DE102008032530A1

DE102008032530A1 - Verfahren und Anordnung für die Beurteilung des thermischen Zustandes des Erdreichs im Gebiet eines Erdreichwärmeüberträgers

Info

Publication number: DE102008032530A1
Application number: DE102008032530A
Authority: DE
Inventors: Matthias Prof. Dr.rer.nat. Hoffmann; Mario Prof. Dr.-Ing. Reichel; Sven Dipl.-Ing. Korndörfer; Sebastian Dipl.-Ing. Theil
Original assignee: Hoffmann Matthias Prof Drrernat; Westsachsische Hochschule Zwickau; WESTSAECHSISCHE HOCHSCHULE ZWI
Current assignee: Hoffmann Matthias Prof Drrernat; Westsachsische Hochschule Zwickau; WESTSAECHSISCHE HOCHSCHULE ZWI
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2010-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, mit deren Hilfe der thermische Zustand des Erdreichs 10 im Gebiet eines Erdreichwärmeüberträgers (Erdkollektor 1) beurteilt werden kann und die zurückzuspeisende Wärmemenge und der bzw. die Rückspeisezeitpunkte unter Berücksichtigung der natürlichen Regeneration und der Prognose des Verbrauchsprozesses in der nächsten Endnahmeperiode bestimmt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung für die Beurteilung des thermischen Zustandes des Erdreichs im Gebiet eines Erdreichwärmeüberträgers.
Das Erdreich bietet eine nahezu unerschöpfliche Wärmequelle oder -senke. Jedoch können sich lokal im Gebiet eines Erdreichwärmeüberträgers die thermischen Zustandsgrößen in Bereichen bewegen, in denen geothermische Anlagen nicht mehr arbeitsfähig sind bzw. nur noch unwirtschaftlich betrieben werden können. Um das rechtzeitig zu erkennen und steuern zu können, sind Informationen über die Änderung des Zustandes über den Zeitraum der Nutzung der Wärmequelle notwendig.
Aus der DE 41 19 954 A1 ist eine Auswertesteuereinheit für eine Heizungsanlage bekannt, bei der leistungsausgaberelevante Größen wie die Vorlauftemperatur, die Rücklauftemperatur und der Volumenstrom/Massenstrom des Wärmeüberträgers gemessen werden zur Ermittlung eines Wirkungsgrades der Heizungsanlage. Bei dieser Kenngrößenbestimmung fließen jedoch nur den Wärmeüberträgen unmittelbar betreffende Größen, nämlich beispielsweise der Massenstrom, ein.
Nachteilig ist, dass nicht alle wesentlichen Größen bei der Kenngrößenbestimmung berücksichtigt werden.
Weiterhin ist aus der DE 10 2004 011 537 B4 eine Auswerteeinheit für eine Wärmepumpe einer Heizungsanlage mit einer Meßeinrichtung zur Ermittlung der ausgangsseitig der Kältemaschine vorliegenden leistungsausgaberelevanten Größen bekannt.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Kältemaschine als eine Wärmepumpe ausgebildet, die einen Bestandteil einer Heizungsanlage bildet. Neben leistungsausgaberelevanten Größen der Vorlauftemperatur, der Rücklauftemperatur und des Volumenstromes werden auch leistungseingaberelevante Verbrauchsgrößen, wie zum Beispiel die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe, gemessen und in der Recheneinrichtung weiterverarbeitet. Vorteilhaft ermöglicht die Auswerteeinheit die Berechnung und Anzeige einer Leistungszahl ε, die die Effizienz der Wärmepumpe wiedergibt. Weiterhin kann die Arbeitszahl ε_a bezogen auf einen Tag oder eines Jahres oder eines frei bestimmbaren Zeitraumes berechnet und dargestellt werden. Bei Einsatz einer elektrischen Wärmepumpe kann der aktuelle Energieverbrauch (elektrische Wirkleistung), die aktuelle Temperaturwärme, die Nutzwärmemenge etc. angezeigt werden.
Die Auswerteeinheit weist einen Mikrocontroller auf, der über einen Speicher und ein Kenngrößenprogramm verfügt, so daß alle relevanten Kennwerte ermittelt, abgespeichert, weiterverarbeitet, mit abgespeicherten Kennwerten verglichen und dann angezeigt sowie in eine vorhandene Heizungsanlage integriert werden können, in der beispielsweise eine Wärmepumpe installiert ist. Es brauchen lediglich Meßwertaufnehmer an den entsprechenden Verbindungsleitungen des Wärmeträgers bzw. des Energieträgers (elektrischer Strom) eingerichtet werden, die über entsprechende Meßleitungen an die Auswerteeinheit gekoppelt sind.
In den vorgenannten Lösungen werden Meßanordnungen zur Erfassung von Wärmeströmen an Heizgeräten oder Kältemaschinen verwendet. Die erfaßten Daten werden allerdings nur zur Berechnung eines momentanen Betriebszustandes oder Wirkungsgrades verwendet und auf einem Display angezeigt.
Weiterhin bekannt ist aus der DE 10 2005 038 512 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Betriebsführung einer temperierten Raumlüftung, insbesondere Wohnungs-, Büro- oder Gebäudelüftung, bei dem in einem geschlossenen Strömungskreislauf ein Trägermedium gefördert und mittels Erdwärme temperiert wird, geförderte Außenluft mit dem Trägermedium in Wärmeaustausch gelangt und als Zuluft in mindestens einen Raum eingebracht wird. Es ist vorgesehen, dass innerhalb mindestens eines vorbestimmten Zeitraumes – unabhängig oder abweichend von wählbaren Einstellungen eines Betreibers der Raumlüftung – die durch das Trägermedium in das Erdreich eingebrachte Wärmeenergie ebenso groß oder etwa ebenso groß ist wie die dem Erdreich durch das Trägermedium entnommene Erdwärmeenergie.
Um nun eine ausgeglichene Energiebilanz herbeizuführen, ist es erforderlich, eine entsprechend große Wärmemenge in das Erdreich zurückzuleiten, was insbesondere im Sommer gelingt, da dann hohe Außenlufttemperaturen zur Verfügung stehen, so daß durch Wärmeaustausch mit dem Trägermedium Wärmeenergie in den Erdkollektor zurückgespeist werden kann. Ein vorbestimmter Zeitbereich, beispielsweise der Monat August, dient demgemäß dazu, die Energiebilanz auszugleichen. In diesem Zeitbereich werden demgemäß vorgegebene und/oder vom Betreiber der Raumlüftung gewählte Einstellungen automatisch derart abgeändert, um einen Energieausgleich herbeizuführen oder anzustreben.
Die Lösung nutzt den Ansatz der künstlichen Regeneration einer Erdreichwärmequelle. Die Meßeinrichtung gewährleistet, daß so viel Energie zurückgespeist wird, wie entnommen wurde. Dabei wird aber nicht die natürliche Regeneration der Erdwärmequelle berücksichtigt sowie eine Prognose des Verbrauchsprozesses für die nächste Entnahmeperiode bestimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit deren Hilfe der thermische Zustand des Erdreiches im Gebiet eines Erdreichwärmeüberträgers beurteilt werden kann und die zurückzuspeisende Wärmemenge und der bzw. die Rückspeisezeitpunkte unter Berücksichtigung der natürlichen Regeneration und der Prognose des Verbrauchsprozesses in der nächsten Entnahmeperiode bestimmt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einer Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 4 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den untergeordneten Ansprüchen beschrieben.
Da direkte Messungen nicht möglich sind, werden zugängliche Meßwerte erfaßt und in einem mathematischen Modell verarbeitet, welches eine Beurteilung des thermischen Zustandes des Erdreichs im Gebiet eines Erdreichwärmeüberträgers geothermischer Anlagen zuläßt.
Die Meßwerterfassung erfolgt zum einen während der Wärmeübertragung und zum anderen während der Ruhephasen der geothermischen Anlagen.
Während der Wärmeübertragung werden die Parameter Temperatur bei Eintritt und bei Austritt in die bzw. aus der Wärmepumpe, die Durchflußmenge, Temperatur Vorlauf und Rücklauf beim Verbraucher, die Durchflußmenge Verbraucher sowie die Außentemperatur mittels Meßwertaufnehmer ermittelt und einem Steuer- und Datenerfassungsgerät zugeführt.
Während der Ruhephasen wird die Bestimmung der Erdreichtemperatur vorgenommen. Dabei schaltet die Solepumpe der Wärmepumpe, ohne das der Kompressor sowie die Sekundärpumpe läuft, ein und läuft für eine vorbestimmte Zeitdauer. Zum Ende der Laufzeit wird die gemessene Soletemperatur der Erdreichtemperatur gleichgesetzt und gespeichert.
Diese Meßwerterfassung wird vorzugsweise vor Beginn der Heizzeit am Morgen durchgeführt, da zu dieser Zeit das Erdreich noch unbeansprucht ist (kein Wärmeentzug bzw. eingeschwungene Erdreichtemperaturen über Nacht), wobei die Aktualisierung der Erdreichtemperatur tagtäglich erfolgen sollte. Für den Zyklus zur Bestimmung der Erdreichtemperatur ist es notwendig, in die Steuerung der Wärmepumpe einzugreifen; die Solepumpe schaltet ein, während der Verdichter ausgeschaltet bleibt. Die Meßwerte werden in einem Langzeitspeicher abgespeichert und können bei Bedarf ausgelesen und ausgewertet werden.
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher beschrieben werden.
Die 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Oberflächennahe geothermische Anlagen tauschen mit dem Erdboden über einen Erdkollektor 1, der als Flächenkollektor ausgebildet ist, Wärme aus. Eine Wärmepumpe 2 hebt im Fall „Heizen” das Temperaturniveau entsprechend der Erfordernisse des Verbrauchers 3 an. Die dem Erdreich 10 entzogene Wärme wird aus der Umwelt wieder zugeführt. Bei zyklischem Heizbedarf wird sich im Erdreich 10 um den Flächenkollektor ein schwingendes Temperaturfeld ausbilden. Dessen Eigenschaften hängen von den geometrischen und geologischen Verhältnissen des Systems Erdboden- Kollektor ab.
Sinkt das Temperaturniveau des Erdreichs 10 in der Umgebung des Erdkollektors 1 durch intensiven Entzug ab, arbeitet die Wärmepumpe 2 unwirtschaftlich oder erreicht nicht mehr die geplante Wärmeleistung.
Abhilfe schafft das erfindungsgemäße Verfahren zur Beurteilung des Beladungszustandes (thermischer Zustand) des Erdreichs 10.
Mit einem Steuerungs- und Datenerfassungsgerät 4 wird der Wärmeaustausch zwischen dem Erdkollektor 1 und der Wärmepumpe 2 mittels Durchfluß- und Temperatur-Meßeinrichtungen 5 und 6 erfaßt.
Das Steuerungs- und Datenerfassungsgerät 4 veranlaßt weiterhin in Phasen, in denen keine Wärmeentnahme stattfindet, Temperaturmessungen in der Kollektorebene. Gemeinsam mit der Aufzeichnung der Außentemperatur an der Meßstelle 7 sowie der Durchfluß-Meßstelle 8 und der Temperatur-Meßstelle 9 auf der Abgabeseite der Wärmepumpe 2 entstehen Zeitreihen, die in einem mathematischen Modell zur dynamischen Beschreibung des Temperaturfeldes im Erdreich 10 genutzt werden. Es werden Kenngrößen gebildet, die den thermischen Zustand des Erdreichs 10 in der Umgebung des Erdkollektors 1 im Modell 11 beschreiben.
Die Messung der Wärmeströme an der Abgabeseite der Wärmepumpe 2 und der elektrischen Arbeit von Wärmepumpe und Umwälzpumpen schafft die Voraussetzung zur Bewertung der energetischen Effizienz der Anlage.
Der berechnete thermische Zustand des Erdreichs 10 basiert auf dem registrierten Wärmeaustausch und berücksichtigt die natürliche Regeneration. Wenn im Laufe der Nutzung prognostiziert wird, daß die Wärmeentnahme die Wärmeaufnahme aus der Umwelt übersteigt, kann mit der gesteuerten Zuführung von Wärme aus anderen Quellen die Regeneration der Wärmequelle unterstützt werden.
Die Steuerung des Zeitpunktes und der Menge der Wärmezufuhr erfolgt über das Steuerungs- und Datenerfassungsgerät 4.
Mit Hilfe des Modells 11 werden optimaler Zeitpunkt und Menge der zuzuführenden Wärme bestimmt.
Bei längerem Betrieb kann das Modell 11 nach den Regeln der sequentiellen Statistik ständig verbessert und das Gesamtsystem optimiert werden.
Erfordert der Verbraucher eine Kühlung, so kann der Erdboden als Wärmesenke genutzt werden. Das beschriebene Verfahren mit Mess- und Informationsverarbeitungstechnik kann auch in diesem Fall zur optimalen Betriebsweise des Gesamtsystems angewendet werden.
Das Verfahren ist für Wärmespeicher, die zyklisch betrieben werden, einsetzbar. Dabei muß der Wärmetauscher nicht notwendigerweise in den Erdboden eingebracht werden.

1: Erdkollektor
2: Wärmepumpe
3: Verbraucher
4: Steuerungs- und Datenerfassungsgerät
5: Durchfluß-Meßeinrichtung
6: Temperatur-Meßeinrichtung
7: Meßstelle Außentemperatur
8: Durchfluß-Meßstelle Abgabeseite Wärmepumpe
9: Temperatur-Meßstelle Abgabeseite Wärmepumpe
10: Erdreich
11: Modell

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4119954 A1 [0003]
- DE 102004011537 B4 [0005]
- DE 102005038512 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Beurteilung des thermischen Zustandes des Erdreichs im Gebiet eines Erdreichwärmeüberträgers geothermischer Anlagen umfassend die Schritte a) Erfassen der Parameter Temperatur und Durchflußmenge auf der Abgabeseite der Wärmepumpe (2), der elektrischen Arbeit der Wärmepumpe (2) sowie Temperatur und Durchflußmenge zwischen dem Erdkollektor (1) und der Wärmepumpe (2) mittels der Meßstellen (5, 6, 7, 8, und 9) b) Erfassen der Außentemperatur mittels der Meßstelle (7) c) Abspeichern der Meßwerte in einem Langzeitspeicher des Steuerungs- und Datenerfassungsgerätes (4) und daraus Bildung von Zeitreihen d) Nutzung der Zeitreihen im mathematischen Modell zur dynamischen Beschreibung des Temperaturfeldes im Erdreich (10) und zur Bildung von Kenngrößen, die den thermischen Zustand des Erdreiches (10) in der Umgebung des Erdkollektors (1) im Modell (11) beschreiben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Parameter sowohl während der Wärmeübertragung als auch während der Ruhephasen der geothermischen Anlage erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Modells (11) der Zeitpunkt und die Menge der dem Erdkollektor (1) zuzuführenden Wärme bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell (11) nach den Regeln der sequentiellen Statistik ständig verbessert und das Gesamtsystem optimiert wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens für die Beurteilung des Zustandes des Erdreichs in Gebiet eines Erdreichwärmeüberträgers, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich zwischen Erdkollektor 1 und der Eingangsseite der Wärmepumpe 2 eine Durchfluß-Meßeinrichtung 5 und Temperatur-Meßeinrichtungen 6 angeordnet sind und zwischen Abgabeseite der Wärmepumpe 2 und dem Verbraucher 3 Temperatur-Meßstellen 9 und eine Durchfluß-Meßstelle 8 angeordnet sind, wobei die erfaßten Parameter einem Steuerungs- und Datenerfassungsgerät 4 zugeführt werden.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungs- und Datenerfassungsgerät 4 mit einer Meßstelle für die Außentemperatur 7 und mit einer Meßstelle für die elektrische Arbeit der Wärmepumpe 2 verbunden ist.