Optimierung der numerischen Modellierung eines Energiepfahlrasters mit COMSOL

Abstract

Vor dem Hintergrund steigender Anforderungen an eine klimaneutrale Wärmeversorgung von Gebäuden gewinnen geothermische Systeme, insbesondere Energiegeostrukturen, zunehmend an Bedeutung. Diese Energiegeostrukturen verbinden die statische Funktion von Tiefgründungselementen mit einer thermischen Nutzung des Untergrunds und stellen damit eine ressourceneffiziente Form oberflächennaher Geothermie dar. Für die Dimensionierung von Energiepfahlfeldern sind jedoch numerische Modelle erforderlich, da analytische Ansätze komplexe Geometrien, Gruppeneffekte und zeitlich veränderliche Betriebsweisen nicht erfassen können. Detaillierte Simulationen sind dabei aber mit hohem Rechenaufwand verbunden und daher für die Vordimensionierung nur bedingt geeignet. Ausgehend von dieser Problemstellung verfolgt die vorliegende Arbeit das Ziel, ein reduziertes numerisches Modell zu entwickeln, mit dem die Entzugsleistung von Energiepfahlfeldern mit deutlich geringerem Rechenaufwand berechnet werden kann. Hierzu wurden in COMSOL Multiphysics mehrere Modelle erstellt und schrittweise erweitert. Zunächst diente ein stationäres Modell zur Überprüfung der Geometrie. Darauf aufbauend wurde ein transientes Modell ohne Rohrströmung untersucht und anschließend ein detaillierteres transientes Modell mit Rohrströmung entwickelt. Im letzten Schritt wurde dieses Modell um einen zyklischen Absorberbetrieb erweitert. Der zentrale Ansatz bestand darin, ein Gesamtpfahlfeld nicht vollständig zu simulieren, sondern durch repräsentative Einzelmodelle für Eck-, Rand- und Mittelpfähle zu ersetzen und deren Beiträge auf das Gesamtfeld hochzurechnen. Die Ergebnisse des stationären Modells zeigten zunächst, dass mit den implementierten Bauteilen und Randbedingungen qualitativ plausible Temperaturfelder erzeugt werden. Im transienten Modell mit Rohrströmung wurden die Vorteile der Konvektionsrandbedingung im Boden gegenüber der adiabaten oder Temperaturrandbedingung dargestellt. An diesem Modell konnten die Einzelmodelle die Rücklauftemperaturen und das thermische Verhalten der entsprechenden Pfähle des Gesamtmodells wiedergeben. Besonders relevant für eine praktische Anwendung sind die Ergebnisse des transienten Modell mit Rohrströmung und zyklischem Betrieb. Hier zeigte sich, dass die Einzelmodelle auch unter realitätsnahen Bedingungen eine präzise Annäherung an das Gesamtmodell liefern.Neben der Validierung der Einzelmodelle zeigt die Arbeit auch das zentrale Ziel hinsichtlich der Reduktion des Rechenaufwands. Für das transiente Modell mit Rohrströmung und zyklischem Betrieb wurde bei den Einzelmodellen eine Verringerung der Berechnungszeit von 63 % gegenüber einem 5x5-Gesamtmodell erreicht. Die entwickelten Einzelmodelle stellen somit ein geeignetes Werkzeug dar, um die Entzugsleistung größerer Energiepfahlfelder mit vertretbarem numerischem Aufwand abzubilden.

With the increasing requirements for a climate-neutral heating and cooling supply of buildings, geothermal systems, particularly energy geostructures, are gaining increasing importance. Energy geostructures combine the structural function of foundation elements with the thermal utilization of the subsurface, representing a resource-efficient form of shallow geothermal energy. However, the design of energy pile fields requires numerical models, since analytical approaches are unable to adequately capture complex geometries, group effects, and time-dependent operating conditions. Detailed simulations, on the other hand, require high computational costs and are therefore only partially suitable for preliminary design. Based on this problem, the objective of this thesis is to develop a reduced numerical model that allows the calculation of the heat extraction rate of energy pile fields with significantly reduced computational effort.For this purpose, several models were developed and successively extended using COMSOL Multiphysics. The key approach consisted of not simulating the entire pile field in detail but instead replacing it with representative single-pile models for corner, edge, and central piles, whose individual contributions were then extrapolated to the entire pile field.The results of a stationary model initially show that different temperature distributions occur respectively at corner, edge, and central piles. In a transient pipe flow model with a constant absorber, the advantages of the convective boundary condition in the soil compared to adiabatic or fixed-temperature boundary conditions were demonstrated. Using this model, the single-pile simulations were able to reproduce the return flow temperatures and thermal behavior of the corresponding piles in the full model. For practical applications the results of the transient pipe flow model with cyclic operation mode are particularly relevant. Under these more realistic conditions, the single-pile models also provided a precise approximation of the full model. Over the entire simulation period, the extraction capacity curves of the single and full models showed a high degree of agreement.In addition to validating the single models, the thesis also demonstrates the central objective of reducing computational effort. For the transient pipe flow model with cyclic operation, the single-pile model approach achieved a reduction in computation time of 63 % compared to a 5×5 full model while still providing sufficiently accurate results. The developed single models therefore represent a suitable tool for estimating the extraction capacity of larger energy pile fields in early planning stages using realistic climate and soil data with a manageable numerical effort.