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Das Wissen um die endliche Verfügbarkeit konventioneller, fossiler Rohstoffe führte zur intensivierten Auseinandersetzung mit alternativen, erneuerbaren Energiequellen. Im Zuge dieses als Energiewende bezeichneten Prozesses hat die thermische Nutzung des Untergrundes als Speicher, aber auch als Quelle von Wärme deutlich zugenommen. Diese Entwicklung verstärkte die Forschungsbestrebungen für die Beschreibung thermischer Parameter des Untergrundes sowie der Bauwerke, die zur Wärmegewinnung genutzt werden, über Temperaturverteilungen während Installation und Betrieb. Die zugehörigen Temperaturmessungen können dafür zeitgemäß, kostengünstig und unaufwendig mit Ramanspektrum basierter, verteilter Temperaturmessung auf Glasfaserkabeln (DTS) durchgeführt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde vom aktuellen, erkundungsbezogenen Stand der Technik aus, dem Thermal-Response-Test, untersucht, inwieweit eine Vergleichbarkeit zwischen unterschiedlichen Erdwärmesonden eines Sondenfeldes gegeben ist und diese Ergebnisse auch nicht etablierten, tiefenaufgelösten TRT gegenübergestellt. Aufgrund der Notwendigkeit der Verfügbarkeit von Erdwärmesonden zur TRT-Durchführung wurde sich entsprechend auch mit alternativen Erkundungsmöglichkeiten auseinandergesetzt. Dafür wurde sich mit der Temperaturcharakterisierung von flachem Untergrund sowie der Erdwärmesonde (EWS) beschäftigt. Temperaturmessungen während Aufheizen und Abkühlen des Untergrunds wurden mit DTS durchgeführt und alternativen Erkundungsverfahren, wie Direct-Push, gegenübergestellt. In Kombination mit den TRT-Temperaturverteilungen zeigte sich dabei, dass nicht nur geologische Schichten unterschieden werden können, sondern auch, dass der Ausbau der Erdwärmesonde einen erkennbaren Einfluss auf die Messungen hat. Aus diesem Grund wurden die Arbeiten mit Untersuchungen zur Nutzung der Hydrationswärme als Werkzeug des Qualitätsmanagements von EWS abgeschlossen. Dabei wurde auf numerische Wärmeleitungsmodellierung, Laborversuche und Feldversuche zurückgegriffen. Aus der Summe der Ergebnisse wurden unterschiedliche Erklärungsansätze abgeleitet, welche notwendig sind für die Abschätzung, inwieweit die gefundenen Beobachtungen zur Erkundung und zum Qualitätsmanagement von Erdwärmesonden beitragen können. Dabei zeigte sich, dass verteilte Temperaturmessungen im Allgemeinen gut dazu geeignet sind, das relative Wärmespeichervermögen des Untergrundes zu ermitteln sowie mögliche Fehlstellen in der Hinterfüllung einer EWS zu detektieren. Damit kann die Temperaturmessung innerhalb einer EWS dazu genutzt werden, künftige Nutzungsarten zu definieren und die EWS vom Einbau an auf ihre Qualität zu überprüfen. Die Ankopplung dieser Versuche an herkömmliche Verfahren wie den Thermal-Response-Test hat sich bewährt, aber auch gezeigt, dass die Ergebnisse, die in TRT ermittelt werden, stark von den Einbaubedingungen der EWS abhängen. Eine direkter Vergleich von unterschiedlichen TRT eines EWS-Feldes (quartäre Sedimente, Sand, Kies, Schluff) wirft dabei Fragen zur Übertragbarkeit von TRT-Ergebnissen auf Nachbarsonden auf, die nicht abschließend geklärt werden konnten. Alle Temperaturdaten aus den Experimenten können von den Archivservern des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) bezogen werden. Die Ordner-Struktur des Archivs ist in Appendix A dargestellt. Zusätzlich sind die Daten der angesprochenen Publikationen hinterlegt. Link: https://www.ufz.de/record/dmp/archive/6446/de/. Sollten Probleme beim Zugriff auftreten bitte ich darum sich direkt an das UFZ zu wenden. The knowledge about the limited availability of conventional, fossil energy resources directed the focus on alternative, renewable energy resources. In the course of this energy transition, there is an increased use of the shallow subsurface for thermal energy mining and storage. This increase in use led to deeper research in the field of characterisation of thermal properties of the (shallow) subsurface as well as investigations in related thermal energy mining systems like borehole ground heat exchanger (BHE). Hereby, temperature evolution during operation or exploration of the BHE with thermal response tests (TRT) were of special interest. Respective measurements can be done by Raman-spectre based distributed temperature sensing (DTS). In the presented work the actual standard tool for geothermal exploration, the TRT, is the basis for further investigation. Here, the comparability between TRTs of different BHE at the same test site is of special interest as well as the comparison to the not widely established enhanced (depth depending) TRT. As the TRT itself is in need of a BHE, approaches more easy to apply were also investigated. To achieve the mentioned points, temperature evolution was measured with the help of DTS within the subsurface as well as within BHE. This was done during heating and cooling phases and partially compared to alternative exploration data like various Direct-Push (DP) techniques. The analysis of the temperature distributions showed not only that different geological layers can be distinguished during exploration phase but also that the construction process and quality have a measurable impact on the results. This led to investigations of the usability of hydration heat for BHE quality management by field site temperature measurements as well as laboratory and numeric analysis. From the sum of the results multiple explanations were deduced which help to understand how the results of the exploration and the quality management approaches can help in determining the type of use of future BHE projects. Furthermore, it was shown that distributed temperature measurements are generally well suited for deduction of subsurface relative thermal storage potential as well as detection of possible failures within the grouting of a BHE. Temperature measurements in BHE can therefore be used to define the future thermal usage of the subsurface as well as help detecting failures of the BHE from installation onwards. Combining those approaches with conventional TRT was successful. However, it could be shown that the results of TRT strongly depend on BHE installation procedure. It is also shown that the direct comparison of different BHE from the same field site (quarternary sediments, sand gravel, tilt) shows varying results, leading to questions about the comparability of TRT of adjacent BHE which could not finally be resolved. The data of all experiments is stored at the science-server of the Helmholtz-Centre for Environmental Research (UFZ). The folder structure of the server can be found in appendix A. The data of the publications can be found there too. The data can be accessed as raw as well as processed data from the following link: https://www.ufz.de/record/dmp/archive/6446/de/. If you have trouble accessing the data, please directly contact someone at the UFZ to help you.

Das Wissen um die endliche Verfügbarkeit konventioneller, fossiler Rohstoffe führte zur intensivierten Auseinandersetzung mit alternativen, erneuerbaren Energiequellen. Im Zuge dieses als Energiewende bezeichneten Prozesses hat die thermische Nutzung des Untergrundes als Speicher, aber auch als Quelle von Wärme deutlich zugenommen. Diese Entwicklung verstärkte die Forschungsbestrebungen für die Beschreibung thermischer Parameter des Untergrundes sowie der Bauwerke, die zur Wärmegewinnung genutzt werden, über Temperaturverteilungen während Installation und Betrieb. Die zugehörigen Temperaturmessungen können dafür zeitgemäß, kostengünstig und unaufwendig mit Ramanspektrum basierter, verteilter Temperaturmessung auf Glasfaserkabeln (DTS) durchgeführt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde vom aktuellen, erkundungsbezogenen Stand der Technik aus, dem Thermal-Response-Test, untersucht, inwieweit eine Vergleichbarkeit zwischen unterschiedlichen Erdwärmesonden eines Sondenfeldes gegeben ist und diese Ergebnisse auch nicht etablierten, tiefenaufgelösten TRT gegenübergestellt. Aufgrund der Notwendigkeit der Verfügbarkeit von Erdwärmesonden zur TRT-Durchführung wurde sich entsprechend auch mit alternativen Erkundungsmöglichkeiten auseinandergesetzt. Dafür wurde sich mit der Temperaturcharakterisierung von flachem Untergrund sowie der Erdwärmesonde (EWS) beschäftigt. Temperaturmessungen während Aufheizen und Abkühlen des Untergrunds wurden mit DTS durchgeführt und alternativen Erkundungsverfahren, wie Direct-Push, gegenübergestellt. In Kombination mit den TRT-Temperaturverteilungen zeigte sich dabei, dass nicht nur geologische Schichten unterschieden werden können, sondern auch, dass der Ausbau der Erdwärmesonde einen erkennbaren Einfluss auf die Messungen hat. Aus diesem Grund wurden die Arbeiten mit Untersuchungen zur Nutzung der Hydrationswärme als Werkzeug des Qualitätsmanagements von EWS abgeschlossen. Dabei wurde auf numerische Wärmeleitungsmodellierung, Laborversuche und Feldversuche zurückgegriffen. Aus der Summe der Ergebnisse wurden unterschiedliche Erklärungsansätze abgeleitet, welche notwendig sind für die Abschätzung, inwieweit die gefundenen Beobachtungen zur Erkundung und zum Qualitätsmanagement von Erdwärmesonden beitragen können. Dabei zeigte sich, dass verteilte Temperaturmessungen im Allgemeinen gut dazu geeignet sind, das relative Wärmespeichervermögen des Untergrundes zu ermitteln sowie mögliche Fehlstellen in der Hinterfüllung einer EWS zu detektieren. Damit kann die Temperaturmessung innerhalb einer EWS dazu genutzt werden, künftige Nutzungsarten zu definieren und die EWS vom Einbau an auf ihre Qualität zu überprüfen. Die Ankopplung dieser Versuche an herkömmliche Verfahren wie den Thermal-Response-Test hat sich bewährt, aber auch gezeigt, dass die Ergebnisse, die in TRT ermittelt werden, stark von den Einbaubedingungen der EWS abhängen. Eine direkter Vergleich von unterschiedlichen TRT eines EWS-Feldes (quartäre Sedimente, Sand, Kies, Schluff) wirft dabei Fragen zur Übertragbarkeit von TRT-Ergebnissen auf Nachbarsonden auf, die nicht abschließend geklärt werden konnten. Alle Temperaturdaten aus den Experimenten können von den Archivservern des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) bezogen werden. Die Ordner-Struktur des Archivs ist in Appendix A dargestellt. Zusätzlich sind die Daten der angesprochenen Publikationen hinterlegt. Link: https://www.ufz.de/record/dmp/archive/6446/de/. Sollten Probleme beim Zugriff auftreten bitte ich darum sich direkt an das UFZ zu wenden. The knowledge about the limited availability of conventional, fossil energy resources directed the focus on alternative, renewable energy resources. In the course of this energy transition, there is an increased use of the shallow subsurface for thermal energy mining and storage. This increase in use led to deeper research in the field of characterisation of thermal properties of the (shallow) subsurface as well as investigations in related thermal energy mining systems like borehole ground heat exchanger (BHE). Hereby, temperature evolution during operation or exploration of the BHE with thermal response tests (TRT) were of special interest. Respective measurements can be done by Raman-spectre based distributed temperature sensing (DTS). In the presented work the actual standard tool for geothermal exploration, the TRT, is the basis for further investigation. Here, the comparability between TRTs of different BHE at the same test site is of special interest as well as the comparison to the not widely established enhanced (depth depending) TRT. As the TRT itself is in need of a BHE, approaches more easy to apply were also investigated. To achieve the mentioned points, temperature evolution was measured with the help of DTS within the subsurface as well as within BHE. This was done during heating and cooling phases and partially compared to alternative exploration data like various Direct-Push (DP) techniques. The analysis of the temperature distributions showed not only that different geological layers can be distinguished during exploration phase but also that the construction process and quality have a measurable impact on the results. This led to investigations of the usability of hydration heat for BHE quality management by field site temperature measurements as well as laboratory and numeric analysis. From the sum of the results multiple explanations were deduced which help to understand how the results of the exploration and the quality management approaches can help in determining the type of use of future BHE projects. Furthermore, it was shown that distributed temperature measurements are generally well suited for deduction of subsurface relative thermal storage potential as well as detection of possible failures within the grouting of a BHE. Temperature measurements in BHE can therefore be used to define the future thermal usage of the subsurface as well as help detecting failures of the BHE from installation onwards. Combining those approaches with conventional TRT was successful. However, it could be shown that the results of TRT strongly depend on BHE installation procedure. It is also shown that the direct comparison of different BHE from the same field site (quarternary sediments, sand gravel, tilt) shows varying results, leading to questions about the comparability of TRT of adjacent BHE which could not finally be resolved. The data of all experiments is stored at the science-server of the Helmholtz-Centre for Environmental Research (UFZ). The folder structure of the server can be found in appendix A. The data of the publications can be found there too. The data can be accessed as raw as well as processed data from the following link: https://www.ufz.de/record/dmp/archive/6446/de/. If you have trouble accessing the data, please directly contact someone at the UFZ to help you.

In dieser Arbeit werden Berechnungen zur klimatischen Sensitivität der Eiskappe von Devon Island (Nunavut, Kanada) durchgeführt, die auf einem mit Wärmesummen arbeitenden Massenbilanzmodell basieren. Wichtigste Datenbasis für die Modellrechnungen sind dabei höhenabhängige Massenbilanzreihen der Devon-Eiskappe sowie tägliche Klimadaten der WMO-Station Resolute Bay. Durch die Bestimmung geeigneter Modellparameter (Temperaturgradienten, Wärmesummenkoeffizienten) ist es möglich, das mittlere Massenbilanzprofil gut zu simulieren. Das auf diese Weise kalibrierte Modell kann dann – als einfache Alternative zu Energiebilanzmodellen – zur Berechnung der Sensitivität der Massenbilanz auf Veränderungen von Temperatur und Niederschlag genutzt werden. Anwendungen des Modells verdeutlichen, dass die Massenbilanz der Devon-Eiskappe stark abhängig von der Entwicklung der Sommertemperaturen und die klimatische Sensitivität im Vergleich mit anderen Eismassen aus feuchteren Klimaten sehr klein ist. Die Einbeziehung der saisonalen Abhängigkeit der Massenbilanz kann schließlich helfen, eine mit Schwierigkeiten verbundene Rekonstruktion der jährlichen Massenbilanz zu verbessern. In this study, a degree-day approach is used to carry out model simulations to determine the climatic sensitivity of the mass balance of the Devon Island ice cap (Nunavut, Canada). The most important data the model is fed by are a 38 yr long series of specific mass balance data and daily air temperature data from the WMO station Resolute Bay. By determining suitable model parameters (temperature lapse rates, degree-day coefficients) it is possible to simulate the mean mass balance profile convincingly. As a simple alternative to energy balance models, the calibrated degree-day model can then be used to determine the sensitivity of the mass balance to changes in temperature and precipitation. Results show that the mass balance of the Devon Ice Cap is strongly dependent on the summer temperatures and that the overall climatic sensitivity is small compared to those of other ice masses in more humid regions. The reconstruction of the mass balance series is attended with difficulties, but can be improved by including the mass balance''s seasonal sensitivity.

In dieser Arbeit werden Berechnungen zur klimatischen Sensitivität der Eiskappe von Devon Island (Nunavut, Kanada) durchgeführt, die auf einem mit Wärmesummen arbeitenden Massenbilanzmodell basieren. Wichtigste Datenbasis für die Modellrechnungen sind dabei höhenabhängige Massenbilanzreihen der Devon-Eiskappe sowie tägliche Klimadaten der WMO-Station Resolute Bay. Durch die Bestimmung geeigneter Modellparameter (Temperaturgradienten, Wärmesummenkoeffizienten) ist es möglich, das mittlere Massenbilanzprofil gut zu simulieren. Das auf diese Weise kalibrierte Modell kann dann – als einfache Alternative zu Energiebilanzmodellen – zur Berechnung der Sensitivität der Massenbilanz auf Veränderungen von Temperatur und Niederschlag genutzt werden. Anwendungen des Modells verdeutlichen, dass die Massenbilanz der Devon-Eiskappe stark abhängig von der Entwicklung der Sommertemperaturen und die klimatische Sensitivität im Vergleich mit anderen Eismassen aus feuchteren Klimaten sehr klein ist. Die Einbeziehung der saisonalen Abhängigkeit der Massenbilanz kann schließlich helfen, eine mit Schwierigkeiten verbundene Rekonstruktion der jährlichen Massenbilanz zu verbessern. In this study, a degree-day approach is used to carry out model simulations to determine the climatic sensitivity of the mass balance of the Devon Island ice cap (Nunavut, Canada). The most important data the model is fed by are a 38 yr long series of specific mass balance data and daily air temperature data from the WMO station Resolute Bay. By determining suitable model parameters (temperature lapse rates, degree-day coefficients) it is possible to simulate the mean mass balance profile convincingly. As a simple alternative to energy balance models, the calibrated degree-day model can then be used to determine the sensitivity of the mass balance to changes in temperature and precipitation. Results show that the mass balance of the Devon Ice Cap is strongly dependent on the summer temperatures and that the overall climatic sensitivity is small compared to those of other ice masses in more humid regions. The reconstruction of the mass balance series is attended with difficulties, but can be improved by including the mass balance''s seasonal sensitivity.

In future, heat pumps and shallow geothermal energy will play a central role in the decarbonization of the building and energy sector. The potentials of shallow geothermal energy have not been exploited so far, in particular due to the high complexity of planning and approval processes. In addition, the various stakeholders involved in the planning process create interfaces, which can lead to transfer gaps and barriers for an optimized system design. In order to raise the potentials and optimize the system design, a holistic planning process and the combination of different planning tools are necessary, which enable, among other things, geothermal site evaluations, the representation of the mutual thermal influence of geothermal borehole heat exchangers and their effects on neighboring properties, as well as the evaluation of geothermal systems under consideration of economic and ecological decision parameters. In this context, a simulation-based multi-level planning methodology is presented, which enables the holistic planning of geothermal heat pump systems with borehole heat exchangers on the scales of single buildings up to district level in the early planning phases. By integrating calculation tools for mapping the upper ground and subsurface into a closed simulation chain, existing transfer gaps between different trades can be closed. Using a prototypically implemented system configurator, geothermal heat pump systems can be designed in detail, compared with conventional systems, and evaluated on the basis of technical, energetic, economic, and ecological criteria. The combination of configuration, immediate result plotting and automatically triggered simulations running in the background enables an iterative and practical design process. In this context, a heat pump system model is presented which is adapted to the functionalities of the system configurator and specialized for the early planning process. This model includes thermal storage balances and control algorithms, is applicable on city district level and can be coupled bidirectionally to subsurface models. The tool chain's connection to an existing web- and GIS-based geoportal including databases enables a central data aggregation and geothermal site evaluations. This can provide tool-based support for the application and approval process of shallow geothermal systems and holistic planning approaches such as municipal heat planning. Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023; Aachen : RWTH Aachen University 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme (2023). = Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023 Published by RWTH Aachen University, Aachen

In future, heat pumps and shallow geothermal energy will play a central role in the decarbonization of the building and energy sector. The potentials of shallow geothermal energy have not been exploited so far, in particular due to the high complexity of planning and approval processes. In addition, the various stakeholders involved in the planning process create interfaces, which can lead to transfer gaps and barriers for an optimized system design. In order to raise the potentials and optimize the system design, a holistic planning process and the combination of different planning tools are necessary, which enable, among other things, geothermal site evaluations, the representation of the mutual thermal influence of geothermal borehole heat exchangers and their effects on neighboring properties, as well as the evaluation of geothermal systems under consideration of economic and ecological decision parameters. In this context, a simulation-based multi-level planning methodology is presented, which enables the holistic planning of geothermal heat pump systems with borehole heat exchangers on the scales of single buildings up to district level in the early planning phases. By integrating calculation tools for mapping the upper ground and subsurface into a closed simulation chain, existing transfer gaps between different trades can be closed. Using a prototypically implemented system configurator, geothermal heat pump systems can be designed in detail, compared with conventional systems, and evaluated on the basis of technical, energetic, economic, and ecological criteria. The combination of configuration, immediate result plotting and automatically triggered simulations running in the background enables an iterative and practical design process. In this context, a heat pump system model is presented which is adapted to the functionalities of the system configurator and specialized for the early planning process. This model includes thermal storage balances and control algorithms, is applicable on city district level and can be coupled bidirectionally to subsurface models. The tool chain's connection to an existing web- and GIS-based geoportal including databases enables a central data aggregation and geothermal site evaluations. This can provide tool-based support for the application and approval process of shallow geothermal systems and holistic planning approaches such as municipal heat planning. Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023; Aachen : RWTH Aachen University 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme (2023). = Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023 Published by RWTH Aachen University, Aachen

The replacement of internal combustion engines by electric motors has been identified as a way to achieve widely-accepted international climate protection goals. Especially in the material handling sector, vehicles with electric drives have gained increasing market acceptance over the past decades. However, the electrification of counterbalanced forklift trucks with high tonnages requires batteries with extended energy capacity. Higher energy capacity usually correlates with higher volume-to-surface ratios resulting in decreased heat dissipation and, therefore, increased average operating temperatures of the commonly used lead acid batteries. As a consequence, battery lifetime is greatly reduced. Without design changes, one possibility for avoiding high operating temperatures is an adapted battery management strategy. This thesis reports on results obtained with flooded lead acid batteries, demonstrating that, with management strategies which include operation in a partial state of charge, energy efficiencies can be increased from about 0.7 to about 0.85 with minimal impact on lifetime.

The replacement of internal combustion engines by electric motors has been identified as a way to achieve widely-accepted international climate protection goals. Especially in the material handling sector, vehicles with electric drives have gained increasing market acceptance over the past decades. However, the electrification of counterbalanced forklift trucks with high tonnages requires batteries with extended energy capacity. Higher energy capacity usually correlates with higher volume-to-surface ratios resulting in decreased heat dissipation and, therefore, increased average operating temperatures of the commonly used lead acid batteries. As a consequence, battery lifetime is greatly reduced. Without design changes, one possibility for avoiding high operating temperatures is an adapted battery management strategy. This thesis reports on results obtained with flooded lead acid batteries, demonstrating that, with management strategies which include operation in a partial state of charge, energy efficiencies can be increased from about 0.7 to about 0.85 with minimal impact on lifetime.

This paper argues that the sustainability paradigm is currently used to transform industrial port cities into creative sustainable cities (Müller, 2013). Based on empirical data from the city of Dublin, I show that the sustainability paradigm is combined with the creative city paradigm to revitalize inner-city quarters. This urban planning strategy includes a focus on the creative class (Florida, 2004) and aims at integrating the old in the new, both in architectural and social terms. With this, it tries to be an integrative urban revitalization strategy. In the course of the 20th century, the Irish society developed from an industrial to a postindustrial, knowledge-based society (Bell, 1973; Drucker, 1993). New occupations emerged, making new forms of working spaces and modes of transport necessary, and a growing population now asks for a new kind of living spaces. Additionally, inner-city quarters have become increasingly popular with people working in knowledge-intensive industries. Consequently, city planners have initiated a revitalization process in these quarters, and they used two urban planning paradigms â creative cities (Florida, 2005) and sustainability â as guidelines for urban regeneration. This strategy aims to transform the whole city, but the single districts have to be the object of investigation when empirically approaching the changes of the built environment. Here we see that a threefold understanding of sustainability is used to integrate the demands of the new social groups in those of existing communities. Thus, the approaches used in the districts differ: (1) In The Liberties, home of a new-build technology cluster, the focus is on an economically sustainable development. (2) In Temple Bar, Dublin's cultural quarter, the emphasis is on a socially sustainable approach. (3) In the Docklands, the area of the old inner-city harbor, an attempt is made to combine all three dimensions of sustainability by creating new buildings (ecological sustainability) for both 'old' and 'new'1 inhabitants (social sustainability) and work space for growing industries like the knowledge-intensive industries (economic sustainability). The urban revitalization strategies have one thing in common: The inner-city districts dispose of a number of protected buildings which have to be integrated in the re-structuring of the quarters. Therefore, these buildings are renovated and combined with new buildings to form an architectural and spatial image of Dublin as a city with a future that is rooted in the city's industrial past. In this sense, the urban regeneration approach even has a notion of architectural and historical sustainability. San Francisco