Carsten Heinrich Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik

1. Carsten HeinrichDynamische Simulationen in der Umwelttechnik Zittau, 20.06.2007 Praxisorientierter Einsatz von Simulation

2. Inhaltsübersicht • Einführung • Notwendigkeit speziell im Rahmen umwelttechnischer Lösungen am Beispiel der Energietechnik • Praxisbeispiel: • solarthermisch angetriebene Klimatisierungssysteme • Unterschiede zwischen dynamischer und stationäre Simulation • Kurzdarstellung • Beispiel aus der energetischen Verbesserung von Haushaltskältegeräten • Umsetzung von dynamischen Simulation für die Praxis • Neue Ansätze für die Modellierung • Fazit Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

3. Energieversorgung auf Basis fossiler und regenerativer Energiequellen fossile Energiequellen • bedarfsgerechte Bereitstellung der Primärenergie (Gas, Öl) bzw. kompaktes Brennstofflager (Kohle) • Endenergiepreis ist stark an Primärenergienpreis gekoppelt regenerative Energiequellen • Energiequelle weist stochastisch und vorhersehbare Schwankungen auf • Endenergiepreis ist stark an die Investitionskosten gekoppelt • Anforderung an die Energieversorgung: • Bereitstellung der Energie entsprechend der Nachfrage • Kostengünstige Versorgung Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

4. Notwendige Simulation für eine Kosten- und Funktionsgerechten Nutzung regenerativer Energiequellen Ertragsprognose und Optimierung bei minimalen Änderungen der Anlagenkonfiguration Auswirkung auf das Netzverhalten Ausgleichmaßnahmen (Pufferspeicher) Auslegungsüberprüfung von größeren Energiespeichern gezielte Ansteuerung von Verbrauchern Reservesysteme steigendes Verhältnis Erzeugerleistung zu Netzgröße Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

5. Beispiel solargestützte Klimatisierung eines Bürogebäudes • Kältebedarf und Solarstrahlungsangebot weisen wesentliche Parallelen im Verlauf auf • Mit der Anwendung solargetriebener Klimatisierungs- technologien auf Basis von Absorptionskälteanlagen lässt sich ein Beitrag zur CO2 Minderung und zur Netzentlastung in kritischen Zeiten erreichen Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

6. Beispiel solargestützte Klimatisierung eines Bürogebäudes • Problemstellung in der Anlagengestaltung • Vielzahl verschiedener Technologien • Kollektortypen • Rückkühlvarianten • Speichervarianten, etc. • Vielzahl freier, in weitem Rahmen variabler Parameter • Kollektorfeldgröße • Speicherauslegung • stark Abhängigkeit vom Standort • Klimadaten, • Kühlbedarf • Eine analytische Optimierung auf Effizienz und Kosten ist nicht möglich! Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

7. Beispiel solargestützte Klimatisierung eines Bürogebäudes • Lösungsansatz liegt in der Simulation über ein so genanntes Referenzjahr • Nutzung vorhandener Simulationsumgebungen, z.B. TRNSYS • Ursprünglich zur Simulation von Gebäude entwickeltes, Komponentenorientiertes Simulationspaket • Notwendige Schritte • Entwicklung eines passenden Modells für die AKA • Entwicklung eines entsprechenden Gebäudemodells • Zusammenfügen und Parametrierung der gesamten Komponenten zum gewünschten Anlagenschema • Ausgabevariablen und Vorauswertung (z.B. Integration) deklarieren • Simulation Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

8. Beispiel solargestützte Klimatisierung eines Bürogebäudes Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

9. Simulationsergebnisse am spanischen Standort Huevla • maximal erreichte Kälteleistungen in Abhängigkeit von Kollektortyp, Rückkühlvariante und der Kollektorfläche Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

10. Simulationsergebnisse am spanischen Standort Huevla Vergleich von zwei Anlagenvarianten bezüglich Kälteleistung und Raumtemperaturverlauf: • Trockenkühlturm + Vakuum – Röhren - Kollektor • Meerwasserrückkühlung + Parabolrinnen – Kollektor Kollektorfläche je 55m² Absorptionskälteanlage je 15 kW Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

11. Aufwand – Vergleich dynamische – stationäre Simulation • Stationäre Simulation • eingeschwungene Zustände, keine zeitabhängigen Änderungen, keine Speichereffekte • Stellt in der Natur und Technik nicht die Regel sonder den Spezialfall dar • Optimierungspotenzial auf Basis stationäre Zustände ist heute in vielen Bereichen ausgeschöpft • wesentlicher Anstieg des Modellierungsaufwandes • größere Modellvielfalt entsprechend dem Hauptaugenmerk der interessierenden Zeitkostanten • wesentlicher Anstieg der Anzahl vorhandener Parameter • Parametrierung sehr aufwendig, einige Größen sind nur schwer verfügbar • große Gefahr entscheidende Parameter nicht oder falsch zu setzen • Validierung schwierig, da Messgrößen und tatsächliche Größen oft auseinander liegen und Fehler schwieriger zu finden sind Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

12. Beispiel Verdichter im Kühlschrank pDG, tDG m • Stationäre Lösung beinhaltet • 4 Eingangsgrößen: Druck am Ein- und Austritt, Temperatur am Eintritt und in der Umgebung • Je genau eine Lösung für Massestrom und Energieaufnahme und Austrittstemperatur tUmg PEl p0, tSG Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

13. Beispiel Verdichter im Kühlschrank • Dynamische Lösung beinhaltet • Anzahl thermischer Speicher • Anzahl Kältemittelspeicher • Große Zeitkonstanten aufgrund • kleiner Förderleistung • große Baugröße • Starke Zeitabhängigkeit der Lösung • Definition des Ausgangszustandes Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

14. Beispiel Verdichter im Kühlschrank Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

15. Beispiel Verdichter im Kühlschrank Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

16. Einsatz von dynamischer Simulationen • Einfache Zeitschrittsimulationen ohne großen Iterationsbedarf können oft in Form von Excel-Arbeitsplättern durchgeführt werden • Für konkrete, weit verbreite Anwendungen sind am Markt zahlreiche zugeschnittene Programme erhältlich, z.B. für Simulation einfacher Solarthermie und PV- Anlagen (z.B. T-Sol, PV-Sol) • Für Anwendungen mit individueller Charakter welche jedoch im Allgemeinen große Anwendung finden, sind oft Simulationsumgebungen mit entsprechenden Modellbibliotheken die erste Wahl (z.B. TRNSYS, Simulink, Dymola...) Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

17. Entwicklungen im Bereich der dynamischen Simulation • entscheidende Nachteile herkömmlicher (Blockorientierter) Werkzeuge im Bereich der dynamischen Simulation • feste Ein- und Ausgangsgrößen • Lösungsalgorithmus in den einzelnen Modellen integriert • Konvergenzprobleme in komplexen Systemen • Gleichungsbasierte Systeme (EES, Modelica) • Formulierung der Komponenten als System von Gleichungen • objektorientiert • keine Vorgabe des Informationsflusses Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

18. Entwicklungen im Bereich der dynamischen Simulation • Vorteile • Vielseitiger Einsatz einmal erstellter Modelle • Aufteilung der Arbeit auf Speziallisten (physikalische Modelle – Lösung der Ansätze) • höhere Simulationseffizienz (Geschwindigkeit und Konvergenz) durch symbolische Manipulation • Nachteile • Notwendigkeit zu stetigen Modellen • Bereitstellung partieller Ableitungen • komplizierter Debugging Prozess Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

19. tUmg QWandUmg pEin, hEin, mEin Unterschied herkömmlicher und gleichungsbasierter AnsatzBeispiel Rohrmodell • Für ein dynamisches Modell der Komponente sind zur Lösung 5 der 8 dargestellten Größen notwendig (alle Kombinationen sind möglich) • Entsprechend dem herkömmlichen Weg der Modellierung (Blockorientiert) sind zur Abdeckung aller möglich Varianten C85 = 336 Modelle umzusetzen! • Mit der Verwendung des gleichungsbasierten Ansatzes genügt theoretisch eine einzige Umsetzung • Nutzung zur Lösung von inversen Problemen: z.B. Steuersignale A380 pAus, hAus, mAus Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

20. Fazit • Dynamische Simulation in der Umwelttechnik verfolgt drei wesentliche Ziele: • Überprüfung und Optimierung der Dimensionierung von Anlagenkomponenten • Entwicklung und Optimierung von geeigneten Regelungsstrategien • Vorhersage des zu erwartenden Verhaltens -> Betriebsergebnisses • Als Nebeneffekte (welche ebenfalls zu erheblichen Innovationsstützen werden können ergeben sich: • Verständnisgewinn zum Verhalten komplexer Anlagensysteme unter dem Einfluss von Störgrößen sowie festen Modifikationen • Unter den Bedingungen vieler Technologien der Umwelttechnik (stark ausgeprägtes instationäres Verhalten) kann geschlussfolgert werden: Eine Vielzahl von umwelttechnischen Lösungen sind durch den Einsatz dynamischer Simulationen erst wirtschaftlich durchsetzbar • Durch die Notwendigkeit zum sparsamen Umgang mit den Ressourcen bekommt der dynamischen Simulation zur Entwicklung und Optimierung von Anlagen in Zukunft eine weiterhin steigende Bedeutung zu (nicht nur in der Grundlagenforschung) Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007

21. Institut für Luft- und Kältetechnik Gemeinnützige Gesellschaft mbH Bertolt-Brecht-Allee 20 01309 Dresden Ende der Präsentation Carsten Heinrich ________________________________________ Tel.: +49 351 / 4081-637 Fax: +49 351 / 4081-635 E-Mail: carsten.heinrich@ilkdresden.de www: www.ilkdresden.de ____________________________________