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Realising the aims and visions of energy policy requires special solutions. The contribution presents a solution which respects the conditions of conventional district heating (DH) systems in Germany and a heterogeneous building structure in an urban quarter. The simulation shows that a solar fraction of about 10% can be reached easily from technical and economic points of view. The concept can be transferred to further areas within a town (urban restructuring) and other conventional DH systems in Germany. In Chemnitz, this concept is being implemented step by step from 2013 to 2018.

An der TU Chemnitz haben sich seit über zwei Jahrzehnten die Gebiete der rechnergestützten Wissenschaften (Computational Science) sowie des parallelen und verteilten Hochleistungsrechnens mit zunehmender Verzahnung entwickelt. Die Koordinierung und Bündelung entsprechender Forschungsarbeiten in der Profillinie 6 “Modellierung, Simulation, Hochleistungsrechnen” wird es ermöglichen, im internationalen Wettbewerb des Wissens mitzuhalten.

Der Einsatz von Kurzzeit-Multi-Wasserspeichern mit mehreren Temperaturniveaus unter der Einbindung von Solarthermie und anderen Wärmequellen für unterschiedliche Temperaturanforderungen der Verbraucher ist heute noch wenig verbreitet. Bisher wurden kaum größere Kurzzeit-Multiwasserspeicher für eine industrielle Anwendung in Kombination mit einer solarthermischen Anlage, Wärmerückgewinnung und weiteren Wärmequellen untersucht. In dieser Arbeit wird eine Simulation der Einsatzmöglichkeiten von mehreren heißen bzw. warmen Wasserspeichern, in denen die Wassermengen variabel sind, für verschiedene Anwendungen durchgeführt. Dabei kommt das Kurzzeit-Multispeichersystem nicht nur als Wasserspeicher, sondern auch zur Wärmeverteilung von mehreren Wärmequellen und Wärmeverbrauchern in Betracht. Mit den Berechnungen wird das Kurzzeit-Multispeichersystem aus energetischer Sicht bewertet. Dabei werden die Betrachtungen durch mehrere Fallstudien für die Stadt Chemnitz, Deutschland und die Stadt Homs, Syrien durchgeführt. Die Anordnungen und die Wärmedämmungen von Speicherelementen sowie die Verbindungen zwischen den Behältern im Speichersystem werden auch untersucht. Den Simulationen liegt ein selbst geschriebenes Programm in MATLAB, das aus mehreren Unterprogrammen besteht, zugrunde. Dabei werden ein- und zweidimensionale Matrizen benutzt. Die Ergebnisse der energetischen Untersuchungen zeigen Potenziale für die Erhöhung des solaren Energieertrags und der anderen verfügbaren Wärmequellen sowie Einsparungen des konventionellen Energieverbrauchs. The application of short-term multi-water storage of different temperature levels with the integration of solar thermal and other heat sources for different temperature consumers is still not widely used today. So far, hardly any short-term multi-water storage has been studied for industrial applications in combination with a solar thermal system and a heat recovery as well as other heat sources. In this thesis, a simulation for possible implementation of several hot and/or warm water reservoirs, in which the water quantities are variable, is carried out for different applications. The shortterm multi-storage system is not only considered as water storage but also as heat distribution of several heat sources and heat consumers. The calculations assess the short-term multi-storage system from an energy point of view. Thereby, the considerations for several case studies for comparison with the city of Chemnitz, Germany and the city Homs, Syria will be carried out exemplarily. The arrangements and thermal insulation of storage elements as well as the connections between the containers in the storage system have also been investigated. The simulations are based on a program in MATLAB, which consists of several subroutines to simplify the calculation. One and two-dimensional matrices are used. The results of the energetic investigations show a potential increase of the solar energy yield and other available heat sources as well as savings of conventional energy consumption.

In dieser Arbeit wird ein Simulationsprogramm für das Gas-Verhalten in Heizungssystemen entwickelt. Der Gaseintrag durch das Membranausdehnungsgefäß und Dichtungsstellen, die Entstehung und Ansammlung von Gasblasen und die Funktionen der Heizungsanlage werden in einem Programm dynamisch simuliert. Mit diesem Programm wird eine Parameter-Studie durchgeführt. Die Einflüsse verschiedener Faktoren auf das Vorhandensein des Gases und die Leistung der Heizungsanlage werden ausgewertet, wie zum Beispiel der Druck und Temperatur im Heizungssystem, die Gasgehalten im Füllwasser, die Auswirkung eines atmosphärischen Entgasungsgeräts. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss der Gaspermeation auf das Auftreten von Gasblasen im Heizungssystem im Vergleich zum Anfangsgasgehalt im Füllwasser sehr gering ist. Bei höherer Temperatur dringt viel mehr Sauerstoff in das System ein. Die meisten Gasblasen sammeln sich in dem Heizkörper in der höchsten Etage mit dem kürzesten Kreislauf an. Das atmosphärische Entgasungsgerät wirkt besser als das MAG bei der Druckhaltung. Jedoch wird mehr Rost in der Heizungsanlage durch den von dem Behälter des Entgasungsgeräts eingetragenen Sauerstoff erzeugt. The purpose of this paper is to find out how and how much gas get into the heating system through permeation, when and where the gas bubbles get accumulated in the heating system and how well an atmospheric degassing device works. For this propose a dynamic timestep simulation was made with C# program to simulate heating system and the gas behaviors in the system. Sensibility tests were made for different factors such as sealing material, temperature and gas concentration in water. In addition, the speed of the gas permeation in the dynamic simulation gets compared with the values of static calculation in the literature. The results showed, that different sealing material and different temperature could make a big difference for the amount of gas that permeate in to the system. But compare to the initial gas concentration in the filling water is gas permeation alone is not a decisive factor for the presence of gas bubbles in the heating system and does not have a major impact on the performance of the heating system. More oxygen enters the system and get consumed by corrosion at higher operation temperatures. The results also showed, that the atmospheric degassing device works better than MAG at the pressure maintenance and getting rid of gas bubbles. However, oxygen gets constantly introduced in to the heating system through the container of the atmospheric degassing device. More rust is therefore generated.

Fernkälte bietet das Potenzial, wirtschaftlich und ökologisch vorteilhaft zur Deckung des stetig zunehmenden Klimakältebedarfs beizutragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein dynamisches thermohydraulisches Netzmodell „ISENA“ entwickelt, mit dem während der Planung und des Betriebs von Fernkältesystemen auftretende Fragen, beispielsweise in Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz, beantwortet werden können. Das Netzmodell setzt sich aus einem quasistationären hydraulischen Modell und einem instationären thermischen Modell zusammen, das auf der Verfolgung von Wasserpfropfen durch das gesamte Netz basiert (Lagrange-Ansatz). Mit diesem Modellierungsansatz können numerische Fehler sowie Bilanzungenauigkeiten vermieden werden, sodass sich eine höhere Ergebnisgüte im Vergleich zu bisher bekannten Netzmodellen erreichen lässt. Ebenfalls neu entwickelt wurde das Teilmodell zur Abbildung der Wärmeströme über die Wände unterirdischer Rohrpaare (Kälteverluste und -gewinne). Dieses Modell erlaubt die Bestimmung der instationären Rohrwand-Wärmeströme für wärmegedämmte unterirdische Rohrpaare, Rohrpaare mit gedämmtem Vor- und ungedämmtem Rücklauf sowie ungedämmte Rohrpaare. Anhand von Validierungs- und Verifikationsrechnungen wird gezeigt, dass ISENA verlässliche Ergebnisse liefert und für die praktische Anwendung geeignet ist. Abschließende Beispielrechnungen geben einen Einblick in die Untersuchungsmöglichkeiten, die das neue Modell bietet – unter anderem im Hinblick auf den Vergleich von Pumpenregelungsvarianten, den Einfluss von Rohrdämmung und Erdreicheigenschaften auf Kälteverluste und -gewinne sowie die Einbindung von Hochtemperatur-Kälteverbrauchern in den Netzrücklauf.:1 Einleitung 1.1 Situation 1.2 Aufbau und Betrieb von Fernkältesystemen 1.3 Netzmodellierung und -simulation 1.4 Präzisierte Aufgabenstellung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Begriffe und Definitionen 2.2 Rohrleitungen 2.2.1 Technik 2.2.2 Modellierung 2.3 Peripherie 2.3.1 Kälteabnehmer 2.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 2.3.3 Erzeuger 2.3.4 Pumpen 2.3.5 Bypass 2.4 Netz 2.4.1 Netzstruktur 2.4.2 Hydraulisches Verhalten 2.4.3 Thermisches Verhalten 2.4.4 Beispielsysteme 2.5 Zwischenfazit 3 Modellerstellung 3.1 Grundlagen 3.2 Rohrleitungen 3.2.1 Hydraulisches Rohrmodell 3.2.2 Modellierung des Rohrwand-Wärmestroms 3.2.3 Thermisches Rohrmodell 3.3 Peripherie 3.3.1 Kälteabnehmer 3.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 3.3.3 Erzeuger 3.3.4 Pumpen 3.3.5 Bypass 3.3.6 Rücklaufabnehmer 3.4 Netz 3.4.1 Hydraulisches Modell 3.4.2 Thermisches Modell 3.4.3 Gesamtmodell 3.5 Programmtechnische Umsetzung 4 Modellvalidierung und -verifikation 4.1 Vorbetrachtungen 4.2 Kernmechanismen 4.2.1 Hydraulik 4.2.2 Konvektiver Energietransport 4.2.3 Wärmeübertragung über die Rohrwand 4.2.4 Wärmezufuhr bei Kälteabnehmern 4.3 Schlussfolgerungen 5 Beispielsimulationen 5.1 Vorgaben 5.2 Referenzfall 5.3 Varianten 5.3.1 Pumpenregelung 5.3.2 Netz-Vorlauftemperatur 5.3.3 Rohrgeometrie und Erdreicheigenschaften 5.3.4 Rücklaufabnehmer 6 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A Existierende Modelle A.1 Hydraulikberechnung mit Regelelementen A.2 Rohrwand-Wärmeströme A.3 Freie Konvektion bei Stillstand im Rohr B Numerisches Modell für Rohrwand-Wärmeströme B.1 Referenzmodell B.2 Bestimmung der Neipor-Parameter B.3 Tabellierte Neipor-Parameter C Modell ISENA C.1 Pfropfenteilung C.2 Programmtechnische Umsetzung C.3 Rohrklassen C.4 Stoffdaten District cooling can provide economic and ecological benefits while supplying the increasing cooling demand for air conditioning. In the present thesis, a dynamic thermo-hydraulic model “ISENA” is presented which may be used in order to answer questions arising during design and operation of district cooling networks—e. g., that are related to economic and energy efficiency. The network model consists of a quasi-static hydraulic module and a transient thermal module being based on the tracking of water segments through the entire network (Lagrangian method). With this approach, numerical errors and inaccuracies in the balance of conserved quantities could be avoided, which eventually leads to a better reliability of the results as compared to that obtained from other network models. Additionally, a new sub-model has been developed for predicting the transient heat flux through the walls of buried pipes in order to model thermal gains and losses. This model covers un-insulated, insulated and combinations of insulated as well as un-insulated pipes. Calculations performed for the purpose of validation and verification are presented in order to demonstrate that ISENA provides reliable results and hence is suitable for practical applications. Finally, example simulations show the various possibilities provided by the new model—for example, concerning the comparison of different strategies for pump control, the influence of pipe insulation and soil properties on thermal gains and losses as well as the connection of buildings equipped with high temperature cooling systems to the return line of the network.:1 Einleitung 1.1 Situation 1.2 Aufbau und Betrieb von Fernkältesystemen 1.3 Netzmodellierung und -simulation 1.4 Präzisierte Aufgabenstellung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Begriffe und Definitionen 2.2 Rohrleitungen 2.2.1 Technik 2.2.2 Modellierung 2.3 Peripherie 2.3.1 Kälteabnehmer 2.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 2.3.3 Erzeuger 2.3.4 Pumpen 2.3.5 Bypass 2.4 Netz 2.4.1 Netzstruktur 2.4.2 Hydraulisches Verhalten 2.4.3 Thermisches Verhalten 2.4.4 Beispielsysteme 2.5 Zwischenfazit 3 Modellerstellung 3.1 Grundlagen 3.2 Rohrleitungen 3.2.1 Hydraulisches Rohrmodell 3.2.2 Modellierung des Rohrwand-Wärmestroms 3.2.3 Thermisches Rohrmodell 3.3 Peripherie 3.3.1 Kälteabnehmer 3.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 3.3.3 Erzeuger 3.3.4 Pumpen 3.3.5 Bypass 3.3.6 Rücklaufabnehmer 3.4 Netz 3.4.1 Hydraulisches Modell 3.4.2 Thermisches Modell 3.4.3 Gesamtmodell 3.5 Programmtechnische Umsetzung 4 Modellvalidierung und -verifikation 4.1 Vorbetrachtungen 4.2 Kernmechanismen 4.2.1 Hydraulik 4.2.2 Konvektiver Energietransport 4.2.3 Wärmeübertragung über die Rohrwand 4.2.4 Wärmezufuhr bei Kälteabnehmern 4.3 Schlussfolgerungen 5 Beispielsimulationen 5.1 Vorgaben 5.2 Referenzfall 5.3 Varianten 5.3.1 Pumpenregelung 5.3.2 Netz-Vorlauftemperatur 5.3.3 Rohrgeometrie und Erdreicheigenschaften 5.3.4 Rücklaufabnehmer 6 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A Existierende Modelle A.1 Hydraulikberechnung mit Regelelementen A.2 Rohrwand-Wärmeströme A.3 Freie Konvektion bei Stillstand im Rohr B Numerisches Modell für Rohrwand-Wärmeströme B.1 Referenzmodell B.2 Bestimmung der Neipor-Parameter B.3 Tabellierte Neipor-Parameter C Modell ISENA C.1 Pfropfenteilung C.2 Programmtechnische Umsetzung C.3 Rohrklassen C.4 Stoffdaten

Description and assessment of technology-related concepts aiming at improving the energy conservation in residential buildings. Explanation of the method and discussion of the whole-year simulation results for SOFC micro-CHP systems and Stirling engines in relation with single-family houses of different thermal insulation standards. Benchmark with conventional energy supply systems. Computation of allowable investment costs Beschreibung und Beurteilung unter technischen, ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten zweier technologiebasierter Maßnahmen zur Effizienzsteigerung der Energiebereitstellung im Gebäudesektor. Darstellung der verwendeten Methodik und der Simulationsergebnisse am Beispiel von SOFC-Brennstoffzellen-Heizgeräten und Stirling-Motoren in Relation mit Einfamilienhäusern verschiedener Dämmstandards. Vergleich mit herkömmlichen und etablierten Versorgungstechnologien Berechnung von anlegbaren Investitionskosten.