Um die Ziele der Energiewende im Wohnsektor zu erreichen, kann die Geothermie eine zentrale Rolle einnehmen. Für die urbane Wärmeversorgung können dabei unter anderem vertikal verbaute Erdwärmesonden genutzt werden, um dem oberflächennahen geologischen Untergrund Wärme zu entziehen, welche mit Hilfe von Wärmepumpen für das Heizen von Gebäuden aufbereitet wird. Der Wärmebedarf des zu versorgenden Gebäudes hat einen großen Einfluss auf die resultierenden Untergrundtemperaturen. Nach derzeitigem Stand der Technik wird der Wärmebedarf nach genormten Berechnungsverfahren ermittelt, die reale Randbedingungen, wie z. B. die Außentemperatur, nur über lange Zeiträume (Monate, Jahre) gemittelt berücksichtigen. Dadurch sind Aussagen zur Anlageneffizienz kaum möglich. Alternativ kann der thermische Bedarf mit Hilfe von dynamischen Simulationsmodellen ermittelt werden, die auf einer wesentlich höher aufgelösten Datengrundlage (oft stündlich) basieren. Die Untergrundsimulation wird in der Regel nach der Gebäudesimulation durchgeführt, um den berechneten Wärmebedarf als Randbedingung zu berücksichtigen. Dieser sequentielle Ansatz nimmt den Systemen Gebäude und Untergrund die Möglichkeit, sich gegenseitig zu beeinflussen. Die vorliegende Arbeit nutzt einen innovativen Ansatz für gekoppelte Modelle, einerseits für die FEM-Simulation der Temperatur- und Wärmeentwicklung in und um Erdwärmesonden (OpenGeoSys) und andererseits für die angeschlossene Haus- und Gebäudetechnik (Modelica) der zu versorgenden Objekte. Innerhalb von OpenGeoSys wird der Prozess HeatTransportBHE verwendet. Die Umsetzung der Gebäudesimulation basiert auf der Modelica Bibliothek GreenCity in der Simulationsumgebung SimulationX. Durch die Kopplung der Modelle kann die Untergrundsimulation mit laufzeitaktuellen Ergebnissen der thermischen Gebäudesimulation durchgeführt werden und gleichermaßen die Gebäudesimulation mit den Ergebnissen der Untergrundsimulation beeinflussen. Der Datenaustausch zwischen den beiden Programmen erfolgt über eine TCP/IP-Schnittstelle. Die Co-Simulation eröffnet eine neue Auslegungsmethode, die präzise Ergebnisse und integrative Systembetrachtungen von Untergrund, technischer Gebäudeausrüstung und deren Regelungstechnik ermöglicht.

Die Dimensionierung von Erdwärmesonden ist mit verschiedenen Unsicherheiten belegt. Diese begründen sich vor allem in der Heterogenität des geologischen Untergrundes und der Qualität der Datenlage. Untersuchungen des Untergrundes – beispielsweise durch Thermal-Response-Tests – stellen oft nur Punktaufnahmen in der Baufläche dar. Diese Unsicherheiten werden verstärkt durch Abschätzungen mit Literaturangaben. Als Folge können sich Überdimensionierungen und auch Unsicherheiten bezüglich einzuhaltender Regularien ergeben.

Gegenstand dieses Beitrags ist eine globale Sensitivitätsanalyse für auslegungsrelevante Parameter von Erdwärmesonden im oberflächennahen geologischen Raum. Die Sensitivitätsanalyse dient zur Identifizierung relevanter Parameter und einer Gegenüberstellung ihrer Einflüsse. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für eine methodische Untersuchung von Unsicherheitsanalysen für die Auslegung von oberflächennahen Geothermieanlagen.

Für die Sensitivitätsanalyse kamen verschiedene Methoden zur Anwendung. Zunächst wurde mit Screeningverfahren eine Vorabauswahl an Parametern getroffen. Das Parameterscreening wurde mit numerischen Simulationen in der Open-Source-Software OpenGeoSys (OGS) an einem 3D Finite-Elemente-Modell mit einer Doppel-U-Rohr Sonde durchgeführt. Abschließend wurde eine quantitative Sensitivitätsanalyse mit Sobol‘-Indizes für die ausgewählten Parameter durchgeführt. Aufgrund der hohen Anzahl zu berechnender Parameterkonstellationen, wurde mittels maschinellen Lernens eine Approximation des Modells (Proxy) mit Simulationsergebnissen aus OGS trainiert und für die Berechnung verwendet. Der Proxy wurde mit dem Verfahren der Gaußprozess-Regression erstellt, welches in der Literatur auch als Kriging bezeichnet wird. Zur Bewertung der Sensitivität wird die mittlere Fluidtemperatur der Sonde und die Untergrundtemperatur in der Umgebung betrachtet. Durch eine integrale Auswertung eines Jahreszyklus und die Betrachtung markanter Zeitpunkte in der Temperaturkurve konnte ein differenziertes Bild des Parametereinflusses erlangt werden.

Kalte Nahwärmenetze (KNW) in Kombination mit oberflächennahesten geothermischen Großkollektoranlagen gewinnen in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung. Jedoch kann sich die Projektierung von KNW durch fehlende Wärmequellen oder Platzangebote für Kollektorflächen als schwierig erweisen. Durch den Einsatz von Luftrückkühlwerken (LRK) lässt sich eine baugebietsunabhängige, kostengünstige Wärmequelle erschließen. In ihrer Funktionsweise lassen sich LRK mit Außeneinheiten von Luftwärmepumpen vergleichen.

Präsentiert wird die genaue Funktionsweise des LRK sowie dessen Einbindung in das Gesamtsystem des KNW. Zu beachten sind hierbei besonders die hohen Quellwärmegewinne des LRK während der Sommermonate. Da diese in Zeiten geringen Wärmebedarfs auftreten, wird dargestellt, wie sich diese dennoch effektiv nutzen lassen und welche Problematik sich dabei ergeben kann. Durch die richtige Betriebsweise und Auslegung des LRK besteht die Möglichkeit, den Erdwärmekollektor durch Überschüsse im Sommer und der Übergangszeit für kommende Heizperioden zusätzlich zu regenerieren und die Quellwärmegewinne somit in Teilen saisonal zu verschieben. Neben dem Regenerationsbetrieb kann durch ein LRK der Flächenbedarf für den Kollektor reduziert werden. Bei entsprechender Dimensionierung der Übertragerfläche des LRK lassen sich auch während der Wintermonate beachtliche Quellwärmegewinne erzielen.

Die untersuchten Betriebsmöglichkeiten werden anhand zweier unterschiedlicher Quartiersszenarien vorgestellt und miteinander verglichen. Diese basieren auf Simulationsergebnissen und bilden die Grundlage für real in Planung befindliche Bauvorhaben.

Bei Erdwärmesondenfeldern weicht der tatsächliche Betrieb oft stark vom ursprünglich geplanten ab. Trotzdem wird nach Inbetriebnahme meist nicht geprüft, ob Felder effizient und nachhaltig betrieben werden. Im BMWi-geförderten Projekt „Einbindung von Erdwärmesonden in die Gebäudesteuerung mittels Model Predictive Control (MPC)“ entwickeln wir einen Werkzeugkasten zur automatisierten Regelung von Geothermiefeldern. Damit wollen wir sowohl die nachhaltige Nutzung von Erdwärmesondenfeldern sicherstellen, als auch deren Betriebs­führung in Hinsicht auf Effizienz und Kosten optimieren.

Wir stellen mehrere modellprädiktive Regelungsstrategien mit unterschiedlich komplexen Simulations­ansätzen für Erdwärmesonden(felder) vor und demonstrieren sie am Erdwärmesondenfeld (41 Sonden a 100 m) des E.ON Energy Research Center der RWTH Aachen. Dieses eignet sich aufgrund seiner Ausstattung mit einem cloudbasierten Monitoring- und Regelsystem hervorragend zum Entwickeln und Testen von Betriebsstrategien.

Die modellprädiktive Regelung erfordert die Simulation des Verhaltens von Erdwärmesonden. In einem Ansatz verwenden wir Widerstands-Kapazitäts-Modelle (RC-Modelle) für jede Sonde und in anderen Ansätzen g-Funktionen für Feldsektoren oder auch für das gesamte Feld. Mit der auf RC-Modellen beruhenden modellprädiktiven Regelung, die auch im Geothermiefeld implementiert ist, lassen sich beispielsweise durch das Zu-und Abschalten von Sonden 71% des Stroms der Zirkulationspumpe einsparen. Aber auch schon durch die Regelbarkeit ganzer Sektoren des Sondenfeldes lassen sich Effizienzsteigerungen erzielen. Auf Betriebsdaten beruhende Simulationen des Geothermiefeldes zeigen beispielsweise, dass durch gezieltes Aufheizen oder Abkühlen von Feldsektoren in der laufenden Heiz- bzw. Kühlperiode die nutzbare Wärmemenge in der kommenden Periode erhöht werden kann.

Das Optimierungspotential für Erdwärmesondenfelder ist groß, erfordert aber dessen Monitoring. Dies kann sich aber durch die Sicherstellung des optimalen Betriebs auch finanziell lohnen.