Masterarbeit Energiezentrum Willich

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1 Masterarbeit Energiezentrum Willich Lukas Schäfer Betreuer: Prof. Dr. Ingo Sass, Clemens Lehr Erdwärmesondentestfeld Energiezentrum Willich Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 1

2 Gliederung Ziele der Arbeit Grundlagen Geothermal Response Test: Versuchsdurchführung Auswertung GRT-Messeinheiten Messung : Idee Versuchsaufbau Versuchsablauf Ergebnisse Ausblick Wärmepumpen des EZ:W Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 2

3 Ziele der Arbeit Vergleich von drei verschiedenen Wärmesystemen mit je drei verschiedenen Hinterfüllungen Auswertung von neun parallel durchgeführten Geothermal Response Tests (GRT) im Zeitraum vom Auswertung einer Heizperiode im Realbetrieb Gibt es signifikante Unterschiede zwischen den Sondenarten/ Hinterfüllungen? Wie verhalten sich die verschiedenen Wärmesysteme im Realbetrieb? Tatsächliche Effizienz der Wärmepumpen (COP)? Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 3

4 Geothermal Response Test (GRT) Standardverfahren zur Bestimmung aller wichtigen thermischen Gesteinseigenschaften im Untergrund Planung und Dimensionierung von Erdwärmesondenfeldern nur über die gesamte Tiefe der Bohrung gemittelte Kennwerte Schematischer Aufbau eines Geothermal Response Test (DGGT/ DGG 2015) Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 4

5 Versuchsanordnung Zirkulation eines Wärmeträgerfluids durch den Sondenkreislauf (Dauer: 2-3 Tage) Messung von Vor- und Rücklauftemperatur konstante Heizleistung konstanter Volumenstrom (turbulentes Fließen) effektive Wärmeleitfähigkeit (λ eff ) thermischer Bohrlochwiderstand (R B ) Versuchsanordnung eines GRT, Gerät der TU Darmstadt Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 5

6 Auswertung eines GRTs Linienquelle: Wärmequelle als idealer thermischer Leiter, unendliche Länge, vernachlässigbar kleiner Radius (Ingersoll & Plass 1948) konstante Temperatursteigung und Heizleistung notwendig Geradlinienverfahren: Auswertung des quasi- stationären Teils der Messkurve nur während dem Test gemessene Daten benötigt Zylinderquelle: Berücksichtigung der Geometrie erhöhte Präzision und verkürzte Testlaufzeit (Lehr & Sass 2011) konstante Heizleistung ( Superpositionsprinzip) Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 6

7 Ergebnisdarstellung in GeoLogik TRT Messdaten verschiedener GRTs Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 7

8 Ergebnisdarstellung in GeoLogik TRT Auswertung mit GeoLogik TRT Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 8

9 Ergebnisdarstellung in GeoLogik TRT Auswertung nach der Zylinderquelle (links) und Auswertung mit zusätzlichem Superpositionsprinzip (rechts) Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 9

10 GRT- Einheiten oben links: TU Darmstadt oben Mitte: tewag GmbH oben rechts: UBeG GbR unten links: Geologische Bundesanstalt Österreich unten Mitte: Geotechnik Lehr Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 10

11 Idee Fortsetzung der Bachelorarbeit Vergleichende Geothermal Response Tests an einer Erdwärmesonde (Schäfer, 2017) 5 verschiedene GRTs an identischer Sonde: Messungen und Ergebnisse unterschiedlicher Geräte nicht direkt vergleichbar Fehler aus Datengewinnung (zeitliche Auflösung, Messgenauigkeiten) Umwelteinflüsse schwankende Heizlasten Jetzt: verschiedene Sonden, aber identische Versuchsbedingungen vergleichbare GRTs Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 11

12 Versuchsaufbau Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 12

13 Versuchsaufbau Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 13

14 Versuchsaufbau Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 14

15 Versuchsaufbau Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 15

16 Versuchsablauf GRT Start GRT :45 Uhr: Drosseln der Heizleistung auf 9 kw nach 48h Ende Aufheizphase Durchfluss 0,51 0,61 m³/h Weitere Versuchsreihen bis zum Variierende Heizlasten und Durchflüsse Warum?? Datenlogger einer Sondenreihe Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 16

17 Versuchsablauf Versuch zum ersten Mal in dieser Art durchgeführt! Vorteile: Gleiche klimatische Bedingungen Gleicher Grundwasserfluss Gleiche Messtechnik Datengewinnung für alle Versuche gleich Direkte Vergleichbarkeit der Ergebnisse Einfluss von variierender Heizlast und variierendem Durchfluss: Temperaturspreizung Interner Wärmeübergang Wärmeübergang an den Untergrund Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 17

18 Ergebnisse Vor- und Rücklauftemperaturen der Doppel-U-Sonde (therm. verbessert) im gesamten Versuchszeitraum Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 18

19 Ausblick Auswertung der GRTs und Vergleich der Ergebnisse Auswertung der in der Heizperiode gewonnenen Daten Temperaturtiefenprofile? Durchführung einer weiteren GRT-Messung im Frühling? Ergänzendes FEFLOW-Modell? Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 19

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 20

21 Literaturverzeichnis DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR GEOTECHNIK E. V. / DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR GEOWISSENSCHAF-TEN E.V., DGGT/DGG (2015): Empfehlungen Oberflächennahe Geothermie- Planung, Bau, Betrieb und Überwachung- EA Geothermie. 1. Auflage, Ernst & Sohn GmbH & Co. KG, Berlin, 290 S. INGERSOLL, L. R. & PLASS, H. J. (1948): Theory of Ground Pipe Heat Source for the Heat Pump. ASHVE Transactions 47, , Chicago. SASS, I. & LEHR, C. (2011): IMPROVEMENTS ON THE THERMAL RESPONSE TEST EVALUATION. PROCEEDINGS, Thirty- Eighth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. SCHÄFER, L. (2017): Vergleichende Geothermal Response Tests an einer Erdwärmesonde. 101 S., 65 Abb., 12 Tab., 2 Anh., 1 CD-Rom, unveröff. Bachelorarbeit, TU Darmstadt Institut für Angewandte Geowissenschaften 4. Willicher Praxistage Geothermie Lukas Schäfer 21