Erstellung von Planungsgrundlagen für die Nutzung von Erdwärmekollektoren. GeoBerichte 5. Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie

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1 GeoBerichte 5 LANDESAMT FÜR BERGBAU, ENERGIE UND GEOLOGIE Erstellung von Planungsgrundlagen für die Nutzung von Erdwärmekollektoren Niedersachsen

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3 GeoBerichte 5 Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie Erstellung von Planungsgrundlagen für die Nutzung von Erdwärmekollektoren ULRICH DEHNER, UDO MÜLLER & JÜRGEN SCHNEIDER Hannover 2007

4 Impressum Herausgeber: Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie Stilleweg Hannover Tel. (0511) Fax (0511) Download unter Version: Redaktion: Titelbild: Ricarda Nettelmann bodenkundlicheberatung@lbeg.niedersachsen.de Flächenkollektor (Foto: DWPP GmbH) ISSN

5 GeoBer. 5 S Abb. 7 Tab. 5 Kt. Hannover 2007 Erstellung von Planungsgrundlagen für die Nutzung von geothermischer Energie aus dem oberflächennahen Untergrund mit horizontalen Erdwärmekollektoren ULRICH DEHNER, UDO MÜLLER & JÜRGEN SCHNEIDER Kurzfassung Vor dem Hintergrund umweltpolitischer Programme zur Reduzierung von CO 2 -Einträgen in die Atmosphäre, anhaltender Diskussionen um eine sichere Energieversorgung und nicht zuletzt wegen steigender Preise für fossile Brennstoffe haben die Ansätze und Verfahren zur Nutzung regenerativer Energien in jüngster Zeit zunehmende Beachtung erfahren. Ein praxisnaher Ansatz zur Gewinnung oberflächennaher geothermischer Energie besteht in der Nutzung der im Boden gespeicherten Solarenergie. Diese kann über Erdwärmekollektorsysteme gewonnen und mittels Wärmepumpenanlagen für Heizzwecke aufbereitet werden. In der vorliegenden Dokumentation werden Verfahren aufgezeigt, die bodenkundliche und geologische Daten der Staatlichen Geologischen Dienste nutzen und in die Praxis umsetzen. GeoBerichte 5 3

6 Inhalt 1 Einleitung Grundlagen Systeme zur Nutzung von Erdwärme aus dem oberflächennahen Untergrund Thermische Eigenschaften des oberflächennahen Untergrundes Thermische Leitfähigkeit / Wärmeleitfähigkeit Abschätzung der thermischen Leitfähigkeit aus bodenkundlichen Daten Anwendung des KERSTEN Modells Berechnung der thermischen Leitfähigkeit für Torfe Abschätzung der Wärmekapazität aus bodenkundlichen Daten Umsetzung der Ergebnisse in Planungsgrundlagen Thermische Leitfähigkeit / Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität von Böden Temperaturleitfähigkeit Standorteignung von Böden für Erdwärmekollektoren Dimensionierung von Erdwärmekollektoren Literatur Kartenanhang GeoBerichte 5

7 1 Einleitung Vor dem Hintergrund umweltpolitischer Programme zur Reduzierung von CO 2 -Einträgen in die Atmosphäre, anhaltender Diskussionen um die geostrategische Sicherung der Brennstoffversorgung und nicht zuletzt wegen steigender Preise für fossile Brennstoffe haben die Ansätze und Verfahren zur Nutzung regenerativer Energien in jüngster Zeit zunehmende Beachtung erfahren. Ein praxisnaher Ansatz besteht in der Nutzung der geothermischen Energie aus dem oberflächennahen Untergrund. Die im Boden gespeicherte Solarenergie kann über Erdwärmekollektorsysteme gewonnen und von Wärmepumpenanlagen für Heizzwecke genutzt werden. Neben den Erdwärmekollektoren sind in Deutschland vor allem auch Erdwärmesondensysteme im Einsatz, die über vertikale Bohrungen in Tiefen bis zu 100 m in den Untergrund eingebracht werden. Als Planungsgrundlage werden in der Bundesrepublik Deutschland von den staatlichen geologischen Diensten (SGD) in erster Linie Kartenwerke mit Informationen zu Wasserschutzgebieten sowie geologische Übersichtskarten zur Verfügung gestellt (MINISTERIUM FÜR UM- WELT UND FORSTEN RHEINLAND-PFALZ 2002, HLUG 2005, BAYERISCHES STAATSMINISTERIUM FÜR UMWELT, GESUNDHEIT UND VERBRAUCHER- SCHUTZ 2005). Für die Schweiz liegen Kartenwerke auf Kantonsebene im Maßstab 1 : vor. Sie zeigen Gebiete, in denen Erdwärmekollektoren bzw. Erdwärmesonden eingesetzt werden dürfen und bieten Informationen zu Grundwasserflurabständen in Lockergesteinen (WEA/GSA 1998). Gemeinsam ist allen Informationsquellen, dass sie keine Informationen zu den thermischen Eigenschaften des oberflächennahen Untergrundes bis in 2 m Tiefe liefern. Diese Lücke kann durch die Auswertung von Bodenkarten und den zugehörigen Informationen in entsprechenden Datenbanken bzw. Fachinformationssystemen geschlossen werden. Bereits jetzt halten z. B. das Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) in Niedersachsen und das Landesamt für Geologie und Bergbau (LGB) in Rheinland-Pfalz entsprechende Informationen vor. Ziel der vorliegenden Dokumentation ist es aufzuzeigen, welche Informationen herangezogen werden müssen, um die Eignung des Bodens für die geothermische Nutzung beurteilen zu können sowie Verfahren darzustellen, mit deren Hilfe vorhandene Datenbestände praxisnah für die Fragestellung genutzt werden können. 2 Grundlagen 2.1 Systeme zur Nutzung von Erdwärme aus dem oberflächennahen Untergrund Im oberflächennahen Bereich kommen verschiedene Typen von Erdwärmekollektoren zum Einsatz (vgl. Abb. 1). Dabei handelt es sich um langgestreckte Rohrleitungen oder spiralförmige Kollektoren. Diese werden entweder flächig nach Aushub der Deckschicht oder in Gräben verlegt. Daneben kommen Erdwärmeoder Energiekörbe zum Einsatz, die kleinflächig bis in eine Tiefe von drei bis vier Metern eingesetzt werden. GeoBerichte 5 5

8 Flächenkollektor (Foto: DWPP GmbH) Erdwärmekörbe (Foto: Fa. Betatherm) Grabenkollektoren (Foto: Schumacher & Brendle GmbH) Abb. 1: Kollektortypen. Je nach Kollektortyp sind mehr oder weniger umfangreiche Erdarbeiten erforderlich, da der Boden zunächst entnommen und danach wieder eingefüllt werden muss. Dies hat einen wesentlichen Einfluss auf den Aufbau des Bodens, da dessen natürliche Lagerungsverhältnisse und bodenphysikalische Eigenschaften verändert werden. Die im Boden gespeicherte Energie wird auf eine in den Rohren zirkulierende Flüssigkeit (Sole) übertragen. Durch den Energieentzug kommt es um die Kollektoren zu einer starken Abkühlung, was zur Entstehung von Eishüllen führen kann. Dies ist ein gewünschter Effekt, da Eis die Wärme besser leitet als Wasser. Bei der Anlagendimensionierung ist jedoch darauf zu achten, dass die Eiskerne um die Rohre nicht zusammenwachsen, da sonst im Boden 6 GeoBerichte 5

9 ein geschlossener Eiskörper entsteht. Daher werden nach VDI (2001) entsprechende Rohrabstände empfohlen. Die entzogene Energiemenge wird durch die solare Einstrahlung und die Zufuhr von latenter Wärme mit dem Sickerwasser wieder ausgeglichen. In unseren Breiten erfolgt die solare Energiezufuhr im Wesentlichen in den Sommermonaten, da im Winter nicht genügend Strahlungsmengen zur Verfügung stehen. Um eine vollständige Regeneration zu gewährleisten, dürfen horizontale Erdwärmekollektoren nicht überbaut werden (vgl. VDI 2001). Zur Erhöhung der Energiezufuhr erfolgt bei neueren Anlagentypen eine zusätzliche Versickerung von Niederschlagswasser. Dadurch kann der Flächenverbrauch eines Erdwärmekollektors erheblich reduziert werden. Das Prinzip der solaren Regeneration hat Einfluss auf die Einbautiefe. Zu geringe Einbautiefen haben den Nachteil, dass die Erdwärmekollektoren im Bereich des winterlichen Bodenfrostes liegen. In größerer Tiefe ist dagegen eine vollständige Regeneration nicht mehr gewährleistet, was zu einer kontinuierlichen Abkühlung des Bodens führen würde. Daher werden horizontale Erdwärmekollektoren i. d. R. bis in eine maximale Tiefe von 1,5 m verlegt. 2.2 Thermische Eigenschaften des oberflächennahen Untergrundes Die thermischen Eigenschaften des Bodens sind von entscheidender Bedeutung für die Dimensionierung der Erdwärmekollektoren und somit für die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpenanlage. Drei Größen sind von Bedeutung: Wärmekapazität C [J * kg -1 * K -1 ] Oberhalb des absoluten Nullpunktes hat der Boden einen Wärmeinhalt, der in Joule pro Gramm (J * g -1 ) oder in Joule pro cm 3 (J * cm -3 ) angegeben werden kann. Da diese Größe schwer zu erfassen ist, wird häufig die Wärmemenge angegeben, die in einer definierten Bodenmenge eine bestimmte Temperaturänderung hervorruft. Die entsprechende physikalische Größe ist die spezifische Wärmekapazität Cp [J * kg -1 * K -1 ]. In der bodenkundlichen Literatur wird häufig die Wärmekapazität pro Volumeneinheit Cv [J * m -3 * K -1 ], die so genannte volumetrische Wärmekapazität verwendet (HARTGE & HORN 1999, BACHMANN 2005). Sie kann über die Kenntnis der Trockenrohdichte (TRD) [kg * m -3 ] aus der spezifischen Wärmekapazität berechnet werden (Cv = Cp * TRD). Thermische Leitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit λ [W * m -1 * K -1 ] Die Wärmeleitfähigkeit λ ist das Vermögen einer Substanz (Festkörper, Flüssigkeit oder Gas), thermische Energie in Form von Wärme zu transportieren. Sie gibt an, welche Energiemenge pro Sekunde durch einen Körper fließt, der die Querschnittsfläche von 1 m 2 und die Länge von 1 m hat, wenn die Temperaturdifferenz zwischen beiden Seiten 1 K beträgt. Thermische Diffusivität Temperaturleitfähigkeit [m 2 * s -1 ] [m 2 * d -1 ] Die thermische Diffusivität α ist der Quotient aus den o. g. Größen (λ/cv) und ein Maß für die Eindringgeschwindigkeit bzw. die Abschwächung eines Wärmestroms. Tabelle 1 zeigt die thermischen Eigenschaften verschiedener Bodenkomponenten bzw. Böden. Deutlich wird die herausragende Bedeutung des Wassers, dessen Wärmekapazität wesentlich höher ist als die der festen Bodenbestandteile. Dabei müssen auch seine Aggregatänderungen berücksichtigt werden. Beim Phasenübergang zu Eis sinkt die volumetrische Wärmekapazität von 4,19 auf 1,88 MJ * m -3 * K -1, verbunden mit einer Volumenzunahme von 9 % (BACHMANN 2005) und einer Zunahme der thermischen Leitfähigkeit. Auf der Basis von Tabelle 1 können folgende Schlussfolgerungen festgehalten werden: Sandige Böden haben auf Grund ihres hohen Quarzanteils eine höhere Wärmeleitfähigkeit als tonige Böden. Trockene Böden haben auf Grund der geringen Wassergehalte geringere Wärmeleitfähigkeiten und Wärmekapazitäten. GeoBerichte 5 7

10 Mit den Wassergehalten steigt sowohl die Wärmekapazität als auch die Wärmeleitfähigkeit. Beim Phasenübergang des Wassers ändern sich seine thermischen Eigenschaften. Die Dichte und die Porenverteilung steuern den Luft- und Wasserhaushalt des Bodens und somit die thermischen Eigenschaften des Bodens. Tab. 1: Thermische Eigenschaften wichtiger Bodenbestandteile (DE VRIES 1975, BACHMANN 2005). Spezifische Dichte (p) [kg * m -3 ] Wärmekapazität (Cv) [MJ * m -3 * K -1 ] Wärmeleitfähigkeit (λ) [W * m -1 * K -1 ] Quarz 2,66 * ,12 8,80 Tonminerale 2,65 * ,01 2,92 org. Substanz 1,30 * ,51 0,25 Wasser 1,00 * ,19 0,57 Eis 0,92 * ,88 2,18 Luft 1,25 0, ,025 Torf 0,2 0,7 MJ = Megajoule = 1 Mio. Joule 2.3 Thermische Leitfähigkeit / Wärmeleitfähigkeit Entsprechend der mehrphasigen Zusammensetzung des Bodens (Bodenmatrix, Bodenwasser, Bodenluft) erfolgt der Wärmetransport in Böden entweder innerhalb des Korngerüstes, über Wassermenisken zwischen Einzelkörnern oder in Form von latenter Wärme durch den Wasserdampftransport (vgl. Abb. 2). 1 Wärmeleitung im Korngerüst 2 Wärmeleitung im Wassermeniskus 3 Transport latenter Wärme durch Wasserdampf Abb. 2: Wärmetransport in Böden (BACHMANN 1997). 8 GeoBerichte 5

11 Auf Basis der Kornverteilung in Böden können grundsätzliche Aussagen über die Wärmeleitfähigkeit gemacht werden (vgl. BACHMANN 2005). In Böden der mittleren Breiten erhöht sich der Anteil des gut Wärme leitenden Minerals Quarz mit zunehmender Vergröberung des Korns, etwa bis zur Grenze Mittelsand/Grobsand. Böden mit hohem Tonmineralbestand und niedrigen Quarzgehalten haben hingegen geringere Leitfähigkeiten. Abbildung 3 zeigt den Einfluss des Wassers auf die Wärmeleitfähigkeit von Böden unterschiedlicher Textur. Grundsätzlich steigt die Wärmeleitfähigkeit mit zunehmendem Wassergehalt. Besonders deutlich wird dies für den Sand und das, obwohl die Wärmeleitfähigkeit des Wassers geringer ist, als die des Quarzes (vgl. Tab. 1). Der höhere Wassergehalt führt hier zur Bildung von Wassermenisken und damit zu einer Erhöhung der Kontaktflächen zwischen den Einzelkörnern (BACHMANN 2005). Dieser Effekt ist in tonigerem Material geringer ausgeprägt, da hier die Wärmeübertragung vorwiegend innerhalb des Korngerüstes erfolgt. Abb. 3: Typische thermische Leitfähigkeitsfunktionen für Sand, schluffigen Lehm und organisches Auflagematerial in Abhängigkeit vom volumetrischen Wassergehalt (BACHMANN 2005). GeoBerichte 5 9

12 2.3.1 Abschätzung der thermischen Leitfähigkeit aus bodenkundlichen Daten Da thermische Messungen an Böden nur einen momentanen Zustand erfassen und außerdem sehr aufwändig sind, wurden von verschiedenen Autoren Modelle entwickelt, mit deren Hilfe über die Kenntnis einfacher messtechnischer Größen die thermische Leitfähigkeit von Böden berechnet werden kann. Einen Überblick bieten BACHMANN (2005), FA- ROUKI (1986) sowie SANNER (1992). Tabelle 2 enthält eine Gegenüberstellung verschiedener Modelle und deren Parameterbedarf. Gemeinsam ist allen Ansätzen, dass die Leitfähigkeiten im Wesentlichen durch die Dichte und den Wassergehalt determiniert sind. Je nach Autor werden weitere Größen für die Modellierung berücksichtigt. Tab. 2: Verbreitete Modelle zur Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit von Böden und ihre Eingangsparameter. Modelle Parameterbedarf Datenverfügbarkeit DE VRIES (1963) JOHANSEN (1975), CÔTÉ & KONRAD (2005), LU et al. (2007) KERSTEN (1949) Wassergehalt, Anteile und Leitfähigkeiten der wesentlichen Bodenbestandteile (Humus, Quarz, Tonminerale), Kornform Porosität, Trockenrohdichte, Sättigungsgrad, Quarzgehalt, Leitfähigkeit der Festsubstanz Wassergehalt, Dichte, Korngröße Einzelparameter sind mit Ausnahme des Humusgehaltes i. d. R. nicht in Bodendatenbanken verfügbar Porosität und Trockenrohdichte aus Bodendaten ableitbar, nicht jedoch Quarzgehalt Dichte und Korngröße über Bodendatenbanken verfügbar, Wassergehalt kann korngrößenspezifisch abgeleitet werden Statistischer Fehler Temperaturbereich 10 % k. A. k. A. k. A. 25 % gefrorene und ungefrorene Verhältnisse Bei dem Modell von DE VRIES (1963) handelt es sich um einen komplexen Ansatz, der neben der mineralischen Zusammensetzung des Bodens auch die geometrische Form der Mineralkörner berücksichtigt. Dieses Modell wird häufig als Referenz für die Überprüfung von thermischen Messungen in Böden verwendet (vgl. OCHSNER et al. 2001). JOHANSEN (1975) entwickelte ein Modell für die Dimensionierung von Erdwärmekollektoren. Eine detaillierte Beschreibung befindet sich in FAROUKI (1986) und SANNER (1992). Neben dem Wassergehalt (Sättigungsgrad) ist die Kenntnis des Quarzgehaltes erforderlich, der aus mineralogischen Untersuchungen abgeleitet werden muss. In jüngerer Zeit haben LU et al. (2007) sowie CÔTÉ & KONRAD (2005) eine Weiterentwicklung des Ansatzes von JOHAN- SEN geliefert. Der Parameterbedarf bleibt aber unverändert. Das Modell von KERSTEN (1949) wurde auf der Basis einer umfangreichen empirischen Studie entwickelt. KERSTEN stellte fest, dass die thermische Leitfähigkeit von Böden über die Kenntnis der Dichte und der Feuchte abgleitet werden kann. Er teilte sein Probenkollektiv in zwei Gruppen (sandige, grobkörnige Böden und feinkörnige, tonig-schluffige Böden), für die er Gleichungen in gefrorenem und ungefrorenem Zustand formulierte. Der statistische Fehler liegt bei 25 %. 10 GeoBerichte 5

13 2.3.2 Anwendung des KERSTEN Modells Der Schweizer Ingenieur- und Architektenverein nutzt das KERSTEN-Modell für die Planung von Erdwärmekollektoranlagen, da es sich um ein einfaches, praktikables Modell handelt (SIA 1996). Darüber hinaus kommt es auch in geoökologischen Modellen (JANSSON & KARLBERG 2004) sowie in ingenieurgeologischen Untersuchungen (CÔTÉ & KONRAD 2005) zur Anwendung. Die Praktikabilität des KERSTEN-Modells liegt vor allem in den leicht verfügbaren Eingangsparametern begründet. Sowohl Dichten als auch Korngrößen können mit einfachen bodenkundlichen Feldmethoden ermittelt oder als Standardparameter aus Bodeninformationssystemen bereitgestellt werden. Bei der Trockenrohdichte und der Korngrößenzusammensetzung handelt es sich um statische Größen, die keinen zeitlichen Veränderungen unterworfen sind. Die Bodenfeuchte dagegen zeigt erhebliche jahreszeitliche Schwankungen und wird neben den klimatischen Parametern auch durch die Lage im Relief (Zufuhr von Grund- und Hangwasser) und die Oberflächenbedeckung beeinflusst. Für dynamische Parameter (z. B. die Bodenfeuchte) können daher keine langfristigen Prognosen getroffen werden. Eine praktikable Möglichkeit zur Berücksichtigung und Ableitung der Bodenfeuchte ist jedoch die Betrachtung unterschiedlicher Szenarien. Die günstigste Prognose liefert die Feldkapazität als Betrachtung des maximalen Wassergehaltes, der von einem Boden gegen die Schwerkraft zurückgehalten werden kann. Der Zeitpunkt der Feldkapazität wird i. d. R. im März bzw. April erreicht, nachdem die Wasservorräte im Boden während der Wintermonate aufgefüllt wurden. Im Gegensatz zur Feldkapazität können trockene Bedingungen durch die Berücksichtigung des Totwassergehaltes simuliert werden. Beim Totwassergehalt handelt es sich um die in den Feinporen des Bodens gebundene Wassermenge, die auf Grund der hohen Bindungskräfte unter natürlichen Temperaturbedingungen nicht von den Pflanzen aufgenommen werden kann. Über die Betrachtung dieser beiden Größen (Feldkapazität, Totwassergehalt) können somit Eckwerte für feuchte und trockene Verhältnisse simuliert werden. In Abbildung 4 und 6 werden die thermischen Leitfähigkeiten auf Basis des Korngrößendiagramms der Bodenkundlichen Kartieranleitung (AD-HOC-AG BODEN 2005) abgeleitet. Ihr entstammen auch die Grundlagen zu volumetrischen Wassergehalten für unterschiedliche Bodenarten und für verschiedene Trockenrohdichten. Die entsprechenden Angaben der Kartieranleitung gelten grundsätzlich nur für die Korngrößenfraktion kleiner zwei Millimeter. Sind in einem Boden Steine oder Kies (Fraktion > 2 mm) vorhanden, müssen die Wassergehalte entsprechend der Volumenanteile des Grobmaterials verringert werden (vgl. AD-HOC-AG BODEN 1994). Der Simulation/Berechnung der Wärmeleitfähigkeit für unterschiedliche Bodenarten wurden die nach SANNER (1992) in moderne SI-Einheiten umgerechneten Gleichungen von KERS- TEN (1949) zu Grunde gelegt. Tab. 3: Gleichungen von KERSTEN (1949) zur Ableitung der Wärmeleitfähigkeit von Böden für ungefrorene und gefrorene Verhältnisse auf Grundlage unterschiedlicher Texturen und in Abhängigkeit des Wassergehaltes und des spezifischen Trockengewichtes. (0,6243 * TRD) Gleichung 1 tonig/siltiger Boden, ungefroren λ = 0,1442 * (0,9 * lg w - 0,2) * 10 Gleichung 2 tonig/siltiger Boden, gefroren λ = 0, * 10 (1,373 * TRD) (0,4994 * TRD) + 0,01226 * w * 10 (0,6243 * TRD) Gleichung 3 sandiger Boden, ungefroren λ = 0,1442 * (0,7 * (lg w + 0,4) * 10 Gleichung 4 sandiger Boden, gefroren λ = 0,01096 * 10 (0,811 * TRD) (0,9115 * TRD) + 0,00461 * w * 10 λ = Wärmeleitfähigkeit in W * m -1 * K -1 TRD = Trockenrohdichte in g * cm -3 w = Wassergehalt in Gew.-% tonig/siltiger Boden: mindestens 50 % der Bestandteile sind Silt (= Schluff) oder Ton sandiger Boden: mindestens 50 % der Bestandteile sind Sand oder Kies bzw. Steine GeoBerichte 5 11

14 In Abbildung 4 und 6 wurden die Formeln aus Tabelle 3 auf das Korngrößendiagramm der Bodenkundlichen Kartieranleitung (AD-HOC-AG BODEN 2005) angewendet. Damit ist eine schnelle Ableitung der Wärmeleitfähigkeit für unterschiedliche Korngrößen, verschiedene Trockenrohdichten und unterschiedliche Bodenfeuchtezustände möglich. Die Differenzierungen ergeben sich aus den unterschiedlichen Sandgehalten (Grenze bei 50 % Sandgehalt) und den texturbedingten maximalen bzw. minimalen Bodenwassergehalten. Bei der Anwendung der KERSTEN-Gleichungen auf die Bodenarten der bodenkundlichen Kartieranleitung ist folgendes zu beachten: KERS- TEN definiert den sandigen, grobkörnigen Boden nicht ausschließlich auf der Basis der Feinbodens (Fraktion < 2 mm), sondern unter Berücksichtigung der Gesamtbodenart (Feinboden plus Grobboden). Dies führt bei lehmigen Substraten mit hohen Steingehalten dazu, dass die Formel für sandige, grobkörnige Böden anstatt der für tonig-siltige Substrate herangezogen werden müsste. Dabei besteht die Gefahr, dass die Wärmeleitfähigkeiten für stark steinige, lehmige Böden aus Ton- und Siltsteinen überschätzt werden, da diese Gesteine selbst nur geringe Wärmeleitfähigkeiten haben. Bei Substraten mit einem Sandgehalt größer 50 % ändert die zusätzliche Berücksichtigung des Steingehaltes dagegen nichts. Daher erfolgt die Differenzierung der Substrate für die beiden KERSTEN-Gleichungen ausschließlich auf Basis der Bodenart des Feinbodens. Die Grenze liegt bei einem mittleren Sandgehalt von 50 %. Deutlich wird das Ansteigen der thermischen Leitfähigkeit mit der Trockenrohdichte. Damit wird offensichtlich der Einfluss des Wassergehaltes überkompensiert, da dicht gelagerte Böden durch ihr geringeres Porenvolumen weniger Wasser aufnehmen können. Reine Sande haben auf Grund ihrer schlechten Wasserspeicherung die geringste thermische Leitfähigkeit. Schon geringe Beimengungen an Ton und Schluff führen zu einer deutlichen Erhöhung der Leitfähigkeit. Lehmige Sande und Sand- Ton-Gemische weisen die höchsten Leitfähigkeiten auf. 12 GeoBerichte 5

15 Abb. 4: Ableitung der thermischen Leitfähigkeit von Böden (Angaben in W * m -1 * K -1 ) für den Zeitpunkt der Feldkapazität auf der Basis des Korngrößendiagramms der Bodenkundlichen Kartieranleitung (AD-HOC-AG BODEN 2005). GeoBerichte 5 13

16 2.3.3 Berechnung der thermischen Leitfähigkeit für Torfe Aus Tabelle 1 geht hervor, dass die organische Substanz mit 0,25 W * m -1 * K -1 gegenüber mineralischen Bodenbestandteilen eine stark verminderte thermische Leitfähigkeit besitzt. Daher muss für die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit von Torfen eine andere Gleichung herangezogen werden. Die entsprechenden Angaben stammen von CÔTÉ & KONRAD (2006), nach denen Abbildung 5 erstellt wurde. Zugrunde liegt ein Torf mit der Dichte von 270 kg/m 3 und einem Porenvolumen von 78 %. Gleichung von CÔTÉ & KONRAD (2006) für ungefrorenen Torf: λ Torf, feucht = (0,23 * Sr + 0,06) / (1 0,40 * Sr) Sr = Wassersättigung bzw. volumetrischer Wassergehalt (0 Sr 1) Demnach kann die thermische Leitfähigkeit des Torfes als Funktion der Sättigung des Porenraumes mit Wasser dargestellt werden. Bei einer Sättigung von 1 ist der gesamte Porenraum mit Wasser gefüllt, was eine maximale Leitfähigkeit von ca. 0,5 W * m -1 * K -1 ergibt. Abb. 5: Thermische Leitfähigkeit von Torf als Funktion der Wassersättigung (erstellt nach Daten von CÔTÉ & KONRAD 2006). 14 GeoBerichte 5

17 Abb. 6: Ableitung der thermischen Leitfähigkeit (Angaben in W * m -1 * K -1 ) von Böden für trockene Bedingungen (Totwassergehalt) auf der Basis des Korngrößendiagramms der Bodenkundlichen Kartieranleitung (AD-HOC-AG BODEN 2005). GeoBerichte 5 15

18 2.4 Abschätzung der Wärmekapazität aus bodenkundlichen Daten Generell lässt sich die Wärmekapazität des Bodens aus den Summen der Kapazitäten der Einzelkomponenten entsprechend ihrer Volumenanteile berechnen (vgl. BACHMANN 2005, KERSTEN 1949, OCHSNER et al. 2001). Nach SIA (1996) kann die spezifische Wärme von Lockergesteinen vor allem durch die Kenntnis der Temperatur des Gesteins und des Wassergehaltes des Gesteins bestimmt werden. Zunächst wird hierbei die Wärmekapazität von trockenem (Wassergehalt 0 %) lockerem Erdreich in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt. Hilfreich sind hierzu die Angaben von KERSTEN (1949, übernommen aus DE VRIES 1963), welche die Grundlage für Abbildung 7 darstellen. Die Berechnung der Wärmekapazität erfolgt nach der dargestellten Regressionsgleichung. Demnach ergibt sich für trockenes Bodenmaterial ein Wert von 720,64 J * kg -1 *K -1 bei 10 C. Dieser Wert deckt sich mit den Angaben des Schweizer Ingenieur und Architektenverbandes (SIA 1996), der eine graphische Auswertung der Daten von KERSTEN (1949) bereitstellt. Abb. 7: Spezifische Wärmekapazität [J * kg -1 * K -1 ] von trockenem Boden in Abhängigkeit von der Temperatur (erstellt nach Daten von KERSTEN 1949). Die konkrete Berechnung der Wärmekapazität erfolgt unter Berücksichtigung des Wassergehaltes nach der folgenden Formel (vgl. SIA 1996): C s = 1,64 * Temp [ C] C p = (100 * C s * w) / (100 + w) C v = C p * TRD C p = Wärmekapazität pro Masseneinheit [J * kg -1 * K -1 ] C s = spezifische Wärme des trockenen Gesteins [J * kg -1 * K -1 ] C v = volumetrische Wärmekapazität [J * kg -1 * m -3 ] TRD = Trockenrohdichte [kg * m -3 ] w = Wassergehalt [Gew.-%] 16 GeoBerichte 5

19 Wie bereits für die Wärmeleitfähigkeit in Abbildung 4 und 6 dargestellt, kann auch die Wärmekapazität auf Basis der Bodenwassergehalte zum Zeitpunkt der Feldkapazität und für trockene Verhältnisse (Totwassergehalt) mit Hilfe des Korngrößendiagramms der Bodenkundlichen Kartieranleitung dargestellt werden (vgl. Abb. 8 und 9). Abb. 8: Ableitung der volumetrischen Wärmekapazität (Angaben in MJ * m -3 * K -1, MJ = Megajoule = 1 Mio. Joule) von Böden bei Feldkapazität auf der Basis des Korngrößendiagramms der Bodenkundlichen Kartieranleitung (AD-HOC-AG BODEN 2005). GeoBerichte 5 17

20 Abb. 9: Ableitung der volumetrischen Wärmekapazität (Angaben in MJ * m -3 * K -1, MJ = Megajoule = 1 Mio. Joule) von Böden bei Totwassergehalt auf der Basis des Korngrößendiagramms der Bodenkundlichen Kartieranleitung (AD-HOC-AG BODEN 2005). 18 GeoBerichte 5

21 3 Umsetzung der Ergebnisse in Planungsgrundlagen Grundsätzlich ist es möglich, die für die Nutzung oberflächennaher Geothermie notwendigen Informationen auf der Basis von Bodenkarten abzuleiten und in Form von Planungsgrundlagen (z. B. Kennwerte/Karten/Shapes/ Coverages etc.) bereitzustellen. Hierzu können z. B. die in den meisten Bundesländern vorliegenden flächendeckenden Bodenkarten unterschiedlicher Maßstäbe und deren zugehörige Profilbeschreibungen genutzt werden. Die Bodenkarten liefern in Abhängigkeit des Maßstabes Informationen zu den Eigenschaften der Böden, im Allgemeinen bis 2 m Tiefe. Auf der Grundlage der Profilbeschreibungen sind Auswertungen zur Standorteignung von Erdwärmekollektoren möglich. Dabei ist zu beachten, dass in Abhängigkeit vom Maßstab der zur Verfügung stehenden Kartenwerke die Heterogenität der Böden unterschiedlich genau dargestellt wird. Grundsätzliche Einschätzungen können auf Grundlage von mittelmaßstäbigen Kartenwerken getroffen werden. Für detaillierte Objektplanungen sind i. d. R. konkrete Untersuchungen vor Ort notwendig. Aus den bodenkundlichen Daten können Aussagen zur spezifischen Wärmekapazität von Böden, Wärmeleitfähigkeit von Böden, Temperaturleitfähigkeit von Böden und zur potenziellen Standorteignung für Erdwärmekollektoren abgeleitet werden. Voraussetzung hierfür ist die Operationalisierung der bodenkundlichen Basisdaten, wie z. B. die Übersetzung von tonig/siltiges, sandiges Erdreich (KERSTEN 1949), feuchter, siltigsandiger Boden, toniger Boden (SIA 1996), Boden mit sehr hoher, normaler, schlechter Wärmeleitfähigkeit bzw. trockener, nicht bindiger oder feuchter, bindiger Boden (VDI 2001) in die aktuelle bodenkundliche Nomenklatur (AD-HOC-AG BODEN 2005). Die Operationalisierung der Basisdaten wird auf Grundlage bodenkundlicher Methoden vorgenommen, die den Anforderungen der Auswertungsmethoden im Bodenschutz (vgl. AD- HOC-AG BODEN 2000, MÜLLER 2004) entsprechen. Diese Auswertungsmethoden beruhen i. d. R. auf der Grundlage empirisch ermittelter und in Verknüpfungsregeln oder Formeln beschriebenen Zusammenhängen. Ihre Verwendung stellt die formalisierte Berücksichtigung bodenkundlichen Fachwissens in transparenter und nachvollziehbarer Form sicher. Um diesem Aspekt gebührend Rechnung zu tragen, werden in der Folge die Verfahren zur Ableitung der Kennwerte dargestellt. Neben den fachtechnischen Grundlagen sind auch genehmigungsrechtliche Grundlagen zur Erdwärmenutzung mit Erdwärmekollektoren zu beachten. Diese können je nach Bundesland und lokalen Standortverhältnissen voneinander abweichen. Es empfiehlt sich, diese Informationen aktuell bei der Unteren Wasserbehörde oder dem für Erdwärmenutzung zuständigen Landesdienst abzufragen. In Niedersachsen sind diese Informationen im Geobericht 24: Leitfaden Erdwärmenutzung in Niedersachsen (AST et al. 2012) unter zu erhalten. In Rheinland-Pfalz sind diese Informationen im Leitfaden zur Nutzung von oberflächennaher Geothermie mit Erdwärmesonden (MINISTERI- UM FÜR UMWELT, LANDWIRTSCHAFT, ERNÄH- RUNG, WEINBAU UND FORSTEN RHEINLAND-PFALZ 2012) unter cd2009/download/erdwaerme/leitfaden_ Erdwaerme_2012.pdf zu erhalten. GeoBerichte 5 19

22 3.1 Thermische Leitfähigkeit / Wärmeleitfähigkeit Für die Dimensionierung der Erdwärmekollektoren hat die Wärmeleitfähigkeit des Bodens die herausragende Bedeutung (SIA 1996). Die bedeutsamen Parameter zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit sind der Wassergehalt, die Trockenrohdichte und die Bodenart (KERSTEN 1949). Für die Betrachtung verschiedener Bodenfeuchteszenarien kann der Wassergehalt (Feldkapazität bzw. Totwassergehalt) variiert werden. Zu Einschränkungen bei hohen Steingehalten s. Kap Tab. 4: Verknüpfungsregel Wärmeleitfähigkeit. INHALT: Wärmeleitfähigkeit des Bodens (Thermische Leitfähigkeit) EINGANGSDATEN: - Feldkapazität (FK) - Trockenrohdichte (TRD) - Bodenart KENNWERT: λ [W * m -1 * K -1 ] KENNWERTERMITTLUNG: 1. Berechnung der Feldkapazität pro Schicht 2. Ermittlung des Wassergehaltes (w in Gew.-%) a) direkt durch Messung b) indirekt durch Ableitung der Bodenfeuchte aus Feldkapazität und Trockenrohdichte: w = FK / TRD c) Sr = FK / Ermittlung der Sandklassen > 50 % Sandanteile (S1) bzw. < 50 % Sandanteile (S2), Sandgehalte nach Kartieranleitung (AD-HOC-AG BODEN 1994 und 2005), für org. Substanz > 30 % gilt S3 4. Berechnung der Wärmeleitfähigkeit (nach SIA 1996, COTÉ & KONRAD 2006): (0,6243 * TRD) für S1 gilt λ = 0,1442 * (0,7 lg w + 0,4) * 10 (0,6243 * TRD) für S2 gilt λ = 0,1442 * (0,9 lg w 0,2) * 10 für S3 gilt λ = (0,23 * Sr + 0,06) / (1 0,40 * Sr) 5. Wichtung über die Horizontmächtigkeiten 20 GeoBerichte 5

23 3.2 Wärmekapazität von Böden Die Wärmekapazität beschreibt die Menge Wärme, welche in einer definierten Masse Boden eine bestimmte Temperaturänderung hervorruft. Für eine Temperaturänderung im Boden wird aufgrund der geringeren Wärmekapazität weniger Energie benötigt, als für eine identische Temperaturänderung in derselben Masse Wasser. Tab. 5: Verknüpfungsregel Wärmekapazität. INHALT: Wärmekapazität von Böden EINGANGSDATEN: - Feldkapazität (FK) - Trockenrohdichte (TRD) - Bodenart - spezifische Wärme des trockenen Gesteins Cs [J * kg -1 * K -1 ] - Bodentemperatur [ o C] KENNWERT: Cv [J * m -3 * K -1 ] KENNWERTERMITTLUNG: 1. Berechnung der Feldkapazität pro Schicht 2. Ermittlung des Wassergehaltes (w in Gew.-%) a) direkt durch Messung b) indirekt durch Ableitung der max. Bodenfeuchte aus Feldkapazität und Trockenrohdichte: w = FK / TRD 3. Ermittlung der spezifischen Wärme des trockenen Gesteins Cs in Abhängigkeit von der Bodentemperatur: Cs [J * kg -1 * K -1 ] = 1,64 * Temperatur [ o C] Ermittlung der spezifischen Wärmekapazität pro Masseneinheit als Funktion des Wassergehaltes: Cp [J * kg -1 * K -1 ] =(100 * Cs * w) / (100 + w) 5. Ermittlung der volumetrischen Wärmekapazität pro Masseneinheit als Funktion des Wassergehaltes und der Trockenrohdichte: Cv [J * m -3 * K -1 ] = TRD [kg * m -3 ] * Cp Bei Torfen gilt: Cv [J * m -3 * K -1 ] = TRD feucht [kg * m -3 ] * Cp 6. ggf. Wichtung über die Horizontmächtigkeiten GeoBerichte 5 21

24 3.3 Temperaturleitfähigkeit Das Maß für die Abschwächung des Wärmestroms und der Eindringgeschwindigkeit in den Boden ist die Temperaturleitfähigkeit. Sie errechnet sich aus dem Quotienten von Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität. Tab. 6: Verknüpfungsregel Temperaturleitfähigkeit. INHALT: Temperaturleitfähigkeit von Böden (Thermische Diffusivität) EINGANGSDATEN: - Wärmeleitfähigkeit λ [W * m -1 * K -1 ] - volumetrische Wärmekapazität Cv [J * m -3 * K -1 ] KENNWERT: [m 2 * s -1 ] KENNWERTERMITTLUNG: 1. Berechnung der Wärmeleitfähigkeit 2. Berechnung der spezifischen Wärmekapazität 3. Berechnung der Temperaturleitfähigkeit: = λ/cv [m 2 * s -1 ] 22 GeoBerichte 5

25 3.5 Standorteignung von Böden für Erdwärmekollektoren Die Standorteignung von Böden für Erdwärmekollektoren ist besonders gut, wenn die Böden eine gute Wärmeentzugsleistung aufweisen. Die Wärmeentzugsleistung ist dort günstig einzuschätzen, wo Böden mit einer guten Durchfeuchtung und/oder geringen Grundwasserflurabständen anzutreffen sind. Ungünstiger sind trockene, sandige Böden mit großem Grundwasserflurabstand. Im Bergland, wo Böden aus Festgesteinen mit geringer Verwitterungsmächtigkeit auftreten, kann der Einbau der Erdwärmekollektoren in der erforderlichen Tiefe schwierig bzw. unwirtschaftlich sein. Für diese Standorte kann der Einsatz von Erdwärmesonden eine sinnvolle Alternative darstellen. Tab. 8: Spezifische Entzugsleistungen bei variierenden Jahresbetriebsstunden nach VDI (2001). Boden Entzugsleistung bei 1800 Jahresbetriebsstunden Entzugsleistung bei 2400 Jahresbetriebsstunden trockener, nicht bindiger Boden 10 W * m -2 8 W * m -2 bindiger, feuchter Boden W * m W * m -2 wassergesättigter Sand/Kies 40 W * m W * m -2 Auf Grundlage der räumlichen Differenzierung in bodenkundlichen Karten, den zugehörigen Beschreibungen der Bodenprofile in einer Tiefe von 1,0 bis 1,6 m, den Angaben zum Grundwasserstand sowie der Bewertung von Bodenarten und Festgesteinen im genannten Teufenbereich wird die Karte der potenziellen Standorteignung für den Einsatz von Erdwärmekollektoren erstellt (vgl. Karte 4 im Anhang). In der Karte der potenziellen Standorteignung für den Einsatz von Erdwärmekollektoren sind drei Eignungsklassen (gut geeignet, geeignet, wenig geeignet) ausgewiesen. Gut geeignet sind Böden im Einflussbereich des Grundwassers (z. B. Gleye, Marschen) sowie Böden mit hohen Wasserspeichervermögen. Wenig geeignet sind flachgründige Böden auf Festgesteinen (z. B. Rendzinen, Ranker) sowie ausgesprochen trockene Böden (z. B. Syroseme). Böden die weder gut geeignet noch wenig geeignet klassifiziert sind, sind mit der Kennzeichnung geeignet versehen. Die Karte stellt auf Grundlage des gewählten Maßstabes eine Potenzialkarte dar. Für konkrete Projekte sind die Ergebnisse im Gelände zu verifizieren. Nicht geeignet sind Felsböden (Bodenklasse 7 nach DIN 18300, DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG 2006). GeoBerichte 5 23

26 3.6 Dimensionierung von Erdwärmekollektoren Für die Dimensionierung von Erdwärmekollektoren gibt es verschiedene Methoden. Zu nennen sind einfache Verfahren, bei denen die Dimensionierung über Diagramme oder Berechnungsabfolgen (vgl. SIA 1996) abgeleitet werden kann. Weiterhin existieren DVgestützte Programme, bei denen die Berechnung mittels PC erfolgt (z. B. Ground Loop Design (GLD), http// WP-Opt, http// Für die Berechnung werden anlagenspezifische Parameter wie Jahresarbeitszahl (JAZ z. B. 3,0), Wärmebedarf in Abhängigkeit von der Raumgröße (z. B. 15 KW) und bodenspezifische Parameter (Bodenarten, Wärmeleitfähigkeiten, Exposition) benötigt. Aus diesen Angaben kann dann die benötigte Kollektorfläche berechnet werden. Im Folgenden wird ein einfaches Verfahren zur Grobdimensionierung von Erdwärmekollektoren vorgestellt (VDI 2001), in dem die benötigten Parameter (s. o.) über folgende Optionen berücksichtigt werden: Variante 1: Überdurchschnittliche Verhältnisse (Standorteignung gut geeignet) sandiger wassergesättigter Boden, spezifische Entzugsleistung 40 W * m -2, Boden mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit, Variante 2: Normale Verhältnisse (Standorteignung geeignet) schluffig bis sandiger feuchter Boden, sehr gute Sonneneinstrahlung (Südausrichtung), spezifische Entzugsleistung 30 W * m -2, Boden mit normaler Wärmeleitfähigkeit, Variante 3: Normale Verhältnisse (Standorteignung geeignet) schluffig bis sandiger feuchter Boden, normale Sonneneinstrahlung, spezifische Entzugsleistung 20 W * m -2, Boden mit normaler Wärmeleitfähigkeit, Variante 4: Ungünstige Verhältnisse (Standorteignung wenig geeignet) steiniger und/oder trockener Boden, schattig, spezifische Entzugsleistung 10 W * m -2, Boden mit schlechter Wärmeleitfähigkeit. 24 GeoBerichte 5

27 Unter Berücksichtigung der benötigten Wärmeleistung (WL) und der Jahresarbeitszahl (JAZ) kann die Verdampferleistung (VDL) nach MATTHEY (1985) berechnet werden: VDL [kw] = 0,67 * WL [kw] bei Jahresarbeitzahl (JAZ) = 3 Die Kollektorfläche (KF) kann wie folgt bestimmt werden (vgl. doku_auslegung.html): Kollektorfläche KF [m 2 ] = Verdampferleistung VDL [kw] / spezifische Entzugsleistung Q E [W * m -2 ] Beispiel: benötigte Wärmeleistung (WL) 15 kw, Jahresarbeitszahl (JAZ) 3 VDL = 0,67 *15 kw = 10 kw KF [m 2 ] = VDL 10 kw / 40 W * m -2 (Boden Variante 1) = 250 m 2 KF [m 2 ] = VDL 10 kw / 30 W * m -2 (Boden Variante 2) = 333 m 2 KF [m 2 ] = VDL 10 kw / 20 W * m -2 (Boden Variante 3) = 500 m 2 KF [m 2 ] = VDL 10 kw / 10 W * m -2 (Boden Variante 4) = 1000 m 2 Eine Erhöhung der Verdampferleistung um 1 kw bedingt auch eine Erhöhung der Kollektorfläche um ca. 10 %. GeoBerichte 5 25

28 4 Literatur AD-HOC-AG BODEN (1994): Bodenkundliche Kartieranleitung (KA 4). 4. Aufl., 392 S.; Hannover. AD-HOC-AG BODEN (2000): Methodendokumentation Bodenkunde. Auswertungsmethoden zur Beurteilung der Empfindlichkeit und Belastbarkeit von Böden. 2. Aufl., Geol. Jb. SG 1, 232 S., 26 Abb., 112 Tab.; Hannover (BGR). AD-HOC-AG BODEN (2005): Bodenkundliche Kartieranleitung (KA 5). 5. Aufl., 438 S.; Hannover. AST, M., ECKL, H., ELBRACHT, J., FISCHER, K., FRITZ, J., HENKE-JELIT, S., JENSEN, H., PES- TER, S. & SBRESNY, J. (2012): Leitfaden Erdwärmenutzung in Niedersachsen. Rechtliche und technische Grundlagen. GeoBerichte 24: 59 S., 11 Abb., 3 Tab., 5 Anh.; Hannover (LBEG). BACHMANN, J. (1997): Wärmefluss und Wärmehaushalt. In: BLUME, H.-P. (Hrsg.) (1990): Handbuch des Bodenschutzes. 3. Erg.-Lfg. 11/97; Landsberg/Lech (Ecomed). BACHMANN, J. (2005): Thermisches Verhalten der Böden. In: BLUME, H.-P. (Hrsg.) (1990): Handbuch des Bodenschutzes. 22. Erg.-Lfg. 08/05; Landsberg/Lech (Ecomed). BAYERISCHES STAATSMINISTERIUM FÜR UMWELT, GESUNDHEIT UND VERBRAUCHERSCHUTZ (2005): Oberflächennahe Geothermie, Heizen und Kühlen mit Energie aus dem Untergrund. Ein Überblick für Bauherren, Planer und Fachhandwerker in Bayern. < geotherm.pdf>. CÔTÉ, J. & KONRAD, J.-M. (2005): Thermal Conductivity of Base-Course Materials. Can. Geotech. J. 42: CÔTÉ, J. & KONRAD, J.-M. (2006): Estimating the Thermal Conductivity of Pavement Granular Materials and Subgrade Soils. < trb_cd/files/ pdf>. DE VRIES, D. A. (1963): Thermal Property of soils. In: VAN WIJK, W. R. (ed.): Physics of plant environment, S ; Amsterdam (North Holland Publishing Company). DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG (2006): Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV) Erdarbeiten. DIN Berlin (Beuth). DE VRIES, D. A. (1975): Heat Transfer in Soils. In: DE VRIES, D. A. & AFGAN, N. H. (ed.): Heat and Mass Transfer in the Biosphere. Pp. 5 28; Washington, DC (Scripta Book Co.). FAROUKI, O. T. (1986): Thermal Properties Of Soils. Series on Rock and Soil Mechanics Vol. 11; Clausthal-Zellerfeld (Trans tech Publications). HARTGE, K. H. & HORN, R. (1999): Einführung in die Bodenphysik. 3. Aufl.; Stuttgart. HLUG HESSISCHES LANDESAMT FÜR UMWELT UND GEOLOGIE (2005): Erdwärmenutzung in Hessen. < geologie/dokumente/erdwaerme/ erdwaerme_web.pdf>. JANSSON, P.-E. & KARLBERG, L. (2004): Coupled heat and mass transfer model for soilplant-atmosphere systems. Royal Institute of Technology, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Stockholm, <ftp:// CoupModel.pdf>. JOHANSEN, O. (1975): Thermal Conductivity of Soils. Ph. D. thesis; Trondheim, Norway. KERSTEN, M. S. (1949): Thermal Properties of Soils. Bull. No. 28, University of Minnesota, Institute of Technology, Experiment station; University of Minnesota. LU, S., REN, T., GONG, Y. & HORTON, R. (2007): An improved Model for Prediction Soil Thermal Conductivity from Water Content at Room Temperature. Soil Sci. Soc. Am. J. 71: MATTHEY, B. (1985): Mise en valeur de la chaleur des eaux et du sol du canton de Neuchâtel par pompe à chaleur. Ressources, procédés d utilisation, mesures administratives. Rapport, erstellt im Auftrag des Energiedepartements und des Umweltschutzamtes des Kantons Neuenburg; [Unveröff.]. MINISTERIUM FÜR UMWELT UND FORSTEN RHEIN- LAND-PFALZ (2002): Leitfaden zur Nutzung von Erdwärme mit Erdwärmesonden. 26 GeoBerichte 5

29 MINISTERIUM FÜR UMWELT, LANDWIRTSCHAFT, ERNÄHRUNG, WEINBAU UND FORSTEN RHEIN- LAND-PFALZ (2012): Leitfaden zur Nutzung von oberflächennaher Geothermie mit Erdwärmesonden. Grundwasserschutz - Standortbeurteilung - Wasserrechtliche Erlaubnis. < download/erdwaerme/leitfaden_erdwaerme _2012.pdf>. MÜLLER, U. (2004): Auswertungsmethoden im Bodenschutz. Dokumentation zur Methodenbank des Niedersächsischen Bodeninformationssystems (NIBIS ). 7. erweiterte und ergänzte Auflage, Arb.-H. Boden 2004/2: 409 S., 3 Abb., 405 Tab.; Hannover (NLfB). OCHSNER, T. E., HORTON, R. & REN, T. (2001): A new Perspective on Soil Thermal Properties. Soil Sci. Soc. Am. J. 65: REUSS, M. & SANNER, B. (2005): Planung und Auslegung von Erdwärmesondenanlagen: Basis einer nachhaltigen Erdwärmenutzung, VDI-Richtlinie 4640 und Berechnungsverfahren. < downloads.html>. SANNER, B. (1992): Erdgekoppelte Wärmepumpen. Geschichte, Systeme, Auslegung, Installation. IZW-Berichte 2/92; Karlsruhe. SIA SCHWEIZER INGENIEUR UND ARCHITEKTEN- VEREIN (1996): Grundlagen zur Nutzung der untiefen Erdwärme für Heizsysteme. SIA- Dokumentation D 0136, Schweizer Ingenieur- und Architektenverein; Zürich. VDI VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE (2001): Thermische Nutzung des Untergrundes Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen. VDI-Richtlinie 4640, Blatt 2. VDI VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE: < html>. Bildquellen Abb. 1: Flächenkollektor: DWPP GmbH, < Erdwärmekörbe: Firma Betatherm, < Grabenkollektoren: Schumacher & Brendle GmbH, < Die übrigen Abbildungen stammen von den Autoren. Hinweis Die Karte der potenziellen Standorteignung für den Einsatz von Erdwärmekollektoren kann über die NIBIS -Kartenanwendung des LBEG eingesehen werden. Der Kartenserver kann aufgerufen werden unter: < WEA/GSA WASSER- UND ENERGIEWIRT- SCHAFTSAMT/AMT FÜR GEWÄSSERSCHUTZ UND ABFALLWIRTSCHAFT DES KANTONS BERN (1998): Wärme aus Wasser und Boden. Übersichtskarte des Kantons Bern 1 : GeoBerichte 5 27

30 5 Kartenanhang Karte 1: Durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit des Bodens [W * m -1 * K -1 ] bis 2 m auf Grundlage der BÜK 50 am Beispiel des Landkreises Osnabrück. 28 GeoBerichte 5

31 Karte 2: Karte der durchschnittlichen Wärmekapazität [J * m -3 * K -1 ] bis 2 m auf Grundlage der BÜK 50 am Beispiel des Landkreises Osnabrück. GeoBerichte 5 29

32 Karte 3: Karte der durchschnittlichen Temperaturleitfähigkeit [m 2 * d -1 ] bis 2 m auf Grundlage der BÜK 50 am Beispiel des Landkreises Osnabrück. 30 GeoBerichte 5

33 Karte 4: Karte der potenziellen Standorteignung für den Einsatz von Erdwärmekollektoren auf Grundlage der BÜK 50 am Beispiel des Landkreises Osnabrück. GeoBerichte 5 31

34 Karte 5: Karte der potenziellen Eignung der Böden für die Gewinnung geothermischer Energie im südlichen Rheinland-Pfalz. 32 GeoBerichte 5

35 Autoren Dr. UIrich Dehner Landesamt für Geologie und Bergbau Rheinland-Pfalz, Abt. Boden / Grundwasser, Emy-Roeder-Str. 5, Mainz Dr. Udo Müller Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie, Referat L 3.3 Landwirtschaft und Bodenschutz, Landesplanung, Stilleweg 2, Hannover Dr. Jürgen Schneider Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie, Referat L 3.3 Landwirtschaft und Bodenschutz, Landesplanung, Stilleweg 2, Hannover GeoBerichte 5 33

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