Die Temperaturentwicklung im Ringraum einer Erdwärmesonde

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1 Fachgespräch Erdwärmenutzung in Hessen, 18. September 1 Die Temperaturentwicklung im Ringraum einer Erdwärmesonde rmesonde - Wie kalt wird s wirklich? - Folie 1 Markus KübertK bert,, Simone Walker-Hertkorn, David Kuntz tewag GmbH

2 Inhalte 1. Einführung. Fallbeispiel 3. Simulationsergebnisse stationäre Betrachtungen Inhalte. Simulationsergebnisse instationäre Betrachtungen 5. Schlussfolgerungen & Ausblick Folie

3 Problemstellung Frostfreier Betrieb aktuelle Diskussion der Frost-/Taubeständigkeit T EIN = -5 C T AUS = - C Spitzenlastbetrieb der Wärmepumpenanlage Einführung Frost-Tau-Wechsel im verfüllten Ringraum der EWS verminderte Dichtwirkung der Hinterfüllung Ringraumzirkulation Forderung eines frostfreien Betriebs mit T Ein C bzw. reines Wasser als Wärmeträgermedium! Folie 3

4 Fallbeispiel Einfamilienhaus (Neubau) Entzugsleistung Wärmepumpe: 5 kw Laufzeit: 1.8 h/a Entzugsarbeit Wärmepumpe: 9. kwh/a Fallbeispiel Temperaturspreizung Verdampfer: 3 K Wärmeleitfähigkeit Hinterfüllung: W/(m K) 1 Erdwärmesondenbohrung 5 W/m: (VDI Blatt ) 5 W/m: W/m: (SIA 38/) 1 m 111 m 15 m Wärmeleitfähigkeit:,3 W/(m K) Wärmekapazität:, MJ/(m³ K) ungestörte Untergrundtemperatur: 11 C Folie

5 Fallbeispiel Idealisiertes Bohrloch nach den Leitfäden Hessen bzw. Bayern DA3-Doppel-U-Sonde Fallbeispiel 3 mm EWS im Bohrloch zentriert Abstand von 3 mm zwischen Sondenrohren und Bohrlochwand Bohrlochdurchmesser von 15 mm D bh = 15 mm Folie 5 Hinweis: Die thermischen Auswirkungen des Verpressschlauches sollen vernachlässigt werden!

6 Folie Stationäre Betrachtung dt dt kälter wird s nicht! Simulationsergebnisse stationäre Betrachtungen

7 . Simulationsergebnisse stationäre Betrachtungen Simulationsergebnisse stationäre Betrachtungen Folie 7 Darstellung der Simulationsergebnisse Auslegung mit 5 W/m T ein = - C T aus = -1 C Tiefe [m] 8 1 Tiefe = 8 m Tiefe = 5 m Tiefe = 8 m Tiefe = 8 m Tiefe = 5 m Tiefe = 8 m x-richtung y-richtung Tmin = C x-/y-richtung [m] x-richtung y-richtung Tmin = C x-/y-richtung [m] x-richtung y-richtung Tmin = C x-/y-richtung [m]

8 . Simulationsergebnisse stationäre Betrachtungen Simulationsergebnisse stationäre Betrachtungen Darstellung der Simulationsergebnisse Auslegung mit 5 W/m Detailbetrachtung für Tiefe von 8 m: Tiefe = 8 m Tiefe = 5 m C -1 C Bohrlochwand Sondenrohre - C -1 C x-richtung y-richtung Tmin T min = ,35 C C x-/y-richtung [m] - C im Wärmeträgermedium bedeuten nicht - C im Ringraum! Es wird nicht der gesamte Ringraum des Bohrlochs durchfrostet! Folie 8

9 Simulationsergebnisse stationäre Betrachtungen Simulationsergebnisse stationäre Betrachtungen Minimaltemperatur im Ringraum in Abhängigkeit der Auslegung Entzugsleistung Sondenlänge Minimale Ein- und Austrittstemperaturen Minimaltemperatur Ringraum 5 W/m x-richtung y-richtung - Tmin = C x-/y-richtung [m] 5 W/m (VDI, Blatt ) 1 m -5, C / -, C -, C 5 W/m 5 W/m 111 m - C / -1 C -1,35 C - x-richtung y-richtung Tmin = C x-/y-richtung [m] W/m (SIA) 15 m -3 C / C C W/m - x-richtung y-richtung Tmin =.98 C x-/y-richtung [m] Folie 9

10 Exkurs Simulationsergebnisse stationäre Betrachtungen Folie 1 Praktische Erfahrungen aus einem Realmaßstabsexperiment D bh = 15 mm DA3-Doppel-U-Sonde 3 mm EWS im Bohrloch zentriert Abstand von 3 mm zwischen Sondenrohren und Bohrlochwand Bohrlochdurchmesser von 15 mm Quelle: Solites Die Lage der Sondenrohre in einem Bohrloch ist bei konventionellen Doppel-U-Sonden kaum prognostizierbar.

11 Simulationsergebnisse stationäre Betrachtungen 5 W/m Simulationsergebnisse stationäre Betrachtungen Folie 11 Temperaturen im Ringraum vs. Lage der Sondenrohre im Bohrloch Minimale Ein- und Austrittstemperaturen Minimaltemperatur Ringraum Leitfaden konformer Ringraum - C / -1 C -1,35 C - x-richtung y-richtung Tmin = C x-/y-richtung [m] thermisch optimaler Ringraum -3 C / C,3 C - x-richtung y-richtung Tmin =.38 C x-/y-richtung [m]

12 Erkenntnisse aus den stationären Betrachtungen Simulationsergebnisse stationäre Betrachtungen - C im Wärmeträgermedium bedeuten nicht - C im Ringraum der Erdwärmesonde! Die Temperatur im Wärmeträgermedium prägt sich nicht direkt auf den Ringraum der Erdwärmesonde auf. Hierbei sind die Wärmeübergänge und die Wechselwirkungen zwischen Vor-/Rücklaufstrang und dem Untergrund zu beachten. Bei einem Betrieb der Erdwärmesondenanlage mit Ein- und Austrittstemperaturen von minimal -3 C / C tritt keine Durchfrostung des Ringraums ein. Bei Betriebstemperaturen < -3 C / C über längere Zeiträume (stationäre Betrachtung) findet eine teilweise bis hin zu einer signifikanten Durchfrostung des Ringraums statt. Die Lage der Sondenrohre im Bohrloch nimmt einen wesentlichen Einfluss auf die Temperaturen im Ringraum des Bohrlochs. Folie 13

13 Folie 1 Instationäre Betrachtung zeitliche Entwicklung der Ringraumtemperaturen Simulationsergebnisse instationäre Betrachtungen

14 Folie 15 Ausdiskretisiertes Modellgebiet 1 m Simulationsergebnisse instationäre Betrachtungen

15 Simulationsergebnisse instationäre Betrachtungen Ausdiskretisiertes Modellgebiet Ausdiskretisiertes Modellgebiet virtueller Messpunkt Bohrlochwand virtuelle Messpunkte im Vor- und Rücklaufstrang virtueller Messpunkte im Zentrum der Erdwärmesonde Folie 1

16 Simulationsergebnisse instationäre Betrachtungen Simulationsergebnisse instationäre Betrachtungen Folie 17 Idealisiertes Bohrloch nach den Leitfäden Hessen bzw. Bayern D bh = 15 mm 3 mm DA3-Doppel-U-Sonde Hinweis: Die thermischen Auswirkungen des Verpressschlauches sollen vernachlässigt werden!

17 Simulationsergebnisse instationäre Betrachtungen 5 W/m Simulationsergebnisse instationäre Betrachtungen Folie 18 Auslegung mit 5 W/m Zeit [h] Nach ca. 1 h Volllast ist die Temperatur im Zentrum des Bohrlochs auf ca. C abgesunken. Die Ein- und Austrittstemperaturen liegen zu diesem Zeitpunkt im Bereich von ca. -3 C / C. y-richtung [m] Bohrlochzentrum Bohrlochwand Eintritt EWS Austritt EWS x-richtung [m] 8 -

18 Simulationsergebnisse instationäre Betrachtungen 5 W/m Simulationsergebnisse instationäre Betrachtungen Zeitliche Temperaturentwicklung im Ringraum des Bohrlochs Zeit [h] nach ca. 1 h < C nach ca. h < C nach h >> C Folie 19

19 Erkenntnisse aus den Betrachtungen Simulationsergebnisse instationäre Betrachtungen wesentliche Erkenntnisse: Die Erkenntnisse aus den stationären Betrachtungen konnten durch die Detailsimulationen bestätigt werden. Ab Betriebstemperaturen von -3 C / C sinken die Temperaturen im Ringraum des Bohrlochs < C. Dieser Sachverhalt ist unabhängig von der Auslegung der Sondenanlage. Selbst nach einem Dauerbetrieb über h wird nicht das gesamte Bohrloch durchfrostet. Folie 1

20 Schlussfolgerungen & Ausblick WICHTIG: Unsere Simulationsergebnisse sind zunächst nur theoretische Betrachtungen für eine Einzelsonde mit entsprechenden Annahmen und Randbedingungen! Schlussfolgerungen & Ausblick Die Simulationsergebnisse sind mit Monitoringdatensätzen von realen Anlagen abzugleichen und zu verifizieren. Auch unter Einbeziehung von realen Taktzyklen von Wärmepumpenanlagen. Sie geben aber erste Vorstellungen und Hinweise zur Temperaturverteilung im Ringraum von Bohrlöchern, deren zeitliche Entwicklung und Abhängigkeiten. Hilfestellungen zur Weiterentwicklung von Prüfverfahren. Für die Wahrscheinlichkeit einer Durchfrostung des Ringraums ist nicht nur die Auslegung der Sondenanlage ausschlaggebend. Wesentlich sind die Ein- und Austrittstemperaturen des Wärmeträgermediums. Diese Sachverhalte sollten bei der Ableitung von genehmigungsrechtlichen Vorgaben berücksichtigt werden! Folie

21 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! tewag Technologie Erdwärmeanlagen Umweltschutz GmbH Niederlassung Starzach Am Haag Starzach-Felldorf Folie 3