Gewässerthermie-Simulationsplattform

Technische Dokumentation der Website

Die Berechnung von Aquathermieanlagen wird in dieser Website in mehreren Schritten abgehandelt.

Zunächst wird der Wärmebedarf des durch die Anwender bestimmten Gebiets anhand von Open-Source-Daten ermittelt sowie anhand von Typprofilen ein Jahresverlauf für das Gebiet definiert. Darauf aufbauend kann mit einem Temperaturprofil für das jeweilige Oberflächengewässer eine Wärmepumpenberechnung durchgeführt werden. In einem weiteren Schritt werden die Ergebnisse visualisiert.

graph LR
  A[Wärmelastberechnung] --> C[Wärmepumpenberechnung] --> D[Ergebnisdarstellung]

Wärmelastberechnung

Die Wärmelastberechnung beruht auf dem Konferenzbeitrag [1]. Im Gegensatz zu den im Paper verwendeten Lastprofilen aus der VDI 4655 werden auf dieser Website die Profile mittels BDEW-Lastprofilen [2] ermittelt.

Wärmepumpenberechnung

Bei der Wärmepumpenberechnung kann zwischen einer Vielzahl unterschiedlicher Wärmepumpenkonfigurationen und unterschiedlichen Quelltypen gewählt werden. Hierfür wird für Flüsse eine Zeitreihensimulation und für Seen eine Co-Simulation mit einem Seemodell durchgeführt (noch in Entwicklung). Das folgende Diagramm zeigt das Vorgehen:

Option 1: Flusswasserwärmepumpe

graph LR
  A[Messdatenupload] --> C_outer
  B[Historische Messdaten] --> C_outer

  subgraph C_outer[Flusswassersimulation]
    C_inner[Wärmepumpenmodul]
  end

Option 2: Seewasserwärmepumpe (noch in Entwicklung)

graph LR
subgraph C_outer[Cosimulation]
  A[Seewassersimulation] --> C[Wärmepumpenmodul]
  C --> A
end

Bei der Flusswassersimulation können historische Messdaten [3] oder selbst hochgeladene Tages- oder Stundenwerte verwendet werden. Diese gehen als Input in die Wärmepumpensimulation ein, welche basierend auf dem Python-Framework TESPy [4,5] entwickelt wurde. Die Wärmepumpensimulation erfolgt dabei mit bereits generierten Performance-Maps.

Ergebnisdarstellung

In der Ergebnisdarstellung werden die Leistungswerte der Wärmepumpe dargestellt und über den Wärmebedarf geplottet. Nicht konvergierte Simulationen aufgrund einer Last außerhalb des Betriebsbereichs werden nicht abgebildet. Hier gibt es verschiedene Auswertungen, die unterschiedliche Aspekte berücksichtigen. Für die “Wärmepumpenauswertung” und die “Evaluation des Deckungsgrads nach minimaler Entnahmetemperatur” wird nur die Flusstemperatur mit einbezogen, wohingegen bei der “Evaluation der Volumenstromrestriktionen” auch der Abfluss des Flusses mit einbezogen wird.

Limitationen

Hier sind die aktuellen Limitationen der Simulationsplattform gelistet:

• Für die meisten Flüsse müssen Temperaturdaten selbst hochgeladen werden; ausgenommen sind Flüsse, für die bereits historische Daten (z. B. von LfU Bayern [3]) hinterlegt sind.
• Die Simulation der Wärmepumpen kann nur mit acht oder mehr parallelen Wärmepumpen gestartet werden, damit der Jahresverlauf eines Lastprofils abgebildet werden kann. In der Realität puffert ein Speicher niedrige Lasten und erlaubt den Einsatz von weniger Wärmepumpen, die dann getaktet in Betrieb sind. Da kein Speicher installiert ist, muss die Last auf mehrere kleine Wärmepumpen aufgespalten werden, um das Teillastverhalten korrekt abbilden zu können.
• Die Wärmepumpensimulationen basieren auf teilphysikalischen Simulationen und nicht auf Messdaten.
• Seen können aktuell nicht simuliert werden, da hierfür eine Co-Simulation nötig ist, die deutlich komplexer ist. Hieran arbeiten wir.
• Die berechneten Lasten basieren auf Annahmen und öffentlich verfügbaren Daten und können daher erhebliche Unsicherheiten aufweisen.

Wärmepumpenkurven

Die folgenden Diagramme zeigen die simulierten Performance-Maps der Wärmepumpenmodule in Abhängigkeit von Quell- und Senkentemperatur. Sie bilden die Grundlage für die im Tool verwendeten Berechnungen und wurden mittels Simulationsstudien basierend auf [4,5] erstellt.

Flashtank

Propan

Ammoniak

Direktkontaktverdampfung kaskadiert

Wasser → Ammoniak

Literatur