Auswirkung hydrogeologischer Kenngrößen auf die Kältefahnen von Erdwärmesondenanlagen in Lockersedimenten

Kurzfassung

Die Entnahme bzw. Zuführung von Wärme im Untergrund durch oberflächennahe Erdwärmesonden (EWS) bei Heizung bzw. Kühlung von Gebäuden führen zur Ausbildung von Temperaturanomalien (Kältefahnen bzw. Wärmefahnen) im Umfeld der Sonde. Die Ergebnisse numerischer Modellierungen unterstreichen die Bedeutung des fließenden Grundwassers für den Wärmeentzug aus Lockergesteinen. Die Modellierungen haben gezeigt, dass einerseits die Eigenschaften des Sedimentes und hier insbesondere die hydraulische Durchlässigkeit, andererseits die entnommene Wärmemenge großen Einfluss auf die Ausdehnung der Fahnen haben. Das fließende Grundwasser steuert sowohl die Ausbreitung der abgekühlten, als auch die Nachlieferung warmer Wassermassen. Anhand der hier vorgestellten Modellrechnungen können Voraussagen über die Ausdehnungen von Temperaturanomalien in einem Korngrößenspektrum von Ton bis Grobsand, mit Fließgeschwindigkeiten von 5·10^-11 bis 1·10E5 m/s getroffen werden. Der Wärmeentzug wurde in Szenarien mit verschiedenen Wärmemengen von 3.600 bis 10.800 kWh pro Jahr simuliert. Über die Umrechnung der Wärmeleistung in Entzugsleistung pro Sondenmeter können Aussagen über die Kältefahnen bei verschiedenen Erdwärmesondenlängen getroffen werden.

Abstract

Extracting heat from and input of heat into sediments using shallow ground-source heat pumps, so called Borehole Heat Exchanger (BHE) causes cold or hot plumes of anomalies of groundwater temperature different in all directions from the BHE. The simulations shown in this paper emphasize the significance of ground-water flow to the heat extraction from unconsolidated rocks. The simulation results show a large influence of the flux extracted heat and the sediment properties, especially the hydraulic conductivity, on the dimension of cold plumes. Groundwater flow is the main factor of influence on the spreading of cooled water as well as supply of warmer water masses. The results of modelling can help to predict the dimension of these plumes growing under the given conditions of various grain sizes, ranging from clay to coarse sand, and ground-water flow velocities between 5·10^-11 to 1·10^-5 m/s. Furthermore different heat capacity values, ranging from 3600 to 10 800 kWh a year were simulated. Converting the heat capacity of a BHE into a specific heat extraction capacity per meter allows the transfer of our results to other boreholes.