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Bestimmung thermischer Eigenschaften der Gesteine des Unteren und Mittleren Buntsandsteins

Determination of thermal rock properties of Mesozoic sandstones

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Zusammenfassung

Für die Auslegung von Erdwärmesondenanlagen ist die genaue Kenntnis der thermischen Eigenschaften des Untergrundes von großer Bedeutung. In der hier vorliegenden Studie wurden im Rahmen des EU-kofinanzierten Projektes „Informationsoffensive Oberflächennahe Geothermie“ am LfU Bayern an vier Kernbohrungen des Unteren und Mittleren Buntsandsteins thermische Gesteinseigenschaften bestimmt.

Die Messung der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit erfolgte mittels der Optical-Scanning-Messmethode (TCS). Die mittleren Wärmeleitfähigkeiten schwanken zwischen 2,6 ± 0,3 W / (m · K) und 3,1 ± 0,4 W / (m · K) im trockenen Zustand sowie zwischen 3,6 ± 0,3 W / (m · K) und 4,1 ± 0,6 W / (m · K) unter gesättigten Bedingungen. Die mittleren Temperaturleitfähigkeiten betragen (1,6 ± 0,2) · 10− 6 m2 / s für trockene und (2,0 ± 0,6) · 10− 6 m2 / s für gesättigte Sandsteine. Die Ergebnisse lassen regionale petrographische und lithostratigraphische Besonderheiten erkennen.

Um die Übertragbarkeit der Labormessungen auf reale geothermische Systeme zu untersuchen, wurden Modellrechnungen zur Anpassungen an die Untergrundtemperatur vorgenommen. Die Resultate zeigen, dass verschiedene Ansätze von Temperaturkorrekturen zu erheblichen Differenzen in der Wärmeleitfähigkeit führen können. Die Ansätze von Somerton (Thermal properties on temperature-related behavior of rock/fluid systems, Elsevier, New York, S 257, 1992) und Sass et al. (J Geophys Res, 97:5017–5030, 1992) waren am besten für die hier untersuchten Sandsteinproben geeignet.

Abstract

For accurate planning of vertical borehole heat exchanger systems, knowledge of thermo-physical ground parameters is critical. This study reports laboratory-measured thermal conductivity and diffusivity values of Mesozoic sandstones (Lower and Middle Buntsandstein) from four wells. The measurements were made on drill core using an optical scanning method. The mean thermal conductivities of the sandstones range between 2.6 ± 0.3 W / (m · K) and 3.1 ± 0.4 W / (m · K) for dry conditions and between 3.6 ± 0.3 W / (m · K) and 4.1 ± 0.6 W / (m · K) after saturation with water. The mean thermal diffusivity values range between (1.6 ± 0.2) · 10− 6 m2 / s for dry and (2.0 ± 0.6) · 10− 6 m2 / s for water-saturated sandstones. Thermal properties are closely related to the petrography and lithostratigraphy of the sandstones. Additionally, three temperature correction methods were applied for the purpose of evaluating the comparative accuracy and the correction schemes with respect to local in-situ conditions. The results show that the temperature corrections proposed by Somerton (Thermal properties on temperature-related behavior of rock/fluid systems, Elsevier, New York, S 257, 1992) and Sass et al. (J Geophys Res, 97:5017–5030, 1992) are most suited for the respective sandstone data set.

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Authors and Affiliations

  1. Bayerisches Landesamt für Umwelt, Hans-Högn-Straße 12, 95030, Hof, Deutschland

    Claudia Franz & Marcellus Schulze

Authors
  1. Claudia Franz
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  2. Marcellus Schulze
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Franz, C., Schulze, M. Bestimmung thermischer Eigenschaften der Gesteine des Unteren und Mittleren Buntsandsteins. Grundwasser 21, 47–58 (2016). https://doi.org/10.1007/s00767-015-0316-6

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