steigert, aber in Verbindung mit den intelligenten Algorithmen den Gesamtstromverbrauch auch deutlich erhöht, was als kritisch bewertet wurde.
Verfasst von: Korbinian Hörfurter
Betreut von: Dr.rer.nat. Christoph Schünemann
Nutzung von Geothermie: eine energiewirtschaftliche Bestandsaufnahme
Die Energiewende sowie an Bedeutung gewinnende Klimaschutzverpflichtungen fordern einen schnellen Ausbau regenerativer Energien, wie zum Beispiel der Geothermie. Die Arbeit untersucht die gegenwärtige und künftige wirtschaftliche Nutzung der Geothermie vor allem zur Wärmebereitstellung in Deutschland. Zu diesem Zweck wurde eine ausführliche Recherchearbeit geleistet, um sowohl technische und naturwissenschaftliche, als auch ökonomische und politische Rahmenbedingungen zu analysieren.
Die oberflächennahe Geothermie ist schon heute eine effektive Methode, um Wärme zu Heizzwecken bereitzustellen. Aufgrund hoher Kosten und unzureichender Erforschung ist die Tiefengeothermie zur Strom und Wärmebereitstellung jedoch heute noch nicht von wirtschaftlichem Interesse. Das große geologische Potenzial und vielversprechende Umweltaspekte geben einen Anreiz, die Geothermie in Zukunft weiter zu fördern. Unklar ist, wie lange es dauern wird, bis die Geothermie einen signifikanten Anteil zur Energiebereitstellung leisten kann.
Verfasst von: Kristin Wiegand
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Regenerative Energien für die Gebäudekühlung
Seit einiger Zeit steigt der Kühlbedarf im Gebäudebereich in Deutschland und aller Voraussicht nach wird sich dieser Trend fortsetzen. Es stellt sich die Frage, inwiefern sich die damit steigenden Kosten und der Energieverbrauch durch den Einsatz erneuerbarer Energien begrenzen lassen. Ob dies mit heutigen Mitteln möglich ist, wurde in dieser Studienarbeit untersucht. Dazu wurden Systeme betrachtet, die zur Kälteerzeugung entweder Antriebsenergie in Form von Wärme oder Strom benötigen, oder direkt eine vorhandene Wärmesenke nutzen. Es wurden Berechnungen für zwei Modellgebäude durchgeführt, bei denen es sich um ein Einfamilienhaus und ein dreistöckiges Bürogebäude handelt. Der Kühlbedarf der beiden Gebäude wurde mit Hilfe der Testreferenzjahr-Datensätze des Deutschen Wetterdienstes simuliert. Somit entstanden Lastprofile für einen Zeitraum von einem Jahr. Mit entsprechenden Herstellerangaben konnten nun für konkrete Anwendungsfälle Anlagen ausgelegt und deren Energieverbrauch und Kosten berechnet werden. Dabei handelte es sich um
- die Kühlung mit einer konventionellen Kompressionskältemaschine mit Strom aus dem Netz als Referenzvariante.
- die Nutzung einer Photovoltaik-Anlage zur Bereitstellung der elektrischen Energie für die Kompressionskältemaschine.
- eine Solarthermie-Anlage, mit der eine Adsorptionskältemaschine betrieben wird.
- passive Kühlung durch Geothermie - beim Einfamilienhaus durch einen Kollektor, beim Bürogebäude mit Sonden.
Außerdem wurden Lüftungssysteme diskutiert, die allerdings aufgrund ihrer geringen Leistung keine vollständige Kühlung der Gebäude gewährleisten können. Eine Komfortverbesserung ist in den meisten Fällen jedoch trotzdem zu erreichen. Eine genauere Berechnung war für diese Studienarbeit zu umfangreich, weshalb ein aussagekräftiger Vergleich mit den anderen Anlagen kaum möglich ist. Es zeigte sich, dass grundsätzlich alle Systeme, die mit regenerativen Energien arbeiten, Vorteile gegenüber den herkömmlichen Kühlanlagen haben können. Dies ist allerdings abhängig von Gebäudetyp, Standort und den Umgebungsbedingungen. Für das Einfamilienhaus lohnt sich vor allem eine Erdkälte-Anlage. Voraussetzung ist hier die Eignung des Untergrundes. Aber auch die Systeme, die mit Solarenergie arbeiten, haben bei passender Auslegung und der Nutzung von überschüssiger Energie gegenüber der konventionellen Kühlung Vorteile bezüglich Kosten und Energieverbrauch. Beim Bürogebäude stellte sich die Kombination aus Photovoltaik-Anlage und Kompressionskältemaschine als besonders lohnend heraus. Dies liegt auch daran, dass in einem solchen Gebäude oft bereits diese Art Kältemaschinen eingesetzt werden und die Umrüstung somit sehr einfach zu realisieren ist. Die Solarthermie-Lösung war aufgrund hoher Anschaffungskosten sehr teuer. Außerdem bleibt bei diesem System viel Energie ungenutzt, da an Wochenenden zwar Wärme aus der Sonneneinstrahlung gewonnen wird, diese aber aufgrund des niedrigen Energiebedarfs nicht verwendet werden kann. Auch die Sonden-Anlage verursachte wegen der aufwendigen Bohrungen hohe Ausgaben. Bei einer Nutzung der Anlage im Winter sollte sich dies jedoch relativieren. Um die verschiedenen Möglichkeiten noch genauer beurteilen zu können, wäre zusätzlich die Betrachtung des Heizfalls im Winter notwendig gewesen. Eine Trennung der beiden Anwendungsfälle verursacht unweigerlich Verzerrungen der Ergebnisse. Aufgrund des begrenzten Umfangs der Studienarbeit war es jedoch nicht möglich, weitere Berechnungen durchzuführen. Trotzdem konnten wichtige Anhaltspunkte gegeben werden, die die Beurteilung der vorgestellten regenerativen Energiesysteme zur Gebäudekühlung zulassen.
Verfasst von: Vera Volmer
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Beitrag zur Modellierung von Neubauszenarien für innerstädtische Fernwärmenetze
Die Diplomarbeit mit dem Thema "Beitrag zur Modellierung von Neubauszenarien für innerstädtische Fernwärmenetze" beinhaltet die Untersuchung einer Nahwärmelösung für ein ausgewähltes Stadtgebiet von Dresden, welches aufgrund seiner Entfernung zu den bestehenden Haupttrassen der DREWAG für eine Fernwärmeerschließung für verschiedene Szenarien zu untersuchen war. Dafür erfolgte eine Konzeption von sechs verschiedenen Netzvarianten mit dem Softwaretool STEFaN, die Kalkulation der Wärmeverluste, die Untersuchung des Einflusses der Entwicklung des Jahresheizwärmebedarfes für die Netzauslegung sowie die Auswahl geeigneter Pumpen. Anschließend wurden anhand der definierten und gegebenen Randbedingungen vier geeignete Wärmeerzeugervarianten ermittelt und deren optimale Betriebsweise sowie die Betriebskosten mit dem Softwaretool FreeOpt berechnet. Die Diplomarbeit stellt die Grundlage einer im Nachgang erforderlichen Wirtschaftlichkeitsbetrachtung dar.
Verfasst von: Marco Meiling
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Karin Rühling, Dr.-Ing. Stefan Gnüchtel; Dipl.-Ing. U. Gedrich, DREWAG NETZ GmbH
Validierung von Modellen für eine Fußbodenheizung
Simulationsprogramme sind ein wesentliches Instrument bei der Auslegung und Optimierung von Gebäude- und Anlagentechnik. Da sich Software stets in einem Entwicklungsprozess befindet, ist für die Aufrechterhaltung einer hohen Qualität eine regelmäßige Validierung notwendig. Im Rahmen des vorliegenden Beleges erfolgt eine Erweiterung der Validierungsmöglichkeiten für das an der Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung weiterentwickelte Programmsystem TRNSYS-TUD. Zunächst werden im Rahmen einer vergleichenden Validierung verschiedene Testfälle des Projektes RADTEST der IEA/SHC beschrieben und in TRNSYS-TUD umgesetzt. Dabei erzielt TRNSYS-TUD, mit wenigen Ausnahmen, eine sehr gute Übereinstimmung mit anderen Programmen. Die Gründe für die Abweichungen können nicht genau definiert werden. Anschließend erfolgt eine empirische Validierung, wobei ein Prüfstand mit integrierter Fußbodenheizung in TRNSYS-TUD nachgebildet wird. Eine Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung ist nicht erkennbar. Mögliche Ursachen für die Abweichungen sind Fehler bei der Planung des Prüfstandes sowie bei der Auswertung der Messungen.
Verfasst von: Hans Kaiser
Betreut von: Dipl.-Ing. Katharina Huck, Dipl.-Ing. Sven Paulick, Dr.-Ing. Alf Perschk
Untersuchung von Betriebsszenarien eines RVK mittels numerischer Simulation
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine messtechnische Untersuchung an einem BHKW, des Typs „EcoPower 1.0“ der Firma Vaillant, durchgeführt. Dies beinhaltet stationäre Messungen und die Bestimmung des Normnutzungsgrads nach DIN 4709. Des Weiteren wurde eine komplexe numerische Simulationsumgebung entwickelt, um eine große Anzahl von BHKWs in einem RVK-Verbund zu testen. Anhand einer Recherche möglicher Einsatzbedingungen wurden Testszenarien erstellt und in drei Varianten unterschiedlicher Zusammensetzung simuliert. Aus den Ergebnissen wurden Anforderungen für BHKWs, welche in ein RVK eingebunden sind, abgeleitet. Abschließend wurden Potentiale und Grenzen für RVKs aufgezeigt sowie ein Ausblick auf die Weiterentwicklungen des Programms und weitere Anwendungsmöglichkeiten gegeben.
Verfasst von: Felix Glöckner
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Haupt, Dipl.-Ing. Paul Seidel
Ausarbeitung eines Entwurfs der Wärmeversorgungsanlagen für ein mittelgroßes Gebäude mit verschiedenen Nutzungsarten
Integrierte Entwurfsplanung ist Bestandteil jeder seriösen Planung von technischen Anlagen im Gebäudebereich. Sie erfordert die gegenseitige Abstimmung der Planungsleistungen aller Gewerke in allen Phasen und ermöglicht hierdurch die zeitnahe Ausführung des Projektes sowie seine Anpassung an die Anforderungen des Bauherrn. Diese Ziele werden mit Hilfe geeigneter Planungstools erreicht. Im Rahmen der interdisziplinären Projektarbeit soll ein technischer Entwurf der Wärmeversorgungsanlagen für ein mittelgroßes Gebäude ausgearbeitet werden. Besondere Berücksichtigung soll dabei die planerische Abstimmung mit anderen Gewerken erhalten. Der Schwerpunkt der Arbeit soll in der Erstellung der Planungsunterlagen liegen. Ziel dieser Arbeit ist durch selbständiges Arbeiten und vertieften Recherche einen übergreifenden Verständnis und Übersicht von Leistungsphase-Entwurfsplanung eines Projektes nach Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (kurz HOAI) zu entwickeln und mit dem gewonnen Wissen die Entscheidungen zum laufenden Projekt selber zu treffen und somit die Erfahrungen aus meinem Studium an einer Aufgabe aus Berufsleben eines TGA-Ingenieurs einzusetzen.
Verfasst von: Dmitrij Gorlovsky
Betreut von: Dipl.-Ing. Wojciech Kozak, Lars Dobberstein (ARUP)
Erweiterung der Validierungsmöglichkeiten von TRNSYS-TUD
In dieser Arbeit wurden das TYPE116 in einen C++-Code überführt und seine Funktionsfähigkeit an einem Testfall bestätigt. Des Weiteren wurden neue Berechnungsmodelle für geneigte Flächen hinzugefügt. Bei der Umsetzung des Programmes wurde darauf geachtet, einen gut lesbaren und schnellen Code zu schreiben. Dies ist nötig, denn die Rechenzeit der größeren Modelle übersteigt stark die Zeit, die durch Quellcodeoptimierung einspart werden kann, was vorrangig bei großen Betrachtungszeiträumen in der Simulation mit hoher Auflösung und vielen Flächen auffällt. Die Berechnung eines Zeitschrittes läuft algorithmisch ab: Erst werden die Daten aufbereitet, anschließend die flächenbezogenen Größen berechnet. Die reine Rechenzeit der Datenaufbereitung für jeden Zeitschritt ist unabhängig von der Anzahl der Flächen. Betrachtet über die gesamte Simulationszeit ist die Datenaufbereitungszeit nur von der zeitlichen Auflösung der Simulation abhängig. Die gesamte benötigte Rechenzeit für die flächenbezogenen Größen ist hingegen proportional zur Anzahl der Flächen, da die Flächengrößen seriell berechnet werden. Eine Möglichkeit zur Verkürzung dieser Zeit kann an dieser Stelle durch die Parallelisierung der Berechnung geschehen.
Verfasst von: Miko Trusch
Betreut von: Dr.-Ing. Alf Perschk, Dr.-Ing. Markus Rösler
Inspektion und Optimierung der Gebäudeautomationssysteme in einem Bürogebäude
Gegenstand dieser Diplomarbeit ist es, das Gebäudeautomationssystem des Bürogebäudes „Haus V“ der Stadtentwässerung Dresden einer Inspektion zu unterziehen und dabei Optimierungsvorschläge für den Betrieb zu unterbreiten. Der Betrieb von Haus V gestaltet sich aus zwei Gründen schwierig. Aufgrund der bauphysikalischen Eigenschaften und der Anlagentechnik haben die Räume in den ehemaligen Faultürmen jeweils unterschiedliche energetische Anforderungen, die sich außerdem durchgehend von den Anforderungen der Räume in einem Verbinderbau, dessen Fassade zu großen Teilen aus Glas besteht, unterscheiden. Gleichzeitig ist es nicht möglich, mit dem bestehenden System zur Kälte-/Wärmeversorgung sowie der Lüftung eine gezielte Konditionierung einzelner Räume vorzunehmen. Dies führt über weite Teile der Nutzungszeit zu einem thermisch unbehaglichen Raumklima, was wiederum zu Unzufriedenheit bei den Mitarbeitern, sowie einem hohen Energieverbrauch, führt. Zur Verbesserung des thermischen Komforts in den Räumen und einer Reduzierung des Energieverbrauchs werden in dieser Arbeit drei Ansätze verfolgt: eine umfangreiche Auswertung von Messdaten, die seitens der installierten GLT aufgezeichnet werden, die Bewertung der Anlagentechnik mit einem Zertifizierungstool der eu.bac sowie Untersuchungen mit Hilfe der dynamischen Gebäudesimulation unter Verwendung von TRNSYS-TUD. Die Arbeit kommt zu dem Ergebnis, dass die Beschwerden der Nutzer berechtigt sind, da die Büroräume geltenden Anforderungen an das Raumklima nicht genügen. Dieser Zustand ist auf eine fehlerhafte Vorlauftemperaturbestimmung in den Heizkreisen zurückzuführen. Die Wiedereinführung der ehemals angedachten Heizkurve führt in der Simulation zu großen Verbesserungen der thermischen Behaglichkeit bei gleichzeitiger Einsparung von Energie. Zusätzlich werden auf Basis der Messdatenauswertung und der eu.bac-Zertifizierung weitere Optimierungspotentiale aufgezeigt.
Verfasst von: Niels Rauland
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann; A. Eisele, Sauter-Cumulus, GmbH, NL Dresden
Modellbildung eines vertikal angeordneten Verdampfers
Durch eine direktverdampfende Erdwärmesonde kann alternativ zu Sekundärkreislaufsystemen die Jahresarbeitszahl bzw. die Leistungszahl der Wärmepumpe nochmals gesteigert werden. Problematisch bei direktverdampfenden EWS sind unter anderem die Benetzung der Verdampferoberfläche und der Filmzerfall des Flüssigkeitsfilms außerhalb des Stabilitätsbereichs. Das Ziel der Arbeit liegt in der theoretischen Untersuchung des Benetzungsverhaltens und der thermodynamischen Vorgänge bei der Verdampfung des Kältemittels. Zur Lösung wurde eine direktverdampfende EWS mit Ein- und Mehrfacheinspritzung unter Annahme einer bekannten Wärmestromdichte in EXCEL modelliert und Parameterrechnungen durchgeführt. Die Berechnungen wurden mit dem Kältemittel Ammoniak durchgeführt. Ein wesentliches Ergebnis der Arbeit ist, dass die Staugrenze, unterhalb derer eine zweiphasige Gegenströmung möglich ist, auch bei kleinen Rohrdurchmessern kaum erreicht wird. Außerdem steigt die maximal aus Erdreich entziehbare Kälteleistung mit einem zunehmenden Rohrdurchmesser und Rohrlänge. Die Untersuchungen mit Mehrfacheinspritzungssystem zeigt es, dass die Mehrfacheinspritzung hat keine positiven Effekte auf die entziehbare Leistung.
Verfasst von: Xiaojing Wang
Betreut von: Dipl.-Ing. Elisabeth Eckstädt, Dipl.-Ing. Chr. Edler, Dr.-Ing. D. Vollmer; ILK Dresden
Entwicklung eines Excel®-basierten Modells zum optimalen Betrieb von KWK-Anlagen mit Wärmespeichern als Werkzeug zur Speicherdimensionierung
In der Bundesrepublik Deutschland wurde in den letzten Jahren verstärkt der Ausbau regenerativer Technologien vorangetrieben. Deren volatile Verfügbarkeit bedingt eine zunehmend diskontinuierliche Einspeisung der elektrischen Energie und führt zu schwankenden Strompreisen an der Börse. Fossil befeuerte Kraftwerke werden dadurch immer häufiger in wirtschaftliche Engpasssituationen gedrängt. Insbesondere für hocheffiziente KWK-Anlagen mit Fernwärmeversorgungsaufgabe besteht die Herausforderung, einen wirtschaftlichen Betrieb sicher zu stellen und dennoch die Wärmeversorgung nicht zu gefährden. Dies macht den Einsatz eines Wärmespeichers interessant, da er die Einsatzzeit der Anlage verlängern kann. Die Aufgabe der vorliegenden Arbeit sieht vor, die Auswirkungen fluktuierender Strompreise auf den Betrieb einer KWK-Anlage zur Wärmeversorgung mit drucklosem Heißwasserspeicher zu untersuchen und Aussagen über die optimale Speichergröße abzuleiten. Das Optimum kann ermittelt werden, wenn die Mehreinnahmen, die beim Einsatz eines Speichers erwirtschaftet werden, den Investitionskosten gegen gerechnet werden. Dazu wird ein Simulationsmodell erstellt, das wichtige wirtschaftliche und technische Randbedingungen beinhaltet. Das Ergebnis der Simulation ist, dass der Speicher umso größer wird, je mehr die Strompreise schwanken. Das Speicheroptimum liegt allerdings unterhalb der erwarteten Größenordnung und korreliert nicht mit vergleichbaren umgesetzten Projekten. Dies resultiert daraus, dass die Mehreinnahmen nicht in dem Maß gesteigert werden können, um die Investitionskosten mit zunehmendem Speichervolumen auszugleichen. Die Analyse der Ursachen ergibt, dass die vorausschauende Berücksichtigung der Strompreise im Lastmanagement besser umgesetzt werden muss. Weiterhin sind die wirtschaftlichen Randbedingungen auszuweiten und über die Wahl alternativer KWK-Anlagen zu entscheiden.
Verfasst von: Georg Hamann
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander, Dr.-Ing. Robert Huhn, KEMA-IEV GmbH Dresden
Integration von OpenFOAM in das Programmsystem TRNSYS-TUD/ParallelNS
Diese Belegarbeit beschreibt die Integration von OpenFOAM in das Programmsystem TRNSYS-TUD/ParallelNS. Das Ziel der Integration ist die Erstellung eines neuen Programmsystems für die gekoppelte Gebäudesimulation. Durch die Kombination der spezialisierten Programme sind realistischere Simulationsergebnisse zu erwarten. Zuerst wird ein OpenFOAM-Solver zur Kopplung ausgewählt. Danach folgt eine Studie über die existierenden Randbedingungen in OpenFOAM. Darauf basierend wird ein neuer Randbedingungstyp pvmbc entworfen und implementiert. Die neue Randbedingung funktioniert als eine Schnittstelle für Datenkommunikation. Der Datenaustausch basiert auf dem Software-Paket Parallel Virtual Machine. Nach dem Testen der neuen Schnittstelle wird eine Beispielberechnung durchgeführt und ausgewertet.
Verfasst von: Xunzhang Yuan
Betreut von: Dr.-Ing. Markus Rösler, Dr.-Ing Ralf Gritzki
Möglichkeiten, Potentiale und Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzung in Kombination mit einer Sorptionskältemaschine
Mit dieser Arbeit wird zunächst eine Übersicht zu den momentanen Möglichkeiten der thermischen Kälteerzeugung gegeben. Dabei wird das Hauptaugenmerk auf die Nutzung von Abwärme aus Industrieunternehmen gelegt. Weiterhin werden Entscheidungskriterien für den Einsatz einer Sorptionskältemaschine definiert, worauf aufbauend das Potential der Abwärmenutzung zur Erzeugung von Kälte in einem konkreten Objekt untersucht wird. Darauf aufbauend werden verschiedene Varianten der thermischen Kälteerzeugung vorgestellt und deren Wirtschaftlichkeit anhand der Annuitätsmethode basierend auf der Richtlinie VDI 2067 analysiert. Dabei werden sie dem Referenzsystem, bestehend aus einer Kombination von Kompressionskältemaschine, Trocken- Rückkühlwerk und Klima-Split-Geräten, gegenüber gestellt. Abschließend wird eine mögliche konstruktive Umsetzung der Vorzugsvariante vorgestellt.
Verfasst von: Tobias Schlosser
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. R. Dittrich, DZH Dresden
Energieeffizienter Campus
Diese Arbeit gibt dem Leser einen Überblick über die Energieverbrauchsanalyse auf dem Campus der TU Dresden. Nach Energieeinsparverordnung (EnEV) 2009 wurden Gebäude vom Campus der TU Dresden in 5 Gebäudekategorien zugeordnet. Für 5 Gebäudekategorien (z.B. Sporthalle) wurde je ein Gebäude mit hohen und niedrigen Energieverbrauch verglichen. Die Ursachen für die Abweichungen wurden dargestellt. Der Energieausweis ist ein für Gebäude energetisch bewertetes Dokument. Mit Programm dena kann man Energieausweis erstellen. Bei dieser Arbeit wurden neue Energieausweise von 6 zusätzlichen Gebäuden (z.B. Tillich-Bau) erstellt. Den zweiten Teil dieser Arbeit wurde eine Wärmedichtekarte betrachtet. Mit Wärmedichtekarte kann man einfach bestimmen, welche Gebäude der TU Dresden nach Energieeinsparverordnung (EnEV) 2009 energiesparend sind, und welche Gebäude problematisch sind. Zuletzt bilden die energetischen Sanierungsmaßnahmen. In dieser Arbeit wurde Vorschlag für Mollier-Bau neuen Dachaufbau erarbeite.
Verfasst von: Wenfeng Shao
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Konzeption für eine Luftwechselmessung mit mobilen CO2-Sensoren
Die Luftqualität in Innenräumen ist von großer Bedeutung für die Gesundheit und Behaglichkeit der Raumnutzer. Ein ausreichender Luftwechsel soll durch angemessene Lüftung garantiert werden, um den Aufenthaltsbereich mit Frischluft zu versorgen sowie Schadstoffe und thermische Lasten abzuführen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Versuch aufgebaut, wobei die Luftwechselzahl durch Indikatorgasverfahren mit CO2 als Indikatorgas ermittelt werden kann. Der Versuch wird im Raum Merkelbau 102c durchgeführt. Während des Versuchs werden die Temperaturen und die CO2-Konzentrationen an drei Messstellen im Raum kontinuierlich aufgezeichnet. Aus den Konzentrationsverläufen können die Luftwechselzahlen durch Einsatz der Algorithmen, die aufgrund verschiedener Lüftungsbedingungen unterschiedlicher Indikatorgasverfahren hergeleitet werden, ausgewertet werden. Weil dieser Versuch als ein Vorlesungsversuch in der Lehrveranstaltung Raumlufttechnik dient, wird die Aufzeichnung der Messdaten auf einem Bildschirm im Nebenraum veranschaulicht. Für die Messung werden drei mobile CO2-Sensoren angewendet. Die Datenerfassung und Datendarstellung ermöglicht ein Netzwerk-Messadapter. Die anderen einsetzbaren Werkzeuge werden in der Arbeit auch vorgestellt.
Verfasst von: Zheyu Wang
Betreut von: Dr.-Ing. Markus Rösler
Hydraulische und energetische Untersuchungen an einem Trinkwasser- Zirkulationsversuchsstand
Im Komplex R des Zentrums für Energietechnik (ZET) an der TU Dresden ist ein mit umfangreicher Mess- und Steuertechnik versehener Versuchsstand errichtet worden, der die Trinkwarmwasserinstallation inklusive Zirkulationsleitung für ein Mehrfamilienhaus mit realen Leitungslängen und realen Wärmeverlusten abbildet und die Aufprägung beliebiger Zapfprofile ermöglicht. Das Ziel dieser Arbeit ist es, unterschiedliche Zirkulationskonzepte experimentell zu untersuchen und gegenüberzustellen. Zunächst wurde eine Erweiterung der Messtechnik vorgenommen, um alle für die Auswertung relevanten Messdaten zu erfassen. Anschließend entstand in einer umfangreichen hydraulischen Charakterisierung des Versuchsstandes ein Werkzeug, welches es ermöglicht, verschiedene Szenarien zu simulieren und die resultierenden Druckverluste und Volumenstromverhältnisse auszugeben. An insgesamt 47 auswertbaren Versuchstagen wurden zwei Zirkulationssysteme sowohl im reinen Zirkulationsbetrieb ohne Entnahme, als auch im kombinierten Zapf- und Zirkulationsbetrieb bei unterschiedlichen Temperaturniveaus praktisch untersucht und bewertet. Durch eine theoretische und experimentelle Bestimmung der auftretenden Wärmeverluste für unterschiedliche Versuchsvarianten erfolgte eine vergleichende energetische Bilanzierung. Weiterhin werden Empfehlungen formuliert, die zu einer Optimierung beitragen sollen.
Verfasst von: Max Pham
Betreut von: Dipl.-Ing. Felix Panitz, Dr.-Ing. Karin Rühling
Untersuchung eines Wärmepumpen-Eisspeicher-Systems
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Versorgungskonzept untersucht, bei welchem ein erdvergrabener Eisspeicher als Wärmequelle einer Wärmepumpe und zugleich als Wärmesenke der an den Kühlstellen aufgenommenen Wärme dient. Der Eisspeicher fungiert als saisonaler Kälte- und Niedertemperatur-Wärmespeicher. Es wurde ein Anlagenmodell eines Wärmepumpen-Eisspeicher-Systems (WPES) in Dymola/ Modelica erstellt und unter Annahme verschiedener Lastprofile simuliert. Die energetische und wirtschaftliche Bewertung erfolgte anhand des Vergleichs mit einem konventionellen Referenzsystem. Die Untersuchung ergab, dass das WPES einen signifikant geringeren Primärenergiebedarf, als das Vergleichssystem aufweist. Auch die Energiekosten sind geringer, wobei die Einsparungen im Wesentlichen auf die Kälteversorgung mit dem Eisspeicher zurückgeführt werden können. Die Energiekosten der Wärmeversorgung unterscheiden sich hingegen nur geringfügig. Ferner hat sich gezeigt, dass die Ersparnisse im Vergleich zum Referenzsystem maßgeblich durch den Wärmebedarf bestimmt sind, da mit steigender Wärmelast dem Speicher mehr Wärme entzogen wird und infolge mehr Eis zur Kühlung zur Verfügung steht. Für die wirtschaftliche Bewertung des WPES wurde die Frage untersucht, ob ermittelte Einsparungen so hoch sind, dass sie die höheren Investitionskosten rechtfertigen. Abhängig von Lastprofil ergab die Investitionskostenrechnung eine dynamische Amortisationszeit zwischen 10 und 15 Jahren, wobei sich gezeigt hat, dass das Resultat stark durch die angenommene Energiepreisentwicklung beeinflusst wird.
Verfasst von: Patrick Eggers
Betreut von: Dipl.-Ing. Thomas Kretzschmar, Dr.-Ing. Bruno Lüdemann, Imtech Deutschland GmbH & Co. KG
Bewertung und Auslegung von komplexen gebäudetechnischen Versorgungssystemen
Der Bau eines neuen Gebäudes erfordert, je nach Komplexität der Bauaufgabe, umfassende planerische Leistungen der beteiligten Ingenieure. Neben architekto- nischen und baukonstruktiven Aufgaben ist auch die Konstruktion der technischen Anlagen und Versorgungssysteme von großer Bedeutung. Eine Einteilung des Pla- nungsprozesses der technischen Gebäudeausrüstung in neun Planungsphasen liefert die Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI). In dieser Arbeit werden Teile des Planungsprozesses komplexer gebäudetechnischer Versorgungssysteme an drei Beispielen untersucht. Eine Aufgabe ist die akustische Bewertung des raumlufttechnischen Versorgungskonzeptes der Sempergalerie im Dresdner Zwinger anhand eines Ausstellungsraumes im Rahmen der Ausführungsplanung. Daneben wird für die Umsetzung von zwei Rollenoffset-Druckmaschinen untersucht, welche Medien bzw. Versorgungsschienen am neuen Standort für den Anlagenbetrieb bereitgestellt werden müssen und welche baulichen und anlagentechnischen Randbedingungen sich daraus ergeben. Als Beispiel für die Planungsphase „Objektbetreuung und Dokumentation“ wird außerdem eine Bestandserfassung zur Erstellung eines Raumbuches für den Gebäudebetrieb durchgeführt.
Verfasst von: Claudia Buth
Betreut von: Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr.-Ing. P. Vogel (INNIUS GTD GmbH)
Erarbeitung eines Konzepts zu Auslegung und Betriebsweise einer Klimaanlage zur Konditionierung eines Versuchsraumes
In der vorliegenden studentischen Arbeit wird die Auslegung der raumlufttechnischen Anlage eines geplanten Versuchsstandes an der Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung der Technischen Universität Dresden durchgeführt. Hierzu werden die Anforderungen an die raumlufttechnische Anlage für Untersuchungen zur thermischen Behaglichkeit ermittelt. Die Ergebnisse einer Literaturrecherche zu vergleichbaren Versuchsräumen und deren Anlagen- und Betriebskonzepte werden in der Arbeit vorgestellt. Auf der Grundlage des bereits bestehenden Anlagenkonzeptes wird die Auslegung der RLT-Anlage durchgeführt. Mit den gewonnen Ergebnissen werden die Anlagenkomponenten zur Luftkonditionierung ausgewählt und ein Konzept für eine flexible und leicht zu verändernde Luftführung entwickelt. Die für den Betrieb der Anlage notwendige Mess- und Regeltechnik wird identifiziert und eine Einbindung in das bereits entwickelte Mess- und Regelkonzept des Versuchsstandes ermittelt. Darauf folgend wird die Berechnung des Druckverlustes im Auslegungsfall durchgeführt sowie eine Anlagenkennlinie erstellt. Das in dieser Arbeit entworfene Konzept der RLT-Anlage wird diskutiert und mögliche Betriebsarten aufgezeigt. Eine Untersuchung zu den Einsatzgrenzen der RLT-Anlage im Zusammenspiel mit den temperierbaren Umfassungsflächen des Versuchsstandes schließt die Arbeit ab.
Verfasst von: Martin Henkner
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. Alexander Buchheim
Modellgestützte Analyse von SOFC/Batterie-Hybridsystemen zur Haushaltsstromversorgung in Indien
Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) entwickelt im Auftrag eines Industriekunden ein SOFC-System (SOFC - Solid Oxide Fuel Cells), welches zur Haushaltsstromversorgung in Indien eingesetzt werden soll. Das System soll im Netzparallelbetrieb in Kombination mit einem geeigneten elektrischen Pufferspeicher betrieben werden. Es soll auch bei einem Ausfall des öffentlichen Stromnetzes die Versorgung des elektrischen Verbrauchers sicherstellen. In der Arbeit wird ein Modell entwickelt, welches alle Komponenten des SOFC-Batterie- Hybridsystems berücksichtigt und energetisch bilanziert. Mit diesem Simulationsmodell werden Parameterstudien durchgeführt, um eine geeignete Systemkonfiguration und Betriebsweise zu ermitteln. Die Erkenntnisse aus der Parametervariation werden in einer technischen Empfehlung zur Ausführung und Dimensionierung des Gesamtsystems zusammengefasst. Für unterschiedlich zugeführte Brenngasleistungen erfolgen die Nachweise thermisch stabiler Betriebspunkte und deren energetische Bilanzierung, bei verschiedener Belastung durch einen elektrischen Verbraucher. Hierfür werden Eigenverbräuche auf Systemebene und thermische Verluste bestimmt. Des Weiteren werden mit einer thermochemischen Software die Auswirkungen einer Betriebspunktänderung und abweichender Betriebsgrößen ermittelt. Bei zusätzlicher Auswertung vorheriger Versuchsfahrten zeigt sich, dass eine Deviation des zugeführten Reformerluftstromes den größten Einfluss auf den Synthesegasheizwert hat. Als Ergebnis der Arbeit wird mit den ermittelten Betriebspunkten ein erstes Kennfeld erstellt, in dessen Bereich sich das Brennstoffzellensystem thermisch stabil betreiben lässt.
Verfasst von: Benjamin Gleichner
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander, Dipl.-Ing. Thomas Pfeifer Fraunhofer IKTS Dresden
Untersuchungen zur Auswirkung von Luftionisierung in Räumen mit maschineller Lüftung
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Auswirkungen von Luftionisation im Zusammenhang mit maschineller Lüftung in Operations- und einem Büroräumen. Die Arbeit gliedert sich in vier Teile. Zunächst wird eine Literaturrecherche zur Funktionsweise der Ionisationsverfahren, zu Auswirkungen auf den menschlichen Organismus und zu gebäudetechnischen Anforderungen durchgeführt, auf deren Basis die weiteren Versuche aufgebaut werden. Der Schwerpunkt des zweiten Teils der Arbeit liegt darauf, die Möglichkeiten der Partikelabscheidung in Büroraum C5 des Zentrums für Integrale Gebäudetechnik (ZIG) der Hochschule Luzern – Technik und Architektur (HSLU-T & A) in Horw (Schweiz) zu untersuchen. Dabei wurde zunächst ein Versuch im leeren Büroraum und danach in einer vierwöchigen Messung mit Nutzern durchgeführt. Anschließend wird die Partikelabscheidung in einem originalgetreu nachgebauten Operationsraum im Labor der HSLU ermittelt. Es erfolgte die Variation der Partikelquellstärke, der relativen Luftfeuchtigkeit, des Volumenstromes, der Erdung und der Ionenzahlen. Den Abschluss bildet eine Untersuchung des Behaglichkeitsempfindens von Nutzern unter dem Einfluss der Luftionisation im Büroraum C5. Neben einer Messung von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit, CO2-Konzentration und Ionenzahlen erfolgte eine Befragung der Büronutzer. Es werden Untersuchungsergebnisse und Überlegungen zum weiteren Forschungsbedarf dargestellt.
Verfasst von: Anne Hartmann
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann; Prof. R. Külpmann, Hochschule Luzern
Untersuchung des Umbaus einer Kälteanlage mit dem Schwerpunkt des Energiekostenvergleichs
Ein Unternehmen möchte expandieren. Durch den Ausbau weiterer Produktionsflächen steigt der Kältebedarf zur Gebäudeklimatisierung. Die bisherige Anlage kann den Bedarf nicht mehr decken. Bei dieser Gelegenheit soll sie durch eine neue Kältemaschine mit besserem Wirkungsgrad ersetzt werden. Die neue Anlage bietet zusätzlich die Funktion der freien Kühlung. In dieser Arbeit soll ein möglichst genaues Model zur Ermittlung des Energieverbrauchs der alten und neuen Anlage erstellt werden. Neben der Effizienzsteigerung der Kältemaschine wird das besonders große Einsparpotential der freien Kühlung dargelegt.
Verfasst von: Marco Radehaus
Betreut von: Dipl.-Ing. Elisabeth Eckstädt
Gebäude- und Anlagensimulation zum Neubau der Elblandklinik Riesa- Großenhain mit IDA Indoor Climate and Energy
Simulationsprogramme werden zunehmend im Fachbereich der technischen Gebäudeausrüstung eingesetzt. Sie ermöglichen vor allem bei größeren Bauwerken eine Optimierung der Anlagentechnik und helfen somit den Energiebedarf zu senken. Besonders bei Krankenhäusern ist darauf zu achten, dass das Innenklima unter der Optimierung nicht leiden darf. Unter diesen Gesichtspunkten wurden in dieser Arbeit mit Hilfe des Gebäudesimulationsprogrammes IDA Indoor Climate and Energy die Pflegestationen zum Neubau der Elblandklinik Riesa-Großenhain untersucht. Um die Eignung des Programms für derartige Analysen zu klären, wurden eingangs Validierungsuntersuchungen und Referenzen recherchiert. Die Einflüsse aus der Umgebung, dem Nutzerverhalten und der Anlagenauslegung auf das Innenraumklima wurden anhand ausgewählter Zonen verdeutlicht. Weiterhin wurden die Simulationsresultate hinsichtlich der thermischen Behaglichkeit im Gebäude ausgewertet und der Energieverbrauch der implementierten Anlagentechnik aufgezeigt.
Verfasst von: Susann Klöditz
Betreut von: Dr.-Ing. Markus Rösler; Dr.-Ing. Matthias Radenz, Brendel Ingenieure Dresden GmbH
Erstellung und Validierung eines Modells von Sorptions-Gaswärmepumpen innerhalb des numerischen Simulationsprogrammes TRNSYS
Ziel dieser Arbeit war es, die Modellierung der Gasadsorptionswärmepumpen in das Simulationsprogramm TRNSYS-TUD zu integrieren. Gasadsorptionswärmepumpen repräsentieren eine Möglichkeit in der konsequenten Weiterentwicklung der Gasheizgeräte. Sie zeichnen sich nicht nur durch einen im Vergleich zum Brennwertkessel weiter gesteigerten Nutzungsgrad aus, sondern binden durch den Wärmepumpenprozess auch einen regenerativen Anteil in die Wärmebilanz ein. Damit senken Sie nicht nur den Gasverbrauch, sondern auch den CO2-Ausstoß in die Atmosphäre. Aus diesem Grund wurde das Simulationsprogramm TRNSYS-TUD um die Option der Modellierung von Gasadsorptionswärmepumpen erweitert. Hierdurch ist es möglich, die Gasadsorptionwärmepumpen mit den bestehenden Systemen energetisch zu vergleichen. In der Arbeit wurden die theoretischen Hintergründe der Gasadsorptionswärmepumpen dargelegt und die Vorgänge während der Adsorptions- und Desorptionsphase beschrieben. Das Wärmepumpenmodell wurde mit den Herstellerangaben validiert und die gesammelten Charakteristika der Gasadsorptionswärmepumpe unter Simulationsbedingungen getestet.
Verfasst von: Benjamin Perschk
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Energetische und wirtschaftliche Optimierung einer Reinstwasser-Aufbereitungsanlage
Ein bestimmender Qualitätsparameter am POU (point of use) einer Reinstwasseranlage ist die Temperatur. Am Ende der zu untersuchenden Reinstwasser-Aufbereitungsanlage (Polishing) sind „kalte“ Fertigungstools, die eine Temperatur von 21,5°C ± 0,5°C benötigen und „heiße“ Fertigungstools, die eine Temperatur von 60°C ± 0,5°C benötigen, installiert. Sowohl als Rekuperator als auch als Erhitzer bzw. Kühler ausgeführte Plattenwärmeübertrager (PWÜ) werden innerhalb dieses verfahrenstechnischen Prozesses verwendet, um die entsprechend notwendigen Wärmeströme zu übertragen. Der „heiße“ Teilprozess unmittelbar vor den Verbrauchern (Fertigungstools) der vorhandenen Reinstwasser-Aufbereitungsanlage wurde auf Energieeffiziens und Energieeinsparpotential überprüft. Das Ziel war es, die entsprechend notwendigen kalten und heißen Volumenströme auf der Sekundärseite der PWÜ zu reduzieren und dennoch die geforderten Temperaturen am Primäraustritt der PWÜ zu realisieren.
Verfasst von: Johannes Nebauer
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann; Dipl.-Ing. Klaus Wohlmann, Arcade Engineering GmbH
Erfassung, Archivierung und Auswertung von Messwerten
Die Veränderungen im Bereich der Nutzung regenerativer Energiequellen machen es nicht nur notwendig neue Konzepte zur Energiebereitstellung zu entwickeln, sondern auch deren Wirkung auf vorhandene Energietransportsysteme zu untersuchen und deren Beanspruchung und Auslegung neu zu bewerten. Im Rahmen der Arbeit werden Methoden entwickelt, um anhand vorliegender Messdaten von Fernwärmesystemen Rückschlüsse auf das Betriebsverhalten bei konventioneller Nutzung sowie bei zusätzlicher Einspeisung solarthermischer Energie ziehen zu können. Schwerpunkte der Untersuchung sind die Aufbereitung der Messdaten und die Untersuchung der Daten auf Volllastwechsel und Gleichzeitigkeit. Die Aufbereitung der Messdaten konzentriert sich auf einen möglichst automatisierten und wiederholbaren Ablauf, so dass die in unterschiedlichen Formaten vorliegenden Messdaten geprüft und mit geringem Aufwand in das am Lehrstuhl verwendete Datenbanksystem eingelesen werden können. Die Untersuchung der Volllastwechsel erfolgt mit Hilfe eines Rainflow-Algorithmus und soll speziell die Unterschiede bei zusätzlicher Nutzung der Solarthermie aufzeigen. Zur Untersuchung der Gleichzeitigkeit werden die Daten verschiedener Messstationen eines Fernwärmenetzes verwendet, um nach Tagesklassen kategorisierte Tagesprofile zu erstellen und miteinander zu vergleichen.
Verfasst von: Christian Meyer
Betreut von: Dr.-Ing. Stefan Gnüchtel
Einsatzgrenzen von Tropfenabscheidern
Die Projektarbeit beschreibt die Konzeptionierung und den Aufbau eines Prüfstandes zur Untersuchung des Kondensatmitriss an Wärmeübertragern, sowie das Messvorgehen und die Messergebnisse. Ziel der Untersuchung war die Validierung der empirischen Annahmen der GEA Air Treatment GmbH über die Grenzbedingung des Mitriss, um die Einsatzgrenzen von Tropfenabscheidern zu ermitteln. Diese Annahmen beinhalten, dass ab einer Strömungsgeschwindigkeit der Luft von 2 m/s im freien Querschnitt des Wärmeübertragers Kondensat mitgerissen wird und dabei ein Tropfenabscheider notwendig ist. Neben der Strömungsgeschwindigkeit der Luft wurden auch die anfallende Kondensatmenge und der Lamellenabstand des Wärmeübertragers als beeinflussende Parameter bestimmt und untersucht. Die Messergebnisse zeigen, dass eine Abhängigkeit vom Lamellenabstand nur bedingt nachgewiesen werden konnte.
Verfasst von: Konstantin Etzel
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling; Dipl. Ing. (FH) Julian Appelhoff, GEA Air Treatment GmbH
Auslegung und Überprüfung einer Gasverteilleitung für einen Industriebetrieb
In Nachterstedt entsteht ein neues Aluminium-Recycling Werk. Um eine Kapazität von etwa 400.000 Tonnen Aluminium-Walzbarren pro Jahr zu realisieren, werden zwei getrennt voneinander operierende Produktionslinien erschaffen. Um das Werk mit Erdgas zu betreiben, wurde ein Gasanschluss vom Gasversorgungsunternehmen erstellt. Die Aufgabe bestand darin, die geplanten Leitungsdimensionen, welche von der Firma „AIC Ingenieurgesellschaft für Bauplanung Chemnitz GmbH“ konzipiert wurden, auf Funktionalität und Konformität zu bestehenden nationalen Normen und Regeln zu überprüfen. Dafür ist die komplette Druckverlustberechnung durchzuführen und darauf zu achten, dass alle Randbedingungen und Vorgaben eingehalten werden.
Verfasst von: Matthias Kunze
Betreut von: Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Paul Seidel
Analyse der Teillastfähigkeit eines µ-SOFC Systems
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse der Teillastfähigkeit eines propanbetriebenem Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems zur zuverlässigen, netzfernen Stromversorgung. Durch flexible Leistungsmodulation soll ein möglichst breites Anforderungsprofil für die Nutzung abgedeckt werden können. Dazu werden grundlegende chemische und thermodynamische Zusammenhänge und Anforderungen charakterisiert. Es werden Systembetriebsgrößen erläutert und in einem simulierten Kennfeld wird ihre Abhängigkeit untereinander dargelegt. Nach Beschreibung des Prüflings sowie des Teststands werden die Versuchsplanung und Ausführung geschildert. Für unterschiedlich zugeführte Brenngasleistungen erfolgen die Nachweise thermisch stabiler Betriebspunkte und deren energetische Bilanzierung, bei verschiedener Belastung durch einen elektrischen Verbraucher. Hierfür werden Eigenverbräuche auf Systemebene und thermische Verluste bestimmt. Des Weiteren werden mit einer thermochemischen Software die Auswirkungen einer Betriebspunktänderung und abweichender Betriebsgrößen ermittelt. Bei zusätzlicher Auswertung vorheriger Versuchsfahrten zeigt sich, dass eine Deviation des zugeführten Reformerluftstromes den größten Einfluss auf den Synthesegasheizwert hat. Als Ergebnis der Arbeit wird mit den ermittelten Betriebspunkten ein erstes Kennfeld erstellt, in dessen Bereich sich das Brennstoffzellensystem thermisch stabil betreiben lässt.
Verfasst von: Martin Sicker
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander
Energiemanagement mit Wärmepumpen
Der stetig wachsende Anteil erneuerbarer Energien am Strommarkt sowie die zunehmende Anzahl dezentraler Elektroenergieeinspeisung im Privatkundenbereich führen gegenwärtig zu teilweise enormen Schwankungen in der Stromproduktion. Zukünftig müssen die Möglichkeiten des Lastmanagements sowie thermische und elektrotechnische Speichermöglichkeiten konsequenter genutzt werden mit der Zielstellung einer hohen Netzstabilität. Basierend auf dem beschriebenen Hintergrund könnte die Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie durch Wärmepumpen sowie die hydraulische Einbindung von Pufferspeichern zukünftig eine besondere Bedeutung für das Lastmanagement bieten.
Gegenstand der Diplomarbeit ist es, die technischen Voraussetzungen, Möglichkeiten der Umsetzung, Erfahrungen sowie die aus dem Energiemanagement ableitbaren ökonomischen und ökologischen Potenziale zu analysieren und zu beschreiben. Die wichtigsten Inhalte beziehen sich dabei auf die Analysen des aktuellen und zukünftigen Potenzials von Wärmepumpen hinsichtlich des Lastmanagements unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten.
Verfasst von: Yang Danquan
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach
Wärmeübertrager für die Meerwasserentsalzung – Vergleich von Konstruktionen und Reinigungsmethoden
Der Beleg beschreibt die Notwendigkeit von Süßwasser aufgrund des begrenzten, natürlichen Vorkommens. Die Möglichkeit der Erzeugung durch Meerwasserentsalzungsanlagen wird aufgezeigt, sowie die Folgen von mangelnder Trinkwasserversorgung. Das erste Kapitel handelt von der Reinigung einer solchen Anlage. Zuerst werden die Auswirkungen und Entstehung von Verschmutzungen auf die in der Meerwasserentsalzung eingesetzten Plattenwärmeübertrager erläutert. Anschließend schildert man die praktische Durchführung einer Reinigung und deren Auswertung. Im zweiten Kapitel wird die Weiterentwicklung der Wärmeübertragerkonstruktion mit ihrer Vorgängervariante verglichen. Dabei geht man besonders auf die Veränderungen der Wasser- sowie Stoffstromführung hinsichtlich Volumenströme und Fließgeschwindigkeiten ein. Das letzte Kapitel beschreibt den Aufbau und Test der neuen Wärmeübertrager. Weiterhin wird auf die Inbetriebnahme des eigens dafür entwickelten Prüfstandes eingegangen und es erfolgt eine Bewertung der neuen Konstruktion.
Verfasst von: Sebastian Gruber
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling; Dr. B. Burandt, ILK Dresden
Entwicklung eines energetischen Konzeptes für einen Wohngebäudekomplex als Passivhaus
Vor dem Hintergrund des ständig steigenden Energiebedarfs der Menschheit gewinnen energiesparende Gebäudekonzepte sowohl energetisch als auch wirtschaftlich immer mehr an Bedeutung. Vor allem der Passivhausstandard hat gezeigt, dass große Energieeinsparungen ohne Komforteinbußen und zudem wirtschaftlich erfolgreich realisiert werden können. Die Umsetzung bei größeren Gebäuden und im Geschosswohnbau verlangt jedoch oft nach Sonderlösungen, die mit einem hohen Planungsaufwand verbunden sind. Die vorliegende Arbeit zeigt den Stand der Technik in diesem Passivhaussegment auf. Dabei werden sowohl die thermische Gebäudehülle als auch die Versorgungstechnik anhand von konkreten Beispielen untersucht. Auf dieser Grundlage wird ein innovatives Versorgungskonzept, mit dem Ziel der maximalen Solarenergienutzung, für einen in Planung befindlichen Wohngebäudekomplex vorgestellt. Es wird eine kritische energetische Analyse der einzelnen Anlagenkomponenten durchgeführt um das primärenergetische Potenzial des Gesamtkonzepts zu bewerten. Zudem wird gezeigt, dass die solare Strahlung zu einem hohen Anteil direkt und indirekt genutzt werden kann und es zu Effizienzsteigerungen kommt, da sich die einzelnen Anlagenteile gegenseitig positiv beeinflussen.
Verfasst von: Lukas Reimer
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann; Dr.-Ing. Stefan Scheffler, IB Dr. Scheffler und Partner GmbH
Auslegung einer Anlage zur energieeffizienten solarthermischen Kälte- und Wärmeversorgung eines Technologiezentrums
Die solarthermische Bereitstellung von Kälte stellt besonders in sonnenreichen heißen Regionen eine effektive und wirtschaftliche Möglichkeit dar, den Verbrauch von fossilen Energien zu verringern. In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer solarthermischen Anlage für ein Technologiezentrum in Ankara dargestellt. Mittels Parabolrinnenkollektoren wird dabei die solare Strahlung gebündelt und die thermische Energie zum Betrieb einer Absorptionskältemaschine verwendet. In den Wintermonaten wird die Anlage zur Heizungsunterstützung verwendet. Nach einer Darstellung der Randbedingungen und der grundlegenden Komponenten, stellt die Detailauslegung des Kollektorfeldes den Schwerpunkt der Arbeit dar. Eine abschließende ökologische und ökonomische Analyse bestätigt die Vorteile der Kälte- und Wärmebereitstellung mittels konzentrierender Sonnenenergie.
Verfasst von: Andreas Meurer
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling; Dipl.-Ing. Christian Gunkel, SOLITEM GmbH
Entwurf einer einstufigen Wärmepumpenbaureihe mit dem Kältemittel R744 in transkritischer Betriebsweise und deren energetischer Vergleich mit Wärmepumpen herkömmlicher Bauart
CO2 weist als natürliches Kältemittel thermodynamische Eigenschaften auf, welches es für den Einsatz in Wärmepumpenanwendungen prädestiniert. Durch das Betreiben bei transkritischen Prozessparametern können bei guten COP Werten hohe Vorlauftemperaturen erreicht werden. In dieser interdisziplinären Projektarbeit wird eine Baureihe für Wärmepumpen mit transkritischer Prozessführung anhand gegebener Kolbenverdichter entwickelt. Die Auswahl der Komponenten und die Rohrleitungsführung sind darzulegen. Desweiteren soll diese hinsichtlich deren Einsatzgebiete und Ökonomie mit derzeit verfügbaren, auf herkömmlichen Kältemitteln basierenden Wärmepumpen, verglichen werden.
Verfasst von: Felix Werner
Betreut von: Dipl.-Ing. Thomas Kretzschmar, Dipl.-Ing. Stephan Leideck, compact Kältetechnik GmbH
Vereinfachte Auslegung von Wärmepumpensystemen in Kombination mit Photovoltaik
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Auslegung eines Systems bestehend aus einer Wärmepumpe und einem Pufferspeicher in Kombination mit Photovoltaik verbessert. Dieses System zeichnet sich durch Nutzung von Solarstrom für die Versorgung einer Wärmepumpe aus und soll aufgrund sinkender Einspeisevergütung neue Anreize für die Nutzung von Photovoltaik schaffen. Die zur Auslegung der Systemkomponenten notwendige Heizlastberechnung wird unter Verwendung vereinfachter Verfahren bestimmt. Vergleichend werden diese Verfahren, wie unter anderem das Hüllflächenverfahren sowie zwei Verbrauchsverfahren, am Beispiel von Referenzgebäuden durchgeführt. Da zur Zielgruppe hauptsächlich Bestandsgebäude im Sanierungsfall zählen, werden die Verfahren besonders auf Durchführbarkeit bei geringer Datenlage geprüft sowie ihre Vor- und Nachteile diskutiert. Außerdem wird der Einfluss von geplanten Sanierungsmaßnahmen betrachtet. Weiterhin wird der Effekt der über die vereinfachten Verfahren berechneten Heizlast als Eingabegröße eines Simulationsprogrammes geprüft, welches das vorgeschlagene System über eine längere Laufzeit aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht bewertet und damit eine optimierte Dimensionierung der Systemkomponenten zulässt.
Verfasst von: Anika Steinbart
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann; Frau Hischke - Belelectric Solarkraftwerke GmbH
Kostenoptimierte Wärmeversorgung unter Einbezug regenerativer Erzeugungsstrukturen
In dieser Arbeit wurde ein Programm entwickelt, welches den Betrieb einer Heizungsanlage für ein beliebiges Gebäude simuliert. Das Gesamtsystem besteht dabei aus einer Wärmepumpe, einem Wärmespeicher, einem eventuell vorhandenen Sekundärwärmeerzeuger und einer Photovoltaikanlage, die über eine intelligente Regelung miteinander interagieren. Aufgrund steigender Energiepreise liegt die Motivation dieser Regelung einerseits in der Verbesserung der Effizienz bei der Bereitstellung von Nutzenergie (Strom, Wärme), und andererseits darin, auf günstige, preisstabile und leicht verfügbare Primärenergie zurückzugreifen. Beides soll hier nun durch die Kombination von Photovoltaik und Wärmepumpe realisiert werden. Die erhöhte Effizienz soll erreicht werden, indem die Wärmepumpe vorwiegend zu Zeiten günstiger Umgebungsbedingungen einen Großteil der benötigten Energie bereitstellt und in dafür optimierten Wärmespeichern zwischenspeichert. Kostenminimierung und -stabilität verspricht dabei die Photovoltaikanlage. Einmal installiert, stellt diese langfristig genau dann elektrische Energie bereit, wenn die Wärmepumpe einen Großteil ihrer Leistung erbringen soll, nämlich tagsüber bei hoher Einstrahlung und milden Außentemperaturen. Durch Variation der Systemkomponenten in Hinsicht auf deren Nennleistung, bzw. Speichervermögen wird anschließend die kostenoptimale Kombination ermittelt.
Verfasst von: Martin Arndt
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann; Dipl.-Ing. L. Fallant, BELETRIC Solarkraftwerke GmbH, Zweigst. DD
Recherche zur Gebäudestruktur der Stadt Jena und Berechnung des Wärmebedarfs mit numerischer Gebäude- und Anlagensimulation
Aufgrund des auslaufenden Fernwärmeversorgungsvertrages der Stadtwerke Jena Pößneck GmbH mit der E.ON Thüringer Energie AG sollen verschiedene Szenarien analysiert werden, die die zukünftige Wärmeversorgung für Jena sicherstellen. Es muss der geäudeseitige Wärmebedarf für die Stadt Jena untersucht werden. Das Ziel ist es, den Wärmebedarf für Wohngebäude aus verschiedenen Baualtern und in verschiedenen Größenklassen bestimmen zu können, um den Großteil des Wohnungsbestandes von Jena abzubilden. Dafür werden Referenzgebäude, die charakteristisch für die Größenklassen Jenas sind, ausgewählt und für diese epochentypische Wandaufbauten mittels Recherche ermittelt. Durch eine numerische Gebäude- und Anlagensimulation mit TRYNSYS-TUD wird der jährliche Wärmebedarf für verschiedene Baualter der Referenzgebäude bestimmt. Der simulierte Wärmebedarf wird mit aktuellen Studien für den Wärmeverbrauch Jenas und mit Gebäudetypologien verglichen, um abzuschätzen, ob die gewählten Wandaufbauten repräsentativ sind. Zusätzlich wird für ein Referenzgebäude ein Heizungsnetz implementiert, um die Rückkopplung zwischen der Gebäudeversorgung und der bestehenden Anlagentechnik des Gebäudes sowie die Ableitung von möglichen Zusammenhängen bzw. Grenzbedingungen zu untersuchen.
Verfasst von: David Scherzer
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. Paul Seidel
Regionales Virtuelles Kraftwerk - Betriebskonzepte für die Vernetzung von Mikro-BHKW Systemen im Gebäudebereich
Die Energiepolitik der Bundesregierung sieht bis zum Jahr 2050 eine Umstrukturierung der Energieversorgung vor. Um den Primärenergieverbrauch und die Treibhausgasemissionen in Deutschland zu senken, bedarf es des Ausbaus von hocheffizienten und regenerativen Erzeugungssystemen. Die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann mit der gekoppelten Produktion von Wärme und Elektroenergie diese politischen Ziele deutlich unterstützen. Für den Gebäudebereich existiert seit einigen Jahren die Mikro-KWK-Technologie auf dem Markt, die speziell für den Wärmebedarf von Einfamilienhäusern ausgelegt ist und bis zu P = 15 kW elektrische Leistung erzeugt. In dieser Arbeit soll das Potential der Mikro-BHKW Systeme im Gebäudebereich analysiert werden. Ziel ist es, Betriebskonzepte für eine virtuelle Vernetzung zahlreicher Erzeugungsanlagen zu erarbeiten. Hierfür wurde ein Dialog mit 24 regionalen Netzbetreibern bzw. Energieversorgern geführt, um das Konfliktpotential dezentraler Einspeisung von Elektroenergie in das Nieder- bzw. Mittelspannungsnetz zu untersuchen. Diese Arbeit trägt zum Erfahrungsaustausch zwischen den Stadtwerken und der Forschung bei und dient der Modellerstellung eines Regionalen Virtuellen Kraftwerks auf Basis der Mini und Mikro-KWK Technologie.
Verfasst von: Philipp Oehmgen
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach, Dipl.-Ing. M. Preißner (VNG AG)
Thermische Behaglichkeit unter Berücksichtigung flexibler Energiebereitstellung
Zukünftig werden mit steigender Dezentralisierung der Energieerzeugung und der Integration dargebotsabhängiger regenerativer Energiequellen (Wind, Photovoltaik, Kraft-Wärme-Kopplung) neue Anforderungen an die Energieversorgungsstruktur gestellt werden. Das Lastmanagement im Gebäudebereich könnte künftig auftretende Defizite zwischen Energieerzeugung und Energieverbrauch im Energieversorgungsnetz reduzieren bzw. ausgleichen. Unter der Ausnutzung der Weitergabe schwankender Preissignale an den Endkunden kann ein Anreiz zur Lastverschiebung geboten werden. Diese Arbeit fokussiert das preisbasierte, elektro-thermische Lastmanagement unter Ausnutzung des Gebäudes als Speicher und unter Einhaltung der etablierten Kriterien der thermischen Behaglichkeit. Die zulässigen Grenzwerte zur Einhaltung thermischer Behaglichkeit wurden nach einer umfassenden Literaturstudie herausgearbeitet und in den weiteren Betrachtungen verwendet. Die Gebäudesimulation wurde mit der Software „TRNSYS-TUD“ durchgeführt. Mit „TRNSYS-TUD“ wurden Gebäudemodelle verschiedener, für die jeweilige Epoche repräsentativer Einfamilienhäuser (Dämmstandard, Baustoffe, Gebäudemasse, …) untersucht. Ebenso wurden unterschiedliche Nutzungsprofile (Innere Gewinne, Lüftung) eingepflegt und mit den Ergebnissen des Abschnitts zur thermischen Behaglichkeit für den Heizfall simuliert. Im Anschluss wurden die Ergebnisse des benötigten Heizwärmebedarfs für ein „ideales Heizungssystem“ mit den Elektroenergiepreisen über die Betriebsweise der Heizungsanlage (Preis- und Temperaturkriterium) verknüpft. Abschließend erfolgen eine Einschätzung des möglichen bisher ungenutzten Einsparpotentials einer stark intermittierenden Betriebsweise der Heizungsanlage sowie ein Ausblick auf weitere Untersuchungsschwerpunkte.
Verfasst von: Christine Knaus
Betreut von: Dipl.-Ing. Alexander Buchheim, Dipl.-Ing. Juliane Schmidt, Dipl.-Ing. Claudia Kandzia
2013
Wärmespeicher in der Energiewirtschaft
In der vorliegenden Arbeit im Umfang eines Großen Belegs wurde das Thema Wärmespeicher hinsichtlich mehrerer Aspekte eingehend betrachtet. Die aufgeführten Kapitel führen den Leser in einer logischen Reihenfolge von der Berechtigung und Notwendigkeit der Speicher über deren grundlegende Funktionsprinzipien, die sich daraus ableitenden Speicherkonzepte und schließlich deren Analyse und Bewertung bezüglich der Eignung in einem Wärmekraftwerk. Das Ziel hierbei war nicht die Auswahl eines Speichers, sondern die übersichtliche Darstellung verfügbarer Wärmespeichertechnologie inklusive ihrer Stärken, Schwächen und bisheriger Anwendung in der Praxis. Thermodynamische Gesetzmäßigkeiten, wichtige Kenngrößen der Speichertechnologie und tabellarische Übersichten diesbezüglich ermöglichen einen breiten oberflächlichen Einblick in die Wärmespeichertechnologie. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist die Recherche und Auflistung einiger kommerzieller Anbieter, die sich im Bereich der Wärmespeicher angesiedelt haben.
Verfasst von: Patrick Arrue
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann; S. Schneider, Vattenfall Europe PowerConsult GmbH
Thermodynamische Analyse einer kleinen dezentralen MED-Feldanlage
In der vorliegenden Arbeit wird einleitend ein Einblick in die Meerwasserentsalzung gegeben und Fachbegriffe geklärt. Nach der Beschreibung der Feldversuchsanlage werden die Messdaten analysiert. Dabei werden vor allem die Wärmeübertrager betrachtet. Es geht weniger um den Destillatertrag oder den elektrischen Energieaufwand, der für den Betrieb nötig ist. Es werden Unregelmäßigkeiten im Betrieb aufgezeigt und diskutiert. Die Berechnung der Wärmedurchgangskoeffizienten stellt den Kern der Arbeit dar. Eine thermodynamische Betrachtung ist notwendig, um Probleme zu erkennen und zu beheben und damit die fortführende Entwicklung zu unterstützen.
Verfasst von: Nico Wessely
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling; Dr.-Ing. Bodo Burandt, ILK Dresden GmbH
Bewertung der energiewirtschaftlichen Bedingungen und des rechtlichen Rahmens der Speicherung von Elektroenergie in Deutschland
Diese Diplomarbeit wurde im Kontext der Umsetzung unseres Stromversorgungssystems bearbeitet. Die Integration massiv fluktuierender erneuerbarer Energien in zentralen und dezentralen Lagen, die Reduzierung des CO2-Ausstoß sowie der Ausstieg der Kernenergie drücken die Entwicklung eines neuen Netzes. Die Energiespeichertechnologien sind grundsätzlich, ausgenommen Pumpspeicherkraftwerke, neue Technologien. Sie benötigen noch Entwicklungsforschungen und Pilotprojekte. Allerdings kommen schon kommerzielle Produkten auf dem Markt, vor allem im Bereich von Schwungmassenspeicher, Batteriespeicher und Power to Gas. Ein Überblick über die Entwicklung und Charakteristiken der Speichertechnologien wird gegeben. Die Umsetzung der Energiewende schafft ein Nord-Süd Erzeugungs- und Verbrauchsgefälle. Im Norden wird es Überkapazität an Windanlagen, 28 GW On-shore und bis auf 40 GW in Offshore (2013: 3 GW) geben. Die Entwicklung von Zu- und Abbau sieht zudem eine Zunahme von 6,4 GW konventionellen Kraftwerken bis 2018 vor. Im Süden sind es vor allem 14 GW PV-Anlage und viele Kernkraftwerken. Die Entwicklung von Zu-und Abbau sieht im Gegenteil eine Abnahme von 5,4 GW konventionellen Kraftwerken im Süden vor. Darüber hinaus konzentrieren sich im Süden zwei Hauptverbrauchsregionen: Baden-Württemberg und Bayern. Ein Nord-SüdÜbertragungsnetz wird dringend gefordert, aber es benötigt noch zu viel Zeit. Zudem erleben die Netzbetreiber dezentral schon mehr Engpässe und Stresssituationen. Das Netz braucht mehr Flexibilität. Systemdienstleistungen existieren dafür und könnten für andere Flexibilitätsoptionen angepasst werden. Im Rahmen der Flexibilitätsversorgung orientiert sich dann die Analyse. Der Rechtsrahmen und Erlösmöglichkeiten von Speichern sind noch unklar. Spezifische Technologien sind von Umlagen befreit, aber es besteht keine Logik für die Förderung von Speichern oder von Flexibilitätsoptionen. Die Stromwirtschaft verfügt aber über Systemdienstleistungen, die schon Erlösmöglichkeiten bilden. Ein 1MW / 500kWh Li-Ion Batteriespeicher unter verschiedenen Hypothesen kann die Präqualifikationsanforderungen einhalten und an der Primärregelleistung zur Frequenzhaltung sich beteiligen. Dieser Weg ist als eine lukrative Möglichkeit anzusehen. Die stationären Speicher leiden trotzdem daran, dass Investoren noch nicht von den Erlösmöglichkeiten überzeugt sind. Um die Entwicklung und die Investition anzureizen, können vier Vorschläge gemacht werden:
- Pilotprojekte mit Privatinvestoren sollen gefördert werden.
- Rechtsrahmen von Speicher soll geklärt werden und nicht als Letztverbraucher definiert werden
- Bestehende Systemdienstleistungen sollen dringend an andere Flexibilitätsoptionen angepasst werden: Präqualifikationsanforderungen und mehr offene Ausschreibungsmöglichkeit (Blindleistungsbereitstellung)
- Ein Markt muss die Flexibilität belohnen: die Dynamik der Anlage hat einen Wert und ihre Vergütung könnte eine Antwort auf die fluktuierende EE-Erzeugung sein.
Verfasst von: Yann Briand
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander; PhD. Michael Salomon, Clean Horizon, Paris
Erfassung des instationären Temperaturfelds eines Warmwasserspeichers mittels faseroptischer Temperaturmesstechnik
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der "Erfassung des instationären Temperaturfelds eines Warmwasserspeichers mittels faseroptischer Temperaturmesstechnik". Die faseroptische Temperaturmesstechnik (engl. DTS - Distributed Temperature Sensing) ist ein neues Messverfahren, das ein Glasfaserkabel als linearen Sensor zur räumlichen Erfassung von Temperaturfeldern nutzt. Für diese Arbeit wurde das Messsystem erstmalig zur dreidimensionalen Vermessung eines Warmwasserspeichers am Zentrum für Energietechnik (ZET) der TU Dresden angewendet. Hierfür wurde der Speicher mit den für die Be- und Entladung notwendigen Radialdüsen ausgestattet. Die Konzeption und die Umsetzung des Messaufbaus werden in der vorliegenden Arbeit beschrieben.
Es wurden Versuche mit unterschiedlichen Be- und Entladeparametern durchgeführt. Anhand der nachfolgenden 3D-Visualisierung der Messdaten mit der Software ParaView werden die Ausbildung einer thermischen Schichtung beurteilt sowie instationäre Erscheinungen erfasst. In der Versuchsauswertung wird insbesondere auf die Rotationssymmetrie des Ausströmvorgangs sowie des sich ausbildenden Temperaturfeldes eingegangen. Ferner wird für bestimmte Be- und Entladeparameter eine Beeinflussung der sich ausbildenden Strömung durch den Messaufbau nachgewiesen. Die gewonnenen Erkenntnisse können für die Vermessung eines Großspeichers mit mehreren zehntausend Kubikmetern Fassungsvermögen herangezogen werden. Ferner bilden die im Rahmen der Arbeit durchgeführten Versuche einen ersten Ansatz, eine Datengrundlage für die Validierung von Strömungssimulationen zu gewinnen.
Verfasst von: Luise Umbreit
Betreut von: Dipl.-Ing. Andreas Herwig
Wirtschaftliche Bewertung der Solarenergienutzung in Gebäuden
In dieser Arbeit werden die Technologien Photovoltaik und Solarthermie zur Nutzung von Solarenergie in Gebäuden aus wirtschaftlicher sowie gesellschaftlicher Sicht miteinander verglichen. Hierzu werden zwei unterschiedliche Systeme zur Gebäudeenergieversorgung gebildet. Das erste System wird dabei für die Nutzung von Solarthermie entworfen und beinhaltet neben den Flachkollektoren einen Gas-Brennwertkessel sowie eine Fußbodenheizung. Im zweiten System, das für die Nutzung von Photovoltaik konzipiert wird, kommt eine elektrische Fußbodenheizung zur Raumheizung in Verbindung mit einer Wärmepumpe zur Trinkwassererwärmung zum Einsatz. Beide Systeme werden zur Vergleichbarkeit der Technologien jeweils mit Photovoltaik sowie mit Solarthermie und dazu noch ohne den Einsatz erneuerbarer Energien betrachtet. Als Gebäude, in dem die Systeme untersucht werden wird ein Passivhaus sowie ein Gebäude dass die Energieeinsparverordnung 2009 erfüllt betrachtet, jeweils als Wohn- bzw. als Bürogebäude genutzt. Es werden Energieverbrauch und –bereitstellung gegenübergestellt und somit die Kosten für den Energiebezug ermittelt. Zusammen mit den Investitionskosten abzüglich staatlicher Förderungen werden so mit der Annuitätenmethode die jährlichen Gesamtkosten für die Energieversorgung der Gebäude berechnet und miteinander verglichen. Das Ergebnis dieser Berechnung ist, dass ein System mit Photovoltaikanlage und Gas-Brennwertkessel zu den durchschnittlich geringsten Gesamtannuitäten von bis zu unter 3000 € je nach Gebäudetyp führt, was am Preisunterschied zwischen Strom und Erdgas von etwa 19 ct/kWh sowie der begrenzten Speichermöglichkeit von Wärme aus Solarthermie liegt. Auch das System mit direktelektrischer Wärmeerzeugung sowie Photovoltaik-Anlage erweist sich als vorteilhaft, jedoch nur im Passivhaus, da dessen geringer Heizenergiebedarf die Vorteile dieser Heizmethode, wie etwa geringer Investitionsbedarf ausnutzen kann. Bei der anschließenden Betrachtung des Ausstoßes an Treibhausgasen und Luftschadstoffen aus gesellschaftlicher Sicht wird das Ergebnis ermittelt, dass alle Anlagen zur Nutzung von erneuerbaren Energien für eine Einsparung des Ausstoßes dieser führen, jedoch nicht völlig frei davon sind. Die Photovoltaik führt dabei zu den geringsten Emissionswerten, was sowohl an den gesetzten Systemgrenzen als auch an der fehlenden Einspeisemöglichkeit von Wärme in ein öffentliches Netz liegt. Eine Untersuchung der Autarkiegrade der Systeme führt zum Ergebnis, dass Solarthermie-Anlagen im Allgemeinen über einen höheren Autarkiegrad von teils über 40 % je nach Gebäudetyp verfügen. Die abschließende Betrachtung der Effizienzen der Förderprogramme für die betrachteten Systeme zeigt, dass für eine Einheit an durch Solarthermie erzeugter Energie durchschnittlich weniger Fördergelder aus öffentlicher Hand bezahlt werden als für Energie aus Photovoltaik. Abschließend werden die den Berechnungen zugrunde gelegten Annahmen überprüft und durch eine Betrachtung der Auswirkungen von Abweichungen von bis zu 10 % dieser Werte die Gültigkeit der Ergebnisse der Arbeit belegt.
Verfasst von: Daniel Peschel
Betreut von: Dipl.-Ing. Felix Panitz, Dr.rer.nat. Christoph Schünemann, Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Kfm. André Gräning, TU Dresden, Fak. Wirtschaftswissenschaften, Professur für Wirtschaftsinformatik
Messtechnische Analyse eines temperierbaren Wandelements hinsichtlich des Einsatzes in einem Versuchsstand zur Untersuchung von HLK-Regelungsstrategien
Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der hydraulischen und thermodynamischen Vermessung eines temperierbaren Flächenelements. Dieses dient in einem zukünftigen Versuchsstand, dessen Umfassungsflächen vollständig aus diesen Elementen aufgebaut sind, zur Einstellung einer homogenen Oberflächentemperatur. Das zu untersuchende Flächenelement besteht aus drei übereinanderliegenden Kapillarrohrmatten, die unabhängig voneinander beheizt und gekühlt werden können. Im Rahmen der Diplomarbeit ist eine geeignete Versuchsanordnung inklusive der nötigen Sensorik zu konstruieren. In einer Reihe von Versuchen unter Laborbedingungen werden anschließend verschiedene Einflussgrößen auf die Betriebscharakteristik des Flächenelements untersucht und ausgewertet. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf den weiteren Verlauf der Untersuchungen ab.
Verfasst von: Maximilian Beyer
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. Alexander Buchheim, Dipl.-Ing. E. Demisch - Fa. ILKAZELL
Wärme- und Kälteversorgung eines Supermarktes unter besonderer Berücksichtigung der Wärme-Kälte-Kopplung
Lebensmittelmärkte gehören zu den energieintensivsten kommerziell genutzten Gebäuden. Aufgrund steigender Energiepreise sowie umweltpolitischer Klimaschutzzielen kommt der Energieeffizienz auch im Lebensmitteleinzelhandel zusehends Bedeutung zu.
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen eines Fachpraktikums bei der kke GmbH erstellt. Untersucht wurde ein bestehender Supermarkt. Die Wärmeversorgung des Marktes geschieht in erster Sequenz durch die Wärmerückgewinnung aus der Gewerbekälte, in zweiter Sequenz mittels eines VRF-Systems, welches im Heizbetrieb als Luft/Luft-Wärmepumpe fungiert. Anhand der zur Verfügung stehenden Messdaten wurde das vorhandene Versorgungssystem analysiert, bewertet und anschließend in MS Excel VBA moduliert. Mit diesen Rechenmodellen konnte das System für einen definierten Zeitraum unter Annahme der Messdaten als Randbedingungen berechnet werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein Vorschlag zur Energieeinsparung erarbeitet. Kernpunkt ist die variable Regelung des Kondensationsdrucks der Kälteverbundanlage in Abhängigkeit der Außentemperatur. Die Abwärme der Gewerbekälte wird im Heizbetrieb als Wärmequelle der VRF-Anlage genutzt – beide zuvor getrennten Systeme sind nun direkt über einen Wärmeübertrager miteinander verbunden. Die optimierte Variante wurde mittels der zuvor erstellten Modelle berechnet und mit den Ergebnissen des bestehenden Systems verglichen, wobei die zuvor ermittelten Wärme- und Kälteverbräuche als Bedarfe angenommen wurden. Es zeigt sich, dass der jährliche Stromverbrauch der Kälteverbundanlage infolge des Optimierungsvorschlages um 15 % gesenkt werden konnte, während jener des VRF-Systems um 26 % steigt. Da die Gewerbekälte einen signifikant höheren Strombedarf als die VRF-Anlage hat, bleibt, beide Systeme in Summe betrachtet, dennoch eine Energieeinsparung von fast 12 %.
Verfasst von: Patrick Eggers
Betreut von: Dipl.-Ing. Thomas Kretzschmar, Thomas Nickel, kke GmbH
Wirtschaftliche Bewertung und technische Konzeption einer PV-basierten PtG-Anlage
Durch den ansteigenden Ausbau der erneuerbaren Energien ergeben sich zunehmend Stromüberschüsse durch die natürliche, wetterbedingte Fluktuation bei der Stromerzeugung. Zur bedarfsgerechten Integration werden effiziente Speichermöglichkeiten benötigt. Eine zukunftsweisende Variante, Energie langfristig zu speichern und transportabel zu machen, ist das in der vorliegenden Arbeit betrachtete Power-to-Gas (PtG)-Verfahren. Bei diesem wird u. a. regenerative Energie genutzt, um mittels Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Der erzeugte Wasserstoff bietet sich als nachhaltiger Energieträger zur Langzeitspeicherung an, der entweder als eigenständiges Produkt genutzt oder umgewandelt in Methan direkt in das Erdgasnetz eingespeist werden kann. Für das Verfahren der Wasserstoffherstellung werden in dieser Arbeit die drei existierenden Wasserelektrolyseverfahren diskutiert. Aufgrund des dynamischen Betriebsverhaltens zeigt sich die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEMEL) besonders geeignet für die Verwendung der hier konkret untersuchten, mit PV-Strom betriebenen PtG-Pilotanlage. Die dazu erfassten, sicherheitstechnischen Betrachtungen beziehen sich durch die spezifischen Eigenschaften des Wasserstoffs insbesondere auf Explosionsschutzmaßnahmen. Aus wirtschaftlicher Sicht haben sich vor allem die Gas- und Automobilindustrie sowie allgemeine Stromversorger als Hauptabnehmer für den Wasserstoff aus PtG-Anlagen herausgestellt. Ein weiteres, wichtiges Anwendungsfeld ist der Regelenergiemarkt, für welchen dieser Prozess ein flexibler Stromabnehmer, bzw. -anbieter sein kann. Eine erfolgsversprechende Umsetzung des PtG-Konzepts wurde bisher jedoch nur in geförderten Demonstrationsanlagen gezeigt.
Verfasst von: Philomena Apitzsch
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, M.Sc. Michael Zipf, Dr. rer. nat. Dirk Caspary, MR SunStrom GmbH
Praxisanwendung der Prognosebasierten Betriebsführung von Gebäuden
Seit einiger Zeit ist es möglich, Wetterprognosen in die Gebäudeautomation und die Regelung einzelner Gewerke wie Heizung oder Kühlung einzubeziehen. In dieser Arbeit soll dazu ein Überblick über den aktuellen Stand der Anwendungen gegeben werden und gleichzeitig untersucht werden, wie sich fehlerhafte Wetterprognosen auf den Anlagenbetrieb auswirken. Um die Abweichungen von Wetterprognosen beurteilen zu können, wird anfangs eine Übersicht zu aktuellen Wettervorhersagemodellen und Prognoseerstellungen gegeben. Im Anschluss daran folgt ein Überblick über die Marktaktivitäten von Anbietern prognosegestützter Steuersystemen. Neben wissenschaftlichen Demonstrationsobjekten werden konkrete Einsparungen verschiedener Systeme in realen Gebäuden aufgelistet. Die Arbeit schließt mit der Analyse von Vorlauftemperatur-Steueralgorithmen der Firma Sauter. Mit diesen werden mit Hilfe von TRNSYS-TUD die Auswirkungen auf das Raumklima bei Nutzung einer realen und einer perfekten Wetterprognose aufgezeigt. Darüber hinaus werden die Wetterdaten systematisch manipuliert, um den direkten Einfluss einzelner Wetterprognosegrößen (Temperatur, Strahlung etc.) auf beispielsweise Raumtemperatur oder Vorlauftemperatur durch erneute Simulationen zu zeigen.
Verfasst von: Niels Rauland
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann; Andreas Eisele, Sauter-Cumulus GmbH, NL Dresden; Dr. Andreas Wetzel, Sauter-Cumulus GmbH, Zentrale
Konzeptentwicklung und Implementierung der Automatisierung eines Prüfstands für Wärmepumpenkompressoren
Ziel der Arbeit ist es ein Automatisierungskonzept zu erstellen und umzusetzen, welches in Zukunft eine automatische Vermessung von Kältemittelkompressoren nach den allgemein gültigen Prüfregeln ermöglicht. Grundlage hierfür ist ein bereits vorhandener Prüfstand, welcher als Kältekreislauf konzipiert ist und bereits im Handbetrieb zur Vermessung von Kompressoren diente. In diesem Sinne werden die thermodynamischen und regelungstechnischen Grundlagen im Bezug auf Kältekreisläufe erarbeitet, eine Recherche zu den Prüfnormen durchgeführt, ein Regelungskonzept für den Prüfstand erarbeitet und die Umsetzung in der grafischen Programmiersprache LabView durchgeführt. Für das Regelungskonzept ist es nötig Regler auszulegen, welche in der Lage sind die für die Kompressorvermessung nötigen Randbedingungen einzustellen. Das Automatisierungskonzept beinhaltet die Initialisierung des Prüfstandes, die Stapelverarbeitung von Messreihen und die abschließende Auswertung der aufgenommenen Werte im Hinblick auf die für die Bewertung notwendigen Kennzahlen. Die Überprüfung des laufenden Betriebes ist dabei ein Hauptpunkt, welcher bei der Umsetzung beachtet werden muss. Weiterhin beinhaltet die Prüfstandssoftware die Möglichkeit zur manuellen Durchführung von Tests im Sinne einer Handbedienung. Eine abschließende Testreihe soll eine Bewertung der Umsetzung ermöglichen und etwaige Möglichkeiten zur Verbesserung der Prüftsandsregelung aufzeigen.
Verfasst von: Tobias Müller
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Energetische Bewertung mit EnerCalC
Die Gerhard-Grafe-Sporthalle ist eine Vereins- und Schulsporthalle der Sportgemeinschaft Weixdorf Eingetragener Verein. Das Gebäude befindet sich im Weixdorf, eine Ortschaft und ein statistischer Stadtteil von Dresden. Sie wurde als eine der ersten nach dem Passivhausstandard errichteten Sporthallen gebaut und ist der modernsten des Freistaats Sachen. Das Passivhaus „Am Pulverturm“ ist ein Passivhauskonzept, das von mir und zwei Kommilitonen, Andreas Matloch und Gerit Hüte, im Beleg vom Modul BIW4-72 Nachhaltiges Bauen zusammen designt wurde. Diese Projektarbeit wurde einerseits im Rahmen des Forschungsvorhabens zur Optimierung des Gebäude- und Anlagenbetriebs der Sporthalle Weixdorf bearbeitet. Der Gegenstand ist eine energetische Gesamtbilanzierung mithilfe EXCEL-basiertes Berechnungstools EnerCalC. Das Berechnungsprogramm erlaubt eine vereinfachte energetische Bilanzierung von Gebäuden in Anlehnung an die DIN V 18599. Andererseits sind die Berechnungsprogramme EnerCalC und ZUB Helena durch die exemplarische Anwendung auf dem Passivhaus „Am Pulverturm“ miteinander zu vergleichen, um die Praxistauglichkeit des Berechnungsverfahrens zu bewerten.
Verfasst von: Ou Xiang
Betreut von: Dipl.-Ing. Juliane Schmidt
Vergleichende Analyse und Bewertung von Hydraulik und Hilfsenergie in Energieversorgungsanlagen zur Gebäudeheizung und -kühlung auf Basis von Umweltenergie als Wärmequelle und -senke
Heiz- und Kühlsysteme, die Umweltwärmequellen bzw. -senken zur Gebäudeklimatisierung nutzen, haben gegenüber konventionellen Anlagen das Potential zu einem reduzierten Primärenergiebedarf. Voraussetzung ist jedoch eine effiziente Wärme- bzw. Kälteverteilung in den Gebäuden. In dieser Arbeit wird die Hydraulik der Energieversorgungsanlagen zur Gebäudeheizung und -kühlung von insgesamt zehn Nichtwohngebäuden analysiert, um so Schwachstellen und Erfolgsfaktoren zu identifizieren. In einem ersten Teil werden die Anlagen nach typischen hydraulischen Merkmalen untersucht und systematisch eingeteilt. Um Schwachstellen in den hydraulischen Systemen zu lokalisieren, werden Druckverlustberechnungen unter stationären Bedingungen unter Verwendung von Nennvolumenströmen aus der Planungsphase durchgeführt und die Ergebnisse miteinander verglichen. Die Resultate zeigen, dass im Mittel ein Energieeinsparpotential zur Fluidumwälzung um über 70 % besteht. In einem zweiten Teil werden Messdaten ausgewertet, um die im Betrieb angewandten hydraulischen und thermischen Regelungen zu untersuchen und deren Einfluss auf die Jahresarbeitszahlen und die spezifischen hydraulischen Energieverbrauchswerte werden dargestellt. Im letzten Teil dieser Arbeit wird ein dynamisches Simulationsmodell des Verbraucherkreises eines der untersuchten Nichtwohngebäude in der Entwicklungsumgebung Dymola aufgebaut. Mithilfe des Modells werden vorgeschlagene Dimensionierungs- und Auslegungsempfehlungen für die Anlagen unter instationären Bedingungen dynamisch untersucht. Durch Verbesserungen von hydraulisch relevanten Komponenten konnte hier die Effizienz um mehr als den Faktor fünf verbessert werden.
Verfasst von: Christoph Kaatz
Betreut von: Dr.-Ing. Ralf Gritzki, Dipl.-Ing. Paul Seidel
Effiziente Gestaltung der Versorgung von Firmengebäuden mit Elektroenergie und Wärme
In der Diplomarbeit wird die Energieversorgung des 20 Jahre alten Firmengebäudes der GÖDE- Unternehmensgruppe im bayerischen Waldaschaff untersucht und Aufschluss über Möglichkeiten zur Verbesserung dieser Energieversorgung gegeben. Zunächst wird mit Hilfe eines erstellten vereinfachten Modells der thermischen Halle der bauphysikalische Wärmeenergiebedarf des Gebäudes nach dem Monatsbilanzverfahren der DIN V 4108-6 bestimmt und ausgewertet. Außerdem werden die Anlagenverluste der Technischen Gebäudeausrüstung nach dem detaillierten Verfahren der DIN 4701-10 ermittelt und analysiert. Die damit gewonnenen Daten werden zur Ausarbeitung von Maßnahmen zur Verringerung des gebäudeseitigen Wärmeenergieverlusts genutzt und es werden Aussagen über die Wirtschaftlichkeit einer Sanierung der Gebäudehülle getroffen. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit ist die Ausarbeitung von Konzepten zur Verringerung der Heizkosten. Hier wird zunächst der anlagenseitige Jahrbrennstoffbedarf sowie der gebäudeseitige Jahreselektroenergiebedarf erfasst und aufbereitet. Außerdem werden Vorschläge für alternative Heizsysteme gemacht. Dabei wird die Wirtschaftlichkeit mehrerer Blockheizkraftwerke in unterschiedlichen Leistungsgrößen und einer Brennwertheizungsanlage untersucht und es werden Fördermöglichkeiten für BHKWs aufgezeigt. Zur Bestimmung der benötigten Heizleistung wird die Norm-Heizlast nach DIN EN 12831 berechnet. Ebenso wird der Einfluss einer geplanten Photovoltaikanlage auf den Einsatz eines Blockheizkraftwerks ermittelt. Aufgrund des Anlagenalters werden Maßnahmen zur Reinigung und Aufbereitung der Heizungsanlage vorgestellt.
Verfasst von: Steffen Rex
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander, Dipl.-Ing.(FH) Eberhard Zentgraf GÖDE, TEC-Institut Waldaschaff
Entwicklung einer technischen Lösung zur Einhaltung hoher raumklimatischer Anforderungen in Mikroskopie-Räumen
Im Zuge der Exzellenzinitiative der Technischen Universität Dresden soll das damit verbundene Exzellenzcluster Center for Advancing Electronics Dresden (cfAED) auf dem Campus-Gelände der TU Dresden integriert werden. Der als Standort ausgewählte Barkhausen-Bau soll dafür den für die zukünftige Forschung notwendigen gebäudetechnischen Anforderungen angepasst werden. Teil des neu entstehenden Zentrums ist unter anderem eine Mikroskopie, die auf neuestem Stand der Technik über das Cluster hinaus als Forschungsstandort genutzt werden kann. Die Anforderungen an das zu realisierende Raumklima in diesem Teil des Gebäudes sind besonders hoch. Im Besonderen eine einzuhaltende Temperaturkonstanz von 0,1 K/h stellt eine große Herausforderung für die Gebäudetechnik dar. Bestandteil dieser Arbeit ist es, zunächst die raumlufttechnischen Grundlagen und die Nutzeranforderungen an die Mikroskopie darzustellen, um anschließend auf diesen aufbauend ein Konzept für die Umsetzung der hohen Anforderungen an das Raumklima zu erarbeiten. Am Schluss werden die Ergebnisse der Konzeptionierung dargestellt und bewertet. In einem daran anschließenden Ausblick wird eine Empfehlung zur weiteren Vorgehensweise der Planung der Gebäudetechnik gegeben.
Verfasst von: Ramona Nosbers
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Herr A. König, KLEMM Ingenieure GmbH & Co. KG
Wirtschaftliche und ökologische Perspektiven der Nahwärmeversorgung durch Biogasanlagen im ländlichen Raum
Nahwärmenetze spielen eine zentrale Rolle bei der Umgestaltung der Energieversorgung auf erneuerbare Energien. Sie bieten die Chance einer wirtschaftlich und ökologisch nachhaltigen Wärmeversorgung. Inwieweit Nahwärmenetze auf vorrangiger Basis von Biogasanlagen im ländlichen Raum diesen Kriterien derzeit genügen und wie die Randbedingungen hierfür in Zukunft aussehen könnten, behandelt die vorliegende Arbeit. Hierzu werden auf Grundlage einer Datenerhebung bestehende Netze anhand ausgewählter Indikatoren geprüft und verglichen.
Die Arbeit zeigt, dass sich die Netze zum jetzigen Zeitpunkt äußerst ökologisch und zugleich wirtschaftlich betreiben lassen. Die gesammelten Daten werden anschließend an diese Darlegung evaluiert und in den Kontext zukünftiger Entwicklungsszenarien gebracht. Erkennbar wird, dass Gebäudeenergieeinsparmaßnahmen und der Bevölkerungsrückgang einen signifikanten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Netze haben und diese auch entsprechend gefährden können. Hierauf aufbauend werden Strategien entwickelt, die unter Beachtung der gewonnenen Ergebnisse die langfristige Sicherstellung der Wirtschaftlichkeit dieser Nahwärmenetze ermöglichen.
Verfasst von: Christoph Runst
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr. T. Schmidt-Baum (DBFZ)
Energetische Bewertung einer Lüftungsanlage
Gegenstand der Arbeit ist die energetisch und wirtschaftlich möglichst günstige Auswahl der Ventilatoren und des Wärmerückgewinners für eine Lüftungsanlage, welche eine bestehende Anlage ersetzen soll. Der Stand der Technik wurde recherchiert und dargestellt, die Komponenten mit der größten Energieeffizienz ermittelt. Um eine möglichst energiesparende Kombination der selbigen zu finden, wurde dann eine Vorauswahl anhand geeigneter Kennwerte getroffen. Die Vorzugsvarianten wurden unter Beachtung des Nutzerverhaltens nach dem Verfahren der Lüftungsgradstunden energetisch bewertet. Durch die Umrechnung der verschiedenen Energiearten auf den kumulierten Energie-Aufwand (KEA) ist ersichtlich, welche Gerätekonstellation die größte Einsparung von Energie ermöglicht. Zuletzt erfolgte die wirtschaftliche Bewertung mit Hilfe der Kapitalwertmethode, unter Berücksichtigung von zu erwartenden Energiepreissteigerungen. Somit ist ein Zusammenhang zwischen Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit ablesbar.
Verfasst von: Martin Schorcht
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Optimale Betriebsführung eines städtischen KWK-Versorgungssystems mit Großwärmespeicher, Solarthermie und Wärmepumpe
In der vorliegenden Arbeit „Optimale Betriebsführung eines städtischen KWK-Versorgungssystems mit Großwärmespeicher, Solarthermie und Wärmepumpe“ wird die Einsatzplanung für einen Erzeugerpark durchgeführt. Der aktuelle Erzeugerpark, bestehend aus einer KWK-Anlage und einem Tagesspeicher, liefert Strom und Wärme. In Fernwärme-Schwachlastzeiten ergeben sich jedoch wirtschaftlich-technische Rahmenbedingungen, die die Marktfähigkeit des KWK-Betriebes in Frage stellen. Deshalb soll der Erzeugerpark mit einem Großwärmespeicher, einer Solarthermie-Anlage und einer Wärmepumpe erweitert werden. Damit soll erreicht werden, dass der Betrieb des Erzeugerparks an den Verlauf des Stromspotmarktpreises weiter angepasst und die Gesamterlöse gesteigert werden. Das bedeutet beispielsweise, dass das HKW am Wochenende, während niedriger Stromspotmarktpreise, mit deutlich reduzierter Leistung gefahren und ein Teil der Wärme über den Großwärmespeicher bereitgestellt wird. Die optimale Betriebsführung erfolgt dementsprechend nach den Gesamterlösen. Mithilfe des Optimierungsmodells FWOptD wurde die Einsatzplanung für verschiedene Szenarien durchgeführt. Das führt zu einer Reihe von Ergebnissen, die unterschiedliche Randbedingungen enthalten und die jeweilige optimale Betriebsführung repräsentieren. Im Zuge der Nutzung des Optimierungsmodells wurden eine Plausibilitätsprüfung und eine Dokumentation der Auswertungsroutine durchgeführt. Die Auswertung und Interpretation der Ergebnisse der Einsatzplanung zeigen gewisse Regelmäßigkeiten. So weist der erweiterte Erzeugerpark insgesamt in einem besseren Brennstoffnutzungsgrad auf und der Betrieb kann besser an den Verlauf des Stromspotmarktpreises angepasst werden. Damit kann die Wirtschaftlichkeit des Erzeugerparks gesteigert werden.
Verfasst von: Florian Kuhla
Betreut von: Dr.-Ing. Sebastian Groß
Entwicklung, Implementierung und Test eines Steuer- und Regelungskonzeptes für eine modular aufgebaute Klimakammer
Eine in der Entwicklungsphase befindliche Klimakammer der TU Dresden verfolgt die Untersuchung der thermischen Behaglichkeit unter instationären Bedingungen. Die ein- stellbare Wandoberflächentemperatur bildet dabei eine Besonderheit des Versuchsstands. Durch lokales Mischen von Heiz- und Kühlwasser erfolgt die Temperierung der Wandoberfläche. Die Entwicklung des dafür nötigen Mess-, Steuer- und Regelungskonzepts bildet den Hauptteil der Arbeit. Es wurde ein Hardwarekonzept recherchiert, mit dem die Regelung der Wandoberflächentemperatur realisiert werden kann. Basierend auf einer thermischen Simulation der Regelstrecke wurden ein Reglerkonzept getestet und Studien zur Regelgüte durchgeführt. Dieses Reglerkonzept wurde abschließend für die gewählte Hardware implementiert und auf Funktionstüchtigkeit geprüft. Die übergeordnete Regelung des Heiz- und Kühlwassers wurde theoretisch betrachtet. Die erarbeiteten Lösungen werden kritisch bewertet und auf ihre Eignung untersucht.
Verfasst von: Toni Rosemann
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Jens Haupt
Ökologische Bewertung von Gebäuden im Rahmen von Nachhaltigkeits- und Lebenszyklusanalysen
Im Lebenszyklus eines Gebäudes kommt früher oder später der Zeitpunkt, an dem das Gebäude nicht mehr betrieben werden kann und letztendlich abgebrochen werden muss. In Zusammenarbeit der Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung der Technischen Universität Dresden und der Firmengruppe Gundlach aus Hannover, wurden die Auswirkungen eines Abbruchs unter den vordefinierten Kriterien – Materialrecycling und Emissionen – untersucht und an Beispielen dargestellt. Die daraus resultieren Ergebnisse erbrachten Aufschluss darüber, welche Veränderungen sich für den Neubau und dessen Betrieb ergeben, wenn bereits in der Planungsphase ein ökologischer Abbruch gewährleistet wird.
Verfasst von: Andreas Matloch
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Thomas Sander, Herr Gerbens, Fa. Gundlach, Hannover
Experimentelle Untersuchungen zum Verhalten eines Trinkwassererwärmers mit Speicherladeprinzip
Diese Arbeit befasst sich mit Untersuchungen einer Trinkwassererwärmungsanlage mit Speicherladeprinzip. Dabei wurde erstmalig im ZET die faseroptische Temperaturmessung, basierend auf dem Raman-Effekt, eingesetzt, um die Temperaturschichtung innerhalb des Speichers bei verschiedenen Betriebszuständen zu erfassen. Mit den Messergebnissen konnte das Betriebsverhalten der Trinkwassererwärmungsanlage untersucht und bewertet werden. Als Ergebnis der Experimente wurden geeignete Betriebsparameter ermittelt und die Leistungsfähigkeit der Anlage bestimmt. Dazu wurden Experimente in den Betriebszuständen Ladung und Zapfung, jeweils mit und ohne Zirkulation, durchgeführt.
Verfasst von: Sabrina Uhlig
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Felix Panitz, Dipl.-Ing. Jan Löser
Experimentelle Untersuchungen zum Druckverlust von Wasser-Eisgemischen
Am ILK-Dresden wird ein neues System zur Erzeugung von Eis-Suspensionen(Vakuumeis) ausgeführt und getestet. Die Besonderheit dieses Systems besteht darin, dass zuerst in dieser Kälteerzeugungsprozess Wasser gleichzeitlich als Kältemittel und Lösung ist, und dann Eiskristalle nicht durch Wärmeübertragung in einer Wärmeübertrager gebildet werden, sondern entsteht sich bei der direkten Verdampfung von Wasser im einer sehr geringe Luftdruck (nahezu Vakuum). Dieser Prozess heißt Vakuumeisverfahren. Nach der Erzeugung werde die Eis-Suspensionen zu den Verbrauchern pumpen können. Aber gibt es in dieses Transportprozess einige Druckverlust. Deshalb Zur Reduzierung des Druckverlusts sind Kenntnisse über die Stoff- und Transporteigenschaften dieser Eis-Suspensionen notwendig. Die Fließeigenschaften von Eis-Slurries sind in hohem Maße abhängig von dem Eisgehalt, der Strömungsgeschwindigkeit und dem Rohrdurchmesser. In diesem Projekt werden wir durch Messung der Druckverlust bei verschiedenen Eisgehalt, Strömungsgeschwindigkeit und Rohrmesser in der Rohrleitung, um die Strömungseigenschaften von Vakuumeis zu ziehen.
Verfasst von: Yang Danquan
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. Marcus Honke (ILK Dresden)
Löslichkeitsuntersuchungen für Solarflüssigkeiten
Um Einflüsse von Gasen in Solarkreisläufen zu bewerten sowie um Anlagenkomponenten auszulegen und zu optimieren sind Stoffdaten notwendig. Dazu steht ein Versuchsstand zur Verfügung, an welchem Experimente zur wasservergleichenden Löslichkeitsbestimmung durchgeführt wurden. In Solaranlagen spielen weiterhin Prozesse wie Absorption und Desorption eine wichtige Rolle. Deren Geschwindigkeit wird auf Seiten des Stoffes durch den Diffusionskoeffizienten beschrieben. Daher wurde untersucht inwieweit die Versuchsanlage zur Bestimmung der Diffusionsgeschwindigkeit geeignet ist. Eine Analyse von Literaturquellen zur experimentellen Untersuchung von Diffusionskoeffizienten lieferte eine Übersicht zu möglichen Versuchsanordnungen. Die theoretischen Rahmenbedingungen wurden erarbeitet und auf die gegebene Versuchsanlage spezifiziert. Dabei wurden im Besonderen die im Experiment entstehenden Quereinflüsse berücksichtigt. Die Erstellung einer Versuchsroutine ermöglichte die Kalibrierung der Anlage mit Wasser. Es konnte eine Abweichung von der Literatur definiert werden. Die Routine wurde für alle weiteren Versuchsreihen angewendet, was eine Korrektur der Messergebnisse um die ermittelte Abweichung erlaubte. Es wurden Versuche zu einigen Solarflüssigkeiten durchgeführt. Aus den Vorbetrachtungen wurde dann eine Auswerteroutine erarbeitet, mit dessen Hilfe die Bestimmung der Diffusionskoeffizienten für die jeweilige Flüssigkeit möglich wurde. Abschließend wurden die Ergebnisse eingeschätzt und ein Ausblick auf weitere Versuchsreihen mit möglichen Verbesserungsvorschlägen gegeben.
Verfasst von: Sebastian Unger
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Felix Panitz
Inbetriebnahme und Untersuchung des thermischen Verhaltens von einem neuartigen Latentwärmespeicher
Im Rahmen der vermehrten Nutzung der erneuerbaren Energien, Steigerung der Energieeffizienz und Verringerung der Abhängigkeit von Energieimporten ergeben sich potentielle Einsatzgebiete für Wärmespeicher.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der thermischen Charakterisierung eines neuartigen Latentwärmespeichers. Als Phasenwechselmaterial wird die eutektische Kalium-/Natriumnitrat-Salzmischung verwendet. Für das Be- und Entladen des Speichers wird ein vorhandener Ölkreislauf genutzt. Anhand von Temperaturmessungen im Speichermaterial und im Ölkreislauf wird das thermische Verhalten des Speichers bei zwei Volumenströmen und drei verschiedenen Temperaturbereichen untersucht. Dabei zeigt sich, dass der Entladevorgang aufgrund einer Schichtbildung beim Erstarren wesentlich länger dauert als der Ladevorgang. Durch das Einbringen einer Wärmeleitstruktur soll der Wärmeübergang im Salz weiter verbessert werden.
Mithilfe der Software ANSYS Workbench wird ein vereinfachtes Simulationsmodell des Speichers erstellt und der Schmelz- und Erstarrungsvorgang simuliert. Anhand der Messdaten erfolgt eine Validierung des Modells. Darauf aufbauend werden verschiedene Wärmeleitstrukturen untersucht und eine Struktur für den praktischen Einsatz ausgewählt.
Bei der ausgewählten Struktur handelt es sich um ein Zickzackblech, welches gefertigt und in den Speicher eingebaut wird. Zur Charakterisierung werden die gleichen Versuchsbedingungen wie zu Beginn verwendet.
Verfasst von: Torsten Klemm
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Andreas Herwig
Numerische Untersuchungen zu Strömungsdruckverlusten und Wärmeübergang bei Regeneratoren in Gaskreisprozessen
Im Zusammenhang mit der Untersuchung von Stirling-Maschinen an der TU Dresden ist die Fragestellung entstanden, wie die Strömungsbedingungen von Regeneratoren beschrieben werden können. Regeneratoren sorgen allgemein in regenerativen Gaskreisprozessen für das Aufrechterhalten einer Temperaturdifferenz zwischen dem Kompressions- und dem Expansionsraum. In der Arbeit wurden verschiedene numerische Modelle für Regeneratoren aus Drahtgewebe entwickelt. Hierfür wurden geometrische und physikalische Annahmen getroffen, die eine realitätsnahe Beschreibung ermöglichen sollten. Die Modelle wurden in einer ersten Stufe unter konstanten Durchströmungsgeschwindigkeiten untersucht. Anschließend wurde das Modell erweitert um auch oszillatorische Durchströmungen zu simulieren. Die Realitätsnähe der Modelle wurde mit Hilfe von empirischen Korrelationen für den Druckverlust und den Wärmeübergang überprüft.
Verfasst von: Markus Blank
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) Torben Möller
Konstruktive und hydraulische Aspekte von Solarabsorberstrukturen in ETFE-Membrankissen
Im Zuge der Erhöhung des Anteils transparenter Gebäudeumhüllungen in der modernen Architektur kommen pneumatisch stabilisierte Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE)-Folienkissen immer öfter zum Einsatz. Diese erfüllen den Wunsch nach transparenten Dach- oder Fassadenkonstruktionen, führen jedoch durch ihre hohen Transmissionsgrade zu einer verstärkten Erwärmung des Gebäudeinneren und erhöhen den Klimatisierungsbedarf. Für die Entwicklung eines effektiven Verschattungssystems wird die Möglichkeit fluiddurchströmter Kissenmittellagen erforscht. Für diese ETFE-Solarkollektoren wird zudem eine mögliche energetische Nutzung der absorbierten Energie angestrebt.
Es wurden vereinfachte Kollektormodelle konzipiert und durch das Verschweißen zweier ETFE-Folienlagen gefertigt. Zwei Möglichkeiten der Aufweitung der dabei entstandenen Kapillarstrukturen wurden untersucht und bewertet. Mit einer dafür konzipierten Anordnung aus Mess- und Datenloggertechnik wurden in Durchströmungstests der Druckabfall über die Kappilarstrukturen sowie, unter Eintrag von Strahlungsenergie, die Erwärmung eines eingefärbten und eines transparenten Absorberfluids für verschiedene Parameter ermittelt. In mehreren Schritten wurden die Solarkollektoren weiterentwickelt indem deren Geometrien sowie Anschlussmöglichkeiten verändert wurden. Es konnten Strukturen geschaffen werden die sich unter Durchströmung eines heißen Fluids gut aufweiten ließen und dabei Druckverluste von nur wenigen Millibar aufwiesen. Das in den thermohydraulischen Tests ermittelte energetische Potential fällt im Vergleich mit marktüblichen Standardkollektoren erwartungsgemäß gering aus, ist jedoch bereits deutlich erkennbar. Der gemessene Temperaturanstieg von über 5 Kelvin lässt sich durch eine Vergrößerung der Kollektorfläche, eine Verbesserung der Absorbereigenschaften des Solarfluids sowie eine Verringerung der Wärmeverluste durch das die Kollektorstruktur in der Praxis umhüllende Membrankissen weiter erhöhen.
Verfasst von: Sebastian Dietrich
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Numerische Untersuchungen der Luftströmungen und Temperaturschichtungen innerhalb des Atriums/PIK-Forschungsneubau Potsdam
Im Zusammenhang der energetischen Bewertung und Optimierung des Forschungsneubaus des Potsdam-Instituts für Klimaforschung liefert diese Arbeit eine Analyse der Raumluftströmungen im Atrium und der angrenzenden Flure. Anhand numerischer Modelle wurden in einer Parameterstudie die Einflüsse von Umgebungsbedingungen und Klimakonditionierungsmaßnahmen auf die Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilungen analysiert. Ebenso Bestandteil dieser Arbeit ist die Untersuchung der thermischen Behaglichkeit zur Abschätzung der Überhitzungsgefahr im sommerlichen Betrieb.
Verfasst von: Erik Siebert
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) Torben Möller
Entwurf für ein Energiekonzept "Campus Bildungszentrum Handwerk"
In der folgenden Arbeit sollte im Zuge des Architekturwettbewerbs für den Neubau der Handwerkskammer in Dresden ein Energiekonzept entwickelt und dokumentiert werden. Das Konzept orientiert sich dabei an den Auslobungskriterien der Handwerkskammer bezüglich Primärenergiebedarf, Wirtschaftlichkeit und Innovationscharakter der eingesetzten Gebäudetechnik. Zunächst erfolgt eine kurze Vorstellung der für den Wettbewerb vom Architekturbüro Translocal Architecture entwickelten Entwürfe für den Neubau. Auf Grundlage der im Auslobungstext definierten Anforderungen an die Bereitstellung von Wärme, Kälte und Lüftung erfolgt eine Vorstellung der Rahmenbedingungen für die Entwicklung des Energiekonzeptes. Des Weiteren erfolgt eine Vorstellung und Einschätzung der lokalen meteorologischen und geologischen Gegebenheiten am Standort Dresden. In den Vorüberlegungen werden die Bedarfe für Wärme, Kälte und Lüftung des Gebäudes ermittelt. In der daraufhin folgenden Literaturrecherche werden verschiedene mögliche Erzeugungs- und Speichertechnologien für die einzelnen Bedarfe vorgestellt. Auf Grundlage der Vorüberlegungen erfolgt dann die Ausarbeitung des entwickelten Energie-konzeptes. Dabei werden die in der Literaturrecherche vorgestellten Technologien auf ihre Wirtschaftlichkeit und Einsetzbarkeit bezüglich der Rahmenbedingungen kritisch betrachtet und ausgewählt. Das Energiekonzept umfasst dabei die Wärme- und Kälteversorgung sowie die Belüftung und kurze Einschätzungen zur Stromversorgung, dem notwendigen Automatisierungsgrad und den Kosten der Gebäudetechnik. Schlussendlich erfolgt eine zusammenfassende Einschätzung und Ausblick für das entwickelte Energiekonzept.
Verfasst von: Christian Schwind
Betreut von: Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Paul Seidel
Auslegung und messtechnische Validierung einer Wärmepumpen-Versuchseinrichtung
Im Rahmen des Beleges werden die Leistungsdaten eines an der TU Dresden befindlichen Versuchsstandes zur Vermessung und Effizienzbestimmung einer Luft-Wasser-Wärmepumpe charakterisiert. Dazu wird der Versuchsstand zunächst in seinem Alt-Zustand untersucht, bisherige Schwachstellen herausgearbeitet und im Anschluss erweitert. Diese Erweiterung umfasst die Auslegung und Konstruktion eines Hydraulischen Moduls zur Einstellung geforderter Parameter auf der Heizungsseite der Wrämepumpe. Dies Umfasst eine umfassende hydraulische Auslegung, Kalibrierung der Sensorik sowie die Einbindung in das Gesamtsystem. Desweiteren erfolgt eine detaillierte Untersuchung der luftseitigen Anbindung des Prüfobjektes mit allen Anlagenkomponenten und Sensoren. Im Anschluss wird das Gesamtsystem auf seine Eignung zur Vermessung von Wärmepumpen unter in DIN EN 14825 vorgegebenen Prüfbedingungen untersucht. Dies umfasst eine messtechnische Untersuchung der Reglereigenschaften, Leistungsprüfung und Fehleranalyse. Abschließend erfolgt eine kritische Einschätzung des Ist-Zustandes hinsichtlich der normativen Vorgaben sowie ein Ausblick auf weitere Möglichkeiten des Versuchsstandes mit entsprechenden Verbesserungsvorschlägen.
Verfasst von: Christian Scheer
Betreut von: Dipl.-Ing. Stefan Hoppe
Fehlerfrüherkennung und Diagnose an Kühlanlagen
In Hinblick auf den Ausbau erneuerbarer Energien und dem geplanten Ausstieg aus der atomaren Elektroenergieerzeugung zeichnen sich Trends der deutschen Energiepolitik hin zu Energieeffizienz ab. Das Streben nach einem umweltbewussten Image einerseits und die steigenden Energiekosten anderseits wecken bei den Betreibern langsam, aber bestimmt den Bedarf, die Anlagen der Prozesstechnik inklusive der Kältetechnik energieeffizient auszulegen. Deshalb wird die optimierte Betriebsführung in Zukunft unerlässlich.
Zielstellung der Arbeit ist das in bestehenden Anlagen der Supermarkt- und Gewerbekälte in Deutschland liegende Energieeinsparpotential zu aktivieren, weil die Kälteanlagen der bedeutendste Stromverbraucher im Lebensmittelhandel sind. Aufgrund einer Studie erkennt man, dass allein in existierenden Anlagen ein Einsparpotential von jährlich 859 GWh, 10% des Gesamtbedarfs von Supermarkt-Kälteanlagen, besteht. Ein erheblicher Teil des Energiebedarfs kann oft mit einfachen Maßnahmen eingespart werden. Eine der notwendigen Maßnahmen für ein betriebsbegleitendes Monitoring zur Betriebsoptimierung ist Fehlerfrüherkennung (FFE) und -Diagnose.
Verfasst von: Xiaojing Wang
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Elisabeth Eckstädt
Experimentelle Vermessung eines Hybridgerätes aus Absorptionswärmepumpe und Gasbrennwertkessel
Die Energieeinsparung bei Bestandsgebäuden ist ein wichtiger Teil der Klima- und Energiepolitik der Zukunft. Neben Maßnahmen zur Wärmedämmung ist auch bei der Anlagentechnik ein hohes Energieeinsparpotential vorhanden. Im Unternehmen, bei dem das Praktikum zu dieser Projektarbeit durchgeführt wurde, ist derzeit ein Hybridgerät aus gasbefeuerter Absorptionswärmepumpen und einem Gasbrennwertgerät für die Gebäudebeheizung in der Entwicklung.
In der Projektarbeit wurden Prototypen des Hybridgerätes untersucht. Neben der theoretischen Betrachtung des Absorptionsprozesses wurden verschiedene Messungen vorgenommen. Das bisher verwendete Berechnungsverfahren zur Ermittlung des Hybridwirkungsgrades von Absorptionswärmepumpen ohne Spitzenlastkessel wurde überprüft und verbessert. Am Vergleich zweier Spitzenlastkessel mit unterschiedlichen Minimalleistungen wurde dessen Einfluss auf das Hybridgerät untersucht.
Eine Messreihe mit Variation des Volumenstromes bei konstanter Vorlauftemperatur und Heizleistung zeigt den Einfluss der Temperatur auf den Absorptionsprozess und die Gesamtleistung der vermessenen Absorptionswärmepumpe. Der Vergleich von zwei Hybridgeräten unterschiedlichen Entwicklungsstandes zeigte die Auswirkungen von Änderungen an mehreren Komponenten. Die Optimierung verschiedener Regelungsmethoden der Software schließt die experimentelle Vermessung der Hybridgeräte ab.
Verfasst von: Martin Henkner
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Martin Knorr
Grundsatzuntersuchungen für ein Versorgungskonzept des Campus
Das Wärmeversorgungssystem für den Campus der Burg Giebichenstein Kunsthochschule Halle muss wegen der hohen Energiekosten und der aktuellen Energiepolitik erneuert werden. Die Zielsetzung ist die Kosteneinsparung und die Einsetzung von erneuerbaren Energien.
In diesem Projekt wird eine mögliche Methodik dargestellt, wie man mit einem Nahwärmenetz und erneuerbaren Energien die Aufgabe der Wärmeversorgung für einen Campus lösen kann. Dabei werden zuerst die vorhandenen Versorgungsanlagen analysiert und die Verbrauchsdaten ausgewertet. Anhand der Auswertungsergebnisse wird das Nahwärmenetz konzipiert. Zur Konzipierung gehören u.a. die Untersuchung der Versorgungsaufgabe, die Dimensionierung der Rohrleitungen und Erzeugungsanlagen und eine grobe Schätzung für die Investitionskosten. Anschließend wird das neue Versorgungskonzept umwelttechnisch und wirtschaftlich untersucht.
Die Untersuchungen zeigen erstens eine eindeutige Verringerung der CO2-Emission. Aus der Wirtschaftlichkeitsberechnung geht hervor, dass sich die Nahwärmelösung trotz ihrer hohen Investitionskosten nach ein paar Jahren rentiert. Die Förderungspolitik für die erneuerbaren Energien hat die umweltfreundliche Technik noch attraktiver gemacht.
Verfasst von: Xunzhang Yuan
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Vorausberechnung der Wirkungen veränderter Absorberwerkstoffe für einen solarthermischen Flachkollektor
Da die Leistungen von den am Markt verfügbaren, solarthermischen Flachkollektoren nahe beieinanderliegen wird versucht durch den Einsatz von alternativen Werkstoffen ein Marktvorteil des eigenen Produktes zu generieren. Dies soll über die Absenkung von Preis und Gewicht des Kollektors geschehen.
In dieser Arbeit sollen ausgewählte Wirkungen veränderter Absorberwerkstoffe für einen solarthermischen Flachkollektor vorausberechnet werden. Dies geschieht am Beispiel des FKA 200 V der Firma STI GmbH. Zunächst soll der betrachtete Kollektor mit anderen am Markt verfügbaren, konkurrierenden Produkten verglichen werden. Dann werden die konstruktions- und materialtechnischen Alternativen bei der Absorbergestaltung erarbeitet. Hierbei wird detailiert auf die Absorbervarianten und deren Komponenten eingegangen. Die Registerkomponenten werden einer strömungstechnischen Betrachtung unterzogen und ein Festigkeitsnachweis der einzelnen Komponenten wird erbracht. Weiterhin wird eine Energiebilanz über den gesamten Kollektor, während eines Bestrahlungsversuches nach DIN EN 12975-2 aufgestellt und die Wirkungsgrade und andere Werte bei den jeweiligen Produktvarianten nachvollzogen. Außerdem werden rechnerisch und messtechnisch ermittelte thermische und hydraulische Kenngrößen erarbeitet und gegenüber gestellt.
Verfasst von: Sebastian Wittig
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Speichertechnologien für Wärmepumpen und Mikro-BHKW Systeme
Diese Arbeit liefert einen ersten Einstieg zur latenten Wärmespeicherung im Gebäudesektor. Dazu wurden die für den Einsatz in einem thermischen Speichersystem in Kombination mit einer Wärmepumpe oder einem Mikro-BHKW-System in Frage kommenden Phasenwechselmaterialien (engl. phase change material, kurz PCM) zusammengestellt. Dabei werden die Vor- und Nachteile der verschiedenen PCM-Gruppen gegenübergestellt, um schließlich fünf PCM’s für eine Abbildung anhand von TRNSYS zu definieren. Der bereits bestehende TYPE 75 wurde dafür so abgeändert, dass ein vorerst einfaches Modell zur Abbildung des Phasenwechsels entstand. Dieses Modell berücksichtigt einen Masseanteil des PCM’s von maximal 50 Prozent und bildet zunächst nur die vertikale Wärmeleitung ohne Hysterese, Unterkühlung oder Konvektion in der flüssigen Phase des PCM’s ab. Abschließend wurden erste Plausibilitätstest zur Überprüfung der Funktionalität des Modells durchgeführt.
Verfasst von: Tobias Schlosser
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Lars Schinke
Erweiterung der Validierungsmöglichkeiten von TRNSYS-TUD
Simulationsprogramme finden bei der Auslegung und Optimierung von Gebäuden und Anlagentechnik ein breites Anwendungsfeld. Die dazu genutzte Software ist hinsichtlich ihrer Qualität regelmäßig zu überprüfen. Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit erfolgt eine Erweiterung der Validierungsmöglichkeiten für das an der Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung weiterentwickelte Programmsystem TRNSYS-TUD.
Zunächst werden verschiedene Methoden aus Normung und Projekten der IEA/ECBCS beschrieben und mehrere Testfälle zur Umsetzung in TRNSYS-TUD ausgewählt. Bei der Ausarbeitung der Randbedingungen fallen in den Prüfungen zum Teil widersprüchliche Definitionen auf, für die bei der Eingabe in das Programm sinnvolle Annahmen getroffen werden. Die Umsetzung der Vorgaben in die Eingabestruktur von TRNSYS-TUD wird genau dokumentiert. Zum Vergleich der Ergebnisse der durchgeführten Simulationen stehen Referenzwerte, analytische Lösungen oder Resultate anderer Simulationsprogramme zur Verfügung. Die Übereinstimmung der Werte ist dabei je nach verwendeter Validierungsmethode und Genauigkeit der Testbeschreibungen unterschiedlich.
Verfasst von: Katharina Huck
Betreut von: Dr.-Ing. Alf Perschk, Dr.-Ing. Markus Rösler
Aktualisierung des energiewirtschaftlichen Marktberichts und Auswirkungen auf den Betrieb von Kraftwerken
Die Bundesrepublik Deutschland ist die viertgrößte Volkswirtschaft der Welt und benötigt, als exportierende Industrienation, pro Jahr elektrische Energie in Höhe von 600 TWh. Die zuverlässige Bereitstellung dieser Energie ist essentiell für den Erhalt der Wirtschaftskraft und obliegt der Verantwortung der Elektrizitätsversorgungsunternehmen. Vor dem Hintergrund der Ausbauziele für erneuerbare Energiequellen der Bundesregierung entstehen entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Energieversorgung neue Herausforderungen. Energiewirtschaftliche Marktberichte sind ein Mittel der Energieversorger, um in Zeiten des Wandels nachhaltig zu wirtschaften.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Excel-Tools, welches dem Anwender eine effiziente Anfertigung eines übersichtlichen Marktberichts erlaubt. Darüber hinaus werden die Hintergründe des Energiemarkts dargelegt und auf Grundlage derer Inhalte des Marktberichts vorgestellt und bewertet. Es ist von großer Bedeutung, dass derartige Wertungen in dem Konzept zur strategischen Ausrichtung eines Energieversorgers Verwendung finden, mit dem Ziel auch in Zukunft konkurrenzfähig zu bleiben. Hierbei liegt der Fokus der Energieversorger einerseits auf der Vermarktung des erzeugten Stroms und andererseits auf der Anpassung des Erzeugungsportfolios.
In diesem Zusammenhang untersucht die vorliegende Arbeit den Mehrwert einer Ertüchtigung des Kraftwerks Jänschwalde hinsichtlich niedrigerer technischer Mindestlasten, indem in einer Kapitalwertberechnung die Vorteile einer Flexibilisierung der Kraftwerksfahrweise den Investitionskosten gegenüber gestellt werden.
Verfasst von: Dirk Richter
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander
Approximation des konvektiven Wärmeübergangs in der dynamischen Gebäude- und Anlagensimulation
Um den Energiebedarf für Gebäude zu bestimmen, stellt die thermische Gebäude- und Anlagensimulation ein wichtiges Hilfsmittel dar. Durch eine verbesserte Berechnung des inneren Wärmeübergangskoeffizienten kann die Genauigkeit der Gebäude- und Anlagensimulation signifikant verbessert werden. Ziel ist es, passende Näherungsgleichungen für den inneren Wärmeübergangskoeffizienten durch Literaturrecherche zu finden und die Gleichungen und deren Robustheit zu analysieren. Danach werden diese jeweils in eine Experimentieranordnung von Awbi-Hatton und in einen Raum eines Einfamilienhauses in TRNSYS-TUD implementiert und ausgewertet.
Verfasst von: David Scherzer
Betreut von: Dr.-Ing. Alf Perschk, Dr.-Ing. Markus Rösler
Bewertung von instationären Einflüssen auf die thermische Behaglichkeit
Die meiste Zeit des Tages verbringt der Mensch in Gebäuden und Transportmitteln. Daher ist es wichtig, die Wünsche der Nutzer in diesen Innenräumen zu verstehen und im Weiteren erfüllen zu können. Dabei gilt es insbesondere die Raumzustände durch Klimatisierung und die Auswirkung dieser auf den Nutzer zu untersuchen. Zurzeit fehlen ausreichende Forschungsergebnisse für dieses Verständnis. Bereits durchgeführte Studien lassen ersteRückschlüsse zu, erweisen sich jedoch hinsichtlich unstetiger Einflüsse auf die thermische Behaglichkeit als unzureichend.
In der vorliegenden Arbeit werden diese Defizite adressiert. Anhand einer Analyse des gegenwärtigen Forschungsstandes werden zunächst die Randbedingungen für eine geplante Studie abgeleitet. Der Fokus liegt dabei auf instationären Raumbedingungen beim Heizfall, für dessen Untersuchung als weiteres Ergebnis dieser Arbeit ein Fragebogen formuliert wird. Der Entwurf einer Versuchsgestaltung orientiert sich am Beispiel eines realitätsnahen Büroarbeitsplatzes, in dem der Einfluss instationärer Randbedingungen auf Personen, die über mehrere Stunden ihre Büroarbeit eigenständig verrichten, untersucht werden kann. Die Raumtemperatur variiert dabei zwischen verschiedenen Bereichen. Neben den physikalischen und physiologischen Messgrößen wird gleichzeitig die subjektive Meinung der Probanden über einen Fragebogen dokumentiert.
Verfasst von: Christine Knaus
Betreut von: Dipl.-Ing. Alexander Buchheim, Dr.-Ing. Markus Rösler
Konzeption, Konstruktion und Auslegung eines Versuchsstandes zur Untersuchung von Regelungsstrategien für HLK-Systeme
Ein in der Planungsphase befindlicher Versuchsstand der TU Dresden beschäftigt sich mit der thermischen Behaglichkeitsbewertung unter instationären Bedingungen. Es wurden zwei übereinander angeordnete Versuchsräume konzipiert, deren innere Wandoberflächentemperaturen frei einstellbar sind. Dies wird durch modulare Wandelemente mit integrierten Kapillarrohrmatten realisiert. Die Versuchsräume können zu einem hohen Raum verbunden werden, indem die Zwischendecke ausgebaut wird.
Die Arbeit stellt die Ergebnisse der Literaturrecherche zu bestehenden Versuchsständen mit ähnlichen Themenschwerpunkten dar und vergleicht diese mit dem Konzept der TU Dresden. Der Hauptteil umfasst die Auslegung der für die Kapillarrohrmatten nötigen Wasserversorgung sowie der Lüftungsanlage, die der Einstellung definierter Raumluftzustände dient. Für eine bessere Anschaulichkeit wurde der Versuchsstand inklusive des Wasserrohr- und Luftkanalnetzes in SolidWorks konstruiert. Die erarbeiteten Lösungen werden kritisch bewertet und auf ihre Eignung hin untersucht.
Verfasst von: Maximilian Beyer
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Alexander Buchheim, Dipl.-Ing. Lars Schinke
Inbetriebnahme und Test des „Combined Energy Lab“
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens am Institut für Energietechnik entsteht in Kooperation mit dem Institut für elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik ein Versuchsstand, welcher in der Lage ist, Energieerzeuger sowohl nach thermischen Gesichtspunkten als auch bezüglich des Parallelbetriebes am elektrischen Versorgungsnetz zu untersuchen. Zu diesem Zweck entsteht ein Netzemulator, der das elektrische Netz emulieren kann. In der vorliegenden Arbeit soll die Inbetriebnahme dieses “Combined Energy Lab” begleitet werden. Konkret ist es zunächst notwendig, das Versuchsfeld auf seinen späteren Einsatz vorzubereiten, die Messeinrichtungen des bestehenden thermischen Emulators zu kalibrieren und auf Dauertests im automatisierten Betrieb vorzubereiten. Weiterer Bestandteil ist die Überprüfung von Verbesserungsmöglichkeiten bezüglich der Messgenauigkeit. Ein Schwerpunkt liegt auf der Analyse der Gasmessstrecke und der Einschätzung, inwiefern Verbesserungsmöglichkeiten bezüglich der Messgenauigkeit möglich sind. Gegenstand ist die Recherche zu den sich bietenden Möglichkeiten, eine Überprüfung der gefundenen Lösungen, das Einholen konkreter Angebote und das Erstellen einer vorbereitenden Konstruktionszeichnung. Weiterhin sollen Schnittstellen zur Interaktion des thermischen Emulators und des Netzemulators definiert werden. Der Schwerpunkt liegt auf der Erarbeitung eines Konzeptes zur automatischen
Datenauswertung. Diesbezüglich werden kommerzielle Lösungen untersucht und als Alternative ein Programm in MatLab geschrieben werden. Anfahrversuche mit dem thermischen Emulator bilden den Abschluss der Arbeit.
Verfasst von: Tobias Müller
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Paul Seidel
Untersuchungen zur Entwicklung der Energieeffizienz durch Bewertung von Trendanalysen auf Basis von Messwerten ausgewählter Verdichter
Das Institut für Luft- und Kältetechnik in Dresden führt seit vielen Jahren Verdichter-Leistungsmessungen an Kälteverdichtern durch. Für eine bessere Auswertbarkeit und Archivierung der Daten wurde eine MS Access Datenbank für Verdichter-Leistungsmessungen entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit werden Grundlagen zu Datenbanken und zur Datenbankkonzeption erläutert und die Struktur der erstellten Datenbank erklärt. Abschließend wird der Funktionsumfang sowie das Graphical User Interface vorgestellt. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der geschichtlichen Entwicklung und den theoretischen Grundlagen von Kälteverdichtern für Kompressions-kälteanlagen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf Hubkolben- und Scrollverdichtern. Es werden die wichtigsten Kenngrößen wie isentroper Gütegrad, Liefergrad und Kälteleistungszahl näher erläutert und ihre Bedeutung für den Kälteverdichter erklärt. Außerdem werden die verschiedenen normierten Prüfverfahren nach DIN EN 13771-1 für Verdichter Leistungsmessungen beschrieben.
Anschließend werden die in die erstellte Datenbank eingespeisten Leistungsmessungen von Hubkolben- und Scrollverdichtern aus den Jahren 2003-2012 hinsichtlich der Energieeffizienz ausgewertet. Es konnte festgestellt werden, dass es bei Verdichtern von unterschiedlichen Herstellern immer noch große Effizienzunterschiede gibt. Auch ist die Weiterentwicklung von Hubkolbenverdichtern hinsichtlich der Effizienz in den letzten zehn Jahren stagniert, es kommt sogar zu einer leichten Abnahme der Werte isentroper Gütegrad und Liefergrad. Bei der wesentlich jüngeren Scrollverdichter Technologie kommt es hingegen noch zu einem leichten Effizienzanstieg.
Verfasst von: Tim Weippert
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Christian Edler (ILK Dresden), Dr.-Ing. Matthias Böhm (ILK Dresden)
Messtechnische Evaluierung des instationären Betriebs eines Fernwärmesystems
Im Rahmen des E-Energy-Projekts „Modellstadt Mannheim“ wurde mittels einer bestimmten Regelstrategie die Wärmeversorgung von Wohngebäuden über ein Fernwärmesystem zeitweise reduziert. Dadurch war es möglich, die Auswirkungen der temporären Unterversorgung auf das Verhalten von Gebäuden und Fernwärmesystemen zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit werden die praktisch umgesetzten Absenkversuche auf verschiedene Aspekte hin analysiert und bewertet. Schwerpunkte bilden dabei Betrachtungen des thermischen Versorgungszustandes der betroffenen Gebäude sowie der Warmwasserversorgung. Weiterhin werden die Betriebszustände im Fernwärmesystem hinsichtlich erhöhter Belastung und Verschleiß untersucht und mögliche Probleme erörtert. Die Empfehlungen und Ergebnisse dieser Ausarbeitung stellen einen unterstützenden Beitrag für eine zukünftige Flexibilisierung
der Energieerzeugung dar.
Verfasst von: Max Pham
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Energetische Bewertung von Gebäuden mit EnEV easy
Im ersten Teil dieser Arbeit soll der vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und
Stadtentwicklung (BMVBS) entwickelte Ansatz „EnEV easy“ zur Erstellung von
Energieausweisen bei Wohngebäuden untersucht werden. Das Verfahren wird vorgestellt, seine Ablaufschritte beschrieben und kommentiert. Im Anschluss werden mit dem Verfahren EnEV easy Energieausweise für zwei virtuelle Gebäude erstellt. Im Verlauf der Arbeit wird klar, dass aufgrund von Randbedingungen der Gebäude (Geometrie, Anlagentechnik etc.) eine Anwendung von EnEV easy unzulässig ist. Um dennoch erste Erfahrungen bei der Anwendung zu sammeln, wird an dieser Stelle bewusst gegen die Anwendungskriterien der EnEV easy verstoßen. Die erstellten Energieausweise werden am Ende mit den Ergebnissen einer klassischen Berechnung nach DIN V 18599 verglichen. Abschließend wird das Verfahren EnEV easy vom Autor bewertet.
Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Exceldatei erstellt, mit deren Hilfe es möglich ist aus
gemessenen Energieströme automatisch Sankeydiagramme zu erzeugen. Die erstellten
Vorlagen werden genutzt, um Messdaten der Gerhard-Grafe-Sporthalle in Dresden aus dem Zeitraum 12.07.2012 bis 31.01.2013 auszuwerten. Die erstellten Sankeydiagramme werden dabei diskutiert und erste Schwachpunkte der Anlagentechnik aufgezeigt, die einer tiefergehenden Analyse bedürfen, die allerdings nicht Bestand dieser Arbeit ist.
Verfasst von: Niels Rauland
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
EnEV-Energieausweis und Energiebedarfsberechnung
Der Energiebedarf von Gebäuden wird laut EnEV nach DIN V 18599 berechnet. In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse einer solchen Rechnung einerseits mit den Resultaten einer dynamischen Gebäudesimulation, andererseits mit realen Verbrauchswerten verglichen. Es wurde der Energiebedarf eines Ein- und Mehrfamilienhaus mit je zwei Wärmschutzstandards berechnet und mit den Simulationsergebnissen verglichen. Für die Berechnung notwendige Randbedingungen sind für einen öffentlich-rechtlichen Nachweis festgelegt. Da die der Simulation zugrunde liegenden Randbedingungen von diesen abweichen, wurden für jede Gebäudevariante zwei Rechnungen erstellt – einmal mit Standard-Randbedingungen und einmal mit an die Simulation angepassten Annahmen. Die Normrechnung mit Standard-Randbedingungen zeigte große Unterschiede zwischen dem berechneten Bedarfswerten und den Simulationsergebnissen. Durch das Anpassen der Randbedingungen verringerten sich die Energiebedarfe signifikant und näherten sich den Resultaten der Simulation an.
Der Vergleich des für den Merkelbau ermittelten Energiebedarfs mit Verbrauchsdaten zeigte starke Unterschiede. Da wichtige Gebäudedaten nicht verfügbar waren, konnte nicht abschließend ermittelt werden, inwieweit dies auf die Berechnungsalgorithmen der DIN V 18599 oder auf eine fehlerhafte Projektierung des Gebäudes zurückzuführen ist.
Verfasst von: Patrick Eggers
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Auslegung und Konstruktion eines flächenintegrierten Wärmetauschers
Die in Omnibussen verwendeten konventionellen Heizungssysteme sind längst nicht mehr auf dem Stand der heutigen Technik. Ein großes Problem ist die auftretende Wartungsanfälligkeit der verwendeten Konvektortechnologie. Zudem entsteht bei hybriden und vollelektrischen Fahrzeugen deutlich weniger Abwärme, als bei Fahrzeugen mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Aus diesen Gründen hat sich das Fraunhofer Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI zur Aufgabe gemacht, neue Heiztechnologien zu entwickeln, welche den gegenwärtigen Anforderungen entsprechen. Für das mittlere Segment der AutoTram Extra Grand, das dem Fraunhofer Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI als Versuchträger zur Verfügung steht, ist in der vorliegenden Arbeit die Auslegung und Konstruktion eines flächenintegrierten Wärmeübertragers durchgeführt worden. Nach theoretischen Betrachtungen (bisherige Beheizungskonzepten von Omnibussen, Anforderungen an die Busklimatisierung usw.) wird der Wärmebedarf der Buskabine mit der Heizleistung eines strukturintegrierten Wärmeübertragers bei einer angenommenen Außentemperatur von -15°C verglichen. Das Ergebnis zeigt, dass die Leistung des Wärmeüberagers nicht ausreicht um die Buskabine auf eine gewünschte Innenraumtemperatur von 18 °C zu erwärmen. Neben der Auslegung und Konstruktion eines flächenintegrierten Wärmeübertragers werden Verbesserungsvorschläge und weitere notwendige Arbeitsschritte für die Realisierung flächenintegrierter Heizsysteme in Omnibussen getroffen.
Verfasst von: Markus Vass
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dr.-Ing. Martin Knorr
Auslegung und Einsatzweise von hocheffizienten KWK-Anlagen mit Fernwärmespeichern unter Berücksichtigung steigender regenerativer Stromerzeugung
Die Bestimmung des Einflusses der steigenden regenerativen Stromerzeugung auf die Betriebsweise und somit auch auf die Wirtschaftlichkeit einer KWK-Anlage ist das Ziel dieser Arbeit. Anhand einer GuD-Beispielanlage, die zur Fernwärmeversorgung einer Beispielstadt eingesetzt wird, erfolgt die Durchführung der Untersuchung. Die Analyse der im Jahr 2010 vorliegenden Netzparameter in dem Stromnetz des Übertragungsnetzbetreibers 50 Hertz und der darauf aufbauenden Prognose bis zum Jahr 2030 ergibt, dass die Erneuerbare-Energie-Anlagen mit zunehmender Häufigkeit die erforderliche Netzlast ohne Unterstützung konventioneller Kraftwerke decken können. Zu diesen Zeiten kann die betrachtete KWK-Anlage nicht in Betrieb genommen werden. Um den daraus folgenden Einsatz eines Heizwerkes zur Aufrechterhaltung der Fernwärmeversorgung zu minimieren, ist ein Wärmespeicher zu installieren.
Es zeigt sich, dass allein die Nutzung des Speichers die Wirtschaftlichkeit der Anlage signifikant erhöht. Dabei werden zwei in Frage kommende Gasturbinentypen betrachtet. Die Auswirkungen einer Förderung nach dem KWK-Gesetz sind ebenfalls in der Bewertung aufgeführt.
Zusätzlich wird die Einbindung eines Elektrodenheizkessels in das System „KWK-Anlage – Wärmespeicher – Fernwärmesystem“ untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass unter den dargestellten Randbedingungen ein solcher Kessel am Regelenergiemarkt bereits heute wirtschaftlich sinnvoll positioniert werden kann. Erfolgt der Bezug der elektrischen Energie lediglich zu niedrigen Preisen an der Strombörse, dann ist nur unter bestimmten Voraussetzungen ein Gewinn erzielbar.
Verfasst von: Christian Nawrodt
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander
Gebäudeenergiemanagement in Unternehmen
Um die Energieeinsparpotentialen bei der Gebäudebetriebsoptimierung aufzudecken, es fehlt bei den meisten Unternehmen noch systematische Zusammensetzung ihrer Energieverbräuche. Um die Gebäudeenergieverbräuche in Unternehmen zeitnah zu überwachen und mit aktuell visualisierten Energieströmen, die Mitarbeiter mit Energieeinsparung sich sensibilisieren zu lassen, stellen wir bei unserem Energie Technische Management Plattform(ETMP) Projekt es eine wichtige Teilaufgabe, außerdem meine Hauptpflicht: Die Gebäudeenergieverbräuche transparent zu machen. Dabei wurde ein Ansatz entwickelt, der einem 4-stufigen Datenfluss entspricht: Daten-Erfassung durch Zähler und Fühler, Daten-Sammlung durch Bus-Gateway, Daten-Übertragung nach der Datenbank und Daten-Darstellung mit JSP Entwickelungswerkzeug. Mit drei M-Bus Stromzählern, zwei Z-Wave Temperatur-und Luftfeuchtigkeit Fühlern, einem Modbus Wärmemengenzähler, einem Demo-Hawk von Tridium als Bus-Gateway, Niagara Framework als Betriebssystem, MySQL als Datenbank, Eclipse als JSP Entwickelungswerkzeug, engagiere ich mich inzwischen für die Visualisierung der Energieverbräuche in unserem eigenen Bürogebäude und eine Logik-Steuerung mit Niagaras Moduln. In dieser Arbeit würde ich hauptsächlich die Realisierung dieser zwei Ansätzen darlegen.
Verfasst von: Wang Zheyu
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Thermoelektrische Heizung und Kühlung von Wohngebäuden
Der Energiebedarf für Raumwärme wird aufgrund von immer besseren Dämmstandards auch in Zukunft weiter sinken. Das lässt alternative Heizsysteme mit geringeren Leistungen vor allem für den Wohnbereich interessant werden. In der vorliegenden Arbeit wird die Einsatzfähigkeit von thermoelektrischen Wärmepumpen untersucht. Als thermoelektrische Wärmepumpen werden Peltierelemente verstanden. Ihr Vorteil ist es, neben der Heizanwendung auch eine sommerliche Kühlung zu ermöglichen, was den Wohnkomfort erheblich steigert. Es erfolgt die Betrachtung des Betriebsverhaltens der Peltierelemente in Verbindung mit der Wärmeübertragung an die Luft. Weiterhin wird die Kombination mit einer Wärmerückgewinnung untersucht. Die Wärmeübertragung wird durch Simulationsrechnungen mittels der Finiten-Elemente-Methode überprüft. Die wichtigsten Ergebnisse der Arbeit sind Überlegungen zum Einsatzbereich und Einschränkungen sowie die Abschätzung von erreichbaren Leistungszahlen solcher Raumluftgeräte.
Verfasst von: Nico Wessely
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Erhöhung der Energieeffizienz im Schulkomplex der Stadt Kremmen
Die Energieeffizienz im Gebäude zielt auf die Optimierung von energetischen Ressourcen ab. Der Gedankengang besteht am Anfang in der Analyse der energetischen Verluste, des Energieverbrauchs und der Anlagentechnik. Daraus können wir das Potenzial vom Gebäude in Betrachtung von seinem benötigten Betriebsbedarf einschätzen und wir entwickeln ein Gebäude-Energiekonzept, das den Energieverbrauch am besten an dem Bedarf anpassen soll und probiert den unnötigen Verbrauch zu vermindern. Am Ende der Belegarbeit haben wir für die Stadt Kremmen unser Angebot in zwei Teilen verteilt. Das Erste ist die Mindest-Energieeffizienz-Empfehlungen, die viele unnötige Wärmeverluste vermeiden und setzt die Schulküche auf dem gerecht obligatorischen Zustand. Das Zweite schlägt ein gesamtes Energiekonzept für das Gebäude und dadurch ein neues Wärmeversorgungssystem vor. Bei unserer Untersuchung haben wir vor allem festgestellt, dass die Schwierigkeiten für die Energiewende und die Energieeffizienz an den technischen Unkenntnissen von Leuten liegen. Die Schulküche wird bald mit dem Mindeststandard umgerüstet, um die in der Bestandsanalyse bemerkten Probleme abzulösen. Die neue Investition für eine effiziente Wärmeversorgung sollte auch dann kommen.
Verfasst von: Yann Briand
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander
Modellierung und Optimierung der Heißwasserbereitstellung für Globalfoundries aus dem Energieversorgungscenter (EVC) Dresden
Der Halbleiterentwicklungs- und Produktionsstandort von Globalfoundries in Dresden wird durch das Energieversorgungscenter Dresden (EVC) mit Elektroenergie, Heißwasser und Kaltwasser versorgt. Der gesamte Kraftwerkspark ist sehr stark vernetzt um die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung möglichst energieeffizient umzusetzen. In dieser Arbeit wurde ein Berechnungsmodell entwickelt, welches die Simulation beliebiger Betriebszustände des EVC ermöglicht. Mithilfe des Modells wurden im Anschluss verschiedene Betriebszustände des Heißwassersystems, welches zur Bereitstellung von Heißwasser dient, untersucht.
Aus den Untersuchungen wurden abschließend Aussagen zur optimalen Betriebsweise und Zuschaltreihenfolge von einzelnen Komponenten des Heißwassersystems abgeleitet. Aus den Untersuchungen gehen konkrete Bewertungsgrößen hervor, die die optimale Betriebsweise und Zuschaltreihenfolge einzelner Anlagenkomponenten des Heißwassersystems des EVC charakterisieren. Das entwickelte Berechnungsmodell kann zukünftig auch für die Optimierung weiterer Systeme des EVC genutzt werden.
Verfasst von: Andre Burchardt
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander
Aktueller technischer und ökologischer Vergleich von Feuerungssystemen für Trockenbraunkohle und Erdgas
In dieser Arbeit werden die Energieträger Kohle und Erdgas einander gegenübergestellt. Die beiden fossilen Energieträger sind nicht unumstritten. Jedoch ist ihr Einsatz als Brückentechnologie in der Energiewende unverzichtbar. Es werden Verbrennungsprozesse bei der Kohle- und Erdgasfeuerung näher betrachtet. Die Vor- und Nachteile der Rohstoffe werden herausgestellt. Darüber hinaus werden verschiedene Feuerungsverfahren und deren Einfluss auf die Schadstoffentstehung erläutert. Dazu werden die Eigenschaften verschiedener Brennstoffe untersucht und mehrere Arten von Brennern vorgestellt.
Zum Umgang mit den entstehenden Rauchgasen werden im Anschluss verschiedene Verfahren zur Rauchgasreinigung erläutert. Dabei unterscheidet man grundsätzlich zwischen Primärverfahren und Sekundärverfahren. Die Primärverfahren finden in der Regel beim Neubau von Anlagen Verwendung, während sich Sekundärverfahren zum Nachrüsten in bereits bestehende Anlagen eignen. Die in der Arbeit betrachteten Schadstoffe sind Stickoxide, Schwefeloxide, Kohlenstoffoxide sowie Wasserdampf, Staub und Asche. Abschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse bewertet und diskutiert, ob eine Nutzung dieser fossilen Brennstoffe in der Bundesrepublik Deutschland sinnvoll ist.
Verfasst von: Sabrina Schmidt
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Jan Löser
Entwicklung einer selbsttätig wirkenden Regeleinrichtung zum Einfrierschutz von Tiertränken
In der Landwirtschaft wird es zunehmend wichtig den Wasser- und Stromverbrauch sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus umweltbewussten Gründen zu reduzieren. Die derzeitigen Systeme zum Einfrierschutz von Tiertränken und deren Anschlussleitungen werden überwiegend elektrisch betrieben. Eine Frostschutzeinrichtung die ohne
Strom arbeitet bietet die Möglichkeit die elektrischen Heizsysteme zu ersetzen oder zu ergänzen und somit den Stromverbrauch zu senken. Frostschutzventile, welche ohne Hilfsenergie arbeiten, werden in der Praxis der Tieraufzucht bereits eingesetzt. Um die Unabhängigkeit von diesen patentierten Frostschutzwächtern zu erreichen wird in dieser Arbeit eine alternative Lösung entwickelt und konstruktiv umgesetzt. Als Vorbild dient das thermostatisch arbeitende Heizungsventil aus der Gebäudetechnik. Weiterhin stehen zum einen die Minimierung des Wasserverbrauchs und zum anderen die
Anpassung des Ventils an die in einem Stall vorherrschenden Umgebungsbedingungen
im Vordergrund.
Verfasst von: Susann Klöditz
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
2012
Einfluss des Nutzerverhaltens auf die Ergebnisse der Gebäude- und Anlagen-Simulation
In dieser Arbeit wird der Einfluss von nutzerabhängigen Vorgängen auf die Ergebnisse der Gebäude- und Anlagensimulation untersucht. Hierbei werden zunächst Berechnungsgrundlagen für die Modellierung der inneren Wärmequellen und des Luftwechsels in der Simulation dargestellt. Zusätzlich werden Untersuchungen zu Zeitplanprofilen vorgestellt. Weiter wird eine Methode beschrieben, die es ermöglicht über das Erstellen von Zeitplanprofilen in Microsoft-Excel 2008 die in einem Gebäude ablaufenden Vorgänge mittels TRNYSYS-TUD zu simulieren. Durch das Klassifizieren der Zeitplanprofile für innere Wärmequellen und der Luftwechselraten im Gebäude wurden verschiedene Jahressimulationen durchgeführt. Hierdurch wurden unterschiedliche Simulationsergebnisse erzielt und abschließend in dieser Arbeit kritisch analysiert. Die Simulationsergebnisse be-ziehen sich hier besonders auf die jährliche aufgewandte Heizenergie sowie der Tempera-turverläufe und des Lüftungsverhaltens in den einzelnen Zonen im Tagesgang. Während der Bearbeitung der Aufgabenstellung hat sich gezeigt, dass durch detaillierteres Be schreiben der nutzerabhängigen Vorgänge im Gebäude immer komplexere Zeitplanprofile entstehen und dadurch mit der angewandten Methode auch die Erstellung und die Einbindung der Zeitpläne mehr und mehr erschwert werden.
Verfasst von: Patrick Enzmann
Betreut von: Dr.-Ing. Alf Perschk, Dr.-Ing. Markus Rösler
Energiewirtschaftliche Bewertung Erneuerbarer Energien am Beispiel der Geothermie
Der Ausbau erneuerbarer Energien (EE) wird sowohl im deutschen Strom- als auch im Wärmesektor durch Anreiz- und Fördersysteme unterstützt. In diesem Zusammenhang wird in der vorliegenden Masterarbeit die geothermische Strom- und Wärmeerzeugung für die in Deutschland vorzufindenden Standortbedingungen untersucht. Dazu werden die Strom- und Wärmegestehungskosten geothermischer Anlagen mit Hilfe dynamischer Verfahren der Investitionsrechnung kalkuliert. Ziel dieser Untersuchungen ist es, die Wettbewerbsfähigkeit geothermischer Anlagen im deutschen Strom- und Wärmemarkt sowie die Effizienz von Fördermaßnahmen in Bezug auf die Nutzung der Geothermie zu bewerten. Dies beinhaltet die Betrachtung oberflächennaher sowie tiefer geothermischer Nutzungstechniken aus technischer und wirtschaftlicher Sicht. Bei der Interpretation der Ergebnisse aus Sicht der Geothermie ist zwischen Strom- und Wärmeerzeugung zu unterscheiden. Die Fördermaßnahmen für oberflächennahe sowie tiefe geothermische Anlagen zur Wärmebereitstellung sind als effizient einzustufen. Mit Hilfe dieser Fördermaßnahmen ist die Wettbewerbsfähigkeit im Wärmemarkt unter günstigen Bedingungen, wie bspw. einer hohen Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe oder einer hohen Temperatur des Thermalwassers, gegeben. Ein wirtschaftlicher Betrieb geothermisch angetriebener Kraft- oder Heizkraftwerke ist ohne die Fördermaßnahmen im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) nur im Falle der kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme möglich. Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen sind günstige Standortbedingungen, wie bspw. eine hohe Temperatur des Thermalwassers. Die im EEG implementierten Fördermaßnahmen für geothermische Anlagen zur Stromerzeugung sind als ineffizient zu beurteilen.
Verfasst von: Volker Seifert
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Umsetzung eines Konzepts zur Vermessung des thermischen Verhaltens des Erdsondenfelds im Zentrum für Energietechnik der TU Dresden
Seit Inkrafttreten des EEG haben heizungstechnische Systeme mit Wärmepumpen enorm an Bedeutung gewonnen. Sole-/Wasser-Wärmepumpen besitzen im Winter wie im Sommer das Potential den Wärmebedarf eines Gebäudes ausschließlich durch die Nutzung erneuerbarer Energien zu decken. Hierfür wird die Wärme des oberflächennahen Erdreichs häufig mit Hilfe eines vertikalen Wärmeübertragers, einer Erdwärmesonde, genutzt. Für den optimalen Betrieb, sowie die Nachbildung des thermischen Verhaltens einer solchen Anlage ist jedoch eine genaue Kenntnis des die Erdsonde umgebenden Erdreichs erforderlich. Zu diesem Zweck wird mit dem neu errichteten Erdwärmesondenfeld am Zentrum für Energietechnik (ZET) der TU Dresden ein Thermal Response Test durchgeführt. Der Versuchsstand wird dazu vorher um diverse messtechnische Komponenten, unter anderem einem faseroptischen Temperaturmesssystem, ergänzt. Es wird ein Messprogramm entwickelt, welches die vorhandene Messtechnik zusammenführt, die Werte einzelner Messstellen aufzeichnet und Steuersignale an den Versuchsstand sendet. Schließlich wird der Versuch unter Berücksichtigung gängiger, in der Literatur verwendeter Methoden ausgewertet. Die thermischen Erdreicheigenschaften in der nahen Sondenumgebung werden durch den Vergleich gemessener und berechneter (TRNSYS-Simulation) Temperaturwerte ermittelt. Die Bewertung der Ergebnisse erfolgt auf der Grundlage von ähnlichen, in der Literatur zu findenden Versuchen und den Stoffwertangaben der VDI-Richtlinie 4640-1.
Verfasst von: Stefan Hoppe
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Haupt, Dipl.-Ing. Wojciech Kozak
Einsatz von Peltier-Wärmepumpen unter besonderer Berücksichtigung der Anwendung in der Gebäudetechnik
Dieses Papier wird der Einsatz von Peltier-Wärmepumpen unter besonderer Berücksichtigung der Anwendung in der Gebäudetechnik untersuchen.
Ziele und Schritte der vorliegenden Arbeit sind:
Zuerst werden die physikalischen Gesetzmäßigkeiten und Prinzipien beschrieben, die beachtet werden müssen, um effiziente Peltier-Wärmepumpen Gebäudesystem zu bauen. Zu diesem Zweck erfolgt vor der Darstellung der Grundlagen der Thermoelektrik eine kurze Einführung in Wärmeübertragung und Wärmetransport, da sie wesentlich für die in folgenden Abschnitten behandelten Ausführungen zum Peltier-Wärmepumpen Gebäudesystem sind. Dann werden die Anwendungen und Betriebserfahrungen für Peltierelement gegeben. z.B. unterschiedliche Bauart von Peltierelement für unterschiedliche industrielle Anwendungen.
Der Schwerpunkt dieses Artikels ist es, Vergleich unterschiedliche Gebäudesystem für eine Wohneinheit, deshalb müssen zwei verschiedene Systeme zu entwerfen.
- Klima-und Heizungsanlagen mit Kompressionswärmepumpen
- Klima-und Heizungsanlagen mit Peltier-Wärmepumpen
Und dann werden die neuartige Gebäude System(Peltier-Wärmepumpen System) in Bezug auf Reproduzierbarkeit, Herstellkosten und Effizienz gegenüber dem aktuellen Stand der Technik(Kompressionswärmepumpen System) verglichen. Durch Vergleichung mit einem Kompressionswärmepumpensystem werde die Anwendungsmöglichkeit von Peltier-Wärmepumpensystem als Hause Klima-und Heizungsanlagen erkunden.
Am Ende gibt eine Einführung in die Thermoelektrik. Wichtige Parameter wie z.B. die Materialgüte werden vorgestellt und ihr Einfluss auf die Wirkungsgrade thermoelektrischer Generatoren beschrieben. Abschließend werden zwei thermoelektrische Kombi-System gegeben. Diese sind:
- Thermogeneratoren in solarthermischen Anlagen
- Thermogeneratoren mit Wärmerohr Kombination.
Verfasst von: Danquan Yang
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Erneuerbare Energien und dezentrale KWK im Gebäudebereich
Im Vordergrund der Energiewende stellt sich ebenfalls die Frage nach einer effizienten und umweltfreundlichen Energieproduktion im Gebäudebereich. Der Fokus dieser wissenschaftlichen Arbeit liegt dabei auf der Wärmeproduktion in Wohngebäuden für eine bzw. mehrere Familien. In diesem Zusammenhang schreibt das EEWärmeG eine Nutzungspflicht von erneuerbaren Energien und Ersatzmaßnahmen wie KWK-Anlagen im Neubau vor. Für diese Anlagen erhalten Betreiber durch die Bundesregierung finanzielle Förderung, die im Hinblick auf die unterschiedlichen Anlagenarten hier untersucht werden. Die Analysen werden durch betriebswirtschaftliche Methoden gestützt und dienen der Beurteilung der Fördereffizienzen. Aus diesen Analysen hat sich herausgestellt, dass die KWK-Anlagen durch breitgefächerte Fördermaßnahmen die größte Fördereffizienz aufweisen. Die Anlagen der Solarthermie, Biomasse und Geothermie bzw. Umweltwärme weisen ähnliche Fördereffizienzen auf.
Zukünftige Entwicklungen lassen hoffen, dass sich der Nachteil der KWK-Anlagen – die hohen Investitionskosten – weniger deutlich zeigen wird und diese Anlagen vor allem im kleinen Anwendungsbereich konkurrenzfähiger werden.
Alles in Allem wird aus den Untersuchungen deutlich, dass auf Grund der Fördermaßnahmen und dem EEWärmeG sich der Umverteilungsprozess im Gebäudesektor zugunsten der erneuerbaren Energien bzw. KWK-Anlagen entwickelt.
Verfasst von: Willi Oestreich
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Validierung in der Gebäude- und Anlagensimulation
Die Gebäude- und Anlagensimulation ist ein hilfreiches Instrument bei der Planung und Umgestaltung von Gebäuden und deren technischer Anlagen. Für die Akzeptanz der Simulationsergebnisse ist eine regelmäßige Validierung der Programme notwendig. Das Anliegen der vorliegenden Arbeit ist eine Validierung des Programmes TRNSYS-TUD nach den Vorschriften der DIN EN ISO 13791 (2010-03). Zunächst werden verschiedene Validierungsmöglichkeiten und bereits abgeschlossene Projekte zu dem Thema beschrieben. Danach erfolgt eine nähere Betrachtung von TRNSYS-TUD. Anschließend wird das Programm nach einigen Verfahren der DIN EN ISO 13791 validiert. Außerdem werden die Ergebnisse verschiedener Simulationen in TRNSYS-TUD mit denen weiterer Simulationsprogramme verglichen. TRNSYS-TUD erfüllt die Anforderungen der Norm sehr gut. Im Vergleich mit anderen Programmen treten teilweise Differenzen zwischen den Ergebnissen auf. Gründe für die Abweichungen können nicht genau definiert werden.
Verfasst von: Katharina Huck
Betreut von: Dr.-Ing. Alf Perschk, Dr.-Ing. Markus Rösler
Weiterentwicklung von elektrisch beheizten Hochtemperaturbauteilen für den Einsatz in Brennstoffzellentestständen basierend auf experimentellen Ergebnissen und Modellen
Die Forschung an SOFC-Brennstoffzellen erfordert das Prüfen und den Betrieb der Brennstoffzellenstacks in hierfür entwickelten Testständen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird die Weiterentwicklung der Komponenten Luft- beziehungsweise Gaserhitzer dieser Teststände behandelt. Diese unterliegen durch den Einsatz im Hochtemperaturbereich starken thermischen Beanspruchungen, was einen erhöhten Verschleiß zur Folge hat.
Das bestehende Prinzip der elektrischen Beheizung mittels Heizdrahtes wird bei der Weiterentwicklung weiterverfolgt und hinsichtlich Materialauswahl, Strömungsführung und dem Einbringen der Leistung optimiert. Im Besonderen wird durch geeignete Maßnahmen der Wärmeübergang verbessert, was neben der Erhöhung des konvektiven Wärmeübergangs auch den Einfluss der Wärmestrahlung beinhaltet. Die zugeführte Leistung in Form von Wärme wird zudem gestuft über dem Strömungsweg eingebracht, wodurch in den heißeren Zonen nahe dem Austritt der Heizdrahtwerkstoff weniger belastet wird und somit einen geringeren Verschleiß und eine längere Lebensdauer hat. Zudem soll somit die Forderung der höheren Aufheizraten erfüllt werden. Weiterhin werden für die Gehäuse- und Kanalkonstruktion alternative Materialien eingesetzt, welche den dauerhaft hohen Beanspruchungen standhalten.
Verfasst von: Sven Paulick
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. Jens Haupt
Auslegung und Test einer NCG-Absaugung für eine MED-Versuchsanlage
Diese Arbeit untersucht theoretisch und experimentell die Desorption von nichtkondensierbaren Gasen (NCG) und deren Absaugung aus einer MED-Versuchsanlage kleiner Leistung, mit dem Ziel, ein verbessertes Absaugsystem zu entwickeln. Nach der theoretischen Ermittlung des NCG-Aufkommens wird das Absaugsystem der Versuchsanlage in Komponenten aufgeteilt und analysiert.
Aus den Erkenntnissen werden Verbesserungsvorschläge abgeleitet und bewertet, um diese anschließend zu einem optimierten Absaugsystem zusammenzufügen. Als Versuchsvorbereitung wird außerdem eine Methodik entwickelt, die realitätsnahe Gasgehalte im Rohwasserbehälter der Versuchsanlage gewährleistet. Abschließend werden das NCG-Aufkommen, dessen Verteilung und einzelne Komponenten des Absaugsystems durch eine Versuchsreihe experimentell untersucht.
Verfasst von: Marko Hähnel
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Untersuchungen zu Heat-Pipe-Vakuumröhren-Kollektoren in Drain-Back Anlagen
Es wird ein neuartiges Solarthermiesystem, das auf dem Drain-Back Prinzip beruht, entwickelt. Im Fokus der Entwicklung liegt die Kombination eines offenen Drain-Back Systems (DBS) mit einem atmosphärischen GFK-Speicher und leistungsfähigen Heat-Pipe Vakuumröhren. Im Gegensatz zu bisherigen offenen DBS wird mithilfe eines geeignet angeordneten Rücklaufgefäßes (RLG) der ständige Systemluftwechsel mit der Umgebungsatmosphäre weitestgehend unterbunden. Dadurch wird die Korrosionsgefahr verringert. Zur Auslegung des Systems werden Berechnungsmodelle vorgeschlagen. Die Dimensionierung des RLG beruht auf der Berechnung der Volumeneinnahme des Systemgases unter verschiedenen Bedingungen nach der Idealgasgleichnung. Die thermo-hydraulische Auslegung erfolgt nach dem erweiterten Bernoulli-Ansatz. Um das neuartige DBS zu untersuchen und dessen Leistungsfähigkeit zu ermitteln, wird eine Versuchsanlage mit integriertem Referenzsystem konzipiert. Das Referenzsystem wird als druckhaltendes System mit Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch ausgelegt.
Verfasst von: Thomas Plaz
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling, Dipl.-Ing. Martin Heymann
Lebenszyklusanalyse in der Gebäudeenergietechnik
Die Auswahl neuer Gebäudeenergieversorgungssysteme beruht unter anderem auf deren Wirtschaftlichkeit. Dazu werden die Investitionskosten und Aufwendungen während der gesamten Anlagenlaufzeit berücksichtigt, jedoch bisher nicht die zeitlichen Änderungen von Betriebsgebundenen Kosten. Strom- und Rohstoffpreise unterliegen in den kommenden Jahren jedoch starken Änderungen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Gesamtwirtschaftlichkeit speziell der Anlagen, welche erneuerbare Energiequellen nutzen, unter besonderer Berücksichtigung der zukünftigen technologischen und finanziellen Entwicklung relevanter Anlagenkomponenten und Betriebsmittel. Sie gibt einen Überblick über die zu erwartenden Entwicklungen und die für einen bestimmten Gebäudetyp günstigsten Varianten der Energieversorgung.
Verfasst von: Monika Wicke
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Entwicklung neuer Funktionalitäten für ein energiewirtschaftliches Optimierungsprogramm zur last- und bedienungsgerechten Einbindung des Intraday-Handels
Durch zunehmende Handelsflexibilität an den europäischen Strom- und Rohstoffbörsen stehen Energieversorgungs-unternehmen mit eigenen Erzeugungsanlagen zahlreiche unterschiedliche Vermarktungs- bzw. Beschaffungswege zur Verfügung. Eine bestmögliche Ausnutzung dieses Marktumfeldes erfordert den Einsatz mathematischer Optimierungsprogramme wie der Software MipOpt. Anhand absoluter monetärer Zahlenwerte errechnen diese einen Aktivitätsablaufplan, welcher sich durch maximalen wirtschaftlichen Erfolg auszeichnet. Allerdings muss dazu die Abbildung von realen technischen und wirtschaftlichen Parametern sowie Randbedingungen in das mathematische Modell so wirklichkeitsgetreu wie möglich umgesetzt werden. Diese Schnittstelle zwischen mathematischer Modellierung und physischer bzw. vertraglicher Erfüllung ist das Aufgabenfeld der zugehörigen Diplomarbeit. Angefangen bei der Untersuchung und Bewertung elementar notwendiger Lastprognosen für Strom und Wärme über die Evaluierung der ermittelten Fahrplantreue samt zugehöriger Ursachenforschung bis hin zur Analyse von Betriebsführungskonzepten erstreckt sich das Spektrum ebenso wichtiger wie kleinteiliger Bearbeitungsgegenstände. Darauf aufbauend schließt sich die zentrale Thematik der Einbeziehung des bisher beim Chemnitzer Industriepartner „eins energie in sachsen“ noch nicht programmtechnisch optimierbaren Intraday-Handels an. Die Entwicklung implementierbarer Anpassungsvorschläge sowie Erweiterungskonzepte für alle genannten Arbeitsaspekte inklusive theoretischer und empirischer Überprüfungen stellen schließlich das Resultat der Diplomarbeit dar.
Verfasst von: Tobias Widder
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander
Erarbeitung von Contracting Modellen für Mikro-BHKW- und Wärmepumpen-Systeme
Im Zuge der klima- und energiepolitischen Ziele der Bundesregierung wird unter anderem die effiziente Energieerzeugung in dezentralen Anlagen gefördert. Zu den genutzten Technologien zählen vor allem kleine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen, die zukünftig vermehrt zur direkten Gebäudeversorgung zur Anwendung kommen sollen. Besonders bei Einfamilienhausbesitzern treten jedoch oft Hemmnisse auf, neue und bisher weniger etablierte Technologien einzusetzen. Die Haupthinderungsgründe, fehlendes technisches Know-how, mangelndes Vertrauen in die Wirtschaftlichkeit der Anlagen sowie höhere finanzielle Belastungen in der Anschaffungsphase, können durch Contracting-Modelle überwunden werden.
Im Rahmen dieser Arbeit werden daher Contracting-Modelle für die Energieversorgung von Einfamilienhäusern mit Mikro-BHKWs entwickelt. Bei der Analyse wird auf die wärmegeführte und stromoptimierte Betriebsweise fokussiert. Als Vergleichsbasis für Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen dient eine konventionelle Versorgungsvariante. Neben der Darstellung vertraglicher Beziehungen wird das Risikopotential für beide Contracting-Partner analysiert. In einem Ausblick werden Möglichkeiten aufgezeigt, wirtschaftlichere Strategien zur Energieerzeugung mit Wärmepumpen und BHKWs durch Teilnahme an dem Verbundbetrieb im virtuellen Kraftwerk zu realisieren.
Verfasst von: Nicole Graich
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dipl.-Ing. Andrea Meinzenbach
Das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) - Analyse und Vergleich der technischen und wirtschaftlichen Umsetzbarkeit verschiedener Technologien unter Berücksichtigung der Übertragbarkeit vom Einfamilienhaus auf öffentliche Gebäude
Durch das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) ist die Deckung eines Teils des Wärmebedarfs mit Hilfe regenerativer Energiequellen in neu errichteten Gebäuden im Jahr 2009 zur Pflicht geworden. Vor diesem Hintergrund wurden in dieser Bachelorarbeit verschiedene, auf die gesetzlichen Anforderungen abgestimmte Systeme zur Wärmegewinnung für Einfamilienhäuser untersucht und mit Fokus auf ihre langfristige Kosteneffizienz verglichen. Zusätzlich wurden Aspekte für zu sanierende öffentliche Gebäude betrachtet, welche seit 2011 ebenfalls von diesem Gesetz eingeschlossen werden. Basierend auf den Daten eines repräsentativen Einfamilienhauses, wurden im Hauptteil für sämtliche analysierten Technologien die während eines Betrachtungszeitraumes von 20 Jahren zu erwartenden Kosten bestimmt und mit Methoden der Investitionsrechnung bewertet. Anhand der so ermittelten Ergebnisse konnte die Wärmepumpe knapp als günstigste Variante zur Erfüllung des EEWärmeG identifiziert werden.
Zudem konnte unter anderem gezeigt werden, dass die Anlagen- und die Verbrauchskosten bei allen Technologien den größten Einfluss auf die Gesamtkosten haben. Des Weiteren wurde durch eine Gegenüberstellung der Eigenschaften und Anforderungen festgehalten, dass sich die Resultate von Einfamilienhäusern nur bedingt auf öffentliche Gebäude übertragen lassen und genaue Abwägungen notwendig sind. Abschließend erfolgte eine qualitative Auswertung der Vor- und Nachteile einer selbständigen gegenüber einer auf Contracting basierenden Finanzierung bei Sanierungen, wobei sich das Contracting als Alternative mit hohem Potenzial herausstellte.
Verfasst von: Marcel Steppuhn
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Untersuchung der Langzeitstabilität von CIGS-Dünnschicht-Solarmodulen
CIGS-Dünnschicht Solarmodule weisen eine Besonderheit gegenüber klassischen Silizium Solarmodulen auf: Ihre Leistung nimmt unter Bestrahlung mit Licht zu. Dieser Effekt wird als positiv Light Soaking Effekt bezeichnet. Bei den Q.SMART Dünnschichtmodulen der Q.CELLS SE wurde dieser Effekt im Labor unter Standard Testbedingungen untersucht und mit einer Leistungssteigerung von typischerweise 2,5% bestimmt.
Es wurde zunächst eine Methode entwickelt, um diese Leistungszunahme unter allen Umwelteinflüssen (Spektrum des Sonnenlichtes, Außentemperatur, Bestrahlungsstärke, Modultemperatur, Sonnenscheindauer,...) herauszufiltern und sichtbar zu machen. Mithilfe von verschiedenen, PV-Installationen sollte diese Leistungszunahme auch an bestehenden Anlagen nachgewiesen werden. Im Laufe der Arbeit stellte sich heraus, dass dieser Nachweis nur möglich ist, wenn verschiedene Rahmenbedingungen, wie z.B. Start des Monitoring, Anschluss der Messtechnik etc., bei der Installation der PV-Anlagen eingehalten werden. Nur dann ist es möglich den Light Soaking Effekt bis ins kleinste Detail zu untersuchen.
In der Untersuchung hat sich gezeigt, dass die CIGS-Dünnschicht Solarmodule unter realen Bedingungen im Feld tatsächlich von dem schon im Labor gezeigtem positiv Light Soaking Effekt profitieren können.
Verfasst von: Christoph Thiel
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Kühling von Li-Ionen-Batteriesystemen
Im Rahmen der zunehmenden Nutzung von erneuerbaren Energiequellen und dem Ausbau der Elektromobilität finden vermehrt Lithium-Ionen Batterien Anwendung zur Speicherung elektrischer Energie. Für eine sichere Verwendung dieses Zelltyps ergeben sich jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Betriebsbedingungen. Einen großen Einfluss hat dabei die Betriebstemperatur der Zelle, wobei sich mit ansteigender Temperatur unter anderem die Lebensdauer der Batteriezelle verringert und die Gefahr einer unkontrollierbaren Energiefreisetzung, eines sogenannten "thermal runaway", besteht. Abhilfe schafft die Abführung der thermischen Energie aus der Zelle mithilfe eines Kühlsystems, wobei oftmals ein von einem Fluid durchströmtes Kühlelement, befestigt an den Zellen, Verwendung findet.
Das Ziel der Projektarbeit ist es, eigene Konzepte für die Gestaltung eines Kühlelements, angepasst an das Zellformat der Firma Li-Tec Battery GmbH, zu erstellen und eine Variante konstruktiv umzusetzen. Dafür werden zunächst kurz die Grundlagen zum Einsatz einer Kühlung erläutert und eine Patentrecherche zum Thema Batteriekühlung durchgeführt. Im Anschluss wird die freigesetzte thermische Energie in der Zelle aufgrund des elektrischen Stromflusses beim Laden/Entladen berechnet. Mithilfe der Richtlinie VDI 2222 werden Prinziplösungen für die Kühlung der vorliegenden Batteriezelle erzeugt und im Anschluss unter Nutzung des Rangfolgeverfahrens bewertet. Anhand der Bewertung erfolgt die Auswahl einer Vorzugsvariante, die konstruktiv realisiert wird. Für das konstruierte Kühlelement findet ebenfalls die Berechnung des Wärmeübergangs und der Druckverluste unter vorgegebenen Betriebsbedingungen statt.
Verfasst von: Torsten Klemm
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Lebensdauernachweis für bodenstehende Heizkessel bezüglich mechanischer Spannungen unter Berücksichtigung der Verkalkung
Im Zuge der globalen Erwärmung gewinnt die Reduzierung der Umweltbelastungen durch die Gebäudebeheizung immer mehr an Bedeutung. Die vom Verein Deutscher Ingenieure -VDI- herausgegebene Richtlinie 2035 "Vermeidung von Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen - Steinbildung in Trinkwassererwärmungs- und Warmwasserheizungsanlagen" enthält die Beschreibung der Ursachen und der Auswirkungen der Steinbildung, Richtwerte und Maßnahmen. Die Vermeidung der Steinbildung in Heizungs- und Trinkwassererwärmungsanlagen leistet einen Beitrag zur Reduzierung des Gebäudeenergiebedarfs. Bereits kleine Kalkschichtdicken von ca. 3 mm sorgen für Wärmeübertragungsverluste von ca. 19,5% und damit verbunden einen erhöhten Brennstoffmehrverbrauch. Daher ist die Steinbildung auch in Zukunft durch geeignete Maßnahmen zur Wert- und Wirtschaftlichkeitserhaltung so gering wie möglich zu halten.
Verfasst von: Christine Knaus
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Vergleichende energetische Bewertung von Gebäuden
Die Gerhard-Grafe-Sporthalle in Dresden Weixdorf ist eine Passivhaus-Sporthalle, welche durch den Verein Sportgemeinschaft Weixdorf e.V. betrieben wird. Sie wurde mit dem Passivhaus-Projektierungspaket (PHPP) so geplant, dass der Primärenergiebedarf die Standardanforderungen eines Passivhauses um 50% unterbieten sollte. Tatsächlich sind jedoch Abweichungen zu den planerischen Kennwerten vorhanden, wodurch ein Optimierungspotential im Anlagenbetrieb vorliegt. Diese Diplomarbeit wurde im Rahmen eines Forschungsvorhabens zur Gesamtoptimierung des Gebäude- und Anlagenbetriebs der Sporthalle bearbeitet. Das Ziel ist eine Gesamtbilanzierung mithilfe von EnEV- Berechnungsprogrammen, die auf die DIN V 18599 basieren. Die benötigten Daten werden den Planungsunterlagen entnommen und durch Ortsbegehungen erweitert bzw. korrigiert. Im Berechnungsprogramm ist das energieeffiziente Gebäude jedoch nicht exakt abbildbar, da die Grenzen der Norm teilweise überschritten werden und einzelne Anlagentechniken unzureichend modelliert werden können. Im Vergleich zu realen Verbrauchsdaten zeigen sich diese Aspekte im erhöhten Gas- und Strombedarf. Für Gebäude mit sehr niedrigem Energieverbrauch sollte zur Bedarfsberechnung daher auf andere Berechnungsmethoden wie PHPP zurückgegriffen werden, die verlässliche und genaue Ergebnisse liefern.
Verfasst von: Markus Leibelt
Betreut von: Dipl.-Ing. Juliane Schmidt
Numerische Untersuchung eines neuartigen Wärmeübertragerkonzeptes für den Einsatz in solarthermischen Kraftwerken
Das „Cell-Flux“ Projekt am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt hat die Entwicklung eines sensiblen Wärmespeichers für den Einsatz in solarthermischen Kraftwerken zum Ziel. Die Schnittstelle zwischen dem Wärmeträgermedium des solarthermischen Prozesses und der Speicherstruktur wird dabei über einen Wärmeübertrager realisiert. Dieser Wärmeübertrager ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit.
Unter Verwendung der CFD-Software Ansys CFX wird die Machbarkeit eines hybriden Wärmeübertagers, dessen sekundäre wärmeübertagende Fläche zugleich als Speichermedium dient, untersucht. Dazu werden 3 verschiedene Ausführungen betrachtet und numerisch modelliert. Die Modelle werden nach Möglichkeit unter Verwendung empirischer Ansätze und experimenteller Daten validiert und deren Anwendbarkeit beurteilt. Abschließend werden die verschiedenen Ausführungen hinsichtlich ihrer wärme- und strömungstechnischen Eigenschaften miteinander verglichen und die Möglichkeit für deren Anwendung diskutiert.
Verfasst von: Marcus Rohne
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke
Dezentrale Hausanschluss- und Netzeinspeisestationen
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer dezentralen Hausanschluss und Netzeinspeisestation (HANEST) zur Einbindung volatiler regenerativer Erzeuger in die Wärmeversorgung. Es wird der grundlegende Aufbau einer solchen Anlage analysiert und mit vorhandenen Systemen zur solaren Wärmeversorgung verglichen. Mit den Erkenntnissen wurde eine Vorzugsschaltung entwickelt, mit welcher sowohl die Versorgung eines Verbrauchers aus dem Fernwärmenetz und einem lokal installierten Solarkollektor als auch das Einspeisen solar erzeugter Wärme in das Fernwärmenetz möglich ist. Dazu wurde ein Steuerungs- und Regelungskonzept entworfen, mit welchem der Einspeise- und Bezugsvorgang, sowie deren Übergänge realisiert sind.
Die Schaltung wurde mit bestehenden Types in der Software TRNSYS-TUD aufgebaut. Mit einer einfachen Implementierung der Steuerung und unter Vernachlässigung der Druckverläufe konnte die HANEST simuliert werden. Anhand mehrerer Szenarien wird die Funktonalität demonstriert.
Verfasst von: Andreas Jurack
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Weiterentwicklung des Heizspar-Checks als Ausleih- und Beratungsprodukt zur Analyse des individuellen Heiz- und Lüftungsverhaltens
Diese Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten rund um den Heizspar-Check (HSC), der bereits in seiner bisherigen Form von mehr als 250 Kunden genutzte wurde. Ziel ist zum einen eine Ausweitung und Verbesserung der Textbausteine, die im Heizspar-Check-Programm, das zur Auswertung dient, Anwendung finden. Sie sollen in möglichst vielen Fällen die passende Beschreibung des Verhaltens und mögliche Verbesserungsvorschläge liefern. Gleichzeitig ersparen sie den Energie- Beratern wertvolle Arbeitszeit bei der Auswertung, was einen wichtigen Kostenfaktor darstellt.
Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einer weiterführenden Analyse der bislang vorliegenden Daten in Bezug auf das Nutzerverhalten. Es soll eine statistische Auswertung der Raumwerte und der Lüftungszeiten erfolgen. Ziel soll es hierbei sein, Regeln und Tipps zum richtigen Heizen und Lüften zu untermauern und anhand von anschaulichen Graphiken dem Kunden besser zu verdeutlichen.
Weiterhin wird eine Umfrage bei den bisherigen Kunden durchgeführt. Die Umfrageergebnisse sollen die Zufriedenheit und die Erfahrungen der Kunden im Zusammenhang mit dem HSC aufzeigen. Ob die Tipps aus der Auswertung angenommen und als hilfreich angesehen werden, soll ebenfalls geklärt werden. Zum Abschluss wird ein Informationsheft zusammengestellt mit dem Ziel, die Öffentlichkeit stärker über das Einsparpotenzial beim Heizen und Lüften zu informieren und aufzuklären. Der Entwurf dieser Broschüre, die zu Beginn der Heizperiode 2012/13 fertig gestellt sein wird, ist im Anhang hinterlegt.
Verfasst von: Maximilian Beyer
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Entwicklung eines Konzepts zur kurzfristigen Ermittlung des Regelleistungsbedarfs – Im Hinblick auf eine zunehmend fluktuierende Stromversorgung
In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur kurzfristigen Bedarfsermittlung von Regelleistung entwickelt. Die Regelleistung dient dem Ausgleich der Einspeisung und Entnahme im Stromnetz. Ziel des Konzepts ist es, die Vorhaltung der Regelleistung unter Berücksichtigung erneuerbarer Erzeuger dynamisch zu gestalten und besser an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine zunehmend fluktuierende Stromerzeugung von Bedeutung.
Die Konzeptentwicklung beinhaltet zwei Varianten hinsichtlich der Vorlaufzeit: eine Day-Ahead- und eine Intraday-Variante. Für beide Varianten wurden Programmablaufpläne zur Bestimmung von Fehlerverteilungen erarbeitet. Zur Berechnung des stündlichen Regelleistungsbedarfs werden insgesamt sechs Fehlerverteilungen benötigt, u.a. die Fehlerverteilungen für den Photovoltaik- und den Windprognosefehler. Mittels einer Korrelationsuntersuchung wurde festgestellt, dass der Photovoltaik- und der Windprognosefehler statistisch voneinander unabhängig sind. In einer Beispielrechnung wurde der windinduzierte Regelleistungsbedarf durch eine Kerndichteschätzung gemäß dem bisherigen und dem neuen, dynamischen Konzept bestimmt. Die Ergebnisse sind, dass unter Einsatz des neuen Konzepts der windinduzierte Regelleistungsbedarf reduziert und die Regelleistung bedarfsgerechter dimensioniert wird. Nachfolgend muss überprüft werden, ob sich die positiven Ergebnisse der Beispielrechnung auch bei Anwendung des Gesamtkonzepts ergeben und ob die technischen Herausforderungen zur Einführung des Konzepts bewältigt werden können.
Verfasst von: Julia Jäger
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander
Definition eines Anwendungsprofils für eine Li-Ionen-Leistungszelle unter Berücksichtigung des elektrischen und thermischen Zellverhaltens
Lithium-Ionen Hochleistungsbatterien in Hybridfahrzeugen unterliegen zyklischen Strombelastungen während des Betriebs, die sie altern lassen. Es ist notwendig dieses Alterungsverhalten mittels Lastprofile nachzubilden, um Lebensdauerbetrachtungen durchzuführen. Dabei dürfen die Betriebsgrenzen der Batterie nicht verletzt werden. Ziel dieser Arbeit ist die rechnergestützte Definition eines solchen Profils anhand eines Ausgangsprofils sowie der Aufbau eines elektrisch thermischen Modells in Matlab/Simulink zur Beschreibung des Zellverhaltens. Die Zelltemperatur wurde durch die freigesetzte Verlustleistung unter Berücksichtigung der Wärmeabführungspozesse berechnet. Zur Simulation der Zellspannung wurde auf ein zwei RC-Glieder-Modell zurückgegriffen, das mittels Pulstests für diverse Ladezustände und Temperaturstufen parametriert wurde.
Für die Temperaturabhängigkeit der Zellparameter wurden thermisches und elektrisches Modell gekoppelt. Das Modell wurde durch Lastprofile validiert und zeigte gute Übereinstimmung mit den gemessenen Größen. Die Definition des Zyklisierungsprofils fand unter Anwendung eines BMS für eine neue und eine gealterte Zelle statt. Zudem wurde ein Anwendungsprofil anhand der EoL-Kriterien durch Extrapolationsverfahren generiert.
Verfasst von: David Günther
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke
Messtechnische Ermittlung von Mischverlusten in Heizungs-Pufferspeichern
Verschiedene Faktoren, wie steigendem Wärmeschutz oder höhere solare und innere Gewinne, erhöhen die Diskrepanz zwischen verfügbarer Leistung des Wärmeerzeugers und Leistungsbedarf des zu beheizenden Gebäudes. Insbesondere vielfach noch nicht mit leistungsregelbaren Verdichtern versehene Wärmepumpen werden daher zur Effizienzsteigerung des Gesamtsystems über Pufferspeicher an das Heiznetz angebunden. Dabei werden die Konzepte einer parallelen Speichereinbindung (PPS) und einer Speichereinbindung in Reihe (RPS) verfolgt. Beide Konzepte beeinflussen über die sich einstellenden Temperaturbedingungen die energetische Effizienz des Gesamtsystems. Mit der dynamischen Gebäude- und Anlagensimulation ermittelte Ergebnisse zur Bewertung von Wärmepumpensystemen sind stark von der Parametrierung des in der Simulation verwendeten Speichermodells hinsichtlich der auftretenden inneren Verluste und Mischungsverluste abhängig. Innerhalb der Belegarbeit wird daher das thermische Verhalten von RPS und PPS für typische Verhältnisse bei Einsatz von Wärmepumpen messtechnisch ermittelt und Simulationsergebnissen gegenübergestellt. Außerdem wird eine Messlanze zur Aufnahme des vertikalen Temperaturprofils im Speicher weiterentwickelt und getestet.
Im Ergebnis der Arbeit liegen systematisch aufbereitete Messergebnisse für verschiedene Entnahmevolumenströme vor. Zu den Simulationsergebnisse kann vielfach eine gute Übereinstimmung erzielt werden. So weit wie möglich werden die Ursachen für die auftretenden Unterschiede analysiert.
Verfasst von: Marco Fischer
Betreut von: Dr.-Ing. Martin Knorr
Energetische und ökonomische Bewertung von Gewächshäusern mit dem Ziel der Identifikation von Energieeinsparmöglichkeiten
Die Produktion von Pflanzen in Gewächshäusern erfordert einen enormen Bedarf an Energie, welcher hauptsächlich in Form von Wärme und Elektrizität verbraucht wird. Durch steigende Energiepreise nimmt der Kostenanteil der Heizungs- und Elektrizitätskosten zu und sorgt somit für steigende Produktionskosten. Werden keine Maßnahmen zum Einsparen von Energie getroffen, ist die Rentabilität von Gewächshäusern in Gefahr.
Diese Arbeit befasst sich mit der Problematik. Mittels einer systematischen Literaturrecherche wird der aktuelle Forschungsstand im Bezug auf Energieeinsparmaßnahmen in Gewächshäusern aufgezeigt. Es wird zudem die Realisierbarkeit dieser Maßnahmen auf ein Gewächshaus bewertet. Um mögliche Maßnahmen zur Energieeinsparung transparent und kritisch hinsichtlich des Einsparpotentials bewerten zu können, wird ein energetisches Bilanzmodell für ein Gewächshaus erstellt. Das Modell kann mit geringen Anpassungen für verschiedene Gewächshaustypen angewendet werden.
Das Bilanzmodell modelliert die Wärmeströme im Gewächshaus und stellt den Einfluss der Rahmenbedingungen auf die Richtung der Wärmeströme dar. Durch die Anwendung des Modells auf vier Tage mit unterschiedlichen Rahmenbedingungen konnten die in der Literatur thematisierten Probleme erkannt werden. Mithilfe der ermittelten Größenordnungen der Wärmeströme können Ansatzpunkte für mögliche Energieeinsparmaßnahmen identifiziert werden.
Verfasst von: Maria Löther
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke, Dipl.-Ing. Konrad Treppe, Dipl.-Kfm. Stefan Münch
Erstellung eines physikalischen Modells für den Trocknungsprozess in einem Waschvolltrockner
Wäschepflegegeräte, die die Wäsche sowohl waschen als auch trocknen können, werden als Waschvolltrockner bezeichnet. Für die Optimierung dieser Geräte wurde ein physikalisches Modell erstellt, welches Auskunft über die Trocknungseffizienz und -geschwindigkeit gibt. Es ist ein komplexes transientes System aus physikalischen Gleichungen. Dieses System wurde iterativ mit dem numerischen Gleichungslösungsprogramm ‚EES‘, das thermodynamische Stoff- und Transport-eigenschaften integriert, gelöst. Ziel ist es die optimalen Stoff- und Wärmeübertragungs-koeffizienten für den Trocknungsprozess zu bestimmen.
Verfasst von: Annelie Stoye
Betreut von: Dipl.-Ing. Lars Schinke
Effizienzsteigerung an einer KWK-Anlage
Die Stadtwerke einer mittelgroßen Stadt in Deutschland betreiben ein Fernwärmenetz, welches vorwiegend durch ein Heizkraftwerk, bestehend aus einer Gasturbine mit Heißwasser-Abhitzekessel und Spitzenlast- bzw. Besicherungskessel, gespeist wird. Aufgrund des niedrigen Heizwärmebedarfs in den Sommermonaten kann die Gasturbine in dieser Zeit größtenteils nicht genutzt werden, was zu einem niedrigen KWK-Deckungsgrad im Jahresmittel führt. Desweiteren ist bekannt, dass der Abhitzekessel relativ hohe Abgastemperaturen von ca. 150 °C unter Volllast aufweist, was wiederum zu einem niedrigen Gesamtnutzungsgrad und einer niedrigen Primärenergieeinsparung der KWK-Anlage führt. Um diesen negativen Auswirkungen des HKW Betriebes entgegenzuwirken werden im Rahmen der Projektarbeit folgende Modernisierungsmaßnahmen betrachtet und sowohl energetisch als auch in ihrer Auswirkung auf die Wirtschaftlichkeit ausgewertet:
- Installation eines neuen Abhitzekessels.
- Installation eines neuen Abhitzekessels in Verbindung mit der Umrüstung eines weitgehend ungenutzten Heizöltanks zu einem Wärmespeicher.
Verfasst von: Jessica Hebing
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) Dominik Haas
Literaturrechere und Analyse von Mini- und Mikro-KWK-Systemen
Im Rahmen des Großen Beleges wurde eine Marktanalyse von Mini- und Mikro-BHKWs durchgeführt. Dabei wird zwischen vier verschiedenen Technologien unterschieden. Diese sind der Verbrennungsmotor, der Stirling-Motor, die Dampfexpansionsmaschine und die Brennstoffzellentechnologie.
Weiterhin werden hydraulische Einbindungsvarianten von Mikro-KWK-Anlagen analysiert. Dabei werden die verwendeten Pufferspeicher und die Art der Trinkwassererwärmung näher betrachtet.
Ein dritter Abschnitt beschäftigt sich mit dem Thema "Virtuelles Kraftwerk". Hier wird untersucht, inwieweit die Möglichkeit besteht, die auf dem Markt befindlichen KWK-Anlagen zu einem virtuellen Kraftwerk zu vernetzen.
In einem letzten Kapitel werden Messdaten von drei Mikro-BHKWs ausgewertet. Die Daten stammen von Feldtestgeräten der Leipziger Verbundnetz Gas AG.
Verfasst von: Benjamin Gleichner
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Nutzungsmöglichkeiten von Ausfallenergie
Aufgrund von Netzengpässen oder dem Zusammentreffen hoher erneuerbarer Energieerzeugung mit geringer Last im Stromnetz kommt es immer häufiger zum zeitweisen Überangebot an Elektroenergie und damit zur Notwendigkeit der Abschaltung erneuerbarer Energieerzeugungsanlagen. Hauptsächlich betrifft das Windkraftanlagen. Mit dem weiteren Ausbau erneuerbarer Energien ist zu erwarten, dass sich dieses Problem in Zukunft noch verschärft. Im Rahmen der vorliegenden Belegarbeit erfolgt eine Abschätzung der zukünftig zu erwartenden Ausfallarbeit, was den mehr oder weniger dringenden Handlungsbedarf deutlich macht – insbesondere vor dem Hintergrund, dass die nicht ins Stromnetz eingespeiste Energie nach aktueller EEG-Regelung dennoch vergütet wird. Darauf aufbauend werden die Potenziale und Umsetzungschancen verschiedener Nutzungsformen dargestellt. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Variante der Verwendung überschüssiger Energie zur Wärmebereitstellung. Hierfür werden verschiedene Systeme der Umwandlung elektrischer in thermische Energie betrachtet und deren Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit für die Problemstellung geprüft. Ein wirtschaftlicher Anreiz zur Nutzung der Ausfallarbeit mit den infrage kommenden Varianten, insbesondere der Wärmbereitstellung wird deutlich herausgestellt. Ebenfalls wird auf den energetischen Mehrwert hingewiesen, den die Verwendung der Ausfallenergie zur thermischen Energieversorgung in Wärmenetzen besitzt.
Verfasst von: Monika Wicke
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Messtechnische Analyse des Vitotwin – Mikro-KWK-Systems der Firma Viesmann
Im Innovationslabor der Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung der Technischen Universität Dresden ist zwischen Oktober 2011 und März 2012 in Kooperation mit der Firma Viessmann der Vitotwin 300-W messtechnisch analysiert worden. Das mit erdgasbetriebene Brennwertgerät ist mit einem Stirlingmotor und einem Zusatzbrenner ausgestattet und basiert auf der Mirko-KWK-Technologie (Kraft-Wärme-Kopplung). Die Untersuchungen haben ergeben, dass der maximale Gesamtwirkungsgrad dem einer herkömmlichen Brennwerttherme ähnelt (max. 105,59% bezogen auf den Heizwert). Die elektrische Netto-Leistung liegt zwischen 920 W und 958 W und bewirkt einen nahezu konstanten elektrischen Wirkungsgrad zwischen 14 und 15%. Durch den Zusatzbrenner kann der Bedarf an Wärme eines Mehrfamilienhaushaltes gedeckt werden (max. 20 kW). Der Vitotwin besitzt im Vergleich zur Brennwerttherme, bis auf den elektrischen Anschluss durch einen Elektriker, keinen größeren Installationsaufwand. Seitens des Herstellers wird für einen wirtschaftlichen Betrieb empfohlen, dass der Gasverbrauch des Haushaltes über 20.000 kWh und der Stromverbrauch über 3.000 kWh im Jahr liegen sollten. Außerdem kann der Vitotwin nur zusammen mit einem Warmwasserspeicher käuflich erworben werden.
Verfasst von: Philipp Oehmgen
Betreut von: Dipl.-Ing. Paul Seidel
Untersuchungen an einer Double-Quattro-MED-Anlage
Gegenstand der Interdisziplinären Projektarbeit "Untersuchungen an einer Double-Quattro-MED-Anlage" ist der Prototyp einer Meerwasserentsalzungsanlage kleiner Leistung. Die am "Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH“ entwickelte Anlage arbeitet nach dem Prinzip der Multi-Effekt-Destillation und ist für einen dezentralen Einsatz konzipiert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Verhalten der Anlage bei verschiedenen Betriebsparametern untersucht. Dafür wurden eine Reihe von Messungen an dem Prototyp durchgeführt und ausgewertet. Als wesentliche Betriebsparameter der Anlage werden untersucht: die Temperaturen von Heiz- und Kühlwasser, die Inertgasabsaugung, die Berieselungsdichte in den Wärmeübertragern, die Rohwasserzufuhr sowie die Vorwärmung des Rohwassers. Der Einfluss dieser Parameter auf die Effizienz der Anlage wird dargestellt.
Auf Grundlage der durchgeführten Messungen erfolgt eine Bewertung der in der Anlage verbauten Vorwärmer sowie ein Vergleich mit der vorhergehenden Versuchsanlage nach dem Single-Quattro-Prinzip.
Verfasst von: Jakob Sablowski
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Abwärmenutzung im Wohnungsbau
Energie zu sparen ist aus einer Vielzahl an Gründen erstrebenswert. Ein erheblicher Anteil am Energieverbrauch in Deutschland und anderen Industrieländern fällt im Wohnbereich an. Abwärme aus Haushalten wird, trotz der Bemühungen Energie zu sparen, in den meisten Fällen ungenutzt an die Umwelt abgegeben. Die vorliegende Arbeit zeigt deshalb verschiedene Wege auf, diese Energie für die sinnvolle Wiederverwendung in das Gebäude zurückzuführen. Der Fokus liegt hierbei auf Wärmerückgewinnung in Verbindung mit einer Lüftungsanlage. Für diese Möglichkeit wird anhand eines Modellgebäudes und mithilfe eines Simulationsprogramms die konkrete Energieeinsparung aufgezeigt. Die möglichen Entwicklungen im Wohnungsbau werden durch den Einfluss verschiedener Dämmmaßnahmen berücksichtigt. Weiterhin erfolgt eine Einschätzung des möglichen Einsatzes von thermoelektrischen Heiz- und Kühlsystemen. Die vorliegende Arbeit zeigt auf, dass Wärmerückgewinnung ein hohes Potenzial zur Energieeinsparung bietet. In Verbindung mit einer Lüftungsanlage macht sie den zukünftigen Einsatz von alternativen Heiz- und Kühlsystemen wie Peltier-Elementen möglich.
Verfasst von: Katharina Huck
Betreut von: Dr.-Ing. Ralf Gritzki
Vollkostenanalyse von Mikro-BHKW-Systemen
Der Einsatz von BHKW-Systemen stellt derzeit eine interessante Technologie der Wärme- und Stromerzeugung dar, die sich auch in privaten Wohnhäusern großer Beliebtheit erfreut. Während es bisher jedoch in kleineren Wohnhäusern üblich ist, ein Mikro-BHKW nur in Verbindung mit einem Heizkessel zu nutzen, wird in dieser Arbeit die Wirtschaftlichkeit monovalent betriebener Anlagensysteme untersucht. Den Kernpunkt bildet dabei ein entwickeltes Excel-Tool welches es ermöglicht, die Wirtschaftlichkeit verschiedener Mikro-BHKW Systeme unter zu variierenden Randbedingungen zu berechnen. Nach einem Überblick über die technologischen Grundlagen werden die wirtschaftlichen Auswirkungen einzelner Anlagenkomponenten unter verschiedenen Randbedingungen an einer Auswahl von BHKW-Systemen deutlich gemacht. Als Basis dienen dafür recherchierte Kosten und technische Daten der auf dem Markt in Deutschland verfügbaren Mikro-BHKW. Anschließend werden die ökologischen Aspekte eines monovalenten BHKW-Betriebs betrachtet. Eine abschließende Anleitung befähigt den Nutzer, die Wirtschaftlichkeit der verfügbaren BHKW unter individuellen Randbedingungen zu bestimmen. Diese Arbeit zeigt, dass der monovalente Betrieb eines Mikro-BHKW sich sowohl ökologisch, als auch wirtschaftlich unter bestimmten Randbedingungen rentieren kann.
Verfasst von: Andreas Meurer
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Wirtschaftliche Energieversorgung im Inno-Park Kitzingen unter Einbezug regenerativer Erzeugungsstrukturen
Im Zuge der Sanierung eines Mehrzweckhauses im Innovationspark Kitzingen, mit rund 290.000 kWh Strombedarf und rund 2.270.000 kWh Wärmebedarf pro Jahr, soll dessen Energieversorgung umgestellt werden. Geplant ist ein „Doppelhybridsystem“ zur Grundlastversorgung: Dies beinhaltet eine Kombination aus Photovoltaik, Kraft-Wäre-Kopplung, elektrochemischen und thermischen Speichern. Zur Spitzenlastversorgung dienen weiterhin der übliche Netzanschluss auf der Stromseite und ein Gasbrennwertkessel auf der Wärmeseite.
In dieser Arbeit wurde ein Programm in MATLAB® entwickelt, welches den interagierenden Betrieb aller Komponenten simuliert und optimiert. Ziel dabei ist eine optimale Auslegung aller Komponenten zu erreichen, bei der sowohl die Wirtschaftlichkeit, als auch der regenerative Anteil an der Energieversorgung maßgebend sind.
Die für die Simulation notwendigen Randbedingungen wurden im Vorfeld recherchiert und berechnet. So wurde einerseits ein stationäres Heizlastprofil nach einem vereinfachten Verfahren laut DIN EN 12831 und demTest-Referenz-Jahr des Deutschen Wetterdienstes berechnet, als auch ein Stromverbrauchsprofil anhand von Standardlastprofilen des Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirtschaft erzeugt. Außerdem wurde mithilfe von Einstrahlungsdaten der NASA und dem Wirkungsgrad der vorgesehenen Module ein Photovoltaik-Einspeiseprofil erstellt. Anhand dieser Daten kann der Betrieb simuliert und somit die entstehenden Kosten pro Jahr berechnet werden. Diese Kosten setzten sich aus:
- Betriebsmittelkosten für Erdgas
- Strombezugskosten
- Abschreibungskosten von PV, Batterie, Blockheizkraftwerk und Brennwertkessel
- eventuellen Einspeisevergütungen
zusammen. Somit wurde ein Tool geschaffen, mit dem man leicht verschiedenste Systemkonfigurationen vergleichen kann, um das System optimal auszulegen.
Verfasst von: Martin Arndt
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Grundlagen und Einsatzmöglichkeiten von DEC-Klimaanlagen – eine Aufbereitung für die Lehre
Gegenstand der Diplomarbeit ist die Untersuchung von DEC-Klimaanlagen (Desiccant and Evaporative Cooling), auch bekannt auch als sorptionsgestützte Klimatisierung. Das Besondere an derartigen Anlagen ist, dass zur Luftkühlung keine Kompressions- oder Adsorptionskältemaschinen benötigt werden. Durch den thermodynamischen Vorgang der Lufttrocknung und Luftbefeuchtung (Verdunstungskühlung), in Kombination mit der Wärmerückgewinnung werden Zulufttemperaturen, je nach Anlagenkonzeption, von 18 - 20 °C erreicht.
Eine sehr wichtige Komponente ist der Sorptions-Rotor. Durch den konstruktiven Aufbau findet in ihm durch Absorption oder Adsorption die Trocknung der angesaugten Luft statt. Je geringer der Wassergehalt der angesaugten Luft ist, desto optimaler und wirtschaftlicher arbeitet eine DEC-Klimaanlage. Im allgemeinen ist diese Art der Technik stärker von der atmosphärischen Witterung abhängig als konventionelle Klimaanlagen. Bei absoluten Feuchtewerten der Außenluft größer 12 - 13 g/kg sind übliche relative Raumfeuchten von 50 % nicht mehr realisierbar. Da die Regenerationstemperaturen des Sorptions-Rotors höher sind als bei einem "normalen" Heizregister einer Klimaanlage und die Heizenergiemenge bei DEC-Klimaanlagen größer ist als bei konventionellen Klimaanlagen, bestimmt die Regeneration im starkem Maße die Wirtschaftlichkeit. Energiekosteneinsparungen von 20 - 40 % sind aber erreichbar. Durch die erhöhten Heizenergiemengen für die Regeneration sind aus umwelttechnischen Gründen CO2-arme Brennstoffe, Abfallwärme oder regenerative Wärmequellen zu bevorzugen. Generell wirken sich niedrige Raumfeuchtebelastungen bis ca. 2 - 3 g/kg positiv auf den Einsatz von DEC-Klimaanlagen aus. Je höher die Raumfeuchtebelastungen werden, bzw. je größer die Regeneration wird, desto kritischer wird der Einsatz von DEC-Klimaanlagen.
Verfasst von: Boris Talarczak
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr.-Ing. Markus Rösler
Überarbeitung von Prüfeinrichtungen zur Simulation von Lasten an solarthermischen Kollektoren
Die Interdisziplinäre Projektarbeit (kleiner Beleg) „Überarbeitung von Prüfeinrichtungen zur Simulation von Lasten an solarthermischen Kollektoren“ wird die Überarbeitung zweier pneumatisch betriebener Prüfeinrichtungen zur Simulation von mechanischen Lasten auf solarthermische Kollektoren und einzelnen Komponenten, im Prüflabor der Bosch Solarthermie GmbH in Wettringen, näher betrachtet. Dabei handelt es sich um einen Teststand zur internen Überprüfung der Qualität von transparenten Kollektorabdeckungen (Glasbruchteststand) und um eine Prüfeinrichtung zur Simulation von Schnee- und Windlasten auf solarthermische Kollektoren und deren Befestigungselemente nach DIN 1055 und DIN EN 1991 (Belastungsteststand).
Beide Prüfstände wurde hinsichtlich digitalisierter Steuerung und Messdatenerfassung unter Verwendung der vorhandenen Mess- und Steuerungssoftware der Delphin Technology Corp., sowie der Verbesserung von Sicherheit und einzelner mechanischer Komponenten anforderungsgerecht überarbeitet.
Verfasst von: Max Bachmann
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Untersuchung instationärer Betriebszustände anhand von Berechnungen mit dem Hydraulikprogramm DRUCKSTOSS im 3-Leiternetz der Vattenfall Wärme AG
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit instationären Vorgängen in Fernwärmesystemen. Die Ursachen von Druckwellen, ihre Ausbreitung in Rohrleitungssystemen und mögliche Gegenmaßnahmen werden aufgearbeitet und zusammengefasst. Weiterführend wird auf die mathematische Beschreibung von Druckwellen in Rohrleitungen eingegangen. Eine Darstellung der Funktionsweise von Computerrechenprogrammen erfolgt anhand der Software DRUCKSTOSS. Besonderheiten und Details der Netzmodellierung werden an konkreten Beispielen erläutert. Mit dem Programm DRUCKSTOSS werden grundlegende instationäre Vorgänge modelliert und berechnet. Sie bilden den Ausgangspunkt für die Untersuchung der Wechselwirkung von Pumpenausfällen im Drei-Leiter-Fernwärmenetz in Berlin.
Auf der Basis von definierten Ausfallsituationen werden die Reaktionen im System erfasst und bewertet. Anschließend werden daraus Maßnahmen zur Beherrschung der berechneten Betriebszustände abgeleitet.
Verfasst von: Kristian Sieber
Betreut von: Dr.-Ing. Stefan Gnüchtel
Beschreibung des Betriebsverhaltens hydraulischer Verbundnetze
In dieser Diplomarbeit wird eine Methodik entwickelt, mit der das stationäre hydraulische Betriebsverhalten von Fernwärmenetzen mit mehreren Einspeisern (Fernwämeverbundsystem) erfasst, dargestellt und beschrieben werden kann. Die daraus resultierende vereinfachte Beschreibung erlaubt die Analyse veränderter Betriebsregime in Fernwämeverbundsystemen. Es erfolgt eine Einleitung in die Grundlagen des Betriebes von Fernwärmesystemen mit Schwerpunkt auf der Hydraulik von Verbundnetzen. Die Erfassung des Betriebsverhaltens der Fernwärmenetze erfolgt an den Modellen realer Netze mit dem Netzberechnungsprogramm sisHYD für 2- und 3 Leiter Systeme. Für die Automatisierung von sisHYD wird ein Makro für Microsoft Excel entwickelt. Die Darstellung des Betriebsverhaltens erfolgt mit Heiznetzkennfeldern. Mit der entwickelten Methodik wird gezeigt, welchen Einschränkungen das Betriebsverhalten hydraulischer Anlagen in Verbundnetzen unterliegt. Daraus wird abgeleitet, zu welchem Zeitpunkt Netzpumpstationen und Erzeugeranlagen aufgrund hydraulischer Restriktionen in Betrieb genommen werden müssen. Die Ergebnisse des Betriebsverhaltens werden dazu verwendet, den Einfluss einer veränderter Vorlauftemperaturfahrweise sowie verringerter Rücklauftemperaturen auf den jährlichen Hilfsenergiebedarf zum Transport des Fernwärmewassers zu bewerten. Des Weiteren wird diskutiert, inwieweit durch Anhebung der Vorlauftemperaturen die Verdrängung ausgefallener Netzpumpstationen möglich ist.
Verfasst von: Jens Unterseher
Betreut von: Dr.-Ing. Stefan Gnüchtel
Zusammenstellung eines messtechnischen Konzeptes zur Untersuchung der Energieeinsparung im Gebäudebereich
Durch das neue Energiekonzept der Bundesregierung wird die Energieeinsparung im Gebäudebereich nochmals forciert. Im Rahmen dieses Großen Beleges wird ein messtechnisches Konzept zusammengestellt, mit dem es möglich ist, energetische Einsparpotentiale im Gebäudebereich zu erkennen.
Hierfür werden die Wärmebilanzen eines Raumes untersucht und die wichtigsten Parameter der Wärmeströme übersichtlich zusammengefasst. Zur Messung dieser Parameter muss das Datenerfassungssystem viele Eigenschaften erfüllen, die erarbeitet und zu den verschiedenen Kriterien Aussagekraft, Anwenderfreundlichkeit, Fehlerverhalten und Robustheit zugeordnet werden.
In einer Literaturrecherche über aktuell auf dem Markt befindlichen Datenerfassungssystemen ist feststellbar, dass es sehr viele Systeme gibt, die jedoch in ihren Eigenschaften und Umfang der zu messenden Parameter sehr unterschiedlich sind. Ein System, welches alle genannten Parameter messen kann und alle definierten Eigenschaften erfüllt, ist aktuell nicht auf dem Markt erhältlich. Mit dem Test zweier Datenerfassungssysteme und deren Messwerte kann jedoch gezeigt werden, dass energetische Einsparpotentiale, der Betrieb der Heizungsanlage und das Nutzerverhalten mit solchen Systemen erfassbar sind.
Verfasst von: Markus Leibelt
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Haupt, PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert, Dr.-Ing. J. Ohl (Techem Energy Services)
Entwicklung einer geräuscharmen CPU-Hochleistungskühleinheit
Der Hauptprozessor im PC (CPU, Central Processing Unit) ist eine thermisch extrem hoch beanspruchte Baugruppe. Die abzuführenden Wärmestromdichten haben sich dabei in den letzten 10 Jahren etwa verdreifacht und liegen heute bei ca. 100 W/cm². Mit zunehmender Integrationsdichte ist auch in Zukunft mit einer steigenden Wärmestromdichte zu rechnen. Neben der grundsätzlichen Problematik der Abfuhr dieser hohen Wärmestromdichten ist auch die Problematik der unerwünschten/lästigen bis hin zur unakzeptablen Geräuschentwicklung verbunden. Ziel eines gemeinsamen Forschungsprojektes des ILK Dresden und des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie ist es, auf Basis eines neuen Patentes eine geräuscharme CPU-Hochleistungskühleinheit zu entwickeln.
Auf Grundlage der bereits gesammelten Forschungsergebnisse wird eine Ventilatoreinheit, bestehend aus Axial- und Radialrad, volumenstromoptimiert und akustisch vorteilhaft ausgelegt. Weiterhin werden verschiedenen Kühlkörpervarianten mit integrierten Heatpipe-Systemen erarbeitet und angefertigt. Mit Hilfe von PIV- und Volumenstrommessungen sowie mittels numerischer Simulationen erfolgt eine Abstimmung der Komponenten untereinander. Die entwickelten Prototypen werden abschließend thermisch und strömungsmechanisch vermessen, bewertet und Vorschläge für eine Optimierung der Konstruktion aufgezeigt.
Verfasst von: Sebastian John
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Haupt
Genauigkeit der Ertragsprognose von PV-Simulationstools
Für die Auslegung und Ertragsprognose von Photovoltaikanlagen werden im Allgemeinen Simulationsprogramme verwendet. Gerade die Genauigkeit der Prognose von Systemerträgen ist in letzter Zeit verstärkt in den Vordergrund gerückt, da das Agieren auf einigen internationalen Photovoltaikmärkten durch die Vergabe von Ertragsgarantien geprägt ist. Bei der Betrachtung zweier real existierender Anlagen mit den drei Programmen PV*SOL, PVsyst und Space konnte festgestellt werden, dass die Ertragsprognose stark von dem zugrunde gelegten Wetterdatensatz und den eingegebenen Modulkennlinien abhängt. Werden diese Eingangsdaten nicht korrekt gesetzt, rückt die für die Simulation wichtige Setzung der übrigen Verlustparameter in den Hintergrund. Die der Simulationsprognose inhärenten Unsicherheiten lassen immer nur eine Annäherung an den realen Ertrag zu. Um mehr Vertrauen in die Ergebnisse der Simulationsprogramme und mehr Kompetenz im Bereich der Simulation zu bekommen, müssen mehr Ressourcen im Bereich des Anlagenmonitorings und der begleitenden Simulation zur Verfügung gestellt werden.
Verfasst von: Hanno Fischer
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Optimierung von Tandem-Solarzellen durch den Einsatz neuer Rückreflektorkonzepte
Die Firma Inventux Technologies AG ist ein Systemanbieter für mikromorphe Solartechnologie. Sie hat es sich zum Ziel gesetzt, durch eine zukunftssichere Serienproduktion weltweit einer der führenden Anbieter von wettbewerbsfähigen Solaranlagen zu werden. Dazu müssen neue Herangehensweisen zur Effizienzsteigerung erarbeitet werden. Die Optimierung der Solarzellen hinsichtlich neuer Rückreflektorkonzepte verspricht dabei Entwicklungspotenzial.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden dabei grundlegende Kenngrößen zur Charakterisierung der Effekte verschiedener Rückreflektormaterialien untersucht. Dabei werden optische Messungen vorgenommen, um verschiedene Rückreflektorkonstellationen hinsichtlich ihrer Reflexions-, Absorptions- und Streueigenschaften näher zu beschreiben. Anhand dieser Ergebnisse wird ein einfaches Modell erstellt und die sich ergebenden elektrischen Effekte für die Tandemsolarzelle simuliert. Die Überprüfung erfolgt mithilfe ausgewählter elektrischer Messreihen anhand von Minimodulen. Des Weiteren werden die stabilen Parameter nach der Degradation ermittelt. Somit kann bewertet werden, welche Zell- und Rückreflektorkombinationen zur Effizienzsteigerung geeignet sind.
Verfasst von: Tina Pausch
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Auslegung und Konstruktionsentwürfe von Mehreffekt-Plattenwärmeübertragern für MED-Anlagen
Das Ziel dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung der Wärmeübertrager für eine Meerwasserentsalzungsanlage kleiner Leistung, die nach dem Verfahren der Mehrfacheffekt-Destillation (MED) funktioniert. Im ersten Teil der Arbeit wird der aktuelle Stand der Technik auf dem Gebiet der MED-Anlagen analysiert. Danach wird ein Berechnungsprogramm zur Auslegung einer kleinen MED-Anlage entwickelt und anhand von vorhandenen Messdaten überprüft.
Im weiteren Teil der Arbeit werden zwei neue Konstruktionsentwürfe vorgestellt und mit dem Programm durchgerechnet. Die Konstruktionsvorschläge haben das Ziel die Wärmeübertrager kleiner, kompakter und damit preiswerter zu gestalten. Im letzten Teil der Arbeit wird für beide Konstruktionsvorschläge eine Baureihe mit vier Effekten und eine Baureihe mit acht Effekten ausgelegt. Die Baureihe soll mit einer maximalen Heizleistung von 100 kW mindestens 10 m³ Trinkwasser am Tag produzieren können.
Verfasst von: Thomas Dick
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Speichertechnologien zum Ausgleich lokaler Leistungsspitzen in Stromnetzen
In den letzten Jahren ist ein zunehmender Anteil der Stromproduktion aus erneuerbaren Energiequellen zu verzeichnen. Bis zum Jahr 2020 soll der Anteil an der Stromerzeugung in Deutschland auf 35 % gesteigert werden. Bereits heute stellen die Schwankungen der Erzeugungsleistung derartiger Anlagen eine Belastung für das Stromnetz dar. Diese können unter anderem mithilfe von Speichern für Elektroenergie verringert werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Großteil der vorhandenen Technologien hinsichtlich der Kriterien Standortabhängigkeit, Skalierbarkeit, Status, Kosten, Sicherheit und verfügbare Leistungs-/Speichergrößen bewertet. Damit wird ein Überblick über den derzeitigen Stand der Technik verschafft. Außerdem werden Bereiche für die, einen Speicher charakterisierenden, Kennwerte wie Wirkungsgrad oder Lebensdauer dargestellt. Daraus kann die Eignung jeder Technologie für eine konkrete Anwendung abgeleitet werden. Weiterhin erfolgt eine Beschreibung des systemtechnischen Aufwandes zur Errichtung eines Speichers auf Basis von Lithium-Ionen-, Natrium-Schwefel- oder Bleisäure-Batterien inklusive der nötigen Peripherie. Den Abschluss bildet die Simulation der drei beschriebenen Speicher für die Anwendung zum Ausgleich der Abweichungen zwischen der prognostizierten und tatsächlichen Leistung einer Windenergieanlage. Die Auswertung ermöglicht einen Vergleich der drei Speicher hinsichtlich der Betriebsergebnisse und dem Nutzen für die beschriebene Anwendung.
Verfasst von: Torsten Klemm
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Auswertung eines Langzeitfeldtests und Betriebsdatenanalyse einer Wärmepumpe
Aufbauend auf einer Recherche zum aktuellen Stand der Technik von Wärmepumpen wird im Rahmen dieser Arbeit eine von der TU Dresden entwickelte Pilot-Wärmepumpe bewertet. Deren Anlagenkonzept soll ermöglichen, dass trotz hoher Trinkwarmwasserbereitungstemperaturen gute Effizienzkennwerte erreicht werden können. Dabei werden zwei Heizkreise unterschiedlichen Temperaturniveaus mit Wärme versorgt. Die Wärmepumpe wurde im Jahr 2003 in einem Einfamilienhaus eingebaut. Durch die langjährige Laufzeit der Anlage stehen zahlreiche Messwerte zu Verfügung. Im Ergebnis werden Aussagen zu dem Betriebs- und Langzeitverhalten sowie zur energetischen Bewertung mit einer detaillierten Problem- und Schwachstellenanalyse getroffen. Weiterhin wird ein Vergleich aus ökonomischer und ökologischer Sicht mit anderen Heizsystemen vorgenommen.
Verfasst von: Stefan Thiele
Betreut von: Dipl.-Ing. Steffen Robbi
2011
Thermodynamische Optimierung einer MED-Pilotanlage kleiner Leistung
Die Arbeit befasst sich mit dem Aufbau und der Optimierung einer thermisch betriebenen Entsalzungsanlage nach dem Prinzip der Mehrfach-Effekt-Destillation (MED). Aufbauend auf der Versuchsanlage des Instituts für Luft- und Kältetechnik Dresden(ILK) wurde in Bingen am Rhein eine Pilotanlage aufgebaut und erstmals im Felde getestet. Komplikationen im Aufbau und der Aufstellung im Felde werden benannt und Optimierungsvorschläge ausgearbeitet. Für die Automatisierung der Anlage sind im Rahmen der Arbeit Funktionsablaufpläne erstellt worden.
Basierend auf den durchgeführten Messreihen wird die Qualität des Prozesses im Vergleich zur Vorgängeranlage im Labor des ILK sowie zu theoretisch berechneten Werten beurteilt. Durch die Vermessung der Anlage wurden die Leistungsparameter, die zur Versorgung des MED-Prozesses benötigt werden, sowie die sich in Abhängigkeit dieser Parameter einstellende Produktionskapazität an Destillat bestimmt. Mit den Leistungsdaten wird eine solarthermische Anlage zur Versorgung des MED-Prozesses mit 10 -15 kW Heizleistung ausgelegt. Mit Hilfe des dazu erstellten TRNSYS Simulationsmodells ist es möglich für verschiedene Anlagenkonfigurationen die Destillatausbeute in Abhängigkeit der Einstrahlung auf das Kollektorfeld zu bestimmen. Zielkriterium der Auslegung ist es grundlegende Komponenten eines solarthermischen Systems wie z.B. die Größe des Kollektorfeldes oder das Speichervolumen hinsichtlich des niedrigsten spez. Destillatpreises zu bestimmen umso den Einsatz einer solarthermischen Versorgung im Vergleich zu anderen Wärmequellen bewerten zu können.
Verfasst von: Florian Ehlert
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Theoretische und experimentelle Untersuchung einer CO2-Hochtemperaturwärmepumpe mit transkritischer Prozessführung
Ziele dieser Arbeit waren die Erarbeitung eines Berechnungsprogramms zur Simulation einer bestehenden CO2-Hochtemperaturwärmepumpe sowie die Beurteilung der Eignung der eingesetzten Plattenwärmeübertrager. Zuerst wurde ein einfaches Berechnungsprogramm zur Berechnung des Kreisprozesses und der Wärmeübertrager Gaskühler, Rekuperator und Verdampfer erstellt. Nach messtechnischer Anpassung und Installation der Wärmepumpe am Prüfstand wurden bei experimentellen Untersuchungen alle Messungen nach erarbeitetem Versuchsprogramm durchgeführt. Die Messergebnisse der Betriebspunkte wurden im einfachen Berechnungsprogramm nachgerechnet. Dazu wurden die Startwerte der Berechnung den Betriebspunkten entnommen und darauf basierend die Berechnung durchgeführt. Der Vergleich der Mess- und Rechenergebnisse zeigte, dass die Berechnung des Kreisprozesses ausreichend genaue Ergebnisse liefert. Jedoch wichen die Ergebnisse der Berechnungen der drei Wärmeübertrager von den Ergebnissen der Kreisprozessberechnung ab. Die Abweichung wurde mit einem Korrekturfaktor für jeden Wärmeübertrager kompensiert. Dieser passte die Wärmeübertragungsberechnung der Wärmeübertrager so an, dass diese die vorgegebenen Zielwerte in tolerierbarer Näherung ergab. Ursache der Abweichung zwischen Messergebnis und Rechenergebnis war die unbekannte Plattengeometrie der Plattenwärmeübertrager. Nach der Nachrechnung aller Betriebspunkte im Berechnungsprogramm wurde eine Korrekturfunktion aus den Korrekturfaktoren abgeleitet und in das bestehende Berechnungsprogramm eingearbeitet. Die Verifizierung des angepassten Berechnungsprogramms mit Messergebnissen und mit der Auslegungssoftware des Wärmeübertragerherstellers führte zur Schlussfolgerung, dass mit dem angepassten Berechnungsprogramm der Wärmepumpe eine ausreichend genaue Wärmepumpensimulation möglich ist.
Die Wärmepumpe HHR65 hat auf dem Prüfstand die wesentlichen Leistungsparameter Heizleistung, Verdampferleistung und Antriebsleistung nachgewiesen. Die Plattenwärmeübertrager liefern die benötigten Wärmeübertragungsleistungen.
Ein Vergleich der wärmeübertragerspezifischen Eigenschaften der Plattenwärmeübertrager mit denen von Koaxial- und Rohrbündelwärmeübertragern gleicher Leistung führte zur Schlussfolgerung, dass sich Plattenwärmeübertrager gut für den Einsatz in Hochtemperaturwärmepumpen eignen und eine ernsthafte Alternative zu Koaxial- und Rohrbündelwärmeübertragern darstellen.
Verfasst von: Christian Möbius
Betreut von: Dipl.-Ing. Steffen Robbi
Modifikation, Erweiterung und Test eines Versuchstandes zur Vermessung von Sole-Wasser-Wärmepumpen mittels Emulation
Die Arbeit befasst sich mit dem Aufbau, der Kalibrierung und dem Betrieb eines Versuchsstandes zur Untersuchung einer Sole Wasser Wärmepumpe. Speziell der Darstellung des Solekreises wurde hier große Aufmerksamkeit gewidmet. Der Versuchsstand ermöglicht es, das zu untersuchende Gerät an eine Gebäudesimulation und/oder ein Erdsonden Modell anzuschließen. Dadurch ist es möglich verschiedene Erdreichskonstellationen sowie Gebäudevarianten mit der Maschine in einer gekoppelten Simulation zu untersuchen. Das Verhalten einer realen Wärmepumpe in einer virtuellen Umgebung kann beobachtet und messtechnisch erfasst werden. Durch dich Entwicklung eines Außentemperatur-Stellers für widerstandsbasierte Temperaturerfassungssysteme können auch Wetterdaten an die Wärmepumpe "gesendet" werden. Eine Orientierung der Versuche an den Testreferenzjahren wird so problemlos möglich.
Verfasst von: Matthias Kopf
Betreut von: Dipl.-Ing. Jens Haupt, PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Untersuchung von Smart Energy Konzepten im Fernwärmemarkt auf Basis von elektronischen Wärmezählern
Die Diplomarbeit schildert den derzeitigen Entwicklungsstand intelligenter Messsysteme im Bereich Fernwärme und liefert technische Ansätze zur Zählerdaten-fernübertragung. Neben der Zählerfernauslesung wird darauf aufbauend eine Zählerfernauslesung über den Fernheizungsregler sowie der Smart Metering Ansatz vorgestellt. Weiterhin untersucht die Arbeit Nutzungsmöglichkeiten im Bereich Netze. Vor allem die Bereiche Netzanalyse und Rücklauftemperatursenkung bieten großes Potential zur Nutzung von Wärmezählerdaten durch Fernübertragung. Die Nutzungsmöglichkeiten stellen neben gesetzlichen Vorschriften und dem vorgesehenen Multispartenansatz bei Strom und Gas einen weiteren wichtigen Treiber für Messsysteme in der Fernwärme dar. Für eine abschließende Entscheidung werden Kriterien formuliert. Eine Nutzwertanalyse am Beispiel der Stadtwerke München kommt zu dem Ergebnis, dass der Smart Metering Ansatz gewählt werden sollte, jedoch keine eindeutige Investitionsempfehlung gegeben werden kann. Dies ist auf die unklaren Rahmenbedingungen, wie nicht abgeschlossene Gesetzgebung und fehlende Standardisierung zurückzuführen. Damit dient die Arbeit als Grundlage einer zukunftssicheren Entscheidung zur Einführung von Messsystemen für Fernwärmeversorger.
Verfasst von: Markus Schmidt
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann, Dipl.-Ing. (FH) Dominik Haas
Optimierung von Heizzentralen mit mehreren, unterschiedlichen Wärmeerzeugern
Im Hinblick auf den Umweltschutz muss weniger CO2 ausgestoßen und dadurch Energie umgewandelt werden. Dies betrifft auch die Wärmeerzeugung in einer Heizzentrale. Aus diesem Grund will das Unternehmen Dalkia eine neue Heizzentrale bauen, die Holz und erneuerbare Gase mithilfe eines Holzkessels und eines BHKW verwendet, um die Mittellast und die Grundlast zu erzeugen. Welchen Einfluss hat die Aufteilung der Wärmeerzeugung zwischen diesen beiden unterschiedlichen Wärmeerzeugern auf die Rentabilität der Heizzentrale? Wo liegt das Optimum bei der Auslegung einer solchen Heizzentrale? Diese Fragen werden in der Arbeit beantwortet.
Es wird ein Algorithmus entwickelt, der es ermöglicht, die günstigste Auslegung hinsichtlich der Rentabilität automatisch zu finden. Die Ergebnisse zeigen, dass das Optimum für das kleinste BHKW gilt und dass die günstigste Auslegung durch die Brennstoffpreise, den Wärmepreis oder die gewünschte Rentabilität beeinflusst wird. Die Gründe dafür sind, dass die Rentabilität des Holzkessels durch den Einsatz des BHKW benachteiligt wird und dass der Erlös aus der Wärmeerzeugung bei dem BHKW im Vergleich zu dem aus der Stromerzeugung überwiegt. Schließlich wirken der Wärmepreis und die Rentabilität auf die Gewichtung der Investitionen und lassen dadurch die günstigste Auslegung schwanken.
Verfasst von: Jean-Florent Voelker
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
CFD basierte Untersuchung des konvektiven Energietransports in einem Wasserwärmespeicher
Der vorliegende Große Beleg dient in seinem ersten Teil der allgemeinen Validierung der CFD-Software OpenFoam für Strömungssimulationen von Wasserwärmespeichern. Darauf aufbauend beschäftigt sich der zweite Abschnitt der Arbeit mit der Entwicklung eines OpenFoam-Simulationsmodells für den Bereich der unteren Befüllvorrichtung eines Tagesspeichers in einem Fernwärmenetz. Die Validierung von OpenFoam basiert auf einer Fluent-Berechnung aus der Dissertation von Huhn, R., 2006. Das numerische Gitter des Original-Fluent-Setups der Dissertation wurde in das OpenFOAM Modell transferiert, um störende Einflüsse aus einer unterschiedlichen Gitterkonfiguration für die Validierung zu vermeiden. Der im Original- Fluent-Setup verwendete axialsymmetrische, zweidimensionale Ansatz in Zylinderkoordinaten konnte nicht in OpenFoam übernommen werden, da OpenFoam ausschließlich in kartesischen Koordinaten rechnet. Die Validierung betrachtet daher sowohl in Fluent als auch in OpenFoam ein auf dem Originalgitter basierendes, ebenes, zweidimensionales Gebiet, mit der Annahme, dass eine so geführte Validierung auch im rotationssymmetrischen Fall Gültigkeit besitzt. Das Strömungsproblem wurde anhand der reynoldsgemittelten inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen unter Verwendung der Boussinesq-Approximation formuliert. In OpenFoam kam der PIMPLE-Algorithmus zu deren Lösung zur Anwendung. Für sämtliche Berechnungen wurden Zeitschritte gewählt, die das Kriterium einer CFL-Zahl von kleiner eins erfüllen. Das gleichzeitige Vorhandensein von Schwerkraftfeld und Dichtegradienten erfordert im angewendeten Realizable-k-epsilon-Turbulenzmodell die Berechnung eines Auftriebsterms. Die erste Validierungsgröße bildet das Temperaturfeld, welches sich unter gleichen Anfangs- und Randbedingungen in der Fluent- und OpenFoam-Rechnung für einen bestimmten Zeitpunkt einstellt. Die Arbeit zeigt, dass sowohl die numerische Diffusion als auch die Turbulenzmodellierung signifikanten Einfluss auf die Temperaturverteilung zeigen. Die numerische Diffusion ist in der reinen Aufwind-Interpolation der Divergenz-Terme merklich ausgeprägt und nimmt bei einer linearen Interpolation oder linearen Aufwind-Interpolation dieser Terme stark ab. Aus den Untersuchungen wird deutlich, dass die numerische Diffusion sich in den Fluent- und OpenFoam-Rechnungen auf das Temperaturfeld in ähnlichem Umfang auswirkt. Das Turbulenzmodell, welches über die Prandtl-Zahl auch die turbulente Temperaturleitfähigkeit vorgibt, bewirkt in Fluent eine deutlich stärkere Diffusion im Temperaturfeld, als in allen hier durchgeführten OpenFoam-Rechnungen. Eine Analyse zeigt, dass sich dieser Unterschied im Wesentlichen auf eine in Fluent höher ausfallende turbulente kinetische Energie im Strömungsfeld zurückführen lässt.
Das im zweiten Teil der Arbeit erstellte OpenFoam-Simulationsmodell des Tagesspeichers baut auf den Erkenntnissen der Validierung bezüglich geeigneter Interpolationsschemata und Turbulenzmodellierung auf. Das numerische Gitter wurde auf die Gültigkeit von Wandfunktionen in der Turbulenzmodellierung untersucht und es wurde eine Verfeinerungsstudie für das Gitter durchgeführt. Hier weist der anhand des feinsten Gitters berechnete Temperaturverlauf über die Speicherhöhe bereits eine gute Übereinstimmung mit am realen Speicher gewonnenen Messdaten auf.
Verfasst von: Jakob Fanghänel
Betreut von: Dipl.-Ing. Andreas Herwig
Technik, Einsatz und Wirtschaftlichkeit von H-Rotoren Windkraftanlagen
Im heutigen Energiemix sind regenerative Energieformen kaum mehr wegzudenken. Gerade der Ausbau der Windenergie ist in manchen Ländern beachtenswert. Die Anzahl der installierten Windkraftanlagen steigt daher jährlich weltweit an. Neben der oft bekannten und weit verbreiteten Bauart der dreiblättrigen Horizontalachsenrotoren gibt es ebenfalls Bauformen mit einer vertikalen Rotorachse, die in aktuellen Studien vermehrt auf Interesse stossen. Diese Arbeit befasst sich mit einer speziellen Bauart der Vertikalachsenrotoren, dem H-Rotor. Dabei wird vor allem auf seine spezifischen Eigenschaften eingegangen, welche dann im Vergleich mit den Horizontalachsenrotoren seine technischen und aerodynamischen Vor- und Nachteilen aufzeigen soll. Dabei wird ebenfalls ersichtlich, dass H-Rotoren in besonderen Einsatzgebieten wie Städte, Gebirge und Regionen mit geringer Infrastruktur speziell geeignet sind. Des weiteren werden die Markteinstiegschancen bewertet und ein Ausblick für zukünftige Entwicklungen und Trends gegeben.
Verfasst von: Yannik Pöge
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander
Wetterstationen für komplexe Energiesysteme
Wetterstationen für komplexe Energiesysteme liefern die zum effizienten Anlagenbetrieb unerlässlichen Wetterdaten. Die Energiemeteorologie dient der Planung, der Anlagenüberwachung und der Ertragsprognose von Energieanlagen. Es sind nicht nur die allgemein in der Meteorologie betrachteten Wetterdaten von Bedeutung - entsprechend der Energieanlagenspezifik sind weitere Wetterdaten zum Anlagenmonitoring erforderlich.
In dieser Diplomarbeit ist die generelle Konzeption von Wetterstationen im Umfeld von komplexen Energiesystemen erarbeitet worden. Auf Grundlage der standardisierten Erfassung von Wetterdaten der allgemeinen Meteorologie wurden für verschiedene Energiesysteme die relevanten Wetterdaten hinsichtlich der Energieanlagenspezifik zusammengestellt. Eine Recherche zum Stand der Technik der auf dem Markt angebotenen meteorologischen Messtechnik bildet die Basis der für das Zentrum für Energietechnik zu konzipierenden Wetterstation. Ein Optimum zwischen Investitionskosten, Handhabbarkeit und Genauigkeit ist durch die Verwendung bereits vorhandener Messtechnik und die Kooperation mit anderen Instituten der Technischen Universität Dresden gefunden worden. Für das Anlagenmonitoring des Zentrums für Energietechnik wurde eine umfassende Einstrahlungsmessung erarbeitet. Die unterschiedlichen Einstrahlungssensoren messen in drei verschiedenen Ebenen – in der Horizontalen sowie in den Ebenen der Photovoltaik-Module auf dem Dach und der Fassade. Eine Vergleichbarkeit der Messwerte der verschiedenen Einstrahlungssensoren wird durch ermittelte Umrechnungsfaktoren möglich. Die Datengrundlage bilden die Messwerte einer einmonatigen Vergleichsmessung, in deren Rahmen das Verhalten der Einstrahlungssensoren bei verändertem Neigungswinkel untersucht und der optimale Standort der Wetterstation gefunden wurde.
Abschließend ist das allgemeine Vorgehen der technischen Konzeption von Wetterstationen im Umfeld von Energieanlagen abgeleitet worden.
Verfasst von: Susan Wollner
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Der Einsatz von Wärmepumpen in hydrogeothermisch versorgten Fernwärmesystemen
Dieses Projekt untersucht den Einsatz von Wärmepumpen in hydrogeothermisch versorgten Fernwärmesystemen.
Nach einer Einführung, in der die möglichen Anwendungsgebiete für geothermische Energie und Wärmepumpen beschrieben werden, wird im ersten Abschnitt die aktuelle Marktsituation für Wärmepumpen, die für hohe Temperaturen und hohe Wärmeleistungen entwickelt wurden, näher betrachtet. Einige wichtige und interessante Beispiele werden erläutert. Anschließend wird der Aufbau eines Excel-Tools, das entwickelt wurde, um die Simulation der Wärmeversorgung eines Fernwärmenetzes zu ermöglichen, näher erklärt und begründet. Weiterhin werden mehrere Wärmeerzeugungsmöglichkeiten mit Hilfe dieses Programms miteinander durch wirtschaftliche, energetische und ökologische Bewertungen verglichen.
Zum Schluss werden grundlegende Empfehlungen für den Einsatz von Wärmepumpen abgeleitet und verschiedene Entwicklungsperspektiven aufgezeigt.
Verfasst von: Thomas Gaudet
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Entwicklung eines Energiemanagementsystems für die effiziente Klimatisierung der Fahrgastzelle eines Hybrid-Fahrzeugs
In der Automobilindustrie gibt es, wie in allen anderen Bereichen der Wirtschaft, ernste Bestrebungen, den CO2-Ausstoß zu senken und so den von der Gesetzgebung erstellten Richtlinien zum Umweltschutz gerecht zu werden (Energiekonzept der Bundesregierung). Ein Mittel, diese Bestrebungen umzusetzen, ist die zunehmende Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen. Mit Wegfall des Verbrennungsmotors entfällt auch die Wärmequelle für die Beheizung der Fahrzeugkabine im Winter. Zur Kompensation dient bislang ein elektrischer Zuheizer, welcher zu einem massiven Reichweitenverlust führt.
Im Rahmen dieser Arbeit werden die Möglichkeiten der Umsetzung einer Wärmepumpe zur Fahrzeugklimatisierung auf Basis einer Oberklasselimousine diskutiert und Potentialabschätzungen angestellt. Durch die Nutzung von Aggregateabwärme und/oder Umluft lässt sich so der Energieverbrauch für die Kabinenklimatisierung stark senken.
Es wird anhand numerischer Untersuchungen gezeigt, dass sich der Energiebedarf zur Kabinenklimatisierung durch den sinnvollen Einsatz des Wärmepumpensystems um bis zu 70 % reduzieren lässt. Dabei können einerseits günstige Randbedingungen für den Betrieb der Elektrotraktionskomponenten eingestellt werden. Des Weiteren besteht durch Vorkonditionierung die Möglichkeit, die Kabine für den Fahrtantritt vorzubereiten und so den Einstiegskomfort für den Insassen deutlich zu erhöhen.
Neben der Erstellung des Simulationsmodells in Matlab/Simulink befasst sich die Arbeit außerdem mit dem Entwurf der Steuerung zur Umsetzung des Energiemanagementsystems an einem Versuchsfahrzeug.
Verfasst von: Tom Werner
Betreut von: PD Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Entwicklung einer Technologie für die Außenreinigung von Ölkühlern für Windkraftanlagen mit Getriebe
Windkraftanlagen mit Getriebe benötigen zur Einhaltung von optimalen Getriebeöltemperaturen die entsprechenden Kühleinrichtungen. In der Regel werden hierfür luftdurchströmte Wärmetauscher (Ölkühler) eingesetzt. Um einen ausreichenden Luftstrom für die Kühlung zu erreichen, wird der Luftstrom durch einen hinter dem Kühler sitzenden Ventilator angesaugt. Im Laufe des Betriebes der Anlagen nimmt der Verschmutzungsgrad der Kühllamellen immer stärker zu. Neben einer Verringerung der nutzbaren Kühlerfläche, mit Leistungseinbußen bei der Kühlung, kann es im Extremfall auch zu Abschaltungen der Windkraftanlage infolge erhöhter Öltemperaturen kommen. Wenn dieser Zustand auftritt, ist dies mit Produktionsausfall verbunden, was wirtschaftliche Verluste für den Eigentümer der WEA bedeutet. Auch im Normal-Betrieb bedeutet eine schlechtere Kühlleistung eine verringerte Wirtschaftlichkeit der Anlage, da der Eigenstromverbrauch der Ventilatoren und Ölpumpen durch verlängerte Laufzeiten ansteigt. Während der halbjährlichen Wartungszyklen erfolgt zwar eine Reinigung der Kühleroberfläche durch Abbürsten, Saugen und Ausblasen mittels Druckluft, dies entfernt auch größere Verschmutzungen, dennoch entstehen Verkrustungen zwischen den Lamellen (vor allem im tieferliegenden Bereich) an denen sich immer wieder neuer Schmutz sammelt und mit Zunahme der Verkrustungen verkürzt sich auch der Zeitraum der Neuverschmutzung. Um die gesamte Oberfläche des Kühlers wieder nutzbar zu machen, ist es erforderlich den Kühler auszubauen und in entsprechenden Reinigungsbädern außerhalb der Anlage zu reinigen. Neben dem hohen logistischen Aufwand (Ausbau, Transport) verursacht dies erhöhte Stillstandszeiten und damit einhergehend hohe Kosten.
Verfasst von: Arthur Chevalier
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander
Ermittlung und Evaluierung energieeffizienter Betriebsvarianten der Klimaanlagen in einem Rechenzentrum
Der Anteil des Stromverbrauches zur Klimatisierung am gesamten Elektroenergie-bedarf eines Rechenzentrums beträgt zirka 45 Prozent. Daher gilt es mit Hinblick auf die Energiekosten und den Umweltschutz, Lösungen für eine energieeffiziente Klimatisierung zu finden.
Am Beispiel eines in Betrieb befindlichen Rechenzentrums wurden die für die Klimatisierung massgebenden Einflussfaktoren Temperatur, Feuchte, Staub ermittelt und beschrieben und in das Klimasystem eingeordnet. Auf Basis der Nachrechnung der Klimaanlagen und des Ist-Zustandes des Rechenzentrums, erfolgte die Evaluierung energieeffizienter Betriebszustände für verschiedene ausgewählte Klimazustände einschliesslich einer kurzen Kostenbetrachtung.
Die Diplomarbeit ist als vertraulich eingestuft, bitte wenden Sie sich bei Rückfragen direkt an den Autor!
Verfasst von: Detlef Zenger
Betreut von: Dr.-Ing. Markus Rösler
Bestimmung der Netzspeicherleistung in Fernwärmenetzen mittels linearer Regression
Wenn die Temperatur im Vorlauf- oder Rücklauf eines Fernwärmenetzes geändert wird, so ändert sich auch die Enthalpie des Wassers in den Rohrleitungen sowie der Rohre selbst, was einer positiven oder negativen Netzspeicherleistung entspricht. Durch bewusste Erhöhung der Vorlauftemperatur am Erzeuger kann Energie im Netz gespeichert werden. Die Netzspeicherleistung hängt vorwiegend von der Vorlauftemperatur am Erzeuger und der Verbraucherlast ab. In dieser Diplomarbeit werden die Vorlauftemperatur und die Verbraucherlast als Haupteinflüsse auf die Netzspeicherleistung aufgezeigt. Eine Regressionsfunktion der jeweiligen Netzspeicherleistung wird in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur und der Verbraucherlast erstellt. Die gefundenen Regressionsergebnisse weichen von den Simulationsergebnissen ab, aber die Regressionsfunktion ermöglicht eine sofortige Schätzung der Netzspeicherleistung mit einer akzeptablen Genauigkeit. Zusätzlich könnte die Regressionsfunktion in einer Optimierungssoftware zur Einsatzplanung eingesetzt werden.
Verfasst von: Alexandre Aicardi
Betreut von: Dipl.-Math. Sebastian Groß
Wirtschaftliche Umsetzung von Photovoltaik-Projekten unter den Rahmenbedingungen des 2010 novellierten EEG
Mit der EEG-Novelle 2010 änderten sich die Rahmenbedingungen für die Investition in Photovoltaik-Projekte grundlegend. Die EEG-Einspeisevergütung wurde außerplanmäßig deutlich abgesenkt. Im Gegensatz dazu wurde die Förderung des Eigenverbrauchs von PV-Strom verbessert. Die ENSO Energie Sachsen Ost AG als Energiedienstleister für die Region Ostsachsen plant, ihr Engagement im Bereich Photovoltaik auszubauen. In diesem Zusammenhang wurden in der vorliegenden Diplomarbeit Lösungsansätze für eine wirtschaftliche Umsetzung zukünftiger Photovoltaik-Projekte für ENSO erarbeitet. Die Umsetzung derartiger Projekte wird stark von der technologischen Entwicklung beeinflusst. Aus diesem Grund wurden im ersten Schritt der aktuelle Stand der Solarmodultechnologie betrachtet und darauf aufbauend Empfehlungen für die Anwendung in Photovoltaikanlagen gegeben.
Um die Wirtschaftlichkeit potentieller Photovoltaik-Projekte beurteilen zu können, wurde zudem ein allgemeines Modell entwickelt. Es wurde zunächst auf das Konzept der vollständigen Netzeinspeisung photovoltaisch erzeugten Stromes angewendet. Da die Ergebnisse bestätigten, dass sich auf diesem Ansatz beruhende Projekte unter aktuellen Rahmenbedingungen und perspektivisch nur schwer wirtschaftlich darstellen lassen, wurde die Betrachtung auf die Möglichkeit der Eigenverbrauchsnutzung erweitert. Hierfür ergab die Analyse verschiedener Nutzungsansätze, dass für PV-Projekte auch unter nicht optimalen Rahmenbedingungen Wirtschaftlichkeit erzielt werden kann. Geeignete „Dritte“, d. h. Abnehmer von PV-Strom zum Eigenverbrauch, finden sich beispielsweise in der öffentlichen Verwaltung oder im Handel (Supermärkte).
Verfasst von: Falk Hohlfeld
Betreut von: Dr.-Ing. Karin Rühling
Abwärmenutzung mittels Niedertemperatur-Freikolben-Stirling
Die Nutzung von Wärme und Abwärme mit einer geringen Temperaturdifferenz ist mit einer Vielzahl von technischen und wirtschaftlichen Hemmnissen verbunden. Ob als ungenutzte Abwärme von Industrieanlagen oder als warmes Oberflächenwasser tropischer Meeresflächen: Thermische Potentiale mit geringen Temperaturunterschieden scheinen nahezu unbegrenzt verfügbar zu sein.
Motiviert von der ressourcenschonenden Nutzung vorhandener Energiequellen wurden die Möglichkeiten und Grenzen das Stirling-Prinzips auf dem Gebiet der Abwärmenutzung untersucht. Es wurden verschiedene Bauweisen und Motorkonfigurationen im Kontext des geringen Temperaturpotentials betrachtet. Dabei war insbesondere der Freikolben-Stirling-Motor Gegenstand der Arbeit. Um genauere Kenntnisse über die Betriebseigenschaften dieses Motortyps zu erlangen, wurde mit Hilfe einer Simulation in MATLAB/Simulink die Thermodynamik und das Schwingungsverhalten einer solchen Maschine untersucht. Das hierfür entwickelte modulare Simulationsmodell erlaubt den Einblick in die dynamischen Prozesse des Systems.
Ziel war es, die Einsatzmöglichkeiten des Niedertemperatur-Freikolben-Stirling-Motors zu analysieren und unter Berücksichtigung bestehender Formen der Abwärmenutzung zu bewerten. Die Untersuchungen ergaben, dass das NT-Stirling-Prinzip aufgrund der geringen Leistung der einzelnen Maschine für den großtechnischen Einsatz nicht geeignet ist. Durchaus denkbar ist jedoch die Nutzung des Abgas-Wärmestromes im Kraftfahrzeug, wo der Freikolbenmotor dank seines einfachen Aufbaus einige Vorteile gegenüber dem OCR aufweist.
Verfasst von: Paul Lindner
Betreut von: Dipl.-Ing. (FH) Torben Möller
Systemkonzeption und Prozessauslegung für eine SOFC-Anlage mit reduzierter Betriebstemperatur
Im Forschungsbereich der kleinen stationären KWK-Anlagen auf der Basis von Festoxid-Brennstoffzellen sollen durch eine Verminderung der Betriebstemperatur und die Verwendung kostengünstigerer Materialien niedrigere Stack- und Systemkosten erzielt werden. In dieser Diplomarbeit konnten mit Hilfe der am Fraunhofer IKTS
vorhandenen Methoden und Berechnungsalgorithmen Systemkonzepte für ein KWK-SOFC-System mit reduzierter Stacktemperatur von 650°C erstellt werden.
Dazu erfolgte eine Analyse der möglichen Reformierungskonzepte und die Erarbeitung der Betriebspunkte für die Brenngasaufbereitung. Auf der Datengrundlage eines Stack-Herstellers konnte die Stackbeschreibung durch eine entsprechende Modellierung realisiert werden. Danach erfolgte die Erstellung der verfahrenstechnischen
Systemkonzepte. Die Prozesse wurde mit geeigneten Annahmen berechnet und der energetische Vergleich konnte vorgenommen werden.
Folgenden Systemkonzepte wurden ausgearbeitet:
- System mit interner Reformierung mit Anoden- und Kathodenabgas-Rezirkulation
- System mit externer Dampfreformierung
- System mit externer autothermer Reformierung, mit und ohne Reformerluft-Vorwärmung.
Unter Berücksichtigung der technologischen Machbarkeit ist das Systemkonzept mit der vorgeschalteten Dampfreformierung zu bevorzugen, obwohl die enge thermische Integration der internen Reformierung mit den Rezirkulationen im energetischen Vergleich besser abschneidet. Mit dieser Voruntersuchung konnte die Grundlage
für die anschließende Systemauslegung einer Versuchsanlage geschaffen werden.
Verfasst von: Laura Nousch
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander
Realisierung und Bewertung intelligenter Betriebsführungskonzepte kleiner dezentraler Erzeuger
Micro-CHP (Combined Heat and Power) can supply commercially attractive and environmen-tally friendly heat for landmarked multi family houses due to support schemes. This work fo-cuses on the predictive optimization of a micro-CHP operation with the objective to increase the profitability and to integrate fluctuating renewable energies. Instead of a generally applied heat-controlled management, an electricity- and heat-controlled management is implemented. By using heat storage for decoupled supply of electricity and heat, electricity can be produced at times of high local demand and EEX spot market prices. A field test with a 5.5 kWel micro-CHP and an 1800 l heat storage is realized and a monitoring system is installed to record data for the optimization. The process of the optimization is described and the efforts are compared with a heat-controlled management.
Verfasst von: Jörn Guder
Betreut von: Dr.-Ing. Thomas Sander
Exergetische Bewertung einer Anlage zur Lieferung von Elektroenergie, Wärme und Kälte unter Berücksichtigung einer variablen zeitlichen Auflösung
Das Ziel dieser Studie ist es, eine kombinierte Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs (KWKK) Anlage auf ihre Exergieströme hin zu analysieren, um Optimierungsmaßnahmen zu erkennen sowie die Verwendung von verschiedener zeitlicher Auflösungen (jährlich, monatlich, täglich, usw.) zu analysieren. Dieses Projekt zeigt, dass die wichtigsten Quellen für den Exergieverbrauch (z.B. durch Wärmeabgabe an die Umwelt und die Exergiezerstörung durch irreversible Prozesse wie Reibung oder Wärmeübergang) die Kessel und die KWK-Anlagen sind. Zusammen stellen sie mehr als 90% des Umfangs des Exergieverbrauchs dar. Der Rest wird durch die Kühler, die Wärmeabgabe an die Umgebung, usw. verursacht. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden mehrere Optimierungsmaßnahmen definiert. Die verschiedenen durchgeführten Exergieanalysen zeigen, dass die Verwendung verschiedener zeitlicher Auflösung von Vorteil für die Ergebnisse ist, solange sie ausreichend repräsentativ für die normale Funktion des betrachteten Systems sind. Exergieanalysen sollten über einen Zeitraum von einem Jahr oder mindestens über einen repräsentativen Zeitraum durchgeführt werden, um Optimierungsmaßnahmen zu erkennen und zu priorisieren. Auch sollte eine detaillierte kontinuierliche Analyse durchgeführt werden, sodass die Variationen in der Effizienz des Systems beobachtet und zusätzliche Schlussfolgerungen gezogen werden können.
Verfasst von: Alexandre Bertrand
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Achim Dittmann
Energetische und energiewirtschaftliche Analyse zur Versorgung einer Großstadt mit einhundert Prozent erneuerbaren Energien
Vor dem Hintergrund des Klimawandels und der Endlichkeit fossiler Energieträger setzen sich immer mehr Kommunen durch Selbstverpflichtungen Ziele zur nachhaltigen Senkung ihrer Treibhausgasemissionen. Eine signifikante Umsetzungsmaßnahme dahingehend ist die Umstellung des Energiesystems auf Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien. Insbesondere kleinere Kommunen mit geringen Bevölkerungsdichten haben die Absicht mittel- bis langfristig ihren Energiebedarf zu 100 % aus erneuerbaren Energiequellen zu decken. Im Rahmen dieser Arbeit sollte die Übertragbarkeit dieser Zielstellung auf eine Großstadt überprüft werden. Dabei wurden Analysen exemplarisch für die Stadt Leipzig durchgeführt. Eine Bilanzierung von Energiebedarf und Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien erfolgte hinsichtlich unterschiedlicher Versorgungsszenarien. Wirtschaftlichkeitsaspekte wurden mittels spezifischer Strom- bzw. Wärmegestehungskosten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass hinsichtlich der einbezogenen Technologien im Stadtgebiet Leipzig unabhängig vom Zeithorizont nicht ausreichend Potenziale zur Nutzung erneuerbarer Energieträger vorhanden sind. Jedoch hat sich herausgestellt, welch großer Einfluss einer Energiebedarfsreduktion beizumessen ist. Allein durch Energieeinspar- und Effizienzmaßnahmen ließ sich der Deckungsanteil bezüglich erneuerbarer Energien am Energiebedarf bei gleichbleibenden Potenzialen in Leipzig verdoppeln. Zahlreiche Energieszenarien beziehen sich aktuell ausschließlich auf die erneuerbare Strombereitstellung, doch besonders bei regionalen Ansätzen und mit Hinblick auf Energieeinsparpotenziale sollte der Wärmesektor zukünftig nicht vernachlässigt werden. Zu beachten ist jedoch stets, dass Abschätzungen über mehrere Jahrzehnte in die Zukunft, wie im Rahmen dieser Arbeit vorgenommen, hohen Sensitivitäten unterliegen.
Verfasst von: Andrea Siegel
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Wirtschaftliche Optimierung der Betriebsweise einer dezentralen Energieversorgungsanlage zum Aufbau eines Virtuellen Kraftwerkes
In Zusammenarbeit mit der DEWAG Stadtwerke Dresden GmbH wird untersucht, in wie weit sich die Wirtschaftlichkeit eines flexiblen KWK-Systems aus BHKW, Speicher und
Elektroheizung durch einen auf variable Handelspreise ausgerichteten Betrieb verbessern lässt. Dazu wird das energiewirtschaftliche Modell einer konkreten Referenzanlage aufgestellt, bei der als steuerbare Regelgrößen die Reihenfolgeschaltung der Erzeuger sowie eine hydraulische Umschaltung des verfügbaren Speichervolumens identifiziert werden. Das entstehende Optimierungsproblem wird unter Verwendung und Anpassung eines Genetischen Algorithmus gelöst. Bei hoher Volatilität der Strompreise können die
ermittelten Betriebsweisen das Betriebsergebnis der Anlage wesentlich erhöhen und damit zum Aufbau eines Virtuellen Kraftwerkes beitragen.
Verfasst von: Frank Stanel
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
Untersuchungen zum Einsatz von BHKW auf der Grundlage von Biomethan
Als führendes Energiedienstleistungsunternehmen in Europa versucht Dalkia Energie Service GmbH ihren Anteil an erneuerbaren Energien zu erhöhen. Dafür soll das Potential des Einsatzes von BHKW (Blockheizkraftwerk) auf Basis von Biomethan untersucht werden. Die Analyse des Ist-Zustands der von Dalkia bereits betriebenen Heizwerke hat zur Auswahl von zwei Standorten geführt. In diesen zwei Heizwerken sind die Möglichkeiten des Einsatzes von Gasmotoren-BHKW, Aufstellungs- und Einbringungsmöglichkeiten, sowie die Anbindung an das Erdgas bzw. Heizwassernetz, geprüft worden. Es gibt aber keine bestehenden Regeln, die eine geeignete Dimensionierung des BHKW festlegen. Zudem muss eine Wirtschaftlichkeitskalkulation eine Rentabilität des Projekts für den 20-Jahre Lebenszyklus prüfen.
Auf Basis dieser Kalkulation sind die extremen Fälle hinsichtlich der Betriebsbedingungen, die einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage gewährleisten, berechnet worden. Diese Diplomarbeit stellt eine Methode zur Dimensionierung einer Gasmotor BHKW-Anlage sowie ihrer Installation und der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit dar und wendet diese auf zwei untersuchte Heizwerke der Dalkia Energie Service GmbH an.
Verfasst von: Pierre-Jean Amouroux
Betreut von: Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann
2010
Ganzheitliche Energieeffizienz in einem Unternehmen der chemisch/pharmazeutischen Industrie
Die Senkung des Energieverbrauchs wird betriebswirtschaftlicher Notwendigkeiten und aus Imagegründen unabdingbar Deshalb hat der Bayerkonzern hat ein Programm ins Leben gerufen, bei dem ein Großteil ihrer technischen Anlagen hinsichtlich ihres Energieverbrauchs und ihrer Emissionen untersucht werden. Im Rahmen dieses Programms stellen Mitarbeiter des Bayerkonzerns den Energieverbrauch einzelner technischer Anlagen fest. Anschließend erarbeiten sie Vorschläge zur Senkung des Energieverbrauchs und legen diese in verschiedenen Dateien ab. Daraus resultieren zum Zeitpunkt der Diplomarbeit ca. 1300 Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs. Für diese Maßnahmen wurde eine Kategorisierung ausgearbeitet, die ein schnelles Auffinden möglich macht. Daraufhin wurden die Maßnahmen statistisch ausgewertet und anschließend bewertet. Ziel war es, ein Katalog für Bayer zu erstellen, welche Maßnahmen am wirtschaftlichsten sind und welche Maßnahmen ein hohes Energieeinspar- und Emissionsvermeidungspotential haben und somit zuerst umgesetzt werden sollen. Gleichzeitig konnten damit Maßnahmen ausgeschlossen werden, die grundsätzlich unwirtschaftlich sind bzw. welche aus technischen Gründen noch nicht umsetzbar sind.
Langzeitvermessung von Photovoltaikanlagen
Long term measurement of photovoltaic plants consists in the evaluation of the performance and degradation process of the plant „K5-10“, placed in the Center of Technology in the TU-Dresden. The behaviour of the three different types of PV modules (two monocrystalline and one thin film) is obtained by analysing their IU curve characteristics and efficiency parameters. The modules were measured by the curve tracer “Halm system” under IEC and its own Standard correction procedure, both under STC conditions. The treatment of the data required programming several Matlab functions in order to draw the curves, to obtain their working points and the main parameters to evaluate their efficiency. The degradation is ascertained through the comparison of two different measurement with each other (the first one in July 2010 and the second one August 2010) and then the comparison with the curves of the manufacturer.
Lastganganalyse und Gestaltung flexibler Stromtarifmodelle für private Haushalte vor dem Hintergrund des liberalisierten Energiemarktes und dem Einsatz von Smart Metering
Der Wandel von einer zentralen Erzeugerstruktur mit einer gut prognostizierbaren Stromerzeugung aus Großkraftwerken hin zu einer dezentralen Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien stellt eine enorme Herausforderung bei der Gestaltung attraktiver Stromtarifmodelle dar. Ein vielversprechender Lösungsansatz ist durch eine intelligente Vernetzung mit bidirektionalen Kommunikationsstrukturen zwischen Erzeugern und Verbrauchern gegeben. Der vom Gesetzgeber geforderte Einsatz von Smart Metering und die Einführung von flexiblen Stromtarifen ermöglichen eine bessere Verknüpfung zwischen Energieangebot und Energienachfrage.
Im Rahmen der Diplomarbeit werden neuartige Stromtarifmodelle für Haushaltskunden erarbeitet und bezüglich den Anforderungen des liberalisierten Energiemarktes analy-siert. Durch eine attraktive Preisgestaltung sollen Spitzenlasten vermieden und Last- verlagerungen generiert werden. Als Datengrundlage dienen die zeitlich hochaufgelösten elektrischen Lastprofile von privaten Haushalten aus dem FuE-Verbundprojekt „Dezentrales Energie- und Netzmanagement mit flexiblen Stromtarifen“ (DEMAX). Dieses Projekt wurde mit sechs Kooperationspartner unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE im Jahr 2007 ins Leben gerufen. Durch Analysen und statistische Auswertungen der zeitlich hochaufgelösten Verbrauchsdaten wurde ein modifiziertes Standardlastprofil abgeleitet, dass den tatsächlichen Verbrauch der Haushaltskunden besser abbildet. Darauf basierend wurden mittels eines konzipierten Prozesses flexible Stromtarifmodelle für Haushaltskunden gestaltet und konkrete Tarife entwickelt. Außerdem wurden durch Sensitivitätsanalysen bei verschiedenen Modellparametern Aussagen über die Einsatzmöglichkeiten der jeweiligen Tarifmodelle abgeleitet.
Alle untersuchten ?exiblen Tarifmodelle ergaben Kostenvorteile im Vergleich zu einem Referenzszenario mit Einheitsstrompreis. So konnte für einen durchschnittlichen Vierpersonen-haushalt mit einem Jahresstromverbrauch von 3910 kWh durch Anwen- dung eines Time-of-Use Tarifes mit einer unterstellten Lastverlagerung von 10 % eine Reduzierung der jährlichen Stromkosten um etwa 60 Euro erzielt werden. Die Hälfte der Ersparnisse ergibt sich durch Reduzierungen der Konzessionsabgaben und der Strombeschaffungskosten infolge eines optimierten Lastprofiles. Der Rest der Ersparnis kann auf Energieeinsparungen aufgrund eines veränderten Nutzerverhaltens durch eine Visualisierung des Stromverbrauchs zurückgeführt werden.
Aufbau einer Apparatur zur Bestimmung technischer Löslichkeitskoeffizienten für Wasser-Glykol-Gemische
Zur genauen Beschreibung des Siede- und Kondensationsverhaltens von Solarflüssigkeiten ist die Kenntnis der Löslichkeitskoeffizienten für die relevanten Gase Stickstoff und Sauerstoff erforderlich.
Bei der Einschätzung von Solarflüssigkeiten stellt sich nun das Problem, dass es sich um Mehrkomponentsysteme aus den Hauptkomponenten Wasser und Glykol im Gemisch mit Zusätzen von Inhibierungs- und Alkalisierungsmitteln handelt. Die verwendeten Solarflüssigkeiten unterscheiden sich sowohl in ihrer Mischung als auch in ihrer Zusammensetzung. Eine grundlegende Betrachtung der Gaslöslichkeit dieser Mehrstoffgemische wurde bislang aber noch nicht durchgeführt.
In der vorliegenden Arbeit wurde anhand einer ausführlichen Literaturrecherche eine Apparatur entwickelt, mit der in einer Flüssigkeit der gelöste Stickstoff bzw. Sauerstoff bestimmt werden kann. Entsprehend des Parameterbandes von Solarthermiekreisläufen wurde das Anlagenkonzept auf Drücke von 0 bis 10 bar und Temperaturen von -10 bis +150 °C ausgelegt. Die dafür geeignete Messtechnik musste kalibriert und installiert werden.
Nach Erarbeitung eines geeigneten Versuchsablaufplanes wurde die Löslichkeit von Stickstoff in Wasser untersucht. Für die Auswertung der Messgrößen wurde mit dem Programm MATLAB eine entsprechende Berechnungsroutine zur Bestimmung des gemessenenen technischen Löslichkeitskoeffizienten geschrieben. Da bereits Werte für das Stoffpaar Wasser-Stickstoff in der Literatur vorhanden sind, konnte dadurch ein Test der Anlage vorgenommen werden.
Erste Versuche konnten die prinzipielle Funktionsweise der Anlage unter Beweis stellen.
Ableitung einer neuen Berechnungsvorschrift zur Bestimmung der Durchflussmenge einer 2-Phasen-Strömung in geothermischen Anlagen mit Hilfe von Messblenden
Die Möglichkeit, die Durchflussmenge einer 2-Phasen-Strömung zu messen, ist sowohl für die Geothermie als auch für andere Ingenieursbereiche sehr wichtig. In geothermischen Anwendungen steigt die Nachfrage nach einer Technik, mit der man dauerhaft den thermischen Output einzelner Brunnen messen kann. Der Grund dafür sind die logistischen Veränderungen, hin zu zentralen Separationssystemen und das Verlangen, die Verwaltung, Kontrolle und das Monitoring der laufenden Prozesse zu verbessern. Die Arbeit gibt einen Überblick über die vorhandenen Messtechniken und focusiert sich im Weiteren auf die Messblende, aufgrund ihrer Einfachheit und Wirtschaftlichkeit. Das Problem in der Anwendung von Messblenden für 2-Phasen-Strom-Messungen ist, dass die Gleichung für Einphasen-Strom-Messungen nicht direkt übernommen werden kann. Aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den zwei Phasen treffen die einfachen Gesetze der Strömungslehre nicht zu. Deshalb werden empirische Berechnungsvorschriften benötigt, um die Durchflussmenge zu bestimmen. Datensets von 55 Brunnen verschiedener Geothermiefelder in Indonesien, den Philippinen und Neuseeland werden verwendet, um die bestehenen Berechnungsvorschriften für 2-Phasen-Ströme von Murdock, James, Lin und Zhang zu bewerten. Des Weiteren wird eine neue Berechnungsvorschrift hergeleitet. Dafür werden drei verschiedene Ansätze vorgestellt und untersucht. Der erfolgversprechendste Ansatz wird zu einer neuen Berechnungsvorschrift erweitert, die über einen größeren Bereich von variierenden Dampfanteilen genauer ist, als die bestehenden
Prozessauslegung eines tragbaren SOFC-Systems
Tragbare SOFC-Brennstoffzellensysteme (engl. – SolidOxideFuelCell-Systems) wandeln kommerziell verfügbare Brenngase (Campinggas, Feuerzeuggas, LPG) in nutzbare elektrische Energie um. Diese Technologie kann einen Beitrag zur kostengünstigen, portablen Energieversorgung leisten. Zur Entwicklung eines tragbaren SOFC-Systems im kleinen Leistungsbereich spielen die Betrachtungen des systeminternen Wärmehaushaltes und die Verluste der thermischen Isolation des Gesamtsystems eine wichtige Rolle.
Schwerpunkt der Diplomarbeit ist die Erarbeitung und Auslegung eines Prozesses, welcher den definierten Prozessanforderungen für tragbare SOFC-Systeme gerecht wird. Ferner wurde nach der Prozessdefinition auf Basis einer gewählten Komponentenanordnung ein thermisches Verlustmodell des Systems erstellt. Durch Abschätzung von Komponentendimensionen konnte eine erste Verlustbetrachtung des Systemkonzeptes erfolgen. Die mit diesen Erkenntnissen durchgeführte energetische Prozessauslegung kann als Basis für die weitere Komponenten- und Systementwicklung herangezogen werden.
Entwicklung eines Hybridmoduls auf Basis von Dünnschichtsolarmodulen
Um die solar einfallende Strahlungsenergie möglichst effektiv zu nutzen, bietet es sich an, die direkte Gewinnung von elektrischer Energie (Photovoltaik) mit der Gewinnung von solarthermischer Energie in einem Modul (PVT) zu koppeln. Es wurde ein Simulationsmodell entworfen und auf verschiedene Konstruktionsvarianten und Wärmeträgermedien angewendet. Damit lassen sich Aussagen zur thermischen und elektrischen Leistung bei verschiedenen Last- und Umgebungsbedingungen (z. B. Wind, Umgebungstemperatur, Einstrahlung, Medientemperatur) generieren und mit vorhandenen PV-Modulen bzw. thermischen Kollektoren vergleichen. Insbesondere wurde hier die thermische Kollektorkennlinie fokussiert. Nach einer eingehenden Analyse des Strahlungsspektrums des Versuchsstands wurde das Modell experimentell validiert.
Das Simulationsmodell kann als Grundlage für die Einbindung von PVT-Anlagen in eine dynamische Gebäude- und Anlagensimulationsumgebung dienen. Der umfassende Vergleich mit Anlagen der getrennten solaren Wärme- und Stromerzeugung - z. B. über Jahresnutzungsgrade wird möglich.
Klimafreundliche Nahwärmeversorgung unter besonderer Berücksichtigung
kostengünstiger Verlegeverfahren und Hausanschlusslösungen
In der Diplomarbeit werden politische Zielstellungen zur klimafreundlichen Wärmeerzeugung und -versorgung dargestellt sowie Maßnahmen zu deren Erreichung aufgezeigt. Die Hauptaufgabe besteht in der Entwicklung kostengünstiger Varianten der Nahwärmeversorgung, wobei die Ansätze zur Kostenreduktion bei den Investitionen für den Netzbau gefunden werden sollen. Dazu werden flexible Rohrsysteme mit polymeren Mediumrohren untersucht. Der Vergleich mit dem heute hauptsächlich in der Fern- und Nahwärme verwendeten Kunststoffmantelrohr erfolgt unter technischen sowie kostenspezifischen Aspekten und zeigt, dass sich die Investitionskosten für Wärmenetze unter Berücksichtigung gewisser Einschränkungen in vielen Anwendungsbereichen senken lassen. Des Weiteren wird der Aufbau von Hausanschlussstationen untersucht und Möglichkeiten zu Einsparungen ebenfalls unter Berücksichtigung einiger Randbedingungen ermittelt.
Auslegung einer Multieffektdestillationsanlage kleiner Leistung
Die Arbeit behandelt die thermodynamische und hydraulische Auslegung einer Meerwasserentsalzungsanlage kleiner Leistung nach dem Verfahrensprinzip der Multieffektdestillation. Als Wärmequelle sind die Abwärme von Blockheizkraftwerken und Solarthermie vorgesehen. Eine Besonderheit der Versuchsanlage ist die Rohwasserbeschickung der Wärmeübertrager sowie die Destillatabfuhr aus diesen über Flüssigkeitsbehälter. Die 4 Effekte (4 Verdampfer-Kondensator-Plattenwärmeüber-trager) sind konstruktiv in einem Wärmeübertrager angeordnet. Durch die Entwicklung eines Berechnungsprogramms werden in Abhängigkeit von variablen Eingabeparametern, wie Verdampfungstemperatur oder Rohwasservolumenstrom, Rückschlüsse auf das Leistungsverhalten der Anlage gezogen. Die Hydraulik der Anlage definiert Einsatzgrenzen hinsichtlich dieser variablen Eingabeparameter, welche in der Arbeit aufgezeigt werden. Unter Berücksichtigung der Dimensionierung der Flüssigkeitsbehälter wird die Versuchsanlage konstruiert.
2009
Einfluss der Vor- und Rücklauftemperaturen auf den GuD-Betrieb am Beispiel des HKW Berlin-Mitte
Aufbauend auf einer Recherche und Darstellung der möglichen Fahrweisen des Gas- und Dampf-Heizkraftwerkes Berlin-Mitte werden aus Betriebsmessdaten und einer Kreisprozesssimulation Einflüsse fünf relevanter Betriebsgrößen (Fernwärmeleistung, Fernwärmevor- und –rücklauftemperatur, Umgebungstemperatur und Luftvorwärmtemperatur) auf elektrische Stromerzeugung und Brennstoffverbrauch ermittelt und beschrieben.Die Ergebnisse stehen für weitere Berechnungen in einem multiplen, linearen Modell zur Verfügung. Als Anwendungsbeispiele werden P-Q-t-Diagramme und Musterrechnungen geliefert.
Weiterentwicklung des Instrumentes „Sächsischer Gewerbeenergiepass“ zum Gütesiegel „Energieeffizientes Unternehmen“
Die Senkung des Energieverbrauchs wird aufgrund klimapolitischer Zielsetzungen sowie betriebswirtschaftlicher Notwendigkeiten unabdingbar. Zur Steigerung der Energieeffizienz in Unternehmen erfolgte durch die Sächsische Energieagentur – SAENA GmbH die Entwicklung des Sächsischen Gewerbeenergiepasses („SäGEP“). Im Rahmen der Diplomarbeit wurde dieses Instrument der Energieberatung weiterentwickelt, um als Gütesiegel für energieeffiziente Unternehmen fungieren zu können. Ausgangspunkt dafür war die Analyse und Beurteilung von Konkurrenz-ansätzen im Bereich der Energieberatung und verwandter Konzepte. Dies sowie die Auswertung des Anwendungsstandes des SäGEP gestattete die Gewinnung konkreter Ansatzpunkte für die Weiterentwicklung. Hauptaugenmerk lag dabei auf der korrekten Ermittlung und geeigneten Verwendung von Energiekennzahlen. Durch die erarbeiteten Vorschläge wird nicht nur die Energieberatung mit dem SäGEP objektiviert, sondern auch ein einfaches Benchmarking im Sinne eines Kennzahlenvergleiches ermöglicht. Hauptneuerung bei der Anwendung des SäGEP ist die Einführung einer Auditierungskomponente, die den bisherigen Ablauf erweitert und in Verbindung mit dem Einsatz von Energiekennzahlen die branchenübergreifende Vergabe eines Gütesiegels für Energieeffizienz in Unternehmen gewährleistet. Neben Möglichkeiten der Gestaltung sowie potentiellen Vergabekriterien erfolgte auch die Anwendung auf Praxisbeispiele.
Betriebsverhalten eines SOFC-Systems auf Erd- bzw. Biogasbasis
Der steigende weltweite Energiebedarf und die Verknappung der fossilen Energiereserven machen es nötig, sowohl neue Energiequellen zu erschließen, als auch die vorhandenen effektiver und umweltschonender zu nutzen. Die größten Potentiale zur Anwendung der SOFC-Technologie haben im Moment die dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung mit Biogas (landwirtschaftliche Betriebe) und Erdgas (Wohn- und Geschäftshäuser).
Ziel der Arbeit war es, den Betrieb eines SOFC-Systems mit Biogas bzw. Erdgas zu untersuchen. Dafür wurden theoretische Betrachtungen hinsichtlich der Reformierung von Biogas und Erdgas angestellt. Darauf aufbauend wurden mit einem idealisierten Stackmodell die potentiellen Wirkungsgradunterschiede zwischen dem Betrieb mit Biogas und Erdgas bestimmt. Hierbei ergab sich ein bis zu 15 Prozentpunkte höherer elektrischer Wirkungsgrad für den Betrieb mit Biogas.
Voraussetzung dafür ist eine genügend hohe Wärmezufuhr zum Reformer durch interne Wärmenutzung.
Für die experimentellen Untersuchungen wurden für das untersuchte System die Stoff- und Energiebilanzen aufgestellt. Es konnte nachgewiesen werden, dass bei der Biogasnutzung durch erhöhten Wärmeeintrag in den Reformierungsprozess dem SOFC-Stack mehr chemische Energie zugeführt werden kann. Allerdings ist die interne Wärmenutzung im untersuchten System nicht ausreichend, um mit Biogas höhere elektrische Wirkungsgrade als mit Erdgas zu erreichen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit können dafür genutzt werden das Systemkonzept und -design dahingehend zu verändern, den Betrieb eines SOFC-Systems mit Biogas zu deutlich höheren elektrischen Wirkungsgraden als im Erdgasbetrieb zu führen.
Nahwärmenetz mit Mittelfrist-Wärmespeicher für Solarthermie- und Biomassenutzung
Die Herrnhuter Diakonie greift bereits seit vielen Jahren für ausgewählte Objekte auf eine umweltverträgliche Wärmebereitstellung mittels Biomasse- und Solarthermie-nutzung zurück. Gestützt auf einer 2008 durchgeführten Potentialabschätzung zur Solarthermienutzung werden im Rahmen dieser Arbeit für ausgewählte Objekte nähere Betrachtungen zur Umsetzung von Ertüchtigungsmaßnahmen an solarthermischen Bestandsanlagen und Neuerrichtungen auf anderen Objekten mittels T*SOL angestellt und deren Einbindung in ein bestehendes Nahwärmenetz eingehend untersucht. Damit verbunden ist die Abbildung des stationären und dynamischen Verhaltens des Nahwärmenetzes mit dem am Institut für Energietechnik der TU Dresden entwickelten Simulationsmodul LowExNetz. Dabei findet auch eine in Planung befindliche umfangreiche Erweiterung des Nahwärmenetzes mit Neuanschluss zusätzlicher Wärmeabnehmer Berücksichtigung. Die dazu vorliegenden Planungsdaten werden eingehend analysiert, in die Simulationsumgebung LowExNetz eingebracht und für verschiedene Ausführungsvarianten untersucht. Eine stationäre Simulation des Auslegungsfalls liefert zu erwartende Druckverluste und Temperaturverläufe über den Neubauabschnitt Die sich anschließende dynamische Simulation trifft Aussagen zur Pumpenarbeit, den zu erwartenden Wärmeverlusten und den sich einstellenden Geschwindigkeiten der Rohrströmung Die Auswirkungen der Netzfahrweise auf das Etragsniveau der solarthermischen Bestandsanlage werden ebenfalls herausgestellt und eine Empfehlung für den anstehenden Netzausbau abgegeben.
Energetische Betrachtung zur Einbindung mehrerer Produktionslinien für medizinische Hohlfasern in die gesamtbetriebliche Energie- und Wärmeversorgung
ASCALON stellt am Produktionsstandort in Berggießhübel ausschließlich Hohlfaser-Membranen für Dialysatoren her, die bei der Blutwäsche nierenkranker Menschen eingesetzt werden. Die Produktion der Hohlfasermembranen erfolgt auf mehreren Faserspinnanlagen im kontinuierlichen Betrieb. Für die Faserproduktion betreibt ASCALON eine sehr komplexe und energieintensive Aufbereitung des eingesetzten Wassers und des Lösungsmittels. Innerhalb des Komplexes erfolgt die Umwandlung der verschiedenen Stoffe und Energieträger durch die installierten gebäudetechnischen Anlagen sowie die weitere Nutzung in den Prozessnebenanlagen und den Spinn-anlagen. In den Rückgewinnungsanlagen erfolgt die Aufbereitung des verwendeten Wassers und Lösungsmittels. Sie werden von unerwünschten Stoffen bereinigt und dem Prozess wieder zugeführt. Als Grundlage für die Bilanzen dienen die Revisions- und Dokumentationsunterlagen. Die aus den Unterlagen gewonnenen Erkenntnisse wurden durch Ortsbegehungen und Befragungen der Mitarbeiter auf den aktuellen Stand gebracht bzw. auf ihre Richtigkeit geprüft. Die Bilanzen wurden visualisiert.
Thermomanagementmaßnahmen zur Reduzierung der CO2-Emission von Personenkraftfahrzeugen
Aufgrund von stetig steigenden Kraftstoffpreisen und einem immer stärker werdenden Umweltbewusstsein in der Gesellschaft, verlangen die Käufer von Kraftfahrzeugen zunehmend nach verbrauchsarmen und umweltfreundlichen Fahrzeugen. Die durch den Gesetz-geber vorgegebenen Grenzwerte für den Schadstoffausstoß von Personenkraftfahrzeugen werden stetig verschärft.
Ziel der Diplomarbeit war das Untersuchen und Bewerten von Thermomanagement-maßnahmen zur Reduzierung der CO2-Emissionen von Personenkraftfahrzeugen an einem V6 3.0l Dieselmotor. Die Untersuchungen wurden mittels der gekoppelten Simulation des thermischen Gesamtfahrzeuges durchgeführt. Hierfür wurden Modelle des Modularen Simulations Baukastens (MSB) der AUDI AG verwendet. In diesem Baukasten sind alle validierten Simulationsmodelle der einzelnen Fachabteilungen abgelegt. Für den untersuchten V6 Dieselmotor war kein Motormodell verfügbar. Daher wurde ein 1 Zylinder Motormodell eines V8 FSI Motors aus dem MSB auf die Anforderungen des V6 TDI umgearbeitet. Hierfür musste die Turboladereinheit sowie die externe Abgasrückführung vollständig überarbeitet werden. Die Turboladereinheit wurde auf ein Kennfeldmodell umgestellt um eine einfache und schnelle Handhabung des Modells zu gewährleisten Das Modell der externen Abgasrückführung wurde ebenfalls auf ein Kennfeldmodell umgestellt.
Zur Bereitstellung der Kennfelddaten wurde ein A4 3.0l TDI Serienfahrzeug auf dem Klimarollenprüfstand vermessen. Das neu gestaltete 1 Zylinder Motormodell wurde in der gekoppelten Simulation mit Hilfe der ermittelten Messdaten abgestimmt. Als Thermomanagementmaßnahme wurde der Einsatz eines Latentwärmespeichers im Ölkreislauf priorisiert, um so die Reibung des Motors während des Warmlaufs zu reduzieren und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch zu senken. Hierfür wurden vier Phase Change Materials (PCM), mit einer Phasenübergangstemperatur von 95 °C, 117 °C, 137 °C und 307 °C, ausgewählt. Zur Einbindung der PCM Speicher in den Ölkreislauf wurde ein SIMULINK Modell entwickelt und in die gekoppelte Simulation eingebunden. Als Basis für die erste Berechnung der PCM Speicher wurde angenommen, dass der Speicher ein Volumen von 0,06 m3 haben soll, was ca. 90 kg – 125 kg PCM Material entspricht. Durch mehrere Iterationsschleifen wurde das PCM Volumen von 0,01 m3 bestimmt, um über eine Zeit von 500 s die Zuheizung an das Öl zu garantieren. Als Ergebnis wurde durch den Einsatz des Latentwärmespeichers eine nennenswerte Kraftstoffeinsparung erreicht, was eine wesentlichen Reduzierung der CO2-Emission bedeutet. In diese Ergebnisse ist der Einfluss des erhöhten Kraftstoffverbrauchs durch das Zusatzgewicht des Latentwärmespeichers schon mit eingerechnet.
2008
Einfluss der Vor- und Rücklauftemperaturen auf den GuD-Betrieb am Beispiel des Heizkraftwerkes Berlin-Mitte
Aufbauend auf einer Recherche und Darstellung der möglichen Fahrweisen des Gas-und-Dampf-Heizkraftwerkes Berlin Mitte werden aus Betriebsmessdaten und einer Kreisprozesssimulation Einflüsse fünf relevanter Betriebsgrößen (Fernwärmeleistung, Fernwärmevor- und -rücklauftemperatur, Umgebungstemperatur und Luftvorwärmtemperatur) auf elektrische Stromerzeugung und Brennstoffverbrauch ermittelt und beschrieben. Die Ergebnisse stehen für weitere Berechnungen in einem multiplen, linearen Modell zur Verfügung. Als Anwendungsbeispiele werden P-Q-t-Diagramme und Musterrechnungen geliefert.
Thermohydraulische Konzeption und Optimierung eines Vakuumröhren-Kollektormoduls für Solaranlagen
Die Bereitstellung fossiler Rohstoffe wird in den nächsten Jahren, sei es durch Verknappung auf dem Weltmarkt, politische Maßnahmen wie dem CO2-Emissionshandel oder durch Krisen in rohstoffexportierenden Ländern, deutlich teurer werden. Daher wird neben Effizienzsteigerungen auch der Einsatz von erneuerbaren Energien wirtschaftlich immer sinnvoller werden. Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Konzeption und Optimierung eines Kollektors zur Prozesswärmeerzeugung.
Ausgangspunkt ist eine neue Vakuumröhre der Firma NARVA Lichtquellen GmbH + Co. KG, die sich durch hohe Wirkungsgrade, Langlebigkeit und geringe Herstellungskosten auszeichnet. Ein bereits mit diesen Röhren ausgeführter Kollektor „Sunpur“ der Firma PHILIPPIENE weist einige entscheidende Schwachstellen auf:
- Ein hoher Flächenverbrauch führt zu einem geringen Bruttowirkungsgrad.
- Die Druckverluste sind um Größenordnungen höher als bei Konkurrenzprodukten.
- Volumenstrommessungen mit einem Ultraschallmessverfahren haben gezeigt, dass die Einzelröhren sehr unterschiedlich durchströmt werden. Bei geringeren Volumenströmen kommt es sogar zum kompletten Verschluss einzelner Röhren.
- Eine Auswechselung defekter Vakuumröhren wird durch den festen Anschluss der Röhren mittels Hartlöten verhindert.
Im Anschluss an eine Patent- und Gebrauchsmusterrecherche wurde unter Beachtung der im Vergleichskollektor aufgetretenen Probleme ein Schaltkonzept entworfen. Für dieses wurde ein Kollektormodell mit der Software „SimulationX“ erstellt und mit Messungen validiert. Durch die Steigerung der Anzahl parallel geschalteter Vakuumröhren ist mit einem deutlichen Absinken der Druckverluste des Solarmoduls zu rechnen. Mittels einer Serienrechnung mit Parametervariation konnten optimale Abmessungen für die Sammler-/Verteilerkonstruktion gefunden werden, was die gleichmäßige Beschickung der Einzelröhren sicher stellt. Dies haben Messungen an einem Prototypen bestätigt. Das gewählte Schaltkonzept ermöglicht die Verwendung einer Steckverbindung zum Anschluss der Vakuumröhre an den Sammler/Verteiler, welche im Prototypen bereits Verwendung findet.
Verbesserung des Mess- und Auswerteverfahrens bei Outdoormessungen an Solargeneratoren
Die Errichtung großer Solarparks ist mit hohen Investitionen verbunden, die eine fundierte Qualitätssicherung verlangen. Von besonderer Bedeutung ist die Ermittlung der Leistung der verbauten Module durch Outdoormessungen, wie sie beispielsweise vom Fraunhofer ISE durchgeführt wird. Bei Outdoormessungen werden Strom-Spannungskennlinien, die Aufschluss über die Leistung geben, an Anlagenteilen aufgenommen. Aufgrund der Abhängigkeit der Leistung von Photovoltaikmodulen von Temperatur und Einstrahlung ist eine Korrektur der gemessenen Kennlinien auf Standardbedingungen (25 °C, 1000 W/m²) notwendig.
Der Prozess zur Messung der entscheidenden Größen äquivalente Betriebstemperatur, Einstrahlung, Strom und Spannung wurde ausführlich behandelt. Für jede Größe erfolgte eine Analyse der Messkette und die Zusammenstellung aller Einflüsse auf die Unsicherheit. Haupteinflussgröße auf die Unsicherheit der Einstrahlungsmessung ist die Genauigkeit der Kalibrierung der zur Einstrahlungsmessung verwendeten Referenzzelle. Die Unsicherheit der Temperaturmessung hängt entscheidend von der Temperaturverteilung über dem Messobjekt ab. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde eine standardisierte Unsicherheitsberechnung erstellt. Bezüglich des Auswertungs-prozesses wurden verschiedene Verfahren zur Kennlinienkorrektur vergleichend dargestellt. Hinsichtlich der entstehenden Unsicherheiten wurden das Verfahren nach IEC 60891 und das modifizierte Blässerverfahren detailliert betrachtet. Unter Berücksichtigung aller relevanter Aspekte wurde das Verfahren nach IEC als das derzeit für die Anwendung am Fraunhofer ISE am besten geeignete Verfahren ausgewählt. Ein Vorgehen zur praktischen Anwendung dieses Verfahrens wurde erarbeitet. Beispielhafte Berechnungen der erweiterten Unsicherheit der Leistung bei Standardbedingungen unter Verwendung des IEC-Verfahrens und der vorhandene Messtechnik ergaben Werte zwischen 5,7% und 9,0% je nach Umgebungsbedingungen für Einstrahlungen über 800 W/m². Durch Ersetzen der bisher verwendeten Referenzzelle zur Einstrahlungsmessung durch eine, die mit höherer Genauigkeit kalibriert werden kann, könnte die erweiterte Unsicherheit auf 3,0% bzw. 5,6% gesenkt werden.
Zuletzt wurden detaillierte Betrachtungen zur Aussagekraft des Endergebnisses durchgeführt. Fazit ist, dass die Modulleistung nur bei genügender Genauigkeit der Leistungsermittlung eindeutig beurteilt werden kann. Aussagekräftige Messungen müssen demzufolge bei Einstrahlungen größer 800 W/m² durchgeführt werden.
Planung, Errichtung und Monitoring einer Photovoltaikanlage (Interdisziplinäre Projektarbeit)
Die Auslegung einer Photovoltaikanlage ist sehr komplex, da viele Faktoren beachtet werden müssen. Zudem widersprechen sich deren Optima oftmals, weshalb die Planung ein iterativer Prozess ist, bei dem die optimale Lösung ein Kompromiss vieler verschiedener Aspekte darstellt, die sich von Anlage zu Anlage unterscheidet. Ein Teil der Projektarbeit beschäftigt sich mit der Planung und Errichtung einer Photovoltaik-anlage, die Schritt für Schritt am Beispiel einer 100kW-Anlage erarbeitet wird. Dabei wird mit der Datenbeschaffung begonnen, es werden die Umgebungseinflüsse diskutiert und die hierzu getätigten Messungen zu Verschattungseinflüssen ausgewertet. Die Auslegung und Dimensionierung der einzelnen Anlagenkomponenten wird veranschaulicht unter Beachtung physikalischer Gesetzt, sowie Normen und Richtlinien und die Montage und Installation der Anlage wird erläutert. Abschließend wird unter Beachtung aller Verluste und der Wirkungsgrade der einzelnen Anlagenkomponenten der Energienutzungsfaktor errechnet und mit anderen möglichen Auslegungsvarianten verglichen. Der zweite Teil der Projektarbeit behandelt das Monitoring einer Photovoltaikanlage, dabei wird zum einen das Überwachungssystem vorgestellt und Vorgehensweisen erläutert, wie aus Messwerten und den entsprechenden Graphiken auf mögliche Defekte geschlossen werden kann. Außerdem werden die Ergebnisse der Messungen analysiert, die an verschieden beschädigten Modulen gemacht wurden und daraus Ursache und Auswirkung der einzelnen Schadensbilder auf die Leistung hergeleitet.
Möglichkeiten der Kältebereitstellung in Fernwärme-Versorgungsgebieten
Die geringe sommerliche Auslastung der Fernwärmenetze korreliert mit einem steigenden Bedarf an Klimakälte. Der Einsatz thermischer Kältemaschinen kann durch deren Eigenschaft als zusätzliche Wärmesenke im Netz zu einer Verbesserung der Effizienz von Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung beitragen; gleichzeitig bringt er eine Entlastung der Stromnetze mit sich.
Am Beispiel eines Wärmenetzes der Netzdienste Rhein-Main GmbH (Frankfurt am Main) werden die Möglichkeiten einer Kälteversorgung unter Einsatz von Fernwärme-Heißwasser untersucht. Eine technische, energetische und wirtschaftliche Bewertung zeigt die Einsatzgrenzen thermischer Kältemaschinen im Vergleich zu den mehrheitlich eingesetzten Kompressions-Kältemaschinen auf.
Als aussichtsreichste Technik für das betrachtete Einsatzgebiet der thermischen Kälteerzeugung wird die einstufige Wasser/Lithiumbromid-Absorptionskältemaschine betrachtet. Ihrem geringen Bedarf an elektrischer Antriebsenergie und den günstigen Umwelteigenschaften ihrer Arbeitsstoffe stehen jedoch hohe Investitionskosten sowie große Anlagendimensionen gegenüber.
In Abhängigkeit von der Güte der betrachteten Versorgungssysteme – namentlich Kraftwerks- und Netznutzungsgrade, Stromkennzahlen sowie Leistungszahlen der zum Vergleich herangezogenen Kompressions-Kältemaschinen – kann der Einsatz thermischer Kältemaschinen leichte primärenergetische Vorteile aufweisen. Ein wirtschaftlich konkurrenzfähiger Betrieb setzt jedoch Wärmepreise deutlich unter dem Niveau konventioneller Tarife voraus.
Bewertung einer luftseitig umkehrbaren R744 Klimaanlage kleiner Leistung
In vielen Regionen der Welt ist es notwendig Gebäude in der warmen Jahreszeit zu kühlen und in der kalten Jahreszeit zu heizen. Herkömmliche FKW-Split-Klimaanlagen sind dazu in der Lage, jedoch ist das Design der Anlagen meist mit Kompromissen behaftet bzw. nur teilweise optimiert, d. h. eine der beiden Anwendungsgebiete ist in Bezug auf die Leistungszahlen benachteiligt. Da die FKW Kältemittel aufgrund ihres hohen Treibhauseffektes auf der Liste der Stoffe stehen die das Kyoto-Protokoll reguliert, stellt R744 (CO2) eine nachhaltige Kältemittelalternative in diesem Anwendungsbereich dar. Die Leistung einer reversiblen, zum Heizen und Kühlen geeigneten, Prototypenanlage wurde erfolgreich in einer Klimakammer vermessen. Schwerpunkt war dabei die Leistung der Anlage unter Extrembedingungen (-12 °C bis +52 °C Umgebungstemperatur). Das prinzipielle Design dieser luftumkehrbaren R744 Klimaanlage basiert auf einer Drehscheibe, auf der die Wärmeübertrager tangential angebracht sind. Auch die übrigen Bauteile der Klimaanlage sind auf der Drehscheibe montiert, bzw die Lüfter stationär in den Ecken des feststehenden Gehäuses angebracht. Der Kältemittelkreislauf bleibt unverändert, wenn der Betriebsmodus der Klimaanlage durch die Rotation des Systems geändert wird. Dadurch ist die Arbeitsweise der Wärmeübertrager eindeutig definiert. Diese können optimal ausgelegt werden, ohne dass Kompromisse eingegangen werden müssen.
Energiewirtschaftliche Bewertung innovativer Lösungen im Bereich der dezentralen Energieversorgung im Gebäudebereich
Der Primärenergiebedarf der privaten Haushalte liegt mit etwa 20 % des deutschen Gesamtbedarfs an Primärenergie in einer bedeutenden Größenordnung. Damit zählen die energetische Optimierung von Gebäuden – besonders die häusliche Energie-versorgung – zu den wichtigsten Energieeinsparpotentialen in Deutschland. Hier bieten sich, auch aufgrund deregulierter Strukturen in der Energiewirtschaft, Chancen für die MVV Energie AG. Daher ist die Frage zu beantworten, wie sich die MVV Energie AG auf dem zukünftigen Markt der dezentralen Energieversorgung im Marktsegment Privat-kunden positionieren muss, um jederzeit ein verkaufsfähiges Produkt anbieten zu können. Untersucht werden Stirling- und Brennstoffzellenblockheizkraftwerke sowie Gaswärmepumpen. In Erweiterung klassischer Methoden zur Betrachtung der Wirtschaftlichkeit berücksichtigt der hier gewählte methodische Ansatz die vielfältigen Wechselwirkungen auf Basis der CO2-Vermeidungskosten, die mit Hilfe einer eindeutigen und nachvollziehbaren Rechenmethode ermittelt werden. Anhand verschiedener Szenarien wird dargestellt, dass der Deckungsgrad als thermo-dynamische Kennzahl und die Menge des selbstverbrauchten Stroms entscheidenden Einfluss auf die CO2-Vermeidungskosten ausüben. Daneben wird die Bedeutung unterschiedlicher Preissteigerungsraten für die Energien Strom und Gas analysiert, da diese den Betrieb der jeweiligen Technologie konkurrierend beeinflussen. Blockheizkraftwerke weisen einen ökonomischen Vorteil bei höheren Strompreisen auf. Der ökonomischen Vorteil von Gaswärmepumpen ist bei höheren Gaspreisen gegeben. Als Grundlage für die strategische Positionierung wird eine SWOT-Analyse durchgeführt, aus der in Verbindung mit den Vermeidungskosten und energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen Handlungsempfehlungen für die MVV Energie AG abgeleitet werden. Aus den Ergebnissen lässt sich formulieren, dass – abhängig von energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen – Stirlingblockheizkraftwerke innerhalb der nächsten fünf bis zehn Jahre durch Gaswärmepumpen und Brennstoffzellenblockheizkraftwerke vom Markt verdrängt werden. Das Produktportfolio von der MVV Energie AG ist daher flexibel zu gestalten.
Energetische Analyse und Bewertung von Solarfeld und Absorptionskältemaschinen
Die Diplomarbeit wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Institut für Technische Thermodynamik durchgeführt und war ein Beitrag für die Realisierung des REACt-Projektes. Durch den Verfasst von: wurde ein vorhandener Teststand bestehend aus einem Parabolrinnen-Kollektorfeld durch eine Absorptions-Kältemaschine einschließlich Mess- und Leittechnik sowohl konzeptionell als auch praktisch vervollständigt. Darüber hinaus wurde die Versuchsplanung ausgeführt und Tests der Komponenten vorgenommen. Durch Modellrechnungen wurden die ersten durchgeführten Gesamtmessstandstests bewertet.
Einfluss von Vor- und Rücklauftemperatur auf die Wirtschaftlichkeit von Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung
Auf Grundlage einer umfassenden Literaturrecherche zu grundsätzlichen Verfahren der Energieumwandlung, werden die Auswirkungen der Temperaturabsenkung im Fernwärmenetz auf Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung beschrieben. Unterstützt durch die Kraftwerks-Simulations-Software Ebsilon Professional werden Beispiele modelliert und die erzielten Ergebnisse ausgewertet. Anhand der gewonnen Erkenntnisse können Aussagen über die Wirtschaftlichkeit von Vor- und Rücklauftemperaturabsenkung auf KWK-Anlagen getroffen werden.
Nutzung von Solarmodulen als Ersatz konventioneller Dacheindeckung
Die Solarstromerzeugung gewann in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung. Bedingt durch die hohe Nachfrage an optisch und technisch ausgereiften Lösungen zur Integration von Solarmodulen in Schrägdächer erfolgte die Entwicklung einer Vielzahl von Systemen. Die Firma SunStrom GmbH hat ein Montagesystem (SD 180) zur Schrägdachintegration entwickelt, dass große Anwendung in Deutschland, Frankreich und Spanien findet. Als Qualitätsgarantie und zusätzliche Zertifizierung verweisen Hersteller von Bauprodukten häufig auf die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (abZ). Auf der Grundlage von festgelegten Normen und Richtlinien war das Ziel dieser Diplomarbeit, Vorgaben und Voraussetzungen für eine mögliche abZ für das
Montagesystem SD 180 zu erarbeiten, sowie Schlussfolgerungen bzw. Maßnahmen für die konstruktive Verbesserung abzuleiten. Nach einer Einführung in das Thema der abZ wird ein Überblick über die Regelungsbereiche der vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) veröffentlichten Bauregellisten gegeben und die Kernforderungen anhand der Beanspruchung des Montagesystems sowie den Anforderungen der Landesbauordnungen (LBO) zu Erlangung einer abZ dargestellt. Basierend auf einer Marktrecherche werden zwei ausgewählte Schrägdachintegrationssysteme mit dem SD 180 unter technischen, energetischen und ökonomischen Aspekten verglichen, um sie im Anschluss den Kernforderungen der abZ gegenüberzustellen, hinsichtlich ihrer Ausführung zu bewerten und zu optimieren.
2007
Regionalisierte Ermittlung des Biomasse-Potenzials für die KWK in Nordrhein-Westfalen
Biomasse-KWK-Anlagen verbinden die Umweltfreundlichkeit nachwachsender Rohstoffe mit der hohen Effizienz der Kraft-Wärme-Kopplung. Auf Grund von Leitungsverlusten für die Wärmelieferung und wegen des Transportaufwands für die Biomasse können die Anlagen nur dort betrieben werden, wo ein ausreichendes Angebot an Biomasse auf eine entsprechende Wärmenachfrage trifft.
Jede Untersuchung von Chancen und Perspektiven von Biomasse-KWK-Anlagen muss daher regional ansetzen und eine kleinräumige geografische Unterteilung verwenden. Die vorliegende Arbeit untersucht das Biomasse-KWK-Potenzial von Nordrhein-Westfalen. Zunächst wird das mögliche Biomasse-Angebot geschätzt, dann der heutige Stand der Kraftwerkstechnik diskutiert und anschließend die Energienachfrage bestimmt, die für KWK-Anlagen geeignet ist. Wirtschaftliche Aspekte werden berücksichtigt und zukünftige Entwicklungen angesprochen. Angebot und Nachfrage werden schließlich gegenüber gestellt und damit das Potenzial von Biomasse-KWK-Anlagen aufgezeigt.
Städtebauliche Planung unter dem Aspekt einer zukunftsorientierten energietechnischen Erschließung urbaner Teilgebiete
Die Reduktion der Treibhausgase stellt eine weltweite Herausforderung dar, um die Bedrohung durch den Klimawandel abzuwenden. Seit der ersten Ölkrise von 1973 gab es Initiativen, eine größere Unabhängigkeit vom Öl zu erreichen. So rückten etwa alternative Treibstoffe wie Pflanzenöl und Biodiesel in das öffentliche Interesse. Es wurde vermehrt in regenerative Energiequellen, die Wärmedämmung von Gebäuden und in die Effizienzsteigerung von Motoren und Heizgeräten investiert. Die erste Wärmeschutzverordnung (WSVO) trat 1977 in Kraft.
Die Bauleitplanung hat große Auswirkung auf Energieeinspareffekte, da mit der Festsetzung von baulichen Nutzungen auf bestimmten Flächen bereits Entscheidungen für den daraus resultierenden Energieverbrauch getroffen werden. Hemmnisse zur Nutzung von Solargewinnen durch ungünstige Vorgaben im Bebauungsplan können gegeben sein. Die zentralen Untersuchungsobjekte in dieser Diplomarbeit sind das Wohngebiet Kaditz in Stadtrandlage und das Gewerbegebiet Reick südöstlich vom Dresdner Stadtzentrum. Aufgrund des allgemeinen Bevölkerungsrückgangs in Sachsen stellt sich die Frage, ob sich eine eigenständige Energieversorgungsvariante lohnt. Für das Wohngebiet Kaditz wurden folgende Wärmeversorgungskonzepte untersucht: Gasbrennwertkessel (BWK), Ölkessel, Fernwärme, Kraft-Wärme-Kopplung mittels Blockheizkraftwerk oder Brennstoffzelle. Unter den regenerativen Energieträgern wird Solarthermie, Photovoltaik und die thermische Nutzung von Holz untersucht. Eine Wärme-versorgungsvariante besteht in der kostenoptimalen Kombination von Gasspitzen-kessel mit einem anderen Wärmeerzeuger. Abschließend erfolgt eine Wirtschaftlich-keitsuntersuchung auf Basis der Annuitätenmethode zur Ermittlung der günstigsten Variante.
Optimale Gestaltung und Bewertung eines Kraftwerks zur Elektroenergieerzeugung aus Erdwärme
Ein Stromversorgungsunternehmen beabsichtigt, ein Kraftwerk zur Elektroenergieversorgung aus Erdwärme zu errichten. Die Diplomarbeit wurde im Auftrag der KEMA IEV angeführt. Für die geothermische Stromerzeugung wurde die Anwendung zweier Prozesse mit niedriegsiedenden Arbeitsmitteln untersucht: der Organic Rankine Cycle (ORC-Prozess) und der KALINA-Prozess.
Im Rahmen der Diplomarbeit wurden für die am Standort gegebenen Bedingungen mögliche Prozesskonfigurationen theoretisch untersucht. Dabei wurden die unterkritische und die überkritische Prozessführung, sowie Überhitzung und Zwischenüberhitzung betrachtet. Die Auswahl geeigneter Arbeitsmittel erfolgte neben
der optimalen Ausnutzung der Wärmequelle auch mit Blick auf ökologische Aspekte. Durch Simulationsrechnung und Vergleich der mit dem ORC-Prozess und dem KALINA-Prozess erzielbaren Brutto- bzw. Nettoleistung wurden geeignete Prozessvarianten ermittelt. Durch Einführung weiterer Bewertungskriterien wie Prozessdruck und Parameter der Rückkühlung wurden Vorzugsvarianten ermittelt. Für die Vorzugsvarianten wurde durch Auswertung von Umgebungsbedingungen im Jahresverlauf die erzielbare Jahresarbeit für das Kraftwerk ermittelt und durch eine Kapitalwertberechnung für den obertägigen Teil der Anlage die Wirtschaftlichkeit abgeschätzt. Abschließend wurde die thermodynamisch günstigste Variante für das geplante Kraftwerk zur Elektroenergieversorgung aus Erdwärme vorgeschlagen.
2006
Auslegung von kombinierten SOFC- und Gasturbinen-Kraftwerksprozessen der MW-Leistungsklasse
Die Kopplung von Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Wärme-Kraft-Prozessen, wie Gasturbinenoder GuD-Anlagen, wird als Zukunftsoption der Kraftwerkstechnik zur Erschließung höchster Wirkungsgradpotenziale diskutiert. Im Sinne einer konzeptionellen Untersuchung wurde im Rahmen der Diplomarbeit auf der Grundlage vorhandener Arbeiten verschiedene Kraftwerksschaltungen mit einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) und nachgeschalteten Kreisprozessen (Joule-Prozess bzw. Clausius-Rankine-Prozess) entwickelt und unter Verwendung des Programmpaketes Ebsilon simuliert. Neben dem Volllastbetrieb (ca. 100 MWel) wurden einzelne stationäre Betriebspunkte im Teillastbereich untersucht. Für die Simulation der Kraftwerksprozesse auf der Basis des Software-Paketes "Ebsilon Professional" war die Modellierung zusätzlicher Systemkomponenten, z.B. des Brennstoffzellenstacks und der Vorreformierung, erforderlich. Zur Lösung dieser Teilaufgabe wurden neue Funktionsmodule in der Programmiersprache C++ erstellt, welche als DLL in die Simulationsumgebung "Ebsilon" implementiert wurden.
Für die abschließende Beurteilung der Simulationsergebnisse wurde ein vereinfachter Vergleich mit konventionellen Kraftwerksprozessen auf der Basis des Primärenergieverbrauchs und der CO2-Emissionen erstellt.
Theoretische und experimentelle Untersuchungen an einem halboffenen Sorptionsprozess
Im Zuge des wachsenden Interesses an Kühlanwendungen in Mitteleuropa wurde in der Diplomarbeit ein Prozess zur Kaltwasserbereitung auf Basis flüssiger Sorption untersucht. Dieser wurde am ILK Dresden entwickelt und sollte konstruktiv umgesetzt und auf Funktionstüchtigkeit und Integrationsfähigkeit in ein System zur Abwärmenutzung für Klimatisierungsfälle sowie energetische Effizienz im Vergleich mit anderen Klimatisierungsverfahren geprüft werden.
Grundlage des Prozesses bildet die Absorption und Desorption von Wasser aus der Umgebungsluft der Anlage mit einem flüssigen Sorptionsmittel. Nach der Wahl des Sorbens’ Lithiumchlorid konnte eine Versuchsanlage errichtet werden. Mit auf dieser Basis gewonnenen Erkenntnissen zur praktischen Funktionsweise des Systems unter Umgebungsdruck (Verteilung der Sole, Gestaltung des Absorbers ohne externe Wärmesenke) wurde für das optimierte Gestaltungskonzept ein stationäres Simulationsmodell erstellt.
Die damit erzielten energetischen Vergleiche mit anderen Erzeugervarianten zeigten die Effizienzmängel der Anlage klar auf, es wurden jedoch konkrete Hinweise zur Optimierung der Anlage in weiteren Forschungsprojekten gegeben.
Dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis von Brenngasen aus erneuerbaren Energien
Es hat sich als nur begrenzt marktfähig erwiesen, aus Erneuerbaren Energien - insbesondere Biomasse und Müll - Brenngase mit einer Qualität zu erzeugen, die zur Einspeisung in das Erdgasnetz geeignet ist. Weniger hohe Qualitätsanforderungen stellt der nahezu direkte Einsatz biogener Gase in Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung, die ggf. auf der Wärmeseite um das Koppelprodukt Kälte erweitert werden können. Als Voraussetzung für die eigentliche Systemoptimierung wurde die internationale Erzeugnispalette für motorische BHKW und Mikro-Gasturbinen zusammengestellt und
hinsichtlich kommerzieller Verfügbarkeit, Anforderungen an die Gasbeschaffenheit, Leistungsdaten Strom und Wärme für den Nennlastfall sowie die Teillastsituationen, An- und Abfahrverhalten, der benötigten Medien und Hilfsenergien sowie den Anforderungen an übergeordnete Steuer- und Regelstrategien systematisiert.
Für ausgewählte Systemkonfigurationen erfolgte anhand recherchierter Jahres- und Tagesgänge die Berechnung von energetischen Jahresnutzungsgraden, Investitionskosten, verbrauchs- und betriebsgebundenen Kosten. Unter Nutzung des von GEMIS wurde eine ökologische Bewertung vorgenommen.
2005
Deckungsbeitragsrechnung Fernwärme unter Berücksichtigung des Abnahmeverhaltens von Kunden
Im Blickpunkt dieser Arbeit standen die Ermittlung der Fernwärme-Einzelkosten und zurechenbaren Gemeinkosten eines Querverbundunternehmens. Es wurden Kriterien herausgearbeitet, die eine Aufschlüsselung auf die unterschiedlichen Verbraucher zulässt. Das Ziel der Arbeit bestand darin, die Grundlage einer kundenindividuellen Preisfindung zu erstellen bzw. auf Basis dieser Daten Aussagen entsprechend der Wirtschaftlichkeit von bestehenden Fernwärmekunden zu treffen. Dazu wurden aktuelle Energierichtlinien des Stromsektors hinsichtlich der Anwendung zur Kostenermittlung besonders im Netzbereich verwendet. Im Kalkulationsmodell werden einzelne Faktoren diskutiert, die in der Praxis umstritten sind, wie z. B. die Substanzerhaltungsmethoden, die Höhe des Eigenkapitalzinssatzes oder die Besteuerung.
Das Modell hat den ersten Einsatz in der Praxis absolviert. Hauptsächlich soll das Modell für die Preiskalkulation neuer Kunden angewendet werden, um eine bessere Grundlage zur Kalkulation zu besitzen.
Auswirkungen der Wasserinjektion am Verdichtereintritt auf das Betriebsverhalten einer Gasturbinenanlage
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verhalten des Verdichters einer Gasturbine bei Nasskompression untersucht, durch die sich eine signifikante Steigerung der Gasturbinenleistung erzielen lässt. Im ersten Teil werden die Auswirkungen von Nasskompression auf den Verdichterbetrieb abgeschätzt. Dabei werden Aussagen zur Verschiebung des Arbeitspunktes bei Nennlast und zu möglichen Auswirkungen auf den Pumpgrenzabstand getroffen. Durch die Nachrechnung des Verdichters mit Hilfe eines
thermodynamischen Modells werden Verdunstungsverlauf, Temperatur- und Druckaufbau im Verdichter bestimmt. Im zweiten Teil werden die Auswirkungen der Nasskompression auf die Beanspruchung der Heißgasbauteile betrachtet. Dazu wird die thermische Beanspruchung am Beispiel der ersten Turbinenleitreihe berechnet. Der Einfluss geänderter Temperaturen und Spannungen im Bauteil auf die Lebensdauer wird erläutert. Zuletzt wird auf die Regelung der Gasturbine unter den besonderen Bedingungen der Nasskompression eingegangen.
2004
Konzeption für ein unter energetischen, ökonomischen und logistischen Gesichtspunkten optimiertes Dachmontagesystem für Photovoltaikanlagen
Den theoretischen Kernpunkt der Arbeit bildet die Modellierung des Einflusses der Hinterlüftung der Photovoltaikmodule auf die tatsächlichen Modultemperaturen
in Abhängigkeit von der Außentemperatur und der Strahlung. Die getroffenen Annahmen und Vereinfachungen werden benannt und fundiert begründet. Die Auswertung von Messungen an drei Beispielanlagen wird ebenso zur kritischen Wertung herangezogen wie die gut recherchierte Literatur zur Thematik.
Über exemplarische Berechnungen für ein grobes Raster von 3 unterschiedlichen Strahlungsparametern und drei Kanalhöhen und differenzierten Außentemperaturen erfolgt die Berechnung einer prozentualen Veränderung des Solarertrags des „Neuen“ Montagesystems gegenüber Installationsvarianten mit anderen Montagesystemen. Der daraus resultierende Einfluss auf den elektrischen Jahresertrag wird entsprechend dieser Prozentsätze ausgewiesen und sehr korrekt in einer Wirtschaftlichkeits-berechnung mit Darstellung der Veränderungen des Kapitalwertes diskutiert.
Konzeptionelle Einführung eines Energiemanagement-Systems in ein mittelständisches Unternehmen der chemischen Industrie
Das Ziel der Arbeit bestand darin, ein generelles Konzept zur Optimierung der Energieverbräuche zu erarbeiten, an einem Beispiel zu demonstrieren und somit den 56 Produktionsstätten der Clariant Masterbatch Division eine Hilfestellung zur Kostensenkung zu geben.
Dazu wurden die energietechnischen Grundlagen verschiedener Anlagen zur Energiebereitstellung untersucht. Die unterschiedlichen Varianten zur Verbrauchserfassung wurden dargestellt und Vorschläge zur Energieanalyse
unterbreitet. Die Möglichkeit, Lastspitzen mit Hilfe von Lastmanagement zu vermeiden, ist analysiert worden. Die Grundlagen der Energieoptimierung werden in der Arbeit erläutert und unterschiedliche Verfahren der Wirtschaftlichkeitsberechnung und der Finanzierung aufgezeigt. Schließlich wurden technische und organisatorische Maßnahmen erörtert, mit denen die Mitarbeiter gezielt an der Kostensenkung und damit an der Gewinnsteigerung des Unternehmens beteiligt werden können.
Das erarbeitete Handbuch zeigt die wesentlichen Konsequenzen für den Standort Lahnstein auf und enthält weiterhin als Beispiel die optimierte Auslegung und Betriebsführung eines BHKW.
Einfluss der Energieeinsparverordnung EnEV2002 auf den Einsatz von Elektrowärmepumpen in Heizungsanlagen von Einfamilienhäusern
Diese Diplomarbeit befasst sich eingehend mit den Auswirkungen der Energieeinsparverordnung (EnEV) auf die Wettbewerbssituation der Elektrowärmepumpen in neu zu errichtenden Einfamilienhäusern. Unter der Nutzung eines Modellhauses wurden zu den einzelnen Heizungsanlagen umfangreiche Marktdaten gewonnen, wodurch eine Kostenvergleichsrechnung auf Grundlage der WSVO und der EnEV durchgeführt werden konnte.
Auf Basis der Ergebnisse nach EnEV, wurden im Folgenden unter Zuhilfenahme einer Sensitivitätsanalyse variable Größen extrahiert, die einen bedeutenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpentechnik haben. Als Ergebnis kann resümiert werden, dass bei einem Vergleich der Kostenrechnungen nach WSVO und EnEV keine entscheidenden Veränderungen für die Elektrowärmepumpentechnik zu erkennen sind. Jedoch gibt es im konkurrierenden Umfeld Veränderungen, die sich günstig auf die Wettbewerbsfähigkeit der Wärmepumpen auswirken. Lediglich die Gas-Brennwert-technik profitiert von der neuen Verordnung mehr als die Wärmepumpentechnik.
Die Sensitivitätsanalyse hat gezeigt, dass der Einflussfaktor Anlagenkosten entscheidend für die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpen ist. Neben diesem kommt dem maximalen Primärenergiebedarf eine weitere große Bedeutung zu. Sollte dieser in Zukunft weiter gesenkt werden, ist mit einer großen Nachfrage nach Wärmepumpen-heiztechnik zu rechnen. Da jedoch die Änderungsnovelle zur EnEV, im Mai 2004, ohne grundlegende Veränderungen vom Bundestag verabschiedet wurde, ist auch in naher Zukunft keine weitere Verschärfung der primärenergetischen Anforderungen zu erwarten.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Elektrowärmepumpe, in neu zu erschließenden Wohngebieten ohne Gasanschluss, eine starke Konkurrenz zu Heizungen auf Basis der Öl-Niedertemperaturtechnik bzw. Elektrospeicherung darstellt. Im Falle des Vorhandenseins einer Gasversorgung kann trotz der geringen jährlichen Mehrbelastung aufgrund von persönlichen Umweltschutzpräferenzen eine Entscheidung zugunsten der Wärmepumpentechnik und gegen die Gas-Brennwerttechnik getroffen werden. Folglich lässt die Zukunft unter den gegebenen Umfeldbedingungen ein weiteres Wachstum an Marktanteil und Wettbewerbsfähigkeit für die Wärmepumpen-heizung erwarten.
Thermodynamische Prozessuntersuchungen für das Modellkraftwerk und das Heizkraftwerk in Völklingen
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit thermodynamischen Kreisprozess-untersuchungen für das Modellkraftwerk (MKV) und das Heizkraftwerk (HKV) Völklingen der Saarenergie AG. Unter Verwendung von zwei Kreislaufberechnungs-programmen für thermodynamische Prozesse wurden beide Kraftwerke in den jeweiligen Systemen abgebildet und verschiedene Kraftwerksprozesse analysiert.
Um die einzelnen Kraftwerksprozesse in den Softwarelösungen programmieren zu können, war es erforderlich, aufgrund der Auslegungsschaltbilder der Fa. KWU vereinfachte Wärmeschaltbilder (WSB) für beide Kraftwerke zu entwickeln. Infolge dessen wurden Sperrdampfmassenströme an den Turbinen, Zusammenführungen von Anzapfleitungen, NDStufenentwässerungen sowie Einspritzungen, abgesehen von der ZÜ-Einspritzung, vernachlässigt. Da keine Angaben über mechanische Verluste der Turbinen vorlagen, konnten diese ebenfalls nicht mit in die Simulation einbezogen werden. Für das MKV musste eine andere Vorgehensweise für die Simulation gewählt werden. Die vorhandenen Wärmeschaltbilder der Fa. KWU aus dem Jahr 1981 weisen einen Frischdampfmassenstrom von 147 kg/s im Auslegungsfall aus. Im Zuge einer Leistungssteigerung in den achtziger Jahren erfolgte die Anhebung des Frischdampf-massenstroms auf ca. 160 kg/s im Volllastbetrieb. Für diese Maßnahme existierten aber keine zuverlässigen Wärmeschaltbilder. Somit war es notwendig, ein auf Betriebsmessdaten basierendes Auslegungsschaltbild zu entwickeln und abgeleitet davon verschiedene Teillasten zu berechnen.
Ziel dieser Arbeit war, neben der Programmierung der entwickelten WSB des HKV und MKV in den verschiedenen Softwarelösungen Prozessberechnungen für Nennlastfahrweisen beider Kraftwerke durchzuführen, mit bereitgestellten Betriebsmessdaten und punktuellen Handrechnungen zu vergleichen und die Ergebnisse zu bewerten. Daran schließen sich Berechnungen verschiedener Teillastfahrweisen des MKV in den Programmen EBSILON und MULTIFUN sowie deren Ergebnisdarstellung und dessen Bewertung an. Für die Durchführung punktueller Handrechnungen sind unter Zuhilfenahme von EXCEL Berechnungsschemata entwickelt worden, die nach Eingabe von Betriebsmessdaten die Komponentenberechnungen durchführen und die Ergebnisse in zusammengefasster Form ausgeben.
Entwicklung eines Messgerätes zur Bestimmung der Dampfnässe an einer Kleindampfturbine
Es wurde ein Messgerät zur Bestimmung des Flüssigkeitsanteils in Nassdampfströmungen entwickelt. Das Messgerät beruht auf dem neuen Prinzip des Doppelüberhitzungskalorimeters in Kombination mit einem Drosselkalorimeter. Die wesentlichen Teile dieser Messeinrichtung wurden in Funktion und Konstruktion beschrieben, eine Zeichnung wurde beigelegt. Für die Auswertung der Messergebnisse wurde ein Excel-Datenblatt erstellt. Mit dessen Hilfe konnte die Messgenauigkeit abgeschätzt werden. Die dabei ermittelten Werte liegen im Bereich der bisher bekannten Verfahren. Leider konnten im Rahmen dieser Arbeit keine Probemessungen durchgeführt werden, dies kann in einer weiteren Arbeit erfolgen. Hierfür wurde bereits, zusätzlich zur eigentlichen Aufgabenstellung, das Gehäuse der Messeinrichtung gefertigt. Die dafür notwendige Messtechnik wird beschrieben.
Es ist zu erwähnen, dass es sich bei dieser Messeinrichtung um einen nicht erprobten Prototypen handelt. Daher bleibt sicher noch Raum für Verbesserungen und Optimierungen, die sich auf Grundlage der Erkenntnisse aus ersten Versuchen ergeben können.
2003
Programm zur Einsatzoptimierung des GuD-HKW der Fernheizwerk GmbH Bad Elster
Die vorliegende Arbeit dient zur Erstellung einer verlässlichen Einsatzprognose für eine optimale Fahrweise der Erzeugungsanlagen des GuD-Heizkraftwerkes der
Fernheizwerk GmbH Bad Elster. Dazu wurden die technischen Restriktionen und Kenndaten aller Erzeuger des HKW erfasst, der Eigenbedarf ermittelt und die Bedingungen der Stromabgabe einschließlich des gegenwärtigen Stromvertrages nachgebildet. Weiterhin erfolgte die Ermittlung der Wärmebedarfswerte für das Versorgungsgebiet Bad Elster und die thermodynamische Modellierung des Dampfspeichers. Mit Hilfe dieser Daten wurde ein Optimierungsprogramm in MS Excel unter Einbeziehung von VBA-Modulen erstellt.
Messtechnische Untersuchungen der monoenergetisch-bivalenten Wärmeversorgung eines Einfamilienhauses mittels Wärmepumpe und Elektrospeicherheizung
In der Arbeit werden Messungen ausgewertet, die bei der monoenergetischen-bivalenten Wärmeversorgung eines Einfamilienhauses mittels Wärmepumpe und
Elektrospeicherheizung im Zeitraum von 2000 bis 2003 erfasst wurden. Die installierte Luft/Wasser- Wärmepumpe dient zur Heizung und zur Warmwasserbereitung. In einer kurzen Einleitung werden Wärmepumpen und Wärmepumpenheizungsanlagen allgemein beschrieben. Danach folgt eine Darstellung und Analyse der Wärmepumpen-heizungsanlage, die in dem Einfamilienhaus, welches sich im Versorgungsgebiet der DREWAG befindet, installiert ist. Es werden Betriebsdaten einzelner charakteristischer Tage ausgewertet, wie z.B. Tage im Winter, in der Übergangszeit und im Sommer. Weiterhin werden Arbeitszahlen ermittelt und eine Wirtschaftlichkeitsrechnung durchgeführt. Die Wärmepumpenanlage wird einer ökologischen Bewertung unterzogen.
Ausgewählte Untersuchungen an Plattenwärmeübertragern zur zweistufigen Trinkwassererwärmung im Durchflussprinzip
An einem Prüfstand zur direkten, zweistufigen Trinkwassererwärmung im Leistungs-bereich von 50 bis 100 kWth wurden thermohydraulische Tests verschiedener
Plattenwärmeübertrager durchgeführt. Neben Druck, Temperatur und Volumenstrom wurden Wegänderungen über frei positionierbare induktive Wegaufnehmer erfasst.
Im Rahmen der Arbeit wurden Versuchsreihen für kupfergelötete sowie kupfergelötete, innen verzinnte Plattenwärmeübertrager absolviert. Im Anschluss erfolgte eine vergleichende Bewertung der Versuchsreihen.
Entscheidungsinstrument für die zukünftige Strombeschaffung und Vertriebslastprognose der ewag.kamenz
Diese Arbeit soll dem Stadtwerk helfen, die seit der Liberalisierung veränderten Stromlieferverträge marktgerecht zu bewerten. Dafür wurde ein Bewertungsinstrument geschaffen, dass auf Basis der jährlichen Stromaufwendungen und der eingegangenen Risiken Stromlieferverträge vergleicht. Ein Großteil der neuen Stromlieferverträge basiert auf der Anmeldung eines Lastganges, der mit Hilfe eines Lastprognose-programms erstellt werden kann. Die Auswahl einer geeigneten Software ist der zweite Schwerpunkt der Arbeit.