Erdwärmesonde

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Version vom 18. Dezember 2012, 14:14 Uhr

engl: ground source heat pump          Kategorie: Erneuerbare Energie

Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Geothermie.

Simulation

Für die Simulation von Erdwärmesonden wurden bisher vielfach Tabellenkalkulations-Programme verwendet. Damit wird im allgemeinen die Anordnung vereinfacht und als 2-dimensionale oder 1-dimensionale Aufgabenstellung abgebildet. FEM-Programme werden zunehmend verwendet, um solche Vereinfachungen zu vermeiden und genauere Ergebnisse zu erzielen.

Beispiel

Aufgabenstellung

Als Beispiel wird hier ein Eigenheim vorgestellt, das auf einem Grundstück (30 x 20 m) etwas seitlich errichtet wurde. An einer Position neben dem Haus wird von einer zentralen Position ausgehend eine Reihe von Bohrungen schräg in den Untergrund getrieben. Hier in diesem Beispiel werden 6 Bohrungen ausgeführt, die bis 40 m Tiefe schräg nahe an die Grundstücksgrenzen platziert werden. Diese Anordnung ist in der Abbildung rechts skizziert.

Das FEM-Modell wird über die Grundstücksgrenzen hinaus bis zu den Abmessungen 70 x 60 m und 70 m Tiefe ausgedehnt, um Randeinflüsse genauer zu erfassen. Dieser Bereich ist in der Abbildung rechts als blaues Rechteck skizziert.

Sonden U-Rohre Leitungsrohre Bohrung mit Füllstoff versiegelt

===Diskretisierung===

FEM-Aufgabenstellung zeichnet sich dadurch aus, dass die Diskretisierung den Untergrund unter dem Grundstück und einen angemessenen umgebenden Bereich erfassen und vernetzen muss. Für dieses Volumen ergeben sich selbst bei einen Kantenlänge von 1 m sehr viele Elemente (bis etwa 1 Mio), die entsprechend Rechenaufwand bei der Lösung fordern. Trotzdem ist diese Diskretisierung nicht ausreichend, um die Details des Sonden-Querschnitts zu berücksichtigen.

Eine praxisgerechte Vorgehensweise verwendet hier für die Rohrleitung in der Sonde ein 1-dimensionales Fluid-Element, das den Strömungskanal abbildet und damit für das Kühlmittel die Freiheitsgrade Druck und Temperatur gemittelt über den Querschnitt verfolgt.

Thermischer Widerstand zwischen dem Kühlmittel über die Rohrwandung und das Sondenfüllmaterial bis zum umgebenden Untergrund

Ergebnisse

Verteilung der Temperaturdifferenzen als räumliche Iso-Flächen-Darstellung (iso-surface)

Zeitpunkt nach 30 Tagen Wärmeentnahme-Betrieb

Besonderheiten

Als Ergebnis kann über der Zeit

• die Fluidmitteltemperatur,
• die Fluid-Spitzentemperatur,
• das monatliche Profil der Temperaturen

und andere Größen ausgewertet werden

Wärmeübergang vom Kühlmittel zur Wandung abhängig von der lokalen Temperatur laminar, turbulent

Fernfeldeinfluss

Grundwasserströmung

Anisotrope oder orthotrope Eigenschaften des Untergrundes

Jahreszeitliches Temperaturprofil des Untergrundes Monatliches Temperaturprofil

Geothermischer Wärmefluss (etwa 0,08 W/m²)

Lösung für 50 Jahre Auslegungs-Lebensdauer der Anlage

bei der Kühlmittel-Eintrittstemperatur die voraussichtliche Nutzung berücksichtigen: im Winter als Wärmequelle zur Heizung, im Sommer als Wärmesenke zur Kühlung

FEM-Modell kann Sonden von Tiefen bis 100 m oder mehr problemlos abbilden