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2018 | OriginalPaper | Buchkapitel

13. Geothermische Phasenwechselsonden als Wärmeentzugssystem

verfasst von : Thomas Storch, Thomas Grab, Ulrich Groß

Erschienen in: Handbuch Oberflächennahe Geothermie

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Für die Nutzung der Oberflächennahen Geothermie als erneuerbare Energiequelle zur Bereitstellung von Heizwärme im Gebäudebereich existiert eine Vielzahl an unterschiedlichen Wärmeentzugssystemen. Bei allen Systemen sind die thermophysikalischen als auch die materialspezifischen Parameter (Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, Dichte etc.) u. a. des Erdreiches, des Bohrlochs, des Zementes und der Geothermiesonde oder des Kollektors wichtige Einflussgrößen und müssen in der Planung und Auslegung entsprechend berücksichtigt werden. Ein innovatives und zugleich sehr effizientes Prinzip für den Wärmeentzug aus dem Erdreich stellt eine Anwendung der Fallfilmverdampfung in einem geothermischen Thermosiphon (auch Phasenwechselsonde genannt) in Kombination mit einer Wärmepumpe dar. Erste Anwendungen von Thermosiphons in oberflächennahen Erdschichten datieren aus der Zeit um 1960, z. B. in Alaska, wobei es sich vorwiegend um die Untergrundstabilisierung in Regionen mit Permafrostböden handelte. Das wohl bekannteste Projekt ist die 1977 fertiggestellte Trans-Alaska-Pipeline, welche auf ca. 730 km mit über 122.000 Thermosiphons stabilisiert wird. Seit 1997 wird dieses einfache Prinzip auch in Kombination mit Wärmepumpen zur Wärmeversorgung von Gebäuden genutzt. In diesem Beitrag werden hierzu die Funktionsweise und die Betriebsbedingungen von geothermischen Phasenwechselsonden mit den Vor- und Nachteilen gegenüber Flüssigkeitszirkulationssonden auf dem neuesten Stand der Forschung sowohl für Anwender als auch für Wissenschaftler umfangreich dargelegt. Dabei werden die ablaufenden Prozesse für verschiedene Betriebsphasen (Start, zyklischer oder dauerhafter Wärmeentzug, Regeneration) u. a. hinsichtlich der Filmausbreitung, der Poolaktivität und einer energetischen Bewertung beschrieben. Abschließend werden kurz zukünftige Forschungsfelder geothermischer Phasenwechselsonden umrissen sowie relevante Perspektiven und Herausforderungen diskutiert.

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Ahmed, J., Rahman, M. S.: Handbook of food process design. Chichester: Wiley-Blackwell. (2012)

Aviles, M. L.: Experiments on falling film evaporation of a water-ethylene glycol mixture on a surface with longitudinal grooves. Dissertation, TU Berlin (2007)

Berk, Z.: Food process engineering and technology. Second edition (Food science and technoloy Int. series), Academic Press, Amsterdam (2013). ISBN 978-0-12-415923-5CrossRef

Bjorklund, D., Kersey, D., Mandigo, G. J.; Tiwari, C.: Method for recycling deoiled water using counterflow falling-film evaporators; 2010. Patent number: US 13/323,083. Publishing number: US 20120145386 A1. (2010)

Brendel, T.: Solare Meerwasserentsalzungsanlagen mit mehrstufiger Verdunstung – Betriebsversuche, dynamische Simulation und Optimierung. Dissertation, Ruhr-Universität Bochum (2003)

Brennan, J. G.: Food processing handbook. Wiley-VCH, Weinheim (2006)

Cannaviello, M., Casarosa, C., Latrofa, E., Martorano, L., Reale, F.: Gravity heat pipes as geothermal convectors. In: Reay, D. A. (Hrsg.) Advances in heat pipe technology. 4th Int. Heat Pipe Conf. London. 1 Bd. Oxford: Pergamon Press (IHPC), S. 759–766 (1981)CrossRef

Cheng, K. C., Zarling, J. P.: Applications of Heat Pipes and Thermosyphons in Cold Regions. In: Vasiliev, L. L. (Hrsg.): Heat pipe technology. Proc. of the 7th Int. Heat Pipe Conf., Bd. 2. 7th Int. Heat Pipe Conf. Minsk, May, 21–25. 2 Bände: Begell House (IHPC), S. 1–32 (1990)

Christmann, J. B. P., Krätz, L. J., Bart, H.-J.: Falling film evaporation with polymeric heat transfer surfaces. New Directions in Desalination 308(0), 56–62 (2013). http://doi.org/10.1016/j.desal.2011.05.027CrossRef

Cube, H. L. (Hrsg.): Lehrbuch der Kältetechnik, 4. Aufl. C. F. Müller, Heidelberg (1997)

Darwish, M., Alsairafi, A.: Technical comparison between TVC/MEB and MSF. Desalination 170(3), 223–239 (2004)CrossRef

DIN EN 378-1, 2012-08-00: DIN EN 378-1: Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen – Teil 1: Grundlegende Anforderungen, Begriffe, Klassifikationen und Auswahlkriterien

Dobriansky, Y.: Concepts of self-acting circulation loops for downward heat transfer (reverse thermosiphons). In: Energy Convers. Manage 52(1), 414–425 (2011). htttp:/doi.org/10.1016/j.enconman.2010.06.073CrossRef

Eichinger, S., Grab, T, Storch, T., Gross, U.: Benetzungsverhalten von Fallfilmen in geneigten, strukturierten Rohren. In: Dechema (Hrsg.): Jahrestreffen der Fachgruppen Mehrphasenströmungen und Wärme- und Stoffübertragung. Fulda, 24.–25.03. Processnet (2014)

El-Genk, M. S., Saber, H.: Minimum thickness of a flowing down liquid film on a vertical surface. Int. J. Heat Mass Transfer 44(15), 2809–2825 (2001)CrossRef

El-Genk, M. S., Saber, H. H.: Flooding limit in closed, two-phase flow thermosyphons. Int. J. Heat Mass Transfer. 40(9), 2147–2164 (1997)CrossRef

El-Genk, M. S., Saber, H. H.: Determination of operation envelopes for closed, two-phase thermosyphons. Int. J. Heat and Mass Transfer. 42(5), 899–903 (1999)CrossRef

Erb, M., Hubacher, P., Ehrbar, M.: Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen FAWA 1996–2003. Schlussbericht, April 2004. Unter Mitarbeit von Brugger, G., Rognon, F., Real, M. (Hrsg.) v. Bundesamt für Energie BFE (Schweiz) (2004)

Esch, D.: Thermal analysis, construction, and monitoring methods for frozen ground. American Society of Civil Engineers, Reston (2004)

Faghri, A.: Heat pipe science and technology. Taylor & Francis, Washington (1995)

Gambaryan-Roisman, T.: Thermocapillary convection and interface deformation in a liquid film within a micro-slot with structured walls. Physics of fluids. 3, 207–215 (2007)CrossRef

Gerke, W., Mostofizadeh, C., Schröder, L.: ZIP Geothermie für den Neubau des Alfred-Wegener-Institutes in Bremerhaven. Feldtestanlage einer Tiefen Erdwärmesonde mit Direktverdampfung eines Kältemittels zur Wärme- und Stromerzeugung. Studie – Förderkennzeichen 0327191 (2004)

Grab, T.: Verbesserung der Filmverteilung auf Fallfilmverdampferoberflächen am Beispiel geothermischer Phasenwechselsonden. Dissertation. TU Bergakademie Freiberg. Shaker Verlag (2015). http://doi.org/10.2370/OND000000000175

Grab, T., Storch, T., Braune, S., Gross, U., Wagner, S.: Performance of a geothermal heat pipe using propane. Heat Pipe Science and Technology 2, Begell House, 1–4, 43–53, ISSN: 2151–7975, (2011). http://doi.org/10.1615/HeatPipeScieTech.v2.i1-4.60CrossRef

Grab, T., Storch, T., Eichinger, S., Gross, U.: Wetting behaviour of propane drops on solid materials. In: ASTFE – American Society of Thermal and Fluid Engineers (Hrsg.) Proc. of First Thermal and Fluids Engineering Summer Conf. Thermal Fluids Engineering Addressing Grand Challenges. New York (September 2015)

Grab, T., Storch, T., Wagner, S., Gross, U.: Wechselwirkungen zwischen Heiz- und Kühlkreislauf bei einem geothermischen Direktverdampfer-Sondenfeld. Deutsche Kälte- und Klimatagung, DKV, Magdeburg (2010)

Groll, M.: Wärmerohre als Bauelemente in der Energietechnik. In: W. Fratzscher und K. Stephan (Hrsg.) Abfallenergienutzung. Technische, wirtschaftliche und soziale Aspekte, S. 82–107. Akademie Verlag, Berlin (1995)

Gross, U. (Hrsg.): Kondensation und Verdampfung im geschlossenen Thermosyphon, Bd. 19/46. Habilitationsschrift: VDI-Verlag (VDI-Fortschrittsberichte), Düsseldorf (1991)

Grüniger, A., Wellig, B.: Schlussbericht CO2-Erdwärmesonde, Phase 2. Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK; Bundesamt für Energie BFE (2009)

Häfner, F., Wilsnack, T., Grafe, F., IBeWa; Wagner, S., Kleinitz, W. et al.: DGMK Forschungsbericht 654. Erdwärmegewinnung aus teilverfüllten Produktionssonden, Deutsche Wissenschaftliche Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e.V. (2007)

Hainbach, C., Krug, N., Pohlmann, W.: Pohlmann, Taschenbuch der Kältetechnik. Grundlagen, Anwendungen, Arbeitstabellen und Vorschriften, 21. Aufl. VDE-Verl, Berlin (2013)

Hamilton, Ralph A.: Omnidirectional heat pipe am 10.07.1979. Veröffentlichungsnr: US 4160444 (1979)

Hantsch, A., Gross, U.: Numerical investigation of partiallywetted geothermal heat pipe performance. Geothermics, 47, 97–103 (2013)CrossRef

Hartley, D. E., Murgatroyd, W.: Criteria for the break-up of thin liquid layers flowing isothermally over solid surfaces. Int. J. Heat Mass Transfer. 7, 1003–1015 (1964)CrossRef

Hartmann, F., Behrend, R., Hantsch, A., Grab, T., Gross, U.: Numerical investigation of the performance of a partially wetted geothermal thermosyphon at various power demand schemes. Geothermics. 55, 99–107 (2015). http://doi.org/10.1016/j.geothermics.2015.01.014CrossRef

Hoffmann, A., Ausner, I., Repke, J. U.: Aufreißende Filmströmung auf geneigten Oberflächen. Chemie Ingenieur Technik. 76(8),1065–1068 (2004)CrossRef

Imura, H., Ishii, K., Ippohshi, S.: An experimental investigation of geysering in two-phase closed thermosyphons. In: Maezawa, S., Miyazaki, Y. Kaminaga, F. (Hrsg.) Heat Pipe Science and Technology. Proc. of the 11th Int. Heat Pipe Conf., Tokyo, Japan. The Japan Association for Heat Pipes (IHPC), 166–171 (1999)

Joo, S. W., Davis, S. H., Bankoff, S. G.: A mechanism for rivulet formation in heated falling films. J. Fluid. Mech. 321, 279–298 (1996)CrossRef

Kaltschmitt, M., Streicher, W., Wiese, A.: Erneuerbare Energien – Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte, 4. Aufl. Springer-Verlag, Berlin (2006)

Kerschbaumer, W., Neuberger, S., Peuker, U., Brenner, Gunther: Rechnergestützte Analyse einer mehrstufigen Fallfilmverdampfungsanlage zur Herstellung von Reinstwasser. Chemie-Ing.-Techn. 80(7), 919–926 (2008)CrossRef

Khandekar, S.: Thermo-hydrodynamics of closed loop pulsating heat pipes. Dissertation. Universität Stuttgart (2004)

Knoblich, K., Aschenbrenner, F., Sanner, B. (Hrsg.): Erdgekoppelte Wärmepumpen. Energetische, hydrologische und geologische Untersuchungen zum Entzug von Wärme aus dem Erdreich an der Forschungsanlage Schöffengrund-Schwalbach und anderen Standorten. Lenz-Verlag (Giessener Geologische Schriften, 49), Giessen (1993)

Kruse, H., Fennekoldt, D., Michalzik, D.: Möglichkeiten der Nutzung von CO2-Erdwärmesonden in der mitteltiefen Geothermie. Forschungsprojekt Nienburg. In: Enerchange (Hrsg.) 4. Norddeutsche Geothermietagung. Geothermie – durch Innovation zur Wirtschaftlichkeit, Hannover (2011)

Kruse, H., Gebhardt, D., Rüssmann, H.: FKW – CO2-Erdwärmerohr für Geothermische Wärmepumpen – Betriebsverhalten im Vergleich zur Sole-Sonde. In: Deutsche Kälte-Klima-Tagung, Bd. 35. DKV, Ulm (2008)

Makogon, J. F.: Hydrates of hydrocarbons. Pennwell (PennWell books), Tulsa (1997)

Miara, M., Günther, D., Kramer, Th, Oltersdorf, Th, Wapler, J.: Wärmepumpen Effizienz – Messtechnische Untersuchungen von Wärmepumpenanlagen zur Analyse und Bewertung der Effizienz im realen Betrieb. Kurzfassung. Fraunhofer ISE (2011)

Morison, K. R., Worth, Q. A. G., O’Dea, N. P.: Minimum wetting and distribution rates in falling film evaporates. Food and Bioproducts Processing. 84, 302–310 (2006)CrossRef

Ochsner, K.: Carbon dioxide heat pipe in conjunction with a ground source heat pump (GSHP). Appl. Therm. Eng. 28(16), 2077–2082 (2008)CrossRef

Peterlunger, A., Ehrbar, M., Rohner, E., Bassetti, S.: Pumpenlose Erdwärmesonde Phase 1: Potentialabklärung, Machbarkeitsstudie energetisch und wirtschaftlich. Bundesamt für Energie (2004)

Prost, J. S., Gonzales, M. T., Urbicain, M. J.: Determination and correlation of heat transfer coefficients in a falling film evaporator. In: J. Food Eng. 320–326 (2006)CrossRef

Rieberer, R.: Naturally circulating probes and collectors for ground-coupled heat pumps. Int. J. Refrig. 28(8), 1308–1315 (2005)CrossRef

Rieberer, R., Mittermayr, K., Halozan, H.: CO2 heat pipe for heat pumps. Preliminary Proceedings Natural working fluids 2002: 5th IIR-Gustav Lorentzen Conference - Fluides actifs naturels 2002, Guangzhou, China, S. 205–212, International Institute of Refrigeration, Paris (2002)

Rieberer, R., Mittermayr, K., Halozan, H.: CO2-Erdsonde als Wärmeträgersystem für Wärmepumpen. In: Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein e. V (DKV) (Hrsg.) Deutsche Kälte- und Klimatagung. Bremen (2004)

Rieberer, R., Mittermayr, K., Halozan, H.: CO2 Thermosyphons as heat source system for heat pumps. 4 years of market experience. In: Global advances in heat pump technology, applications, and markets. Proc. 8th IEA Heat Pump Conf. 2005, May 30 – June 2;. Las Vegas (2005)

Schnabel, G.; Palen, J. W.: Wärmeübergang an senkrechten berieselten Flächen. In: VDI-Wärmeatlas, S. Md 1-8. 10. Aufl. Springer, Berlin (2006)

Schuchmann, H. (Hrsg.): Lebensmittelverfahrenstechnik. Wiley-VCH, Weinheim (2005)

Shiraishi, M., Yoneya, M., Yabe, A.: Visual Study of Operating Limit in the Two-Phase Closed Thermosyphon. In: K. Oshima, Y. Kobayashi, M. Murakami und K. Negishi (Hrsg.): 5th Int. Heat Pipe Conf. (5 IHPC). Research and development of heat pipe technology, Bd. 1. Tokyo, Japan, 2 Bände: Japan Technology and Economics Center, JATEC (IHPC), S. 10–17. (1984)

Simon, F. F., Hsu, Y.-Y: Thermocapillary induced breakdown of a falling liquid film. Nasa Technical Note. National Aeronautics and Space Administration, Washington (1970)

Skovrup, M. J, Jakobsen, A., Rasmussen, B. D, Andersen, S. E.: Datenbank: Coolpack 1.50. Version 1.50: IPU & Department of Mechanical Engineering, Technical University of Denmark (2012)

Smith, P. G.: Introduction to food process engineering, 2. Aufl. Springer (Food science text series), New York (2011)

Stober, I, Bucher, K.: Geothermie. Springer Verlag (Springer geology), Berlin (2012)

Storch, T.: Grundlegende Untersuchungen zum Wirkprinzip von geothermischen Phasenwechselsonden. Dissertation. Sierke Verlag, Freiberg, ISBN: 978-3-86844-707-1, (2015). http://doi.org/10.14626/9783868447088

Storch, T., Grab, T.; Wagner, S., Gross, U.: Evaluierung einer Geothermieanlage mit Direktverdampfersonden. In: GtV- Bundesverband Geothermie e.V (Hrsg.). Der Geothermiekongress. Karlsruhe (2010)

Storch, T., Grab, T., Gross, U., Wagner, S.: Investigations of geothermal heat pipes. In: EERA – Scuola Superiore Sant Anna (Hrsg.): 3rd European geothermal PhD-Day. 3. EGPD. Pisa, March, 28–30. European Energy Research Alliance (Book of Abstracts) (2012)

Storch, T., Grab, T., Gross, U.; Wagner, S.: Visual observations inside a geothermal thermosyphon. In: Heat Pipe Science Technologie 4(3), 217–226 (2013). http://doi.org/10.1615/HeatPipeScieTech.2014011210.CrossRef

Storch, T., Grab, T.; Wagner, R. M., Gross, U.: Visuelle Untersuchungen der Verdampfungsprozesse in einer geothermischen Phasenwechselsonde. In: Dechema (Hrsg.) Jahrestreffen der Fachgruppen Mehrphasenströmungen und Wärme- und Stoffübertragung. Fulda, 24.–25.03. Processnet (2014)

Storch, T., Grab, T.; Wagner, R. M., Gross, U.: Visuelle und energetische Untersuchungen an einer realen geothermischen Phasenwechselsonde mit Propan. In: Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.V. (OTTI) (Hrsg.) 14. Int.es Anwenderforum Oberflächennahe Geothermie. Neumarkt i. d. Oberpfalz, S. 132–139 (2015)

Tien, C. L., Chung, K. S.: Entrainment limits in heat pipes. AIAA J. 17(6), S. 643–646 (1979)CrossRef

Tikka, P.: Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Schwarzlauge. Angemeldet durch Andritz Oy, Helsinki, FI am 23.03.2001. Anmeldenr: 10114213. Veröffentlichungsnr: DE 1 011 4213 C2 (2001)

Unk, J.: Betriebsfuellhoehe eines geschlossenen Zweiphasen- Thermosyphons. Klima-Kaelte-Heizung 17(7–8),353–356 (1989)

Valentas, K. J., Rotstein, E., Singh, R. P.: Handbook of food engineering practice CRC Press, Boca Raton (1997)

VDI 4640, Blatt 1: Thermische Nutzung des Untergrunds. Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte. Beuth Verlag GmbH, Berlin (2010)

VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC) (Hrsg.): VDI-Wärmeatlas 2006, 10. Aufl. Springer, Berlin (2006)

VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC) (Hrsg.): VDI-Wärmeatlas 2013. 11. Aufl. Springer Vieweg, Berlin (2013)

Wallis, G. B.: One-dimensional two-phase flow. McGraw-Hill, New York (1969)

Wellig, B., Grüniger, A.: Potential von CO2-Erdwärmesonden. 16. Tagung des BFE-Forschungsprogramms Wärmepumpen, Wärme-Kraft-Kopplung, Kälte. Burgdorf (2010)

Wesselak, V.; Schabbach, T.: Regenerative Energietechnik. Springer, Berlin (2009)CrossRef

Wilson, C. H., Pope, D. H., Cundy, V. A., Nydahl, J. E., Pell, K. M.: A demonstration project for deicing of brindge decks. Transp Res Rec. 664, 189–197 (1978)

Zaitsev, D. V., Aviles, M. L., Auracher, H., Kabov, O. A.: Rupture of a subcooled liquid film falling down a heated grooved surface. Microgravity Sci. Technol. 19(3–4), 71–74 (2007)CrossRef

Zorn, R.; Kölbel, T.; Kruse, H.; Steger, H.: Deep Borehole Heat Exchanger with a CO2 Gravitational Heat Pipe. In: Reddy, K. R., Khire, M. V., Alshawabkeh, A. N. (Hrsg.): Geosustainability and geohazard mitigation. Proc. of Geocongress 2008, S. 899–906. ASCE, New Orleans (2008)

Zorn, R., Orywall, P., Kölbel, T., Heyder, B., Steger, H.: Schnee- und Eisfreihaltung mittels innovativer Wärmerohrtechnik. In: Stefan Fuhl (Hrsg.): Oberflächennahe Geothermie, S. 94–98. WVGW Wirtschafts- u. Verl.-Ges. Gas und Wasser, Bonn (2010)

Zorn, R., Steger, H., Kölbel, T., Kruse, H.: CO2-Erdsonde basierend auf dem Gravitationswärmerohrprinzip. bbr – Fachmagazin für Brunnen- und Leitungsbau 58(12), S. 58–63 (2007)

Zorn, R., Steger, H., Eggeling, L., Kölbel, T.: Schnee- und Eisfreihaltung mit CO2-betriebenen Wärmerohren. Geothermische Energie. 73(2), S. 20–23 (2012)

Titel: Geothermische Phasenwechselsonden als Wärmeentzugssystem
verfasst von: Thomas Storch
Thomas Grab
Ulrich Groß
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Buch: Handbuch Oberflächennahe Geothermie
Print ISBN: 978-3-662-50306-5

Electronic ISBN: 978-3-662-50307-2

Copyright-Jahr: 2018
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-50307-2_13