Thermal-Response-Test (TRT)

und Temperaturmessung als Grundlage der

Planung großer Erdwärmesondenanlagen

Dipl.-Geologe Marcus Richter

HGC Hydro-Geo-Consult GmbH

member of

Gliederung

1. TRT – Grundlagen und Anwendungsgebiete

2. Testablauf, Auswertung und Ergebnisse

3. Erfahrungen und Besonderheiten

4. Einflussfaktor Untergrundtemperatur

member of2

1. TRT – Grundlagen und Anwendungsgebiete

• Primärer geologischer Parameter für die fachgerechte und

nachhaltige Dimensionierung von Erdwärmesonden-

anlagen

Wärmeleitfähigkeit des anstehenden Gebirges

• Weiterhin u. a. bedeutsam:

spezifische Wärmekapazität (gesteinsabhängig)

topographische Lage (Untergrundtemperatur)

geohydraulische Verhältnisse

natürlicher Wärmefluss („Maß“ für teufenabhängige

Temperaturzunahme)

member of3

• TRT als Verfahren zur standort-/ sondenspezifischen

Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit (Integral

sämtlicher Einflussfaktoren Gestein + Grundwasser)

• Ausführung als „standard – TRT“ oder teufenorientiert (je

nach Aufgabenstellung und Geologie)

member of4

Primäre Anwendungsgebiete

• Erdwärmesondenanlagen und Energiepfähle

• Anlagen mit einer Heiz-/Kühlleistung der Wärmepumpe

größer ca. 30 kW

Hintergrund

• Wärmeleitfähigkeiten der Gesteine in der Literatur / VDI

4640 weisen sehr hohe Variationsbreite auf

Vermeidung der Anlagenüber-/unterdimensionierung

• Entzugsleistungen der VDI 4640 in W/m sind auf

Großanlagen nicht übertragbar

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VDI 4640 (Teil 2):

„ Bei einer größeren Anzahl von

Einzelanlagen, bei Anlagen mit mehr als

2400 projektierten Jahresbetriebsstunden,

bei Anlagen mit zusätzlichen

Wärmequellen/-senken (z.B. Kühlung)

und bei Anlagen mit einer

Wärmepumpen-Gesamtheizleistung >30

kW muss die korrekte Anlagenauslegung

durch Berechnungen nachgewiesen

werden.“

member of6

Warum?

• Gegenseitige Beeinflussung der Sonden (Verringerung der

Entzugsleistung)

• Pauschale Ansätze der VDI 4640 berücksichtigen die Spezifik

der Großanlagen nicht

• Mögliche Umweltbeeinflussung (Aufheizung / Abkühlung

Auswirkung auf Nachbarn?)

• Fehlende Kenntnis der geothermischen Untergrundparameter

kann gravierenden Einfluss auf den Anlagenbetrieb haben

Schnittdarstellung durch ein

Sondenfeld mit 5 Erdwärmesonden

(Modelliert mit FEFLOW 5.4)

member of7

2. Testablauf, Auswertung und Ergebnisse

member of

Fertig gestellte

Sondenbohrung,

Verpressung

weitgehend

ausgehärtet

Messung

„Nulltemperatur“

bzw. T-Log

Durchführung

TRT (ggf.

teufenorientiert),

bei Bedarf

nachfolgende T-

Logs

8

Prinzipielle Verfahrensweise

Temperaturaufprägung auf

unbeeinflusstes Gebirge

Messung der „Antwort“ des Gebirges

Berechnung der effektiven

Wärmeleitfähigkeit (W/m K), keine

Aussagen zu Entzugsleistung in W/m

member of

Grundlage der Auswertung sind

zuverlässige Angaben zu Bohrteufe,

Bohrablauf, Schichtenverzeichnis und

Verpressung

9

0

5

10

15

20

25

30

35

0 500 1 .000 1 .500 2.000 2.500 3.000 3.500 4 .000 4.500

Zeit [m in]

Te

mp

era

tur

[°C

]

0

10

20

30

40

50

60

70

Vo

lum

en

str

om

[l/

min

]

T (Vorlauf °C ) T (Rücklauf °C)

Vo lum en [l/m in]

Datenaufzeichnung Therm al-Response-Test

1 2 3

member of10

member of11

Stufenweise TRT-Auswertung

1,8

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

La

mb

da

[W

/(m

K)]

Zeit [min]

Lambda Stepwise

member of12

… so nicht ….

member of13

… so nicht ….

member of14

Weiterer Ergebnisparameter des TRT:

spezifischer Bohrlochwiderstand

•Maß für die „Qualität“ der Verpressung

Geringe Bohrlochwiderstände werden

z.B. erreicht durch:

•sorgfältige und fachgerechte Verpressung

•Einsatz hochwertiger Verpressmaterialien

hohe Wärmeleitfähigkeit

geringe Setzung der Suspension

Homogenität der Masse

Geringer Bohrlochwiderstand guter thermischer Anschluss der Sonde an das Gebirge Einsparung von Bohrmetern

member of15

3. Erfahrungen und Ergebnisse

member of16

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00W

ärm

elei

tfäh

igk

eit

(W/m

K)

Vergleich gemessener Wärmeleitfähigkeiten

Gn

eis

San

de

San

dst

ein

Ton

stei

n/M

erge

lste

in

San

d/S

chlu

ff

Ton

/Sch

luff

Gra

nit

Kal

kste

in

Ton

sch

iefe

r

member of17

Mineral λ [W/m K]Quarz 6,0 - 10,5

Feldspäte ≈ 2

Biotit 1,2 - 2,0

Muskovit 1,7 - 3,9

Hornblende ≈ 2,7

Pyroxene ≈ 4,3

Turmalin ≈ 4,5

Gips ≈ 1,2

Pyrit 19,2 - 39

member of18

Beispiel: Auswirkung der Wärmeleitfähigkeit auf

Dimensionierung eines Erdwärmesondenfeldes

• Standort: Dresden

• Heizleistung: 100 kW bei 2000 Betriebsstunden/Jahr

• Kühlleistung: 20 kW bei 500 Betriebsstunden/Jahr

• Fiktive Jahresverteilung der Heiz-/ Kühlarbeit

•T –Randbedingungen der Sole: min.: 0°C; max.: 25°C

Gestein l [W/m K]

Granodiorit (min.) 2,03

Granodiorit (mittel) 3,3

Granodiorit (max.) 3,34

Mergelstein 2,1

Sand / Mergel 1,25

member of19

3347

2584

1901

1983

2666

Sand / Mergel

Mergelstein

Granodiorit max.

Granodiorit mittel

Granodiorit min.

Erforderliche Bohrmeter in Abh. der Wärmeleitfähigkeit

28 W/m

38 W/m

39 W/m

29 W/m

22 W/m

member of20

member of21

member of22

4. Einflussfaktor Untergrundtemperatur

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• Zirkulation TRT – Einheit (ohne Lastaufgabe)

• Stufenlos in Erdwärmesonde

• Im Zusammenhang mit Bohrlochgeophysik (Sal-Temp-

Log)

Möglichkeiten der Messung

23

member of

Saisonal beeinflusst

Neutrale Zone

Geothermische

Tiefenstufe (hier: ca.

5,5 K/100 m) Tmittel: 17,8°C

24

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Tmittel: 13,1 °C (Gradient

ca. 1 K/100 m)

25

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Temperaturmessung im Rahmen der Bohrlochgeophysik

26

• Heizleistung: 8 kW

• 2400 Vbh

• JAZ: 4,2

member of27

member of

Temperaturmessungen zur Qualitätskontrolle der

Ringraumabdichtung

28

member of

Starke

Umläufigkeit

Unvollständig abgedichteter

Ringraum

29

member of

Starke

UmläufigkeitFazit

Temperaturmessungen sind

eine schnelle und sehr

preiswerte Methode die

Auslegung der

Sondenanlage abzusichern.

Zudem sind Hinweise auf

die Ringraumabdichtung

ableitbar.

30

Vielen Dank!

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