-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Funktionsparametern
einer Wärmeübertragungsanordnung
mittels eines faseroptischen Temperatursensorkabels nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
Zum
Sicherstellen und Beurteilen eines ordnungsgemäßen und effektiven Betriebs
von Erdwärmenutzungsanordnungen,
insbesondere Erdwärmesonden,
Energiepfählen
oder horizontal verlegten Mitteln zur Erdwärmenutzung, sind eine Reihe
zum Teil sehr unterschiedlicher Betriebsparameter aufzunehmen und
Funktionsüberwachungen
auszuführen. Dies
betrifft vor allem überprüfungen eines
ordnungsgemäßen Wärmekontaktes
zwischen der Erdwärmenutzungsanordnung
und umgebenden Gesteinsschichten, insbesondere die Güte einer
Zementierung, die Bestimmung der thermischen Eigenschaften, insbesondere
der effektiven Wärmeleitfähigkeit der
Umgebung der Anordnung, eine überprüfung des Einflusses
des Betriebs der Anordnung auf die Temperatur und die Wärmeentzugsleistung
der umgebenden Gesteinsschichten, die Detektierung und Lokalisierung
von Lecks im Rohrsystem der Erdwärmeübertragungseinrichtung
und eine Erfassung eines Ansprechverhaltens des thermischen Systems
aus Gestein und Erdwärmeübertragungseinrichtung
infolge des Betriebs oberirdisch mit der Erdwärmenutzungsanordnung gekoppelter
Vorrichtungen, wie beispielsweise Wärmepumpen oder anderen Einrichtungen.
-
Für diese
zum Teil in ihrer Art sehr unterschiedlich angelegten und relativ
komplexen Mess- und Überwachungsaufgaben
stehen nach dem Stand der Technik auch teilweise sehr unterschiedliche
und nicht immer problemlos aufeinander abstimmbare Verfahren zur
Verfügung,
die aber miteinander kombiniert werden müssen, um eine Anordnung zur
Erdwärmeübertragung
entweder in ihrer Einzelausführung
oder in einer Konfiguration als Sondenfeld ordnungsgemäß dimensionieren
und deren Betrieb erfassen, kontrollieren, steuern und überwachen
zu können.
Teilweise gibt es aber auch keine oder nur sehr kostspielige Verfahren
für derartige Einsatzzwecke.
-
So
fehlt beispielsweise ein ausgereiftes und universell anwendbares
Verfahren, mit dem sich die Qualität des thermischen Kontakts
zwischen einer Erdwärmenutzungsanordnung
und dem Gestein und die Güte
einer Zementierung bzw. einer vergleichbaren Bohrlochverfüllung präzise beurteilen
lässt.
Ansatzweise wurde bislang versucht, die zur Zementierung verwendeten
Zementschlämme
mit zirkon- oder magnetithaltigem Sand zu vermischen und dann die Qualität der Zementation
mit Hilfe einer Gammasonde bzw. einer Magnetsonde zu überprüfen, die
in die Erdwärmenutzungsanordnung
eingeführt
wird. Dabei tritt allerdings das Problem auf, dass die entsprechenden
Sande mit der ihnen eigenen höheren
Dichte nur unter großem
Aufwand homogen in die Zementschlämme verteilt werden können und
sich üblicherweise
innerhalb der Schlämme
nach einer gewissen Zeit absetzen. Außerdem sind derartige Sande
sehr teuer. Ein Routineeinsatz eines derartigen Verfahrens scheidet
damit praktisch aus.
-
Sonstige,
im Bereich der Bohrlochgeophysik zur Qualitätsüberprüfung der Zementation angewendete
akustische Verfahren wie das Cement-Bond-Log- oder Segmented-Bond-Log-Verfahren
(CBL bzw. SBL) können
bei Erdwärmenutzungsanordnungen
mit einer Tiefe von maximal 300 m nicht eingesetzt werden, weil
diese Anordnungen aufgrund ihrer Bauweise einen für die CBL-
oder SBL-Sonden zu geringen Durchmesser aufweisen, so dass diese Sonden
nicht in die Wärmeübertragungsanordnung eingefahren
werden können.
-
Bei
der Projektierung, dem Einbau und der Funktionsüberwachung von Erdwärmenutzungsanordnungen
müssen
außerdem
deren Auswirkungen auf vorhandene Grundwasserleiter berücksichtigt werden.
Vor allem muss unbedingt vermieden werden, dass durch die Bohrungen,
in die die Erdwärmenutzungsanordnungen
eingebaut werden, hydraulische Verbindungen zwischen Grundwasserleitern entstehen,
die zu einer Kontaminierung des Grundwassers in den Grundwasserleitern
führen
können und
die Grundwassernutzung beeinträchtigen
oder sogar unmöglich
machen können.
Gegenwärtig
werden in der Bohrlochgeophysik zum Nachweis hydraulischer Verbindungen
routinemäßig Standardbohrlochmesssonden
vom Neutron-Neutron-Typ eingesetzt. Derartige Sonden weisen einen
Durchmesser von 22 mm und eine Sondenlänge von etwa 1 m auf. Aufgrund
des geringen Innendurchmessers von Erdwärmenutzungsanordnungen, der
typischerweise ca. 25 mm beträgt,
können
derartige Neutron-Neutron-Sonden in der Regel nicht eingesetzt werden,
da die Gefahr eines Verkantens und Festsitzens beim Ein- oder Ausfahren
in die Erdwärmenutzungsanordnung
sehr groß ist.
Gegenwärtig
gibt es somit kein praktikables Verfahren, mit dem bei Erdwärmenutzungsanordnungen
hydraulische Verbindungen zwischen Grundwasserleitern nachgewiesen
werden können.
-
Bohrlochgeophysikalische
Standardsonden, insbesondere auch Neutron-Neutron-Sonden können auf
Grund der geringen Durchmesser von Erdwärmenutzungsanordnungen auch
nicht zur Leckageortung eingesetzt werden. Für die Lokalisierung von Leckagen
in Bauwerken, insbesondere Dämmen,
Deichen und Spundwänden
werden Temperaturmessverfahren, u.a. auch die faseroptische Temperaturmesstechnik,
eingesetzt, die den Temperatureffekt nachweisen, der beim Durchsickern
von Wasser an undichten Stellen auftritt. Ein solches Verfahren
ist beispielsweise in der Patentschrift
DE 41 27 646 C2 beschrieben.
Gemäß der dort
beschriebenen Lehre sollen Leckagen in einem Medium nachgewiesen
werden, wobei eine Messsonde, die mehrere in einer Sensorkette angeordnete
Sensoren aufweist, in ein Hohlgestänge eingesetzt wird.
-
Eine
weitere wichtige Größe für die Dimensionierung
einer Erdwärmenutzungsanordnung
und für die
Berechnung ihrer Leistungsfähigkeit
sind die thermischen Eigenschaften des Untergrundes in deren Umgebung.
Dabei werden oft Erfahrungswerte über gewisse Gesteinsarten,
z. B. Locker- oder Festgesteine, der Dimensionierung der Erdwärmenutzungsanordnung
zugrunde gelegt. Diese sind u.a. in der VDI-Richtlinie 1640 zusammengefasst.
Bei größeren Erdwärmesondenanlagen
und -feldern werden in der Regel Probebohrungen ausgeführt, mit
denen der geologische Aufbau erkundet und dessen thermische Eigenschaften bestimmt
werden können.
Dafür haben
sich in der Praxis vor allem zwei Standardverfahren durchgesetzt.
-
Bei
einem ersten Verfahren wird mittels eines Thermal Response Testes
(TRT) eine integrale effektive Wärmeleitfähigkeit
der Erdwärmenutzungsanordnung
gemessen. Bei diesem Test wird Wasser aus einem Vorratsbehälter mit
einer konstant gehaltenen Temperatur solange durch die Erdwärmenutzungsanordnung
gepumpt, bis sich am Ein- und Austritt des Wassers eine konstante
Temperatur eingestellt hat. In der Regel dauert eine derartige Messung etwa
72 Stunden. Als Resultat wird daraus die für die gesamte Länge der
Erdwärmenutzungsanordnung geltende
integrale effektive Wärmeleitfähigkeit
unter Einfluss der Bohrlochverfüllung,
des Untergrundes, möglicher
Grundwasserbewegungen und anderer Einflüsse bestimmt. Das Verfahren
ist in zahlreichen Veröffentlichungen
genauer beschrieben.
-
Der
TRT weist den entscheidenden Nachteil auf, dass lokale Unterschiede
der Wärmeleitfähigkeit mit
diesem Test grundsätzlich
nicht feststellbar sind. Die ermittelte effektive Wärmeleitfähigkeit
lässt nur eine
Aussage darüber
zu, wie die gesamte Anordnung aus Erdwärmenutzungsanordnung, Gestein, Verfüllung und
anderen möglichen
Einflüssen
zu beurteilen ist. Vielfach ist es jedoch unerlässlich, die thermischen Parameter,
insbesondere Wärmeleitfähigkeit,
Wärmeübergangswiderstand,
Wärmeentzugsleistung,
an einer bestimmten Stelle, in einer bestimmten Tiefe bzw. in einer
bestimmten Gesteinsschicht zu kennen. Der TRT versagt bei der Lösung dieses
Problems von vornherein.
-
In
einer Publikation von Rybach u.a. aus dem Jahre 2004 wird ein Verfahren
beschrieben, mit dem eine Messung des Teufen-Temperaturverlaufs
in Erdwärmesondenbohrungen über eine
kleine drahtlose Messsonde erfolgt, die Druck- und Temperatursensoren
mit einem Datenlogger enthält.
Diese Sonde wird mit einer einstellbaren Geschwindigkeit bis zum
Fuß der
Erdwärmesonde
abgesenkt und registriert dabei Druck und Temperatur. Daraus kann
ein teufenabhängiges
Wärmeleitfähigkeitsprofil
für das
System aus Erdwärmenutzungsanordnung
und Gestein errechnet werden. Eine derartige Vorgehensweise ist jedoch
mit einem aufwändigen
Einsetzen und fortlaufenden Bewegen der Messsonde verbunden. Zudem ist
eine Annahme über
die lokale Wärmestromdichte bereits
von vornherein notwendig. Besonders in oberflächennahen Bereichen ist diese
jedoch in der Regel nicht bekannt.
-
In
den Patentschriften
DE
101 04 534 C1 und
DE
4 127 646 C2 bzw. in einer Publikation von Heidinger et
al. aus dem Jahre 2004 wird ein Enhanced Geothermal Response Test
(EGRT) beschrieben. Dabei wird ein beheizbares Glasfaserkabel außen an der
Erdwärmenutzungsanordnung
befestigt und mit dieser in das Bohrloch eingebaut. Das Glasfaserkabel
wird elektrisch aufgeheizt, so dass auf dessen gesamter Länge eine
definierte Heizleistung in den Boden eingebracht werden kann. Mit
Hilfe einer faseroptischen Messtechnik wird die Temperaturänderung entlang
der Glasfaser bestimmt. Unter Anwendung physikalischer Theorien
zur Wärmeleitung
bei zylindrischen bzw. linearen Wärmequellen kann die Verteilung
der effektiven Wärmeleitfähigkeit
ortsaufgelöst entlang
der Erdwärmesonde
bestimmt werden. Alternativ kann auch ein hohlrohrförmiger Körper angeordnet
sein, in den ein Kühlmittel
eingebracht wird, dessen Temperatur niedriger als die umgebende
Gesteinstemperatur ist.
-
Ein
derartiges Verfahren erfordert das Anbringen zusätzlicher Heiz- bzw. Kühlelemente
im Bereich der Erdwärmenutzungsanordnung,
die mit einem zusätzlichen
Aufwand verbunden sind und einen erheblichen Energiebedarf haben
und damit das Verfahren kompliziert und unwirtschaftlich machen.
-
Zum
Erfassen der Auswirkungen von an die Erdwärmenutzungsanordnung angeschlossenen oberirdischen
Anlagen, z. B. Wärmepumpen,
auf den Betrieb der Erdwärmenutzungsanordnung
und die thermischen Eigenschaften im Gestein ist eine Messanordnung
auf dem Max-Planck-Campus in Potsdam-Golm bekannt. Dabei sind in
einer Reihe von Erdwärmesonden
und speziell abgeteuften Beobachtungsbohrungen konventionelle elektrische
Messfühler
in ausgewählten
Tiefen installiert, die die Temperatur der Erdwärmesondenanlage und des Gesteins bestimmen.
Nachteilig ist dabei die relativ aufwändige Installation des Messsystems.
Weiterhin ist der vertikale Abstand zwischen den Messfühlern, bei dem
Beispiel Golm bis zu 50 m, groß und
lässt keine wirklichen
Aussagen über
die tatsächliche
Temperatur-Tiefenverteilung zu. Eine Sensorkette mit einem geringen
Abstand, beispielsweise 0,5 m bis 1,0 m, aus konventionellen Einzelsensoren,
insbesondere Pt-100 Sensoren, ist für Tiefen von 100 m praktisch nicht
zu realisieren.
-
Zusammenfassend
ist also zum Stand der Technik festzustellen, dass eine Vielzahl
von Mess-, Überwachungs-
und Nachweisverfahren im Bereich geothermi scher Anwendungen existiert,
wobei aber alle bekannten Verfahren entweder im Bereich der Erdwärmeübertragungs-Technik
nicht oder nur mit einem hohen Aufwand einsetzbar sind oder nur
bestimmte, sehr spezielle Anwendungsgebiete abdecken.
-
Es
ergibt sich somit die Aufgabe, ein Messverfahren zum Messen von
Funktionsparametern einer Erdwärmenutzungsanordnung
anzugeben, bei dem mit einem Minimum an zusätzlicher Messtechnik eine sehr
große
Bandbreite zum Teil sehr unterschiedlicher Parameter bestimmt werden
kann. Das Messverfahren soll universell einsetzbar sein, d. h. es soll
vor allem ermöglichen,
dass mit ein und der selben Messvorrichtung unterschiedliche Messmodi ausgeführt werden
können,
mit denen die zu messenden Parameter sicher, exakt, sowie Orts-
und zeitaufgelöst
und über
lange Zeiträume,
insbesondere Jahre, bestimmt werden können. Außerdem soll die Bohrlochgeometrie
auch bei Anwendung des Messverfahrens unverändert beibehalten werden können.
-
Die
Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Messen von Funktionsparametern
einer Erdwärmenutzungsanordnung
mittels eines entlang der Erdwärmenutzungsanordnung
verlegten faseroptischen Temperatursensorkabels gelöst, das
sich durch folgende Verfahrensschritte auszeichnet:
Es wird
eine sich entlang der Erdwärmenutzungsanordnung
erstreckende, kombinierte Orts- und zeitaufgelöste Temperaturmessung zum Erfassen
einer räumlichen
und zeitlichen Entwicklung eines Temperaturfeldes in und/oder in
der Umgebung der Erdwärmenutzungsanordnung
ausgeführt.
Dabei erfolgt aus der zeitlichen Entwicklung des Temperaturfeldes
eine Bestimmung einer zeit- und/oder ortsabhängigen thermischen Kopplung
zwischen der Erdwärmenutzungsanordnung
und deren Umgebung und/oder zeit- und/oder ortsabhängiger thermischer
Eigenschaften eines umgebenden Gesteins und/oder einer zeit- und
ortsabhängigen
Beeinflussung von Gesteinstemperatur und Wärmeentzugsleistung infolge
des Betriebes der Erdwärmesondenanlage
und/oder eine ortsaufgelöste
Ortung thermischer Anomalien, insbesondere von Leckagen, und/oder
ein Aufzeichnen eines Ansprechverhaltens der Funktion der Erdwärmenutzungsanordnung
in Abhängigkeit
vom Funktionszustand einer mit der Erdwärmenutzungsanordnung gekoppelten
Vorrichtung.
-
Der
Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht somit darin, vollkommen auf die Methode der faseroptischen
Temperaturmessung zurückzugreifen,
dieses Verfahren auf die in dem Gestein eingebrachte Erdwärmenutzungsanordnung anzuwenden
und durch eine jeweils zweckmäßige Veränderung
des Messregimes die Bestimmung sämtlicher
Funktionsparameter der Erdwärmenutzungsanordnung
auf eine faseroptische Temperaturmessung entlang der Erdwärmenutzungsanordnung zurück zu führen. Dies
wird insbesondere dadurch ermöglicht,
indem die faseroptische Temperaturmessung zeit- und ortsaufgelöst erfolgt.
Die Ortsauflösung
der Temperaturmessung ergibt sich durch die Messkonfiguration des
faseroptischen Verfahrens von vornherein, da bekanntermaßen bei
diesem Verfahren die aus unterschiedlichen Punkten des faseroptischen
Lichtleiters rückgestreuten
Lichtintensitäten
ausgewertet werden. Die Zeitauflösung
ergibt sich durch wiederholte faseroptische Temperaturmessungen
in bestimmten Zeitabständen.
-
Im
Ergebnis wird demnach die gesamte Temperaturverteilung entlang der
Vertikalen in einer Erdwärmenutzungsanordnung
und/oder im Bereich zwischen Erdwärmenutzungsanordnung und umgebendem
Bohrloch so erfasst, dass eine maximale Informationsmenge über die
dort herrschende Temperaturverteilung gewonnen werden kann, aus
der sich Aussagen über
Leckagen, die Wärmeleitung
zwischen Gestein und Erdwärmenutzungsanordnung, thermische
Kontakte zu den umgebenden Gesteinsschichten, Einflüsse von
angeschlossenen thermischen obertägigen Vorrichtungen an der
Erdwärmenutzungsanordnung
usw. gewinnen lassen. Dabei wird ausschließlich auf die Kombination Erdwärmenutzungsanordnung
und Faseroptik zurückgegriffen, wobei
zusätzliche
Messsonden, Messverfahren, Messbohrungen und so weiter komplett
entfallen können.
-
Bei
einer ersten zweckmäßigen Ausgestaltung
des Verfahrens wird über
die orts- und zeitaufgelöste Temperaturmessung
ein Zementationsprozess der Erdwärmenutzungsanordnung
zeit- und ortsabhängig
aufgezeichnet und überwacht.
Dabei werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt:
Das faseroptische
Temperatursensorkabel wird an der Erdwärmenutzungsanordnung befestigt.
Die Erdwärmenutzungsanordnung
und das Temperatursensorkabel werden in eine vorgesehene Bohrung
eingeführt.
Die Bohrung wird zementiert. Vor, während und nach der Zementation
wird die Temperatur im Bereich des Temperatursensorkabels zeit-
und ortsaufgelöst
erfasst.
-
Eine
derartige Vorgehensweise zielt darauf ab, die mit der Abbindung
der Zementschlämme
einhergehende Temperaturerhöhung
sowohl entlang der Erdwärmenutzungsanordnung
ortsaufgelöst
als auch in deren zeitlicher Entwicklung zu verfolgen. Dabei werden
sowohl die örtliche
Temperaturverteilung im Zementationsbereich als auch deren zeitliche Veränderung
zur Beurteilung der Güte
des Zementierungsvorgangs herangezogen. Der Verlauf des Zementierprozesses
wird dadurch örtlich
und zeitlich verfolgbar.
-
Bei
einer zweiten zweckmäßigen Ausgestaltung
des Verfahrens wird über
die Orts- und zeitaufgelöste
Temperaturmessung eine Suche nach hydraulischen Verbindungsstellen
zwischen Grundwasserleitern im Bohrungsbereich der Erdwärmenutzungsanordnung
ausgeführt.
Dabei werden folgende Verfahrensschritte angewendet:
Es wird
ein faseroptisches Temperatursensorkabel über eine Kabelführung der
Erdwärmenutzungsanordnung
eingeführt.
Ein Zirkulationsfluss einer Wärmetauscherflüssigkeit
in der Erdwärmenutzungsanordnung
wird unterbrochen. Vor und nach der Unterbrechung der Zirkulation
erfolgt eine zeit- und ortsaufgelöste Messung der Temperaturverteilung
mittels des Temperatursensorkabels bis sich nach Unterbrechung der
Zirkulation ein Gleichgewichtszustand zwischen der Erdwärmenutzungsanordnung
und der Gesteinsumgebung eingestellt hat. Das sich daraus ergebende
Muster der zeitabhängigen
Temperatur-Tiefenverteilung wird anschließend auf für hydraulische Verbindungsstellen
zwischen Grundwasserleitern typische Verteilungsmuster untersucht.
-
Dieser
Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass über hydraulische
Verbindungen zwischen Grundwasserleitern im Bereich des Bohrloches
der Erdwärmenutzungsanordnung
Wasserfließvorgänge stattfinden,
die das Temperaturfeld deutlich beeinflussen. Die Einstellung eines
Temperaturgleichgewichtes zwischen Erdwärmenutzungsanordnung und Gestein
wird durch eine solche hydraulische Verbindung aufgrund der damit
verbundenen signifikant beeinflussten Wärmeübergangszahlen verändert. Dies
betrifft sowohl den Ort, an dem die hydraulische Verbindung vorhanden
ist als auch die typische Einstellzeit bis zum thermischen Gleichgewichtszustand.
Eine kombinierte Orts- und zeitaufgelöste Temperaturmessung ermöglicht es
somit, sowohl momentane Temperaturabweichungen, als auch signifikante
zeitliche Temperaturänderungen aufzuklären.
-
Bei
einer dritten zweckmäßigen Ausgestaltung
des Verfahrens wird über
eine Orts- und zeitaufgelöste
Temperaturmessung eine ortsaufgelöste Messung der effektiven
Wärmeleitfähigkeit
des umgebenden Gesteins ausgeführt.
Dabei werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt:
Die Temperatur des
umgebenden Gesteins wird durch ein in der Erdwärmenutzungsanordnung zirkulierendes
Heiz- oder Kühlmedium
verändert,
insbesondere aufgeheizt oder abgekühlt. Dieser Vorgang wird zu
einem bestimmten Zeitpunkt beendet. Der zeit- und Orts- bzw. tiefenabhängige Prozess
der Temperaturänderung
wird mittels des Temperatursensorkabels registriert. Die effektive
Wärmeleitfähigkeit
des umgebenden Gesteins wird aus dem gemessenen Temperaturverlauf
unter Verwendung der Wärmeleitungsgleichung
mit einem mathematischen Auswerteverfahren bestimmt.
-
Die
effektive Wärmeleitfähigkeit
kann damit ortsaufgelöst
für verschiedene
Gesteinsschichten und direkt an der Grenzfläche zwischen Erdwärmesonde
und Gestein bestimmt werden.
-
Bei
einer vierten zweckmäßigen Ausgestaltung
des Verfahrens wird über
die Orts- und zeitaufgelöste
Temperaturmessung ein Einfluss des Betriebs der Erdwärmenutzungsanordnung
auf eine schichtspezifische Gesteinstemperatur in der Umgebung der
Erdwärmenutzungsanordnung
bestimmt. Dazu werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt:
Das
Temperatursensorkabel wird über
eine Kabelführung
der Erdwärmenutzungsanordnung
eingeführt,
oder es wurde bereits mit dem Einbau der Anordnung in die Bohrung
außen
an einem oder mehreren Schenkeln installiert. Es erfolgt eine Zirkulation des
Wärmetauschermediums
in der Erdwärmenutzungsanordnung
mit einer gemessenen Zirkulationszeitdauer. Während der Zirkulation des Wärmetauschermediums
wird mit Hilfe des Temperatursensorkabels die Temperatur Orts- und
zeitaufgelöst
gemessen.
-
Die
Zirkulation wird dann unterbrochen, und es erfolgt ein Orts- und
zeitaufgelöstes
Messen der Temperaturentwicklung bis zum Einstellen eines Temperaturgleichgewichtes
zwischen Erdwärmenutzungsanordnung
und Gestein. Der so gemessene Temperaturverlauf wird auf eine Endtemperatur
für eine
unendlich lange Zeitdauer extrapoliert.
-
Die
genannten Verfahrensschritte werden nach einem gewissen Zeitraum
des Betriebes der Erdwärmenutzungsanordnung
wiederholt, und es erfolgt ein Registrieren mindestens einer weiteren
Endtemperatur. Die dabei erhaltenen Endtemperaturen werden verfolgt
und zeigen, in welchem Maße
die Umgebungstemperatur und die Wärmeentzugsleistung durch den
Betrieb der Anordnung beeinflusst werden.
-
Die
Zirkulation des Wärmetauschermediums kann
bei einer ersten Abwandlung des Verfahrens über eine Wärmepumpe erfolgen. Bei einer
zweiten Abwandlung des Verfahrens wird zur Zirkulation eine an sich
beliebige Vorrichtung verwendet, die einen hinreichend großen Temperaturgradienten
zwischen Wärmetauschermedium
und Gestein sichern kann.
-
Bei
einer fünften
zweckmäßigen Ausgestaltung
des Verfahrens wird durch die Orts- und zeitaufgelöste Temperaturmessung
eine Leckagedetektion und Leckagelokalisierung mit folgenden Verfahrensschritten
ausgeführt:
Das
Temperatursensorkabel wird in eine kabelführende Vorrichtung der Erdwärmenutzungsanordnung eingeführt oder
bereits mit Einbau der Anordnung in die Bohrung außen an einem
oder mehreren Schenkeln installiert. Es wird ein Fluid mit einer
sich gegenüber
der Gesteinstemperatur hinreichend unterscheidenden Fluidtemperatur
mit einer niedrigen Fließrate in
die Erdwärmenutzungsanordnung
eingeleitet. Der Nachweis und die Lokalisierung der Leckage erfolgt durch
eine lokale Temperaturänderung
am Temperatursensorkabel im Leckagebereich. Bei einer zeitaufgelösten Messung
lässt sich
darüber
hinaus das Austreten des Fluids aus der Leckage und dessen Ausbreitung
im Gestein detektieren und die Größe der Leckage abschätzen.
-
Bei
einer sechsten zweckmäßigen Ausgestaltung
des Verfahrens wird durch die Orts- und zeitaufgelöste Temperaturmessung
der Betrieb einer mit der Erdwärmenutzungsanordnung
gekoppelten Wärmepumpe
gesteuert. Dazu werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt:
Das
faseroptische Temperatursensorkabel wird über eine am oberen Ende der
Erdwärmenutzungsanordnung
befindliche Vorrichtung im Inneren eines Schenkels des U-Rohres
der Erdwärmenutzungsanordnung,
zweckmäßigerweise
im Vorlauf, installiert. Mittels des Temperatursensorkabels wird
nun während
des Betriebs der Wärmepumpe
eine Temperatur-Tiefenverteilung gemessen und eine dabei erreichte
Minimaltemperatur bestimmt. Der dabei erhaltene Wert wird als Steuerungsgröße für den Betrieb
der Wärmepumpe
eingesetzt.
-
Das
Verfahren soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen an einer Erdwärmesonde
näher erläutert werden.
Eine Anpassung des Verfahrens an sonstige Vorrichtungen zur Übertragung
von Erdwärme,
insbesondere Energiepfähle
oder horizontal verlegte Wärmeübertragungssysteme,
ist ohne weiteres ausführbar.
Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten 1 bis 8.
Es werden für
gleiche bzw. gleich wirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet.
-
Es
zeigt
-
1 beispielhafte
Installationsmöglichkeiten
für eine
Temperatursensorkabelanordnung an einer Erdwärmesonde,
-
2 die
Differenz zwischen der Temperatur bei verschiedenen Zeiten während und
nach der Zementation und der Ausgangstemperatur vor Beginn der Zementation
in Abhängigkeit
von der Teufe,
-
3 eine
beispielhafte Verteilung der Temperaturdifferenz bei unvollständiger Zementation,
-
4 den
Temperaturverlauf während
des Zementationsprozesses in Abhängigkeit
von der Zeit für
ausgewählte
Teufen,
-
5 die
Temperaturverteilung in Abhängigkeit
von Zeit und Teufe während
einer Zementation,
-
6 die
Temperatur-Teufen-Verteilung unter dem Einfluss strömenden Grundwassers,
-
7 Temperatur-Zeit-Verläufe unter
dem Einfluss eines Wärmepumpenbetriebs
in verschiedenen Teufen,
-
8 den
Temperatur-Teufen-Verlauf unter dem Einfluss eines Wärmepumpenbetriebs.
-
1 zeigt
zwei beispielhafte schematische Konfigurationen zum Ausführen des
Verfahrens. Eine Erdwärmesonde 1 befindet
sich in einem Bohrloch 2, das in umgebende Gesteinsschichten 3 eingebracht worden
ist. Die von einem gewissen Oberflächenniveau, beispielsweise
der Bodenoberfläche
am Ort des Bohrlochs, gemessene Tiefe des Bohrlochs wird im Bereich
der Geophysik als Teufe bezeichnet.
-
Die
Erdwärmesonde
besteht im einfachsten Fall aus einer U-Rohr-Konstruktion mit einem
absteigenden Schenkel 4 und einem aufsteigenden Schenkel 5.
Zwischen beiden Schenkeln befindet sich ein Umkehrstück 6.
Sie bildet einen Abschnitt in einem hier nicht dargestellten Kreislauf
eines Wärmetauschermediums,
das durch oberirdisch gelegene Anlagen, insbesondere Pumpvorrichtungen,
Wärmetauscher,
Wärmepumpen
usw., geleitet wird.
-
In
Verbindung mit der Erdwärmesonde
ist ein faseroptisches Temperatursensorkabel 7 in das Bohrloch
eingebracht. Das Temperatursensorkabel ist mit einer externen Auswerteeinheit 8 gekoppelt. 1 zeigt
zwei beispielhafte Möglichkeiten
zur Anordnung des Temperatursensorkabels an der Erdwärmesonde.
-
Bei
der links abgebildeten Konfiguration A verläuft das Temperatursensorkabel
als Messkabelschleife entlang des absteigenden Schenkels 4,
folgt dem Umkehrstück 5 und
verlässt
das Bohrloch entlang des aufsteigenden Schenkels 5. Eine
derartige Konfiguration bietet sich besonders dann an, wenn Wärmeübergänge zwischen
der Erdwärmesonde und
dem umgebenden Gestein zu beurteilen sind, beispielsweise zum Verfolgen
von Zementierungen, Grundwassereinflüssen oder auch zur Leckagedetektion.
Natürlich
ist auch eine Verlegung des Temperatursensorkabels im Innern der
Erdwärmesonde, insbesondere
im Innern eines U-Rohres,
möglich. Die
Unterscheidung des Messkabels in einen abfallenden und aufsteigenden
Kabelabschnitt erfolgt durch die messtechnische Auswertung, da die
Gesamtlänge
des Kabels und die Tiefe des Bohrlochs der Erdwärmesonde bekannt sind.
-
Bei
der rechts in 1 dargestellten Konfiguration
B sind zwei Temperatursensorkabel als Einfachmesskabel vorgesehen.
Ein erstes Sensorkabel 9 befindet sich innerhalb des absteigenden
Schenkels 4 und registriert somit eine Temperatur-Teufen-Verteilung
innerhalb des in der Erdwärmesonde sich
bewegenden Wärmetauschermediums.
In gleicher Weise kann auch in dem aufsteigenden Schenkel ein Sensorkabel
installiert werden. Entsprechend 1, Konfiguration
B kann ein zweites Sensorkabel 10 auch auf der Außenseite
eines U-Rohres der Erdwärmesonde
verlaufen und somit die teufenabhängige Temperaturverteilung
an der Grenze zwischen Erdwärmesonde
und Gestein registrieren. Beide Sensorkabel 9 und 10 münden ebenfalls
in die Auswerteeinheit 8 ein. Diese führt in diesem Fall zwei faseroptische
Temperaturmessungen aus. Die Konfiguration B eignet sich besonders
zur Steuerung des Betriebs der Erdwärmesonde.
-
Natürlich sind
zweckmäßige Kombinationen aus
beiden Konfigurationen möglich,
bei denen bei Bedarf weitere Temperatursensorkabel sowohl innen als
auch außen
in bzw. an Rohren einer Erdwärmesonde
eingebracht werden können.
Grundsätzlich
jedoch sind beide Konfigurationen zum Ausführen der nachfolgend dargestellten
Mess- und Detektionsverfahren anwendbar.
-
Die
Methode der faseroptischen Temperaturmessung ist bekannt. Dabei
werden kurzzeitige Laserimpulse in das als Lichtleiter ausgebildete
Temperatursensorkabel abgegeben und die in Richtung der Laserquelle
zurück
gestreuten Intensitäten
der Raman-Streuung innerhalb des Lichtleitermaterials in einer Detektoranordnung
empfangen. Einige Intensitätsanteile
des Raman-Rückstreulichtes
sind temperaturabhängig
und können
somit zur Temperaturmessung verwendet werden. Entsprechend dem physikalischen
Grundprinzip des Messverfahrens erfolgt die Temperaturmessung über eine
Messung der Intensität
des Raman-Rückstreulichtes
ortsaufgelöst
für jeweils
kurze Abschnitte des Temperatursensorkabels, deren Länge durch
die Auswerteeinheit einstellbar ist. Gemäß der Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Lichtes werden Streuintensitäten
aus den einzelnen kurzen Abschnitten des Lichtleiters abgefragt
und somit Temperaturen für
die entsprechenden Abschnitte ermittelt. Die Größe des Zeitfensters bestimmt
dabei die Ortsauflösung
bei der Temperaturmessung. Durch die sehr große Ausbreitungsgeschwindigkeit des
Lichtes im Lichtleiter erfolgt die ortsaufgelöste Temperaturmessung quasi
zeitgleich, d. h. es werden alle Orte des Lichtleiters quasi gleichzeitig
auf die dort herrschenden Temperaturen abgefragt.
-
Erfindungsgemäß tritt
zu dieser ortsaufgelösten
Temperaturbestimmung eine zeitaufgelöste Temperaturbestimmung hinzu.
Dazu erfolgen nach der ersten Messung der ortsabhängigen Temperaturverteilung
in einem definierten Zeittakt weitere Messungen. Das Zeitintervall
zwischen den einzelnen Messungen sollte dabei groß gegen
die Laufzeit des Lichtes im Lichtleiter sein und den Zeitskalen
der im Bereich der Erdwärmesonde
zu erwartenden physikalischen Effekte entsprechen. Typischerweise
liegt das Zeitintervall zwischen aufeinander folgenden Temperaturmessungen
in der Größenordnung
von einer oder einigen Minuten.
-
Die
ermittelten Orts- und zeitabhängigen Temperaturwerte
werden durch die Auswerteeinheit in einem zweidimensionalen Array
abgespeichert. Die Variablen des Arrays sind nach Zeit und Ort indiziert
und enthalten die gemessene Temperatur als Variablenwert. Über eine
Datenverarbeitung können die
darin enthaltenen Temperaturwerte ausgewertet und, beispielsweise
grafisch, dargestellt werden.
-
Das
faseroptische Temperatursensorkabel kann dauerhaft im Innern der
Erdwärmesonde und/oder
in deren Hinterfüllung
installiert werden. Für kurzzeitige
Messungen kann ein faseroptisches Temperatursensorkabel über eine
geeignete Vorrichtung am oberen Ende der Erdwärmesonde, typischerweise ein
T-Stück,
auch temporär
in Rohre der Erdwärmesonde
eingeführt
werden. Diese Variante ist besonders dann von Interesse, wenn Messungen
z. B. der Wärmeentzugsleistung
oder eine Leckagedetektion in bereits bestehenden Erdwärmesonden
vorgenommen werden sollen.
-
Bei
den faseroptischen Temperaturmessungen ist eine Ortsauflösung von
0,5 m bei einem Messfehler von weniger als 0,1 K erreichbar. Die
Lebensdauer eines Temperatursensorkabels beträgt in der Regel mehr als 30
Jahre. Ein Langzeitmonitoring ist demnach problemlos möglich. Das
Temperaturfeld in und um die Erdwärmesonde wird durch die Messung
selbst nicht beeinflusst. Zur Installation des Temperatursensorkabels
sind außer
der Anordnung gewisser Führungs-
und Haltemittel, wie beispielsweise Rohre, Rohrabschnitte, Schellen
und dergleichen einfache Vorrichtungen am Körper der Erdwärmesonde,
keine weiteren aufwän digen
Veränderungen
am Aufbau notwendig. Faseroptische Temperatursensorkabel können auch
bei Temperaturen über 220°C eingesetzt
werden.
-
Natürlich ist
auch eine Überwachung
eines Erdwärmesondenfeldes
möglich.
Dabei werden zeit- und ortsaufgelöste Temperaturmessungen in
sämtlichen
oder zumindest einigen ausgewählten
Erdwärmesonden
eines Sondenfeldes oder in speziell abgeteuften Beobachtungsbohrungen
ausgeführt.
Dadurch ist es möglich,
die ortsaufgelöste
Messung in vertikaler Richtung mit einer Erfassung der Temperatur
in der Fläche
zu kombinieren und quasi dreidimensionale Temperaturverteilungen
im Sondenfeld zu erfassen.
-
Die 2 bis 5 zeigen
beispielhafte Temperaturmessungen während einer Zementation einer
Erdwärmesonde
zum Nachweis ungenügend zementierter
Bereiche, insbesondere solcher Bereiche, in denen das in der Bohrung
befindliche Wasser durch das Einpumpen der Zementschlämme nicht oder
nicht vollständig
verdrängt
wurde und es somit zu einer Verdünnung
der Zementschlämme
kam und die Erdwärmesonde
nicht vollständig
einzementiert wurde. Grundlage für
die Temperaturmessung ist die Wärmeentwicklung
bei der Abbindung der in das Bohrloch eingebrachten Zementschlämme. Bei
der Durchführung
des Verfahrens wird die Erdwärmesonde
entweder übertägig vor
dem Einsetzen in das Bohrloch mit einem faseroptischen Temperatursensorkabel
bestückt,
das sich zweckmäßigerweise über die
gesamte Länge
der Sonde von dem absteigenden Schenkel, über das Umkehrstück bis zum
aufsteigenden Schenkel erstreckt, oder das Temperatursensorkabel
wird in bestimmte, auf der Außenseite der
bereits im Bohrloch befindlichen Erdwärmesonde angeordnete Führungen
oder in ein bzw. mehrere Rohre der Erdwärmesonde eingeschoben. Bevorzugt
wird dazu die Messkonfiguration mit einem Einfachkabel nach der
Messkonfiguration B in 1 angewendet.
-
Zusammen
mit der Erdwärmesonde
und dem Temperatursensorkabel wird ein Zementierrohr in das Bohrloch
eingeführt.
Die Zementschlämme wird
nun durch das Zementierrohr solange eingepumpt, bis diese oben aus
dem Bohrloch austritt. Die Temperaturmessung beginnt unmittelbar
nach dem Einbau der Erdwärmesonde
in das Bohrloch bevor der Zementiervorgang beginnt und wird während und nach
dem Einbringen der Zementschlämme
solange fortgesetzt, bis die Temperatur nach Erreichen des durch
den exothermen Abbindeprozess bedingten Temperaturanstieges wieder
abfällt.
Eine gleichmäßige Zementation
im Bohrloch bedingt einen gleichmäßigen thermischen Kontakt zwischen
den sich abbindenden Zementschlämmen
und dem Temperatursensorkabel. Die bei dem Abbindeprozess einsetzende
Erwärmung
muss demnach als eine über
die gesamte Länge
des Temperatursensorkabels gleichmäßige zeitliche Temperaturzunahme
feststellbar sein.
-
Hierzu
wird die zeitliche Temperaturentwicklung mit einer hohen Zeitauflösung, beispielsweise mit
einem Zeittakt von ca. 2 Minuten, gemessen. 2 zeigt
eine beispielhafte ortsaufgelöste
Temperaturmessung bei verschiedenen Zeiten. Auf der Ordinate ist
die Teufe eines Bohrloches in Metern angegeben. Die Abszisse zeigt
die Temperaturdifferenz für
ausgewählte
Zeiten gegenüber
dem Ausgangszustand vor der Zementation. Das Diagramm zeigt eine Zunahme
der Temperaturdifferenz bei fortschreitender Zeit.
-
Diese
erfolgt zwischen ca. 22 m und 82 m im Wesentlichen gleichmäßig und
macht sich in einer Parallelverschiebung der örtlich aufgelösten Temperaturkurven
bemerkbar. Die Kurve 10 ganz links zeigt im Vergleich dazu
die örtliche
Temperaturverteilung während
der Zementation, d.h. während
des Einleitens der Zementschlämme.
Kurve 20 ist eine Stunde später aufgenommen worden. Anhand
der Kurven 30 und 40, die jeweils eine bzw. zwei
Stunden später
als Kurve 20 aufgenommen wurden, erkennt man, dass sich
das teufenabhängige
Temperaturprofil erst nach einer gewissen Zeit einstellt, wenn die
Wärmeentwicklung
beim Abbindeprozess der Zementschlämme ihr Maximum erreicht. Die
Kurven 50 und 60 zeigen eine Rückbildung der Temperaturdifferenz
nach Beendigung des Abbindevorganges. Man erkennt die deutliche, über alle
Teufen feststellbare Temperaturerhöhung in der Zeitperiode nach
dem Abschluss der Zementation. Deutlich ist auch zu erkennen, dass die
durch den Abbindeprozess bedingte Wärmeentwicklung ihr Maximum
offenbar zwischen den Kurven 30 und 40, d.h. ca.
3,5 Stunden nach dem Beginn der Zementation, erreicht.
-
3 zeigt
prinzipiell den Einfluss einer unvollständigen Zementation. Dargestellt
ist die Temperaturdifferenz gegenüber dem Ausgangszustand für den Zeitraum,
in dem die durch den Abbindeprozess der Zementschlämme bedingte
Erwärmung
ihr Maximum erreicht. Während
die Entwicklung der Temperaturdifferenz während des Abbindeprozesses
der Zementschlämme
voranschreitet, bleiben unvollständig
zementierte Bereiche bei dieser Entwicklung zeitlich zurück, wobei
die maximal erreichten Temperaturdifferenzen in diesen Tiefenabschnitten
deutlich geringer sind.
-
4 zeigt
ein weiteres Beispiel für
eine unvollständige
Zementation. In diesem Bild erkennt man die erwähnte Entwicklung der Temperaturdifferenz
bei fortschreitender Zeit. Deutlich ist jedoch zu erkennen, dass
sich der Bereich zwischen 85 und 100 Meter durch Temperaturdifferenzen
auszeichnet, die stets den Temperaturdifferenzen in anderen Teufen
nacheilt. Dies weist deutlich auf eine unvollständige Zementation hin.
-
5 zeigt
eine besonders aussagekräftige Übersichtsdarstellung
des Zementier- und Abbindevorgangs in einem Teufen-Zeit-Diagramm.
Bei dieser Darstellung ist die Teufe in der Ordinate gegenüber der
Zeitentwicklung der Teufenverteilung der Temperatur in Richtung
der Abszisse aufgetragen. Die jeweiligen Temperaturen sind in Form
unterschiedlicher Graustufen codiert. In dieser Darstellung ist
sehr gut der zeitliche Ablauf des Abbindevorganges der Zementierung
erkennbar. Nach dem Ende des Ausbaus des Zementiergestänges stellt
sich eine typische Schichtstruktur der Teufenverteilung der Temperatur
ein, die sich gegen Ende des Abbindevorganges, nach in diesem Beispiel
380 Minuten, langsam verliert. Deutlich ist darüber hinaus eine durchgehend
geringere Temperaturzunahme im Bereich der Oberkante der Zementation
zu erkennen, die auf einen ungenügenden
Wärmekontakt
der Zementierung zur Temperatursensorfaser und damit auf eine unvollständige Zementation
zurück
zu führen
ist.
-
6 zeigt
beispielhaft den Einfluss von vertikal strömendem Grundwasser auf eine
gemessene Teufen-Temperatur-Verteilung. Der thermische Nachweis
einer derartigen hydraulischen Verbindung zwischen Grundwasserleitern
geht von folgenden Grundannahmen aus:
Entsprechend der natürlichen
geothermischen Tiefenstufe nimmt die Temperatur mit zunehmender
Tiefe zu. Die Temperatur in einem tieferen Grundwasserleiter ist
demnach größer als
in einem höher
gelegenen Grundwasserleiter, sofern ein Grundwasserstauer beide
Grundwasserleiter voneinander trennt und es demzufolge keine Vermischungen
oder vertikale Strömungen
zwischen beiden Leitern gibt.
-
Besteht
aber eine hydraulische Verbindung zwischen den Grundwasserleitern,
so steigt wärmeres
Wasser aus der Tiefe nach oben oder kälteres Wasser sinkt aus den
oberen Schichten nach unten. 6 zeigt
diesen Vorgang beispielhaft für
die Bohrung Berlin X-M10/2 Grunewald Hüttenweg. In dem hier gezeigten
Fall gibt es nur einen Grundwasserleiter, der sich über den
gesamten Teufenbereich bis 200 m Tiefe erstreckt. Da kein Grundwasserstauer vorhanden
ist und von einem nahe gelegenen Wasserwerk Wasser aus dem unteren
Teil des Grundwasserleiters gefördert
wird, wird kälteres
oberflächennahes
Wasser nach unten gezogen. Dies führt zu einer deutlichen Absenkung
der tatsächlichen Grundwassertemperatur
gegenüber
der aus natürlichen
geothermischen Gründen
zu erwartenden Temperatur und zeigt sich in der Grafik aus 6 in
einem deutlich veränderten
Temperaturgradienten.
-
Entsprechend
erfolgt der thermische Nachweis einer hydraulischen Verbindung,
die durch die Erdwärmesonde
verursacht wird. Wie bereits dargestellt, wird das faseroptische
Temperatursensorkabel entweder außen bei dem Einbau der Erdwärmesonde
mitgeführt
oder mindestens in einen Schenkel eines Rohres der Erdwärmesonde,
günstiger
aber noch in alle vier Schenkel einer Doppel-U-Erdwärmesonde
eingehängt.
Die Zirkulation der Wärmetauscherflüssigkeit
in der Erdwärmesonde
wird unterbrochen. Die Temperatur wird so lange gemessen, bis der
thermische Gleichgewichtszustand zwischen Erdwärmesonde und Gestein wieder
erreicht ist. Die ermittelte Temperatur-Teufenverteilung ergibt
den entsprechenden Hinweis auf eine hydraulische Verbindung zwischen
Grundwasserleitern. Die zeitaufgelöste Messung dient in diesem
Fall dem einwandfreien Nachweis des eingestellten Gleichgewichtszustandes.
-
7 zeigt
beispielhafte zeitabhängige
Temperaturkurven für
verschiedene Teufen in Abhängigkeit
von einem Betriebszustand einer Wärmepumpe. Die Vermessung der
teufenabhängigen
Temperaturverteilung erfolgt zur Steuerung und Optimierung der Arbeitsweise
der Wärmepumpe.
Insbesondere soll damit vermieden werden, dass dem Gestein so viel Wärme entzogen
wird, dass es zur Eisbildung um die Erdwärmesonde kommt. In diesem Fall
können
Risse in der Zementation entstehen, wodurch hydraulische Verbindungen
zwischen Grundwasserleitern zustande kommen können. Außerdem besteht die Gefahr,
dass bei Eisbildung und der damit einher gehenden Volumenvergrößerung einzelne
Abschnitte der Erdwärmesonde
zerdrückt
werden können
und damit Leckagen entstehen.
-
7 zeigt
den Einfluss der Größe der Zeitintervalle
des Betriebs einer Wärmepumpe
auf die sich einstellenden Temperaturen in verschiedenen Teufen.
Zur Messung der gezeigten Kurven wird ein faseroptisches Temperatursensorkabel
gemäß der Konfiguration
B aus 1 im Innern von einem oder mehreren Rohren einer
Erdwärmesonde,
typischerweise im Innern eines Vorlaufrohres, d.h. im Innern des
absteigenden Schenkels der Erdwärmesonde, installiert
und die dort herrschende Minimaltemperatur bestimmt. Die so gemessene
Größe geht
als Steuerungsparameter in den Betrieb der Wärmepumpe ein. Es zeigt sich
zum Beispiel in der Grafik aus 7, dass
kurz aufeinander folgende Aktivitätsintervalle der Wärmepumpe
eine Veränderung
der erreichten Temperaturminima bewirken können.
-
In 8 erfolgte
die faseroptische Temperaturmessung in drei Beobachtungsbohrungen
M1, M2 und M4, die in ca. 3 m Abstand von eigentlichen Erdwärmesonden
liegen. Es ist zu erkennen, dass unter dem Einfluss des Wärmesondenbetriebs
die Temperatur im Abstand von 3 m von Erdwärmesonden noch deutlich beeinflusst
wird und im Wesentlichen über den
gesamten Teufenbereich abgesenkt wird. Diese Anordnung ist insbesondere
für die
Langzeitüberwachung
des Einflusses von Erdwärmesondenfeldern auf
die Umgebung von Bedeutung.
-
Für die Beurteilung
der Leistungsfähigkeit von
Erdwärmesonden
und für
ihre Auslegung ist auch die Kenntnis der thermischen Eigenschaften des
Untergrundes in der Umgebung der Erdwärmesonde eine wesentliche Voraussetzung.
Hier ist vor allem die Ermittlung einer schichtaufgelösten Wärmeleitfähigkeit
notwendig. Ein beispielhafter Messvorgang wird so ausgeführt, dass
zunächst
die Temperatur des Untergrundes durch ein in der Erdwärmesonde
zirkulierendes Medium verändert,
d. h. erwärmt
bzw. abgekühlt
wird. Diese Temperaturänderung
muss grundsätzlich
nicht bis zu einem Gleichgewichtszustand erfolgen. Vor und während der
Temperaturänderung
und nach dem Beenden der Temperaturveränderung erfolgt mittels des
faseroptischen Temperatursensorkabels eine Orts- und zeitaufgelöste Temperaturmessung
und damit ein Erfassen einer schichtaufgelösten zeitlichen Temperaturänderung und
der schichtaufgelösten
Angleichung der Temperatur an den Ausgangszustand vor der Temperaturveränderung.
Die dafür
zweckmäßige Messkonfiguration
kann sowohl das Messkabel in Schleifenform nach Konfiguration A
aus 1, aber auch ein Einfachmesskabel nach Konfiguration
B aus 1 sein. Das Temperatursensorkabel befindet sich
entweder im Rohr der Erdwärmesonde
oder an dessen unmittelbarer Außenseite
an der Grenze zum Untergrund. Die Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes und
insbesondere die Wärmeübergangszahl
zwischen Erdwärmesonde
und Untergrund an der entsprechenden Gesteinsschicht wird nachfolgend
unter Verwendung der Wärmeleitungsgleichung
aus dem Temperaturverlauf bestimmt.
-
Für eine Messung
des Einflusses der Erdwärmesonde
infolge eines Wärmepumpenbetriebs oder
einer anderen vergleichbaren Vorrichtung auf die Umgebungstemperatur
im Gestein wird die Temperatur zeit- und ortsaufgelöst erfasst
und auf eine unendlich große
Zeitdauer extrapoliert. Für
ein solches Verfahren kann die Konfiguration A aus 1 verwendet
werden.
-
Hierzu
wird eine Zirkulation der Wärmetauscherflüssigkeit
in der Erdwärmesonde
mit einer exakt gemessenen Zeitdauer ausgeführt. Diese Zirkulation erfolgt über die
mit der Erdwärmesonde
in Verbindung stehende oberirdische Vorrichtung, d. h. beispielsweise
die Wärmepumpe.
Wichtig ist, dass bei dieser Zirkulation ein hinreichend großer Temperaturunterschied
zwischen Wärmetauscherflüssigkeit und
dem umgebenden Gestein gesichert ist. Die Temperatur wird während der
gesamten Zeitdauer der Zirkulation über das Temperatursensorkabel
gemessen. Die Zirkulationsdauer kann sich über mehrere Stunden erstrecken.
Danach wird die Zirkulation unterbrochen, und der Zeitverlauf der
sich daran anschließenden
Einstellung des Temperaturgleichgewichts wird gemessen. Wenn das
Gleichgewichtsniveau erreicht ist, was sich in einem konstanten
Temperaturanstieg im logarithmischen Maßstab zeigt, kann die Messung
beendet werden. Die aktuelle Gebirgstemperatur wird durch eine Extrapolation
auf eine unendlich lange Zeitdauer bestimmt. Hierzu kann das mathematische
Horner-Verfahren angewendet werden.
-
Durch
eine Wiederholung der Messung in bestimmten Zeitabständen, typischerweise
vor Beginn der Heizperiode im Herbst und nach Ende der Heizperiode
im Frühjahr,
können
zeitliche, durch den Betrieb der Erdwärmesonde bewirkte Änderungen der
Gebirgstemperatur und damit der Wärmeentzugsleistung der Erdwärmesonde
bestimmt werden. Ein derartiges Verfahren eignet sich auch gut für Erdwärmesondenfelder,
bei denen für
Erdwärmesonden im
inneren Bereich des Feldes die sich durch den Betrieb der äußeren Erdwärmesonden
einstellende Gebirgstemperatur zu ermitteln ist.
-
Zur
Lokalisierung eines Lecks in einem der Rohrschenkel der Erdwärmesonde
wird entweder mindestens in einem Rohrschenkel, besser noch in allen
Rohrschenkeln der Erdwärmesonde,
ein faseroptisches Temperatursensorkabel eingehängt. Anschließend wird über eine
Wärmepumpe
oder eine andere oberirdische Vorrichtung Flüssigkeit, deren Temperatur
deutlich von der mittleren Gesteinstemperatur abweicht, mit einer
geringen Fließrate
durch ein U-Rohr der Erdwärmesonde
gepumpt. An der Leckstelle verliert die Sonde Flüssigkeit, und das Leck zeigt
sich in einem örtlich
begrenzten Temperatursprung. Diese Prozedur wird bei einem Doppel-U-Rohr
in jedem der U-Rohre der Erdwärmesonde
ausgeführt.
-
Die
Installation des faseroptischen Temperaturmesskabels erfolgt unabhängig von
dem konkret auszuführenden
Messprozess entweder dauerhaft innen und/oder außen an einem oder mehreren Schenkeln
einer Erdwärmesonde
oder temporär
im Innern eines oder mehrerer Schenkel der Erdwärmesonde. Die gleiche Messvorrichtung
kann sowohl zur Kontrolle der ordnungsgemäßen Zementierung, als auch
zur Steuerung der angeschlossenen Wärmepumpe und auch zur Bestimmung
der effektiven Wärmeleitfähigkeit
des Gesteins und der Veränderung der
Gebirgstemperatur bzw. der Wärmeentzugsleistung
durch den Betrieb der Erdwärmesonde
oder auch zur Leckageortung genutzt werden. Es sind keine Umbauten
notwendig, lediglich die Messregime müssen den jeweiligen Messaufgaben
angepasst werden.
-
Weitere
Einbauvarianten können
bei oberflächennahen
geothermischen Anlagen (z. B. Erdwärmesonden oder auch horizontal
verlegten Erdwärmetauschervorrichtungen)
die erwähnten
Kabelschleifen oder Einzelkabel im Rohrinnern bzw. in der Hinterfüllung sein,
während
für tiefe
Erdwärmesonden Kabel
im Ringraum und/oder in einer Förderrohrtour und
bei tiefen Geothermiebohrungen im Innern der Rohrtour bevorzugt
werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wurde anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert.
Im Rahmen fachmännischen
Handelns können
an den gezeigten Ausführungsbeispielen Änderungen
vorgenommen werden, ohne den Geltungsbereich des erfindungsgemäßen Grundgedankens
zu verlassen. Weitere Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
- 1
- Erdwärmesonde
- 2
- Bohrloch
- 3
- Gestein
- 4
- absteigender
Schenkel
- 5
- aufsteigender
Schenkel
- 6
- Umkehrstück
- 7
- Temperatursensorkabel
- 8
- Auswerteeinheit
- 9
- erstes
Einfachmesskabel
- 10
- zweites
Einfachmesskabel