Erdwärme & Wärmequellen

Überblick

Diese Komponenten binden Wärmequellen in das Netz ein – typischerweise in der Anlage der Energiezentrale oder als Quelle eines kalten Nahwärmenetzes. Erdwärmesonden und Kollektoren sind hydraulisch durchströmte Komponenten mit Erdreich-Randbedingung; der Quellen-Wärmeübertrager koppelt eine beliebige externe Quelle über einen UA-Wert an.

Erdwärmesondenfeld (Borehole field)

Ein Feld vertikaler Erdwärmesonden. Das Modell berechnet den Druckverlust aus der Sondengeometrie und den Wärmeaustausch gegen die Bohrlochtemperatur (Temperatur der Verfüllung), die als Zeitreihe vorgegeben wird – üblicherweise aus einer externen Sondenfeld-Simulation (z. B. EED) oder aus Messdaten.

Parameter	Einheit	Standard	Bedeutung
Bohrtiefe	m	100	Tiefe jeder Sonde
Anzahl Bohrungen	–	10	Anzahl der Sonden im Feld
Sondentyp	–	Zwei parallele Rohre	Zwei parallele Rohre (Doppel-U) oder Einfaches Einzelrohr
Rohr	–	aus Rohr-Datenbank	Sondenrohr (Durchmesser, Rauheit)

Die zeitliche Entwicklung der Erdreichtemperatur über die Betriebsjahre wird nicht intern simuliert – sie steckt in der vorgegebenen Bohrlochtemperatur-Zeitreihe. Für Langzeitbetrachtungen (Regeneration, Auskühlung) muss diese Zeitreihe entsprechend erzeugt werden.

Geothermischer Kollektor (Geothermal collector)

Ein horizontaler Erdwärmekollektor mit einer oder zwei Rohrschichten. Zwei Betriebsarten:

• Gekoppeltes Erdreichmodell: Es wird ein Finite-Volumen-Modell des Erdreichs erzeugt und mit der Netzsimulation gekoppelt. Das Modell berücksichtigt die Klimarandbedingung an der Geländeoberfläche, Wärmeleitung im Boden sowie Eisbildung; die Bodenfeuchte wird als gleichverteilt angenommen. Optional werden Randeffekte berücksichtigt – das Modell wird dann zweidimensional und deutlich rechenintensiver. Für große Kollektoren oder erste Abschätzungen genügt das eindimensionale Modell ohne Randeffekte.
• Feste Temperatur: Die Erdreichtemperatur wird als konstanter Wert oder Zeitreihe vorgegeben (schnell, aber ohne Rückwirkung des Wärmeentzugs).

Parameter	Einheit	Standard	Bedeutung
Kollektorfläche	m²	1000	Belegte Grundfläche
Länge einer Rohrschleife	m	100	Länge eines Rohrkreises; die Anzahl paralleler Kreise folgt aus Fläche und Rohrabstand
Kollektorbreite	m	50	Breite des Feldes (für die Randeffekt-Berechnung)
Verlegetiefe	m	1,5	Tiefe der (oberen) Rohrschicht
Rohrabstand	m	0,2	Abstand paralleler Rohre innerhalb einer Schicht
Anzahl horizontaler Schichten	–	1	1 oder 2 Rohrschichten
Schichtabstand	m	1,0	Vertikaler Abstand bei zwei Schichten
Bodenart	–	mäßig lehmiger Sand	Bodenart nach DIN 4022; bestimmt die thermischen Stoffwerte
Bodenfeuchte	m³/m³	0,246	Volumetrischer Wassergehalt; beeinflusst Wärmeleitfähigkeit und Eisbildung
Randbreite	m	10	Breite des mitmodellierten Randstreifens (nur bei Randeffekten)

Das gekoppelte Erdreichmodell verwendet dieselbe Bodenphysik wie das Erdreichmodell der Trassen.

Quellen-Wärmeübertrager (Source heat exchanger)

Der Quellen-Wärmeübertrager koppelt eine externe Wärmequelle über einen festen UA-Wert an das Netz – geeignet für Abwärme, Oberflächenwasser oder eine pauschal abgebildete Quelle:

$\dot Q = UA \cdot (T_{Quelle} - T_{Fluid})$

Die Quelltemperatur $T_{Quelle}$ wird über den Reiter Wärmeaustausch als konstanter Wert oder Zeitreihe vorgegeben (erforderlich). Liegt sie über der Fluidtemperatur, wird das Netz beheizt; liegt sie darunter, wird gekühlt – die Komponente eignet sich damit auch zur Abbildung der Rückkühlung.

Parameter	Einheit	Standard	Bedeutung
UA-Wert	W/K	1000	Wärmeübertragungsvermögen
Nennvolumenstrom	m³/h	2	Bezugsvolumenstrom für den Druckverlust
Nenndruckverlust	bar	0,5	Druckverlust beim Nennvolumenstrom (quadratische Skalierung)
Fluidvolumen	L	3	Fluidvolumen

Hinweise

• Kollektor mit gekoppeltem Erdreichmodell und Randeffekten ist die rechenintensivste Komponente – planen Sie längere Simulationszeiten ein oder verzichten Sie für Variantenstudien zunächst auf die Randeffekte.
• Die Erdreich-Randbedingungen der Trassen (Rohrwärmeverluste ans Erdreich) werden unabhängig davon im Kapitel Wärmeverluste & Erdreich behandelt.

Verwandte Themen

• Erdreichmodell
• Wärmeaustausch-Typen
• Komponenten-Referenz