Erdwärmekollektoren dimensionieren & simulieren

Kalte Nahwärme Teil 6: Erdwärmekollektoren als Wärmequelle dimensionieren und im Netz simulieren

Überblick ▶ 0:10

Kaltes Nahwärmenetz mit Erdwärmekollektor als Wärmequelle — Ausgangspunkt: Erdwärmekollektorfeld als Wärmequelle für das kalte Nahwärmenetz dimensionieren und simulieren

In diesem Tutorial wird gezeigt, wie ein Erdwärmekollektorfeld als Wärmequelle dimensioniert und über zwei Jahre simuliert wird. Anhand der Ergebnisse kann bewertet werden, ob das System funktioniert und ob die minimalen Temperaturen eingehalten werden.

Sondenfeld durch Kollektor ersetzen ▶ 0:59

Anlageneditor: Sondenfeld wird durch Erdwärmekollektor ersetzt — Austausch des Sondenfeldes gegen einen Erdwärmekollektor im Anlageneditor

Ausgehend vom Beispielprojekt mit Sondenfeld:

Öffnen Sie die Anlage der Energiezentrale im Anlageneditor.
Entfernen Sie das vorhandene Sondenfeld.
Ziehen Sie den Erdwärmekollektor in die Anlage.
Verbinden Sie die Elemente wieder.

Kollektor parametrieren ▶ 1:18

Beim Anklicken des Kollektors stehen folgende Optionen zur Verfügung:

Erdreichmodell ▶ 1:25

Auswahl des gekoppelten Erdreichmodells für den Kollektor — Auswahl des gekoppelten Erdreichmodells mit vollständiger Geothermiesimulation im Hintergrund

Als Modell wird das gekoppelte Erdreichmodell gewählt. Im Hintergrund wird dann eine vollständige Geothermiesimulation durchgeführt. Alternativ kann auch eine feste Temperatur vorgegeben werden.

Bodenart ▶ 1:43

Auswahl der Bodenart mit Standardbodenarten und Feuchteeinstellungen — Auswahl der Bodenart aus den Standardbodenarten mit automatischer Feuchteeinstellung

Wählen Sie die Bodenart entsprechend dem Standort aus den Standardbodenarten. Wenn ein Bodengutachten vorliegt, können die Parameter genauer eingestellt werden. Für jede Bodenart wird automatisch eine typische Feuchte eingestellt, die bei Kenntnis des tatsächlichen Feuchtegehalts angepasst werden kann.

Verlegetiefe und Geometrie ▶ 2:21

Einstellungen für Verlegetiefe, Erdreichtiefe und Kollektorgeometrie — Geometrieeinstellungen: Verlegetiefe (1,5 m), simulierte Erdreichtiefe und optionaler zweilagiger Kollektor

Verlegetiefe: z. B. 1,5 m
Darunter werden 30 m Erdreich mitsimuliert, um ungestörte Bedingungen sicherzustellen
Optional: Zweilagiger Kollektor (in diesem Beispiel einlagig)
Optional: Randbereich berücksichtigen (für die erste Simulation empfehlen wir ohne Randbereich zu simulieren; bei genauerer Betrachtung kann die Kollektorbreite und Randbereichsbreite angegeben werden, um eine 2D-Simulation mit zusätzlichen Wärmegewinnen des Randbereichs durchzuführen)

Rohrschleifen ▶ 3:35

Rohrschleifen-Parameter mit Rohrdimension, Rohrabstand und Schleifenlänge — Konfiguration der Rohrschleifen: 25er Rohr, 20 cm Abstand, 100 m Länge pro Schleife

Rohrdimension: z. B. 25er Rohr
Rohrabstand: z. B. 20 cm
Länge pro Rohrschleife: z. B. 100 m (typische Länge)

Die Anzahl der parallelen Rohrschleifen wird automatisch berechnet, um die vorgegebene Kollektorfläche abzudecken.

Kollektorfläche dimensionieren ▶ 4:18

Vordimensionierungsdialog mit Wärmebedarf, Jahresarbeitszahl und berechneter Kollektorfläche — Vordimensionierung der Kollektorfläche: Wärmebedarf, geschätzte Wärmegewinne und berechnete Fläche (4.490 m2)

Die Kollektorfläche muss für die Simulation vorgegeben werden. Dafür steht ein Hilfsdialog zur Vordimensionierung zur Verfügung:

Klicken Sie auf den Dimensionierungsbutton.
Der Gesamtwärmebedarf der Abnehmer wird automatisch ermittelt (z. B. 460 MWh/a).
Eine Jahresarbeitszahl wird angenommen (dient nur der Vordimensionierung).
Wärmegewinne des kalten Netzes werden geschätzt (z. B. 120 kWh/m bei 500 m Netzlänge).
Der Deckungsanteil des Kollektors wird festgelegt (z. B. 100 %).
Die geschätzte Kollektorfläche wird berechnet (z. B. 4.490 m²).

Übernehmen Sie den Wert und starten Sie die Simulation, um das Ergebnis zu verifizieren.

Simulation durchführen ▶ 6:37

Simulationseinstellungen mit Klimadaten und 2 Jahren Simulationsdauer — Simulationsstart: Klimadaten, mindestens 2 Jahre Simulationsdauer mit Geothermie-Kopplung

Bestätigen Sie die Einstellungen.
Wählen Sie das Klimadatenfile für den Standort aus.
Stellen Sie die Simulationsdauer auf mindestens 2 Jahre ein (erstes Jahr dient als Einschwingphase, zweites Jahr wird ausgewertet).
Starten Sie die Simulation.

Hinweis zur Rechenzeit: Eine thermohydraulische Simulation gekoppelt mit einer Geothermiesimulation kann je nach Projektgröße eine halbe bis eine Stunde oder länger dauern. Bei besonders hohen Wärmeentzügen können auch 3 Simulationsjahre sinnvoll sein.

Ergebnisse auswerten ▶ 7:57

Energiezentrale (Kollektorfeld) ▶ 8:04

Ergebnisse des Kollektorfeldes mit Wärmegewinnen und Erdreichtemperatur — Ergebnisse des Kollektorfeldes: Wärmegewinne, Erdreichtemperatur mit Eisbildungseffekt und Ein-/Austrittstemperaturen

Die Ergebnisse des Kollektorfeldes zeigen:

Wärmegewinne des Kollektorfeldes
Erdreichtemperatur: Im Winter ist ein horizontaler Verlauf erkennbar, der durch Eisbildung verursacht wird (wird in der Simulation berücksichtigt)
Eintritts- und Austrittstemperaturen des Kollektorfeldes

Abnehmer prüfen ▶ 8:47

Temperaturen an den Abnehmern mit minimaler Eintrittstemperatur von ca. -2,6 °C — Temperaturen an den Abnehmern: Minimale Eintrittstemperatur (ca. -2,6 °C) zur Bewertung der Systemfunktion

Entscheidend für die Bewertung des Systems sind die Temperaturen an den Abnehmern:

Temperaturdifferenz: Sollte die eingestellten 3 Kelvin einhalten (im Sommer schwankt der Wert, da die Wärmepumpen abschalten)
Eintrittstemperatur in die Wärmepumpen: z. B. minimal ca. -2,6 °C

Anhand der minimalen Eintrittstemperatur kann beurteilt werden, ob das System unter realen Bedingungen funktionsfähig ist und ob die Kollektorfläche ausreichend dimensioniert wurde.