Validierung analytischer und numerischer Berechnungsmodelle für Erdwärmesonden anhand von Feldmessungen

Abstract

Diese Diplomarbeit befasst sich mit der messtechnischen Untersuchung von Erdwärmesondenanlagen, mit dem Ziel, semi-analytische und numerische Modellierungsansätze hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Abbildung realer Betriebsbedingungen zu bewerten. Zu diesem Zweck wurden zwei Erdwärmesondenanlagen messtechnisch analysiert, wobei kontinuierliche Temperaturmessungen mittels Rohranlegefühlern, faseroptische Temperaturmessungen sowie Thermal-Response-Tests zum Einsatz kamen. Auf Basis der Messdaten wurden semi-analytische und numerische Modelle erstellt. Die Simulationsergebnisse wurden anschließend systematisch aufbereitet und den Messdaten gegenübergestellt. Dadurch konnte die Güte der erstellten Modelle validiert werden. Ergänzend wurden die Ursachen der dabei festgestellten Abweichungen untersucht, wobei sowohl der Einfluss der getroffenen Modellvereinfachungen als auch jener einer versiegelten Oberflächenüberbauung analysiert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl semi-analytische als auch numerische Modelle grundsätzlich geeignet sind, das thermische Verhalten von Erdwärmesondenanlagen abzubilden, wobei zwischenden Modellansätzen deutliche Unterschiede in der Abbildungsgenauigkeit bestehen. Während sich semi-analytische Modelle aufgrund ihres geringen Modellierungs- und Rechenaufwands vor allem für die Vordimensionierung eignen, ermöglichen numerische Modelle bei entsprechender Datengrundlage eine realitätsnähere Abbildung komplexer Anlagen und weisen insgesamt geringere Abweichungen zwischen Simulation und Messung auf. Die Untersuchungen verdeutlichen zudem, dass die Genauigkeit numerischer Modelle maßgeblich von der Qualität der Eingangsdaten, den gewählten Randbedingungen sowie den getroffenen Modellannahmen und Vereinfachungen abhängt. Für eine wirtschaftliche und belastbare Auslegung von Erdwärmesondenanlagen ist daher eine an den jeweiligen Anwendungsfall angepasste Wahl des Berechnungsmodells erforderlich.

This diploma thesis investigates two borehole heat exchanger systems based on field measurements in order to evaluate the applicability and accuracy of semi-analytical and numerical modelling approaches. For this purpose, continuous temperature measurements were conducted using pipe-mounted sensors, fibre-optic temperature measurements, and thermal response tests. Based on the measured data, the systems were modelled using both the semi-analytical designsoftware and numerical finite element software. The simulation results were systematically processed and compared with the measurement data, allowing the quality of the developed models to be validated. In addition, the causes of the remaining deviations between simulation and measurement were investigated by analysing both the influence of the applied model simplifications and that of a sealed surface cover. The results show that both semi-analytical and numerical models are generally suitable for representing the thermal behaviour of borehole heat exchanger systems, although significant differences in modelling accuracy exist between the two approaches. While semi-analytical models are particularly suitable for preliminary system design due to their low modelling and computational effort, numerical models provide a more realistic representation of complex systems when sufficient input data are available and generally exhibit smaller deviations between simulation and measurement. The investigations further demonstrate that the accuracy of numerical models depends strongly on the quality of the available input data, the selected boundary conditions, and the applied modelling assumptions and simplifications. Consequently, the economically efficient and reliable design of borehole heat exchanger systems requires the selection of a modelling approach that is appropriate for the intended application.