Optimization of district heating networks using mixed integer quadratically constrained programs

• Optimierung von Nahwärmenetzen mithilfe von gemischt ganzzahliger quadratisch beschränkter Optimierung

Hering, Mark Dominik; Müller, Dirk (Thesis advisor); Radgen, Peter (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: E.On Energy Research Center : EBC, Energy efficient buildings and indoor climate 116
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Gemeinsame Ziele der jüngsten Entwicklung im Energiesektor sind die Dekarbonisierung und die Integration von erneuerbaren Energiequellen. Für den Wärmesektor in der Europäischen Union sind Fernwärmenetze eine effiziente Lösung, um diese Ziele zu erreichen. Traditionell verteilen Fernwärmenetze die Wärme von einer zentralen Wärmequelle an viele Verbraucher mit einer vordefinierten Temperatur. In jüngster Zeit sind Fernwärmenetze der 4th- und 5th-Generation entstanden, was die Nachfrage nach effizienten und detaillierten Auslegungs- und Betriebsoptimierungen mit einem Schwerpunkt auf Temperaturkorrelationen erhöht. Aktuelle Optimierungsmethoden für die Auslegung und den Betrieb von Fernwärmenetzen konzentrieren sich traditionell auf Leistungsbilanzen und verwenden vereinfachte Temperaturabhängigkeiten. Die Einbeziehung dieser Temperaturabhängigkeiten in die Optimierungsformulierungen kann die Ergebnisqualität aufgrund der zunehmenden Bedeutung von Heiz- und Kühlanforderungen mit unterschiedlichen, aber voneinander abhängigen Temperaturniveaus verbessern. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, die eine traditionelle Fernwärmenetzauslegung und Betriebsoptimierung um Temperaturabhängigkeiten und Teillastverhalten erweitert. Dadurch ändert sich die mathematische Formulierung von üblichen gemischt-ganzzahligen linearen Programmen zu gemischt-ganzzahligen quadratisch beschränkten Programmen. Die vorgestellten Modelle enthalten Teillastverhalten und Temperaturabhängigkeiten von Wärmepumpen und einem Wärmenetz. In dieser Arbeit werden diese Modelle an zwei Fällen demonstriert. Zum einen werden diese Komponenten auf 36 generische Energiesysteme angewendet. Zum anderen wird diese Methode an einer realen Fallstudie demonstriert, bei der ein Hochleistungscomputer mit Kälte und bestehende Gebäude in der Umgebung mit Wärmeversorgt werden. Die Anwendung der vorgestellten Modelle auf diese Energiesysteme führt zu pareto-optimalen Lösungen in Bezug auf zwei Zielfunktionen, den jährlichen CO2-Ausstoß und die jährlichen Gesamtkosten. Das Systemdesign ändert sich in Bezug auf die Positionierung und Dimensionierung von Wärmepumpen, Kälte- und Wärmequellen. Der Vergleich des Systemdesigns mit leistungsbasierten Bewertungsmaßnahmen verdeutlicht den Einfluss des Systemdesignsauf den Betrieb und insbesondere auf die Betriebstemperaturen. Schließlich zeigt die reale Fallstudie die Machbarkeit und das Potenzial einer Abwärmeintegration mit der vorgestellten Methode.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik [419510]