Energie- und kostenoptimierte Kalte Nahwärmenetze – Auslegung, Simulation und Online-Tool für innovative Systemvarianten

Abstract

Im Forschungsprojekt „Energie- und kostenoptimierte Kalte Nahwärmenetze – Auslegung, Simulation und Online-Tool für innovative Systemvarianten“ wurde ein Simulationsmodell für die Berechnung und Bewertung von Systemvarianten der kalten Nahwärme entwickelt. In Zusammenarbeit mit Projektpartnern aus dem Bereich der Quartiersentwicklung und Energieversorgung werden anhand realer Planungsbeispiele von Quartieren Systemvarianten mit unterschiedlichen Ausgestaltungen kalter Nahwärmenetze bestimmt und energetisch sowie ökonomisch bewertet. Das Simulationsmodell, umgesetzt in der Programmierumgebung Modelica, beinhaltet Komponenten der Bereiche Wärmequellen, thermisch-hydraulische Abbildung des Verteilnetzes und Wärmeverbraucher/Prosumer. Die definierten Systemvarianten umfassen eine unterschiedliche Kombination zentraler und dezentral im Netz verteilter (Ab-)Wärmequellen. Der Fokus der zentralen Wärmequellen liegt hierbei auf oberflächennaher Geothermie. Zu diesem Zweck wird ein eigens entwickeltes, detailliertes Teilmodell für einen Erdwärmekollektor in das Gesamtmodell integriert. Als dezentrale Wärmequellen werden unter anderem (Aufdach-)Solarthermie-, PVT-Anlagen und passive Gebäudekühlung mit einbezogen. Der Einfluss dezentraler Wärmequellen auf die mögliche Reduzierung der Größe eines Erdwärmekollektors als zentrale Wärmequelle wird im Speziellen untersucht. Aus der kleineren Dimensionierung der zentralen Wärmequelle ergeben sich deutliche Einsparungen in den investitionsgebundenen Kosten bei der Bestimmung der Wärmegestehungskosten des Gesamtsystems. Die Systemvariante mit einer größeren Anzahl dezentraler Aufdach-PVT-Anlagen weist in den untersuchten Quartieren und unter den definierten Randbedingungen jeweils die geringsten Wärmegestehungskosten und die höchste energetische Effizienz des Wärmepumpenbetriebs auf. Simulationsergebnisse aus einer Parameterstudie für klimatisch unterschiedliche Regionen werden abschließend dazu genutzt, um ein frei verfügbares Software-Werkzeug zur Vorauslegung von kalten Nahwärmenetzen zu entwickeln. Aufbauend auf den generierten Ergebnissen können mittels niederschwelliger Definition von Randbedingungen für ein zu berechnendes Quartier Dimensionierungen von Erdwärmekollektoren und Erdwärmesondenfeldern ausgegeben werden.