TRT an geothermischen Flächensystemen

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1 HOCHSCHULE BIBERACH TRT an geothermischen Flächensystemen - erste Betrachtungen & Ergebnisse - Symposium Jahre Thermal Response Test in Deutschland Universität Göttingen, Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff M.Sc. Dipl.-Ing. (FH) Philipp Feuerstein, Dipl.-Ing. Andreas Köhler (HBC) Studiengänge Gebäudeklimatik & Energiesysteme Institut für Gebäude- und Energiesysteme (IGE) Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff Seite 1 Inhalt Vergleich TRT an Erdwärmesonden & an Flächensystemen Analytische Ansätze für TRT an Flächensystemen Versuchsanlage Erste experimentelle Ergebnisse Numerische Simulation Zusammenfassung und Ausblick Seite 2 1

2 Vergleich TRT an Erdwärmesonden & an Flächensystemen TRT an Erdwärmesonde: Idealisierung als vertikale Linienquelle: q & T f ΔT durch R b x x Wärmequelle T(r = r b ) r Sondenrohre Bohrlochrand r b r b TRT an Flächensystem: ähnlich thermoaktivem Bauteilsystem (TABS): a) Einzelrohre (Linienquellen) b) ebenes Bauteil 1D-Modell in kartesischen Koordinaten Wärmestrom in zwei Richtungen R a : Wärmedurchgang durch Rohr Seite 3 Anwendbarkeit und Grenzen analytischer Ansätze Zerlegung des TRT an einem Flächensystem in vier Phasen: 1. Temperaturfront um die einzelnen Rohre ohne gegenseitige Überlagerung: jedes Rohr ist eine horizontale Linienquelle a) 0 < t < t min = 5*r b ²/a: t min 900 s = ¼ h, r b 0,025/2 m, a 7*-7 m²/s exakte/hochgenaue Lösung der Linienquellentheorie (Reihenentwicklung) b) t min < t < t*: klassische Näherungslösung der Linienquellentheorie: ln(t) Seite 4 2

3 Anwendbarkeit und Grenzen analytischer Ansätze Zerlegung des TRT an einem Flächensystem in vier Phasen: 2. Temperaturfronten der Einzelquellen überlagern sich: t* < t < t hom numerische Modellierung? 3. Die Wärmeausbreitung erfolgt quasi-eindimensional: t hom < t < t max analytische Näherung: halbunendlicher Körper 4. Symmetrie bzw. 1D-Verhältnisse sind nicht mehr gegeben: t > t max numerische Modellierung, Randeinflüsse von allen Seiten Seite 5 Analytische Ansätze: Vergleich Linie & Fläche Seite 6 3

4 Analytische Ansätze: Vergleich Linie & Fläche Seite 7 Analytische Ansätze: Vergleich Linie & Fläche λ: Wärmeleitfähigkeit b: Wärmeeindringkoeffizient Seite 8 4

5 Numerische Simulation und Auswertung: dyn. 3D FV-Modell Temperaturverteilung nach 1800 s z-koordinate [cm] ,00 C 17,95 C 17,90 C 17,85 C 17,80 C 17,75 C 17,70 C 17,65 C 17,60 C 17,55 C 17,50 C 17,45 C 17,40 C 17,35 C 17,30 C 17,25 C 17, C 17,15 C 17, C 17,00 C Seite x-koordinate [cm] Numerische Simulation und Auswertung: dyn. 3D FV-Modell analytische Berechnung: % Erwärmung am linken/rechten Rand nach 6000 s z-koordinate [cm] Temperaturverteilung nach 3600 s ,00 C 17,95 C 17,90 C 17,85 C 17,80 C 17,75 C 17,70 C 17,65 C 17,60 C 17,55 C 17,50 C 17,45 C 17,40 C 17,35 C 17,30 C 17,25 C 17, C 17,15 C 17, C 17,00 C Seite x-koordinate [cm] 5

6 Numerische Simulation und Auswertung: dyn. 3D FV-Modell analytische Berechnung: % Erwärmung am linken/rechten Rand nach 6000 s z-koordinate [cm] Temperaturverteilung nach 5400 s ,00 C 17,95 C 17,90 C 17,85 C 17,80 C 17,75 C 17,70 C 17,65 C 17,60 C 17,55 C 17,50 C 17,45 C 17,40 C 17,35 C 17,30 C 17,25 C 17, C 17,15 C 17, C 17,00 C Seite x-koordinate [cm] Numerische Simulation und Auswertung: dyn. 3D FV-Modell Temperaturverteilung nach 70 s z-koordinate [cm] ,00 C 17,95 C 17,90 C 17,85 C 17,80 C 17,75 C 17,70 C 17,65 C 17,60 C 17,55 C 17,50 C 17,45 C 17,40 C 17,35 C 17,30 C 17,25 C 17, C 17,15 C 17, C 17,00 C Seite x-koordinate [cm] 6

7 Numerische Simulation und Auswertung: dyn. 3D FV-Modell Temperaturverteilung nach 9000 s z-koordinate [cm] ,00 C 17,95 C 17,90 C 17,85 C 17,80 C 17,75 C 17,70 C 17,65 C 17,60 C 17,55 C 17,50 C 17,45 C 17,40 C 17,35 C 17,30 C 17,25 C 17, C 17,15 C 17, C 17,00 C Seite x-koordinate [cm] Numerische Simulation und Auswertung: dyn. 3D-FV-Modell ½ h: Linienquelle ungestört 1 ½ bis 2 h: Linienquellen überlagern sich ab 2 h: Temperaturausbreitung quasi 1D Durchlaufzeit Fluid durch Absorber: z. B. bis 30 Minuten Linienquellentheorie für Anlaufphase nicht anwendbar! Seite 14 7

8 Versuchsanlage HBC: Technikum G (Gebäudeklimatik) - Bauteilaktivierung - Erdwärmekollektor - Erdwärmesonden - Geothermie-Zentrale - Wärmepumpe - Luft-Erdwärmetauscher - Booster - Fassadenteststand - solare Luftkollektoren -PV u. a. m. Seite 15 Versuchsanlage HBC: Bodenabsorber unter Technikum G Seite 16 8

9 Versuchsanlage HBC: Bodenabsorber unter Technikum G Rohrlänge gesamt: m (im Mittel: 232,75 m/kreis) 358 m² aktive Fläche Seite 17 Versuchsanlage HBC: Bodenabsorber unter Technikum G zwischen Bodenabsorber und Perimeterdämmung 25 cm frostsicheres Material (Kies/Sand mit geringem Feinkornanteil) Seite 18 9

10 Versuchsanlage: TRT-Messeinrichtung der Hochschule BC Seite 19 TRT an Bodenabsorber: erste experimentelle Ergebnisse Temperatur [ C] Heizleistung: 4,44 kw 8,55 kw Zeit [s] Seite

11 TRT an Bodenabsorber: erste experimentelle Ergebnisse,5 Temperatur [ C] 19, , ,5 y = 0,004316x + 17,7438 R 2 = 0,9988 y = 0,004499x + 17, R 2 = 0, Heiz- Leistung: 4,44 kw 12,4 W/m² Wurzel(Zeit) [Wurzel(s)] k = 0,0045 b = 1555 W*s (-1/2) /(m*k) ( k = 0,0043 b = 1627 W*s (-1/2) /(m*k) ) λ E 1 1,5 W/(m*K) (Unbestimmtheit von ρ & c p ) 2 q& b = k π Seite 21 Zusammenfassung und Ausblick TRT an Flächensystemen: sind durchführbar benötigen verhältnismäßig hohe Leistung Anwendung: Qualitätskontrolle (Verfüllmaterial, Durchströmung ) empirische Ermittlung der Speicherkapazität Auswertung: a) analytisch: [Anlaufphase Linien-/Zylinderquellentheorie] Sprungantwort des halbunendlichen Körpers b) numerisch: Simulation mit Rohrdurchströmung und ortsabhängiger Wärmeübertragung / lokalen Quellen v. a. in der Anlaufphase Entwicklungsphase: dito wg. realer Randbedingungen Seite 22 11