Vergleich von Niederschlags-Abfluss-Modellen aus der MARRMoT Toolbox für das Einzugsgebiet des Wairau River, Neuseeland

Im Einzugsgebiet des Wairau River auf der Südinsel Neuseelands sind in den vergangenen Jahrzehnten klimatische Veränderungen beobachtet worden. Beeinflusst durch eine Abnahme der jährlichen Niederschläge sinken auch die Gebietsabflüsse. Der Wairau Aquifer, der für die Bewässerung Neuseelands größtem Weinanbaugebiet genutzt wird, ist maßgeblich von dem Abflussverhalten des Wairau River abhängig und verzeichnet einen Rückgang der Grundwasserstände. Die Simulation der hydrologischen Prozesse im Einzugsgebiet ist daher notwendig, um das Verständnis für die Zusammenhänge zu erhöhen. Um die Prozesse abzubilden, wurde in dieser Masterarbeit die Modular Assessment of Rainfall–Runoff Models Toolbox (MARRMoT) verwendet. Ziel der Anwendung von MARRMoT war, ein Modell oder ein Modellensemble zu finden, das für die Simulation der Niederschlags-Abfluss-Beziehungen im Einzugsgebiet Wairau River geeignet ist. Zu diesem Zweck wurden in einem ersten Szenario 42 Modelle aus MARRMoT auf das Einzugsgebiet Wairau River mit dem Gütekriterium Kling-Gupta-Effizienz (KGE) kalibriert. In weiteren Szenarien wurden die Kalibrierungen mit dem KGE mit invers transformierten Durchflüssen (KGEi) sowie mit einer Mischform der beiden Kriterien (KGEm) realisiert. Die Bewertung der Modellperformance erfolgte anhand ausgewählter Gütekriterien. Durch die Auswertung konnten drei MARRMoT-Modelle ermittelt werden, die in allen drei Kalibrierszenarien eine hohe Performance gezeigt haben und für die weitere Anwendung im Einzugsgebiet Wairau River geeignet sind. Ein Teilziel dieser Arbeit war zudem die Korrektur von simulierten Niederschlagsdaten aus dem unbeobachteten Quellgebiet des Wairau River, die in vorherigen Arbeiten als fehlerhaft identifiziert wurden (Ludwig 2018). Dafür wurde eine höhenabhängige Korrekturvorschrift ermittelt. Die anschließende Simulation des Gebiets hat jedoch gezeigt, dass die Korrektur ohne eine bessere Datengrundlage nicht erfolgreich ist.:1. Einführung 2. Beschreibung des Untersuchungsgebiets 2.1 Klima 2.2 Einzugsgebietsgrenzen 2.3 Geologie 2.4 Boden 2.5 Landnutzung 2.6 Aquifer 3. Datengrundlage 3.1 Meteorologische Daten 3.2 Hydrologische Daten 4. Analyse und Korrektur von Niederschlagsdaten 4.1 Problematik im Teileinzugsgebiet Dip Flat 4.2 Aufbereitung der Daten 4.3 Erstellung einer Korrekturvorschrift 5. Anwendung der MARRMo Toolbox 5.1 Grundlagen von MARRMoT 5.2 Betrachtung ausgewählter MARRMoT-Modelle 5.3 Gütekriterien 5.4 Kalibrierung und Evaluierung 5.4.1 Grundlagen 5.4.2 Automatische Kalibrierung mit MARRMoT 5.4.3 Kalibrierszenarien 6. Analyse und Diskussion der Ergebnisse 6.1 Niederschlagskorrektur und Datengrundlage 6.1.1 Erstellung der Korrekturvorschrift 6.1.2 Unsicherheiten der Niederschlagskorrektur 6.1.3 Analyse der Datengrundlage für das Gesamteinzugsgebiet 6.1.4 Zusammenfassung 6.2 Anwendung der MARRMo Toolbox 6.2.1 Ergebnisse der Kalibrierszenarien 6.2.2 Detaillierte Auswertung ausgewählter Modelle 6.2.3 Unsicherheiten zwischen und innerhalb der MARRMoT Modelle 6.2.4 Zusammenfassung 6.3 Zusammenführung der Ergebnisse 7. Fazit und Ausblick 8. LiteraturverzeichnisIn the catchment area of the Wairau River on the South Island of New Zealand, climatic changes were observed in the past decades. Influenced by a decrease in precipitation, the runoff is reduced. The Wairau Aquifer, which is used for irrigation of New Zealand's largest wine-growing region, is significantly dependent on the runoff of the Wairau River and recorded a decline in groundwater levels. The simulation of the hydrological processes in the catchment area is therefore necessary. For that reason in this Master’s thesis the Modular Assessment of Rainfall Runoff Model Toolbox (MARRMoT) was used in order to find a model or model ensemble suitable for the simulation of precipitation-runoff relationships in the Wairau River catchment. In a first scenario, 42 models from MARRMoT were calibrated for the Wairau River catchment using the efficiency criteria Kling-Gupta-Efficiency (KGE). In further scenarios, calibrations using the KGE with inverse transformed flows (KGEi) as well as a mixed form of the two criteria (KGEm) were realized. The evaluation of the model performance was based on selected performance criteria. The evaluation led to three MARRMoT models, which demonstrated high performance in all three calibration scenarios and are suitable for further use in the Wairau River catchment. A secondary objective of this work was the correction of simulated precipitation data from the unobserved headwaters of the catchment, which were identified as faulty in previous work (Ludwig 2018). For this purpose, a height-dependent correction rule was determined. Subsequent simulation of the area, however, has shown that the correction was unsuccessful and needs a more solid data foundation.:1. Einführung 2. Beschreibung des Untersuchungsgebiets 2.1 Klima 2.2 Einzugsgebietsgrenzen 2.3 Geologie 2.4 Boden 2.5 Landnutzung 2.6 Aquifer 3. Datengrundlage 3.1 Meteorologische Daten 3.2 Hydrologische Daten 4. Analyse und Korrektur von Niederschlagsdaten 4.1 Problematik im Teileinzugsgebiet Dip Flat 4.2 Aufbereitung der Daten 4.3 Erstellung einer Korrekturvorschrift 5. Anwendung der MARRMo Toolbox 5.1 Grundlagen von MARRMoT 5.2 Betrachtung ausgewählter MARRMoT-Modelle 5.3 Gütekriterien 5.4 Kalibrierung und Evaluierung 5.4.1 Grundlagen 5.4.2 Automatische Kalibrierung mit MARRMoT 5.4.3 Kalibrierszenarien 6. Analyse und Diskussion der Ergebnisse 6.1 Niederschlagskorrektur und Datengrundlage 6.1.1 Erstellung der Korrekturvorschrift 6.1.2 Unsicherheiten der Niederschlagskorrektur 6.1.3 Analyse der Datengrundlage für das Gesamteinzugsgebiet 6.1.4 Zusammenfassung 6.2 Anwendung der MARRMo Toolbox 6.2.1 Ergebnisse der Kalibrierszenarien 6.2.2 Detaillierte Auswertung ausgewählter Modelle 6.2.3 Unsicherheiten zwischen und innerhalb der MARRMoT Modelle 6.2.4 Zusammenfassung 6.3 Zusammenführung der Ergebnisse 7. Fazit und Ausblick 8. Literaturverzeichni

Design of robust total site heat recovery loops via Monte Carlo simulation

For increased total site heat integration, the optimal sizing and robust operation of a heat recovery loop (HRL) are prerequisites for economic efficiency. However, sizing based on one representative time series, not considering the variability of process streams due to their discontinuous operation, often leads to oversizing. The sensitive evaluation of the performance of an HRL by Monte Carlo (MC) simulation requires sufficient historical data and performance models. Stochastic time series are generated by distribution functions of measured data. With these inputs, one can then model and reliably assess the benefits of installing a new HRL. A key element of the HRL is a stratified heat storage tank. Validation tests of a stratified tank (ST) showed sufficient accuracy with acceptable simulation time for the variable layer height (VLH) multi-node (MN) modelling approach. The results of the MC simulation of the HRL system show only minor yield losses in terms of heat recovery rate (HRR) for smaller tanks. In this way, costs due to oversizing equipment can be reduced by better understanding the energy-capital trade-off

Vergleich von Niederschlags-Abfluss-Modellen aus der MARRMoT Toolbox für das Einzugsgebiet des Wairau River, Neuseeland

Im Einzugsgebiet des Wairau River auf der Südinsel Neuseelands sind in den vergangenen Jahrzehnten klimatische Veränderungen beobachtet worden. Beeinflusst durch eine Abnahme der jährlichen Niederschläge sinken auch die Gebietsabflüsse. Der Wairau Aquifer, der für die Bewässerung Neuseelands größtem Weinanbaugebiet genutzt wird, ist maßgeblich von dem Abflussverhalten des Wairau River abhängig und verzeichnet einen Rückgang der Grundwasserstände. Die Simulation der hydrologischen Prozesse im Einzugsgebiet ist daher notwendig, um das Verständnis für die Zusammenhänge zu erhöhen. Um die Prozesse abzubilden, wurde in dieser Masterarbeit die Modular Assessment of Rainfall–Runoff Models Toolbox (MARRMoT) verwendet. Ziel der Anwendung von MARRMoT war, ein Modell oder ein Modellensemble zu finden, das für die Simulation der Niederschlags-Abfluss-Beziehungen im Einzugsgebiet Wairau River geeignet ist. Zu diesem Zweck wurden in einem ersten Szenario 42 Modelle aus MARRMoT auf das Einzugsgebiet Wairau River mit dem Gütekriterium Kling-Gupta-Effizienz (KGE) kalibriert. In weiteren Szenarien wurden die Kalibrierungen mit dem KGE mit invers transformierten Durchflüssen (KGEi) sowie mit einer Mischform der beiden Kriterien (KGEm) realisiert. Die Bewertung der Modellperformance erfolgte anhand ausgewählter Gütekriterien. Durch die Auswertung konnten drei MARRMoT-Modelle ermittelt werden, die in allen drei Kalibrierszenarien eine hohe Performance gezeigt haben und für die weitere Anwendung im Einzugsgebiet Wairau River geeignet sind. Ein Teilziel dieser Arbeit war zudem die Korrektur von simulierten Niederschlagsdaten aus dem unbeobachteten Quellgebiet des Wairau River, die in vorherigen Arbeiten als fehlerhaft identifiziert wurden (Ludwig 2018). Dafür wurde eine höhenabhängige Korrekturvorschrift ermittelt. Die anschließende Simulation des Gebiets hat jedoch gezeigt, dass die Korrektur ohne eine bessere Datengrundlage nicht erfolgreich ist.:1. Einführung 2. Beschreibung des Untersuchungsgebiets 2.1 Klima 2.2 Einzugsgebietsgrenzen 2.3 Geologie 2.4 Boden 2.5 Landnutzung 2.6 Aquifer 3. Datengrundlage 3.1 Meteorologische Daten 3.2 Hydrologische Daten 4. Analyse und Korrektur von Niederschlagsdaten 4.1 Problematik im Teileinzugsgebiet Dip Flat 4.2 Aufbereitung der Daten 4.3 Erstellung einer Korrekturvorschrift 5. Anwendung der MARRMo Toolbox 5.1 Grundlagen von MARRMoT 5.2 Betrachtung ausgewählter MARRMoT-Modelle 5.3 Gütekriterien 5.4 Kalibrierung und Evaluierung 5.4.1 Grundlagen 5.4.2 Automatische Kalibrierung mit MARRMoT 5.4.3 Kalibrierszenarien 6. Analyse und Diskussion der Ergebnisse 6.1 Niederschlagskorrektur und Datengrundlage 6.1.1 Erstellung der Korrekturvorschrift 6.1.2 Unsicherheiten der Niederschlagskorrektur 6.1.3 Analyse der Datengrundlage für das Gesamteinzugsgebiet 6.1.4 Zusammenfassung 6.2 Anwendung der MARRMo Toolbox 6.2.1 Ergebnisse der Kalibrierszenarien 6.2.2 Detaillierte Auswertung ausgewählter Modelle 6.2.3 Unsicherheiten zwischen und innerhalb der MARRMoT Modelle 6.2.4 Zusammenfassung 6.3 Zusammenführung der Ergebnisse 7. Fazit und Ausblick 8. LiteraturverzeichnisIn the catchment area of the Wairau River on the South Island of New Zealand, climatic changes were observed in the past decades. Influenced by a decrease in precipitation, the runoff is reduced. The Wairau Aquifer, which is used for irrigation of New Zealand's largest wine-growing region, is significantly dependent on the runoff of the Wairau River and recorded a decline in groundwater levels. The simulation of the hydrological processes in the catchment area is therefore necessary. For that reason in this Master’s thesis the Modular Assessment of Rainfall Runoff Model Toolbox (MARRMoT) was used in order to find a model or model ensemble suitable for the simulation of precipitation-runoff relationships in the Wairau River catchment. In a first scenario, 42 models from MARRMoT were calibrated for the Wairau River catchment using the efficiency criteria Kling-Gupta-Efficiency (KGE). In further scenarios, calibrations using the KGE with inverse transformed flows (KGEi) as well as a mixed form of the two criteria (KGEm) were realized. The evaluation of the model performance was based on selected performance criteria. The evaluation led to three MARRMoT models, which demonstrated high performance in all three calibration scenarios and are suitable for further use in the Wairau River catchment. A secondary objective of this work was the correction of simulated precipitation data from the unobserved headwaters of the catchment, which were identified as faulty in previous work (Ludwig 2018). For this purpose, a height-dependent correction rule was determined. Subsequent simulation of the area, however, has shown that the correction was unsuccessful and needs a more solid data foundation.:1. Einführung 2. Beschreibung des Untersuchungsgebiets 2.1 Klima 2.2 Einzugsgebietsgrenzen 2.3 Geologie 2.4 Boden 2.5 Landnutzung 2.6 Aquifer 3. Datengrundlage 3.1 Meteorologische Daten 3.2 Hydrologische Daten 4. Analyse und Korrektur von Niederschlagsdaten 4.1 Problematik im Teileinzugsgebiet Dip Flat 4.2 Aufbereitung der Daten 4.3 Erstellung einer Korrekturvorschrift 5. Anwendung der MARRMo Toolbox 5.1 Grundlagen von MARRMoT 5.2 Betrachtung ausgewählter MARRMoT-Modelle 5.3 Gütekriterien 5.4 Kalibrierung und Evaluierung 5.4.1 Grundlagen 5.4.2 Automatische Kalibrierung mit MARRMoT 5.4.3 Kalibrierszenarien 6. Analyse und Diskussion der Ergebnisse 6.1 Niederschlagskorrektur und Datengrundlage 6.1.1 Erstellung der Korrekturvorschrift 6.1.2 Unsicherheiten der Niederschlagskorrektur 6.1.3 Analyse der Datengrundlage für das Gesamteinzugsgebiet 6.1.4 Zusammenfassung 6.2 Anwendung der MARRMo Toolbox 6.2.1 Ergebnisse der Kalibrierszenarien 6.2.2 Detaillierte Auswertung ausgewählter Modelle 6.2.3 Unsicherheiten zwischen und innerhalb der MARRMoT Modelle 6.2.4 Zusammenfassung 6.3 Zusammenführung der Ergebnisse 7. Fazit und Ausblick 8. Literaturverzeichni

Vergleich von Niederschlags-Abfluss-Modellen aus der MARRMoT Toolbox für das Einzugsgebiet des Wairau River, Neuseeland

Im Einzugsgebiet des Wairau River auf der Südinsel Neuseelands sind in den vergangenen Jahrzehnten klimatische Veränderungen beobachtet worden. Beeinflusst durch eine Abnahme der jährlichen Niederschläge sinken auch die Gebietsabflüsse. Der Wairau Aquifer, der für die Bewässerung Neuseelands größtem Weinanbaugebiet genutzt wird, ist maßgeblich von dem Abflussverhalten des Wairau River abhängig und verzeichnet einen Rückgang der Grundwasserstände. Die Simulation der hydrologischen Prozesse im Einzugsgebiet ist daher notwendig, um das Verständnis für die Zusammenhänge zu erhöhen. Um die Prozesse abzubilden, wurde in dieser Masterarbeit die Modular Assessment of Rainfall–Runoff Models Toolbox (MARRMoT) verwendet. Ziel der Anwendung von MARRMoT war, ein Modell oder ein Modellensemble zu finden, das für die Simulation der Niederschlags-Abfluss-Beziehungen im Einzugsgebiet Wairau River geeignet ist. Zu diesem Zweck wurden in einem ersten Szenario 42 Modelle aus MARRMoT auf das Einzugsgebiet Wairau River mit dem Gütekriterium Kling-Gupta-Effizienz (KGE) kalibriert. In weiteren Szenarien wurden die Kalibrierungen mit dem KGE mit invers transformierten Durchflüssen (KGEi) sowie mit einer Mischform der beiden Kriterien (KGEm) realisiert. Die Bewertung der Modellperformance erfolgte anhand ausgewählter Gütekriterien. Durch die Auswertung konnten drei MARRMoT-Modelle ermittelt werden, die in allen drei Kalibrierszenarien eine hohe Performance gezeigt haben und für die weitere Anwendung im Einzugsgebiet Wairau River geeignet sind. Ein Teilziel dieser Arbeit war zudem die Korrektur von simulierten Niederschlagsdaten aus dem unbeobachteten Quellgebiet des Wairau River, die in vorherigen Arbeiten als fehlerhaft identifiziert wurden (Ludwig 2018). Dafür wurde eine höhenabhängige Korrekturvorschrift ermittelt. Die anschließende Simulation des Gebiets hat jedoch gezeigt, dass die Korrektur ohne eine bessere Datengrundlage nicht erfolgreich ist.:1. Einführung 2. Beschreibung des Untersuchungsgebiets 2.1 Klima 2.2 Einzugsgebietsgrenzen 2.3 Geologie 2.4 Boden 2.5 Landnutzung 2.6 Aquifer 3. Datengrundlage 3.1 Meteorologische Daten 3.2 Hydrologische Daten 4. Analyse und Korrektur von Niederschlagsdaten 4.1 Problematik im Teileinzugsgebiet Dip Flat 4.2 Aufbereitung der Daten 4.3 Erstellung einer Korrekturvorschrift 5. Anwendung der MARRMo Toolbox 5.1 Grundlagen von MARRMoT 5.2 Betrachtung ausgewählter MARRMoT-Modelle 5.3 Gütekriterien 5.4 Kalibrierung und Evaluierung 5.4.1 Grundlagen 5.4.2 Automatische Kalibrierung mit MARRMoT 5.4.3 Kalibrierszenarien 6. Analyse und Diskussion der Ergebnisse 6.1 Niederschlagskorrektur und Datengrundlage 6.1.1 Erstellung der Korrekturvorschrift 6.1.2 Unsicherheiten der Niederschlagskorrektur 6.1.3 Analyse der Datengrundlage für das Gesamteinzugsgebiet 6.1.4 Zusammenfassung 6.2 Anwendung der MARRMo Toolbox 6.2.1 Ergebnisse der Kalibrierszenarien 6.2.2 Detaillierte Auswertung ausgewählter Modelle 6.2.3 Unsicherheiten zwischen und innerhalb der MARRMoT Modelle 6.2.4 Zusammenfassung 6.3 Zusammenführung der Ergebnisse 7. Fazit und Ausblick 8. LiteraturverzeichnisIn the catchment area of the Wairau River on the South Island of New Zealand, climatic changes were observed in the past decades. Influenced by a decrease in precipitation, the runoff is reduced. The Wairau Aquifer, which is used for irrigation of New Zealand's largest wine-growing region, is significantly dependent on the runoff of the Wairau River and recorded a decline in groundwater levels. The simulation of the hydrological processes in the catchment area is therefore necessary. For that reason in this Master’s thesis the Modular Assessment of Rainfall Runoff Model Toolbox (MARRMoT) was used in order to find a model or model ensemble suitable for the simulation of precipitation-runoff relationships in the Wairau River catchment. In a first scenario, 42 models from MARRMoT were calibrated for the Wairau River catchment using the efficiency criteria Kling-Gupta-Efficiency (KGE). In further scenarios, calibrations using the KGE with inverse transformed flows (KGEi) as well as a mixed form of the two criteria (KGEm) were realized. The evaluation of the model performance was based on selected performance criteria. The evaluation led to three MARRMoT models, which demonstrated high performance in all three calibration scenarios and are suitable for further use in the Wairau River catchment. A secondary objective of this work was the correction of simulated precipitation data from the unobserved headwaters of the catchment, which were identified as faulty in previous work (Ludwig 2018). For this purpose, a height-dependent correction rule was determined. Subsequent simulation of the area, however, has shown that the correction was unsuccessful and needs a more solid data foundation.:1. Einführung 2. Beschreibung des Untersuchungsgebiets 2.1 Klima 2.2 Einzugsgebietsgrenzen 2.3 Geologie 2.4 Boden 2.5 Landnutzung 2.6 Aquifer 3. Datengrundlage 3.1 Meteorologische Daten 3.2 Hydrologische Daten 4. Analyse und Korrektur von Niederschlagsdaten 4.1 Problematik im Teileinzugsgebiet Dip Flat 4.2 Aufbereitung der Daten 4.3 Erstellung einer Korrekturvorschrift 5. Anwendung der MARRMo Toolbox 5.1 Grundlagen von MARRMoT 5.2 Betrachtung ausgewählter MARRMoT-Modelle 5.3 Gütekriterien 5.4 Kalibrierung und Evaluierung 5.4.1 Grundlagen 5.4.2 Automatische Kalibrierung mit MARRMoT 5.4.3 Kalibrierszenarien 6. Analyse und Diskussion der Ergebnisse 6.1 Niederschlagskorrektur und Datengrundlage 6.1.1 Erstellung der Korrekturvorschrift 6.1.2 Unsicherheiten der Niederschlagskorrektur 6.1.3 Analyse der Datengrundlage für das Gesamteinzugsgebiet 6.1.4 Zusammenfassung 6.2 Anwendung der MARRMo Toolbox 6.2.1 Ergebnisse der Kalibrierszenarien 6.2.2 Detaillierte Auswertung ausgewählter Modelle 6.2.3 Unsicherheiten zwischen und innerhalb der MARRMoT Modelle 6.2.4 Zusammenfassung 6.3 Zusammenführung der Ergebnisse 7. Fazit und Ausblick 8. Literaturverzeichni

Optimization of Cooling Utility System with Continuous Self-Learning Performance Models

Prerequisite for an efficient cooling energy system is the knowledge and optimal combination of different operating conditions of individual compression and free cooling chillers. The performance of cooling systems depends on their part-load performance and their condensing temperature, which are often not continuously measured. Recorded energy data remain unused, and manufacturers’ data differ from the real performance. For this purpose, manufacturer and real data are combined and continuously adapted to form part-load chiller models. This study applied a predictive optimization algorithm to calculate the optimal operating conditions of multiple chillers. A sprinkler tank offers the opportunity to store cold-water for later utilization. This potential is used to show the load shifting potential of the cooling system by using a variable electricity price as an input variable to the optimization. The set points from the optimization have been continuously adjusted throughout a dynamic simulation. A case study of a plastic processing company evaluates different scenarios against the status quo. Applying an optimal chiller sequencing and charging strategy of a sprinkler tank leads to electrical energy savings of up to 43%. Purchasing electricity on the EPEX SPOT market leads to additional costs savings of up to 17%. The total energy savings highly depend on the weather conditions and the prediction horizon

System efficient integration of standby control and heat pump storage systems in manufacturing processes

This is a revised manuscript of the article "System efficient integration of standby control and heat pump storage systems in manufacturing processesn". The final authenticated version is available online at: https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.05.11

Assessment of probabilistic distributed factors influencing renewable energy supply for hotels using Monte-Carlo methods

This is a revised manuscript of the article "Assessment of probabilistic distributed factors influencing renewable energy supply for hotels using Monte-Carlo methods". The final authenticated version is available online at: https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.03.16