Rosinski, Christoph

Zapp, Franz Josef

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Conference Paper, Published VersionRosinski, Christoph; Zapp, Franz JosefHydraulische Auslegung von Erdwärmesondenanlagen -Grundlage für effiziente Planung und AusführungVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/101812Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Rosinski, Christoph; Zapp, Franz Josef (2011): Hydraulische Auslegung vonErdwärmesondenanlagen - Grundlage für effiziente Planung und Ausführung. In:Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.): Baugrundaufschlüsse: Planung, Ausschreibung,Durchführung, Überwachung und Interpretation. Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.Deutsche Brunnenbauertage und BAW-Baugrundkolloquium  „Baugrundaufschlüsse: Planung, Ausschreibung, Durchführung, Überwachung und Interpretation“ 13. – 15. April 2011 im Bau-ABC Rostrup / Bad Zwischenahn Rosinski, Hydraulische Auslegung von Erdwärmesondenanlagen    XXV-1Hydraulische Auslegung von Erdwärmesondenanlagen - Grundlage für effiziente Planung und Ausführung  Christoph Rosinski,  Franz Josef Zapp  GEFGA mbH, Gesellschaft zur Entwicklung und Förderung von Geothermen Anlagen Löhrgasse 11, 65549 Limburg, info@gefga.de   Zusammenfassung  An Hand hydraulischer Betrachtungen an Erdwärmesonden unterschiedlicher Bauart und Dimension, werden im folgenden Bei-trag verschiedenartige Einflüsse auf die Wärmeübertragungsfähigkeit von Erdwärmesonden dargestellt. Es wird der Einfluss von laminarer und turbulenter Rohrströmung auf die Wärmeübertragungsfähigkeit von Erdwärmesonden erläutert. Diese Betrachtun-gen berücksichtigen verschiedene Parameter, wie die Auswirkung verschiedenartiger Frostschutzmittel und die unterschiedlichen Bautypen von Erdwärmesonden.   1 Einleitung  Der Wärmeübergang in einem Wärmeübertrager wird im Wesentlichen von der Strömungsart des wärmeüber-tragenden Mediums (Fluid) beeinflusst. Grundsätzlich können sich zwei unterschiedliche Arten von Strömun-gen einstellen. Bei der Art der Strömung wird unter laminarer und turbulenter Strömung unterschieden. Welche Strömungsart vorherrscht, wird durch eine, von der Strömungsgeschwindigkeit, der Viskosität, der Dichte des Mediums und einer charakteristischen Länge (hydraulischer Durchmesser) bestimmte Kenngröße, der Reynold-Zahl, bestimmt. Der Unterschied zwischen einem Wärmeübergang bei einer laminaren Strömung und einer turbulenten Strömung ist nicht unwesentlich.   1.1 Laminare Strömung  Bei der laminaren Strömung bewegen sich die Fluidteil-chen auf zur Rohrachse parallelen Stromlinien ohne sich untereinander zu vermischen. Würde man bei der lami-naren Strömungsform den Reibungsverlust messen, so würde man bei unterschiedlich rauen Rohren mit glei-chem Durchmesser und der gleichen Länge feststellen, dass der Rohrreibungsverlust unabhängig von der Rau-higkeit der Rohrinnenwandungen ist. Misst man die Geschwindigkeitsverteilung, so ergibt sich bei laminarer Strömung eine Verteilung in Parabelform. Bei kreisrun-den Rohren tritt die laminare Strömung unterhalb der kritischen Reynold-Zahl Rekrit = 2320 auf.  Die laminare Strömungsform lässt sich anhand eines Versuches von Reynold, der in Bild 1 dargestellt ist, erläutern.   Der in die Rohrachse eingebrachte Farbstrahl vermischt sich nicht mit der Grundströmung, die Strömung ist laminar.      Bild 1: zeigt den Versuch von Reynold zur Darstellung der laminaren Rohrströmung.  1.2 Turbulente Strömung  Bei der turbulenten Strömung treten neben der in Rohr-achse gerichteten Transportbewegung auch Querbewe-gungen auf, die zur ständigen Vermischung der Strö-mungsteilchen führen. Ein in Rohrachse gegebener Farbstrahl zerreißt und vermischt sich mit der Grund-strömung (Abbildung 2). Im Gegensatz zur laminaren Strömung hängt bei dieser Strömungsform der Rohrreibungsverlust von der Wand-rauhigkeit ab. Die Geschwindigkeitsverteilung ist gleichmäßiger, dies bedeutet sie ist abgeflachter als bei der Laminarströmung.   Die turbulente Strömungsform tritt oberhalb der kriti-schen Reynold-Zahl Rekrit > 2320 auf.   Deutsche Brunnenbauertage und BAW-Baugrundkolloquium  „Baugrundaufschlüsse: Planung, Ausschreibung, Durchführung, Überwachung und Interpretation“ 13. – 15. April 2011 im Bau-ABC Rostrup / Bad Zwischenahn Rosinski, Hydraulische Auslegung von Erdwärmesondenanlagen   XXV-2   Bild 2: zeigt den Versuch von Reynold zur Darstellung der turbulenten Rohrströmung.  Die Ermittlung der Größe der Reynold-Zahl, erfolgt nach Formel 1:  νdw ⋅=Re  Wobei Re = Reynold-Zahl, w  = mittlere Strömungsge-schwindigkeit [m/s], d = hydraulischer Durchmesser [m], ν  = kinematische Viskosität [m²/s]  Liegt die Reynold-Zahl unter einem Wert von 2320, kann von einer laminaren Strömung ausgegangen wer-den, liegt die Zahl über 2320, liegt in der Regel eine turbulente Strömung vor.  2   Wärmeübertrager Erdwärmesonde.  Gewöhnlich werden zur Berechnung des Energieflusses vom Untergrund zur Erdwärmesonde ausschließlich geologische Gegebenheiten berücksichtigt: Die Wärme-leitfähigkeit des Untergrundes wird abgeleitet aus Kar-tenmaterial, aus Schichtenfolgen bekannter Bohrungen bzw. Responsetests. Nicht berücksichtigt bei der Bewer-tung der Wärmeübertragung werden in der Regel die Geometrie der Erdwärmesonde, die sich einstellenden Strömungsverhältnisse in den Erdwärmesonden sowie das verwendete Wasser-Frostschutz-Gemisch. Anhand hydraulischer Berechnungen kann dieser Einfluss der Bauart und Dimension verschiedener Erdwärmesonden, der Strömungsverhältnisse sowie des Wärmeträgermit-tels dargestellt werden.  In der VDI 4640, Thermische Nutzung des Untergrun-des, werden zur Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes eine Vielzahl von Stoffwerten angegeben. Es werden auch unterschiedliche Geometrien von Erdwärmesonden dargestellt. Stoffwerte zur Bestimmung der Strömungs-verhältnisse in den Erdwärmesonden werden in der VDI 4640 nicht zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus feh-len Aussagen über den Einfluss der Geometrie der Erd-wärmesonden auf die Wärmeübertragung an den Unter-grund. In der VDI 4640 wird unter Abschnitt 5.1 Ausle-gung ein Hinweis auf den Einfluss der Bauart und der Strömungsart gegeben. In diesem Abschnitt wird darauf hingewiesen, dass in der Erdwärmesonde ein laminarer Fluss verhindert werden soll.  Die Wärmeübertragung von der Erdwärmesonden-Innenseite auf den Wärmeträger (Wasser-Frostschutz-Gemisch) wird durch die vorherrschende Strömungsart bestimmt.   2.1 Bauarten von Erdwärmesonden  Die Erdwärmesonde stellt einen Wärmeübertrager dar, der über eine Bohrung in den Untergrund eingebracht wird. Dabei wird die Erdwärmesonde im Bohrloch mit einer Verpressmasse im Idealfall vollständig und form-schlüssig mit der Bohrlochwand verbunden. Durch das Einbringverfahren der Erdwärmesonden in den Unter-grund über Vertikalbohrungen haben sich Bündelrohr-Sonden als geeignet erwiesen. In Deutschland werden üblicherweise Erdwärmesonden in der Bauart Einfach U-Sonde, Doppel U-Sonde und Koaxialsonden verwen-det. Der meistverwendete Typ ist die Doppel U-Sonde in der Nennweite da 32.    Bild 3: Bauarten von Erdwärmesonden  2.2 Wärmeträgermittel  Zum Energietransport wird ein Medium benötigt. Die-ses Medium kann, auf Grund der Art des Verfahrens (Sole oder Direktverdampfung) unterschiedliche Eigen-schaften aufweisen. Das Wärmeträgermittel muss für den Einsatz in Erdwärmesonden bestimmte Kriterien erfüllen wie zum Beispiel: hohe Wärmeaufnahmekapa-zität, gute Strömungseigenschaften, nicht Wasser ge-fährdend, Frostsicherheit, nicht korrosiv gegenüber den im System verbauten Materialien. Alle möglichen Wärmeträger haben untereinander Vor- bzw. Nachteile. Wasser besitzt die besten Eigenschaften in Bezug auf Strömungseigenschaften, ist nicht Wasser gefährdend, ist kostengünstig und leicht verfügbar, hat jedoch einen relativ hohen Gefrierpunkt und ist dadurch nur bedingt Deutsche Brunnenbauertage und BAW-Baugrundkolloquium  „Baugrundaufschlüsse: Planung, Ausschreibung, Durchführung, Überwachung und Interpretation“ 13. – 15. April 2011 im Bau-ABC Rostrup / Bad Zwischenahn Rosinski, Hydraulische Auslegung von Erdwärmesondenanlagen    XXV-3einsetzbar. Gemische aus Wasser und Frostschutzmittel wie Ethylenglycol, Ethanol, Methanol, Propylenglycol, Kaliumchlorid, Calciumchlorid verfügen über einen niedrigeren Gefrierpunkt, weisen jedoch Nachteile in den Eigenschaften Wärmekapazität, gute Strömungsei-genschaften, nicht Wasser gefährdend, Frostsicherheit, nicht korrosiv gegenüber den im System verbauten Materialien gegenüber Wasser auf. In der Regel wird in Deutschland als Wärmeträger ein Gemisch aus Wasser-Ethylenglycol verwendet. Das Mischungsverhältnis wird durch den gewählten Gefrierpunkt bestimmt. Die Viskosität (Zähflüssigkeit) des Wärmeträgermittels ändert sich mit dem Mischverhältnis und der Medien-temperatur. Die Reynold-Zahl wird mit der Viskosität bestimmt. Je kleiner die Viskosität ist, desto größer wird die Reynold-Zahl. Als Beispiel für die Anhängigkeit der Viskosität ist nachfolgend ein Diagramm für Wasser-Ethylenglycol der Firma pro Kühlsole dargestellt.    Bild 4: Diagramm Kinematische Viskosität  Quelle: GLYKOSOL N Datenblatt pro Kühlsole  Für andere Gemische gilt dies analog. Wobei Gemische (Salzlösungen) wie  Kaliumchlorid, Calciumchlorid tendenziell eine geringere Viskosität wie Gemische aus  Ethylenglycol, Ethanol, Methanol, aufweisen. Gemische aus Propylenglycol sind auf Grund der hohen Viskosität im Arbeitsbereich (+5°C bis -5°C) für Erdwärmeson-denanlagen nicht geeignet.    3 Hydraulische Auslegung von Sonden  Auf Grund der Vielzahl von Ausführungsvarianten, bedingt durch Leistungsanforderung, Beschränkung der Bohrtiefe, Anzahl der Sonden, Bauart der Sonde, ge-wähltes Wärmeträgermittel, Einsatztemperatur  etc. ist es nicht möglich eine generelle Aussage über das Strö-mungsverhalten in der Erdwärmesonde zu treffen. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung ist es, zumindest für Rohrbündelsonden wie Einfach u. Doppel-U-Sonden notwendig eine turbulente Strömung zu erzeugen.    3.1 Berechnung der Reynold-Zahl  Die Bestimmung der Reynold-Zahl erfolgt über die Formel:  νdw ⋅=Re   Re = Reynold-Zahl w  = Strömungsgeschwindigkeit d  = Durchmesser (hydraulischer Durchmesser) ν  = kinematische Viskosität  Eine turbulente Strömung liegt bei einer Reynold-Zahl > 2320 vor.  Beispiel 1: Ein Wohngebäude mit einer Heizleistung von 6 kW soll mit einer Erdwärmesondenanlage beheizt werden. Als Wärmeträgermittel wird eine Wasser-Ethylenglycol-Gemisch, Frostsicher bis -14°C vorgese-hen. Der COP-Wert der Wärmepumpe wird für die Auslegung der Erdwärmeanlage mit 4 angenommen. Die spezifische Entzugsleistung wird für den Standort mit 45 W/m bestimmt. Als Erdwärmesonde ist eine Doppel-U-Sonde da 32x2,9 vorgesehen. Der Arbeits-punkt ist mit 0°C vorgesehen, die Temperaturdifferenz VL-RL soll 3K betragen. Aus den Vorgaben ergeben sich nachfolgende Parameter:  Entzugsleist., qs:    = 6 kW*(1-1/4) = 4,5 kW Sondenlänge, ls:    = 4,5 kW / 45 W/m= 100 m Wärmekapaz. C:    aus Stoffwerten: 3,8 kJ/kgK Dichte, φ:    aus Stoffwerten: 1.045 kg/m3 Temp. Diff. ΔT:    3K Massenstrom, m    = qs/C/ φ/ΔT = 0,378 l/s; 1,36m³/h Durchmesser di     = 32 mm -2*2,9mm = 26,2 mm Geschwindigkeit w = m/2/π*4/di2 = 0,35 m/s Viskosität ν:       aus Stoffwerten: 4 mm2/s  Reynold-Zahl Re   = 2296   Die Reynold-Zahl liegt im Beispiel 1 unterhalb dem kritischen Wert von 2320. Die Strömungsart wird lami-nar sein.  Deutsche Brunnenbauertage und BAW-Baugrundkolloquium  „Baugrundaufschlüsse: Planung, Ausschreibung, Durchführung, Überwachung und Interpretation“ 13. – 15. April 2011 im Bau-ABC Rostrup / Bad Zwischenahn Rosinski, Hydraulische Auslegung von Erdwärmesondenanlagen   XXV-4 Beispiel 2: Wie Beispiel mit angepasstem Massenstrom durch Variation der Temperaturspreizung von 3K auf 2,5K  Entzugsleist., qs:    = 6 kW*(1-1/4) = 4,5 kW Sondenlänge, ls:    = 4,5 kW / 45 W/m= 100 m Wärmekapaz. C:    aus Stoffwerten: 3,8 kJ/kgK Dichte, φ:    aus Stoffwerten: 1.045 kg/m3 Temp. Diff. ΔT:    2,5K Massenstrom, m    = qs/C/ φ/ΔT = 0,454 l/s; 1,63m³/h Durchmesser di     = 32 mm -2*2,9mm = 26,2 mm Geschwindigkeit w = m/2/π*4/di2 = 0,42 m/s Viskosität ν:       aus Stoffwerten: 4 mm2/s  Reynold-Zahl Re   = 2751  Die Reynold-Zahl liegt im Beispiel 2 über dem kriti-schen Wert von 2320. Die Strömungsart wird turbulent sein.  Beispiel 3: Wie Beispiel 2, jedoch konnte aus bohrtech-nischen Gründen keine 100 Meter Bohrung realisiert werden. Es wurden stattdessen 2 x 55 Meter gebohrt. Der Massenstrom verteilt sich somit auf zwei Sonden  Entzugsleist., qs:    = 6 kW*(1-1/4) = 4,5 kW Sondenlänge, ls:    = 4,5 kW / 45 W/m= 100 m Wärmekapaz. C:    aus Stoffwerten: 3,8 kJ/kgK Dichte, φ:    aus Stoffwerten: 1.045 kg/m3 Temp. Diff. ΔT:    2,5K Massenstrom, m    = qs/C/ φ/ΔT = 0,454 l/s; 1,63m³/h m je Sonde    = 0,227 l/s; 0,82m³/h Durchmesser di     = 32 mm -2*2,9mm = 26,2 mm Geschwindigkeit w = m/2/π*4/di2 = 0,21 m/s Viskosität ν:       aus Stoffwerten: 4 mm2/s  Reynold-Zahl Re   = 1376  Die Reynold-Zahl liegt im Beispiel 3 erheblich unter dem kritischen Wert von 2320. Die Strömungsart wird laminar sein.  Beispiel 4: Wie Beispiel 3, jedoch mit einer Einfach-U-Sonde da 32.  Entzugsleist., qs:    = 6 kW*(1-1/4) = 4,5 kW Sondenlänge, ls:    = 4,5 kW / 45 W/m= 100 m Wärmekapaz. C:    aus Stoffwerten: 3,8 kJ/kgK Dichte, φ:    aus Stoffwerten: 1.045 kg/m3 Temp. Diff. ΔT:    2,5K Massenstrom, m    = qs/C/ φ/ΔT = 0,454 l/s; 1,63m³/h m je Sonde    = 0,227 l/s; 0,82m³/h Durchmesser di     = 32 mm -2*2,9mm = 26,2 mm Geschwindigkeit w = m/π*4/di2 = 0,42 m/s Viskosität ν:       aus Stoffwerten: 4 mm2/s  Reynold-Zahl Re   = 2751  Die Reynold-Zahl liegt im Beispiel 4 über dem kriti-schen Wert von 2320. Die Strömungsart wird turbulent sein.  Beispiel 5: Wie Beispiel 3, jedoch mit zwei Doppel-U-Sonde da 25.  Entzugsleist., qs:    = 6 kW*(1-1/4) = 4,5 kW Sondenlänge, ls:    = 4,5 kW / 45 W/m= 100 m Wärmekapaz. C:    aus Stoffwerten: 3,8 kJ/kgK Dichte, φ:    aus Stoffwerten: 1.045 kg/m3 Temp. Diff. ΔT:    2,5K Massenstrom, m    = qs/C/ φ/ΔT = 0,454 l/s; 1,63m³/h m je Sonde    = 0,227 l/s; 0,82m³/h Durchmesser di     = 25 mm -2*2,3mm = 20,4 mm Geschwindigkeit w = m/2/π*4/di2 = 0,27 m/s Viskosität ν:       aus Stoffwerten: 4 mm2/s  Reynold-Zahl Re   = 1390  Die Reynold-Zahl liegt im Beispiel 5 erheblich unter dem kritischen Wert von 2320. Die Strömungsart wird laminar sein.  Beispiel 6: Wie Beispiel 1, jedoch mit einer Doppel-U-Sonde da 40.  Entzugsleist., qs:    = 6 kW*(1-1/4) = 4,5 kW Sondenlänge, ls:    = 4,5 kW / 45 W/m= 100 m Wärmekapaz. C:    aus Stoffwerten: 3,8 kJ/kgK Dichte, φ:    aus Stoffwerten: 1.045 kg/m3 Temp. Diff. ΔT:    3 K Massenstrom, m    = qs/C/ φ/ΔT = 0,378 l/s; 1,36m³/h m je Sonde    = 0,227 l/s; 0,82m³/h Durchmesser di     = 40 mm -2*3,7mm = 32,6 mm Geschwindigkeit w = m/π*4/di2 = 0,452 m/s Viskosität ν:       aus Stoffwerten: 4 mm2/s  Reynold-Zahl Re   = 3684  Die Reynold-Zahl liegt im Beispiel 6 über dem kriti-schen Wert von 2320. Die Strömungsart wird turbulent sein.  An den vorhergehenden Beispielen erkennt man, dass der Einfluss der Sondenbauart sich erheblich auf die Strömungsart auswirkt. Die üblicherweise vorgesehene Doppel-U-Sonde da 32 ist im Auslegungsfall kritisch. In der Regel wird sich kein Massenstrom mit einem ΔT von 2,5 K einstellen lassen. Wird der Massenstrom auf zwei Sonden aufgeteilt liegt die Strömung beim Einsatz einer Sonde Doppel-U 32 in jedem Fall im laminaren Bereich. Die in diesem Fall erfolgreichste U-Sonde stellt die Einfach-U-Sonde da 40 dar.  Die Auslegungsparameter sollten daher im Auslegungs-fall bewertet werden und die im jeweiligen Fall strö-mungsgünstige Sonde gewählt werden. 3.2 Koaxialsonden Deutsche Brunnenbauertage und BAW-Baugrundkolloquium  „Baugrundaufschlüsse: Planung, Ausschreibung, Durchführung, Überwachung und Interpretation“ 13. – 15. April 2011 im Bau-ABC Rostrup / Bad Zwischenahn Rosinski, Hydraulische Auslegung von Erdwärmesondenanlagen    XXV-5 Koaxialsonden unterscheiden sich gegenüber U-Sonden in ihrer Strömungscharakteristik. Bei der U-Sonde ist der hydraulische Durchmesser dem Rohrinnendurch-messer gleich zu setzen. Bei Koaxialsonden stellt die Spaltbreite wischen dem Innenrohr und dem Außenrohr den hydraulischen Durchmesser dar. Das Spaltmaß einer Koaxialsonde mit einem Außenrohr da 63 und einem Innenrohr da 40 beträgt 5,7 mm. Im allgemeinen Betrieb einer Koaxialsonde als Erdwärmesonde wird eine laminare Strömung im Außenring vorherrschen. Durch die geringe Spaltbreite werden die Nachteile bei der Wärmeübertragung bei einer laminare Strömung durch Wärmeleitung im Fluid aufgehoben. Die Wärme-aufnahme verändert sich bei einer Koaxialsonde im laminaren Bereich nur geringfügig. Somit können Ko-axialsonden auch in großen Erdwärmesondenfeldern problemlos im Teillastbereich gefahren werden.   3.3 Einsatzbereiche Erdwärmesonden  Erdwärmesonden sind individuell auf das jeweilige Projekt hydraulisch aus zu legen. An Hand der vorge-stellten Berechnungsmethoden können Erdwärmeson-den hinsichtlich ihrer Strömungsart, turbulent oder la-minar, untersucht und bewertet werden. Eine Auswahl-hilfe, zur hydraulischen Bewertung von Erdwärmeson-den stellt nachfolgendes Diagramm. In diesem Dia-gramm wurden die wesentlichen Parameter zur hydrau-lischen Bewertung aufgenommen, ideale Einsatzberei-che grün, kritische Bereiche gelb und nicht einsetzbare Bereiche rot dargestellt.            Bild 5: Diagramm Einsatzbereiche Erdwärmesonden   Literatur  VDI6040 BLATT 2 (2001): Thermische Nutzung des Un-tergrundes Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen  PRO KÜHLSOLE (2007): GLYKOSOL N DATENBLATT  

Hydraulische Auslegung von Erdwärmesondenanlagen - Grundlage für effiziente Planung und Ausführung

http://henry.baw.de/bitstream/20.500.11970/101812/1/26-RosinskiHydraulische.pdf

Hydraulische Auslegung von Erdwärmesondenanlagen - Grundlage für effiziente Planung und Ausführung

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