Brennstoffleistung, bezogen auf einen bestimmten Anlagenumfang

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Brennstoffleistung,bezogen auf einen bestimmten
AnlagenumfanggemäßVDI 2067.
certain extent of the plant in accordance with
vDr 2067.
Die Jahresheizzahl (u einer verbrennungsmotorisch
angetriebenenWärmepumpe oder einer mit Primärist der
energie betriebenenAbsorptionswäirmepumpe
jährlich
jährlich
gelieferter
Wärme
zu
Quotient aus
aufgenommener Brennstoffenergie, bezogen auf
einenbestimmtenAnlagenumfanggemäßVDI2067 .
The annual performance factor Cuof a heat pump
driven by a combustion engine or of an absorption
heatpump using primary energy,is the quotientof the
annually suppliedheat to the annually consumedfuel
power, related to a certain extent of the plant in accordancewith VDI 2067.
3 Grundlagen
3.1 Wärmeregimeim Untergrund
Die Oberflächentemperaturder Erde, die weltweit im
Mittel bei etwa 13 oC liegt, wird durch ein Gleichgewicht zwischen einstrahlenderSonnenenergie,Wäirmeausstrahlungins Weltall, geothermischemWärmefluss und Varianten/InterferenzendieserFaktorenbestimmt (Bild I ). Wegender im Verhältnissehrkleinen Wärmeströmeausdem Erdinneren(0,05bis 0,12
Wm2 gegenüberbis zu 1000Wm2 Sonnenstrahlung)
ist ihr Anteil an der Energiebilaru an der Erdoberfläche jedoch verschwindend gering. Immer, wenn
durchWärmeentzugoderWärmeeinleitungder nattirliche Zustand gestört wird, muss durch Wärmetransport das Wärmedefizit bztr,. der Wärmeüberschuss
wieder ausgeglichen werden. Der Wärmetransport
durch Wärmeleitung und Konvektion (Wärmestrahlung ist im Untergrundzu vernachlässigen)speistsich
dannaus allen zur VerfügungstehendenQuellen.
Bei erdgekoppeltenWärmepumpenist ein hohes
Wärmetransportvermögen des Untergrundes erwiinscht, da dann die benötigteWärme besondersgut
zu den Brunnen oder Erdreichwärmeübertragerngelangen bzw. von dort in dem Untergrund abgeführt
3 Principles
3.1 Heatregime below ground
The surfacetemperatureof the earth, which on average is at around 13oC throughoutthe world, is determined by an equilibrium betweenthe radiating solar
energy,thermal radiation into space,geothermalheat
flow, and variants/interferencesof these factors
(Figure 1). Due to the, relatively speaking,very
small heat flows from the interior of the earth(0.05 to
0.12 W/m2 comparedto up to 1000Wm2 solarradiation) their shareof the energybalanceat the surface
of the earthis rather small.Wheneverthe natural state
is disturbedby heat withdrawal or heat injection, the
thermal deficit or thermal surplusmust be rebalanced
by heat transport.The heattransportthrough conduction and convection (thermal radiation is to be ignored in the underground)feeds from all available
sources.
tn the caseof ground sourceheat pumps, it is desirable that the undergroundhas a high heat transport
capacityasthen the requiredheat reachesthe wells or
the ground heat exchangersparticularly easily, or
rather canbe fed away from there in the underground.
Wärmestrahlung
heat
radiation
A
I
solar radiation
o
j
r'()
- 9
f
-
o';
o =
! Q
! ( E f
Erdwärmesonden
borehole
heat
exchangers
+E
o a
cc)
E
t
O F
oo =e
geothermischerWärmefluss/geothermal
heat flow
Bild 1. Wärmeregimeim oberflächennahen
Untergrund
Fig. 1. Thermalregimein the shallowunderground
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werden kann. Bei unterirdischenthermischenEnergiespeichernbedeutet dagegen ein hohes Wärmetransportvermögen gleichzeitig größere Wärmebzw. Kälteverluste.
In the case of thermal energy storage on the other
hand, a high heattransportcapacity simultaneousimplies greaterheatand cold losses,
Das Wärmetransportvermögenkann für die stationäre Wärmeleitung durch die Wärmeleitfühigkeit /.
beschriebenwerden (in W(m . K)), für instationdre
durch die Temperaturleitfühigkeita (m2ls). Für den
konvektiven Wärmetransport ist die hydraulische
Leitftihigkeit der im Untergrund anstehendenGesteine(Durchlässigkeit,in m/s) entscheidend.Ftir die
Speicherung thermischer Energie ist die volumenbezogene spezifische Wärmekapazitdtp. c, maßgebend (in kJ/(mt . f)). Dabei ist sowohl äer Gesteins- als auch der Fluidanteil zu benicksichtigen.
Beispielwerte für die genannten Parameter enthält
Tabelle 1. Die WärmeleitfUihigkeit
von Gesteinen
kann in verschiedenenRichtungen unterschiedlich
groß sein (anisotrop),z.B. paralleloder senkrechtzur
Schichtung bzvt. Schieferungin Gesteinen.
The heat transport capacity through conduction at
steadystatecan be describedby the thermal conductivity h (n W/(m . K), and for in-stationary conditions by the thermaldiffrrsivity a(m2ls),The hydraulic conductivity of the rocks in the underground(permeabilify in m/s) is determinant for the convective
heat transport.The specific heat capacity(p. c) is
determinantfor the storageof thermal energy (in kJ/
(rn''K)). Not only the rock proportionbut also the
liquid proportion must be taken into account.Examples for the namedparametersare given in Table l.
The thermal conductivity of rocks can be of different
dimensionsin differentdirections(an-isotropic),e.g.
parallel or perpendicularto the layering or foliation in
rocks.
Bei der hydraulischenLeitfütrigkeit muss je nachdem, ob der Untergrund aus Locker- oder Festgesteinen aufgebaut wird, zwischen Poren- und Trennfugendr.uchlässigkeitunterschieden werden. Während die hydraulischeLeitfühigkeit von Porengrundwasserleiternvor allem von Korngrößeund Kornverteilung der Lockergesteineabhängt,wird die hydraulische Leitf?ihigkeit von Festgesteinenim Wesentlichen durch Häuf,rgkeit und Öftrungsweite der
Trennfugen (Schichtfugen, Klüfte, Störungen) bestimmt. Anhaltswerte für die Durchlässigkeit von
Lockergesteinensind der Tabelle 2 nt entnehmen.
Festgesteineweisen aufgrund der meist sehrunregelmäßigenVerteilung der TrennfugengrößereVariationen hinsichtlich ihrer Wasserdurchlässigkeitauf. Besondersausgeprägtist diese Heterogenitätbei verkarstetenFestgesteinen;für eine thermischeNutzung
sollten sie daher erst nach sorgfältigsten Untersuchungenherangezogenwerden.
In the case of hydraulic conductivity, dependingon
whether the underground is built up of unconsolidated or consolidatedrock, the differentiation is
made betweenpore and fracture permeability.While
the hydraulic conductivity is dependent on pore
groundwaterconductors,especiallyparticle size and
particle distribution, the hydraulic conductivity of
consolidatedrock is primarily determinedby the frequency and opening width of the fractures(fissures,
crevices,faults).Guidelinevaluesfor the permeability of unconsolidated
rock aregivenin Table 2. Consolidated rock displays greater variation in with respectto its water permeability,due to the mostly very
irregular distribution of the fractures.This heterogeneity is particularly marked in consolidatedrocks;
therefore they should only be used for thermal purposesfollowing a thoroughinvestigation.
Der Anteil des geothermischenWärmeflussesan der
thermischenGesamtbilarudesUntergrundes(Bild l)
variiert mit der Teufe sehr stark. Bei oberflächennahen Anlagen bis zur neuüalen Zone in ca. l0 bis
20 m Tiefe, die praktisch nur in Zusammenhangmit
erdgekoppeltenWärmepumpenvorkommen, stammt
die zum Ausgleich des Wärmedefizitsbzw. Wänneüberschusses
verwendeteEnergiefast ausschließlich
aus Sonnenstrahlungund Sickerwasser,so dassman
den Einfluss desgeothermischen
Wärmestromesvernachlässigenkann.Erst zwischen20 und 100m Tiefe
kann man von einem Anteil des geothermischen
Wärmeflussessprechen.Anlagen größererTiefe (ab
ca. 100m) sind dannüberwiegenddurchden geothermischenWärmestrombeeinflusst.
The contribution of geothermalheat flow in the overall thermal balance of the underground (Figure 1)
varies greatly with depth.In the caseof plant close to
the surfaceup to the neutralzone at a depthof approx.
10 to 20m, which arepracticallyonly found together
with ground sourceheat pumps, the energy used to
equalizethe thermaldeficit or surplusconsistsalmost
exclusivelyof solar radiation and percolatingwater,
so that the influence of the geothermalheat flow can
be ignored. Only at depthsbetween20 to 100 m a
contribution of geothermal heat flow can be observed.Plantsat greaterdepths(from approx. 100m)
are then primarily influenced by the geothermalheat
flow.
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Tabelle1. Beispielefür Wärmeleitfähigkeit
und volumenbezogene
spezifischeWärmekapazität
des Untergrundes,
bei ca. 20 'C
i' I
Gestein
Dichte p
WärmeleitfähigkeitI
W(m'K)
103kg/m3
volumenbezogenespezifische
Wärmekapazität
p' cp
MJ/(m3.K)
typischer
Rechenwert
Magmatische Gesteine
Basalt
Diorit
Gabbro
Granit
Peridotit
Rhyolit
2,6-3,2
2,F3,0
2,F3,1
2,+3,0
3 ,0
ca.2,6
1,3-2,3
2,V2,9
1,7-2,5
2,14,1
3,8-5,3
3,1-3,4
(1,7)
(2,6)
(1,9)
(3,4)
(4,0)
(3,3)
2,3-2,6
2,9
2,6
2,1-3,0
2,7
2,1
Metamorphe Gesteine
Gneis
Marmor
Metaquazit
Glimmerschiefer
Tonschiefer
2,+2,7
2,*2,8
ca.2,7
ca.2,6
2 ,7
1,H,0
1,3-3,1
ca.5,8
1,5-3,1
1,5-2,6
(2,9)
(2,1)
(5,8)
(2,0)
(2,1)
1,8-2,4
2,O
2,1
2,2
2,2-2,5
Sedimentgesteine
Kalkstein
Mergel
Quazit
Salz
Sandstein
Steinkohle
Ton-/Schlutfstein
2,6-2,7
2,5-.2,6
ca.2,7
2 ,1 -2 ,2
2,2-2,7
n .a .
2,5-2,6
2,H,0
1,5-3,5
3,6-6,6
5,3-6,4
1,F5,1
0,H,6
1, 1 - 3 , 5
(2,8)
(2,1)
(6,0)
(5,4)
(2,3)
(0,3)
(2,2)
2,1-2,4
2,2-2,3
2,1-2,2
1,2
1,6-2,8
1,3-1,8
2,1-2,4
Locl<ergesteine
Kies,trocken
Kies,wassergesättigt
Moräne
Sand,trocken
Sand,wassergesättigt
Ton/Schluff,trocken
Ton/SchIutf, wassergesättigt
Torf
2,7-2,8
ca.2,7
n .a .
2,*2,7
2,6-2,7
n .a .
n.a.
n.a.
0,4--o,5
c a .1 , 8
1,0-2,5
0,3-0,8
1,7-5,0
0,4-1,0
0,9-2,3
0,24,7
(0,4)
(1,8)
(2,0)
(0,4)
(2,4)
(0,5)
(1,7\
(0,4)
1,4-1,6
ca.2,4
1,5-2,5
1,3-1,6
2,2-2,9
1,5-1,6
1,6-3,4
0,5-3,8
Andere Stoffe
Bentonit
Beton
Eis (-10 'C)
Kunststoff(PE)
Luft (f20 oC,trocken)
Stahl
Wasser(+10 "C)
n.a.
ca.2,0
0,919
n.a.
0 ,0 0 1 2
7,8
0,999
0,H,8
0,9-2,0
2,32
0,39
0,02
60
0,59
(0,6)
(1,6)
ca.3,9
ca.1,8
1,97
n.a.
0,0012
3,12
4,15
d
(inAnlehnung
für die Durchlässigkeit
von Lockergesteinen
Tabelle2. Anhaltswerte
an DIN18130-1)
Durchlässigkeitsbeiwert lg
m/s
Bewertung der Durchlässigkeit
über 1O-2
sehr stark durchlässig
sandigerKies, Mittel-/Grobsand
über 104 bis 1o-2
stark durchlässig
Feinsand,schluffigerSand
über104 bis 10+
durchlässig
Lockelgesteine
reinerKies
Schluff,toniger Schlutf
Ton,schlutfigerTon
t0+bist04
schwachdurchlässig
unter 10+
sehr schwachdurchlässig
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