District heating systems for new residential areas: On the impact of system temperatures
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau, Institut für Thermische Energietechnik, Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik | |
| dc.contributor.referee | Vajen, Klaus (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Werner, Sven (Prof. em.) | |
| dc.contributor.referee | Orozaliev, Janybek (Dr,) | |
| dc.date.accessioned | 2022-11-29T07:37:47Z | |
| dc.date.available | 2022-11-29T07:37:47Z | |
| dc.date.issued | 2022-11 | |
| dc.description.sponsorship | Erstellt u. a. im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungsprojekte: „Verbundvorhaben: Geosolare Nahwärmeversorgung für die Siedlung ‚Zum Feldlager‘“ (FKZ: 03ET1336C) im Rahmen des Förderkonzeptes „Energieeffiziente Stadt (EnEff:Stadt)" gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie; „Verbundvorhaben: EnEff: Wärme – Smart Thermal Subgrid: Effiziente und erneuerbare Gestaltung von Subnetzen – Umsetzung eines systemischen Ansatzes am Beispiel des Konversionsgebiets Benjamin Franklin Village / Mannheim; Teilvorhaben: Anlagentechnische Integration Erneuerbarer Energien; Betriebsstrategien“ (FKZ: 03ET1580A-C) gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei der Autorin. | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202211167132 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/14270 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.relation.projectid | FKZ: 03ET1336C | |
| dc.relation.projectid | FKZ: 03ET1580A-C | |
| dc.subject | Niedertemperatur-Fernwärme | ger |
| dc.subject | vierte Generation Wärmenetzsysteme | ger |
| dc.subject | Niedrigstenergiegebäude | ger |
| dc.subject | Low-temperature district heating | eng |
| dc.subject | fourth generation district heating | eng |
| dc.subject | low-energy buildings | eng |
| dc.subject | Effiziente Wärmenetze | ger |
| dc.subject | Wärmeverteilkosten | ger |
| dc.subject | Standard-Last-Profile | eng |
| dc.subject | Wärmepumpe | ger |
| dc.subject | Quartierslösungen | ger |
| dc.subject | Wärmeleitplanung | ger |
| dc.subject | Wärmebedarfsdichte | ger |
| dc.subject | efficient district heating systems | eng |
| dc.subject | heat distribution costs | eng |
| dc.subject | standard load profiles | eng |
| dc.subject | heat pump | eng |
| dc.subject | heat master plan | eng |
| dc.subject | heat demand density | eng |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.subject.swd | Wäremeversorgung | ger |
| dc.subject.swd | Fernwärmeversorgung | ger |
| dc.subject.swd | Solarthermie | ger |
| dc.subject.swd | Niedertemperatur | ger |
| dc.subject.swd | Technische Anlage | ger |
| dc.subject.swd | Effizienz | ger |
| dc.subject.swd | Wohngebiet | |
| dc.title | District heating systems for new residential areas: On the impact of system temperatures | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| dcterms.abstract | Erneuerbare Niedertemperatur-Wärmenetzsysteme können einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung der Wärmebereitstellung dicht bebauter Wohngebiete leisten. Es ist bisher unklar, welche Auswirkungen die Wahl der Systemtemperatur, hier die mittlere Wärmenetzsystemvorlauftemperatur, auf die Erschließung neuer Wohngebiete mit Niedertemperatur-Wärmenetzsystemen hat. Ziel ist es, den Einfluss der Systemtemperatur auf die ökologische und ökonomische Effizienz von erneuerbaren Wärmenetzsystemen für neue Wohngebiete mit geringer bis hoher Bebauungsdichte zu quantifizieren. Hierfür wurden thermodynamische Simulationen und eine techno-ökonomische Analyse durchgeführt, die die Bereiche Wärmebedarf (Gebäude und Anlagentechnik), Wärmeverteilung, sowie die Auslegung und den Betrieb der Wärmebereitstellungsanlagen umfasst. Zunächst wird eine vereinfachte Gebäudetypologie aus 13 Gebäudetypen definiert. Besagte Gebäude und dazugehöriger Anlagentechnik (Trinkwarmwasserbereitung und Raumheizungssystem) werden für drei Standorte in Deutschland und in drei Gebäudeeffizienzstandards modelliert und simuliert. Die Wärmelastprofile der Einzelgebäude werden zu Quartiers-Wärmelastprofilen aggregiert, sodass über 300 Wärmelastprofile generiert werden. Diese decken den gesamten Bebauungsdichtebereich von lockerer bis sehr dichter Bebauung ab. Die erstellten Quartiers-Wärmelastprofile werden im Rahmen einer Regressionsanalyse diskutiert. Zur Verallgemeinerung der Quartiersprofile werden die Parameter des in der deutschen Gaswirtschaft etablierten Standard-Last-Profil (SLP)-Verfahrens für die Nutzergruppe „Wohngebäude“ hoher Gebäudeenergieeffizienzstandards angepasst. Darauf aufbauend werden erneuerbare Wärmenetzsysteme mit mittleren Systemtemperaturen von 40 °C bis 75 °C für ländliche bis urbane Wohnquartiere ausgelegt und untersucht. Der Mehrwert geringer Systemtemperaturen wird anhand der Wärmegestehungskosten und der CO2-Äqui.-Emissionen pro Quadratmeter Gebäudebezugsfläche oder pro bereitgestellte Megawattstunde dargelegt. Im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse werden die Auswirkungen von Kosten- und Preisänderungen auf die Wärmegestehungskosten untersucht. Abschließend wird der Einfluss der Systemtemperatur auf die Bereiche Wärmebedarf und Wärmelast, Wärmeverteilung sowie Wärmebereitstellung dargelegt und Schlussfolgerungen gezogen. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass erneuerbare Wärmenetzsysteme ökonomisch und ökologisch von geringen Systemtemperaturen profitieren. Eine Reduzierung der Wärmegestehungskosten um etwa 20 % kann erreicht werden, wenn die mittlere Wärmenetzvorlauftemperatur von 75 °C auf 40 °C gesenkt wird. Dies ist hauptsächlich darin begründet, dass geringere Systemtemperaturen zu einer Steigerung der Effizienz erneuerbarer Wärmeerzeugungstechnologien führen, wodurch die Gesamtsystemkosten signifikant sinken. Hinsichtlich der Wärmeverteilung konnte ein Temperaturoptimum im Bereich von 50 °C bis 60 °C festgestellt werden. Bei Systemtemperaturen unter 55 °C kommt es zu einer Verschiebung der Kosten von Erzeuger- zu Nutzerseite: die Betriebskosten zentraler Wärmepumpensysteme werden deutlich reduziert, jedoch fallen Investitions- und Wartungskosten, sowie Betriebskosten auf der Nutzerseite durch Warmwasserbereitstellungskomponenten an. Der Einsatz von Wohnungsstationen führt zu einem erheblichen Anstieg der Wärmegestehungskosten um bis zu 30 %. Insgesamt wurde für Wärmepumpen-basierte Wärmenetzsysteme ein Kostensenkungsgradient von im Mittel 1 €/(MWh∙KVorlauf) bei Netto-Strompreisen von rund 200 €/MWh berechnet. Hinsichtlich der ökologischen Effizienz ist festzuhalten, dass eine Systemtemperatur von 55 °C statt 75 °C zu deutlich geringeren Treibhausgasemissionen im Bereich von 30 % führt, jedoch eine weitere Temperaturabsenkung in urbanen Wohnquartieren zu keiner weiteren signifikanten Verringerung der Treibhausgasemissionen führt. Dies ist durch den höheren Stromverbrauch auf der Verbraucherseite zu erklären, der durch den Nachheizbedarf des Warmwassers auf 60 °C (Legionellenschutz) mittels Booster-Wärmepumpen oder direkt-elektrischer Nachheizung bedingt ist. Die Ergebnisse bestätigen die Bedeutung geringer Systemtemperaturen von unter 70 °C für die wirtschaftliche und ökologische Effizienz von Wärmenetzsystemen mit temperatursensiblen Wärmebereitstellungstechnologien wie Solarthermie und Wärmepumpe. | ger |
| dcterms.abstract | Renewable low-temperature district heating systems can make an important contribution to decarbonising the heat supply of densely built-up residential areas. So far, it is unclear how the choice of system temperature, which here refers to the district heating system's mean supply temperature, affects the development of new residential areas via low-temperature district heating systems. The aim is to quantify the influence of the system temperature on the environmental and economic efficiency of renewable district heating systems for new residential areas with low to high building density. In order to compute the added value of low system temperatures, thermodynamic simulations and a techno-economic analysis were carried out, covering the areas of heat demand, i.e. buildings including systems engineering, heat distribution, as well as the design and operation of the heat supply systems. First, a simplified building typology consisting of 13 building types is defined. These buildings, including the systems engineering (domestic hot water preparation and space heating system), are modelled and simulated for three locations in Germany and in three building efficiency standards. The heat load profiles of the individual buildings are aggregated into heat load profiles of districts, so that over 300 heat load profiles are generated. These cover the entire building density range from loose to very dense developments. The generated district heat load profiles are discussed in a regression analysis. To generalise the district heat load profiles, the parameters of the Standard Load Profile (SLP) procedure established in the German gas industry are adapted for the user group residential buildings of high energy efficiency standard. Based on this, renewable district heating systems with average system temperatures of 40 to 75°C are designed and investigated for rural to urban residential districts. The added value of low system temperatures is discussed based on the levelised cost of heat and the CO2--equivalent emissions per square metre of building reference area or per megawatt hour provided. In a sensitivity analysis, the effects of cost and price changes on the levelised cost of heat are investigated. Finally, the influence of the system temperature on the areas of heat demand and heat load, heat distribution and heat supply is discussed individually, and the corresponding conclusions are drawn. The calculation results show that renewable district heating systems benefit economically and environmentally from low system temperatures. A reduction of the levelised cost of heat by about 20 % can be achieved if the average district heating supply temperature is lowered from 75 to 40 °C. This is primarily because lower system temperatures lead to an increase in the efficiency of renewable heat generation, which significantly reduces the overall system costs. Regarding heat distribution, a temperature optimum in the range of 50 to 60 °C was found. At system temperatures below 55 °C, there is a shift in costs from the producer to the user side: the operating costs of central heat pump-based district heating systems are significantly reduced, but there are additional investment and maintenance costs as well as operating costs on the user side due to hot water supply components. The use of substations per dwelling unit results in a 30 % increase in the levelised cost of heat. Overall, a cost reduction gradient of on average 1 €/(MWh∙Kflow) at net electricity prices of around 200 €/MWh was calculated for heat pump-based district heating systems. With regard to environmental efficiency, it should be noted that system temperatures of 55 instead of 75 °C lead to significantly lower greenhouse gas emissions in the range of 30 %, but a further temperature reduction in urban residential districts does not lead to any further significant reduction in greenhouse gas emissions. This can be explained by the higher electricity consumption on the consumer side, which results from the need to heat the domestic hot water to 60 °C (legionella prevention) using booster heat pumps or direct-electric heaters. The results confirm the importance of low system temperatures below 70 °C for the economic and environmental efficiency of district heating systems with temperature-sensitive heat supply technologies such as solar thermal and heat pumps. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Best, Isabelle | |
| dcterms.dateAccepted | 2022-01-28 | |
| dcterms.extent | vi, 182 Seiten | |
| kup.iskup | false |