Modellabbildung und Ergebnisgrößen
Wie das Wärmenetz simuliert wird: thermohydraulisches Modell, Zeitintegration, Ergebnisgrößen und Ausgabedateien
Überblick
Die dynamische Simulation bildet das Wärmenetz als thermohydraulisches Modell ab: eine quasistationäre Hydraulik (Massenströme und Drücke) gekoppelt mit instationären Energiebilanzen der Fluidvolumen. Die Zeitintegration erfolgt mit adaptiver Schrittweite. Diese Seite beschreibt die Modellabbildung kompakt und listet die Ergebnisgrößen und Ausgabedateien als Referenz.
Modellabbildung
Hydraulik
In jedem Integrationsschritt wird das nichtlineare Gleichungssystem aus Massenerhaltung an den Knoten und den Druckverlustbeziehungen aller Elemente mit einem Newton-Verfahren gelöst. Der Referenzdruck wird am Druckhaltungsknoten vorgegeben; aus den geodätischen Höhen der Knoten ergeben sich zusätzlich absolute Drücke (Größen mit Suffix Absolute). Geregelte Ventile und Pumpen gehen mit ihren aktuellen Regelgrößen direkt in das Gleichungssystem ein.
Thermik
Jedes Rohr wird entlang seiner Länge in Fluidvolumen unterteilt; die maximale Elementlänge ist die Länge der Rohrdiskretisierung aus den Netzeinstellungen. Die Anzahl der Volumen je Rohr beträgt
mit der Rohrlänge . Für jedes Volumen wird eine Energiebilanz aus Wärmetransport mit dem Massenstrom und Wärmeaustausch mit der Umgebung (z. B. Erdreich) gelöst. Eine kleinere Diskretisierungslänge erhöht die Genauigkeit der Temperaturfronten im Netz, vergrößert aber das Gleichungssystem und die Rechenzeit.
Regler und Erdreichkopplung
Regler (z. B. für Ventile und Pumpen) werden innerhalb des Netzmodells mitgerechnet; ihre aktuellen Stell- und Fehlergrößen stehen als Ergebnisgrößen zur Verfügung (siehe Regler). Rohre mit Erdreich-Wärmeaustausch und Erdwärmequellen mit gekoppeltem Erdreichmodell werden über separate, beim Export generierte Erdreichmodelle abgebildet, die per Co-Simulation mit dem eingestellten Kopplungszeitschritt an das Netzmodell gekoppelt sind (siehe Erdreichmodell).
Zeitintegration
Standardintegrator ist CVODE, ein implizites Verfahren mit adaptiver Schrittweite: Der Zeitschritt wird anhand einer lokalen Fehlerschätzung automatisch vergrößert oder verkleinert (relative Toleranz standardmäßig 10⁻⁵, maximaler Zeitschritt 1 h). Bei numerisch anspruchsvollen Situationen können die Schritte vorübergehend sehr klein werden; die Ausgaben erfolgen unabhängig davon auf dem Ausgabegitter (Standard: stündlich).
Ergebnisgrößen
Mit der Option Generiere standardmäßige netzbezogene Ausgaben (siehe Ausgaben definieren) werden für alle Netzelemente stündliche Ausgaben erzeugt. Welche Größen ein Element liefert, hängt vom Komponententyp ab:
| Größe | Einheit | Bedeutung |
|---|---|---|
| FluidMassFlux | kg/s | Massenstrom durch das Element |
| FluidVolumeFlow | m³/s | Volumenstrom durch das Element |
| FluidVelocity | m/s | Strömungsgeschwindigkeit (Rohre) |
| InletNodeTemperature / OutletNodeTemperature | °C | Temperatur am Ein- bzw. Austritt des Elements |
| TemperatureDifference | K | Austritts- minus Eintrittstemperatur |
| InletNodePressure / OutletNodePressure | Pa | Druck am Ein- bzw. Austrittsknoten |
| InletNodePressureAbsolute / OutletNodePressureAbsolute | Pa | Druck einschließlich geodätischem Anteil |
| PressureDifference | Pa | Druckdifferenz über das Element |
| PressureDifferencePerLength | Pa/m | Druckgefälle je Meter Rohrlänge |
| PressureLossFittingsInlet / PressureLossFittingsOutlet | Pa | Druckverlust durch Formstücke am Ein-/Austritt |
| FlowElementHeatLoss | W | Wärmestrom vom Element an die Umgebung; negativ, wenn das Element Wärme in das Netz einspeist |
| HeatingPower | W | Dem Fluid zugeführte Heizleistung (Wärmeübertrager) |
| PressureHead | Pa | Förderhöhe der Pumpe |
| ElectricalPower | W | Elektrische Leistungsaufnahme (Pumpen, Wärmepumpen) |
| PumpEfficiency | – | Aktueller Pumpenwirkungsgrad |
| COP | – | Leistungszahl der Wärmepumpe |
| CondenserHeatFlux / EvaporatorHeatFlux | W | Wärmestrom am Kondensator bzw. Verdampfer der Wärmepumpe |
| RequiredBuildingHeatFlux | kW | Vom Gebäude angeforderte Wärmeleistung (Übergabestation) |
| HeatDeficitAbsolute | kW | Nicht gedeckter Wärmebedarf der Übergabestation |
| HeatDeficitRelative | – | Verhältnis von Wärmedefizit zu angefordertem Wärmestrom |
| OutletTemperatureSecondary / InletTemperatureSecondary | °C | Sekundärseitige Temperaturen der Übergabestation |
| StoredHeatingEnergy | kWh | Aktuell gespeicherte Wärmemenge der Übergabestation |
| ControllerResultValue / ControllerErrorValue | – | Stellgröße und Regelabweichung von Reglern |
Ausgabedateien
Die Simulation legt neben der Projektdatei einen Ordner <Projektname>/ an:
results/– Ergebnisdateienlog/screenlog.txt– Solver-Protokoll
Je Ergebnisgröße wird eine Datei <Netzname>.<Größe>.btf (Binärformat, Standard) bzw. .tsv (Textformat) geschrieben, z. B. Netz.FluidMassFlux.btf. Das Format legt die Option Binärformat verwenden auf der Seite Ausgaben fest. Gemittelte oder integrierte Ausgaben erhalten den Zusatz -mean bzw. -integral; bei einem anderen Ausgabegitter als hourly wird dessen Name angehängt.
Die TSV-Dateien sind tabulatorgetrennte Textdateien: die erste Spalte enthält die Zeit, danach folgt je Netzelement eine Spalte mit Elementname, ID und Einheit im Spaltenkopf, z. B. SupplyPipe(ID=1612).FluidMassFlux [kg/s].
Die Ergebnisse werten Sie direkt im Ergebnisbereich von VICUS Districts aus (Falschfarben im 3D-Modell, Liniendiagramme) oder öffnen sie in PostProc 2 – die TSV-Dateien lassen sich zudem in jedem Tabellen- oder Skriptwerkzeug weiterverarbeiten.