VDI 4640 Blatt 3-2001 Utilization of the subsurface for thermal purposes - Underground thermal energy storage.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREThermische Nutzung desUntergrundesUnterirdische Thermische EnergiespeicherUtilization of the subsurface forthermal purposesUnderground thermal energy storageVDI 4640Blatt 3 / Part 3Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Gesellschaft EnergietechnikFachausschuss Regene

2、rative Energien“ (FA-RE)VDI-Handbuch EnergietechnikVDI-RICHTLINIENZu beziehen durch / Available from Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2001Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction

3、 even for internal use not permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 27.080Juni 2001June 2001No guarantee can be given with respect to the English transla-tion. The German version of this guideline shall be taken asauthoritative.Inhalt SeiteVorbemerkungen. . . . . . . . . .

4、 . . . . . . . . . 31 Geltungsbereich. . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Abkrzungen, Formelzeichen und Indizes . . 53 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1 Begriffsbestimmungen. . . . . . . . . . . . 63.2 Besonderheiten bei Umweltaspekten unterirdischer thermischer Energiespeicher.

5、 83.3 Materialauswahl fr hhere Temperaturen . 104 Systemeinbindung in das Energie-versorgungssystem. . . . . . . . . . . . . . . 134.1 Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . . . 134.2 Temperaturniveaus. . . . . . . . . . . . . . 144.3 Speichernutzungsgrad . . . . . . . . . . . . 154.4 Anwendungen

6、 . . . . . . . . . . . . . . . . 164.4.1 Kltespeicherung und/oder Nieder-temperatur-Wrmespeicherungohne Wrmepumpe . . . . . . . . . . 164.4.2 Kltespeicherung und/oder Nieder-temperatur-Wrmespeicherungmit Wrmepumpe. . . . . . . . . . . 184.4.3 Solarenergie und Wrmespeicherung 184.4.4 Heizkraftwerk un

7、d Wrme-speicherung . . . . . . . . . . . . . . 194.4.5 Komplexe Energieversorgungs-systeme mit Abwrmenutzung undWrmespeicherung . . . . . . . . . . 204.4.6 Weitere Systemvarianten unter-irdischer thermischer Energie-speicherung . . . . . . . . . . . . . . 215 Aquiferspeicher . . . . . . . . . . . .

8、. . . . . 225.1 Systembeschreibung . . . . . . . . . . . . . 225.2 Natrliche Standortvoraussetzungen . . . . 24Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Abbreviations, symbols and indices . . . . . . 53 General . . .

9、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1 Definitions of terms. . . . . . . . . . . . . . 63.2 Special environmental aspects of under-ground thermal energy storage . . . . . . . . 83.3 Choice of materials for higher temperatures . 104 Incorporation into an energysupply system . . . . . . . . . . .

10、. . . . . . . 134.1 Energy balance . . . . . . . . . . . . . . . . 134.2 Temperature levels . . . . . . . . . . . . . . 144.3 Utilization ratio of the storage system . . . . 154.4 Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.4.1 Storage of cold and/or of low-temperature heat without a heat pum

11、p 164.4.2 Storage of cold and/or of low-temperature heat with a heat pump . . 184.4.3 Solar energy and heat storage . . . . . 184.4.4 Heat and power co-generation plantcoupled with heat storage . . . . . . . 194.4.5 Complex energy supply systems utilizing and storing waste heat . . . . 204.4.6 Furth

12、er system variants of underground thermal energy storage . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Aquifer storage. . . . . . . . . . . . . . . . . . 225.1 Description of system. . . . . . . . . . . . . 225.2 Natural site requirements . . . . . . . . . . . 24Frhere Ausgabe: 3.00 Entwurf,deutschFormer ed

13、ition: 3/00 draft, in German onlyB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2001 2 VDI 4640 Blatt 3 / Part 3Seite5.3 Standorterkundung . . . . . . . . . . . . . 265.3.1 Parametergewinnung . . . . . . . . . 265.3.2 Pa

14、rameterinterpretation und Anlagenauslegung . . . . . . . . . . 275.4 Konstruktive Ausfhrung der Brunnen . . . 295.5 Besonderheiten bei Genehmigungs-verfahren fr Aquiferspeicher. . . . . . . . 305.6 Mgliche Betriebsprobleme durch diechemische Zusammensetzung des Grund-wassers. . . . . . . . . . . . .

15、 . . . . . . . 315.6.1 Kalkausfllungen bei Hoch-temperatur-Wrmespeichern . . . . . 315.6.2 Eisen- und Manganausfllungen . . . 325.6.3 Entgasungserscheinungen . . . . . . 335.6.4 Altlasten . . . . . . . . . . . . . . . 336Erdwrmesonden-Speicher . . . . . . . . . . 336.1 Allgemeines . . . . . . . . .

16、. . . . . . . . 336.2 Geometrie des Speichers . . . . . . . . . . 346.3 Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346.3.1 Allgemeine Vorgehensweise . . . . . 346.3.2 Grobauslegung . . . . . . . . . . . . 356.3.3 Numerische Simulation . . . . . . . 366.4 Konstruktive Ausfhrung . . . . . . . . . .

17、 366.4.1 Bohrungen . . . . . . . . . . . . . . 366.4.2 Sondenmaterialien . . . . . . . . . . 376.4.3 Wrmetrgermedium und Frostschutz 376.4.4 Einbau und Verfllung von Erdwrmesonden . . . . . . . . . . . 376.4.5 Hydraulische Verschaltung. . . . . . 387 Sonstige thermische Untergrundspeicher . . 387.1

18、Kavernenspeicher . . . . . . . . . . . . . . 387.2 Stillgelegte Bergwerke . . . . . . . . . . . 397.3 Naturhnliche thermische Untergrundspeicher . . . . . . . . . . . . . 397.3.1 Grundlegendes Bauprinzip . . . . . . 397.3.2 Kies-Wasser-Wrmespeicher . . . . 407.3.3 Erdreich-Wasser-Wrmespeicher . . 40

19、Anhang Zugehrige Normen, Richtlinien,Vorschriften . . . . . . . . . . . . . . . 41Page5.3 Site exploration. . . . . . . . . . . . . . . . 265.3.1 Collecting parameters . . . . . . . . . 265.3.2 Interpretation of parameters and design of system layout . . . . . . . . 275.4 Design of the wells . . . .

20、 . . . . . . . . . . 295.5 Some special aspects relating to the licensing of aquifer storage systems . . . . . 305.6 Possible operating problems arising fromthe chemical composition of the groundwater . . . . . . . . . . . . . . . . . 315.6.1 Precipitation of calcium carbonate inhigh-temperature hea

21、t storage systems 315.6.2 Precipitation of iron and manganese . 325.6.3 Degassing phenomena . . . . . . . . 335.6.4 Contaminated sites . . . . . . . . . . 336 Storage systems using borehole heatexchangers (BHE) . . . . . . . . . . . . . . . . 336.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

22、.2 Geometry of the storage system . . . . . . . 346.3 Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346.3.1 General procedure. . . . . . . . . . . 346.3.2 Rough layout . . . . . . . . . . . . . 356.3.3 Numerical simulation . . . . . . . . . 366.4 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . 366.4

23、.1 Boreholes . . . . . . . . . . . . . . . 366.4.2 Borehole heat exchanger materials . . 376.4.3 Heat transfer medium and anti-freeze . . . . . . . . . . . . . . . 376.4.4 Installation and grouting of borehole heat exchangers . . . . . . . 376.4.5 Hydraulic circuit layout . . . . . . . . 387 Other u

24、nderground thermal storage systems 387.1 Cavern storage . . . . . . . . . . . . . . . . 387.2 Abandoned mines . . . . . . . . . . . . . . 397.3 Near-natural underground thermal energystorage systems . . . . . . . . . . . . . . . . 397.3.1 Fundamental structural principle . . . 397.3.2 Gravel-water t

25、hermal energy storage system . . . . . . . . . . . . . 407.3.3 Soil-water thermal energy storage system . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Annex Associated standards, guidelines, regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . 41B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle

26、 Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2001 VDI 4640 Blatt 3 / Part 3 3 VorbemerkungenDer Untergrund kann als Wrmequelle, Kltequelleund thermischer Energiespeicher genutzt werden. Erist wegen des groen erschliebaren Volumens unddes gleichmigen Temperaturniveaus fr viele An-wendun

27、gen im Niedertemperaturbereich gut geeig-net.Umwelt- und Erdwrme aus dem Untergrund werdenber horizontale bzw. vertikale Erdreichwrmeber-trager oder durch Abpumpen von Grundwasser ge-wonnen und (meist ber Wrmepumpen) zum Heizeneingesetzt. Derartige Wrmepumpen-Anlagen kn-nen neben der Beheizung auch

28、fr die Raumkhlungverwendet werden. In einigen Anlagen wird bereitsdirekte Khlung aus dem Untergrund ohne Einsatzder Wrmepumpe im Sommer betrieben.Erdgekoppelte Wrmepumpen haben in Nord-amerika und in Europa eine groe Verbreitung er-langt. Sie stoen in Deutschland auf groes Interesse.Grund dafr ist,

29、dass die Wrmepumpe bezglich desPrimrenergiebedarfs beim gegenwrtigen Stand derTechnik mit realisierbaren Einsparungen von 30 bis45 % gegenber dem lkessel und 20 bis 35 % imVergleich zum Gasbrennwertkessel die effizientereTechnik darstellt. Des Weiteren entstehen durch denEinsatz der Elektro-Wrmepump

30、en im Gegensatz zurl- und Gasheizung die Schadstoffemissionen nichtvor Ort, sondern im Wesentlichen in modernen, mitaufwendigen Abgasreinigungsanlagen ausgerstetenKraftwerken. Dadurch wird ein wesentlicher Beitragzur Senkung der Immissionen in dicht bebautenWohngebieten geleistet. Der Untergrund kan

31、n auch als thermischer Speicherzur Heizung bzw. Khlung dienen. Wrme aus rege-nerativen Quellen (Sonne, Erdwrme und hnliche)oder Abwrme, die ansonsten verlorengehen wrde,kann gespeichert und spter verwendet werden. DasGleiche ist auch mit Umweltklte mglich, die frKhlanwendungen gespeichert werden kan

32、n.Schlielich sind auch Puffer- oder Redundanz-speicher in der Fernwrmeversorgung oder fr Indus-trieprozesse mglich. Unterirdische thermische Ener-giespeicherung eignet sich besonders fr die Spei-cherung grerer Wrme- oder Kltemengen berlngere Zeitrume.Die Richtlinie wendet sich an planende und ausfh-

33、rende Unternehmen, an Komponenten-Hersteller(z.B. fr Wrmepumpen, Rohrleitungen, Wrme-dmmmaterialien usw.), an Genehmigungsbehrden,an Energieberater und an Fachausbilder. Ihr Ziel istes, vom erreichten Stand der Technik ausgehend, einekorrekte Auslegung, geeignete Materialwahl undrichtige Ausfhrung v

34、on Bohrungen, Installation undSystemeinbindung von Anlagen zur thermischenPreliminary noteThe subsurface zone can be used as a source of heator cold, and it can also be used for the storage of ther-mal energy. Because of the large volume of spaceavailable and also because of the uniform tempera-ture

35、 level, this zone is well suited for many applica-tions in the low-temperature range.Environmental heat and ground heat is extracted fromthe subsurface by means of horizontally or verticallyarranged ground heat exchanger systems or by pump-ing up groundwater and is used for heating purposes(most oft

36、en via heat pumps). In addition to spaceheating, such heat pump systems can also be used tocool down spaces. Some systems already provide di-rect cooling from the ground in the summer monthswithout using a heat pump.Ground-coupled heat pumps are in wide use in NorthAmerica and Europe. They are attra

37、cting great inter-est in Germany. The reasons for this are clear: Giventhe present state of the art, in terms of the primary en-ergy requirement the heat pump is the more efficienttechnology it can operate 30 to 45 % more cheaplythan an oil-fired boiler and 20 to 35 % more cheaplythan a gas-fired bo

38、iler. In addition, in contrast to oiland gas-fired systems, the use of electric-poweredheat pumps does not generate the emission of pollut-ants on site but mainly in modern power plants whichare equipped with sophisticated waste gas cleaningfacilities. This makes a significant contribution to thered

39、uction of emissions immissions in heavily built-up areas.The ground can also be used as a thermal storagezone for heating or cooling. Heat from regenerativesources (sun, geothermal energy, and similar) orwaste heat which would otherwise be lost, can bestored and used at a later time. The same can al

40、so bedone with environmental cold which can be stored forcooling purposes. Finally, it is also possible to createbuffer or redundant storage capacity in district heat-ing systems or for industrial processes. Undergroundthermal energy storage is particularly suitable forstoring large quantities of he

41、at and cold over long pe-riods of time.The guideline is intended for planning and construc-tion firms, manufacturers of components (e.g. forheat pumps, piping, thermal insulation materials,etc), licensing authorities, energy consultants and forpersons providing instruction/training in this field.Pro

42、ceeding from the current state of the art, the goalof the guideline is to ensure correct design, suitablechoice of materials, and correct production of bore-holes for UTES systems as well as their proper instal-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved V

43、erein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2001 4 VDI 4640 Blatt 3 / Part 3Nutzung des Untergrundes sicherzustellen. Damitknnen wirtschaftlich und technisch zufriedenstel-lende Anlagen gewhrleistet werden, die auch beilangfristigem Betrieb strungsfrei und ohne Umwelt-beeintrchtigung arbeiten.Die Richtlin

44、ie VDI 4640 besteht aus vier Blttern:Blatt 1 Definitionen, Genehmigungen, Umweltas-pekteBlatt 2 Erdgekoppelte WrmepumpenanlagenBlatt 3 Unterirdische Thermische EnergiespeicherBlatt 4 Direkte Nutzungen1 GeltungsbereichDie Richtlinie VDI 4640 bezieht sich auf die thermi-sche Nutzung des Untergrundes b

45、is etwa 400 MeterTiefe. Folgende Anwendungsflle werden in derRichtlinie behandelt:Erdgekoppelte Wrmepumpenanlagen (siehe Blatt 2)a) Wrmepumpenanlagen zum Heizenb) Wrmepumpenanlagen zum Heizen und KhlenAnmerkung: Im Khlbetrieb kann die Khlung ber die Wr-mepumpe und/oder direkt aus dem Untergrund unte

46、r Umge-hung der Wrmepumpe erfolgenc) Kltemaschinen zum KhlenEs kommen Erdreichwrmebertrager oder direktdas Grundwasser (siehe Blatt 4) als Wrmetrgerzum Einsatz:Als Erdreichwrmebertrager sind Erdwrmekol-lektoren, Erdwrmesonden und weitere spezielleErdreichwrmebertragerbauarten in Verwen-dung.Das Grun

47、dwasser kann ber Brunnen aus Aquife-ren, aber auch aus Gruben oder der Entwsserungvon Tunnelbauwerken stammen.Unterirdische thermische Energiespeicher(werden im vorliegenden Blatt 3 behandelt)a) Speicher zum Heizen Als Wrmequelle kommen z.B. zum Einsatz:Solarthermie, Abwrme, Umweltwrmeb) Speicher zu

48、m Khlen (Kltequelle: Umweltklte)c) Speicher zum Heizen und Khlen in Verbindung mit Wrmepumpen ohne Wrmepumpen mit Nutzung von Um-weltklte/-wrmeEs kommen Erdreichwrmebertrager oder direktdas Grundwasser als Wrmetrger (Aquiferspeicher)zum Einsatz.lation and incorporation into energy supply facilities.

49、This will ensure that these systems operate trouble-free in an economically and technically satisfactorymanner, also over long periods of time, without hav-ing a negative impact on the environment.Guideline VDI 4640 consists of 4 parts:Part 1 Definitions, licenses, environmental aspectsPart 2 Ground-coupled heat pump systemsPart 3 Underground Thermal Energy Storage UTESPart 4 Direct uses1ScopeGuideline VDI