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Optimierungstools f. thermische Systeme

Entwicklung eines neuartigen Optimierungstools thermischer Verteil-, Verrohrungs- und Pumpensysteme von oberflächennahen erdgekoppelten geothermischen Anlagen

Autoren:

M.Sc. Waldemar Retkowski
Prof. Dr.-Ing. Jorg Thöming
Universität Bremen
UFT – Zentrum für Umweltforschung und nachhaltige Technologien
FG Verfahrenstechnik der Wertstoffrückgewinnung
Leobener Straße UFT, 28359 Bremen

Dr. Jörg Kues
Dipl.-Physiker Enno Tulke
EWM – Erdwärme Messtechnik GmbH
Parkallee 33, 28209 Bremen 2

Die Autoren bedanken sich an dieser Stelle ausdrücklich für die Förderung.

Die geometrische und hydraulische Optimierung von Erdsondenfeldern wird heute in der Planung vielfach nicht berücksichtigt. Somit findet häufig auch keine vollkostenbasierte Auslegung der Erdsondenfelder statt.

Um den Planungsaufwand für eine vollkostenorientierte Optimierung von Erdsondenfeldern effizient durchführen zu können, wurde zwischen den Kooperationspartnern Erdwärme-Messtechnik GmbH und der Universität Bremen, Fachgebiet Verfahrenstechnik der Werkstoffrückgewinnung ein Projekt initiiert mit dem Ziel, eine neuartige Optimierungssoftware für die optimierte Auslegung von Erdsondenfeldern zu entwickeln.

Das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben wurde mit Unterstützung der Europäischen Union aus dem EFRE-Programm und mit Unterstützung der Wirtschaftsförderung Bremen GmbH aus dem Pfau- Programm durchgeführt.


2. Neuartiger Software-Prototyp für die Bereitstellung optimaler geothermischer Verteiler- und Sammler

Der Software liegen Optimierungsalgorithmen zugrunde. Insgesamt wurden fünf Ansätze entwickelt, um eine möglichst spezifische und flexible Entscheidungshilfe bei der hydraulischen Planung von Erdwärmesondenfeldern zu gewährleisten. Dabei konnte den wesentlichen Auslegungsaspekten Rechnung getragen werden, wie

  • die neuartige Durchführung eines optimalen hydraulischen Abgleichs
  • die Bereitstellung der optimalen Verteiler- und Sammlerposition
  • die Auswahl der optimalen Solepumpe

Weiterhin Numerische Optimierungsrechnungen können dabei nach dem Kriterium

  • der Minimierung der horizontalen Rohrleitungslängen und
  • der Minimierung des Druckverlustes durchgeführt werden.

In jeweiliger Kombination kann die Durchführung eines hydraulischen Abgleiches zugeschaltet werden. Dies ergibt vier verschiedene hydraulisch und energetisch relevante Optimierungsmöglichkeiten. Zusätzlich kann nach einer erfolgreichen Auslegung der hydraulischen Komponenten, die insbesondere für die Betriebskosten relevante Solepumpe, optimal ausgelegt werden. Als zentrales Auslegungskriterium wurde dabei die minimale elektrische Leistung identifiziert. Zusätzliche Angaben wie z.B. zu den Grenzen der einzelnen Variablen können der ebenfalls in diesem Projektvorhaben erarbeiteten kurzen Bedienungsanleitung entnommen werden. Ein dynamisches Diagramm ermöglicht die Visualisierung der Erdwärmesondenpositionen, der Rohrverläufe und der Verteiler- und Sammlerpositionen (s. Abb. 1).

Abbildung 1: Graphische Benutzeroberfläche (GUI) der neuartigen Optimierungssoftware mit folgenden zentralen Benutzerschnittstellen: (1) Eingabefeld für Nebenbedingungen (Bereiche bei denen die Verteiler- oder Sammlerposition nicht erwünscht sind); (2-3) Möglichkeit zur Eingabe der Verteiler- und Sammler-Startposition; (4) Eingabefelder der Vorgaben zur Bestimmung der Stoffwerte für die spezifische Wasser-/Glykolmischung. (5) Eingabefelder der Verteiler-, Sammler-, und Verdampferdruckverluste; (6) Auswahlmöglichkeit, ob während einer Optimierung ein hydraulischer Abgleich gewünscht ist; (7) Anfangswerte der Pumpenposition; (8) Auswahlfelder aus neuer Datenbank mit Parametern für Hausanschluss-, Anbinde- und Sondenleitungen sowie Auswahlfeld Sondentyp und Angabe der Sondenlänge; (9) Anzeige zentraler hydraulik und Fluid-Ergebnisse; (10) Anzeige optimaler Sammler- und Verteilerpositionen; (11) Eingabefelder der Sondenpositionen; (12) Anzeige der Positionen über graphisches Ergebnisdiagramm; (13) Start und Auswahl der Optimierungsart.


Zusätzlich zu der in Abb. 1 gezeigten zentralen Registerkarte wurden vier weitere Registerkarten entwickelt.
Der Abb. 2 kann die Registerkarte „Visualisierung der Nebenbedingungen“ entnommen werden. Diese stellt zentrale Ergebnisse wie Drücke zum hydraulischen Abgleich graphisch dar.
Der Abb. 3 kann die Registerkarte „Optimierungspotenzial“ entnommen werden. Zusätzliche Veranschaulichungen der Ergebnisse vereinfachen die Interpretierbarkeit der Ergebnisse erheblich. In einer weiteren Registerkarte „Pumpen-Optimierung“ kann eine vereinfachte Auslegungsoptimierung von drei verschiedenen Solepumpen durchgeführt werden.
Der Abb. 4 kann die Registerkarte „Hydraulik-Optimierungsergebnisse“ entnommen werden. Über Reynoldszahlen, einzelne Volumenströme bis hin zu Druckverlusten je Strang können hier alle Berechnungsergebnisse im Detail entnommen werden.
Zentrale Ergebnisse werden übersichtlich in einer Tabelle dargestellt (vgl. Abb. 5).

Abbildungen 2-5

Das Beispiel besteht aus einem Erdwärmesondenfeld mit 14 Erdwärmesonden a 100m Länge (s. graph. Benutzeroberfläche Abb. 1). Diese Erdwärmesonden sollen über Verteiler- und Sammlerzylinder parallel mit einer Wasser/Glykol-Mischung (für die Gewinnung von Erdwärme) betrieben werden. Es wurden verschiedene Optimierungsrechnungen durchgeführt. Für einen Vergleich wurden die in der Tabelle 1 aufgeführten Inputgrößen bei allen Optimierungsrechnungen gleich belassen und eingesetzt.

Inputdaten für die Optimierungsrechnungen des Fallbeispiels. Parameter Wert Einheit Sondenlänge 100 m Sondentyp Doppel-U - Volumenstrom 3.6 l/s Glykolanteil 20 Vol.-% Mittl.Soletemp. 2 °C

Durch Optimierung der Verteiler-/ Sammler-Positionen gegenüber einer klassischen zentrischen Anordnung und einer Optimierung der Rohrleitungsdimensionen konnten die in Abb. 6 dargestellten Verbesserungen um 140% für den Parameter Druckverlust erzielt werden.

Abbildung 6: Optimierungsergebnis Druckverlust- bzw. Längenminimierung des Fallbeispiels.

Die Optimierung der Verteiler- und Sammlerposition ergab eine Verbesserung des Druckverlustes von im Mittel ca. 54% gegenüber einer Berechnung des nicht optimales Falls. Bei einer Optimierung der Positionen und Anpassung der Leitungsdurchmesser ergab sich eine Verbesserung von im Mittel 40%.