GEO4DT Lausen – Saisonales und räumliches Temperatur-Monitoring in teilregeneriertem Erdwärmesondenfeld

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501117

Schlüsselwörter (Deutsch)

kontinuierliche räumliche Temperaturmessung, unterirdische Wärmespeicherung, optische Fasern, in-situ Messungen

Schlüsselwörter (Englisch)

continuous spatial temperature sensing, subsurface heat storage, optical fibers, in-situ measurements

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die saisonale Wärmespeicherung in Erdsondenfeldern substituiert fossile Brennstoffe für Raumwärme. Wärmespeicherung in und -Entzug aus Erdsondenfelder kann modelliert und die Leistung an der Oberfläche gemessen werden. Effektive Messungen der räumlichen und saisonale Temperaturveränderungen in Abhängigkeit von Tiefe und Geologie fehlen jedoch. Mittels faseroptischer Messung in einer Erdwärmesondengruppe und einer Kontrollbohrung wird eine Referenz geschaffen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Seasonal heat storage substitutes fossil fuels for heating. The capacity of subsurface heat storage can be modelled and performance can be measured. Measured spatial and seasonal heat profiles depending on depth and geology are however lacking. Continuous temperature sensing in a group of borehole heat exchangers plus a monitoring well will provide a reference data set.

Schlussbericht (Deutsch)

Seit 2016 werden zwei neue Mehrfamilienhäuser in Lausen bei Liestal mit je einer Wärmepumpe geheizt, welche jeweils an drei 145 m tiefe Erdwärmesonden (EWS) angeschlossen sind. Die Sonden werden mit Freecooling regeneriert. Im Fall von einem Haus werden die Untergrundtemperaturen in den 3 Erdwärmesonden und in einer inaktiven Messsonde mittels Glasfasertechnik gemessen. Letztere liegt 3 m entfernt von einer aktiven EWS. Mit Hilfe einer Kernbohrung und verschiedensten Bohrloch-geophysikalischen Messungen wurde der Aufbau des Untergrundes detailliert untersucht.  Nach 1.5 Jahren Messzeit wurden folgende erste Erkenntnisse gesammelt: Der Wärmeeintrag durch Freecooling war deutlich geringer als ursprünglich angedacht und erreichte erst durch nachträgliche optimale Systemanpassungen überhaupt relevante Werte von ca. 5%. Die Messungen haben zudem gezeigt, dass die Wärmepumpe selbst im sehr kalten Januar 2017 nicht mehr als 12 Stunden pro Tag und nur kurzfristig in Betrieb war. Mit nachträglichen Anpassungen wird erhofft, dass die Laufzeiten der Wärmepumpe, sowie das Freecooling nun weiter optimiert werden. Die Ringraumtemperatur um die Sonden, welche im 1. Winter eine minimale Temperatur von ca. 5°C erreichte, erholte sich bis zur folgenden Wintersaison fast komplett. Es scheint, dass die Kältefahne der aktiven EWS in der benachbarten Messsonde eine Temperaturreduktion von ca. 0.5°C verursacht hat. Abgesehen vom langjährigen Abkühlungstrend im Untergrund um die EWS erholt sich der Nahbereich bzw. der Ringraum nach Phasen mit mehrtägigem Wärmeeintrag (Freecooling) bzw. Wärmeentzug (Heizen) grösstenteils innerhalb von einem Tag.  Die Messungen laufen noch mind. 3 weitere Jahre. Damit sollen z.B. die gegenseitige Beeinflussung der EWS, die Ausbreitung der Kältefahne um die EWS und der langfristige Einfluss der Regeneration quantifiziert werden.

Zugehörige Dokumente

• 4D-Temperaturmessungen in EWS | Saisonales und räumliches TemperaturMonitoring in teilregeneriertem Erdwärmesondenfeld in Lausen - Schlussbericht [PDF] 10'240 kB

Schlussbericht (Englisch)

Two apartment buildings in Lausen are heated by two earth-source heat pumps since 2016. Every single heat pump is connected to three 145 m-deep geothermal probes. Each probe is regenerated through a Freecooling system. Thanks to fiber optic technology, the underground temperature has been measured in three probes and in an additional measurement probe. The latter is 3m away from one of the other probe. The detailed structure of the underground has been accurately investigated with the help of a core drilling and several geophysical measurements. After a period of 1.5 years, the following results have been collected: The Freecooling-induced heat input was significant lower than predicted and gained relevant values of 5% in the first place through subsequent optimal system adjustments. The measurements showed, that even in very cold January 2017, the heat pump was not operating more than 12 hours a day and only activated in short-term cycles. Due to subsequent adjustments the heat pump-terms as well as Freecooling are now expected to be further optimized. The annulus temperatures around the probes, which reached a minimum of 5°C in the first winter, recovered almost completely by the following winter season. It seems that the colder surrounding zone of the geothermal probe induced a temperature decrease of 0.5°C in the adjacent measurement probe. Apart from the long-term cooling trend in the ground around the probe, the close range resp. the annulus recovers after phases of several days lasting heat input (Freecooling) resp. heat extraction (heating) mostly in one day. Measurements will still be taken for, at least, the next three years. Therefore, several parameters such as mutual influence of the geothermal probes, the spreading of the cool zone surrounding the probes and the long-term influence of heat input will be investigated.   

Schlussbericht (Französisch)

Il y a deux immeubles collectifs neufs à Lausen, près de Liestal, qui sont chauffés depuis 2016 chacun avec une pompe à chaleur. Chaque immeuble est raccordé à trois sondes géothermiques de 145m. Les sondes sont régénérées grâce au système freecooling. Les températures du sous-sol d’un immeuble sont mesurées dans les trois sondes géothermiques ainsi que dans une sonde de mesure, thermiquement inactive, grâce à des fibres optiques. La sonde inactive se situe à 3 mètres de la sonde active la plus proche. Avec un carottage et différents mesures géophysiques, on a étudié la structure détaillée du sous-sol.  Après un an et demi de mesures, les résultats suivants ont pu être constatés : Le taux dinjection de chaleur dans le sol, réalisée grâce au freecooling, était clairement plus bas qu’attendu. Même après une régulation améliorée du système, des valeurs d’environ 5% seulement ont été atteintes. Les mesures ont montré que même en janvier 2017, où il a fait très froid, la pompe à chaleur n’était jamais active durant plus de 12 heures au total par jour, et qu’à chaque fois elle s’enclenchait pour des très courtes durées. Le mode de fonctionnement de la pompe à chaleur doit encore être optimisé, dans le but d’obtenir un fonctionnement plus régulier. La régulation du freecooling doit également encore être amélioré, afin d’obtenir un taux de recharge plus élevé. La température autour de la sonde géothermique, qui a atteint une température minimale de 5°C durant le premier hiver, a presque totalement retrouvé sa valeur initiale l’hiver suivant, suggérant que le sol a pu se régénérer presque complètement. Il semblerait que le secteur froid autour de la sonde active a provoqué une réduction de la température d’environ 0.5°C au niveau de la sonde de mesure (sonde inactive thermiquement). Mis à part le fait que le sous-sol se refroidit sur le long terme, le secteur proche de la sonde  atteint très souvent son état quasi initial en l’espace d’un jour, après une phase d’injection de chaleur (freecooling), respectivement de prélèvement de chaleur, de plusieurs jours. Des mesures seront encore effectuées pendant au moins trois ans. De ce fait, plusieurs paramètres pourront être étudiés comme par exemple: l’influence des sondes les unes sur les autres, l’étendue  de la zone d’incidence autour des sondes ainsi que l’influence à long terme de la récupération de chaleur.