Störung

Bei der Planung von Bohrfeldern wird stets stillschweigend davon ausgegangen, dass Ihr Projekt isoliert ist und die Bodentemperatur nicht durch benachbarte Anlagen beeinflusst wird. Während dies in manchen Fällen zutreffen mag, kann in anderen Fällen die sogenannte thermische Interferenz zwischen verschiedenen geothermischen Anlagen durchaus erheblich sein. In diesem Kapitel wird das Konzept der Interferenz erörtert, zusammen mit einigen Berechnungsmethoden und der Frage, wie GHEtool Cloud zu ihrer Quantifizierung eingesetzt werden kann.

Was ist Interferenz?

Ein Erdwärmefeld ist ein Erdwärmetauscher und beeinflusst somit direkt die Bodentemperatur. Im Winter wird Wärme entzogen und der Boden kühlt sich ab, während er im Sommer wieder erwärmt wird. Die Differenz zwischen Wärmeentnahme und -einleitung ist das Ungleichgewicht, das dazu führt, dass die Bodentemperatur im Laufe der Jahre driftet. Diese Temperaturdrift macht jedoch nicht am Rand des Bohrfeldes oder des Grundstücks Halt, sondern breitet sich im Boden aus und ist je nach Bodeneigenschaften bereits in einer Tiefe von 50 bis 100 m deutlich erkennbar.

In der obigen Abbildung wird ein neues Projekt zwischen vier bereits bestehenden geothermischen Anlagen in Betracht gezogen. In der Regel werden die für dieses Projekt erforderlichen Planungsdaten (Gebäudebedarf, Art der Flüssigkeit, Bodeneigenschaften usw.) in GHEtool eingegeben, um die erforderliche Bohrlochtiefe zu ermitteln (Abschnitt 7.2) oder die Größe des Bohrfeldes (Abschnitt 7.3), bei dem die Flüssigkeitstemperaturen innerhalb des vorgegebenen Grenzwerts bleiben.

Dieser Ansatz geht stillschweigend davon aus, dass das neue geothermische Bohrfeld von der Umgebung isoliert ist und dass der umgebende Boden nur durch das Bohrfeld selbst und nicht durch ein anderes benachbartes System beeinflusst wird. Im oben genannten Fall ist jedoch klar, dass das Projekt unter den Einfluss beider unterirdischer Systeme fällt, die unser Bohrfeld im Laufe der Jahre ebenfalls abkühlen werden.

Dies bedeutet, dass sich unsere minimalen (oder maximalen) Medientemperaturen von den im Entwurf vorgesehenen unterscheiden, wenn diese benachbarten Systeme bei unserer Planung nicht berücksichtigt werden. Um dieses Problem zu lösen, ist es wichtig, den thermischen Einfluss bei der Planung eines geothermischen Projekts zu berücksichtigen.

Modellinterferenz

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, thermische Störungen zu modellieren, doch am häufigsten wird entweder die Lösung mit der unendlichen Linienquelle (ILS) oder der endlichen Linienquelle (FLS) verwendet, die auch zur Berechnung der g-Funktionen der einzelnen Bohrfeldbereiche herangezogen wird (siehe Teil 2.3). Beide Ansätze sind in GHEtool Cloud implementiert und werden im Folgenden erläutert, zunächst für den Fall der Wechselwirkung zwischen einzelnen Bohrlöchern und anschließend für die Wechselwirkung zwischen zwei verschiedenen Bohrfeldern mit mehreren Bohrlöchern.

Quelle für unendliche Zeilen

Das Modell der unendlichen Linienquelle geht davon aus, dass das Bohrloch eine unendlich lange Linie ist, was für tiefe Bohrlöcher und für benachbarte Systeme, die ausreichend weit voneinander entfernt sind, eine plausible Annahme darstellt. Der Hauptvorteil der Arbeit mit dieser unendlichen Linie besteht darin, dass dadurch das dreidimensionale Wärmediffusionsproblem auf ein relativ einfaches eindimensionales Problem reduziert wird, da entlang des Bohrlochs keine axialen Effekte auftreten und die Wärmeübertragung symmetrisch verläuft, wie unten dargestellt.

Der Temperatureffekt in einer Entfernung von $r$ vom Bohrloch und zu einer Zeit von $t$ kann wie folgt ausgedrückt werden:

$$\Delta T(r,t) = \frac{\dot{q}}{4\pi k_s}\cdot E_i \left(\frac{r^2c_v}{4k_s t} \right)$$

wo:

• $r$ ist der Abstand vom emittierenden Bohrloch in (m)
• $t$ ist die Zeit in (s)
• $\dot{q}$ ist die durchschnittliche spezifische Wärmeabgabe, die durch das Ungleichgewicht verursacht wird (W/m)
• $E_i$ ist die Exponentialintegralfunktion
• $k_s$ ist die thermische Leitfähigkeit des Bodens in (W/(mK))
• $c_v$ ist die volumetrische Wärmekapazität des Bodens in (J/(m³K))

Aus der obigen Gleichung geht klar hervor, dass die thermische Störung mit zunehmender Entfernung rasch abnimmt und dass der Effekt mit der Zeit zunimmt.

Endliche Linienquelle

Die endliche Linienquelle (FLS) berücksichtigt, wie der Name schon sagt, die tatsächliche Tiefe des Bohrlochs und eignet sich daher besser für genaue Berechnungen thermischer Interferenzen, wenn Bohrlöcher nahe beieinander liegen oder deutlich unterschiedliche Tiefen aufweisen. Dies liegt daran, dass das Problem nun dreidimensional bleibt und die Wärmeübertragung über die gesamte Bohrlochtiefe genauer berücksichtigt werden kann, was zu geringeren Interferenzen führt.

Der Unterschied zwischen den beiden Modellen lässt sich anhand des folgenden Beispiels anschaulich veranschaulichen. Stellen Sie sich zwei Bohrlöcher vor, von denen das eine 100 m und das andere 150 m tief ist und bei denen jeweils eine spezifische Wärmeentnahme von 10 W/m vorliegt. Unter der ILS-Annahme ist die thermische Beeinflussung von Bohrloch 1 auf Bohrloch 2 genauso groß wie die Beeinflussung von Bohrloch 2 auf Bohrloch 1, da ihre spezifischen Wärmeentnahmen identisch sind.

Bei einer endlichen Linienquelle fällt das Ergebnis anders aus. In diesem Fall ist die Interferenz vom längeren Bohrloch zum kürzeren größer als umgekehrt. Dies liegt daran, dass das flachere Bohrloch den Boden bis zu einer Tiefe von 100 m beeinflusst, während 50 m des anderen Bohrlochs weniger beeinflusst werden, was in diesem Fall zu einer insgesamt geringeren Interferenz führt.

Interferenz zwischen zwei Bohrfeldern

Die oben genannten Modelle beschreiben die thermische Wechselwirkung zwischen zwei einzelnen Bohrlöchern; daher sollten diese Methoden erweitert werden, um auch die Wechselwirkung zwischen einem Bohrloch und einem Bohrfeld oder zwei Bohrfeldern zu berücksichtigen. Stellen Sie sich beispielsweise den folgenden Fall eines Wohnbauprojekts vor, das aus drei Mehrfamilienhäusern besteht, von denen jedes über ein eigenes gemeinschaftliches Bohrfeld verfügt. Da die Bohrfelder recht nahe beieinander liegen, liegt es auf der Hand, dass sie sich gegenseitig erheblich beeinflussen.

Gleicher Energieaustausch

Ein erster Gedanke könnte sein, das gesamte Ungleichgewicht des Systems auf die verschiedenen Bohrlöcher im Feld zu verteilen. Auf diese Weise wissen wir, wie hoch der spezifische Wärmeaustausch jedes einzelnen Bohrlochs sein wird, und können einfach mit den bereits bekannten Methoden zur Interferenzberechnung zwischen den Bohrlöchern arbeiten und anschließend die Ergebnisse der verschiedenen Bohrlöcher addieren. Dies setzt jedoch voraus, dass alle Bohrlöcher im Bohrfeld den gleichen Beitrag zur Wärmeübertragung leisten, was nicht der Fall ist. Daher wird in GHEtool ein genaueres Modell implementiert.

Verschiedene Bohrlochbeiträge

Nicht jedes Bohrloch im Bohrfeld leistet denselben Beitrag zum Wärmeaustausch des gesamten Feldes. Stellen Sie sich ein quadratisches Bohrfeld mit 10×10 Bohrlöchern vor (siehe Abbildung unten). Es sollte klar sein, dass die Bohrlöcher am Rand mehr Energie mit der Umgebung austauschen als diejenigen, die in der Mitte liegen. Dies bedeutet, dass bei der Betrachtung der thermischen Wechselwirkung zwischen Bohrlochpaaren dieser Unterschied berücksichtigt werden muss.

Um die endgültige Interferenz zwischen den Bohrfeldern zu berechnen, wird daher ein neuer vierstufiger Ansatz verwendet:

1. Berechnen Sie die g-Funktion eines jeden Bohrlochs. (Dieser Schritt ist bei jeder Bohrlochsimulation identisch).
2. Berechnen Sie den Anteil jedes Bohrlochs an der gesamten Wärmeübertragung.
3. Verteilen Sie das Ungleichgewicht auf die verschiedenen Bohrlöcher, gewichtet nach den einzelnen Beiträgen.
4. Berechnen Sie die Interferenz zwischen den Bohrlöchern, basierend auf der gewichteten Summe aller Bohrloch-zu-Bohrloch-Interaktionen.

Eine weitere Möglichkeit, die unterschiedlichen Beiträge im Bohrlochfeld zu veranschaulichen, besteht darin, die normierte Wärmeentzugsrate (bzw. die entsprechende Wärmeeinleitungsrate) für die verschiedenen Bohrlöcher zu betrachten. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Hier ist deutlich zu erkennen, dass die Bohrlöcher, die näher am Rand des Bohrfeldes liegen, einen größeren Anteil am Wärmeübergang haben als die inneren. Es ist außerdem ersichtlich, dass der Wärmeübergang zum oberen und unteren Rand des Bohrfeldes hin größer ist. Genau das ist der Effekt, der sich aus der Verwendung der genaueren FLS-Annahme ergibt.

Die obige Grafik wurde unter der Annahme einer gleichmäßigen Temperaturverteilung an der Bohrlochwand erstellt. Weitere Informationen finden Sie bei Peere und Cimmino (2026).

Betrachten wir nun, wie sich die Interferenz bei GHEtool Cloud berechnen lässt.

Störungen bei GHEtool

Im Folgenden werden die verschiedenen Eingabeparameter für die Interferenzberechnung erläutert.

In der obigen Abbildung sind die allgemeinen Einstellungen für die Interferenzberechnung dargestellt. Die abgefragten Parameter (wie die Wärmeleitfähigkeit, die Simulationsdauer und die volumetrische Erdwärmekapazität) werden von den Linienquellenmodellen benötigt, um die thermische Wechselwirkung mit dem Erdreich zu berechnen.

Die maximal zulässige Störung fließt zwar nicht direkt in die Berechnungen ein, dient jedoch als visuelle Orientierungshilfe. Alle Werte, die unter dem hier angezeigten Wert liegen, werden in den Ergebnissen rot dargestellt.

Für die Interferenzregelung gibt es zwei Optionen: die allgemeine (die für alle Länder gilt) und eine für die Niederlande. Der Grund dafür ist, dass in den Niederlanden nicht der saisonale Leistungsfaktor (SPF) für Heizung und Kühlung verwendet wird, sondern der SPF des gesamten Systems sowie der SPF für die Kühlung. Alle anderen Regionen arbeiten einfach mit dem SCOP für Heizung und Warmwasserbereitung sowie dem SEER für Kühlung.

Wenn auf der Registerkarte ‘Allgemein’ ein Konturdiagramm ausgewählt ist, kann die Referenzkoordinate durch Klicken auf ‘Karte festlegen’ festgelegt werden.

Als Nächstes sollten alle verschiedenen Systeme für die Interferenzberechnung eingegeben werden. Dies kann entweder durch Hinzufügen eines Systems erfolgen, wobei Sie die Möglichkeit haben, Bohrfelder einzeln hinzuzufügen, oder durch Verknüpfung eines anderen Szenarios, wodurch alle Informationen aus dem anderen Szenario automatisch übernommen werden. Diese letzte Option hat den Vorteil, dass sich bei Änderungen an Ihrem Entwurf auch die Kollisionsberechnung automatisch anpasst, wodurch das Risiko, mit veralteten Daten zu arbeiten, minimiert wird.

Wenn Sie beispielsweise die Interferenzen für ein ganzes Stadtviertel berechnen möchten, ist es einfacher, alle Systeme direkt über eine *.csv-Datei zu importieren. Die Anzahl der Systeme, die Sie auf diese Weise importieren können, ist unbegrenzt. Für Nutzer aus den Niederlanden besteht die Möglichkeit, Systeme direkt aus der WKOtool.

GHEtool ist direkt mit WKOtool verknüpft und enthält daher stets die aktuellsten Bohrlöcher. Wenn Sie im Tool eine Adresse eingeben oder einen Standort auf der Karte auswählen, werden alle Bohrlöcher in einem Umkreis von 120 m (blau) sowie alle größeren (>70 kW) geothermischen Anlagen in einem Umkreis von 350 m (orange) markiert. Befinden sich offene Anlagen in der Nähe, wird eine Warnmeldung angezeigt.

GHEtool kann alle aktuellen Systeme automatisch aus dem WKOtool importieren, ältere Systeme können jedoch gelegentlich Probleme verursachen. Dies liegt daran, dass früher im WKOtool nur der geometrische Mittelpunkt eingegeben wurde; wenn das Bohrfeld mehr als 6 Bohrlöcher umfasst, kann dieser für die Kollisionsberechnung nicht verwendet werden. In diesem Fall müssen Sie sich an die örtlichen Behörden wenden, um die tatsächlichen Bohrlochkoordinaten für die Simulation zu erhalten.

Bei neueren Systemen werden alle einzelnen Bohrlöcher in das WKOtool eingegeben, sodass sie als solche importiert werden können.

Bitte beachten Sie, dass nicht alle Angaben aus dem WKOtool korrekt sind und dass Sie die importierten Ergebnisse stets auf Fehler überprüfen sollten (z. B. einen unrealistisch niedrigen Heiz-/Kühlbedarf).

Beispiel

Um die Leistungsfähigkeit des Interferenzmoduls zu veranschaulichen, werden zwei verschiedene Fälle untersucht: einer mit drei Mehrfamilienhäusern auf demselben Projektgelände und einer mit 20 Einfamilienhäusern in einer Wohnsiedlung.

Drei benachbarte Wohnblocks

Der erste Fall, in dem die gegenseitige Beeinflussung eine Rolle spielt, ist der der drei nahe beieinander liegenden Wohnbauten. Ihre drei Bohrfelder sind ebenfalls unten dargestellt.

Um dieses Problem anzugehen, erstellen Sie in GHEtool für jedes Gebäude bzw. jedes Bohrfeld ein eigenes Szenario und dimensionieren das Bohrfeld in diesem Szenario wie gewohnt. Anschließend erstellen Sie eine neues Szenario insbesondere für die Interferenzberechnung, bei der Sie die verschiedenen Szenarien wie unten dargestellt miteinander verknüpfen.

Betrachtet man die Ergebnisse, so wird aus der Konturkarte deutlich, dass nach 25 Jahren eine erhebliche Interferenz zwischen den verschiedenen Systemen auftritt.

Vergleicht man die obige Abbildung mit dem Bild nach nur zwei Jahren, wird in der Tat deutlich, dass die Interferenzen für den langfristigen Betrieb des Bohrfeldes von Bedeutung sind. In diesem kurzen Zeitfenster sind keine Interferenzen zwischen den verschiedenen Systemen zu erkennen.

In der Tabelle wird die Beeinflussung zwischen den drei verschiedenen Systemen quantifiziert. Dabei wird System 1 (unser erstes Bohrfeld für Gebäude A) durch das zweite Bohrfeld um -0,36 °C und durch das dritte System um -0,44 °C beeinflusst. Daher wird unser erstes Bohrfeld nach 25 Jahren um 0,8 °C kälter sein als ursprünglich vorgesehen.

Wenn Sie sicherstellen möchten, dass Ihre Medientemperaturen innerhalb der Grenzwerte bleiben, müssen Sie nun zu den einzelnen Bohrfeldern zurückkehren und die Störung zur minimal zulässigen Medientemperatur hinzurechnen. In unserem Fall wurden also alle Bohrfelder mit einer minimalen Einlassflüssigkeitstemperatur von 0 °C ausgelegt; nun sollten diese Werte mindestens 0,8 °C, 0,54 °C und 0,59 °C betragen, um die langfristige Temperaturdrift aufgrund des Ungleichgewichts zu berücksichtigen.

Daraus folgt, dass unser erstes Bohrfeld 36 statt 32 Bohrlöcher haben sollte, das zweite 24 statt 22 und Gebäude C ebenfalls ein Bohrfeld mit 24 statt 22 Bohrlöchern. Das sich daraus ergebende Temperaturprofil von Gebäude A nach Korrektur der Interferenz ist unten dargestellt.

Anschließend kann die Interferenz neu berechnet werden, woraus sich ergibt, dass der Temperatureinfluss der Interferenz nun geringer ist als die Sicherheitsmarge, die bei der Konstruktion einkalkuliert wurde, sodass man sicher sein kann, dass die Temperaturgrenzwerte eingehalten werden.

Wohnviertel mit 20 Häusern

Ein weiteres Beispiel ist der Bau eines neuen Wohnviertels mit 20 Häusern, die jeweils über eigene geothermische Bohrlöcher verfügen. Zwar ist es möglich, jedes System in GHEtool als eigenes Szenario einzugeben und diese dann entsprechend mit der Interferenzberechnung zu verknüpfen, doch kann die Einrichtung dieses Vorgehens recht zeitaufwendig sein.

Daher besteht die Möglichkeit, die Szenarien direkt aus einer CSV-Datei in GHEtool zu importieren. Diese Datei (ein Beispiel kann am Ende dieses Kapitels heruntergeladen werden) sollte die folgenden Spalten enthalten:

• Neues/bestehendes System
• Name des Systems
• X-Koordinate des Bohrlochs
• Y-Koordinate des Bohrlochs
• Gesamtsystemlänge
• Bohrlochtiefe
• Heizbedarf
• Kühlbedarf
• SCOP-Heizung
• SEER-Kühlung
• Warmwasserbedarf
• SCOP Warmwasser

Im folgenden Video wird die thermische Interferenz zwischen den verschiedenen Systemen für das erste bis zum 25. Jahr dargestellt. Hier ist zu erkennen, wie sich die Interferenz im Laufe der Jahre entwickelt und sich nach 25 Jahren zu einem Bereich thermischer Interferenz von -0,2 °C ausweitet. Am Ende wird die Situation nach 25 Jahren gezeigt.

Fazit

In diesem Kapitel wird das Konzept der thermischen Wechselwirkung zwischen benachbarten Systemen erläutert. So wie sich verschiedene Bohrlöcher innerhalb desselben Bohrfeldes gegenseitig beeinflussen, so beeinflussen sich auch Bohrlöcher verschiedener Systeme gegenseitig.

Es wurden zwei Methoden zur Berechnung der Interferenz erörtert: die unendliche Linienquelle und die endliche Linienquelle, wobei die erste Methode die schnellste ist und sich für tiefe Bohrlöcher eignet, die relativ weit voneinander entfernt sind, während die zweite Methode aufgrund des dreidimensionalen Ansatzes bei der Wärmeübertragung insgesamt die genaueste ist. Außerdem wurde erörtert, wie diese Methoden zur Modellierung der Interferenz zwischen zwei Bohrlöchern erweitert werden können, um die Interferenz zwischen verschiedenen Bohrfeldern zu modellieren.

Es wurde gezeigt, dass ein Bohrfeldentwurf unter Berücksichtigung von Interferenzen aus einem schrittweisen Vorgehen besteht, bei dem zunächst das Bohrfeld isoliert dimensioniert wird und anschließend die Interferenzen berechnet werden. In einem dritten Schritt werden die Interferenzen zu den Temperaturschwellenwerten des Bohrfeldes addiert, sodass der neue Entwurf auch nach Berücksichtigung der Interferenzen noch gültig ist.

Dieser Interferenzeffekt ist daher bei der Auslegung einer Gruppe einzelner Systeme von großer Bedeutung. Im nächsten Kapitel wird das Konzept der Gleichzeitigkeit behandelt, das bei der kollektiven geothermischen Lösung eine Rolle spielt.

Literaturverzeichnis

• Groenholland. (2020). ITGBES, Interferenz-Tool für geschlossene Bodenenergiesysteme. Bericht GHNL 180760. Groenholland Geo-energiesystemen. Amsterdam. Online hier [zuletzt aufgerufen: 17.09.2026]
• Peere, W., Cimmino, M. (2026). Thermische Interferenzen zwischen flachen geothermischen Bohrfeldern: Ein Vergleich analytischer Methoden. In den Tagungsbänden des Geothermiekongresses (DGK), 20.–22. Oktober, Potsdam, Deutschland.
• Gesetzgebung in den Niederlanden: BRL11000 Protokoll 11001 (Seite 61–62)
• Rechtsvorschriften in der Schweiz: SIA 384/6 § 3.1.1.2
• Cimmino, M., Bernier, M. (2014). Ein semi-analytisches Verfahren zur Ermittlung von g-Funktionen für geothermische Bohrfelder. Internationale Zeitschrift für Wärme- und Stoffübertragung, 70, 641-650.

Fragen

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