22 | 11 | 2019

Kurz-TRT

Der Kurz-Thermal-Response-Test hilft bei der Gütebeurteilung der Hinterfüllung einer Erdwärmesonde.

einrichten kurz-trt avBei einem Kurz-Thermal-Response-Tests wird die Hinterfüllung einer Erdwärmesonde (EWS) mit hoher Energierate vorübergehend aufgeheizt. Multitemporale Temperaturprofilmessungen nach Abschluss der Energiezufuhr beobachten das thermische Verhalten der Hinterfüllung. Die Idee ist dabei, dass Inhomogenitäten in der Hinterfüllung, insbesondere Wasservorkommen wegen ihrer von der Hinterfüllungsmatrix stark abweichenden Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit abweichende thermische Reaktionen bei der Aufheiz- bzw. Abkühlungsphase verursachen.

Verfahren

Im ersten Schritt wird das Ruhetemperaturprofil aufgezeichnet. Dieses gibt die ursprüngliche Temperaturverteilung über die Tiefe wieder, die von den jeweiligen jahreszeitlichen Einflüssen und dem lokalen geothermischen Gradienten bestimmt wird.

Im zweiten Schritt wird mit einer eine Wärmeleistung von 60 bis 80 Watt pro Meter in einem der U-Rohre auf ca. 30°C erwärmtes Wasser für ca. 1 Stunde zirkuliert. Dafür wird eine modifizierte TRT-Anlage verwendet.

messprotokoll k-trt

Mit Beginn der Zirkulation wird zunächst der Temperaturgradient egalisiert. Das bedeutet im Regelfall, dass zunächst die ursprünglich höheren Temperaturen in der Tiefe abnehmen. Mit fortschreitender Energiezufuhr wandert in dem U-Rohr-Schenkel, über den das erwärmte Wasser zugeführt wird, die Wärmefront in die Tiefe, durchschreitet den tiefsten Punkt und wandert schließlich im zweiten U-Rohr-Schenkel allmählich wieder nach oben bis die Wärmefront den Ausgang des zweiten U-Rohr-Schenkels passiert hat. Während dieses Vorganges und mit der weiteren Zufuhr von Wärmeenergie über die Zirkulation wird nach und nach die Hinterfüllung erwärmt. Liegt eine vollständige Hinterfüllung vor, findet eine vergleichsweise einheitliche Aufwärmung statt. Lediglich die Lageveränderungen der Sonden-Rohre untereinander über die Tiefe beeinflussen während der Aufheizphase und zu Beginn der Abkühlphase den Temperaturverlauf.

Bei Fehlstellen in der Hinterfüllung, fehlender Hinterfüllung, lokal erhöhten Wassergehalten, stehendem oder gar umfließendem Wasservorkommen sind Temperaturanomalien in den Temperatur-Logs, die in der zweiten U-Rohrsonde nach Abschluss der Aufheizphase gemessen werden, zu beobachten.

Speziell erhöhte Wassergehalte zeigen ein abweichendes Reaktionsmuster. Wegen der im Vergleich zur Hinterfüllungsmatrix ca. 4-fach höheren Wärmekapazität von Wasser wird während der Aufheizphase vermehrt Wärmeenergie in der Matrix eingelagert, ohne dass sich die Temperatur in gleichem Maße wie in der Hinterfüllung erhöht. Deutlich wird dieser Umstand an einer markanten negativen Temperaturanomalie zum Ende der Aufheizphase. In der folgenden Abkühlphase wird aus der vermehrt mit Wärmeenergie angereicherten wasserhaltigen Matrix in Folge der gegenüber der Hinterfüllung ca. 4-fach geringeren Wärmeleitfähigkeit von Wasser verzögert Wärmeenergie abgegeben. Während sich im Abschnitt mit Hinterfüllung die Temperaturen wieder vergleichsweise rasch abkühlen – geringeres Wärmeenergiereservoir wegen der geringeren Wärmekapazität und hohe Wärmeleitfähigkeit - wird in Abschnitten mit erhöhtem Wassergehalt ausgehend von einem geringeren Temperaturniveau nur eine merklich verlangsamte Abkühlung zu beobachten sein, die unter Umständen auch vorübergehend zu einer lokalen Temperaturerhöhung führen kann. Dieser Effekt ist dem Umstand geschuldet, dass in dem während der Aufheizphase aufgefüllten Wärmeenergiereservoir vermehrt Wärmeenergie eingelagert worden ist, die nun entsprechend dem Energiegefälle wieder zurückgeleitet wird und hier zu einer vorübergehenden Temperaturerhöhung führen kann.

 

Interpretation

k-trt abkhlphase optimal

Besteht die Hinterfüllung aus einer ausreichend homogenen Zementation, ist während der Aufheizphase die räumliche Lage der Sondenrohre zueinander innerhalb der Erdwärmesonde für das Temperaturmuster in den Temperaturprofilen maßgeblich. Während der Abkühlphase gleichen sich die Temperaturanomalien innerhalb des Temperaturprofiles wieder vergleichsweise rasch einer Ausgleichsgeraden auf höherem Temperaturniveau an.

 

Die sich innerhalb der multitemporalen Temperaturprofile abzeichnenden Wärmeanomalien geben Hinweise auf mögliche Schadensbilder:

Lokal erhöhter Wassergehalt im Bereich der Hinterfüllung

lokale temp-anomalie

Der 30 Minuten nach der Aufheizphase aufgezeichnete Temperaturverlauf über die Tiefe zeigt bei 25,5 m u. GOK eine Auffälligkeit: Über einen Abschnitt von 80 cm fällt die thermische Reaktion auf die Aufheizung um ca. 1°K geringer aus als ober- und unterhalb dieser Zone. Nach einer Abkühlphase von 1:30 h stagniert hier die Temperatur während sie sonst abnimmt. Offensichtlich wird hier während des Aufheizungsprozesses die zugeführte Energie nicht in der Hinterfüllung gespeichert sondern gelangt in ein Medium mit größerer Wärmekapazität – dies drückt sich in der geringeren Temperaturzunahme aus -, das wiederum wegen seiner vergleichsweisen geringeren Wärmeleitfähigkeit in der Abkühlphase die Energie wieder verlangsamt abgibt. Hier befindet sich eine kleinräumige Zone mit erhöhtem Wassergehalt: Wasser weist etwa die 4-fache Wärmekapazität und ein Viertel der Wärmeleitfähigkeit der Hinterfüllung auf.