RECOIN – Echtzeit-Regelung und Anpassung von Erdwärmesondenfeldern zur optimalen Integration in Heiz- und Kühlsysteme

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502475
• Projekttitel Englisch: RECOIN – Real-time control and tuning of borehole heat exchanger fields for optimal integration in heating and cooling systems

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Erdwärmesondenfelder kombinieren viele einzelne Sonden zur oft umfassenden Versorgung und Speicherung von Wärme und Kälte. Im Projekt RECOIN wird ein neuartiges Regelungssystem geschaffen, das den bisher weitestgehend unkontrollierten Betreib solcher Felder überwacht, gezielt Einzelsonden regelt und im Sinne einer optimalen Systemeffizienz angepasst. Die wichtigste Entwicklung des Projekts ist ein flexibles Modellierung-, Prognose- und Kontrollverfahren, das zur prädikativen Regelung in ein neues Kontrollsystem integriert wird. Im Konsortium liegt der Schwerpunkt der Schweizer Partner auf der Konstruktion eines Echtzeitreglers und dem experimentellen Testen des Kontrollsystems, das durch die Partner in einem detailliert untersuchten Feldstandort als Prototyp zum Einsatz kommt. In Zusammenarbeit wird, auch durch Anwendung auf weitere Felder, die Basis zur flexiblen praktischen Nutzung und Verwertung geschaffen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Geothermal probe fields combine many individual probes for the often comprehensive supply and storage of heat and cold. In the RECOIN project, a novel control system is being created that monitors the previously largely uncontrolled operation of such fields, selectively controls individual probes, and adjusts them in the sense of optimal system efficiency. The most important development of the project is a flexible modeling, progronse and control procedure, which will be integrated into a new control system for predictive control. In the consortium, the focus of the Swiss partners is on the design of a real-time controller and the experimental testing of the control system, which will be prototyped by the partners at a field site that has been studied in detail. In collaboration, also through application to other fields, the basis for flexible practical use and exploitation will be created.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Les champs de sondes géothermiques combinent de nombreuses sondes individuelles pour un approvisionnement et un stockage souvent complets de chaleur et de froid. Le projet RECOIN vise à créer un nouveau système de régulation qui surveille l'exploitation de ces champs, jusqu'ici largement incontrôlée, régule de manière ciblée les sondes individuelles et les adapte afin d'optimiser l'efficacité du système. Le développement le plus important du projet est un procédé flexible de modélisation, de prévision et de contrôle, qui sera intégré dans un nouveau système de contrôle pour la régulation prédictive. Dans le consortium, les partenaires suisses se concentrent sur la construction d'un régulateur en temps réel et sur les tests expérimentaux du système de contrôle, qui sera utilisé comme prototype par les partenaires sur un site de terrain étudié en détail. En collaboration, les bases d'une utilisation pratique flexible et d'une exploitation seront créées, notamment par l'application à d'autres champs.

Schlussbericht (Deutsch)

Internationales Projekt RECOIN
Dieses internationale Projekt konzentriert sich auf die Verbesserung der Leistung von geothermischen Systemen durch die Entwicklung und Anwendung fortschrittlicher Überwachungs-, Modellierungs- und Regelmethoden. Es werden Echtzeitdaten und maschinelles Lernen genutzt, um die Energieeffizienz zu optimieren und die Umweltauswirkungen zu reduzieren. Ein einzigartiges EWS-Feld in Lausen (Mehrfamilienhaus mit 6 Parteien), Schweiz, wird als Grundlage für die Untersuchung und den Vergleich verschiedener Leistungsüberwachungsmethoden genutzt. Dieses Feld verfügt über mehrere Jahre Messdaten, die bisher nicht in Modellen reproduziert wurden. Um eine detaillierte thermische Profilierung des geothermischen Systems zu erstellen, werden Sensoren an wichtigen Punkten installiert. Ein halbanalytisches Modellierungstool wird entwickelt, das verschiedene hochmoderne Verfahren zur Boreholeheatexchanger(BHE) - Feldsimulation kombiniert und auch Echtzeit-Modellaktualisierungen ermöglicht. Das vollständig trainierte Modell wird zur Vorhersage der Langzeitleistung des BHE-Feldes verwendet und dient dazu, den Wert verschiedener Datenquellen und Messauflösungen zu bewerten. Es wird auch eine datenbasierte Routine entwickelt, die für die Anwendung in einem nichtlinearen Model Predictive Control (MPC)-System geeignet ist. Als Innovation wird ein datenbasierter Emulator entwickelt, der maschinelles Lernen verwendet, um den "Modell"-Teil der MPC-Einheit zu repräsentieren. Dies macht das System effizienter und robuster. Durch computerbasierte Simulationen werden Regelziele und -beschränkungen identifiziert, wobei sowohl kurzfristige als auch langfristige Leistungsschwankungen berücksichtigt werden. Ein Ziel besteht darin, den Primärenergieverbrauch zu minimieren, was gleichzeitig als Maßstab für die Reduzierung von CO2-Emissionen und Gesamtkosteneinsparungen dient. Schließlich wird ein innovatives Regelgerät entwickelt, das mit dem emulatorbasierten Steueralgorithmus ausgestattet ist und beim Projekstandort Lausen getestet wird. Das Konzept soll auch an BHE-Feldern in Stockholm Schweden (6 BHE’s) und Frankfurt Deutschland (54 BHE’s) demonstriert werden.

Schweizer Teilprojekt
In diesem Schlussbericht werden die Arbeiten am Projektstandort Lausen zusammengefasst. Diese fokussieren sich auf die Erstellung und Installation eines Monitoring- und Regelsystems. Die Entwicklung der regelungstechnischen Strategien werden durch die Projektpartner in Deutschland und Schweden durchgeführt. Diese Aufgaben sind nicht Teil dieses Berichtes. Das Monitoringsystem wurde im Sommer 2023 installiert und erfasst über 1000 Datenpunkte mit einer Abtastrate von 30 Sekunden. Die Datenpunkte werden in einer zentralen Datenbank gespeichert und dienen dem internationalen Projektteam als Grundlage für die Modell- und Reglerentwicklung. Seit der Inbetriebnahme des Monitoringsystems wurde die Software kontinuierlich verbessert und auf die zukünftigen Bedürfnisse des Reglers angepasst. Die Daten werden in einer standortübergreifenden Datenbank der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg gesammelt. Neben Softwareverbesserungen wurden auch Verbesserungen an der Sensorik durchgeführt. Aufgrund unterschiedlichen nationalen Rahmenbindungen innerhalb des internationalen Projektes RECOIN wurde entschieden, das Schweizer Projekt 2025 abzuschliessen. Da zum Datum des Projektabschlusses keine MPC-Regelung vorlag, wurde eine vereinfachte Optimierungsstrategie entwickelt und demonstriert. Die umgesetzte Optimierungsstrategie sieht vor, diejenigen Erdwärmetauscher mit der geringsten Leistung aus dem Gesamtsystem auszukoppeln und das System zeitweilig mit einer reduzierten Anzahl an BHE’s zu betreiben.Durch die gezielte natürliche Regeneration der geschlossenen Sonde wird das thermische Niveau des Systems gehoben, was eine besseren COP der Wärmepumpe zur Folge hat. Im Sommer 2025 wurde die Optimierung beim Testobjekt in Lausen installiert. Diese steuert den Durchfluss der 3 BHE’s. Nach einigen Monaten mit aktiver Optimierung konnten deren Funktion erfolgreich demonstriert werden. Aufgrund von limitierenden Eigenschaften des Testobjektes Lausen steht eine abschliessende Beurteilung der Effektivität der Optimierung aus. So wurde festgestellt, dass das BHE System beim Testobjekt bereits ohne Optimierung in der Heizsaison am Leistungslimit betrieben läuft. Nichtsdestotrotz wurde die Machbarkeit einer solchen Optimierung erfolgreich demonstriert.

Ausblick
Mit den Erkenntnissen aus dem vereinfachten Optimierungsansatz des Schweizer Teams, verfolgt das Internationale Projekt RECOIN weiterhin einen modellbasierten Ansatz. Hierbei hat das deutsche Team ein Python-basiertes Daten- und Analyseframework aufgebaut. Mittels neuronaler Netze werden kurzfristige Temperaturvorhersagen erzeugt. Zudem wird das semi-analytische Modell BoreholeNetworkSimulator.jl der KTH für Langzeitsimualtionen genutzt. Die daraus resultierende Optimierung wird an den Teststandorten Stockholm und Frankfurt demonstriert. Der Projektfortschritt des Internationalen Geothermica Projektes RECOIN können über die Projekt Website (https://recoin.geo.uni-halle.de/) abgerufen werden.

Schlussbericht (Englisch)

International RECOIN Project
This international project focuses on improving the performance of geothermal systems through the development and application of advanced monitoring, modeling, and control methods. Real-time data and machine learning are used to optimize energy efficiency and reduce environmental impact. A unique EWS field in Lausen (6-unit apartment building), Switzerland, is used as the basis for investigating and comparing different performance monitoring methods. This field has several years of measurement data that has not yet been reproduced in models. Sensors are installed at key points to create a detailed thermal profile of the geothermal system. A semi-analytical modeling tool is being developed that combines various state-of-the-art methods for borehole heat exchanger (BHE) field simulation and also enables real-time model updates. The fully trained model is used to predict the long-term performance of the BHE field and serves to evaluate the value of different data sources and measurement resolutions. A data-based routine suitable for use in a nonlinear Model Predictive Control (MPC) system is also being developed. As an innovation, a data-based emulator is being developed that uses machine learning to represent the “model” part of the MPC unit. This makes the system more efficient and robust. Computer-based simulations are used to identify control targets and constraints, taking into account both short-term and long-term performance fluctuations. One goal is to minimize primary energy consumption, which also serves as a benchmark for reducing CO2 emissions and overall cost savings. Finally, an innovative control device equipped with the emulator-based control algorithm is being developed and tested at the project site in Lausen. The concept will also be demonstrated at BHE fields in Stockholm, Sweden (6 BHEs) and Frankfurt, Germany (54 BHEs).

Swiss subproject
This final report summarizes the work carried out at the Lausen project site. This work focuses on the creation and installation of a monitoring and control system. The development of control strategies is being carried out by the project partners in Germany and Sweden. These tasks are not part of this report. The monitoring system was installed in the summer of 2023 and records over 1000 data points with a sampling rate of 30 seconds. The data points are stored in a central database and serve as the basis for model and controller development by the international project team. Since the monitoring system was commissioned, the software has been continuously improved and adapted to the future needs of the controller. The data is collected in a cross-location database at Martin Luther University Halle-Wittenberg. In addition to software improvements, improvements were also made to the sensor technology. Due to different national frameworks within the international RECOIN project, it was decided to conclude the Swiss project in 2025. As there was no MPC control system in place at the time of project completion, a simplified optimization strategy was developed and demonstrated. The implemented optimization strategy involves decoupling the geothermal heat exchangers with the lowest output from the overall system and temporarily operating the system with a reduced number of geothermal heat exchangers. The targeted natural regeneration of the closed probe raises the thermal level of the system, resulting in a better COP for the heat pump. In the summer of 2025, the optimization was installed at the test site in Lausen. This controls the flow of the three heat exchangers. After several months of active optimization, its function was successfully demonstrated. Due to the limiting characteristics of the Lausen test object, a final assessment of the effectiveness of the optimization is still pending. It was found that the BHE system at the test object was already operating at its performance limit during the heating season without optimization. Nevertheless, the feasibility of such optimization was successfully demonstrated.

Outlook
With the findings from the simplified optimization approach of the Swiss team, the international RECOIN project continues to pursue a model-based approach. The German team has developed a Python-based data and analysis framework. Short-term temperature forecasts are generated using neural networks. In addition, KTH's semi-analytical model BoreholeNetworkSimulator.jl is used for long-term simulations. The resulting optimization is demonstrated at the test sites in Stockholm and Frankfurt. The progress of the international geothermal project RECOIN can be viewed on the project website (https://recoin.geo.uni-halle.de/).

Zugehörige Dokumente

• Final report_english [PDF] 26'504 kB

Schlussbericht (Französisch)

Projet international RECOIN
Ce projet international se concentre sur l'amélioration des performances des systèmes géothermiques grâce au développement et à l'application de méthodes avancées de surveillance, de modélisation et de contrôle. Il utilise des données en temps réel et l'apprentissage automatique pour optimiser l'efficacité énergétique et réduire l'impact environnemental. Un champ EWS unique à Lausen (immeuble collectif de 6 appartements), en Suisse, sert de base à l'étude et à la comparaison de différentes méthodes de surveillance des performances. Ce champ dispose de plusieurs années de données de mesure qui n'ont pas encore été reproduites dans des modèles. Afin de créer un profil thermique détaillé du système géothermique, des capteurs sont installés à des points clés. Un outil de modélisation semi-analytique est développé, qui combine différentes méthodes de pointe pour la simulation de champs d'échangeurs de chaleur à forage (BHE) et permet également des mises à jour du modèle en temps réel. Le modèle entièrement formé est utilisé pour prédire les performances à long terme du champ BHE et sert à évaluer la valeur de différentes sources de données et résolutions de mesure. Une routine basée sur les données est également développée, adaptée à une utilisation dans un système de contrôle prédictif de modèle (MPC) non linéaire. Une innovation consiste à développer un émulateur basé sur les données qui utilise l'apprentissage automatique pour représenter la partie « modèle » de l'unité MPC. Cela rend le système plus efficace et plus robuste. Des simulations informatiques permettent d'identifier les objectifs et les contraintes de régulation, en tenant compte des fluctuations de performance à court et à long terme. L'un des objectifs est de minimiser la consommation d'énergie primaire, qui sert également de référence pour la réduction des émissions de CO2 et les économies globales. Enfin, un dispositif de régulation innovant, équipé de l'algorithme de contrôle basé sur un émulateur, est développé et testé sur le site du projet à Lausen. Le concept doit également être présenté dans des champs BHE à Stockholm en Suède (6 BHE) et à Francfort en Allemagne (54 BHE).

Sous-projet suisse
Ce rapport final résume les travaux réalisés sur le site du projet à Lausen. Ceux-ci se concentrent sur la création et l'installation d'un système de surveillance et de régulation. Le développement des stratégies de régulation est assuré par les partenaires du projet en Allemagne et en Suède. Ces tâches ne font pas partie du présent rapport. Le système de surveillance a été installé à l'été 2023 et enregistre plus de 1000 points de données avec une fréquence d'échantillonnage de 30 secondes. Les points de données sont stockés dans une base de données centrale et servent de base à l'équipe internationale du projet pour le développement de modèles et de régulateurs. Depuis la mise en service du système de surveillance, le logiciel a été continuellement amélioré et adapté aux besoins futurs du régulateur. Les données sont collectées dans une base de données inter-sites de l'université Martin Luther de Halle-Wittenberg. Outre les améliorations logicielles, des améliorations ont également été apportées aux capteurs. En raison des différents cadres nationaux au sein du projet international RECOIN, il a été décidé de clôturer le projet suisse en 2025. Comme il n'existait pas de régulation MPC à la date de clôture du projet, une stratégie d'optimisation simplifiée a été développée et démontrée. La stratégie d'optimisation mise en œuvre prévoit de découpler les échangeurs géothermiques les moins performants du système global et de faire fonctionner le système temporairement avec un nombre réduit d'échangeurs géothermiques. La régénération naturelle ciblée de la sonde fermée permet d'élever le niveau thermique du système, ce qui se traduit par un meilleur COP de la pompe à chaleur. Au cours de l'été 2025, l'optimisation a été installée sur l'objet test à Lausen. Celle-ci contrôle le débit des 3 BHE. Après plusieurs mois d'optimisation active, leur fonctionnement a pu être démontré avec succès. En raison des caractéristiques limitantes de l'objet test de Lausen, une évaluation finale de l'efficacité de l'optimisation n'a pas encore été réalisée. Il a ainsi été constaté que le système BHE de l'objet test fonctionnait déjà à la limite de ses performances pendant la saison de chauffage, même sans optimisation. Néanmoins, la faisabilité d'une telle optimisation a été démontrée avec succès.

Perspectives
Fort des enseignements tirés de l'approche d'optimisation simplifiée de l'équipe suisse, le projet international RECOIN poursuit son approche basée sur des modèles. L'équipe allemande a mis en place un cadre de données et d'analyse basé sur Python. Des réseaux neuronaux sont utilisés pour générer des prévisions de température à court terme. En outre, le modèle semi-analytique BoreholeNetworkSimulator.jl de la KTH est utilisé pour les simulations à long terme. L'optimisation qui en résulte est démontrée sur les sites d'essai de Stockholm et de Francfort. L'avancement du projet international Geothermica RECOIN peut être consulté sur le site web du projet (https://recoin.geo.uni-halle.de/).