wie gewohnt präsentieren wir Ihnen in der 68. Ausgabe unseres heatbeat Research Newsletters einen aktuellen Übersichtsartikel. Er untersucht, wie die thermische Interaktion zwischen erdverlegten Rohren und dem umgebenden Boden in Simulationsmodellen von Niedertemperatur-Wärmenetzen (Thermal Source Networks, TSNs) abgebildet wird – und zeigt, weshalb diese scheinbar nebensächliche Modellierungsentscheidung zentrale Ergebnisse um mehr als 40% verändern kann. Außerdem möchten wir Ihnen in diesem Newsletter einen kurzen Überblick über die wichtigsten Entwicklungen und Neuigkeiten rund um heatbeat und unseren Digital Twin geben.
Im Mai durften wir eine besondere Initiative unterstützen: Seit diesem Sommersemester bietet die TH Nürnberg unter Mitwirkung des AGFW den neuen Masterstudiengang "Wärmenetzsysteme" an. Im Kurs "Einführung in die Fernwärme und Einführung in die Simulation thermischer Energiesysteme" dürfen wir von heatbeat dabei den Teil zur Simulation thermischer Energiesysteme betreuen. Dazu stellen wir den Studierenden einen freien Zugang zu unserem heatbeat Digital Twin bereit und zeigen, wie das Design-Modul zur Simulation von komplexen Energiesystemen verwendet werden kann. Wir freuen uns, damit einen Beitrag zu diesem wichtigen Bildungsangebot am Standort Nürnberg leisten zu können.
Aus der Entwicklung können wir für den Digital Twin aus dem Mai die folgenden Highlights hervorheben:
Um Wärmenetzbetreiber rund um den Rollout und die Nutzung fernauslesbarer Zähler noch besser zu unterstützen, können Messlokationen und Zähler nun noch besser interaktiv im Digital Twin verwaltet werden
Die Arbeit mit Gebäudedaten über mehrere Varianten hinweg wurde nochmal deutlich verbessert. Im Gebäudedashboard kann nun klar gesteuert werden, ob Änderungen gezielt auf die aktive Netzvariante angewendet werden sollen, oder für alle Varianten als Basisdaten bereitstehen sollen
Und auch die Auswahl und Bearbeitung von Trassenabschnitten konnten wir so verbessern, dass nun Anpassungen noch einfacher möglich sind
Darüber hinaus stellen wir seit Mai unseren Insights-Kunden, die eine Live-Daten-Anbindung an den Digital Twin haben, einen rundum verbesserten und erweiterten Messdatenbericht zur Verfügung. Immer zum Wochenanfang bekommen Betreiber damit einen Rückblick auf den Betrieb der letzten Woche. Damit lassen sich aus den erfassten Messdaten noch mehr Erkenntnisse ableiten.
Außerdem waren wir im Mai sowohl auf der Polis Convention in Düsseldorf, bei den Berliner Energietagen, als auch auf dem 1. Dialogforum Wärme in Mannheim vertreten. Dort konnten wir in vielen guten Gesprächen sowohl neue Impulse für die Weiterentwicklung unseres Digital Twins als auch wertvolle Kontakte mitnehmen und danken in beiden Fällen für die hervorragende Organisation und allen Teilnehmenden.
Während Städte zu effizienteren und nachhaltigeren Energiesystemen übergehen, gewinnt eine neue Klasse von Netzen an Bedeutung: Niedertemperatur Wärmenetze (NT-WN), auch als Fernwärme- und -kältenetze der 5. Generation (5GDHC) oder Anergienetze bezeichnet. Anders als konventionelle Fernwärme arbeiten NT-WN auf sehr niedrigem Temperaturniveau – typischerweise zwischen 5 und 40 °C – und setzen auf dezentrale Wärmepumpen sowie häufig ungedämmte Verteilleitungen. Dadurch können sie gleichzeitig Wärme und Kälte bereitstellen und Niedertemperaturquellen wie Geothermie, Oberflächenwässer oder Abwärme einbinden. Zugleich wird damit ein Faktor entscheidend, der oft als Nebeneffekt behandelt wird: der thermische Austausch zwischen den Rohren und dem umgebenden Boden.
Genau hier setzt die Übersichtsarbeit von Müller et al. an. Auf Basis einer strukturierten Datenbankrecherche, identifizieren und klassifizieren die Autoren 56 Simulationsstudien danach, wie sie den Boden abbilden. Das Bild ist eindeutig: Der Großteil der Studien (43) stützt sich auf vereinfachte Annahmen, während nur wenige transiente Bodenmodelle (8) oder detaillierte 2D/3D- und Multiphysik-Modelle (5) verwenden. Um diese Ansätze vergleichbar zu machen, entwickeln die Autoren ein Klassifikationsschema mit sechs Kategorien – von Kategorie 0 (gar keine Rohr–Boden-Interaktion) über Modelle mit fester Bodentemperatur (Kategorie 1a/1b) und transiente 1D-radiale Bodenmodelle (Kategorie 2) bis hin zu hochauflösenden 2D/3D-Multiphysik-Simulationen (Kategorien 3 und 4).
Das zentrale Ergebnis ist eine klare Unterscheidung zwischen gedämmten und ungedämmten Netzen. Gedämmte Niedertemperaturnetze, wie sie für die 4. Generation typisch sind, zielen darauf ab, die Bodeninteraktion zu minimieren, und lassen sich daher mit vereinfachten Modellen ausreichend genau abbilden. Ungedämmte Netze, charakteristisch für 5GDHC, verhalten sich grundlegend anders: Sie nutzen den Boden aktiv als Wärmequelle, -senke oder -speicher. In diesen Netzen verhalten sich die erdverlegten Rohre ähnlich wie Erdwärmeübertrager und zeigen einen dynamischen, transienten Wärmeaustausch, den vereinfachte Modelle schlicht nicht erfassen können. Die Autoren betonen, dass es irreführend ist, beide Netztypen nur als „Niedertemperatur“ zu bezeichnen, da sich Betrieb und Modellierungsbedarf grundlegend unterscheiden.
Um die Folgen der Modellwahl zu quantifizieren, führten die Autoren kontrollierte Vergleichssimulationen über alle Kategorien hinweg unter identischen Randbedingungen durch. Die Ergebnisse sind bemerkenswert. In einer einjährigen saisonalen Simulation sagten die Modelle mit statischem Boden (Kategorien 1a und 1b) jährliche Wärmeverluste von rund 2.000 MWh voraus, während das transiente 1D-Bodenmodell (Kategorie 2) nur 1.170 MWh ergab – eine Reduktion von mehr als 40%. Der Grund ist physikalisch: Da sich der Boden in Rohrnähe während des Betriebs erwärmt, nimmt der lokale Temperaturgradient und damit die Verlustrate ab – ein Effekt, den statische Modelle nicht abbilden können. Bemerkenswert ist, dass die Berücksichtigung der Wärmekapazität der Rohrwand (Kategorie 1b) die jährliche Energiebilanz kaum beeinflusste – entscheidend ist also die Behandlung des Bodens, nicht der Rohrwand.
Ebenso wichtig ist eine wiederkehrende Inkonsistenz in der derzeitigen Praxis, die die Übersicht aufdeckt. Wenn NT-WN geothermische Quellen wie Sonden- oder Erdwärmeübertrager einbinden, werden diese Quellen meist sehr detailliert modelliert – während die angeschlossenen Verteilleitungen, obwohl sie ein sehr ähnliches bodengekoppeltes Verhalten zeigen, vereinfacht oder als passive Transportelemente behandelt werden. Bei ungedämmten Rohren ist dies eine verpasste Chance, da sich dieselben fortgeschrittenen Bodenmodelle, die bereits für geothermische Komponenten verwendet werden, ohne Weiteres auf das Verteilnetz übertragen ließen und so Konsistenz und Genauigkeit verbessern würden. Einige fortgeschrittene Studien berichten sogar, dass bis zu 50% der gelieferten thermischen Energie aus Bodengewinnen entlang eines ungedämmten Netzes stammen können.
Auf Basis der ausgewerteten Studien und ihres Vergleichs leiten die Autoren eine praxisnahe Empfehlung zur Modellwahl ab: Vereinfachte Modelle (Kategorien 0, 1a, 1b) eignen sich für gedämmte Netze und die Planung auf erster Ebene, während ungedämmte Netze – insbesondere bei Betriebstemperaturen unterhalb von etwa 20 °C – mindestens ein transientes Bodenmodell (Kategorie 2 oder höher) für eine verlässliche Analyse erfordern. Kategorie 2 bietet für die meisten Optimierungs- und Regelungsaufgaben ein gutes Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Rechenaufwand; fortgeschrittenere 2D-, 3D- oder Multiphysik-Modelle werden relevant, wenn asymmetrische Bodenschichtung, geringe Rohrabstände oder Prozesse wie Feuchtetransport, Grundwasserströmung und Gefrieren eine entscheidende Rolle spielen. Durchgängig betonen die Autoren eine transparente Dokumentation von Randbedingungen, Diskretisierung und Zeitschritten sowie den Einsatz von Sensitivitätsanalysen, sobald vereinfachte Bodenannahmen Entscheidungen beeinflussen.
Schließlich benennt die Übersicht eine klare Forschungslücke: Die direkte, feldbasierte Validierung des Rohr–Boden-Wärmeaustauschs bleibt selten, da sich die meisten Validierungsbemühungen auf Übergabestationen oder den Gesamtenergiebedarf konzentrieren statt auf die erdverlegten Rohre selbst. Es braucht öffentlich zugängliche Langzeitdatensätze unter realistischen, bodengekoppelten Bedingungen, um Unsicherheiten zu verringern und eine robustere Systemoptimierung zu ermöglichen. Insgesamt macht die Arbeit überzeugend deutlich, dass die transiente Bodenmodellierung als Basis für eine glaubwürdige Simulation ungedämmter NT-WN gelten sollte – diese Netze sind keine reinen Transportleitungen mehr, sondern mehrdimensionale thermische Komponenten, deren Potenzial sich nur mit Modellen erschließt, die ihr dynamisches Verhalten erfassen.
Wie immer empfehlen wir Ihnen, den vollständigen Artikel zu lesen. Die Behandlung der Rohr–Boden-Interaktion ist für die Planung und den Betrieb von Niedertemperatur- und 5.-Generations-Netzen äußerst relevant, da Wärmeverluste – und -gewinne – stark von den lokalen Bodenbedingungen abhängen. In unserem heatbeat Digital Twin berücksichtigen wir das thermische Verhalten des Netzes und seiner Umgebung und ermöglichen so realistische Bewertungen von Verlusten, Gewinnen und Betriebsverhalten. Gemeinsam mit unserem Ingenieursteam können wir Sie jederzeit dabei unterstützen, thermische Quellnetze und Fernwärmenetze zu planen, zu simulieren und zu optimieren.
Die nächste Ausgabe unseres Newsletters erscheint am 1. Juli 2026.
Ihr heatbeat-Team
