Optimierung

Auf dieser Seite wird der Ablauf der Optimierung im Detail erklärt.

Ziel der Optimierung

Ziel der Optimierung sind möglichst geringe jährliche Kosten. Die Kosten setzen sich aus folgenden Positionen zusammen:

• Investitionskosten
  • Rohrleitungen (mit Lebensdauer und Zinssatz auf jährliche Tilgung umgelegt)
  • Pumpe (mit Lebensdauer und Zinssatz auf jährliche Tilgung umgelegt)
• Betriebskosten
  • Wartungskosten Netz/Jahr
  • Kosten für benötigten Pumpstrom
  • Kosten für zusätzliche Energieerzeugung durch Wärmeverluste

Dazu werden die verschiedenen Rohrtypen bei allen Rohrleitungen geprüft und so der optimale Rohrdurchmesser bestimmt.

Datenbasis für Optimierung

Es werden alle einstellbaren Daten aus der Benutzeroberfläche für die Optimierung genutzt. Mithilfe der Formeln werden daraus die Kosten berechnet.

Dabei ist zu beachten, dass die Berechnungen mithilfe dieser Formeln auf Stundenbasis erfolgt. Für die Bestimmung der Kosten wird daraus z.B. eine Summe über die Wärmeverluste aller 8760 Stunden oder die das Maximum der benötigte Pumpleistung zur Bestimmung der Pumpinvestitionskosten gebildet.

Auch die Berechnung der Kosten sind in der Formelsammlung beschrieben.

Grundlegende Annahmen

• Der Rohrdurchmesser in einem Rohr ist mindestens so groß, wie das größte daran angeschlossene Rohr.
• Wenn ein besserer Rohrdurchmesser gefunden wurde, kann höchstens der darauffolgende Rohrdurchmesser noch besser sein. Wenn dies nicht der Fall ist, kann die Überprüfung der folgenden Rohrdurchmesser ausgelassen werden.
• ...

Vorgehen

Der folgende Abschnitt beschreibt das eigentliche Optimierungsverfahren. Die Optimierung ist in mehrere Schritte aufgeteilt:

1. Initialisierung des Netzes
2. Längster Pfad
3. Schicht für Schicht

Initialisierung des Netzes

Zu Beginn werden alle Rohrleitungen mit einem praktisch unmöglichen Rohrtyp initialisiert. Das Besondere an diesem Rohrtyp ist, dass dieser keine Wärmeverluste und keine Druckverluste aufweist. Durch sehr hohe fiktive Kosten von 9.999.999 € pro Meter wird dieser fiktive Typ jedoch schnell gegen realistische Rohrtypen ersetzt. Der fiktive Rohrtyp hilft im ersten Optimierungsschritt alle Rohre entlang des längsten Pfads zu optimieren und somit den maximalen Druckverlust entlang des längsten Pfads ungefähr einzustellen.

Längster Pfad

Im ersten Optimierungsschritt werden die Rohrleitungen entlang des längsten Pfads optimiert. Oftmals wird dieser auch als kritischer Pfad bezeichnet. In diesem Projekt ist der kritische Pfad als Pfad mit dem höchsten Druckverlust definiert. Dieser muss nicht zwangsläufig der längste Pfad sein. Alle Rohrleitungen zwischen Einspeisepunkt und der am weitesten entfernten Entnahmestelle werden nacheinander einzeln optimiert. Dazu wird für jede Rohrleitung nacheinander alle möglichen Rohrtypen ausprobiert und der Typ mit den günstigsten Gesamtkosten ausgewählt.

Der längste Pfad wird solange iterativ optimiert, bis es keine Veränderung mehr zu dem vorherigen Durchlauf gibt.

Schicht für Schicht

Im zweiten Optimierungsschritt werden die Rohrleitungen hinsichtlich der Distanz in Rohrleitungen zum Einspeisepunkt sortiert. Es werden zuerst die Rohrleitungen, welche direkt an den Einspeisepunkt angeschlossen sind, optimiert. Anschließend wird die nächste Ebene an Rohrleitungen, also jene, die an einem Netzelement angeschlossen sind, welches direkt mit dem Einspeisepunkt verbunden sind, untersucht. Das Verfahren wird solange wiederholt bis alle Rohrleitungen untersucht wurden.

Weitere Anmerkungen

Es wurden zahlreiche Strategien ausprobiert und letztendlich wieder verworfen. Keine Strategie konnte das Ergebnis, der doch recht einfach gewählten Optimierungsmethoden, verbessern.

An dieser Stelle möchte ich die Optimierungsstrategie LowerPressureLoss10 einführen, welche versucht eine optimale Lösung herbeizuführen, indem der längste Pfad der Pfad mit dem höchsten Druckverlust (kritischer Pfad) wird. Die Strategie untersucht dafür alle Pfade, die einen höheren Druckverlust als der längste Pfad haben, und optimiert alle enthaltenen Rohrleitungen gemeinsam. Dies bedeutet, dass die Durchmesser aller Rohre zeitgleiche vergrößert werden und erst hinterher die Kosten untersucht werden. Dieses Verfahren ist jedoch sehr zeitintensiv, da die Anzahl der Untersuchungen n^k beträgt, wobei n die Anzahl der größeren Rohrdurchmesser ist und k die Anzahl der Rohrleitungen. Test bei verschiedenen Grids haben gezeigt, dass diese zeitintensive Suche kein besseres Ergebnis liefern konnte.