Geothermal Energy System: Coupling Borehole Heat Exchanger Arrays to Surface Facilities

Jakob Randow

AutorIn

Jakob Randow

Titel

Geothermal Energy System: Coupling Borehole Heat Exchanger Arrays to Surface Facilities

Zitierfähige Url:

https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1015590

Erstveröffentlichung

2026

Datum der Einreichung

17.06.2025

Datum der Verteidigung

02.12.2025

Abstract (DE)

In Angesicht der aktuellen Energiewende kann die Geothermie eine entscheidende Rolle einnehmen. Sie ist ganzjährig verfügbar und damit grundlastfähig, was sie im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energiequellen auch für Projekte auf Quartiersebene interessant macht. Neben der Möglichkeit zur Wärmegewinnung, besteht die Möglichkeit, überschüssige Wärme im Erd\-reich zu speichern, somit Gebäude zu kühlen, und die Energie zu einem späteren Zeitpunkt zum Heizen zu verwenden. Aufgrund der verhältnismäßig hohen Investitionskosten und der begrenzten verfügbaren Fläche auf Grundstücken, ist eine effiziente Planung des erdgekoppelten Wärmepumpensystems notwendig, um neben ökologischen Anforderungen auch ökonomisch wettbewerbsfähig zu sein. Die Auslegung von Erdwärmesonden beruht oft jedoch auf Annahmen, die unter anderem den Wärmebedarf der zu versorgenden Gebäude auf Grundlage eines Gesamtjahreswertes annähert. Daher ist es notwendig, neue Verfahren zu implementieren, um die thermische Nutzung des Untergrundes adäquat vorherzusagen. In dieser Arbeit wird eine gekoppelte Simulation zwischen den Wärmeprozessen im Untergrund sowie den thermischen Abhängigkeiten zur oberflächigen Haustechnik vorgestellt. Dafür wird neben Modelica für die Haustechniksimulation, die Open-Source-Software OpenGeoSys verwendet. Im Zuge dessen wird die numerische Berechnung für die Wärmetransportprozesse im Untergrund betrachtet und somit das Verhalten sowie die Ergebnisse der Simulation gegenüber etablierter Software verglichen und validiert. Die Co-Simulation mithilfe des entwickelten Software-Interfaces soll dazu beitragen, eine detaillierte und hochaufgelöste Datengrundlage für die thermische Belastung des geologischen Untergrunds zu erzeugen. Auf Grundlage der Ergebnisse lässt sich schlussfolgern, dass thermische Gebäude- und Haustechniksimulationen in jedem Fall einen Mehrwert für die Langzeitsimulation der Wärmeausbreitung und -entwicklung durch den Betrieb von Erdwärmesondensystemen mit sich bringen. Zwar kann eine zuverlässige Datengrundlage auch durch eine sequentielle Simulation der Haustechnik erzielt werden. Allerdings können die thermischen dynamischen Prozesse der Gebäudeseite in bester Näherung durch die gekoppelte Simulation am besten abgebildet und simuliert werden.

Abstract (EN)

In light of the current energy transition, geothermal energy can play a crucial role. It is available year-round and therefore capable of providing base load energy, which makes it particularly attractive for neighborhood-scale projects compared to other renewable energy sources. In addition to the possibility of heat extraction, excess heat can be stored in the ground, allowing buildings to be cooled and the stored energy to be used for heating at a later time. Due to relatively high investment costs and limited available space in building plots, efficient planning of the ground-coupled heat pump system is essential not only to meet ecological requirements but also to remain economically competitive. However, the design of ground source heat pump systems is often based on assumptions that approximate the heating demand of the buildings to be supplied using annual total values. Therefore, it is necessary to implement new methods to adequately predict the thermal use of the subsurface. This work presents a coupled simulation between the thermal processes in the subsurface and their dependencies on the building technology systems on the surface. For this purpose, in addition to Modelica for simulating building systems, open-source software OpenGeoSys is used. In this context, the numerical calculation of heat transport processes in the subsurface is examined and the behavior and results of the simulation are compared and validated against established software. The co-simulation using the developed software interface aims to generate a detailed and high-resolution data basis for the thermal loading of the geological subsurface. Based on the results, it can be concluded that thermal simulations of buildings and technical building services definitely add value to the long-term simulation of heat propagation and development resulting from the operation of ground source heat pump systems. Although a reliable data basis can also be achieved through sequential simulation of building systems, the thermal dynamic processes on the building side can be best represented and simulated through the coupled simulation approach.

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