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Erdbodentemperatur: Berechnung und Simulation von Temperaturprofilen

Bodentemperaturen sind für die Berechnung und Simulation von kalten Nahwärmenetzen von großer Bedeutung, insbesondere wenn ungedämmte Rohre verwendet werden. Die Temperaturen des Erdreichs beeinflussen die Wärmeverluste in Wärmenetzen.

Wovon hängt die Erdbodentemperatur ab?

Der maßgebende Einfluss auf die Temperaturänderungen im Boden ist das Wetter. Lufttemperaturen, Sonneneinstrahlung und Niederschlag sind hierbei die entscheidenden Einflussgrößen. Im Wesentlichen folgen die Erdbodentemperaturen der Lufttemperatur. Grundsätzlich ist das Profil der Erdbodentemperatur hierbei abhängig von der Tiefe unter der Erdbodenoberfläche. Es gilt, dass tiefer unter der Erde liegende Temperaturschichten weniger sensitiv auf Temperaturschwankungen der Lufttemperatur reagieren. Dies ist in Abbildung 1 beispielhaft dargestellt: Direkt unter der Erdoberfläche folgt die Erdbodentemperatur direkt der Außenlufttemperatur. In großer Tiefe ist hingegen die Erdbodentemperatur konstant. Interessanterweise kommt es aufgrund der zeitlich verzögerten Temperaturpropagation in den Erdboden dazu, dass die höchste Temperatur im Jahresverlauf sich mit zunehmender Tiefe zeitlich verschiebt. So wird direkt unter der Erdoberfläche das Temperaturmaximum am heißesten Sommertag erreicht. Das Temperaturmaximum in einigen Metern Tiefe wird hingegen erst im Herbst oder gar Winter erreicht.

Verlauf der Erdbodentemperatur über die Tiefe für verschiedene Jahreszeiten
Abbildung 1: Verlauf der Erdbodentemperatur über die Tiefe für verschiedene Jahreszeiten

Wie werden Temperaturprofile berechnet?

Für die Berechnung von Erdbodentemperaturen auf Basis von Wetterdaten wurden eine Vielzahl unterschiedlicher Modelle entwickelt. Die einfachsten Modelle nehmen einen Sinusverlauf an und parameterieren diesen mit Hilfe von einigen wenigen Wetterdaten. Diese Modelle sind für eine Abschätzung der Erdbodentemperatur nur bedingt geeignet. Detailliertere Modelle basieren auf Energiebilanzen um Erdschichten. Die aufwendigsten Modellansätze basieren auf Finite-Elmente-Ansätzen. Bei diesen Ansätzen wird das Erdreich bis zu einer bestimmten Tiefe in Berechnungszellen diskretisieren und für jede Zelle wird eine Energiebilanz zu jedem Zeitschritt aufgestellt. Der Nachteil dieser dynamischen FEM-Modelle ist der hohe Bedarf an Eingangsdaten und der hohe Berechnungsaufwand.
Im nPro-Tool wird ein Berechnungsansatz mit mittlerer Genauigkeit gewählt. Dieser nutzt Wetterzeitreihen mit stündlicher Auflösung (Lufttemperatur, etc.). Der gewählte Ansatz liefert für Auslegungsrechnung ausreichend genaue Temperaturprofile und ermöglicht eine hinreichend genaue Abschätzung der Wärmegewinne und -verluste in kalten Nahwärmenetzen.

Verlauf der Erdbodentemperatur über den Verlauf eines Jahres in einer Tiefe von 1 m
Abbildung 2: Verlauf der Erdbodentemperatur über den Verlauf eines Jahres in einer Tiefe von 1 m (berechnet mit dem nPro-Tool)
Im nPro-Tool werden Jahresprofile für die Erdbodentemperatur berechnet und für die Abschätzung von Wärmeeinträgen und -verlusten bei kalten Nahwärmenetzen genutzt.

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