Geothermische Erdsondenfelder
Oberflächennahe Geothermie bietet eine vielversprechende kohlenstoffarme Lösung zum Heizen und Kühlen von Gebäuden. Die am weitesten verbreiteten oberflächennahen Geothermiesysteme sind vertikale erdgekoppelte Wärmepumpen (GSHPs). Diese Systeme tauschen Wärme mit dem Erdreich über Erdwärmesonden (BHEs) aus, die typischerweise in Tiefen von bis zu 400 m installiert werden.
Die Dimensionierung von Erdsondenfeldern ist komplex, da sie multiphysikalische Modellierung, langfristiges Verhalten und standortspezifische Randbedingungen umfasst. Da Erdsonden thermisch gekoppelt sind, beeinflusst die einer Sonde entzogene oder in sie eingebrachte Wärme benachbarte Sonden (bekannt als thermische Interferenz). Daher muss ein wirksamer Entwurf die kumulativen thermischen Lasten und Spitzenlasteffekte über Jahrzehnte des Betriebs (typischerweise 20–50 Jahre) berücksichtigen. Er muss sicherstellen, dass die Fluidtemperaturen während der gesamten Lebensdauer des Systems innerhalb akzeptabler Grenzen bleiben, um ein Gefrieren oder Überhitzen des Erdreichs zu verhindern.
Funktionsweise
TESSA setzt die Methode der zeitlichen Superposition und die g-Funktions-Modellierung ein, um die Fluidtemperaturen der Erdsonden über Jahrzehnte des Betriebs vorherzusagen. Dieser Ansatz baut auf validierten Methoden aus der wissenschaftlichen Fachliteratur und auf unserer eigenen veröffentlichten Forschung auf.
Die extremen Fluidtemperaturen werden durch Superposition dreier Lastkomponenten geschätzt:
- Langfristige Komponente — repräsentiert die jährliche Durchschnittslast.
- Saisonale (periodische) Komponente — erfasst saisonale Schwankungen.
- Kurzfristige (Puls-)Komponente — berücksichtigt Spitzenlasten, die Stunden bis Tage andauern.
Jede Lastkomponente ist mit den jeweiligen thermischen Widerständen des Erdreichs sowie dem thermischen Widerstand der Erdsonde verknüpft.
Zur Berechnung dieser thermischen Widerstände verwendet TESSA die von Dr. Per Eskilson entwickelte g-Funktions-Methode. Die g-Funktion ist eine dimensionslose Temperatur-Antwortfunktion, die beschreibt, wie sich die Erdreichtemperatur im Verlauf der Zeit als Reaktion auf eine Einheitswärmelast in einem Erdsondenfeld entwickelt. Diese Methode wird auch in branchenüblichen Werkzeugen wie Earth Energy Designer (EED) eingesetzt.
TESSA integriert Pygfunction, entwickelt von Prof. Massimo Cimmino, das die analytische Lösung der endlichen Linienquelle zur Berechnung von g-Funktionen verwendet. Anders als Werkzeuge, die auf einfache Geometrien (rechteckige oder U-förmige Felder) beschränkt sind, ermöglicht Pygfunction den Entwurf beliebiger Erdsondenfeld-Konfigurationen.
Erforderliche Eingaben
Um eine Dimensionierungsanalyse durchzuführen, benötigt TESSA folgende Eingaben:
- Wärmeaustauschprofil des Erdsondenfelds.
- Erdsondenspezifikationen (Abmessungen und thermische Eigenschaften).
- Layout des Erdsondenfelds (Koordinaten jeder Erdwärmesonde).
- Thermische Eigenschaften des Erdreichs.
- Randbedingungen für minimale und maximale Fluidtemperaturen.
Validierung mit Energy Earth Designer (EED)
Zur Validierung der in TESSA implementierten Erdsondenfeld-Dimensionierung wurden die Ergebnisse mit denen von Energy Earth Designer (EED) verglichen, einer weit verbreiteten Software für den Entwurf geothermischer Systeme. Zwei repräsentative Berechnungsfälle wurden definiert und in beiden Werkzeugen unter identischen Randbedingungen simuliert.
Definition der Validierungsszenarien
Erdsondenfeld-Konfiguration
- 2 × 3 rechteckiges Layout (6 Erdsonden insgesamt)
- Erdsondenabstand: 10 m
Erdsondenspezifikation
- Doppel-U-Rohr-Konfiguration
- Erdsondendurchmesser: 110 mm
Eigenschaften des Erdreichs
- Oberflächentemperatur: 8 °C
- Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs: 3,5 W/(m·K)
- Volumetrische Wärmekapazität: 2,16 MJ/(m³·K)
- Geothermischer Wärmefluss: 0,06 W/m²
Wärmeträgerfluid
- 25 % Ethylenglykol
Systemkonfiguration
- Heizung durch Wärmepumpe bereitgestellt (COP = 3)
- Kühlung durch direkte Kühlung bereitgestellt
Dimensionierungsparameter
- Simulationszeitraum: 50 Jahre
- Maximale mittlere Fluidtemperatur: 15 °C
- Minimale mittlere Fluidtemperatur: −1,5 °C
Lastfälle
- Fall 1: reiner Heizbetrieb.
- Fall 2: Heizen mit saisonaler Kühlung (was eine teilweise thermische Regeneration bewirkt).
| Fall | Jahreswärme (MWh) | Max. Monatswärme (MWh) | Spitzenwärme (kW) | Jahreskühlung (MWh) | Max. Monatskühlung (MWh) | Spitzenkühlung (kW) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 182 | 26.8 | 91 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 182 | 26.8 | 91 | 50 | 20 | 42 |
Ergebnisse
| Fall | Erdsondenlänge (EED) (m) | Erdsondenlänge (TESSA) (m) | Abweichung |
|---|---|---|---|
| 1 | 262 | 250 | −4.7% |
| 2 | 229 | 220 | −4.1% |
Die Abweichung zwischen TESSA und EED bleibt in beiden Fällen unter 5 %. In Fall 1 (reiner Heizbetrieb) unterschätzt TESSA die erforderliche Erdsondenlänge im Vergleich zu EED leicht. In Fall 2 verringert die Einführung von Kühllasten die erforderliche Erdsondenlänge aufgrund der thermischen Regeneration des Erdreichs. Beide Werkzeuge erfassen diesen Regenerationseffekt konsistent, und die relative Abweichung bleibt ähnlich gering. Insgesamt zeigt der Vergleich die Zuverlässigkeit der TESSA-Implementierung für langfristige geothermische Dimensionierungsberechnungen.