Charakterisierung der transienten Wärmeeigenschaften von Böden

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1 Charakterisierung der transienten Wärmeeigenschaften von Böden Jian LIN, Jean-David GRANDGEORGE, Sandrine BRAYMAND, Christophe FOND IUT Robert Schuman, Universität Straßburg 15/11/2012 Einleitung Nachhaltiges Bauen = energieeffiziente Gebäude Nutzung von Erdwärme: Geothermie WINTER SOMMER Isolierung Isolierung BODEN BODEN Eintrag von Wärme Gewünschtes Raumklima Austrag von Wärme Gewünschtes Raumklima 2

2 Einleitung Oberflächennahe Geothermie: Tiefen bis zu 100 m Wärmequelle: nahezu konstante Temperatur 100m 3 Einleitung Oberfächennahe geothermische Systeme: Einfluss der Umgebungstemperatur Instationäre Wärmebelastung Ziel: Charakterisierung der transienten / instationären Wärmeeigenschaften zwecks Modellierung des auf dem Gelände des IUT Robert Schuman angelegten Erdwärmetauschers 4

3 Inhalt Versuche zu Charakterisierung der Wärmeeigenschaften Wärmeeigenschaften verschiedener Böden Modellierung eines geothermischen Systems 5 Versuchsvorrichtung Behälter 40 cm x 60 cm x 30 cm(h), Boden und Seitenwände isoliert Mit konstanter Leistung betriebene Heizplatte am Boden Messwerterfassung Heizplatte Styropor 6

4 Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Verfahren: Heizplatte mit Bodenprobe: Seitliche Wärmeverluste vernachlässigbar gering Eindimensionale Wärmeübertragung Isoliermaterialien T2 Getestete Böden Messwerterfassung T1 Heizplatte Stromversorgung(230V) 7 Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit λ : λ=p*e/(s*(t1-t2)) e : Dicke der Bodenprobe P : Leistungsabgabe der Heizplatte S : Oberfläche der Bodenprobe Validierung des Verfahrens: λ-fachliteratur [W/(m.K)] λ Messergebnisse [W/(m.K)] Trockener Sand 0,4 0,40±0,02 Trockener Ton 0,5 0,47±0,03 8

5 Ermittlung der Wärmekapazität Verfahren: Bodenprobe vollständig isoliert Aufnahme des Temperaturverlaufs der Bodenprobe als Zeitfunktion Isoliermaterialien Bodenprobe Messwerterfassung Stromversorgung (230V) 9 Ermittlung der Wärmekapazität Ermittlung der volumenbezogenen Wärmekapazität ρ.cp: ρ.cp =P.t/(V.ΔT) P : Leistungsabgabe der Heizplatte t : Versuchsdauer V : Volumen der Bodenprobe ΔT : Temperaturverlauf in der Bodenprobe Validierung des Verfahrens: ρ.cp -Fachliteratur [MJ/(m3.K)] ρ.cp -Messergebnisse [MJ/(m3.K)] Trockener Sand 1,3 1,40±0.1 Trockener Ton 1,1 1,19±0.1 10

6 Inhalt Versuche zu Charakterisierung der Wärmeeigenschaften Wärmeeigenschaften verschiedener Böden Modellierung eines geothermischen Systems 11 3 Bodenarten: Bodenproben Sand Ton Sand + Ton (50%/50%) Mehrere Feuchtigkeitsgrade: Sand: 0%, 8%, 13%, 20% Ton: 0%, 10%, 22% Sand + Ton: 0%, 11%, 21% 12

7 Wärmeleitfähigkeit der Bodenproben Gemessene Wärmeleitfähigkeitswerte λ : Feuchte : Wärmeleitfähigkeit Trocken/feucht: ähnliche Messergebnisse Sättigung: Sand > Sand+Ton > Ton 13 Wärmeträgheit der Bodenproben Gemessene volumenbezogene Wärmekapazität ρ.cp : Feuchte : Wärmekapazität Sand und Ton: ähnliche Messergebnisse Sättigung mit Wasser: hoher Wert bei Sand+Ton 14

8 Wärmeträgheit der Bodenproben Temperaturleitfähigkeit a= λ/(ρ.cp) : Trocken: niedrige Werte Feucht und wassergesättigt: ähnliche Messergebnisse Sand+Ton < Ton < Sand 15 Inhalt Versuche zu Charakterisierung der Wärmeeigenschaften Wärmeeigenschaften verschiedener Böden Modellierung eines geothermischen Systems 16

9 Untersuchtes System EWT-System mit Erdwärme-Kollektoren: Bsp.: Erdwärmetauscher Luft/Luft und Luft/Wasser Erdwärmetauscher Luft/Wasser Luft Thermische Belastung: Temperaturschwankungen im Jahresverlauf Erdwärmetauscher Luft/Luft Erdwärmetauscher Luft/Wasser 17 Modellierung des Systems Modell Außenluft/Boden+Modell Boden/Wärmeübertrager Außenluft Austausch Außenluft/Boden Luft/Wasser Fester Boden Wärmeübertrager Austausch Boden/Übertrager 3 Bodenarten: Sand, Ton, Sand+Ton 2 Grundwasserpegel: Oberflächennah: Boden wassergesättigt Pegel unterhalb des Wärmeübertragers: Boden trocken 18

10 Modell Außenluft/Boden Modell für semi-infiniten Bodenraum: ət/ət=a(ə²t/əz²) Tsol(z,t)=Tmoy+Aexp(-z/d)cos(ω(t-t0)-z/d) a : Temperaturleitfähigkeit z : Tiefe d : (2a/ω) Beispiel: Tmoy=15 C A=20 C z=2m Modell Außenluft/Boden Temperaturverlauf im Boden: Wassergesättigt Trocken Temperaturdämpfung bei trockenem Boden höher Trocken: ähnliches Temperaturverläufe Wassergesättigt: erhebliche Unterschiede zwischen Sand und anderen Bodenarten 20

11 Modell Boden/Wärmeübertrager Übertrager + Boden im wärmeleitenden Bodenbereich Boden Boden T=T sol in großer Tiefe Rohr Wärmeleitung Rohr Wärmeleitung T ext Wärmeleitender Bodenbereich T sol a) Querschnitt b) Längsschnitt Isotherme Grenzbedingungen während des Wärmeaustauschs Wärmewiderstand des Rohrs vernachlässigbar gering Bsp.: Dicke des wärmeleitenden Bodenbereichs = 0,5 m 21 Modell Boden/Wärmeübertrager Berechnung des Wärmeeintrags für 1 m Wärmeübertrager im Winter (Text < 5 C) : Q=(Tsol-Text).S.t/Rsol Rsol: Wärmewiderstand des Bodens S: Übertragungsfläche Wärmeeintrag [J] Sand Ton Sand+Ton Trocken 3,29E8 3,78E8 3,75E8 Wassergesättigt 2,08E9 1,39E9 1,65E9 Wärmeeintrag: wassergesättigt >> trocken Wärmeeintrag wassergesättigte Böden: Sand > Sand+Ton > Ton 22

12 Bilanz und Ausblick Bilanz: Aufbau und Validierung einer Versuchsvorrichtung zur Messung von Wärmeeigenschaften Messung der Wärmeeigenschaften für 3 Bodenarten mit verschiedenen Feuchtigkeitsgraden Modellierung eines geothermischen Systems mit Erdwärme- Kollektoren Vergleich des unter verschiedenen Bedingungen erzielten Wärmeeintrags Ausblick: Modellierung des Verlaufs der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von Feuchtigkeit und Zusammensetzung der Böden Einbeziehung des Tagesverlaufs der Umgebungstemperatur in das Modell 23 Bilanz und Ausblick Modellierung des Erdwärmetauscher-Pilotsystems auf dem Gelände des IUT Robert Schuman und Validierung des Modells anhand der gemessenen Werte Beispiel des experimentellen Luft/Luft-Erdwärmetauschers: Mischboden Sable Tsol Ton Tair bei verschiedenen Querschnitten 24

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