TGA Energietechnik

TGA Ausgabe 10-2016
geoSIM

Simulation von koaxialen Erdwärmespeichersonden

Kompakt informieren

Koaxiale Erdwärmespeichersonden haben gegenüber U-Rohr-Sondensystemen mehrere Vorteile, u. a. Voraussetzungen für eine höhere Jahresarbeitszahl und geringere Investitionskosten.

Koaxiale Erdwärmespeichersonden verhalten sich nicht wie die bisher überwiegend verwendeten U-Rohr-Sondensysteme und erfordern deshalb für die Planung und Auslegung eine differenzierte Modellierung.

Dazu liegt jetzt mit geoSIM erstmalig ein Simulationswerkzeug vor.

Jede Planung von Erdwärmesondenfeldern beginnt mit einer Simulation des Solen-Temperaturverlaufs, um eine optimale Auslegung zu gewährleisten. Das besondere Leistungsvermögen der neuen koaxialen Erdwärmespeichersonden Abb. 1 konnte jedoch bisher mit den auf dem Markt verfügbaren Simulationswerkzeugen nur ungenügend abgebildet werden.

Mit geoSim steht Planern, Geologen, Architekten, Bohrunternehmen und Spezialisten aus dem Heizungs- und Kälteanlagenbau nun ein Simulationswerkzeug zur Verfügung, das eine zügige, variantenreiche Planung von Erdwärmeanlagen von wenigen kW Entzugsleistung bis zu komplexen Großanlagen ermöglicht.

Die Abhängigkeiten zwischen Heiz- und Kühlleistungen, Spitzen- und Grundlasten, Untergrundbeschaffenheit, Fluid- und Verfüllungsvorgaben sowie der Sondenlänge und -anordnung können in geoSIM beliebig variiert werden. Das Modell besitzt ca. 80 physikalische Parameter, die vom Anwender innerhalb festgelegter Grenzen gewählt werden können. Hilfsfunktionen machen dabei sinnvolle Vorschläge.

Zudem ermöglicht geoSIM die Einbindung von Ergebnissen aus Thermal Response Tests sowie wahlweise die Eingabe individueller Bohrlochwiderstände und bietet damit maximale planerische Freiheit.

Interdisziplinäre Entwicklung

Das in Zusammenarbeit von geoKOAX, ROM Technik, Silpion IT-Solutions und XRG Simulation GmbH entwickelte Programm erfordert als Web-Anwendung lediglich einen Internetzugang und einen Internetbrowser und ist damit auch auf Smartphones und Tablet-PCs nutzbar. Die Ergebnisse der Berechnung werden in einem ausführlichen Bericht grafisch und tabellarisch per E-Mail zur Verfügung gestellt.

Der Grundstein für die Modellierung wurde durch Forschungen an der TU Hamburg-Harburg, Institut für Technische Thermodynamik, gelegt, die wiederum in ihren Grundannahmen und Ergebnissen mit Messdaten aus diversen Anlagen validiert und weiterentwickelt wurde.

Bevorratung des Wärmeträgers

Erdwärmespeichersonden zeichnen sich durch ein gegenüber konventionellen U-Rohr-Sondensystemen höheres Flüssigkeitsvolumen aus. In der patentierten koaxialen Bauweise der geoKOAX-Erdwärmeübertrager besteht die Sonde aus zwei konzentrisch angeordneten Volumen. Dieser Speicher ermöglicht eine Vorwärmung und Bevorratung von Wärmeträgerflüssigkeit, wenn die zu versorgenden Wärmepumpen und / oder Kältemaschinen inaktiv sind.

Dies gilt insbesondere auch für den intermittierenden An-Aus-Betrieb in Teillast. Weiterhin können im größeren Volumen spezielle Turbulenzgeneratoren integriert werden, die den Wärmeübergang bei vorhandener Durchströmung verbessern, ohne den Druckabfall nennenswert zu erhöhen. In der Summe ergeben sich durch die Optimierung des Wärmeübergangs deutlich geringere Temperaturunterschiede zwischen dem Wärmeträger und dem die Sonde umgebenden Erdreich.

Den Unterschied zwischen einer Erdwärmespeichersonde (geoKOAX-Erdwärmeübertrager) und einer U-Rohr-Sonde zeigt ein Vergleich der Simulationsergebnisse für die Temperaturreaktion nach 50 Jahren. Die langfristigen Temperaturreaktionen (links in Abb. 2) ergeben sich aus den monatlichen Durchschnittslasten. Die kurzfristigen Temperaturreaktionen (rechts in Abb. 2) ergeben sich aus dem intermittierenden Betrieb.

Geringere Bohrtiefe spart Kosten

Es zeigt sich in diesem Fall, dass die notwendige Länge der Erdwärmespeichersonde im Gegensatz zur U-Rohrsonde durch die längerfristige periodische Temperaturreaktion bestimmt wird. Nach VDI 4640 [1] soll langfristig eine Temperaturdifferenz von 11 K nicht überschritten werden. Die U-Rohr-Sondenlänge wird hingegen durch die kurzfristige maximale Temperaturreaktion von 17 K limitiert.

Ein wesentlicher Vorteil der Erdwärmespeichersonde gegenüber der U-Rohr-Sonde ist also die Verringerung der Bohrtiefe um durchschnittlich 50 % sowie das günstigere Temperaturverhalten im intermittierenden Betrieb zur Verbesserung der Jahresarbeitszahl (JAZ). Dadurch lassen sich in der Realisierung von Projekten um durchschnittlich 30 % geringere Investitionskosten erzielen.

Differenzierte Modellierung erforderlich

Das andere physikalische Verhalten erfordert einen differenzierten Berechnungsansatz. Es muss zudem das kurzzeitige Verhalten des Systems aus Wärmepumpe / Kältemaschine und Erdwärmespeichersonde im Zusammenwirken mit dem trägeren Erdreich transient abgebildet werden.

Trotz der hohen Anforderungen an die notwendige Detaillierung des Modells ist es mit geoSIM gelungen, ein Simulationstool zu entwickeln, mit dem Erdwärmespeichersonden und komplexe Sonden-Felder auf Knopfdruck innerhalb weniger Sekunden simuliert und ausgewertet werden können und das über einen Simulationszeitraum von mehreren Jahrzehnten.

simulation.geokoax.de

www.geokoax.de

Literatur

[1] VDI 4640 Thermische Nutzung des Untergrund(e)s; Blatt 1: Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte (2010-06); Blatt 2: Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen (2001-09); Blatt 3: Unterirdische Thermische Energiespeicher (2001-06); Blatt 4: Direkte Nutzungen (2004-09); Blatt 5: Thermal Response Test (2016-08, Entwurf). Berlin: Beuth Verlag

  • 2  Vergleich der Temperaturreaktion (Temperaturänderung im Vergleich zum ungestörten Erdreich) für eine koaxiale 50-m-Erdwärmespeichersonde mit einer konventionellen 95-m-U-Rohrsonde nach 50 Betriebsjahren

  • 3  Rand-bedingungen für den Vergleich

ROM Technik

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