Optimierung durch Einsatz von Simulationen

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1 1 Optimierung durch Einsatz von Simulationen HSR Hochschule für Technik Rapperswil Christian Gmünder Simultec AG, Hardturmstrasse 261, 8005 Zürich,

2 Prozesse HSREinführung Hochschule für Technik Rapperswil Grundwasserströmung Wärmetransport mit Grundwasser, Austausch mit Korngerüst, Austausch mit Atmosphäre, Verteilung infolge Heterogenität Wärmetransport im Grundwasser ist 3 x langsamer als Stofftransport 2

3 Simulation 3 HSR Einführung Hochschule für Technik Rapperswil Was verstehen wir unter Grundwassersimulationen? Lösung von physikalischen Gleichungen im Raum durch Unterteilung des Untersuchungsbereiches in kleine Zellen (sogenannte Finite Elemente oder Finite Differenzen) K ( S) z + p ρ g S = n t Differenzialgleichng der Strömung

4 Vorgeschichte der Simulation 4 HSR Einführung Hochschule für Technik Rapperswil Antoine de Lavoisier: Massenerhaltung Henry Darcy: Darcy-Gesetz Boris Galerkin: Finite-Elemente-Methode H.S. Carlslaw: Mathematik Wärmetransport Konrad Zuse: Erste Computer Erste Modelle in der Schweiz (100 El.) Modelle mit 10 Mio Elementen auf PC

5 Abhängigkeit von der Grundwassersituation 5 HSR Wieso Hochschule Modellierung? für Technik Rapperswil Temperaturdifferenz zur Referenz ohne Anlage Schnelle Strömung keine Rückkopplung kleine wandernde Fahne Langsame Strömung Rückkopplung breite konstante Fahne Ganglinie der Temperatur 100 m im Abstrom

6 Gegenseitige Abhängigkeiten der Anlagen 6 HSR Wieso Hochschule Modellierung? für Technik Rapperswil Prognostizierte Temperatur mit Anlage Temperaturdifferenz zur Referenz ohne Anlage Anlage im Anstrom Kältefahne wird von der Entnahme angezogen Anlage im Abstrom Anlage wird beeinflusst Kettenreaktion Bei mehr als zwei Anlagen nicht mehr trivial Komplex bei Wärme- und Kältenutzung Ganglinie der Temperatur 100 m im Abstrom

7 Anforderungen an die Modellierung 7 HSR Welche Hochschule Modellierung? für Technik Rapperswil Korrekte Nachbildung der Strömungssituation Wärmefahne ist sensitiv auf Durchlässigkeit und Gefälle Beeinflussung ist sensitiv auf Strömungsrichtung Instationär Jahresgang der Wärme- und Kältenutzung Jahresgang der Randbedingungen (Atmosphäre, Gewässer) Berücksichtigung der Nachbaranlagen Bei kombinierten Kälte- und Wärmenutzungen sind günstige und ungünstige Beeinflussungen möglich

8 Ausgangsdaten der Modellierung 8 HSR Was Hochschule braucht es für für Technik die Modellierung? Rapperswil Geologe Geometrie GW-Leiter, Durchlässigkeit swisstopo Digitales Geländemodell Meteoschweiz Klimadaten Modellierer Modellaufbau, Kalibrierung, Optimierung Bauherr Anforderungen Energieplaner Wärmenutzung Jahresgang Kanton, Wasserwerke Pegeldaten, Abflüsse, Gewässergeometrie, Fördermengen, Temperaturen

9 Technische Umsetzung 9 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Strömungsmodell Sinnvolle Randbedingungen in grosser Entfernung Zur Kalibrierung benötigte Pegel nur grossräumig vorhanden Lokale Modellverfeinerung Modellverschachtelung Regionalmodell Transportmodell Zur Vermeidung numerischer Dispersion benötigt man ein feines Netz Projekt meistens kleinräumig Modelllupe

10 Beispiel Kühlnutzung 10 HSR Optimierung Hochschule mit für numerischen Technik Rapperswil Modellen Vorgaben des Kunden: Kühlnutzung 560 MWh/a Erwärmung um 6 C Vorgegebene Flächen für Entnahme und Versickerung Problematik: Die Grundwassertemperatur beträgt bereits 13 C In der Umgebung sind 2 grosse Kühlnutzungen konzessioniert Die Erwärmung in 100 m Distanz darf max. 2.5 C betragen Optimierung: Anordnung der Brunnen? Temperaturdifferenz? Maximale Kühlnutzung?

11 Simulation Ausgangsprojekt 11 HSR Optimierung Hochschule mit für numerischen Technik Rapperswil Modellen Problematik: Hohe Entnahmen im Anstrom verflachen Grundwasserspiegel am Projektstandort Simulationsresultate: Temperaturdifferenz im Abstrom 4.5 C Temperaturdifferenz zur Referenz ohne Anlage Anforderungen nicht erfüllbar mit T von 6 C

12 Optimierung mit etwa 10 Rechenläufen 12 HSR Optimierung Hochschule mit für numerischen Technik Rapperswil Modellen Optimierte Anlage: Nur 90% der Kühlnutzung Rückgabe in Brunnenreihe Temperaturdifferenz 3 C Anforderungen erfüllbar Temperaturdifferenz zur Referenz ohne Anlage

13 Beispiel Wärme- und Kühlnutzung 13 HSR Optimierung Hochschule mit für numerischen Technik Rapperswil Modellen Vorgaben des Kunden: Wärme und Kühlnutzung je ca. 600 MWh/a Abkühlung um 4 C, Erwärmung um 3 C 2 Objekte mit unterschiedlichem Jahresgang der Nutzung Problematik: Die Grundwassertemperatur beträgt bereits über 12 C Die Erwärmung in 100 m Distanz darf max. 3 C von der natürlichen Temperatur (ca. 11 C) abweichen Kühlnutzung problematisch Optimierung: Anordnung der Brunnen? Maximale Kühlnutzung?

14 Situation 14 HSR Optimierung Hochschule mit für numerischen Technik Rapperswil Modellen Temperaturganglinie Istzustand Besonderheit: Die Grundwassertemperatur ist vom nahen Gewässer beeinflusst und weist einen verschobenen Jahresgang auf Im Anstrom befindet sich eine Wärmenutzung, die den Jahresgang verstärkt

15 Optimierte Lösung 1: Entnahme im Anstrom 15 HSR Optimierung Hochschule mit für numerischen Technik Rapperswil Modellen Rückgabe Anordnung der Brunnen Optimierung: Entnahme Kühles Wasser entnehmen im Sommer Warmes Wasser im Winter Anforderungen erfüllbar

16 Optimierte Lösung 2: Entnahme im Abstrom 16 HSR Optimierung Hochschule mit für numerischen Technik Rapperswil Modellen Entnahme Anordnung der Brunnen Optimierung: Rückgabe Fast geschlossener Kreislauf Grundwasser als saisonaler Wärmespeicher genutzt Anforderungen erfüllbar

17 Limmattal, GEM-Tool 17 HSR Stand Hochschule der Technik für Technik Rapperswil Regionalmodell FEFLOW Strömung Wärmetransport regional GEM-TOOL Eingabe der Anlage Umrisse und Ausrichtung der Modelllupe Erzeugung des Finite-Elemente Netz Randbedingung aus Regionalmodell Darstellung der Resultate Modelllupe FEFLOW Strömung Wärmetransport detailliert Rechenzeit ca. 1 Stunde

18 GEM-Tool: Software-Architektur 18 HSR Stand Hochschule der Technik für Technik Rapperswil Browser Java Plugin AWEL Zürich Webserver (apache) GEM-Tool: Module in Perl, C, Java Eingabedatei Simultec AG Datenbank (MySQL) Ausgabedatei FEFLOW Batch-Ausführung

19 HSR Stand Hochschule der Technik für Technik Rapperswil GEM-Tool: Bedienungsoberfläche 19

20 20 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Danke für die Aufmerksamkeit Fragen? Realisiert mit Unterstützung des Simultec-Teams