DE102012002028A1

DE102012002028A1 - Method for optimal operation of geothermal energy plant with n-geothermal probes, involves generating inclined underground model, where load profile is generated to determine energy quantity removed and supplied to ground

Info

Publication number: DE102012002028A1
Application number: DE201210002028
Authority: DE
Inventors: Michael de Paly; Markus Beck; Jozsef Hecht Méndez; Peter Bayer; Andreas Zell
Original assignee: Eberhard Karls Universitaet Tuebingen
Current assignee: Eberhard Karls Universitaet Tuebingen
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-08
Anticipated expiration: 2032-02-04
Also published as: DE102012002028B4

Abstract

The method involves generating an inclined underground model, which simulates temperature spread in the underground, where a load profile is generated to determine the energy quantity removed and supplied to the ground over the total life and over the total number of n-geothermal probes. The reciprocal effect coefficients are determined by simulation of the development of the two or three dimensional temperature distribution in the underground over a total time period in a free selectable number of geothermal probes and in a freely selectable geothermal arrangement of the probes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Auslegung und Steuerung eines Erdwärmesondenfeldes mit mehr als zwei Erdwärmesonden.The present invention relates to a method for the optimal design and control of a geothermal probe field with more than two geothermal probes.

Geothermie, d. h. die Nutzung von Erdwärme, nimmt unter den erneuerbaren Energien eine zunehmend wichtigere Rolle ein, da die in der Erde gespeicherte Wärme in unbegrenzter Menge zur Verfügung steht und auf vielfältige Weise genutzt werden kann. Je nachdem, aus welcher Erdtiefe die Wärme gewonnen wird, unterscheidet man zwischen oberflächennaher und tiefer Geothermie. Bei der oberflächennahen Geothermie, in deren Umfeld auch die vorliegende Erfindung gehört, liegen die maximalen Bohrungstiefen für die Erdwärmesonden (EWS) bei 400 m.Geothermal energy, d. H. The use of geothermal energy is playing an increasingly important role in renewable energy, as the heat stored in the earth is available in unlimited quantities and can be used in a variety of ways. Depending on the depth of the earth from which the heat is extracted, a distinction is made between near-surface and deep geothermal energy. In the case of near-surface geothermal energy, in the context of which the present invention also belongs, the maximum borehole depths for the geothermal probes (EWS) are 400 m.

Speziell bei größeren geothermischen Anlagen, welche eine Vielzahl von Erdwärmesonden innerhalb eines festgelegten Areals aufweisen (EWS Felder) und die z. B. bei größeren Gebäudekomplexen oder Industriebauten zum Einsatz kommen, ergibt sich ein hohes Optimierungspotential.Especially for larger geothermal plants, which have a variety of geothermal probes within a specified area (EWS fields) and the z. B. for larger buildings complexes or industrial buildings are used, there is a high potential for optimization.

Eine unzureichende Berücksichtigung der Standorteigenschaften und mangelhaft ausgearbeitete Richtlinien zum Umgang mit diesen führt häufig zu einer negativen gegenseitigen Beeinflussung nahe zusammen liegender EWS und EWS Felder [1], [2]. Stark vereinfachte Annahmen und wenig detaillierte Simulationen bei der Planung erschweren zusätzlich einen nachhaltigen und langfristig effizienten Betrieb geothermischer Anlagen erheblich. Umso mehr ist eine Planungsoptimierung zur Effizienzsteigerung und Verbesserung der Wirtschaftlichkeit notwendig.Insufficient consideration of site characteristics and poorly developed guidelines for dealing with them often leads to a negative mutual influence of close-together EWS and EWS fields [1], [2]. Highly simplified assumptions and poorly detailed simulations during planning make it even more difficult to operate geothermal plants in a sustainable and long-term efficient manner. All the more planning optimization is necessary to increase efficiency and improve economic efficiency.

Die Planung von EWS Feldern mit mehreren EWS basiert derzeit in der Regel auf Computersimulationen, welche mit etablierten Simulationstools wie dem „Earth Energy Designer” [3], GLHEPRO [4], „EWS – Erdwärmesonden” [5] oder dem „Transient System Simulation Programm with the Duct Ground Storage Model” [6] vollzogen werden. Die Anordnung der Erdwärmesonden im betreffenden Areal entspricht meist einfachen geometrischen Figuren, wie beispielsweise einer rasterförmigen Anordnung mit gleichen Abständen zwischen den einzelnen Sonden. Für die Mindestabstände der EWS existieren bisher lediglich uneinheitliche Richtlinien und Empfehlungen, welche Abstände zwischen mindestens 3 m bis mindestens 10 m vorsehen. Der Fluss des Wärmetransportmediums wird bei derzeitig betriebenen Anlagen uniform ohne Steuerung auf alle verbauten EWS aufgeteilt. Die dadurch entstehenden lokalen Temperaturanomalien im Untergrund führen zu einer Reduktion der Effizienz der gesamten Anlage.The planning of EWS fields with several EWS is currently based on computer simulations, which are based on established simulation tools like the "Earth Energy Designer" [3] GLHEPRO [4] "EWS - Geothermal probes" [5] or the "Transient System Simulation Program with the Duct Ground Storage Model" [6]. The arrangement of geothermal probes in the area concerned usually corresponds to simple geometric figures, such as a grid-like arrangement with equal distances between the individual probes. So far, there are only inconsistent guidelines and recommendations for the minimum distances between EWS, which provide for distances of at least 3 m to at least 10 m. The flow of the heat transport medium is split uniformly without control on all installed EWS in the currently operated systems. The resulting local temperature anomalies in the underground lead to a reduction in the efficiency of the entire system.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für Erdwärmesondenanlagen mit einer Anzahl n von Erdwärmesonden unter Berücksichtigung von:

a) geologischen Untergrundparametern
b) Eigenschaften und Positionen der gesetzten EWS
c) saisonal schwankendem Lastprofil

eine Steuerungsanlage zu entwickeln, welche eine optimale, individuelle Steuerung der einzelnen Erdwärmesonden und daraus folgend eine Effizienzsteigerung der Anlage durch eine Minimierung der erzeugten Temperaturanomalien im Untergrund erreicht. Zusätzlich soll die Effizienz neu zu installierender Anlagen durch die optimale Platzierung der EWS innerhalb des zur Verfügung stehenden Areals weiter gesteigert werden.The object of the present invention is therefore, for geothermal probe systems with a number n of geothermal probes, taking into account:

a) geological background parameters
b) Properties and positions of the established EMS
c) seasonal fluctuating load profile

To develop a control system, which achieves optimal, individual control of the individual geothermal probes and, consequently, an increase in efficiency of the plant by minimizing the generated temperature anomalies in the ground. In addition, the efficiency of new installations will be further enhanced by the optimal placement of the EWS within the available area.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, indem

a) ein geeignetes Untergrundmodell erstellt wird, das die Temperaturausbreitung im Untergrund simuliert.
b) ein Lastprofil erstellt wird, das die dem Boden über die Gesamtlaufzeit und über die Gesamtanzahl von n Erdwärmesonden zu entnehmende (Heizung) bzw. zuzuführende (Kühlung) Energiemenge festlegt, wobei die Gesamtlaufzeit in m diskrete Zeitschritte l₁ bis l_m aufgeteilt wird.
c) Wechselwirkungskoeffizienten ω^t,i,j _k,l bestimmt werden durch Simulation der Entwicklung der zwei- und/oder dreidimensionalen Temperaturverteilung im Untergrund über eine Gesamtlaufzeit bei einer frei wählbaren Anzahl n von Erdwärmesonden und einer ebenfalls frei wählbaren geometrischen Anordnung derselben unter Einbeziehung von Untergrundmodell und Lastprofil.
d) eine maximale Abkühlung ΔT_i,j an beliebigen Position (i, j) zu einem Zeitschritt l minimiert wird durch unabhängige Variation der Positionen (x_k, y_k) der Bohrlochzentren der Erdwärmesonden EWS_k mit k = 1 bis n oder durch Lösung eines Gleichungssystems mit Betriebstärken q_k,l der Erdwärmesonden EWS_k als Variablen oder durch Kombination beider Ansätze
e) aus dem Ergebnis der vorangegangenen Minimierung von ΔT_i,j optimierte unabhängige Regelparameter für die Erdwärmesonden EWS_k und/oder optimierten Positionierungen der Bohrlochzentren (x_k, y_k) der n Erdwärmesonden innerhalb des Erdwärmesondenfeldes bestimmt werden.

This object is achieved by a method according to claim 1, by

a) a suitable subsurface model is created, which simulates the temperature propagation in the subsurface.
b) a load profile is created which defines the (heating) or supplied (cooling) amount of energy to be taken from the soil over the entire running time and over the total number of geothermal probes, the total running time being divided into m discrete time steps l ₁ to l _m .
c) interaction _coefficients ω ^{t, i, j} _{k, l are} determined by simulating the development of the two- and / or three-dimensional temperature distribution in the ground over a total run time at a selectable number n of geothermal probes and a likewise freely selectable geometric arrangement thereof, including Substrate model and load profile.
d) a maximum cooling ΔT _{i, j} at any position (i, j) at a time step l is minimized by independent variation of the positions (x _k , y _k ) of the borehole centers of the geothermal probes EWS _k with k = 1 to n or by solution of a system of equations with operating powers q _{k, l of} the geothermal probes EWS _k as variables or by combining both approaches
e) from the result of the previous minimization of ΔT _{i, j} optimized independent control parameters for geothermal probes EWS _k and / or optimized positioning of the well centers (x _k , y _k ) of n geothermal probes within the geothermal probe field are determined.

Das Untergrundmodell wird auf Basis geeigneter Untergrundparameter erstellt, insbesondere der thermischen Leitfähigkeit λ und des Grundwasserflusses.The subsurface model is prepared on the basis of suitable subsoil parameters, in particular the thermal conductivity λ and the groundwater flow.

Das Lastprofil definiert die Energiemenge, welche dem Untergrund über die Gesamtanzahl von n EWS über die geplante Gesamtlaufzeit des Feldes entnommen (Heizen) oder zugeführt (Kühlen) wird. Die Ermittlung des Lastprofils erfolgt auf Basis geeigneter Parameter, insbesondere dem saisonal variierenden Heiz- und/oder Kühlenergiebedarf. Da EWS Anlagen häufig in Regionen mit jahreszeitlich variierenden klimatischen Zuständen installiert werden sollen, wird das Lastprofil in vorteilhafter Weise in diskrete Zeitschritte l₁ bis l_m mit unterschiedlichem Energiebedarf unterteilt. Die Unterteilung erfolgt in der Regel in Monatsabschnitte, so dass ein Zeitschritt einem Monat der Gesamtlaufzeit entspricht. Die Unterteilung lässt sich beliebig verfeinern, was jedoch mit einer Erhöhung der Rechenzeit im später folgenden Optimierungsschritt einhergeht und bei EWS Anlagen aufgrund ihrer Trägheit nicht notwendig ist.The load profile defines the amount of energy extracted (heating) or supplied (cooling) from the subsoil over the total number of n EWS over the planned total runtime of the field. The determination of the load profile is based on suitable parameters, in particular the seasonally varying heating and / or cooling energy demand. Since EWS systems are often to be installed in regions with seasonally varying climatic conditions, the load profile is advantageously divided into discrete time steps l ₁ to l _m with different energy requirements. The subdivision usually takes place in monthly sections, so that a time step corresponds to one month of the total runtime. The subdivision can be arbitrarily refined, which, however, is accompanied by an increase in the computation time in the subsequent optimization step and, in the case of EWS plants, is not necessary because of its inertia.

Die Optimierung der Ansteuerung der Anlage durch die Bestimmung einer optimierten, individuellen Steuerung der einzelnen EWS setzt zunächst die einmalige Berechnung sogenannter Wechselwirkungskoeffizienten ω^t,i,j _k,l voraus. Diese beschreiben den Einfluss einzelner EWS_k mit k = 1...n an den Positionen (x_k, y_k) auf definierte Messpositionen (i, j) im gegebenen Areal zum Zeitpunkt l bezogen auf einen Referenzzeitpunkt t. Die Berechnung dieser Koeffizienten erfolgt durch eine einmalige Simulation der zwei- und/oder dreidimensionalen Temperaturverteilung im Untergrund unter Anwendung geeigneter Simulationsmodelle (siehe Stand der Technik) und Einbezug der gegebenen geologischen Untergrundparameter und eines gegebenen Lastprofils.The optimization of the control of the system by the determination of an optimized, individual control of the individual EWS first requires the one-time calculation of so-called interaction _coefficients ω ^{t, i, j} _{k, l} . These describe the influence of individual EWS _k with k = 1 ... n at the positions (x _k , y _k ) on defined measurement positions (i, j) in the given area at time l relative to a reference time t. These coefficients are calculated by a one-time simulation of the two-dimensional and / or three-dimensional temperature distribution in the subsurface using suitable simulation models (see prior art) and incorporating the given geological background parameters and a given load profile.

Ein optimierter Betrieb eines EWS Feldes beruht auf einer Minimierung der maximalen Temperaturveränderung innerhalb der Gesamtlaufzeit der Anlage und innerhalb jedes einzelnen Zeitschritts l.An optimized operation of an EWS field is based on a minimization of the maximum temperature change within the total running time of the installation and within each individual time step l.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird eine Minimierung der maximalen Abkühlung ΔT_i,j an einer beliebigen Position (i, j) durch eine Optimierung der Betriebsstärken q_k,l, (Auslastoptimierung) erreicht.In a preferred embodiment of the invention, a minimization of the maximum cooling ΔT _{i, j} at an arbitrary position (i, j) is achieved by optimizing the operating intensities q _{k, l} , (load optimization).

Die Temperaturänderung an einer Position (i, j) zu einem Zeitpunkt t berechnet sich über eine Linearkombination von Wechselwirkungskoeffizienten und Betriebsstärken:

mit ΔT →_i,j als Vektor der Temperaturänderungen an allen Messpositionen (i, j), q → als Vektor der Betriebsstärken und ω →^t,i,j als Vektor der Wechselwirkungskoeffizienten. Die Betriebsstärke einer EWS_k innerhalb eines Zeitschritts t ist hier als die Leistung definiert, welcher dem Untergrund durch diese Sonde während dieses Zeitschritts entnommen (Heizen) oder hinzugefügt (Kühlen) werden soll. Die Betriebsstärken der einzelnen EWS können durch den Optimierungsalgorithmus bei der Bestimmung einer optimalen Ansteuerung variiert werden, die Summe aller Betriebsstärken eines Zeitschritts ist jedoch durch den für diesen Zeitschritt im Lastprofil erfassten Gesamtenergiebedarf, vorgegeben.The temperature change at a position (i, j) at a time t is calculated via a linear combination of interaction coefficients and operating intensities:

with ΔT → _{i, j} as a vector of the temperature changes at all measuring positions (i, j), q → as a vector of operating intensities and ω → ^{t, i, j} as a vector of the interaction coefficients. The operating power of an EWS _k within a time step t is defined herein as the power to be extracted (heating) or added (cooling) to the ground by this probe during this time step. The operating strengths of the individual EWS can be varied by the optimization algorithm when determining an optimal control, the sum of all operating strengths of a time step, however, is given by the total energy demand recorded in the load profile for this time step.

Das Optimierungsproblem definiert sich über folgende Zielfunktion:

The optimization problem is defined by the following objective function:

Die Lösung ist eine minimierte maximale Temperaturveränderung innerhalb der Gesamtlaufzeit der Anlage und innerhalb eines jedes einzelnen Zeitschritts l. Die Betriebsstärken q entsprechen den Variablen und die Wechselwirkungskoeffizienten ω den Koeffizienten des Linearen Gleichungssystems. w ist ein vor der Optimierung einmalig festgelegter Gewichtsfaktor. Durch eine Einführung weiterer virtueller Variablen z_0...m lassen sich die Maxnormterme der Zielfunktion in folgende m + 1 lineare Programme umformen:
min(z) ΔT →_i,j(l, q →) – ze → < 0 –ΔT →_i,j(l, g →) – ze → < 0 mit e → als Einheitsvektor [7].The solution is a minimized maximum temperature change within the total run time of the plant and within each individual time step l. The operating intensities q correspond to the variables and the interaction coefficients ω to the coefficients of the linear system of equations. w is a weight factor that is uniquely determined before optimization. By introducing further virtual variables z _{0 ... m} , the maximum norm terms of the objective function can be transformed into the following m + 1 linear programs:
min (z) ΔT → _{i, j} (l, q →) - ze → <0 -ΔT → _{i, j} (l, g →) - ze → <0 with e → as a unit vector [7].

Da zwischen ΔT →_i,j und q → eine lineare Abhängigkeit besteht, kann die Problemstellung der Berechnung optimaler Betriebsstärken, welche eine Minimierung der maximalen Abkühlung im Untergrund bewirken, als folgendes, lineares Programm formuliert werden:

mit den RandbedingungenSince there is a linear dependence between ΔT → _{i, j} and q →, the problem of calculating optimal operating powers, which cause a minimization of the maximum cooling in the subsurface, can be formulated as the following, linear program:

with the boundary conditions

Die Forderung, dass die Summe aller Betriebsstärken eines Zeitschritts der für diesen Zeitschritt im Lastprofil erfassten Gesamtleistung E_l entsprechen muss, stellt eine weitere Randbedingung dar und gewährleistet ein genaues Einhalten des vorgegebenen Lastprofils.The requirement that the sum of all operating intensities of a time step must correspond to the total power E ₁ recorded in the load profile for this time step constitutes a further boundary condition and ensures an exact compliance with the given load profile.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird eine Minimierung der maximalen Abkühlung ΔT_i,j an einer beliebigen Position (i, j) bei neu zu installierenden Anlagen durch eine unabhängige Variation der Positionen (x_k, y_k) der Bohrlochzentren der EWS_k mit k = 1...n erreicht (Positionsoptimierung).In a preferred embodiment of the invention, a minimization of the maximum cooling ΔT _{i, j} at an arbitrary position (i, j) for new plants to be installed by an independent variation of the positions (x _k , y _k ) of the borehole centers of EWS _k with k = 1 ... n reached (position optimization).

Die Positionsoptimierung erfolgt durch einen nicht-linearen Algorithmus, insbesondere durch einen evolutionären Algorithmus.The position optimization is carried out by a non-linear algorithm, in particular by an evolutionary algorithm.

Bei alleiniger Anwendung der Positionsoptimierung werden alle EWS des Feldes mit gleichen Regelparametern betrieben. Bei einer Kombination beider Optimierungsansätze wird für jedes durch den nicht-linearen Optimierungsalgorithmus erzeugte Positionierungsschema zusätzlich die oben beschriebene Betriebsstärkenoptimierung vollzogen.If the position optimization is used by itself, all EMSs of the field are operated with the same control parameters. In a combination of both optimization approaches, for each positioning scheme generated by the nonlinear optimization algorithm, the above-described power-plant optimization is additionally performed.

Aus den optimierten Betriebsstärken q_k,l werden individuelle Regelparameter für die Steuerung der Erdwärmesonden EWS_k für den Zeitschritt l ermittelt, wobei die Regelung so erfolgt, dass die durch die Regelung erreichte Leistung durch die Erdwärmesonden EWS_k den optimierten Betriebsstärken q_k,l entspricht.From the optimized operating intensities q _{k, l} individual control parameters for the control of the geothermal probes EWS _{k are determined} for the time step l, wherein the scheme is such that the power achieved by the scheme through the geothermal probes EWS _k the optimized operating strengths q _{k, l} corresponds ,

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der individuell einstellbare Regelparameter für die Erdwärmesonden EWS_k eine Betriebszeit.In a preferred embodiment of the invention, the individually adjustable control parameter for the geothermal probes EWS _{k is} an operating time.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der individuell einstellbare Regelparameter für die Erdwärmesonden EWS_k der Fluss der Wärmeträgerflüssigkeit in der Erdwärmesonde.In a further preferred embodiment, the individually adjustable control parameter for the geothermal probes EWS _{k is} the flow of the heat transfer fluid in the geothermal probe.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der individuell einstellbare Regelparameter für die Erdwärmesonden EWS_k eine Vorlauftemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit in der Erdwärmesonde, wobei mit Vorlauftemperatur die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit vor Eintritt in den Untergrund gemeint ist.In a further preferred embodiment, the individually adjustable control parameter for the geothermal probes EWS _{k is} a flow temperature of the heat transfer fluid in the geothermal probe, which is meant by flow temperature, the temperature of the heat transfer fluid before entering the ground.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden Erdwärmesonden EWS, welche nach Optimierung der Betriebsstärken ähnliche Betriebsstärken-Werte innerhalb eines selben Zeitintervalls, in der Regel mehrere Zeitschritte, zugewiesen bekommen, zu einer Gruppe zusammengefasst und gemeinsam geregelt. Dies vereinfacht die notwendige Regelungsanlage und spart Komponenten, die zur Regelung notwendig sind, und damit Kosten. In a further preferred embodiment of the invention, geothermal probes EWS which, after optimizing the operating intensities, are assigned similar operating power values within a same time interval, generally several time steps, are combined into a group and jointly controlled. This simplifies the necessary control system and saves components that are necessary for control, and thus costs.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden in den Kreislauf der Wärmeträgerflüssigkeiten der EWS Temperatursensoren eingebracht, welche die n Rücklauftemperaturen der n EWS zu Zeitpunkten r mit 1 ≤ r ≤ m für m Zeitschritte messen. Die Rücklauftemperaturen entsprechen den Temperaturen der Wärmeträgerflüssigkeit nach Austritt aus den individuellen EWS_k. Die gewonnenen Informationen aus den Rücklauftemperaturen erlauben eine Bestimmung aktualisierter, besser an die Anlage angepasster Wechselwirkungskoeffizienten ω →^t,i,j. Durch eine erneute Betriebsstärkenoptimierung mit den angepassten ω →^t,i,j können aktualisierte Werte q_k,r...m für die Betriebsstärken für die Restlaufzeit des EWS Feldes bestimmt und die Regelparameter entsprechend angepasst werden.In a further preferred embodiment of the invention, temperature sensors are introduced into the circuit of the heat transfer fluids of the EWS, which measure the n return temperatures of the n EWS at times r with 1 ≦ r ≦ m for m time steps. The return temperatures correspond to the temperatures of the heat transfer fluid after exiting the individual EWS _k . The obtained information from the return temperatures allow a determination of updated, more adapted to the system interaction coefficients ω → ^{t, i, j} . By means of a renewed operating-force optimization with the adjusted ω → ^{t, i, j} , updated values q _{k, r ... m can be determined} for the operating powers for the remaining running time of the EMS field and the control parameters can be adapted accordingly.

Referenzenreferences

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Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der bis näher erläutert. In den Abbildungen zeigen:In the following, two embodiments of the invention with reference to the to explained in more detail. In the pictures show:

: ein für die Simulation der Temperaturentwicklung im Untergrund eingesetztes Lastprofil, : a load profile used for the simulation of the temperature development in the subsurface,

: eine schematische Gegenüberstellung der Steuerung eines nicht-optimierten (linker Teil von ) und eines optimierten (rechter Teil von ) EWS Feldes, : a schematic comparison of the control of a non-optimized (left part of ) and an optimized (right part of ) EWS field,

: die Temperaturausbreitung in 50 m Tiefe entlang eines Diagonalschnitts für das nicht-optimierte (obere Kurve) und das optimierte (untere Kurve) EWS Feld, : the temperature propagation at 50 m depth along a diagonal cut for the non-optimized (upper curve) and the optimized (lower curve) EWS field,

: ein für die Simulation einer kombinierten Betriebsstärken- und Positionsoptimierung eingesetztes Lastprofil, a load profile used to simulate a combined power and position optimization,

: Optimale Positionierungen von EWS Bohrlöchern (rechte Seite von ) im Vergleich zu einer rasterförmigen Anordnung (linke Seite von ). : Optimal positioning of EWS boreholes (right side of ) compared to a grid-shaped arrangement (left side of FIG ).

Als erstes Ausführungsbeispiel wird die Optimierung der Betriebsstärken eines EWS Feldes mit 25, rasterförmig angeordneten EWS mit 10 m Abstand zwischen den Sonden gezeigt. Das Ziel der Optimierung ist eine Minimierung der erzeugten Temperaturanomalien durch eine individuelle Steuerung der einzelnen Erdwärmesonden. Die resultierende Temperaturausbreitung im Untergrund wird mit einem Simulationsmodell basierend auf der Carslaw & Jaeger Gleichung simuliert. Der Untergrund wird in diesem Beispiel als homogen, isotrop und durchfeuchtet angenommen. Eine Grundwasserströmung liegt nicht vor. Die Laufzeit der Anlage, welche lediglich Wärme extrahiert und nicht injiziert, beträgt 30 Jahre. Die Untergrundtemperatur beträgt vor Beginn der Simulation 11°C.As a first embodiment, the optimization of the operating strengths of an EWS field with 25, grid-shaped EWS is shown with 10 m distance between the probes. The aim of the optimization is to minimize the generated temperature anomalies by an individual control of the individual geothermal probes. The resulting temperature spread in the subsurface is simulated using a simulation model based on the Carslaw & Jaeger equation. The substrate is assumed to be homogeneous, isotropic and soaked in this example. There is no groundwater flow. The term of the plant, which only extracts heat and does not inject, is 30 years. The background temperature is 11 ° C before the simulation starts.

Die simulierte Laufzeit von 30 Jahren wird in diskrete Zeitschritte von einem Monat Länge aufgeteilt. Die Anzahl der Zeitschritte beträgt somit 360. zeigt schematisch das verwendete Lastprofil für ein einzelnes Jahr. Die einzelnen Monate sind durch Balken dargestellt, die Balkenhöhe gibt die dem Untergrund zu entnehmende Energiemenge in MWh an. Das verwendete Lastprofil entspricht einer saisonalen Lastverteilung, welche typisch für in Mitteleuropa eingesetzte EWS Felder ist. Die durchschnittliche Extraktionsleistung pro EWS beträgt 24 W/m und die Jahreslaufzeit 1.800 Stunden. Die resultierende Jahresenergieextraktion liegt folglich bei 108 MWh. The simulated running time of 30 years is divided into discrete time steps of one month in length. The number of time steps is thus 360. schematically shows the load profile used for a single year. The individual months are represented by bars, the bar height indicates the amount of energy to be taken from the underground in MWh. The load profile used corresponds to a seasonal load distribution, which is typical for EWS fields used in Central Europe. The average extraction capacity per EMS is 24 W / m and the annual runtime is 1,800 hours. The resulting annual energy extraction is therefore 108 MWh.

stellt schematisch die Steuerung der einzelnen EWS zweier simulierter EWS Felder mit uniform aufgeteiltem Durchfluss, d. h. nicht-optimierter Steuerung (linker Teil von ) und mit Verwendung einer optimierten, individuellen Steuerung (rechter Teil von ) für den März des 30ten Simulationsjahres dar. Die einzelnen EWS sind durch Kreise symbolisiert, wobei der Kreisdurchmesser die Betriebsstärken der einzelnen Sonden beschreibt. Je größer der Kreisdurchmesser, desto höher ist die Betriebsstärke der einzelnen Sonde für diesen Zeitschritt. Es ist zu erkennen, dass eine optimierte Steuerung der einzelnen EWS für den Monat März hohe Betriebsstärken für Sonden am Rand des Feldes, insbesondere an den Ecksonden, und geringere Betriebsstärken der Sonden im inneren des Feldes vorsieht. Die Gesamtleistung, also die Summe aller Betriebsstärken, weist aufgrund des vorgegebenen Lastprofils in beiden Fällen denselben Betrag auf. schematically shows the control of the individual EWS of two simulated EWS fields with uniform split flow, ie non-optimized control (left part of ) and using an optimized, individual control (right part of ) for the March of the 30th simulation year. The individual EMSs are symbolized by circles, whereby the circle diameter describes the operating strengths of the individual probes. The larger the circle diameter, the higher the operating strength of the individual probe for this time step. It can be seen that an optimized control of the individual EWS for the month of March provides for high operating forces for probes at the edge of the field, in particular at the corner probes, and lower operating forces of the probes in the interior of the field. The total power, ie the sum of all power levels, has the same amount in both cases due to the given load profile.

zeigt die Temperaturausbreitung im Untergrund für das nicht-optimierte und das optimierte EWS Feld entlang eines Diagonalschnitts in 50 m Tiefe für den März des 30ten Simulationsjahres. Die Temperaturwerte wurden entlang einer Strecke zwischen zwei gegenüberliegenden Eckpunkten des EWS Feldes gemessen. Entlang der Ordinatenachse ist die Temperatur im Untergrund in [°C] angetragen. Die obere Kurve beschreibt die Temperaturausbreitung, welche aus dem optimierten Feld resultiert, die untere Kurve die Temperaturausbreitung im Untergrund bei Einsatz eines nicht-optimierten Feldes. Die Abkühlung im Untergrund ist in unmittelbarer Nähe zu den EWS am stärksten ausgeprägt. Dieser Effekt lässt sich in der Abbildung an den 5 Spitzen, welche den Positionen installierter EWS entsprechen, erkennen. Der Abbildung ist zu entnehmen, dass die maximalen Abkühlungen im inneren des EWS Feldes die höchsten Werte erreichen und im Falle eines nicht-optimierten Feldes an der Zentralsonde für den simulierten Fall in einer Untergrundtemperatur von 3,15°C resultieren. Für den optimierten Fall beträgt die minimale Untergrundtemperatur an der Zentralsonde 4,45°C, was einer Verbesserung von ca. 12% gegenüber dem nicht-optimierten Fall entspricht. In beiden Fällen betrug die Untergrundtemperatur vor Beginn der Simulation 11°C. shows the temperature spread in the subsurface for the non-optimized and the optimized EWS field along a diagonal cut at 50 m depth for the March of the 30th simulation year. The temperature values were measured along a distance between two opposite vertices of the EWS field. Along the ordinate axis, the temperature in the substrate is plotted in [° C]. The upper curve describes the temperature spread resulting from the optimized field, the lower curve the temperature spread in the background when using a non-optimized field. Cooling in the underground is most pronounced in the immediate vicinity of the EWS. This effect can be seen in the figure at the 5 peaks corresponding to the positions of installed EWS. From the figure it can be seen that the maximum cooling inside the EWS field reaches the highest values and in the case of a non-optimized field at the central probe for the simulated case results in a background temperature of 3.15 ° C. For the optimized case, the minimum background temperature at the central probe is 4.45 ° C, which corresponds to an improvement of approx. 12% compared to the non-optimized case. In both cases the background temperature was 11 ° C before the simulation started.

Das zweite Ausführungsbeispiel betrifft ein EWS Feld, welches in einen Untergrund mit der gleichen geologischen Untergrundparametrisierung wie im Ausführungsbeispiel zur Betriebsstärkenoptimierung eingebracht werden soll, und bei dem zusätzlich die EWS Positionen optimiert werden sollen. Es erfolgt also eine kombinierte Optimierung von Betriebsstärken und Sondenpositionierungen. Für die Optimierung der Bohrlochpositionierungen wird in diesem Beispiel der evolutionäre Optimierungsalgorithmus Differential Evolution DE/current-to-best/1 eingesetzt. Der einzige Unterschied bzgl. der geologischen Untergrundparametrisierung ist das Vorhandensein einer geringen Grundwasserströmung. Der spezifische Durchfluss liegt in diesem Beispiel bei 2.38·10^–10 m/s. Die Sonden Anzahl beträgt nun 36, die Simulationszeit 10 Jahre.The second embodiment relates to an EWS field, which is to be introduced into a subsoil with the same geological background parameterization as in the exemplary embodiment for optimizing the operating power, and in which additionally the EWS positions are to be optimized. So there is a combined optimization of operating forces and probe positioning. For the optimization of the drill hole positioning, the evolutionary optimization algorithm Differential Evolution DE / current-to-best / 1 is used in this example. The only difference with respect to the geological background parameterization is the presence of a low groundwater flow. The specific flow rate in this example is 2.38 · 10 ^-10 m / s. The number of probes is now 36, the simulation time 10 years.

Die simulierte Laufzeit von 10 Jahren wird in diskrete Zeitschritte von sechs Monaten Länge aufgeteilt, wobei jedes Jahr in eine Heiz- und Kühlperiode unterteilt wird. Die Anzahl der Zeitschritte beträgt somit 20. zeigt schematisch das verwendete Lastprofil für ein einzelnes Jahr mit den zwei Zeitperioden. Die einzelnen Monate sind durch Balken dargestellt, die Balkenhöhe gibt die dem Untergrund zu entnehmende Energiemenge in MWh an. Der höhere Balken beschreibt die Heizperiode. Die durchschnittliche Extraktionsleistung pro EWS beträgt 33 W/m und die Jahreslaufzeit 1.800 Stunden. Die resultierende Jahresenergieextraktion liegt folglich bei 216 MWh.The simulated runtime of 10 years is divided into discrete time steps of six months length, with each year divided into a heating and cooling period. The number of time steps is thus 20. schematically shows the load profile used for a single year with the two time periods. The individual months are represented by bars, the bar height indicates the amount of energy to be taken from the underground in MWh. The higher bar describes the heating period. The average extraction capacity per EWS is 33 W / m and the annual runtime is 1,800 hours. The resulting annual energy extraction is therefore 216 MWh.

zeigt in der rechten Hälfte schematisch die resultierende optimierte Positionierung der 36 EWS innerhalb des Feldes. Der Grundwasserfluss verläuft in der Abbildung von links nach rechts. In der linken Hälfte von ist zum Vergleich und zur Verdeutlichung eine rasterförmige Anordnung der EWS dargestellt. shows in the right half schematically the resulting optimized positioning of the 36 EWS within the field. The groundwater flow runs in the picture from left to right. In the left half of For comparison and for clarity, a grid-shaped arrangement of the EWS is shown.

Für das gegebene Szenario führt eine rasterförmige Anordnung der EWS ohne eine Optimierung der Sondenbetriebsstärken zu einer maximalen Abkühlung des Untergrundes an der kältesten gemessenen Position auf 1.35°C. Eine Optimierung der Sondenbetriebsstärken für optimierte Positionierungen der Bohrlochzentren führt zu einer maximalen Abkühlung im Untergrund von 3.86°C, was einer Verbesserung von ca. 22,8% entspricht.For the given scenario, a grid-shaped arrangement of the EWS without optimizing the probe operating intensities leads to a maximum cooling of the substrate at the coldest measured position to 1.35 ° C. An optimization of the probe operating power for optimized positioning of the borehole centers leads to a maximum subsurface cooling of 3.86 ° C, which corresponds to an improvement of approx. 22.8%.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

„Earth Energy Designer” [0005] "Earth Energy Designer" [0005]
GLHEPRO [0005] GLHEPRO [0005]
„EWS – Erdwärmesonden” [0005] "EWS - Geothermal probes" [0005]
„Transient System Simulation Programm with the Duct Ground Storage Model” [0005] "Transient System Simulation Program with the Duct Ground Storage Model" [0005]

Claims

Verfahren zum optimalen Betrieb einer Erdwärmeanlage mit n Erdwärmesonden, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Erstellung eines geeigneten Untergrundmodells, das die Temperaturausbreitung im Untergrund simuliert. b) Erstellung eines Lastprofils, das die dem Boden über die Gesamtlaufzeit und über die Gesamtanzahl von n Erdwärmesonden zu entnehmende (Heizung) bzw. zuzuführende (Kühlung) Energiemenge festlegt, wobei die Gesamtlaufzeit in m diskrete Zeitschritte l₁ bis l_m aufgeteilt wird. c) Bestimmung von Wechselwirkungskoeffizienten ω^t,i,j _k,l durch Simulation der Entwicklung der zwei- und/oder dreidimensionalen Temperaturverteilung im Untergrund über eine Gesamtlaufzeit bei einer frei wählbaren Anzahl n von Erdwärmesonden und einer ebenfalls frei wählbaren geometrischen Anordnung derselben unter Einbeziehung von Untergrundmodell und Lastprofil. d) Minimierung einer maximalen Abkühlung ΔT_i,j an beliebigen Position (i, j) zu einem Zeitschritt durch unabhängige Variation der Positionen (x_k, y_k) der Bohrlochzentren der Erdwärmesonden EWS_k mit k = 1 bis n oder durch Lösung eines Gleichungssystems mit Betriebstärken q_k,l der Erdwärmesonden EWS_k als Variablen oder durch Kombination beider Ansätze e) Bestimmung von optimierten unabhängigen Regelparametern für die Erdwärmesonden EWS_k und/oder optimierten Positionierungen der Bohrlochzentren (x_k, y_k) der n Erdwärmesonden innerhalb des Erdwärmesondenfeldes aus dem Ergebnis der vorangegangenen Minimierung von ΔT_i,j.Method for the optimal operation of a geothermal plant with n geothermal probes, characterized by the steps: a) Creation of a suitable subsoil model that simulates the temperature propagation in the subsoil. b) Establishment of a load profile which determines the (heating) or (cooling) amount of energy to be taken from the soil over the entire running time and over the total number of geothermal probes, the total running time being divided into m discrete time steps l ₁ to l _m . c) Determination of interaction _coefficients ω ^{t, i, j} _{k, l} by simulating the development of the two- and / or three-dimensional temperature distribution in the ground over a total running time at a freely selectable number n of geothermal probes and a likewise freely selectable geometric arrangement thereof, including Substrate model and load profile. d) Minimization of a maximum cooling ΔT _{i, j} at any position (i, j) at a time step by independent variation of the positions (x _k , y _k ) of the borehole centers of geothermal probes EWS _k with k = 1 to n or by solving a system of equations with operating intensities q _{k, l of} the geothermal probes EWS _k as variables or by a combination of both approaches e) Determination of optimized independent control parameters for the geothermal probes EWS _k and / or optimized positioning of the borehole centers (x _k , y _k ) of the n geothermal probes within the borehole heat exchanger field the result of the previous minimization of ΔT _{i, j} .

Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erstellung des Untergrundmodells geeignete Parameter berücksichtigt werden, zumindest die thermische Leitfähigkeit λ des Untergrundes.A method according to claim 1, characterized in that suitable parameters are taken into account in the preparation of the subsoil model, at least the thermal conductivity λ of the substrate.

Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erstellung des Lastprofils Gebäude- und Klimaparameter berücksichtigt werden, zumindest der saisonal variierende Heiz- und/oder Kühlenergiebedarf.Method according to claim 1 or 2, characterized in that building and climate parameters are taken into account in the preparation of the load profile, at least the seasonally varying heating and / or cooling energy demand.

Verfahren nach einem der Patentansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselwirkungskoeffizienten ω^t,i,j _k,l den Einfluss von Erdwärmesonden EWS_k mit Bohrlochzentren an Positionen (x_k, y_k) auf eine Temperaturänderung ΔT an beliebigen Positionen (i, j) innerhalb des Erdwärmesondenfeldes zu einem Zeitschritt l beschreiben ausgehend von einem Referenzzeitpunkt t.Method according to one of the claims 1-3, characterized in that the interaction coefficients ω ^{t, i, j} _{k, l} the influence of geothermal probes EWS _k with borehole centers at positions (x _k , y _k ) to a temperature change ΔT at arbitrary positions (i , j) within the geothermal probe field at a time step l starting from a reference time t.

Verfahren nach einem der Patentansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimierung der maximalen Abkühlung ΔT_i,j erreicht wird durch eine Optimierung von Betriebsstärken q_k,l (Auslastoptimierung), wobei die optimalen Betriebsstärken q_k,l die Leistungen angeben, die dem Untergrund durch eine Erdwärmesonde k zum Zeitschritt l entzogen und/oder zugeführt werden.Method according to one of the claims 1-4, characterized in that the minimization of the maximum cooling ΔT _{i, j is} achieved by an optimization of operating powers q _{k, l} (load optimization), wherein the optimal operating strengths q _{k, l} indicate the performances the ground by a geothermal probe k for time step l withdrawn and / or supplied.

Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass, die Auslastoptimierung durch lineares Programmieren erfolgt.A method according to claim 5, characterized in that the load optimization is carried out by linear programming.

Verfahren nach einem der Patentansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimierung der maximalen Abkühlung ΔT_i,j erreichet wird durch eine Optimierung der Positionen der Bohrlochzentren (x_k, y_k) der Erdwärmesonden EWS_k (Positionsoptimierung).Method according to one of the claims 1-6, characterized in that the minimization of the maximum cooling ΔT _{i, j is} achieved by optimizing the positions of the borehole centers (x _k , y _k ) of geothermal probes EWS _k (position optimization).

Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsoptimierung durch Anwendung eines nicht-linearen Optimierungsalgorithmus, insbesondere durch einen evolutionären Algorithmus erfolgt.Method according to Patent Claim 7, characterized in that the position optimization is carried out by using a non-linear optimization algorithm, in particular by an evolutionary algorithm.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass aus den optimierten Betriebsstärken q_k,l Regelparameter für die Steuerung der Erdwärmesonden EWS_k für den Zeitschritt l ermittelt werden, wobei die Regelung so erfolgt, dass die durch die Regelung erreichte Leistung durch die Erdwärmesonden EWS_k den optimierten Betriebsstärken q_k,l entspricht.Method according to one of claims 1-8, characterized in that from the optimized operating intensities q _{k, l} control parameters for the control of the geothermal probes EWS _{k are determined} for the time step l, wherein the control is carried out so that the power achieved by the control by the geothermal probes EWS _k correspond to the optimized operating intensities q _{k, l} .

Verfahren nach einem der Patentansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass der individuell einstellbare Regelparameter für die Erdwärmesonden EWS_k eine Betriebszeit ist.Method according to one of the claims 1-9, characterized in that the individually adjustable control parameters for the geothermal probes EWS _{k is} an operating time.

Verfahren nach Anspruch 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass der individuell einstellbare Regelparameter für die Erdwärmesonden EWS_k der Fluss der Wärmeträgerflüssigkeit in der Erdwärmesonde ist.A method according to claim 1-10, characterized in that the individually adjustable control parameters for the geothermal probes EWS _{k is} the flow of the heat transfer fluid in the geothermal probe.

Verfahren nach Anspruch 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass der individuell einstellbare Regelparameter für die die Erdwärmesonden EWS_k eine Vorlauftemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit in der Erdwärmesonde ist, wobei mit Vorlauftemperatur die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit vor Eintritt in den Untergrund gemeint ist. A method according to claim 1-11, characterized in that the individually adjustable control parameters for the geothermal probes EWS _{k is} a flow temperature of the heat transfer fluid in the geothermal probe, which is meant by flow temperature, the temperature of the heat transfer fluid before entering the ground.

Verfahren nach einem der Ansprüche 10–12, dadurch gekennzeichnet, dass Erdwärmesonden EWS mit ähnlichen Betriebsstärken q zu einer Gruppe zusammengefasst und gemeinsam geregelt werden.Method according to one of claims 10-12, characterized in that geothermal probes EWS are combined with similar operating strengths q to a group and controlled together.

Verfahren nach einem der Patentansprüche 1–13 dadurch gekennzeichnet, dass n Temperatursensoren so in den Kreislauf der Wärmeträgerflüssigkeiten der Erdwärmesonden EWS_k mit k = 1 – n angebracht werden, dass n Rücklauftemperaturen der n Erdwärmesonden EWS gemessen werden, wobei die Rücklauftemperaturen die Temperaturen der Wärmeträgerflüssigkeiten in den Erdwärmesonden nach Verlassen des Untergrundes sind.Method according to one of the claims 1-13, characterized in that n temperature sensors are so in the circulation of the heat transfer fluids geothermal probes EWS _k k = 1 - n attached that n return temperatures of n geothermal probes EWS be measured, the return temperatures, the temperatures of the heat transfer fluids in the geothermal probes after leaving the subsoil are.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass die Information über die n Rücklauftemperaturen der Wärmeträgerflüssigkeiten in n Erdwärmesonden dafür verwendet werden, die ω^t,i,j _k,l anzupassen. Durch erneute Optimierung mit den angepassten ω^t,i,j _k,l werden für die Restlaufzeit des Erdwärmesondenfeldes aktualisierte Werte für q_k,l berechnet, aus denen die entsprechenden aktualisierten Regelparameter abgeleitet werden.Method according to one of claims 1-14, characterized in that the information about the n return temperatures of the heat transfer fluids in n geothermal probes are used to adjust the ω ^{t, i, j} _{k, l} . By renewed optimization with the adjusted ω ^{t, i, j} _{k, l} updated values for q _{k, l are} calculated for the remaining term of the geothermal probe field, from which the corresponding updated control parameters are derived.