Berechnungsmodelle für die Kältekreistechnik: Beschleunigte Auslegungsverfahren mittels Simulation und Optimierung

Kältemittelkreisläufe (kurz: Kältekreise) nehmen in nahezu allen Sektoren eine Schlüsselrolle zur Dekarbonisierung der Wärme- und Kälteversorgung ein. Die damit verbundene steigende Nachfrage impliziert folglich auch einen höheren Bedarf an sorgfältig ausgelegten Kältekreisen.

Die Auslegung von Kältekreisen ist geprägt von heuristischen Auslegungsregeln, die unter vereinfachten Annahmen genutzt werden und zu konservativen Lösungen führen. Zur Kompensation von Vereinfachungen werden Sicherheitsfaktoren eingeführt, die im Allgemeinen zu robusten Lösungen führen, aber nicht unbedingt zu optimalen Lösungen. Zur Reduktion der Sicherheitsfaktoren können Methoden aus der Simulation und Optimierung genutzt werden. Simulations- und optimierungsbasierte Methoden können detaillierte Zusammenhänge berücksichtigen und damit innovative Lösungen bieten. Zur Anwendung dieser computergestützten Methoden sind allerdings valide Berechnungsmo-delle notwendig.

In diesem Beitrag wird ein Überblick über aktuelle Berechnungsmethoden geben, der Prozess der Modellkalibrierung vorgestellt und ein Abgleich von kalibrierten Simulationsmodellen mit Experimenten (Validierung) durchgeführt. Die Experimente werden im Kältemittellabor der RWTH Aachen durchgeführt. Das Kältemittellabor ist als Hardware-in-the-Loop-Umgebung ausgeführt, dass die ganzheitliche Untersuchung von (brennbaren) Kältemitteln, Kältekreisen und Gesamtsystemen unter dynamischen, realitätsnahen und wiederholbaren Randbedingungen erlaubt. In diesem Setup können sowohl digitale Zwillinge des Kältekreises (der Thermodynamik) als auch digitale Zwillinge der Regelungstechnik entwickelt und bewertet werden.

Die Kombination aus Thermodynamik und Regelungstechnik ist der Wegbereiter für die Beschleunigung von Auslegungsverfahren und damit für schnellere Dekarbonisierung sämtlicher Sektoren.