DE102016203865A1

DE102016203865A1 - Temperatursensormodul für Grundwasserströmungen

Info

Publication number: DE102016203865A1
Application number: DE102016203865.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander Michalski; Norbert Klitzsch
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2017-09-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Temperatursensormodul (1) zur Bestimmung von Grundwasserströmungen (G), ein Grundwasserströmungsmesssystem (100) mit ein oder mehreren solchen Temperatursensormodulen (1) und ein entsprechende Verfahren (200) zur Bestimmung von Grundwasserströmungen (G). Das Temperatursensormodul (1) umfasst ein Innenrohr (11), ein außerhalb des Innenrohrs (11) angeordnetes und starr mit dem Innenrohr (11) verbundenes Außenrohr (12), mindestens einen Orientierungssensor (14) zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung des Temperatursensormoduls (1) im Bohrloch (2) sowie Befestigungsmittel zur ortsfesten Befestigung des Temperatursensormoduls an der Erdwärmesonde (3), wobei eine Vielzahl an mit einer Auswerteeinheit (110) verbindbare Temperatursensoren (16) in mehreren Ebenen (E1, E2, E3) senkrecht zur Längsrichtung (L) des Innen- und Außenrohrs (11, 12) pro Ebene (E1, E2, E3) jeweils am Innenrohr (11) und am Außenrohr (12) so angeordnet sind, dass die Anordnungen der Temperatursensoren (16) Innen- und Außenrohr (11, 12) in den jeweiligen Ebenen (E1, E2, E3) umlaufen. Mit dem Temperatursensormodul (1) steht ein Gerät zur Verfügung, mit dem die Grundwasserströmung (G( durchflussfrei und ohne Austausch von Substanzen direkt an einer Erdwärmesonde (3) inklusive der horizontalen Grundwasserströmung bestimmbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Temperatursensormodul zur Bestimmung von Grundwasserströmungen, ein Grundwasserströmungsmesssystem mit ein oder mehreren solchen Temperatursensormodulen und ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung von Grundwasserströmungen.
Hintergrund der Erfindung
Erdwärmesonden (EWS) sind Wärmetauscher, die im Untergrund installiert werden. Für die Installation und die nachhaltige Nutzung von EWS ist es wichtig, deren Leistung zu kennen. Diese hängt u.a. von der Temperatur und den thermischen Eigenschaften des Untergrundes sowie von der Grundwasserströmung ab. Es wäre daher wünschenswert, die Grundwasserströmung im Bereich der Erdwärmesonden zu kennen. Die meisten Methoden zur Bestimmung der Grundwasserströmung setzen unverrohrte Bohrungen bzw. Bohrungen mit Filterstrecken voraus. In diese Bohrungen werden Sonden eingebracht, die oft als Durchflussmesser (Flowmeter) bezeichnet werden. Diese Sonden messen entweder die horizontale oder die vertikale Komponente der Grundwasserströmung, einige wenige Sonden können auch beide Komponenten messen. Für die Messung der Grundwasserströmung gibt es verschiedene, auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien basierende Messmethoden: mechanische Durchflussmesser, elektromagnetische Durchflussmesser, akustische Doppler-Durchflussmesser aber auch Wärmeimpuls-Durchflussmesser. Darüber hinaus wird die Strömung auch anband der Beobachtung von sogenannten Tracern, beispielsweise radioaktive Markierstoffe, Lebensmittelfarbe oder Schwebepartikel, bestimmt, siehe dazu beispielsweise die Druckschrift DE 101 49 024 B4 .
Die Methoden unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Genauigkeit: Während beispielsweise mechanische und Wärmeimpuls-Durchflussmesser nur Fließgeschwindigkeiten von wenigen zehntel Metern pro Sekunde auflösen, sind Markierstoffverfahren deutlich genauer. Beispielsweise können mit radioaktiven Markierstoffen Fließgeschwindigkeiten bis zu 10^–7 m/s bestimmt werden. Die Akzeptanz dieser Methode ist jedoch gering. Wenn sich eine Bohrung (z.B. eine Grundwassermessstelle) in der Nähe eines EWS-Feldes befindet und die Geologie in dieser Gegend nicht stark variiert, kann die mit einer der erwähnten Methoden bestimmte Grundwasserströmung auf das EWS-Feld übertragen werden, d.h. der Einfluss der Grundwasserströmung auf die EWS kann dann mittels numerischer Simulationen quantifiziert werden. Ist jedoch keine Bohrung vorhanden oder variiert die Geologie im Bereich des EWS-Feldes, kann der Einfluss der Grundwasserströmung bisher nicht bestimmt werden.
Außer mit Durchflussmessern kann eine vertikale Grundwasserströmungskomponente auch anhand des ungestörten vertikalen Temperaturprofils detektiert werden, welches beispielsweise mit faseroptischen Temperaturmessungen (sogenanntes Distributed Temperature Sensing) auch an EWS, die noch nicht in Betrieb waren, gemessen werden kann. Die Methode lässt jedoch keine Aussage über die horizontale Grundwasserströmung zu.
Die Grundwasserströmung kann die Leistung der EWS durch deren advektiven Wärmetransport positiv beeinflussen. Sie kann in einem Erdwärmesondenfeld aber auch zu einer Beeinflussung benachbarter Sonden und damit zu einer Reduktion der Leistung des Sondenfeldes führen. Es wäre daher wünschenswert, ein Verfahren und ein entsprechendes Gerät zur Verfügung zu haben, mit denen man die Grundwasserströmung durchflussfrei und ohne Austausch von Substanzen direkt an einer EWS inklusive der horizontalen Grundwasserströmung bestimmen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein entsprechendes Gerät zur Verfügung zu stellen, mit denen man die Grundwasserströmung mit Richtung und Geschwindigkeit durchflussfrei und ohne Austausch von Substanzen direkt an einer Erdwärmesonde bestimmen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Temperatursensormodul zur Bestimmung einer Grundwasserströmung in einer direkten Umgebung einer in einem Bohrloch durch das Temperatursensormodul hindurchgeführten Erdwärmesonde, die zum Vor- und Rücklauf eines Fluides ausgestaltet ist, wobei das Temperatursensormodul ein Rohrmodul mit einer Innenseite und einer Außenseite, mindestens einen Orientierungssensor zur Bestimmung der Position oder Orientierung des Temperatursensormoduls im Bohrloch sowie Positionierungsmittel zur Positionierung des Temperatursensormoduls an der Erdwärmesonde umfasst, wobei eine Vielzahl an mit einer Auswerteeinheit verbindbare Temperatursensoren in mindestens zwei Ebenen mit einem jeweils durch die Montageposition der Temperatursensoren vordefinierten Winkel, vorzugsweise ein rechter Winkel, zur Längsrichtung des Rohrmoduls pro Ebene jeweils an der Innenseite und an der Außenseite des Rohrmoduls so angeordnet sind, dass die Anordnungen der Temperatursensoren die Innen- und Außenseiten in den jeweiligen Ebenen umlaufen.
Eine Grundwasserströmung wird bestimmt durch eine Fließrichtung und eine Fließgeschwindigkeit. Aus der Bestimmung der Fließrichtung und der Fließgeschwindigkeit erhält man die Grundwasserströmung. Die Richtung der Grundwasserströmung kann dabei horizontale und vertikale Komponenten umfassen, die mit der vorliegenden Erfindung gleichermaßen gemessen werden können.
Eine Erdwärmesonde (EWS) bezeichnet hierbei ein geschlossenes, mit einer zirkulierenden Wärmeträgerflüssigkeit (Fluid) befülltes U-förmiges Rohrsystem. Sie wird in der Regel in ein vertikal oder seltener schräg angeordnetes Bohrloch in den Untergrund eingebaut. Mit der Erdwärmesonde wird aus dem Erdreich Wärme entzogen, die meist an den Wärmetauscher (Verdampfer) einer Erdwärmepumpe weitergegeben wird. Mit Hilfe der Wärmepumpe ist die wirtschaftliche Nutzung der Erdwärme beispielsweise zur Gebäudeheizung möglich. Die übliche und weit verbreitete Erdwärmesonde besteht aus Polyethylen-Kunststoffrohr(en), die am jeweils unteren Ende mit einem U-förmigen Fußteil verbunden sind. Man spricht daher auch von U-Sonden oder Doppel-U-Sonden, wenn zwei Rohrpaare pro Bohrloch verwendet werden. Die Rohre werden im geschlossenen Kreislauf von einem Fluid durchströmt, meist eine Sole aus einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel. Solche Sonden besitzen tiefenabhängige Fluidtemperaturen im Vor- und Rücklauf.
Das Rohrmodul kann dabei je nach Ausführungsform unterschiedlich gestaltet sein. In einer Ausführungsform ist das Rohrmodul ein kompaktes Rohr mit einer Innenseite und einer Außenseite, wobei das kompakten Rohrmodul aus einem Material gefertigt sein sollte, das eine Wärmeleitfähigkeit besitzen, die klein genug ist, um die Messung der Temperaturdaten zwischen den Temperatursensoren an der Innenseite und an der Außenseite hinreichend zu entkoppeln. Ein solches Rohrmodul könnte beispielsweise aus Faserverbundmaterial, beispielsweise sogenanntes CFK-Material, hergestellt sein. Die Temperatursensoren an oder auf der Innenseite messen die Temperaturverteilung innerhalb des Vergussmaterials der Erdwärmesonde, die hauptsächlich durch die Temperatur der Vor- und Rückläufe beeinflusst wird. Die Temperatursensoren an oder auf der Außenseite messen die Temperaturverteilung, die hauptsächlich von der Grundwasserströmung beeinflusst wird. Eine Anordnung der Temperatursensoren auf der Außenseite maximiert den Einfluss der Grundwasserströmung auf deren Temperaturdaten, was die Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Grundwasserströmung weiter erhöht.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Rohrmodul ein Innenrohr und ein Außenrohr, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Eine konzentrische Anordnung vermeidet den Einfluss asymmetrischer Effekte auf die Temperaturmessung. In einer weiteren Ausführungsform ist dabei die Innenseite des Rohrmoduls die Innenseite des Innenrohrs und die Außenseite des Rohrmoduls die Außenseite des Außenrohrs. Das Innenrohr und das Außenrohre des Temperatursensormoduls können auf jede geeignete Art und Weise miteinander verbunden sein, solange diese Verbindung eine konstante Position der Temperatursensoren zur Erdwärmesonde und der Anordnungen der Temperatursensoren auf Innen- und Außenrohr zueinander gewährleistet. In einer Ausführungsform ist das Innenrohr dabei über ein oder mehrere Abstandshalter mit dem Außenrohr verbunden. Die Abstandshalter garantieren die gewünschte Anordnung von Innenrohr relativ zum Außenrohr auch im Bohrloch bei Erddruck im Bohrloch auf das Temperatursensormodul. In einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die Abstandshalter parallel zum Bohrloch durch den gesamten Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr.
Die Erdwärmesonde wird dabei durch das Rohrmodul an seiner Innenseite hindurchgeführt. Bei einem Rohrmodul aus Innen- und Außenrohr kann die Verbindung Innenrohr zu Außenrohr unabhängig von der Erdwärmesonde ausgeführt werden. Die Temperaturverteilung wird mit den Temperatursensoren in radialer Richtung in den jeweiligen Ebenen definiert durch die Anordnung der Temperatursensoren als geschlossene Kreise um die Erdwärmesonde, das heißt um die Vor- und Rücklaufrohre der Erdwärmesonde, herum gemessen. Für die nachfolgende Auswertung der gemessenen Temperaturdaten muss die Lage der Ebenen bekannt sein, was durch die vorbekannte Montageposition der Temperatursensoren auf der Temperatursensormodul der Fall ist. Die Ebenen sind dabei vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung der Erdwärmesonde ausgerichtet. Hierzu werden das oder die Temperatursensormodule zusammen mit der Erdwärmesonde in dem Bohrloch positioniert, wobei die Grundwasserfließgeschwindigkeit und -richtung in den Tiefen bestimmt werden können, in denen sich das oder die Temperatursensormodule befinden. Vorzugsweise hat das Rohrmodul zumindest im Bereich der Temperatursensoren an der Außenseite einen Außendurchmesser nur geringfügig kleiner als der Durchmesser des Bohrlochs. Sofern der Durchmesser geringfügig kleiner als der des Bohrlochs ist, ist die Abweichung gerade so gering gehalten, dass das Temperatursensormodul in das Bohrloch hinabgelassen werden kann, sich aber dennoch möglichst nahe an der Wand der Bohrlochs in der vorgesehenen Position (Bohrlochtiefe) befindet.
Für die Bestimmung der Grundwasserströmungsrichtung muss die Orientierung des Temperatursensormoduls im Bohrloch bekannt sein. Deshalb enthält es außer den Temperatursensoren auch einen zur Bestimmung der Orientierung unterhalb der Erdoberfläche geeigneten Orientierungssensor. In einer Ausführungsform ist der Orientierungssensor ein Magnetfeldsensor, der die Orientierung des Temperatursensormoduls im Raum, das heißt dessen Winkel relativ zum Nordpol misst. Alternativ zum Magnetfeldsensor wäre beispielsweise auch ein Kreiselkompass zur Bestimmung der Orientierung geeignet. Dabei wird die Drehung des Rohrmoduls in Abhängigkeit zur Absenkgeschwindigkeit ins Bohrloch aufgezeichnet. Daraus wird dann die Position des Bohrlochmoduls relativ zum Nordpol bestimmt. Der Kreiselkompass kann in beliebigen Tiefen verwendet werden.
Das Temperatursensormodul liefert eine radiale Temperaturverteilung in der Erdwärmesonde in jeder Ebene, in der die Temperatursensoren angeordnet sind. Bei einer senkrechten Positionierung des Temperatursensormoduls im Bohrloch entspricht die radiale Temperaturverteilung einer horizontalen Temperaturverteilung. Anhand der radialen Temperaturen der verschiedenen Ebenen kann daraus zudem die vertikale Temperaturverteilung bestimmt werden. Aus einem Vergleich der gemessenen mit numerisch simulierten Temperaturverteilungen am Ort der Temperatursensormodule wird die Grundwasserströmung zunächst für jede Ebene, in denen die Temperatursensoren angeordnet sind, abgeleitet. Da ein Temperatursensormodul mehrere solcher Ebenen in unterschiedlichen Tiefen im Bohrloch umfasst, können daraus auch die vertikalen Komponenten der Grundwasserströmung bestimmt werden. Zur Bestimmung der Orientierung des Moduls, die Voraussetzung für die Bestimmung der Grundwasserfließrichtung ist, enthält das Modul einen Orientierungssensor. Außerdem können die gemessenen radialen Temperaturgradienten genutzt werden, um den Bohrlochwiderstand und die thermische Eigenschaften des Zements zu bestimmen als auch um Leckagen an der EWS zu delektieren.
Die Erfindung stellt somit mit dem Temperatursensormodul ein Gerät zur Verfügung, mit dem die Grundwasserströmung mit Richtung und Geschwindigkeit durchflussfrei und ohne Austausch von Substanzen direkt an einer Erdwärmesonde bestimmbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Temperatursensoren in derselben Ebene jeweils radialsymmetrisch und konzentrisch zueinander am Rohrmodul angeordnet. Eine solche Anordnung erleichtert die Auswertung der Temperaturdaten.
In einer Ausführungsform sind die Temperatursensoren am Rohrmodul in drei oder mehr Ebenen, die über die Länge des Temperatursensormoduls symmetrisch verteilt sind, angeordnet. Hiermit kann die gesamte Länge des Temperatursensormoduls zur Bestimmung der vertikalen Grundwasserströmung in der Tiefenposition des Temperatursensormoduls im Bohrloch verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform sind dabei in jeder Ebene mindestens acht Temperatursensoren mit gleichen Abständen zwischen benachbarten Temperatursensoren jeweils an der Innenseite und an der Außenseite angeordnet. Mit dieser Anzahl an Temperatursensoren pro Ebene kann die Grundwasserströmung besonders genau bestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Temperatursensoren digitale Temperatursensoren, beispielsweise I2C-kompatible Temperatursensoren, oder insbesondere ADT7420-Temperatursensoren. Die Verwendung analoger Temperatursensoren benötigt einen größeren Bauraumbedarf im Temperatursensormodul, der bei den meisten Anwendungen beziehungsweise den Bohrlöcher von Erdwärmesonden nicht zur Verfügung steht. Gerade digitale Temperatursensoren erlauben es, viele solcher Sensoren in der direkten Umgebung zu einer Erdwärmesonde anzuordnen. Insbesondere Ausführungsformen mit acht oder mehre Temperatursensoren pro Ebene pro Innen- bzw. Außenseite werden bei der Limitierung des vorhandenen Einbauvolumens im Bohrloch erst durch die Verwendung von digitalen Temperatursensoren ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform sind zumindest die Temperatursensoren und der Orientierungssensor geeignet vergossen, um sie vor Wasser und Verfüllmaterial im Bohrloch zu schützen. Vorzugsweise sind alle elektronischen Bauteile des Temperatursensormoduls geeignet z.B. mit der zweikomponentigen Vergussmasse WEPURAN VU 4443/92 vergossen.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Positionierungsmittel ein oder mehrere an der Innenseite angeordnete Führungen. Diese Führungen gewährleisten einen definierten Abstand der Erdwärmesonde zum Rohrmodul des Temperatursensormoduls und verbessern somit die Messgenauigkeit zur Bestimmung der Grundwasserströmung. Hierbei kann die Führung zur Befestigung des Temperatursensormoduls an dem Vor-und Rücklauf der Erdwärmesonde ausgestaltet sein. Hierbei können sich die Führungen entlang der Innenseite über die gesamte Länge der Innenseite erstrecken, um den besten Halt und die beste Positionstreue der Erdwärmesonde zum Temperatursensormodul zu liefern. Sofern die Erdwärmesonde als Doppel-U-Rohr-Sonde zum Vor-und Rücklauf eines Fluides ausgestaltet ist, ist die Form der Führungen bevorzugt auf die Form der Doppel-U-Rohre angepasst, sodass ein passgenauer Sitz zwischen Führung und Doppel-U-Rohr ermöglicht ist.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Grundwasserströmungsmesssystem umfassend ein oder mehrere erfindungsgemäße Temperatursensormodule und eine Auswerteeinheit, wobei die Auswerteeinheit durch geeignete Datenübertragungsmittel mit den Temperatursensoren der jeweiligen Temperatursensormodule zur Übermittlung der von den Temperatursensoren gemessenen Temperaturdaten verbunden ist. In einer Ausführungsform umfasst die Auswerteeinheit beispielsweise einen Arduino Mikrokontroller. Die Auswerteeinheit kann dabei an jedem geeigneten Ort des Grundwasserströmungsmesssystems angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit an der Erdoberfläche in einem geeigneten Gehäuse oder Gebäude oder Container angeordnet. Die Auswerteeinheit kann hierbei neben einen Prozessor oder Mikrokontroller für den Betrieb des Grundwasserströmungsmesssystems und zur Ausführung eines Simulations- und Auswerteprogramms zur Bestimmung der Grundwasserströmung in der direkten Umgebung der in dem Bohrloch durch das oder die Temperatursensormodule hindurchgeführten Erdwärmesonde eine Speichereinheit für die Messdaten (Datenbank) umfassen. Durch das Grundwasserströmungsmesssystem können mehrere Temperatursensormodule beispielsweise durch individuelle Adressierung hintereinander geschaltet werden, so dass prinzipiell das gesamte Bohrloch vermessen werden kann. Alle Temperatur- und Magnetfelddaten werden beispielsweise mit Hilfe des Arduino Mikrocontrollers und einem dafür in C entwickeltem Programm ausgelesen und in einer MySQL-Datenbank gespeichelt. Darüber hinaus werden die Temperaturmessungen mit einem PHP-Programm in Echtzeit grafisch dargestellt, so dass die Funktion der Temperatursensormodule (und der Erdwärmesonde) ständig geprüft werden kann. Da die Messungen in einer Datenbank abgelegt werden, kann auch deren zeitliche Änderung analysiert werden.
Das Bohrloch wird nach Positionierung der Erdwärmesonde mit Verfüllmaterial verfüllt. Dieses Material dringt auch in die Zwischenräume zwischen Innenrohr und Erdwärmesonde sowie zwischen Innenrohr und Außenrohr ein. Übliches Verfüllmaterial ist dabei ThermoCem^®. Dieses Material hat eine Wärmeleitfähigkeit ähnlich der des Untergrundes. Somit ist eine Widerstandslose Wärmeankopplung zwischen EWS und Erdreich möglich.
Die Erfindung stellt somit mit dem Grundwasserströmungsmesssystem ein Gerät zur Verfügung, mit dem die Grundwasserströmung mit Richtung und Geschwindigkeit durchflussfrei und ohne Austausch von Substanzen direkt an einer Erdwärmesonde bestimmt werden kann.
In einer Ausführungsform sind die Temperatursensoren digitale Temperatursensoren und die geeigneten Datenübertragungsmittel ein oder mehrere Datenleitungen. Beispielsweise sind die Temperatursensoren dabei I2C-kompatible Temperatursensoren, bevorzugt ADT7420-Temperatursensoren, die beispielsweise von dem Arduino-Mikrokontroller ausgelesen werden. Vorzugsweise wird zur Datenkommunikation zwischen Mikrocontroller und Temperatursensoren und anderen elektronischen Komponenten des Temperatursensormoduls das I2C-Bus Protokoll genutzt. In einer Ausführungsform sind zur Datenübertragung (beispielsweise SDA und SCL) die Datenleitungen dabei als Cat5e-Kabel ausgeführt. Bei großen Bohrlochtiefen kann bei Entfernungen von über 100 m zwischen Temperatursensormodul und Auswerteeinheit zusätzlich ein sogenannter I2C-Buffer verwendet werden, der die über die Datenleitung zur Auswerteeinheit übermittelten Signale umfassend die mit dem Temperatursensoren gemessenen Temperaturdaten verstärkt. In einer Ausführungsform ist in der Datenleitung ein Multiplexer angeordnet. Ein solcher Multiplexer ermöglicht beispielsweise die Verwendung einer einzigen Datenleitung für eine Vielzahl an Temperatursensormodule angeordnet in verschiedenen Tiefen an derselben Erdwärmesonde.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Bestimmung einer Grundwasserströmung mittels eines erfindungsgemäßen Grundwasserströmungsmesssystems in einer direkten Umgebung einer in einem Bohrloch durch ein oder mehrere erfindungsgemäße Temperatursensormodule hindurchgeführten Erdwärmesonde, die zum Vor- und Rücklauf eines Fluides ausgestaltet ist, umfassend die Schritte

– Messen von Temperaturdaten in mindestens zwei jeweils mit Temperatursensoren versehenen Ebenen mit einem jeweils durch die Montageposition der Temperatursensoren vordefinierten Winkel, vorzugsweise im rechten Winkel, zur Längsrichtung der jeweiligen Temperatursensormodule bei hindurchgeführter Erdwärmesonde;
– Übermitteln der Temperaturdaten an eine Auswerteeinheit des Grundwasserströmungsmesssystems mittels geeigneter Datenübertragungsmittel;
– Bestimmen einer ersten radialen Temperaturverteilung um die Erdwärmesonde herum für die jeweiligen Ebenen aus den übermittelten Temperaturdaten mittels der Auswerteeinheit;
– Ausführen einer ersten Simulationsberechnung einer vertikalen Temperaturverteilung entlang der Erdwärmesonde für die Vor- und Rückläufe des Fluides mittels der Auswerteeinheit anhand eines in der Auswerteeinheit hinterlegten und von ihr ausgeführten Rohrmodells und Bestimmen einer Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf;
– Ausführen einer zweiten Simulationsberechnung unter Verwendung der mittels der ersten Simulationsberechnung bestimmten Temperaturdifferenz als Eingangsgröße mittels der Auswerteeinheit zur Bestimmung einer jeweiligen zweiten radialen Temperaturverteilung für die jeweiligen mit Temperatursensoren ausgestatteten Ebenen unter Annahme einer in der jeweiligen Ebene vorhandenen Grundwasserströmung mit einer bestimmten Geschwindigkeit und Richtung; und
– Vergleichen der ersten und zweiten radialen Temperaturverteilungen und Wiederholen der zweiten Simulationsberechnung mit geänderter angenommener Grundwasserströmung, bis die ersten und zweiten radialen Temperaturverteilungen für die jeweiligen Ebenen übereinstimmen.

Für die nachfolgende Auswertung der gemessenen Temperaturdaten muss die Lage der Ebenen bekannt sein, was durch die vorbekannte Montageposition der Temperatursensoren auf der Temperatursensormodul der Fall ist. Die Ebenen sind dabei vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung der Erdwärmesonde ausgerichtet.
Die Erfindung stellt somit ein Verfahren zur Verfügung, mit dem man die Grundwasserströmung mit Richtung und Geschwindigkeit durchflussfrei und ohne Austausch von Substanzen direkt an einer Erdwärmesonde bestimmen kann.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses die weiteren Schritte

– Bestimmen eines radialen Temperaturgradienten aus den Temperaturdaten zwischen den Temperatursensoren auf den Innen- und Außenseiten in den jeweiligen Ebenen; und
– Aufzeichnen der Temperaturgradienten als Funktion der Zeit zur Überwachung des Langzeitverhaltens der Wärmeleitfähigkeit von Verfüllmaterial und des Bohrlochs um die Erdwärmesonde herum.

Die beiden Anordnungen von Temperatursensoren in einer Ebene an den Innen- und Außenrohren (ergeben somit zwei Sensorringe pro Ebene) liefern den radialen Temperaturgradienten und ermöglichen damit die Bestimmung und Überwachung des Langzeitverhaltens der Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials und des Bohrlochwiderstands. Abrupte Änderungen des Temperaturgradienten würden beispielsweise auf eine Leckage hinweisen. Da eine Wärmestromdichte aus der Messung der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur bekannt ist, kann eine Wärmeleitfähigkeit aus der Temperaturdifferenz zwischen innerem und äußerem Ring berechnet werden. Sollte sich dieser im Verlaufe einer Langzeitüberwachung ändern, können Rückschlüsse auf den Zustand des Verfüllmaterials gezogen werden. Da das Verfüllmaterial und damit auch die Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials bekannt ist, kann auch der Bohrlochwiderstand, die Reduktion des Energieaustausches zwischen Erdreich und Erdwärmesonde, aus der Wärmeleitfähigkeit der EWS berechnet werden. Somit können mit dieser Erfindung auch die thermischen Eigenschaften der Erdwärmesonde (Bohrlochwiderstand und Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials) in situ bestimmt und Leckagen an der EWS detektiert werden.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt.
1: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperatursensormoduls in perspektivischer Ansicht;
2: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperatursensormoduls im Schnitt senkrecht zur Längsachse (a) mit Temperatursensoren, und (b) mit Führung außerhalb der Ebenen mit Temperatursensoren;
3: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Grundwasserströmungsmesssystems;
4: numerische Simulationsergebnisse der Temperaturdifferenz von Temperatursensorpaaren auf dem Innen- und Außenrohr in derselben Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Temperatursensormoduls.
5: numerische Simulation des Temperaturverlaufs des Fluides in einer von Fluid durchströmten Erdwärmesonde als Funktion der Bohrlochtiefe.
6: Differenz der simulierten Temperaturverteilung in der direkten Umgebung der Erdwärmesonde zwischen den Temperaturverteilungen mit und ohne Grundwasserströmung im Bereich der Erdwärmesonde.
7: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperatursensormoduls 1 zur Bestimmung einer Grundwasserströmung G in einer direkten Umgebung einer in einem Bohrloch 2 durch das Temperatursensormodul 1 hindurchgeführten Erdwärmesonde 3 in perspektivischer Ansicht. Die Erdwärmesonde 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Doppel-U-Rohr-Sonde 3 mit doppeltem Vor- und Rücklauf 31, 32 des Fluides F ausgestaltet. Die U-Rohr-förmige Umkehr des Vorlaufs in den Rücklauf am Boden des Bohrlochs ist hier aus Übersichtsgründen nicht gezeigt. Das Temperatursensormodul 1 umfasst hier ein Rohrmodul 11, 12, das in dieser Ausführungsform ein Innenrohr 11 und ein Außenrohr 12 umfasst, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei das Innenrohr 11 dabei beispielshaft über vier Abstandshalter 13 mit dem Außenrohr 12 verbunden ist. In anderen Ausführungsformen können Anzahl und Form der Abstandshalter 13 auch anders ausgeführt sein. Das Temperatursensormodul 1 umfasst des Weiteren mindestens einen Orientierungssensor 14 zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung des Temperatursensormoduls 1 im Bohrloch 2, wobei sich die Position, wo der Orientierungssensor 14 im Temperatursensormodul 1 angeordnet ist, nahe an der Längsachse befinden sollte, damit die Ausrichtung des Moduls nicht im Nachhinein berechnet werden muss. In dieser Ausführungsform ist der Orientierungssensor 14 als Magnetfeldsensor 14 ausgeführt. Das Temperatursensormodul 1 umfasst des Weiteren Positionierungsmittel 15 zur Positionierung des Temperatursensormoduls 1 an der Erdwärmesonde 3. In dieser Ausführungsform sind die Positionierungsmittel 15 als im Innenrohr 11 angeordnete Führungen 151 ausgestaltet. In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sind die Führungen 151 zur Halterung des Temperatursensormoduls 1 an der Erdwärmesonde 3 entlang des Innenrohrs 11 über die gesamte Länge des Innenrohrs 11 (hier aus Übersichtsgründen nicht gezeigt). Das Temperatursensormodul 1 besitzt eine Längsausdehnung L entlang des Bohrlochs 2, wobei das Innenrohr 11 und das Außenrohr 12 unterschiedliche Längen haben können. Das Temperatursensormodul 1 umfasst des Weiteren eine Vielzahl an mit einer Auswerteeinheit 110 (siehe dazu 3) verbindbaren Temperatursensoren 16 angeordnet jeweils in mehreren Ebenen E1, E2, E3 in dieser Ausführungsform senkrecht zur Längsrichtung L des Innen- und Außenrohrs 11, 12 mit jeweils pro Ebene E1, E2, E3 eine Vielzahl an Temperatursensoren 16 angeordnet jeweils radialsymmetrisch und konzentrisch zueinander am Innenrohr 11 und am Außenrohr 12, wobei die Anordnungen der Temperatursensoren 16 an Innen- und Außenrohr 11, 12 die Erdwärmesonde 3 beziehungsweise die Vor- und Rückläufe 31, 32 in den jeweiligen Ebenen E1, E2, E3 umlaufen. In dieser Ausführungsform sind die Temperatursensoren 16 am Innenrohr 11 und am Außenrohr 12 in drei Ebenen E1, E2, E3 über die Länge L des Temperatursensormoduls 1 symmetrisch verteilt. Die Temperatursensoren 16 sind hierbei aufgrund ihrer großen Anzahl digitale Temperatursensoren 16, vorzugsweise I2C-kompatible Temperatursensoren 16, besonders bevorzugt ADT7420-Temperatursensoren 16. Die Verwendung analoger Temperatursensoren 16 benötigt einen größeren Bauraumbedarf im Temperatursensormodul 1, der bei den meisten Anwendungen beziehungsweise den Bohrlöcher von Erdwärmesonden 3 nicht zur Verfügung stehen würde. Vorzugsweise sind dabei zumindest die Temperatursensoren 16 und der Orientierungssensor 14 geeignet vergossen, um sie vor Wasser und Verfüllmaterial im Bohrloch 2 zu schützen. Das Temperatursensormodul 1 ist beispielsweise im Längsrichtung L 1m lang und besteht aus einem Innenrohr 11 mit einem Durchmesser von 90 mm und einem Außenrohr 12, welches 60 cm lang ist und einen Durchmesser von 150 mm hat.
2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperatursensormoduls 1 im Schnitt senkrecht zur Längsachse L (a) mit Temperatursensoren 16, und (b) mit einer Führung 151 außerhalb der Ebenen E1 mit Temperatursensoren 16, wobei auch hier das Rohrmodul 11, 12 ein Innenrohr 11 und ein Außenrohr 12 umfasst, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei das Innenrohr 11 dabei beispielshaft über vier Abstandshalter 13 mit dem Außenrohr 12 verbunden ist. Hierbei sind in der dargestellten Ebene E1 acht Temperatursensoren 16 mit gleichen Abständen zwischen benachbarten Temperatursensoren 16 jeweils am Innenrohr 11 und am Außenrohr 12 angeordnet. Das gleiche gilt für die weiteren hier nicht dargestellten Ebenen E2 und E3. Das Temperatursensormodul 1 besitzt somit in dieser Ausführungsform 48 Temperatursensoren 16. Gegenüberliegende Temperatursensoren 16 in den jeweiligen Innen- und Außenrohren 11, 12 sind als Temperatursensoren 16g und die benachbarte Temperatursensoren 16 zwischen Innen- und Außenrohr 11, 12 als Temperatursensoren 16b bezeichnet. Hierbei besitzen das Innenrohr 11 eine vom Außenrohr 12 wegweisende Innenseite 11i und das Außenrohr 12 eine vom Innenrohr 11 wegweisende Außenseite 12a, wobei die Temperatursensoren 16 des Innenrohrs 11 auf dessen Innenseite 11i und die Temperatursensoren 16 des Außenrohrs 12 auf dessen Außenseite 12a angeordnet sind. Die Temperatursensoren 16 auf der Innenseite 11i des Innenrohrs 11 messen somit die Temperaturverteilung innerhalb des Vergussmaterials der Erdwärmesonde 3, die hauptsächlich durch die Temperatur der Vor- und Rückläufe 31, 32 beeinflusst wird. Die Temperatursensoren 16 am Außenrohr 12 messen die Temperaturverteilung, die hauptsächlich von der Grundwasserströmung G beeinflusst wird. Die Anordnung der Temperatursensoren 12 an der Außenseite 12a des Außenrings 12 maximiert den Einfluss der Grundwasserströmung G auf deren Temperaturdaten, was die Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Grundwasserströmung G weiter erhöht. In dieser Ausführungsform sind die Temperatursensoren 16 verschwenkbar angeordnet (nicht explizit im Detail dargestellt). Aus Übersichtsgründen sind in 2a keine Positionierungsmittel 15 beziehungsweise keine Führungen 151 dargestellt.
In 2b ist das Temperatursensormodul 1 in einem Schnitt senkrecht zur Längsachse L außerhalb der Ebene E1 dargestellt. Hier umfasst das Temperatursensormodul 1 die Positionierungsmittel 15, die eine einteilige im Innenrohr angeordnete Führung 151 (grau dargestellt) umfasst. Diese Führung 151 ist in ihrer Form auf die als Doppel-U-Rohr-Sonde ausgeführte Erdwärmesonde angepasst, sodass die beide Vor- und Rückläufe 31, 32 des Doppel-U-Rohrs zumindest teilweise in die entsprechenden schalenförmigen Ausbuchtungen der Führung 151 hineinpassen, sodass das Temperatursensormodul 1 mit Innen- und Außenrohr 11, 12 in einem definierten Abstand zur Erdwärmesonde positioniert ist und dadurch die Messgenauigkeit zur Bestimmung der Grundwasserströmung verbessert wird. In anderen Ausführungsformen können die Führung(en) 151 auch anders zur Positionierung und Befestigung des Temperatursensormoduls 1 an der Erdwärmesonde 3 ausgestaltet und geformt sein. Hierbei kann die Führung zur Befestigung des Temperatursensormoduls an dem Vor- und Rücklauf der Erdwärmesonde ausgestaltet sein. Hierbei können sich die Führungen entlang des Innenrohrs über die gesamte Länge des Innenrohrs erstrecken, um den besten Halt und die beste Positionstreue der Erdwärmesonde zum Temperatursensormodul zu liefern. Sofern die Erdwärmesonde als Doppel-U-Rohr-Sonde zum Vor- und Rücklauf eines Fluides ausgestaltet ist, ist die Form der Führungen bevorzugt auf die Form der Doppel-U-Rohre angepasst, sodass ein passgenauer Sitz zwischen Führung und Doppel-U-Rohr ermöglicht ist.
3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Grundwasserströmungsmesssystems 100, das in dieser Ausführungsform zwei erfindungsgemäße Temperatursensormodule 1 und eine Auswerteeinheit 110 umfasst. Die Temperatursensoren 16 sind hier als digitale Temperatursensoren 16 ausgeführt. Die Auswerteeinheit 110 ist hier durch eine Datenleitung 120 ausgeführt als Cat5e-Kabel als das Datenübertragungsmittel mit den Temperatursensoren 16 der jeweiligen Temperatursensormodule 1 zur Übermittlung 220 der von den Temperatursensoren 16 gemessenen Temperaturdaten TD verbunden. Damit die beiden Temperatursensormodule mit nur einer Datenleitung 120 mit der Auswerteeinheit 110 verbunden sein können, ist in der Datenleitung 120 ein Multiplexer 130 angeordnet. Zur Verstärkung der über die Datenleitung 120 übertragenen Signale umfassend die Temperaturdaten TD ist in der Datenleitung 120 zusätzlich ein sogenannter I2C-Buffer 140 angeordnet. Ein solcher Buffer 140 ermöglicht die Datenübertragung selbst in großen Bohrlochtiefen bei Entfernungen von über 100 m zwischen Temperatursensormodul 1 und Auswerteeinheit 110. Die Auswerteeinheit 110 kann beispielsweise einen Arduino Mikrokontroller umfassen. Die Auswerteeinheit 110 ist hier oberhalb des Erdbodens 150 außerhalb des Bohrlochs 2 angeordnet. Sie kann dabei in einem geeigneten Gehäuse oder Gebäude oder Container angeordnet sein. Die Auswerteeinheit 110 kann hierbei neben einen Prozessor oder Mikrokontroller für den Betrieb des Grundwasserströmungsmesssystems 100 und zur Ausführung eines Simulations- und Auswerteprogramms zur Bestimmung der Grundwasserströmung G eine Speichereinheit für die Messdaten (Datenbank) umfassen.
4 zeigt numerische Simulationsergebnisse einer Temperaturdifferenz in Kelvin von sich gegenüberliegenden Temperatursensorpaaren 16g, 16b bei jeweils acht Temperatursensoren 16 angeordnet auf dem Innenrohr 11 (unterbrochene Linien) und dem Außenrohr 12 (durchgezogene Linien) in derselben Ebene E1, E2, E3 senkrecht zur Längsrichtung L des Temperatursensormoduls 1 bei einer Grundwasserströmung G von 10 m pro Jahr. Die vier Kurven wurden nach unterschiedlichen Zeitspannen seit Anliegen der Grundwasserströmung mit der Sequenz 8 Stunden, 1 Tag, 30 Tage und 90 Tage genommen (Pfeilrichtung 8 Stunden → 90 Tage). Die Nummerierung bezeichnet mit den Ziffern Nr. 1–Nr. 8 die acht Temperatursensoren 16 auf dem Innenrohr 11 sowie mit den Ziffern Nr. 9–Nr. 16 die entsprechenden anderen acht Temperatursensoren 16 auf dem Außenrohr 12, die jeweils für beide Rohre 11, 12 symmetrisch zueinander mit gleichen Abständen zu den benachbarten Temperatursensoren 16 angeordnet sind. Die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf 31, 32 beträgt 0.4 Kelvin, die Temperatur des Untergrundes 10 °C. Ohne Grundwasserströmung G ist die Temperaturverteilung in und um die Erdwärmesonde 3 nahezu symmetrisch. Durch eine Grundwasserströmung G wird die Temperaturverteilung verzerrt, so dass Temperaturänderungen in den sich im Außenrohr 12 bzw. im Innenrohr 11 gegenüberliegenden Temperatursensoren 16g (siehe 2) und in den direkt zwischen Innenrohr 11 und Außenrohr 12 benachbarten Temperatursensoren 16b (siehe 2) gemessen werden. Werden die Daten gegen die Positionen der Temperatursensoren 16 aufgetragen, so lässt sich aus dem Vergleich mit numerischen Simulationen die Richtung und Stärke der Grundwasserströmung G ableiten. Die maximale Temperaturdifferenz tritt zwischen Sensor Nr. 11 und Nr. 15 auf die gegenüberliegenden Temperatursensoren 16g des Außenrohrs 12, wo auf der einen Seite die Grundwasserströmung G im Wesentlichen senkrecht auftrifft, und zeigt somit die Strömungsrichtung an. Entsprechend werden die mit dem erfindungsgemäßen Temperatursensormodul 1 tatsächlich gemessenen Temperaturdaten interpretiert.
5 zeigt numerische Simulation des Temperaturverlaufs des Fluides F in einer vom Fluid F durchströmten Erdwärmesonde 3 als Funktion der Bohrlochtiefe Z. Die Simulation der Temperaturverteilung in und um eine Erdwärmesonde 3 erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird die Temperaturverteilung des Fluides F entlang der Erdwärmesonde 3 für die Vor- und Rückläufe 31, 32 berechnet. Die Temperaturdifferenz im Fluid F entsteht durch die entlang der Erdwärmesonde 3 aufgenommene bzw. abgegebene Wärme. Diese Temperaturverteilung wird mit einem Rohrmodell berechnet, in das die Untergrundtemperatur, die Wärmeleitfähigkeit der entsprechenden Bodenschichten sowie die Fließgeschwindigkeit des Fluides F innerhalb der Erdwärmerohre für Vor- und Rücklauf 31, 32 eingehen. Als Randbedingung wird die Eintrittstemperatur des Fluides F in die Erdwärmesonde an der Oberfläche der Erde verwendet, in diesem Beispiel 6°C. Die Austrittstemperatur des Fluides an der Oberfläche ist in diesem Beispiel 8°C, die durchschnittliche Untergrundtemperatur 10°C. Die tiefenabhängige Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf 31, 32 wird als Eingangsgröße für den zweiten Simulationsschritt benötigt. Hier wird in einer bestimmten Tiefe, in der das Temperatursensormodul 1 angebracht ist, die Temperaturverteilung in einer radialen Ebene E1, E2, E3 der Erdwärmesonde 3 und ihrer Umgebung simuliert, wobei die im ersten Schritt berechneten Temperaturen als Randbedingung für Vor- und Rücklauf 31, 32 verwendet werden. Die Simulationen werden für verschiedene Grundwasserströmungen G (Geschwindigkeit und Richtungen) relativ zur Symmetrieachse der Erdwärmesonde 3 durchgeführt.
6 zeigt die Differenz der simulierten radialen Temperaturverteilung RT2 in der direkten Umgebung der Erdwärmesonde 3 zwischen den Temperaturverteilungen mit und ohne Grundwasserströmung (hier: Geschwindigkeit der Grundwasserströmung = 85m/Jahr) im Bereich der Erdwärmesonde. Aus den beschriebenen Simulationen werden die in 4 gezeigten Daten extrahiert und mit den Messdaten des Temperatursensormoduls 1 und der daraus resultierenden ersten radialen Temperaturverteilung RT1 verglichen. Daraus lassen sich die Richtung und die Geschwindigkeit der Grundwasserströmung G ableiten. Die Lage der Temperatursensoren 16 an der Innenseite 11i und an der Außenseite 12a des Temperatursensormoduls 16 ist durch schwarze Kreise gezeigt, die Richtung der Grundwasserströmung G durch Pfeile dargestellt.
Die beiden Anordnungen von Temperatursensoren 16 in einer Ebene E1, E2, E3 an den Innen- und Außenseiten 11i, 12a (ergeben somit zwei Sensorringe pro Ebene) liefern den radialen Temperaturgradienten und ermöglichen damit die Bestimmung und Überwachung des Langzeitverhaltens der Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials und des Bohrlochwiderstands. Abrupte Änderungen des Temperaturgradienten würden beispielsweise auf eine Leckage hinweisen. Die Wärmeleitfähigkeit ist der Proportionalitätsfaktor zwischen Wärmestromdichte und Temperaturgradienten: q → = –λ∇T + ρcTν.
Dabei entspricht q der Wärmestromdichte, dem Temperaturgradienten und λ der Wärmeleitfähigkeit, welche sich aus der Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials, der Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes ergibt. Der zweite Term beschreibt den advektiven Wärmetransport aufgrund der Grundwasserströmung G. Er wird gebildet aus der volumetrischen Wärmekapazität ρc, der Temperatur T und der Darcy-Geschwindikeit ν. Da die Wärmestromdichte aus der Messung der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur bekannt ist, kann die Wärmeleitfähigkeit aus der Temperaturdifferenz zwischen innerem und äußerem Ring an Temperatursensoren 16 an den Innen- und Außenseiten 11i, 12a berechnet werden. Sollte sich dieser im Verlaufe einer Langzeitüberwachung ändern, können Rückschlüsse auf den Zustand des Verfüllmaterials gezogen werden. Da das Verfüllmaterial und damit auch die Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials bekannt ist, kann auch der Bohrlochwiderstand, die Reduktion des Energieaustausches zwischen Erdreich und Erdwärmesonde 3, aus der Wärmeleitfähigkeit der Erdwärmesonde 3 berechnet werden. Somit können mit dieser Erfindung auch die thermischen Eigenschaften der Erdwärmesonde 3 (Bohrlochwiderstand und Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials) in situ bestimmt und Leckagen an der Erdwärmesonde 3 detektiert werden.
7 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 200 zur Bestimmung einer Grundwasserströmung G mittels des erfindungsgemäßen Grundwasserströmungsmesssystems 100 in einer direkten Umgebung einer in einem Bohrloch 2 durch ein oder mehrere erfindungsgemäße Temperatursensormodule 1 hindurchgeführten Erdwärmesonde 3, die zum Vor- und Rücklauf 31, 32 eines Fluides F ausgestaltet ist, umfassend die Schritte des Messens 210 von Temperaturdaten TD in mindestens zwei jeweils mit Temperatursensoren 16 versehenen Ebenen E1, E2, E3 mit einem jeweils durch die Montageposition der Temperatursensoren 16 vordefinierten Winkel zur Längsrichtung von Innen- und Außenrohren 11, 12 der jeweiligen Temperatursensormodule 1 bei hindurchgeführter Erdwärmesonde 3; des Übermittelns 220 der Temperaturdaten TD an eine Auswerteeinheit 110 des Grundwasserströmungsmesssystems 100 mittels geeigneter Datenübertragungsmittel 120; des Bestimmens 230 einer ersten radialen Temperaturverteilung RT1 um die Erdwärmesonde 3 herum für die jeweiligen Ebenen E1, E2, E3 aus den übermittelten Temperaturdaten TD mittels der Auswerteeinheit 110; des Ausführens 240 einer ersten Simulationsberechnung einer vertikalen Temperaturverteilung VT entlang der Erdwärmesonde 3 für die Vor- und Rückläufe 31, 32 des Fluides F mittels der Auswerteeinheit 110 anhand eines in der Auswerteeinheit 110 hinterlegten und von ihr ausgeführten Rohrmodells und Bestimmen einer Temperaturdifferenz TD zwischen Vor- und Rücklauf 31, 32; des Ausführens 250 einer zweiten Simulationsberechnung unter Verwendung der mittels der ersten Simulationsberechnung 240 bestimmten Temperaturdifferenz TD als Eingangsgröße mittels der Auswerteeinheit 110 zur Bestimmung einer jeweiligen zweiten radialen Temperaturverteilung RT2 für die jeweiligen mit Temperatursensoren 16 ausgestatteten Ebenen E1, E2, E3 unter Annahme einer in der jeweiligen Ebene E1, E2, E3 vorhandenen Grundwasserströmung G mit einer bestimmten Geschwindigkeit und Richtung; und des Vergleichens 260 der ersten und zweiten radialen Temperaturverteilungen RT1, RT2 und Wiederholen der zweiten Simulationsberechnung 240 mit geänderter angenommener Grundwasserströmung G, bis die ersten und zweiten radialen Temperaturverteilungen RT1, RT2 für die jeweiligen Ebenen E1, E2, E3 übereinstimmen. Das Verfahren umfasst in dieser Ausführungsform zusätzlich die weiteren Schritte des Bestimmens 270 eines radialen Temperaturgradienten RDT aus den Temperaturdaten TD zwischen den Temperatursensoren 16 an den Innen- und Außenseiten 11i, 12a in den jeweiligen Ebenen E1, E2, E3; und des Aufzeichnens 280 der Temperaturgradienten RDT als Funktion der Zeit zur Überwachung des Langzeitverhaltens LV der Wärmeleitfähigkeit von Verfüllmaterial und des Bohrlochs 2 um die Erdwärmesonde 3 herum.
Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
Bezugszeichenliste

1: Temperatursensormodul zur Bestimmung einer Grundwasserströmung
11, 12: Rohrmodul
11: Innenrohr
11i: Innenseite des Innenrohrs
12: Außenrohr
12a: Außenseite des Außenrohrs
13: Abstandshalter
14: Orientierungssensor (z.B. Magnetfeldsensor)
15: Positionierungsmittel
151: Führung(en)
16: Temperatursensoren
16g: gegenüberliegende Temperatursensoren in den jeweiligen Rohren
16b: benachbarte Temperatursensoren zwischen Innen- und Außenrohr
100: Grundwasserströmungsmesssystem
110: Auswerteeinheit
120: Datenübertragungsmittel, Datenleitung
130: Multiplexer
140: I2C-Buffer
150: Erdboden
2: Bohrloch
200: Verfahren zur Bestimmung einer Grundwasserströmung
210: Messen von Temperaturdaten mit den Temperatursensoren
220: Übermitteln der Temperaturdaten an die Auswerteeinheit
230: Bestimmen der radialen Temperaturverteilung aus den Temperaturdaten
240: Ausführen einer ersten Simulationsberechnung einer vertikalen Temperaturverteilung entlang der Erdwärmesonde
250: Ausführen einer zweiten Simulationsberechnung zur Bestimmung einer radialen Temperaturverteilung in den jeweiligen Ebenen
260: Vergleichen der radialen Temperaturverteilungen aus den Temperaturdaten und aus der zweiten Simulationsberechnung in den jeweiligen Ebenen
270: Bestimmen eines Temperaturgradienten zwischen Außen- und Innenrohr
280: Aufzeichnen der Temperaturgradienten über die Zeit
3: Erdwärmesonde
31: Vorlauf(rohr) der Erdwärmesonde für Fluid
32: Rücklauf(rohr) der Erdwärmesonde für Fluid
E1–E3: Ebenen, in denen die Temperatursensoren des Temperatursensormodule angeordnet sind.
F: Fluid (der Erdwärmesonde)
G: Grundwasserströmung
L: Längsrichtung bzw. Länge des Innen und Außenrohrs des Temperatursensormoduls
LV: Langzeitverhalten
RT1: erste radiale Temperaturverteilung
RT2: zweite radiale Temperaturverteilung
RDT: radialer Temperaturgradient
TD: Temperaturdaten
VT: vertikale Temperaturverteilung
Z: Bohrlochtiefe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10149024 B4 [0002]

Claims

Ein Temperatursensormodul (1) zur Bestimmung einer Grundwasserströmung (G) in einer direkten Umgebung einer in einem Bohrloch (2) durch das Temperatursensormodul (1) hindurchgeführten Erdwärmesonde (3), die zum Vor- und Rücklauf (31, 32) eines Fluides (F) ausgestaltet ist, wobei das Temperatursensormodul (1) ein Rohrmodul (11, 12) mit einer Innenseite (11i) und einer Außenseite (12a), mindestens einen Orientierungssensor (14) zur Bestimmung der Position oder Orientierung des Temperatursensormoduls (1) im Bohrloch (2) sowie Positionierungsmittel (15) zur Positionierung des Temperatursensormoduls an der Erdwärmesonde (3) umfasst, wobei eine Vielzahl an mit einer Auswerteeinheit (110) verbindbare Temperatursensoren (16) in mindestens zwei Ebenen (E1, E2, E3) mit einem jeweils durch die Montageposition der Temperatursensoren (16) vordefinierten Winkel, vorzugsweise ein rechter Winkel, zur Längsrichtung (L) des Rohrmoduls (11, 12) pro Ebene (E1, E2, E3) jeweils an der Innenseite (11i) und an der Außenseite (12a) des Rohrmoduls (11, 12) so angeordnet sind, dass die Anordnungen der Temperatursensoren (16) die Innen- und Außenseiten (11i, 12a) in den jeweiligen Ebenen (E1, E2, E3) umlaufen.
Das Temperatursensormodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (16) in derselben Ebene (E1, E2, E3) jeweils radialsymmetrisch und konzentrisch zueinander am Rohrmodul (11, 12) angeordnet sind.
Das Temperatursensormodul (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrmodul (11, 12) ein Innenrohr (11) und ein Außenrohr (12) umfasst, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, vorzugsweise ist das Innenrohr (11) dabei über ein oder mehrere Abstandshalter (13) mit dem Außenrohr (12) verbunden.
Das Temperatursensormodul (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite (11i) des Rohrmoduls (11, 12) die Innenseite (11i) des Innenrohrs (11) und die Außenseite (12a) des Rohrmoduls (11, 12) die Außenseite (12a) des Außenrohrs (12) ist.
Das Temperatursensormodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (16) am Rohrmodul (11, 12) in drei oder mehr Ebenen (E1, E2, E3), die über die Länge (L) des Temperatursensormoduls (1) symmetrisch verteilt sind, angeordnet sind.
Das Temperatursensormodul (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Ebene (E1, E2, E3) mindestens acht Temperatursensoren (16) mit gleichen Abständen zwischen benachbarten Temperatursensoren (16) jeweils an der Innenseite (11i) und an der Außenseite (12a) angeordnet sind.
Das Temperatursensormodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (16) digitale Temperatursensoren (16) sind, vorzugsweise I2C-kompatible Temperatursensoren (16), besonders bevorzugt ADT7420-Temperatursensoren (16).
Das Temperatursensormodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Temperatursensoren (16) und der Orientierungssensor (14) geeignet vergossen sind, um sie vor Wasser und Verfüllmaterial im Bohrloch (2) zu schützen.
Das Temperatursensormodul (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsmittel (15) ein oder mehrere auf der Innenseite (11i) angeordnete Führungen (151) umfasst, vorzugsweise ist die Führung (151) zur Befestigung des Temperatursensormoduls (1) an dem Vor- und Rücklauf (31, 32) der Erdwärmesonde (3) ausgestaltet, besonders bevorzugt erstrecken sich die Führungen (15) entlang der Innenseite (11i) über die gesamte Länge (L) der Innenseite (11i).
Ein Grundwasserströmungsmesssystem (100) umfassend ein oder mehrere Temperatursensormodule (1) nach Anspruch 1 und eine Auswerteeinheit (110), vorzugsweise umfassend einen Arduino Mikrokontroller (110), wobei die Auswerteeinheit (110) durch geeignete Datenübertragungsmittel (120) mit den Temperatursensoren (16) der jeweiligen Temperatursensormodule (1) zur Übermittlung (220) der von den Temperatursensoren (16) gemessenen Temperaturdaten (TD) verbunden ist.
Das Grundwasserströmungsmesssystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (16) digitale Temperatursensoren (16) und die geeigneten Datenübertragungsmittel (120) ein oder mehrere Datenleitungen (120), vorzugsweise Cat5e-Kabel (120), sind.
Das Grundwasserströmungsmesssystem (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Datenleitung (12) ein Multiplexer (130) angeordnet ist.
Ein Verfahren (200) zur Bestimmung einer Grundwasserströmung (G) mittels eines Grundwasserströmungsmesssystems (100) nach Anspruch 10 in einer direkten Umgebung einer in einem Bohrloch (2) durch ein oder mehrere Temperatursensormodule (1) nach Anspruch 1 hindurchgeführten Erdwärmesonde (3), die zum Vor- und Rücklauf (31, 32) eines Fluides (F) ausgestaltet ist, umfassend die Schritte – Messen (210) von Temperaturdaten (TD) in mindestens zwei jeweils mit Temperatursensoren (16) versehenen Ebenen (E1, E2, E3) mit einem jeweils durch die Montageposition der Temperatursensoren (16) vordefinierten Winkel, vorzugsweise im rechten Winkel, zur Längsrichtung der jeweiligen Temperatursensormodule (1) bei hindurchgeführter Erdwärmesonde (3); – Übermitteln (220) der Temperaturdaten (TD) an eine Auswerteeinheit (110) des Grundwasserströmungsmesssystems (100) mittels geeigneter Datenübertragungsmittel (120); – Bestimmen (230) einer ersten radialen Temperaturverteilung (RT1) um die Erdwärmesonde (3) herum für die jeweiligen Ebenen (E1, E2, E3) aus den übermittelten Temperaturdaten (TD) mittels der Auswerteeinheit (110); – Ausführen (240) einer ersten Simulationsberechnung einer vertikalen Temperaturverteilung (VT) entlang der Erdwärmesonde (3) für die Vor- und Rückläufe (31, 32) des Fluides (F) mittels der Auswerteeinheit (110) anhand eines in der Auswerteeinheit (110) hinterlegten und von ihr ausgeführten Rohrmodells und Bestimmen einer Temperaturdifferenz (TD) zwischen Vor- und Rücklauf (31, 32); – Ausführen (250) einer zweiten Simulationsberechnung unter Verwendung der mittels der ersten Simulationsberechnung (240) bestimmten Temperaturdifferenz (TD) als Eingangsgröße mittels der Auswerteeinheit (110) zur Bestimmung einer jeweiligen zweiten radialen Temperaturverteilung (RT2) für die jeweiligen mit Temperatursensoren (16) ausgestatteten Ebenen (E1, E2, E3) unter Annahme einer in der jeweiligen Ebene (E1, E2, E3) vorhandenen Grundwasserströmung (G) mit einer bestimmten Geschwindigkeit und Richtung; und – Vergleichen (260) der ersten und zweiten radialen Temperaturverteilungen (RT1, RT2) und Wiederholen der zweiten Simulationsberechnung (240) mit geänderter angenommener Grundwasserströmung (G), bis die ersten und zweiten radialen Temperaturverteilungen (RT1, RT2) für die jeweiligen Ebenen (E1, E2, E3) übereinstimmen.
Das Verfahren (200) nach Anspruch 13, umfassend die weiteren Schritte – Bestimmen (270) eines radialen Temperaturgradienten (RDT) aus den Temperaturdaten (TD) zwischen den Temperatursensoren (16) auf den Innen- und Außenseiten (11i, 12a) in den jeweiligen Ebenen (E1, E2, E3); und – Aufzeichnen (280) der Temperaturgradienten (RDT) als Funktion der Zeit zur Überwachung des Langzeitverhaltens (LV) der Wärmeleitfähigkeit von Verfüllmaterial und des Bohrlochs (2) um die Erdwärmesonde (3) herum.