يتم استخدام كلا المفهومين للطاقة الحرارية الأرضية على الجسور: تستخرج الأعمدة ما مجموعه 35 جيجاوات ساعة سنويًا من الحرارة من الأرض للتدفئة. بصرف النظر عن ذلك ، يتم جمع حوالي 403 جيجاوات ساعة من الحرارة كل عام: تتم إضافة حوالي 303 جيجاوات ساعة بواسطة وحدات الألواح الضوئية و 100 أخرى عن طريق الحرارة المهدرة من مراكز البيانات. يتم تخزين الجزء الذي يتم إنتاجه في الصيف في الأرض ، ويتم استهلاك الجزء الذي يحدث في فصل الشتاء مباشرة.

اعتمادًا على ما إذا كانت الحرارة المتوفرة بالفعل في الأرض مستخدمة أو ما إذا كانت الحرارة الشمسية المجمعة فوق الأرض يتم إرسالها إلى الأرض للتخزين ، يجب استخدام تركيبات مسبار حراري أرضي مختلفة.

في أعلى 10-15 مترًا، يتم تحديد درجة حرارة التربة وفقًا للمناخ، أي عوامل الغلاف الجوي، مثل الإشعاع الشمسي وتلامس الهواء ودرجة حرارة وكمية مياه الأمطار المتسربة (وصولاً إلى عمق حوالي 50 مترًا، فإن القاعدة الأساسية لأوروبا الوسطى هي أن هناك 10 درجات مئوية ثابتة على مدار العام). نظرًا لموقعها في اوبرراينغرابن من عمق 2 متر، تبلغ درجة حرارة التربة في فرانكفورت حوالي 12 درجة مئوية أو أكثر في العديد من الأماكن.

تعتمد كمية الحرارة التي تخزنها تربة المنطقة ليس فقط على مناخ المنطقة، ولكن أيضًا على طبيعة التربة. يعرف الجميع التأثير: بعض المواد تسخن بسرعة في الشمس وتطلق الحرارة بسرعة عندما تبرد ؛ تحتاج المواد الأخرى إلى بعض الوقت حتى تصبح دافئة، لكنها بعد ذلك تحافظ على الحرارة أيضًا.

مقدار الطاقة المخزنة في الأرض بالقرب من السطح. يمكن استخراجه من التربة، (1) يعتمد على مناخ المنطقة و (2) على الحالة الجيولوجية لباطن الأرض

كجزء من التخطيط الأولي متعدد السنوات لجسور فرانكفورت ، يجب استخدام التقارير الجيولوجية لتحديد كيفية بناء كل جزء من مسار الجسر ومدى دفئه أو كيف يمكن أن يصبح عند إمداد الطاقة. لأن بعض الطبقات تخزن الحرارة بشكل أفضل ، والبعض الآخر ليس جيدًا

عادة ما تكون التربة الموجودة أسفل المدينة غير متجانسة للغاية ، وهذا هو الحال أيضًا في فرانكفورت. بعبارات الشخص العادي ، يمكن للمرء أن يقول: جنوب الماين إنه رملي نوعًا ما ، شمال الماين ستجد الطين بسرعة عند الحفر. إذا كان العمود في بيئة رملية ، فإنه يمتص الحرارة بسهولة أكبر ، ولكنه أيضًا يطلقها بسرعة أكبر. من ناحية أخرى ، تستغرق التربة الطينية وقتًا أطول للتسخين ، ولكنها أيضًا تحتفظ بالحرارة لفترة أطول.

بالقرب من سطح الأرض ، هناك عامل مهم آخر لسعة تخزين الحرارة للتربة وهو المياه الجوفية ، التي تصادف في فرانكفورت بعد بضعة أمتار فقط عند الحفر: إذا تسرب الكثير من المياه الجوفية عبر التربة بسرعة عالية نسبيا (كما هو الحال مع التربة الرملية) ، فقد يكون لذلك عواقب على الإمداد الحراري للأعمدة للأعلى في اتجاهين:  من ناحية ، هذا يعني أن درجة حرارة أساسية معينة "تتدفق" دائما ، لأن المياه الجوفية تحت فرانكفورت تتراوح بين 12 و 14 درجة مئوية - وأحيانا أكثر. من ناحية أخرى ، يتم أيضا نقل الحرارة الإضافية ، التي يتم نقلها من الأكوام إلى الأرض في الصيف ، بسرعة أكبر.

لذلك إذا كنت ترغب في حساب مقدار الحرارة التي يمكن استخراجها من أرض فرانكفورت أو مقدار ما يمكنك تخزينه هناك ، فأنت بحاجة إلى نماذج حساب الطاقة الحرارية الأرضية المعقدة للأقسام الجيولوجية المختلفة.

يمكن لكومة طاقة من عمود من جسور فرانكفورت استخراج ما يقدر بنحو 1 كيلو وات من الحرارة من الأرض

هذه نتيجة النظر في مقدار استخلاص الحرارة لكل متر (وات / م) ممكن: هذا يختلف من طبقة من الأرض إلى طبقة من الأرض ، ولهذا السبب يتم وزنها بـ "السماكة" ، يتحدث الخبراء عن "السماكة" من طبقة الأرض المعنية

- على سبيل المثال (وات / م) × سمك كل منهما (م).

نتيجة الحساب: في حساب السيناريو لجسور فرانكفورت ، كان الاستخراج الحراري (وات) من كومة 20 مترًا بين 885 و 1148 وات. وفقًا لذلك ، تم افتراض متوسط ​​استخراج حراري يبلغ 1000 واط أو 1 كيلو واط لكل كومة.

لا يمكن استخدام جميع أقسام المسار من حيث الحرارة الجوفية في نفس الوقت ، نظرًا لأن أكوام الطاقة تؤثر على بعضها البعض ، خاصةً إذا كانت في اتجاه تدفق المياه الجوفية

لذلك تم تبسيط المسافة الإجمالية (حوالي 60 كم) إلى قسمين:

الأقسام أ: الأقسام الموجودة في اتجاه تدفق المياه الجوفية - وهي ذات إمكانات طاقة منخفضة

أقسام المسار ب: جميع أقسام المسار الأخرى - يمكنها استغلال إمكانات الطاقة الحرارية الأرضية

تأثير اتجاه تدفق المياه الجوفية على كامل أكوام طاقة العمود لجسور فرانكفورت

يتم دعم قسم الجسر الذي يبلغ طوله حوالي 60 كم بحوالي 15000 عمود ، منها 12750 مزودة بأكوام حرارية أرضية. نظرًا لأن نظام الركام الحراري الأرضي يستخدم فقط لثلث 8760 ساعة في العام (2700 ساعة) ، يتم استخدام جميع الأكوام تقريبًا في أوقات مختلفة.

التجديد: خاصة في الصيف - ولكن أيضًا في الأيام المشمسة الشديدة في الشتاء - يجب إرسال الحرارة الزائدة إلى التربة حتى لا تبرد على مر السنين

لقد مرت بعض المجتمعات بالفعل بالتجربة المؤلمة: إذا كنت تسحب الحرارة من الأرض بشكل دائم فقط باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية القريبة من السطح لتدفئة المنازل ، دون أيضًا إعادة الحرارة إلى أسفل ، فإن الأرض تبرد على مر السنين.

في الأول من فصول الشتاء العديدة ، يمكنك استخراج الحرارة من الأرض في فرانكفورت: يبلغ متوسط ​​درجة حرارة المياه الجوفية والجوفية في فرانكفورت حوالي 12-14 درجة مئوية. بالفعل في الشتاء القادم ، ستكون درجة حرارة الأرض أقل قليلاً عند نقطة استخلاص الحرارة. على مدى عدة سنوات ، يؤدي التأثير إلى فقدان درجات الحرارة عدة درجات مئوية. لهذا السبب ، يجب "تجديد" التربة كل صيف ، مما يعني أنه يجب أيضًا إرسال الحرارة إلى التربة مرة أخرى.

في حالة جسور فرانكفورت ، يتم استخدام مصدرين للحرارة للتجديد: 1) تبريد المساكن لمباني الجسر في الصيف و 2) الحرارة من وحدات الكهروضوئية )المجمعات الحرارية الكهروضوئية). من خلال ما يسمى ب "أنظمة الاقتران" ، يتم استعادة درجة حرارة التربة حيث ينقل السائل الساخن ، الذي يتدفق عبر المجسات من الأعلى ، الحرارة إلى التربة المحيطة.

تضمن أنظمة الاقتران أن تظل درجة حرارة الأرضية كما هي تقريبًا على الرغم من عقود من الاستخدام - مثال لمحاكاة شارع كينيدي في فرانكفورت

كجزء من دراسة الجدوى الحالية ، تمت محاكاة تطوير درجة حرارة مدخل المسبار على مدى 100 عام لقسم من جسور فرانكفورت في كينيدي ألي ، باستخدام أنظمة اقتران تضمن تجديد درجة حرارة التربة.

تؤكد النتيجة فعالية أنظمة الاقتران: تحدث أعلى درجة حرارة لمدخل المسبار فقط في السنة الأولى (11.1 درجة مئوية) وتنخفض قليلا حتى السنة 100 (10.8 درجة مئوية). أدنى درجة حرارة لدخول المسبار هي 9.4 درجة مئوية في السنة الأولى وتنخفض إلى 9.1 درجة مئوية بحلول السنة 100.

من 35 جيجاوات ساعة / الطاقة الحرارية الأرضية التي تدعم تدفئة مباني الجسر ، يتم استخراج 40 في المائة من الأرض في شهرين فقط ، من ديسمبر إلى يناير

يتم تحقيق جزء كبير من التجديد من خلال حرارة تبريد المبنى في الصيف ؛ يتم إجراء جزء صغير فقط من التجديد بواسطة الطاقة الحرارية الشمسية في الأيام المشمسة في الشتاء

الحالة 2: يتم إرسال الحرارة المجمعة فوق الأرض إلى الأرض عبر مجسات حرارية أرضية مجمعة ، وتخزينها هناك وإزالتها من هناك مرة أخرى حسب الحاجة للتدفئة.

يتم جمع الحرارة فوق الأرض بواسطة جامعات هجينة تولد الكهرباء والطاقة الحرارية

تولد المجمعات الهجينة الكهروضوئية (الكهروضوئية: مجمع الطاقة الشمسية الهجين الحراري الكهروضوئي) الكهرباء والحرارة في نفس الوقت. في حالة المجمعات الهجينة الكهروضوئية ، يوجد مجمع حراري على الجزء الخلفي من الوحدات الكهروضوئية ، والذي يمتص حرارة أشعة الشمس ويمكنه نقلها إلى مبادل حراري. في بعض الأحيان ، لا يزال من الممكن العثور على كلتا الوظيفتين - الخلايا الكهروضوئية ومجمعات الحرارة - بشكل منفصل على الأسطح.

في جسور فرانكفورت ، توجد مجمعات هجينة كهروضوئية على الأسطح وجوانب جسم الجسر وعلى واجهات مباني الجسر. بالإضافة إلى ذلك ، سيتم تغطية أماكن وقوف السيارات بجوار الجسور على نفقة شركة الجسر ومجهزة بمجمعات هجينة كهروضوئية.

يتم توليد ما يقرب من 303 جيجاوات ساعة / أ من الحرارة بواسطة المجمعات الهجينة الكهروضوئية

يتم توليد حوالي 303 جيجاواط / ساعة من خلال مليون متر مربع من المجمعات الهجينة الكهروضوئية ؛ حوالي نصفهم على الجسور والنصف الآخر على مظلات موقف السيارات بجوار الجسور.

مصدر آخر للطاقة الحرارية: الحرارة المهدرة. تبلغ إمكانات الحرارة المهدرة من مراكز البيانات والمجمعات الصناعية ومياه الصرف الصحي في فرانكفورت حوالي 190 ميجاوات أو أكثر من 1.66 تيراواط ساعة سنويًا

وفقًا لسجل حرارة النفايات في فرانكفورت ، يتم تقسيم 1660 جيجاوات ساعة سنويًا على النحو التالي:

•100 ميغاواط (876 جيجاواط ساعة) حرارة من مياه الصرف الصحي ،

•40 ميغاواط (350 جيجاواط ساعة) من الحرارة المهدرة من المجمعات الصناعية ،

•50 ميغاواط (438 جيجاواط ساعة) من الحرارة المهدرة من مراكز البيانات

يمثل هذا حوالي ثلث استهلاك الحرارة في منازل فرانكفورت ، ولكن الحرارة الحرارية متوفرة فقط كحرارة منخفضة الطاقة مهدرة ، وبالتالي لا يمكن استخدامها إلا في المباني التي تحتوي على تدفئة بمضخات حرارية.

حتى الآن ، ومع ذلك ، لا يمكن استخدام الحرارة المهدرة من مراكز البيانات والمجمعات الصناعية في فرانكفورت على الإطلاق بسبب عدم وجود نظام أنابيب يمكنه نقل سائل المحلول الملحي إلى المبادلات الحرارية لمستخدمي المبنى. لسوء الحظ ، لا يمكن إدخاله في خط تدفئة منطقة ماينوفا أيضًا ، لأنه مصمم للسوائل ذات درجة حرارة تتراوح من 80 إلى 90 درجة مئوية.

عندما يتم بناء جسور فرانكفورت ، يتم إنشاء نظام خط على طول الجسور لا يخزن فقط الحرارة التي يتم جمعها بواسطة المجمعات الهجينة الكهروضوئية في الأرض ، ولكن أيضًا يجمع ويرسل الحرارة المهدرة من مراكز البيانات والمجمعات الصناعية ، والتي هي أساسًا وجدت في شارع هاناوا لاند Hanauer Landstrasse وفي فيند سوسنهايم.

بالنسبة لمراكز البيانات والمجمعات الصناعية هذه ، تمثل جسور فرانكفورت الخط المباشر لاستخدام الحرارة المهدرة في المباني.

الطاقة الحرارية ليست متوفرة فقط في الصيف

يتم تخزين حوالي 246 جيجاوات ساعة / طاقة حرارية منخفضة الحرارة (حوالي 35 درجة مئوية) من الوحدات الكهروضوئية وحوالي 50 جيجاوات ساعة / حرارة مهدرة من مراكز البيانات تحت الأرض من أبريل إلى سبتمبر. ولكن أيضًا بين شهري يناير ومارس وكذلك أكتوبر وديسمبر ، يتم تغذية الحرارة المتولدة في الأرض لتجديدها أو تمريرها مباشرة إلى المستهلك.

يتم تخزين الحرارة الناتجة عن الوحدات الكهروضوئية وكذلك الحرارة المهدرة من مراكز البيانات تحت الأرض في "حقول المجسات".

توفر جسور فرانكفورت الفرصة لتثبيت حقول التحقيق في مواقع مواتية استراتيجيًا ، على سبيل المثال تحت مراكز الإمداد أو الممرات أسفل الجسور ، لإنشاء ما يسمى بئر مخازن الطاقة الحرارية ( BTES ) بالترتيب - كما يوحي الاسم - لتخزين الفائض حرارة. وبهذه الطريقة يمكن تجسير الوقت بين العرض (الصيف) والطلب (الشتاء).

لتقدير الأداء الميداني للمسبار على طول جسور فرانكفورت، تمت محاكاة ثلاثة سيناريوهات ذات ظروف جيولوجية مختلفة يحدث كل منها في منطقة فرانكفورت

.1السيناريو 1  S1: حالة مثالية للتخزين بطبقة طينية مستمرة تمامًا مع نفاذية هيدروليكية تبلغ kf = 10-7 م / ث ، وبالتالي لا تكاد أي خسائر حرارية للحرارة من خلال تدفق المياه الجوفية

.2السيناريو 2  S2: الطين يتقطع بواسطة طبقتين من الرمل (kf = 2 * 10-4 م / ث) بسماكة 2 و 8 م ، وبالتالي زيادة فقد الحرارة بالحمل الحراري في 5٪ من القسم

.3السيناريو 3  S3: قطع الطين بأربع طبقات رملية (kf = 2 * 10-4 م / ث) بسمك إجمالي يبلغ 50 مترًا ، وبالتالي زيادة خسائر الحمل الحراري على 25٪ من الامتداد

تظهر نتائج النموذج درجات حرارة الماء المالح الداخل والخارج خلال فترة التشغيل البالغة 10 سنوات. يتم ضبط درجة حرارة المدخل (T-In) على 4 درجات مئوية في الشتاء و 35 درجة مئوية (درجة حرارة مخرج المجمعات الهجينة الكهروضوئية) في الصيف لجميع السيناريوهات. في جميع السيناريوهات ، يمكن ملاحظة أن درجة حرارة المخرج  ( T-Out) تنخفض أثناء إمداد الحرارة (في الشتاء) وترتفع أثناء التخزين (في الصيف).

لماذا تظهر المحاكاة درجات حرارة متشابهة في الشتاء؟ على الرغم من أن تدرج درجة الحرارة إلى حجم التخزين أعلى في S1 (الطين فقط) مقارنة بـ S3 (الكثير من الرمل) لأن الحرارة المخزنة لم يتم نقلها بعيدًا عن المياه الجوفية ، فإن التبادل الحراري بين مجسات الطاقة الحرارية الأرضية وحجم التخزين يكون أقل في نفس الوقت ، حيث لا يكاد يكون هناك أي نقل حراري.

في جميع السيناريوهات الخاصة بحقول المجسات على طول جسور فرانكفورت ، تزداد الحرارة المستخرجة بعد السنوات القليلة الأولى وتصل إلى مستوى ثابت ، بينما تُظهر كمية الطاقة المخزنة اتجاهًا عكسيًا

في جميع السيناريوهات الخاصة بحقول المجسات على طول جسور فرانكفورت ، تزداد الحرارة المستخرجة بعد السنوات القليلة الأولى وتصل إلى مستوى ثابت ، بينما تُظهر كمية الطاقة المخزنة اتجاهًا عكسيًا

تظهر نتائج النموذج الطاقة الحرارية المخزنة والمستخرجة على مدار فترة تشغيل تبلغ حوالي 30 عامًا.

مطلوب 175000 متر مربع من المساحة لحقول مجسات الطاقة الحرارية الأرضية: سيتم تثبيتها إما (I) تحت كل مركز إمداد ، (II) بجوار مراكز البيانات والمجمع الصناعي و (III) على طول الجسور في سياق بناء الجسر تحت الطرق

وفقًا لنموذج المحاكاة ، يتم تخزين 650 ميجاوات من الطاقة الحرارية باستخدام 32 مجسًا حراريًا (12 * 28 = 336 مترًا مربعًا). من أجل تخزين 296 جيجاوات ساعة / أ ، أنت بحاجة إلى حوالي 455 مجموعة بها 32 مجسًا حراريًا أو مساحة 155000 متر مربع تقريبًا

(I)يمكن تركيب مجسات حرارة الأرض تحت كل مركز إمداد. يوجد 200 مركز إمداد بمساحة أرضية متوسطة تبلغ 100 متر مربع ، بحيث يمكن تجهيز مساحة 20000 متر مربع بالفعل بمجسات عند بناء مراكز الإمداد.

●

(II)بالإضافة إلى مراكز البيانات والمجمع الصناعي كاسيلا ، يمكن تركيب 5000 متر مربع إضافية من المجسات الحرارية الأرضية لتخزين الحرارة المجمعة من الأذرع الشرقية والغربية لجسور فرانكفورت.

●

(III)تبلغ المساحة المتبقية المطلوبة البالغة 130 ألف متر مربع على طول الطريق البالغ طوله 60 كيلومترًا لجسور فرانكفورت: عندما يتم بناؤها ، يجب تجديد سطح الطريق للطرق المبنية بشكل كبير على أي حال. يمكن تركيب جميع الحقول اللازمة لمسبار الطاقة الحرارية الأرضية هنا على مساحة 130.000 متر مربع.

يجب أيضًا وضع مساحة 130،000 متر مربع لحقول المجسات حول مناطق العبور لأقسام الجسر ، حيث أن هذا أكثر ملاءمة من حيث الطاقة: من هناك ، يكون للحرارة مسافات أقصر إلى نقطة الأصل ، ولكن أيضًا إلى نقطة الاستخدام

من بين 15000 عمود من أعمدة الجسور ، هناك 12750 مجسات متصلة بأكوامها. مثل حقول المجسات الموجودة أسفل الشوارع ، فهي متصلة بحلقة رئيسية تحت الأرض بحيث يمكن نقل الحرارة عندما لا تكون هناك حاجة إليها في الموقع

حوالي متر إلى مترين تحت الأرض ، أي في المنطقة الخالية من الصقيع ، يدير خطا دائريا تتصل به كل من المجسات الموجودة في أكوام العمود وحقول مسبار الطاقة الحرارية الأرضية تحت الطريق. بفضل كابلات التوصيل المعزولة جيدا بشكل خاص ، يمكن أن يتدفق سائل المسبار الساخن دائما إلى المكان المطلوب. العملاء هم المباني على الجسور والدفيئات الزراعية وحمامات السباحة بجانب الجسور وفي المستقبل البعيد أيضا المباني السكنية والمكاتب بجوار الجسور.

يمر المحلول الملحي الناتج عن الطاقة الحرارية الشمسية للوحدات الكهروضوئية عبر خطوط على طول الأعمدة وصولاً إلى الأرض ، حيث يتدفق بعد ذلك في خط اتصال مشترك إلى مركز الإمداد.

يتم استخدامه إما هناك (في الشتاء) للتدفئة أو يتم إرساله إلى التخزين في الأرض من أجل استرداده مرة أخرى عند الحاجة وتوجيهه إلى مراكز الإمداد. هناك ، يتم إطلاق الحرارة بواسطة مبادل حراري للأنابيب التي تمتد إلى مباني الجسر والمستهلكين الآخرين للتدفئة.

يأتي سائل المسبار من الأرض ، والذي تم تسخينه في مجسات رصيف الجسر بواسطة درجة حرارة الأرض التي تبلغ حوالي 14 درجة مئوية هناك ، أيضًا في أرصفة الجسر إلى خط الحلقة الحرارية الأرضية ، والذي يبلغ حوالي 2 متر تحت الأرض ، بحيث يكون خاليا من الصقيع ويخرج على مستوى الطابق السفلي من مركز الإمداد لاستخدامه هناك

لا تخلق جسور فرانكفورت مساحات معيشة خضراء وإنسانية فوق الأرض فحسب ، بل تفتح أيضًا ، من خلال أعمدتها ، إمكانية استخدام الأرض الموجودة أسفل المدينة كمخزن للطاقة

تم إنشاء ما يقرب من مليون متر مربع من المناطق الحرارية الشمسية على جسور فرانكفورت ، ليس فقط على أسطح مباني الجسور ، ولكن أيضًا على جسم الجسر وفي مواقف السيارات على طول الجسور. مع الحرارة الناتجة عن هذا والحرارة المهدرة من العديد من مراكز البيانات ، لا يمكن تجديد الأرض الموجودة أسفل الجسور فقط بعد فصل الشتاء باستخراج الحرارة ؛ بدلاً من ذلك ، يمكن إرسال حرارة أكثر بكثير مما يمكن إخراجها. نظريا.

لأن هناك عاملاً واحدًا: يجب ألا ترتفع درجة حرارة المياه الجوفية أكثر من اللازم. في بعض الأماكن في وسط مدينة فرانكفورت ، تبلغ درجة الحرارة بالفعل 18 درجة مئوية وأكثر بسبب الطاقة الحرارية الأرضية للمباني الشاهقة. هذه إشكالية بالفعل: يمكن أن يكون الاحترار المفرط للمياه الجوفية ضارًا لعدة مئات من الأنواع الحيوانية التي تعيش في هذه المنطقة وللنظام البيئي لكائنات المياه الجوفية ، والتي تقدم مساهمة هائلة في تنظيف المياه الجوفية.

وفقًا لذلك ، في مرحلة التخطيط الأولي لجسور فرانكفورت ، يجب إجراء فحص دقيق مع وكالة ولاية هيسن للحفاظ على الطبيعة والبيئة والجيولوجيا إلى أي مدى وفي أي نقاط قد يخزن نظام الطاقة الحرارية الأرضية لجسور فرانكفورت الحرارة في الارض.