Die GeoCollect Komponente ist ein Erdwärmekollektor. Das Modell des Kollektor besteht aus verschiedenen Erdelementen, die um einen Wärmetauscher herum angeordnet sind. Der Wärmetauscher überträgt die Wärme aus dem Erdreich und der umliegenden Umgebung an einen Versorger, oft eine Wärmepumpe.
GeoCollect – Physikalische Parameter und Geometrie
Die Komponente ist in zwei Teilkomponenten aufgeteilt:
- GeoCollect Erdspeicher – der komplette Speicher um den Wärmetauscher
- Wärmetauscher – der Wärmetauscher im Erdspeicher
GeoCollect Erdspeicher
Die folgenden Parameter sind im Katalog hinterlegt:
| Parameter | Einheit | Symbol |
| Länge Strang | m | \(L \) |
| Breite Strang | m | \(w \) |
| Höhe Strang | m | \(H \) |
| Einbautiefe Strang | m | \(h \)j |
| Breite gestörter Untergrund | m | \(t_E \) |
| Mächtigkeit Schicht 1 | m | \(h_1 \) |
| Verteilung WT S1 | \(S_{t1} \) |
Die ersten sechs Parameter definieren die Geometrie der GeoCollect Erdspeicherkomponente. Die Verteilung WT S1 \(S_{t1} \) steht für die Verteilung des Wärmetauschers in den Erdschichten \(S_1\) und \(S_2\). Ein Wert von \(S_{t1} \) = 0.4 bedeutet, dass 40% der Oberfläche des Wärmetauscher in der Schicht $ latex S_1} installiert sind, während 60% in der Schicht \(S_2\) installiert sind.
GeoCollect Erdspeicher Elemente
Die Verschiedenen Elemente des Erdspeichers sind in diesen beiden Bildern ersichtlich:
- S1 und S2 \(\rightarrow\) Rot: in diesen Elementen ist der Wärmetauscher installiert
- out \(\rightarrow\) Blau und Grün: Die Elemente über dem Wärmetauscher
- E1, E2, E3, E4 \(\rightarrow \) Violett: gestörtes Erdreich
- U1, U2, U3, U4 \(\rightarrow \) Orange: ungestörtes Erdreich
In der Reihe „Erdschicht 1“ wird das Material der ersten Erdschicht gewählt, dazu gehören die Elemente E1, E2, E3, S1 und S2.
Die zweite Erdschicht hingegen besteht nur aus dem Element, E4. Das Material der Erdschicht ist dabei als das Material mit der ID 146: „Sand, wassergesättigt“ festgelegt. Dabei ist die Mächtigkeit dieser Schicht ist auf 5 Meter definiert
Das Material, das für die „Erdschicht 1“ gewählt wird, bestimmt auch die Zusammensetzung der Elemente U1 bis U4. Anders als bei anderen Elementen wird die Temperatur der U-Elemente nicht nur durch die gewählte Geometrie und das gewählte Material beeinflusst, sondern auch durch den gewählten Standort.
Die Umgebungselemente über dem GeoCollect Erdspeicher (die Blauen und Grünen „out“ Elemente) hängen vom Typ des Erdspeichers ab. Der Speicher kann dabei unter einem Gebäude oder unter einer Freifläche installiert werden. Der Typ kann über die Tabelleneigenschaft „Typ Erdspeicher“ definiert werden.
Falls der Typ des Erdspeichers „Unter Gebäude“ gewählt ist, entsprechen das blaue Element dem Lagerraum des Gebäudes. Falls der Typ des Erdspeichers „Frei“ ist, entspricht das blaue „out“-Element der Aussenumgebung des gewählten Standortes. Die grünen „out“-Elemente hingegen entsprechen immer der Aussenumgebung. Der Typ der Installation bestimmt die Umgebung über dem S1-Element, was somit die Wärmeübertragung mit der Umgebung direkt beeinflusst.
Wärmetauscher Parameter
Die Parameter des Erdspeicher-Wärmetauscherkatalogs sind hier gezeigt.
| Parameter | Einheit | Symbol |
| Anzahl Stränge | \(N\) | |
| Stranglänge | \(m \) | \(l_s\) |
| Initial Temperatur S1 | \(° C\) | \(T_{0,S1}\) |
| Initial TemperaturS2 | \(° C\) | \(T_{0,S2}\) |
| Initial Temperatur E1 | \(° C\) | \(T_{0,E1}\) |
| Initial Temperatur E2 | \(° C\) | \(T_{0,E2}\) |
| Initial Temperatur E3 | \(° C\) | \(T_{0,E3}\) |
| Initial Temperatur E4 | \(° C\) | \(T_{0,E4}\) |
Zu Bemerken ist, dass die Stranglänge \(l_s\) die effektive Länge des Wärmetauschers, dessen Designlänge 10 Meter beträgt, ist. Die Länge Strang \(L \) hingegen ist die Länge der Elemente S1 und S2, in denen der Wärmetauscher installiert ist.
GeoCollect Energiebilanz
Während des Betriebs findet ein Wärmeaustausch zwischen den verschiedenen Elementen des Speichers statt.
- \(q_{U1, E1} \) Wärmeaustausch zwischen U1 und E1
- \(q_{E1, S1} \) Wärmeaustausch zwischen E1 und S1
- \(q_{S2, S1} \) Wärmeaustausch zwischen S2 und S1
- \(q_{U2, E2} \) Wärmeaustausch zwischen U2 und E2
- \(q_{E2, E1} \) Wärmeaustausch zwischen E2 und E1
- \(q_{E2, S2} \) Wärmeaustausch zwischen E2 und S2
- \(q_{U3, E3} \) Wärmeaustausch zwischen U3 und E3
- \(q_{E3, E2} \) Wärmeaustausch zwischen E3 und E2
- \(q_{E3, S2} \) Wärmeaustausch zwischen E3 und S2
- \(q_{U4, E4} \) Wärmeaustausch zwischen U4 und E4
- \(q_{E4, E3} \) Wärmeaustausch zwischen E4 und E3
- \(q_{S1, A1} \) Wärmeaustausch zwischen S1 und dem blauen Umgebungselement darüber
- \(q_{E1, A2} \) Wärmeaustausch zwischen E1 und dem grünen Umgebungselement darüber
- \(q_{HEX, S1} \) Wärmeaustausch zwischen dem Fluidelement und S1
- \(q_{HEX, S2} \) Wärmeaustausch zwischen dem Fluidelement und S2
Alle Wärmeaustauscher, ausser den beiden mit dem Fluid, werden wie folgt berechnet:
\(q_{i,j} = k_{i,j} \cdot A_{i,j} \cdot (T_i – T_j) \)
Wobei \(k_{i,j}\) der Wärmeübertragungskoeffizient [W/m2K] zwischen den Elementen i und j, und \(A_{i,j} \) die entsprechende Kontaktfläche ist.
Beispielhaft, für den Wärmeaustausch zwischen den Elementen U3 und E3:
\(q_{U3,E3} = k_{U3,E3} \cdot A_{U3,E3} \cdot (T_{U3} – T_{E3}) \)
Die \(k_{i,j}\) Werte für den GeoCollect Erdspeicher sind wie folgt definiert:
- \(k_{U1, E1} = 8.1 W/m^2K \)
- \(k_{E1, S1} = 175.2 W/m^2K \)
- \(k_{S2, S1} = 17.9 W/m^2K \)
- \(k_{U2, E2} = 8.1 W/m^2K \)
- \(k_{E2, E1} = 8.4 W/m^2K \)
- \(k_{E2, S2} = 175.2 W/m^2K \)
- \(k_{U3, E3} = 1 W/m^2K \)
- \(k_{E3, E2} = 8.4 W/m^2K \)
- \(k_{U4, E4}= 0.6 W/m^2K \)
- \(k_{E4, E3} = 3.7 W/m^2K \)
- \(k_{S1, A1} = 3 W/m^2K \)
- \(k_{E1, A2} = 3 W/m^2K \)
Der Wärmeaustausch zwischen den zwei HEX und den beiden Si Elementen ist definiert als:
\(q_{HEX, Si} = \frac{T_{HEX}-T_{Si}}{R_{HEX, Si}} \)
Der Wärmewiderstand ist berechnet durch:
\(R_{HEX, Si} = R_{HEX} + \frac{1}{KA_{HEX, Si}} + R_{Si} \)
Wobei:
- RHEX der innere Wärmewiderstand der Geometrie des Wärmetauschers ist.
- RSi der Wärmewiderstand des Materials um den Wärmetauscher herum ist.
\(R_{Si} = \frac{1}{\frac{A_{Si}}{t_{Si}} \cdot \lambda_{Si}} \)
- $latex \frac {A_{Si}}{t-{Si}} ist das Verhältnis der Oberfläche zur Dicke des Si Elements im Kontakt mit dem Wärmetauscher
- $latex \lambda_{Si} ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Elementes Si
Der Wärmeleitwert zwischen dem Wärmeübertrager und den Si Elementen ist:
\(KA_{HEX,S1} = KA_{HEX,S2} = \frac{2\pi\frac{l_s}{2}}{ln(1 + \frac{t_{pipe}}{r_{in}})} \cdot \lambda_{pipe} \)
Wobei:
- \(\frac{l_s}{2} \) die halbe Stranglänge ist
- \(\lambda_{pipe} \) die Wärmeleitfähigkeit des Materials des HEX Rohres ist
- \(t_{pipe} \) die Dicke des Rohres ist
- \(r_{in} \) der Radius des Rohres ist
Resultate
Die Wärmebilanzen in der GeoCollect Komponente sind in drei Resultate, die in den Komponenten-Resultaten verfügbar sind, gruppiert:
- Energiefluss zu GeoCollect: Gesamtenergiefluss zu den GeoCollect-Elementen S1 und S2
\(q_{Geo} = q_{E1, S1} + q_{E2, S2} + q_{E3, S2} + q_{S1, A1} + q_{S1, HEX} + q_{S2, HEX} \)
Wobei qSI, HEX die Wärmbilanzen zwischen dem Si Element und dem Wärmeübertrager ist
- Energiefluss im Untergrund: Der Gesamtenergiefluss zu den Erdelementen Ei:
\(q_{Soil} = q_{U1, E1} + q_{U2, E2} + q_{U3, E3} + q_{U4, E4} + q_{E1, A2} \)
- Gesamter Energiefluss
\(q_{tot} = q_{Geo} + q_{Soil}\)