Analysing the thermal properties of borehole heat exchanger systems

Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen unter Nutzung von Erdwärmesonden (EWS) können zur Dekarbonisierung des Heiz- und Kühlsektors beitragen. Die nachhaltige und wettbewerbsfähige Auslegung dieser Systeme hängt vom Verständnis für die thermischen Eigenschaften des EWS-Systems ab, einschließlich des Untergrunds und des Verfüllmaterials. Ziel dieser Arbeit ist es daher, zuverlässige Methoden zur Analyse der thermischen Eigenschaften von EWS-Systemen im Labor und im Feld zu untersuchen und zu verfeinern. Hierfür werden die Ergebnisse von vier einzelnen Studien präsentiert.
In Studie 1 wird der Enhanced Thermal Response Test (ETRT) kritisch bewertet in Bezug auf die in-situ-Analyse der tiefenbezogenen effektiven Wärmeleitfähigkeiten und Darcy-Geschwindigkeiten. ... mehrEs werden verschiedene Ansätze zur Bestimmung der spezifischen Heizleistung eines ETRT verglichen und ein verbessertes Auswertungsverfahren des ETRT eingeführt, welches die spezifische Heizleistung über die Zeit und entlang des Heizkabels anpasst. Die Ergebnisse zeigen, dass die angemessene spezifische Heizleistung stark von den Wärmetransporteigenschaften des Untersuchungsgebiets abhängt. Bei hohen Darcy-Geschwindigkeiten (> 0,6 m/d) kann eine höhere spezifische Heizleistung erforderlich sein, um eine ausreichende Temperaturerhöhung (ΔT > 0,6 K) zu erreichen, wobei eine Überhitzung des außerhalb der EWS verlegten Kabels vermieden werden muss. Hierdurch werden hilfreiche Informationen und Verbesserungen für die Planung und Bewertung von ETRTs bereitgestellt.
In Studie 2 werden anschließend Wärmeleitfähigkeitsmodelle auf ihre Eignung und Übertragbarkeit als Alternative zu Feldexperimenten hin bewertet, indem geschätzte Wärmeleitfähigkeiten mit Labormessungen und ETRT-Ergebnissen verglichen werden. Die effektiven Wärmeleitfähigkeiten aus dem ETRT liegen zwischen 2,3 und 6,1 $Wm^{-1}K^{-1}$ mit einem Durchschnitt von 4,7 $Wm^{-1}K^{-1}$. Durch die Analyse von 156 Kernproben wird eine Gruppe theoretischer Modelle identifiziert, die in der Lage sind, die Wärmeleitfähigkeiten von triassischen Sandsteinen im Labor- und Feldmaßstab grob zu schätzen. Die beste Übereinstimmung wird mit dem Voigt-Reuss-Hill-Modell mit einer durchschnittlichen Wärmeleitfähigkeit von 4,5 $Wm^{-1}K^{-1}$ (T = 20 °C) erzielt. Es wird gezeigt, dass Modelle, die von zufällig verteilten Komponenten ausgehen (z. B. geometrisches Mittel, Voigt-Reuss-Hill-Modell, statistische räumliche Verteilung, Hashin-Shtrikman-Mittelwert), Schätzungen mit einer Genauigkeit von ≥ 0,7 $Wm^{-1}K^{-1}$ liefern. Die Genauigkeit wird durch Unsicherheiten bei der Bestimmung der Matrixwärmeleitfähigkeit, Modellannahmen, die Probenmenge und Untersuchungsstandorte mit vernachlässigbarer Grundwasserströmung eingeschränkt.
Die thermischen Eigenschaften von Verfüllmaterialien werden in der Regel im Labor untersucht. Studie 3 gibt einen umfassenden Literaturüberblick über die verschiedenen derzeit verwendeten Methoden zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und der volumetrischen Wärmekapazität von Verfüllmaterialien. In umfangreichen Laborexperimenten wird der Einfluss der Messmethode und der Probenvorbereitung auf die Analyse der thermischen Eigenschaften verglichen und ein empfohlenes Standardverfahren festgelegt: Mischen des Verfüllmaterials mit hoher Mischgeschwindigkeit und Aushärten der Proben unter Wasser für 28 Tage bei Raumtemperatur. Diese Studie zeigt die Vorteile der Berechnung der volumetrischen Wärmekapazität anhand der spezifischen Wärmekapazitäten trockener Proben, die mit Hilfe der Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) gemessen wurden, des Wassergehalts und der Rohdichte. Der Einfluss des Wasser-Feststoff-Verhältnisses (w/f) auf die Eigenschaften von Verfüllmaterialien wird untersucht und zur Ableitung einer empirischen Beziehung zur Schätzung der volumetrischen Wärmekapazität von Verfüllmaterialien mit einer Unsicherheit von weniger als ± 5 % verwendet. Dadurch wird die Kohärenz und Vergleichbarkeit zwischen Laboruntersuchungen zu den thermischen Eigenschaften von Verfüllmaterialien verbessert.
Die thermischen Eigenschaften der Verfüllmaterialien im Feld können jedoch von den Eigenschaften der Laborproben abweichen. Ein groß angelegter Feldversuch, bei dem verfüllte Bohrlöcher bis zu einer Tiefe von 15 m ausgehoben werden, liefert daher in Studie 4 neue Erkenntnisse zu den Eigenschaften von Verfüllmaterialien im Feld. Die im Feld entnommenen Proben weisen um 13 % (w/f = 0,3) bzw. 35 % (w/f = 0,8) höhere Wärmeleitfähigkeiten auf als Laborproben desselben Materials. Diese Unterschiede sind hauptsächlich auf die Filtration im Löß und im verwitterten Kalkstein während des Aushärtungsprozesses der Verfüllmaterialien zurückzuführen. Mit einem Enhanced tThermal Response Test (ETRT) werden im Vergleich zu den Feldproben 17 % niedrigere in-situ-Wärmeleitfähigkeiten ermittelt. Die Abweichungen werden auf die Geometrie des Bohrlochs, den Verlauf der EWS und des Heizkabels zurückgeführt. Damit zeigt diese Studie die Grenzen bei der Übertragung von im Labor ermittelten Eigenschaften von Verfüllmaterialien auf das Gelände auf und unterstreicht, wie wichtig es ist, die Bedingungen vor Ort zu berücksichtigen.
Zusammenfassend gibt diese Arbeit Empfehlungen für die Analyse der thermischen Eigenschaften von EWS-Systemen. Die Ergebnisse tragen zum Verständnis, zur Verbesserung und zur Auswahl der Anlysemethode der thermischen Eigenschaften bei. Darüber hinaus werden weitere Erkentnisse zu entscheidenden Faktoren und Prozessen gewonnen, die die thermischen Eigenschaften beeinflussen. Somit verbessert diese Arbeit die Zuverlässigkeit von Laborergebnissen und unterstützt die Interpretation von Feldexperimenten. Damit trägt die Arbeit zur Zuverlässigkeit der Simulation und der Auslegung von erdgekoppelten Wärmepumpenanlagen bei, was die öffentliche Akzeptanz der Technologie verbessern kann.

Ground source heat pump (GSHP) systems using borehole heat exchangers (BHE) can aid in decarbonising the heating and cooling sector. The sustainable and economically competitive design of these systems depends on understanding the thermal properties of the BHE system, including the subsurface and the grouting material. Therefore, this thesis aims to investigate and refine reliable methods for analysing the thermal properties of BHE systems in the laboratory and field by presenting the findings of four individual studies.
In Study 1, the enhanced thermal response test (ETRT) is critically evaluated for in-situ analysis of depth-specific effective thermal conductivities and Darcy velocities. ... mehrDifferent approaches in determining the specific heat load of an ETRT are compared, and an improved evaluation procedure of the ETRT is introduced that adjusts the specific heat load over time and along the heating cable. The results demonstrate that the appropriate specific heat load is highly dependent on the heat transport properties of the study site. High Darcy velocities (> 0.6 m/d) may require a higher specific heat load to achieve an adequate temperature increase (ΔT > 0.6 K), though overheating of the part of the cable installed outside of the BHE must be prevented. Thereby, helpful information and improvements for the planning and evaluation of ETRTs are provided.
In Study 2, as an alternative approach towards field experiments, thermal conductivity models are evaluated for their suitability and transferability by comparing estimated thermal conductivities to laboratory measurements and ETRT results. Effective thermal conductivities from the ETRT range between 2.3 and 6.1 $Wm^{-1}K^{-1}$ with an average of 4.7 $Wm^{-1}K^{-1}$. By analysing 156 core samples, a group of theoretical models is identified as being capable of roughly estimating the thermal conductivities of Triassic sandstones at laboratory and field scale. The Voigt-Reuss-Hill model achieves the best agreement with an average thermal conductivity of 4.5 $Wm^{-1}K^{-1}$ (T = 20 °C). It is demonstrated that models which assume randomly distributed components (e.g., geometric mean, Voigt-Reuss-Hill model, statistical spatial distribution, Hashin-Shtrikman average) provide estimates with an accuracy of 0.7 – 0.8 $Wm^{-1}K^{-1}$. The accuracy is limited by uncertainties in determining the matrix thermal conductivity, model assumptions, sample quantity, and study sites where groundwater flow is negligible.
The thermal properties of grouting materials are commonly analysed in the laboratory. Study 3 provides a comprehensive literature overview of the various methods currently used to determine the thermal conductivity and volumetric heat capacity of grouting materials. In extensive laboratory experiments, the influence of the measurement method and the sample preparation on the analysis of the thermal properties is compared, and a recommended standard procedure is established: mixing the grouting material at high mixing speed and curing the samples under water for 28 d at room temperature. This study further demonstrates the benefits of calculating the volumetric heat capacity using the specific heat capacities of dry samples measured by differential scanning calorimetry (DSC), water content and bulk density. The influence of the water-solid ratio (w/s) on the properties of grouting materials is examined and used to derive an empirical relationship for estimating the volumetric heat capacity of grouting materials with an uncertainty of smaller than ± 5 %. Thereby, the consistency and comparability between laboratory studies on the thermal properties of grouting materials are improved.
Nevertheless, the thermal properties of grouting materials in the field can differ from those of laboratory samples. Hence, in Study 4, new insights into the properties of grouting materials in the field are provided from a large-scale field experiment, where grouted boreholes are excavated up to a depth of 15 m. Collected field samples show higher thermal conductivities by 13 % (w/s = 0.3) and 35 % (w/s = 0.8) than laboratory samples of the same material. These differences are mainly explained by filtration in the loess and weathered limestone during the curing process of the grouting materials. With a short-time enhanced thermal response test (ETRT), 17 % lower in-situ thermal conductivities are analysed than in comparison to the field samples. The deviations are attributed to the geometry of the borehole, the trajectory of the BHE and the heating cable. Thereby, this study demonstrates the limitations when transferring laboratory-derived properties of grouting materials to a field site and emphasises the importance of considering site conditions.
Summarising, this thesis provides recommendations for analysing the thermal properties of BHE systems. The findings contribute to understanding, improving and selecting the method to analyse the thermal properties. Moreover, further insights are provided into crucial factors and processes that influence thermal properties. Thus, this thesis improves the reliability of laboratory results and supports the interpretation of field experiments. Thereby, it contributes to the reliability of the simulation and design of GSHP systems, which can improve public acceptance of the technology.