Erdsonden / Erdwärmesonden
Die Erdsonden sind eine zentrale Komponente moderner Geothermieanlagen und spielen eine entscheidende Rolle für effiziente, nachhaltige Wärmeerzeugung aus dem Untergrund. Polysun bietet zahlreiche Simulationsfunktionen wie Planung der Sondenlänge, Free Cooling, Erdsonden Regeneration zur Optimierung solcher Systeme – weiterführende Informationen und Funktionsübersichten sind auf der Seite „Wärmepumpe & Geothermie“ zu finden.
Arten von Erdsonden
Die Erdsonde hat je nach lokalen Gegebenheiten und Leistungsanforderung eine Tiefe von 50 bis mehrere 100 Meter. Drei typische Arten von Sonden (Einfach-U, Doppel-U und koaxial) werden in der Praxis in das Bohrloch verbaut.
Erdsonden-Modellierung: EWS-Kompatibilität und Sondenfelder
Das mathematische Modell der Erdsonde für Polysun wurde von dem EWS-Programm übernommen. Durch die Kompatibilität mit dem Programm EWS gibt es ab der Benutzerstufe Designer die Möglichkeit EWS Projekt-Dateien direkt in Polysun einzulesen. Dank eines leistungsfähigen Hintergrundmodells sind außerdem Sondenfelder möglich, die mithilfe der sogenannten g Funktion nach ESKILSON charakterisiert werden
Berechnungsgrundlage: Eskilson-g-Funktion
Die g-Funktion beschreibt das Temperaturverhalten im direkten Sondenumfeld und wird folgendermaßen dargestellt:
\(g(r,t) = \frac{\mathrm{\Delta}T_{Erde}(r,t)2\pi\lambda_{Erde}}{\dot{q}}\)
\(\Delta T_{Erde}\) = Temperaturabsenkung
\(\lambda_{Erde}\) = Wärmeleitfähigkeit
\(\dot{q}\) = spezifische Entzugsleistung
Diese dimensionsbefreite Sprungantwort gibt das Temperaturverhalten im Sondenumfeld gegenüber dem unbeeinflussten Erdreich wieder. Zu beachten ist, dass die g-Funktion immer nur für ein bestimmtes Verhältnis aus Sondentiefe H und Sondenabstand B gilt. Verschiedene Sondenanordnungen sind bereits in einem Katalog hinterlegt. Das B/H- Verhältnis muss nicht zwingend mit der tatsächlichen Anordnung übereinstimmen, da bei Abweichungen ein effektives B/H-Verhältnis extrapoliert wird. Um Extrapolationsungenauigkeiten zu minimieren, sollte aber immer das nächstmögliche genutzt werden.
Bodeneigenschaften und Sondenalterung
Das Modell lässt bis zu 10 verschiedene Erdschichten zu, die jede Einzelne in die Berechnung der ganzen Sonde einfließt. Für jede Erdschicht werden jeweils mehrere Temperaturknoten nach einem ausführlichen physikalischen Model gerechnet. Das Modell lässt auch die Rückspeisung von Energie zu, zum Beispiel für Regeneration oder das Freecooling.
Um die Alterung der Sonde zu simulieren, können die „Jährliche Entzugsenergie der Erdsonde“ und „Sondenvorlaufsdauer“ angegeben werden. Dabei wird die Sonde mit einer konstanten Last über diese Zeitdauer vorbelastet. Wenn das Langzeitverhalten der Sonde genauer berechnet werden soll, kann die Simulationsvorlaufdauer (im Menü unter Variante – Simulations-Vorlauf) gesetzt werden. Mit diesem Simulationsvorlauf wird die ganze Anlage simuliert, somit wird auf die Sonde das effektiv auftretende Lastprofil angewendet. Wenn 50 Jahre simuliert werden sollen, ist der Wert 17885 (49 * 365) einzutragen, d.h. es werden 49 Jahre vorsimuliert und anschliessend folgt die übliche Jahressimulation.
Die Bodenerwärmung definiert die Differenz der Jahresmitteltemperatur der Luft und der Bodenoberfläche. Typische Werte sind:
- Wald, schattig: 0 K
- Feld, Wiese: 0.8 K
- Mittelwert: 1.5 K
- Städtisch bis 2 K
- Schneereiche Höhenlage: bis 4 K
Axialer Temperaturgradient
Der axiale Temperaturgradient definiert die Temperaturzunahme mit der Tiefe. Er definiert sich als geothermischer Wärmefluss / Wärmeleitfähigkeit der Erde. Typisch ist 0.03 K/m (0.06 W/m2 / 2 W/mK).
Polysun ruft denn Sondenalgorithmus in der Simulation alle vier Minuten auf, was zu sehr genauen Endresultaten führt.
Eine genaue Beschreibung zur Berechnung der Sonde bietet die Publikation welche von Hetag AG 1997 veröffentlicht wurde: https://hetag.ch/download/HU_EWS1_SB.pdf
Im nachfolgenden Video wird gezeigt, wie eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdsonde ausgelegt und geplant wird.
Video: Sole-Wasser-Wärmepumpe und Erdwärmesonde