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J. Nagler:
"Design Criteria for GCHP-Systems with Seasonal Storage (Anergienetze)";
Supervisor, Reviewer: K. Ponweiser, T. Bednar, A. Werner; Institut für Energietechnik und Thermodynamik, 2018.

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 5 C (winter) to 20 C
(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
summer months and as heat sinks during winter time. The impact of network size, population
density, building quality and network structure on the system design and performance is investigated
and an estimation about the economic feasibility is given. The results show that the
system setup, especially large and dense networks are competitive to other heat generation and
distribution technologies, also if elevated future electricity price increases are taken into consideration.
Beside the network size the population density was identified to have a great impact on
the system´s economic feasibility.

Die Herausforderungen die sich mit der Notwendigkeit der Umsetzung von CO2-
Emissionsreduktionsmaßnahmen ergeben betreffen unter anderem auch den Bereich der Gebäudeversorgung
mit thermischer Energie (Wärme- und Kälteenergie). In dieser Arbeit wird die
Möglichkeit der wärmepumpenbasierten Wärme- und 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 20 C. 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. Der Einfluss von Netzgröße, Bevölkerungsdichte, Gebäudequalität und Netzstruktur auf die
Systemauslegung und Betriebskennzahlen wird untersucht und eine Wirtschaftlichkeitsanalyse
durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das vorgestellte Konzept, vor allem große Netwerke in
der Lage sind mit konventionellen Wärmeerzeugungs- und -verteilungstechnologien zu konkurrieren.
Auch wenn höhere zukünftige Preissteigerungsraten für Elektrizität angenommen werden.
Neben der Netzgröße wurde auch die Bevölkerungsdichte als wichtiger Einflussfaktor auf die
Wirtschaftlichkeit des Konzeptes identifiziert.

Anergienetze, GCHP-Systems, CO2- Emissionsreduktionsmaßnahmen