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Die Messung der Untergrundparameter erhöht die Planungsgenauigkeit und senkt damit das Investitionsrisiko. So ist die Durchführung eines Temperatur-Logs und eines Thermal Response Tests oftmals schon bei Erdwärme-Anlagen > 30 kW sinnvoll. Im Ergebnis der Testarbeiten kann die Planung bis zur Ausschreibungsreife präzisiert werden.

Da geothermische Testarbeiten meist an fertig installierten Erdwärme-Sonden ausgeführt werden, sind entsprechende Pilotbohrungen notwendig. Diese stellen jedoch im Falle der anschließenden Realisierung des Projekts keine Mehrkosten dar, weil sie uneingeschränkt in das spätere Sondenfeld integriert werden können. Bei den Testarbeiten unterscheiden wir Tests zur Bestimmung von Untergrundparametern (Thermal Response Tests, Temperatur-Logs, Pumpversuche) sowie Tests zur Qualitätsprüfung und Bauabnahme von Erdwärmesonden (externe Druckprüfung).

Thermal Response Test

Ermittlung der Untergrundparameter für effizientere Erdwärmeanlagen

Für die Auslegung mittlerer bis großer Erdwärme-Anlagen, ab ca. 600 Gesamtbohrmeter bzw. 30 kW geplanter Entzugsleistung (Energiebedarf), reicht es oft nicht aus auf Erfahrungswerte  und „Faustformeln“ zur Dimensionierung zurückzugreifen. Dies liegt auch daran, dass bei größeren Projekten umfassende Leistungen wie Heizen, Kühlen oder auch mittelfristige Energiespeicherung gefordert sind. Jedoch existieren zum Teil enorme Schwankungen der Wärmeleitfähigkeit der Gesteine. Man kann erkennen, dass auch bei gleicher Gesteinsart die physikalischen Eigenschaften regional stark schwanken können. Diese Eigenschaften sind jedoch wichtige Faktoren für die fachgerechte Auslegung und den optimalen Betrieb einer Erdwärme-Anlage. Es wird deutlich, dass die spezifische Entzugsleistung - wieviel Erdwärme dem Boden entzogen werden kann - von den vorhandenen Standortbedingungen abhängt.

Um diese Faktoren bestimmen zu können, steht der geoENERGIE Konzept GmbH als Hilfsmittel für die Auslegung von Erdwärme-Sonden der Thermal Response Test (TRT) bzw. Geothermal Response Test zur Verfügung. Beim Thermal Response Test (TRT) wird über einen festgelegten Zeitraum (meist 72 Stunden) eine definierte Wärmemenge über die Erdwärme-Sonde auf das umgebende Gestein übertragen und die entsprechende „Antwort" (thermal response) gemessen.

Aus den Messkurven können exakte gesteinsspezifische Parameter (Wärmeleitfähigkeit) für den Standort und für die Erdwärme-Sonde (Bohrlochwiderstand) ermittelt werden. Diese sind wiederum wichtige Eingangsgrößen für Simulationsprogramme wie EED und EWS. Mit dem Thermal Response Test (TRT) können außerdem Angaben zur mittleren Untergrundtemperatur sowie zur tatsächlichen Einbautiefe der Erdwärme-Sonde gemacht werden.

Prinzip des Thermal Response Tests

Bestimmung der wichtigsten Eingangsparameter im Simulationsprogramm EED – Earth Energy Designer

Der Thermal Response Test (TRT) - auch als Geothermal Response Test bezeichnet - ist ein international bewährtes Verfahren zur Bestimmung thermischer Untergrundparameter. Dabei wird eine fertig ausgebaute Erdwärme-Sonde mit einem definierten Wärmeeintrag über einen Zeitraum von meist 72 Stunden belastet und somit der Untergrund zu einer Temperaturantwort ("response") angeregt. Diese Reaktion ist charakteristisch für dort anstehende Gesteine und lässt die Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit im weiteren Umfeld der Sonde zu.

Zusätzlich können die ungestörte Untergrundtemperatur und der thermische Bohrlochwiderstand mit dem Test bestimmt werden. Diese drei spezifischen Werte sind die wichtigsten Eingangsparameter in Simulationsprogrammen (wie beispielsweise "EED" Earth Energy Designer) zur Berechnung des thermischen Verhaltens von Erdwärme-Sondenfeldern. Die für den Test benötigte Pilotbohrung mit Erdwärme-Sonde kann später in das Sondenfeld integriert werden. Ihnen entstehen also bei anschließender Realisierung des Projektes keine Mehrkosten.

Die Ergebnisse eines Thermal Response Test sind unbedingte Voraussetzung für die Konzeption der Erdwärme-Sondenfelder bei Anlagen > 30 kW (siehe VDI 4640). Die Gesamtbohrmeter als wichtigster Investitions-Kostenfaktor können in Abhängigkeit der jeweiligen Untergrundeigenschaften klar festgelegt werden. Somit ist in vielen Fällen eine technische und finanzielle Optimierung der Erdwärme-Anlage sowie eine Gewährleistung der erforderlichen Wärme- und Kälteleistung möglich.

Weitere geothermische Testarbeiten

An fertig eingebauten Erdwärme-Sonden mit einem Mindestdurchmesser von 32 mm (also der Standardsonde) können tiefendiskrete Temperaturprofile gemessen werden. Dadurch können Rückschlüsse auf die Ergiebigkeit einzelner Schichten bzw. auf die Eignung zum Heizen & Kühlen gezogen werden. Wichtig ist, dass ein ausreichender Zeitraum zwischen Verpressung des Bohrlochs und Messung einzuhalten ist, damit die Abbindewärme des Zementanteils die Ergebnisse nicht verfälscht.

Am vorliegenden Beispiel zeigt sich, dass der für den Heizbetrieb eigentlich „wertvolle“ Teil der Bohrung erst ab ca. 85 m Tiefe beginnt, denn erst hier erfolgt eine deutliche Temperaturzunahme. Würde die Kühlung im Vordergrund der späteren Nutzung stehen, so wären Bohrtiefen bis etwa 85 m sinnvoller.

Die Verpressung von Bohrlöchern bei Erdwärmesonden sorgt in jüngster Zeit für rege Diskussionen in der Branche. Dabei stehen Aspekte des Grundwasserschutzes im Vordergrund. Jedoch spielt die Beschaffenheit des Verpressmaterials und die Qualität des Verpressvorgangs auch eine wichtige Rolle bei der Effizienz der Anlagen. Mit der Ermittlung des thermischen Bohrlochwiderstands steht ein Parameter zur Verfügung, der eine Bewertung der Güte der Verpressung vor dem Hintergrund der Effizienz des Gesamtsystems zulässt.

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An fertig eingebauten Erdwärme-Sonden mit einem Mindestdurchmesser von 32 mm (also der Standardsonde) können tiefendiskrete Temperaturprofile gemessen werden. Dadurch können Rückschlüsse auf die Ergiebigkeit einzelner Schichten bzw. auf die Eignung zum Heizen & Kühlen gezogen werden. Wichtig ist, dass ein ausreichender Zeitraum zwischen Verpressung des Bohrlochs und Messung einzuhalten ist, damit die Abbindewärme des Zementanteils die Ergebnisse nicht verfälscht.

Am vorliegenden Beispiel zeigt sich, dass der für den Heizbetrieb eigentlich „wertvolle“ Teil der Bohrung erst ab ca. 85 m Tiefe beginnt, denn erst hier erfolgt eine deutliche Temperaturzunahme. Würde die Kühlung im Vordergrund der späteren Nutzung stehen, so wären Bohrtiefen bis etwa 85 m sinnvoller.

Die Verpressung von Bohrlöchern bei Erdwärmesonden sorgt in jüngster Zeit für rege Diskussionen in der Branche. Dabei stehen Aspekte des Grundwasserschutzes im Vordergrund. Jedoch spielt die Beschaffenheit des Verpressmaterials und die Qualität des Verpressvorgangs auch eine wichtige Rolle bei der Effizienz der Anlagen. Mit der Ermittlung des thermischen Bohrlochwiderstands steht ein Parameter zur Verfügung, der eine Bewertung der Güte der Verpressung vor dem Hintergrund der Effizienz des Gesamtsystems zulässt.

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