Grundlegende Untersuchungen zum Wirkprinzip von geothermischen Phasenwechselsonden

In den letzten 20 Jahren wurde für die Bereitstellung von Heizwärme im Gebäudebereich die Nutzung erneuerbarer Energien wie z. B. oberflächennahe Geothermie forciert. Hierzu kann das aus der Verfahrenstechnik bekannte effiziente Prinzip der Fallfilmverdampfung für den Wärmeentzug aus dem Erdreich als geothermisches Thermosyphon / Phasenwechselsonde in Kombination mit einer Wärmepumpe eingesetzt werden. Dabei wird jedoch bei der Konzeption auf Längen > 50 m, mit kleinen Wärmestromdichten und Füllmengen deren reales Betriebsverhalten bisher nicht ausreichend berücksichtigt, was u. a. durch eine umfangreiche Literaturrecherche belegt werden konnte.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden dazu erstmals visuelle Untersuchungen im Inneren einer Propan-Phasenwechselsonde (l = 91,5 m) im realen Betrieb durchgeführt. Dabei wurden die ablaufenden Prozesse für verschiedene Betriebsphasen (Start, zyklischer / dauerhafter Wärmeentzug, Regeneration) u. a. hinsichtlich der Filmausbreitung, der Poolaktivität und des Benetzungsgrades in Abhängigkeit von der Bohrlochneigung und der Füllmenge untersucht.
Entscheidend neue Ergebnisse wurden hinsichtlich der im Betrieb ablaufenden Prozesse sowie mit der Notwendigkeit eines Flüssigkeitspools in der Start- und Regenerationsphase gewonnen. Dazu konnte u. a. dessen füllstandsspezifischer Einfluss auf die zeitliche Filmausbreitung (Startprozess) gezeigt werden, was vor allem bei zyklischen Betriebsweisen in der Praxis relevant ist. Durch energetische Betrachtungen gekoppelt mit Untergrundtemperaturverläufen konnte der Einfluss der Zykluszeiten auf die Regeneration gezeigt werden. Weiterhin wurde für die Regenerationsphase erstmals die theoretisch existierende, beschleunigte Regeneration mit internen Zirkulationsprozessen (vertikaler Wärmetransport) nachgewiesen.
Darüber hinaus wurden ergänzende übertragbare Laboruntersuchungen zum Einfluss der Rohrneigung (für 0° - 20° von der Vertikalen) auf den Benetzungsgrad und den Filmaufriss ohne / mit filmstabilisierende Einbauten (Drallfilmverteiler / Drahtwendeln) umfangreich experimentell untersucht. Dabei konnten für das geneigte Rohr sowohl mit Drallfilmverteilern als auch mit Drahtwendeln gegenüber einem Leerrohr deutliche Steigerungen (>100 %) bis hin zur Vollbenetzung erzielt werden. In den letzten 20 Jahren wurde für die Bereitstellung von Heizwärme im Gebäudebereich die Nutzung erneuerbarer Energien wie z. B. oberflächennahe Geothermie forciert. Hierzu kann das aus der Verfahrenstechnik bekannte effiziente Prinzip der Fallfilmverdampfung für den Wärmeentzug aus dem Erdreich als geothermisches Thermosyphon / Phasenwechselsonde in Kombination mit einer Wärmepumpe eingesetzt werden. Dabei wird jedoch bei der Konzeption auf Längen > 50 m, mit kleinen Wärmestromdichten und Füllmengen deren reales Betriebsverhalten bisher nicht ausreichend berücksichtigt, was u. a. durch eine umfangreiche Literaturrecherche belegt werden konnte.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden dazu erstmals visuelle Untersuchungen im Inneren einer Propan-Phasenwechselsonde (l = 91,5 m) im realen Betrieb durchgeführt. Dabei wurden die ablaufenden Prozesse für verschiedene Betriebsphasen (Start, zyklischer / dauerhafter Wärmeentzug, Regeneration) u. a. hinsichtlich der Filmausbreitung, der Poolaktivität und des Benetzungsgrades in Abhängigkeit von der Bohrlochneigung und der Füllmenge untersucht.
Entscheidend neue Ergebnisse wurden hinsichtlich der im Betrieb ablaufenden Prozesse sowie mit der Notwendigkeit eines Flüssigkeitspools in der Start- und Regenerationsphase gewonnen. Dazu konnte u. a. dessen füllstandsspezifischer Einfluss auf die zeitliche Filmausbreitung (Startprozess) gezeigt werden, was vor allem bei zyklischen Betriebsweisen in der Praxis relevant ist. Durch energetische Betrachtungen gekoppelt mit Untergrundtemperaturverläufen konnte der Einfluss der Zykluszeiten auf die Regeneration gezeigt werden. Weiterhin wurde für die Regenerationsphase erstmals die theoretisch existierende, beschleunigte Regeneration mit internen Zirkulationsprozessen (vertikaler Wärmetransport) nachgewiesen.
Darüber hinaus wurden ergänzende übertragbare Laboruntersuchungen zum Einfluss der Rohrneigung (für 0° - 20° von der Vertikalen) auf den Benetzungsgrad und den Filmaufriss ohne / mit filmstabilisierende Einbauten (Drallfilmverteiler / Drahtwendeln) umfangreich experimentell untersucht. Dabei konnten für das geneigte Rohr sowohl mit Drallfilmverteilern als auch mit Drahtwendeln gegenüber einem Leerrohr deutliche Steigerungen (>100 %) bis hin zur Vollbenetzung erzielt werden.