Thermische Strömungssimulation für die räumliche Energieplanung mit Seewasser
Seen und andere Oberflächengewässer stellen einen enormen natürlichen Energiespeicher dar, der sowohl ökologisch als auch ökonomisch effizient genutzt werden kann. Durch den Einsatz von Seewasserwärmepumpen lässt sich diese gespeicherte thermische Energie für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden erschließen und trägt so maßgeblich zur Dekarbonisierung der kommunalen Wärmeversorgung bei. Thermische Strömungssimulationen bilden dabei eine unverzichtbare Grundlage für die räumliche Energieplanung und ermöglichen eine fundierte Bewertung der Rahmenbedingungen und Anforderungen für eine nachhaltige thermische Nutzung von Seewasser.
Strömungssimulation als Planungsinstrument für Behörden, Planer und Energieversorger
Ein wesentlicher Vorteil thermischer Strömungssimulationen liegt in ihrer kommunikativen Funktion: Sie machen die zu erwartenden thermischen und strömungsmechanischen Zustände im Gewässer für alle Beteiligten – Behörden, Planer und Energieversorger – anschaulich und nachvollziehbar sichtbar. Dies erleichtert wasserrechtliche Genehmigungsverfahren erheblich und schafft eine gemeinsame Planungsgrundlage, auf der fundierte Entscheidungen über Standorte, Leistungsklassen und Betriebskonzepte für die Seewassernutzung getroffen werden können.
3D-Modellierung durch Digitalisierung von Tiefenkarten
Die Grundlage jeder thermischen Strömungssimulation bildet ein präzises digitales Geländemodell des Gewässers. Hierfür werden vorhandene Tiefenkarten digitalisiert und in ein dreidimensionales Rechenmodell überführt, das die reale Beckengeometrie mit ihren Tiefen- und Uferverläufen exakt abbildet. Je genauer dieses 3D-Modell die tatsächlichen bathymetrischen Verhältnisse widerspiegelt, desto belastbarer und aussagekräftiger sind die Ergebnisse der CFD-Simulation.
Simulation der Temperaturschichtung im Heiz- und Kühlbetrieb
Die Strömungssimulation bildet die Temperaturschichtung im Gewässer unter Berücksichtigung der Zu- und Rückführleitungen sowohl im Heiz- als auch im Kühlbetrieb realitätsnah ab. In natürlichen Gewässern entsteht durch solare Einstrahlung, Windmischung und jahreszeitliche Einflüsse eine charakteristische thermische Schichtung – die sogenannte Thermokline –, welche die Temperaturverfügbarkeit und das Strömungsverhalten maßgeblich beeinflusst. Die Simulation quantifiziert diese komplexen Wechselwirkungen zwischen Wärmeein- und -ausleitungen und der natürlichen Schichtung und liefert so belastbare Planungsdaten für die Auslegung von Seewasserwärmepumpenanlagen.
Zeitliche Auflösung saisonaler Temperaturschwankungen
Die zeitlich aufgelöste Betrachtung der Temperaturschwankungen im Gewässer ermöglicht eine realistische Abschätzung der saisonalen Leistungsverfügbarkeit des Seewassersystems über einen vollständigen Jahresverlauf. Temperaturganglinien und deren Abhängigkeit von Witterungseinflüssen, Nutzungsintensität und Betriebsregimen können so detailliert analysiert und für die Systemauslegung genutzt werden.
Optimierung der Zu- und Rücklaufgeometrie zur Vermeidung von Kurzschlussströmungen
Durch systematische Variation der Zu- und Rücklaufgeometrien – also der Anzahl, Anordnung und Ausrichtung der Ein- und Auslassbauwerke – werden die jeweiligen thermischen Einflussgebiete im Gewässer bestimmt. Auf diese Weise lassen sich hydraulische und thermische Kurzschlussströmungen zuverlässig vermeiden, die Effizienz der Seewassernutzung maximieren und mögliche ökologische Beeinträchtigungen des Gewässers auf ein Minimum reduzieren.