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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der
Wärmeentzugsleistung aus
einer Erdwärmesonde.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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Weiterhin
ist aus der Europäischen
Patentschrift
EP 1
600 749 B1 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
Si cherheit bei der Planung von Erdwärmesonden”; – http://bbr-online.de/fileadmin/PDF/bbr/05_2008/bbr_052008_wagner.pdf).
Bei der Messung sinkt eine Temperaturmesssonde in eine Sondenleitung
ab. Die aufgezeichneten Temperaturen auf dem Weg des Sinkens geben
Auskunft über
unterschiedliche Eigenschaften über
den Verlauf der Sonde. Die Messwerte werden durch die Konvektion
innerhalb der Flüssigkeitssäule und
der Sinkgeschwindigkeit beeinflusst, was sich nachteilig auf die
Aussagegenauigkeit auswirkt. Auch kann auf eine technische Bewertung
der Anordnung der Abstände
der U-Rohrschenkel untereinander aus der Messung nicht geschlossen
werden, da nur ein Schenkel vermessen wird. Ebenso ist aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 048 978
A1 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). Die Bestimmung
der Wärmeleitfähigkeiten
in Erdwärmesonden,
die nicht mit einer solchen Sensorik ausgestattet sind, kann nicht
durchgeführt
werden. Auch ist eine nachträgliche
Installation nicht möglich.
Da die faseroptischen Sensorkabel nicht fest mit der Sonde verbunden
sind, besteht zusätzlich
ein Fehlereinfluss bei Lageabweichungen zwischen Sondenleitung und
Sensorkabel.
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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.
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Charakteristik der Erfindung
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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.
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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 be kannt ist. Es kann eine
lineare Temperaturverteilung mit guter Nahrung 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 Zirkulationsunterbrechung
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.
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Vorteile der Erfindung
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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.
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Ausführungsbeispiel
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Das
Ausführungsbeispiel
wird anhand folgender Darstellungen beschrieben.
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1:
Die schematische Darstellung einer in verschiedenen Erdformation
eingebrachten Erdwärmesonde
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2:
Die schematische Darstellung der Versuchsanordnung für den Temperaturausgleichstest
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3:
Die schematische Darstellung des Temperaturausgleichs unter verschiedenen
Einflussfaktoren
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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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.
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Das
dem Bohrloch umgebende Erdreich weist die unterschiedlichen Erdformationen 6, 8, 9, 10 sowie
den Grundwasserspiegel auf.
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In
die Zirkulationsleitung sind die Molche 11 eingebracht.
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Für die so
eingebaute Zirkulationserdwärmesonde
sollen die Wärmeentzugsleistungen über die Teufe
ermittelt werden (2).
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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.
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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 ge ringe 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 Nahrung 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 Wärmetauschers 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
Abhängigkeit 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.
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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.
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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.
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- 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