Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-180
Main Title: Beitrag zur Berechnung und Auslegung von Fernwärmenetzen
Translated Title: Contribution for calculation and interpretation of district heating networks
Author(s): Köcher, Ralf
Advisor(s): Grigorieff, Rolf Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit wird ein Simulationsprogramm mit Verwendung der Programmiersprache C zur thermo-hydraulischen Berechnung von Fernwärmenetzen mit inkompressiblem Transportmedium (thip) vorgestellt, wobei ein Schwerpunkt bei der Programmentwicklung in der Reduzierung der benötigten Rechenzeiten liegt. Während die Modellierung der hydraulischen und thermischen Zusammenhänge einzelner Netzkomponenten weitgehend aus früheren Arbeiten zu diesem Thema übernommen werden, wird das Lösungskonzept mit Verwendung von sparse-Matrix Techniken und spezieller mathematischer Verfahren (Verwendung analytisch berechneter Ableitungen) neu entwickelt. Eine Vielzahl an numerischen und graphentheoretischen Verfahren werden hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit und Rechenzeiten anhand der vorliegenden Probleme detailliert untersucht, wobei jeweils die geeignetsten Verfahren ausgewählt werden. Das implementierte Lösungskonzept verwendet dem jeweiligen Problem angepaßte Datenstrukturen, wodurch die Zugriffszeiten auf Daten und der Speicherbedarf auf das notwendige Minimum reduziert werden. Die Modellierung der thermischen und hydraulischen Vorgänge ist anhand von in Betrieb befindlichen Wärmenetzen geprüft worden, deren Ergebnisse in Bezug auf Realitätsnähe und Rechenzeit zufriedenstellend sind. Das Diskretisierungsverfahren zur Berechnung der thermischen Transportvorgänge wurde eingehender untersucht. Aus diesen Betrachtungen ging die Entwicklung eines konservativen Differenzenverfahrens (ein Berechnungsschema in Erhaltungsform) hervor. Zur Unterstützung bei der Analyse der berechneten Ergebnisse wurden aufgrund der Vielzahl an Daten verschiedene Möglichkeiten zur graphischen Darstellung von Druck- und Temperaturverläufen geschaffen. Auch die Untersuchung von Fragestellungen hinsichtlich Netzbetrieb, z.B. Aussagen bezüglich des Laufzeitverhaltens im Netz können durchgeführt werden. Verschiedene Vorgaben praktischrelevanter Anforderungen, wie die Berücksichtigung vorgegebener Versorgungsanforderungen, lassen sich in die Berechnung einbeziehen. In diesem Zusammenhang sind Möglichkeiten untersucht worden, die eine realistische Abbildung von Fernwärmenetzen durch Berücksichtigung eines temperatur- und zeitabhängigen Verbraucherverhaltens ermöglichen. Basierend auf den erzielten Rechenzeiten (Sekunden- bis Minutenbereich für einen Tageszeitraum) zur Bestimmung der Zustände von Fernwärmenetzen kann an Verfahren zur Optimierung bestehender Netze oder an Verfahren zur Auslegung neuer Netze gearbeitet werden. Bei den durchgeführten Untersuchungen zu diesem Thema handelt es sich um die kostenoptimale Auslegung neuer Wärmenetze. Dazu müssen lediglich die Standorte der Verbraucher und Erzeuger mit deren Abständen vorgegeben werden. Das gewählte Vorgehen unterscheidet zwischen Struktur- und Betriebsoptimierung und gewährleistet die Einhaltung technischer Nebenbedingungen. Deren Funktionsfähigkeit wird anhand eines Beispielnetzes demonstriert, wobei die verwendeten Kosten sich an für 1999 üblichen Marktpreisen orientieren. Eine Reihe der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen sind als Machbarkeitsstudien zu verstehen, die bei praktischer Anwendung leicht angepaßt bzw. erweitert werden können. Das Projekt wurde mit Mitteln des BMBF gefördert und wurde in Zusammenarbeit mit der Bewag-AG in Berlin durchgeführt.
The main aim of the project is the thermo-hydraulic calculation of district heating networks with an incompressible feed medium by time-saving numerical methods. The modelling of the hydraulic and thermal relations of the various components of the heating network are based on earlier studies on this topic. Graph-theoretical methods are used to describe the topology of the heating system, in which spanning trees play a crucial role. The solution concept is based on sparse-matrix techniques with special data structures, which have been fitted to the particular problem. The main interest of the district heating supplier is a long-time simulation of the heating network combined with an optimization of the heat distribution and the producer's service. They are important for the power station to plan things like fuel supply and intervals of maintenance more efficiently. In the already existing computer codes an arising problem was the need to accelerate the simulation in order to obtain results in an acceptable amount of time on common computers. The obtained simulation tool makes the calculation of the system states in acceptable short times possible. Furthermore, it approaches more realistically the behaviour of the heating system by considering a time-dependent consumer demand (heat load). Questions regarding the main operation and the flow time behaviour of the heat distribution of the system are also examined. This project was supported by a grant from the german BMBF ministery and carried out in collaboration with the Bewag company in Berlin.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-821
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/477
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-180
Exam Date: 8-Sep-2000
Issue Date: 10-Oct-2000
Date Available: 10-Oct-2000
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Fernwärmenetze
Modellierung
Simulation
Sparse-Matrix Techniken
Zustandsberechnung
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