Simulation, Wirtschaftlichkeit und Auslegung solar unterstützter Nahwärmesysteme mit Heißwasser-Wärmespeicher

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation, Wirtschaftlichkeit und Auslegung solar unterstützter Nahwärmesysteme, die einen solaren Deckungsanteil von etwa 35% des Gesamtwärmebedarfs erreichen. Diese Systeme ermöglichen eine signifikante Reduktion fossiler Brennstoffe und zeichnen sich durch moderate Investitionskosten aus, insbesondere im Vergleich zu Systemen mit einem höheren solaren Deckungsanteil von 50%, bei denen eine saisonale Wärmespeicherung erforderlich wäre. Eine umfassende Literaturrecherche hat ergeben, dass es bislang keine spezifischen Auslegungsrichtlinien für solar unterstützte Nahwärmesysteme mit erdvergrabenen oder oberirdischen Heißwasser-Wärmespeichern bei einem solaren Deckungsanteil von 35% gibt. Ziel dieser Untersuchung war es, solche Dimensionierungsrichtlinien zu entwickeln, basierend auf umfangreichen Simulationsanalysen. Für die realitätsnahe Simulation des thermischen Verhaltens typischer solar unterstützter Nahwärmenetze wurden zwei Wärmelasten definiert, die unterschiedliche jährliche mittlere Vor- und Rücklauftemperaturen aufweisen: 68/41 °C und 60/30 °C, abhängig von der verwendeten Systemtechnik zur Trinkwassererwärmung. Für die Wärmelast 68/41 konnte ein in der Literatur beschriebenes Modell erfolgreich angewendet werden, während für die Wärmelast 60/30 ein neues Simulationsmodell mit der TRNSYS-Software entwickelt wurde. Beide Modelle wurden durch Validierungen mit Messdaten bestehender Nahwärmenetze überprüft. Zudem wurde die Anwendbarkeit des sogenannten XST-Modells zur Berechnung des thermischen Verhaltens erdvergrabener Wärmespeicher innerhalb des Simulationsprogramms TRNSYS eingehend dokumentiert. Zur Validierung wurden die Messdaten eines Heißwasser-Wärmespeichers in Hannover (Volumen 2.795 m³) herangezogen. Besonders hervorzuheben ist, dass in dieser Untersuchung erstmals die Temperaturen im umgebenden Erdreich sowie das thermische Verhalten der Verbindungsleitungen zwischen Heizzentrale und Wärmespeicher berücksichtigt wurden. Diese Ergebnisse tragen wesentlich zur Optimierung und Effizienzsteigerung solar unterstützter Nahwärmesysteme bei und bieten wertvolle Ansätze für zukünftige Planungen und Auslegungen in der Praxis.

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