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Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH
Carsten Heinrich
Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik
Zittau, 20.06.2007
Praxisorientierter Einsatz von Simulation
Dynamische Simulationen in der Umwelttechnik - 20.06.2007 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
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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
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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
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Simulationsergebnisse am spanischen Standort Huevla
Vergleich von zwei Anlagenvarianten
bezüglich Kälteleistung und
Raumtemperaturverlauf:
(a) Trockenkühlturm +
Vakuum – Röhren - Kollektor
(b) Meerwasserrückkühlung +
Parabolrinnen – Kollektor
Kollektorfläche je 55m²
Absorptionskälteanlage je 15 kW
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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
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
p0, tSG
pDG, tDG
m
PEl
tUmg
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
M
Oil - KM - Gemisch
Druck-dämpfer
freiesGasvolumen
MVB
Verdichterkapsel
Austritt
Eintritt
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Beispiel Verdichter im Kühlschrank
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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...)
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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
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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, mAuspEin, hEin, mEin
tUmg QWandUmg
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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)
Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH
Ende der Präsentation
Carsten Heinrich ________________________________________Tel.: +49 351 / 4081-637Fax: +49 351 / 4081-635E-Mail: carsten.heinrich@ilkdresden.dewww: www.ilkdresden.de
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Institut für Luft- und KältetechnikGemeinnützige Gesellschaft mbHBertolt-Brecht-Allee 2001309 Dresden
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