Sonda gruntowa
Sondy geotermiczne (EWS) jest wymiennikiem ciepła geotermalnego , w którym przenoszący ciepło płyn przepływa. W przeciwieństwie do kolektorów geotermalnych ułożonych poziomo , system rur jest instalowany w otworze pionowym lub pochyłym . Za pomocą sondy gruntowej ciepło jest pobierane lub dostarczane do gruntu. Za pomocą ogrzewania pompą ciepła można podnieść poziom temperatury podpowierzchniowej energii geotermalnej , aby móc wykorzystać zyski ciepła do ogrzewania budynku . Oprócz tego sondy geotermalne służą również do zasilania zimnych lokalnych sieci ciepłowniczych oraz do (sezonowego) magazynowania energii cieplnej w gruncie.
gatunki
Najpopularniejszy rodzaj sondy geotermalnej składa się z równoległych rur z polietylenu z tworzywa sztucznego, z których dwie są połączone od dołu za pomocą podstawy w kształcie litery U. Mówi się o sondach w kształcie litery U lub podwójnych sondach w kształcie litery U, gdy stosuje się dwie pary rur na otwór. Możliwe są również sondy współosiowe, w których przepływ i powrót płynu przenoszącego ciepło odbywa się w rurze wewnętrznej oraz w przestrzeni pierścieniowej pomiędzy rurą wewnętrzną i zewnętrzną sondy współosiowej .
Jeżeli pod konstrukcję planuje się fundament palowy , sondy można zaprojektować jako tzw. Pale energetyczne . Podobnie jak w przypadku aktywacji elementu termicznego , rury z tworzywa sztucznego do wymiany ciepła są następnie wbetonowane we wsporniki lub pale fundamentowe.
Solanka , mieszanina wody i płynu niezamarzającego, przepływa zwykle przez rury w obiegu zamkniętym . Sondy geotermalne wypełnione solanką są często niedozwolone na obszarach wrażliwych na gospodarkę wodną. Alternatywnie, jako nośnik ciepła można zastosować dwutlenek węgla . Sonda działa wówczas na zasadzie rurki cieplnej (dwufazowy termosyfon) i jest zwykle wykonana ze stali nierdzewnej.
Instalacja i funkcja
Obecnie najczęściej używane są sondy typu Double-U. Wcześniej telefon wiertnicze jest używane do wiercenia otworu za pomocą płukania lub metody wiercenia na sucho, z lub bez osłony , zależnie od skały . Przy stosowaniu zwykłych sond podwójnych U średnica wiercenia wynosi około 140 do 180 mm. Po wywierceniu otworu do planowanej głębokości, belka sondy (sondy U i Verpressrohr, wszystkie obciążone razem ciężarem ciągnącym na sondzie, jeśli to konieczne) jest wprowadzana do odwiertu. Pozostałą wnękę otworu wiertniczego wypełnia się materiałem wypełniającym ( zawiesina bentonitowo- cementowa lub zaprawa ), o ile to możliwe o dobrej przewodności cieplnej, metodą wykonawczą poprzez rurę zalewową prowadzoną wiązką sond od dołu do góry. Wszelkie rury, które mogły zostać zainstalowane podczas wiercenia, są ponownie wyciągane podczas fugowania. Wiążący materiał zalewowy zapewnia dobre przenoszenie ciepła z otaczającej skały do rur sondy i służy jako zabezpieczenie między poziomami wód gruntowych. Jednocześnie zapobiega to przedostawaniu się płynu niezamarzającego ( solanki ) do wód gruntowych.
Sondy dwururowe nie wymagają wiercenia. Są wprowadzane do ziemi w procesie spłukiwania.
Po ustawieniu pozostałych sond w terenie i pracach końcowych (np. Próbie ciśnieniowej poszczególnych sond), przewody zasilające i powrotne sondy są podłączane do pompy ciepła za pomocą poziomych przewodów połączeniowych ułożonych w sposób mrozoodporny, a układ zostaje napełniony płynem grzewczym i odpowietrzony. Poza studzienkami inspekcyjnymi po zakończeniu nie widać żadnych instalacji nad poziomem terenu.
Podczas pracy płyn niezamarzający, który znajduje się w obiegu zamkniętym, jest pompowany przez sondę gruntową za pomocą pompy cyrkulacyjnej i podgrzewany energią geotermalną przez ścianę w drodze do najgłębszego miejsca iz powrotem . Sonda gruntowa tworzy w ten sposób wymiennik ciepła o dużej powierzchni . Dużą powierzchnię uzyskuje się również przez wiązanie rur (zasada działania wymiennika ciepła z wiązką rur ), przy czym w praktyce na jeden otwór wiertniczy stosuje się głównie 2 pary rur .
Aby ciepło mogło być przenoszone, absorbujący płyn przenoszący ciepło musi być chłodniejszy niż temperatura skały. Tę potrzebę zapewnia pompa ciepła . Płyn grzewczy nagrzewa się w sondzie, ale nie może być cieplejszy niż w górach.
Ogrzany nośnik ciepła przepływa do wymiennika ciepła pompy ciepła, aby odebrać zawarte w nim ciepło za pomocą chłodzenia wyparnego . Dodatkowa pompa ciepła służy do podniesienia temperatury do poziomu wymaganego do ogrzewania. Im większa różnica temperatur między temperaturą ziemi a wymaganą temperaturą czynnika grzewczego, tym więcej energii mechanicznej potrzebnej pompy. Dlatego korzystne są systemy ogrzewania niskotemperaturowego, takie jak ogrzewanie podłogowe .
Wymiarowanie
Planowanie sond geotermalnych wymaga obszernych obliczeń, w tym parametrów geologicznych i grzewczych. Zdecydowanie zaleca się profesjonalne wsparcie geologa z doświadczeniem w wymiarowaniu sond geotermalnych. Zapotrzebowanie na ciepło budynku, które ma zostać określone (= radiator) jest równoważone przez produktywność podłoża (= źródło ciepła). Aby uniknąć uszkodzenia obwodu sondy, np. Należy unikać lokalnych warunków meteorologicznych (w tym średniej rocznej temperatury), geologicznych (parametry skał, w tym przewodnictwo cieplne), hydrogeologicznych (w tym obecności wód gruntowych na całej długości sondy) i nagrzewania, na przykład przez oblodzenie podłoża w pobliżu sondy oraz unikanie innych niepożądanych skutków podczas pracy systemu (w tym zapotrzebowanie na ciepło i temperaturę zasilania ogrzewanego budynku) parametry należy uwzględnić w obliczeniach.
Do wymiarowania i obliczania wydajności można używać modeli symulacyjnych do pobrania. Przy takich modelach łatwo jest porównać kolektor energii geotermalnej. Te obliczenia mogą dać ogólny przegląd. Dokładniejsze obliczenia można przeprowadzić tylko na podstawie znajomości podłoża geologicznego. W przypadku dużych systemów (> 30 kW) dokładniejszą geotermalną moc cieplną podpowierzchni można określić za pomocą specjalnych testów, takich jak test odpowiedzi termicznej (TRT). W tym celu pierwszy otwór sondy jest tymczasowo wiercony jako otwór testowy i rozszerzany w sondę testową; Na podstawie wyniku TRT tej sondy przeprowadza się planowanie rozmieszczenia pozostałych sond lub pola sondy.
Podłoże niekorzystne geotermalnie (np. Suche piaski) wymaga większej liczby metrów wiercenia (= mierniki z sondami geotermalnymi), co w konsekwencji prowadzi do większych inwestycji w rozwój źródła ciepła. Dodatkowa kontrola temperatury budynku latem jest możliwa i może prowadzić do zmniejszenia liczby metrów wiercenia, ponieważ podłoże jest regenerowane termicznie w miesiącach letnich. Podane w różnych źródłach wartości wydajności wydobycia z podłoża należy traktować z dużą ostrożnością, ponieważ każda lokalizacja jest (geologicznie) inna. Dlatego zawsze należy przeprowadzić profesjonalne obliczenia niezbędnych długości sond gruntowych, biorąc pod uwagę warunki geologiczne. Idealnie jako część studium wykonalności, które uwzględnia również ekonomiczną opłacalność systemu sond geotermalnych.
Głębokości wiercenia
Od głębokości około 10 metrów temperatura pozostaje praktycznie niezmieniona przez cały rok i wynosi około 11 ° C w niskich górach . W Europie Środkowej temperatura wzrasta średnio o 1 ° C co 30 metrów. Dlatego sonda gruntowa ma wyższą sprawność niż kolektor gruntowy . Głębokość odwiertu zmienia się w zależności od geologicznego charakteru podłoża i wynosi od 50 do 300 metrów w przypadku normalnego budownictwa mieszkaniowego. W zależności od lokalnych warunków i wymagań dotyczących wydajności może również wynosić 400 metrów i więcej. Czasami występują eksperymentalne wiercenia na głębokości ponad 400 metrów (= naukowe lub przemysłowe projekty głębokiej geotermii), przy czym wysiłek w tym miejscu zwykle przekracza korzyści.
W budownictwie prywatnym (domy jednorodzinne) w Niemczech sondy geotermalne rzadko sięgają głębiej niż 100 m. W innych krajach powszechne są również większe głębokości. Na przykład w Szwajcarii wiercenie jest regularnie wykonywane na głębokość około 300 metrów. Oprócz wysokich kosztów wiertni (koszty wiercenia) należy uzyskać odpowiednie pozwolenie (w tym przepisy dotyczące ochrony wód) oraz przestrzegać przepisów górniczych dla głębokości powyżej 100 metrów .
Jeśli wymagane są większe powierzchnie wymiany ciepła, zwykle wierci się kilka otworów obok siebie w odległości kilku metrów. Ponieważ wiercenie jest głębokie, zapotrzebowanie na miejsce jest niewielkie w porównaniu z kolektorem geotermalnym . Zgodnie z VDI 4640 zaleca się minimalną odległość 6 metrów między sąsiednimi otworami sondy i 3 metry od granicy nieruchomości, aby uniknąć negatywnych wpływów między sondami. LAWA zalecenie dla potrzeb zarządzania wodą sond geotermicznych i kolektorów gruntowych zaleca się odległością między dwoma systemów geotermalnych sond 10 metrów z odległości 5 metrów od linii właściwości.
podanie
Głównie sondy geotermalne są używane do uzyskiwania ciepła z otoczenia za pomocą pomp ciepła. Ale wariant do chłodzenia można również zrealizować za pomocą sond gruntowych. Tutaj ciepło z budynków jest przenoszone do gruntu za pośrednictwem płynu niezamarzającego. Więc ziemia służy do ostygnięcia. Czynnik grzewczy nie może być chłodniejszy niż temperatura podłogi. Jeśli wymagane są niższe temperatury, wymagana jest podłączona dalej maszyna chłodnicza .
Głębokie sondy geotermalne służą wyłącznie do ogrzewania. Jeśli przykryta ma być również obudowa chłodząca, głębokości wiercenia można zmniejszyć ze względu na zastosowanie przechowywania.
Sondy geotermalne są również używane do dostarczania ciepła do zimnych lokalnych systemów grzewczych . Możliwe jest również sezonowe magazynowanie nadwyżki energii, na przykład poprzez magazynowanie energii cieplnej z systemów solarnych lub przemysłowego ciepła odpadowego, którego nie można wykorzystać latem przez półrocze zimowe. Sondy służą zarówno do ładowania (podgrzewania) gleby, jak i do ponownego odprowadzania ciepła.
Rośliny na dużą skalę
Po raz pierwszy mają zostać przeprowadzone szeroko zakrojone badania wykorzystania energii geotermalnej w parku geotermalnym w Neuweiler w północnym Schwarzwaldzie, na terenie budowy, na którym do ogrzewania i chłodzenia budynków wykorzystywana jest wyłącznie energia geotermalna. W ramach projektu modelowego po raz pierwszy ma zostać wdrożone ogrzewanie i chłodzenie istniejących dróg.
Sonda geotermalna Prenzlau o głębokości 2790 metrów i stałej mocy cieplnej z pompą ciepła o mocy 520 kW przy temperaturze skały 108 ° C działa od 10 listopada 1994 r . Moc grzewcza bez pompy ciepła wynosi 150 kW. Sonda głębinowa charakteryzuje się praktycznie bezawaryjną pracą przez lata, z okazjonalnymi przerwami trwającymi kilka godzin.
Podczas budowy budynku SuperC w listopadzie 2004 r. Uniwersytet RWTH Aachen osiągnął głębokość 2500 mz sondą geotermalną. Temperatury skał sięgają od 70 do 100 stopni Celsjusza. Sonda gruntowa powinna mieć moc około 450 kW. Pozwoliłoby to zaoszczędzić około 300 ton CO 2 rocznie na ogrzewanie budynku. Wydajność termiczna pozostała jednak znacznie poniżej oczekiwań.
Sytuacja prawna
Niemcy
Zgodnie z niemiecką ustawą o zasobach wodnych (WHG) prace wiertnicze, które mogą wpływać na wody podziemne, podlegają obowiązkowi zgłoszenia (sekcja 49 WHG). Wprowadzenie sond geotermalnych do warstw wodonośnych jest elementem użytkowania w rozumieniu art. 9 WHG, który w niektórych przypadkach wymaga pozwolenia lub pozwolenia na mocy WHG i odpowiednich krajowych przepisów wodnych poszczególnych krajów związkowych. Użycie substancji zagrażających wodzie (np. Schładzanie solanki z WGK 1) w podziemnych częściach instalacji może również stanowić przestępstwo wodnoprawne.
W strefach ochronnych wyznaczonych obszarów ochrony wód lub obszarów ochrony źródeł leczniczych wiercenie jest często ograniczone lub zabronione.
W przypadku odwiertów o głębokości większej niż 100 m należy przestrzegać przepisów § 127 ust. 1 federalnej ustawy o górnictwie . Następnie obowiązuje prawo górnicze z określonymi przepisami.
linki internetowe
- Bundesverband Geothermie gtv-BV, Niemcy
- Dokumentacja wideo odwiertu geotermalnego
- Dokumentacja fotograficzna wiercenia sondą geotermalną w prywatnym domu
- Głęboka sonda geotermalna Oftringen
- Geotermalne wykorzystanie energii geotermalnej, przegląd, technologie, wizje (PDF, 3,9 MB) Federalny Urząd ds. Energii (SFOE), Szwajcaria
- Geothermal Vereinigung - Bundesverband Geothermie Możliwość zamówienia bezpłatnej broszury informacyjnej dla klientów
- geothermie.ch Witryna Szwajcarskiego Stowarzyszenia Geotermalnego
- erdsondenoptimierung.ch Strona internetowa „Optymalizacja sond geotermalnych” zorganizowana według grup docelowych i tematów, ZHAW Zurich University of Applied Sciences, Szwajcaria
Indywidualne dowody
- ↑ Dirk Gebhardt, Stephan Peters: Rura geotermalna CO2 jako monosonda z perspektywy ochrony wód gruntowych . Wyd .: BRUGG Rohrsysteme GmbH. Magdeburg 2010 ( geco2-erdwaermepumpe.de [PDF; 2.6 MB ; dostęp 23.02.2014] konferencja DKV). geco2-erdwaermepumpe.de ( Memento od tej oryginalnej datą 3 listopada 2013 w Internet Archive ) Info: archiwum Link został wstawiony automatycznie i nie została jeszcze sprawdzona. Sprawdź oryginalny i archiwalny link zgodnie z instrukcjami, a następnie usuń to powiadomienie.
- ↑ berndglueck.de . Model symulacyjny dla sond geotermalnych, 2008
- ↑ berndglueck.de Model symulacyjny dla kolektorów geotermalnych, 2008
- ↑ Zalecenie dotyczące wymagań w zakresie gospodarki wodnej dla sond i kolektorów geotermalnych Federalnej Grupy Roboczej ds.Wody (LAWA) rządu federalnego / stanu , grudzień 2011, strona 7 (dokument PDF)
- ^ Simone Buffa i in.: Systemy ciepłownicze i chłodnicze piątej generacji: przegląd istniejących przypadków w Europie . W: Przegląd energii odnawialnej i zrównoważonej . taśma 104 , 2019, s. 504-522 , doi : 10.1016 / j.rser.2018.12.059 .
- ↑ Techniczna realizacja odwiertu geotermalnego RWTH-1. ( Strona nie jest już dostępna , przeszukaj archiwum internetowe ) Informacje: Link został automatycznie oznaczony jako uszkodzony. Sprawdź łącze zgodnie z instrukcjami, a następnie usuń to powiadomienie. Strona internetowa Instytutu Wydobycia Surowców i Technologii Wiercenia na Uniwersytecie RWTH Aachen
