Bisher bot GHEtool die Möglichkeit, Hybridsysteme zu optimieren, aber heute führen wir ein ganz neues Simulationsmodul ein. Da nun sowohl Simulation als auch Optimierung verfügbar sind, steht Ihnen ein kompletter Werkzeugkasten zur Verfügung, um bessere und effizientere geothermische Hybridsysteme zu entwerfen.
Was Sie über Hybridsysteme wissen müssen
Wir haben bereits mehrere Artikel über die Optimierung von Hybridsystemen geschrieben. Unter ein erster Artikel, haben wir das Konzept der Hybridsysteme und des geothermischen Potenzials vorgestellt. Hybridsysteme wurden definiert als die Kombination verschiedener Heiz- und Kühltechnologien, die zusammen den Wärmebedarf des Gebäudes decken. Dies kann eine Erdwärmepumpe in Kombination mit einer Luftwärmepumpe, ein Trockenkühler mit einer Erdwärmepumpe usw. sein.
Die Dimensionierung eines Hybridsystems ist nicht trivial - ganz zu schweigen von einem geothermischen Hybridsystem. Deshalb haben wir in ein zweiter Artikel, Um dies zu erreichen, haben wir zwei Planungsmethoden eingeführt: die Leistungsoptimierung und die Energieoptimierung. Der erste Ansatz führt zu einem System mit den niedrigsten Investitionskosten (aufgrund der Überdimensionierung des 0%), aber ein Teil des geothermischen Potenzials bleibt ungenutzt. Optimiert man das System stattdessen für einen maximalen Energieaustausch, wird das AKW bewusst überdimensioniert, um mehr Energie mit dem Boden auszutauschen, was die Betriebskosten senkt. Ein Beispiel hierfür wurde behandelt in ein dritter Artikel.
Eine weitere Neuerung war die Einführung eines allgemeineren Ansatzes: die Optimierung des Gleichgewichts, wie sie in unserer vierter Artikel. Hier können Sie sicherstellen, dass die Verteilung zwischen geothermischer Energie/Strom und den Hilfssystemen so erfolgt, dass nur ein bestimmtes, kontrolliertes Ungleichgewicht bleibt.
Zusammen bilden diese drei Methoden ein leistungsfähiges Instrumentarium für die Suche nach optimalen Lösungen. Ein Schlüsselelement fehlte jedoch noch: die Flexibilität zur Umsetzung Ihrer eigenen Kontrollstrategie.
Simulation hybrider Systeme
Der Unterschied zwischen Optimierung und Simulation
Alle derzeit in GHEtool Cloud verfügbaren Methoden sind Optimierungsmethoden. Das bedeutet, dass Sie bei bestimmten Randbedingungen - wie einer festen Bohrfeldgröße und einem stündlichen Wärmebedarf - den geothermischen Anteil maximieren, indem Sie entweder die Leistung, die Energie oder die Bilanz optimieren. Dieser Prozess kann etwas langsam sein, da er zahlreiche Iterationen erfordern kann, und genau hier kommt die Flexibilität der Simulation ins Spiel.
Bei der Simulation eines Hybridsystems gehen Sie immer noch von denselben bekannten Bedingungen aus (Größe des Bohrlochs und stündlicher Wärmebedarf), aber jetzt definieren Sie auch die Regelungsstrategie Ihres Hybridsystems. Das heißt, bei welcher Schwellentemperatur schaltet sich eine bestimmte Technologie ein oder aus? Mit dieser Strategie und einer gegebenen Wetterdatei kann der geothermische Bedarf direkt auf der Grundlage der Steuerungslogik berechnet werden - eine Iteration ist nicht mehr erforderlich. Dadurch werden die Simulationen erheblich schneller. Der Nachteil ist jedoch, dass Sie nicht unbedingt mit der optimalen Lösung arbeiten.
!Hinweis
Wenn Sie die Optimierungsmethoden verwenden, wird eine Regelungsstrategie vorausgesetzt. Da Sie möchten, dass Ihre Fluidtemperaturen innerhalb bestimmter Grenzen bleiben, wird der Optimierungsalgorithmus die Last entsprechend anpassen, um diese Anforderung zu erfüllen. Obwohl diese Regelungsstrategie in der Realität durch die Verwendung eines auf der Temperatur der geothermischen Flüssigkeiten basierenden Reglersollwerts nachgebildet werden könnte, ist dies nicht einfach zu bewerkstelligen.
Drei Beispiele für die Simulation von Hybridsystemen
Stellen Sie sich vor, Sie haben ein großes gewerblich genutztes Gebäude, in dem ein Teil der Last durch ein GSHP und ein Teil durch ein ASHP gedeckt wird. Da Sie wissen, dass Ihr ASHP bei einer Außenlufttemperatur von über 10 °C einen höheren Wirkungsgrad hat als Ihr GSHP, ist es - vom Standpunkt des Stromverbrauchs aus betrachtet - sinnvoll, das ASHP anstelle des GSHP zu verwenden. Dies kann einfach modelliert werden, indem das ASHP als ein Hybrid-Heiztechnologie, die oberhalb einer bestimmten Temperatur arbeitet.
Eine andere Situation kann z. B. bei einer Renovierung auftreten. Stellen Sie sich vor, Sie haben ein (nicht so gut isoliertes) Schulgebäude mit Hochtemperatur-Emissionssystemen, die von einem Gaskessel gespeist werden. Im Herbst und im Frühjahr kann die AKW dieses Gebäude perfekt beheizen, aber wenn es draußen zu kalt wird, schaltet sich der Gaskessel ein, um die erforderlichen höheren Temperaturen bereitzustellen. Dies lässt sich mit Hilfe eines Hybrid-Heizsystem, das unterhalb einer Temperaturschwelle arbeitet.
Ein letztes Beispiel könnte ein Bürogebäude sein, in dem das Lüftungsgerät (AHU) Schwierigkeiten hat, die Luft mit den passiven Temperaturen des Bohrlochs zu kühlen, wenn es draußen zu heiß ist. Eine Lösung könnte darin bestehen, das RLT-Gerät mit einer aktiven Komponente auszustatten, die sich einschaltet und für hybride Kühlung ab einer bestimmten Temperaturschwelle.
!Hinweis
Es gibt auch eine vierte Möglichkeit, bei der ein Hybridsystem für Kühlung sorgt, wenn die Außenlufttemperatur unter ein bestimmtes Niveau fällt. Dies könnte z. B. eine Nachtlüftungskühlung sein. Da es sich hierbei nicht wirklich um ein ‘System’ handelt, wird diese Option - obwohl sie in GHEtool vorhanden ist - nicht weiter erörtert.
Im Folgenden wird erörtert, wie Sie GHEtool Cloud verwenden können, um diese Systeme zu simulieren.
Simulation von Hybridsystemen mit GHEtool Cloud
In GHEtool haben Sie jetzt die Möglichkeit (wenn Sie ein stündliches Lastprofil hochgeladen haben), bei der Berechnung des Temperaturprofils ein Hybridsystem hinzuzufügen. Ein Screenshot des Eingabebereichs ist unten abgebildet.
!Hinweis
Da es sich bei der Simulation, wie oben beschrieben, nicht um einen iterativen Prozess handelt, ist es auch möglich, bei der Berechnung der erforderlichen Bohrlochtiefe ein hybrides System einzusetzen.
Da diese Hybridsystem-Simulationen alle auf einem Schwellenwert für die Außenlufttemperatur basieren, ist zunächst einmal eine EPW-Wetterdatei erforderlich. Idealerweise wird dieselbe Wetterdatei, die für die Berechnung der stündlichen Last verwendet wird, auch für die Simulation verwendet, damit die thermischen Spitzenanforderungen mit den richtigen Wetterinformationen übereinstimmen.
!Hinweis
Bei der Suche nach Wetterdateien, https://climate.onebuilding.org/ bietet kostenlose EPW-Dateien für fast alle Regionen der Welt für verschiedene Jahre.
Als Nächstes haben Sie die Möglichkeit, bis zu vier verschiedene Hybridsysteme hinzuzufügen, jedes mit einem eigenen Temperaturschwellenwert, über oder unter dem das jeweilige Hybridsystem zum Heizen oder Kühlen bevorzugt wird. Für jede hybride Heiz-/Kühloption können Sie auch die Leistung des jeweiligen Hybridsystems angeben.
Achtung!
Obwohl es vier separate Eingänge für Hybridsysteme gibt, bedeutet dies nicht unbedingt, dass vier verschiedene Systeme modelliert werden müssen. Es ist durchaus möglich, ein einziges ASHP zu modellieren, das oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts sowohl Wärme als auch Kälte liefert.
Beispiel mit Hybridheizung
Das nachstehende Diagramm zeigt die Energieverteilung für eine Situation, in der ein hybrides Heizsystem 100 kW Heizleistung liefert, wenn die Außentemperatur unter 2 °C fällt. Wie in der Abbildung zu sehen ist, tritt dies (für diese Wetterdatei) nur im Januar, Februar und Dezember auf. In den anderen Monaten ist der Effekt vernachlässigbar.
Wenn ein weiteres Hybridsystem mit einer Leistung von 200 kW hinzukommt, das bei Außentemperaturen über 10 °C arbeitet, sieht das Profil wie unten dargestellt aus. Hier sehen Sie, dass der Anteil der geothermischen Heizung deutlich geringer ist, was zu einem anderen Ungleichgewicht und folglich zu einem anderen Temperaturprofil führt.
Begrenzung der Leistung des Bohrlochs
Als letzte Option ist es auch möglich, die maximale geothermische Leistung zu begrenzen. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie haben einen Heizbedarf von 536 kW und bereits eine ASHP installiert, die im Sommer für zusätzliche Kühlung sorgt. Sie könnten dann die Spitzenleistung der AKE auf z. B. 475 kW begrenzen. Das bedeutet, dass in Ihren Ergebnissen nun ein ‘Heizungsüberschuss’ enthalten ist, da 100% der Heizlast nicht von der AKW gedeckt werden konnten.
In der Realität könnte jedoch Ihre ASHP diesen Teil der Last übernehmen, was Ihnen eine weitere Möglichkeit zur Planung und Simulation von Hybridsystemen bietet. Nachfolgend ein Beispiel, bei dem etwa 1,3% des jährlichen Wärmebedarfs als ‘überschüssige Wärme’ gekennzeichnet sind.
Fazit
Das neue Modul zur Simulation von Hybridsystemen ist eine perfekte Ergänzung zu den bereits vorhandenen Optimierungsmethoden. Es garantiert zwar nicht die beste Lösung, bietet aber eine sehr einfache Möglichkeit, das Verhalten von hybriden Systemen in der Praxis zu simulieren.
Literaturverzeichnis
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