Die stark steigende Nachfrage nach erdgekoppelten Wärmepumpen und Erdwärmesonden-Speichern zum Heizen und Kühlen erfordert verstärkte Anstrengungen im Bereich der Qualitätssicherung bei Planung und Bau der Wärmepumpenanlagen um eine umweltgerechte und nachhaltige Entwicklung zu gewährleisten. Zum kombinierten Heizen und Kühlen werden heute schon größere Erdwärmesondenfelder realisiert, bei denen man bereits von einem Wärme-/Kältespeicher sprechen kann. Dabei bestimmen vor allem die Gegebenheiten des Standortes, wie z.B. die Geologie, Hydrogeologie und die lokalen Platzverhältnisse, die optimale Auswahl der Technik und deren Effizienz.

Grundlage

Die stark steigende Nachfrage nach erdgekoppelten Wärmepumpen und Erdwärmesonden-Speichern zum Heizen und Kühlen erfordert verstärkte Anstrengungen im Bereich der Qualitätssicherung bei Planung und Bau der Wärmepumpenanlagen um eine umweltgerechte und nachhaltige Entwicklung zu gewährleisten. Zum kombinierten Heizen und Kühlen werden heute schon größere Erdwärmesondenfelder realisiert, bei denen man bereits von einem Wärme-/Kältespeicher sprechen kann. Dabei bestimmen vor allem die Gegebenheiten des Standortes, wie z.B. die Geologie, Hydrogeologie und die lokalen Platzverhältnisse, die optimale Auswahl der Technik und deren Effizienz.
Der Thermal Response Test (TRT) hat sich in diesem Zusammenhang in den letzten Jahren zu einem wichtigen Instrument zur Standorterkundung für Erdwärmesonden und damit zur Qualitätssicherung der Auslegung entwickelt. Mit ihm werden vor Ort der Bohrlochwiderstand der Sondenkonstruktion und die effektive Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs experimentell bestimmt. Der TRT wurde parallel und unabhängig in Schweden und den USA bis zur praktischen Anwendung entwickelt und hat, nicht zuletzt durch die hervorragende Zusammenarbeit in der IEA ECES, eine breite internationale Bedeutung gewonnen. Der mobile Messstand des ZAE Bayern wurde in Eigenregie nach dem schwedischen Gerät gebaut und weiterentwickelt. Er liefert heute sehr genaue Messergebnisse.
Die erzielbare Genauigkeit der Ergebnisse ist heute durch das verwendete Modell, die Kelvin’sche Linienquellentheorie, begrenzt. Entwicklungsbedarf besteht deshalb besonders für verbesserte Modelle in Kombination mit neuen numerischen Verfahren der Parameteridentifikation. Bei komplexen geologischen Situationen mit Schichten stark unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit, sollte eine schichtenbezogene Auflösung, welche bei der Auslegung eine Entscheidungshilfe hinsichtlich einer technischen und ökonomisch optimalen Sondenlänge darstellt, angestrebt werden. Auf das resultierende Messergebnis kann gegebenenfalls durch Variation von Bohrlochtiefe und Sondenanzahl reagiert werden.
Ein weiteres Problem ist die Auswertung der mit heutigen Methoden erzeugten Testdaten bei starkem Grundwasserfluss. Beispielsweise führen wechselnde Grundwasserstände zu unterschiedlichen Volumenströmen im Untergrund und beeinflussen damit die Testqualität. Bei konvektivem Wärmetransport durch das Grundwasser bildet sich kein isotroper, radialsymmetrischer Wärmezylinder um eine Sonde aus, wie er sich im trockenen Gestein einstellt. Stattdessen entsteht in Fließrichtung eine Wärmefahne. Dem derzeit angewandten Auswerteverfahren liegt jedoch die Radialsymmetrie als Randbedingung zugrunde. Im Extremfall sind sogar Szenarien denkbar, bei denen der Grundwasserstrom den gesamten Wärmeeintrag während der Testlaufzeit kontinuierlich abführt und damit zum unmittelbaren Scheitern des Tests beiträgt.
Um diese Komplikationen technisch beherrschbar zu machen, sind verbesserte Auswertemethoden und eine erweiterte Messdatenaufnahme während der Tests vonnöten. Des Weiteren sollen die neu zu entwickelnden Auswertemodelle auch Sonderbauformen wie Bohrpfähle, welche heute in zunehmendem Maße realisiert werden, berücksichtigen.
Weiterer Entwicklungsbedarf besteht darin das Verfahren so zu modifizieren, dass es als Abnahmemessung für kleinere Anlagen anwendbar ist, da Qualitätssicherung schon bei der Einführung der Technik einen hohen Stellenwert haben muss. Bei diesen Kleinanlagen für Ein- und Mehrfamilienhäuser, welche heute einen wesentlichen Anteil am Markt haben, wird der Test meist aus ökonomischen Gründen nicht eingesetzt. Die Entwicklung einer vereinfachten, kostengünstigeren Abnahmemessung wäre ein wichtiger Schritt zu deren Qualitätssicherung.
Um die oben beschriebenen Einschränkungen zu beheben, werden sind folgende Forschungsschwerpunkte gesetzt:

• Verbesserung von Auswertemodellen in Kombination mit neuen numerischen Verfahren der Parameteridentifikation.
• Entwicklung eines Messverfahrens zur schichtbezogenen Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und zur Ermittlung eventueller Grundwasserflüsse. Hierfür ist eine neuer Modellansatz und eine tiefenaufgelösten Temperaturmessung erforderlich.
• Erweiterung des theoretischen Modells zur Entwicklung eines dynamischen Tests, der es ermöglicht instationäre Zustände des Untergrunds wie Aufheiz- und Abkühlkurven zu behandeln und damit die Messzeit zu verkürzen.
• Zusätzlich sollen die Modelle auch auf Sonderbauformen wie Bohrpfähle erweitert werden.
• Entwicklung eines vereinfachten Kurzzeittests zur Funktionskontrolle bei Kleinanlagen.

Projektpartner

Bayrisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. (ZAE)

European Institute for Energy Research (Eifer)

Hochschule Biberach, Institut für Gebäude und Energiesysteme

Stichwörter

Oberflächennahe Geothermie

Thermal Response Test

Erdwärmesonde

Erdwärmekollektoren

Qualitätssicherung