Grenzabstände bei Erdwärmesonden. Schlussbericht. Untersuchungen zu neuen Bemessungsund Planungsgrundlagen. Fachstelle Energie- und Gebäudetechnik

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1 Grenzabstände bei Erdwärmesonden Untersuchungen zu neuen Bemessungsund Planungsgrundlagen Schlussbericht Fachstelle Energie- und Gebäudetechnik

2 IMPRESSUM Auftraggeberin: Stadt Zürich, Amt für Hochbauten, Fachstelle Energie- und Gebäudetechnik, Amtshaus III, Lindenhofstrasse Zürich Bearbeitung: Dr. Joachim Poppei, Dr. Olivier Masset (Unterstützung numerische Berechnungen: Bastian Rau, Aquasoil, Berlin) AF-Consult Switzerland AG, Baden/Dättwil Projektleitung: Dr. Roland Wagner Fachstelle Energie- und Gebäudetechnik, Amt für Hochbauten Projektteam Dr. Roland Wagner (AHB) Rita Kobler (BFF) Arthur Huber (HETAG) Download als pdf von https://www.stadt-zuerich.ch/hbd/de/index/hochbau/bauen-fuer-2000-watt -> Grundlagen und Studienergebnisse Zürich, März

3 1 Sicht des Auftraggebers Roland Wagner In der Stadt Zürich sind heute 1 auf einer Fläche von ha bereits ca Erdsonden-gekoppelte Wärmepumpen mit insgesamt rund Erdwärmesonden (EWS) in Betrieb. Dies ergibt auf der für EWS-Bohrungen zulässigen Fläche der Stadt Zürich einen spezifischen Wärmeentzug von rund 3-4 kwh m -2 a -1. Obwohl dieser Wärmeentzug etwa viermal so gross ist wie der natürliche geothermische Wärmestrom, muss wegen des langfristig zusätzlich relevanten Wärmestroms über die Erdoberfläche noch von keiner Übernutzung des Untergrundes gesprochen werden von lokalen Übernutzungen abgesehen und sofern die Dichte der EWS zukünftig nicht wesentlich zunimmt. Erdwärmenutzung spielt in der kommunalen Energieplanung der Stadt Zürich eine bedeutende Rolle: Gemäss Effizienz-Szenario des Energiekonzeptes 2050 der Stadt Zürich sollen Erdwärmesonden-gekoppelte Wärmepumpen im Jahr 2050 etwa 450 GWh Nutzwärme produzieren und 14% des städtischen Energiebedarfs für Raumwärme und Warmwasser abdecken. Es besteht kein Zweifel daran, dass eine Erdwärmenutzung, die einem Vielfachen der heutigen Nutzung entspricht, ohne aktive Regeneration im Stadtgebiet Zürich zu einer signifikanten gegenseitigen Beeinflussung der Erdwärmesonden führt. Der Schweizerische Ingenieur und Architektenverein SIA verlangt, dass [ ] bei einer örtlichen Häufung von verschiedenen Projekten [ ] die gegenseitige Beeinflussung einzurechnen oder durch geeignete Massnahmen (saisonale Nachladung) zu eliminieren ist (SIA 384/6 Erdwärmesonden, Ziffer ). In der Praxis wurde (und wird) die gegenseitige Beeinflussung von unterschiedlichen EWS-Anlagen selten berücksichtigt nicht zuletzt, weil hierfür einfache Dimensionierungswerkzeuge fehlten, oder Angaben über Standort und Betrieb benachbarter Anlagen nur schwer zugänglich sind. Die vorliegende Studie Grenzabstände von Erdwärmesonden zeigt, wie mit Hilfe einer vergleichsweise einfachen Rechenmethode benachbarte EWS-Anlagen bei der Auslegung einer neuen Anlage berücksichtigt werden können. Mit Hilfe der Methode kann berechnet werden, ab welchem Abstand zu bestehenden Anlagen die gegenseitige Beeinflussung vernachlässigbar ist bzw. wie bei kürzeren Abständen die gegenseitige Beeinflussung durch zusätzliche EWS-Bohrungen oder durch Regeneration kompensiert werden kann. Eine wichtige Voraussetzung ist, dass eine gewisse gegenseitige Beeinflussung grundsätzlich in Kauf genommen werden muss andernfalls ist eine signifikante Erdwärmenutzung wegen der grossen Ausdehnung der Temperaturtrichter undenkbar. Da eine korrekt nach SIA 384/6 ausgelegte EWS-Anlage gewisse Leistungsreserven aufweist, wurde in der Studie angenommen, dass eine gegenseitige Beeinflussung, die zu einer zusätzlichen Absenkung der Temperatur in einer Sonde von 1 K führt, tolerierbar ist, d.h. es sind Abstände zu bestehenden Anlagen zulässig, die zu einer maximalen gegenseitigen Beeinflussung von maximal 1 K führen. Mit der vorliegenden Methode kann nur die Auswirkung auf eine momentan neu hinzukommende EWS-Anlage berechnet werden. Im Ergebnis kann dies eine grössere EWS-Länge oder eine (Teil-)Regeneration sein. 2 Eine neue Anlage beeinflusst langfristig aber auch die bestehenden Anlagen. Als Konsequenz müsste eine neue Anlage also zusätzlich so viel Wärme in den Boden zurückgeben, wie diese Anlagen den bestehenden Anlagen wegnimmt. Diese Massnahme wurde im Rahmen dieser Studie nicht untersucht, könnte jedoch mit den vorliegenden Werkzeugen berechnet werden. Werden sogar weitere zukünftige Anlagen berücksichtigt, müssen noch grössere Abstände berücksichtigt werden. Hier gelangt die Methode an eine praktische Grenze. 1 Stand 31. August 2016, Daniel Meister, AWEL 2 Die Studie RegenOpt (Persdorf, Ruesch & Haller, 2015) zeigt, dass unter den in der Studie getroffenen Annahmen eine Teil-Regeneration gegenüber einer grösseren EWS-Länge zu bevorzugen ist. 3

4 Die hier vorgestellte Methode ergibt tendenziell eher zu grosse Abstände, da die EWS durch unendliche Linienquellen beschrieben werden. Die Genauigkeit der Methode liesse sich durch Verwendung von g-funktionen, jedoch auf Kosten der Einfachheit, verbessern. Diese Studie ist deshalb nicht als Auslegungshilfe (im Sinne von SIA 384/6 Ziffer ), Planungsempfehlung, Richtlinie oder Haltung der Stadt Zürich zu verstehen, sondern stellt einen Zwischenstand aktuell laufender Arbeiten dar. Eine Empfehlung aus den Ergebnissen dieser und anderer Studien ist jedoch die Ausstattung der Wärmepumpen-Anlage mit einer dauerhaft installierten Messung der Wärmeträgertemperatur im EWS-Kreis sowie das Erarbeiten eines Regenerations- Konzeptes für eine allfällige spätere Umrüstung der Anlage oder für den Fall, dass die EWS- Temperaturen aufgrund gegenseitiger Beeinflussung stärker als geplant absinken. Offen bleibt, wie gross der Einfluss von Grundwasserströmung auf das geothermische Potenzial ist. In der Stadt Zürich ist der Untergrund dort, wo EWS-Bohrungen aus gewässerschutzrechtlichen Aspekten erlaubt sind, überwiegend durch konduktiven Wärmetransport geprägt. An anderen Orten mag der Einfluss einer gewissen Grundwasserströmung die gegenseitige Beeinflussung von Erdwärmesonden durchaus abschwächen. Quellen: J. Poppei und R. Schwarz, Gegenseitige Beeinflussung oberflächennaher Geothermieanlagen Instrumente zum Management (knapper werden) der Ressourcen, Beitrag Der Geothermie-Kongress 2010, November 2010, Karlsruhe, 2010 J. Wellstein, Erdwärmesonden brauchen Regeneration Geothermie-Projekte richtig planen, Spektrum GebäudeTechnik SGT 6/2012 R. Wagner und T. Weisskopf, Erdsondenpotenzial in der Stadt Zürich, Stadt Zürich, Amt für Hochbauten der Stadt Zürich (Hrsg.), 2014 P. Persdorf, F. Ruesch, M.Y. Haller, RegenOpt - Optionen zur Vermeidung nachbarschaftlicher Beeinflussung von Erdwärmesonden: energetische und ökonomische Analysen, Stadt Zürich, Amt für Hochbauten der Stadt Zürich (Hrsg.), 2015 B. Bébié, F. Schmid, R. Gessler, und T.W: Püntener, Planungsbericht Energieversorgung, Kommunale Energieplanung der Stadt Zürich, Überarbeitung 2014 bis 2016, Stadt Zürich, Energiebeauftragter (Hrsg.),

5 Inhaltsverzeichnis 1 Sicht des Auftraggebers Einordnung und Zielstellung Lösungs- und Modellansätze Prozesse und Features Analytische Modellansätze Eskilson s Responsefunktionen der Temperatur (g-functions) Vorgehenskonzept Auswahl eines geeigneten Modellansatzes Kriterien zur Bemessung von Grenzabständen Orientierende Modellrechnungen und ausgewählte Ergebnisse Optimale Abstände zwischen EWS zur Vermeidung einer langfristigen Beeinflussung von mehr als 1K und Verluste bei festen Abständen Zubau einer EWS oder eines Feldes an ein bestehendes EWS-Feld: zulässige Abstände Abstand zur Begrenzung der Temperaturabsenkung bei benachbarten Feldern Vorschlag und Entwicklung eines Tools zur Bewertung nachbarschaftlicher Beeinflussung und für Empfehlungen von Abständen oder spezifischen Entzugsleistungen D Modellrechnungen eines komplexen Gebietes Schlussfolgerungen und Empfehlungen Literatur Anhang

6 2 Einordnung und Zielstellung Die Stadt Zürich erwartet mit der geplanten Umsetzung gemäss Energiekonzept der Stadt Zürich EK 2050 eine - zumindest lokale - Übernutzung ihres Untergrundes und eine Reduzierung des Angebotspotenzials durch konkurrierende Ansprüche. In drei Workshops EWS in dicht bebautem Gebiet, organisiert durch das Bundesamt für Energie, wurde die Problematik diskutiert und nach praktikablen Wegen zur nachhaltigen und gerechten Nutzung des Untergrunds zum Wärmeentzug gesucht. Zielstellung dieses Projektes ist die Entwicklung einer robusten und einfachen Handlungs- und Planungsempfehlung zur Bemessung von Abständen für EWS von existierenden und potentiellen benachbarten Nutzern für Behörden (kantonal und Gemeinde im Vollzug) Bauherren und Architekten Planern (SIA u.a.) zur Sicherstellung eines angemessenen, gerechten und möglichst gering beeinflussten Zugangs zur Ressource Erdwärme (für EWS). Die Zielstellung tangiert verschiedene Aspekte der thermischen Nutzung des Untergrunds: Aspekte der Anlagensicherheit, Raumplanung und Nachhaltigkeit. Planerische Aspekte der Anlagendimensionierung werden in der SIA-Norm 384/6 behandelt. Die Planungshilfen in dieser Norm gehen aber derzeit nicht über 4 Erdwärmesonden pro Anlage hinaus. Kantonale Regelungen zur Nutzung des Untergrunds weisen vielfache Spezifikationen auf. Diese betreffen Auflagen zur Erkundung, zur Projektierung (Ausschluss bestimmter Horizonte bzw. Teufen) und zum Betrieb (Genehmigungsverfahren). Nach Kenntnis der Autoren werden bei den kantonalen Verfahren und Auflagen nachbarschaftliche Beeinflussungen (oder deren Behinderung) derzeit nicht betrachtet. Das AWEL in Zürich fordert, wie in Basel-Land, Bern oder St.Gallen, die Zustimmung des benachbarten Grundeigentümers bei einem Abstand von weniger als 3 m (in Thurgau 3.5 m) zur Grundstücksgrenze. Lediglich Bern fordert zusätzlich einen Abstand von mindestens 5 m zu benachbarten Sonden. Auch in unseren Nachbarländern gibt es keine einheitliche Regeln, Empfehlungen oder Vorschriften. Tabelle 1 zeigt exemplarisch die Vorgaben zu Grenzabständen in verschiedenen deutschen Bundesländern (Stand 2010). 6

7 Tabelle 1: Grenzabstände der deutschen Bundesländer Ergänzung: Hessen 5m zur Grundstücksgrenze (Mitteilung S. Rumohr, 2016) 5m/6m: entsprechend VDI m bei 40 50m Länge; 6m bei m Länge Im Zusammenhang mit der Aufgabenstellung lassen sich folgende Fragen formulieren: Sind die kantonal geforderten Mindestabstände zu Nachbargrundstücken zur Einholung der Zustimmung aus energetischer Sicht sinnvoll, ausreichend und zudem begründbar, um eine Übernutzung des Untergrundes zu verhindern? Gibt es hinreichend einfache, robuste und ausreichend (aber nicht über-) konservative Ansätze zur Empfehlung bzw. Festlegung von Grenzabständen? Wenn ja, wie könnte eine Bemessungshilfe für Planer und Behörden angelegt sein, die den z.t. unterschiedlichen Ansprüchen von Anlagenplanern, Raumplanern und Genehmigungsbehörden gerecht werden kann? Um diese Fragen zu beantworten, werden Modellansätze und zur Verfügung stehende Werkzeuge verwendet, die einleitend in Kap. 3 vorgestellt werden. Aus der Analyse der Probleme und der Modellkonzepte wird ein Vorgehenskonzept abgeleitet (Kap.4). Im Kap. 5 werden Modellrechnungen und -ergebnisse vorgestellt und diskutiert. Abschliessend werden in Kap. 6 Schlussfolgerungen gezogen und Empfehlungen abgeleitet. 7

8 3 Lösungs- und Modellansätze Die Berechnung des konduktiven Wärmeentzugs durch EWS hat eine Tradition von etwa drei Jahrzehnten mit verschiedenen Ansätzen, Konzepten, Vereinfachungen und auch messtechnischer Überprüfung. Eine Rekapitulation dieser Modelle würde bei weitem die vorliegende Aufgabenstellung sprengen. Der interessierte Leser sei auf die Bücher [Eskilson 1987], [Hellström 1991] und die Dissertation von [Cimmino 2014] u.a. Veröffentlichungen verwiesen. Im Folgenden beschreiben wir kurz die Prozesse und Features, die ein für die Aufgabenstellung geeignetes Modell abbilden muss und geben ausgewählte Beispiele an. 3.1 Prozesse und Features Der Wärmeentzug durch ein turbulent fliessendes Fluid in komplex ausgebauter EWS (U- oder Doppel-U mit verschiedenen Materialien und Hinterfüllung) ist ein räumlich und zeitlich variabler Prozess. Für die vorliegende Aufgabenstellung lassen sich folgende Vereinfachungen begründen: Die explizite Beschreibung der i.d.r. turbulenten Strömung des Fluids innerhalb der EWS ist nicht erforderlich. Für die Aufgabenstellung sind grosse Zeiträume (mehrere Jahrzehnte) zu betrachten. Die diffusive Eindringtiefe des thermischen Signals beträgt dann mehrere Meter. Entsprechend ist eine Auflösung der Prozesse innerhalb der Sonde mit Dimensionen von wenigen Zentimetern nicht erforderlich. Wir können (hier) den advektiven Wärmetransport mit strömenden Grundwasser vernachlässigen. Diese Annahme ist für die Stadt Zürich zutreffend. Die Aufgabenstellung ist ein reines Wärmeleitungsproblem. Wir vernachlässigen eine vertikale Variabilität (Schichtung) thermophysikalischer Gesteinseigenschaften. Für spezielle Standortbetrachtungen muss diese eventuell berücksichtigt werden, hier genügen effektive, d.h. über die Sondenlänge gemittelte Parameter. Unter diesen Annahmen führt der konduktive Wärmeentzug zu einem transient und zunächst radial zunehmenden Auskühlungsbereich mit asymptotischer Annäherung an die ungestörte Gesteinstemperatur. Abweichungen vom radialen Wärmeentzug, die letztlich zu stationären Verhältnissen führen können, sind begründet im zusätzlichen Wärmenachschub in Oberflächennähe und die dreidimensionale Wärmezufuhr am Sondenfuss. Werden diese stationären Verhältnisse im Betriebszeitraum nicht erreicht (das ist in der Regel bei allen Sonden über 100m so) wird zur Auslegung eine minimale Fluidtemperatur gewählt, die im Auslegungszustand (genauer am Ende dessen) nicht unterschritten werden darf. Derartiger Modellansätze bedienen sich die Auslegungstools EED [Hellström/ Sanner 2015] und EWS [Huber 2016]. Eine vollständig geschlossene, analytische Behandlung der gegenseitigen Beeinflussung mehrerer EWS ist nicht möglich. Die o.g. Tools bedienen sich dazu der Ergebnisse numerischer Berechnungen (sog. g-funktionen, s. Kap. 3.3), die für eine grosse Zahl möglicher Konfigurationen und unter Berücksichtigung dreidimensionaler Verhältnisse berechnet worden sind. Im Folgenden werden Modellansätze genannt, die speziell für die o.g. Aufgabenstellung geeignet erscheinen. Es liegt auf der Hand, dass numerische Modellansätze auf der Basis finiter Elemente, finiter Volumen oder finiter Differenzen mit nahezu beliebiger Komplexität umgehen können, den Anspruch einfacher und robuster Lösungen aber nicht erfüllen können. Dazu sind analytische Modellansätze besser geeignet, die sich dazu jedoch bestimmter Vereinfachungen bedienen müssen. Auf diesen Aspekt wird nachfolgend eingegangen, da die zur analytischen Lösbarkeit zu treffenden Vereinfachungen bei den Berechnungsergebnissen und derer Interpretation zu berücksichtigen und zu würdigen sind. 8

9 3.2 Analytische Modellansätze Infinite line source (ILS) Die Lösung der Infiniten Linienquelle (infinite line source, ILS) wurde bereits von Lord Kelvin (1882) vorgeschlagen. Sie beschreibt die Temperatur um eine unendliche Linienquelle als Funktion vom Abstand und der Zeit (Gleichung 2-1). Es ist eine eindimensionale radialsymmetrische Lösung und deshalb unabhängig von der Länge der Linienquelle. T Q e r, t Tr, t T g u du 4 u 2 r 4at 2-1 a Temperaturleitfähigkeit [m 2 /s] Q Wärmeentzug [W/m] r Abstand [m] t Zeit [s] T Temperatur [ C] λ Wärmeleitfähigkeit [W/mK] Cylindrical heat source (CHS) Die Lösung einer zylindrischen Wärmequelle (CHS) wurde von Carslaw und Jaeger (1946) angegeben. Sie gibt das Temperaturfeld um eine unendlich lange zylindrische Quelle als Funktion von Raum und Zeit (Gleichung 2-2). Auch diese Lösung ist eindimensional und radialsymmetrisch. 0 G(Fo, p) = 1 π 2 exp( s2 Fo) 1 J 2 1 (s) + Y 2 1 (s) [J 0 (ps)y 1 (s) J 1 (s)y 0 (ps)] ds s p = r/r b T(Fo, p) = Q G(Fo, p) λ Fo = at r b 2 Jn, Yn Besselfunktionen 1. und 2. Ordnung Finite line source (FLS) Einige Lösungen wurden für endlich lange Linienquellen (FLS) angegeben, u.a. die von Zeng et al. (2002), beschrieben durch Gleichung 2-3. Sie ist zweidimensional, radialsymmetrisch und erlaubt die Berechnung der Temperatur als Funktion von Zeit, Abstand und Tiefe einer Sonde z mit einer gegebenen Länge H. T(r, z, t) = T g Q erfc ( r2 + (z h) 2 ) D+H 4πλ 2 α s t D r 2 + (z h) 2 [ erfc ( r2 + (z + h) 2 ) 2 α s t r 2 + (z + h) 2 ] dh Eskilson s Responsefunktionen der Temperatur (g-functions) Eskilson (1987) entwickelte eine kombinierte Methode zur Berechnung von Temperatur-Responsefunktionen (sog. g-functions). Die g-functions werden numerisch durch Finite-Differenzen-Verfahren bestimmt. Sie werden auf der Basis entwickelt, dass alle Sonden die gleiche Temperatur aufweisen, durch ihre gegenseitige Beeinflussung je nach Abstand und Zahl der Nachbarn aber unterschiedliche Extraktionsraten ermöglichen. Die auf diese Weise bestimmten g-functions werden als dimensionslose Variablen mit analytischen Lösungen gekoppelt, die die Temperaturberechnung als Funktion von Abstand und Zeit erlauben (Gleichung 2-4). g-functions sind die Basis von Auslegungstools, wie z.b. EED. 9

10 T b = T g Q 2πλ g ( t ts, r b H, B H )

11 4 Vorgehenskonzept Das Vorgehenskonzept zur Auswahl eines geeigneten Werkzeugs gründet sich auf a) der Ziel- und Aufgabenstellung (Kap. 2) und b) der Analyse vorhandener Modellansätze (Kap. 3). Wir werden dazu in diesem Kapitel anhand von orientierenden Berechnungen ein geeignetes Verfahren zur Lösung der Aufgabenstellung auswählen und die Auswahl begründen. Eine Überprüfung der Eignung an einem komplexen numerischen Modell mit möglichst realitätsnaher Problematik schliesst sich an [Kap. 5.5]. 4.1 Auswahl eines geeigneten Modellansatzes Abbildung 1 und Abbildung 2 vergleichen berechnete Temperaturfelder der unter 3.2 genannten analytischen Modelansätze zu verschiedenen Zeiten nach Inbetriebnahme für zwei verschiedene Tiefen einer EWS (Tiefe ist relevant nur für das FLS-Modell). Abbildung 1: berechnete Temperaturen im Abstand von der EWS mit verschiedenen Modellansätzen (ILS, CHS und FLS) und zu verschiedenen Zeiten (Q=20 W/m, λ=2.0 W/(m K), α=1e-6 m2/s, rb=0.05 m), angenommene Bohrungslänge 100 m für das FLS-Modell 11

12 Abbildung 2: berechnete Temperaturen im Abstand von der EWS mit verschiedenen Modellansätzen (ILS, CHS und FLS) und zu verschiedenen Zeiten (Q=20 W/m, λ=2.0 W/(m K), α=1e-6 m2/s, rb=0.05 m), angenommene Bohrungslänge 200 m für das FLS-Modell Es sind keine Unterschiede zwischen dem ILS- und dem CHS-Modell im berechneten Zeit- und Raumbereich erkennbar. 3D-Effekte, erfasst durch das FLS-Modell, sind nur bei der kürzeren Sonde und sehr grossen Zeiten (50 Jahre) erkennbar. Diese Aussage ist in Korrelation mit der Eskilson-Analyse, nach der nicht-radiale Effekte erst bei Zeiten t > H 2 9 a zum Tragen kommen (in diesem Beispiel bei H=100m nach 35 Jahren). Abbildung 3 bis Abbildung 5 vergleichen die Response-Faktoren des ILS-Verfahrens (Superposition der Integrale in Glg. 2-1) mit g-function einer 4 x 4 Konfiguration bei verschiedenen Sondenabständen. Die drei farbigen Linien geben die unterschiedlichen Responsefaktoren im 4 x 4 - Feld wieder (Zentrum, Ränder und Eckpunkte 3 ). Je länger die Bohrung oder je grösser ihre internen Abstände desto besser korrespondiert der analytische Responsefaktor des ILS-Modells mit den numerisch berechneten g-function. (Die hier gewählten Abstände sind aufgrund der verfügbaren B/H-Relationen nicht unabhängig wählbar.) Für grosse Zeiten sind die analytischen Response-Faktoren des ILS-Modells bezüglich der Beeinflussung eher konservativ (da sie keinerlei 3D-Effekte berücksichtigen). 3 Das hier gewählte Beispiel ist eine 4 x 4 Anordnung, also 16 EWS. Der analytische Responsefaktor ist für drei Gruppen der EWS unterschiedlich, die jeweils eine bestimmte Zahl von und Abstände zu den Nachbarsonden haben. Die g-function des Feldes (rote Punkte) hingegen wurden über eine mittlere Leistungsreduzierung ermittelt, wenn allen 16 EWS die gleiche Temperaturrandbedingung aufgeprägt wurde. Insofern sind die Ergebnisse nur bedingt vergleichbar. 12

13 Abbildung 3: Response-Faktoren berechnet mit dem ILS Modell für ein Feld aus 4x4 EWS mit 0.05 m Durchmesser, Tiefe 100 m, einem internen Abstand von 30 m im Vergleich mit der zugehörigen g-function Abbildung 4: Response-Faktoren berechnet mit dem ILS Modell für ein Feld aus 4x4 EWS mit 0.05 m Durchmesser, Tiefe 200 m, einem internen Abstand von 60 m im Vergleich mit der zugehörigen g-function 13

14 Abbildung 5: Response-Faktoren berechnet mit dem ILS Modell für ein Feld aus 4x4 EWS mit 0.05 m Durchmesser, Tiefe 300 m, einem internen Abstand von 90 m im Vergleich mit der zugehörigen g-function Der Vergleich der verwendeten Modellansätze im hier interessierten Zeit- und Raumbereich lässt folgende Schlussfolgerungen zu: 1. Obwohl das ILS-Modell einfacher ist als das CHS-Modell, ist es hier ausreichend zur Analyse der Temperaturbeeinflussung auf Basis vorhandener Modellansätze (Kap. 3). 2. Unterschiede zwischen dem ILS- und dem FLS-Modell sind im betrachteten Raum-/Zeitbereich vernachlässigbar bei Bohrungen mit Tiefen über 100m 3. Unterschiede zwischen den Erdwärmesonden entsprechend ihrer Anordnung in der Konfiguration sind umso kleiner, je weiter sie auseinander liegen 4. Zur Berücksichtigung weit entfernter EWS (hier 60m) sind die analytischen und flexiblen Responsefunktionen des ILS-Modells genauso geeignet, wie die numerisch ermittelten und nur für bestimmte B/H-Verhältnisse verfügbaren g-function. Bei kleineren Abständen ist der analytische Ansatz konservativ (d.h. überschätzt den Effekt der Nachbarschaft). Das ILS-Modell mit den Vorteilen der Unabhängigkeit von der Bohrtiefe und von der Verfügbarkeit von g-function ist im betrachteten Raum-/Zeitbereich ausreichend zur Lösung der Problemstellung (insbesondere bei Sondenlängen von deutlich mehr als 100m) 4.2 Kriterien zur Bemessung von Grenzabständen Wenn wir ein vereinfachtes Modell zur Bemessung von Grenzabständen heranziehen wollen, bedarf es weiterer konzeptioneller Überlegungen. Dies betrifft einerseits den Umgang mit oder die Vernachlässigung vom typisch saisonalen Betrieb mit dazwischen liegenden Erholungsphasen und andererseits ein Grenzkriterium zur Bemessung von Signifikanz der gegenseitigen Beeinflussung. 14

15 4.2.1 Variable Entzugsrate Legt man das ILS-Modell zugrunde, ist der transiente langfristige Temperaturresponse mit einer saisonal alternierenden Nutzung (Wärmeentzug) im Mittel der gleiche wie bei einem konstanten Wärmentzug mit entsprechend dem zeitlichen Anteil der Nutzung reduzierter Leistung. Abbildung 6 zeigt als Beispiel den berechneten Temperaturverlauf bei einem halbjährlichen Entzug von 40 W/m und einem konstanten Entzug von 20 W/m (grüne Linie) 4. Bei einer halbjährlichen Nutzung entspricht der Temperaturverlauf infolge einer halbierten, konstanten Entnahmerate dem Mittelwert der saisonal veränderlichen Temperatur (Abbildung 6, unten). Abbildung 6: variabler und (reduzierter) konstanter Wärmeentzug (ILS-Modell), oben und Temperaturverlauf (unten) Bemessungskriterien Die Überlagerung benachbarter Temperaturfelder (nach hinreichend langer Betriebszeit) führt entweder a) zu einer zunehmenden Reduzierung der Zirkulationstemperatur (bei gleichbleibender Entzugsleistung der Sonden) oder b) zu einem reduzierten Energiegewinn (wenn langfristig die ursprüngliche Grenztemperatur gesichert bleiben soll). Es fragt sich daher, welches Kriterium zur Bewertung der nachbarschaftlichen Beeinflussung herangezogen werden soll. Ersteres (a) ist i.d.r. der Fall, wenn bei der Dimensionierung und dem Betrieb der Sonden der nachbarschaftliche Einfluss nicht berücksichtigt worden ist (oder mangels Kenntnis nicht konnte), zweites wenn in Kenntnis des existierenden Nachbarn die eigene, hinzukommende EWS ausgelegt wird. Die Wahl des entsprechenden Kriteriums ist bedeutsam, da sich einerseits langfristig nur geringe Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts des Zirkulationsfluids einstellen werden (langfristige Betriebssicherheit), andererseits sich die nachbarschaftliche Beeinflussung asymptotisch über z.t. grosse Strecken abbaut, an deren Enden der radiale Wärmefluss verschwindet (s. Reichweiten in Abbildung 1). Aufgrund der asymptotischen, grossen Ausdehnung der Temperaturtrichter ist die Forderung nach einer vollständigen Vermeidung gegenseitiger Beeinflussung nicht zielführend. 4 Im ILS-Modell ist nur ein radialer Wärmefluss wirksam. Entsprechend wird ein terrestrischer Wärmstrom, der während des Abschaltens zu einer partiellen Regenerierung beitragen kann vernachlässigt. Das ist angesichts der geringen Leistungsdichten gerechtfertigt, aber konservativ. 15

16 Deshalb wählen wir für den Fall a) eine zulässige Reduktion der Erdreichtemperatur (durch nachbarschaftliche Beeinflussung) von max. 1K. Diese Temperaturtoleranz erscheint aus folgenden Gründen gerechtfertigt: sie liegt etwa im Bereich der Aussagegenauigkeit einfacher Modelle mit homogenen Parametersätzen sie gefährdet bei korrekter Auslegung den langfristigen Betrieb nicht und sie ist als Sicherheitszuschlag bei der Berechnung der Erdreichtemperatur nach SIA 384/6 bereits berücksichtigt. Das Kriterium a) wäre sinnvoller bei der raum- und energieplanerischen Auslegung ganzer Felder zum gleichen Zeitpunkt. Das Kriterium b) wäre sinnvoller, wenn es um die nachträgliche Errichtung einzelner EWS bei Existenz vorhandener EWS-Felder in der Nachbarschaft geht. Im 2. Fall ist die potentielle Reduktion der Entzugsleistung (durch die Nachbarschaft) durch eine entsprechende Erhöhung der Sondentiefe bei der Planung (ohne Beeinflussung der bestehenden Nachbarschaft) korrigierbar. 16

17 5 Orientierende Modellrechnungen und ausgewählte Ergebnisse 5.1 Optimale Abstände zwischen EWS zur Vermeidung einer langfristigen Beeinflussung von mehr als 1K und Verluste bei festen Abständen In diesem Kapitel berechnen wir mit dem ILS-Modell (3.2.1) und den Kriterien aus optimale Abstände und beispielhaft die Reduzierung der Entzugsleistung durch gegenseitige Beeinflussung. Den orientierenden Berechnungen liegen einheitliche Parametersätze zugrunde: Wärmeleitfähigkeit λ 2 W/mK Temperaturleitfähigkeit a m 2 /s Bohrungsradius r b Betriebsdauer t Konstante Entzugsleistung Q und reguläre Sondenanordnungen m 50 Jahre 10 W/m bzw. 7 W/m (Jahresmittelwerte) Der Einfluss des Nachbarn ist je nach Standort im Feld unterschiedlich. Die hier ausgewiesenen optimalen Abstände beziehen sich jeweils auf die EWS, die im Feld am stärksten beeinflusst wird. Tabelle 2 gibt die Abstände in einem EWS-Feld an, bei dem die Beeinflussung durch die Nachbarn auf max. 1K Auskühlung begrenzt bleibt und die Reduktion der Leistung an, die zum Einfluss der Nachbarsonden kompensiert werden müsste, damit die Temperatur bei einem Abstand von generell 20 m nicht beeinflusst werden würde. Abbildung 7: EWS-Feld mit internen Abstand A 17

18 Tabelle 2: optimale Abstände und Reduktion der Leistung Geometrie Interne Abstände zur Sicherung einer max. Temperaturabnahme von 1K bei einem mittleren Entzug von 10 W/m [m] Interne Abstände zur Sicherung einer max. Temperaturabnahme von 1K bei einem mittleren Entzug von 7 W/m [m] Verluste der Entzugsrate bei einem internen Abstand von 20m [%] 1x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

19 Geometrie Interne Abstände zur Sicherung einer max. Temperaturabnahme von 1K bei einem mittleren Entzug von 10 W/m [m] Interne Abstände zur Sicherung einer max. Temperaturabnahme von 1K bei einem mittleren Entzug von 7 W/m [m] Verluste der Entzugsrate bei einem internen Abstand von 20m [%] 5x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Bei 2 EWS mit einer mittleren Entzugsleistung von 10 W/m beträgt der Abstand, bei dem die zusätzliche Temperaturabsenkung auf 1K begrenzt bleibt, 17 m, bei einer Reihenanordnung ab 5 EWS ca. 40 m und bei drei oder mehr Reihen etwa 60 m. Bei 20 m Abstand würde bei den gewählten Untergrundparametern die spezifische Entzugsleistung durch die nachbarschaftliche Beeinflussung um max. 75% reduziert werden, die durch eine entsprechende Erhöhung der Sondenlänge zu kompensieren sind. Die Ergebnisse von Tabelle 2 sind zunächst überraschend und bedürfen einer Erläuterung, die wir am Beispiel von 4 Sonden im Abstand A nach Abbildung 7 illustrieren: Die ILS-Lösung in alternativer Schreibweise (E1-Funktion anstelle Integral 5 ) für 4 Sonden nach Abbildung 7 lautet: 5 e Das Integral in (2-1) lässt sich durch die Funktion E1(x) ausdrücken: E1 x dt (in der Hydrogeologie auch als Brunnenfunktion bezeichnet). Diese steht mit dem Exponentialintegral Ei in Beziehung: E t t x 1 x Ei x. Verkürzt verwenden wir nachfolgend 2 anstelle der Integralschreibweise: r E1. 4 at 19

20 20 at r A E at r A E at r E Q T b b b Der 2. und 3. Summand kommt von den 3 benachbarten Sonden (im Abstand A und 2 A). Der Abstand A ist so zu wählen, dass deren Beitrag (mit dem Vorfaktor) höchsten 1K ergibt: K at r A E at r A E Q b b Dies ist bei einem Abstand A von 41 m (bei einem mittleren Entzug von 7 W/m von 32 m) der Fall. Damit in einem solchen Feld die Temperaturänderung genauso gross ist wie in einer Einzelsonde, muss die Entzugsrate Q entsprechend reduziert werden (auf Q neu): at r E Q at r A E at r A E at r E Q b b b b neu Der relative Verlust durch die 3 Nachbarn ist demnach: at r A E at r A E at r E at r E Q Q Q Q b b b b neu und beträgt beispielsweise bei einem Abstand A von 20 m 0.3 oder 30%. Die Grössenordnung der Leistungsverluste bestätigen auch EED-Rechnungen mit einem Vergleichsentzug einer einzelnen EWS von 28 W/m im Dezember und gleichen Untergrundeigenschaften (Abbildung 8). Dieser Vergleich soll aufgrund der zu grundliegenden Abweichungen der beiden Modellannahmen und Lösungen/-systemen (zeitliche Lastprofile, radiale Widerstände etc.) nur exemplarisch geführt werden. Abbildung 8: Vergleichsrechnung mit EED (mit Standardlastprofil und 28 W/m Entzug im Dezember bei der Vergleichs- EWS)

21 5.2 Zubau einer EWS oder eines Feldes an ein bestehendes EWS-Feld: zulässige Abstände Der optimale Abstand B zu einem bestehenden EWS-Feld zur Begrenzung einer Beeinflussung in diesem Feld gemäss Abbildung 9 reduziert sich auf den Abstand zum nächsten Nachbarn und entspricht dem Fall 1 x 2 in Tabelle 2. Die Beeinflussung im existierenden Feld ist kleiner 1K in einem Abstand von ca. 17 m, sie ist vernachlässigbar in einem Abstand von 20 m, wenn bei der Planung der neuen Sonde ein Zuschlag von 14% berücksichtigt wird 6. Abbildung 9: Abstand einer neuen EWS B von einem existierenden Feld 5.3 Abstand zur Begrenzung der Temperaturabsenkung bei benachbarten Feldern Die Bestandssicherung eines existierenden Feldes bei Hinzunahme eines neuen Feldes lässt sich auf ähnliche Weise wie oben berechnen. Nunmehr müssen aber zur Berechnung der Auswirkungen auf den nächsten, bereits bestehenden Nachbarn auch weitere EWS des neuen Feldes hinzugezogen werden. Eine mögliche Konfiguration durch Zubau eines neuen 2 x 2 Feldes in der Nähe eines 3 x 3 Feldes zeigt Abbildung 10. Die Bemessung erfolgt entsprechend der direkten Abstände D, skizziert in Abbildung 11. Abbildung 10: mögliche Konfiguration eines neuen Feldes (rot) im Abstand B zu einem existierenden Feld (schwarz) 6 Anmerkungen: (1) Eine Leistungseinbusse um 14% macht bei anhaltender Beeinflussung in der Tiefe eine Erhöhung der Sondenlänge um 16% erforderlich. (2) Dieser einfache Ansatz geht davon aus, dass zur Kompensation der Reduktion benachbarte EWS gleichermassen den spezifischen Entzug reduzieren. Für bereits existente EWS dürfte die Verlängerung in der Praxis jedoch kaum möglich sein. 21

22 Abbildung 11: Berechnungsmodus zur Bemessung des Effektes aus Abbildung 10 Eine Tabelle im Anhang gibt die Ergebnisse für verschiedene Konfigurationen wieder. Dargestellt sind die Abstände B zu einem bestehenden Feld (nächster Nachbar) für die verschiedenen Konfigurationen nach Tabelle 2 (Spalte 1), bei denen die Auswirkung durch den Zubau auf maximal 1 K begrenzt bleiben. Abbildung 12 zeigt für drei Konfigurationen exemplarisch das Schema. Die Tabelle im Anhang enthält Mindestabstände zum existierenden Feld B für interne Abstände im neuen Feld A von 5 m, 10 m, 15 m, 20 m, 25 m und 30 m. Abbildung 12: Skizze für die Abstände B bei Zubau verschiedener Konfigurationen mit internen Abständen A (Ergebnisse: Tabelle im Anhang) 22

23 5.4 Vorschlag und Entwicklung eines Tools zur Bewertung nachbarschaftlicher Beeinflussung und für Empfehlungen von Abständen oder spezifischen Entzugsleistungen Grundlagen Der o.g. Ansatz der Superposition von Lösungen der ILS ermöglicht eine schnelle und robuste Abschätzung der gegenseitigen Beeinflussung existierender EWS(-felder) und durch bzw. auf den Zubau neuer EWS. Dazu treffen wir folgende vereinfachten Annahmen: Die Untergrundparameter der EWS am Standort sind gleich (und in der Tiefe homogen). Bei korrekter Auslegung (ohne Berücksichtigung) der EWS in der Nachbarschaft würde man auch den gleichen spezifischen Wärmeentzug erwarten (s. 3.1) Die EWS sind so tief, dass während der Betriebszeit 3D-Effekte nur eine untergeordnete Rolle spielen. Dies rechtfertigt das ILS-Modell und vermeidet bei der Superposition die Restriktionen der g-funktionen. (s. 4.1) Es werden nur grosse Zeiträume betrachtet, eine Auflösung im sondennahen Raum wie zur Dimensionierung - ist daher nicht erforderlich. Wie in dargestellt, lässt sich der saisonale Betrieb durch einen kontinuierlichen Betrieb mit entsprechend reduzierter Leistung gleichsetzen Erforderliche Inputdaten und Ergebnisse Zur Bewertung braucht der Anwender lediglich folgende Informationen: Wärmeleitfähigkeit am Standort (die Temperaturleitfähigkeit lässt sich näherungsweise zur Wärmeleitfähigkeit in Relation setzen 7 ) den Bohrdurchmesser der zu betrachtenden EWS die Abstände zu jeder einzelnen benachbarten EWS (ganz gleich, ob die zum eigenen Feld oder zu Nachbarfeldern gehört) die Inbetriebnahme jeder einzelnen EWS und den Betrachtungszeitraum. Wie oben an der Konfiguration 2 x 2 beschrieben, lässt sich allgemein der Leistungsverlust von N-1 benachbarten EWS am Standort r b = r 0 (n=0) ausweisen zu 2 r0 E1 Q Q 4at Q N 0 Q0 2 rn E1 n 4at 0 n mit rn r 0 A n und t n tbetrachtungszeitraum tn, Inbetriebnahme. In entsprechender Weise, wie sich durch die Nachbarschaft die spezifische Leistung reduziert, muss die Länge erhöht werden. Mit dieser Funktionalität ist ein Prototyp des Tools erstellt worden und zur Prüfung beim Auftraggeber. 7 Wir schlagen vor, hier, anstelle einer Abfrage der volumetrischen Wärmekapazität, die der Anwender i.d.r. nicht kennt, von einer linearen Regression der Temperaturleitfähigkeit a von der Wärmeleitfähigkeit λ Gebrauch zu machen. Die Gleichung 2 m 10 6 W a (R 2 =0.94) basiert auf den Referenzwerten der Gesteinsdatenbank in EED für die 10 s mk gebräuchlichen Sedimente Ton, Tonstein, Kies, Sand und Sandstein, jeweils feucht und trocken. Im Sinne einer einfachen Abschätzung wird die Genauigkeit als ausreichend befunden. 23

24 Abbildung 13: Prototyp des Tools Erweiterungen sind relativ einfach möglich, z.b. zur Berücksichtigung der Abschaltphasen (einer benachbarten EWS innerhalb des Betrachtungszeitraums), durch Erweiterung der Linienquellenlösung für die recovery-phase (nach [Häfner et al. 1992] zur Verwendung von GIS-Oberflächen zur Platzierung der EWS in einem grafischen Interface u.a.m Illustration an einem hypothetischen Szenario mit realem Hintergrund Die Funktionalität soll an einem komplexen Beispiel illustriert und anschl. im Kap. 5.5 unter Verwendung eines numerischen 3D-Modells überprüft werden. Als Beispiel dient eine reale Überbauung, die durch eine extrem hohe Anlagendichte charakterisiert ist (Abbildung 14). 24

25 Abbildung 14: Beispielgebiet mit hoher Anlagendichte in Winterthur (Quelle AHB) Wir nehmen im Folgenden ein rein hypothetisches Szenario 8 an: Das Feld A, bestehend aus 2 Reihen mit insgesamt 11 EWS mit internen Abständen zwischen 6 und 15 m, ging 1990 in Betrieb; Feld B mit 4 weiteren EWS läuft seit 2015; interne Abstände 11.5 m. Zu prüfen sind 2 Standorte eines neuen Feldes C, geplante Inbetriebnahme 2016, eine im SE (C1), eine im NW (C2; Aussenpositionen der 6 Standorte in Abbildung 14). Die Wärmeleitfähigkeit λ am Standort sei 2 W/mK (die Temperaturleitfähigkeit a nach interner Regression m 2 /s). Die Abstände von C1 zum Feld A variieren zwischen 27 und 59 m, zum Feld B zwischen 19 und 40 m. In Fall C2 sind die Abstände zum Feld A zwischen 42 und 81 m und zum Feld B zwischen 53 und 57 m. Abbildung 15 zeigt die Eingabemaske und das Ergebnis: am Standort C1 ist durch die Nachbarn im Feld A und B mit Leistungseinbussen von 62% zu rechnen. Am Standort C2 (hier nicht gezeigt) sind es 45%. Umgekehrt lässt sich auf diese Weise natürlich auch der Einfluss der neu hinzukommenden EWS auf bereits existierende berechnen. 8 Weder die hier verwendeten Anlagenspezifikationen noch die Untergrundverhältnisse tragen dem Standort Rechnung. Das Beispiel wird nur aus illustrativen Gründen verwendet. Eine aktuell laufende Auswertung der EWS-Temperaturen am Strandort weist auf eine geringe Belastung der EWS wegen eines sehr geringen Wärmebedarfs der Siedlung hin. Trotz der hohen Dichte sind die Sonden offenbar mehr als ausreichend dimensioniert. 25

26 Abbildung 15: Beispielszenario des gewählten Standorts und fiktiven Szenarios 5.5 3D Modellrechnungen eines komplexen Gebietes In diesem Kapitel wird ein numerisches Modell auf Basis Finiter Elemente zur Simulation hinzugezogen. Als Beispiel dient die Konfiguration in Abbildung 14 aus der dichten Nutzung mit den 3 exemplarischen Feldern A, B und C. Wie in werden hier ein fiktives Szenario und fiktive Untergrunddaten verwendet. Die Vergleichsrechnung soll zwei Zielen dienen: Visualisierung der Temperaturänderung im Untergrund in der Umgebung komplexer Felder im dreidimensionalen Raum unter Berücksichtigung realitätsnaher Verhältnisse (Sondenausbau und Betrieb, Wärmeeinträge an der Oberfläche, geothermische Gradienten mit Wärmeflüssen zur Oberfläche) und Überprüfung des einfachen Ansatzes mit Superposition der ILS. Obgleich ein solches numerisches Modell durchaus komplexere Verhältnisse abbilden kann (z.b. Schichtung, heterogene und anisotrope Verteilung thermophysikalischer Stoffeigenschaften, Grundwasserbewegung u.a.m.), soll zur Vergleichbarkeit mit den analytischen Lösungen auf solche Prozesse und Gegebenheiten hier verzichtet werden. Das Modell (Code FEFLOW) implementiert, neben den o.g. 3D-Verhältnissen mit entsprechenden Randbedingungen an der Oberfläche und im Liegenden, einen EWS-Simulator, der die Geometrie, Hinterfüllung und Fluidströmung im Detail abbildet. Darüber hinaus werden hier vereinfacht - saisonale Nutzungen berücksichtigt, im Beispiel durch 72 Tage kontinuierlicher Zirkulation und Wärmeentzug und anschliessender Erholungsphase. 26

27 5.5.1 Modellbeschreibung Das 3D-Modell deckt in der Fläche die drei Felder ab und hat eine Tiefe von insgesamt 500 m. An der Terrainoberkante ist eine Temperatur von 12 C vorgeschrieben, in 500 m Tiefe sorgt eine Temperaturrandbedingung von 27 C für einen geothermischen Gradienten von 3 K/100m. Das Gestein hat homogene Eigenschaften: Wärmeleitfähigkeit 9 Volumetrische Wärmekapazität 1.8 W/mK Ws/m 3 K Abbildung 16: Modellgebiet und Diskretisierung Die 11 EWS im Feld A, die 4 EWS im Feld B und die 2 potentiell neuen EWS im Feld C haben eine einheitliche Tiefe von 220 m und sind entsprechend Abbildung 17 parametrisiert. Allen Sonden wird die gleiche Lastkurve unterstellt: 7.04 kw konstant über 76 Tage im Jahr. 9 Im Beispielfall zu Abbildung 15 wurde dort eine Wärmeleitfähigkeit von 2.0 W/mK gewählt. Dieser Unterschied ist unerheblich. 27

28 Abbildung 17: Modellparameter der EWS Die fiktiven Szenarien orientieren sich an dem Beispiel in 5.4.3: Feld A: Inbetriebnahme 1990, Ausserbetriebnahme 2040 Feld B: Inbetriebnahme 2015, Ausserbetriebnahme 2065 Feld C: Inbetriebnahme einer Sonde 2016; Betriebszeit bis Illustration der Auswirkungen der dichten Nutzung auf den Untergrund Die nachfolgenden Abbildungen geben die Temperaturverhältnisse im Untergrund zu vier ausgewählten Zeitpunkten wieder: Ende 2015 Ende 2016 (kurz nach Inbetriebnahme der EWS im C-Feld) Ende 2040 (hier Ende der Betriebsphase des A-Felds) Ende 2065 (nach Ausserbetriebnahme des B-Felds). Dargestellt sind jeweils ein horizontaler Schnitt in 110 m Tiefe und eine 3D-Darstellung mit den Isoflächen der Temperaturdifferenzen zum ungestörten Zustand. 28

29 Abbildung 18: Temperaturänderungen Ende 2015 (Schnitt in 110 m Tiefe oben; 3D-Darstellung unten) 29

30 Abbildung 19: Temperaturänderungen Ende 2016 (Schnitt in 110 m Tiefe oben; 3D-Darstellung unten) 30

31 Abbildung 20: Temperaturänderungen Ende 2040 (Schnitt in 110 m Tiefe oben; 3D-Darstellung unten) 31

32 Abbildung 21: Temperaturänderungen Ende 2065 (Schnitt in 110 m Tiefe oben; 3D-Darstellung unten) Deutlich wird die Überlagerung der Temperaturfelder, die während der Betriebszeit zunimmt. Bereits bei Inbetriebnahme der EWS im C-Feld (mit Abständen zwischen ca. 20 und 60 m zu den bestehenden EWS) ist dort eine anfängliche Auskühlung um etwa 1K erkennbar. Die 3D-Bilder machen deutlich, dass bei den internen Abständen im A-Feld sich eine das Feld umfassende Abkühlungszone ausbilden wird. Darüber hinaus wird deutlich, dass nach dem Abschalten der EWS sich die Temperatur im Erdreich durch natürliche Regeneration nur langsam erholt. 32

33 5.5.3 Verifizierung des Tools aus 5.4 Hierzu wird als Szenario der potentielle Einfluss der in Betrieb befindlichen Sonden der Felder A und B auf die Temperaturentwicklung einer Sonde im Feld C herangezogen. Abbildung 22 gibt die analytisch mit dem ILS-Modell berechnete Temperaturabnahme am Standort C1 bzw. C2, ohne und mit Berücksichtigung der Felder A und B unter Annahme einer konstanten spezifischen Entzugsleitung Q von 72 Tage / Tage x 7.04kW / 220m wieder. Zu Beginn des Betriebs der Sonden im C-Feld ist durch den Betrieb der anderen Sonden die mittlere Untergrundtemperatur bei C1 (SE-Ecke) um 2K, bei C2 (NW-Ecke) um knapp 1K abgesenkt. Die Temperaturen sinken im Vergleich zu einer Einzelsonde durch den Einfluss der benachbarten Felder langfristig im Mittel um zusätzlich 4 K (C2) bzw. 6.5 K (C1) ab, was im Mittel - gerade noch die Frostfreiheit garantieren würde. Das Abschalten der Felder A und später B führt zu einer Stabilisierung der Temperaturabsenkung im zeitlichen Verlauf. Abbildung 22: Temperaturabsenkung ( T) in den fiktiven Sonden im Feld C (C1 im SE; C2 im NW des Feldes; hier alternativ in Betrieb) und Einfluss der Felder A und B (gestrichelte Linien: ohne Ausserbetriebnahme) Den Vergleich mit den numerisch berechneten Temperaturverläufen für den Fall, dass beide Sonden im Feld C 2016 in Betrieb gehen, zeigen Abbildung 23 und Abbildung Die hier gezeigten Temperaturen der numerischen Simulation sind zur besseren Vergleichbarkeit nicht die Fluidtemperaturen, sondern die Gesteinstemperatur in 110 m Tiefe in unmittelbarer Umgebung der Sonde 33

34 Abbildung 23: Berechnete Temperaturentwicklung T in einer EWS am Standort C2 (NW-Ecke des C-Feldes) ohne das A- und B-Feld (blau) und mit Einfluss des B- und C-Feldes (rot); saisonale Linien: FEFLOW-3D, durchgezogene Linie: ILS-Superposition (beide EWS im Feld C ab 2016 in Betrieb) Abbildung 24: wie oben, aber Standort C1 (SE-Ecke Feld C) Bei der Interpretation der Daten ist zu beachten, dass die kurze saisonale Betriebsdauer keine einfache Mittelwertbildung der Min-Max-Werte rechtfertigt. 34

35 6 Schlussfolgerungen und Empfehlungen Die Zunahme und Verdichtung von Erdwärmesonden, im Wohnungsbau fast ausschliesslich zu Heizzwecken mit Wärmeentzug und mit einer zu erwartenden Betriebsdauer von 50 Jahren ausgelegt, erfordert Bemessungs- und Planungsgrundlagen, die die potentielle Beeinflussung untereinander minimieren und einen gleichberechtigten Anspruch an die thermische Nutzung des Untergrunds gewährleisten. Bisherige Empfehlungen und Vorschriften zu Mindestabständen der Kantone (übrigens auch die deutscher Bundesländer) werden diesem Anspruch nicht gerecht. Genehmigungs- und Raumplanungsbehörden und Planungsbüros bedürfen einfacher Hinweise und Richtlinien, die im Vollzug praktikabel und nicht übertrieben konservativ sind und keine unangemessenen hohen Modellierungsaufwendungen erfordern. Handregeln, wie jene von Eskilson abgeleitete Richtlinie vom Abstand mindestens halber Sondenlänge, überbewerten insbesondere bei EWS über 100m, für die sie nicht (!) abgeleitet worden sind, den Platzbedarf und schränken die Verwendbarkeit der Technologie unangemessen ein. In dieser Studie wird gezeigt, dass ein vergleichsweise einfacher Ansatz, der Superposition von Lösungen der unendlichen Linienquelle, eine praktikable Alternative zu aufwendigen Simulationsrechnungen darstellt. Ausgehend von einer Prozess- und Dimensionsanalyse werden Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen des Ansatzes aufgezeigt. Orientierende Beispielrechnungen zu einer Vielzahl möglicher Konfigurationen zeigen, dass im Allgemeinen die erforderlichen Abstände zur Sicherung einer höchstens geringfügigen Beeinflussung deutlich über die rechtlichen oder behördlichen Mindestabstände zu Grundstücksgrenzen hinausgehen. Insbesondere sind bei der gegenseitigen Beeinflussung ganzer Felder u.u. Abstände sicherzustellen, die mehrere Dutzendmeter betragen können. Dieser Umstand wird auch durch numerische Simulation eines komplexen Anwendungsfalles am Beispiel einer dichten Bebauung und Nutzung von EWS betätigt. Andererseits ist bei Zubau in der Nachbarschaft zu existierenden EWS nur eine relativ geringe Erhöhung der Sondentiefe (bei in der Tiefe unbeeinflusstem Wärmeentzug) erforderlich, um negativen Effekten in der Nachbarschaft entgegenzutreten. Für den Neubau einzelner EWS lassen sich unter bestimmten Voraussetzungen vergleichsweise einfache, auf Knopfdruck berechenbare Tiefenzuschläge bestimmen, die den Standortbedingungen mit benachbarten EWS, die zu unterschiedlichen Zeiten in Betrieb gingen oder gehen, gerecht werden. Die Studie enthält einen Vorschlag eines Prototyps, der diese Aufgabe wahrnehmen kann. Für die angemessene und ausreichend dimensionierte Planung ganzer Bebauungsgebiete sind zur langfristigen Sicherstellung der Ressourcenverfügbarkeit die Planer verantwortlich. Hierzu existieren geeignete Planungsverfahren und tools, die in den entsprechenden Normen Berücksichtigung finden könnten. Eine solche Erweiterung wird zur Novellierung der SIA-Norm 384/6 dringend empfohlen. Raumplanungs- und Genehmigungsbehörden wird empfohlen, zur Zulassung des Neubaus von EWS einen vereinfachten Nachweis zur höchstens geringfügigen Beeinflussung existierender und potentieller Nachbarsonden erbringen zu lassen. Für einzelne EWS kann dies durch einen entsprechenden Abstand von mindestens 8 10 m (ggf. festzulegen) zu jeder Grundstücksgrenze und bei Unterschreiten durch entsprechende Tiefenzuschläge gesichert werden. Bei komplexen Feldern ist der Nachweis durch Modellberechnungen zu erbringen. 35

36 7 Literatur [AHB 2014] [Carslaw/Jaeger 1946] [Cimmino 2014] [Eskilson 1987] [Haefner et al. 1992] [Hellström 1991] [Hellström/Sanner 2015] [Huber 2016] [Kelvin 1882] [Monzo 2011] [SIA 384/6] [Zeng et al. 2002] Erdsondenpotenzial in der Stadt Zürich, Schlussbericht, Stadt Zürich, Amt für Hochbauten, Fachstelle Energie- und Gebäudetechnik, 05/2014. Conduction of Heat in Solids, H.S. Carslaw, J.C. Jaeger, Oxford University Press, U.S.A., Développement et validation expérimentale de facteurs de réponse thermique pour champs de puits géothermiques, Massimo Cimmino, Ecole Polytechnique de Montréal, Département de génie mécanique, Décembre Thermal analysis of heat extraction boreholes, Per Eskilson, University of Lund, Dep. of Mathematical Physics, June Wärme- und Stofftransport, Mathematische Methoden, Frieder Häfner; Dietrich Sames; Hans-Dieter Voigt, Springer-Verlag, Ground heat storage, Thermal analysis of duct storage systems, University of Lund, Dep. of Mathematical Physics, April Earth Energy Designer, Version 3.21, Th. Blomberg et al., March Benutzerhandbuch zum Programm EWS, Version 5.0, Arthur Huber, März Thomson, W., Mathematical and Physical Papers, Cambridge University Press, , ISBN Comparison of different line source model approaches for analysis of Thermal Response Test in a U-pipe Borehole Heat Exchanger, Patricia M. Monzo, KTH School of Industrial Engineering and Management, Division of Applied Thermodynamic and Refrigeration, Stockholm Erdwärmesonden, Schweizer Norm SN /6, Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, A finite line-source model for boreholes in geothermal heat exchangers. Zeng, H. Y., Diao, N. R., & Fang, Z. H.; Heat Transfer - Asian Research, 31(7), ,

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