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In the context of energy transition, geothermics play an important role for the heating and cooling supply of both residential and commercial buildings. Thereby, the increasingly and intensive utilisation of shallow geothermal resources bears the risk of over-exploitation and thus poses a future challenge to ensure the sustainability and safety of such systems. Particularly, the well-established technology of borehole heat exchanger-coupled ground source heat pumps is applied for the thermal exploitation of the shallow subsurface. Due to the complexity of the involved physical processes, numerical modelling proves to be a powerful tool to enhance process understanding as well as to aid the planning and design processes. Simulations can also support the management of thermal subsurface resources, planning and decision-making on city and regional scales. In this work, the so-called dual-continuum approach was adopted and enhanced to develop a coupled numerical model considering flow and heat transport processes in both the subsurface and borehole heat exchangers as well as the heat pumps’ performance characteristics, and including the relevant phenomena influencing the underlying processes. Beside the temperature fields, the efficiency and thus the consumption of electrical energy by the heat pump is computed, allowing for the quantification of operational costs and equivalent carbon-dioxide emissions. The model is validated and applied to a number of numerical studies. First, a comprehensive sensitivity analysis on the efficiency and sustainability of such systems is performed. Second, a method for the quantification of technically extractable shallow geothermal energy is proposed. This procedure is demonstrated by means of a case study for the city of Cologne, Germany and its implications are discussed. / Im Rahmen der Energiewende nimmt die Geothermie eine besondere Rolle in der thermische Gebäudeversorgung ein. Die zunehmende, intensive Nutzung oberflächennaher geothermischer Ressourcen erhöht die Gefahr der übermäßigen thermischen Ausbeutung des Untergrundes und stellt damit eine wachsende Herausforderung für die Nachhaltigkeit und Sicherheit solcher Systeme dar. Zur Erschließung oberflächennaher geothermischer Energie wird insbesondere die etablierte Technologie Erdwärmesonden-gekoppelter Wärmepumpen eingesetzt. Aufgrund der daran beteiligten komplexen physikalischen Prozesse erweisen sich numerische Modelle als leistungsfähiges Werkzeug zur Erweiterung des Prozessverständnisses und Unterstützung des Planungs- und Auslegungsprozesses. Zudem können Simulationen zum Management thermischer Ressourcen im Untergrund sowie zur Planung und politischen Entscheidungsfindung auf städtischen und regionalen Maßstäben beitragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde, basierend auf dem sogenannten ”dual-continuum approach” und unter Berücksichtigung des Einflusses der Wärmepumpe, ein erweitertes gekoppeltes numerisches Modell zur Abbildung der in Erdwärmesonden und dem Untergrund stattfindenden Strömungs- und Wärmetransportprozesse entwickelt. Das Modell ist in der Lage, alle relevanten Einflussfaktoren zu berücksichtigen. Neben den Temperaturfeldern im Untergrund und der Erdwärmesonde werden die Effizienz und damit der Stromverbrauch der Wärmepumpe simuliert. Damit können sowohl die Betriebskosten als auch der äquivalente CO 2 -Ausstoß abgeschätzt werden. Das Modell wurde validiert und in einer Reihe numerischer Studien eingesetzt. Zuerst wurde eine umfassende Sensitivitätsanalyse zur Effizienz und Nachhaltigkeit entsprechender Anlagen durchgeführt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Quantifizierung des technisch nutzbaren, oberflächennahen geothermischen Potentials vorgestellt und anhand einer Fallstudie für die Stadt Köln demonstriert, gefolgt von einer Diskussion der Ergebnisse.

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.

In the context of energy transition, geothermics play an important role for the heating and cooling supply of both residential and commercial buildings. Thereby, the increasingly and intensive utilisation of shallow geothermal resources bears the risk of over-exploitation and thus poses a future challenge to ensure the sustainability and safety of such systems. Particularly, the well-established technology of borehole heat exchanger-coupled ground source heat pumps is applied for the thermal exploitation of the shallow subsurface. Due to the complexity of the involved physical processes, numerical modelling proves to be a powerful tool to enhance process understanding as well as to aid the planning and design processes. Simulations can also support the management of thermal subsurface resources, planning and decision-making on city and regional scales. In this work, the so-called dual-continuum approach was adopted and enhanced to develop a coupled numerical model considering flow and heat transport processes in both the subsurface and borehole heat exchangers as well as the heat pumps’ performance characteristics, and including the relevant phenomena influencing the underlying processes. Beside the temperature fields, the efficiency and thus the consumption of electrical energy by the heat pump is computed, allowing for the quantification of operational costs and equivalent carbon-dioxide emissions. The model is validated and applied to a number of numerical studies. First, a comprehensive sensitivity analysis on the efficiency and sustainability of such systems is performed. Second, a method for the quantification of technically extractable shallow geothermal energy is proposed. This procedure is demonstrated by means of a case study for the city of Cologne, Germany and its implications are discussed. / Im Rahmen der Energiewende nimmt die Geothermie eine besondere Rolle in der thermische Gebäudeversorgung ein. Die zunehmende, intensive Nutzung oberflächennaher geothermischer Ressourcen erhöht die Gefahr der übermäßigen thermischen Ausbeutung des Untergrundes und stellt damit eine wachsende Herausforderung für die Nachhaltigkeit und Sicherheit solcher Systeme dar. Zur Erschließung oberflächennaher geothermischer Energie wird insbesondere die etablierte Technologie Erdwärmesonden-gekoppelter Wärmepumpen eingesetzt. Aufgrund der daran beteiligten komplexen physikalischen Prozesse erweisen sich numerische Modelle als leistungsfähiges Werkzeug zur Erweiterung des Prozessverständnisses und Unterstützung des Planungs- und Auslegungsprozesses. Zudem können Simulationen zum Management thermischer Ressourcen im Untergrund sowie zur Planung und politischen Entscheidungsfindung auf städtischen und regionalen Maßstäben beitragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde, basierend auf dem sogenannten ”dual-continuum approach” und unter Berücksichtigung des Einflusses der Wärmepumpe, ein erweitertes gekoppeltes numerisches Modell zur Abbildung der in Erdwärmesonden und dem Untergrund stattfindenden Strömungs- und Wärmetransportprozesse entwickelt. Das Modell ist in der Lage, alle relevanten Einflussfaktoren zu berücksichtigen. Neben den Temperaturfeldern im Untergrund und der Erdwärmesonde werden die Effizienz und damit der Stromverbrauch der Wärmepumpe simuliert. Damit können sowohl die Betriebskosten als auch der äquivalente CO 2 -Ausstoß abgeschätzt werden. Das Modell wurde validiert und in einer Reihe numerischer Studien eingesetzt. Zuerst wurde eine umfassende Sensitivitätsanalyse zur Effizienz und Nachhaltigkeit entsprechender Anlagen durchgeführt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Quantifizierung des technisch nutzbaren, oberflächennahen geothermischen Potentials vorgestellt und anhand einer Fallstudie für die Stadt Köln demonstriert, gefolgt von einer Diskussion der Ergebnisse.

Erdwärme ist eine regenerative Energieform und durch ihre vergleichsweise leichte Erschließbarkeit auch im privaten Bereich für die Energieversorgung einsetzbar. Das Merkblatt gibt einen Überblick über die Nutzung der im Grundwasser gespeicherten Wärme mit Grundwasserwärmepumpenanlagen. Diese Anlagen stellen eine Möglichkeit dar, oberflächennahe Geothermie zu nutzen. Dazu werden die hydrologischen und hydrogeologischen Aspekte sowie die Anforderungen an Planung, Bau und Betrieb dieser Anlagen dargestellt. Die Ausführungen des Merkblattes gelten sowohl für kleine Anlagen bis 30 Kilowatt Heizleistung als auch für große Anlagen (>30 Kilowatt). Es richtet sich vorrangig an Bauherren und Betreiber, Planungsfirmen, Behörden, aber auch an die interessierte Öffentlichkeit.

Aufgrund der generell steigenden politischen sowie auch gesellschaftlichen Anforderung nach Kohlenstoffdioxid (CO2) reduzierenden Maßnahmen wächst auch zunehmend der Druck auf die Automobilindustrie und damit einhergehend auf den Bereich der PKW-Klimatisierung. Bis dato ist bereits eine Vielzahl an Untersuchungen zu alternativen Kältemitteln sowie optimierte Komponenten für einen Betrieb der PKW-Klimatisierung durchgeführt worden. Ziel dieser Arbeit ist die Verringerung des Energieaufwands zur Fahrzeugklimatisierung durch eine entsprechende Wahl des Kältemittelverdichters (KMV) sowie eine Optimierung des Systems des Kältemittelkreislaufs durchzuführen. Des Weiteren wird neben den betrachteten Lastfällen bei hohen Außentemperaturen auch eine Effizienzsteigerungsmaßnahme des Lastfalls bei niedrigen Temperaturen untersucht. Hierzu werden detaillierte Prüfstanduntersuchungen zu den drei gängigsten Kältemittelverdichtern - mechanisch (mKMV), elektrisch Hochvolt (HV-eKMV) und elektrisch 48 V (48 V-eKMV) - durchgeführt. Im System mit dem effizientesten Kältemittelverdichter werden weiterhin Untersuchungen durch Systemprüfstände sowie Simulationen durchgeführt um Potenzial zur Energieersparnis auszuweisen. Im letzten Schritt werden die gewonnen Simulationsmodelle genutzt um das weitere Effizienzsteigerungspotenzial der PKW-Klimatisierung im Winterfall mittels Wärmepumpenschaltung auszuweisen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend für den Betrieb des untersuchten Systems zur Klimatisierung mittels statistischer europäischer Temperaturverteilung bewertet um die absolute Energieersparnis auszuweisen. / Due to the generally increasing political and social demand for carbon dioxide (CO2) reducing measures, the pressure on the automotive industry and the associated passenger car air conditioning is increasing. Up to now, a large number of studies on alternative refrigerants and optimized components for the passenger car climate control have already been investigated. The objective of this work is to reduce the required energy for vehicle air conditioning by means of a corresponding selection of the refrigerant compressor (KMV) and to optimize the system of the refrigerant circuit. In addition to the analyzed load cases at high outside temperatures, an efficiency improvement measure of the load case is also examined at low temperatures. For this purpose, detailed investigations on test benches of the three most common refrigerant compressors - mechanical (mKMV), electrical high voltage (HV-eKMV) and electrical 48 V (48 VeKMV) - are performed. In the system with the most efficient refrigerant compressor, investigations by system test benches and simulations in order to identify potentials for Energy savings are carried out. In the last step, the simulation models are used to show the further efficiency potential of the passenger air conditioning in the winter by means of a heat pump system. The findings obtained are evaluated for the operation of the system for climate control by means of statistical European temperature distribution to identify the total energy savings.

Am Beispiel des grenzüberschreitenden Pilotgebiets Vogtland/West-Böhmen werden die im EU-Projekt GeoPLASMA-CE entwickelten harmonisierten Methoden geologischer 3D-Modellierung für die Darstellung des geothermischen Potenzials und dessen Nutzungskonflikte erläutert. Die Ergebnisse stellen Informationen zur Nutzbarkeit oberflächennaher Erdwärmesonden und Grundwasserwärmepumpen aufbereitet zur Verfügung und sollen die Akzeptanz bei Behörden, Planern und Bürgern stärken. Vor allem geologische Dienste können die international abgestimmten Methoden nutzen, um eigene Informationsportale zu erstellen. Redaktionsschluss: 02.03.2021

Es erfolgt ein ganzheitlicher Vergleich der Systeme Luftwärmepumpe und Sole-Wasser-Wärmepumpe für ein Bestandsgebäude. Für die Bewertung der Umweltfreundlichkeit bzw. Klimaschutzwirksamkeit werden die CO2-äquivalenten Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) und der nicht-erneuerbare Primärenergiebedarf (KEV) der Systeme bilanziert. Für den fairen Vergleich werden Systeme mit investkostengleichen Gesamtinvestitionen gebildet, indem die Luftwärmepumpe zusätzlich um eine PV-Anlage ergänzt wird.

Theoretical bounds for performance measures of thermodynamical systems are investigated under conditions of finite times and rates of processes using endoreversible models. These models consist of reversible operating sub-systems which exchange energy via generally irreversible interactions. Analytical and numerical calculations are performed to obtain performance optima and respective optimized process and design parameters for four model systems. A heat engine where the heat transfer between the working fluid and heat reservoirs is described by generalized, polytropic process is optimized for maximum work output. Thermal efficiencies, optimal values for temperatures and process times of the heat transfer processes are determined. A model of a generalized system suited to describe the operation of heat engines, refrigerators, and heat pumps is optimized with respect to thermal efficiency. Several examples illustrate how the results of the analysis are used to allocate financial resources to the heat exchanger inventory in an optimal way. A power-producing thermal system which exchanges heat with several heat reservoirs via irreversible heat transfer processes is analyzed to find the optimal contact times between the working fluid and each of the reservoirs. The piston motion of a Diesel engine is optimized to achieve maximum work for a given amount of fuel. The endoreversible model of the Diesel engine accounts for the temporal variations of the heat produced by the combustion process, the basic flow pattern within the engine's cylinder, the temperature dependence of the viscosity, thermal conductivity, and heat capacity of the working fluid and losses due to friction and heat leak through the cylinder walls. / Theoretische Grenzen für verschiedene Leistungsmerkmale von thermodynamischen Systemen werden unter der Bedingung endlicher Zeiten und Prozessraten im Rahmen endoreversibler Modelle untersucht. Diese Modelle bestehen aus reversiblen Subsystemen, welche über allgemein irreversible Wechselwirkungen Energie austauschen. Analytische und nummerische Berechnungen quantifizieren diese Grenzen und liefern optimale Prozess- und Konstruktionsparameter für vier Modellsysteme. Für eine auf maximale Ausgangsarbeit optimierte Wärmekraftmaschine, bei der die Wärme zwischen Arbeitsmedium und Wärmereservoirs während allgemeiner polytroper Zustandsänderungen des Arbeitsmediums übertragen wird, werden optimale Temperaturen und Zeiten für die Wärmeübertragungsprozesse sowie die thermischen Wirkungsgrade bestimmt. Für ein wirkungsgrad-optimiertes Modell eines verallgemeinerten thermischen Umwandlungssytems, das sowohl Wärmekraftmaschinen, Kühler und Wärmepumpen beschreibt, wird die optimale Verteilung von Investitionskosten auf die Wärmetauscher ermittelt und die Anwendung der allgemeingültigen Ergebnisse anhand mehrerer Beispiele demonstriert. Für eine Wärmekraftmaschine mit mehreren Wärmereservoirs wird bestimmt, welche der Wärmereservoirs wie lange kontaktiert werden müssen, um eine maximale Ausgangsarbeit zu erzielen. Für einen Dieselmotor wird die Kolbenbewegung so optimiert, dass bei gegebener Treibstoffmenge eine maximale Ausgangsarbeit erzielt wird. Das endoreversible Modell des Dieselmotors berücksichtigt die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität des Arbeitsfluids, die Zeitabhängigkeit des Verbrennungsprozesses sowie Reibungs- und Wärmeverluste.