Durchführung von Thermal-Response

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
2
member of
1. TRT – Grundlagen und Anwendungsgebiete
• Primärer geologischer Parameter für die fachgerechte und
nachhaltige Dimensionierung von Erdwärmesondenanlagen
 Wärmeleitfähigkeit des anstehenden Gebirges
• Weiterhin u. a. bedeutsam:
 spezifische Wärmekapazität (gesteinsabhängig)
 topographische Lage (Untergrundtemperatur)
 geohydraulische Verhältnisse
 natürlicher Wärmefluss („Maß“ für teufenabhängige
Temperaturzunahme)
3
member of
• 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)
4
member of
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
5
member of
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.“
6
member of
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)
7
member of
2. Testablauf, Auswertung und Ergebnisse
Fertig gestellte
Sondenbohrung,
Verpressung
weitgehend
ausgehärtet
8
Messung
„Nulltemperatur“
bzw. T-Log
Durchführung
TRT (ggf.
teufenorientiert),
bei Bedarf
nachfolgende TLogs
member of
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
Grundlage der Auswertung sind
zuverlässige Angaben zu Bohrteufe,
Bohrablauf, Schichtenverzeichnis und
Verpressung
9
member of
D atenaufzeichnu ng Therm al-Respo nse-T est
35
70
T (Vorla uf °C )
T (Rücklauf °C)
30
60
25
50
20
40
15
30
10
20
5
10
1
0
0
2
500
3
1 .00 0
1 .5 00
2.000
2.500
3.000
0
3.50 0
4 .00 0
Zeit [m in]
10
member of
4.5 00
V olu menstrom [l/min]
Tempe ra tu r [°C]
Vo lum en [l/m in]
11
member of
Lambda Stepwise
2,8
2,7
2,6
2,5
Lambda [W/(mK)]
2,4
2,3
2,2
2,1
2
1,8
1,9
1,8
1,7
1,6
1,5
1,4
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
Zeit [min]
Stufenweise TRT-Auswertung
12
member of
6500
… so nicht ….
13
member of
… so nicht ….
14
member of
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
15
member of
3. Erfahrungen und Ergebnisse
16
member of
17
0,00
Ton/Schluff
Sand/Schluff
Tonstein/Mergelstein
Sandstein
Sande
Tonschiefer
Kalkstein
Granit
Gneis
Wärmeleitfähigkeit (W/m K)
Vergleich gemessener Wärmeleitfähigkeiten
7,00
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
member of
Mineral
Quarz
Feldspäte
Biotit
Muskovit
Hornblende
Pyroxene
Turmalin
Gips
Pyrit
18
λ [W/m K]
6,0 - 10,5
≈2
1,2 - 2,0
1,7 - 3,9
≈ 2,7
≈ 4,3
≈ 4,5
≈ 1,2
19,2 - 39
member of
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
Granodiorit (min.)
Granodiorit (mittel)
Granodiorit (max.)
Mergelstein
Sand / Mergel
19
l [W/m K]
2,03
3,3
3,34
2,1
1,25
member of
Erforderliche Bohrmeter in Abh. der Wärmeleitfähigkeit
Granodiorit min.
Granodiorit mittel
Granodiorit max.
Mergelstein
2666
1983
1901
28 W/m
38 W/m
39 W/m
2584
29 W/m
22 W/m
Sand / Mergel
20
3347
member of
21
member of
22
member of
4. Einflussfaktor Untergrundtemperatur
Möglichkeiten der Messung
• Zirkulation TRT – Einheit (ohne Lastaufgabe)
• Stufenlos in Erdwärmesonde
• Im Zusammenhang mit Bohrlochgeophysik (Sal-TempLog)
23
member of
Saisonal beeinflusst
Neutrale Zone
Tmittel: 17,8°C
24
Geothermische
Tiefenstufe (hier: ca.
5,5 K/100 m)
member of
Tmittel: 13,1 °C (Gradient
ca. 1 K/100 m)
25
member of
Temperaturmessung im Rahmen der Bohrlochgeophysik
26
member of
• Heizleistung: 8 kW
• 2400 Vbh
• JAZ: 4,2
27
member of
Temperaturmessungen zur Qualitätskontrolle der
Ringraumabdichtung
28
member of
Unvollständig abgedichteter
Ringraum
Starke
Umläufigkeit
29
member of
Starke
Umläufigkeit
Fazit
Temperaturmessungen sind
eine schnelle und sehr
preiswerte Methode die
Auslegung der
Sondenanlage abzusichern.
Zudem sind Hinweise auf
die Ringraumabdichtung
ableitbar.
30
member of
Vielen Dank!
31
member of