Liebe Leserinnen und Leser,
in der 47. Ausgabe unseres heatbeat Research Newsletters befassen wir uns mit den komplexen Herausforderungen von Wärmenetzen der fünften Generation. Wir konzentrieren uns auf einen Überblick über die hydraulische Auslegung und die Regelungsstrategien dieser kalten Wärmenetze und fassen die Ergebnisse einer kürzlich veröffentlichten Arbeit auf diesem Gebiet zusammen.
Das Paper "Development and Experimental Validation of a Hydraulic Design and Control Philosophies for 5th Generation District Heating and Cooling Networks" von Angelidis et al. stellt eine eingehende Studie vor, die sich auf die Entwicklung, die experimentelle Validierung und den Vergleich von Regelungsstrategien für Wärmenetze der fünften Generation (5GDHC) konzentriert. Die Forschung befasst sich mit der großen Herausforderung, wirksame Regelungsmechanismen zu entwickeln, die eine bidirektionale Strömung und Energiesynergien zwischen Heizung und Kühlung in diesen Netzen ermöglichen.
Die zentrale Herausforderung bei der Entwicklung von 5GDHC-Systemen besteht in der Verwaltung eines kalten Netzes, das sowohl Heizen als auch Kühlen ermöglicht. In diesem Beitrag werden zwei verschiedene Steuerungsstrategien vorgeschlagen und experimentell validiert.
Bei dieser Strategie wird die Rücklauftemperatur im Netz geregelt, um sicherzustellen, dass sie auf einem konstanten, vordefinierten Sollwert bleibt. Die Regelung ist darauf ausgelegt, eine stabile und vorhersehbare Netztemperatur aufrechtzuerhalten und Schwankungen zu minimieren, die sich negativ auf den Betrieb des Systems auswirken könnten.
Die Strategie wies einen geringfügig höheren Stromverbrauch auf, da die interne Pumpe der Booster-Wärmepumpe (BHP) den Rücklauf mischen musste, um die gewünschte Temperatur aufrechtzuerhalten, da die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Netz nicht übereinstimmte. Dies führte zu einer saisonalen Leistungszahl (SCOP) von 3,84 über 20 Betriebsstunden.
Im Gegensatz zu TGridFix erlaubt die TGridFloat-Strategie ein freies Schwingen der Netztemperatur in Abhängigkeit von der Leistungsnachfrage der Prosumer. Mit diesem Ansatz soll die Systemeffizienz optimiert werden, indem die Netztemperatur auf natürliche Weise schwanken kann, wodurch die Abhängigkeit von einer aktiven Temperaturregelung verringert wird.
TGridFloat zeigte eine bessere Energieeffizienz mit einem höheren SCOP von 4,08. Der geringere Bedarf an interner Pumpenarbeit führte zu einem niedrigeren Stromverbrauch. Allerdings führt diese Strategie zu einem unvorhersehbaren Verhalten des Systems, was den sicheren Betrieb zwischen den Verbrauchern und die Systemstabilität im Laufe der Zeit erschweren könnte.
Die experimentelle Validierung wurde mit einer kleinen 5GDHC-Anlage im Combined Smart Energy Systems (CoSES)-Labor der Technischen Universität München (TUM) durchgeführt. Hierbei wurden reale Bedingungen mit zwei Verbrauchern simuliert, einer mit Heizanforderung und einer mit Kühlanforderung. Die Experimente liefen 20 Stunden lang und deckten verschiedene Szenarien ab, darunter gleichzeitiger Heiz- und Kühlbedarf, nur Heizen, nur Kühlen und Zeiten ohne Bedarf. Der Versuchsaufbau führte zu den folgenden Ergebnissen.
Die Versuchsergebnisse bestätigten, dass das vorgeschlagene hydraulische Design mit dezentralen Pumpen und einer passiven Ausgleichseinheit (BU) die Systemstabilität wirksam aufrechterhält. Das System konnte den bidirektionalen Durchfluss erfolgreich bewältigen, ohne dass Regelungsinstabilitäten, wie z. B. häufiges Pumpentakten, auftraten, was bei dezentralen Pumpen ein häufiges Problem ist.
TGridFix ermöglichte eine bessere Kontrolle der Netztemperaturen, was für die Reduzierung der Komplexität der Wärmeabrechnung und die Aufrechterhaltung einer vorhersehbaren Systemleistung von Vorteil ist. Die Energieeffizienz wurde jedoch leicht beeinträchtigt, da zusätzliche Pumpen erforderlich waren, um die festgelegte Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten.
Beide Regelungsstrategien haben gezeigt, dass das vorgeschlagene System robust ist und während der Experimente keine wesentlichen Regelungsprobleme auftraten. Die Verwendung einer passiven BU und die Steuerung der dezentralen Pumpen auf Grundlage von Temperatur oder Durchflussmenge trugen zur Gesamtstabilität des Systems bei.
Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass sowohl TGridFix als auch TGridFloat praktikable Regelungsstrategien für 5GDHC-Systeme sind, wobei die Wahl zwischen beiden auf den spezifischen Anforderungen des Systems beruhen sollte. TGridFix bietet eine größere Vorhersagbarkeit und eine einfachere Implementierung, insbesondere bei der Abrechnung von Wärme und dem systemweiten Temperaturmanagement, erfordert aber ein sorgfältiges Systemdesign, um Ineffizienzen zu vermeiden. Auf der anderen Seite bietet TGridFloat eine größere Flexibilität und potenziell höhere Effizienz, allerdings auf Kosten einer höheren Unvorhersehbarkeit des Systems.
Die Studie unterstreicht, wie wichtig es ist, eine Regelungsstrategie zu wählen, die mit den Betriebszielen des Systems übereinstimmt, und hebt den Bedarf an weiterer Forschung hervor, insbesondere bei der Skalierung dieser Strategien für größere, reale Anwendungen, bei denen die Herausforderungen der Interaktion der Prosumer und der Systemstabilität komplexer werden.
Wie immer empfehlen wir, den Artikel vollständig zu lesen. Der Artikel gibt einen guten Überblick über die Komplexität der hydraulischen Auslegung und Regelungsstrategien in Wärmenetze der 5. Generation.
Die nächste Ausgabe unseres Newsletters wird am 2. Oktober 2024 erscheinen.
