Sankey-Diagramme sind ideal, um zu veranschaulichen, wie Dinge durch ein System fließen - egal, ob es sich um Geld, Material oder Energie handelt. Deshalb haben wir sie standardmäßig als Ergebnis in jede GHEtool Cloud-Simulation eingefügt. Lesen Sie den Artikel, um mehr über die Erkenntnisse zu erfahren, die Sie aus diesen Diagrammen gewinnen können.
Was ist ein Sankey-Diagramm?
Sankey-Diagramme wurden ursprünglich entwickelt, um die Effizienz von Dampfmaschinen zu erklären. Sie veranschaulichen, wie die Inputs eines Systems mit seinen Outputs verbunden sind, und können daher verwendet werden, um interessante Dynamiken innerhalb des Systems zu visualisieren. Obwohl sie im Kontext der Thermodynamik entwickelt wurden - wo sie immer noch häufig verwendet werden -, haben sie inzwischen ihren Weg in die Wirtschaftswissenschaften, die internationale Zusammenarbeit und den Handel gefunden, und nun, seit heute, auch in die Geothermie! Nachstehend finden Sie eine Skizze eines Sankey-Diagramms für den materiellen Gebrauch.
Jedes Sankey-Diagramm sollte von links nach rechts gelesen werden, vom Input zum Output. Im obigen Beispiel sind alle Verpackungsmaterialien Inputs im Diagramm und können in mehrere Ströme aufgeteilt werden: Karton, Kunststoff, Kompost und Deponie.
!Hinweis
Das obige Beispiel enthält auch einen Rückfluss von ‘Milchflaschen’. Dadurch entsteht ein Zyklus im Graphen, der in der Regel vermieden wird (obwohl er nicht streng verboten ist). In GHEtool Cloud sind alle Sankey-Diagramme gerichtete azyklische Graphen (Directed Acyclic Graphs, DAGs), d. h. sie fließen nur in eine Richtung.
Ein wichtiger Aspekt jedes Sankey-Diagramms ist, dass der gesamte Input immer dem gesamten Output entsprechen muss. Dadurch wird sichergestellt, dass im Diagramm selbst kein Material, keine Energie oder eine andere Menge verloren geht oder entsteht.
Bevor wir uns genauer ansehen, wie diese Diagramme in GHEtool Cloud dargestellt werden, müssen wir zunächst das Konzept der saisonalen thermischen Energiespeicherung (STES) vorstellen.
Saisonale thermische Energiespeicherung (STES)
Wenn wir von oberflächennahen geothermischen Bohrungen sprechen, beziehen wir uns auf die Nutzung des Bodens als Wärmespeicher und nicht als Quelle. Anders als bei der Tiefengeothermie, bei der die Wärme für industrielle Prozesse, die Stromerzeugung oder die Fernwärme genutzt wird, werden Bohrfelder in der Regel in Szenarien eingesetzt, in denen sowohl Heiz- als auch Kühlbedarf besteht.
Im Sommer wird die Wärme im Boden gespeichert, um später im Winter von der Erdwärmepumpe zur Beheizung des Gebäudes genutzt zu werden. Durch diesen Entzug kühlt sich der Boden ab und eignet sich so für die (passive) Kühlung.
Im Idealfall stammt die Energie, die die APS aus dem Boden entnimmt, vollständig aus der gespeicherten Energie des Sommers. In vielen Fällen besteht jedoch ein Ungleichgewicht, d. h. die gespeicherte Energie reicht nicht aus, um den gesamten Wärme- (oder Kälte-) bedarf zu decken. In solchen Fällen wird teilweise auch das Erdreich als Energiequelle genutzt.
Diese beiden Wärmequellen - die saisonale thermische Energiespeicherung (STES) und das Ungleichgewicht - werden in den Sankey-Diagrammen getrennt dargestellt.
!Hinweis
Wenn Sie mit dem Konzept des Ungleichgewichts nicht vertraut sind, können Sie es in unserem Artikel nachlesen hier.
Sankey-Diagramme in GHEtool Cloud
Jede Berechnung in GHEtool Cloud wird von nun an auch mit einem Sankey-Diagramm visualisiert. Obwohl das Aussehen dieser Diagramme je nach spezifischem Entwurf variieren kann, wird das Hauptfarbschema immer gleich bleiben. Ein erstes Beispiel, das ein Bohrloch mit einem negativen Ungleichgewicht zeigt, ist unten dargestellt.
Jedes dieser Diagramme in GHEtool Cloud besteht aus vier verschiedenen Farben:
- Rot/Orange - steht für alles, was mit der ‘warmen Seite’ des Systems zu tun hat, einschließlich Heizung und Warmwasserbereitung (DHW).
- Blau - steht für alles, was mit der ‘kalten Seite’ des Systems zu tun hat, z. B. die Kühlung.
- Lila - zeigt alle Interaktionen mit der Umwelt an, die als Inputströme betrachtet werden können. Dazu gehören der Strom, der für den Betrieb der Wärmepumpen benötigt wird, sowie das Ungleichgewicht im Boden, das einer der beiden Inputs für die AKWs ist.
- Grün - steht für die saisonale thermische Energiespeicherung (STES), den anderen Input für die AKW.
Bei einem Bohrloch, in dem die Injektion dominiert, kehrt sich die Art des Ungleichgewichts um. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Im Falle eines positiven Ungleichgewichts ist das Ungleichgewicht nicht mehr eine Quelle, sondern eine Senke im Gesamtsystem. Dies bedeutet, dass ein Teil des STES-Potenzials effektiv an die Umwelt verloren geht. Im Idealfall strebt man ein nahezu ausgeglichenes Bohrfeld an, wie in der Abbildung unten dargestellt. In diesem Fall ist der Beitrag von STES deutlich größer als das Ungleichgewicht, was zu der effizientesten Lösung führt.
Dieses Sankey-Diagramm kann auch verwendet werden, um einen Einblick in die komplexeren Simulationen in GHEtool zu erhalten. Diese sind unten dargestellt.
Weitere Beispiele
Anstatt sich ausschließlich auf passive Kühlung zu verlassen, können Sie auch aktive und passive Kühlung auf Ihrem Bohrfeld kombinieren (lesen Sie dieser Artikel für weitere Informationen). In diesem Fall wird der Kühlbedarf zwischen den passiven und aktiven Komponenten aufgeteilt, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Sowohl die passive als auch die aktive Kühlung erfordern Strom und tragen sowohl zur STES als auch zum Ungleichgewicht bei (da das Bohrfeld wiederum von der Einspritzung dominiert wird). Neben der Kombination von aktiver und passiver Kühlung kann man sich auch für ein Hybridsystem entscheiden.
Bei der Auslegung eines Hybridsystems wird ein Teil der Heiz- und Kühlleistung von Ihrer Hybridtechnologie erbracht. Dies ist in der Abbildung oben dargestellt.
!Hinweis
Aufgrund des Blackbox-Charakters der Lastprofil-Optimierungsmethoden - bei denen keine Annahmen darüber getroffen werden, welche Technologien verwendet werden - verbrauchen diese Hybridsysteme zum Heizen und/oder Kühlen keinen Strom, da sie z. B. durch Abwärme oder andere Quellen betrieben werden könnten. In einem zukünftigen Update werden diese Hybridsysteme genauer beschrieben, so dass das Sankey-Diagramm detaillierter und auf die von Ihnen entworfene spezifische Hybridlösung zugeschnitten werden kann.
Als letztes Beispiel ist es möglich, alle Optionen in einem Sankey-Diagramm zusammenzufassen, wie unten dargestellt.
Fazit
In diesem Artikel wird eine neue Art von Ergebnissen in GHEtool vorgestellt: Sankey-Diagramme. Diese Flussdiagramme geben Aufschluss darüber, wie Energie zwischen den verschiedenen Teilen des Systems übertragen wird, welche Bedeutung die saisonale thermische Energiespeicherung (STES) hat und wie stark wir auf externe Ressourcen wie Strom, Hybridsysteme oder das Ungleichgewicht angewiesen sind.
Wir hoffen, dass dieses zusätzliche Diagramm, das nun standardmäßig in all Ihren Simulationen enthalten ist, Ihnen bei der Planung von Bohrfeldern hilft!
Literaturverzeichnis
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