Ein neues Werkzeug zur Auslegungsrechnung von Erdwärmesonden - eine effektive Finite-Differenzen Methode

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1 Ein neues Werkzeug zur Auslegungsrechnung von Erdwärmesonden - eine effektive Finite-Differenzen Methode Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica Beratungsgesellschaft mbh, Aachen RWTH Aachen Der Geothermiekongress 2007, Bochum

2 Gliederung Einleitung Implementation in SHEMAT Verifikation Synthetisches Beispiel Ausblick Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 2

3 Numerische Modellierung von Erdwärmesonden Ziele Optimierung der Auslegungsparameter Simulation des langfristigen thermischen Verhaltens Probleme Komplexe Geometrien der Sonden Lange Simulationszeiten Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 3

4 Existierende Programme: EED 1 und EWS 2 Vorteile Kurze Simulationszeiten Vorgegebene Standardwerte Schnelle Änderungen der Eingangsparameter Nachteile Näherung durch Verwendung von g-funktionen Nur homogene bzw. rotationssymmetrische Modelle möglich Berücksichtigung von Grundwasserströmung nicht möglich 1 Earth Energy Designer [Hellström und Sanner, 2000] 2 EWS Berechnung von Erdwärmesonden [Huber, 2007] Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 4

5 Das Simulationsprogramm SHEMAT Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 5

6 FD Ansatz der Sonde Konduktiver und konvektiver Wärmetransport Berechnung über thermische Widerstände Koaxiale und Doppel-U Sonden Für U-Sonden Ansatz nach [Hellström, 1991] Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 6

7 Kopplung mit SHEMAT Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 7

8 Vergleich mit EED und EWS Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 8

9 Vergleich mit einem Beispielmodell aus [Signorelli, 2004] Eigenschaften der Sonde: Parameter Wert Bohrlochdurchmesser 0,115 m Rohrdurchmesser, Wandstärke 32 mm, 5,8 mm Wärmeleitfähigkeit Rohr 0,42 W m 1 K 1 Länge 100 m Pumprate 1,476 m 3 h 1 Fluid Wasser-Ethylenglykol (20 %) Leistung (variierend) 208 W W Wärmeleitfähigkeit Boden und Hinterfüllung 2,46 und 0,81 W m 1 K 1 Thermische Kapazität Boden 2,6 MJ m 3 K 3 Simulationszeit 10 Jahre Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 9

10 Vergleich mit einem Beispielmodell aus [Signorelli, 2004] Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 10

11 Vergleich mit Daten der tiefen EWS Weggis Vorgabe der Eintrittstemperatur und der Pumprate Simulation der Austrittstemperatur Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 11

12 Vergleich mit Daten der tiefen EWS Weggis Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 12

13 Einfluss von Grundwasserströmung Parameter Wert Bohrlochdurchmesser 0,115 m Rohrdurchmesser, Wandstärke 32 mm, 5,8 mm Wärmeleitfähigkeit Rohr 0,42 W m 1 K 1 Länge 100 m Pumprate 1,476 m 3 h 1 Fluid Wasser-Ethylenglykol (20 %) Konstante Eintrittstemperatur 5 C Wärmeleitfähigkeit Boden und Hinterfüllung 2,46 und 0,81 W m 1 K 1 Thermische Kapazität Boden 2,6 MJ m 3 K 3 Simulationszeit 1 Jahr Strömungsgeschwindigkeit 30 m a 1 Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 13

14 Einfluss von Grundwasserströmung Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 14

15 Gliederung Einleitung Implementation in SHEMAT Verifikation Synthetisches Beispiel Ausblick Literatur Einfluss von Grundwasserstr omung Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 15

16 Zusammenfassung und Ausblick Aktueller Stand EWS Simulation Berücksichtigung von heterogenen Untergründen in 3-D Modellen Berechnung von Sondenfeldern möglich Berücksichtigung von Grundwasserströmung Erste Vergleiche mit anderen Programmen und Daten zufriedenstellend Zukünftige Arbeiten Verkürzung der Simulationsdauer Weitere Vergleiche mit Monitoring-Daten Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 16

17 Modell = Natur - X Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 17

18 Vielen Dank! Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 18

19 Literatur G. Hellström und B. Sanner. EED Earth Energy Designer, User manual, Version 2.0, G. Hellström. Ground Heat Storage. Thermal Analyses of Duct Storage Systems. PhD thesis, Theory. Dep. of Mathematical Physics, University of Lund, A. Huber. Benutzerhandbuch zum Programm EWS Berechnung von Erdwärmesonden. Huber Energietechnik AG Ingenieur- und Planungsbüro, Zürich, S. Signorelli. Geoscientific investigations for the use of shallow low-enthalpy systems. Dissertation, ETH Zürich, Darius Mottaghy, Lydia Dijkshoorn und Renate Pechnig Geophysica GmbH, RWTH Aachen 19