-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der
Wärmeentzugsleistung aus einer Erdwärmesonde.
-
Stand der Technik
-
Für
die Gewinnung von Erdwärme aus dem Erdreich werden Erdwärmesonden
eingesetzt, die als Wärmetauscher eine U-Rohr-, Doppel-U-Rohr-, Spiralrohr-
oder Koaxialrohr-Anordnung verwenden. Diese Wärmetauscher
sind mit einem Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch gefüllt,
das von einer Zirkulationspumpe in Umlauf gehalten wird und so die,
durch die Erdwärme erwärmte Flüssigkeit
nach oben zur Verwertung austrägt. Die Wärmeentzugsleistung
ist neben den technischen Parametern im Zirkulationskreis (Rate,
Druckverlust, Strömungszustand, Konstruktionsform und Anordnung
der Rohre) stark von den Eigenschaften des Verfüllmaterials,
der Qualität der Verfüllung der Räume
um die Rohre und von den Eigenschaften im Erdreich abhängig. Über
die großen Sondenlängen werden verschiedene Erdschichten
aufgeschlossen, die deutlich unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten
besitzen.
-
Zur
Ermittlung der Eigenschaften im Erdreich und der Verfüllung
werden Thermal-Response-Tests eingesetzt. (Literatur „Geothermische
Energie 24/25 März/September 1999 – www.geothermie.de/gte/gte24–25/artikel10.htm; Thermal
Response Test – Method Development and Evaluation, Signhild
Gehlin, Doctoral Thesis, Lulea University of Technology, 2002 – http://epupl.luth.se/1402–1544/2002/39/LTU-DT-0239-SE.pdf).
Mit den Thermal-Response-Tests ist es möglich, durch die
Zirkulation einer Flüssigkeit mit einer Temperaturdifferenz
zur Temperatur im Erdreich über eine Testperiode die mittlere
integrale Entzugsleistung für eine Erdwärmesonde
zu bestimmen. Aussagen über teufenabhängige Abweichung
der Wärmeleitfähigkeit in der Verfüllung
und über die unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten
im Gebirge sind nicht möglich.
-
Weiterhin
ist bekannt, dass mit einer Temperaturmesssonde die unterschiedlichen
Temperaturen in einer Erdsonde direkt gemessen und zur Bestimmung
der Wärmeleitfähigkeiten benutzt werden (Literatur: bbr-Fachmagazin
für Brunnen- und Leitungsbau 05/2008, Seite 42 ff. „Mehr
Sicherheit bei der Planung von Erdwärmesonden"; – http://bbr-online.de/fileadmin/PDF/bbr/05_2008/bbr_052008_wagner.pdf). Ebenso
ist bekannt, dass direkt beim Bau der Erdwärmesonden Temperaturmessstellen
fest über die gesamte Länge mit angeordnet werden
und ebenfalls zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeiten
genutzt werden. (Literatur: Geothermische Energie 32/33, März/Juni
2001 – www.geothermie.de/gte/gte32–33/faseroptische_temperaturmessung.html und www.geso-online.de/download/faseroptische.pdf).
-
Mit
den bisher bekannten Verfahren kann die Wärmeentzugsleistung
nur mit einem erheblichen Aufwand durch Einsatz zusätzlicher
Messtechnik den einzelnen unterschiedlichen Eigenschaften der Erdreichformationen
zugeordnet werden. Die Messtechnik wird entweder in die Sonde eingebaut,
so dass die Gefahr des Verlustes einschließlich der Sonde
ist im hohen Maße besteht oder sie muss bereits bei der Installation
neben der Sonde als nichtwiedergewinnbaren Sensorik eingebaut werden.
-
Charakteristik der Erfindung
-
Mit
der Erfindung soll ein einfaches und wirtschaftliches Messverfahren
und eine Anordnung zur Bestimmung der Wärmeentzugsleistung
aus Erdwärmesonden oder analogen Anordnungen mit Zirkulationspumpen
geschaffen werden.
-
Das
wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass in
dem Wärmetauscher einer Erdwärmesonde Flüssigkeit
mit einer deutlichen Temperaturdifferenz zum Erdreich einzirkuliert
wird, so dass der gesamte Wärmetauscher mit einer Flüssigkeit
mit annähernd konstanter Temperatur gefüllt ist
oder die Temperaturverteilung nach dem Füllen bekannt ist.
Es kann eine lineare Temperaturverteilung mit guter Nährung zwischen
Eingangs- und Ausgangstemperatur angenommen werden. Im Anschluss
daran wird die Zirkulation für eine bestimmte Dauer unterbrochen.
Die Temperatur in dem Wärmetauscher der Sonde gleicht sich
während dieser Zeit zu der Temperatur in der Umgebung in
Abhängigkeit von der Qualität der Verfüllung
und der Eigenschaften des Erdreiches aus. So entstehen unterschiedliche
Temperaturen im Verlauf der Sonde. Die Dauer der Zirkulationsunterbrechung
ist so festzulegen, dass die Eigenschaften in unterschiedlichen
Entfernungen von dem Wärmetauscher der Sonde oder Reichweite
ins umgebende Erdreich erfasst werden können. Nach der
Zirkulationsunterbrechung werden die Flüssigkeiten langsam auszirkuliert,
so dass die sich eingestellte Temperaturverteilung möglichst
nicht gestört wird. Die Temperaturunterschiede der Flüssigkeit
und die Durchflussrate werden in Abhängigkeit von der Zeit
erfasst, so dass eine Zuordnung der Temperaturänderung
zum Standort des Temperaturmesswertes am Ende der Zirkulati onsunterbrechung
gegeben ist. Zur Realisierung des Verfahrens sind erfindungsgemäß in
die Rücklaufleitung des Wärmetauschers eine Temperatur-
und eine Durchflussmessstelle sowie eine Kurzschlussstrecke zwischen
Vor- und Rücklaufleitung angeordnet und dass in dem Kreislauf
aus Wärmetauscher und Kurzschlusstrecke ein Aufgabebehälter zur
Einspeisung einer Flüssigkeit mit einer vorgewählten
Temperaturdifferenz zur Erdreichtemperatur in den Kreislauf und
ein Auffangbehälter zur Aufnahme der Flüssigkeit
nach seinem Weg durch den Wärmetauscher angeordnet ist.
-
Vorteile der Erfindung
-
Bei
der Erfindung ist es möglich eine Messung an jeder neuen
oder vorhandenen, sich in Betrieb befindlichen Erdwärmesonde
durchzuführen. Gegenüber dem bisher zur Bestimmung
der Wärmeentzugsleistung in der Wirtschaft eingesetzten
Thermal Response Test, der nur einem integralen Wert der Erdwärmesonde
liefert, werden mit dem Temperaturausgleichverfahren teufenabhängige
Parameter bereitgestellt. Weiterhin ist es mit einer wesentlich einfacheren
Anordnung durchzuführen. Es ermöglicht diese teufenabhängige
Informationen, ohne eine zusätzliche Messtechnik, die in
die Sonde eingebracht werden müsste, und verringert damit
die Gefahr für den Verlust des Messgebers in der Sonde, was
in der Regel zum Verlust der Erdwärmesonde führen
würde. Eine Messung in Spiral- und Koaxialsonden ist deshalb
mit dem Temperaturausgleichverfahren ebenfalls ohne Einschränkung
möglich.
-
Ausführungsbeispiel
-
Das
Ausführungsbeispiel wird anhand folgender Darstellungen
beschrieben.
-
1:
Die schematische Darstellung einer in verschiedenen Erdformation
eingebrachten Erdwärmesonde
-
2:
Die schematische Darstellung der Versuchsanordnung für
den Temperaturausgleichstest
-
3:
Die schematische Darstellung des Temperaturausgleichs unter verschiedenen
Einflussfaktoren
-
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
Die
Zirkulationserdwärmesonde mit der Zirkulationsleitung 1 ist über
die Verfüllung 2 in das Bohrloch 3 eingebaut
(1). Die Verfüllung weist die Hohlstellen 5 und
der Wärmetauscher 12 die Leitungsberührung 4 auf.
-
Das
dem Bohrloch umgebende Erdreich weist die unterschiedlichen Erdformationen 6, 8, 9, 10 sowie
den Grundwasserspiegel auf.
-
In
die Zirkulationsleitung sind die Molche 11 eingebracht.
-
Für
die so eingebaute Zirkulationserdwärmesonde sollen die
Wärmeentzugsleistungen über die Teufe ermittelt
werden (2).
-
Die
Zirkulationsleitung 1 ist als Wärmetauscher 12 der
Zirkulationserdwärmesonde über die Verfüllung 2 in
das Erdreich eingebunden. Der Wärmetauscher 12 ist
ein geschlossener Kreislauf 13. Weiter gehören
zu dem Kreislauf 13 die regelbare Zirkulationspumpe 15,
die in die Kurzschlussstrecke 19 eingebaut ist. In der
Kurzschlussstrecke 19 sind die Temperaturmessstelle 16 und
die Durchflussmessstelle 17 eingebunden. Weiterhin sind
der isolierte Aufgabebehälter 14 und der Auffangbehälter 18 über
Leitungen und Ventile an die Kurzschlussstrecke 19 angebunden.
Die Kurzschlusstrecke 19 weist zur Unterbrechung des Kreislaufes 13 das
Ventil 20 auf.
-
Die
Durchführung der Messung erfolgt in mehreren Schritten,
die im Folgenden beschrieben werden.
-
1. Erfassung der Ausgangssituation
-
Die
Zirkulation der Flüssigkeit in dem Kreislauf 13 erfolgt über
die Kurzschlussstrecke 19 ohne Wärmezu- oder -abfuhr.
Dabei werden die Temperatur und der Durchfluss erfasst. Die Zirkulation
wird solange durchgeführt, bis sich nur noch geringe Temperaturveränderungen
ergeben oder sich zwischen der Vorlauf- und Rücklauftemperatur
eine konstante Differenz eingestellt hat. Sollte die Erdwärmesonde vor
der Messung bereits im Betrieb gewesen sein, dann ist vor der Zirkulation
der Inhalt mit der aus dem Aufgabebehälter 14 bereit
gestellten Flüssigkeit, die in etwa die mittlere Temperatur
der Zirkulationsflüssigkeit besitzt, auszuzirkulieren.
Die Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher 12 der
Erdwärmesonde wird unter Messung von Temperatur und Durchfluss über die
Zeit in dem Auffangbehälter 18 eingeleitet.
-
2. Aufbringen der Temperaturdifferenz
-
Nach
dem die Ausgangssituation erfasst und die Temperaturbedingungen über
die gesamte Sondenlänge vergleichsmäßig
sind, beginnt der eigentliche Temperaturausgleichtest. In dem Wärmetauscher 12 wird
eine Flüssigkeit mit einer möglichst großen
Temperaturdifferenz eingebracht. Die Flüssigkeit wird in
dem isolierten Aufgabebehälter bei konstanter Temperatur
vorgehalten. Der Temperaturausgleichtest kann sowohl mit hohem als
auch mit niedrigen Temperaturen gefahren werden. Bei niedrigen Temperaturen
wird der Wärmeentzug aus dem Erdreich und bei hohen der
Wärmeeintrag in das Erdreich zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit
genutzt. Aus beiden Varianten ergeben sich analoge Aussagen zu den
gewünschten Informationen über die Wärmeleitfähigkeiten.
-
Die
Temperaturänderung in dem Wärmetauscher 12 kann
durch einen einmaligen Austausch der vorhanden Flüssigkeit
im Wärmetauscher 12 gegen eine Flüssigkeit
mit einer deutlich anderen Temperatur oder durch eine längere
Zirkulation mit einer Flüssigkeit mit einer unterschiedlichen
Temperatur erfolgen. Bei der Zirkulation wird die Zeitdauer so gewählt,
dass die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf
konstant bleibt. Die Temperaturen werden messtechnisch an der Aufgabe
und am Auslauf erfasst. Bei einem einmaligen Austausch wird die Temperatur
am Auslauf ebenfalls erfasst. Die Aufgabetemperatur wird durch die
Temperatur im Aufgabebehälter 14 vorgegeben. Die
Anfangstemperaturverteilung über die Sondenlänge
wird in erster Nährung als linear verteilt voraus gesetzt.
-
3. Temperaturausgleich
-
Mit
Abschluss der Zirkulationsarbeiten wird der Temperaturausgleich
zwischen der Temperatur im Wärmetauscher 12 und
der Temperatur im Erdreich begonnen. Der Temperaturausgleich vollzieht sich
bei höherer Wärmeleitfähigkeit schneller,
so dass sich in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Eigenschaften
in der Verfüllung und den Eigenschaften in den Erdreichformationen 6, 8, 9,
und 10 unterschiedliche Temperatur einstellen (3).
Die Temperaturen werden in der jeweiligen Tiefe der Erdwärmesonde
auf die Flüssigkeit im Wärmetauscher 12 übertragen.
Bei lang andauernden Ausgleichsphasen kann der Wärmeaustausch
in den Säulen durch Konvektion die Messwerte beeinflussen.
Aus diesem Grund werden am Ende der Zirkulation und vor Beginn des
Temperaturausgleiches mehrere Molche 11 (1)
in möglichst gleichen Abständen in die Leitungen
des Wärme tauschers 2 mit eingebracht, die dann
den Wärmetransport durch Konvektion während der
Ausgleichsphase auf den Raum zwischen den Molchen beschränken.
-
- 4. Nach dem die Ausgleichphase abgeschlossen ist,
müssen die unterschiedlichen Temperaturen zur Bestimmung
der Eigenschaften verfügbar gemacht werden.
-
Hierzu
wird über den Aufgabebehälter 4 eine Flüssigkeit
mit der mittleren erwarteten Temperatur im Wärmetauscher 2 einzirkuliert
und schiebt damit die Flüssigkeitssäule mit den
unterschiedlichen Temperaturen, unter Registrierung von Temperatur
und Durchflussmenge, in Abhängigkeit von der Zeit in den Auffangbehälter 18 (3).
Der Messablauf 1 bis 4 kann zum Nachweis der Reproduzierbarkeit
wiederholt werden. Bei unterschiedlichen andauernden Ausgleichphasen
werden Informationen über unterschiedliche Bereiche um
die Sonde erfasst. Je länger die Ausgleichphase dauert,
umso größer ist der beeinflusste Radius um die
Sonde. Die Dauer der Ausgleichsphase wird deshalb gezielt eingesetzt.
Sind beispielsweise Aussagen über die Qualität
der Verfüllung 2 im unmittelbaren Umfeld der Zirkulationserdwärmesonde
gewünscht, dann sollte die Ausgleichsphase kurz, also in
der Regel kleiner 6 Stunden, dauern. Bei Aussagen zum Erdreich sollte
die Ausgleichzeit 24 Stunden nicht unterschreiten.
-
5. Auswertung
-
Die
gemessenen Temperaturen, die den Temperaturverlauf 22 widerspiegeln,
werden im Vergleich zu einem simulierten Temperaturverlauf einer homogen
verfüllten und mit homogenem Erdreich umgebenen Mustersonde
bewertet und verglichen. Aus den Temperaturunterschieden zwischen
den theoretisch simulierten Werten der homogenen Variante für
die Mustersonde mit den Messwerten, die in Verbindung mit der Durchflussmessung
der Tiefe zugeordnet werden, werden die Wärmeleitfähigkeiten der
wirklichen vermessenen Sonde bestimmt. Bei dem Auszirkulieren wird
im Idealfall der Temperatur-Zeit-Verlauf aus dem ersten U-Rohr-Schenkel 23 spiegelbildlich
zum zweiten U-Rohr-Schenkel 24 abgebildet. Da die Wärmeleitfähigkeit
des Verfüllmaterials 2 und auch das Erdreich,
dargestellt durch die Erdformationen 6, 8, 9 und 10,
relativ klein sind, wird die Temperaturverteilung in der Flüssigkeitssäule beim
Auszirkulieren nur gering beeinflusst. Die Durchflussmenge bei dem
Auszirkulieren ist deshalb so zu wählen, dass eine Vermischung
der einzelnen Abschnitte nicht erfolgt. Die Molche 11 verhindern noch
den Austausch und verbessern die teufenbezogene Aussage zur Wärmeleitfähigkeit.
Der Temperaturverlauf aus der Zirkulationserdwärmesonde
weicht in direkter Ab hängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit ab.
Bei einer höher gemessenen Temperatur gegenüber
der Mustersonde ergibt sich eine kleinere Wärmeleitfähigkeit
als für die Mustersonde angenommen wurde. Umgekehrt ergibt
sich bei niedrigeren gemessenen Temperaturen eine größere
Wärmeleitfähigkeit.
-
Es
werden damit sowohl Aussagen zur Wärmeleitfähigkeit
im Verfüllmaterial und im Erdreich in Abhängigkeit
von der Tiefe getroffen.
-
Technische
Fehler bei der Verfüllung werden ebenso erkannt und interpretiert.
-
Weiterhin
werden Informationen für die technische Ausführung
der Sonde insbesondere im unmittelbaren Bereich des Wärmetauschers 12 aus
den Wärmeübergangsprozessen zwischen eng aneinanderliegenden
Vor- und Rücklaufleitungen gewonnen. Im Bereich der Leitungsberühungsstelle 4 erfolgt eine
bessere Wärmeübertragung, die sich auf die Zirkulationstemperatur
auswirkt und qualitativ interpretiert werden.
-
Die
Anwendung des Temperaturausgleichtestes ist nicht nur auf eine U-Rohr-Sonde,
wie im Ausführungsbeispiel beschrieben, anwendbar. Durch die Übertragung
der Temperaturunterschiede beim einfachen Auszirkulieren wird der
Test auch für eine Doppel-U-Rohr-, Spiral- oder Koaxialsonde
und für die Beurteilung des horizontal verlegten Erdwärmekollektors
oder für das von Zirkulationssystem bei der Betonkernaktivierung
in analoger Weise eingesetzt.
-
Bei
einer Einrohrsonde, wie sie für eine Erdwärmesonde
mit Phasenwechsel zum Einsatz kommt, wird die Sonde vor der Inbetriebnahme
mit Flüssigkeit gefüllt und der Temperaturausgleich
in dieser Flüssigkeitssäule registriert und ausgewertet.
-
- 1
- Zirkulationsleitung
- 2
- Verfüllung
- 3
- Rohrloch
- 4
- Leitungsberührung
- 5
- Hohlraum
- 6
- Erdformation
- 7
- Grundwasserspiegel
- 8
- Erdformation
- 9
- Erdformation
- 10
- Erdformation
- 11
- Molch
- 12
- Wärmetauscher
- 13
- Kreislauf
- 14
- Aufgabebehälter
- 15
- Zirkulationspumpe
- 16
- Temperaturmessstelle
- 17
- Durchflussmessstelle
- 18
- Auffangbehälter
- 19
- Kurzschlussstrecke
- 20
- Ventil
- 21
- Temperatur-Radius-Verlauf
- 22
- Temperatur-Teufen-Verlauf
- 23
- ersten
U-Rohr-Schenkel der Zirkulationserdwärmesonde
- 24
- zweiten
U-Rohr-Schenkel der Zirkulationserdwärmesonde
- 25
- Geländeoberfläche
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Geothermische
Energie 24/25 März/September 1999 [0003]
- - www.geothermie.de/gte/gte24–25/artikel10.htm [0003]
- - Thermal Response Test – Method Development and Evaluation,
Signhild Gehlin, Doctoral Thesis, Lulea University of Technology,
2002 [0003]
- - http://epupl.luth.se/1402–1544/2002/39/LTU-DT-0239-SE.pdf [0003]
- - bbr-Fachmagazin für Brunnen- und Leitungsbau 05/2008,
Seite 42 ff. „Mehr Sicherheit bei der Planung von Erdwärmesonden” [0004]
- - http://bbr-online.de/fileadmin/PDF/bbr/05_2008/bbr_052008_wagner.pdf [0004]
- - Geothermische Energie 32/33, März/Juni 2001 [0004]
- - www.geothermie.de/gte/gte32–33/faseroptische_temperaturmessung.html [0004]
- - www.geso-online.de/download/faseroptische.pdf [0004]