R. Zorn, H. Steger & T. Kölbel 26.08 - HLNUG · 3 Verflüssiger 1 Kompressor 4 Druckleitung Flüssigkeitsleitung Heizkreislauf Geklüfteter Granit Vorlauf Rücklauf Wärmenutzung

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Universität Karlsruhe (TH)Geologisches Institut

AbteilungHydrogeologie

Verdampfersonde mit WärmeträgermittelCO2 oder Ammoniak

Fachgespräch ErdwärmesondenThermische Auswirkungen,Sonderformen der Nutzung

R. Zorn, H. Steger & T. Kölbel

26.08.2008



Gliederung

• Einleitung

• Grundlagen

• Testfeld in Triberg-Nußbach

• Ausblick

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Allgemeine Einführung

Definition:In einem geschlossenen Rohr wird Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke transportiert, wobei ein Phasenwechsel des Arbeitsmittels (Helium, Ammoniak, Methanol, Wasser, usw.) vonstatten geht.

• Wärmerohr• Thermosyphons• Heatpipe• Verdampfersonde

Gebräuchliche Begriffe für ein Konvektionswärmerohr:

Kondensations-wärmewarme Luft

Verdampfungs-wärme

Kondensationdes Kältemittels

Wärmerohr

WärmequelleWarmwasser

Verdampfungdes Kältemittels

Wärmesenkekalte Luft



Es gibt zwei Grundsätzliche Bauformen:• Gravitationswärmerohr

Allgemeine Einführung

• Kapillarwärmerohr

Quelle: http://www.de.wikipedia.org/

3



CO2 Heat pipe als Erdsonde, GrundprinzipKühlzone: Zone der Wärmeabgabe an ein anderes Medium (WP, etc.)Neutrale Zone: Zone ohne Wärmeinput bis ca. 10 – 15 Meter) entspricht der TransportzoneHeizzone: Wärmefluss im Untergrund (z. B. ~10°C ab 10-15 Meter Tiefe mit einer Zunahme von 3°C/100m).

Möglichst lange Heizzone und Oberflächenverdampfung (kein Flüssigkeitsbad)



Temperaturbereiche verschiedener Arbeitsmittel

-200 -100 0 100 200 300 400

NH3

CO2

Propan

Wasser

Temperatur [°C]

• Flüssiggase (Helium, Stickstoff, etc.) • Alkohole (Methanol, Ethanol, etc.) • Wasser • Metalle (Quecksilber, Natrium,

Lithium, Aluminium, etc.)

Generell (abhängig ΔT):

Erdsonde:• CO2, Propan, NH3

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CO2-Phasendiagramm10.000

100

10

1

0,1

0,01

1.000

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60Temperatur in °C

Dru

ck in

bar

Fest-stoff

Gas

Übe

rkrit

isch

esFl

uid

Tripelpunkt(5,19 bar; -56,6°C)

Kritischer Punkt(73,8 bar; 31,0°C)

FlüssigkeitArbeitsbereich

Wärmerohr

CO2 ist ideal als Arbeitsmittel geeignet, da die Phasenum-wandlung von CO2 im Bereich der Untergrund und bzw. Oberflächentemperaturen zwischen ca. -5 bis +20°C (bei ~ 40 bar) ideal ist.

• Keine zusätzliche Pumpe für den Solekreislauf wird benötigt• Sehr hohe Umweltverträglichkeit (kein Frostschutzmittel wird benötigt), • Hohe Wärmestromdichte (bis ca. 40 W/cm² einkoppelbarer Wärmestrom) • geringere thermische Widerstände (hohe Wärmeleitfähigkeit, etc.)

Vorteile

Jahresarbeitszahl ist höher (~6 gegenüber 4 bei konventionellen Sole-Erdsonden)



Typische Wärmerohrmaterialien• Kupfer• Kupfer-Bronze • Aluminium• Stahl • Nickel-Basis-Legierungen • Kohlenfaser (selten)

z. B. Stahlrohr

Verwendung:

Als Metallrohr (z. B. Stahl, Aluminium) oder in beschichteten Gewebeschläuchen (z. B. Kupfer)

Quelle: http://www.m-tec.at/

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Bauformen

Hinterfüllung

CO

2-D

ampf

Sondenkopf

Heizzone

Heizzone

Heizzone

Heizzone

Kühlzone

Wärmeabgabe an „Heizsystem“

CO2-Fluid (adiabatic, „kalt“)

Heizzone

Heizzone

Kühlzone

CO2-Dampf („warm“)

Heizzone

Heizzone

Heizzone

Heizzone

Einrohrsonde Zweirohrsonde

Bauformen• Ein-, Zwei-, Mehrrohrsonden• Glatt-, Wellrohr • Schlauch

Anforderungen• flexibel• druckfest• korrosionsbeständig

Mehrrohrsonde



Oberflächenanbindung

Warmwasser

Warmwasser

Kompressor

Ventil

VerdampfungKältemittel

CO2 KondensationWP

KondensationKältemittel

Quelle: Karl Mittermayr, M-TEC Mittermayr GmbH, Malmö, 02-10-2007

Schacht für:• Wärmetauschsystem

Kältemittelkreislauf direkt am Sondenkopf (über Bohrloch)

• Horizontale Anbindung des Kältemittelkreis-laufes an WP über Schacht ins Gebäude

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Anwendungsbeispiele

• Raumfahrt • Satellitentechnik • Wärmetauschersysteme

(allotherme Holzvergasung)• Mikroelektronikkühlung

(z. B. in modernen Handysoder in Computern)

• Erdsonden (Wärme, Gründung)

http://en.wikipedia.org/http://en.wikipedia.org/



Baugrundstabilisierung im Permafrost 1Alaska-Pipeline, Stabilisierung der Gründung mittels NH3 Wärmerohre

• Verhindern des Auftauens des Permafrostbodens• 61.000 Wärmerohrpaare an jedem vertikalen Hilfselement (5 – 19 Meter Tiefe)

http://en.wikipedia.org/

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Baugrundstabilisierung im Permafrost 2

Quelle:

http://tibet.cn/en/newfeature/qtrailway/photo/t20070906_279284.htm

Lahsa-Bahn, Stabilisierung der Gründung mittels NH3 Wärmerohre• Verhindern des Auftauens des Permafrostbodens• 10.000 Wärmerohre



Eisfreihaltung von Wegen

Quelle:Karl Mittermayr, M-TEC Mittermayr GmbH, Malmö, 02-10-2007

Eisfreihaltung von Wegen,Fa. M-TEC Mittermayr GmbH,CO2 Mehrohrsonden (ohne WP)

Im Bau

Vor Betrieb In Betrieb

Fertige Garageneinfahrt

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Eisfreihaltung von Wegen, Einrohrsondenlösung

Quelle: Thermion Technology GmbH

Direktverdampfersonde: Arbeitsmittel NH3 (ohne WP)



Eisfreihaltung von Weichen

Quelle: Feldmann 2004

Nur Installationskosten, da selbst laufend bei beginnenden niedrigen Temperaturen

Quelle: ZAE Bayern, Staudacher, Malmö, 02-10-2007

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Testfeld in Triberg-Nußbach

Triberg

Testfeld

Geographische Lage:

• Naturräumlicher Teil des Mittleren Schwarzwaldes

• Mittlere Höhe 867 m ü. NN

• Jahresdurchschnittstemperatur 7°C

• Jährlicher Niederschlag 1740 mm



Testfeld in Triberg-NußbachGeographische Lage:

10


Geologische Situation, Triberg Granit

Testfeld

Quelle: Grunert 2007




Geologische Situation, Triberg Granit

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Auslegung aufwendiger als bei EWS• Thermodynamische Daten des CO2• Verdampfungstemperatur des CO2• Geothermischer Gradient• Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes• Filmlänge

Thermodynamische Auslegung 1

10.000

100

10

1

0,1

0,01

1.000

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60Temperatur in °C

Dru

ck in

bar

Fest-stoff

Gas

Übe

rkrit

isch

esFl

uid

Tripelpunkt(5,19 bar; -56,6°C)

Kritischer Punkt(73,8 bar; 31,0°C)

FlüssigkeitArbeitsbereich

Wärmerohr



Thermodynamische Auslegung 2CO2-Verdampfungstemperatur von ~ 0°C mit Variation der spez. Entzugsleistung.

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Theoretische max. Entzugsleistung und Filmlänge bei einer Sondenleistung von 70 W/m mit Variation der CO2-Verdampfungstemperatur

Thermodynamische Auslegung 3



Einbau des Wärmerohrs

Edelstahlrohr

HinterfüllungUntergrund

CO2-Fluid (adiabatic, „kalt“)

CO2-Dampf („warm“)

Sonden-kopf

Tiefe mit Gewichten 275 m

Heizzone

Heizzone

Heizzone

Heizzone Heizzone

Heizzone

Heizzone

Heizzone

KühlzoneKühlzone Wärmeabgabe an „Heizsystem“

• Einrohrsonde aus Stahl (gewellte Oberfläche)

• Endteufe der Bohrung bei 275 Meter

• Wärmerohrlänge 250 Meter Länge• 25 Meter für Gewichte (gegen den

Auftrieb, da Wasserspiegel im Bohrloch bei ca. 30 m u. GOK

Monitoring am Wärmerohr• 8 punktuelle PT100 Temperaturfühler• Faseroptische tiefenauflösende

Temperaturmessungen (alle 50 cm)• Punktuelle elektrische

Leitfähigkeitsmessungen• Wärmemengenzähler, Drucksensor

Einbaubedingungen

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Technische Umsetzung275 m tiefe Bohrung im Triberggranit



Technische Umsetzung

• Anbringen von Gewichten (ca. 1,5t)• Einbau eines DN 60 Edelstahlrohrs• Montage dreier Verpressschläuche

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Installation eines Monitoringsystems (DTS-Kabel, 8 Pt-100,6 Widerstandsfühler, Druck, Wärmemenge)




• Pt-100-Widerstandsmessfühler (4 Leiter)

• Glasfaserkabel (DTS-Kabel)

Pt-100

Stock

Das reflektierte Licht besteht aus verschiedenen spektralen Anteilen, dem Rayleigh-Anteil und dem Ramananteil. Der Ramananteil lässt sich in das Stokessignal (Is) und das temperaturabhängige Anti-Stokes-Signal (Ia) aufteilen, deren Wellenlängen zu geringeren bzw. größeren Wellenlängen hin verschoben sind.

Anti-Stock

Temperaturmessung

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Verpressen des Ringraums mit einem thermisch verbessertem Hinterfüllbaustoff (Thermochem)




Schematischer AufbauKältemittelkreislauf

Verdampfer3

Verflüssiger1

Kompressor4

Druckleitung

Flüssigkeitsleitung

Heizkreislauf

GeklüfteterGranit

Vorlauf

Rücklauf

WärmenutzungHeizung

WärmequelleCO -EWS2

T16T17

T11

T7

T6

T5

T12

T14

T9

T1

T8

T4

T3

T210m25m

50m

100m

150m

200m

250m

Expansionsventil2

P1 Saugleitung

Wärmepumpe

W1

W2

W3

W4

T15

T10T13

T1

P1 Drucksonde

Temperatursonde

Widerstandssonde

DTS-Kabel

Legende

W1

T18

W1 WMZ

T19

Warmwasser

W1 W2

16



Erste Ergebnisse

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

16

14

12

10

8

6

4

2Long term

Peak Test 4Peak Test 3

Peak Test 2

Oberfläche in 1,50 m Tiefe (nicht von Wärmerohr beeinflußt)

250 m200 m

150 m

100 m50 m 25 m

10 m

Peak Test 1

08.07.2007 18:38:30

Tem

pera

tur [

°C]

Zeit [d]

16

14

12

10

8

6

4

2



Erste Ergebnisse

1350 1360 1370 1380

14

12

10

8

6

4

2

Testbetrieb 03.09.2007

Oberfläche in 1,50 m Tiefe (nicht von Wärmerohr beeinflußt) 10 m 25 m 50 m 100 m 150 m 200 m 250 m

Tem

pera

tur [

°C]

Zeit [h]

546 548 550 552 554

16

14

12

10

8

6

4

Testbetrieb 31.07.2007

Oberfläche in 1,50 m Tiefe (nicht von Wärmerohr beeinflußt) 10 m 25 m 50 m 100 m 150 m 200 m 250 m

Tem

pera

tur [

°C]

Zeit [h]

250

200

150

100

50

0

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Referenz Peak Test1 Peak Test2

Temperatur [°C]

Teuf

e [m

]

17



Erste Ergebnisse

215 216 217 218 219 220 221

14

12

10

8

6

4

2

0

-2

-4

Oberfläche in 1,50 m Tiefe

250 m

200 m ?

150 m

100 m50 m

25 m10 m

08.07.2007 18:38:30

Tem

pera

tur [

°C]

Zeit [d]

14

12

10

8

6

4

2

0

-2

-4

Nach Optimierung der Füllmenge CO2



Erste Ergebnisse

250

200

150

100

50

0

2 4 6 8 10 12 14

Peak Test2 (5 h) Peak Test1 (1 h) Referenz Optimized, duration 24 h)

Temperatur [°C]

Teuf

e [m

]

8,0

7,5

7,0

6,5

6,0

5,5

Nach Optimierung der Füllmenge CO2

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Ausblick 1Eisfreihaltung einer Feuerwehrzufahrt

Edelstahlrohr

CO2-Fluid (adiabatisch, „kalt“)

Küh

lzon

e

Küh

lzon

e

CO2-Dampf

Heizzone

Heizzone

Heizzone

Untergrund

Heizzone

Heizzone

Heizzone

Heizzone

Profilschnitt: einzelne SondeDraufsicht: Einfahrt, Wärmerohrbündel

BohrlochschachtWärmerohrbündel

Horizontale Wärmerohrheiz-strecke

50 mm

Abstands-halter

Detail

Gef

älle

145 mm

Quelle:M-TEC Mittermayr GmbH,Malmö, 02-10-2007



Ausblick 2

Gußasphalt-dicke 30-50 mm

Gußasphalt

Schotterschicht(Stärke nach Belastung)

Wärmestromaus Rohr

Primärkreislauf

Wärme-übertrager

SekundärkreislaufWärmeverteilung

Wärmestrom

Wärmestromaus Rohr

KreislaufBypasssystem

Direkte Wärmeverteilung

DirektverdampferkreislaufWärmeverteilung

Wärmestrom

20,34

13,5

0

6,80 6,74

4,50

4,50

4,50

6,80

1,00

0,30

0,15

Wärmerohrbündel

Schacht für Wärmerohr

Horizontale Wärmeleitungen

Maße in Meter

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Projektpartner des Forschungsprojekts



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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