Simulationsbasiertes Mehrebenen-Planungswerkzeug für geothermische Wärmepumpensysteme

Weck-Ponten, Sebastian; van Treeck, Christoph Alban; Koenigsdorff, Roland

doi:10.18154/RWTH-2023-09082

Simulationsbasiertes Mehrebenen-Planungswerkzeug für geothermische Wärmepumpensysteme = Simulation-based multi-level planning tool for geothermal heat pump systems

Weck-Ponten, Sebastian^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Weck-Ponten, geb. Weck

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
van Treeck, Christoph Alban (Thesis advisor)^RWTH* ; Koenigsdorff, Roland (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-09-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-09082
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/969286/files/969286.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen (312410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Geothermie (frei) ; oberflächennahe Geothermie (frei) ; Planungswerkzeug (frei) ; Werkzeugkette (frei) ; Wärmepumpe (frei) ; geothermal energy (frei) ; heat pump (frei) ; planning tool (frei) ; shallow geothermal energy (frei) ; tool chain (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Wärmepumpen und die oberflächennahe Geothermie werden zukünftig eine zentrale Rolle in der Dekarbonisierung des Gebäude- und Wärmesektors einnehmen. Die oberflächennahen geothermischen Potenziale werden bislang, insbesondere aufgrund der hohen Planungs- und Genehmigungskomplexität sowie hoher Investitionskosten, nicht ausgeschöpft. Darüber hinaus entstehen durch die verschiedenen an der Planung beteiligten Akteure Schnittstellen, die wiederum zu Transferlücken und Hürden für eine optimierte Systemdimensionierung führen können. Zur Hebung der Potenziale und Optimierung der Systemdimensionierung sind ein ganzheitlicher Planungsprozess und die Kombination von verschiedenen Planungswerkzeugen notwendig, die u. a. geothermische Standortbewertungen, die Abbildung der gegenseitigen thermischen Beeinflussung von Erdwärmesonden und deren Auswirkungen auf Nachbargrundstücke sowie die Bewertung geothermischer Wärmepumpensysteme unter Berücksichtigung wirtschaftlicher und ökologischer Entscheidungsparameter ermöglichen. Vor diesem Hintergrund wird ein simulationsbasierter Mehrebenen-Planungsansatz vorgestellt, der die ganzheitliche Planung geothermischer Wärmepumpensysteme mit Erdwärmesonden auf den Skalen von Einzelgebäuden bis auf Quartiersebene in den frühen Planungsphasen ermöglicht. Durch die Integration von Berechnungswerkzeugen zur Abbildung des Ober- und Untergrunds in eine geschlossene Simulationskette können vorhandene Transferlücken zwischen verschiedenen Gewerken überwunden werden. Mithilfe eines prototypisch umgesetzten Systemkonfigurators können geothermische Wärmepumpensysteme detailliert dimensioniert, mit konventionellen Systemen verglichen sowie anhand von technischen, energetischen, wirtschaftlichen und ökologischen Kriterien bewertet werden. Die Kombination aus Konfiguration, unmittelbarer Ergebnisdarstellung und automatisiert angesteuerten sowie im Hintergrund laufenden Simulationen ermöglicht einen iterativen und praxistauglichen Dimensionierungsprozess. In diesem Zuge wird ein auf die Funktionalitäten des Systemkonfigurators abgestimmtes und auf den frühen Planungsprozess spezialisiertes Wärmepumpensystemmodell vorgestellt, das thermische Speicherbilanzen und Regelungsalgorithmen enthält, auf Stadtquartiersebene einsetzbar und mit Untergrundmodellen bidirektional koppelbar ist. Die Anbindung der Simulationskette an ein bestehendes Web- und GIS-basiertes Geoportal samt Datenbanken ermöglicht eine zentrale Datenaggregation sowie geothermische Standortbewertungen. Dadurch können der Antrags- und Genehmigungsprozess von oberflächennahen geothermischen Systemen und ganzheitliche Planungsansätze wie die kommunale Wärmeplanung werkzeugbasiert unterstützt werden.

In future, heat pumps and shallow geothermal energy will play a central role in the decarbonization of the building and energy sector. The potentials of shallow geothermal energy have not been exploited so far, in particular due to the high complexity of planning and approval processes. In addition, the various stakeholders involved in the planning process create interfaces, which can lead to transfer gaps and barriers for an optimized system design. In order to raise the potentials and optimize the system design, a holistic planning process and the combination of different planning tools are necessary, which enable, among other things, geothermal site evaluations, the representation of the mutual thermal influence of geothermal borehole heat exchangers and their effects on neighboring properties, as well as the evaluation of geothermal systems under consideration of economic and ecological decision parameters. In this context, a simulation-based multi-level planning methodology is presented, which enables the holistic planning of geothermal heat pump systems with borehole heat exchangers on the scales of single buildings up to district level in the early planning phases. By integrating calculation tools for mapping the upper ground and subsurface into a closed simulation chain, existing transfer gaps between different trades can be closed. Using a prototypically implemented system configurator, geothermal heat pump systems can be designed in detail, compared with conventional systems, and evaluated on the basis of technical, energetic, economic, and ecological criteria. The combination of configuration, immediate result plotting and automatically triggered simulations running in the background enables an iterative and practical design process. In this context, a heat pump system model is presented which is adapted to the functionalities of the system configurator and specialized for the early planning process. This model includes thermal storage balances and control algorithms, is applicable on city district level and can be coupled bidirectionally to subsurface models. The tool chain's connection to an existing web- and GIS-based geoportal including databases enables a central data aggregation and geothermal site evaluations. This can provide tool-based support for the application and approval process of shallow geothermal systems and holistic planning approaches such as municipal heat planning.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)