J. Poppei (Colenco Power Engineering, Baden, CH)

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1 Desgner Hydraulsche und thermsche Auswrkungen geothermscher Brunnenanlagen und deren Bedeutung für de Planung Vorstellung des Groundwater Desgners J. Poppe (Colenco Power Engneerng, Baden, CH) Spezfka der thermschen Nutzung von Grundwasser Anforderungen an de Planung und genehmgungsrechtlche Fragen geothermsche Smulaton kurzer Überblck GED: Zele und Grundlagen des Tools Vorstellung des Tools 1

2 Desgner Spezfka der thermschen Grundwassernutzung Hebung thermsche Änderung Renjekton / Hezen oder Kühlen Blanz erhalten (be Renjekton) Spegelabsenkung und anhebung (schnell statonär) langsame (nstatonäre) thermsche Änderung durch: advektven Transport (verlangsamt gegenüber dealen Tracer) Wärmeaustausch Flud und Flud/Matr Wärmeletung Dsperson und Dffuson Energebedarf und Hydrogeologe: mmer standortspezfsch Versckerung 2

3 Desgner Smulaton der Nutzung zu Specherzwecken (D) Bespel 1: Darcy-Geschwndgket cm/a Rechstag Berln, GTN, 1999 Vertkalschntt (überhöht) 25 m m GTN Neubrandenburg GmbH

4 Desgner Smulaton der Nutzung zu Kühlzwecken (CH) Bespel 2: Darcy-Geschwndgket > 300m/a Smulaton der Temperaturvertelung Injekton: 400'000 qm/a Modellzet: 10 a Rückgabetemperatur: 22 C EM 102 Fachmarkt Meerhöfl, Emmen, LU, 2004 Entnahmebrunnen EM 209 Rückgabebrunnen Brunnen Erwärmung um C 1-2 C 2-3 C 3-4 C 4-5 C 5-7 C 7-9 C 9-10 C Meter 4

5 Desgner Anforderungen an Planer und Genehmgungsrecht Planung: Verfügbarket von Grundwasser? Abstand der Versckerung von der Förderung verfügbare Grundfläche ausrechend? Energetscher Aufwand mnmeren Genehmgungsrecht: Rechwete der hydraulschen und thermschen Beenflussung Beenträchtgung von Wasserfassungen 5

6 Desgner Geothermsche Smulaton (Wärmeausbretung) Analytsche Lösungen: Lauwerer (1955): The transport of heat n ol layers caused by njecton of hot flud Avdonn (1964): Dfferent methods for the calculaton of the temperature feld n a host rock wth thermal njecton (n russ.) Grngarten / Sauty (1975): A theoretcal study of heat etracton from aqufers wth unform flow feld R. Schulz (1987): Analytcal model calculatons for heat echange n a confned aqufer u.a. Halbanalytsch (z.b. CAGRA, GTN, 1994) Numersche Modellcodes: NAMMU (Rae, Robnson, 1979), TOUGH (Pruess, 1987), CFEST (Gupta, 1987) FEFLOW (Dersch, 1994) 6

7 7 Groundwater roundwater nergy Desgner esgner Geothermsche Smulaton (CAGRA, GTN 1994) CAGRA: ( ) + = B R R R B f f R nj t t c t c M erfc T T T t T ρ λ ρ λ ψ ) ( ) ( 0 0 Stromlnen + Alsaev (1985) ( ) ( ) 2 2, 2 n n n n n y y M Q v + Φ = π ( ) ( ) 2 2, 2 n n n n n y y y y y M Q v + Φ = π + = = r r r v dr t t t Keely und Tsang (1983)

8 Desgner Bespel: Smulaton der Nutzung zu Kühlzwecken Tefkühlzentrum Gallker Transport AG, Dagmersellen, LU 2002/03 8

9 Desgner Zel des Tools Dmensonerung der Grundwassergewnnungsanlagen (Brunnen) n Abhänggket von Energebedarf und hydrogeol. Voraussetzungen Prüfung der Möglchket der Renjekton am Standort Bestmmung des Abstands zwschen Förder- und Injektonsbrunnen (ohne Kurzschluss) Berechnung der (thermschen) Auswrkungen m Grundwasser be Renjekton (Wärme-/Kältefahne) = Vorplanung und Genehmgungsplanung für klener und mttlere Anlagen (mt Smulaton) 9

10 Desgner Anwendung und Abgrenzung (1) Zelgruppen: Anlagenplaner (Energeplaner, Ingeneurbüros) Anlagenbauer: Hezungstechnker / Kältetechnker Bohrunternehmen Genehmgungsbehörden Mt unterschedlchen Ansprüchen / Erfahrungen / technschem Hntergrund! 10

11 Desgner Anwendung und Abgrenzung (2) Voraussetzungen und Enschränkungen: mnmal erforderlches, branchenübergrefendes Verständns und Kenntnsse (Hezungstechnk / Hydrogeologe) kene eplzten Kenntnsse der Modellerung vorauszusetzen Verständns von der Belastbarket der (Berechnungs)- Ergebnsse kommunzeren! 11

12 Desgner Anwendung und Abgrenzung (3) Kompromsse n der Umsetzung: Verwendung (analytscher) Näherungslösungen be der Energebedarfsanalyse und der Brunnendmensonerung Vernachlässgung anwendungstechnscher Komponenten und Probleme (Unterwassermotorpumpe, Wärmetauscher, Cheme etc.) enfache Modellansätze (2D, voll gesättgt, kene Aquferberandungen, nur homogene Parameter, kene Kopplung Strömung / Wärme, kene Zetabhänggket der Brunnen ) 12

13 roundwater nergy Desgner esgner Verenfachte Struktur des Programms 13

14 Desgner Anwendung und Abgrenzung (4) Was muss der Nutzer wssen: Energe Jahresenergebedarf (oder Grundfläche), Gebäudetyp und Standort be Hezung: Wärmepumpen-Jahresarbetszahl Hydrogeologe Aqufertyp (gespannt / ungespannt); Mächtgket und Lage u. GOK hydraulsche Letfähgket (kf-wert) und Porostät Flessrchtung und Gradent (m/100m) <- hydrogeolog. Karte! Sonstges verfügbare Grundfläche (ggf. Koordnaten) für Bohrungen 14

15 Desgner Volumenstrombestmmung Energebedarf bekannt oder etern berechnet Energebedarf unbekannt, Schätzung (SIA) Temperaturänderung JAZ (Wärmepumpe) Hezung HEL [l/a] Erdgas [m 3 /a] Strom [kwh/a] m 2 behezte Grundfläche Gebäudetyp WW ja/nen Standort (Hezgradtage) aus DB: Q [kwh/a] T [K] JAZ [-] Drektkühlung Kühlbedarf Q [kwh/a] - T [K] - mttl. Volumenstrom m Jahr: und ma. Volumenstrom (aus Lestung (Volllaststundenzahl je Gebäudetyp aus DB) Q V& 1 = 1 JAZ ρ8760 c T 15

16 Desgner Zur Smulaton be GED Input: Gradent und Rchtung der Grundwasserströmung; Standort der Brunnen, Smulatonszet t s 1. Koordnatentransformaton 2. Modellgebet und Randbedngungen b mn 2V& t = ma s ; R π H 1 v = ma 2 n 3V& t s 4π H 3. Dskretserung (z.z Elemente, ma. 1m n Brunnennähe, log. bs zum Rand) 4. Nach Berechnung: Rücktransformaton der Koordnaten und Isolnendarstellung (z.zt. 1 und 3K) a mn nat t ;2 s ρc ρc f a ρc f ρc a = n ρc f ρc f + (1 n) ρc G 16

17 Desgner Bespel Dskretserung 2*4 Bohrungen; b 550 mn =102m; a mn =178m y

18 Desgner Numerk GED = Fnte Volumen Programm Strömung: Wärmenhalt / Volumen: Wärmenhalt / Fludvolumen: Darcy: k = η F p F Wärmefluss über Verbndung = advektver Fluss + konduktver Fluss f = q u = λ T Glechungssystem (Integral über Fnte Volumen Element): Q F, j = a j kj p η j d F, p d F, j j U = V u adv dv q u = C T V ( φ) ρs s φ ρf F u F F V = ρ c F F F T C f kond = 1 c + c Heat Balance: du dt = F + j S F j = Fadv, j + F F kond, j adv, j = QF, j u F, dt du 1 = dt dt C dv Ergebns: T (t) V V 18

19 Desgner Valderung (1) Frame Jul Test21: GED, 10a 400 y dt [K] Frame Jul 2006 test21.out GED FEFLOW Test21: TOUGH2, 10a 400 y T TOUGH2 19

20 roundwater nergy Desgner esgner Valderung (2) 20

21 Desgner Bezugsmöglchket und Umfang (Software Engneerng - GED) Voraussetzung: Prozessor 1 GHz, RAM 1024 MB, Wndows XP, Festplatte fre 26MB download Vollverson (d, e, f) nkl. Dokumentaton und Bestellformular 7 Tage unengeschränkt lzenzfre nutzbar für anschl. Lzenz (rechnerspezfsch) Schutzgebühr 300 jederzet Updates Hnwese und Krtken erwünscht!!! 21

22 roundwater nergy Desgner esgner Bezugsmöglchket und Umfang 22