Optimization of the Excitation Modulated Thermal Response Test for Vertical Ground Source Heat Exchangers

Abstract

Die oberflächennahe Geothermie gilt als vielversprechende Technologie für eine nachhaltige Wärmeversorgung mit großem technischen Potenzial. In Zeiten steigender Energiepreise, ambitionierter Klimaziele und wachsender Urbanisierung bietet sie ökologische Vorteile und wirtschaftliche Chancen für Gebäudebetreiber, Energieversorger und Technologieanbieter. Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, ist die genaue Kenntnis der thermophysikalischen Eigenschaften des Untergrunds, insbesondere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität entscheidend. Sie bestimmen, wie viel Energie entzogen oder gespeichert werden kann. Ungenaue Werte führen zu falsch dimensionierten Anlagen mit negativen Folgen für Baukosten, Effizienz und Lebensdauer. Ihre präzise Ermittlung ist daher Grundlage jeder fundierten Planung wirtschaftlich erfolgreicher Systeme. Der klassische Thermal Response Test (TRT) zur Charakterisierung von Erdwärmesonden, bei dem eine einzelne Sonde über mehrere Tage konstant beheizt wird, ist zeitaufwendig, störanfällig und liefert nur grobe Durchschnittswerte. Der Excitation-Modulated Thermal Response Test (EM-TRT) ist ein verbessertes Verfahren, das ein detailliertes physikalisches Modell mit zeitlich modulierter Wärmeanregung kombiniert. Es ermöglicht eine präzisere, schnellere und differenziertere Bestimmung geothermischer Parameter. Aufbauend auf dem EM-TRT, präsentiert diese Arbeit ein optimiertes Verfahren, das die Genauigkeit erhöht und die Testdauer verringert. Wissenschaftlich trägt die Arbeit zur Weiterentwicklung von Modellierungs- und Auswertungsmethoden in der Geothermie bei. Vereinfachte Modellierungsansätze werden untersucht, um die Rechenzeit zu reduzieren, verbesserte Algorithmen erhöhen die Robustheit der Parameterschätzung. Der Einfluss geologischer Schichtungen auf die Temperaturverteilung im Boden, sowie auf die Temperaturmessung am Ausgang der Erdwärmesonde wird systematisch untersucht. Außerdem werden die Einflüsse von Messunsicherheiten auf die geschätzen Parameter untersucht. Kommerziell eröffnet die Arbeit neue Möglichkeiten zur kosteneffizienten, projektbezogenen Charakterisierung von Bohrfeldern. Mit einem optimalen Versuchsdesign auf Basis der Fisher-Informationsmatrix können EM-TRT-Messungen gezielt geplant werden, mit maximalem Informationsgewinn bei minimalem Aufwand. Die entwickelten Methoden wurden durch umfassende Simulationen validiert und bilden eine leistungsfähige Grundlage für Planung, Auslegung und Qualitätssicherung geothermischer Anlagen.

Shallow geothermal energy is considered one of the most promising technologies for sustainable heat supply, with great technical potential. Amid rising energy prices, ambitious climate targets, and increasing urbanization, it offers not only ecological benefits but also significant economic opportunities, for building operators, energy providers, and technology suppliers. To fully harness this potential, accurate knowledge of the subsurface’s thermophysical properties, especially thermal conductivity and heat capacity is crucial. These parameters directly determine how much energy can be extracted or stored. Inaccurate values lead to improperly sized systems, negatively impacting efficiency, construction costs, and service life. Precise parameter determination is therefore essential for sound planning and economically viable geothermal systems. The conventional Thermal Response Test (TRT) for characterization of geothermal energy systems, which involves heating a single borehole heat exchanger continuously over several days, is time-consuming, prone to disturbances, and yields only rough average values due to simplified model assumptions. The Excitation-Modulated Thermal Response Test (EM-TRT) is an enhanced method , combining a detailed physical model of heat transport in the subsurface with time-modulated thermal excitation. This approach enables more accurate, faster, and more detailed determination of geothermal parameters. Based upon the EM-TRT, this work introduces an optimized procedure that increases accuracy while reducing test duration. Scientifically, this work advances modeling and evaluation methods in geothermal research. Model simplifications are explored to reduce computation cost, improved algorithms enhance the robustness of parameter estimation. The influence of geological layering on measurement results as well as subsurface temperature distribution has been systematically analyzed. From a commercial perspective, the work opens up new opportunities for cost-effective, project-specific characterization of borefields. Using optimal design of experiment based on the Fisher information matrix, EM-TRT measurements can be strategically planned for maximum information gain with minimal testing effort. The developed methods have been validated through extensive simulations and provide a powerful basis for the planning, design, and quality assurance of geothermal systems.