Datenmodell für Netze und Wärmequellen

Das thermische Netz ist die Angebotsseite der Studie: die Leitungen, die das Arbeitsmedium verteilen, die Übergabestationen, die Gebäude daran anschliessen, sowie die Energiezentralen und Wärmequellen, die die Wärme erzeugen. Diese Seite beschreibt, wie diese Bausteine organisiert sind — welche Entwurfsentscheidungen Sie auf jeder Ebene treffen und wie das Modell sie abbildet.

Zum Projekt-/Szenario-Container siehe Projekte, Szenarien und das Datenmodell. Zum Quartier und den Gebäuden, die das Netz versorgt, siehe Datenmodell für Quartiere und Gebäude.

Das Netz auf einen Blick

Ein thermisches Netz ist ein Graph aus Knoten (den Punkten, an denen Leitungen aufeinandertreffen, an denen Gebäude einspeisen bzw. abgreifen, an denen Wärme erzeugt wird) und Kanten (den Leitungen, die das Medium dazwischen transportieren), zusammen mit den technischen Parametern, die Medium, Einsatzplanung und Finanzen bestimmen.

Drei technische Entscheidungen, die auf Netzebene getroffen werden, prägen nahezu alles Weitere:

• Der Modus. Heizen, Kühlen oder kombiniertes Heizen und Kühlen. Dies bestimmt, welche Bedarfe die Wärmequellen decken müssen und welche Simulationspfade zur Anwendung kommen.
• Die Vor- und Rücklauftemperaturen. Zusammen mit dem Arbeitsmedium definieren sie die „Generation" des Netzes — Hochtemperatur-4-Leiter, Niedertemperatur-4-Leiter, Anergie / 5G — und schränken ein, welche Arten von Quelle und Übergabestation sinnvoll sind. Siehe Netzgenerationen.
• Das Arbeitsmedium. Wasser für die meisten Warmnetze; ein Glykolgemisch für Kaltnetze, in denen Frostschutz erforderlich ist. Das Modell verwendet die Fluideigenschaften, um Dichte, Viskosität und Wärmekapazität zu berechnen, die in die Leitungsdimensionierung und die Pumpenberechnungen einfliessen.

Die aggregierte Bedarfskurve ist der stündliche thermische Bedarf, den das Netz decken muss, aufsummiert aus den angeschlossenen Gebäude-Übergabestationen. Die Einsatzplanung nutzt sie, um zu entscheiden, welche Quellen wann laufen.

Knotentypen: Verzweigungen, Übergabestationen, Energiezentralen

Die drei Knotentypen spielen unterschiedliche technische Rollen, obwohl sie eine Position im Graphen teilen.

• Energiezentralen sind der Ort, an dem Sie eine oder mehrere Wärmequellen installieren — Kessel, Wärmepumpen, Biomasse-Anlagen, geothermische Wärmepumpen mit einem Erdsondenfeld. Ein kleines Netz hat üblicherweise eine; ein grösseres Netz kann eine Grundlast-Energiezentrale plus eine Spitzenlasteinheit an anderer Stelle der Trasse haben.
• Gebäude-Übergabestationen sind die Schnittstelle zwischen einem Gebäude (oder einer kleinen Gruppe von Gebäuden, die sich einen Anschluss teilen) und dem Netz. Der Typ der Übergabestation — direkt, Wärmetauscher oder Booster-Wärmepumpe — bestimmt, wie die Wärme an dieser Schnittstelle übertragen wird.
• Leitungsverzweigungen sind reine Routing-Knoten. Dort wird keine Wärme hinzugefügt oder entnommen. Sie treten überall dort auf, wo sich die Topologie verzweigt.

Sowohl Energiezentralen als auch Gebäude-Übergabestationen können eine oder mehrere Umwälzpumpen enthalten.

Typen von Gebäude-Übergabestationen

Der Anschlusstyp an einer Gebäude-Übergabestation hängt von der Vorlauftemperatur des Netzes im Verhältnis zum Bedarf des Gebäudes ab.

Die Wahl hat Folgewirkungen: Eine Übergabestation mit Booster-Wärmepumpe benötigt eine Stromversorgung und bringt ihre eigene Effizienz und Emissionen in die Einsatzplanung ein. Ein Wärmetauscher führt einen Temperaturabfall ein, der in der Vorlauftemperatur des Netzes berücksichtigt werden muss.

Kanten: Leitungen und Anschlüsse

Es gibt drei Arten von Kanten im Graphen. Sie teilen den grössten Teil ihrer Daten — Geometrie, Abmessungen, Durchfluss, Hydraulik — verbinden aber unterschiedliche Knotentypen.

• Hauptleitungen bilden die Baum-und-Ast- (oder vermaschte) Topologie zwischen den Verzweigungen.
• Gebäudeanschlüsse sind die kurzen Leitungen von einer Verzweigung auf der Hauptleitung zu einer Gebäude-Übergabestation. Sie haben einen zusätzlichen Parameter — einen aktiven Anteil zwischen 0 und 1 — der es Ihnen erlaubt, den Anschluss eines Gebäudes teilweise oder vollständig zu deaktivieren, ohne ihn aus der Topologie zu entfernen; nützlich, wenn Sie stufenweise Anschlüsse modellieren.
• Energiezentralen-Anschlüsse sind die entsprechenden kurzen Leitungen von einer Energiezentrale zu einer Verzweigung.

Was auf jeder Leitung gespeichert wird:

Ein Netz, das verlegt, aber noch nicht dimensioniert wurde, hat seine Geometrie und Topologie gefüllt; die Abmessungen werden durch den Leitungsdimensionierungsschritt ergänzt; Durchfluss-, Hydraulik- und Energiefelder werden durch die Simulation gefüllt. Deshalb zeigt ein frisch verlegtes Netz null Druckverlust und null Wärmeverlust, bis Sie die Dimensionierung und Simulation ausführen.

Siehe Netzdimensionierung und Hydraulik für die Dimensionierungsmethode und Wärmeverlust und Simulation für das, was der Simulator berechnet.

Wärmequellen an einer Energiezentrale

Eine einzelne Energiezentrale hat üblicherweise mehr als eine Wärmequelle — eine Grundlasteinheit plus eine Spitzenlasteinheit oder eine Primäreinheit plus eine Reserve. TESSA modelliert jede als eigenes Objekt, damit die Einsatzplanung zwischen ihnen wählen kann, die Kostenberechnung CAPEX und OPEX korrekt aufsummieren kann und der Bericht Energie und Emissionen jedem Brennstoff zuordnen kann.

Was jede Wärmequelle mit sich trägt:

Zwei Kennzahlenpaare sind es wert, klar verstanden zu werden:

• Nutz- vs. Endleistung und -energie. Nutz ist das, was an das Netz geliefert wird; End ist das, was als Brennstoff oder Strom verbraucht wird. Das Verhältnis ist die Effizienz oder der COP der Quelle. Berichte verwenden beide — Nutzwerte für Dimensionierung und Einsatzplanung, Endwerte für Kosten und Emissionen.
• Grenzkosten und Grenz-CO₂. Automatisch berechnet als (1 / efficiency) × fuel_price und (1 / efficiency) × fuel_CO₂. Diese steuern die Merit-Order-Einsatzplanung, wenn mehrere Quellen den Bedarf decken können.

Wie Quellen zu jeder Stunde ausgewählt werden — strikte Merit-Order, Must-Run, Kapazitätsanteil — wird durch die auf der Energiezentrale festgelegte Allokationsstrategie bestimmt. Siehe Allokation mehrerer Quellen.

Dasselbe Wärmequellen-Objekt wird auch an Gebäude-Übergabestationen verwendet, wenn der Typ der Übergabestation „Booster-Wärmepumpe" ist — die Booster-WP ist eine Wärmequelle, die an die Übergabestation und nicht an eine Energiezentrale angeschlossen ist.

Erdsondenfelder

Ein Erdsondenfeld ist eine besondere Art von Wärmequelle — ein erdgekoppelter Tauscher, den eine Wärmepumpe als Kältequelle nutzt. Da ein Feld entweder von einer Energiezentrale (einer zentralen Erdreich-Wärmepumpe) oder von mehreren Gebäude-Übergabestationen (einem Netz von Booster-WP, die sich einen gemeinsamen Kreislauf teilen) referenziert werden kann, ist es auf Szenarioebene angesiedelt und nicht innerhalb einer einzelnen Übergabestation.

Die für den Entwurf entscheidenden Bausteine:

• Konfiguration und Auslegung. Anzahl, Abstand und Tiefe der Bohrungen; ob sie als einfaches oder doppeltes U-Rohr ausgeführt sind. Alle Bohrungen in einem einzelnen Feld teilen dieselbe Auslegung.
• Erdreich. Die Wärmeleitfähigkeit, die volumetrische Wärmekapazität und die ungestörte Erdreichtemperatur der lokalen Geologie. Diese stammen aus einem Test de Réponse Thermique (TRT), sofern verfügbar, oder aus typischen regionalen Werten.
• Regenerationsquellen. Wärmequellen, deren Aufgabe es ist, im Sommer Wärme ins Erdreich einzuspeisen, um die Entnahme im Winter auszugleichen. Ohne Regeneration kühlt ein wärmedominiertes Feld das Erdreich über Jahre ab, und der COP der Wärmepumpe sinkt allmählich. Das thermische Bilanzverhältnis (jährliche Einspeisung ÷ jährliche Entnahme) ist die entscheidende Kennzahl, die es zu beobachten gilt — typischerweise wünschen Sie sich für ein langlebiges Feld einen Wert nahe 1.
• Das Arbeitsmedium. Oft ein Glykolgemisch, da Erdsondenkreisläufe unter 0 °C laufen können, selbst wenn der Rest des Netzes mit Wasser betrieben wird.

Erdsondenfelder haben ihre eigene Simulation, die stündliche Fluidtemperaturen und den Beitrag des Feldes zum COP der Wärmepumpe liefert. Siehe Geothermische Erdsondenfelder.

Pumpen und der Hydraulikkreislauf

Pumpen befinden sich an Übergabestationen — an Energiezentralen und an Gebäude-Übergabestationen — und sind Teil der Berechnung des Hydraulikkreislaufs und nicht der Einsatzplanung der Wärmequellen.

Der Simulator löst die Druckverluste des Netzes, um die Förderhöhe zu bestimmen, die die Pumpe überwinden muss, und dimensioniert dann die Nennleistung der Pumpe aus dem Auslegungsdurchfluss, der Förderhöhe und dem angenommenen Wirkungsgrad. Der Stromverbrauch der Pumpe erscheint in den Betriebskosten des Netzes und in dessen CO₂-Kennzahlen.

Alles zusammengesetzt

Das folgende Diagramm zeigt ein einfaches, aber vollständiges Bild: eine Energiezentrale mit einem Portfolio aus Wärmepumpe und Kessel, drei Gebäude-Übergabestationen an einer kurzen Hauptleitung sowie ein Erdsondenfeld, das als Kältequelle für die Wärmepumpe dient.

Die Bausteine hier sind alles, was Sie für einen ersten Entwurf benötigen:

• Eine Topologie, die angibt, wo Wärme in das Netz eintritt und es verlässt.
• Drei Typen von Übergabestationen, die repräsentativ für das sind, was Sie in einem realen Quartier mit gemischtem Gebäudebestand vorfinden würden.
• Ein Wärmequellen-Portfolio, das es der Einsatzplanung erlaubt, zwischen einer Wärmepumpe mit niedrigen Grenzkosten (durch die Kapazität begrenzt) und einem Kessel mit höheren Grenzkosten, der die Spitzen übernimmt, zu wählen.
• Ein Erdsondenfeld, das den COP der Wärmepumpe an die Erdreichtemperatur und an die von Ihnen vorgesehene Regeneration koppelt.

Wie es weitergeht

• Netzgenerationen — wie Vor-/Rücklauftemperaturen die Wahl von Übergabestation und Quelle prägen.
• Netzdimensionierung und Hydraulik — wie Leitungen aus dem Spitzendurchfluss dimensioniert werden.
• Wärmeverlust und Simulation — was die zeitschrittweise Simulation tatsächlich berechnet.
• Allokation mehrerer Quellen — wie Wärme über die Quellen an einer Energiezentrale verteilt wird.
• Geothermische Erdsondenfelder — Dimensionierung, Regeneration und das Erdreichmodell.
• Finanzmodell — wie quellen- und netzbezogene Kosten im Finanzbericht zusammenfliessen.