Ziel des hier beantragten Forschungsvorhabens ist es, anhand experimenteller und numerischer Untersuchungen ein Finite-Elemente-Mehrphasen-Modell für das Wärmetransportverhalten im Untergrund zu verifizieren. Anhand der experimentellen Ergebnisse können die konduktiven und konvektiven Anteile des Wärmetransportes quantifiziert werden und damit das Wärmetransport- und Wärmespeicherverhalten im Untergrund vor Allem bei vorhandener Grundwasserströmung genauer prognostiziert werden. Zur Verifizierung des Mehrphasen-Berechnungsmodells sind experimentelle Laboruntersuchungen, die Durchführung von TRT bei definierten GW-Strömungsverhältnissen sowie numerische Simulationsberechnungen der Labor- und Felduntersuchungen vorgesehen. Für die experimentellen Laboruntersuchungen ist ein Versuchstand geplant, in dem an wasserdurchströmten Bodenproben Wärmeleitfähigkeitsversuche bei verschiedenen hydraulischen Gradienten durchgeführt werden können. Zusätzlich sollen an nicht durchströmten Proben mit unterschiedlichen Verdichtungsgraden Wärmeleitfähigkeitsversuche durchgeführt werden. Unter Berücksichtigung der experimentellen Untersuchungsergebnisse werden numerische Simulationsberechnungen der TRT und der Laborversuche mit der Finite Elemente Methode durchgeführt.
Der Projektverbund 'geomatrix.bw' bündelt die Kernkompetenzen dreier Hochschulinstitute auf dem Gebiet der geothermischer Nutzung des Untergrundes, namentlich das Zentrum für angewandte Geowissenschaften (ZAG), der Universität Tübingen, die Versuchseinrichtung zur Grundwasser und Altlastensanierung (VEGAS), der Universität Stuttgart, sowie das Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen (zafh.net), der Hochschule für Technik Stuttgart. Für die Feldforschung und messtechnische Ausrüstung der zu untersuchenden Sondenfelder übernimmt die VEGAS die Federführung, für die Berechnung der Ausbreitung von Temperaturfahnen im Grundwasser im Nahfeld bis hin zu mittleren Entfernungen, zeichnet das ZAG verantwortlich, während die gebäudeseitige Bilanzierung von oberflächennahen Geothermieanlagen mit Simulation des Sondennahfeldes dem zafh.net obliegt. Im Berichtsjahr wurden Arbeiten in allen Arbeitspaketen des zafh.net Projektes durchgeführt, der Fokus lag dabei in der Untersuchung der Veränderung der Bodentemperatur für verschiedene Lastprofile. Als Basis diente ein reales Lastprofil eines Bürogebäudes, bei dem sowohl Heiz- als auch Kühllasten abzuführen sind. Es wurden verschiedene Varianten simuliert, um den Einfluss unterschiedlicher Jahresenergiebilanzen auf das Erdreich zu analysieren. Neben der Harmonisierung des Lastgangs wurde das Verhältnis der Heiz-und Kühlanforderungen variiert. In der Variante 'Energie' wurde die kumulierte Kühllast so angepasst, dass sie mit der kumulierten Heizlast identisch ist. In der Variante 'Spitzenlast' wurde die Maximalheizlast der Maximalkühllast angepasst, jedoch ist der kumulierte Jahresbedarf an Wärme und Kälte weiterhin unterschiedlich. In der dritten Variante 'Büro' wurde die Heizlast auf das doppelte der Kühllast ausgelegt wobei der Heizwärmebedarf den Kühlbedarf deutlich übersteigt. Die zur Simulation des Sondenfeldes eingesetzte Software wurde anhand einer messtechnisch erfassten Anlage verifiziert. Verwendet werden hierzu Thermal-Response-Tests, bei denen die eingebrachte Heizleistung, sowie die Vorlauf-und Rücklauftemperaturen gemessen und Simulationsergebnissen gegenübergestellt wurden. Um die Nutzung oberflächennaher Geothermie in komplexen Großprojekten zu analysieren, wurde ein Supermarkt untersucht, der mit einem integrierten Kälte-Kaskadensystem versorgt wird, bei dem Erdsonden zur Rückkühlung sowie als Niedertemperaturwärmequelle für die Beheizung des Gebäudes mittels Wärmepumpen eingesetzt werden.