Oberflächennahe Erdwärmekollektoren, insbesondere horizontale Erdwärmekollektoren, stellen eine wirtschaftlich und energetisch sinnvolle Wärmequellenanlage für Wärmepumpen dar. Auf Grund mangelnder wissenschaftlicher Untersuchungen in der Vergangenheit wurde deren Leistungsfähigkeit bisher jedoch kaum ausgenutzt. Des Weiteren fühlten sich die Planer bei der Auslegung oft unsicher, da es kaum verlässliche Auslegungsrichtlinien gab. In dieser Arbeit werden ein numerisches und ein analytisches Rechenmodell vorgestellt, mit denen Jahresverläufe der charakteristischen Soletemperaturen und der Eisbildung realitätsnah simuliert werden können. Mit Hilfe dieser Rechenmodelle wurde unter Berücksichtigung unterschiedlicher Bodentypen und Klimazonen die hydraulische und geometrische Auslegung anhand der Kriterien Energieeffizienz, Wirtschaftlichkeit, Betriebssicherheit und Umweltbeeinflussung bewertet, optimiert und Einsatzgrenzen klar ausgearbeitet. Daneben wurde auch die Auslegung für Kollektoren bei Spitzenlastnutzung und Sonderbauformen wie Grabenkollektoren und Erdwärmekörben untersucht.

Oberflächennahe Erdwärmekollektoren, insbesondere horizontale Erdwärmekollektoren, stellen eine wirtschaftlich und energetisch sinnvolle Wärmequellenanlage für Wärmepumpen dar. Auf Grund mangelnder wissenschaftlicher Untersuchungen in der Vergangenheit wurde deren Leistungsfähigkeit bisher jedoch kaum ausgenutzt. Des Weiteren fühlten sich die Planer bei der Auslegung oft unsicher, da es kaum verlässliche Auslegungsrichtlinien gab. In dieser Arbeit werden ein numerisches und ein analytisches Rechenmodell vorgestellt, mit denen Jahresverläufe der charakteristischen Soletemperaturen und der Eisbildung realitätsnah simuliert werden können. Mit Hilfe dieser Rechenmodelle wurde unter Berücksichtigung unterschiedlicher Bodentypen und Klimazonen die hydraulische und geometrische Auslegung anhand der Kriterien Energieeffizienz, Wirtschaftlichkeit, Betriebssicherheit und Umweltbeeinflussung bewertet, optimiert und Einsatzgrenzen klar ausgearbeitet. Daneben wurde auch die Auslegung für Kollektoren bei Spitzenlastnutzung und Sonderbauformen wie Grabenkollektoren und Erdwärmekörben untersucht.

Kalte Nahwärmenetze (engl. 5th generation district heating and cooling networks, abgekürzt 5GDHC) gewinnen in vielen europäischen Ländern zunehmend an Bedeutung. In der Regel versteht man darunter nicht-isolierte Wärmenetze, welche im Temperaturbereich zwischen -5 °C bis 20 °C betrieben werden. Sie nutzen oberflächennahe Geothermie, Gebäudekühlung oder andere Abwärmequellen und dienen so als Wärmequelle für dezentrale Wärmepumpen. Numerische Simulationen bieten die Möglichkeit, solche Systeme genauer zu planen und zu optimieren. Die vorliegende Arbeit entwickelt ein Simulationsmodell für kalte Nahwärmenetze mit oberflächennahen geothermischen Quellen. Für die thermo-hydraulische Netzsimulation wird der numerische Solver NANDRAD, Teil der Simulationssoftware SIM-VICUS, um notwendige Modelle erweitert. Die Netzumgebung und die geothermische Quelle werden mit 2D-Finite-Volumen Erdreichmodellen in der Simulationssoftware DELPHIN abgebildet und unter Nutzung des FMI-Standards gekoppelt mit dem Netzmodell simuliert. Als Demonstrationsbeispiel dient ein kaltes Nahwärmenetz mit 6,5 km Länge und einem 10.000 m² großen Erdwärmekollektor. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass jeweils etwa die Hälfte der Wärmegewinne aus dem Erdwärmekollektor und aus dem das Rohrnetz umgebenden Erdreich stammen. Sind alle vorgesehenen Gebäuden angeschlossen, erreichen die Wärmepumpeneintrittstemperaturen ein Minimum von -4 °C im Februar und die gemittelte Jahresarbeitszahl beträgt 4,4. Eine Parameterstudie zeigt, dass die mögliche Entzugsenergie eines Erdwärmekollektors bis zu 98 kWh/m²a für zwei Lagen und 69 kWh/m²a für eine Lage beträgt. Die Wärmegewinne aus den Netzleitungen können bis zu 131 kWh/m a betragen. Schließlich wird das Modell mit Messdaten aus dem laufenden Betrieb validiert. Bei den Erdeichtemperaturen und dem Energiebedarf der Pumpen zeigt sich eine gute Übereinstimmung. Weitere Auswertungen zeigen, dass die Umwälzpumpen in der realen Anlage nicht optimal betrieben werden, was zu einer Systemjahresarbeitszahl von nur 3,5 führt. Das Modell kann diesen Effekt gut abbilden und ermöglicht zudem die Bewertung von Optimierungsmaßnahmen, die den Strombedarf der Pumpen reduzieren und zu einer deutlich höheren Systemjahresarbeitszahl führen.