Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0069;F-Geothermie
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Einsatz von EWS für Direkteizung ohne WP : Modellierung der Sondengeometrie, etc. und Wirtschaftlichkeitsanalyse
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Erdwärmesonden werden heute primär im geschlossenen Kreislauf als Wärmequellen für Wärmepumpen eingesetzt. Im Molassegebiet des Schweizerischen Mittellandes ist im ungestörten Erdreich in Tiefen von 400m mit Temperaturen von ca. 24-26 °C zu rechnen. Dies ist die minimale Temperatur, mit der heute ein gut wärmegedämmtes Gebäude mit Strukturheizung auf 20 °C beheizt werden kann (d.h. direkt, ohne eine Wärmepumpe). In einer ersten Etappe soll analytisch untersucht werden, wie eine geschlossene Erdwärmesonde aussehen muss, damit eine minimale Temperatur von 24-26°C aus einer Tiefe von ca. 600 m gefördert werden kann. Zunächst wurden dazu die grundsätzlichen Unterschiede zwischen untiefen und tiefen Erdwärmesonden dargestellt und daraus abgeleitet Schlussfolgerungen für die notwendigen Rechenmodelle abgeleitet. Aus physikalischer Sicht liegt dabei die Abgrenzung nicht in der Bohrtiefe, sondern im Temperaturniveau, das genutzt werden soll. In der klassischen Erdwärmesonde liegt im Wärmeentzugsfall das Temperatur-Nutzungsniveau über die ganze Sondentiefe unter dem natürlichen Temperaturniveau des unbeeinflussten Erdreichs, bei den tiefen Erdwärmesonden findet nur im unteren Teil ein Wärmeentzug statt, im oberen Teil verliert die Sonde wieder einen Teil ihrer Wärme ans Erdreich. Entsprechend dieser Definition nutzt die tiefe Erdwärmesonde den geothermischen Wärmefluss aus dem Erdinnern, die untiefe Erdwärmesonde hingegen primär die von der Erdoberfläche im Jahreszeitenverlauf eindringende Wärme ins Erdreich. Aus dieser Erkenntnis heraus wurde die analytische „Erdwärmesondengleichung“ hergeleitet und Regeln für die Anwendbarkeit der Modelle aufgestellt. Die Umkehrung des Wärmeflusses in tiefen Erdwärmesonden erzwingt im Simulationsbereich auch den Einsatz eines Modells, bei dem das Erdreich in horizontale Erdschichten unterteilt werden kann. Dabei sollen die Stoffwerte der Sonde und Hinterfüllung in den einzelnen Schichten unterschiedlich berechnet werden können. Aus diesem Grund wurde das Simulationsprogramm EWS (Huber, Schuler, 1997) entsprechend angepasst. Die Berechnungen zeigen, dass bei 600 m tiefen Erdwärmesonden (50mm Duplex) Quellentemperaturen von maximal 19°C erreicht werden können. Durch eine unterschiedliche Hinterfüllung im unteren und im oberen Teil der Sonde lässt sich die Quellentemperatur um maximal 2°C erhöhen. Diese Massnahme verringert den Wärmetransport vom unteren Teil des Erdreichs in die oberen Erdschichten und führt so im oberen Erdreich zu einem grösseren Temperaturgradienten zur Sonde hin. Durch eine höhere Sondenexzentrizität lässt sich die Quellentemperatur bis maximal 1 °C erhöhen. Mit Koaxialsonden in der gleichen Bohrung hingegen lassen sich bei Bohrtiefen von 600 m Quellentemperaturen von 25 – 26 °C erreichen. Im Gegensatz zur Doppel-U-Sonde ist die Koaxialsonde mit der notwendigen, guten thermischer Ankopplung ans Erdreich aber noch weiter weg von der technischen Realisierbarkeit. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigt, dass selbst bei idealen Bohrverhältnissen mit rund 45% Mehrkosten gegenüber konventionellen, untiefen Erdwärmesonden mit Wärmepumpe zu rechnen ist. Es ist denkbar, dass die künftige Bohrtechnik diese Mehrkosten wesentlich verringern wird. Eine Warmwasserproduktion ohne Wärmepumpe wird mit dieser Technik aber nicht realisierbar. Trotzdem wird der Trend zu tieferen Bohrungen sicher anhalten, da damit höhere Quellentemperaturen und damit wesentlich bessere Wirkungsgrade bei Wärmepumpen ermöglicht werden. In diesem Sinne sollen die Anstrengungen zu dieser Arbeit verstanden werden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Huber Energietechnik AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Huber,Arthur
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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So far, vertical borehole heat exchangers are mainly applied in closed loops as heat sources for heat pumps. In a depth of 400 m in the Swiss Molasse Basin, the undisturbed ground temperature is expected to be some 24 to 26 °C. This is the minimal temperature level required for heating a good insulated building equipped with a structure heating system (directly, without a heat pump). In a first step, the goal is to examine analytically how a closed vertical borehole heat exchanger has to be engineered to deliver heating temperatures of 24 to 26 °C out of a depth of 600 m. In the analytical part of this report, the main differences between deep and shallow boreholes are displayed. Conclusions for the required mathematical models are derived. It is showed that not the borehole depth but the applied temperature level is the prominent difference between deep and shallow boreholes. Using a classical borehole heat exchanger for heating, the applied temperature level is lower than the temperature level of the undisturbed ground. On the other hand, in deep boreholes the heat extraction only takes place in the lower part, in the upper part, the borehole heat exchanger looses heat into the ground. Accordant to this definition, a deep vertical borehole is using the geothermic heat flow out of the earth's core while shallow boreholes use heat that entered into the ground during summer time from the surface. Out of this cognition, the analytically "vertical borehole equation" was derived and rules for the model's applicability were made. The reversal of the heat flow in the upper part of deep boreholes enforces the application of models which allow the simulation of different horizontal layers in the ground. In addition, the model has to calculate the material values of the borehole and of the backfilling material differently. In this account, the simulation software EWS (Huber, Schuler, 1997) was adapted accordingly. The results of the computations show that 600 m deep boreholes (50 mm duplex) can deliver maximum temperatures of 19 °C. By using different backfilling materials in the upper and the lower part of the borehole, the source temperature can be raised by 2 °C. This method reduces the heat flow from the lower to the upper part of the ground and causes a larger temperature gradient in the upper part towards the borehole. By choosing a vertical borehole with higher eccentricity, the source temperature can be raised by some 1 °C. Using coaxial boreholes of 600 m depth, source temperatures of 25 to 26 °C can be achieved. In contrast to the double U-pipe, the coaxial borehole with its necessarily good thermal connection to the ground is farther away from the technical feasibility.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Huber Energietechnik AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Huber,Arthur
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Schlussbericht
(Französisch)
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Présent des sondes géothermiques sont utilisées surtout dans le cycle fermé comme sources de chaleur pour des pompes à chaleur. Dans le bassin molassique suisse, on s'attend à des températures d'environ 24-26°C dans des profondeurs de 400 m. C’est la température minimale, avec laquelle un bâtiment avec une bonne isolation thermique et un chauffage structurel peut être chauffé à 20°C (c.-à-d. directement, sans une pompe à chaleur). Dans une première étape, on examine analytiquement, comme une sonde géothermique fermée doit paraître, afin qu'une température minimale de 24-26°C d'une profondeur d'environ 600 m puisse être tirée. D'abord, les différences fondamentales entre sondes géothermiques peu profondes et profondes sont représentées et des conclusions pour les modèles nécessaires sont dérivées. Du point de vue physique, la délimitation y ne se trouve pas dans la profondeur du forage, mais dans le niveau de température qui est utilisé. Conformément à cette définition, la sonde géothermique profonde utilise toutefois d'abord le fleuve de chaleur géothermique de l'intérieur de la terre. Par contre, la sonde géothermique peu profonde utilise la chaleur pénétrant de la surface terrestre. L’équation de la sonde géothermique analytique est déduite de cette constatation et on établis des règles pour l'applicabilité des modèles. Le renversement du fleuve de chaleur dans les sondes géothermiques profondes impose aussi l'application d'un modèle dans le secteur de simulation, avec lequel le sol peut être subdivisé en couches de terre horizontales. Les valeurs de matière de la sonde et le remplissage doivent être calculées différemment dans les différentes couches. Pour cette raison, le programme de simulation EWS (Huber, Schuler, 1997) a été adapté. Les calculs montrent qu'avec des sondes géothermiques de 600 m (50mm duplex) on peut atteindre des températures de source au maximum de 19°C. Par un remplissage différent dans la partie inférieur et supérieur de la sonde, la température de source peut augmenter au maximum 2°C. Par une excentricité de sonde plus élevée, la température de source peut être augmentée en plus 1°C. En utilisant une sonde coaxiale on peut atteindre des températures de 25 - 26°C avec des profondeurs de forage de 600m. Contrairement à la sonde double-U, la sonde coaxiale avec le raccord thermique nécessaire est toutefois encore plus loin de la réalisation technique.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Huber Energietechnik AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Huber,Arthur
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