Energiepfähle/Erdwärmesonden

Energiepfähle sind tiefe Pfahlgründungen, mit deren Hilfe zusätzlich flache Geothermie zum Heizen oder Kühlen genutzt wird. Dazu sind in den betonierten Pfählen zusätzliche Leitungen (Absorberleitungen) verbaut, in denen das Wärmeträgerfluid zirkuliert.

Im Gegensatz zu Erdwärmesonden sind die Energiepfähle in der Regel kürzer und haben einen größeren Durchmesser. Dafür sind in ihnen mehrere Leitungsbündel installiert.

Für die Planung und optimale Auslegung solcher Systeme sollten geklärt werden:

  • die Leistung der Wärmeübertragung (Heizen oder Kühlen) unter den konkreten hydrogeologischen Standort- und Einsatzbedingungen pro Meter Absorberleitung bzw. pro Energiepfahl,
  • ein sicheres Betriebsregime zur Vermeidung von Vereisung des Energiepfahls und
  • die minimlae Zeitdauer eines Geothermal Response Tests (GRT), um - bedingt durch den größeren Durchmesser - ein sensibles Testergebnis zu erzielen für die zuverlässige Charakterisierung des Wärmespeichers im Untergrund.

Zielführend ist in diesem Zusammenhang ein Simulationsmodell, welches eine freie Geometrie und Konfiguration des Energiepfahls zulässt und mit dem die zeitabhängige Wärmeübertragung Untergund/Energiepfahl/Wärmeträgerfluid simuliert werden kann. Mit Hilfe von COMSOL Multiphysics® wurde dazu ein 3D Simulationsmodell eines Energiepfahls aufgebaut, mit dem die o. g. Fragestellungen geklärt werden können. COMSOL Multiphysics® ist dafür sehr gut geeignet, da es die Kopplung unterschiedlicher physikalischer Phänomene und die Kopplung unterschiedlicher Geometrien erlaubt, die eine umfassende und effiziente Simulation ermöglicht.

3D-Energiepfahl-Modell

Unser 3D-Energiepfahl-Modell berücksichtigt:

  • freie Geometrie (Durchmesser, Länge, Material) und Konfiguration (Länge, Durchmesser, Anzahl Bündel der Absorberleitung, Wärmeträgerfluid) des Energiepfahls,
  • die zeitabhängige Wärmeübertragung Untergund/Energiepfahl/Wärmeträgerfluid,
  • Grundwasserleiter und -geringleiter mit Grundwasserströmung, Grundwasserstauer,
  • Entstehung von Gefrierkörpern mit Phasenwechsel flüssig/fest und latenter Schmelzwärme und
  • beliebige Rand- und Anfangsbedingungen.

Simulationsergebnisse

Die Simulationsergebnisse tragen wesentlich zur erfolgreichen Planung und Dimensionierung von Systemen mit Energiepfählen bei. Weiterhin dienen sie zur Planung und Auswertung von geothermischen Tests, um unter in situ Bedingungen die Wärmeübertragung zu evaluieren.