Design criteria for GCHP-systems with seasonal storage (Anergienetze)

Abstract

Die Herausforderungen die sich mit der Notwendigkeit der Umsetzung von CO2-Emissionsreduktionsmaßnahmen ergeben betreffen unter anderem auch den Bereich der Gebäudeversorgung mit thermischer Energie (Wärmeund Kälteenergie). In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der wärmepumpenbasierten Wärmeund Kälteversorgung eines Areales, das aus mehreren Gebäuden besteht untersucht. Die Versorgung der Wärmepumpen mit Anergie erfolgt durch ein Niedrigtemperaturringnetzwerk, welches es ermöglicht industrielle und gewerbliche Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau nutzbar zu machen und energetisch für Heizzwecke zu verwenden. In Zusammenhang mit einem saisonalen Speicher der hier als Erdsondenspeicher modelliert wird kann die Bereitstellung der thermischen Energie von dessen Bedarf entkoppelt werden. Durch die niedrigen Temperaturen im geothermisch versorgten Anergienetz kann die Speicherung von thermischer Energie verlustarm auch für längere Zeitintervalle realisiert werden. Im Sinne der Nachhaltigkeit derartiger Systeme wird in den Modellannahmen vorausgesetzt, dass der Erdsondenspeicher über den Zeitraum von einem Betriebsjahr stets ausgeglichen bilanziert wird. Das Netztemperaturniveau bewegt sich im Jahresverlauf zwischen fünf und 20C. Diese Tatsache ermöglicht bei Bedarf die Kühlung der angeschlossenen Gebäude im energieeffizienten Free-Cooling-Betrieb. Damit wird der immer wichtiger werdende Aspekt der energieeffizienten Kühlung (Fernkälte) abgedeckt. Die an das Niedertemperatur-Ringnetz angeschlossenen Gebäude werden daher als Prosumer (PROducer und comSUMER thermischer Energie) abgebildet, die Wärmesenke bildet in diesem Fall der Heizbetrieb im Winter, der Kühlbetrieb im Sommer hingegen stellt die Wärmequelle für das System Ringnetzwerk und Erdsondenspeicher dar. Die Systemoptimierung mit dem Ziel verallgemeinerungsfähige Auslegungsund Betriebskriterien wie Dezentralisierungsgrad und Größe des Erdsondenfeldes für derartige Anlagen zu finden erfolgt durch eine Minimierung der Wärmegestehungskosten mithilfe eines genetischen Optimierungsalgorithmus.

The widespread challenges related to the reduction of carbon dioxide emissions affects also building services like heating and cooling. This work presents a heat pump based system for heating and cooling purposes of residential areas comprising several buildings. The heat pump's anergy supply takes place with a low temperature ring network which allows the exploitation of low temperature industrial/commercial waste heat. A seasonal storage system represented as borehole thermal energy storage BTES decouples the thermal energy's supply and demand and allows due to the low temperature levels throughout the whole year efficient long term thermal energy storage. The system's sustainability is assured by means of balanced BTES control strategy throughout every operational year. Due to the low temperature levels of 5C (winter) to 20C (summer) the proposed system allows for low-energy consuming cooling of buildings in free cooling mode. Given this fact the work covers another increasingly important emphasis in energy supply: district cooling. Therefore connected buildings to the ring network are represented as prosumers (thermal energy PROducers and conSUMERs). They act as heat sources during the warm summer months and as heat sinks during winter time. A system optimization is performed to find designand operational criteria like optimal degrees of decentralization and extension of the BTES in respect to different framework conditions. Finding the Optimums is performed by the minimization of heat production costs by means of a genetical algorithm.