Towards bridging the gap between the design and operation of borehole heat exchangers

Heim, Elisa; Bayer, Peter; Wellmann, Jan Florian

doi:45095

Towards bridging the gap between the design and operation of borehole heat exchangers = Zur Überbrückung der Lücke zwischen Auslegung und Betrieb von Erdwärmesonden

Heim, Elisa^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Elisa Heim, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Wellmann, Jan Florian (Thesis advisor)^RWTH* ; Bayer, Peter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-11-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-11180
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1024359/files/1024359.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Die Nutzung erdgekoppelter Wärmepumpen anstelle fossiler Heizsysteme bietet ein erhebliches Potenzial zur Reduktion des CO2-Fußabdrucks im Gebäudesektor. Die meisten erdgekoppelten Wärmepumpen nutzen Erdwärmesonden (EWS), welche den oberflächennahen Untergrund im Winter als Wärmequelle und im Sommer als Wärmesenke nutzen. Damit das CO2-Einsparpotenzial dieser Systeme vollständig ausgeschöpft werden kann, ist eine korrekte Auslegung sowohl der Wärmepumpen als auch der EWS über eine Betriebszeit von 30 bis 50 Jahren erforderlich. In der Praxis führen jedoch Unsicherheiten in thermischen Untergrundeigenschaften, vereinfachte Auslegungswerkzeuge und mangelnde Informationen über den zukünftigen Gebäudeenergiebedarf häufig dazu, dass die tatsächliche Systemleistung hinter den Erwartungen zurückbleibt. Diese Lücke zwischen Auslegung und Betrieb verhindert den langfristig effizienten Betrieb der Anlagen. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Analyse und Reduktion dieser Lücke, indem sie deren Ursachen identifiziert, die Vorteile eines optimierten Betriebs aufzeigt und zur Weiterentwicklung von Modellen beiträgt. Untersuchungsgegenstand ist ein Feld mit 40 EWS, das über ein umfassendes Monitoringsystem verfügt. Dieses liefert über sechs Jahre hinweg hochaufgelöste Daten zu Fluidtemperaturen und Volumenströmen jeder einzelnen Sonde. Auf Grundlage dieser Daten werden vier Studien durchgeführt, die unterschiedliche Aspekte der Diskrepanz zwischen Auslegung und Betrieb untersuchen. In der ersten Studie wird auf Basis der Monitoringdaten das Ausmaß der Lücke für das betrachtete Sondenfeld quantifiziert. Im Durchschnitt liefert das Feld 116 % der geplanten jährlichen Kälteenergie, jedoch nur 6 % der vorgesehenen Heizenergie. Darüber hinaus werden zwei in der Praxis häufig vernachlässigte Faktoren analysiert: (i) Unterschiede in der Wärmeabgabe einzelner Sonden sowie (ii) thermische Verluste und Zugewinne in den horizontalen Verbindungsleitungen zwischen den Sondenköpfen und Verteilerschächten. Die Wärmeabgabe einzelner Sonden variiert um ca. 20 %. Zudem weist eine Sonde mit 45 m horizontaler Anschlussleitung eine bis zu 75 % höhere volumetrische Kälteleistung auf, jedoch eine um etwa 50 % geringere Heizleistung in den Wintermonaten. Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit verbesserter Modelle und Regelstrategien, die solche Einflussfaktoren adäquat abbilden. Die zweite Studie vergleicht vier verschiedene Modelle zur Simulation von Erdwärmesonden – ein numerisches Modell, ein Transferfunktionsmodell, ein RC-Modell (Widerstands-Kapazitäts-Modell) sowie ein hybrides Modell – hinsichtlich ihrer Prognosegenauigkeit. Diese wird durch Sensitivitätsanalysen, Kalibrierung und Vorwärtssimulation bewertet. Ohne Berücksichtigung der horizontalen Leitungen liefert das hybride Modell die beste Übereinstimmung mit den gemessenen Austrittstemperaturen über kurze (ein Monat) und lange (vier Jahre) Zeiträume. Transferfunktions- und RC-Modelle erfordern zwar stärkere Kalibrierung, lassen sich jedoch aufgrund ihrer einfacheren Struktur leichter in Optimierungsverfahren integrieren. In der dritten Studie wird die reale Wirkung eines optimierten Betriebs untersucht – ein Aspekt, der bisher meist nur in Simulationen betrachtet und selten in der Praxis validiert wurde. Analysiert wurden 15 Monate optimierter Betrieb, bei dem eine modellprädiktive Regelung nur einen Teil der Sonden aktivierte, im Vergleich zum Standardbetrieb mit gleichzeitiger Nutzung aller 40 Sonden. Der optimierte Betrieb senkte den Stromverbrauch der Pumpen um zwei Drittel und verdreifachte die Leistungszahl des Sondenfelds-ein deutlicher Effizienzgewinn. In der vierten Studie wird untersucht, ob sich die thermischen Effekte horizontaler Anschlussleitungen in thermischen Antwortfunktionen, dem gängigen Modellierungsansatz für EWS, abbilden lassen. Hierfür wurden datengestützte Antwortfunktionen für jede Sonde abgeleitet und mit simulationsbasierten Funktionen aus einem physikalischen Modell mit Berücksichtigung der horizontalen Leitungen verglichen. Die Ergebnisse zeigen dass EWS-Modelle, die horizontale Leitungen einbeziehen, bessere Übereinstimmungen mit den Messdaten liefern. Wie erwartet, reproduzieren die datengestützten Funktionen die Messdaten exakt; jedoch erreichen nur 38 % der physikbasierten Antwortfunktionen eine vergleichbare Genauigkeit. Insgesamt bieten datengestützte Methoden hohe Präzision und Geschwindigkeit, sind jedoch anfällig gegenüber Messfehlern und Unsicherheiten. Zusammenfassend zeigen die vier Studien, dass das untersuchte Sondenfeld als Demonstrator zur Überbrückung der Lücke zwischen Planung und Betrieb dienen kann. Die Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf andere Systeme erfordert eine standortspezifische Integration geowissenschaftlicher Analysen, Energieplanung, Unsicherheitsbewertung, kontinuierliche Überwachung und Betriebsoptimierung. Zukünftige Forschung sollte untersuchen, wie diese Ansätze in bestehende Planungsprozesse und Normen integriert werden können, um eine anpassungsfähigere und datenbasierte Auslegung von EWS-Feldern zu ermöglichen.

Using ground-source heat pumps (GSHPs) instead of fossil-fuel based energy systems can significantly reduce the building sector's considerable carbon footprint. Most GSHPs rely on borehole heat exchangers (BHEs), which use the subsurface as a heat source in winter and a heat sink in summer. Realizing the full carbon-saving potential of GSHPs requires accurate design, installation, and operation of both the heat pumps and BHEs over their 30–50-year service life. In practice, however, uncertainties in subsurface thermal properties, simplified design tools, and limited information about future energy demand often lead to operational performance falling short of design expectations. This design–operation gap prevents GSHPs from operating at maximum efficiency. The work presented in this thesis aims at bridging the gap by identifying its causes, demonstrating the benefits of optimized operation, and contributing to model development. A GSHP system with 40 BHEs serves as the case study. An extensive monitoring system provides six years of high-resolution data on fluid temperatures and flow rates for each BHE. Based on the data, four studies focusing on different aspects of the design-operation gap are conducted. In the first study, the data is used to reveal the design–operation gap for the studied BHE field. The monitored field delivers, on average, 116 % of the planned cooling energy but only 6 % of the intended heating. Moreover, the data is analyzed with a focus on two commonly overlooked factors in design practice: (i) different heat exchange between BHEs and (ii) thermal gains and losses in the horizontal pipes connecting BHE heads to underground vaults. BHE heat exchange differs by around 20 %, which is partially attributed to horizontal pipes: A BHE with a 45 m horizontal pipe has an up to 75 % higher volumetric energy yield for cooling, while the energy yield is reduced for heating by about 50 %, both during cold months. The analysis highlights the design–operation gap and underscores the need for improved models and control strategies that can account for the analyzed influencing factors. In the second study, the dataset is used to assess the predictive accuracy of four BHE models (a numerical, transfer function, resistance-capacitance, and hybrid model) through sensitivity analysis, calibration, and forward simulation. Excluding horizontal header pipes, the hybrid model best matches measured outlet temperatures over both short (one-month) and long (four-year) periods. Transfer functions and resistance-capacitance models rely more heavily on calibration, but they are easier to implement in optimization frameworks due to their simpler structure. The third study evaluates the real-world impact of BHE optimization, which is often explored through simulation but rarely tested in practice. We analyzed data of 15 months of optimized operation in the BHE field, where model predictive control selected only a subset of BHEs to operate, and compared it to standard operation, where all 40 BHEs were operated simultaneously. Optimized operation reduced pumping electricity by two-thirds and tripled BHE field performance, i.e., resulted in significant energy savings. Finally, we explored whether the thermal effect of horizontal piping can be embedded in thermal response functions, a standard model used for BHE simulation. To this end, we derived data-driven response functions for each BHE and, in parallel, simulated model-based counterparts using a physics-based model that includes horizontal pipes. The results show that the inclusion of horizontal pipes in the model results in a better alignment with the data. As expected, data-driven response functions perfectly reproduce the measured data, but only 38 % of the physics-based response functions achieved similar accuracy. The results show that data-driven methods offer both speed and accuracy but are sensitive to measurement errors and uncertainty, thus requiring validation with physical models. Together, the studies demonstrate that the analyzed BHE field can serve as a demonstrator for bridging the design-operation gap. Applying these learnings to other BHE fields demands a site-specific integration of geosciences, energy planning, uncertainty analysis, continuous monitoring, and operation optimization. Further research should explore how these methods can be incorporated into existing planning processes and standards to support more adaptive and data-informed BHE system design.

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