PeaknCool4District – Erdgekoppelte Wärmepumpen zur Spitzendeckung in Wärmenetzen: Potenziale und Herausforderungen

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502865

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Dekarbonisierung des Gebäudeparks erfordert eine signifikante Steigerung des Anteils von Fernwärme, insbesondere in städtischen Gebieten. Grosse Herausforderungen für den rasanten Ausbau der Fernwärme sind die Deckung von Lastspitzen mit erneuerbaren Energien und das steigende Bedürfnis nach Klimakälte. Das Projekt zielt darauf ab, das Potenzial dezentraler, erdgekoppelter Wärmepumpen mit Erdsonden oder Grundwasser als Quelle zur Bewältigung dieser Herausforderungen zu untersuchen. Dabei werden verschiedene Aspekte wie die Dimensionierung und Integration der Wärmepumpen sowie die Auslegung der Quellen und die Einflüsse auf den Untergrund untersucht. Die Untersuchung erfolgt anhand konkreter Fallbeispiele, um praxisrelevante Erkenntnisse für die zukünftige Entwicklung von thermischen Netzen zu liefern.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Decarbonization of the building stock requires a significant increase in the share of district heating, especially in urban areas. Major challenges for the rapid expansion of district heating are the coverage of peak loads with renewable energies and the increasing demand for cooling. The project aims to investigate the potential of decentralized, ground-coupled heat pumps using geothermal probes or groundwater as a source to overcome these challenges. Various aspects such as the dimensioning and integration of the heat pumps, the design of the sources and the influences on the subsurface will be investigated. The investigation is based on specific case studies in order to provide practical insights for the future development of thermal networks.

Kurzbeschreibung (Französisch)

La décarbonisation du parc immobilier nécessite une augmentation significative de la part du chauffage urbain, en particulier dans les zones urbaines. Les grands défis pour le développement rapide du chauffage urbain sont la couverture des pics de charge par des énergies renouvelables et le besoin croissant de froid climatique. Le projet vise à étudier le potentiel des pompes à chaleur décentralisées, couplées au sol et utilisant des sondes géothermiques ou des eaux souterraines comme source pour relever ces défis. Différents aspects seront étudiés, tels que le dimensionnement et l'intégration des pompes à chaleur ainsi que la conception des sources et les influences sur le sous-sol. L'étude s'appuie sur des cas concrets afin de fournir des connaissances pratiques pertinentes pour le développement futur des réseaux thermiques.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Die Dekarbonisierung des Gebäudeparks erfordert eine signifikante Steigerung des Anteils von Fernwärme, in städtischen Gebieten. Grosse Herausforderungen für den rasanten Ausbau der Fernwärme sind die Deckung von Lastspitzen mit erneuerbaren Energien und das steigende Bedürfnis    nach Klimakälte. Das Projekt zielt darauf ab, das Potenzial dezentraler, erdgekoppelter Wärmepumpen mit Erdsonden oder Grundwasser als Quelle zur Bewältigung dieser Herausforderungen zu untersuchen. Dabei werden verschiedene Aspekte wie die Dimensionierung und Integration der Wärmepumpen sowie die Auslegung der Quellen und die Einflüsse auf den Untergrund untersucht. Die Untersuchung erfolgt anhand konkreter Fallstudien, um praxisrelevante Erkenntnisse für die zukünftige Entwicklung von thermischen Netzen zu liefern. Die Fallstudie Thusis untersucht Integration von Erdwärmesonden für die Bereitstellung von Wärmelastspitzen und Kälte für ein Spital, welches an einen bestehenden Wärmeverbund angeschlossen ist. Die Analyse des Energiebedarfs zeigt, dass der Kältebedarf aufgrund der alpinen Lage sehr begrenzt ist, jedoch trotzdem in der Grössenordnung des Spitzenlastbedarfs für 50% der Heizleistung liegt und damit die Erdreichtemperaturen in den ersten Simulationen über die Jahre nicht absinken. In der Fallstudie Wallisellen wird das «PeakNCool»-Konzept auf ein neues Wärmenetz angewendet, das sich derzeit in der Planungsphase befindet. Erste Simulationen zeigen, dass der Beitrag des Spitzenkessels von 8 % auf 1 % reduziert werden kann, wenn dezentrale EWS-Wärmepumpen zur Deckung des Kühlbedarfs ins Netz integriert und entsprechend betrieben werden. Im Projektverlauf hat sich zudem gezeigt, dass sich bereits mehrere grössere Sondenfelder im Netzperimeter befinden, die gegebenenfalls in das Konzept des neuen Netzes integriert werden können. In der Fallstudie Zürich wird untersucht, inwiefern das Grundwasser zur saisonalen Wärmespeicherung genutzt werden kann durch die Nutzung von versetzten Entnahme- und Rückgabebrunnen. Erste Simulationen zeigen, dass sich durch die Platzierung des Entnahme- und Rückgabebrunnens der Einfluss auf die Grundwassertemperatur stark reduzieren lässt.

Zugehörige Dokumente

• Zwischenbericht_deutsch [PDF] 9'634 kB

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

The decarbonization of the building stock requires a significant increase in the share of district heating, particularly in urban areas. Major challenges for the rapid expansion of district heating include covering peak loads with renewable energy and the growing demand for cooling. The project aims to investigate the potential of decentralized, ground-coupled heat pumps with borehole heat exchangers or groundwater as a source to address these challenges. Various aspects are examined, such as the sizing and integration of the heat pumps, the design of the sources, and the impacts on the subsurface. The investigation is based on concrete case studies to provide practice-relevant insights for the future development of thermal networks. The Thusis case study examines the integration of geothermal boreholes to provide peak heating loads and cooling for a hospital connected to an existing district heating network. The analysis of the energydemand shows that, due to the alpine location, the cooling demand is very limited but still amounts to the peak heating demand at around 50% of the heating capacity. As a result, in the first simulations, ground temperatures do not decrease over the years. The Wallisellen case study applies the “PeakNCool” concept to a new heating network currently in the planning phase. Initial simulations show that the contribution of the peak boiler can be reduced from 8% to 1% if decentralized borehole heat exchanger (BHE) heat pumps are integrated into the network to cover the cooling demand and operated accordingly. During the course of the project, it also became apparent that several larger borehole fields are already located within the network perimeter, which could potentially be integrated into the concept of the new network. The Zurich case study investigates the extent to which groundwater can be used for seasonal heat storage through the use of offset extraction and reinjection wells. Initial simulations indicate that by adjusting the placement of these wells, the impact on groundwater temperature can be significantly reduced.

Publikationen / Ergebnisse (Französisch)

La décarbonisation du parc immobilier nécessite une augmentation significative de la part du chauffage à distance, en particulier dans les zones urbaines. Les principaux défis liés à l’expansion rapide du chauffage à distance concernent la couverture des charges de pointe avec des énergies renouvelables ainsi que la demande croissante en froid. Le projet vise à étudier le potentiel des pompes à chaleur décentralisées, couplées au sol avec des sondes géothermiques ou de l’eau souterraine comme source, afin de relever ces défis. Différents aspects sont examinés, tels que le dimensionnement et l’intégration des pompes à chaleur, la conception des sources ainsi que les impacts sur le sous-sol. L’analyse est réalisée sur la base d’études de cas concrètes, afin de fournir des connaissances pertinentes pour le développement futur des réseaux thermiques. L’étude de cas de Thusis analyse l’intégration de sondes géothermiques pour l’approvisionnement en chaleur de pointe et en froid d’un hôpital raccordé à un réseau de chauffage existant. L’analyse des besoins énergétiques montre qu’en raison de la situation alpine, la demande en froid est très limitée, mais qu’elle correspond tout de même à environ 50 % de la puissance de chauffage de pointe. Ainsi, dans les premières simulations, les températures du sol ne diminuent pas au fil des années. L’étude de cas de Wallisellen applique le concept « PeakNCool » à un nouveau réseau de chauffage actuellement en phase de planification. Les premières simulations montrent que la contribution de la chaudière de pointe peut être réduite de 8 % à 1 % si des pompes à chaleur décentralisées avec sondes géothermiques sont intégrées au réseau pour couvrir la demande en froid et exploitées en conséquence. Au cours du projet, il est également apparu que plusieurs grands champs de sondes se trouvent déjà dans le périmètre du réseau et pourraient éventuellement être intégrés au concept du nouveau réseau. L’étude de cas de Zurich examine dans quelle mesure l’eau souterraine peut être utilisée pour le stockage saisonnier de chaleur grâce à l’utilisation de puits d’extraction et de réinjection décalés. Les premières simulations indiquent que le positionnement de ces puits permet de réduire fortement l’impact  sur la température de la nappe phréatique.