TRNSYS Usertag TRNSYS-FEFLOW-Schnittstelle zur Modellierung und Simulation von energietechnischen Anlagen mit

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1 TRNSYS Usertag TRNSYS-FEFLOW-Schnittstelle zur Modellierung und Simulation von energietechnischen Anlagen mit Ed Erdwärmesonden d bei strömendem tö Grundwasser D. Bauer Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) Professor Dr.-Dr.-Ing. habil. H. Müller-Steinhagen Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 6, D Stuttgart Tel.: , Fax: Internet: Folie 1

2 Inhalt Problemstellung Aufbau der Schnittstelle t und Benutzeroberfläche Anwendung am Beispiel des Erdsonden-Wärmespeichers in Crailsheim Folie 2

3 Teil 1: Problemstellung Folie 3

4 Erdwärmesonden Folie 4

5 Auswirkung von strömendem Grundwasser Veränderung der Untergrundtemperatur bis in große Distanz Beeinflussung der längenspezifischen thermischen Leistung Beeinflussung von in Abstromrichtung positionierter Sonden Dipl.-Ing. Dan Bauer D. Bauer Dr.-Ing. Doktorandenseminar W. Heidemann2008 Folie 5

6 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Erdsonden-Wärmespeicher - Wechselwirkungen zwischen Grundwasser und Wärmespeicher Speicher erwärmt Grundwaser reduziert Effizienz η Speicher - Berechnung des Temperaturprofils im Untergrund notwendig für: Regelung und Verschaltung hydraulischer Gruppen Auswirkungen auf Grundwassertemperatur/-qualität t Wasserrechtliche Genehmigungsverfahren Grundwasser - Berechnung des Speichernutzungsgrads notwendig für: Thermische Auslegung des Speichers Auslegung g angeschlossener Anlagentechnik (z.b. Solaranlage) Prognosen zur Wirtschaftlichkeit Folie 6

7 Motivation - Stand 2007: Kein Simulationstool verfügbar, welches folgende Merkmale aufweist: 3-D Wärme- und Stofftransport im Untergrund plus Wärmeübertragungsmechanismen von Erdwärmesonden plus Simulation angeschlossener Anlagentechnik Folie 7

8 Teil 2: Aufbau der Schnittstelle und Benutzeroberfläche Folie 8

9 FEFLOW Finite-Element Modeling Software for Porous and Fractured Media Problems Gegenwärtig ca Lizenzen weltweit Kommerzielle Software (seit 30 Jahren) Anwendung: 3D und 2D Strömung, Stoff- und Wärmetransport MS- und LINUX-Plattformen 64- und 32-Bit-Systeme Finite-Element-Methode (FEM) GUI, Parallelität, kompletter Service (Hotline, Schulung) Folie 9

10 Modellierung einer Erdwärmesonde in FEFLOW Untergrund wird vollständig 3D diskretisiert Erdwärmesonden werden als Grobstrukturmodell innerhalb 1D-Linienelementen implementiert effektive Lösungsmethode sowohl für einzelne Sonden als auch für Sondenfelder Folie 10

11 TRNSYS-FEFLOW-Schnittstelle In einem gemeinsamen Projekt des ITW Universität Stuttgart und DHI- WASY GmbH wurde ein IFM Modul zur Kopplung von FEFLOW mit TRNSYS entwickelt Das Modul BHE Integrator verwendet die offenen Programmierschnittstelle von FEFLOW Es ist Qt basiert und daher prinzipiell i i Plattformunabhängig Als Gegenstück zur Kopplung wurde ein neuer TRNSYS Type über die offene Programmierschnittstelle von TRNSYS eingeführt Die Kopplung erfolgt über das Remote Procedure Control (RPC) Protokoll Der BHE Integrator t kann aber auch ohne TRNSYS (Standalone) d l verwendet werden Folie 11

12 TRNSYS-FEFLOW-Schnittstelle FEFLOW BHE_INTEGRATOR PreTimeStep Compute all BHE for t F = t+ T wenn t F = t T RPC RPC RPC trnsys_set_data t T, T F, Q F, 10 ObsPnts trnsys_compute t T = t+ T trnsys_get_data t T, T T, Q T, direction TRNSYS TYPE331 PostTimeStep t F, T F, Q F, obspnts Deck-File: XIN[0] = T in XIN[1] = q in XIN[2] = direction FEFLOW rechnet so lange bis es den nächsten TRNSYS Zeitschritt erreicht hat. Folie 12

13 TRNSYS-FEFLOW-Schnittstelle Die FEFLOW Rechnung ist durchgängig einen Zeitschritt (DtTRNSYS) hinter TRNSYS Daher wird die maximale Simulationszeit von FEFLOW um dieses Dt reduziert Während TRNSYS rechnet, wartet FEFLOW Während FEFLOW rechnet, wartet TRNSYS Hinweis: i graphische h Ausgaben auf Seiten von TRNSYS führen leicht zu einem Programmstillstand (beide Programme warten gegenseitig aufeinander) Folie 13

14 TRNSYS-FEFLOW-Schnittstelle FEFLOW und TRNSYS sind über RPC dynamisch gekoppelt. Auf diese Weise kann der vollständige Energiekreislauf zeitlich korrekt simuliert werden. Anwendungsbeispiele: Energietechnische Anlage bestehend aus Solarkollektoren und erdgekoppelter Wärmepumpe unter detaillierter Berücksichtigung von Geologie und Hydrogeologie Mehrere energietechnische i h Anlagen mit erdgekoppelten Wärmepumpen, welche sich aufgrund lokaler Nähe gegenseitig beeinflussen Großprojekte, bei denen mit möglichst wenig Vereinfachungen modelliert und simuliert werden muss Das FEFLOW IFM Modul erlaubt eine beliebige Anzahl von Erdwärmesonden die beliebig komplex verschaltet werden können. Folie 14

15 Schnittstelle auf TRNSYS-Seite Neuer TRNSYS-Type kann wie gewohnt verwendet werden Inputs: inlet temperature, t inlet flow rate, flow direction switch Outputs: outlet temperature, outlet flow rate, ground temperature at 10 locations Folie 15

16 Schnittstelle auf FEFLOW-Seite Folie 16

17 Teil 3: Anwendung am Beispiel des Erdsonden- Wärmespeichers in Crailsheim Folie 17

18 Modellierung des Speichers 80 2U-Sonden in einem 3-Meter-Raster auf kreisförmiger Fläche mit 30 m Ø Jeweils 2 Sonden in Reihe geschaltet; Beladung von innen nach außen, Entladung von außen nach innen 55 m Sondenlänge Überdeckung mit ca. 0,4 m Dämmung + 1,5 m Erdaushub Folie 18

19 www w.itw.un ni-stuttga art.de Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Modellgeometrie Folie 19

20 www w.itw.un ni-stuttga art.de Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Grundwasserfließrichtung Folie 20

21 www w.itw.un ni-stuttga art.de Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Hydraulischer Durchlässigkeitsbeiwert Folie 21

22 www w.itw.un ni-stuttga art.de Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Wärmeleitfähigkeit der Festgesteinsschichten Folie 22

23 www w.itw.un ni-stuttga art.de Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Ungestörte Temperatur vor Inbetriebnahme Folie 23

24 www w.itw.un ni-stuttga art.de Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Ergebnis: Thermische Beeinflussung des Untergrunds 3m Verbindungsstelle g Ø 30 m Anbindung Heizzentrale r z Sonde innerer Kreis Sonde äußerer Kreis Folie 24

25 Ergebnis: Thermische Beeinflussung des Untergrunds 30. Betriebsjahr Folie 25

26 Ergebnis: Speicherbetrieb Eintrittstemperatur und Austrittstemperaturen aller 80 Sonden Folie 26

27 Ergebnis: Speicherbetrieb Ein- und Austrittstemperatur aller 80 Sonden Ein- und ausgespeicherte Wärmemengen und Speichernutzungsgrad Folie 27

28 Ergebnis: Speicherbetrieb Speichernutzungsgrad im Vergleich zum Fall ohne Grundwasserfluss Folie 28

29 Ende Folie 29