Raab, S: Simulation, Wirtschaftlichkeit und Auslegung solar

Wärmespeicher (< ±3%) bzw. die Wärmemengen in den und aus dem Wärmespeicher stimmen gut überein (< ±2%). Eine Integration des XST-Modells in ein neu erstelltes TRNSYS-Modell zur Simulation des solar unterstützten Nahwärmesystems mit erdvergrabenem Heißwasser-Wärmespeicher in Hannover erbrachte Abweichungen berechneter und gemessener Wärmemengen von unter ±5%. Entsprechende Wärmemengen des ebenfalls neu erstellten TRNSYS-Modells zur Simulation des solar unterstützten Nahwärmesystems mit oberirdischem Heißwasser-Wärmespeicher in Gneis-Moos weichen um weniger als ±3% voneinander ab. Auf Basis der Ergebnisse der mit beiden Simulationsmodellen erstellten Sensitivitätsanalysen wurden zwei optimierte Referenzmodelle definiert und umfangreiche Simulationsläufe durchgeführt. Das thermische Verhalten solar unterstützter Nahwärmesysteme mit einem solaren Deckungsanteil von 35% wurde bei drei unterschiedlichen Klimaten (Hamburg, Frankfurt/M., Würzburg), verschiedenen Nahwärmenetztemperaturen und -größen, verschiedenen Verhältnissen von Wärmespeichervolumen zu Kollektorfläche und von Kollektorfläche zu Wärmemenge des Nahwärmenetzes berechnet. Es zeigte sich, dass die solaren Wärmekosten von Systemen mit erdvergrabenem Wärmespeicher und der Wärmelast 60/30 bei einer Wärmemenge von 500 MWh/a im Nahwärmenetz gegenüber der Wärmelast 68/41 je nach Standort um 10%-12%, bei größeren Systemen mit 10 000 MWh/a um 7%-9% niedriger sind. Die solaren Wärmekosten für Systeme am Standort Frankfurt betragen von 27,0 Ct./kWh (500 MWh/a; 68/41) bis 13,6 Ct./kWh (10 000 MWh/a; 68/41). Am Standort Würzburg sind die solaren Wärmekosten um 10%-14% niedriger, am Standort Hamburg bis zu 5% höher. Bei Systemen mit einer Wärmelast von 500 MWh/a können durch Tolerierung von Stagnationszeiten bis zu 100 Stunden Kosteneinsparungen von 13% gegenüber einer Referenzvariante ohne Stagnation erzielt werden. Die Simulationsstudie mit dem TRNSYS-Modell für Systeme mit oberirdischem Wärmespeicher erbrachte solare Wärmekosten von 22,8 Ct./kWh (500 MWh/a, 68/41) für den Standort Frankfurt bei Tolerierung von bis zu 100 h Stagnation. Auf Basis der Ergebnisse der Simulationsstudien beider TRNSYS-Modelle wurden umfassende Dimensionierungsrichtlinien unter Berücksichtigung von Standort, Größe und Temperaturniveau des Nahwärmenetzes für Systeme mit erdvergrabenen oder oberirdischen Wärmespeichern erarbeitet. Die Resultate der Sensitivitätsanalysen ermöglichen die einfache Bestimmung der Auswirkungen einer Abweichung von den Referenzbedingungen auf den solaren Deckungsanteil. Es ist mit den Ergebnissen der Arbeit erstmals möglich, energie- und kosteneffiziente solar unterstützte Nahwärmesysteme mit einem solaren Deckungsanteil von 35% ohne aufwändige und kostenintensive dynamische Simulationen auszulegen.