Modellierung, Simulation und Analyse von verschiedenen Rohrsonden-Typen zur Nutzung geothermischer Energie

Abstract

Der stetig steigende weltweite Energiebedarf fordert neue und innovative Lösungen im Bereich der Energietechnik. Vor allem regenerative Energiequellen, wie zum Beispiel Erdwärme, erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Erdwärmesonden können im Zusammenschluss zu Sondenfeldern als sensibler thermischer Speicher nachhaltig eingesetzt werden. Es besteht ein hohes Energiesparpotential, da der Unterschied zwischen Heiz- und Kühllast von Gebäuden oder mehreren Gebäudekomplexen saisonal ausgeglichen werden kann. Die Dimensionierung von Erdwärmespeichern wird stark von den vorliegenden Bedingungen, wie den thermophysikalischen Parametern des Untergrunds sowie Abstand und Größe der verwendetet Rohrsonden geprägt. Durch computergestützte Modelle kann der Planungsprozess effektiv unterstützt werden. Es existieren bereits eine Vielzahl an Methoden, um das thermische Verhalten von Rohrsonden und das des umgebenden Untergrunds abzubilden. Einige dieser Methoden sind sehr rechenintensiv oder liefern nicht alle relevanten Parameter als Ergebnis.Im Rahmen dieser Arbeit werden mehrdimensionale, vollständig transiente Widerstands-Kapazitäts-Modelle (WKM) für CX-, 1U- und 2U-Rohrsonden untersucht und in MATLAB implementiert. Die WKM erlauben es, bei kurzen Rechenzeiten alle wesentlichen Temperaturen im Untergrund, Füllmaterial und in den Rohren zu ermitteln. In weiterer Folge wird die systematische Abweichung für die räumliche und zeitliche Diskretisierung bestimmt und ein Optimum zwischen der Anzahl der diskretisierten Elementen und relativer Abweichung definiert. In weiteren Analysen werden typische Parameter, wie Übertragungsleistung, Sondentiefe und Druckverlust, unter identen Randbedingungen für drei unterschiedliche Sondentypen untersucht und gegenübergestellt.

The constantly increasing worldwide energy demand requires new and innovative solutions in terms of energy technology. Especially renewable energy resources such as geothermal power are gaining in popularity. Geothermal probes can be combined to probe fields and used as sensitive long-term thermal energy storage. A high energy saving potential exists, since the difference between heating and cooling demand of buildings or several building complexes can be balanced seasonally. The design of geothermal energy storage systems is strongly influenced by the present conditions such as the thermophysical parameters of the underground as well as the distance and size of the probes. The design process can be effectively supported by computer-aided models. A variety of methods already exist to model the thermal behaviour of both, probes and the surrounding underground. Some of these methods are very CPU intensive or do not provide all relevant parameters as results. In the context of this work multidimensional fully transient resistance-capacity-models (RCM) for CX, 1U and 2U probes are investigated and implemented in MATLAB. The RCMs allow to determine all essential temperatures in the underground, filling material and in the pipes within short computation times. Furthermore, the systematic deviation for spatial and temporal discretization is determined and an optimum between the number of discretized elements and relative deviation is defined. In further analyses, typical parameters such as transmission power, depth of the probe and pressure losses are examined and compared under identical boundary conditions for three different probe types.