[Zurück]

M. Potente Prieto:
"Modelling, Simulation and Energy-Exergy Assessment of a Local District Heating Network in Vienna";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): K. Ponweiser, A. Werner; Institut für Energietechnik und Thermodynamik, 2019; Rigorosum: 16.12.2019.

Fernwärmenetze sind weit verbreitete Systeme in Städten und Stadtgebieten auf der ganzen Welt, die für den Transport und die Verteilung von Wärmeenergie an alle Haushalte gezeichnet sind. Derzeit werden mehrere Projekte durchgeführt, um bestehende Netzwerke auszubauen, zu verbessern und zu optimieren, um die Wassertemperatur im Umlauf zu senken und somit die Energieeffizienz zu erhöhen. Neben Temperatur und Energie wird die Exergie als eine weitere wichtige thermodynamische Größe dargestellt, die die Energiemenge bestimmt, die in einem thermodynamischen System tatsächlich verwendet werden kann. Es misst die Energie Qualität in einem thermodynamischen System und sollte daher in die Analyse von Fernwärmenetzen einbezogen werden. Das Ziel dieses Projektes ist die Modellierung, Simulation, Berechnung und Analyse einer realen Fallstudie, bestehend aus einem Nahwärmenetz in der Stadt Wien (Österreich), die nicht nur die aktuelle Leistung des Netzwerks, sondern auch dessen Verhalten nach Umsetzung von neuen Hypothesen analysiert. Diese Hypothesen sind möglichen Änderungen und Verbesserungen, wie der Austausch von Heizkörpern durch Fußbodenbeläge, die Einführung von Wärmepumpen zur Unterstützung des Netzwerks oder die direkten Verringerung der Wassertemperatur des Netzwerks. Die Analyse der aktuellen Situation durch die beiden definierten thermodynamischen Systeme, Gebäude und Fernwärmenetz zeigt, dass je niedriger der Wärmebedarf ist, desto niedriger ist die Durchflussrate, die durch das Netzwerk zirkuliert. Die damit verbundenen Wärmeverluste und damit der Energieertrag sind während der wärmeren Perioden des Jahres größer als während der kälteren. In Bezug auf Exergie, entwickelt sich jedes Subsystem in einer anderen Art und Weise: Für Gebäude ist der Hauptfaktor die Temperaturdifferenz zwischen dem städtischen Netz und dem internen Netzwerk des Gebäudes. Diese führt zu einer progressiven Erhöhung der Exergie-Ausbeute, insbesondere, wenn man sich von einer kälteren zu einer wärmeren Perioden bewegt. Das Netzwerk-Subsystem verhält sich genau umgekehrt: Der Exergie-Ertrag ist hauptsächlich mit dem Wärmefluss verbunden, der wiederum eng mit dem Massenstrom des zirkulierenden Wassers zusammenhängt. Er ist während der kälten Perioden höher. Was die übrigen Hypothesen anbelangt, verbessert sich die Energie-Exergie-Effizienz des Netzwerks in den Konfigurationen, in jenen die Temperatursenkung am größten ist. Bei diesen und anderen Verbesserungen können mehrere Gegensätze auftreten,z.B. das Ersetzen von Heizkörpern durch Fußbodenheizung oder Wärmepumpen, angeschlossen an das Fernwärmenetz, führt zu einem erhöhten Stromverbrauch.

District heating networks are widely used systems in cities and urban areas around the world, designed for the transport and distribution of thermal energy to all households. Currently, multiple projects are carried out, in order to extend, improve and optimize existing networks, with the aim of reducing circulating water temperature and therefore, increasing energy efficiency. In addition to temperature and energy, exergy is revealed as another important thermodynamic magnitude that determines the amount of energy that can be truly used in a thermodynamic system. It measures the quality of the energy compromised, and therefore, it should be introduced in the analysis of district heating networks. The objective of this project is the modelling, simulation, calculation and analysis of a real case study consisting of a local district heating network located in the city of Vienna (Austria), analysing not only the current performance of the network but also its behaviour after new hypotheses raised. These hypotheses are based on possible changes and improvements, such as the replacement of radiators by radiant floors, the introduction of heat pumps in support of the network or the direct reduction of network´s water temperature. The analysis of the current situation through the two defined thermodynamic systems, buildings and District Heating network (DHN) reveal that the lower the heat demand, the lower the flow rate that circulates through the network. The related heat losses, and therefore, the energy yield, are greater during the warmer periods of the year than during the colder ones. Regarding the exergy performance, each subsystem evolves in a different way: for buildings, the main factor is the temperature difference between the urban network and the internal network of the buildings, leading to a progressive increase of the exergy yield as we move from cold to warm periods. The network subsystem behaves exactly in the opposite way: the exergy yield is mainly associated with the heat flow, which in turn is closely linked to the mass flow of circulating water, higher during the cold periods. Concerning the rest of the hypotheses raised, the energy-exergy efficiency of the network improves in those configurations where the reduction of temperature is greatest. These and other improvements involve several counterparts, like replacing radiators by radiant floors or installing heat pumps connected to the district heating network, leading to an increase of power consumption.

Exergy Assessment / District Heating Network

https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_285114.pdf