Геотермальный зонд

Бурение геотермального зонда (фактический зонд свернут слева на переднем плане)
U-образное основание зонда, нижний конец геотермального зонда. Соединительные трубы были разрезаны.
Трубки геотермального зонда выступают из земли, отмечены красным цветом и должны быть подключены к контуру теплопередачи.

Геотермальный зонд (СЗП) представляет собой геотермальной теплообменник , в котором жидкий теплоноситель циркулирует. В отличие от горизонтально уложенного геотермального коллектора тепла , трубопроводная система устанавливается в вертикальной или наклонной скважине . С помощью геотермального зонда тепло извлекается или доставляется в землю. С помощью нагревателя с тепловым насосом можно повысить уровень температуры приповерхностной геотермальной энергии , чтобы можно было использовать тепловыделение для обогрева здания . Кроме того, геотермальные зонды также используются для питания холодных тепловых сетей и (сезонного) хранения тепловой энергии в земле.

виды

Наиболее распространенный тип геотермального зонда состоит из параллельных полиэтиленовых пластиковых труб , две из которых соединены на нижнем конце через U-образное основание. Говорят о U-образных или двойных U-образных зондах, когда на каждую скважину используются две пары труб. Также возможны коаксиальные зонды , в которых поток и возврат теплоносителя происходит во внутренней трубе и в кольцевом пространстве между внутренней и внешней трубой коаксиального зонда.

Если для сооружения планируется свайный фундамент , датчики могут быть выполнены в виде так называемых энергетических свай . Подобно активации теплового компонента , пластиковые трубы для теплоносителя затем бетонируются в опорные сваи или фундаментные сваи.

Рассол , смесь воды и антифриза, обычно течет по трубам по замкнутому контуру . Геотермальные зонды, заполненные рассолом, часто не допускаются в районах, чувствительных к управлению водными ресурсами. В качестве альтернативы в качестве теплоносителя можно использовать диоксид углерода . В этом случае зонд работает по принципу тепловой трубки (двухфазный термосифон) и обычно изготавливается из нержавеющей стали.

Установка и функционирование

В настоящее время чаще всего используются зонды с двойной U-образной формой. Перед этим используется мобильная буровая установка для бурения ствола промывочным или сухим методом бурения с обсадной колонной или без нее , в зависимости от породы . При использовании обычных двойных U-образных зондов диаметр сверления составляет от 140 до 180 мм. После бурения ствола на запланированную глубину луч зонда (U-образные зонды и Verpressrohr, все вместе нагруженные тянущим грузом на зонде, если необходимо) вводится в скважину. Оставшаяся полость ствола скважины заполняется заполняющим материалом ( бентонит- цементная суспензия или цементный раствор ), по возможности с хорошей теплопроводностью, с использованием подрядного метода через заливочную трубу, которая проходит вместе с пучком датчиков снизу вверх. Любые трубопроводы, которые могли быть проложены во время бурения, снова вытягиваются во время заливки раствором. Затирочный материал обеспечивает хорошую теплопередачу от окружающей породы к трубам зонда и служит защитой между уровнями грунтовых вод. В то же время это предотвращает утечку теплоносителя ( рассола ) в грунтовые воды.

Двухтрубные зонды не требуют сверления. Их вносят в землю с помощью промывки.

После того, как остальные зонды на месте установлены и завершена работа (например, испытание давления отдельных зондов), подающая и обратная линии зонда подключаются к тепловому насосу с помощью горизонтальных соединительных линий, проложенных с защитой от замерзания, и система заполняется жидким теплоносителем и удаляется. За исключением смотровых шахт, после завершения установки над уровнем земли не видно.

Во время работы теплоноситель, который находится в замкнутом контуре, прокачивается через геотермальный зонд с помощью циркуляционного насоса и нагревается геотермальной энергией через стену на пути к самой глубокой точке и обратно . Таким образом, геотермальный зонд образует теплообменник большой площади . Большая площадь поверхности также достигается за счет связывания труб в пучки (принцип теплообменника с пучками труб ), при этом на практике в каждой скважине используются в основном 2 пары труб .

Для передачи тепла поглощающий теплоноситель должен быть холоднее температуры породы. Эта необходимость заранее обеспечивается тепловым насосом . Жидкий теплоноситель нагревается в зонде, но не может быть теплее, чем горы.

Нагретый жидкий теплоноситель течет в теплообменник теплового насоса, чтобы извлечь содержащееся в нем тепло с помощью испарительного охлаждения . Тепловой насос, расположенный ниже по потоку, используется для повышения температуры до уровня, необходимого для обогрева. Чем больше разница температур между температурой земли и желаемой температурой теплоносителя, тем больше требуется механической энергии насоса. Поэтому выгодны низкотемпературные системы отопления, такие как теплые полы .

Размеры

Планирование геотермальных зондов требует обширных расчетов, включая геологические и тепловые параметры. Настоятельно рекомендуется профессиональная поддержка геолога, имеющего опыт определения размеров геотермальных зондов. Определяемая потребность здания в тепле (= теплоотвод) компенсируется продуктивностью недр (= источником тепла). Во избежание повреждения цепи датчика, например Следует избегать местных метеорологических (включая среднегодовую температуру), геологических (параметры горных пород, включая теплопроводность), гидрогеологических (включая наличие грунтовых вод по длине зонда) и нагрева, например, путем обледенения грунта возле зонда и других нежелательных эффектов во время работы системы. (включая потребность в тепле и температуру подачи в обогреваемом здании) параметры должны быть включены в расчеты.

Загружаемые имитационные модели могут использоваться для определения размеров и расчета производительности. С такими моделями легко возможно сравнение с геотермальными коллекторами. Эти расчеты могут дать приблизительный обзор. Более точные расчеты могут быть сделаны только на основе знания геологических недр. В случае больших систем (> 30 кВт) более точная геотермальная теплопроизводительность под землей может быть определена с помощью специальных тестов, таких как Тест на тепловую реакцию (TRT). Для этой цели предварительно просверливается первое отверстие для датчика, которое используется в качестве тестового отверстия и расширяется в тестовый датчик; На основе результата TRT этого зонда выполняется планирование расположения оставшихся зондов или поля зонда.

Неблагоприятные с геотермической точки зрения недра (например, сухие пески) требуют большего количества буровых счетчиков (= геотермальных зондов), что, соответственно, ведет к увеличению инвестиций в разработку источника тепла. Дополнительный контроль температуры в здании летом возможен и может привести к меньшему количеству счетчиков бурения, поскольку в летние месяцы подпочва термически восстанавливается. К значениям скорости извлечения из недр, приведенным в различных источниках, следует относиться с большой осторожностью, поскольку каждое место (геологически) отличается. Поэтому всегда следует проводить профессиональный расчет необходимой длины геотермального зонда с учетом геологических условий. В идеале как часть технико-экономического обоснования, которое также учитывает экономическую жизнеспособность системы геотермальных зондов.

Глубина сверления

С глубины около 10 метров температура практически не меняется в течение года и составляет около 11 ° C в низкогорье . В Центральной Европе температура повышается в среднем на 1 ° C каждые 30 метров. Следовательно, геотермальный зонд более эффективен, чем геотермальный коллектор . Глубина скважины варьируется в зависимости от геологической природы недр и составляет от 50 до 300 метров при обычном жилищном строительстве. В зависимости от местных условий и требований к характеристикам он также может составлять 400 метров и более. Иногда проводится экспериментальное бурение на глубине более 400 метров (= научные или промышленные глубинные геотермальные проекты), в результате чего усилия здесь обычно превышают выгоду.

В частном жилищном строительстве (односемейных домах) в Германии геотермальные зонды редко достигают глубины более 100 м. В других странах также распространены большие глубины. В Швейцарии, например, бурение регулярно ведется на глубину около 300 метров. Помимо высоких затрат на буровую установку (затраты на бурение), необходимо получить соответствующее разрешение (в том числе водоохранные нормы) и соблюдать закон о горных работах на глубинах более 100 метров .

Если требуются большие теплообменные поверхности, обычно просверливают несколько отверстий рядом друг с другом на расстоянии нескольких метров. Поскольку бурение является глубоким, занимаемое место мало по сравнению с геотермальным коллектором . Согласно VDI 4640, рекомендуется минимальное расстояние 6 метров между соседними отверстиями для датчиков и 3 метра от границы участка, чтобы избежать отрицательного влияния между датчиками. LAWA рекомендация для требований управления водных ресурсов для геотермальных зондов и геотермальных коллекторов рекомендует расстояние между двумя геотермальными системами зондовых 10 метров с расстоянием 5 м от линии собственности.

применение

В основном геотермальные зонды используются для получения тепла окружающей среды с помощью тепловых насосов. Но вариант с охлаждением можно реализовать и с помощью геотермальных зондов. Здесь тепло от зданий передается в землю через теплоноситель. Итак, земля служит для охлаждения. Теплоноситель не может быть ниже температуры пола. Если требуются более низкие температуры, потребуется холодильная машина ниже по потоку .

Глубинные геотермальные зонды используются исключительно для обогрева. Если охлаждающий кожух также должен быть закрыт, глубина сверления может быть уменьшена из-за применения для хранения.

Геотермальные зонды также используются для подачи тепла в холодные системы местного отопления . Также возможно сезонное хранение избыточной энергии, например, путем хранения тепловой энергии от солнечных тепловых систем или промышленных отходов тепла, которые нельзя использовать летом в течение зимнего полугодия. Зонды используются как для загрузки (нагрева) почвы, так и для повторного отвода тепла.

Крупные заводы

Впервые будут проведены обширные исследования по использованию геотермальной энергии в геотермальном парке в Нойвайлере в северной части Шварцвальда, зоне строительства, в которой только геотермальная энергия используется для отопления и охлаждения зданий. В рамках модельного проекта впервые планируется осуществить отопление и охлаждение существующих дорог.

Геотермальный глубинный зонд Prenzlau с глубиной 2790 метров и постоянной тепловой мощностью с тепловым насосом 520 кВт при температуре горных пород 108 ° C находится в эксплуатации с 10 ноября 1994 года . Тепловая мощность без теплового насоса составляет 150 кВт. Глубиномер характеризуется практически безотказной работой в течение многих лет с периодическими перебоями в несколько часов.

Во время строительства здания SuperC в ноябре 2004 года RWTH Aachen University достиг глубины 2500 м с помощью геотермального зонда. Температура горных пород достигает от 70 до 100 градусов по Цельсию. Геотермальный зонд должен обеспечивать мощность около 450 кВт. Это позволило бы сэкономить около 300 т CO 2 в год для отопления здания. Однако тепловые характеристики остались намного ниже ожиданий.

Правовая ситуация

В этой статье или абзаце представлена ситуация в Германии . Помогите нам описать ситуацию в других странах.

Германия

Согласно Закону о водных ресурсах Германии (WHG), буровые работы, которые могут повлиять на грунтовые воды, подлежат уведомлению (Раздел 49 WHG). Внедрение геотермальных зондов в подземные водоносные слои является элементом использования в значении Раздела 9 WHG, который в некоторых случаях требует разрешения или разрешения в соответствии с WHG и соответствующими государственными водными законами отдельных федеральных земель. Использование веществ, опасных для воды (например, охлаждающего рассола с WGK 1) в подземных частях системы, также может считаться правонарушением в соответствии с законодательством о воде.

В охранных зонах определенных водоохранных зон или охраняемых территорий минеральных источников бурение часто ограничено или запрещено.

В случае скважин глубиной более 100 м необходимо соблюдать положения статьи 127 (1) Федерального закона о горной промышленности . После этого применяется горное право с определенными положениями.

веб ссылки

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Дирк Гебхардт, Стефан Петерс: Геотермальная труба CO2 как монозонда с точки зрения защиты грунтовых вод . Ред .: BRUGG Rohrsysteme GmbH. Магдебург 2010 ( geco2-erdwaermepumpe.de [PDF; 2.6 МБ ; по состоянию на 23 февраля 2014 г.] Конференция DKV). geco2-erdwaermepumpe.de ( Memento из в оригинальном датирован 3 ноября 2013 в Internet Archive ) Info: архив ссылка была вставлена автоматически и еще не была проверена. Проверьте исходную ссылку и ссылку на архив в соответствии с инструкциями, а затем удалите это уведомление.  @ 1@ 2Шаблон: Webachiv / IABot / www.geco2-erdwaermepumpe.de
  2. ↑ berndglueck.de . Имитационная модель для геотермальных зондов, 2008 г.
  3. ↑ berndglueck.de Имитационная модель для геотермальных коллекторов, 2008 г.
  4. ↑ Рекомендация по требованиям к управлению водными ресурсами для геотермальных зондов и геотермальных коллекторов Федерального правительства / рабочей группы штата по водным ресурсам (LAWA) , декабрь 2011 г., стр. 7 (документ PDF)
  5. ↑ Simone Buffa et al.: Системы централизованного теплоснабжения и охлаждения 5-го поколения: обзор существующих примеров в Европе . В: Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . лента 104 , 2019, с. 504-522 , DOI : 10.1016 / j.rser.2018.12.059 .
  6. ↑ Техническая реализация геотермальной скважины RWTH-1.  ( Страница больше не доступна , поиск в веб-архивах )  Информация: ссылка была автоматически помечена как дефектная. Проверьте ссылку в соответствии с инструкциями и удалите это уведомление. Веб-сайт Института добычи сырья и технологий бурения при RWTH Aachen University@ 1@ 2Шаблон: Toter Link / www.bbk3.rwth-aachen.de