Die genaue Dimensionierung des Bohrlochs hängt in hohem Maße von den richtigen Bodeneigenschaften ab. Da geothermische Energiesysteme durch den Austausch von Energie mit dem Boden funktionieren, ist die Beschaffung präziser Bodendaten für ein gut geplantes System unerlässlich. In diesem Artikel gehen wir auf die wichtigsten Bodenparameter ein, die für die Berechnungen in GHEtool Cloud benötigt werden.
Bodeneigenschaften
Es gibt viele Möglichkeiten, den Boden geologisch zu klassifizieren, z. B. Korngröße, chemische Zusammensetzung oder mineralogische Merkmale. Für die Planung von Bohrfeldern sind jedoch nur zwei Schlüsselparameter sind erforderlich:
- Wärmeleitfähigkeit - wie gut der Boden die Wärme leitet
- Volumetrische Wärmekapazität - wie gut der Boden Wärme speichert
Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie gut der Boden die Wärme leitet. Bohrfelder stehen sowohl mit dem Boden zwischen den Bohrlöchern als auch mit dem umgebenden unendlichen Boden in Wechselwirkung. Ein Bohrloch mit höherer Wärmeleitfähigkeit ermöglicht einen effizienteren Wärmeaustausch mit seiner Umgebung.
Bei Bohrfeldern mit einem hohen Ungleichgewicht ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit von Vorteil, da sie dazu beiträgt, überschüssige Wärme an die Umgebung abzugeben, wodurch das Ungleichgewicht weniger bedeutend wird. (Wenn Sie unseren Artikel über Bohrlochquadranten noch nicht gelesen haben, können Sie ihn hier nachlesen hier.)
Volumetrische Wärmekapazität
Die volumetrische Wärmekapazität beschreibt, wie gut der Boden Wärme speichern kann. Sie stellt die Energiemenge dar, die erforderlich ist, um die Bodentemperatur um 1°C zu erhöhen, und kann als die Fähigkeit des Bohrlochs betrachtet werden, als Wärmebatterie zu fungieren.
Wenn bei einem Bohrloch der jährliche Bedarf an Entnahme und Einspeisung annähernd gleich ist, ist eine hohe volumetrische Wärmekapazität wünschenswert, so dass das Bohrloch als saisonaler Wärmespeicher (STES) dienen kann. In solchen Fällen ist auch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit von Vorteil, da sie den Wärmeverlust an die Umgebung minimiert.
Beispielhafte Daten
Die Bodeneigenschaften variieren je nach Projektstandort erheblich. Im Folgenden finden Sie ein Beispiel aus der Literatur, das die Wärmeleitfähigkeit und die volumetrische Wärmekapazität für verschiedene Boden- und Gesteinsarten zeigt.
Ein paar wichtige Beobachtungen:
- Die Bandbreite der Wärmeleitfähigkeit variiert selbst innerhalb ein und desselben Bodentyps stark. Dies ist auf geologische Unterschiede innerhalb jeder Kategorie zurückzuführen, die sich auf die Bodeneigenschaften auswirken.
- Bei körnigen Böden (z. B. Kies, Sand, Schluff und Ton) werden die thermischen Eigenschaften erheblich von der Wassersättigung beeinflusst. Die Räume zwischen den Bodenpartikeln können entweder mit Luft (einem Isolator) oder mit Wasser (das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität hat) gefüllt sein. Infolgedessen haben wassergesättigte Böden eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit als trockene Böden.
!Hinweis
Daten über Bodeneigenschaften sind in hohem Maße fall- und ortsspezifisch. In vielen Fällen kann es schwierig sein, genaue Daten zu erhalten, insbesondere über den Grad der Wassersättigung. Die genauesten Informationen erhalten Sie von den örtlichen geologischen Instituten oder Behörden. Zusätzlich können In-situ-Messungen mit Hilfe von Thermal Response Tests (TRTs) zuverlässige Daten über die Bodeneigenschaften liefern.
Temperatur am Boden
Ein weiterer entscheidender Parameter bei der Bohrfeldplanung ist die Bodentemperatur. Diese wird in der Regel unter der Annahme einer konstanten Oberflächentemperatur und eines festen geothermischen Temperaturgradienten mit zunehmender Tiefe geschätzt.
!Hinweis
Dieser Temperaturgradient ist das Ergebnis des geothermischen Wärmeflusses vom Erdkern zur Erdkruste. Er ist jedoch nicht gleichmäßig über den Globus verteilt, da einige Regionen einen höheren oder niedrigeren geothermischen Gradienten aufweisen, was sich auf die Bodentemperatur auswirkt.
GHEtool verwendet diese Bodentemperaturverteilung, um die durchschnittliche Bodentemperatur entlang des Bohrfeldes zu berechnen, die dann für die Temperaturberechnungen verwendet wird.
Städtischer Wärmeinseleffekt
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 an, wenn eine Stadt auf dem Boden 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 aufheizt. Im Laufe der Zeit dringt diese erhöhte Temperatur in den Boden ein und bildet einen ‘Temperaturfleck’, der bis zu 100 m tief reichen kann.
!Vorsicht
Diese Temperaturstörung ist besonders wichtig für Gebäude mit hohem Kühlbedarf. Traditionell werden die Erkenntnisse aus den Bohrfeldquadranten (lesen Sie den Artikel hier) deuten darauf hin, dass eine tiefere Bohrung für die Kühlung nicht von Vorteil ist, aber in einigen städtischen Gebieten kann eine tiefere Bohrung tatsächlich notwendig sein, um kühlere Bodentemperaturen für eine effiziente Kühlung zu erreichen.
Da die Bodentemperatur immer mit einer gewissen Unsicherheit behaftet ist, wird - insbesondere bei großen Projekten - dringend empfohlen, einen Thermal Response Test (TRT) durchzuführen, um die anfängliche, ungestörte Bodentemperatur zu messen. (Bleiben Sie dran für einen kommenden Artikel über TRTs!)
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 sicherste Art, Ihre Bodendaten einzugeben, ist die Verwendung der Schichtoption in GHEtool Cloud. Hier können Sie Ihre Bodeneigenschaften Schicht für Schicht zusammen mit der Schichtdicke eingeben. Anhand dieser Informationen kann GHEtool die korrekten thermischen Eigenschaften für jeden Entwurf auf der Grundlage Ihrer Bohrlochtiefe (Erdreich) berechnen.
!Hinweis
Für die Nutzung von überlagerten Bodendaten benötigen Sie die Lizenz ‘Design’ von GHEtool Cloud. Weitere Informationen finden Sie auf unserer Preisseite.
Homogene Daten
Wenn Sie eine schnelle Berechnung durchführen müssen, kann die Eingabe aller Bodenschichten recht zeitaufwändig sein. Daher ist es möglich, den Boden unter der Annahme der Homogenität einzugeben. In diesem Fall geben Sie einfach einen Wert für die Wärmeleitfähigkeit und die volumetrische Wärmekapazität des Bodens ein, der für alle Bohrfeldgrößen verwendet wird.
!Vorsicht
Die eingegebenen homogenen Daten sind immer ein Mittelwert aus mehreren Bodenschichten für eine bestimmte Tiefe. Wenn Sie ein Bohrfeld mit einer anderen Bohrlochtiefe verwenden als die, die zur Berechnung dieser Durchschnittsparameter verwendet wurde, können die Ergebnisse ungenau sein. Wenn Sie also die Bohrlochtiefe ändern (oder mit der Option ‘Erforderliche Bohrlochtiefe berechnen’ berechnen lassen), müssen Sie unbedingt Ihre Bodeneigenschaften überprüfen.
Fazit
In diesem Artikel wurden die Bodeneigenschaften als kritischer Eingangsparameter bei der geothermischen Planung erörtert. Um möglichst genaue Ergebnisse zu erzielen, ist es am besten, möglichst genaue Bodendaten zu erhalten. Für größere Projekte wird ein Thermal Response Test (TRT) dringend empfohlen, um die Bodeneigenschaften direkt vor Ort zu messen. Bleiben Sie dran für einen kommenden Artikel über TRTs und deren Einsatz bei der Bohrfelddimensionierung!
Literaturverzeichnis
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- Sehen Sie sich unsere Videoerklärung auf unserer YouTube-Seite an, indem Sie klicken hier.
- Bodeneigenschaften für Belgien: smartgeotherm oder DOV tugendhaft langweilig (Flandern).
- Grundbesitz für Frankreich: BRGM.
- Bodeneigenschaften für Deutschland: GeotIS.