An open-source tool for early-stage design of fifth-generation heating and cooling networks

Abstract

Achieving climate neutrality in the building sector is a significant global challenge. Fifth Generation District Heating and Cooling (5GDHC) networks can help to achieve this by providing buildings with a sustainable and efficient heating and cooling supply. However, planning methods for these systems, particularly at the initial stages of project development, remain limited.This thesis aimed to develop an open-source planning tool programmed in python, which enables an initial assessment and basic design of 5GDHC networks with integrated borehole thermalenergy storage (BTES), using limited input parameters. The tool was designed and tested using a specific case study area in Lower Austria. As building-specific data is often lacking in the early planning phases, the first step was to investigate how load profiles for different building types could be simulated using the available data. Based on these profiles, load shifting was applied within and between buildings to derive first network design parameters. The developed tool was based on open-source projects and established simulation frameworks.The results show that the developed tool allows a initial assessment and basic design of the 5GDHC system even with limited publicly available building data. For the investigated area, the simulations demonstrated technical feasibility. However, the potential for load shifting between buildings was found to be relatively low.

Die Klimaneutralität im Bausektor zu erreichen stellt eine bedeutende globale Herausforderung dar. Wärme- und Kältenetze der fünften Generation (5GDHC) können hierzu beitragen, indem sie Gebäude nachhaltig und effizient mit Wärme und Kälte versorgen. Allerdings sind die Planungsmethoden für diese Systeme, insbesondere in den Anfangsphasen der Projektentwicklung, nach wie vor begrenzt. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines open-source tools in Python, mit dem 5GDHC-Netze mit integrierter Bohrloch-Wärmespeicherung (BTES), basiernd auf wenigen input parameter vereinfacht dimensioniert werden können. Das Tool wurde anhand einer Fallstudie in Niederösterreich entwickelt und getestet. Da gebäudespezifische Daten in frühen Planungsphasen häufig fehlen, wurde zunächst untersucht, wie auf Basis verfügbarer Informationen repräsentative Lastprofile für verschiedene Gebäudetypen simuliert werden können. Auf der Grundlage dieser Lastprofile wurde eine Lastverschiebung sowohl innerhalb einzelner Gebäude als auch zwischen Gebäuden vorgenommen, um vorläufige Netzwerkdesignparameter abzuleiten. Das entwickelte Tool basierte auf Open-Source-Projekten und etablierten Simulationsframeworks. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte Tool eine erste, grobe Dimensionierung des 5GDHC Systems ermöglicht, auch bei nur begrenzt verfügbaren Gebäudedaten. Im untersuchten Gebiet zeigte sich zudem, dass das Potenzial für Lastverschiebungen zwischen den Gebäuden gering ist.