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Diplomarbeit

Studiengang Landschaftsplanung

der Technischen Universität Berlin

Einfluss von Substrateigenschaften auf die

Wärmeleitfähigkeit von Böden

Bodenphysikalische Nutzungsaspekte von

Erdwärmekollektoren

Arvid Markert Matrikelnummer: 306369

Gutachter: Prof. Dr. Gerd Wessolek; Dr. Björn Kluge

Betreuer: Dr. Steffen Trinks, Michael Facklam

Bearbeitungszeitraum: 20.12.2011 bis 20.06.2012

Berlin, 18. Juni 2012

Kurzfassung 2

- Danksagung -

Ich danke allen, die mich bei der Fertigstellung dieser Arbeit fachlich und persönlich unter-

stützt haben. Ohne Euch wären noch ein paar graue Haare mehr dazugekommen.

Ein besonderer Dank geht an Michael Facklam - meinem Mentor, Kollegen und Freund.

Kurzfassung 1

Kurzfassung

Für die Planung und Berechnung der Wärmeentzugsleitung oberflächenah verlegter

Erdwärmekollektoren sind genaue Kenntnisse der thermischen und hydraulischen Ei-

genschaften der an einem Standort vorliegenden Böden notwendig. Im Rahmen dieser

Arbeit werden 13 mineralische und organische Böden hinsichtlich ihrer Wasserretenti-

onsfunktion und Wärmeleitfähigkeit beschrieben und in Bezug auf ihre Eignung als

Füllmaterialien für Kollektoranlagen bewertet. Mit dem gewählten Forschungsdesign

wird untersucht, inwiefern die Bodenart, der Wassergehalt, die Trockenrohdichte, das

Homogenisieren und Packen der Stechzylinderproben und die Bodentemperatur die

Wärmeleitfähigkeit der Substrate beeinflussen. Die hochaufgelöste Messung der Wär-

meleitfähigkeit erfolgt nach dem Prinzip des Thermal-Needle-Probe-Method und wird

mit der Verdunstungsmethode, bei der durch Evaporation der Wassergehalt kontinuier-

lich abnimmt, kombiniert.

Die Messergebnisse zeigen, dass der Wasser- und Quarzgehalt ausschlaggebend für

die Wärmeleitfähigkeit der Substrate ist. Bei den organischen und bindigen Böden

werden im ungesättigten und gesättigten Bereich geringe Wärmeleitfähigkeiten ge-

messen. Bei den Substraten mit hohem Quarzanteil liegen die Werte in diesen Was-

sergehaltsbereichen höher und es kommt im ungesättigten Bereich zu einem deutli-

chen Verlauf der Wärmeleitfähigkeit. Die Erhöhung der Trockenrohdichte und die Stö-

rung der Substrate führen vor allem bei hohen Wassergehalten zu einer Zunahme der

Wärmeleitfähigkeit.

Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass für die Nutzung von Erdwärmekol-

lektoren eine Bewertung der Standorte und Substrate nach bodenkundlichen Kriterien

Vorteile bringt und eine bessere Dimensionierung und Vorhersage des Flächenbedarfs

und der Energieeffizienz ermöglicht.

Inhaltsverzeichnis 2

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung........................................ ........................................................................ 1

Inhaltsverzeichnis................................. ...................................................................... 2

Abbildungsverzeichnis.............................. ................................................................. 4

Tabellenverzeichnis................................ .................................................................... 5

1 Einleitung ......................................... ................................................................ 6

2 Zielstellung und Hypothesen ........................ .................................................. 8

3 Nutzungsaspekte gespeicherter Bodenwärme durch Erdwärmekollektoren ................................ .................................................... 10

3.1 Verwendung und Funktionsweise von Erdwärmekollektoren............................ 11

3.2 Einfluss von Boden- und Standorteigenschaften auf die Nutzung von Erdwärmekollektoren ....................................................................................... 11

4 Grundlagen zum Wärmetransport im Boden ............. .................................. 14

4.1 Thermische Bodeneigenschaften..................................................................... 15

4.2 Gekoppelter Wasser- und Wärmetransport im Boden ...................................... 18

5 Material und Methoden.............................. .................................................... 20

5.1 Bodensubstrate und Probendesign .................................................................. 20

5.2 Bodenphysikalische Untersuchungen .............................................................. 24 5.2.1 Messung der Partikelgrößenverteilung, Retentionsfunktion, Kornrohdichte

und des Siliziumgehalts ................................................................................... 24 5.2.2 Messung der thermischen Leitfähigkeit ............................................................ 25 5.2.3 Versuchsaufbau thermische Leitfähigkeit......................................................... 26

6 Messergebnisse..................................... ........................................................ 28

6.1 Hydraulische Eigenschaften der Bodensubstrate............................................. 28 6.1.1 Sande .............................................................................................................. 29 6.1.2 Lehme.............................................................................................................. 32 6.1.3 Schluffe............................................................................................................ 33 6.1.4 Torfe ................................................................................................................ 34

6.2 Thermische Eigenschaften der Bodensubstrate............................................... 35 6.2.1 Sande .............................................................................................................. 35 6.2.2 Lehme.............................................................................................................. 38 6.2.3 Schluffe............................................................................................................ 40 6.2.4 Organische Substrate ...................................................................................... 41

Inhaltsverzeichnis 3

6.3 Parametrisierung der Wärmeleitfähigkeit ......................................................... 42

7 Diskussion der Ergebnisse .......................... ................................................. 45

7.1 Einfluss der Substrateigenschaften auf die thermischen und hydraulischen Bodeneigenschaften ........................................................................................ 45

7.1.1 Hypothese I - Einfluss der veränderten Porengeometrie auf die Wasserretention und Wärmeleitfähigkeit.......................................................... 45

7.1.2 Hypothese II - Einfluss des Wassergehalts ...................................................... 49 7.1.3 Hypothese III - Einfluss der Trockenrohdichte.................................................. 51 7.1.4 Hypothese IV - Einfluss der Partikelgröße und Mineralogie.............................. 54 7.1.5 Hypothese V - Gliederung der Substrate nach deren hydraulischen und

thermischen Eigenschaften.............................................................................. 56

7.2 Wasserdampftransport und Temperaturabhängigkeit....................................... 57

7.3 Parametrisierung der Wärmeleitfähigkeit ......................................................... 58

7.4 Bodenphysikalische Nutzungsaspekte von Erdwärmekollektoren .................... 59 7.4.1 Substratabhängige Nutzung von Erdwärmekollektoren.................................... 60 7.4.2 Bedeutung für Planungsgrundlagen................................................................. 62

8 Zusammenfassung und Ausblick ....................... .......................................... 64

Anhang: ............................................ ......................................................................... 67

Literaturverzeichnis............................... ................................................................... 70

Erklärung.......................................... ......................................................................... 73

Abbildungsverzeichnis 4

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Zunahme der übertragenen Wärmeleistung durch Wassermenisken ..... 19 Abbildung 2: Schematischer Versuchsaufbau zur Messung der thermischen

Leitfähigkeit ..................................................................................................... 27 Abbildung 3: mS gepackt - Messwerte und Anpassung der

Wasserretentionsfunktion bei TRD 1.61 [g/cm³]............................................... 30 Abbildung 4: Su2 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der

Wasserretentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichten .................... 31 Abbildung 5: Su3 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der

Wasserretentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichten .................... 31 Abbildung 6: Sl3 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der

Wasserretentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichten .................... 31 Abbildung 7: Sl3 (2) gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der

Wasserretentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichten .................... 31 Abbildung 8: Sl4 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der

Wasserretentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichten .................... 32 Abbildung 9: Ls4 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der

Wasserretentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichte ...................... 33 Abbildung 10: Lu / Ut3 gepackt - Messwerte und Anpassung der

Wasserretentionsfunktion ................................................................................ 34 Abbildung 11: mS gepackt – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom

Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei Feldkapazität (pF 1.8) und Permanentem Welkepunkt (pF 4.2) sind horizontal markiert............................ 36

Abbildung 12: Su2 gepackt / ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2 ......................... 37

Abbildung 13: Su3 gepackt / ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2 ......................... 37

Abbildung 14: Sl3 gepackt / ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2 ......................... 37

Abbildung 15: Sl3 (2) gepackt / ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2 ................. 37

Abbildung 16: Einfluss der Temperatur auf die Wärmeleitfähigkeit bei gleicher TRD .. 38 Abbildung 17: Sl4 gepackt / ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom

Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2 ......................... 39 Abbildung 18: Ls4 gepackt / ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom

Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2 ......................... 39 Abbildung 19: Ut2 / Ut4 – Mittelwerte der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom

Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2 ......................... 40 Abbildung 20: Lu / Ut3 gepackt – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom

Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2 ......................... 41 Abbildung 21: H4 / H8-H9 ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom

Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2 ......................... 42 Abbildung 22: Anpassungen der Wärmeleitfähigkeitsfunktion an die Messwerte

des Su2 nach Lu et al. und Lu et al. (modifiziert) ............................................. 44

Tabellenverzeichnis 5

Abbildung 23: Anpassungen der Wärmeleitfähigkeitsfunktion an die Messwerte des Ls4 nach Lu et al. und Lu et al. (modifiziert)............................................. 44

Abbildung 24: Wassergehaltsunterschiede in Vol. % zwischen ungestörten und gepackten Substraten bei pF 1.8..................................................................... 46

Abbildung 25: Wassergehaltsunterschiede in Vol. % zwischen ungestörten und gepackten Substraten bei pF 3.0..................................................................... 47

Abbildung 26: Einfluss des Packens der Substrate auf die Wärmerleitfähigkeit bei selber TRD und einem Wassergehalt von 15 Vol. % ....................................... 48

Abbildung 27: Einfluss des Packens der Substrate auf die Wärmerleitfähigkeit bei selber TRD im trockenen Zustand ................................................................... 49

Abbildung 28: Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Substrate im trockenen und gesättigten Zustand bei TRD 1.9 g/cm³ ........................................................... 49

Abbildung 29: Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Substrate im trockenen und gesättigten Zustand......................................................................................... 50

Abbildung 30: Zunahme der Wärmeleitfähigkeit mit steigender TRD – im unteren Bereich bei einem Wassergehalt von 0 Vol. %; im oberen Bereich bei einem Wassergehalt von 20 Vol. %. ................................................................ 53

Abbildung 31: Beziehung Siliziumdioxidgehalt und Sand- und Grobschluffanteil ........ 54 Abbildung 32: Bereiche und typische Rechenwerte der Wärmeleitfähigkeit eines

Sandes nach VDI 4640 (trocken / wassergesättigt) im Vergleich zu den Wärmeleitfähigkeiten des Su2 (TRD 1.6 g/cm³ / 1.9 g/cm³) ............................. 62

Tabellenverzeichnis Tabelle 3-1: Thermische Eigenschaften von Bodensubstraten (verändert nach VDI

4640)............................................................................................................... 12 Tabelle 4-1: Thermische Eigenschaften verschiedener Bodenbestandteile (nach

Scheffer/Schachtschabel 2010)....................................................................... 15 Tabelle 5-1: Substratbezeichnung, Ausgangsgestein, Partikelgrößenverteilung,

Bodenart/Zersetzungsgrad und SiO2-Gehalt der verschiedenen Substrate...... 21 Tabelle 4: Anzahl der Wiederholungen für die Messungen der Wasserretention

und Wärmeleitfähigkeit der verschiedenen Bodensubstrate ............................ 23 Tabelle 5: hydraulische Eigenschaften der ungestörten Substrate;

Standardabweichung vom arithmetischen Mittel in Klammern......................... 28 Tabelle 6: Verwendete Parameter für die Anpassungen der

Wärmeleitfähigkeitsfunktion an die Messwerte nach Lu et al. und Lu et al. (modifiziert) ..................................................................................................... 43

Tabelle 7: Vergleich der Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Substrate nach VDI mit den eigenen Messungen; die Abgrenzung zwischen „trocken“ und „wassergesättigt“ nach VDI erfolgt bei den eigenen Messungen bei einem volumetrischen Wassergehalt bei pF 4.2......................................................... 63

1 Einleitung 6

1 Einleitung

Die zu Ende gehenden Rohstoffreserven der Erde führen zu einer sich stetig verschär-

fenden Energiekrise der modernen kapitalistischen Gesellschaft. Fossile Brennstoffe

werden in absehbarer Zeit ihre Rolle als Primärenergieträger verlieren und die Suche

nach profitbringenden, effizienten und auch nachhaltigen Lösungen für die Energiever-

sorgung der Menschheit beschäftigt Politik und Wissenschaft. Im Rahmen der Richtli-

nie 2009/28/EG hat die Bundesregierung der BRD das Ziel formuliert, den Anteil er-

neuerbarer Energien am Bruttoendenergieverbrauch bis zum Jahr 2020 auf mindes-

tens 18% zu erhöhen (BRD 2010).

Die im Boden durch Sonnenenergie und Niederschlagswasser gespeicherte und spei-

cherbare Energie stellt in Form von latenter und sensibler Wärme ein enormes, zur

Nutzung verfügbares Potenzial dar. Dem Boden als Energiespeicher kann dabei Wär-

me zu Heizzwecken entzogen oder zur Kühlung zugeführt werden.

Auf kleinräumiger Skala finden Erdwärmekollektoren zur Nutzung dieses oberflächen-

nahen Energiepotenzials bereits Anwendung. Dabei wird mittels eines in den Boden

eingebrachten Wärmeüberträgers die Bodenwärme an eine Wärmepumpe abgegeben

und zum Beheizen von Wohnflächen verwandt. Diese Technik kann parallel zum Küh-

len von Wohnhäusern verwendet werden.

Ob und in welchem Umfang die in den ersten 1-2 Metern der Erdkruste gespeicherte

Energie genutzt werden kann, hängt vorrangig von den spezifischen Standort- und

Bodeneigenschaften ab. Festgesteine, Überbauung oder Flächen mit tiefwurzelnder

Vegetation schließen bisher eine Nutzung aus. In der Literatur werden sandige und

feuchte Standorte als besonders geeignet ausgewiesen (ETI 2009, Berlin 2010, VDI

4640). Dabei ist die Wärmeleitfähigkeit der entscheidende Kennwert, der das Potenzial

des Bodens, Energie in Form von Wärme und Wasserdampf zu transportieren, be-

schreibt.

Die Wärmeleitfähigkeit eines Bodens ist vorrangig von der mineralischen Zusammen-

setzung und dem Wassergehalt abhängig. Je höher der Quarzanteil eines Substrates,

umso größer ist die zu erwartende Wärmeleitfähigkeit. Selbiges gilt für den wasserge-

füllten Porenraum. Die Wärmeleitfähigkeit nimmt zu, umso mehr der Volumenanteil der

schlecht leitenden Bodenluft ab- und der Anteil der besser leitenden Wasserphase zu-

nimmt. Neben dem Quarz- und Wassergehalt wird der Wärmetransport im Boden

durch weitere Parameter wie Trockenrohdichte, Porenkontinuität und dem Einfluss von

Temperaturgradienten bestimmt.

Um Planern, Architekten oder Privatpersonen eine Entscheidungshilfe für die Nutzung

und die Dimensionierung von Erdwärmekollektoren zur Hand zu geben und die Wär-

1 Einleitung 7

meentzugsleistung solcher Anlagen besser vorhersagen zu können, sind Informationen

zur Standortseignung und den thermischen Eigenschaften des vorliegenden Bodenma-

terials notwendig. Die hier präsentierten Ergebnisse bieten die Grundlage für eine zu-

künftige Ausarbeitung. Mit den gewonnen Messdaten lassen sich Aussagen über die

Wärmeleitfähigkeit von Böden bei entsprechender Detailschärfe in die Fläche übertra-

gen und als Karte darstellen. Ebenso kann mit den erhobenen Daten maßstabsunab-

hängig der notwendige Flächenbedarf von Erdwärmekollektoren an einem bestimmten

Standort für die dort vorherrschenden thermischen Bodeneigenschaften berechnet

werden.

2 Zielstellung und Hypothesen 8

2 Zielstellung und Hypothesen

Ziel dieser Arbeit ist es, die hydraulischen und thermischen Eigenschaften verschiede-

ner, im Bundesland Brandenburg oberflächig anstehender und großräumig vorkom-

mender Bodenarten miteinander zu vergleichen und deren Eignung als Füllmaterial für

die Nutzung von Erdwärmekollektoren zu bewerten. Dafür wird der Einfluss der Parti-

kelgrößenverteilung, Trockenrohdichte und des Wassergehalts auf die Wärmeleitfähig-

keit von Bodensubstraten untersucht. Mit dem hier gewählten Forschungsdesign wird

dem Einfluss dieser drei Variablen Rechnung getragen.

Um die Auswirkung der Störung und anschließenden Konsolidierung des Bodens beim

Einbau von Kollektoranlagen auf die thermischen und hydraulischen Bodeneigenschaf-

ten abzuschätzen, werden die Untersuchungen sowohl an technisch gepackten und

ungestörten Proben durchgeführt.

Für die wissenschaftliche Bearbeitung der hier formulierten Zielstellung werden folgen-

de Arbeitshypothesen aufgestellt:

(I) Die Störung und Homogenisierung des Bodens führt bei Bodensubstraten zu einer

Veränderung der Porengeometrie und Umstrukturierung der Bodenmatrix. Besonders

bei bindigen Proben führt das Aufbrechen der Aggregate zu einer höheren Porenkonti-

nuität. Dies wirkt sich positiv auf den konvektiven Wärmetransport aus und die Wärme-

leitfähigkeit nimmt bei gestörten und bei der gleichen Trockenrohdichte gepackten Sub-

straten der gleichen Bodenart zu.

(II) In der Bodenphysik wird der Wärmetransport in Böden meist in einem 3-

Phasensystem als Kopplung von Wärmeleitung und Konvektion beschrieben. Ent-

scheidend dabei ist die Verteilung und Kontinuität von Wasser und Luft im Porenraum.

Da Wasser eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft besitzt, steigt bei gleicher Bodenart

und Trockenrohdichte mit zunehmendem volumetrischem Wassergehalt die Wärmeleit-

fähigkeit

(III) Mit steigender Trockenrohdichte erhöht sich der mineralische, gut wärmeleitende

Bestandteil in einem Bodenvolumen. Dadurch nimmt die Wärmeleitfähigkeit einer Bo-

denprobe bei gleichem volumetrischem Wassergehalt mit steigender Trockenrohdichte

zu.

(IV) Da Quarzminerale eine für Bodenbestandteile relativ hohe Wärmeleitfähigkeit be-

sitzen, nimmt mit steigendem Sandanteil/Siliziumgehalt die Wärmeleitfähigkeit der ver-

schiedenen Bodenproben bei gleicher Trockenrohdichte und gleichem Wassergehalt

zu.

.

2 Zielstellung und Hypothesen 9

(V) Die mineralische Zusammensetzung von Böden führt zu spezifischen bodenphysi-

kalischen Eigenschaften. Anhand der thermischen und hydraulischen Funktionsverläu-

fe lassen sich die untersuchten Substrate in klar voneinander unterscheidbare, nach

Bodenarten gegliederte Gruppen trennen.

3 Nutzungsaspekte gespeicherter Bodenwärme durch Erdwärmekollektoren 10

3 Nutzungsaspekte gespeicherter Bodenwärme

durch Erdwärmekollektoren

Die Nutzung erneuerbarer und so genannter klimaneutraler Energien boomt. Beson-

ders im Eigenheimbau finden Systeme zur Wärmeerzeugung durch Geothermie stei-

genden Zuspruch. Im Jahr 2010 betrug die staatliche Förderung erneuerbarer Energien

zur Wärmeerzeugung 235 Mio. Euro und wurde über das „Marktanreizprogramm zur

Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien“ überwiegend an Pri-

vathaushalte gezahlt (BMU 2011-1). Für das Jahr 2011 war eine vorrangige Förderung

effizienter Wärmepumpen vorgesehen (BMU 2011-2).

Laut einer Studie des Geothermiezentrum Bochum lag im Jahr 2008 der Absatz für

Wärmepumpen in der BRD bei rund 60.000 Anlagen. Insgesamt wird von 350.000 in-

stallierten Wärmepumpensystemen für dasselbe Jahr ausgegangen (Platt 2010).

Der entscheidende Kennwert von Wärmepumpen hinsichtlich ihrer Energieeffizienz ist

die Jahresarbeitszahl (JAZ). Sie ist das für ein Betriebsjahr ermittelte Verhältnis von

abgegebener Heizleistung zu der zusätzlich aufgewendeten Antriebsarbeit durch elekt-

rischen Strom: bei einer JAZ von 4,0 ist für die Bereitstellung von 4 kWh Nutzwärme 1

kWh elektrische Energie erforderlich.

Eicker et al. (2008) zeigen das Boden- und Standorteigenschaften einen entscheiden-

den Einfluss auf die Energieeffizienz von Wärmepumpen haben. Die Autoren berech-

neten mit der Simulationssoftware INSEL die Auswirkungen verschiedener Bodensub-

strate auf die relative Heizleistung von Erdwärmekollektorsystemen: bei gleichen

Randbedingungen lag die Wärmeleistung eines feuchten Sandes um 20% höher als

bei einem trockenen Ton.

Hinsichtlich der CO2-Bilanz und dem Beitrag gekoppelter Erdwärmekollektorsysteme

zu einer nachhaltigen Energienutzung geht das Umweltbundesamt in einer Studie von

2008 von einem enormen Potenzial für Wärmepumpen aus (UBA 2008). In der Studie

vorgestellte Szenarien zeigen, dass für das Jahr 2050 bis zu ca. 80% weniger Treib-

hausgasemissionen möglich sind. Dieses unter anderem durch den Gebrauch von

Wärmepumpen zur Verfügung stehende Potenzial zur Umweltentlastung kann jedoch

nur realisiert werden, wenn auch der für den Betrieb von Wärmepumpen notwendige

elektrische Strom aus regenerativen Energien, z.B. durch Photovoltaik, gewonnen wür-

de.

Die Nutzung geothermischer Energie kann jedoch auch Risiken für die Umwelt bergen.

So können Tiefenbohrungen, die im Rahmen oberflächennaher oder tiefer Geothermie

notwendig sind, in bestimmten Regionen eine Gefährdung des Schutzguts Grundwas-


ser verursachen. Besonders in Norddeutschland besteht die Gefahr, das geologische

Schichten, die die Grundwasserleiter nach unten gegen salzhaltiges Wasser absper-

ren, perforiert werden und Salzwasser entlang der Bohrlöcher in die Grundwasserspei-

cher eindringen könnte. Die Umsetzung einer behördlichen Genehmigungspflicht für

geothermische Bohrungen könnte hingegen speziell im Norden der BRD eine risiko-

freie Nutzung der Grundwasserreservoire sicherstellen.

3.1 Verwendung und Funktionsweise von Erdwärmekollektoren

Erdwärmekollektoren sind oberflächennah verlegte Wärmetauschersysteme, die in

Kopplung mit einer Wärmepumpe das Potenzial des Bodens nutzen, Energie in Form

von Wärme speichern und abgeben zu können. Über ein im Boden verlegtes

Schlauchsystem, durch das ein flüssiger Wärmeträger zirkuliert, wird dem Boden dabei

Nutzwärme entzogen oder in Form von Abwärme zugeführt. Eine Wärmepumpe über-

trägt dabei die aus dem Boden gewonnene thermische Energie unter Aufbringung zu-

sätzlicher Antriebsenergie auf das zu beheizende System, z.B. eine Hausheizung. Wird

eine solche Anlage zum Kühlen von Gebäuden verwendet, ist die Nutzenergie die aus

dem zu kühlenden Raum aufgenommene Wärme, die als Abwärme an den Boden ab-

gegeben wird.

Da für den Einbau von Erdwärmekollektoren relativ umfangreiche Erdarbeiten notwen-

dig sind, finden jene Systeme im Regelfall beim Neubau von Häusern Anwendung. Die

Einbautiefe vertikaler Kollektorsysteme beläuft sich auf 1 – 2 m unter Geländeoberflä-

che, mindestens jedoch 20cm unter der örtlichen Frostgrenze. Der Flächenbedarf ist

zwar konstruktionsbedingt unterschiedlich und variiert mit den hydraulischen und ther-

mischen Boden- und Standorteigenschaften, wird aber meist mit dem Doppelten der zu

beheizenden Fläche veranschlagt.

3.2 Einfluss von Boden- und Standorteigenschaften a uf die

Nutzung von Erdwärmekollektoren

Für die Nutzung und den Einbau von Kollektorsystemen gibt es von den einzelnen

Bundesländern herausgegebene Leitfäden und Orientierungshilfen. Jene richten sich

vorrangig an potentielle Nutzer, Bauingenieure und Planer. Zwar gehen jene oft auf die

spezifische Rechtsgrundlage des jeweiligen Bundeslandes ein, die Angaben zu den

thermischen Eigenschaften von Böden, welche zur Berechnung der Dimensionierung

und des Flächenverbrauchs der Erdwärmekollektoren herangezogen werden, beziehen

sich jedoch meist einheitlich auf die Angaben aus der Richtlinie VDI 4640. Der Einfluss

spezifischer Standorteigenschaften oder regional unterschiedlicher Klimabedingungen


auf die Wärmeentzugsleistung wird dabei selten beachtet. Folgend werden die in dem

Geothermieleitfaden des Land Brandenburg (ETI 2009), der VDI Richtlinie zur Thermi-

schen Nutzung des Untergrundes (VDI 4640) und dem Informationsblatt Wärmepum-

pen des Bundesindustrieverbands Deutschland aufgeführten Angaben zum Einfluss

des Bodens und Standortes auf die Nutzung von Erdwärmekollektoren zusammenge-

fasst.

Bodeneigenschaften

Die in der BRD für die Nutzung und Errichtung von Erdwärmekollektoranlagen heran-

zuziehende Richtlinie VDI 4640 beinhaltet Richtwerte für die Dimensionierung und Be-

rechnung ebensolcher Anlagen und der dabei verwendeten Substrate (VDI 4640). Die

Unterscheidung verschiedener Lockergesteine nach ihren thermischen Eigenschaften

und in Abhängigkeit vom Feuchtegrad kann Tabelle 3-1 entnommen werden. Die von

der VDI dabei vorgenommene grobe Abstufung zwischen 5 Bodensubstraten und zwei,

nicht näher definierten Wassergehalten, erklärt sich aus der praxisorientierten Ausrich-

tung dieser Richtlinie und deren Anwendbarkeit für Bauingenieure und Planer.

Auch wenn die Bodenfeuchte an einem Standort im Jahresverlauf meist nur zwischen

Feldkapazität und Permanenten Welkepunkt schwankt, zeigt sich, dass bereits geringe

Wassergehaltsänderungen die thermischen Eigenschaften maßgeblich beeinflussen.

Das für eine Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit des Bodens eine detaillierte Auflösung

bzgl. der Partikelgrößenverteilung sinnvoll ist und die Trockenrohdichte beim Einbau

bei der Berechnung von Kollektoranlagen berücksichtigt werden sollte, wird im Rah-

men dieser Arbeit aufgezeigt.

Tabelle 3-1: Thermische Eigenschaften von Bodensubstraten (verändert nach VDI 4640)

Lockergesteine Wärmeleitfähigkeit

[W/m*K]

Wärmeleitfähigkeit [W/m*K]

typischer Rechenwert

Vol. Wärmekapazität

[MJ/m³*K]

Kies, trocken 0,4 – 0,5 0,4 1,4 – 1,6

Kies, wassergesättigt ca. 1,8 1,8 ca. 2,4

Moräne 1,0 – 2,5 2,0 1,5 – 2,5

Sand, trocken 0,3 – 0,8 0,4 1,3 – 1,6

Sand, wassergesättigt 1,7 – 5,0 2,4 2,2 – 2,9

Ton/Schluff, trocken 0,4 – 1,0 0,5 1,5 – 1,6

Ton/Schluff, wassergesättigt 0,9 – 2,3 1,7 1,6 – 3,4

Torf 0,2 – 0,7 0,4 0,5 – 3,8


Standortbedingungen

Neben dem Einfluss der Bodenart und des verwendeten Kollektorsystems auf die

Wärmeentzugsleistung wird jene maßgeblich durch die jeweiligen Standortbedingun-

gen beeinflusst. So wird in dem Geothermieleitfaden des Land Brandenburg (ETI 2009)

von einer Überbauung der Erdwärmekollektoren abgeraten, da so die Regeneration

der Bodentemperatur durch Sonneneinstrahlung und Niederschlagswasser gehemmt

wäre. Ebenso sollten tiefwurzelnde Pflanzen als Vegetationsdecke vermieden werden,

um eine Beschädigung der Kollektorleitungen zu vermeiden. Um ein Austrocknen des

Bodens in der Kollektorumgebung zu vermeiden, sollte die Verdunstungsleistung der

Pflanzendecke den Standorteigenschaften und dem Bodenwasserhaushalt angepasst

werden.

Die zusätzliche Abkühlung des Bodens im Winter durch den Wärmeentzug der Kollek-

torsysteme kann das Pflanzenwachstum im Frühjahr um einige Wochen verzögern

(BDH 2010). So kann die starke Temperaturabsenkung zu einer Eisbildung um die

Kollektorrohre führen. Sollten sich die Eisradien verbinden und einen horizontalen Eis-

panzer im Boden bilden, kann jener den vertikalen hydraulischen Wasserfluss verhin-

dern. Dies kann im Frühjahr dazu führen, dass Niederschlags- und Schmelzwasser

nicht versickern und sich Staunässe bilden kann. Durch die Bildung solch künstlicher

Eispanzer im Boden kann es zu Frosthebungen und anschließenden Sackungen beim

Tauen des Eises kommen (ebd.).

4 Grundlagen zum Wärmetransport im Boden 14

4 Grundlagen zum Wärmetransport im Boden

Der Wärmehaushalt eines Bodens variiert je nach Standortbedingungen stark. Die

Sonneneinstrahlung ist dabei der entscheidende Faktor für die Energiezufuhr an einem

Standort. Nur 15% der Sonnenstrahlung durchdringen in der gemäßigten Klimazone

Mitteleuropas die Atmosphäre und erreichen als Globalstrahlung die Erdoberfläche.

Die täglich eingestrahlte Energiemenge an einem Standort schwankt zwischen 100 –

1000 W/m². Davon erreichen je nach Vegetationsbedeckung nur 2 – 5 % die Boden-

oberfläche (Gisi 1990). Der Bodenwärmestrom ist tagsüber meist nach unten gerichtet

und führt zu einer Erwärmung des Bodenkörpers. Nachts dreht sich der Wärmefluss

normaler Weise um und führt durch langwellige Ausstrahlung zu einem Abkühlen der

obersten Bodenschichten. In den Sommermonaten führt dies auf Grund der hohen

Einstrahlleistung in der Bilanz zu einer Erwärmung, in den Wintermonaten durch die

starke Ausstrahlung zu einem Abkühlung des Bodenkörpers.

Neben dem Einfluss der jahreszeitlichen Schwankung der Lufttemperatur spielen der

Verlauf der täglichen Ein- und Ausstrahlung, die Dynamik des Bodenwasserhaushalts

und die Verdunstungsleistung der Pflanzendecke eine entscheidende Rolle bei der

Veränderung der Bodentemperatur. Auch wenn die mittleren Temperaturschwankun-

gen im Jahresverlauf mit zunehmender Bodentiefe abnehmen und in den obersten

30cm bis zu 20 Kelvin betragen können, wurden auf einer Dauerbeobachtungsfläche in

Potsdam für den Zeitraum 1894-1948 mittlere jährliche Temperaturschwankungen von

0,7 Kelvin bis in eine Tiefe von 12m nachgewiesen werden (nach Leyst, in Geiger

1961). In tieferen Bodenschichten ist davon auszugehen, dass die Temperaturände-

rung durch die geothermische Tiefenstufe bestimmt wird.

Auch wenn der Wärmetransport in Böden stark wassergehaltsabhängig ist und die

Wärmeleitfähigkeit mit steigendem Wassergehalt zunimmt, hängt die Erwärmung eines

Boden im Jahresverlauf vorrangig von der Wärmekapazität des gesamten Bodenkör-

pers ab. Da Wasser im Vergleich zu den anderen Bodenkompartimenten eine höhere

Wärmekapazität besitzt (siehe Tabelle 4-1), ist die notwendige Energiemenge zur Er-

wärmung von Böden feuchter Standorte größer als die für Böden trockener Standorte.

Neben dem Einfluss der Bodenfarbe auf die Bodenerwärmung ist bei grundwasserna-

hen Standorten die Bodentemperatur zusätzlich von der Temperatur des Grundwasser-

leiters abhängig.

In den Kapiteln 4.1 und 4.2 werden die gebräuchlichsten bodenphysikalischen Ansätze

zur Beschreibung und Berechnung der thermischen Bodeneigenschaften und des ge-

koppelten Wasser- und Wärmestroms dargestellt.


4.1 Thermische Bodeneigenschaften

Als thermische Bodeneigenschaften werden in diesem Abschnitt die Wärmekapazität

und Wärmeleitfähigkeit behandelt. Eine Übersicht dieser thermischen Eigenschaften

typischer Bodenbestandteile gibt Tabelle 4-1.

Tabelle 4-1: Thermische Eigenschaften verschiedener Bodenbestandteile (nach Scheffer/Schachtschabel

2010)

Wärmeleitfähigkeit λ [W/m*K] volumetrische Wärmekapazität cvol [MJ/m³*K]

Quarzminerale 8,8 2,1

Tonminerale 2,9 2,1

Humus 0,25 2,5

Wasser (20°C) 0,57 4,2

Eis (-20°C) 2,2 1,9

trockene Luft 0,025 0,0013

Wärmekapazität

Die Wärmekapazität entspricht der Energiemenge, die einem Material für eine Tempe-

raturerhöhung zugeführt werden muss. Die volumetrische Wärmekapazität (cvol) ist das

Produkt aus spezifischer Wärmekapazität (c) und spezifischer Dichte (ρ). Die Wärme-

kapazität eines Bodenkörpers ist somit die Summe der spezifischen Wärmekapazitäten

der einzelnen Bodenbestandteile multipliziert mit deren Volumenanteilen (de Vries

1963):

Phasen

Phasen

eilVolumenant∑= PhaseBoden cc (4.3.)

Da Wasser im Vergleich zu den restlichen Bodenbestandteilen eine hohe volumetri-

sche Wärmekapazität besitzt, wirken sich Unterschiede im Wassergehalt des Bodens

stark auf dessen Wärmekapazität aus.

Wärmeleitfähigkeit

Im Gegensatz zur Wärmekapazität ist die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit eines

Bodens komplizierter und steht nicht in linearer Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit

der einzelnen Komponenten. Dies liegt vor allem daran, dass der Energietransport im

Boden stark von der Porengeometrie beeinflusst wird und das Porensystem meist un-

regelmäßig und diskontinuierlich vorliegt.


Nach der Theorie von Fourier ist der auf eine Fläche bezogene Wärmestrom (qH) pro-

portional zu dem Temperaturgradienten mit dem Proportionalitätsfaktor λ:

z

TqH

δδλ−= (4.4.)

mit: qH: Wärmestromdichte [W/m²]; λ: Wärmeleitfähigkeit [W/m*K]; T: Temperatur [K]; z: Dicke des durch-

strömten Körpers [m]

Da in einem feuchten Boden Wasser stets im flüssigen und dampfförmigen Aggregat-

zustand vorkommt und dadurch die Transportprozesse Wärmeleitung und Konvektion

analytisch nicht voneinander getrennt werden können, handelt es sich bei Messungen

der Wärmeleitfähigkeit um die Ermittlung des „effektiven“ Wärmeflusses pro Zeiteinheit.

Im weiteren Verlauf der Arbeit wird der Einfachheit halber der Begriff „Wärmeleitfähig-

keit“ verwendet und dabei impliziert, dass es sich um einen gekoppelten Transportpro-

zess von Wasser und Wärme handelt.

De Vries (1963) beschreibt die Wärmeleitfähigkeit eines porösen Mediums als seriell-

paralleles System von Teilchen einer bestimmten Geometrie in einer kontinuierlichen

Phase. Dabei sind zwei Wassergehaltsbereiche, die durch den Punkt θk markiert wer-

den, zu unterscheiden. Oberhalb des Punktes θk bildet Wasser die kontinuierliche Pha-

se und die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit ist gering im Vergleich zur Wassergehalts-

zunahme. Unterhalb von θk stellt Luft hingegen die kontinuierliche Bodenphase dar und

geringe Wassergehaltsänderung können einen großen Einfluss auf die Wärmeleitfä-

higkeit haben. Die Wärmeleitfähigkeit ist dabei die gemittelte, mit dem Volumenanteil

der einzelnen Phasen und einem Wichtungsfaktor k multiplizierte Wärmeleitfähigkeit

der einzelnen Phasen.

Für den Bereich oberhalb des kritischen Wassergehalts (θk), in dem Wasser die konti-

nuierliche Phase bildet, beschreibt De Vries den Wärmefluss wie folgt:

∑

∑

=

==n

i

ii

n

i

iii

xk

xk

1

1

λλ wenn θ ≥ θk (4.5.)

mit: ki: Wichtungsfaktor k der Phasen [-]; θk: kritischer Wassergehalt [m³/m³]; xi: Volumenanteil der Pha-

sen[-]

Für den Bereich unterhalb von θk, mit Luft als kontinuierlicher Phase, verläuft die Funk-

tion linear zwischen λdry und λθk:

k

drydry

k

θθλλλλ θ )( −+= wenn θ < θk (4.6.)

mit: λdry: Wärmeleitfähigkeit des trockenen Bodens [W/m*K]


Das Modell von Johansen (1975) beschreibt den Funktionsverlauf der Bodenwärmeleit-

fähigkeit (λ(θ)) normiert auf die Wärmeleitfähigkeit im gesättigten und trockenen Zu-

stand:

λ(θ) = (λsat – λdry) * Ke(θ) + λdry (4.7.)

mit: λsat: Wärmeleitfähigkeit des gesättigten Boden [W/m*K]; λdry: Wärmeleitfähigkeit des trockenen Boden

[W/m*K]; Ke: Kersten-Faktor [-]

Der Kersten-Faktor (Ke) steuert dabei die Änderung der Wärmeleitfähigkeit in Abhän-

gigkeit von der Wassersättigung (Sr) für zwei unterschiedliche Texturklassen:

Sr = θ/ θsat

Ke ≅ 0,7 log Sr + 1,0 (Sr > 0,05) - für sandige Böden (4.8.)

Ke ≅ log Sr + 1,0 (Sr > 0,1) - für feintexturierte Böden

mit: Sr = Wassersättigung [-]

Zur Berechnung von λsat und λdry werden die TRD (ρB), die Kornrohdichte (ρm)und die

Wärmeleitfähigkeit der Bodenmatrix (λm) und von Wasser (λw) herangezogen:

Bm

Bdry

ρρρλ

947,0

0647,0135,0

−+= (4.9.)

nn

wmsat λλλ −= 1

qo

qqm

−= 1λλλ

mit: ρB: Trockenrohdichte des Bodens[g/cm³]; ρm: Kornrohdichte [g/cm³]; λm: Wärmeleitfähigkeit der Bo-

denmatrix [W/m*K]; λw: Wärmeleitfähigkeit von Wasser [W/m*K]; n: Porösität des Bodens [-]; λq: Wärme-

leitfähigkeit von Quarz [W/m*K]; λo: Wärmeleitfähigkeit anderer Mineralien [W/m*K]; q: Quarzanteil des

mineralischen Bodens

Die Wärmeleitfähigkeit von Quarz wird mit 7,7 W/m*K, die von Wasser mit 0,594

W/m*K (bei 20°C) angesetzt. In Abhängigkeit vom Quarzanteil (q) des mineralischen

Bodens gibt Johansen die Wärmeleitfähigkeit der anderen Mineralien wie folgt an:

λo = 2,0 W/m*K (für q > 0,2)

λo = 3,0 W/m*K (für q ≤ 0,2)


Lu et al. (2007) erweiterten das Verfahren von Johansen zur Berechnung der Boden-

wärmeleitfähigkeit auf den Bereich des trockenen Bodens. Der Kersten-Faktor wird

dabei wie folgt bestimmt:

[ ]{ }33,11exp −−= αα re SK (4.10)

mit: α: Geometriefaktor [-]; 1.33: Formparameter β [-]

Der als texturabhängiger Fittingparameterparameter verwendete Geometriefaktor α

wird von Lu et al. für die von Ihnen untersuchten Böden mit 0.96 für feintexturierte und

für grobtexturierte Substrate mit 0.27 angegeben. Der Formparameter 1.33 bestimmt

den Kurvenverlauf und die Flexibilität der Wärmeleitfähigkeitsfunktion und wird folgend

mit dem Buchstaben β definiert. Die Wärmeleitfähigkeit im trockenen Zustand be-

schreiben die Autoren mit einer einfachen linearen Funktion:

bandry +−=λ (4.11)

bei der a und b empirische Parameter darstellen und respektive mit 0,56 und 0,51 (für

0,2 < n < 0,6) angegeben sind. Zur Berechnung von λsat folgen Lu et al. dem Ansatz

von Johansen.

Usowicz (2004) vergleicht 6 verschiedene Modelle zur Berechnung der Wärmeleitfä-

higkeit von Böden. Er kommt zu dem Schluss, dass bei moderaten Temperaturgradien-

ten und einem geringen Einfluss des Wasserdampftransports alle getesteten Modelle

gute Vorhersagen liefern. Bei hohen Temperaturgradienten und hohen Dampftrans-

portraten erweisen sich die Modelle von De Vries (1963) und das statistisch-

physikalische Modell von Usowicz (1993) am geeignetsten zur Berechnung der Wär-

meleitfähigkeit.

4.2 Gekoppelter Wasser- und Wärmetransport im Boden

Der Wärmetransport in dem 3-Phasensystem Boden - Wasser - Luft hängt grundsätz-

lich von den thermischen Eigenschaften der Einzelkomponenten ab. Ihr Anteil und ihre

Kontinuität bestimmen die Wärmeleitfähigkeit eines definierten Bodenvolumens. Dabei

sind Wasser- und Wärmetransport zwei sich gegenseitig beeinflussende Prozesse im

Boden. So bewirkt ein Temperaturgradient im Boden, wie er zum Beispiel bei dem

Gebrauch von Erdwärmekollektoren entsteht, einen Wasserfluss in Richtung des nied-

rigen Potenzials. Ebenso kommt es unter anisothermen Bedingungen durch Dampfdif-

fusion zu einem gekoppelten Wärme- und Wassertransport. Zur Beschreibung dieser

Transportprozesse wird in der Bodenphysik meist ein mechanistischer Ansatz gewählt,

bei dem die einzelnen Wasser- und Wärmeflüsse addiert und über die Massen- und

Energieerhaltung in ein gekoppeltes Gleichungssystem gebracht werden (Philip 1957,

Saito et al. 2006).


Der Wasserhaushalt wird dabei wie folgt beschrieben:

z

q

z

q

t

dw

δδ

δδ

δθδ −−= (4.1.)

Für den Wärmehaushalt gilt analog:

Qz

q

t

U H +−=δ

δδ

δ (4.2.)

mit: θ: Wassergehalt [m³/m³]; t: Zeit [s]; qw: Wasserflussdichte [m/s]; qd: Dampfflussdichte [m/s]; z: Länge

[m]; U: Wärmemenge [J/m³]; qH: Wärmeflussdichte [J/m³s]; Q: Wärmeproduktion [J/m³s]

Im Boden erfolgt die Übertragung von Wärme hauptsächlich durch Wärmeleitung und

Konvektion. Wärmestrahlung spielt nur an der Bodenoberfläche in Form von atmo-

sphärischer Ausstrahlung eine Rolle. Die Wärmeleitung ist proportional zum Tempera-

turgradienten und wird bestimmt durch die Wärmeleitfähigkeit des Bodens. Der kon-

vektive Transport erfolgt über die flüssige und gasförmige Wasserphase. Mit abneh-

mender Temperatur wird der Anteil des Energietransports über die Dampfphase gerin-

ger.

Abbildung 1: Zunahme der übertragenen Wärmeleistung durch Wassermenisken

Besonders bei sandigen Böden und geringen Wassergehalten hat die Kontinuität der

Wasserphase einen entscheidenden Einfluss auf den Verlauf der Wärmeleitfähigkeit.

Zum einen nimmt bei hohen Wasserspannungen die Wasserdampfsättigung in den

luftgefüllten Poren ab und der Anteil des Dampftransports wird geringer. Zum anderen

wird das Wasser an den Kornkontaktpunkten besonders stark gebunden und die dort

entstehenden Wassermenisken wirken als Brücken für die Wärmeleitung (siehe

Abbildung 1). Die Verringerung des Meniskendurchmessers bei geringen Wasser-

gehalten bzw. der Verlust dieses Kontaktwassers führt dazu, dass die Wärmeleitfähig-

keit unterhalb eines kritischen Wassergehalts erheblich abnimmt.

5 Material und Methoden 20

5 Material und Methoden

In diesem Kapitel werden die untersuchten Bodenmaterialien beschrieben und die zur

Erfassung der thermischen und hydraulischen Eigenschaften der Substrate verwende-

te Messtechnik dargestellt.

Im Rahmen der Diplomarbeit wurden 8 verschiedene Bodensubstrate auf bodenphysi-

kalischen Eigenschaften untersucht. Die Proben werden im Folgenden als Substrat 1

bis 8 bezeichnet bzw. durch ihre spezifische Bodenart gekennzeichnet.

Ergänzend zu diesem Probenspektrum werden 5 weitere, als Substrat 9 bis 13 bzw.

mit der jeweiligen Bodenart bezeichnete Substrate hinsichtlich ihrer hydraulischen und

thermischen Eigenschaften beschrieben. Für diese Substrate liegen bereits Messun-

gen zur Wärmeleitfähigkeit und Retentionsfunktion unter definierten Bedingungen vor.

Die Messdaten wurden freundlichst von Dr. Steffen Trinks und Moritz Werkenthin zur

Verfügung gestellt.

5.1 Bodensubstrate und Probendesign

Bei der Auswahl der Bodenproben wurde darauf geachtet, möglichst die im Land Bran-

denburg oberflächig anstehenden und einen großen Flächenanteil aufweisenden Bo-

denarten zu repräsentieren. Um auch Aussagen über den Einfluss nicht-sandiger Ma-

terialien auf die Wärmeleitfähigkeit treffen zu können, wurde das Bodenartenspektrum

um Lösse ergänzt.

Neben den rein mineralischen Böden werden hier ebenso die hydraulischen und ther-

mischen Eigenschaften für zwei organische Böden beschrieben. Auch wenn Moore nur

einen geringen Flächenanteil im Land Brandenburg einnehmen und eine Nutzung von

Erdwärmekollektoren auf jenen Standorten aus naturschutz- und grundwasserschutz-

rechtlichen Aspekten meist ausgeschlossen ist, veranschaulichen diese beiden Sub-

strate gut die Bandbreite der Wärmeleitfähigkeiten natürlich vorkommender Böden. Die

Messungen und hier präsentierten Daten der beiden Torfe wurden an ungestörten, aus

der Profilwand entnommenen Stechzylindern durchgeführt. Der in Tabelle 5-1 angege-

bene Zersetzungsgrad der Torfe wurde nach VON POST (KA5 2005) bestimmt.

In Tabelle 5-1 sind die verwendeten Materialien mit Angaben zu dem geologischen

Bodenausgangsgestein oder der anthropogenen Herkunft, den Gewichtsanteilen der

Feinbodenfraktionen und der entsprechenden Bodenart sowie der mittels RFA be-

stimmte SiO2-Gehalt aufgelistet. Im Anhang sind die detaillierten Texturanalysen der

Substrate mit ihren jeweiligen Gewichtsanteilen für die Partikelgrößenklassen gS, mS,

fS, gU, mU, fU und T angefügt (siehe Anhang 1).


Die Carbonatgehalte der verwendeten Bodenproben sind bis auf Substrat 3 gering, nur

der aus einem Cv-Horizont stammende Sl3 hat einen Carbonatgehalt von 0.4 Masse%.

Der Ut4 stammt aus dem Ap-Horizont einer Schwarzerde und hat einen Corg-Gehalt

von 1.7 Masse%. Der Corg-Gehalt des stark zersetzten Torfes (Substrat 12) liegt bei

23,8 Masse%, der des schwach zersetzten Torfes (Substrat 13) bei 50,9 Masse%.

Die beiden Lösse stammen aus einer ackerbaulich genutzten Schwarzerde aus der

Nähe von Magdeburg. Das als Deponieabdichtung verwendete Substrat 10 stammt

aus einem Unterbodenhorizont aus der Umgebung von Karlsruhe. Die restlichen 10

Substrate sind brandenburgischer Herkunft. Für alle Substrate wurden die Stechzylin-

der- und Beutelproben direkt aus der Profilwand entnommen.

Tabelle 5-1: Substratbezeichnung, Ausgangsgestein, Partikelgrößenverteilung, Bodenart/Zersetzungsgrad

und SiO2-Gehalt der verschiedenen Substrate

Substrat

Ausgangsgestein /

Herkunft

Ton

Schluff

(Masse%)

Sand

Bodenart/Zersetzungsgrad

(nach KA5)

SiO2-Gehalt

(Masse %)

1 Geschiebedecksand 3,2 11,3 85,5 Su2 93,4

2 Geschiebedecksand 4,1 25,5 70,4 Su3 92,8

3 Geschiebemergel 9,5 12,8 77,7 Sl3 87,8

4 Geschiebemergel 11,4 20,8 67,8 Sl3 (2) 87,0

5 Geschiebemergel 13,5 12,4 74,1 Sl4 88,1

6 Geschiebemergel 22,7 23,5 53,8 Ls4 84,5

7 Löss 11,3 82,8 5,9 Ut2 79,7

8 Löss 19,9 76,5 3,6 Ut4 76,7

9 Schmelzwassersand 1,5 1,8 96,7 mS n.b.

10 Löss 26,2 64,9 8,9 Lu n.b.

11 Löss 12,9 82,6 4,5 Ut3 n.b.

12 Niedermoortorf - - - H8 – H9 n.b.

13 Niedermoortorf - - - H4 n.b.

Neben der Bestimmung der hydraulischen und thermischen Eigenschaften ungestörter,

mit Stechzylindern aus der Profilwand entnommener Bodenproben wurden für alle

Substrate die Messungen an gepackten Stechzylinderproben durchgeführt. Dazu wur-

den die aus denselben Horizonten wie die Stechzylinder entnommenen Beutelproben

auf 10 mm gesiebt, homogenisiert und mit den Trockenrohdichten 1,5 g/cm³, 1,7 g/cm³


und 1,9 g/cm³ in Stechzylinder eingebaut. Die Bestimmung der pF-/WG-Funktion er-

folgte mit 100cm³ fassenden, die Messung der Wärmeleitfähigkeit mit 425cm³ fassen-

den Stechzylindern.

Die Messung der Wasserretention der ungestörten Bodensubstrate erfolgte an mindes-

tens 5 Parallelproben. Da bei den gesiebten, homogenisierten und künstlich befüllten

Stechzylinderproben von einer nahezu gleichen Porengeometrie ausgegangen werden

kann und dadurch mit einer sehr geringen Streuung der Messwerte zu rechnen ist, sind

für die Bestimmung der Wasserretention der Substrate 1 – 6 nur 2 Parallelmessungen

pro TRD durchgeführt worden. Für die Substrate 9 und 10 wurden für die Bestimmung

pF-/WG-Funktion Trockenrohdichten von 1,6 g/cm³, für Substrat 11 eine TRD von 1,5

g/cm³ eingestellt. Da für diese 3 Substrate keine separate Bestimmung der Kornroh-

dichte erfolgte, wurde die spezifische Dichte von Quarz (2,65 g/cm³) bei der Berech-

nung des Gesamtporenvolumens verwendet. Die Wasserretention der Substrate 7 und

8 sowie 12 und 13 wurde nur an ungestörten Proben bestimmt.

Die Messung der Wärmeleitfähigkeit an ungestörten Proben erfolgte für die Substrate 1

– 8 an jeweils 2 Proben, für die Substrate 12 und 13 an einer Probe. Wärmeleitfähig-

keitsmessungen an ungestörten Stechzylinderproben wurden für die Substrate 9 – 11

nicht durchgeführt. Wie bei der Bestimmung der Wasserretention kann davon ausge-

gangen werden, dass das Homogenisieren und Packen der Stechzylinder zu einer ho-

mogenen Porengeometrie und so zu einem annähernd identischen Wärmetransport bei

gleichen Trockenrohdichten führt. Deshalb wurde aus Zeitgründen auf eine Parallelbe-

stimmung der Wärmeleitfähigkeit für die technisch gepackten Proben verzichtet. Bei

den Darstellungen zu den hydraulischen und thermischen Eigenschaften der Boden-

substrate im Kapitel 6 sind die jeweiligen Trockenrohdichten der untersuchten Stechzy-

linder mit angegeben.


Probendesign

Um einen kurzen Überblick über die Anzahl der einzelnen Wiederholungen bei den

verschiedenen Messungen zu geben, sind in Tabelle 2 die für die Bestimmung der

Wasserretention und Wärmeleitfähigkeit durchgeführten Parallelmessungen aufgelistet.

Tabelle 2: Anzahl der Wiederholungen für die Messungen der Wasserretention und Wärmeleitfähigkeit der

verschiedenen Bodensubstrate

Wasserretention Wärmeleitfähigkeit

gestört gestört TRD in g/cm³ TRD in g/cm³

Bodenart ungestört ~1,5 ~1,7 ~1,9 ungestört ~1,5 ~1,7 ~1,9 Su2 5 2 2 2 2 1 1 1 Su3 6 2 2 2 2 1 1 1 Sl3 5 2 2 2 2 1 1 1 Sl3 (2) 5 2 2 2 2 1 1 1 Sl4 5 2 2 2 2 1 1 1 Ls4 5 2 2 2 2 1 1 1 Ut2 4 - - - 2 - - - Ut4 4 - - - 3 - - - mS - - 3 - - - 1 - Lu - - 3 - - 1 - - Ut3 - 3 - - - 1 - - H8 – H9 4 - - - 1 - - - H4 4 - - - 1 - - -


5.2 Bodenphysikalische Untersuchungen

Die angewendeten Methoden zur Beschreibung der hydraulischen Eigenschaften, Par-

tikelgrößenzusammensetzung und des Siliziumoxidgehaltes der Bodenproben wurden

entsprechend den aktuellen Normen und Maßstäben durchgeführt. Aus diesem Grund

erfolgt nur ein kurzer Überblick dieser bodenphysikalischen Messungen.

Da es für die Messung der thermischen Leitfähigkeit noch keine durch eine Norm stan-

dardisierte Methodik gibt, wird in den Kapiteln 5.2.2 und 5.2.3 genauer auf deren Mes-

sung und den hier verwendeten Versuchsaufbau eingegangen.

5.2.1 Messung der Partikelgrößenverteilung, Retenti onsfunktion,

Kornrohdichte und des Siliziumgehalts

Die Partikelgrößenverteilung des mineralischen Bodenbestandteils wurde gemäß DIN /

ISO 11277 durchgeführt. Der Anteil der Grob-, Mittel- und Feinsandfraktionen

(>0,63mm/ >0,2mm/ >0,063mm) des Feinbodens wurde durch Sieben, jener der Grob-,

Mittel- und Feinschlufffraktionen (>20µm/ >6,3µm/ >2µm) und Tonfraktion (<2µm)

durch die Pipett-Methode ermittelt.

Die Wasserretention der Bodenproben wurde an Stechzylindern (100cm³) mittels der

Unter- und Überdruckmethode unter der Verwendung keramischer Platten bestimmt

(DIN / ISO 11274). Für die Matrixpotenziale bei den pF-Stufen 1,5/1,8/2,0 erfolgte dies

über das Anlegen einer hängenden Wassersäule, für die pF-Stufen 2,5/3,0/4,2 mit Ü-

berdrucktöpfen der Fa. Soilmoisture Equipment Corp. Der gravimetrische Wasserge-

halt beim PWP (pF 4,2) wurde an geschütteten Bodenproben gemessen. Der pF-Wert

ist als Logarithmus des Betrags des Matrixpotenzials (ψm) definiert: pF = log IψmI und

wird folgend in [log cm WS] angegeben.

Die Kornrohdichte wurde entsprechend der DIN 66137-2 mit dem Multipycnometer der

Fa. Quantachrome Instruments bestimmt. Das berechnete Gesamtporenvolumen er-

gibt sich wie folgt: GPV = (1 – TRD/Kornrohdichte)*100.

Der organische Kohlenstoffgehalt wurde an gemahlenen und ofentrockenen Boden-

proben nach der DIN / ISO 10694 bestimmt. Die Analyse erfolgte an dem Gaschroma-

tographen Vario EL III der Fa. Elementar.

Die Bestimmung des Siliziumoxidgehalts (SiO2) für die Substrate 1 bis 8 erfolgte mittels

Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA). Dafür wurden 0,6g einer <50µm gemahlenen und

lufttrockenen Bodenprobe mit 3,6g Dilithiumtetraborat eingewogen und in einem Pro-

benschüttler homogenisiert. Anschließend wurde das Probengemisch in einen Platin-

tiegel überführt und in einem Induktionsofen der Fa. Rotomelt bei 1000°C für 360 Se-

kunden geschmolzen. Die Schmelze wurde in flüssigem Zustand in eine Platinkokille

mit einem Durchmesser von 26mm gegossen und schnell zu einer glasigen Matrix ab-


gekühlt. Nach dem Abkühlen der Schmelztablette erfolgte die Messung automatisiert

mit dem Gerät WD-RFA PW 2400 der Fa. Philips. Bei der RFA wurde das geräteinter-

ne Messprogramm „Magena“ für Silikate verwendet. Die Eichung der Analysedaten

erfolgte an internen Bodenstandards. Der durch das Glühen bei 1000°C verursachte

Gewichtsverlust der Bodenprobe wurde bei der Berechnung der Masseanteile der ein-

zelnen Elemente berücksichtigt.

5.2.2 Messung der thermischen Leitfähigkeit

Die thermische Leitfähigkeit, das Vermögen von Materialien, thermische Energie in

Form von Wärme zu transportieren, wird meist indirekt über die Messung der Tempera-

turleitfähigkeit erfasst. Die Temperaturleitfähigkeit ist dabei der Ausdruck für die Ge-

schwindigkeit mit der sich eine Temperaturänderung in einem Stoff ausbreitet. Diese

kann in der Praxis durch stationäre und instationäre Messmethoden bestimmt werden.

Bei der stationären Guarded-Hot-Plate-Method wird der Wärmestrom zwischen einem

flächenförmigen Heizelement und einem Temperatursensor direkt gemessen. In dieser

Arbeit wird auf die instationäre Thermal-Needle-Probe-Method zurückgegriffen. Der

Wärmeimpuls wird dabei über eine linienförmige Quelle in den Boden übertragen und

dessen zeitliche Änderung über Temperatursensoren, die ebenfalls in der Wärmequel-

le untergebracht sind, erfasst (SSSA 2002).

Die thermischen Leitfähigkeiten der in der vorliegenden Arbeit untersuchten Bodenpro-

ben wurden mit dem Heat Transfer Analyzer ISOMET 2104 der Fa. Applied Precision

Ltd. gemessen. Das Gerät verfügt über einen Nadelsensor, der in die Bodenprobe pe-

netriert wird. Dazu wird ein Loch in die Probe gebohrt und zum besseren Kontakt zwi-

schen Boden und Sensornadel mit Silikongel gefüllt. Der Messbereich des Sensors ist

50 mm lang und erfasst laut Hersteller eine Materialstärke von 10 – 15 mm um den

Nadelsensor herum. In dem Nadelsensor sind sowohl Temperaturfühler wie auch ein

Heizelement untergebracht. Die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit beruht bei dem

ISOMET 2104 auf der periodischen Analyse der Temperaturänderung des zu untersu-

chenden Mediums nach einem induzierten Wärmeimpuls. Als Kennwerte werden die

thermische Leitfähigkeit λ (W/m*K), die Temperaturleitfähigkeit a (m²/s) und die volu-

menbezogene Wärmekapazität s (J/m³*K) ausgegeben.

Der Aufbau und die Messmethodik des ISOMET 2104 entspricht den Vorgaben der

IEEE zur Messung des thermischen Bodenwiderstands (IEEE 1981) und den Anforde-

rungen der ASTM International zur Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit von Bö-

den und Lockergesteinen (ASTM 2008).


5.2.3 Versuchsaufbau thermische Leitfähigkeit

Die Messung der Wärmeleitfähigkeit erfolgte in Stechzylindern mit einer Höhe von 5cm

einem Durchmesser von 10,4cm (425cm³) sowie einer Wandstärke von 3mm. Um die

Beeinflussung der thermischen Messungen durch Metallstechzylinder zu vermeiden,

wurden die Stechzylinder aus handelsüblichen PVC-Rohren (Kanalgrundrohre) ange-

fertigt. Die Wärmeleitfähigkeit natürlich gewachsener Böden wurde an zwei im Gelände

störungsfrei entnommenen Stechzylinderproben bestimmt. Für die Bestimmung der

Wärmeleitfähigkeit technisch gepackter Proben wurden Beutelproben homogenisiert

und im Labor entsprechend der gewünschten Trockenrohdichte gepackt. Eine Paral-

lelmessung erfolgte bei den gestörten und homogenisierten Proben nicht.

Vor Messung der thermischen Leitfähigkeit wurden die Proben auf eine Lochplatte ge-

stellt und in einer Wanne komplett mit vollentsalztem Wasser aufgesättigt. Um den

Nadelsensor in die Stechzylinderprobe einzuführen, wurde mittig in die seitliche Wan-

dung ein Loch gebohrt.

Zur instationären Messung der Wärmeleitfähigkeit bei sich ändernden Wassergehalten

ist ein Messaufbau gewählt worden, bei dem fortlaufenden das Bodenwasser an der

Stechzylinderoberseite verdunstet (Trinks 2010). Mit dieser Methode kann die Wärme-

leitfähigkeit einer Bodenprobe vom gesättigten bis zum lufttrockenen Zustand kontinu-

ierlich gemessen werden. Um die Wassergehaltsänderung durch Verdunstung wäh-

rend des Experiments zu erfassen, wurde der Stechzylinder mit dem eingebauten Na-

delsensor auf eine elektronische Waage gestellt. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit

erfolgte, wenn nicht anders angegeben, bei einer Raumtemperatur von 20°C mit einem

Schwankungsbereich von +/- 2°C.

Für die beiden Substrate Su3 und Sl3 (2) wurde der Einfluss der Temperatur auf die

Wärmeleitfähigkeit bestimmt, indem die gesamte Messtechnik in einer abgeschlosse-

nen und konstant temperierten Kühlkammer untergebracht wurde und die Messungen

bei einer Umgebungstemperatur von 4°C erfolgten. Um die nur langsame Evaporation

bei solch niederen Temperaturen zu erhöhen, wurde die Verdunstung zusätzlich über

Silicagel Trockenperlen beschleunigt.


Abbildung 2: Schematischer Versuchsaufbau zur Messung der thermischen Leitfähigkeit

Fiel die Verdunstungsrate unter 0,1g pro Stunde, wurde die Messung abgebrochen,

die Bodenprobe bei 105°C getrocknet und deren Trockenrohdichte bestimmt. An-

schließend wurde die Wärmeleitfähigkeit nochmals im ofentrockenen Zustand gemes-

sen.

Die Verdunstung wurde mit einem 30cm über dem Stechzylinder angebrachten Ventila-

tor reguliert. Das Messintervall für die Wärmeleitfähigkeitsmessung betrug 30 Minuten.

Die Wassergehaltsänderung wurde mit einer 5-minütigen Auflösung erfasst.

Die Methode geht von dem Ansatz aus, dass die Wassergehaltsverteilung im Stechzy-

linder über den gesamten Messzeitraum linear ist. In der Mitte des Stechzylinders im

Messbereich des Nadelsensors liegt annähernd der mittlere volumetrische Wasserge-

halt vor. Die Zulässigkeit dieser Annahme weisen Peters und Durner (2008) durch die

Modellierung der hydraulischen Bodeneigenschaften unter definierten Randbedingun-

gen für 3 Böden (S, L, T) mit unimodaler Partikelgrößenverteilung nach. Zwar kann die

Grobporenverteilung besonders bei grobkörnigen und stark strukturierten Böden zu

nicht-linearen Wassergehaltsverteilungen führen, jedoch spielt dies nur bei Wasser-

gehalten nahe Porensättigung bzw. bei Matrixpotenzialen pF < 0.7 eine Rolle. In die-

sem Bereich waren bei dem Sand die Unterschiede in den Wassergehalten für lineare

oder nicht-lineare Wassergehaltsverteilungen < 2 Vol. %.

6 Messergebnisse 28

6 Messergebnisse

In diesem Teil der Arbeit werden die hydraulischen und thermischen Eigenschaften der

untersuchten Bodenmaterialien präsentiert. Für die Übersichtlichkeit und um redundan-

te Darstellungen zu vermeiden, sind die Ergebnisse nach Bodenarten-Hauptgruppen

gegliedert. Die Diskussion der Ergebnisse, insbesondere des Einflusses der drei Vari-

ablen Partikelgrößenverteilung, Trockenrohdichte und Wassergehalt auf die Wärmeleit-

fähigkeit der verschiedenen Bodenmaterialien, erfolgt separat im Kapitel 7.

Zu beachten ist, dass für die Substrate 9 – 12 (mS, Lu, Ut3, H8-9, H4) auf einen bereits

vorhandenen Datensatz zurückgegriffen wurde und hier keine Messungen der thermi-

schen Leitfähigkeit bei unterschiedlichen Trockenrohdichten vorliegen.

6.1 Hydraulische Eigenschaften der Bodensubstrate

Im Folgenden sind die Wasserretentionsfunktionen aller in dieser Arbeit beschriebenen

Bodenmaterialien dargestellt. In Tabelle 3 sind für die ungestörten, aus der Profilwand

entnommenen Stechzylinderproben neben den volumetrischen Wassergehalten bei

den angegebenen pF-Stufen die Trockenrohdichte (TRD), die Kornrohdichte (ρm) und

das Gesamtporenvolumen (GPV) angegeben. Aufgelistet sind die arithmetischen Mittel

aus den Parallelmessungen und deren Standardabweichung. Diese Daten charakteri-

sieren die hydraulischen Eigenschaften der Substrate unter natürlichen Bedingungen

und werden folgend als Referenz für die Wasserretention der bei verschiedenen Tro-

ckenrohdichten gepackten Proben herangezogen.

Tabelle 3: Hydraulische Eigenschaften der ungestörten Substrate; Standardabweichung vom arithmeti-

schen Mittel in Klammern

Substrat Bodenart GPV Wassergehalte in Vol.% bei TRD ρm

Vol.% pF 1.5 pF 1.8 pF 2.0 pF 2.5 pF 3.0 pF 4.2 (g/cm³) (g/cm³)

1 Su2 34,9 (1,5) 22,0 (0,8) 15,5 (0,5) 12,4 (0,4) 7,3 (0,2) 5,8 (0,1) 3,3 (0,1) 1,74 (0,041) 2,67

2 Su3 43,3 (1,4) 20,8 (1,0) 15,7 (0,4) 12,0 (0,4) 7,8 (0,3) 5,4 (0,4) 2,9 (0,1) 1,51 (0,037) 2,66

3 Sl3 35,7 (2,2) 22,2 (0,9) 17,0 (1,4) 13,2 (1,6) 8,9 (1,4) 7,7 (1,2) - - 1,73 (0,058) 2,68

4 Sl3 (Sl2) 36,2 (1,6) 26,3 (1,1) 23,6 (1,3) 21,4 (1,7) 16,7 (1,6) 14,5 (1,5) 13,2 (0,3) 1,71 (0,044) 2,68

5 Sl4 35,4 (3,3) 23,9 (0,6) 21,0 (1,0) 19,7 (1,1) 16,2 (0,9) 15,0 (0,7) 13,4 (0,7) 1,74 (0,090) 2,69

6 Ls4 33,6 (0,9) 28,0 (0,9) 27,1 (1,2) 26,2 (1,3) 23,5 (1,8) 22,3 (1,9) 21,5 (0,3) 1,79 (0,024) 2,70

7 Ut2 46,0 (0,8) 37,7 (0,7) 35,3 (0,7) 34,1 (0,7) 27,6 (0,6) 22,9 (2,0) 15,0 (0,2) 1,45 (0,022) 2,69

8 Ut4 48,3 (1,8) 36,3 (1,3) 33,2 (1,3) 33,1 (1,3) 29,0 (1,4) 25,9 (1,5) 17,9 (0,6) 1,36 (0,047) 2,64

12 H8-H9 84.8 (1,4) 79,6 (1,8) 76,7 (2,7) 71,2 (2,8) 54,6 (3,8) - - 31,1 (2,9) 0,30 (0,028) 1,97

13 H4 91,3 (0,7) 87,8 (2,2) 84,6 (1,7) 79,0 (1,3) 56,7 (2,4) - - 20,3 (1,6) 0,13 (0,010) 1,48

6 Messergebnisse 29

Die pF/WG-Beziehungen der gepackten Substrate werden folgend in den Diagrammen

als einzelne Messwerte und als Anpassung einer nach van Genuchten (1980) paramet-

risierte Retentionsfunktion dargestellt. Um einen einfachen Vergleich der pF-Kurven

der ungestörten mit den bei gleichen Trockenrohdichten gepackten Substrate zu er-

möglichen, sind in den Abbildungen ebenso die Anpassungen der ungestörten Sub-

strate dargestellt.

Die Anpassung der hydraulischen Funktion an die Messdaten erfolgte mit der Software

SHYPFIT 2.0 (Durner 2009). Dabei wurde der Parameter m mit m=1-1/n definiert. Der

Wassergehalt bei einem Matrixpotenzial von 0 wurde auf Grund fehlender Messungen

mit θ(pF0) = GPV definiert.

Für die bei verschiedenen Trockenrohdichten gepackten Stechzylinderproben der Sub-

strate 1 – 6 und 9 – 11 sind die einzelnen Messwerte (volumetrische Wassergehalte

bei den verschiedenen pF-Stufen, Gesamtporenvolumen, Trockenrohdichte, Kornroh-

dichte) dem Anhang 2 und Anhang 3 zu entnehmen.

6.1.1 Sande

Im Folgenden werden unter „Sande“ die Proben mit den Bodenarten mS, Su2, Su3,

Sl3, Sl3 (2) (Substrate 1 – 4 und 9) zusammengefasst.

Ungestörte Proben

Die beiden schluffigen Sande entwässern einen Großteil ihres Porenvolumens im Be-

reich < pF 1.8 (siehe Tabelle 3). Die Wassergehaltsabnahmen zwischen pF 1.8 und pF

4.2 sowie die Restwassergehalte beim PWP sind sehr gering. Die beiden Substrate

zeigen bei denselben pF-Stufen trotz verschiedener Ton- und Schluffgehalte nur gerin-

ge Wassergehaltsunterschiede. Dies lässt sich durch die unterschiedlichen Trocken-

rohdichten der Stechzylinderproben erklären. Bedingt durch die höheren Ton- und

Schluffgehalte des Sl3 und Sl3 (2), liegt deren Wasserrückhaltevermögen über dem

gesamten Wassergehaltsbereich deutlich höher als bei den weniger bindigen Substra-

ten.

Bei der Bestimmung des volumetrischen Wassergehalts bei pF 4.2 für den Sl3 kam es

zu einer Fehlmessung. Nimmt man die in der Bodendatenbank des LBGR geführten

Substrate mit einer ähnlichen Partikelgrößenverteilung und Trockenrohdichte wie der

Sl3 als Referenz, kann ein volumetrischer Wassergehalt von ~ 6,5 Vol. % bei pF 4.2

angenommen werden (LBGR 2012).

6 Messergebnisse 30

Gepackte Proben

Alle 5 Substrate (siehe Abbildung 3 und 7) zeigen ebenfalls eine starke Entwässerung

bis pF 1.8, ein geringes Wasserrückhaltevermögen > pF 1.8 und einen hohen Einfluss

geringer Tongehaltsunterschiede auf den Totwasseranteil bei pF 4.2. Die Retentions-

verläufe der ungestörten und der jeweils bei nahezu gleichen Trockenrohdichten ge-

packten Stechzylinderproben desselben Substrats zeigen eine ähnliche Charakteristik

mit nur geringen Wassergehaltsunterschieden bei den untersuchten pF-Stufen.

mS

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0 1 2 3 4

pF [log cm WS]

Was

serg

ehal

t [V

ol.%

]

Messwerte TRD 1.61 [g/cm³]

Anpassung TRD 1.61 [g/cm²]

Abbildung 3: mS gepackt - Messwerte und Anpassung der Wasserretentionsfunktion bei TRD 1.61 [g/cm³]

6 Messergebnisse 31

Su2

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0 1 2 3 4

pF [log cm WS]

Was

serg

ehal

t [V

ol.%

]Messwerte TRD 1.56 [g/cm²]



Anpassung TRD 1.69 [g/cm³]



Messwerte ungestört TRD 1.74 [g/cm³]

Anpassung ungestört TRD 1.74 [g/cm³]

Abbildung 4: Su2 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der Was-

serretentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichten

Su3

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0 1 2 3 4

pF [log cm WS]

Was

serg

ehal

t [V

ol.%

]

Messwerte TRD 1.52 [g/cm²]








Abbildung 5: Su3 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der Was-


Abbildung 6: Sl3 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der Wasser-

retentionsfunktion bei verschiedenen Trockenrohdichten

Abbildung 7: Sl3 (2) gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der Was-


Sl3

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0 1 2 3 4

pF [log cm WS]

Was

serg

ehal

t [V

ol.%

]









Sl3 (2)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0 1 2 3 4

pF [log cm WS]

Was

serg

ehal

t [V

ol.%

]









6 Messergebnisse 32

6.1.2 Lehme

Unter Lehme werden hier die Ergebnisse der beiden Substrate 5 (Sl4) und 6 (Ls4) dar-

gestellt.

Ungestörte Proben

Die Messdaten zur Wasserretention der ungestörten Lehme sind Tabelle 3 zu entneh-

men. Der Sl4 entwässert rund ein Drittel seines Gesamtporenvolumens bis Feldkapazi-

tät, ein weiteres Drittel bis zum Permanenten Welkepunkt. Der Ls4 zeigt bis pF 1.8

kaum eine Wassergehaltsabnahme und die Sättigung bei pF 4.2 liegt bei rund 60%.

Die relativ hohe Streuung in den Gesamtporenvolumina des Sl4 ist auf eine hohe Vari-

anz in den Trockenrohdichten der ungestört entnommenen Stechzylinderproben zu-

rückzuführen. Nichtsdestotrotz liegen die Messwerte im natürlichen Schwankungsbe-

reich bindiger Bodensubstrate.

Gepackte Proben

Die Anpassungen der pF-/WG-Funktion sind in Abbildung 8 und 9 dargestellt.

Beide Substrate zeigen eine nahezu lineare Abnahme des Wasserrückhaltevermögens

über den gesamten pF-Bereich.

Sl4

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0 1 2 3 4

pF [log cm WS]

Was

serg

ehal

t [V

ol.%

]









Abbildung 8: Sl4 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der Wasserretentionsfunktion bei ver-

schiedenen Trockenrohdichten

Beim Vergleich der ungestörten mit den bei gleicher TRD gepackten Varianten zeigt

sich bei dem Ls4 ein Einfluss der Homogenisierung auf die Wasserretention. Der Luft-

6 Messergebnisse 33

eintrittspunkt der ungestörten Variante liegt < pF 1.0 und ein Großteil der Entwässe-

rung erfolgt bis pF 2.0 / 2.5. Im Gegensatz dazu kommt es bei der gestörten Variante in

diesem Bereich zu einer Zunahme des Wasserrückhaltevermögens und zu den größ-

ten Wassergehaltsabnahmen im Bereich zwischen pF 2.5 und pF 4.2 (siehe Abbildung

9).

Ls4

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0 1 2 3 4

pF [log cm WS]

Was

serg

ehal

t [V

ol.%

]

Messwerte TRD 1.51 [g/cm²]Anpassung TRD 1.51 [g/cm²]Messwerte TRD 1.67 [g/cm³]Anpassung TRD 1.67 [g/cm³]Messwerte TRD 1.82 [g/cm³]Anpassung TRD 1.82 [g/cm³]Messwerte ungestört TRD 1.79 [g/cm³]Anpassung ungestört TRD 1.79 [g/cm³]

Abbildung 9: Ls4 gepackt / ungestört - Messwerte und Anpassung der Wasserretentionsfunktion bei ver-

schiedenen Trockenrohdichte

6.1.3 Schluffe

Unter der Bodenartenhauptgruppe Schluffe werden hier die hydraulischen Eigenschaf-

ten der Substrate 7, 8, 10 und 11 mit den Bodenarten Ut2, Ut4, Lu und Ut3 wiederge-

geben.

Ungestörte Proben

Beide Substrate zeigen ein relativ hohes Gesamtporenvolumen und niedrige Trocken-

rohdichten (Tabelle 3). Die Wassergehaltsabnahmen bis pF 1.8 sind gering und ein

Großteil der Poren entwässert zwischen pF 1.8 und pF 4.2. Die Varianz in den Mess-

werten des Ut4 erklärt sich aus der natürlichen höheren Heterogenität von Oberboden-

horizonten.

6 Messergebnisse 34

Gepackte Proben

Das Wasserretentionsverhalten des Lu und Ut3 ist geprägt durch einen Lufteintritts-

punkt nahe pF 1.5 und zeigt eine geringe Porenentwässerung bis pF 1.8. Zwischen pF

1.8 und pF 3.0 sind die Wassergehaltsabnahmen am größten und die Restwasserge-

halte beim PWP liegen für den Lu bei 22 Vol. %, bei dem Ut3 bei 9 Vol. %.

Lu / Ut3

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0 1 2 3 4

pF [log cm WS]

Was

serg

ehal

t [V

ol.%

]

Messwerte Lu TRD 1.6 [g/cm²]

Anpassung Lu TRD 1.6 [g/cm²]

Messwerte Ut3 TRD 1.5 [g/cm³]

Anpassung Ut3 TRD 1.5 [g/cm³]

Abbildung 10: Lu / Ut3 gepackt - Messwerte und Anpassung der Wasserretentionsfunktion

6.1.4 Torfe

Bei der Interpretation der Wasserretention dieser Substrate ist zu beachten, dass die

Proben auf Grund ihrer Substrateigenschaften ein starkes Schrumpfen bei abnehmen-

den Wassergehalten aufweisen. Die angegebenen volumetrischen Wassergehalte, das

Gesamtporenvolumen und die Trockenrohdichte beziehen sich auf den wassergesät-

tigten Zustand zu Beginn der Wasserretentionsbestimmung.

Die in Tabelle 3 dargestellte Retentionscharakteristik der beiden Torfe ist geprägt

durch sehr hohe volumetrische Wassergehalte im gesamten pF-Bereich. Der Poren-

raum wird vorrangig im Bereich zwischen pF 1.8 und 4.2 entwässert. Deutlich zeigt

sich der Einfluss des unterschiedlichen Zersetzungsgrads auf die Kornrohdichte sowie

auf die TRD und das GPV.

6 Messergebnisse 35

6.2 Thermische Eigenschaften der Bodensubstrate

Die Darstellung der thermischen Eigenschaften für die untersuchten Bodensubstrate

erfolgt wie für die Wasserretention gegliedert nach den Bodenarten-Hauptgruppen. In

den folgenden Abbildungen sind die Messdaten der Wärmeleitfähigkeiten gegen die

mittleren volumetrischen Wassergehalte der Bodenproben aufgetragen.

Da sich an den meisten Standorten die Wassergehalte im Jahresverlauf zwischen

Feldkapazität und Permanenten Welkepunkt bewegen, sind in den Abbildungen zu-

sätzlich für die jeweiligen Substrate die Wassergehaltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2

markiert.

6.2.1 Sande

In den Abbildung 11 bis 15 sind die wassergehaltsabhängigen Wärmeleitfähigkeiten für

den mS, Su2, Su3, Sl3 und Sl3 (2) dargestellt.

Die 5 Substrate zeigen bei allen Varianten eine Zunahme der Wärmeleitfähigkeit mit

steigendem Wassergehalt. Für den Wassergehaltsbereich von 0 - 10 Volumen% ist

diese Zunahme steiler als bei Wassergehalten > 10 Volumen%. Die Substrate mit hö-

herem Tonanteil weisen neben einem flacheren Anstieg der Kurve bei geringen Was-

sergehalten auch über den gesamten Sättigungsbereich niedrigere Wärmeleitfähigkei-

ten als die sandigeren Substrate auf. Für den mS, Su2 und Su3 liegen die Bereiche,

die durch einen steilen Anstieg der Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet sind, bei Was-

sergehalten um pF 4.2.

Ebenso zeigen die Wärmeleitfähigkeiten der 4 gepackten Substrate eine Abhängigkeit

von der Trockenrohdichte: bei Wassergehalten > 10 Vol. % nimmt die Wärmeleitfähig-

keit deutlich mit höherer Trockenrohdichte zu (siehe Abbildung 30), wohingegen diese

Tendenz im gering gesättigten Bereich nicht eindeutig ist. Die relative Zunahme der

Wärmeleitfähigkeit zwischen TRD 1.5 g/cm³ und TRD 1.9 g/cm³ lag bei einem Wasser-

gehalt von 20 Volumen% für den Su2, Su3, Sl3 und Sl3 (2) bei 33%, 19%, 42% und

30%.

Die größte Spanne in der Wärmeleitfähigkeit zwischen einem Wassergehalt von 0%

und maximaler Wassersättigung zeigt der mS mit 2.65 W/m*K, die geringste Differenz

der Sl3 (2) mit 0.99 W/m*K.

6 Messergebnisse 36

m S

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5 10 15 20 25 30 35

Was s e rg e halt (Vol.% )

Wä

rme

leit

fäh

igk

eit

(W

/m*K

)

gepac kt - T R D 1.61 [g/c m ³]

pF 4.2 pF 1.8

Abbildung 11: mS gepackt – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehaltsberei-

che bei Feldkapazität (pF 1.8) und Permanentem Welkepunkt (pF 4.2) sind horizontal markiert

6 Messergebnisse 37

Abbildung 12: Su2 gepackt / ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit

vom Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2

Abbildung 13: Su3 gepackt / ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit


Abbildung 14: Sl3 gepackt / ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom

Wassergehalt; Wassergehaltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2

Abbildung 15: Sl3 (2) gepackt / ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit


S u2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5 10 15 20 25 30 35


Wä

rme

leit

fäh

igk

eit

(W

/m*K

)




unges tört - T R D 1.73 [g/c m ³]

pF 4.2 pF 1.8 S l3

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5 10 15 20 25 30 35


Wä

rme

leit

fäh

igk

eit

(W

/m*K

)





pF 4.2 pF 1.8

S l3 (2)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5 10 15 20 25 30 35


Wä

rme

leit

fäh

igk

eit

(W

/m*K

)





pF 4.2 pF 1.8S u3

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5 10 15 20 25 30 35

Was s e rg e halt (Vo l.% )

Wä

rme

leit

fäh

igk

eit

(W

/m*K

)





pF 4.2 pF 1.8

6 Messergebnisse 38

Die Messergebnisse zur Wärmeleitfähigkeit des Su3 und Sl3 (2) bei einer Temperatur

von 4°C sind in Abbildung 16 dargestellt. Die Kurvenverläufe der beiden Substrate zei-

gen von der Tendenz her eine ähnliche Zunahme mit steigendem Wassergehalt wie

die bei derselben TRD gepackten und einer Temperatur von 20°C gemessenen Stech-

zylinderproben. Einzig im ungesättigten Bereich bei einem Wassergehalt < 5% und im

ofentrockenen Zustand liegen die Wärmeleitfähigkeiten der 4°C-Variante des Su3 hö-

her als die Messwerte der 20°C-Variante.

S u 3 / S l3 (2)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5 10 15 20 25 30 35

Was s e rg e h alt (Vol.% )

Wä

rme

leit

fäh

igk

eit

(W

/m*K

)

S u3 - T R D 1.70 / 4°C

S u3 - T R D 1.70 / 20°C

S l3 (2) - T R D 1.70 / 4°C

S l3 (2) - T R D 1.70 / 20°C

Abbildung 16: Einfluss der Temperatur auf die Wärmeleitfähigkeit bei gleicher TRD

6.2.2 Lehme

Für den Sl4 und den Ls4 sind die Wärmeleitfähigkeiten bei sich ändernden Wasser-

gehalten in Abbildung 17 und 18 sowohl für die bei unterschiedlichen Trockenrohdich-

ten gepackten als auch für die ungestörten Stechzylinderproben dargestellt.

Mit zunehmendem Wassergehalt zeigen fast alle Varianten eine Zunahme der Wärme-

leitfähigkeit; bei dem gepackten Sl4 mit der TRD 1.91 g/cm³ kommt es hingegen ab

einem Wassergehalt von ca. 17 Vol. % zu einer erneuten Abnahme der Wärmeleitfä-

higkeit.

Für den Sl4 liegt der Bereich mit einer relativ steilen Zunahme der Leitfähigkeitskurve

unterhalb eines Wassergehalts von 10 Vol. %. Bei dem Ls4 verschiebt sich dieser je-

doch zum restlichen Kurvenverlauf relativ steile Anstieg im ungesättigten Bereich zu

höheren Wassergehalten. Die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit des Ls4 verläuft bei der

6 Messergebnisse 39

ungestörten Variante über den gesamten Wassergehaltsbereich nahezu linear und

ohne deutliches Abflachen der Kurve.

Bei beiden Substraten bewirkt eine höhere Trockenrohdichte ähnlich wie bei den San-

den eine Zunahme der Wärmeleitfähigkeit (Abbildung 30). Bei dem Sl4 führt bei einem

Wassergehalt von 20 Volumen% eine Erhöhung der Trockenrohdichte von 1.51 auf

1.91 g/cm³ zu einer absoluten Zunahme der Wärmeleitfähigkeit von 0.98 W/m*K re-

spektive 50%. Um 0.75 W/m*K bzw. 42% nimmt die Wärmeleitfähigkeit des Ls4 zu,

wenn sich bei einem Wassergehalt von 20% die TRD von 1.50 auf 1.84 g/cm³ erhöht.

S l4

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5 10 15 20 25 30 35

Was s e rg e h alt (Vo l.% )

Wä

rme

leit

fäh

igk

eit

(W

/m*K

)





pF 4.2 pF 1.8

Abbildung 17: Sl4 gepackt / ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wasser-

gehaltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2

L s 4

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5 10 15 20 25 30 35


Wä

rme

leit

fäh

igk

eit

(W

/m*K

)





pF 4.2 pF 1.8

Abbildung 18: Ls4 gepackt / ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wasser-


6 Messergebnisse 40

6.2.3 Schluffe

Die Wärmeleitfähigkeiten der 4 untersuchten schluffigen Bodensubstrate zeigen über

den gesamten Wassergehaltsbereich geringere Wärmeleitfähigkeiten als die unter

6.2.1 aufgeführten sandigen Substrate. Im Gegensatz zu den vorangegangen Abbil-

dungen wurde auf Grund der hohen Wassergehalte bei Sättigung die Skalierung der x-

Achse verändert.

Die in Abbildung 19 dargestellten Wärmeleitfähigkeiten des ungestörten Ut2 und Ut4

nehmen zwar über den gesamten Wassergehaltsbereich kontinuierlich, jedoch beinahe

linear und ohne deutliches Abknicken zu. Vom trockenen zum gesättigten Zustand er-

höht sich die Wärmeleitfähigkeit des Ut2 um 1,0 W/m*K und bei dem Ut4 um 0.96

W/m*K.

Ut2 / Ut4

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Wa s s erg eh a lt (V o l.% )

Wä

rme

leit

fäh

igk

eit

(W

/m*K

)

Ut2 - TR D 1.33 [g /cm³]

Ut4 - TR D 1.41 [g /cm³]

pF 4 .2

Ut2 Ut4

pF 1 .8

Ut4 Ut2

Abbildung 19: Ut2 / Ut4 – Mittelwerte der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wasser-


Die Spannen in den Wärmeleitfähigkeiten zwischen trockenem und gesättigtem Zu-

stand sind bei den beiden gepackten Substrate Lu und Ut3 noch geringer. Für den Ut3

betragen diese 0.82 W/m*K, bei dem Lu nur 0.74 W/m*K. Die etwas steilere Zunahme

der Wärmeleitfähigkeit im ungesättigten fällt bei dem Ut3 in den Wassergehaltsbereich

zwischen pF 1.8 und pF 4.2 (siehe Abbildung 20).

6 Messergebnisse 41

L u / Ut3

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 10 20 30 40 50 60

Wa s s e rg e h a lt (V o l.% )

Wä

rme

leit

fäh

igk

eit

(W

/m*K

)

L u - T R D 1.57 [g /c m³]

Ut3 - T R D 1.50 [g /c m³]

pF 4.2

Ut3

pF 1.8

Ut3 L u

pF 4.2

L u

Abbildung 20: Lu / Ut3 gepackt – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wassergehalts-

bereiche bei pF 1.8 und pF 4.2

6.2.4 Organische Substrate

Die beiden Torfe weisen während der Messung ein starkes Schrumpfen auf. Aus die-

sem Grund ist zu beachten, dass sich die Wärmeleitfähigkeiten auf die mittleren Was-

sergehalte bezogen auf das Ausgangsvolumen der Substrate bei Sättigung beziehen.

Der Verlauf sowie die absoluten Werte der Wärmeleitfähigkeit dieser beiden Torfe sind

stark verschieden zu den untersuchten mineralischen Bodensubstraten.

Zwar nehmen die Wärmeleitfähigkeiten mit steigendem Wassergehalt zu, jedoch ist

weder ein steiler Anstieg im ungesättigten Bereich noch ein Abflachen der Messwerte

im stark wassergesättigten Bereich zu erkennen (Abbildung 21). Die Wärmeleitfähig-

keiten erreichen bei voller Sättigung und Wassergehalten von 85 % maximal 0.52

W/m*K für den H4 und 0.53 W/m*K bei dem H8 - H9. Nach dem Trocknen bei 105°C

liegt die Wärmeleitfähigkeit des H4 bei 0.066 W/m*K, die des H8 - H9 bei 0,057

W/m*K.

6 Messergebnisse 42

H4 / H8 - H9

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Wa s s erg eh a lt (V o l.% )

Wä

rme

leit

fäh

igk

eit

(W

/m*K

)

H4 T R D 0.12 [g/c m ³]

H8-H9 T R D 0.17 [g/c m ³]

pF 4.2

H4 H8-H9

pF 1.8

H8-H9 H4

Abbildung 21: H4 / H8-H9 ungestört – Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt; Wasserge-

haltsbereiche bei pF 1.8 und pF 4.2

6.3 Parametrisierung der Wärmeleitfähigkeit

Die Parametrisierung der Bodenwärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Wassergehalt

erfolgt anhand des im Kapitel 4.1 dargelegten Modellansatzes von Lu et al. (2007). Zur

Berechnung der Wärmeleitfähigkeiten der Bodenmatrix (λm) werden in der Gleichung

4.9 die mittels RFA bestimmten SiO2-Gehalte verwendet.

Im Folgenden sind exemplarisch die Anpassungen der Wärmeleitfähigkeitsfunktion an

die Messwerte für den Sand Su2 und den Lehm Ls4 bei jeweils zwei Trockenrohdich-

ten dargestellt (Abbildung 22 und 23). Damit soll gezeigt werden, inwiefern die vorge-

schlagenen Rechenregeln geeignet sind, die wassergehaltsabhängige Wärmeleitfähig-

keit von Bodensubstraten zu beschreiben und vorherzusagen.

Dafür wurden zwei unterschiedliche Herangehensweisen gewählt. Zum einen werden

für die Berechnungen der Wärmeleitfähigkeit nach dem beschriebenen Ansatz die an

verschiedenen Böden empirisch bestimmten Parameter verwendet. Damit soll über-

prüft werden, ob mit den für fein- und grobtexturierte Böden fest vorgeschriebenen Pa-

rametern eine gute Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit der hier untersuchten Substrate

möglich ist. Ein zweiter, nach Lu et al. (2007) modifizierter Ansatz soll testen, ob die

Rechenregeln zur Bestimmung von λdry und λsat geeignet sowie die Wärmeleitfähig-

keitsfunktion flexibel genug sind, um die eigenen Messwerte zu beschreiben. Dafür

wurden die Modellparameter a, b, α und β variiert und durch Kurvenanpassung an die

Messwerte (Methode der kleinsten Abstandsquadrate) berechnet.

6 Messergebnisse 43

Die für die beiden Anpassungen verwendeten Parameter, die gemessenen und be-

rechneten Wärmeleitfähigkeiten im trockenen (λdry) und gesättigten Zustand (λsat) und

die Wurzel der mittleren quadratischen Abweichungen (RMSE) als Maß für die Vorher-

sagegenauigkeit der Anpassungen sind in Tabelle 4 dargestellt.

Tabelle 4: Verwendete Parameter für die Anpassungen der Wärmeleitfähigkeitsfunktion an die Messwerte

nach Lu et al. und Lu et al. (modifiziert)

TRD λdry λsat a b α β RMSE Substrat

[g/cm³] [W/m*K] [-] [W/m*K] Messwerte 0,66 2,46 - - - - - Lu et al. 0,74 2,57 0,56 0,51 0,96 1,33 0,159

Lu et al. (modifiziert)

1,6

0,66 2,57 0,23 0,57 0,24 0,91 0,084 Messwerte 0,75 3,01 - - - - - Lu et al. 0,67 3,47 0,56 0,51 0,96 1,33 0,3

Su2


1,9

0,75 3,47 0,27 0,67 0,32 0,93 0,118 Messwerte 0,7 1,88 - - - - - Lu et al. 0,76 2,24 0,56 0,51 0,96 1,33 0,155


1,5

0,7 2,24 0,24 0,59 3,44 3,58 0,132 Messwerte 1,07 2,5 - - - - Lu et al. 0,69 3,03 0,56 0,51 0,96 1,33 0,162

Ls4


1,8

1,07 3,03 0,36 0,95 3,65 3,79 0,153

Ein Vergleich der Anpassungen mit den Messwerten zeigt, dass der Verlauf der Wär-

meleitfähigkeiten bei sich ändernden Wassergehalten nur schlecht mit den zwei ge-

wählten Ansätzen beschrieben werden kann. Beide Ansätze können bei dem Su2 und

Ls4 das deutliche Abknicken der Wärmeleitfähigkeit bei Wassergehalten zwischen 5 –

10 Vol. % nicht nachvollziehen (Abbildung 22 und 23). Für den Wassergehaltsbereich

zwischen 0 – 15 Vol. % ist die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit mit steigendem Was-

sergehalt tendenziell geringer als es die Messwerte zeigen. Ebenso kommt es bei bei-

den Substraten zu einer deutlichen Überschätzung der Wärmeleitfähigkeit im gesättig-

ten Zustand (λsat). Dieser Effekt nimmt sowohl für den Su2, als auch für den Ls4 mit

höheren Trockenrohdichten zu. Die Schätzung der Wärmeleitfähigkeit im trockenen

Zustand (λdry) ist bei beiden Substraten und den zwei Trockenrohdichten mit dem modi-

fizierten Ansatz genauer als bei der Verwendung der von Lu et al. vorgegebenen Pa-

rameter. Die Abweichung liegt tendenziell unter 0,1 W/m*K. Bei dem Ls4 kann auf

Grund fehlender Messwerte für Wassergehalte < 5 Vol. % die Genauigkeit der Anpas-

sung nicht abgeschätzt werden.

6 Messergebnisse 44

Su2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30%

Wassergehalt [Vol.%]

Wär

mel

eitfä

higk

eit [

W/m

*K]

Messwerte TRD 1.6 g/cm³Lu et al.Lu et al. (modifiziert)Messwerte TRD 1.9 g/cm³Lu et al.Lu et al. (modifiziert)

Abbildung 22: Anpassungen der Wärmeleitfähigkeitsfunktion an die Messwerte des Su2 nach Lu et al. und


Ls4

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40%

Wassergehalt [Vol.%]

Wär

mel

eitf

ähig

keit

[W/m

*K]

Messwerte TRD 1.5 g/cm³Lu et al.Lu et al. (modifiziert)Messwerte TRD 1.8 g/cm³Lu et al.Lu et al. (modifiziert)

Abbildung 23: Anpassungen der Wärmeleitfähigkeitsfunktion an die Messwerte des Ls4 nach Lu et al. und


7 Diskussion der Ergebnisse 45

7 Diskussion der Ergebnisse

Der Fokus in diesem Teil der Arbeit liegt auf der Diskussion der durchgeführten Wär-

meleitfähigkeitsmessungen und dem Einfluss der verschiedenen Variablen auf die

thermischen Eigenschaften der untersuchten Bodensubstrate. Dabei werden die im

Kapitel 2 formulierten Arbeitshypothesen auf ihre Falsifizierbarkeit hin überprüft.

Inwiefern sich die verschiedenen hydraulischen und thermischen Substrateigenschaf-

ten auf die Nutzung von Erdwärmekollektoren auswirken, wird im zweiten Diskussions-

teil dargelegt.

7.1 Einfluss der Substrateigenschaften auf die ther mischen

und hydraulischen Bodeneigenschaften

Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit von Böden

vorrangig durch die mineralische bzw. organische Zusammensetzung der Substrate,

den Wassergehalt und die Trockenrohdichte beeinflusst wird. Art und Zusammenset-

zung der Bodenfestphase bestimmt dabei, welchen Verlauf die Wärmeleitfähigkeit bei

sich ändernden Wassergehalten nimmt und ob die Zunahme linear oder nicht-linear

verläuft. Die Trockenrohdichte hat hingegen einen Einfluss auf die absolute Wärmeleit-

fähigkeit und nicht deren wassergehaltsabhängige Dynamik. Einen Einfluss des Pa-

ckens auf die Wärmeleitfähigkeit konnte an dem untersuchten Probenspektrum nur für

den ungesättigten und gesättigten, jedoch nicht für den trockenen Bereich festgestellt

werden. Die Änderung der Bodentemperatur hat bei den durchgeführten Messungen

zu keiner eindeutigen Zu- oder Abnahme der Wärmeleitfähigkeit geführt.

7.1.1 Hypothese I - Einfluss der veränderten Poreng eometrie auf die

Wasserretention und Wärmeleitfähigkeit

Das Sieben und anschließende Verdichten führt bei den untersuchten Substraten so-

wohl zu einer tendenziellen Zunahme der Wärmeleitfähigkeit, als auch zu einer erhöh-

ten Wasserretention im Mittelporenbereich bei den lehmigen Substraten. Welche Me-

chanismen des Wärmetransports von der veränderten Porengeometrie beeinflusst wer-

den und inwiefern die unterschiedliche Wasserretention zu einer Steigerung der Wär-

meleitfähigkeit führt, kann jedoch mit dem gewählten Messaufbau nicht nachvollzogen

werden.

Durch die Homogenisierung und das Sieben der Proben wird die Gefügeform und Ag-

gregatstruktur der Substrate verändert. Besonders bei den Proben mit hohem Tonan-


teil führt dies dazu, dass die natürliche Makroporenstruktur zerstört wird, Aggregate

aufbrechen und damit beim Befüllen der Stechzylinder eine neue Porengeometrie ent-

steht. In Bezug auf die in Kapitel 2 / (I) formulierte These spiegelt sich dies in den Was-

serretentionsverläufen der Substrate 1 – 6 zum Teil wider. So sind die Wassergehalte

der gepackten Varianten bei gleichen pF-Stufen tendenziell höher als die der ungestör-

ten Proben. Dieser Effekt ist besonders bei den pF-Stufen 2.5 und 3.0 ausgeprägt (Vgl.

Abbildung 24 und 25). Bei den Substraten mit einem Tonanteil < 15% (Su2, Su3, Sl3,

Sl3 (2) und Sl4) zeigt das Homogenisieren einen geringen Einfluss auf deren Wasser-

rückhaltevermögen. Die Wassergehalte dieser gepackten Varianten liegen bei gleicher

TRD mit 1 – 3 Vol. % tendenziell nur knapp oberhalb der ungestörten Varianten. Bei

diesen sanddominierten Böden findet auf Grund der geringen Ton- und Humusgehalte

kaum oder nur eine schwache Aggregatbildung unter natürlichen Bedingungen statt.

Dies lässt vermuten, dass Primärporen durch das anschließende Packen in den Stech-

zylindern und die geringe Aggregatstabilität der schluffigen und lehmigen Sande teil-

weise wieder überprägt werden.

pF 1.8

-3,0

-2,0

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

Su2 Su3 Sl3 Sl3 (2) Sl4 Ls4

Bodensubstrat

∆ θ

[Vol

.%] u

nges

tört

- ge

pack

t

Abbildung 24: Wassergehaltsunterschiede in Vol. % zwischen ungestörten und gepackten Substraten bei

pF 1.8

Hingegen zeigen die homogenisierten und gepackten Stechzylinderproben des Ls4

eine eindeutig höhere Wasserretention als die ungestörten Proben bei gleichen pF-

Stufen, die sowohl bei niedrigen als auch bei hohen pF-Stufen ausgeprägt ist. Das Auf-

brechen der Aggregate führt zu einem größeren Anteil von Grob- und Mittelporen und

dadurch zu einem höheren Wasserrückhaltevermögen im Bereich zwischen pF 1.5 und

pF 3.0. Da es im Freiland im Laufe der Zeit zu einer erneuten Konsolidierung des Bo-

dens und Aggregatbildung kommt, bleibt offen, von welcher Dauer dieser Effekt ist.


pF 3.0

-3,0

-2,0

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0


Bodensubstrat

∆ θ

[Vol

.%] u

nges

tört

- ge

pack

t

Abbildung 25: Wassergehaltsunterschiede in Vol. % zwischen ungestörten und gepackten Substraten bei

pF 3.0

Neben dem Einfluss auf die Wasserretention führt das Packen auch bei allen 6 Sub-

strate tendenziell zu einer Zunahme der Wärmeleitfähigkeit im ungesättigten und ge-

sättigten Bereich. In Abbildung 26 ist dieser Wärmeleitfähigkeitsunterschied von unge-

störten und gepackten Varianten exemplarisch für eine TRD von 1.7 g/cm³ bei einem

Wassergehalt von 15 Vol. % dargestellt. Dieser Effekt kann durch eine homogenere

Verteilung der Bodenmatrix sowie veränderte Porenstruktur erklärt werden. Die Makro-

und Grobporen nehmen zugunsten des Mittelporenanteils ab. Dies führt dazu, dass bei

den gepackten Substraten bei gleichen Wassergehalten der Volumenanteil luftgefüllter

und dadurch schlecht wärmeleitender Makro- und Grobporen geringer ist. Die oben

diskutierten höheren Wassergehalte der gepackten Varianten bei gleichen pF-Stufen

führen im Umkehrschluss jedoch auch zu höheren Wasserspannungen bei gleichen

Wassergehalten. Dies hätte eine geringere Wasserdampfsättigung in der Bodenluft

und dadurch einen verminderten Wärmetransport durch Konvektion zur Folge. Wie

groß jedoch dieser Einfluss ist, kann vorerst nicht abgeschätzt werden. Ein weiterer

Unterschied zu ungestört entnommenen Proben kann sich aus der Veränderung der

Lagerung der Bodenpartikel zueinander ergeben. Hätte dies einen Einfluss auf die

Wärmeleitfähigkeit, sollte sich dies vorrangig im trockenen Zustand zeigen. Mit dem

untersuchten Probenumfang konnte diesbezüglich aber keine Tendenz festgestellt

werden.


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3


Substrate

Wär

mel

eitfä

higk

eit [

W/m

*K]

bei W

asse

rgeh

alt 1

5 V

ol.%

ungestört - TRD 1.7 [g/cm³]

gepackt - TRD 1.7 [g/cm³]

Abbildung 26: Einfluss des Packens der Substrate auf die Wärmerleitfähigkeit bei selber TRD und einem

Wassergehalt von 15 Vol. %

Die in Hypothese I postulierte Zunahme der Wärmeleitfähigkeit bei gestörten Proben

trifft nur für den gesättigten und ungesättigten Bereich zu. Im trockenen Zustand kann

an dem untersuchten Probenspektrum keine eindeutige Tendenz in den Wärmeleitfä-

higkeitsunterschieden festgestellt werden (Abbildung 27). Das der Einfluss der Störung

auf die Wärmeleitfähigkeit bei bindigen Substraten größer ist als bei sandigen, lässt

sich anhand der Messdaten nicht belegen. Um die Auswirkungen einer veränderten

Porengeometrie und –kontinuität auf den Wärmetransport im Allgemeinen und den

Wasserdampftransport im Detail quantifizieren zu können, müsste in weitergehenden

Untersuchungen ein Messaufbau gewählt werden, bei dem der Wasserdampftransport

getrennt von der Wärmeleitung bestimmt werden kann.


0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0


Substrate

Wär

mel

eitfä

higk

eit [

W/m

*K]

bei W

asse

rgeh

alt 0

Vol

.%

ungestört - TRD 1.7 [g/cm³]

gepackt - TRD 1.7 [g/cm³]

Abbildung 27: Einfluss des Packens der Substrate auf die Wärmerleitfähigkeit bei selber TRD im trocke-

nen Zustand

7.1.2 Hypothese II - Einfluss des Wassergehalts

Die Wärmeleitfähigkeit nimmt bei den 13 untersuchten Bodensubstraten mit steigen-

dem Wassergehalt zu. Die niedrigsten Wärmeleitfähigkeiten wurden im ofentrockenen

Zustand, die höchsten bei voller Wassersättigung gemessen. Die Differenz in der

Wärmeleitfähigkeit bei einem luft- oder wassergesättigten Porenraum liegt zwischen

0,5 – 2,5 W/m*K. In den Abbildung 28 und 29 ist dies exemplarisch für die verschiede-

nen Substrate dargestellt.

TRD 1.9 g/cm³

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5


Substrate

Wär

mel

eitfä

higk

eit [

W/m

*K]

trocken

gesättigt

Abbildung 28: Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Substrate im trockenen und gesättigten Zustand bei

TRD 1.9 g/cm³


Diese Wärmeleitfähigkeitsunterschiede im trockenen und gesättigten Zustand erklären

sich dadurch, dass mit steigendem Wassergehalt der Volumenanteil der schlecht wär-

meleitenden Bodenluft reziprok zur besser leitenden Wasserphase abnimmt. Bei De

Vries wird diesem Zusammenhang von Volumenanteil der einzelnen Bodenphasen und

deren spezifischer Wärmeleitfähigkeit in der Gleichung 4.5 Rechnung getragen, jedoch

nur für den Bereich mit einer geringen Zunahme der Wärmeleitfähigkeit oberhalb des

Abknickens der Kurve. Gleichzeitig bilden sich bei zunehmendem Wassergehalt an

den Kornkontaktstellen Wassermenisken, welche die an der Wärmeleitung beteiligte

Querschnittsfläche erhöhen (Vgl. Abbildung 1). Letzterer Effekt führt dazu, dass bei gut

sortierten sandigen Böden auf Grund der geringen Anzahl der Kornkontakte pro Volu-

men bereits eine geringe Wassergehaltszunahme die 2-Phasen-Kontaktfläche zwi-

schen den Quarzkörnern stark erhöht. Dies erklärt die relativ steile Zunahme der Wär-

meleitfähigkeit bis zu volumetrischen Wassergehalten von 5 % bei den Substraten mit

einem Tonanteil < 10% (mS, Su2, Su3, Sl3). Bei lehmigen Substraten mit einem Ton-

anteil > 10% (Sl3 (2), Sl4, Ls4) ist der Einfluss der Wassergehaltsänderungen auf die

Zunahme der Wärmeleitfähigkeit geringer und führt erst bei Wassergehalten von 10%

zu einem Abflachen der Wärmeleitfähigkeitszunahme. Bei diesen Substraten ist auf

Grund des hohen Mittel- und Feinporenanteils ein wesentlich größeres Wasservolumen

zur Bildung von Menisken und einer kontinuierlichen Wasserphase notwendig, als dies

bei Substraten mit einem hohen Grob- und Mittelporenanteil der Fall ist.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

mS - TRD 1,6g/cm³

Ut2 - TRD 1,3g/cm³

Ut3 - TRD 1,5g/cm³

Ut4 - TRD 1,4g/cm³

Lu - TRD 1,6g/cm³

H8-H9 - TRD 0,17g/cm³

H4 - TRD 0,12g/cm³

Substrate

Wär

mel

eitfä

higk

eit [

W/m

*K]

trocken

gesättigt

Abbildung 29: Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Substrate im trockenen und gesättigten Zustand

Überträgt man die zuvor beschriebenen Verläufe auf den Standort, können mögliche

Wassergehaltsänderungen, die unter natürlichen Bedingungen in der Regel zwischen

Feldkapazität (pF 1.8) und Permanenten Welkepunkt (pF 4.2) schwanken, die Boden-

wärmeleitfähigkeit maßgeblich beeinflussen. Bei allen Substraten liegen die Wärmeleit-


fähigkeiten bei Feldkapazität nahe denen bei voller Wassersättigung. Bei den bindigen

Substraten mit einem Tonanteil > 10% sind die Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit

zwischen pF 4.2 und Wassersättigung ähnlich gering wie zwischen pF 1.8 und Was-

sersättigung. Die am Standort zu erwartenden Wärmeleitfähigkeitsschwankungen auf

Grund von Wassergehaltsänderung zwischen pF 1.8 und pF 4.2 sind gering. Die Wär-

meleitfähigkeiten der sandigen Substrate mS, Su2 und Su3 fallen bei pF 4.2 jedoch in

den Bereich, wo es bereits zum Abknicken der Wärmeleitfähigkeit kommt.

Die im Kapitel 2 formulierte Hypothese, mit zunehmendem Wassergehalt steigt die

Wärmeleitfähigkeit kontinuierlich an, konnte für den Großteil der Bodensubstrate mit

dem gewählten Messaufbau nicht widerlegt werden. Die Ursache für die maximale

Wärmeleitfähigkeit des Sl4 mit einer TRD von 1.9 g/cm³ im ungesättigten Bereich kann

vorerst nicht abschließend erklärt werden und wird in weitergehenden Arbeiten unter-

sucht. Nichtsdestotrotz muss die Arbeitshypothese dahingehend ergänzt werden, dass

die Wärmeleitfähigkeit je nach Bodenart nicht linear zum Wassergehalt zunimmt. Bei

sandigen Substraten führt vor allem die kleinräumige Verteilung und Kontinuität der

Wasserphase zu einer starken Zunahme des Wärmetransports bis zu einem kritischen

Wassergehalt. Über diesen Punkt hinaus ist der Wärmetransport hauptsächlich durch

die Volumenanteile der Bodenphasen und deren spezifische thermische Eigenschaften

geprägt und die Zunahme des Wassergehalts führt nur noch zu einer geringen Steige-

rung der Wärmeleitfähigkeit. Bei nicht-sandigen Substraten scheint dieser rein volu-

menabhängige Wärmetransport über den gesamten Wassergehaltsbereich vorrangig

und die kleinräumige Phasenverteilung im Porenraum vernachlässigbar zu sein.

7.1.3 Hypothese III - Einfluss der Trockenrohdichte

Die Arbeitshypothese (III) kann für die untersuchten Substrate nicht widerlegt werden.

Jedoch ist die zunehmende Wärmeleitfähigkeit mit höherer TRD durch verschiedene,

nicht eindeutig voneinander zu trennenden Mechanismen bedingt: Ursache sind die

sich ändernden Volumenanteile der am Wärmetransport beteiligten Bodenkomparti-

mente, die sich ändernde Verteilung der festen Bodenpartikel zueinander und die Zu-

nahme der Kornkontakte sowie die Auswirkungen einer veränderten Porengeometrie

auf die Wasserretention.

Im Gegensatz zum Wassergehalt beeinflusst die Trockenrohdichte nicht den grundle-

genden Verlauf der Wärmeleitfähigkeitszunahme, sondern führt hauptsächlich zu abso-

lut höheren Werten der Wärmeleitfähigkeit. Dieser Einfluss der TRD ist jedoch wasser-

gehaltsabhängig. Im trockenen Zustand und im Bereich der steilen Zunahme der Wär-

meleitfähigkeit sind die absoluten Unterschiede geringer als bei hohen Wassergehalten

(siehe Abbildung 30). Ob die höheren TRD zu einer Verschiebung des Bereiches füh-

ren, bei dem es zu einem Abflachen der Wärmeleitfähigkeitszunahme kommt, ließ sich


an dem untersuchten Probenumfang nicht eindeutig nachweisen. Zwar ist der Trend

erkennbar, dass mit Zunahme der Trockenrohdichte sich dieser kritische Punkt zu hö-

heren Wassergehalten verschiebt. Zur genaueren Bestimmung sollte dafür aber in ei-

ner weitergehenden Auswertung die Anpassung von Wärmeleitfähigkeitsmodellen an

die Messdaten herangezogen werden.

Mit einer Zunahme der TRD von ~ 1.5 g/cm³ auf ~ 1.9 g/cm³ verringert sich das Ge-

samtporenvolumen bei allen 6 Substraten im Durchschnitt von knapp über 40 Vol. %

auf rund 30 Vol. %. Dadurch nimmt der Anteil der relativ gut wärmeleitenden Boden-

matrix pro Volumen zu und im gleichen Verhältnis das Volumen des schlecht wärmelei-

tenden Porenraums ab. Dies müsste eine Steigerung der Wärmeleitfähigkeit sowohl im

trockenen als auch im feuchten Zustand zur Folge haben, konnte jedoch im trockenen

Zustand bei den 6 Substraten nicht eindeutig nachgewiesen werden (siehe Abbildung

30). Ursache hierfür könnte der geringe Probenumfang und das Fehlen von Parallel-

messungen sein. Bei höheren Wassergehalten hat die Trockenrohdichte jedoch einen

deutlichen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit. Dies erklärt sich durch die mit steigen-

dem Wassergehalt zunehmende Meniskenbildung an den Kornkontakten der Boden-

matrix.

Zeitgleich führt eine Zunahme der TRD auch zu einer absoluten Zunahme der Mittel-

und Feinporen. Dies hat zur Folge, dass mit steigender TRD die Wassergehalte bei

gleichen Wasserspannungen zumindest im Bereich zwischen pF 2.0 und pF 4.2 höher

liegen. Im Bereich der natürlichen Austrocknung von Böden durch Evapotranspiration

wirken sich diese höheren Wassergehalte mit höherer TRD zumindest im Bereich des

Permanenten Welkepunktes positiv auf die Wärmeleitfähigkeit aus. Dieser Effekt ist

besonders bei sandigen Substraten von Bedeutung und werden in den Abbildung 11

und Abbildung 13 mit dem Bereich für pF 4.2 markiert.


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

TRD ~ 1.5 [g/cm ³] TRD ~ 1.7 [g/cm ³] TRD ~ 1.9 [g/cm ³]

Wär

mel

eitfä

higk

eit [

W/m

*K]

bei W

asse

rgeh

alt 0

Vol

.% /

20 V

ol. %

Su2Su3Sl3Sl3 (2)Sl4Ls4Reihe1

Abbildung 30: Zunahme der Wärmeleitfähigkeit mit steigender TRD – im unteren Bereich bei einem Was-

sergehalt von 0 Vol. %; im oberen Bereich bei einem Wassergehalt von 20 Vol. %.

Neben dem Einfluss der Trockenrohdichte auf die Volumenanteile unterschiedlich

wärmeleitender Bodenkompartimente bewirkt das unterschiedlich starke Packen der

Stechzylinder eine Zunahme der sich einstellenden Kornkontakte. Diese Kornkontakt-

punkte stellen die Übergänge für den Wärmefluss dar, die sich im Vergleich zur Wär-

meleitung in den Partikeln eher ungünstig auf den Wärmetransport auswirken und ihn

unterbrechen. Da jedoch mit steigender TRD die Anzahl und die Fläche der Berüh-

rungspunkte der Mineralkörner pro Transportstrecke zunehmen, steigt der durch Wär-

meleitung übertragene Wärmefluss.

De Vries (1963) wird dem oben beschriebenen Einfluss der Trockenrohdichte auf die

Volumenanteile der einzelnen Phasen bei der Beschreibung der Wärmeleitfähigkeit für

den Bereich größer des kritischen Wassergehalts (θk) gerecht (Vgl. Gleichung 4.5).

Das jedoch auch bei Wassergehalten < θk die Trockenrohdichte den Wärmetransport

beeinflusst, zeigt der unterschiedlich steile Anstieg der Wärmeleitfähigkeit im ungesät-

tigten Bereich bei ein und demselben Substrat.

Der Ansatz von Johansen verzichtet auf die Beschreibung der Wärmeleitfähigkeit in

Abhängigkeit vom Volumenanteil der Bodenfestphase im ungesättigten und gesättigten

Bereich. Die Trockenrohdichte ist nur bei der Berechnung der Wärmeleitfähigkeit des

trockenen Bodens (λdry) relevant und bestimmt den Punkt bei dem die Funktion die y-

Achse schneidet (Vgl. Gleichung 4.7 und 4.9).


7.1.4 Hypothese IV - Einfluss der Partikelgröße und Mineralogie

Bei mineralischen Böden hat die Partikelgrößenverteilung und der Elementgehalt so-

wohl einen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeiten als auch auf die Steigung der Wärme-

leitfähigkeitszunahme. Die im Kapitel 2 formulierte Arbeitshypothese (IV) konnte zwar

für die Substrate 1 – 6 mit den durchgeführten Messungen nicht belegt werden. Es ist

jedoch die Tendenz erkennbar, dass mit zunehmendem Tonanteil bzw. geringerem

Anteil der vorrangig aus Quarz bestehenden Fraktionen Sand und Grobschluff die Wär-

meleitfähigkeiten der untersuchten mineralischen Substrate zunehmen. Dies wird umso

deutlicher, wenn die mineralischen Substrate mS, Lu und Ut2, Ut3 und Ut4 zur Be-

trachtung hinzugezogen werden. Je höher der Anteil der Schluff- und Tonfraktion ist,

umso geringer ist die Wärmeleitfähigkeit im ungesättigten und gesättigten Zustand.

Dies stimmt mit den von anderen Autoren gemachten Beobachtungen überein (Vgl. Lu

et al 2007, De Vries 1963).

Die Korrelation der mittels RFA bestimmten Siliziumgehalte mit den Anteilen der Bo-

denfraktionen Sand und Grobschluff bestätigen die Annahme, dass auch die

Grobschlufffraktion vorrangig durch Quarz geprägt ist. Die zwischen 76 – 93 Gew. %

liegenden Siliziumdioxidgehalte der Substrate 1 – 8 entsprechen dabei gut den in der

Literatur angegebenen Elementgehalten bodenbildender Sedimente (Schef-

fer/Schachtschabel 2010). Der Zusammenhang von Siliziumdioxidgehalt und Sandan-

teil kann durch lineare Regression mit einem R2 = 0.854 beschrieben werden. Die Va-

rianz ist jedoch am geringsten, wenn der Siliziumdioxidgehalt mit der Sand- und

Grobschlufffraktion korreliert wird (siehe Abbildung 31). Wird die Mittelschlufffraktion

bei der linearen Regression zum Sand- und Grobschluffanteil hinzugenommen, nimmt

die Varianz ab und das R2 liegt bei 0.532.

R2 = 0,868

70

75

80

85

90

95

100

50 60 70 80 90 100

Sand+gU [Gew.% ]

SiO

2-G

ehal

t [G

ew.%

]

Abbildung 31: Beziehung Siliziumdioxidgehalt und Sand- und Grobschluffanteil


Eine Korrelation der volumenbezogenen Siliziumdioxidgehalte mit den Wärmeleitfähig-

keiten der Substrate bei gleichen Trockenrohdichten und Wassergehalten ergab jedoch

keinen relevanten Zusammenhang. Einzig bei einer TRD von 1.5 g/cm³ und Wasser-

gehalten von 15 Vol. % lag der Korrelationskoeffizient bei einer linearen Regression für

die Substrate 1 – 6 bei einem R² > 0.8. Auch die Korrelation verschiedener Bodenfrak-

tionsanteile mit den Wärmeleitfähigkeiten ergab keine höheren Bestimmtheitsmaße.

Anhand des untersuchten Probenumfangs kann ein statistischer Zusammenhang von

SiO2-Gehalt und Wärmeleitfähigkeit des Bodens nicht nachgewiesen werden. Dies

kann zum einen daran liegen, dass die Spannen in den SiO2-Gehalten der untersuch-

ten Substrate in diesem Bereich relativ gering sind und die Unterschiede keinen rele-

vanten Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit haben. Zum anderen zeigt dies, dass die

Wärmeleitfähigkeit der Bodenmatrix auch im trockenen Zustand nicht monokausal von

deren SiO2-Gehalt oder dem Massenanteil der verschiedenen Bodenfraktionen abhän-

gig ist. Die thermischen Eigenschaften weiterer im Boden vorkommender Verbindun-

gen wie Metalloxide, Salze und Carbonate sind dafür ebenso relevant wie die Geomet-

rie und Lage der einzelnen Partikel zueinander. Zwar nimmt mit abnehmendem Sand-

anteil die Masse schlecht wärmeleitender Fraktionen pro Volumen zu, durch die unter-

schiedlichen Partikelgrößen kommt es aber zu einer Veränderung der Kontaktbereiche

zwischen den Partikeln (Vgl. Kapitel 7.1.3). Inwiefern sich diese substratspezifische

Geometrie der Bodenmatrix positiv oder negativ auf die Wärmeleitfähigkeit auswirkt,

konnte an dem untersuchten Probenspektrum nicht eindeutig nachgewiesen werden.

Neben dem Einfluss der Partikelgrößenverteilung auf die absoluten Wärmeleitfähigkei-

ten bei gleichen Wassergehalten scheint der Anteil der einzelnen Kornfraktionen be-

sonders einen Effekt auf die Wärmeleitfähigkeitszunahme bei geringen Wassergehal-

ten zu haben. Umso geringer der Anteil der Ton- oder Schlufffraktion bei den Substra-

ten war, desto steiler war die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit bis zu einem kritischen

Wassergehalt. Dies lässt sich auf die bereits oben diskutierte substrat- und wasser-

spannungsabhängige Meniskenbildung an den Kornkontaktstellen zurückführen.

In diesem Sinne kann die Arbeitshypothese (IV) dahingehend ergänzt werden, dass die

Wärmeleitfähigkeit besonders bei geringen Wassergehalten umso steiler zunimmt, je

höher der Sand- und Grobschluffanteil ist.

Im Vergleich zum deutlichen Einfluss der einzelnen mineralischen Fraktionen auf die

Zunahme der Wärmeleitfähigkeit scheint bei den vorrangig aus einer organischen

Komponente bestehenden Torfen diese Dynamik rein wassergehaltsabhängig zu sein.

So markieren die Wärmeleitfähigkeiten von Wasser bei 20°C und von trockener Luft

die Bereiche, welche die Torfe bei voller Sättigung bzw. im ofentrockenen Zustand er-

reichen (Vgl. Tabelle 4-1). Dies erklärt sich aus der geringen thermischen Leitfähigkeit

und Trockenrohdichte der organischen Substanz, die im lufttrockenen Zustand und

nach der Trocknung bei 105°C wesentlich niedriger als die von Wasser ist.


7.1.5 Hypothese V - Gliederung der Substrate nach d eren hydraulischen

und thermischen Eigenschaften

Ein Ziel dieser Arbeit ist es, zukünftig eine für Planer und Bauingenieure einfach zu

handhabende Planungsgrundlage bereitzustellen, mit derer die Berechnung und Pla-

nung von Erdwärmekollektoren verbessert werden kann. Ein notwendiger Schritt dafür

ist, die verschiedenen Bodensubstrate nach deren Bodenarten und anhand der unter-

schiedlichen thermischen und hydraulischen Eigenschaften zu untergliedern.

In Hinblick auf die Wasserretentionscharakteristik scheint eine Einteilung der Boden-

substrate nach Bodenarten-Hauptgruppen sinnvoll. Trotz des typischen gleitenden Ü-

bergangs der pF-Kurven mit zunehmendem Ton- und Schluffanteil spiegelt sich die

dominierende Bodenart im Retentionsverlauf wieder. Bei den Sanden findet die Ent-

wässerung vorrangig bis pF 1.8, bei den Schluffen zwischen pF 1.8 und pF 4.2 statt.

Die Lehme zeigen zwischen diesen pF-Stufen nur geringe Wassergehaltsänderungen.

Die Wasserretention der beiden Torfe ist auf Grund der geringen TRD und dem hohen

GPV stark unterschiedlich zu den pF/WG-Beziehungen der mineralischen Substrate.

Für eine Einteilung der verschiedenen Wärmeleitfähigkeitsverläufe ist eine Untergliede-

rung nach Bodenarten-Hauptgruppen jedoch nur bedingt geeignet. Da, ähnlich wie bei

der Wasserretention, eine Zunahme des Ton- und Schluffanteils eine fließende Ände-

rung des Wärmeleitfähigkeitsverlaufs bewirkt, muss diskutiert werden, welche Kenn-

werte für eine Gruppeneinteilung geeignet sind. Eine Unterteilung der sandigen und

lehmigen Substrate erscheint schwierig. Beide Substrattypen sind durch eine in 2 Pha-

sen verlaufende Wärmeleitfähigkeitszunahme und unterschiedliche thermische Eigen-

schaften im ungesättigten und gesättigten Zustand geprägt. Eine mögliche Unterteilung

dieser Bodenarten könnte daran festgemacht werden, ob die Wassergehalte bei pF 4.2

in den Bereich der steilen Wärmeleitfähigkeitszunahme fallen. Dies würde hier für die

Substrate mS, Su2 und Su3 zutreffen. Die Tongehalte dieser 3 Substrate liegt < 5 %

und ließe zusätzlich eine Abgrenzung anhand der Partikelgrößenverteilung zu. Die

schluffigen Substrate sind dagegen durch geringe Wärmeleitfähigkeiten über den ge-

samten Wassergehaltsbereich und eine charakteristische, nahezu lineare Zunahme

geprägt. Eine Gruppenbildung scheint bei diesen schluffdominierten Böden zulässig

und sinnvoll. Ebenso ist dies für die Torfe möglich. Die unabhängig vom Wassergehalt

sehr geringen Wärmeleitfähigkeiten der beiden organischen Substrate lassen eine ein-

deutige Abgrenzung gegenüber den Mineralböden zu. Um jedoch eine solche Unter-

gliederung auf eine belastbare Datenbasis zu stellen, sind weitere und differenzierte

Untersuchungen notwendig.


7.2 Wasserdampftransport und Temperaturabhängigkeit

Auch wenn mit dem gewählten Messaufbau der konvektive Wärmetransport im Boden

nicht abgekoppelt von der Wärmeleitung bestimmt werden konnte, soll hier kurz auf

den Einfluss der Substrateigenschaften auf den Wasserdampftransport und die Wär-

meleitfähigkeit eingegangen werden. Auch die in Abbildung 16 dargestellten Messda-

ten zum Temperatureinfluss auf die Wärmeleitfähigkeit des Su3 und Sl3 (2) werden

hier kurz diskutiert.

Mit dem gewählten Messaufbau ist zwar eine hochaufgelöste Erfassung der Wärmeleit-

fähigkeit bei sich ändernden hydraulischen Bedingungen möglich, jedoch führt dieser

ebenso zu einen anisothermen Wärmetransport und Temperaturgradienten innerhalb

des Stechzylinders. Auch wenn die Wärmeleitfähigkeitsmessungen bei konstanten

Umgebungstemperaturen stattfanden, bewirkt die freigesetzte Verdunstungsenergie

am oberen Rand der Probe einen Temperaturgradienten innerhalb des Stechzylinders.

Dieser steigt mit zunehmendem Wassergehalt, da die Verdunstungskälte auf Grund

der höheren Evaporation zunimmt. In Abhängigkeit dieses Temperaturgradienten

nimmt der anisotherme Wasser- und Wasserdampftransport bei steigenden Wasser-

gehalten zu. Dem entgegen wirkt die abnehmende Kontinuität luftgefüllter Poren bei

zunehmenden Wassergehalten. Bei Wassersättigung dürfte der konvektive Wärme-

transport am geringsten sein, da nur wenige luftgefüllte Poren im Boden vorliegen.

Hingegen limitiert im trockenen Zustand die geringe Enthalpie der Bodenluft bzw. de-

ren geringer Wassergehalt den Wasserdampftransport. Das lässt darauf schließen,

dass die höchste Wärmeleitfähigkeit eines Bodens bei einem Wassergehalt gegeben

ist, bei dem die Enthalpie der Bodenluft am größten ist, die Meniskenbildung an den

Kornkontakten nicht limitiert wird, zeitgleich aber eine für den Dampftransport ausrei-

chende Kontinuität luftgefüllter Poren vorliegt. Dies könnte den Verlauf der Wärmeleit-

fähigkeit des Sl4 bei einer TRD von 1,9 g/cm³ erklären (siehe Abbildung 17).

Folgt man der Theorie und den Messdaten verschiedener Autoren, bewirkt eine Zu-

nahme der Temperatur eine Steigerung des gekoppelten Wärme- und Wassertrans-

ports im Boden (De Vries 1963, Hiraiwa 2000). Dies erklärt sich vor allem aus den ver-

änderten thermischen Eigenschaften der Bodenluft und des Bodenwassers und deren

gegenseitige Beeinflussung bei einer Temperaturerhöhung. So nimmt zwar in grobkör-

nigen feuchten Böden die Wärmeleitfähigkeit von Wasser und Wasserdampf zwischen

0°C und 20°C nur um 0.035 W/m*K bzw. 0.056 W/m*K zu, bei einer Temperatur von

60°C beträgt die effektive Wärmeleitfähigkeit der wasserdampfgesättigten Bodenluft

jedoch auf Grund deren hoher Enthalpie und dem durch einen Temperaturgradienten

verursachten Wasserdampftransport bereits 0.654 W/m*K und ist damit genauso groß

wie die des Bodenwassers (De Vries 1963).

Hiraiwa (2000) konnte durch Temperaturerhöhung von 5°C auf 25°C eine maximale

Zunahme der Bodenwärmeleitfähigkeit um ca. 0.1 W/m*K für einen Clay Loam bei ei-


nem Wassergehalt von 29 Vol. % feststellen. De Vries (1963) zeigt für einen Quarz-

sand, dass durch eine Steigerung der Temperatur die maximale Zunahme der Wärme-

leitfähigkeit bei einem Wassergehalt zwischen 8 Vol. % und 10 Vol. % stattfindet. Die

in der Literatur aufgezeigte Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit kann an-

hand der 2 durchgeführten Messungen nicht nachvollzogen werden. Viel eher lagen

die Wärmeleitfähigkeiten bei niedrigen Temperaturen sogar über denen bei Messwer-

ten bei 20°C (Abbildung 16). Dies kann zum einen darauf zurückgeführt werden, dass

die Wirkung des Temperaturunterschieds von ca. 15 Kelvin auf die Wärmeleitfähigkeit

geringer ist als die durch die Methodik bedingte Varianz der Messwerte. Zum anderen

wurden die Messungen zum Temperatureinfluss nicht an denselben Stechzylinderpro-

ben durchgeführt. So könnten durch das Packen bedingte kleinräumige Trockenroh-

dichteunterschiede in der Nadelsensorumgebung unterschiedliche Wasserretentionen

und Wärmeleitfähigkeiten bewirken.

Trotz all dem kann festgehalten werden, dass Temperaturschwankungen wie sie unter

natürlichen Bedingungen oder bei der Verwendung von Erdwärmekollektoren zu erwar-

ten sind, unter isothermen Annahmen keinen relevanten Einfluss auf die Bodenwärme-

leitfähigkeit haben.

7.3 Parametrisierung der Wärmeleitfähigkeit

Die im Rahmen dieser Arbeit gewählte Parametrisierung der Beziehung von Substrat-

eigenschaften und Bodenwärmeleitfähigkeit nach Lu et al. (2007) ist für die untersuch-

ten Substrate nur ungenügend geeignet, die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit bei stei-

genden Wassergehalten zu beschreiben oder vorherzusagen. Der RMSE, als Fehler-

index für die Vorhersagegenauigkeit, liegt bei den 8 durchgeführten Anpassungen zwi-

schen 0,08 und 0,30 und ist deutlich höher als bei den von den Autoren untersuchten

Substraten.

Bei der Verwendung der von Lu et al. (2007) vorgeschlagenen Parameter für fein- und

grobtexturierte Böden werden die Wärmeleitfähigkeiten des Su2 und Ls4 bei Wasser-

gehalten > 15 Vol. % deutlich überschätzt und die Wärmeleitfähigkeiten im gesättigten

Zustand liegen bis zu 0.5 W/m*K über den Messwert. Hingegen ist mit demselben An-

satz bei dem Su2 die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit bei Wassergehalten zwischen 0

– 15 Vol. % geringer als es die eigenen Messwerte zeigen und es kommt zu einer Un-

terschätzung der Wärmeleitfähigkeit (Abbildung 22). Bei dem Ls4 ist die Abweichung

zwischen gemessenen und geschätzten Werten in diesem Wassergehaltsbereich we-

niger groß (Abbildung 23). Das Abknicken der Wärmeleitfähigkeit bei Wassergehalten

zwischen 5 – 10 Vol. %, das besonders bei sandigen Substraten wie dem Su2 auftritt,

kann mit diesem Ansatz nicht nachvollzogen werden. Dies liegt vor allem an dem fest

vorgegebenen Formparameter β, der einen starren Kurvenlauf bedingt.


Mit dem zweiten, modifizierten Ansatz, bei dem die vier Parameter a, b, α und β frei an

die Messwerte angepasst werden, kann die Wärmeleitfähigkeit besser vorhergesagt

werden. Bei dem Su2 liegen die RMSE deutlich niedriger als bei der vorherigen Varian-

te (Tabelle 4). Die Vorhersagegenauigkeit ist mit einem RMSE von 0,084 und 0,118

sogar besser als die von Lu et al. (2007) mit 0,138 für ein sandiges Substrat berechne-

te. Für den Ls4 wird die Vorhersagegenauigkeit durch eine Anpassung der Parameter

an die Messwerte jedoch nur gering verbessert (Tabelle 4). Bei beiden Substraten sind

im ungesättigten Bereich bei Wassergehalten < 15 Vol. % die Abweichungen zwischen

gemessenen und geschätzten Werten relativ gering. Jedoch kommt es auch hier bei

höheren Wassergehalten zu einer konsequenten Überschätzung der Wärmeleitfähig-

keiten. Das Abknicken der Wärmeleitfähigkeit wird auch bei diesem Ansatz nur

schlecht beschrieben.

Ein Grund für die Ungenauigkeit der Wärmeleitfähigkeitsbeschreibung mit den beiden

Ansätzen liegt in der von Lu et al. verwendeten, auf Johansen (1975) basierenden Her-

leitung von λsat. Bei der Berechnung der Wärmeleitfähigkeit der Bodenmatrix λs, welche

in λsat einfließt, haben bereits geringe Quarzgehaltsunterschiede einen großen Einfluss

auf die berechnete Wärmeleitfähigkeit des trockenen Bodens. Inwiefern eine genauere

Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit durch die Verwendung des Sandanteils bei der Be-

rechnung von λsat erreicht wird, kann im Rahmen dieser Arbeit nicht beantwortet wer-

den. Deutlich wird jedoch, dass die Herleitung einer als Pedotransferfunktion verwend-

baren Parametrisierung der Wärmeleitfähigkeit auf einen größeren Datenpool gestützt

werden sollte. Nur so kann sichergestellt werden, dass empirisch bestimmte Parameter

universal für unterschiedliche Bodensubstrate verwendbar sind und eine genaue Vor-

hersage der wassergehaltsabhängigen Wärmeleitfähigkeit ermöglichen.

7.4 Bodenphysikalische Nutzungsaspekte von

Erdwärmekollektoren

Auch wenn im Rahmen dieser Arbeit keine In-situ-Messungen an Kollektoranlagen

durchgeführt wurden, soll im Folgenden kurz dargelegt werden, inwiefern sich ver-

schiedene Substrateigenschaften auf die Planung und Nutzung von oberflächennahen

Erdwärmekollektoren auswirken können. Dabei wird zum einen auf die Wechselwir-

kung von Boden- und Standorteigenschaften auf die Wärmeleitfähigkeit und auf die zu

erwartenden Wärmeentzugsleistung solcher Anlagen eingegangen, zum anderen auf

die Schwierigkeiten hingewiesen, welche sich aus der Verwendung der VDI Richtlinie

4640 als Planungsgrundlage ergeben.


7.4.1 Substratabhängige Nutzung von Erdwärmekollekt oren

Die durch Erdwärmekollektoren potenziell für eine Nutzung zur Verfügung stehende

thermische Energie des Bodens wird vorrangig durch dessen Wärmeleitfähigkeit und

Wärmekapazität bestimmt. Auf Grund der zeitlichen Dynamik des Wärme- und Was-

serhaushalts von Böden kann die Wärmeentzugsleistung an einem Standort jedoch im

Jahresverlauf stark schwanken. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersu-

chungen zeigen, dass die Bodenwärmeleitfähigkeit zwar stark substratabhängig ist,

sich die thermischen Substrateigenschaften aber durch technische Veränderungen

beeinflussen lassen. Inwieweit sich diese Erkenntnisse auf die Verwendung von Erd-

wärmekollektoren auswirken, ob eine verbesserte Nutzung oberflächennaher Energie

aus Sicht des Bodens möglich ist und wo diesbezüglich weiterer Forschungsbedarf

besteht, soll in diesem Teil der Arbeit kurz dargelegt werden.

Für den Gebrauch horizontal verlegter Erdwärmekollektoren sind feuchte sandige Bö-

den besonders geeignet. Deren Wärmeleitfähigkeiten sind im gesättigten Zustand am

höchsten und ermöglichen den größten Wärmeentzug. Limitierend wirkt hingegen de-

ren spezifische Wasserretention. Zwar liegen bei Feldkapazität die Wärmeleitfähigkei-

ten noch im oberen Bereich der bei Böden zu erreichenden Werte. Jedoch führt eine

Austrocknung des Bodens, wie sie unter natürlichen Bedingungen bei Pflanzenbe-

wuchs und ohne Grundwassereinfluss bei mitteleuropäischen Klimabedingungen bis

pF 4.2 stattfindet, zu einem nahezu kompletten Verlust der Wärmeleitfähigkeit. Diese

Problematik ist ebenso bei schluffigen Sanden noch von Bedeutung. Bei diesen Sub-

straten ist der Flächenbedarf von Erdwärmekollektoren bei grundwasserbeeinflussten

Standorten oder bei einer zusätzlichen Befeuchtung des Bodens durch Regenwasser-

einleitung am geringsten. Unter ungünstigen Standortbedingungen wird die Wärmeent-

zugsleistung in den Monaten, wo die Bodenaustrocknung am größten ist, stark einge-

schränkt. Dies kann im Herbst oder beginnenden Winter der Fall sein, wenn Nieder-

schläge den Boden im Kollektorraum noch nicht ausreichend wiederbefeuchtet haben.

Hingegen sind bei den lehmigen Sanden und Lehmen starke Schwankungen in der

Wärmeleitfähigkeit auf Grund einer Austrocknung durch die Vegetation kaum zu erwar-

ten. Zwar liegen die maximalen Wärmeentzugsleistungen bei optimalen Bedingungen

bei diesen Substraten im Durchschnitt unter denen reiner oder schluffiger Sande, je-

doch kann von einer gleichmäßig hohen Wärmeleitfähigkeit im Jahresverlauf ausge-

gangen werden. Bei den stark schluffigen und organischen Böden wird die Wärmeent-

zugsleistung durch deren geringe Wärmeleitfähigkeit im gesamten gesättigten und un-

gesättigten Bereich beschränkt. Wärmeleitfähigkeitsänderungen auf Grund sich än-

dernder Wassergehalte spielen in den relevanten Bereichen zwar keine entscheidende

Rolle, jedoch ist der Flächenbedarf auf Grund des geringen Wärmeentzugs pro Fläche

sehr hoch. Hinzu kommt, dass Standorte mit organischen Böden, wie Nieder- oder


Hochmoore, meist einem Schutzstatus unterliegen und eine Nutzung von Erdwärme-

kollektoren prinzipiell ausgeschlossen wird.

An den Standorten mit Wasserlimitierung oder generell schlecht wärmeleitenden Bo-

densubstraten kann, wenn finanziell sinnvoll, ein Bodenaustausch oder die Schichtung

verschiedener Bodenhorizonte die Wärmeentzugsleistung erhöhen. Bei rein sandigen

Substraten und trockenen Standorten bewirkt das Einbringen einer verdichteten, was-

serstauenden Lehm- oder Tonschicht unterhalb der Erdwärmekollektoren eine höhere

Bodenfeuchte im Kollektorraum und dadurch höhere Wärmeleitfähigkeiten des Bodens.

Ebenso kann an grundwasserbeeinflussten Standorten mit lehmigen oder schluffigen

Böden das Füllen der Kollektorumgebung mit sandigen Substraten die zu erreichende

Wärmeentzugsleistung erhöhen.

Neben einem Austausch der Bodenart, kann auch die zusätzliche Verdichtung der

Substrate die mögliche Wärmeentzugsleistung an einem Standort verbessern. So führt

bei allen untersuchten Substraten die Erhöhung der TRD zu einer deutlichen Zunahme

der Wärmeleitfähigkeit im gesättigten wie ungesättigten Bereich. Besonders bei sandi-

gen Substraten führt eine Steigerung der Trockenrohdichte ebenso zu höheren Was-

sergehalten bei pF 4.2. An Standorten mit Wasserlimitierung hätte dies einen zusätz-

lich positiven Einfluss auf die Wärmeentzugsleistung. Zu beachten ist, dass es zu kei-

ner schadhaften Bodenverdichtung oberhalb der Kollektoren kommt. Besonders bei

bindigen Böden würde dies die Infiltration von Niederschlagswasser, welches zur Re-

generation der Bodentemperatur beiträgt, erschweren.

Auch die Vegetationsbedeckung kann die Bodenwärmeleitfähigkeit und den Wärme-

entzug von Erdwärmekollektoren beeinflussen. Auf sandigen Standorten kann bei ent-

sprechender Durchwurzelungstiefe der Pflanzen der Boden in der Kollektorumgebung

bis zum Permanenten Welkepunkt austrocknen und zu einer starken Abnahme der

Wärmeleitfähigkeit führen (siehe Abbildung 11 - 13). Dies ist bei der Pflanzenwahl zu

beachten. Auf bindigeren Böden würden hingegen selbst tiefwurzelnde Pflanzen den

Boden nicht soweit austrocknen, dass mit hohen Verlusten in der Wärmeentzugsleis-

tung zu rechnen ist (siehe Abbildung 14 - 20).

Ein weiterer Einfluss auf die Nutzung von Erdwärmekollektoren ergibt sich aus der Wir-

kung einer Pflanzendecke auf die zeitliche Dynamik und Intensität des durch Sonnen-

einstrahlung verursachten Bodenwärmestroms. Eine Pflanzendecke verzögert durch

Absorption der solaren Strahlung die Bodenerwärmung im Sommer, kann im Winter

hingegen das Eindringen von Bodenfrost verhindern bzw. führt zu einem langsameren

Abkühlen des Bodens oberhalb der Erdwärmekollektoren. Ob es jedoch nur zu einer

zeitlichen Verzögerung der Bodenerwärmung und –abkühlung kommt oder ob die ge-

samte Energiebilanz des Bodens und die Jahresdurchschnittstemperatur durch Pflan-

zenbewuchs verändert werden, muss vorläufig offen bleiben.


7.4.2 Bedeutung für Planungsgrundlagen

Für die Planung und Berechnung der Entzugsleistung und des notwendigen Flächen-

bedarfs oberflächennah verlegter Erdwärmekollektoren ist es sinnvoll, eine für Bauin-

genieure und Architekten einfach zu handhabende Planungsgrundlage zur Verfügung

zu stellen. Für die BRD erfüllt diese Funktion die VDI 4640. Wie bereits in Kapitel 3.2

dargelegt, erfolgt die Berechnung der an einem Standort zu erwartenden Wärmeent-

zugsleistung anhand einer sehr groben Untergliederung der Lockersedimente in 5

Gruppen und zwei Feuchtestufen (siehe Tabelle 3-1). Die in dieser Arbeit aufgeführten

Daten zeigen, dass bei Heranziehung der in der VDI 4640 angegebenen Werte es

leicht zu einer Unter- und Überschätzung der tatsächlichen Wärmeleitfähigkeiten von

Bodensubstraten kommen kann und Bereiche der Bodenwärmeleitfähigkeit, wie sie bei

den Messungen auftraten, mit den Angaben der VDI nicht wiedergegeben werden (sie-

he Abbildung 32). Dies ist besonders der Fall, wenn ausschließlich die typischen Re-

chenwerte herangezogen, auftretende Wassergehaltsschwankungen und die Trocken-

rohdichte des Bodens bei der Berechnung der Wärmeentzugsleistung nicht berücksich-

tigt werden.

Abbildung 32: Bereiche und typische Rechenwerte der Wärmeleitfähigkeit eines Sandes nach VDI 4640

(trocken / wassergesättigt) im Vergleich zu den Wärmeleitfähigkeiten des Su2 (TRD 1.6 g/cm³ / 1.9 g/cm³)

In Tabelle 5 ist dies im direkten Vergleich für die in der VDI angegebenen Spannen der

Wärmeleitfähigkeit von Bodensubstraten mit den selbst gemessenen Wärmeleitfähig-

keiten der entsprechenden Bodenarten verdeutlicht. Dabei wurde eine Abgrenzung der

Bodenfeuchte gewählt, bei der die Wärmeleitfähigkeiten zwischen Sättigung und Per-


manentem Welkepunkt (pF 4.2) dem VDI-Bereich „wassergesättigt“, und die Spanne

zwischen pF 4.2 und trockenem Zustand dem VDI-Bereich „trocken“ entsprechen.

Tabelle 5: Vergleich der Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Substrate nach VDI mit den eigenen Mes-

sungen; die Abgrenzung zwischen „trocken“ und „wassergesättigt“ nach VDI erfolgt bei den eigenen Mes-

sungen bei einem volumetrischen Wassergehalt bei pF 4.2

Wärmeleitfähigkeit [W/m*K] Substrat VDI

eigene Substrate

Wassergehalts-bereich VDI -

Spanne VDI –

Rechenwert eigene

Messungen Sand, trocken < pF 4.2 0,3 - 0,8 0,4 0,3 - 1,3 Sand, wassergesättigt

mS, Su2, Su3 > pF 4.2 1,7 - 5,0 2,4 1,3 - 3,0

Moräne Sl3, Sl3 (2),

Sl4, Ls4 1,0 - 2,5 2 0,7 - 2,8

Ton/Schluff trocken < pF 4.2 0,4 - 1,0 0,5 0,5 - 1,0 Ton/Schluff wassergesättigt

Lu, Ut2, Ut3, Ut4 > pF 4.2 0,9 - 2,3 1,7 1,0 - 1,5

Torf H4, H8 - H9 0,2 - 0,7 0,4 0,1 - 0,5

Für eine bessere Vorhersage der zu erwartenden Wärmeleitfähigkeit des Bodens und

Wärmeentzugsleistung an einem Standort scheinen folgende Berücksichtigungen in

der VDI-Richtlinie empfehlenswert:

1. Abgrenzung der 5 Lockergesteinsgruppen nach bodenkundlichen Kriterien

2. Berücksichtigung des Einflusses der Trockenrohdichte auf die Wärmeleitfähig-

keit

3. Berücksichtigung der jahreszeitlichen Wassergehaltsänderungen

Dadurch lässt sich die Spanne der zu erwartenden Wärmeleitfähigkeiten des Boden-

substrats besser eingrenzen und die Entzugsleistung für die Winter- und Sommerperi-

ode genauer bestimmen.

Die erhobenen Messdaten bieten zudem die Möglichkeit, anhand bereits vorliegender

Flächeninformationen Aussagen über die thermischen Eigenschaften von Böden tref-

fen zu können. So lässt sich mittels der in Brandenburg flächendeckend vorliegenden

Bodenübersichtskarte (Maßstab 1:300 000) und der digitalen Karte der Reichsboden-

schätzung (1:25 000) die an einem Standort zu erwartende Bodenartenhauptgruppe

abschätzen. Darüber ließen sich mit einer gewissen Detailschärfe die zu erwartenden

Bodenwärmeleitfähigkeiten und möglichen Wärmeentzugsleistungen vorhersagen.

8 Zusammenfassung und Ausblick 64

8 Zusammenfassung und Ausblick

Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Bewertung des Einflusses der Wärmeleitfähigkeit

auf die Nutzung von Böden als Wärmequelle und –speicher durch Erdwärmekollekto-

ren. Dafür wurden die Wärmeleitfähigkeiten von sandigen, lehmigen, schluffigen und

organischen Bodenproben mittels der Thermal-Needle-Probe-Methode im Labor bei

20°C gemessen. Die Messung erfolgte hochaufgelöst an ungestörten, sowie an homo-

genisierten und bei definierten Trockenrohdichten gepackten Substraten für verschie-

dene Wassergehalte. Zusätzlich wurde die Wasserretentionscharakteristik in Form der

pF-/WG-Beziehung für die Substrate beschrieben.

Für die thermische Nutzung von Böden sind die Wärmekapazität und die Wärmeleitfä-

higkeit die entscheidenden Bodeneigenschaften. Beide werden maßgeblich durch die

Volumenanteile und die spezifischen thermischen Eigenschaften der festen, flüssigen

und gasförmigen Bodenphase beeinflusst. Im Gegensatz zur Wärmekapazität lässt

sich die Wärmeleitfähigkeit von Böden jedoch nicht aus den Wärmeleitfähigkeiten der

einzelnen Phasen und deren Volumenanteil berechnen. Dies liegt vor allem daran,

dass der Wärmetransport im Boden ebenso durch die Porengeometrie, die Form und

Anzahl der Kornkontakte zwischen den Mineralkörnern und konvektiven Wasserdampf-

transport beeinflusst wird.

Die Labormessungen zeigen, dass Wassergehalt, SiO2-Gehalt und Trockenrohdichte

die ausschlaggebenden Einflussgrößen für die Wärmeleitfähigkeiten der Bodensub-

strate sind.

Hinsichtlich der formulierten Arbeitshypothesen können folgenden Ergebnisse fest-

gehalten werden:

1. Bei den untersuchen Substraten nimmt die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit

vom Wassergehalt zwischen 0,5 – 2,5 W/m*K vom trockenen zum wasserge-

sättigten Zustand zu. Die Wärmeleitfähigkeiten im wassergesättigten Zustand

und der Verlauf der Wärmeleitfähigkeitszunahme sind dabei stark substratab-

hängig.

2. Böden mit einem hohen Sandanteil weisen im feuchten Zustand hohe (λ > 2,0

W/m*K), tonreiche und organische Substrate hingegen geringere Wärmeleitfä-

higkeiten (0,5 und 2,0 W/m*K) auf. Bei den grobtexturierten, sandigen Substra-

ten konnte eine schnelle Abnahme der Wärmeleitfähigkeit bei Unterschreitung

eines kritischen Wassergehalts (5 – 10 Vol.%) verzeichnet werden.


3. Eine Zunahme der Trockenrohdichte von 1,5 auf 1,9 g/cm³ führt bei allen Sub-

straten zu einer Zunahme der Wärmeleitfähigkeit. Diese ist im trockenen Zu-

stand und bei Wassergehalten < 10 Vol. % weniger deutlich (< 0,5 W/m*K), be-

trägt jedoch oberhalb von 10 Vol. % zwischen 0,5 und 1,0 W/m*K.

4. Die Veränderung der Porengeometrie durch Homogenisieren und Packen führt

bei den lehmigen, stark aggregierten Substraten zu einer Zunahme (bis zu 4

Vol. %) des Wasserrückhaltevermögens und der Wärmeleitfähigkeit gegenüber

den ungestörten Varianten mit selber Trockenrohdichte.

Diese vier untersuchten Substrateigenschaften zeigen einen deutlichen Einfluss auf die

Wärmeleitfähigkeit von Böden und deren wassergehaltsabhängigen Verlauf. Hingegen

zeigte das Absenken der Bodentemperatur von 20°C auf 5°C nur einen geringen Ein-

fluss auf die Wärmeleitfähigkeit der Substrate. Die Unterschiede lagen einzig bei Was-

sergehalten < 5 Vol. % im Bereich von 0,3 W/m*K.

An die Messdaten wurden zwei verschiedene Modelle zur Berechnung der Wärmeleit-

fähigkeit angepasst. Mit einem RMSE, als Maß für Vorhersagegenauigkeit der Modell-

anpassung, mit 0,08 – 0,3 W/m*K, ist die gewählte Parametrisierung der Wärmeleit-

fähigkeitsfunktion jedoch nur ungenügend geeignet, die Zunahme der Wärmeleitfähig-

keit bei steigenden Wassergehalten zu beschreiben und vorherzusagen.

Eine Einteilung der verschiedenen Bodenarten nach deren Wärmeleitfähigkeiten er-

scheint schwierig. Jedoch lassen sich anhand der substratspezifischen Wärmeleitfä-

higkeiten und deren Zunahme, sowie durch die Lage des kritischen Wassergehalts im

Bereich des pflanzenverfügbaren Wassers folgende Gruppen voneinander unterschei-

den: organische Substrate – Schluffe – Lehme – Sande.

In Hinblick auf die thermische Nutzung von Böden durch Erdwärmekollektoren werden

folgende Schlussfolgerungen gezogen:

1. Die Wärmeentzugsleistung von Kollektoranlagen kann je nach vorhandenen

Bodeneigenschaften variieren. Die Kenntnis der an einem Standort vorliegen-

den Bodenart und Trockenrohdichte, sowie der sich daraus ergebenden Wär-

meleitfähigkeit, ermöglichen eine genauere Planung und Vorhersage der zu er-

wartenden Energieeffizienz solcher Anlagen und des notwendigen Flächenbe-

darfs.

2. Durch die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit vom Wassergehalt müssen die

thermischen Bedingungen des Bodens im Zusammenhang mit dem Wasser-

haushalt eines Standorts betrachtet werden. So können die thermischen Bo-

deneigenschaften an einem Standort im Jahresverlauf durch Niederschläge und

Austrocknung in den Sommermonaten stark variieren.


3. Wird bei der Bewertung der thermischen Bodeneigenschaften die Wasserreten-

tionscharakteristik des Substrats mit berücksichtigt, lässt sich bereits im voraus

abschätzen, in welchem Bereich die Wärmeleitfähigkeiten an einem Standort im

Jahresverlauf schwanken können und ob z.B. mit geringen Wärmeleitfähigkei-

ten, wie sie unterhalb des kritischen Wassergehalts auftreten, zu rechnen ist.

Aus der Arbeit leiten sich weitere Aufgaben der Boden- und Standortkunde im Bereich

der Pedothermie ab:

- Abschätzung und Bewertung des Einflusses der Wärmekapazität und

standortspezifischer Gegebenheiten (wie Versiegelung, Pflanzenbe-

wuchs, Grundwasserstand und klimatische Bedingungen) auf den Wär-

mehaushalt des Bodens, sowie auf die Wärmeausbeutung und den Flä-

chenbedarf von Erdwärmekollektoren.

- Erstellung einer umfangreichen Datenbank zu den thermischen und

hydraulischen Bodeneigenschaften. Ableitung einer Pedotransferfunkti-

on und Entwicklung eines Rechentools zur Vorhersage von thermischen

Bodeneigenschaften.

- Entwicklung eines messtechnischen Verfahrens zur Quantifizierung des

Anteils des Wasserdampftransports am gekoppelten Wasser- und Wär-

metransport im Boden.

Diese Aufgaben erfordern neben zusätzlichen Messungen eine eigene intensivere

Kenntnis über die Berechnung des gekoppelten Wasser- und Wärmetransport im porö-

sen Medium Boden. Besonders eine engere Zusammenarbeit mit den angewandten

Ingenieurswissenschaften im Bereich der Energie- und Verfahrenstechnik verspricht

die bisherigen methodischen und anwendungsbezogenen Schwierigkeiten lösen zu

können. Interessant erscheint mir dabei besonders, mit technischen Möglichkeiten die

thermische Nutzung von Böden zu optimieren und nachhaltig zu gestalten.

Die Motivation liegt dabei nicht nur in der Erweiterung des Wissens durch Forschung,

sondern ebenso in der Herausforderung die eigenen Grenzen und Vorurteile zu hinter-

fragen und überwinden zu können.

Anhang: 67

Anhang:

Substrat Ton Schluff Sand

mm < 0.002 0.002-0.0063 0.0063-0.02 0.02-0.063 0.063-0.2 0.2-0.63 0.63-2.0

Bodenart (nach KA5)

[Masse %]

1 3,2 2,3 3,3 5,7 36,3 43,9 5,3 Su2

2 4,1 5,0 7,6 12,8 35,9 30,0 4,5 Su3

3 9,4 3,0 3,9 5,9 23,4 48,3 6,0 Sl3

4 11,4 3,0 5,5 12,3 34,8 28,9 4,1 Sl3

5 13,5 2,4 3,8 6,2 29,3 39,4 5,4 Sl4

6 22,7 6,5 6,4 10,5 24,6 23,2 6,0 Ls4

7 11,3 3,8 18,7 60,3 4,1 1,8 0,0 Ut2

8 19,9 5,5 19,9 51,1 1,8 1,4 0,4 Ut4

9 1,5 0,0 0,5 1,3 15,0 71,6 10,0 mS

10 26,2 9,1 22,7 33,1 5,0 2,2 1,7 Lu

11 12,9 0,7 19,8 62,1 4,2 0,2 0,2 Ut3

Anhang 1: Partikelgrößenanalysen der mineralischen Bodensubstrate

Anhang: 68

Anhang 2: Wasserretention, Gesamtporenvolumen und Kornrohdichten der gestörten Substrate bei verschiedenen Trockenrohdichten

Substrat Bodenart GPV Wassergehalte in Vol.% bei TRD Kornrohdichte


1 Su2 42.2 18.3 15.2 11.3 7.9 6.1 2.9 1.542 2.667

1 Su2 41.0 17.5 7.8 10.5 7.6 5.9 3.0 1.573 2.667

1 Su2 36.7 21.9 12.9 11.6 8.8 7.6 3.2 1.690 2.667

1 Su2 36.6 22.8 13.4 11.8 9.2 7.6 3.2 1.692 2.667

1 Su2 30.3 23.8 17.3 13.6 9.0 6.6 3.5 1.860 2.667

1 Su2 29.7 23.9 17.3 13.7 8.6 6.6 3.6 1.874 2.667

2 Su3 43.1 22.5 18.0 13.7 8.9 6.5 2.9 1.513 2.661

2 Su3 43.0 22.9 18.0 13.7 8.8 6.5 2.9 1.518 2.661

2 Su3 36.8 25.8 18.3 14.0 10.5 7.1 3.2 1.683 2.661

2 Su3 37.1 27.2 18.8 14.6 11.0 8.1 3.2 1.675 2.661

2 Su3 31.9 28.5 17.7 15.0 11.2 7.2 3.4 1.812 2.661

2 Su3 31.5 27.6 18.1 15.0 10.6 7.1 3.5 1.823 2.661

3 Sl3 44.1 18.5 13.7 12.5 11.2 10.2 7.9 1.500 2.683

3 Sl3 43.8 19.0 13.8 12.6 10.1 9.4 8.0 1.507 2.683

3 Sl3 36.7 21.9 15.4 14.0 11.7 11.1 9.0 1.699 2.683

3 Sl3 36.6 21.9 15.3 13.9 12.4 11.4 9.0 1.702 2.683

3 Sl3 29.4 22.9 17.3 15.8 14.5 13.5 10.0 1.895 2.683

3 Sl3 29.1 22.5 16.8 15.3 13.9 13.1 10.1 1.902 2.683

4 Sl3 (2) 43.2 26.3 21.9 19.5 15.3 13.6 11.7 1.524 2.684

4 Sl3 (2) 44.2 26.9 21.6 18.7 15.1 13.4 11.5 1.496 2.684

4 Sl3 (2) 36.95 29.11 24.75 21.58 17.33 15.96 13.03 1.69 2.684

4 Sl3 (2) 37.21 29.66 24.61 21.55 17.15 16.38 12.98 1.69 2.684

4 Sl3 (2) 29.4 25.8 24.5 23.0 20.0 19.0 14.6 1.895 2.684

4 Sl3 (2) 29.4 26.0 25.3 24.3 20.1 19.1 14.6 1.894 2.684

Anhang: 69

Anhang 3: Wasserretention, Gesamtporenvolumen und Kornrohdichten der gestörten Substrate bei verschiedenen Trockenrohdichten

Substrat Bodenart GPV Wassergehalte in Vol.% bei TRD Kornrohdichte


5 Sl4 43.1 23.5 24.2 21.9 18.1 16.3 11.8 1.529 2.690

5 Sl4 42.9 23.1 24.3 22.0 18.7 16.4 11.8 1.535 2.690

5 Sl4 36.7 25.3 23.3 21.9 19.4 17.8 13.1 1.702 2.690

5 Sl4 36.4 25.8 23.2 21.7 19.0 17.3 13.2 1.710 2.690

5 Sl4 29.3 24.8 23.6 22.4 20.5 19.2 14.6 1.901 2.690

5 Sl4 29.3 25.5 23.7 22.6 20.5 19.1 14.6 1.903 2.690

6 Ls4 44.2 33.9 31.1 28.5 24.8 23.0 18.1 1.507 2.699

6 Ls4 44.1 33.3 30.3 27.9 24.3 22.5 18.1 1.509 2.699

6 Ls4 38.1 33.3 31.6 29.8 26.3 25.2 20.0 1.669 2.699

6 Ls4 38.1 33.7 31.3 29.4 25.1 24.2 20.1 1.671 2.699

6 Ls4 30.7 31.2 31.6 31.3 28.3 27.0 22.4 1.870 2.699

6 Ls4 34.2 31.8 32.2 31.9 29.9 28.5 21.3 1.777 2.699

9 mS 39.5 14.0 8.0 4.5 1.8 0.5 1.1 1.604 2.650

9 mS 38.8 13.4 7.0 5.8 3.2 2.6 1.1 1.622 2.650

9 mS 39.3 11.4 5.5 4.1 2.5 2.0 1.1 1.609 2.650

10 Ut3 42.3 41.7 39.3 36.3 23.0 15.9 9.2 1.530 2.650

10 Ut3 46.0 39.2 36.6 34.3 23.7 20.9 8.6 1.432 2.650

10 Ut3 42.0 42.1 40.3 38.7 23.5 14.6 9.2 1.536 2.650

11 Lu 40.6 41.8 40.2 36.8 30.4 26.5 21.7 1.574 2.650

11 Lu 39.1 44.0 40.4 37.9 31.7 27.4 22.3 1.614 2.650

11 Lu 39.2 40.4 40.3 37.5 31.7 27.1 22.2 1.611 2.650

Literaturverzeichnis 70

Literaturverzeichnis

ASTM International (2008): Standard Test Method for Determination of Thermal Con-

ductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure - D 5334 - 08.

BDH (2010): Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie und Umwelttechnik

e.V.: Auslegung von oberflächennahen Erdwärmekollektoren – Informationsblatt Nr.

43. Im Internet: http://bdh-

koeln.de/fileadmin/user_upload/informationsblaetter/Infoblatt_Nr_43_Maerz_2011_Ausl

egung_von_oberflaechennahen_Erdwaermekollektoren.pdf Abruf am: 3.01.2012.

Berlin (2010): Senatsverwaltung für Gesundheit, Umwelt und Verbraucherschutz von

Berlin: Erdwärmenutzung in Berlin – Leitfaden für Erdwärmesonden und Erdwärmekol-

lektoren mit einer Heizleistung bis 30 kW außerhalb von Wasserschutzgebieten. Berlin.

2010.

BMU (2011-1): Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit:

Marktanreizprogramm für erneuerbare Energien - Erste Bilanz des Förderjahres 2010.

Im Internet: http://www.bmu.de/erneuerbare_energien/doc/print/46982.php. Abruf am

15.11.2011.

BMU (2011-2): Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit:

Marktanreizprogramm für erneuerbare Energien - Aktuelle Informationen zur Förderung

2011. im Internet: http://www.bmu.de/erneuerbare_energien/doc/print/46981.php. Abruf

am 15.11.2011.

BRD (2010): Nationaler Aktionsplan für erneuerbare Energie gemäß der Richtlinie

2009/28/EG zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen. BRD.

2010.

De Vries, D.A. (1963): Thermal properties of soils. In: Van Wijk, W.R. (Hrsg.), Physics

of Plant Environment. John Wiley Sons, Inc., New York: 210-235.

Durner, W., Peters, A. (2009): SHYPFIT 2.0 – Software zur Anpassung hydraulischer

Funktionen an Messdaten. Berichte der DBG, September 2009. Bonn.

Eicker, U. et al. (2008): Potential of geothermal heat exchangers for office building cli-

matisation. 2nd PALENC Conference and 28th AIVC Conference on Building Low En-

ergy Cooling and Advanced Ventilation Technologies in the 21st Century, September

2007. Greece. Crete Island.


ETI (2009): Brandenburgische Energie Technologie Initiative: Nutzung von Erdwärme

in Brandenburg - Heizen und Kühlen mit oberflächennaher Geothermie: Ein Leitfaden

für Bauherren, Planer und Fachhandwerker. 1. Auflage. Im Internet: http://www.eti-

branden-

burg.de/fileadmin/user_upload/Energiethemen/Geothermie/geothermieleitfaden_brand

enburg.pdf Abruf am 03.01.2012.

Geiger, R. (1961): Das Klima der bodennahen Luftschicht. Die Wissenschaft – Band

78. Friedr. Vieweg & Sohn. Braunschweig.1961.

Gisi, U. et al. (1990): Bodenökologie. Georg Thieme Verlag. 1990. Stuttgart. S. 84 –

87.

Hiraiwa, Y., Kasubuchi, T. (2000): Temperature dependence of thermal conductivity of

soil over a wide range of temperature (5 – 75°C). European Journal of Soil Science.

2000. 51, 211 – 218.

IEEE (2008): IEEE Guide for Soil Thermal Resistivity Measurements – Std. 442-1981

(reaffirmed 1996).

Johansen, O. (1975): Thermal conductivity of soils. Ph.D. diss. Norwegian University of

Science and Technology, Trondheim (CRREL draft transl. 637).

KA5 (2005): Bodenkundliche Kartieranleitung – 5. verbesserte und erweiterte Auflage.

Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe. Hannover. 2005.

LBGR (2012): Schriftliche Mitteilung von Albrecht Bauriegel zu den hydraulischen Ei-

genschaften von Unterbodenhorizonten mit der Bodenart Sl3. Landesamt für Bergbau,

Geologie und Rohstoffe - Brandenburg.

Lu, S., T. Ren, Y. Gong, R. Horton (2007): An Improved Model for Predicting Soil

Thermal Conductivity from Water Content at Room Temperature. Soil Sci. Soc. Am. J.

78: 8-4.

Peters, A., Durner, W. (2008): Simplified evaporation method for determining soil hy-

draulic properties. Journal of Hydrology 356. pp. 147-162.

Philip, J.R., de Vries, D.A. (1957): Moisture movement in porous materials under tem-

perature gradients. Trans. AGU 38(3), 222-232.

Platt, M., S. Exner, R. Bracke (2010): Analyse des deutschen Wärmepumpenmarktes -

Bestandsaufnahme und Trends. GeothermieZentrum Bochum. März 2011.

Saito, H., J. Simunek, B.P. Mohanty (2006): Numerical Analysis of Coupled Water,

Vapor and Heat Transport in the Vadose Zone. Vadose Zone Journal 5, pp. 784-800.

Scheffer, F., Schachtschabel, P. et al. (2010): Lehrbuch der Bodenkunde. Spektrum

Akademischer Verlag Heidelberg. 2010. 16. Auflage. S. 257.


SSSA (2002) Methods of Soil Analysis – Part 4 Physical Methods. Soil Science Society

of America, Inc. Wisconsin USA.

Trinks, S. (2010): Einfluss des Wasser- und Wärmehaushaltes von Böden auf den Be-

trieb von erdverlegten Energiekabeln. Technische Universität Berlin. Selbstverlag.

UBA (2008): Elektrische Wärmepumpen – eine erneuerbare Energie? Umweltbundes-

amt, Fachgebiet I 2.4. Energieeffizienz. Dessau. 29. Mai 2008.

Van Genuchten, M. Th. (1980): A closed-form equation for predicting the hydraulic

conductivity for unsaturated soils. Soil Sci. Soc. Am. J., 44: 892–898.

VDI 4640: Verein Deutscher Ingenieure: Thermische Nutzung des Untergrundes –

Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen. Düsseldorf. 2001.

Erklärung 73

Erklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbständig angefertigt habe.

Es wurden nur die in der Arbeit ausdrücklich benannten Quellen und Hilfsmittel be-

nutzt. Wörtlich oder sinngemäß übernommenes Gedankengut habe ich als solches

kenntlich gemacht.

Ort, Datum Unterschrift

einfluss von substrateigenschaften auf die ... · kurzfassung 2 - danksagung - ich danke allen, die...

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