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Separation of existing district heating networks for optimal utilisation of sustainable heat sources = Aufspaltung bestehender Wärmenetzstrukturen zur optimalen Nutzung nachhaltiger Wärmequellen
2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-07-17
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08912
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1020339/files/1020339.pdf
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Die Nutzung von nachhaltigen Wärmequellen in bestehenden Wärmenetzen ist notwendig, um die Wärmeversorgung im Gebäudesektor zu dekarbonisieren. Die Einbindung von nachhaltigen Wärmequellen in bestehende Wärmenetze ist jedoch meist herausfordernd aufgrund von geringen Temperaturniveaus der Wärmequelle oder einer ungünstigen Lage zur bestehenden Netzstruktur. Um die herausfordernde Einbindung teilweise zu umgehen, können bestehende Wärmenetze durch eine Aufspaltung der Netzstruktur dezentralisiert werden, um eine individuelle Transformation der abgetrennten Wärmenetzstruktur zu ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Framework entwickelt, das eine optimale Netztrennung und Teiltransformation des abgespalteten Wärmenetzes basierend auf der existierenden Wärmenetzstruktur und der erschlossenen Wärmequelle aufzeigt. Die Teilschritte des Frameworks umfassen die Identifizierung von zusammenhängenden Netzbereichen, die Optimierung der Netztrennung und die anschließenden Wärmenetzsimulationen zur Evaluierung der getrennten Wärmenetze. Zudem wird optimiert, in welchem Bereich des abgetrennten Wärmenetzes Wärmepumpen installiert werden sollten, wodurch die Nutzung von Niedertemperaturwärmequellen ermöglicht und eine Teiltransformation des Netzbereiches erreicht wird. Da bei der Transformation von Wärmenetzen die Temperaturabsenkung der Gebäude eine entscheidende Rolle spielt, werden Möglichkeiten untersucht, Gebäudeheizsysteme mit geringeren Vorlauftemperaturen als im Auslegungszustand zu versorgen. Dazu wird eine Methode entwickelt, die eine Abschätzung der tatsächlichen benötigten Vorlauftemperatur von bestehenden Gebäudeheizsystemen ermöglicht. Das Framework für die automatisierte Wärmenetztrennung wird auf unterschiedliche Wärmenetze angewandt. Basierend auf den erschlossenen Wärmequellen und den existierenden Netzstrukturen werden individuelle Netztrennungen aufgezeigt, die ebenfalls durch die Zielfunktion der Optimierung beeinflusst werden. Weiterhin wird aufgezeigt, dass das Potenzial zur geringen Vorlauftemperaturversorgung von Bestandsgebäuden auch die Netztrennung und die Notwendigkeit von Wärmepumpeninstallationen beeinflusst. Die Ergebnisse der anschließenden Wärmenetzsimulationen identifizieren kritische Betriebsbereiche in den Netzstrukturen, aus denen Maßnahmen zur Vermeidung von Unterversorgung abgeleitet werden können. Die gezeigten Ergebnisse unterstreichen, dass die Aufspaltung von bestehenden Wärmenetzen in Verbindung mit der teilweisen Transformation ein vielversprechender Ansatz ist, um nachhaltige Wärmequellen effizient zu nutzen, und dadurch die Dekarbonisierung von bestehenden Wärmenetzen unterstützt.The integration of sustainable heat sources into district heating systems is crucial to reduce the mainly fossil-based heat supply in the building sector. However, the utilisation of heat sources in existing district heating systems can be challenging due to their low-temperature level or unfavourable location in relation to the network structure. One promising approach to mitigate the difficulty of heat source utilisation is the decentralisation of existing district heating systems through network separation to enable a partial transformation of the separated network structure, depending on the local building requirements and the characteristics of the heat source utilised.In this thesis, a framework is developed that shows optimal network separation and partial transformation depending on the given district heating network structure and the heat source to be utilised. This framework comprises three main steps: (i) identification of coherent areas in a network structure by community detection, (ii) determination of the optimal network area for separation, while optimising the partial transformation of the separated district heating network by installing required heat pumps and (iii) simulation of the arising district heating networks to evaluate the feasible operation and sufficient heat supply to all buildings. In the district heating transformation process, it is essential to reduce the supply temperatures in the district heating network. Therefore, the potential to supply existing buildings in a district heating system with lower supply temperatures than specified by the nominal design temperature of the building heating system is analysed in detail. A method is contributed that enables a fast estimation of the actual supply temperature requirement of a building heating system using minimal input data. The developed framework for district heating network separation is tested with networks of different structures and sizes. The results show individual network separations that are influenced, for example, by the conditions of the utilised heat source or the focused optimisation objective. In addition, the revealed potential to supply building heating systems with lower supply temperatures than originally specified influences the decisions on separation and transformation. Finally, the detailed simulation of the arising district heating networks identifies critical areas for insufficient heat supply, from which various measures can be derived. The results obtained underline that network separation and partial transformation is a promising alternative approach for the efficient utilisation of sustainable heat sources and thus for the decarbonisation of existing district heating infrastructure.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031311495
Interne Identnummern
RWTH-2025-08912
Datensatz-ID: 1020339
Beteiligte Länder
Germany
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