Zur thermischen Modellierung von Erdwärmesonden und Erdsonden-Wärmespeichern

Abstract

Zur thermischen Nutzung des Untergrunds für Heiz- und Kühlzwecke werden unter anderem Erdwärmesonden eingesetzt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Weiterentwicklung der Modellierung thermischer Transportprozesse in und um Erdwärmesonden sowie mit der Anwendung der weiterentwickelten Modelle.

Dem Widerspruch zwischen hoher Ergebnisgüte und kurzer Rechenzeit wird durch die Entwicklung von Grobstrukturmodellen für Erdwärmesonden auf Basis von Widerstands-Kapazitäts-Modellen begegnet. Gegenüber den bisher in der Literatur und am Markt verfügbaren Grobstrukturmodellen kann eine deutlich verbesserte Abbildung der Dynamik der Transportprozesse und dadurch eine gesteigerte Ergebnisgüte bei transienten Simulationen verzeichnet werden. Erstmalig können damit eine numerische Auswertung von Thermal Response Tests mittels automatisierter Parameteroptimierung unter Berücksichtigung dreidimensionaler transienter Transportvorgänge innerhalb des Bohrlochs durchgeführt und damit verbundene Vorteile – insbesondere eine deutliche Verkürzung der Testdauer – aufgezeigt werden.

Durch die Implementierung eines Grobstrukturmodells in das dreidimensionale Finite-Elemente-Programm FEFLOW wird der Einfluss von fließendem Grundwasser auf das thermische Verhalten von Erdwärmesonden und erstmalig auf den Speichernutzungsgrad von Erdsonden-Wärmespeichern quantifiziert.

The thermal use of the underground for heating and cooling applications can be done with borehole heat exchangers. This work deals with the further development of the modelling of thermal transport processes inside and outside the borehole as well as with the application of the further developed models.

The combination of high accuracy and short computation time is achieved by the development of three-dimensional thermal resistance and capacity models for borehole heat exchangers. Short transient transport processes can be calculated by the developed model with a considerable higher dynamic and accuracy than with known models from literature. The model is used to evaluate measurement data of a thermal response test by parameter estimation technique with a transient three-dimensional model for the first time. Clear advantages like shortening of the test duration are shown.

The developed borehole heat exchanger model is combined with a three-dimensional description of the underground in the Finite-Element-Program FEFLOW. The influence of moving groundwater on borehole heat exchangers and borehole thermal energy stores is then quantified.