CO2-Erdwärmesonden zum Betrieb von Wärmepumpen

Derzeit wird in Deutschland knapp 30% des Primärenergieverbrauches zur Raumwärmeerzeugung aufgewendet. Eine bislang noch sehr wenig genutzte Quelle für Wärmeenergie stellt das Erdreich dar. Um der Erde Wärme zu entziehen werden Erdwärmesonden eingesetzt. Eine besonders effiziente Variante der Erdwärmesonden stellt die CO2-Phasenwechselsonde dar. Mit durch Messungen verifizierte Simulationen wird versucht die in der Sonde auftretenden Wärme- und Stoffübergänge besser zu verstehen.Um der Erde Wärme zu entziehen, die in einer Wärmepumpe auf ein nutzbares Temperaturniveau gehoben wird und anschließend an einen Heizkreislauf weitergegeben wird, werden so genannte Erdwärmesonden eingesetzt. Diese Sonden nutzen das Phänomen, dass sich die Temperatur des Erdreiches mit steigender Tiefe erhöht. Neben einphasigen Sonden, die mit einem Gemisch aus Wasser und Glykol betrieben werden und lediglich sensible Wärme speichern können, stellt die Phasenwechselsonde eine energieeffizientere und effektivere Alternative zum Wärmeentzug dar. Diese Sonden bestehen aus einem geschlossenen Rohr, welches mit einem Arbeitsfluid im Siedezustand gefüllt ist. Am Kopf der Sonde wird das Arbeitsfluid durch Wärmeentzug kondensiert, wodurch es an der inneren Wand der Sonde hinab fließt. Auf dem Weg nach unten nimmt das Arbeitsfluid durch Wärmeleitung Energie aus dem Erdreich auf und verdampft. Dieser Wärmeübergang ist aufgrund des hohen Wärmeübergangskoeffizienten bei der Verdampfung sehr effektiv. Das dampfförmige Arbeitsfluid steigt anschließend im inneren der Sonde auf und steht am Kopf der Sonde wieder zur Kondensation zur Verfügung.Das Betriebsverhalten dieser Phasenwechselsonden hängt von Randbedingungen wie dem verwendeten Rohrmaterial, der Geometrie des verwendeten Rohres, dem eingesetzten Arbeitsmedium und dem Füllstand der Sonde ab. Des Weiteren spielt die Betriebsweise der Sonden eine wichtige Rolle. Um die Effizienz dieser Systeme zu verbessen ist ein tiefgehendes Verständnis der Wärme- und Stoffübergänge in der Sonde notwendig. Dazu werden Messungen an vorhandenen Sonden durchgeführt, mit denen anschließend die numerische Simulation des Betriebsverhaltens dieser Sonden verbessert werden sollen. Zum Einsatz kommt hier eine faseroptische Temperaturmesstechnik, die es ermöglicht die Temperatur an der Außenwand der Sonden über die gesamte Tiefe zu bestimmen. Anhand dieser Temperaturen und der Temperaturänderung können Rückschlüsse auf den Zustand innerhalb der Sonden gezogen werden.

Gefördert durch Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)