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Umweltatlas Berlin

02.18 Geothermisches Potenzial - spezifische Wärmeleitfähigkeit und spezifische Entzugsleistung (Ausgabe 2015)

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Methode

Ausgehend von der Bohrungsdatenbank der Arbeitsgruppe Geologie und Grundwassermanagement der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt erfolgte die Zuordnung der Gesteinsbeschreibungen der einzelnen rd. 227.000 Schichten der Bohrungen und Interpretationsprofile zusammenfassend zu zehn Gesteinsklassen mit zugehöriger spezifischer Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Wärmekapazität (Tabelle 1).

Tab. 1: Gesteinsklassen mit zugeordneter Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität
Gestein Anzahl der vorkommenden Schichten Wärmeleit­fähigkeit
λ [W / (m · K)]
ungesättigt
Wärmeleit­fähigkeit
λ [W / (m · K)]
gesättigt
Wärme­kapazität 2
c [MJ/m³, K]
ungesättigt
Wärme­kapazität 2
c [MJ/m³, K]
gesättigt
Auffüllung / anthropogen 4.023 0,4 2,7 1,6 2,5
Boden 3.658 2,1 2,8 2,25 2,25
Mudden 2.111 0,4 2 0,4 2 0,8 0,8
Torf / Torfmudden 835 0,4 2 0,4 2 0,8 0,8
Sand 120.032 0,4 3 2,7 3 1,6 2,5
Kies 9.629 0,4 2 1,8 2 1,45 2,4
Geschiebelehm 5.183 2,9 1,3 2,9 3 2 2
Geschiebemergel 48.769 2,9 1,3 2,9 3 2 2
Ton / Schluff 29.375 0,5 3 1,5 3 1,55 2,4
Braunkohle 3.921 0,4 2 0,4 2 0,8 0,8
1 erdfeucht; 2 nach VDI 4640 (2010); 3 nach Potenzialstudie - Modul 1
Tab. 1: Gesteinsklassen mit zugeordneter Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität

Excel
[Die Tabelle liegt auch im Excel-Format vor (MS-Excel wird benötigt).]

Zur Bestimmung der spezifischen Entzugsleistungen der zehn Gesteinsklassen wurde ein Modellansatz mittels Earth Energy Designer (EED, Version 3.16) herangezogen. Hierfür wurde ein anwendungsnaher energetischer Lastfall eines Einfamilienhauses für jede Gesteinsklasse mit identischen Randbedingungen berechnet. Lediglich die gesteinsspezifischen Parameter (Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität) sind angepasst worden. Somit konnte für jede Gesteinsklasse die spezifische Entzugsleistung bestimmt werden.

Randbedingungen für die Ermittlung der spezifischen Entzugsleistung


1. Randbedingungen Standort / Wärmebedarf:
Mittlere Temperatur an der Erdoberfläche: 9 °C
Sondenanordnung: 2 Sonden à 100 m Länge, 6 m Abstand
Bohrdurchmesser: 180 mm
Volumenstrom/Sonde: 0,5 l/min (Untergrenze turbulente Strömung im Fluid)
Sonde: Doppel-U, PE DN 32 PN 10
Mittenabstand: 0,07 m
Leitfähigkeit Hinterfüllung: 1,5 W/(m*K)
Kältemittel: Monoethylenglykol 25%
Bohrlochwiderstand: entsprechend o. g. Ausbau
Simulationszeitraum: 25 Jahre
Jahresarbeitszahl: 4,3 (Förderrichtlinie des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle, BAFA)
untere Temperaturrandbedingung des Fluids: 1,5 °C

2. Randbedingungen Grundwasser / Untergrundtemperatur:
Grundwasserfluss: wird nicht berücksichtigt
Untergrundtemperatur: konstant = mittlere Temperatur Berlin (9 °C)

3. Gültigkeit:
gilt nur für kleine Sondenanlagen (2 Sonden)
bei größeren Anlagen mit mehr als 2 Sonden (auch unter 30 kW) müssen entsprechend Abschläge vorgenommen werden, denn die Einflussnahme der Sonden untereinander nimmt mit steigender Anzahl zu

Jahresbetriebsstunden

Die Berechnung der Entzugsleistung erfolgte für die Heizarbeit ohne Warmwasserbereitung mit 1.800 Betriebsstunden pro Jahr der Wärmepumpe (Karten 02.18.5-8) sowie für die Heizarbeit mit Warmwasserbereitung mit 2.400 Betriebsstunden pro Jahr der Wärmepumpe (Karten 02.18.9-12).

Die Variationen in der jährlichen Heizlastenverteilung sind für 1.800 und 2.400 Betriebsstunden in den Abbildungen 2 und 3 ersichtlich. Der Anteil der Warmwasserbereitung ist konstant, die Heizarbeit unterscheidet sich im Jahresverlauf.

Abbildung 2
Abb. 2: Jährliche Heizlastverteilung für 1.800 Betriebsstunden

Abbildung 3
Abb. 3: Jährliche Heizlastverteilung für 2.400 Betriebsstunden

Excel
[Die Datengrundlage der Abbildungen liegt auch im Excel-Format vor (MS-Excel wird benötigt).]

Im Ergebnis sind in Tabelle 2 die spezifischen Entzugsleistungen für Heizung ohne Warmwasseraufbereitung (1.800 h/a) und mit Warmwasseraufbereitung (2.400 h/a) für die einzelnen Gesteinsklassen jeweils für den gesättigten und ungesättigten Bereich dargestellt.

Tab. 2: Spezifische Entzugsleistung für die einzelnen Gesteinsklassen
Gestein P 1.800 h/a
[W/m]
P 2.400 h/a
[W/m]
P 1.800 h/a
[W/m]
P 2.400 h/a
[W/m]
ungesättigt gesättigt
Auffüllung / anthropogen 9,94 8,02 45,56 37,30
Boden 37,86 30,88 46,41 38,02
Mudden 9,20 7,43 9,20 7,43
Torf / Torfmudden 9,20 7,43 9,20 7,43
Sand 9,94 8,02 45,56 37,30
Kies 9,82 7,94 34,01 27,75
Geschiebelehm 47,16 38,82 47,16 38,82
Geschiebemergel 47,16 38,82 47,16 38,82
Ton / Schluff 11,91 9,63 29,84 24,22
Braunkohle 9,20 7,43 9,20 7,43
Tab. 2: Spezifische Entzugsleistung für die einzelnen Gesteinsklassen

Excel
[Die Tabelle liegt auch im Excel-Format vor (MS-Excel wird benötigt).]

Die mittlere spezifische Wärmeleitfähigkeit und die mittlere spezifische Entzugsleistung für die gesamte Bohrung wurde durch gewichtete Mittelung der einzelnen, schichtbezogenen Wärmeleitfähigkeiten bzw. Entzugsleistungen für die ausgewählten Tiefenabschnitte (0 - 40 m, 0 - 60 m, 0 - 80 m und 0 - 100 m) berechnet.

Da insbesondere für die Erstellung der Karten mit der Tiefe 100 m nur noch 1.300 Bohrungen zur Verfügung standen, wurden zur Verdichtung virtuelle Bohrungen anhand der geologischen Schnitte mit einem Abstand von 500 m erstellt. Die Zuordnung der Wärmeleitfähigkeiten und der zugehörigen Entzugsleistungen erfolgte für diese Stützstellen anhand gemittelter Werte der petrographischen Eigenschaften des umliegenden Gesteins. Insgesamt wurden zusätzlich ca. 1.900 virtuelle Bohrungen verwendet.

Für die Erstellung der Karten wurden die für alle Bohrungen und Stützstellen berechneten Werte für die spezifische Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Entzugsleistung anschließend per IDW (Inverse Distanzwichtung) interpoliert.

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