Die Komponente Geothermie
Die Komponente 
Geothermie modelliert die Bereitstellung von Wärme durch einen Erdwärmeübertrager. Der Erdreichwärmeübertrager kann eine Erdwärmesonde oder ein Erdwämekollektor sein. Deshalb wählen Sie zuerst im Formular Technische Eingabedaten unter der Überschrift Auslegungsgrößen den Anlagentyp – Erdwärmesonde oder Erdwärmekollektor – im Drop-down-Menü aus.
Neben der übertragenen Wärmemenge wird für alle Anlagentypen auch die benötigte elektrische Leistung der Umwälzpumpe modelliert.
In einem typischen Anwendungsfall deckt die Komponente Geothermie in Kombination mit einer Wärmepumpe den Wärmebedarf eines Wohnhauses.
Komponentenvorlage
Die Komponentenvorlage Geothermie.e-ctpl befindet sich im Komponentenvorlagen-Ordner Erneuerbare Energieträger.
Einbindung der Komponente Geothermie in ein Schema
Funktionsweise der Komponente Geothermie
Unabhängig vom Anlagentyp fungiert die Komponente Geothermie als Wärmequelle. Die maximale Wärmeleistung der Komponente wird in Abhängigkeit von den Eingabedaten berechnet. Außerdem wird die elektrische Leistung der Umwälzpumpe modelliert.
Für den Anlagentyp Erdwärmesonde gibt man die Maximale spezifische Entzugsleistung als Eingabeparameter vor.
Für den Anlagentyp Erdwärmekollektor kann zwischen zwei Berechnungsmethoden gewählt werden. Einerseits ist, wie bei der Erdwärmesonde, eine Berechnung anhand maximaler spezifischer Entzugsleistungen möglich. Andererseits ist eine quasistationäre Berechnungsmethode mittels Anlagen- und Bodenparametern, wie z. B. der Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches oder der Verlegetiefe des Kollektors, möglich.
Berechnung der Wärmeleistung
Bei der Berechnung der maximalen Wärmeleistung wird – wie im vorigen Abschnitt beschrieben – zwischen den Anlagentypen Erdwärmesonde und Erdwärmekollektor unterschieden:
Die maximale Wärmeleistung wird durch Multiplikation der Eingabeparameter Maximale spezifische Entzugsleistung, Sondenlänge und Anzahl Sonden (Anzahl der verlegten Erdwärmesonden) bestimmt.
Die maximale Wärmeleistung kann, wie in den beiden folgenden Abschnitten genauer dargestellt, durch zwei verschiedene Berechnungsmethoden ermittelt werden.
Vorgabe spezifische Entzugsleistung
Die maximale Wärmeleistung wird durch Multiplikation der Eingabeparameter Maximale spezifische Entzugsleistung und Kollektorfläche bestimmt.
Vorgabe Kollektoreigenschaften und Erdreichtyp/Erdreichparameter (quasistationäre Berechnungsmethode)
Außer den Kollektoreigenschaften können Sie entweder die Erdreichparameter einzeln vorgeben (siehe folgende Abbildung) oder einen Erdreichtyp aus der Drop-down-Liste wählen.
Folgende Erdreichtypen stehen in der Drop-down-Liste zur Auswahl:
Der Wärmeübergang zwischen Wärmeträgermedium und Erdreich wird quasistationär modelliert. Hierbei ist die maximale Wärmeleistung der Komponente proportional zur mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträger und umgebendem Erdreich mit \(\dot{Q}_{max} \propto \Delta T_m\). Der Wärmeübergangskoeffizient berechnet sich mittels Formfaktor aus den Eingabeparametern Wärmeleitfähigkeit Erdreich, Verlegetiefe, Abstand der Rohrstränge, Rohrdurchmesser und Anzahl paralleler Rohrstränge. Die Temperatur des umgebenden Erdreiches wird anhand der Lokalen Umgebungstemperatur, der Verlegetiefe und Erdreichparametern, wie Dichte Erdreich, Wärmeleitfähigkeit Erdreich und Wärmekapazität Erdreich, berechnet.
Berechnung der Umwälzpumpe
Die elektrische Leistung der Umwälzpumpe wird zur Förderung des Wärmeträgermediums benötigt. Sie berechnet sich anhand der folgenden Formel \(P_{el} = \frac{ \Delta p \dot{V} }{\eta}\), mit dem Wirkungsgrad der Umwälzpumpe \(\eta\), dem Druckverlust \(\Delta p\) und dem Volumenstrom \(\dot{V}\). Der Volumenstrom ist abhängig von der thermischen Leistung \(\dot{Q}_{th}\), der Geschätzten Temperaturspreizung \(\Delta T\) und Stoffparametern des Wärmeträgermediums mit \( \dot{V} = \frac{\dot{Q}_{th}}{\Delta T c_p \rho}\). Der Druckverlust hängt von der Strömungsform des Wärmeträgermediums ab und ist im Allgemeinen definiert mit \(\Delta p = \lambda \frac{l}{D} \frac{\rho}{2} w^2\), wobei \(w\) die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers, \(\lambda\) die Rohrreibungszahl und \(\frac{l}{D}\) das Verhältnis der Länge eines Rohrstranges zum Rohrdurchmesser ist. Zur Bestimmung der Rohrreibungszahl wird eine turbulente Durchströmung angenommen, da in diesem Bereich gewöhnlich ein ökonomisches Optimum zwischen verbesserter Wärmeübertragung und Energieverbrauch der Umwälzpumpe vorliegt. Folglich kann die Rohrreibungszahl für turbulente Strömung unter der Annahme von technisch glatter Rohroberfläche nach Blasius berechnet werden mit \(\lambda = 0.3164 Re^{-1/4}\), wobei \(Re\) die Reynolds-Zahl ist. Die Strömungsgeschwindigkeit \(w\) wird aus dem Verhältnis vom Volumenstrom zum Rohrquerschnitt bestimmt.
Die oben dargestellte Berechnung der elektrischen Leistung der Umwälzpumpe ist nichtlinear und wird in TOP-Energy durch einen linearen Zusammenhang basierend auf dem Betriebszustand mit maximaler thermischer Leistung angenähert, wie im folgenden Diagramm dargestellt:
Vorgabe der Austrittstemperatur
Die Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums wird bei der Auswahl Vorgabe der Kollektoreigenschaften und Erdreichtyp/Erdreichparameter des Anlagentyps Erdwärmekollektor zur Bestimmung der maximalen Wärmeleistung verwendet (siehe hierzu auch oben den Abschnitt Berechnung der Wärmeleistung). Außerdem dient die Austrittstemperatur nach der Optimierung der Energiebilanz bei allen Anlagentypen zur Berechnung der Mischungstemperaturen. Dieses Verhalten ist in dem Artikel über Besonderheiten von Energiesystemen mit Wärme und Kälte beschrieben.
