Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0074;F-Wärmepumpen und Kälte
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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CO2-Erdwärmesonde, Phase 2
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Dieses Projekt befasst sich mit der Untersuchung der fluid- und thermodynamischen Vorgänge in einer CO2-Erdwärmesonde (EWS), welche nach dem Prinzip eines Thermosyphons funktioniert. Obwohl in den letzten Jahren bereits eine beträchtliche Anzahl von Anlagen, mehrheitlich in Deutschland und Österreich, in Betrieb gegangen sind, fehlt es nach wie vor an einem fundierten Verständnis der Funktionsweise solcher Sonden.
Um das Verhalten der EWS unter verschiedenen Bedingungen untersuchen zu können, wurde in MATLAB ein Simulationsmodell erstellt, welches das Verhalten der Sonde mit der Wärmeleitung im Erdreich koppelt. Es zeigt sich dabei, dass sich der Druck in der Sonde im stationären Zustand so einstellen wird, dass der Flüssigkeitsfilm bis zum Flüssigkeitspool hinunter reicht. Dies setzt jedoch voraus, dass die Füllmenge an CO2 im Rohr genügend gross ist. Im Rahmen einer Parameterstudie wurde aufgezeigt, dass das Thermosyphonprinzip, unabhängig von der entzogenen Wärmeleistung, sogar bei ausgeschalteter Wärmepumpe, durch den selbsttätigen Umlauf zu einer Energieumlagerung von unten nach oben führt. Dadurch gleicht sich die Erdreichtemperatur in der Nähe der Sonde von oben nach unten rasch aus und führt zu gleichmässigerem Wärmeentzug über die Höhe. Ebenso ist dieses Verhalten vorteilhaft für die Regeneration des Erdreichs in „off“ Phasen.
Der Wärmeübergangswiderstand im Flüssigkeitsfilm an der Sondenwand ist gegenüber dem Wärmeleitwiderstand des Erdreichs sehr klein. Daher kann für die Wärmeübergangscharakteristik kein Vorteil festgestellt werden, wenn die Flüssigkeit auf mehreren Höhenstufen eingespritzt wird. Zwar kann die sogenannte Staugrenze durch Aufteilen der Flüssigkeit bei einer Mehrfacheinspritzung erhöht werden, doch wird dieser Effekt durch die Notwendigkeit der Einführung eines Innenrohrs wieder verringert. Das Prinzip der Mehrfacheinspritzung wird sich daher aus heutiger Sicht angesichts des hohen konstruktiven Aufwands kaum rechtfertigen lassen.
Für den Wärmeübergang sind weite Rohre wegen der grösseren Oberfläche günstiger. Auch muss für die Auslegung bezüglich Staugrenze ein gewisser Mindestdurchmesser eingehalten werden. Jedoch steigt mit dem Durchmesser auch der konstruktive Aufwand. Es muss daher in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner ein Optimum zwischen theoretisch Wünschbarem und technisch und finanziell Machbarem gefunden werden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Grüniger,Andrea
Wellig,Beat
Wellig,Beat
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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In this project the fluid dynamics and thermodynamics inside a CO2 geothermal heat probe have been investigated. The functionality of such a probe, which works like a thermosyphon, was analyzed by means of a simulation model in MATLAB. The model couples the behaviour inside the heat probe with the heat conduction in the earth. A parameter study revealed that the self-circulation character of such a probe leads to flattening of the vertical earth temperature profile near the probe and, hence, leads to more uniform heat removal along the probe. This “energy shifting effect” from bottom to top even works when the heat pump is off, by a combination of evaporation of CO2 in the lower part and condensation in the upper part of the probe. The heat transfer resistance of the evaporating CO2 film flowing down the probe wall is very small compared to the conduction resistance of the earth. Therefore, no difference has been found between the performances of a conventional heat pipe and a configuration where the liquid phase injection is distributed on different height stages along the probe. By dimensioning a CO2 heat pipe it has to be considered that the pipe diameter has to be wide enough in order to not limit the heat flow due to flooding (holdup of liquid film by gas flow). Wider pipes are also favourable regarding heat transfer, while on the other hand costs of construction will increase.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Grüniger,Andrea
Wellig,Beat
Wellig,Beat
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Nutzung von Erdwärme zu Heizungszwecken gewinnt stetig an Bedeutung. Als Alternative zu konventionellen U-Rohr-Sonden, welche mit Wasser/Glykol (Sole) arbeiten, wurden in den letzten Jahren vor allem in Österreich und Deutschland Erdwärmesonden installiert, welche Kohlendioxid (CO2) als Arbeitsfluid verwenden. Diese CO2-Erdwärmesonden arbeiten nach dem Prinzip eines Gravitationswärmerohrs. Das flüssige CO2 rinnt an der Rohrwand nach unten, verdampft unter Aufnahme der Erdwärme und steigt in der Rohrmitte wieder auf. Aufgrund des selbsttätigen Umlaufs benötigen diese Sonden keine Umwälzpumpe. Sie werden daher auch „pumpenlose Erdwärmesonden“ genannt.
Ziel dieser Studie war es, die fluid- und thermodynamischen Vorgänge in einer CO2-Erdwärmesonde mit Hilfe eines Simulationsmodells zu untersuchen. Es sollte dabei auch die Möglichkeit einer Mehrfacheinspritzung des Arbeitsfluids in Betracht gezogen werden. Zudem sollte das Effizienzsteigerungspotenzial egenüber konventionellen Sole-Sonden quantifiziert werden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Grüniger,Andrea
Wellig,Beat
Wellig,Beat
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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In this project the fluid dynamics and thermodynamics inside a CO2 geothermal heat probe have been investigated. The functionality of such a probe, which works like a thermosyphon, was analyzed by means of a simulation model in MATLAB. The model couples the behaviour inside the heat probe with the heat conduction in the earth. A parameter study revealed that the self-circulation character of such a probe leads to flattening of the vertical earth temperature profile near the probe and, hence, leads to more uniform heat removal along the probe. The circulation of CO2 even goes on when the heat pump is off. This might be advantageous for the regeneration phase. The heat transfer resistance of the evaporating CO2 film flowing down the probe wall is very small compared to the conduction resistance of the earth. Therefore, no difference has been found between the performances of a conventional heat pipe and a configuration where the liquid phase injection is distributed on different height stages along the probe.
It is estimated that the seasonal performance factor of heat pumps can be improved by 15-25% with a CO2 geothermal heat probe. The main advantage is that the heat transfer to the evaporator of the heat pump (condensation of CO2 / evaporation of refrigerant) is much more efficient than in a conventional brine probe without phase change. Furthermore, no circulation pump is needed.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Grüniger,Andrea
Wellig,Beat
Wellig,Beat
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