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Der Spreadsheet Energy System Model Generator (SESMG) ist ein Werkzeug zur Modellierung und Optimierung von (urbanen) Energiesystemen. Der SESMG hat eine browserbasierte grafische Benutzeroberfläche, eine tabellenbasierte Dateneingabe und eine ausführliche Dokumentation, was einen einfachen Einstieg ermöglicht. Zudem erfordern die Installation und Anwendung keine Programmierkenntnisse. Im SESMG sind verschiedene Modellierungsmethoden implementiert, wie z. B. die Anwendung des Multi-Energie-System-Ansatzes, die multikriteriale Optimierung, modellbasierte Methoden zur Reduktion des Rechenaufwands sowie die automatisierte Erstellung von räumlich hoch aufgelösten Energiesystemmodellen. Somit können urbane Energiesysteme mithilfe des SESMGs mit vergleichsweise geringem Aufwand, aber unter Berücksichtigung einer Vielzahl von Parametern und Randbedingungen, modelliert und optimiert werden.
A novel approach for ventilation systems is a periodically varying supply air flow rate, the so-called unsteady mode of operation. So far, useful effects of this unsteady operating mode have been observed, but the effect mechanisms are still unknown. In this manuscript, simulations using the recently proposed k-ω-ζ - f model implemented in a sensitized RANS computational framework for a cuboid room with swirl diffusers are compared and validated with PIV measurements.
Entwicklung eines Konzeptes zur Nachrüstung von Regenklärbecken mit technischen Regenwasserfiltern
(2023)
Gazelle: Ganzheitliche Regelung von Biogasanlagen zur Flexibilisierung und energetischen Optimierung
(2021)
Bewertung von Substrataufschlussverfahren zur Steigerung des Gasertrages auf Basis von Experimenten
(2019)
Traditionelle, lineare Energiesysteme werden zunehmend zu vernetzten, regenerativen Energiesystemen transformiert. Mit dem auf dem „Open Energy Modelling Framework” (oemof) basierenden „Spreadsheet Energy System Model Generator” (SESMG) wurde ein Tool entwickelt, welches die Komplexität und Wechselwirkungen moderner Energiesysteme auf urbaner Ebene automatisiert abbildet. Zur Erstellung individueller Energiesystemmodelle sind ausschließlich quartiersspezifische Parameter notwendig, technische und wirtschaftliche Parameter sind standardmäßig hinterlegt. Mit Hilfe von Algorithmen werden Energieversorgungsszenarien identifiziert, welche individuell definierte Zielgrößen (z. B. monetäre Kosten oder Treibhausgasemissionen) minimieren. Durch die implementierten Methoden zur Modellvereinfachungen können auch mit begrenzten Rechenressourcen (insb. Rechenzeit und Arbeitsspeicherbedarf) große Systeme modelliert und optimiert werden. Die Zielszenarien werden als Diagramme und für die Weiterverarbeitung mit Geoinformationssystemen aufbereitet, sodass die Ergebnisse analysiert, plausibilisiert und präsentiert werden können.
Durch ihre multifunktionale Wirkung leisten Baumrigolen einen wichtigen Beitrag zur Klimafolgenanpassung. Baumrigolen kombinieren die Bewässerung von Stadtgrün mit dem Rückhalt und der Versickerung von Oberflächenabflüssen. Vor allem die Sys-teme mit Speicherelementen können zur Reduktion des Überflutungsrisikos beitragen. Den Baum selbst zeichnet bereits seine gestalterische Wirkung im urbanen Raum aus. Zusätzlich beeinflussen Bäume durch Beschattung und Verdunstung das Stadtklima positiv. Ergebnisse der Untersuchungen von Rigolensystemen im Nottul-ner Gemeindebereich belegen den positiven Effekt im wasserwirtschaftlichen Kontext. Durch Simulationsrechnungen und Messdaten wurden die versickerten und verduns-teten mit den abgeleiteten Abflussanteilen verglichen. Bislang zählen allerdings die Bedürfnisse von Bäumen nicht zu Fragestellungen, die bei der Bemessung wasser-wirtschaftlicher Systeme im Fokus stehen. Hier besteht noch erheblicher Klärungsbedarf.
Mechanical ventilation of buildings is generally based on steadily operating systems. This field is well known and established. But, an approach based on time-varied supply flow rates might improve indoor air quality, comfort, and energy consumption. Typical time-scales of the variation are in the order of seconds or minutes. Until now, the effects of unsteady ventilation scenarios are not fully described and so, reliable dimensioning rules are missing. Hence, with a better understanding of the flow in unsteady ventilation, systems can be calculated and optimised. To understand the effective mechanisms and derive functional relations between the flow field and variation parameters, full-field optical flow measurements are executed with a particle image velocimetry (PIV) system. Experiments are conducted under isothermal conditions in water in a small-scale room model (1.00 m × 0.67 m × 0.46 m) with two swirl ceiling diffusers, Reynolds-scaling assures similarity. In a series of experiments, the effects of different unsteady ventilation strategies on the flow fields are investigated and compared to steady conditions with the same mean exchange rate. Mean exchange rates, signal types, periods, and amplitudes are varied. Time-averaged normalised velocity fields already indicate notable differences between steady and unsteady cases especially for lower exchange rates: the distribution is more homogeneous in unsteady scenarios compared to steady conditions, and low-velocity areas are reduced while the mean velocity of the room increases. So, unsteady ventilation might be beneficial in terms of improved ventilation and energy savings in partial-load operation. Fast Fourier Transformation (FFT) analyses of the mean velocity for each field over the whole series detect the main frequency of the volume flow variation. By dividing the velocity field into smaller areas, this main frequency is still detected especially in the upper part of the room, but side frequencies play a role in the room as well.
The effects of different unsteady ventilation strategies on flow-structures in a room are investigated and compared to steady ventilation with the same mean exchange rate. For this, whole-field optical flow measurements were executed by means of a particle image velocimetry system (PIV) in a Reynolds-scaled room model in water. In a first series of experiments, sinusoidal varied supply flows with different frequencies were analysed; two equally supplied simple nozzles in the ceiling were used as inlets. The setup was validated by comparing jet velocities with literature values.
Typically, room airflows are investigated with punctual measurement techniques (e.g.
anemometers), which have an impact on the flow field, or with smoke gas experiments. By using PIV, the flow can be analysed without any influence of sensors or stands/traverses and whole-field measurement data with high spatial resolution and detailed information on the flow field can be collected.
Local and time-averaged velocities and standard deviations were calculated for all scenarios. Unsteady conditions were created by a sinusoidal variation of the supply flow rate with frequencies between 0.025 1/s and 0.050 1/s, an offset of about 1.1 m3/h and an amplitude of about ±1.0 m3/h, which leads to a mean exchange rate of 3.5 1/h. Although averaged velocity fields only show slight differences between steady and unsteady conditions, single pictures vary widely. First effects of unsteady ventilation on flow structures can be recognized. Steady structures are destroyed, and velocities change rapidly.
The inlets will be changed to small-scale ceiling-diffusors in future experiments to create more realistic room ventilation conditions. Other types of unsteady supply flows will be implemented, and parameters will be varied. The results of the PIV-measurements can be used to validate CFD simulations and to derive dimensioning rules and application recommendations.
Rund 75 % des weltweiten Energieverbrauchs findet innerhalb urbaner Energiesysteme statt. Solche Systeme beinhalten mehrere Energiesektoren (Elektrizität, Wärme, Kälte, …), Verbrauchssektoren (Wohnen, Gewerbe, Industrie, Landwirtschaft, Mobilität, …) und Interessensgruppen und sind deshalb besonders komplex. Durch den Einsatz von Methoden der Energiesystemmodellierung können diese komplexen Systeme simuliert, analysiert und optimiert werden. Mit Simulationsmodellen können Kosten, Emissionen und verschiedene andere Systemparameter prognostiziert werden. Mithilfe von Optimierungsalgorithmen können Technologien miteinander verglichen, Anlagen dimensioniert und Betriebsweisen optimiert werden. Die Erkenntnisse aus Energiesystemmodellen können zur Einhaltung verschiedener politischer und sozialer Ziele, wie beispielsweise die Reduktion von Treibhausgasemissionen, der Bedarf nach kostengünstiger Energieversorgung oder auch die Stärkung der regionalen Wirtschaft, beitragen.
Im Projekt R2Q werden Ansätze der Energiesystemmodellierung für den Einsatz in der Planung urbaner Energiesysteme aufgearbeitet, angepasst und für städteplanerische Prozesse verfügbar gemacht. In ersten Modelldurchläufen für ein Testgebiet in Herne konnte durch die Kombination verschiedener Technologien eine rechnerische Minimierung der monetären Kosten um 19 % bei gleichzeitiger Reduktion der CO2-Emissionen um 36 % ermittelt werden. Durch ein emissionsoptimiertes Szenario können die CO2-Emissionen um 47 % reduziert werden, was jedoch mit einer Steigerung der Kosten um 29 % einhergeht.
Biogas Benchmark Münsterland
(2019)