Thermal-Response-Test (TRT) und Temperaturmessung als Grundlage der Planung großer Erdwärmesondenanlagen

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1 Thermal-Response-Test (TRT) und Temperaturmessung als Grundlage der Planung großer Erdwärmesondenanlagen Dipl.-Geologe Marcus Richter HGC Hydro-Geo-Consult GmbH

2 Gliederung 1. TRT Grundlagen und Anwendungsgebiete 2. Testablauf, Auswertung und Ergebnisse 3. Erfahrungen und Besonderheiten 4. Einflussfaktor Untergrundtemperatur 2

3 1. TRT Grundlagen und Anwendungsgebiete Primärer geologischer Parameter für die fachgerechte und nachhaltige Dimensionierung von Erdwärmesondenanlagen Wärmeleitfähigkeit des anstehenden Gebirges Weiterhin u. a. bedeutsam: spezifische Wärmekapazität (gesteinsabhängig) topographische Lage (Untergrundtemperatur) geohydraulische Verhältnisse natürlicher Wärmefluss ( Maß für teufenabhängige Temperaturzunahme) 3

4 TRT als Verfahren zur standort-/ sondenspezifischen Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit (Integral sämtlicher Einflussfaktoren Gestein + Grundwasser) Ausführung als standard TRT oder teufenorientiert (je nach Aufgabenstellung und Geologie) 4

5 Primäre Anwendungsgebiete Erdwärmesondenanlagen und Energiepfähle Anlagen mit einer Heiz-/Kühlleistung der Wärmepumpe größer ca. 30 kw Hintergrund Wärmeleitfähigkeiten der Gesteine in der Literatur / VDI 4640 weisen sehr hohe Variationsbreite auf Vermeidung der Anlagenüber-/unterdimensionierung Entzugsleistungen der VDI 4640 in W/m sind auf Großanlagen nicht übertragbar 5

6 VDI 4640 (Teil 2): Bei einer größeren Anzahl von Einzelanlagen, bei Anlagen mit mehr als 2400 projektierten Jahresbetriebsstunden, bei Anlagen mit zusätzlichen Wärmequellen/-senken (z.b. Kühlung) und bei Anlagen mit einer Wärmepumpen-Gesamtheizleistung >30 kw muss die korrekte Anlagenauslegung durch Berechnungen nachgewiesen werden. 6

7 Warum? Gegenseitige Beeinflussung der Sonden (Verringerung der Entzugsleistung) Pauschale Ansätze der VDI 4640 berücksichtigen die Spezifik der Großanlagen nicht Mögliche Umweltbeeinflussung (Aufheizung / Abkühlung Auswirkung auf Nachbarn?) Fehlende Kenntnis der geothermischen Untergrundparameter kann gravierenden Einfluss auf den Anlagenbetrieb haben Schnittdarstellung durch ein Sondenfeld mit 5 Erdwärmesonden (Modelliert mit FEFLOW 5.4) 7

8 2. Testablauf, Auswertung und Ergebnisse Fertig gestellte Sondenbohrung, Verpressung weitgehend ausgehärtet Messung Nulltemperatur bzw. T-Log Durchführung TRT (ggf. teufenorientiert), bei Bedarf nachfolgende T- Logs 8

9 Prinzipielle Verfahrensweise Temperaturaufprägung auf unbeeinflusstes Gebirge Messung der Antwort des Gebirges Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit (W/m K), keine Aussagen zu Entzugsleistung in W/m Grundlage der Auswertung sind zuverlässige Angaben zu Bohrteufe, Bohrablauf, Schichtenverzeichnis und Verpressung 9

10 D atenaufzeichnu ng Therm al-respo nse-t est 35 T (Vorla uf C ) T (Rücklauf C) 70 Vo lum en [l/m in] Temperatur [ C] V olu menstrom [l/min] Zeit [m in] 10

11 11

12 Lambda [W/(mK)] 2,8 Lambda Stepwise 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2 1,8 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1, Zeit [min] Stufenweise TRT-Auswertung 12

13 so nicht. 13

14 so nicht. 14

15 Weiterer Ergebnisparameter des TRT: spezifischer Bohrlochwiderstand Maß für die Qualität der Verpressung Geringe Bohrlochwiderstände werden z.b. erreicht durch: sorgfältige und fachgerechte Verpressung Einsatz hochwertiger Verpressmaterialien hohe Wärmeleitfähigkeit geringe Setzung der Suspension Homogenität der Masse Geringer Bohrlochwiderstand guter thermischer Anschluss der Sonde an das Gebirge Einsparung von Bohrmetern 15

16 3. Erfahrungen und Ergebnisse 16

17 Gneis Granit Kalkstein Tonschiefer Sande Sandstein Tonstein/Mergelstein Sand/Schluff Ton/Schluff Wärmeleitfähigkeit (W/m K) Vergleich gemessener Wärmeleitfähigkeiten 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 17

18 Mineral λ [W/m K] Quarz 6,0-10,5 Feldspäte 2 Biotit 1,2-2,0 Muskovit 1,7-3,9 Hornblende 2,7 Pyroxene 4,3 Turmalin 4,5 Gips 1,2 Pyrit 19,

19 Beispiel: Auswirkung der Wärmeleitfähigkeit auf Dimensionierung eines Erdwärmesondenfeldes Standort: Dresden Heizleistung: 100 kw bei 2000 Betriebsstunden/Jahr Kühlleistung: 20 kw bei 500 Betriebsstunden/Jahr Fiktive Jahresverteilung der Heiz-/ Kühlarbeit T Randbedingungen der Sole: min.: 0 C; max.: 25 C Gestein l [W/m K] Granodiorit (min.) 2,03 Granodiorit (mittel) 3,3 Granodiorit (max.) 3,34 Mergelstein 2,1 Sand / Mergel 1,25 19

20 Erforderliche Bohrmeter in Abh. der Wärmeleitfähigkeit Granodiorit min W/m Granodiorit mittel W/m Granodiorit max W/m Mergelstein Sand / Mergel W/m 22 W/m

21 21

22 22

23 4. Einflussfaktor Untergrundtemperatur Möglichkeiten der Messung Zirkulation TRT Einheit (ohne Lastaufgabe) Stufenlos in Erdwärmesonde Im Zusammenhang mit Bohrlochgeophysik (Sal-Temp- Log) 23

24 Saisonal beeinflusst Neutrale Zone T mittel : 17,8 C Geothermische Tiefenstufe (hier: ca. 5,5 K/100 m) 24

25 T mittel : 13,1 C (Gradient ca. 1 K/100 m) 25

26 Temperaturmessung im Rahmen der Bohrlochgeophysik 26

27 Heizleistung: 8 kw 2400 Vbh JAZ: 4,2 27

28 Temperaturmessungen zur Qualitätskontrolle der Ringraumabdichtung 28

29 Unvollständig abgedichteter Ringraum Starke Umläufigkeit 29

30 Starke Umläufigkeit Fazit Temperaturmessungen sind eine schnelle und sehr preiswerte Methode die Auslegung der Sondenanlage abzusichern. Zudem sind Hinweise auf die Ringraumabdichtung ableitbar. 30

31 Vielen Dank! 31

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