Erdreichmodell
Wärmeaustausch erdverlegter Rohre mit dem Erdreich: Parameter, Bodenarten und Funktionsweise der dynamischen Bodenkopplung
Überblick
Das Erdreichmodell bildet den Wärmeaustausch erdverlegter Vor- und Rücklaufleitungen mit dem umgebenden Boden dynamisch ab. Die Wärmeverluste bzw. -gewinne hängen von Verlegetiefe, Rohrabstand, Bodenart und Bodenfeuchte ab; die Klimadaten des Projekts wirken als Randbedingung an der Bodenoberfläche. Optional wird die Eisbildung um das Rohr berücksichtigt. Das Erdreichmodell ist einer der Modelltypen der Rohr-Wärmeaustausch-Definition, siehe Wärmeaustausch der Trassen.
Aufruf
Datenbankdialog der Rohr-Wärmeaustausch-Definitionen: im Reiter Wärmeaustausch über Rohre des Netzwerk-Eigenschaftsfensters über 
Bearbeiten… bzw. 
Aus DB zuweisen…, dort Typ: Erdreichmodell wählen.
Parameter
| Parameter | Standard | Bereich | Einheit | Bedeutung |
|---|---|---|---|---|
| Bodenart: | schluffiger Lehm (Lu) | 31 Bodenarten | - | Bestimmt die thermischen und hygrischen Kennwerte des Bodens (siehe unten). |
| Verlegetiefe der Rohre: | 0,8 | 0,01 … 20 | m | Vertikaler Abstand zwischen Bodenoberfläche und Rohroberkante. Eine tiefere Verlegung dämpft den Einfluss der Außenlufttemperatur auf das Fluid. |
| Abstand zwischen den Rohren: | 0,5 | 0,05 … 20 | m | Horizontaler Abstand zwischen den Außendurchmessern von Vor- und Rücklaufleitung. Ein geringerer Abstand erhöht die thermische Wechselwirkung (Kurzschluss) zwischen den beiden Rohren. |
| Feuchtigkeitsgehalt: | 0,25 | 0,01 … 0,9 | m³/m³ | Volumetrischer Wassergehalt des Bodens. Ein höherer Feuchtegehalt erhöht die Wärmeleitfähigkeit des Bodens (schnellerer Wärmeaustausch) und steigert das Potenzial für Eisbildung um das Rohr bei niedrigen Fluidtemperaturen. |
| Einstellung des typischen Feuchtigkeitsgehalts | - | - | - | Schaltfläche: übernimmt den für die gewählte Bodenart typischen Feuchtegehalt bei Feldkapazität (pF = 1,8) aus der Bodendatendatei. |
| Eisbildung berücksichtigen | deaktiviert | - | - | Berücksichtigt das Gefrieren der Bodenfeuchte um das Rohr (Freisetzung/Aufnahme latenter Wärme) bei Fluidtemperaturen unter 0 °C. Verbessert die Genauigkeit für Niedertemperaturnetze, erhöht jedoch den Rechenaufwand und verlangsamt die Simulation. |
Bodenarten
Die Auswahlliste Bodenart: umfasst 31 Bodenarten in den vier Hauptgruppen Sand, Lehm, Schluff und Ton, jeweils mit den bodenkundlichen Kurzzeichen:
| Gruppe | Bodenarten (Kurzzeichen) |
|---|---|
| Sand | reiner Sand (Ss); schwach/mäßig/stark lehmiger Sand (Sl2, Sl3, Sl4); schluffig-lehmiger Sand (Slu); schwach/mäßig toniger Sand (St2, St3); schwach/mäßig/stark schluffiger Sand (Su2, Su3, Su4) |
| Lehm | schwach/mäßig/stark sandiger Lehm (Ls2, Ls3, Ls4); schwach/mäßig toniger Lehm (Lt2, Lt3); sandig-toniger Lehm (Lts); schluffiger Lehm (Lu) |
| Schluff | reiner Schluff (Uu); sandig-lehmiger Schluff (Uls); sandiger Schluff (Us); schwach/mäßig/stark toniger Schluff (Ut2, Ut3, Ut4) |
| Ton | reiner Ton (Tt); lehmiger Ton (Tl); schwach/mäßig/stark schluffiger Ton (Tu2, Tu3, Tu4); schwach/mäßig/stark sandiger Ton (Ts2, Ts3, Ts4) |
Zu jeder Bodenart gehört eine mitgelieferte Datendatei mit den thermischen und hygrischen Kennfunktionen: der Feuchteretentionskurve (erstellt aus van-Genuchten-Parametern nach DIN 4220) sowie der feuchteabhängigen Wärmeleitfähigkeit nach Markert et al. 2017, zusätzlich der Wärmeleitfähigkeit des gefrorenen Bodens . Über diese Kennfunktionen wirkt sich der eingestellte Feuchtegehalt direkt auf die Wärmeleitfähigkeit des Bodens aus.
Wie das Modell rechnet
In der dynamischen Simulation wird für jede verwendete Erdreichmodell-Definition (und je Diskretisierungsabschnitt, siehe unten) ein eigenes numerisches Bodenmodell erzeugt. Es berechnet das instationäre Temperaturfeld im Erdreichquerschnitt um die Rohre:
- Getrennt verlegte Vor- und Rücklaufleitungen werden gemeinsam in einem Modell mit zwei Rohren abgebildet, sodass die gegenseitige thermische Beeinflussung erfasst wird. Twin-Rohre (Vor- und Rücklauf in gemeinsamer Dämmung) werden als ein Rohr modelliert.
- Netzmodell und Bodenmodelle laufen als Co-Simulation: Das Netzmodell übergibt den Wärmestrom jedes Rohres in W an das Bodenmodell, das Bodenmodell liefert die resultierende Erdreichtemperatur als Randbedingung an das Netz zurück. Der Zeitschritt der Kopplung: wird in den Simulationseinstellungen festgelegt.
- Die Klimadaten des Projekts dienen als Randbedingung an der Bodenoberfläche; als Anfangstemperatur des Erdreichs wird die mittlere jährliche Außenlufttemperatur aus den Klimadaten angesetzt.
- Mit der Option Diskretisierung in mehreren Erdreichmodellen entlang des Netzes werden Trassen anhand ihres erwarteten Fluidtemperatur-Intervalls in getrennte Bodenmodelle gruppiert; das Temperaturintervall der Flüssigkeit: steuert die Feinheit der Aufteilung. Beide Optionen finden Sie in den Simulationseinstellungen.
Hinweise
- Das dynamische Bodenmodell wird nur in der Simulation gerechnet. In der stationären Berechnung dient stattdessen die mittlere jährliche Außenlufttemperatur aus den Klimadaten als Näherung für die ungestörte Erdreichtemperatur, siehe Wärmeaustausch der Trassen.
- Die Option Eisbildung berücksichtigen ist vor allem für kalte Nahwärmenetze mit Fluidtemperaturen unter 0 °C relevant.
In der Praxis:
Schalten Sie Eisbildung berücksichtigen nur ein, wenn Sie sie wirklich brauchen: Bei klassischen Warm- oder Wärmenetzen mit Fluidtemperaturen deutlich über 0 °C bringt die Option nichts, kostet aber Rechenzeit. Relevant wird sie erst bei Netzen, deren Fluid unter 0 °C absinken kann – dort verbessert die freigesetzte latente Wärme die Genauigkeit spürbar. Der Feuchtigkeitsgehalt wirkt dabei doppelt: Er erhöht die Wärmeleitfähigkeit des Bodens und steigert zugleich das Eisbildungspotenzial.