Das Projekt GEOSOLA

ENERGIE DER ZUKUNFT

Projekt Nr. 815 718

Möglichkeiten, Bemessung und Grenzen neuer Hybrid-Erdwärmesondenkonzepte
Industrielle Forschung

Programmverantwortung:
Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT)

Programmmanagement:
Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbH

Geschlossene Erdwärmesonden oberflächennaher Geothermie weisen für Raumheizzwecke ein hohes Wachstumspotenzial auf. Das Wissen und die Kenntnisse über Hybrid-EWS sind noch relativ gering und erst seit einigen Jahren in den USA, aber auch in Mittel- und Nordeuropa in Diskussion. Neuartige hybridisierte Sondenkonzepte sollen hinsichtlich des Wärmetransportes und der Einflüsse des Untergrundes unter Einbeziehung überschüssiger Solarwärme zur bedeutenden CO2-Reduktion untersucht werden.

Kurzfassung

Erdwärme-gekoppelte Wärmepumpen für die Raumheiz- und Klimatechnik sind als alternative Heiz- und Kühlsysteme in Hinblick auf die heute bestehenden energiepolitischen Forderungen der Erhöhung des Anteils an erneuerbarer Energie bedeutsam. Von bisher ausgeführten Anlagen existieren unterschiedliche empirische Daten sowohl über den Betrieb als auch zur Auslegung und ebenso Richtlinien [1] für die Errichtung neuer Anlagen. Ein wesentlicher Aspekt kommt jedoch auch bei diesen Systemen dem erwähnten Anteil regenerierbarer Energie zu und nur bei richtiger Konzeption und Auslegung von Erdwärmesonden-Anlagen ist ein nachhaltiges System [2] und eine weitgehende Nutzung von erneuerbarer Energie zu erreichen.
Der aus dem Erdinneren nachfließende Wärmestrom, der sich um die 80 mW/m2 beläuft, ist nicht in der Lage, die aus der nahen Sondenumgebung entzogene Wärme in vergleichbarer Zeit während der Nutzung zu regenerieren. Die Regenerierung durch von der Sonne auf die Erdoberfläche eingestrahlte Wärme kann nur in der obersten Schichte (bis ca. 2 m unter der Oberfläche) für einen ständigen Ausgleich sorgen. Erdwärmesonden werden jedoch im Normalfall bis zu 200 m und im Einzelfall auch bis 300 m [3] abgeteuft. Der Wärmeentzug in diesen untiefen Bereichen kann mittels Wärmepumpen zur Gewinnung von Raumwärme genutzt werden, wobei der Untergrund im Verlaufe der Nutzungszeit naturgemäß abgekühlt wird. Streng betrachtet würden derartige Sonden nicht zu nachhaltigen Einrichtungen zu zählen sein, da auch wenn es sich um erneuerbarer Energie handelt, die Wärmeentnahme größer ist als die parallel ablaufende Autoregeneration des Untergrundes.
Der Antrieb für dieses Forschungsvorhaben ist darauf ausgerichtet, spezielle Grundlagenuntersuchungen zum Wärmetransport im Untergrund und den Einflüssen auf diesen sowohl durch die dafür erforderlichen Komponenten als auch durch die thermischen Eigenschaften der Verfüllmassen und des die Sonde umgebenden Untergrundes zu ermitteln. So sollen Erdwärmesonden auf Basis einer entsprechenden Bewertung des Untergrundes, des Bohrradius und des Befüllmaterials mit einer verfahrensgemäßen, einfachen und kontrollierbaren Einbringung von Wärmeenergie (Hybriderdwärmesonden) ausgestattet bzw. damit nachgeladen werden, die vorzugsweise in der Folge aus überschüssiger solarer Wärme stammen kann. Hierbei ist es auch Ziel, mit spezieller und umfassender Messtechnik sowohl tageszeitliche Ausgleiche während Perioden starken Wärmeentzugs als auch potenziell jahreszeitliche Ausgleiche und Möglichkeiten der Bevorratung von Wärme im Untergrund in Perioden ohne größeren Wärmeentzugs zu untersuchen. Zu diesem Zwecke ist im vorliegenden industriellen Forschungsvorhaben vorgesehen, das Temperaturprofil über die gesamte Sondenlänge durch eine neue Methode der faseroptischen Temperaturmessung zu bestimmen und zu überwachen. Damit sollen neue reproduzierte Daten für die Entwicklung von verfahrenstechnisch neu konzipierten und effizienterer EWS-Systeme gesammelt und ausgewertet werden. Daraus abzuleitende Jahresarbeitszahlen sollten zur Bewertung dienen. Der maximale Anteil an der Nutzung erneuerbarer Energie im Betrieb einer Erdwärmesonde lässt sich auch damit beurteilen, wenn die Temperaturen innerhalb des Sondenbereiches nachweislich und langfristig als stationär betrachtet werden können und damit auch natürlich die Arbeitszahl der daran gekoppelten Wärmepumpe Werte von zumindest 6 erreichen lässt.

Abstract

Ground source heat pump (GSHP) systems coupled with vertical closed loop borehole heat exchanger are increasingly used for space heating and conditioning. Awareness and knowledge about GSHP and new concepts of hybrid ground source heat pump systems (HGSHPS) are low. Research should be directed to the heat transfer with improved performances and process concepts including solar excess heat injection to reduce CO2-emmission and increase efficiency by in situ measurements.

Summary

In recent years geothermal heat pump (GHP) systems have grown continuously on a global base. These systems can be installed in closed loop and open loop configurations that include vertical and horizontal, surface and subsurface installed heat exchangers. The depths of the boreholes range between 100 and 400 feet [3]. The use of any of these systems has many benefits that accrue to end users, to utilities and to local economies and can help to reduce CO2-emmission data. Design methods, operating conditions and collected experiences and data with GSHPS are existent [1] but differ with practical experiences in a certain range which can cause overdesign and possibly cost overruns. Another aspect is connected with the improvement of total efficiency which exhibits a COP of more than 6. The right or improved concept can guarantee real sustainable systems and increase the use of regenerable energy sources.
The advantages of GSHPS over conventional systems make them an attractive alternative for space heating and conditioning for residential or commercial buildings. The ground is use as a thermal energy source and by extracting heat the ground will be cooled down. The heat flow from inside for compensation of the ground is low as about 80 mW/m2 which lead to a temperature decrease in the ground. A hybrid geothermal system extracts the heat from the ground for space heating and rejects the heat to the ground when cooling. Rejecting some of this heat to the ground allows the ground heat exchanger to be smaller and possibly the overall system costs to be lower. When the annual heat extraction for heating is significantly larger than the heat rejection during cooling, a solar heat collector can be used, that result in heat build-up in the region around the borehole or down-hole heat exchanger over time.
Research efforts should be directed to collect fundamental data, to investigate the different influences in the performances of the heat transfer and hybrid concept like e.g. thermally altered grouts. Based on the collected data and behaviours it should be possible to carry out a more accurate design analysis supported by reliable and confirmed measurements in situ to make economic and environ mental improved systems possible. Advances in GSHPS and recent research have concentrated among others on determining thermal soil properties, modelling GSHPS and the investigation and development of new hybrid systems. Combining a GSHPS with a more conventional means of solar heat collector is known as a hybrid geothermal or ground source coupled heat pump system (HGSHPS). It is also an objective of this project to apply a new linear optical temperature sensor, which is used so far successfully in monitoring of concrete constructions [4]. The daily rejection of available excess heat in winter to reload the ground and the reloading of heat during summer time will be investigated to evaluate the contribution to the efficiency increase and the yearly performance of such HGSHPS. The entire instrumentation of the investigation plant including different boreholes and down-hole heat exchanger including new concepts like the CO2 heat pipe which eliminates the need of a circulation pump as it is used in u-tube heat exchangers for the brine or water flow to assess the specific heat transfer in respect to the different system components.

[1] Thermische Nutzung des Untergrundes, Erdgekoppelter Wärmepumpen:
VDI 4640 Richtlinien, VDI-Gesellschaft Energietechnik, Düsseldorf, Beuth Verlag, Berlin 1998

[2] Eugster W. J.; Langzeitverhalten der Erwärmesonden-Anlage in Elgg/ZH.- 38 S: Schlussbericht PSEL-Projekt 102, Polydynamics, Zürich

[3] Hötzl H. et al.; Erstellung von Monitoring-Konzepte zur Beurteilung der Funktionalität von Erdwärmesonden: Forschungsvorhaben 2006 – 2007 (www.agk.uni-karlsruhe.de)

[4] Aufleger M.; Verteilte faseroptische Temperaturmessungen im Wasserbau: Habilitationsschrift, Berichte des Lehrstuhls und der Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft Nr. 89, München 2000