ISBN 978-3-8439-5007-7

978-3-8439-5007-7, Reihe Mathematik

Philipp Steinbach
Modeling, Simulation and Quantification of Drilling-Related Geometric Uncertainty for Borehole Heat Exchanger Arrays

133 Seiten, Dissertation Technische Universität Darmstadt (2021), Softcover, A4

Zusammenfassung / Abstract

Im Kontext von Systemen zur Nutzung von erneuerbaren Energien kommen Erdwärmesondenfelder (EWSF) immer häufiger zum Einsatz. EWSF stellen Rohrnetzwerke im Erdboden dar, welche beispielsweise als Speichermedium für Solarenergie genutzt werden können, und sind für ihre Konstruktion auf die Aushebung von Bohrlöchern angewiesen. Für die Bohrungen wird häufig auf vergleichsweise unpräzise Bohrverfahren zurückgegriffen, was neben weiteren Faktoren zu potentiell erheblichen Abweichungen der Bohrpfade und des geplanten EWSF als Ganzes führen kann. Damit stellt sich die Frage, inwieweit Abweichungen in der Geometrie eines EWSF den Betrieb und letztlich die Arbeitsleistung stören können. In aktuellen Simulationsmodellen wird diese Problematik nahezu vollständig ignoriert.

In dieser Arbeit wird daher ein stochastisches Modell vorgeschlagen, welches es ermöglicht, den Einfluss von geometrischen Abweichungen auf die Leistung eines EWSF zu quantifizieren. Dafür wird ein Modell zur Simulation von EWSF in verschiedenen Betriebsszenarien vorgestellt und die numerische Lösung mittels einer Finite-Elemente-Methode diskutiert. Das Modell wird um eine stochastische Komponente erweitert, welche es erlaubt, abweichende EWSF-Geometrien als Realisierungen von einer Menge von Zufallsvariablen zu interpretieren. Mit dem Modell können Leistungskenngrößen eines EWSF in direkter Abhängigkeit von einer Spanne von möglichen geometrischen Abweichungen betrachtet werden. Zur Lösung des stochastischen Problems wird eine stochastische Kollokationsmethode detailliert vorgestellt. Zu guter Letzt kommen das Modell und die Lösungsmethode in einer Untersuchung der Effekte von zufällig auftretenden Abweichungen auf EWSF zum Einsatz. Für die Untersuchung wird eine große Bandbreite an statistischen Informationen erzeugt und diskutiert. Dies ermöglicht es, einen Zusammenhang zwischen der Konzipierung von EWSF und ihrer Anfälligkeit gegenüber geometrischen Abweichungen herzustellen.