Bevor wir mit der eigentlichen Dimensionierung von Bohrfeldern beginnen, ist es wichtig zu wissen, welche Informationen benötigt werden und wo sie zu finden sind. In diesem Kapitel liegt der Schwerpunkt auf den Bodeneigenschaften.
Bodeneigenschaften
Da es sich bei Erdwärmesonden im Grunde um Erdwärmetauscher handelt, ist es ziemlich trivial, dass die Bodeneigenschaften bei der Planung eine wichtige Rolle spielen. Geologen haben viele verschiedene Möglichkeiten, den Boden zu klassifizieren, darunter Korngröße, chemische Zusammensetzung oder mineralogische Merkmale. Für die Auslegung von Erdwärmesonden sind jedoch nur zwei Schlüsselparameter erforderlich:
- Wärmeleitfähigkeit - wie gut der Boden die Wärme leitet
- Volumetrische Wärmekapazität - wie gut der Boden Wärme speichert
Beides wird im Folgenden erläutert.
Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie gut der Boden die Wärme leitet. Bohrfelder interagieren sowohl mit dem Boden zwischen den Bohrlöchern als auch mit dem umgebenden, unendlichen Boden. Ein Bohrloch, das an einem Ort mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit liegt, ermöglicht einen effizienteren Wärmeaustausch mit seiner Umgebung.
Wenn Sie zum Beispiel ein Bohrloch mit einem erheblichen Ungleichgewicht haben (d. h. ein Bohrloch, das sich Jahr für Jahr abkühlt), ist es besser, eine gute Bodenleitfähigkeit zu haben, damit die lokale thermische Verzerrung schneller abgeführt werden kann.
Volumetrische Wärmekapazität
Die volumetrische Wärmekapazität beschreibt, wie effektiv der Boden Wärme speichern kann. Sie gibt die Energiemenge an, die erforderlich ist, um die Temperatur eines bestimmten Bodenvolumens um 1 °C zu erhöhen, und kann als die Fähigkeit des Bohrlochs angesehen werden, als Wärmebatterie zu fungieren. Dies ist der Grund dafür, dass wir bereits erwähnt haben, dass Bohrfelder ein saisonaler Wärmespeicher sind.
Wenn ein Bohrloch ein Ungleichgewicht von nahezu Null aufweist (d. h. die Bodentemperatur bleibt im Laufe der Zeit konstant), ist eine hohe volumetrische Wärmekapazität wünschenswert, da das Bohrloch dann als saisonaler Wärmespeicher (STES) dienen kann. In solchen Fällen ist auch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit von Vorteil, da sie den Wärmeverlust an die Umgebung minimiert.
Neben der Wärmeleitfähigkeit und der volumetrischen Wärmekapazität werden auch andere Messgrößen zur Quantifizierung der thermischen Eigenschaften des Bodens verwendet, z. B. die Temperaturleitfähigkeit und die hydraulische Leitfähigkeit.
Thermische Diffusivität
Die Temperaturleitfähigkeit, $\alpha$, eines Materials ist definiert als seine Fähigkeit, Wärme im Verhältnis zu seiner Speicherfähigkeit zu leiten. Sie ist wie folgt definiert: $$\alpha=\frac{\lambda}{C_v}$$wobei $\lambda$ die Bodenwärmeleitfähigkeit in (W/(mK)) und $C_v$ die volumetrische Wärmekapazität in (J/(m³K)) ist. Die Einheiten der Wärmedurchlässigkeit sind daher (m/s²). Wärmediffusivität, Wärmeleitfähigkeit und volumetrische Wärmekapazität können austauschbar verwendet werden.
Hydraulische Leitfähigkeit
Die hydraulische Leitfähigkeit $K$ des Bodens ist für den Grundwasserfluss wichtig, da sie die Fließgeschwindigkeit (m/s) durch den Boden bestimmt. Sie hängt von der Porosität des Materials ab, die als intrinsische Permeabilität ($k$ in m²) ausgedrückt wird, sowie von der Dichte und Viskosität der Flüssigkeit. Die hydraulische Leitfähigkeit kann horizontal oder vertikal definiert werden, je nach der gewünschten Durchflussmenge.
Für die Bohrfeldplanung ist dies nicht unmittelbar von Interesse, spielt aber bei fortgeschrittenen geothermischen Simulationen durchaus eine Rolle.
Beispielhafte Daten
Die Eigenschaften des Bodens sind je nach Standort des Projekts sehr unterschiedlich. Die nachstehende Tabelle zeigt die Wärmeleitfähigkeit und die volumetrische Wärmekapazität verschiedener Boden- und Gesteinsarten, wie sie in der Literatur beschrieben werden.
Ein paar wichtige Beobachtungen:
- Selbst innerhalb ein und desselben Bodentyps ist die Bandbreite der Wärmeleitfähigkeit sehr unterschiedlich. Dies ist auf die geologischen Unterschiede innerhalb jeder Kategorie zurückzuführen, die sich auf die Bodeneigenschaften auswirken.
- Die thermischen Eigenschaften von körnigen Böden (z. B. Kies, Sand, Schluff und Ton) werden durch die Wassersättigung erheblich beeinflusst. Die Räume zwischen den Bodenpartikeln können entweder mit Luft gefüllt sein, die ein Isolator ist, oder mit Wasser, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität hat. Folglich haben wassergesättigte Böden eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit als trockene Böden.
Die genauesten Ergebnisse erhalten Sie, wenn Sie einen Thermal Response Test durchführen. Dabei werden die thermischen Eigenschaften des Bodens sowie die ungestörte Bodentemperatur vor Ort gemessen. Um einen TRT durchzuführen, müssen Sie an Ihrem Projektstandort ein Bohrloch bis zur gewünschten endgültigen Planungstiefe bohren. Anschließend wird eine konstante Last auf das Bohrloch ausgeübt. Aus den Temperaturmessungen lassen sich die Wärmeleitfähigkeit des Bodens, die ungestörte Bodentemperatur und manchmal auch die volumetrische Wärmekapazität ableiten.
Wir werden die TRT-Analyse später im Detail behandeln, sobald die notwendige Physik behandelt wurde.
Temperatur am Boden
Ein weiterer entscheidender Parameter bei der Bohrlochplanung ist die Bodentemperatur, insbesondere die ungestörte Bodentemperatur. Dies ist die anfängliche Durchschnittstemperatur des Bodens entlang des Bohrlochs, die als Ausgangspunkt für jede geothermische Simulation verwendet wird. Wenn die ungestörte Bodentemperatur beispielsweise 11°C beträgt, beginnt die Bohrlochsimulation bei 11°C; beträgt sie 13°C, beginnt sie bei 13°C. Im letzteren Fall werden alle Temperaturen (sowohl die des Fluids als auch die des Bodens) um 2°C höher sein.
Die ungestörte Bodentemperatur kann mit einem Thermal Response Test (TRT) gemessen oder aus der Wärmeleitfähigkeit des Bodens und dem geothermischen Wärmestrom abgeleitet werden. Mit diesem linearen Bodentemperaturmodell kann die ungestörte Bodentemperatur auf der Grundlage der Temperaturen am Anfang und am Ende des Bohrlochs (entweder als Eingabe oder als Ergebnis der Dimensionierung) berechnet werden.
Der geothermische Gradient $\Delta T$ in (°C/100m) kann entweder direkt angegeben oder anhand des geothermischen Wärmestroms $q$ in (W/m²) und der Wärmeleitfähigkeit $\lambda$ in (W/(mK)) berechnet werden. Der Gradient kann dann wie folgt berechnet werden: $$\Delta T = \frac{\dot{q}}{100\lambda}$$Wenn der Gradient $\Delta T$ sowie die Temperatur der Bodenoberfläche $T_s$ bekannt sind, kann die Temperatur $T$ in der Tiefe $x$ wie folgt berechnet werden: $$T(x)=\frac{1}{2}\cdot\left(T_s+\frac{x\cdot\Delta T }{100}+T_s \right) = T_s+\frac{x\cdot\Delta T}{200}$$
Die ungestörte Bodentemperatur $T_u$ für ein Bohrloch, das bei $x=D$ beginnt und bei $x=H$ endet, ist somit gegeben als: $$T_u= \frac{T(D)+T(H)}{2} = T_s + \Delta T\cdot\frac{D+H}{200}$$
Die Annahme eines konstanten, linearen Temperaturanstiegs mit der Tiefe ist nicht immer zutreffend, insbesondere in dicht besiedelten Gebieten oder älteren Städten.
Wie die folgende Abbildung zeigt, steigt die durchschnittliche Bodentemperatur, wenn eine Stadt darauf gebaut wird (zweite Grafik). Dies ist auf den städtischen Wärmeinseleffekt zurückzuführen, bei dem sich die Wärme von Gebäuden, Straßen und Gehwegen staut und die gesamte Stadt erwärmt. Mit der Zeit dringt diese erhöhte Temperatur in den Boden ein und erzeugt einen ‘Temperaturfleck’, der bis zu 100 Meter tief sein kann.
Diese Temperaturstörung ist besonders für Gebäude mit hohem Kühlbedarf von Bedeutung, da eine höhere Ausgangstemperatur sie näher an die maximale Temperaturgrenze bringt. Während das traditionelle lineare Temperaturmodell nahelegt, dass tiefere Bohrungen für die Kühlung nicht von Vorteil sind, kann es in einigen städtischen Gebieten tatsächlich notwendig sein, kühlere Bodentemperaturen für eine effiziente Kühlung zu erreichen.
Da die Bodentemperatur immer mit einem gewissen Grad an Unsicherheit behaftet ist, wird insbesondere bei großen Projekten dringend empfohlen, einen TRT durchzuführen, um die ursprüngliche, ungestörte Bodentemperatur zu messen.
Grunddaten in GHEtool
GHEtool bietet zwei Möglichkeiten zur Eingabe von Bodeneigenschaften:
- Layer-by-Layer Dateneingabe
- Annahme homogener Bodeneigenschaften
Da GHEtool intern von einer gemittelten Grundschicht ausgeht, können beide Methoden das gleiche Ergebnis liefern.
Geschichtete Daten
Die genaueste und zuverlässigste Methode zur Eingabe Ihrer Bodendaten ist die Verwendung der Schichtoption in GHEtool Cloud. Hier können Sie die Bodeneigenschaften Schicht für Schicht zusammen mit der Dicke der einzelnen Schichten eingeben. GHEtool berechnet dann automatisch die korrekten thermischen Eigenschaften für jeden Entwurf auf der Grundlage der Tiefe des Erdbohrlochs. Bei der Berechnung der erforderlichen Bohrlochtiefe zur Einhaltung der Auslegungsgrenzen hilft Ihnen die schichtweise Eingabe der Bodeneigenschaften, genauere Ergebnisse zu erzielen.
Homogene Daten
Wenn Sie eine schnelle Berechnung durchführen müssen, kann die Eingabe aller Bodenschichten zeitaufwändig sein. Deshalb können Sie Ihre Erddaten unter der Annahme eines homogenen Bodens eingeben. In diesem Fall geben Sie einfach je einen Wert für die Wärmeleitfähigkeit und die volumetrische Wärmekapazität des Bodens ein, der für alle Sondenfeldgrößen verwendet wird.
Bitte beachten Sie, dass es sich bei den eingegebenen homogenen Daten immer um einen Mittelwert aus mehreren Bodenschichten in einer bestimmten Tiefe handelt. Wenn Sie ein Bohrfeld mit einer anderen Bohrlochtiefe als der zur Berechnung dieser Durchschnittsparameter verwendeten verwenden, können die Ergebnisse ungenau sein. Wenn Sie also die Bohrlochtiefe ändern (oder mit der Option ‘Erforderliche Bohrlochtiefe berechnen’ berechnen lassen), sollten Sie Ihre Bodeneigenschaften unbedingt noch einmal überprüfen.
Fazit
In diesem Kapitel wurden die für eine geothermische Simulation erforderlichen Bodeneigenschaften erörtert. Die Wärmeleitfähigkeit und die volumetrische Wärmekapazität des Bodens sowie die ungestörte Bodentemperatur werden benötigt. Das nächste Kapitel wird sich mit folgenden Themen befassen Wärmenachfrage.
Fragen
Literaturverzeichnis
- https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_diffusivity [letzter Zugriff am 22/01/2026]
- https://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_conductivity [letzter Zugriff am 22/01/2026]
- Bodeneigenschaften für Belgien: smartgeotherm oder DOV tugendhaft langweilig (Flandern).
- Grundbesitz für Frankreich: BRGM.
- Bodeneigenschaften für Deutschland: GeotIS.