In-situ-Messungen, z. B. mit einem Thermal Response Test (kurz TRT), sind ein wesentlicher Bestandteil der geothermischen Bohrfeldplanung. In unserem heutigen Artikel stellen wir eine neue Funktion vor, mit der diese TRTs direkt in GHEtool Cloud analysiert werden können. Dies vereinfacht Ihren Planungsprozess und macht es einfacher als je zuvor, Bohrfelder mit Vertrauen zu planen.
Was ist ein Thermal Response Test (TRT)?
Wenn für ein bestimmtes Projekt keine Informationen über die thermischen Eigenschaften des Bodens vorliegen, empfiehlt es sich, diese an Ort und Stelle mit einem Thermal Response Test zu messen. Mit diesem Test lassen sich die Wärmeleitfähigkeit des Bodens, der effektive thermische Widerstand des Bohrlochs und die ungestörte Bodentemperatur berechnen.
Für diese Messung wird ein Bohrloch in der gleichen Weise wie für das eigentliche Projekt erstellt (gleicher Durchmesser, Tiefe, einfaches oder doppeltes U usw.). Nach einigen Tagen, wenn sich das Bohrloch wieder im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung befindet, kann die Messung beginnen.
Für die Messung selbst wird ein Datenlogger zusammen mit einem Heizelement an das Bohrloch angeschlossen. Nach einer anfänglichen Periode, in der die Flüssigkeit durch das Bohrloch zirkuliert (um die anfängliche, ungestörte Bodentemperatur zu messen), wird das Heizelement eingeschaltet und die Einlass- und Auslassflüssigkeitstemperaturen werden gemessen. Diese Messung wird über einen Zeitraum von 48 bis 72 Stunden (oder manchmal sogar länger) durchgeführt, um die anfänglichen Einschwingvorgänge zu überwinden.
!Hinweis
Mit einem TRT wollen wir sowohl die Wärmeleitfähigkeit des Bodens als auch den effektiven thermischen Widerstand des Bohrlochs messen. Um dies zu erreichen, ist ein konstanter Wärmestrom durch das Bohrloch zum Boden erforderlich. Zunächst wird diese Wärme jedoch durch die thermische Trägheit der Flüssigkeit und des Bodens absorbiert, und erst nach zehn oder mehr Stunden wird die Energie tatsächlich an den Boden übertragen. Dieser Zeitraum wird als Einschwingphase bezeichnet und wird bei der Analyse der TRT-Messung traditionell nicht berücksichtigt.
Analyse eines TRT in GHEtool Cloud
Obwohl es viele verschiedene Modelle zur Analyse eines TRT gibt, ist das am häufigsten verwendete das Modell der unendlichen Linienquelle (ILS), das von Gehlin (2002) entwickelt wurde. Diese Methode geht davon aus, dass das Bohrloch als eine unendlich lange Linie dargestellt werden kann, die mit dem umgebenden Boden interagiert. Dieses Modell ist derzeit in GHEtool Cloud implementiert.
!Hinweis
Für weitere Informationen über die Mathematik der unendlichen Linienquelle wird der Leser verwiesen auf dieser Artikel.
Im Folgenden werden sowohl die allgemeinen Einstellungen für das Modell als auch die Messdaten erörtert.
Allgemeine Einstellungen
Neben den Messdaten sind für die Durchführung der Analyse einige Eingabeparameter erforderlich:
- Volumetrische Wärmekapazität des Bodens
Um die Wärmeleitfähigkeit des Bodens mit einem TRT zu berechnen, ist eine Schätzung der volumetrischen Wärmekapazität erforderlich. Dies kann auf der Grundlage der Geologie am Projektstandort und unter Verwendung von Tabellen mit allgemeinen thermischen Eigenschaften erfolgen, wie sie in unserem Artikel über Grunddaten. - Bohrlochdurchmesser und Bohrlochlänge
Da das ILS-Modell die spezifische Wärmezufuhr (d. h. die Menge der mit dem Boden ausgetauschten Energie pro Längeneinheit) verwendet, werden sowohl die Bohrlochlänge als auch der Bohrlochdurchmesser benötigt. - Ungestörte Bodentemperatur
Wie bereits erwähnt, kann die Flüssigkeit vor Beginn der eigentlichen TRT-Messung durch das Bohrloch zirkulieren, ohne das Heizelement einzuschalten. Dadurch kann der Benutzer die anfängliche ungestörte Bodentemperatur bestimmen, die für die Analyse des TRT benötigt wird.
Messdaten
Je nach verwendetem Datenlogger kann der erfasste Datensatz etwas anders aussehen (einige TRT-Geräte messen z. B. auch die Durchflussmenge und den Druckabfall durch das System). Die Informationen, die auf die eine oder andere Weise immer bereitgestellt werden sollten, sind:
- Zeit
Zur Durchführung der Analyse wird eine Zeitreihe (in Sekunden) benötigt. - Strom
Es ist wichtig zu wissen, welche (konstante) Leistung in den Boden eingespeist wird. Diese Leistung kann entweder manuell als Konstante eingegeben werden oder, wenn sie im gemessenen Datensatz enthalten ist, daraus extrahiert werden. - Temperatur der Flüssigkeit
Um zu verstehen, wie das Bohrloch auf die eingespeiste Energie reagiert, ist die Messung der Flüssigkeitstemperatur erforderlich. Dies kann durch die Angabe der Einlass- und Auslasstemperaturen oder durch die direkte Verwendung der durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur erfolgen.
!Hinweis
Es ist wichtig, dass bei der Analyse des TRT nur das stationäre Verhalten berücksichtigt wird und die ersten Stunden der Messung unberücksichtigt bleiben. Dies kann entweder durch manuelles Löschen der Zeilen in der CSV-Datei oder durch Verwendung des ‘Startindex’-Wertes in GHEtool geschehen, um den Punkt festzulegen, an dem die TRT-Messungen als stationär betrachtet werden.
Ergebnis der TRT-Analyse
Die TRT-Analyse ist recht einfach und liefert sowohl die Wärmeleitfähigkeit des Bodens als auch den effektiven thermischen Widerstand des Bohrlochs. Darüber hinaus werden die Messdaten und die lineare Regression angezeigt, so dass Sie überprüfen können, wie gut das Modell mit den Messungen übereinstimmt. Wenn die Regression beispielsweise im ersten Teil der Messung abweicht, könnte dies darauf hindeuten, dass sich das Bohrloch nicht vollständig im stationären Zustand befand, und es wird empfohlen, den Startindex zu erhöhen (siehe vorheriger Abschnitt).
Fazit
TRTs sind ein entscheidender Teil des Planungsprozesses für oberflächennahe geothermische Bohrfelder, insbesondere wenn wenig über die thermischen Eigenschaften des Bodens oder des Bohrlochs bekannt ist. Von heute an ist es möglich, die Messungen aus diesem Test direkt in GHEtool Cloud zu analysieren, was Ihnen hilft, Ihren Planungsprozess zu rationalisieren, Zeit zu sparen und bessere Bohrfelder zu entwerfen.
Literaturverzeichnis
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