ModThermWg

Planung von Sondenkonstruktionen

Das Simulationsprogramm ModThermWg ist zur Berechnung des Wärmeentzugs aus Bohrungen konzipiert. Für koaxiale EWS werden radialsymmetrische Zylinderkoordinaten (r-z) verwendet, für Ringrohrsonden und U-Rohr- bzw. Doppel-U-Rohrsonden werden dreidimensionale Zylinderkoordinaten (r-φ-z) genutzt.

Der Wärmetransport und der Wärmeübergang finden in zwei grundsätzlich verschiedenen Teilsystemen statt, deren Zeitkonstanten (dimensionslose Zeiten) sich um Zehnerpotenzen unterscheiden:

• dem Erdreich (Gestein, Gebirge) und

• den verschiedenen Fließräumen der Wärmesonde.

Im Erdreich werden folgende Prozesse berücksichtigt:

• Wärmeleitung

• Phasenübergang flüssig-fest im Porenfluid (Wasser, Salzwasser) einschließlich Erstarrungsenthalpie und der Veränderung von Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Wärmekapazität beim Phasenübergang

• Grundwasserströmung.

Ein möglicher oberflächlicher konvektiver Wärmeeintrag durch den Niederschlag wird in diesem Programm nicht erfasst. Falls dies erforderlich sein sollte, wird auf die Simulation eines Sondenfeldes mit ModGeo3D verwiesen.

In der Wärmesonde wird der konvektive Wärmetransport und die Wärmeleitung berücksichtigt.

Mit der Simulationssoftware ModThermWg ist es möglich Effizienzprognosen für verschiedene Sondenkonstruktioen und -varianten zu berechnen.
Es lassen sich verschiedene Konstruktionen energetisch vergleichen und die optimale Anordnung der Rohre bestimmen.

Effizienzvergleich verschiedener Sondenkonstruktionen

Zur technischen Planung und zur optimalen Auslegung von Anlagen, aber auch im Rahmen von Genehmigungsverfahren ist die Modellierung (Simulation) der miteinander verkoppelten Wärmetransportvorgänge in den verschiedenen Strömungsräumen des Bohrloches und dem Gebirge (Gestein) notwendig. Diese Lösung eröffnet unter Beachtung der starken Nichtlinearitäten die Möglichkeit, auch ohne eine geschlossene mathematische Lösung des Problems Vergleiche für die energetische Effizienz zwischen unterschiedlichen Bauarten zu berechnen.

Das Wasserzirkulationsverfahren ist ein Verfahren zur effizienten Gewinnung von Erdwärme zu Heizungs- und Klimatisierungszwecken.

Das Prinzip der Zirkulation von Wasser, Sole oder einer Frostschutzflüssigkeit in einem Bohrloch zur Erwärmung des Fluids ist wohlbekannt. Für das Zirkulationsverfahren bietet ModThermWg für die herkömmlichen Bauarten (U-Rohr, Doppel-U-Rohr, Koaxial) nun auch für die neue Ringrohrsonden eine verfahrensgerechte Lösung an.

Das numerische Lösungsverfahren nach der Bilanzmethode (finite Differenzenmethode) wird als FORTRAN-Programm ModThermWg realisiert. Es erlaubt die zeitabhängige Temperatur- und Leistungsberechnung.
Das Programm baut in wesentlichen Teilen des Lösungsverfahrens und der Numerik auf dem Strömungs- und Transportmodell MODCALIF (Häfner et al, 1999, Boy et al., 2001) und auf dem Vorgängerprogramm ModTherm auf.

Ein Sondenfeld kann simuliert werden durch:

• Vorgabe der Anzahl /voneinander unabhängiger Erdwärmesonden oder

• durch Speicherung für die 3D-Simulation mit dem Programm ModGeo3D.

Das Programm, ermittelt mit vertretbaren Rechenzeitaufwand, die unterschiedlichen Entzugsleistungen zwischen der Ringrohr- und Doppel-U-Rohr-Erdwärmesonde. Die Diskretisierung auch innerhalb der Bohrung und Widergabe der geometrischen Sondeneigenschaften können auch zur Beurteilung von Ergebnissen von Feldversuchen für Einzelsonden bis hin zu Sondenfeldern eingesetzt werden. Es ist eine solide Grundlage, die theoretischen Ergebnisse mit den praktischen Messungen zu vergleichen und fundierte Entscheidung für die Bauart zu treffen.

Die Ergebnisse geben Informationen für die Prognosen bei der Auslegung von Erdwärmeanlagen und eine Planungssicherheit für den langjährigen Betrieb.