TMSBASEL – Thermische Bewirtschaftungssysteme für den oberflächennahen Untergrund der Region Basel

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501044

Schlüsselwörter (Deutsch)

Thermische Energie, Energieeffizienz, dynamische Energienachfrage, saisonale Speicherung, Übertragbarkeit

Schlüsselwörter (Englisch)

thermal energy, energy efficiency, dynamic energy demand, seasonal storage, transferability

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Eine effiziente und nachhaltige thermische Bewirtschaftung des Oberflächen nahen Untergrundes in urbanen Gebieten erfordert ein Verständnis über das Zusammenwirken der verschiedenen natürlichen und anthropogenen thermischen Einflussfaktoren, einschliesslich bereits existierender und künftiger Nutzungen des Untergrundes. Für den Kanton Basel-Stadt sollen Modellwerkzeuge für eine Gesamtplanung der thermischen Nutzung entwickelt werden.

Kurzbeschreibung (Englisch)

An efficient and sustainable thermal management of the shallow subsurface in urban environments requires an understanding of the interaction of the various natural and anthropogenic thermal impacts, including the influence of already existing and future use of the subsurface. For the canton of Basel-Stadt model tools for an overall planning of thermal use will be developed.

Schlussbericht (Deutsch)

Die Grundwassertemperaturen im Kanton Basel-Stadt waren in den letzten Jahren höher als die Jahresmitteltemperatur der Luft, welche als Referenztemperatur für thermisch unbeeinflusstes Grundwasser betrachtet werden kann. Bei etwa der Hälfte aller Grundwassermessstellen, die im städtischen Gebiet liegen, war die Grundwassertemperatur um 3.0 ± 0.7 K höher als die Lufttemperatur. Der Anstieg der Grundwassertemperaturen ist vor allem auf die Abwärme von Untergrundstrukturen (Gebäude, Infrastruktur- und Verkehrsbauten), auf die zunehmende Oberflächenversiegelung, sowie eine vermehrte Nutzung des Grundwassers zu Kühlzwecken zurückzuführen. Neben qualitativen Auswirkungen auf urbane Grundwasserressourcen können sich dadurch auch Einschränkungen für thermische Nutzungen ergeben. Gleichzeitig kann die zusätzlich in den Untergrund eingetragene Wärme auch als potenziell nutzbare Energie betrachtet werden. Mit dem vorliegenden Projekt sind Werkzeuge für thermische Bewirtschaftungssysteme des oberflächennahen Untergrundes der Stadt Basel erarbeitet worden, die eine quantitative Abschätzung des thermischen Nutzungspotenzials erlauben. Zur Evaluation von Grundwasser- und Wärmebilanzen sind auf Basis des bestehenden kantonalen Grundwasserbeobachtungsnetzes und von hochauflösenden tiefendifferenzierten Temperaturmesssystemen, Grundwasserströmungs- und Wärmetransportmodelle für einzelne Teilgebiete des Kantons entwickelt worden. Mit den nun vorhandenen Werkzeugen können Grundwasser- und Energieressourcen im urbanen Kontext, unter Berücksichtigung der sich gegenseitig beeinflussenden Nutzungen und zeitlich variabler Randbedingungen, betrachtet werden. Im Gegensatz zu Einzelbetrachtungen von Nutzungsänderungen können somit zukünftige Änderungen in den verschiedenen urbanen Grundwasserbereichen integral betrachtet werden. Mittels Szenarientechnik können Grundwasser- und Wärmebilanzen in einzelnen Quartieren, in denen städtebauliche Veränderungen geplant sind, untersucht und thermische Nutzungspotenziale quantifiziert werden. Die so ermittelten Nutzungspotenziale des oberflächennahen Untergrundes könnten anschliessend bei energetischen Planungen einzelner Quartiere miteinbezogen werden.

Zugehörige Dokumente

• Thermische Bewirtschaftungssysteme für den oberflächennahen Untergrund der Region Basel - Schlussbericht [PDF] 24'690 kB

Schlussbericht (Englisch)

The groundwater temperatures in the Canton Basel-City are higher than the mean air temperatures, which can be used as reference temperatures for thermally undisturbed groundwater. At about half of the groundwater observation wells in the urban areas the mean annual groundwater temperature was 3.0 ± 0.7 K higher than the mean annual air temperature. The increase in groundwater temperatures is mainly due to the waste heat from underground structures (buildings, infrastructure and transportation constructions), the increased sealing of surfaces and the increased use of groundwater for cooling purposes. Beside negative qualitative effects on the urban groundwater resources, the thermal use of groundwater might be restricted. Furthermore, the additional heat input into the subsurface can be considered as potentially usable energy. This project has laid the foundations for thermal management systems for the subsurface of the city of Basel, which allow a quantitative estimation of the thermal utilization potential. For the evaluation of the groundwater and heat balances, groundwater flow and heat transport models have been developed for individual subareas of the canton Basel-City, based in the cantonal groundwater monitoring network and high-resolution multilevel temperature wells. These tools facilitate the management of groundwater and energy resources in the urban context, thereby taking into account the mutually influencing uses and temporally variable boundary conditions. In contrast to an isolated consideration of changes in groundwater use or urban development, the stress changes in the delineated groundwater subareas are considered holistically. Using different scenarios, the tools can be used to investigate groundwater and heat balances in individual quarters in which urban development takes place and to quantify the thermal potential in individual urban areas. The potentially available energy in the subsurface and groundwater can then be included in the energy management of a district.

Schlussbericht (Französisch)

Au cours de ces dernières années, la température des eaux souterraines du canton de Bâle-Ville était plus élevée que la température moyenne de l'air. Cette dernière est généralement considérée comme température de référence pour les eaux souterraines thermiquement non-influencées par l’homme. En région urbaine, la température des eaux souterraines était 3.0 ± 0.7 K plus élevée que la température moyenne de l'air dans 50% des puits de mesure. L'augmentation observée de la température des eaux souterraines est principalement due aux pertes de chaleur dans le sous-sol par les infrastructures urbaines (fondations et caves d’immeubles, tunnels, etc.), à l’imperméabilisation croissante des surfaces ainsi qu’à l’exploitation intensive d'eau souterraine à des fins de refroidissement. En plus d’avoir un impact sur la qualité des ressources en eaux souterraines, ces intrusions peuvent restreindre le potentiel géothermique. Cependant, la chaleur stockée dans les eaux souterraines constitue une source d'énergie potentiellement exploitable. Ce projet pose les bases d’un système de gestion de géothermie superficielle pour la ville de Bâle, qui permet d’estimer quantitativement le potentiel thermique du sous-sol. Afin d’évaluer les ressources en eau souterraine et énergie thermique, des modèles d'écoulement souterrain et de transport de chaleur ont été développé pour différentes régions du canton. Ces modèles s’appuient sur le réseau cantonal de mesure des eaux souterraines et sur des puits de mesure de température à multiples niveaux. Le système de gestion développé permet une meilleure exploitation des eaux souterraines et des ressources énergétiques dans le contexte urbain en tenant compte des interactions entre les diverses utilisations des ressources souterraines ainsi que des conditions aux limites instationnaires. Ainsi, les changements d’utilisation des ressources souterraines peuvent être analysés intégralement dans chaque région, par opposition à des analyses sur l’impact individuel de chaque utilisation. Dans les quartiers où des aménagements urbains sont prévus, les bilans d’eau et de chaleur ainsi que le potentiel thermique du sous-sol peuvent être évalués à l’aide de scénarios. Ainsi, l’énergie thermique potentiellement exploitable peut être prise en considération dès lors de la planification énergétique du quartier.