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Ausbreitung von Kältefahnen im Grundwasser bei Erdwärmesonden

Cold plumes in groundwater for ground source heat pump systems

Zusammenfassung

Erdwärmesonden (EWS) werden immer häufiger zur Klimatisierung von Gebäuden eingesetzt. Dabei kommt es durch lokalen Wärmeentzug zu Temperaturanomalien (Kältefahnen) im Untergrund. Um der gegenseitigen Beeinflussung solcher Kältefahnen vorzubeugen, wird von Behörden in Deutschland meist ein Mindestabstand zwischen einzelnen Anlagen von 10 m empfohlen. Die Längen der Kältefahnen können sowohl analytisch als auch numerisch modelliert werden. Die hier vorgestellten analytischen Gleichungen gelten für stationäre Bedingungen und simulieren Konduktion, Konvektion und Dispersion. Die Berechnungen zeigen, dass die Fahnenlängen von verschiedenen Materialparametern und insbesondere der Fließgeschwindigkeit abhängig sind. So werden die Kältefahnen in Kiesaquiferen kurzfristig länger als die in geringer durchlässigen Gesteinseinheiten, und sie überschreiten bei gemittelter Entzugsleistung die 10 m innerhalb einer Heizperiode. Im hier berechneten Fall erreicht eine Kältefahne nach 100 Tagen die 10 m bereits bei einem kontinuierlichen Wärmeentzug von 55 W m−1. Dafür können sich Kältefahnen im Kies jedoch schneller regenerieren. Die simulierten Ergebnisse werden im rechtlichen Kontext diskutiert.

Abstract

Shallow geothermal energy installations, especially ground source heat pump (GSHP) systems are increasingly being used for air conditioning and temperature control in buildings. Heating applications, for example, result in cold temperature anomalies (cold plumes) in the subsurface. To avoid interactions between adjacent cold plumes, authorities recommend minimum distances of about 10 m between installations. The length of these plumes can be simulated analytically and numerically. The presented analytical solutions are valid for steady-state conditions and consider conduction, convection and dispersion. The results show that the length depends on different parameters, especially flow velocity. The plumes in gravel aquifers become temporarily longer than in less permeable aquifers. Even under average energy extraction rates, they can exceed 10 m in length after one heating period. In the presented example the plume has a length of 10 m after 100 days under a continuous energy extraction rate of 55 W m−1. However, these plumes can regenerate quickly. Finally, the analytical results are discussed in a legal context.

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Hähnlein, S., Molina-Giraldo, N., Blum, P. et al. Ausbreitung von Kältefahnen im Grundwasser bei Erdwärmesonden. Grundwasser 15, 123–133 (2010). https://doi.org/10.1007/s00767-009-0125-x

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  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00767-009-0125-x

Keywords

  • Ground source heat pumps (GSHP)
  • Borehole heat exchanger (BHE)
  • Cold plumes
  • Analytical solutions
  • Geothermal energy