Einfluss von Substrateigenschaften auf die Wärmeleitfähigkeit von Böden

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1 Diplomarbeit Studiengang Landschaftsplanung der Technischen Universität Berlin Einfluss von Substrateigenschaften auf die Wärmeleitfähigkeit von Böden Bodenphysikalische Nutzungsaspekte von Erdwärmekollektoren Arvid Markert Matrikelnummer: Gutachter: Betreuer: Prof. Dr. Gerd Wessolek; Dr. Björn Kluge Dr. Steffen Trinks, Michael Facklam Bearbeitungszeitraum: bis Berlin, 18. Juni 2012

2 Kurzfassung 2 - Danksagung - Ich danke allen, die mich bei der Fertigstellung dieser Arbeit fachlich und persönlich unterstützt haben. Ohne Euch wären noch ein paar graue Haare mehr dazugekommen. Ein besonderer Dank geht an Michael Facklam - meinem Mentor, Kollegen und Freund.

3 Kurzfassung 1 Kurzfassung Für die Planung und Berechnung der Wärmeentzugsleitung oberflächenah verlegter Erdwärmekollektoren sind genaue Kenntnisse der thermischen und hydraulischen Eigenschaften der an einem Standort vorliegenden Böden notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit werden 13 mineralische und organische Böden hinsichtlich ihrer Wasserretentionsfunktion und Wärmeleitfähigkeit beschrieben und in Bezug auf ihre Eignung als Füllmaterialien für Kollektoranlagen bewertet. Mit dem gewählten Forschungsdesign wird untersucht, inwiefern die Bodenart, der Wassergehalt, die Trockenrohdichte, das Homogenisieren und Packen der Stechzylinderproben und die Bodentemperatur die Wärmeleitfähigkeit der Substrate beeinflussen. Die hochaufgelöste Messung der Wärmeleitfähigkeit erfolgt nach dem Prinzip des Thermal-Needle-Probe-Method und wird mit der Verdunstungsmethode, bei der durch Evaporation der Wassergehalt kontinuierlich abnimmt, kombiniert. Die Messergebnisse zeigen, dass der Wasser- und Quarzgehalt ausschlaggebend für die Wärmeleitfähigkeit der Substrate ist. Bei den organischen und bindigen Böden werden im ungesättigten und gesättigten Bereich geringe Wärmeleitfähigkeiten gemessen. Bei den Substraten mit hohem Quarzanteil liegen die Werte in diesen Wassergehaltsbereichen höher und es kommt im ungesättigten Bereich zu einem deutlichen Verlauf der Wärmeleitfähigkeit. Die Erhöhung der Trockenrohdichte und die Störung der Substrate führen vor allem bei hohen Wassergehalten zu einer Zunahme der Wärmeleitfähigkeit. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass für die Nutzung von Erdwärmekollektoren eine Bewertung der Standorte und Substrate nach bodenkundlichen Kriterien Vorteile bringt und eine bessere Dimensionierung und Vorhersage des Flächenbedarfs und der Energieeffizienz ermöglicht.

4 Inhaltsverzeichnis 2 Inhaltsverzeichnis Kurzfassung... 1 Inhaltsverzeichnis... 2 Abbildungsverzeichnis... 4 Tabellenverzeichnis Einleitung Zielstellung und Hypothesen Nutzungsaspekte gespeicherter Bodenwärme durch Erdwärmekollektoren Verwendung und Funktionsweise von Erdwärmekollektoren Einfluss von Boden- und Standorteigenschaften auf die Nutzung von Erdwärmekollektoren Grundlagen zum Wärmetransport im Boden Thermische Bodeneigenschaften Gekoppelter Wasser- und Wärmetransport im Boden Material und Methoden Bodensubstrate und Probendesign Bodenphysikalische Untersuchungen Messung der Partikelgrößenverteilung, Retentionsfunktion, Kornrohdichte und des Siliziumgehalts Messung der thermischen Leitfähigkeit Versuchsaufbau thermische Leitfähigkeit Messergebnisse Hydraulische Eigenschaften der Bodensubstrate Sande Lehme Schluffe Torfe Thermische Eigenschaften der Bodensubstrate Sande Lehme Schluffe Organische Substrate... 41

5 Inhaltsverzeichnis Parametrisierung der Wärmeleitfähigkeit Diskussion der Ergebnisse Einfluss der Substrateigenschaften auf die thermischen und hydraulischen Bodeneigenschaften Hypothese I - Einfluss der veränderten Porengeometrie auf die Wasserretention und Wärmeleitfähigkeit Hypothese II - Einfluss des Wassergehalts Hypothese III - Einfluss der Trockenrohdichte Hypothese IV - Einfluss der Partikelgröße und Mineralogie Hypothese V - Gliederung der Substrate nach deren hydraulischen und thermischen Eigenschaften Wasserdampftransport und Temperaturabhängigkeit Parametrisierung der Wärmeleitfähigkeit Bodenphysikalische Nutzungsaspekte von Erdwärmekollektoren Substratabhängige Nutzung von Erdwärmekollektoren Bedeutung für Planungsgrundlagen Zusammenfassung und Ausblick Anhang: Literaturverzeichnis Erklärung... 73

6 Abbildungsverzeichnis 4 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Zunahme der übertragenen Wärmeleistung durch Wassermenisken Abbildung 2: Schematischer Versuchsaufbau zur Messung der thermischen Leitfähigkeit Abbildung 3: ms gepackt - Messwerte und Anpassung der Wasserretentionsfunktion bei TRD 1.61 [g/cm³] Abbildung 4: Su2 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der Wasserretentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichten Abbildung 5: Su3 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der Wasserretentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichten Abbildung 6: Sl3 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der Wasserretentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichten Abbildung 7: Sl3 (2) gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der Wasserretentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichten Abbildung 8: Sl4 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der Wasserretentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichten Abbildung 9: Ls4 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der Wasserretentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichte Abbildung 10: Lu / Ut3 gepackt - Messwerte und Anpassung der Wasserretentionsfunktion Abbildung 11: ms gepackt Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei Feldkapazität (pf 1.8) und Permanentem Welkepunkt (pf 4.2) sind horizontal markiert Abbildung 12: Su2 gepackt / ungestört Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pf 1.8 und pf Abbildung 13: Su3 gepackt / ungestört Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pf 1.8 und pf Abbildung 14: Sl3 gepackt / ungestört Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pf 1.8 und pf Abbildung 15: Sl3 (2) gepackt / ungestört Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pf 1.8 und pf Abbildung 16: Einfluss der Temperatur auf die Wärmeleitfähigkeit bei gleicher TRD.. 38 Abbildung 17: Sl4 gepackt / ungestört Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pf 1.8 und pf Abbildung 18: Ls4 gepackt / ungestört Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pf 1.8 und pf Abbildung 19: Ut2 / Ut4 Mittelwerte der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pf 1.8 und pf Abbildung 20: Lu / Ut3 gepackt Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pf 1.8 und pf Abbildung 21: H4 / H8-H9 ungestört Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pf 1.8 und pf Abbildung 22: Anpassungen der Wärmeleitfähigkeitsfunktion an die Messwerte des Su2 nach Lu et al. und Lu et al. (modifiziert)... 44

7 Tabellenverzeichnis 5 Abbildung 23: Anpassungen der Wärmeleitfähigkeitsfunktion an die Messwerte des Ls4 nach Lu et al. und Lu et al. (modifiziert) Abbildung 24: Wassergehaltsunterschiede in Vol. % zwischen ungestörten und gepackten Substraten bei pf Abbildung 25: Wassergehaltsunterschiede in Vol. % zwischen ungestörten und gepackten Substraten bei pf Abbildung 26: Einfluss des Packens der Substrate auf die Wärmerleitfähigkeit bei selber TRD und einem Wassergehalt von 15 Vol. % Abbildung 27: Einfluss des Packens der Substrate auf die Wärmerleitfähigkeit bei selber TRD im trockenen Zustand Abbildung 28: Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Substrate im trockenen und gesättigten Zustand bei TRD 1.9 g/cm³ Abbildung 29: Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Substrate im trockenen und gesättigten Zustand Abbildung 30: Zunahme der Wärmeleitfähigkeit mit steigender TRD im unteren Bereich bei einem Wassergehalt von 0 Vol. %; im oberen Bereich bei einem Wassergehalt von 20 Vol. % Abbildung 31: Beziehung Siliziumdioxidgehalt und Sand- und Grobschluffanteil Abbildung 32: Bereiche und typische Rechenwerte der Wärmeleitfähigkeit eines Sandes nach VDI 4640 (trocken / wassergesättigt) im Vergleich zu den Wärmeleitfähigkeiten des Su2 (TRD 1.6 g/cm³ / 1.9 g/cm³) Tabellenverzeichnis Tabelle 3-1: Thermische Eigenschaften von Bodensubstraten (verändert nach VDI 4640) Tabelle 4-1: Thermische Eigenschaften verschiedener Bodenbestandteile (nach Scheffer/Schachtschabel 2010) Tabelle 5-1: Substratbezeichnung, Ausgangsgestein, Partikelgrößenverteilung, Bodenart/Zersetzungsgrad und SiO 2 -Gehalt der verschiedenen Substrate Tabelle 4: Anzahl der Wiederholungen für die Messungen der Wasserretention und Wärmeleitfähigkeit der verschiedenen Bodensubstrate Tabelle 5: hydraulische Eigenschaften der ungestörten Substrate; Standardabweichung vom arithmetischen Mittel in Klammern Tabelle 6: Verwendete Parameter für die Anpassungen der Wärmeleitfähigkeitsfunktion an die Messwerte nach Lu et al. und Lu et al. (modifiziert) Tabelle 7: Vergleich der Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Substrate nach VDI mit den eigenen Messungen; die Abgrenzung zwischen trocken und wassergesättigt nach VDI erfolgt bei den eigenen Messungen bei einem volumetrischen Wassergehalt bei pf

8 1 Einleitung 6 1 Einleitung Die zu Ende gehenden Rohstoffreserven der Erde führen zu einer sich stetig verschärfenden Energiekrise der modernen kapitalistischen Gesellschaft. Fossile Brennstoffe werden in absehbarer Zeit ihre Rolle als Primärenergieträger verlieren und die Suche nach profitbringenden, effizienten und auch nachhaltigen Lösungen für die Energieversorgung der Menschheit beschäftigt Politik und Wissenschaft. Im Rahmen der Richtlinie 2009/28/EG hat die Bundesregierung der BRD das Ziel formuliert, den Anteil erneuerbarer Energien am Bruttoendenergieverbrauch bis zum Jahr 2020 auf mindestens 18% zu erhöhen (BRD 2010). Die im Boden durch Sonnenenergie und Niederschlagswasser gespeicherte und speicherbare Energie stellt in Form von latenter und sensibler Wärme ein enormes, zur Nutzung verfügbares Potenzial dar. Dem Boden als Energiespeicher kann dabei Wärme zu Heizzwecken entzogen oder zur Kühlung zugeführt werden. Auf kleinräumiger Skala finden Erdwärmekollektoren zur Nutzung dieses oberflächennahen Energiepotenzials bereits Anwendung. Dabei wird mittels eines in den Boden eingebrachten Wärmeüberträgers die Bodenwärme an eine Wärmepumpe abgegeben und zum Beheizen von Wohnflächen verwandt. Diese Technik kann parallel zum Kühlen von Wohnhäusern verwendet werden. Ob und in welchem Umfang die in den ersten 1-2 Metern der Erdkruste gespeicherte Energie genutzt werden kann, hängt vorrangig von den spezifischen Standort- und Bodeneigenschaften ab. Festgesteine, Überbauung oder Flächen mit tiefwurzelnder Vegetation schließen bisher eine Nutzung aus. In der Literatur werden sandige und feuchte Standorte als besonders geeignet ausgewiesen (ETI 2009, Berlin 2010, VDI 4640). Dabei ist die Wärmeleitfähigkeit der entscheidende Kennwert, der das Potenzial des Bodens, Energie in Form von Wärme und Wasserdampf zu transportieren, beschreibt. Die Wärmeleitfähigkeit eines Bodens ist vorrangig von der mineralischen Zusammensetzung und dem Wassergehalt abhängig. Je höher der Quarzanteil eines Substrates, umso größer ist die zu erwartende Wärmeleitfähigkeit. Selbiges gilt für den wassergefüllten Porenraum. Die Wärmeleitfähigkeit nimmt zu, umso mehr der Volumenanteil der schlecht leitenden Bodenluft ab- und der Anteil der besser leitenden Wasserphase zunimmt. Neben dem Quarz- und Wassergehalt wird der Wärmetransport im Boden durch weitere Parameter wie Trockenrohdichte, Porenkontinuität und dem Einfluss von Temperaturgradienten bestimmt. Um Planern, Architekten oder Privatpersonen eine Entscheidungshilfe für die Nutzung und die Dimensionierung von Erdwärmekollektoren zur Hand zu geben und die Wär-

9 1 Einleitung 7 meentzugsleistung solcher Anlagen besser vorhersagen zu können, sind Informationen zur Standortseignung und den thermischen Eigenschaften des vorliegenden Bodenmaterials notwendig. Die hier präsentierten Ergebnisse bieten die Grundlage für eine zukünftige Ausarbeitung. Mit den gewonnen Messdaten lassen sich Aussagen über die Wärmeleitfähigkeit von Böden bei entsprechender Detailschärfe in die Fläche übertragen und als Karte darstellen. Ebenso kann mit den erhobenen Daten maßstabsunabhängig der notwendige Flächenbedarf von Erdwärmekollektoren an einem bestimmten Standort für die dort vorherrschenden thermischen Bodeneigenschaften berechnet werden.

10 2 Zielstellung und Hypothesen 8 2 Zielstellung und Hypothesen Ziel dieser Arbeit ist es, die hydraulischen und thermischen Eigenschaften verschiedener, im Bundesland Brandenburg oberflächig anstehender und großräumig vorkommender Bodenarten miteinander zu vergleichen und deren Eignung als Füllmaterial für die Nutzung von Erdwärmekollektoren zu bewerten. Dafür wird der Einfluss der Partikelgrößenverteilung, Trockenrohdichte und des Wassergehalts auf die Wärmeleitfähigkeit von Bodensubstraten untersucht. Mit dem hier gewählten Forschungsdesign wird dem Einfluss dieser drei Variablen Rechnung getragen. Um die Auswirkung der Störung und anschließenden Konsolidierung des Bodens beim Einbau von Kollektoranlagen auf die thermischen und hydraulischen Bodeneigenschaften abzuschätzen, werden die Untersuchungen sowohl an technisch gepackten und ungestörten Proben durchgeführt. Für die wissenschaftliche Bearbeitung der hier formulierten Zielstellung werden folgende Arbeitshypothesen aufgestellt: (I) Die Störung und Homogenisierung des Bodens führt bei Bodensubstraten zu einer Veränderung der Porengeometrie und Umstrukturierung der Bodenmatrix. Besonders bei bindigen Proben führt das Aufbrechen der Aggregate zu einer höheren Porenkontinuität. Dies wirkt sich positiv auf den konvektiven Wärmetransport aus und die Wärmeleitfähigkeit nimmt bei gestörten und bei der gleichen Trockenrohdichte gepackten Substraten der gleichen Bodenart zu. (II) In der Bodenphysik wird der Wärmetransport in Böden meist in einem 3- Phasensystem als Kopplung von Wärmeleitung und Konvektion beschrieben. Entscheidend dabei ist die Verteilung und Kontinuität von Wasser und Luft im Porenraum. Da Wasser eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft besitzt, steigt bei gleicher Bodenart und Trockenrohdichte mit zunehmendem volumetrischem Wassergehalt die Wärmeleitfähigkeit (III) Mit steigender Trockenrohdichte erhöht sich der mineralische, gut wärmeleitende Bestandteil in einem Bodenvolumen. Dadurch nimmt die Wärmeleitfähigkeit einer Bodenprobe bei gleichem volumetrischem Wassergehalt mit steigender Trockenrohdichte zu. (IV) Da Quarzminerale eine für Bodenbestandteile relativ hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, nimmt mit steigendem Sandanteil/Siliziumgehalt die Wärmeleitfähigkeit der verschiedenen Bodenproben bei gleicher Trockenrohdichte und gleichem Wassergehalt zu..

11 2 Zielstellung und Hypothesen 9 (V) Die mineralische Zusammensetzung von Böden führt zu spezifischen bodenphysikalischen Eigenschaften. Anhand der thermischen und hydraulischen Funktionsverläufe lassen sich die untersuchten Substrate in klar voneinander unterscheidbare, nach Bodenarten gegliederte Gruppen trennen.

12 3 Nutzungsaspekte gespeicherter Bodenwärme durch Erdwärmekollektoren 10 3 Nutzungsaspekte gespeicherter Bodenwärme durch Erdwärmekollektoren Die Nutzung erneuerbarer und so genannter klimaneutraler Energien boomt. Besonders im Eigenheimbau finden Systeme zur Wärmeerzeugung durch Geothermie steigenden Zuspruch. Im Jahr 2010 betrug die staatliche Förderung erneuerbarer Energien zur Wärmeerzeugung 235 Mio. Euro und wurde über das Marktanreizprogramm zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien überwiegend an Privathaushalte gezahlt (BMU ). Für das Jahr 2011 war eine vorrangige Förderung effizienter Wärmepumpen vorgesehen (BMU ). Laut einer Studie des Geothermiezentrum Bochum lag im Jahr 2008 der Absatz für Wärmepumpen in der BRD bei rund Anlagen. Insgesamt wird von installierten Wärmepumpensystemen für dasselbe Jahr ausgegangen (Platt 2010). Der entscheidende Kennwert von Wärmepumpen hinsichtlich ihrer Energieeffizienz ist die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie ist das für ein Betriebsjahr ermittelte Verhältnis von abgegebener Heizleistung zu der zusätzlich aufgewendeten Antriebsarbeit durch elektrischen Strom: bei einer JAZ von 4,0 ist für die Bereitstellung von 4 kwh Nutzwärme 1 kwh elektrische Energie erforderlich. Eicker et al. (2008) zeigen das Boden- und Standorteigenschaften einen entscheidenden Einfluss auf die Energieeffizienz von Wärmepumpen haben. Die Autoren berechneten mit der Simulationssoftware INSEL die Auswirkungen verschiedener Bodensubstrate auf die relative Heizleistung von Erdwärmekollektorsystemen: bei gleichen Randbedingungen lag die Wärmeleistung eines feuchten Sandes um 20% höher als bei einem trockenen Ton. Hinsichtlich der CO 2 -Bilanz und dem Beitrag gekoppelter Erdwärmekollektorsysteme zu einer nachhaltigen Energienutzung geht das Umweltbundesamt in einer Studie von 2008 von einem enormen Potenzial für Wärmepumpen aus (UBA 2008). In der Studie vorgestellte Szenarien zeigen, dass für das Jahr 2050 bis zu ca. 80% weniger Treibhausgasemissionen möglich sind. Dieses unter anderem durch den Gebrauch von Wärmepumpen zur Verfügung stehende Potenzial zur Umweltentlastung kann jedoch nur realisiert werden, wenn auch der für den Betrieb von Wärmepumpen notwendige elektrische Strom aus regenerativen Energien, z.b. durch Photovoltaik, gewonnen würde. Die Nutzung geothermischer Energie kann jedoch auch Risiken für die Umwelt bergen. So können Tiefenbohrungen, die im Rahmen oberflächennaher oder tiefer Geothermie notwendig sind, in bestimmten Regionen eine Gefährdung des Schutzguts Grundwas-

13 3 Nutzungsaspekte gespeicherter Bodenwärme durch Erdwärmekollektoren 11 ser verursachen. Besonders in Norddeutschland besteht die Gefahr, das geologische Schichten, die die Grundwasserleiter nach unten gegen salzhaltiges Wasser absperren, perforiert werden und Salzwasser entlang der Bohrlöcher in die Grundwasserspeicher eindringen könnte. Die Umsetzung einer behördlichen Genehmigungspflicht für geothermische Bohrungen könnte hingegen speziell im Norden der BRD eine risikofreie Nutzung der Grundwasserreservoire sicherstellen. 3.1 Verwendung und Funktionsweise von Erdwärmekollektoren Erdwärmekollektoren sind oberflächennah verlegte Wärmetauschersysteme, die in Kopplung mit einer Wärmepumpe das Potenzial des Bodens nutzen, Energie in Form von Wärme speichern und abgeben zu können. Über ein im Boden verlegtes Schlauchsystem, durch das ein flüssiger Wärmeträger zirkuliert, wird dem Boden dabei Nutzwärme entzogen oder in Form von Abwärme zugeführt. Eine Wärmepumpe überträgt dabei die aus dem Boden gewonnene thermische Energie unter Aufbringung zusätzlicher Antriebsenergie auf das zu beheizende System, z.b. eine Hausheizung. Wird eine solche Anlage zum Kühlen von Gebäuden verwendet, ist die Nutzenergie die aus dem zu kühlenden Raum aufgenommene Wärme, die als Abwärme an den Boden abgegeben wird. Da für den Einbau von Erdwärmekollektoren relativ umfangreiche Erdarbeiten notwendig sind, finden jene Systeme im Regelfall beim Neubau von Häusern Anwendung. Die Einbautiefe vertikaler Kollektorsysteme beläuft sich auf 1 2 m unter Geländeoberfläche, mindestens jedoch 20cm unter der örtlichen Frostgrenze. Der Flächenbedarf ist zwar konstruktionsbedingt unterschiedlich und variiert mit den hydraulischen und thermischen Boden- und Standorteigenschaften, wird aber meist mit dem Doppelten der zu beheizenden Fläche veranschlagt. 3.2 Einfluss von Boden- und Standorteigenschaften auf die Nutzung von Erdwärmekollektoren Für die Nutzung und den Einbau von Kollektorsystemen gibt es von den einzelnen Bundesländern herausgegebene Leitfäden und Orientierungshilfen. Jene richten sich vorrangig an potentielle Nutzer, Bauingenieure und Planer. Zwar gehen jene oft auf die spezifische Rechtsgrundlage des jeweiligen Bundeslandes ein, die Angaben zu den thermischen Eigenschaften von Böden, welche zur Berechnung der Dimensionierung und des Flächenverbrauchs der Erdwärmekollektoren herangezogen werden, beziehen sich jedoch meist einheitlich auf die Angaben aus der Richtlinie VDI Der Einfluss spezifischer Standorteigenschaften oder regional unterschiedlicher Klimabedingungen

14 3 Nutzungsaspekte gespeicherter Bodenwärme durch Erdwärmekollektoren 12 auf die Wärmeentzugsleistung wird dabei selten beachtet. Folgend werden die in dem Geothermieleitfaden des Land Brandenburg (ETI 2009), der VDI Richtlinie zur Thermischen Nutzung des Untergrundes (VDI 4640) und dem Informationsblatt Wärmepumpen des Bundesindustrieverbands Deutschland aufgeführten Angaben zum Einfluss des Bodens und Standortes auf die Nutzung von Erdwärmekollektoren zusammengefasst. Bodeneigenschaften Die in der BRD für die Nutzung und Errichtung von Erdwärmekollektoranlagen heranzuziehende Richtlinie VDI 4640 beinhaltet Richtwerte für die Dimensionierung und Berechnung ebensolcher Anlagen und der dabei verwendeten Substrate (VDI 4640). Die Unterscheidung verschiedener Lockergesteine nach ihren thermischen Eigenschaften und in Abhängigkeit vom Feuchtegrad kann Tabelle 3-1 entnommen werden. Die von der VDI dabei vorgenommene grobe Abstufung zwischen 5 Bodensubstraten und zwei, nicht näher definierten Wassergehalten, erklärt sich aus der praxisorientierten Ausrichtung dieser Richtlinie und deren Anwendbarkeit für Bauingenieure und Planer. Auch wenn die Bodenfeuchte an einem Standort im Jahresverlauf meist nur zwischen Feldkapazität und Permanenten Welkepunkt schwankt, zeigt sich, dass bereits geringe Wassergehaltsänderungen die thermischen Eigenschaften maßgeblich beeinflussen. Das für eine Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit des Bodens eine detaillierte Auflösung bzgl. der Partikelgrößenverteilung sinnvoll ist und die Trockenrohdichte beim Einbau bei der Berechnung von Kollektoranlagen berücksichtigt werden sollte, wird im Rahmen dieser Arbeit aufgezeigt. Tabelle 3-1: Thermische Eigenschaften von Bodensubstraten (verändert nach VDI 4640) Lockergesteine Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit [W/m*K] Vol. Wärmekapazität [W/m*K] typischer Rechenwert [MJ/m³*K] Kies, trocken 0,4 0,5 0,4 1,4 1,6 Kies, wassergesättigt ca. 1,8 1,8 ca. 2,4 Moräne 1,0 2,5 2,0 1,5 2,5 Sand, trocken 0,3 0,8 0,4 1,3 1,6 Sand, wassergesättigt 1,7 5,0 2,4 2,2 2,9 Ton/Schluff, trocken 0,4 1,0 0,5 1,5 1,6 Ton/Schluff, wassergesättigt 0,9 2,3 1,7 1,6 3,4 Torf 0,2 0,7 0,4 0,5 3,8

15 3 Nutzungsaspekte gespeicherter Bodenwärme durch Erdwärmekollektoren 13 Standortbedingungen Neben dem Einfluss der Bodenart und des verwendeten Kollektorsystems auf die Wärmeentzugsleistung wird jene maßgeblich durch die jeweiligen Standortbedingungen beeinflusst. So wird in dem Geothermieleitfaden des Land Brandenburg (ETI 2009) von einer Überbauung der Erdwärmekollektoren abgeraten, da so die Regeneration der Bodentemperatur durch Sonneneinstrahlung und Niederschlagswasser gehemmt wäre. Ebenso sollten tiefwurzelnde Pflanzen als Vegetationsdecke vermieden werden, um eine Beschädigung der Kollektorleitungen zu vermeiden. Um ein Austrocknen des Bodens in der Kollektorumgebung zu vermeiden, sollte die Verdunstungsleistung der Pflanzendecke den Standorteigenschaften und dem Bodenwasserhaushalt angepasst werden. Die zusätzliche Abkühlung des Bodens im Winter durch den Wärmeentzug der Kollektorsysteme kann das Pflanzenwachstum im Frühjahr um einige Wochen verzögern (BDH 2010). So kann die starke Temperaturabsenkung zu einer Eisbildung um die Kollektorrohre führen. Sollten sich die Eisradien verbinden und einen horizontalen Eispanzer im Boden bilden, kann jener den vertikalen hydraulischen Wasserfluss verhindern. Dies kann im Frühjahr dazu führen, dass Niederschlags- und Schmelzwasser nicht versickern und sich Staunässe bilden kann. Durch die Bildung solch künstlicher Eispanzer im Boden kann es zu Frosthebungen und anschließenden Sackungen beim Tauen des Eises kommen (ebd.).

16 4 Grundlagen zum Wärmetransport im Boden 14 4 Grundlagen zum Wärmetransport im Boden Der Wärmehaushalt eines Bodens variiert je nach Standortbedingungen stark. Die Sonneneinstrahlung ist dabei der entscheidende Faktor für die Energiezufuhr an einem Standort. Nur 15% der Sonnenstrahlung durchdringen in der gemäßigten Klimazone Mitteleuropas die Atmosphäre und erreichen als Globalstrahlung die Erdoberfläche. Die täglich eingestrahlte Energiemenge an einem Standort schwankt zwischen W/m². Davon erreichen je nach Vegetationsbedeckung nur 2 5 % die Bodenoberfläche (Gisi 1990). Der Bodenwärmestrom ist tagsüber meist nach unten gerichtet und führt zu einer Erwärmung des Bodenkörpers. Nachts dreht sich der Wärmefluss normaler Weise um und führt durch langwellige Ausstrahlung zu einem Abkühlen der obersten Bodenschichten. In den Sommermonaten führt dies auf Grund der hohen Einstrahlleistung in der Bilanz zu einer Erwärmung, in den Wintermonaten durch die starke Ausstrahlung zu einem Abkühlung des Bodenkörpers. Neben dem Einfluss der jahreszeitlichen Schwankung der Lufttemperatur spielen der Verlauf der täglichen Ein- und Ausstrahlung, die Dynamik des Bodenwasserhaushalts und die Verdunstungsleistung der Pflanzendecke eine entscheidende Rolle bei der Veränderung der Bodentemperatur. Auch wenn die mittleren Temperaturschwankungen im Jahresverlauf mit zunehmender Bodentiefe abnehmen und in den obersten 30cm bis zu 20 Kelvin betragen können, wurden auf einer Dauerbeobachtungsfläche in Potsdam für den Zeitraum mittlere jährliche Temperaturschwankungen von 0,7 Kelvin bis in eine Tiefe von 12m nachgewiesen werden (nach Leyst, in Geiger 1961). In tieferen Bodenschichten ist davon auszugehen, dass die Temperaturänderung durch die geothermische Tiefenstufe bestimmt wird. Auch wenn der Wärmetransport in Böden stark wassergehaltsabhängig ist und die Wärmeleitfähigkeit mit steigendem Wassergehalt zunimmt, hängt die Erwärmung eines Boden im Jahresverlauf vorrangig von der Wärmekapazität des gesamten Bodenkörpers ab. Da Wasser im Vergleich zu den anderen Bodenkompartimenten eine höhere Wärmekapazität besitzt (siehe Tabelle 4-1), ist die notwendige Energiemenge zur Erwärmung von Böden feuchter Standorte größer als die für Böden trockener Standorte. Neben dem Einfluss der Bodenfarbe auf die Bodenerwärmung ist bei grundwassernahen Standorten die Bodentemperatur zusätzlich von der Temperatur des Grundwasserleiters abhängig. In den Kapiteln 4.1 und 4.2 werden die gebräuchlichsten bodenphysikalischen Ansätze zur Beschreibung und Berechnung der thermischen Bodeneigenschaften und des gekoppelten Wasser- und Wärmestroms dargestellt.

17 4 Grundlagen zum Wärmetransport im Boden Thermische Bodeneigenschaften Als thermische Bodeneigenschaften werden in diesem Abschnitt die Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit behandelt. Eine Übersicht dieser thermischen Eigenschaften typischer Bodenbestandteile gibt Tabelle 4-1. Tabelle 4-1: Thermische Eigenschaften verschiedener Bodenbestandteile (nach Scheffer/Schachtschabel 2010) Wärmeleitfähigkeit λ [W/m*K] volumetrische Wärmekapazität c vol [MJ/m³*K] Quarzminerale 8,8 2,1 Tonminerale 2,9 2,1 Humus 0,25 2,5 Wasser (20 C) 0,57 4,2 Eis (-20 C) 2,2 1,9 trockene Luft 0,025 0,0013 Wärmekapazität Die Wärmekapazität entspricht der Energiemenge, die einem Material für eine Temperaturerhöhung zugeführt werden muss. Die volumetrische Wärmekapazität (c vol ) ist das Produkt aus spezifischer Wärmekapazität (c) und spezifischer Dichte (ρ). Die Wärmekapazität eines Bodenkörpers ist somit die Summe der spezifischen Wärmekapazitäten der einzelnen Bodenbestandteile multipliziert mit deren Volumenanteilen (de Vries 1963): c Boden = c PhaseVolumenanteilPhasen (4.3.) Phasen Da Wasser im Vergleich zu den restlichen Bodenbestandteilen eine hohe volumetrische Wärmekapazität besitzt, wirken sich Unterschiede im Wassergehalt des Bodens stark auf dessen Wärmekapazität aus. Wärmeleitfähigkeit Im Gegensatz zur Wärmekapazität ist die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit eines Bodens komplizierter und steht nicht in linearer Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Komponenten. Dies liegt vor allem daran, dass der Energietransport im Boden stark von der Porengeometrie beeinflusst wird und das Porensystem meist unregelmäßig und diskontinuierlich vorliegt.

18 4 Grundlagen zum Wärmetransport im Boden 16 Nach der Theorie von Fourier ist der auf eine Fläche bezogene Wärmestrom (q H ) proportional zu dem Temperaturgradienten mit dem Proportionalitätsfaktor λ: qh δ T = λ (4.4.) δ z mit: q H: Wärmestromdichte [W/m²]; λ: Wärmeleitfähigkeit [W/m*K]; T: Temperatur [K]; z: Dicke des durchströmten Körpers [m] Da in einem feuchten Boden Wasser stets im flüssigen und dampfförmigen Aggregatzustand vorkommt und dadurch die Transportprozesse Wärmeleitung und Konvektion analytisch nicht voneinander getrennt werden können, handelt es sich bei Messungen der Wärmeleitfähigkeit um die Ermittlung des effektiven Wärmeflusses pro Zeiteinheit. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird der Einfachheit halber der Begriff Wärmeleitfähigkeit verwendet und dabei impliziert, dass es sich um einen gekoppelten Transportprozess von Wasser und Wärme handelt. De Vries (1963) beschreibt die Wärmeleitfähigkeit eines porösen Mediums als seriellparalleles System von Teilchen einer bestimmten Geometrie in einer kontinuierlichen Phase. Dabei sind zwei Wassergehaltsbereiche, die durch den Punkt θ k markiert werden, zu unterscheiden. Oberhalb des Punktes θ k bildet Wasser die kontinuierliche Phase und die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit ist gering im Vergleich zur Wassergehaltszunahme. Unterhalb von θ k stellt Luft hingegen die kontinuierliche Bodenphase dar und geringe Wassergehaltsänderung können einen großen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit haben. Die Wärmeleitfähigkeit ist dabei die gemittelte, mit dem Volumenanteil der einzelnen Phasen und einem Wichtungsfaktor k multiplizierte Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Phasen. Für den Bereich oberhalb des kritischen Wassergehalts (θ k ), in dem Wasser die kontinuierliche Phase bildet, beschreibt De Vries den Wärmefluss wie folgt: n kixiλi λ wenn θ θ k (4.5.) i= 1 = n i= 1 kixi mit: k i: Wichtungsfaktor k der Phasen [-]; θ k: kritischer Wassergehalt [m³/m³]; xi: Volumenanteil der Phasen[-] Für den Bereich unterhalb von θ k, mit Luft als kontinuierlicher Phase, verläuft die Funktion linear zwischen λ dry und λ θk : λ λ λ θ θ ( θ k dry) = λdry + wenn θ < θ k (4.6.) k mit: λ dry: Wärmeleitfähigkeit des trockenen Bodens [W/m*K]

19 4 Grundlagen zum Wärmetransport im Boden 17 Das Modell von Johansen (1975) beschreibt den Funktionsverlauf der Bodenwärmeleitfähigkeit (λ(θ)) normiert auf die Wärmeleitfähigkeit im gesättigten und trockenen Zustand: λ(θ) = (λ sat λ dry ) * K e (θ) + λ dry (4.7.) mit: λ sat: Wärmeleitfähigkeit des gesättigten Boden [W/m*K]; λ dry: Wärmeleitfähigkeit des trockenen Boden [W/m*K]; K e: Kersten-Faktor [-] Der Kersten-Faktor (K e ) steuert dabei die Änderung der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Wassersättigung (S r ) für zwei unterschiedliche Texturklassen: S r = θ/ θ sat K e 0,7 log S r + 1,0 (S r > 0,05) - für sandige Böden (4.8.) K e log S r + 1,0 (S r > 0,1) - für feintexturierte Böden mit: S r = Wassersättigung [-] Zur Berechnung von λ sat und λ dry werden die TRD (ρ B ), die Kornrohdichte (ρ m )und die Wärmeleitfähigkeit der Bodenmatrix (λ m ) und von Wasser (λ w ) herangezogen: λ λ dry 0,135 ρb + 0,0647 = (4.9.) ρm 0,947ρB n sat = λ 1 m λ m = λ λ q q λ n w 1 q o mit: ρ B: Trockenrohdichte des Bodens[g/cm³]; ρ m: Kornrohdichte [g/cm³]; λ m: Wärmeleitfähigkeit der Bodenmatrix [W/m*K]; λ w: Wärmeleitfähigkeit von Wasser [W/m*K]; n: Porösität des Bodens [-]; λ q: Wärmeleitfähigkeit von Quarz [W/m*K]; λ o: Wärmeleitfähigkeit anderer Mineralien [W/m*K]; q: Quarzanteil des mineralischen Bodens Die Wärmeleitfähigkeit von Quarz wird mit 7,7 W/m*K, die von Wasser mit 0,594 W/m*K (bei 20 C) angesetzt. In Abhängigkeit vom Quarzanteil (q) des mineralischen Bodens gibt Johansen die Wärmeleitfähigkeit der anderen Mineralien wie folgt an: λ o = 2,0 W/m*K (für q > 0,2) λ o = 3,0 W/m*K (für q 0,2)

20 4 Grundlagen zum Wärmetransport im Boden 18 Lu et al. (2007) erweiterten das Verfahren von Johansen zur Berechnung der Bodenwärmeleitfähigkeit auf den Bereich des trockenen Bodens. Der Kersten-Faktor wird dabei wie folgt bestimmt: α 1,33 { α[ 1 Sr ]} K e = exp (4.10) mit: α: Geometriefaktor [-]; 1.33: Formparameter β [-] Der als texturabhängiger Fittingparameterparameter verwendete Geometriefaktor α wird von Lu et al. für die von Ihnen untersuchten Böden mit 0.96 für feintexturierte und für grobtexturierte Substrate mit 0.27 angegeben. Der Formparameter 1.33 bestimmt den Kurvenverlauf und die Flexibilität der Wärmeleitfähigkeitsfunktion und wird folgend mit dem Buchstaben β definiert. Die Wärmeleitfähigkeit im trockenen Zustand beschreiben die Autoren mit einer einfachen linearen Funktion: λ dry = an + b (4.11) bei der a und b empirische Parameter darstellen und respektive mit 0,56 und 0,51 (für 0,2 < n < 0,6) angegeben sind. Zur Berechnung von λ sat folgen Lu et al. dem Ansatz von Johansen. Usowicz (2004) vergleicht 6 verschiedene Modelle zur Berechnung der Wärmeleitfähigkeit von Böden. Er kommt zu dem Schluss, dass bei moderaten Temperaturgradienten und einem geringen Einfluss des Wasserdampftransports alle getesteten Modelle gute Vorhersagen liefern. Bei hohen Temperaturgradienten und hohen Dampftransportraten erweisen sich die Modelle von De Vries (1963) und das statistischphysikalische Modell von Usowicz (1993) am geeignetsten zur Berechnung der Wärmeleitfähigkeit. 4.2 Gekoppelter Wasser- und Wärmetransport im Boden Der Wärmetransport in dem 3-Phasensystem Boden - Wasser - Luft hängt grundsätzlich von den thermischen Eigenschaften der Einzelkomponenten ab. Ihr Anteil und ihre Kontinuität bestimmen die Wärmeleitfähigkeit eines definierten Bodenvolumens. Dabei sind Wasser- und Wärmetransport zwei sich gegenseitig beeinflussende Prozesse im Boden. So bewirkt ein Temperaturgradient im Boden, wie er zum Beispiel bei dem Gebrauch von Erdwärmekollektoren entsteht, einen Wasserfluss in Richtung des niedrigen Potenzials. Ebenso kommt es unter anisothermen Bedingungen durch Dampfdiffusion zu einem gekoppelten Wärme- und Wassertransport. Zur Beschreibung dieser Transportprozesse wird in der Bodenphysik meist ein mechanistischer Ansatz gewählt, bei dem die einzelnen Wasser- und Wärmeflüsse addiert und über die Massen- und Energieerhaltung in ein gekoppeltes Gleichungssystem gebracht werden (Philip 1957, Saito et al. 2006).

21 4 Grundlagen zum Wärmetransport im Boden 19 Der Wasserhaushalt wird dabei wie folgt beschrieben: δθ δ qw δ qd = (4.1.) δ t δ z δ z Für den Wärmehaushalt gilt analog: δ U δ t δ q = δ z H + Q (4.2.) mit: θ: Wassergehalt [m³/m³]; t: Zeit [s]; q w: Wasserflussdichte [m/s]; q d: Dampfflussdichte [m/s]; z: Länge [m]; U: Wärmemenge [J/m³]; q H: Wärmeflussdichte [J/m³s]; Q: Wärmeproduktion [J/m³s] Im Boden erfolgt die Übertragung von Wärme hauptsächlich durch Wärmeleitung und Konvektion. Wärmestrahlung spielt nur an der Bodenoberfläche in Form von atmosphärischer Ausstrahlung eine Rolle. Die Wärmeleitung ist proportional zum Temperaturgradienten und wird bestimmt durch die Wärmeleitfähigkeit des Bodens. Der konvektive Transport erfolgt über die flüssige und gasförmige Wasserphase. Mit abnehmender Temperatur wird der Anteil des Energietransports über die Dampfphase geringer. Abbildung 1: Zunahme der übertragenen Wärmeleistung durch Wassermenisken Besonders bei sandigen Böden und geringen Wassergehalten hat die Kontinuität der Wasserphase einen entscheidenden Einfluss auf den Verlauf der Wärmeleitfähigkeit. Zum einen nimmt bei hohen Wasserspannungen die Wasserdampfsättigung in den luftgefüllten Poren ab und der Anteil des Dampftransports wird geringer. Zum anderen wird das Wasser an den Kornkontaktpunkten besonders stark gebunden und die dort entstehenden Wassermenisken wirken als Brücken für die Wärmeleitung (siehe Abbildung 1). Die Verringerung des Meniskendurchmessers bei geringen Wassergehalten bzw. der Verlust dieses Kontaktwassers führt dazu, dass die Wärmeleitfähigkeit unterhalb eines kritischen Wassergehalts erheblich abnimmt.

22 5 Material und Methoden 20 5 Material und Methoden In diesem Kapitel werden die untersuchten Bodenmaterialien beschrieben und die zur Erfassung der thermischen und hydraulischen Eigenschaften der Substrate verwendete Messtechnik dargestellt. Im Rahmen der Diplomarbeit wurden 8 verschiedene Bodensubstrate auf bodenphysikalischen Eigenschaften untersucht. Die Proben werden im Folgenden als Substrat 1 bis 8 bezeichnet bzw. durch ihre spezifische Bodenart gekennzeichnet. Ergänzend zu diesem Probenspektrum werden 5 weitere, als Substrat 9 bis 13 bzw. mit der jeweiligen Bodenart bezeichnete Substrate hinsichtlich ihrer hydraulischen und thermischen Eigenschaften beschrieben. Für diese Substrate liegen bereits Messungen zur Wärmeleitfähigkeit und Retentionsfunktion unter definierten Bedingungen vor. Die Messdaten wurden freundlichst von Dr. Steffen Trinks und Moritz Werkenthin zur Verfügung gestellt. 5.1 Bodensubstrate und Probendesign Bei der Auswahl der Bodenproben wurde darauf geachtet, möglichst die im Land Brandenburg oberflächig anstehenden und einen großen Flächenanteil aufweisenden Bodenarten zu repräsentieren. Um auch Aussagen über den Einfluss nicht-sandiger Materialien auf die Wärmeleitfähigkeit treffen zu können, wurde das Bodenartenspektrum um Lösse ergänzt. Neben den rein mineralischen Böden werden hier ebenso die hydraulischen und thermischen Eigenschaften für zwei organische Böden beschrieben. Auch wenn Moore nur einen geringen Flächenanteil im Land Brandenburg einnehmen und eine Nutzung von Erdwärmekollektoren auf jenen Standorten aus naturschutz- und grundwasserschutzrechtlichen Aspekten meist ausgeschlossen ist, veranschaulichen diese beiden Substrate gut die Bandbreite der Wärmeleitfähigkeiten natürlich vorkommender Böden. Die Messungen und hier präsentierten Daten der beiden Torfe wurden an ungestörten, aus der Profilwand entnommenen Stechzylindern durchgeführt. Der in Tabelle 5-1 angegebene Zersetzungsgrad der Torfe wurde nach VON POST (KA5 2005) bestimmt. In Tabelle 5-1 sind die verwendeten Materialien mit Angaben zu dem geologischen Bodenausgangsgestein oder der anthropogenen Herkunft, den Gewichtsanteilen der Feinbodenfraktionen und der entsprechenden Bodenart sowie der mittels RFA bestimmte SiO 2 -Gehalt aufgelistet. Im Anhang sind die detaillierten Texturanalysen der Substrate mit ihren jeweiligen Gewichtsanteilen für die Partikelgrößenklassen gs, ms, fs, gu, mu, fu und T angefügt (siehe Anhang 1).

23 5 Material und Methoden 21 Die Carbonatgehalte der verwendeten Bodenproben sind bis auf Substrat 3 gering, nur der aus einem Cv-Horizont stammende Sl3 hat einen Carbonatgehalt von 0.4 Masse%. Der Ut4 stammt aus dem Ap-Horizont einer Schwarzerde und hat einen C org -Gehalt von 1.7 Masse%. Der C org -Gehalt des stark zersetzten Torfes (Substrat 12) liegt bei 23,8 Masse%, der des schwach zersetzten Torfes (Substrat 13) bei 50,9 Masse%. Die beiden Lösse stammen aus einer ackerbaulich genutzten Schwarzerde aus der Nähe von Magdeburg. Das als Deponieabdichtung verwendete Substrat 10 stammt aus einem Unterbodenhorizont aus der Umgebung von Karlsruhe. Die restlichen 10 Substrate sind brandenburgischer Herkunft. Für alle Substrate wurden die Stechzylinder- und Beutelproben direkt aus der Profilwand entnommen. Tabelle 5-1: Substratbezeichnung, Ausgangsgestein, Partikelgrößenverteilung, Bodenart/Zersetzungsgrad und SiO 2-Gehalt der verschiedenen Substrate Substrat Ausgangsgestein / Ton Schluff Sand Bodenart/Zersetzungsgrad SiO 2-Gehalt Herkunft (Masse%) (nach KA5) (Masse %) 1 Geschiebedecksand 3,2 11,3 85,5 Su2 93,4 2 Geschiebedecksand 4,1 25,5 70,4 Su3 92,8 3 Geschiebemergel 9,5 12,8 77,7 Sl3 87,8 4 Geschiebemergel 11,4 20,8 67,8 Sl3 (2) 87,0 5 Geschiebemergel 13,5 12,4 74,1 Sl4 88,1 6 Geschiebemergel 22,7 23,5 53,8 Ls4 84,5 7 Löss 11,3 82,8 5,9 Ut2 79,7 8 Löss 19,9 76,5 3,6 Ut4 76,7 9 Schmelzwassersand 1,5 1,8 96,7 ms n.b. 10 Löss 26,2 64,9 8,9 Lu n.b. 11 Löss 12,9 82,6 4,5 Ut3 n.b. 12 Niedermoortorf H8 H9 n.b. 13 Niedermoortorf H4 n.b. Neben der Bestimmung der hydraulischen und thermischen Eigenschaften ungestörter, mit Stechzylindern aus der Profilwand entnommener Bodenproben wurden für alle Substrate die Messungen an gepackten Stechzylinderproben durchgeführt. Dazu wurden die aus denselben Horizonten wie die Stechzylinder entnommenen Beutelproben auf 10 mm gesiebt, homogenisiert und mit den Trockenrohdichten 1,5 g/cm³, 1,7 g/cm³

24 5 Material und Methoden 22 und 1,9 g/cm³ in Stechzylinder eingebaut. Die Bestimmung der pf-/wg-funktion erfolgte mit 100cm³ fassenden, die Messung der Wärmeleitfähigkeit mit 425cm³ fassenden Stechzylindern. Die Messung der Wasserretention der ungestörten Bodensubstrate erfolgte an mindestens 5 Parallelproben. Da bei den gesiebten, homogenisierten und künstlich befüllten Stechzylinderproben von einer nahezu gleichen Porengeometrie ausgegangen werden kann und dadurch mit einer sehr geringen Streuung der Messwerte zu rechnen ist, sind für die Bestimmung der Wasserretention der Substrate 1 6 nur 2 Parallelmessungen pro TRD durchgeführt worden. Für die Substrate 9 und 10 wurden für die Bestimmung pf-/wg-funktion Trockenrohdichten von 1,6 g/cm³, für Substrat 11 eine TRD von 1,5 g/cm³ eingestellt. Da für diese 3 Substrate keine separate Bestimmung der Kornrohdichte erfolgte, wurde die spezifische Dichte von Quarz (2,65 g/cm³) bei der Berechnung des Gesamtporenvolumens verwendet. Die Wasserretention der Substrate 7 und 8 sowie 12 und 13 wurde nur an ungestörten Proben bestimmt. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit an ungestörten Proben erfolgte für die Substrate 1 8 an jeweils 2 Proben, für die Substrate 12 und 13 an einer Probe. Wärmeleitfähigkeitsmessungen an ungestörten Stechzylinderproben wurden für die Substrate 9 11 nicht durchgeführt. Wie bei der Bestimmung der Wasserretention kann davon ausgegangen werden, dass das Homogenisieren und Packen der Stechzylinder zu einer homogenen Porengeometrie und so zu einem annähernd identischen Wärmetransport bei gleichen Trockenrohdichten führt. Deshalb wurde aus Zeitgründen auf eine Parallelbestimmung der Wärmeleitfähigkeit für die technisch gepackten Proben verzichtet. Bei den Darstellungen zu den hydraulischen und thermischen Eigenschaften der Bodensubstrate im Kapitel 6 sind die jeweiligen Trockenrohdichten der untersuchten Stechzylinder mit angegeben.

25 5 Material und Methoden 23 Probendesign Um einen kurzen Überblick über die Anzahl der einzelnen Wiederholungen bei den verschiedenen Messungen zu geben, sind in Tabelle 2 die für die Bestimmung der Wasserretention und Wärmeleitfähigkeit durchgeführten Parallelmessungen aufgelistet. Tabelle 2: Anzahl der Wiederholungen für die Messungen der Wasserretention und Wärmeleitfähigkeit der verschiedenen Bodensubstrate Wasserretention Wärmeleitfähigkeit gestört gestört TRD in g/cm³ TRD in g/cm³ Bodenart ungestört ~1,5 ~1,7 ~1,9 ungestört ~1,5 ~1,7 ~1,9 Su Su Sl Sl3 (2) Sl Ls Ut Ut ms Lu Ut H8 H H

26 5 Material und Methoden Bodenphysikalische Untersuchungen Die angewendeten Methoden zur Beschreibung der hydraulischen Eigenschaften, Partikelgrößenzusammensetzung und des Siliziumoxidgehaltes der Bodenproben wurden entsprechend den aktuellen Normen und Maßstäben durchgeführt. Aus diesem Grund erfolgt nur ein kurzer Überblick dieser bodenphysikalischen Messungen. Da es für die Messung der thermischen Leitfähigkeit noch keine durch eine Norm standardisierte Methodik gibt, wird in den Kapiteln und genauer auf deren Messung und den hier verwendeten Versuchsaufbau eingegangen Messung der Partikelgrößenverteilung, Retentionsfunktion, Kornrohdichte und des Siliziumgehalts Die Partikelgrößenverteilung des mineralischen Bodenbestandteils wurde gemäß DIN / ISO durchgeführt. Der Anteil der Grob-, Mittel- und Feinsandfraktionen (>0,63mm/ >0,2mm/ >0,063mm) des Feinbodens wurde durch Sieben, jener der Grob-, Mittel- und Feinschlufffraktionen (>20µm/ >6,3µm/ >2µm) und Tonfraktion (<2µm) durch die Pipett-Methode ermittelt. Die Wasserretention der Bodenproben wurde an Stechzylindern (100cm³) mittels der Unter- und Überdruckmethode unter der Verwendung keramischer Platten bestimmt (DIN / ISO 11274). Für die Matrixpotenziale bei den pf-stufen 1,5/1,8/2,0 erfolgte dies über das Anlegen einer hängenden Wassersäule, für die pf-stufen 2,5/3,0/4,2 mit Ü- berdrucktöpfen der Fa. Soilmoisture Equipment Corp. Der gravimetrische Wassergehalt beim PWP (pf 4,2) wurde an geschütteten Bodenproben gemessen. Der pf-wert ist als Logarithmus des Betrags des Matrixpotenzials (ψ m ) definiert: pf = log Iψ m I und wird folgend in [log cm WS] angegeben. Die Kornrohdichte wurde entsprechend der DIN mit dem Multipycnometer der Fa. Quantachrome Instruments bestimmt. Das berechnete Gesamtporenvolumen ergibt sich wie folgt: GPV = (1 TRD/Kornrohdichte)*100. Der organische Kohlenstoffgehalt wurde an gemahlenen und ofentrockenen Bodenproben nach der DIN / ISO bestimmt. Die Analyse erfolgte an dem Gaschromatographen Vario EL III der Fa. Elementar. Die Bestimmung des Siliziumoxidgehalts (SiO 2 ) für die Substrate 1 bis 8 erfolgte mittels Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA). Dafür wurden 0,6g einer <50µm gemahlenen und lufttrockenen Bodenprobe mit 3,6g Dilithiumtetraborat eingewogen und in einem Probenschüttler homogenisiert. Anschließend wurde das Probengemisch in einen Platintiegel überführt und in einem Induktionsofen der Fa. Rotomelt bei 1000 C für 360 Sekunden geschmolzen. Die Schmelze wurde in flüssigem Zustand in eine Platinkokille mit einem Durchmesser von 26mm gegossen und schnell zu einer glasigen Matrix ab-

27 5 Material und Methoden 25 gekühlt. Nach dem Abkühlen der Schmelztablette erfolgte die Messung automatisiert mit dem Gerät WD-RFA PW 2400 der Fa. Philips. Bei der RFA wurde das geräteinterne Messprogramm Magena für Silikate verwendet. Die Eichung der Analysedaten erfolgte an internen Bodenstandards. Der durch das Glühen bei 1000 C verursachte Gewichtsverlust der Bodenprobe wurde bei der Berechnung der Masseanteile der einzelnen Elemente berücksichtigt Messung der thermischen Leitfähigkeit Die thermische Leitfähigkeit, das Vermögen von Materialien, thermische Energie in Form von Wärme zu transportieren, wird meist indirekt über die Messung der Temperaturleitfähigkeit erfasst. Die Temperaturleitfähigkeit ist dabei der Ausdruck für die Geschwindigkeit mit der sich eine Temperaturänderung in einem Stoff ausbreitet. Diese kann in der Praxis durch stationäre und instationäre Messmethoden bestimmt werden. Bei der stationären Guarded-Hot-Plate-Method wird der Wärmestrom zwischen einem flächenförmigen Heizelement und einem Temperatursensor direkt gemessen. In dieser Arbeit wird auf die instationäre Thermal-Needle-Probe-Method zurückgegriffen. Der Wärmeimpuls wird dabei über eine linienförmige Quelle in den Boden übertragen und dessen zeitliche Änderung über Temperatursensoren, die ebenfalls in der Wärmequelle untergebracht sind, erfasst (SSSA 2002). Die thermischen Leitfähigkeiten der in der vorliegenden Arbeit untersuchten Bodenproben wurden mit dem Heat Transfer Analyzer ISOMET 2104 der Fa. Applied Precision Ltd. gemessen. Das Gerät verfügt über einen Nadelsensor, der in die Bodenprobe penetriert wird. Dazu wird ein Loch in die Probe gebohrt und zum besseren Kontakt zwischen Boden und Sensornadel mit Silikongel gefüllt. Der Messbereich des Sensors ist 50 mm lang und erfasst laut Hersteller eine Materialstärke von mm um den Nadelsensor herum. In dem Nadelsensor sind sowohl Temperaturfühler wie auch ein Heizelement untergebracht. Die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit beruht bei dem ISOMET 2104 auf der periodischen Analyse der Temperaturänderung des zu untersuchenden Mediums nach einem induzierten Wärmeimpuls. Als Kennwerte werden die thermische Leitfähigkeit λ (W/m*K), die Temperaturleitfähigkeit a (m²/s) und die volumenbezogene Wärmekapazität s (J/m³*K) ausgegeben. Der Aufbau und die Messmethodik des ISOMET 2104 entspricht den Vorgaben der IEEE zur Messung des thermischen Bodenwiderstands (IEEE 1981) und den Anforderungen der ASTM International zur Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit von Böden und Lockergesteinen (ASTM 2008).

28 5 Material und Methoden Versuchsaufbau thermische Leitfähigkeit Die Messung der Wärmeleitfähigkeit erfolgte in Stechzylindern mit einer Höhe von 5cm einem Durchmesser von 10,4cm (425cm³) sowie einer Wandstärke von 3mm. Um die Beeinflussung der thermischen Messungen durch Metallstechzylinder zu vermeiden, wurden die Stechzylinder aus handelsüblichen PVC-Rohren (Kanalgrundrohre) angefertigt. Die Wärmeleitfähigkeit natürlich gewachsener Böden wurde an zwei im Gelände störungsfrei entnommenen Stechzylinderproben bestimmt. Für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit technisch gepackter Proben wurden Beutelproben homogenisiert und im Labor entsprechend der gewünschten Trockenrohdichte gepackt. Eine Parallelmessung erfolgte bei den gestörten und homogenisierten Proben nicht. Vor Messung der thermischen Leitfähigkeit wurden die Proben auf eine Lochplatte gestellt und in einer Wanne komplett mit vollentsalztem Wasser aufgesättigt. Um den Nadelsensor in die Stechzylinderprobe einzuführen, wurde mittig in die seitliche Wandung ein Loch gebohrt. Zur instationären Messung der Wärmeleitfähigkeit bei sich ändernden Wassergehalten ist ein Messaufbau gewählt worden, bei dem fortlaufenden das Bodenwasser an der Stechzylinderoberseite verdunstet (Trinks 2010). Mit dieser Methode kann die Wärmeleitfähigkeit einer Bodenprobe vom gesättigten bis zum lufttrockenen Zustand kontinuierlich gemessen werden. Um die Wassergehaltsänderung durch Verdunstung während des Experiments zu erfassen, wurde der Stechzylinder mit dem eingebauten Nadelsensor auf eine elektronische Waage gestellt. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit erfolgte, wenn nicht anders angegeben, bei einer Raumtemperatur von 20 C mit einem Schwankungsbereich von +/- 2 C. Für die beiden Substrate Su3 und Sl3 (2) wurde der Einfluss der Temperatur auf die Wärmeleitfähigkeit bestimmt, indem die gesamte Messtechnik in einer abgeschlossenen und konstant temperierten Kühlkammer untergebracht wurde und die Messungen bei einer Umgebungstemperatur von 4 C erfolgten. Um die nur langsame Evaporation bei solch niederen Temperaturen zu erhöhen, wurde die Verdunstung zusätzlich über Silicagel Trockenperlen beschleunigt.