Simulationsbasiertes Mehrebenen-Planungswerkzeug für geothermische Wärmepumpensysteme

  • Simulation-based multi-level planning tool for geothermal heat pump systems

Weck-Ponten, Sebastian; van Treeck, Christoph Alban (Thesis advisor); Koenigsdorff, Roland (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

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.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen [312410]

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