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Anthropogene Wärmeflüsse in das Grundwasser von Karlsruhe und Köln

Susanne Benz1, Peter Bayer2, Kathrin Menberg1, Stephan Jung1, Philipp Blum1
1 Institut für Angewandte Geowissenschaften, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
2 Geologisches Institut, ETH Zürich

O 8.5 in Geothermie und Geocooling

29.05.2014, 11:40-12:00, H18, NW II

 

Urbane Wärmeinseln im Untergrund sind bisher nur wenig untersucht und die zugrundeliegenden Prozesse nicht vollständig verstanden. Dennoch sind sie für eine Vielzahl von hydrogeologischen und geothermischen Fragestellungen im urbanen Raum, wie z.B. Grundwasserschutz und geothermische Nutzung (Zhu et al. 2010), von großer Bedeutung.

Viele Ursachen der Erwärmung des urbanen Untergrunds sind anthropogen, z.B. die Wärmeabgabe von Gebäudekellern und Abwasserkanälen. Diese Ursachen und ihre Wirkung je nach Stadt zu erkennen, sie zu klassifizieren und die Wärmetransportprozesse verlässlich zu beschreiben ist fundamental für die Erarbeitung eines nachhaltigen Nutzungskonzepts städtischer Aquifere.

Ziel dieser Arbeit ist es nun, die dominierenden anthropogenen Wärmeflüsse in das oberflächennahe Grundwasser von Köln und Karlsruhe mit unterschiedlichen Methoden zu quantifizieren.

 

Zur Berechnung der Energiebilanz ziehen wir ein analytisches Wärmetransportmodell heran, das mit Hilfe einer Monte-Carlo (MC) Simulation ausgewertet wird (Menberg et al. 2013). Im Modell werden potentielle Quellen für erhöhte Wärmeeinträge identifiziert und ihre gemeinsame Wirkung abgebildet. Als Referenz wählen wir die Grundwasseroberfläche. In Bezug auf die räumliche Diskretisierung (in 10 m × 10 m Pixeln) werden zwei Ansätze verglichen:

1.    Lokale MC (LMC) Methode: ausschließlich die lokale Wärmeabgabe von Gebäudekellern wird flächenhaft berechnet. Diese Variante gibt bei relativ geringem Datenbedarf vereinfachend Einblick in die Wärmebeiträge.

2.    Regionalisierte MC (RMC) Methode: alle dominierenden Wärmeflüsse werden räumlich abhängig betrachtet, und für jeden Pixel des Untersuchungsgebiets wird eine MC Simulation zur Bestimmung der verschiedenen Wärmeflüsse durchgeführt. Durch dieses aufwendigere Verfahren kann die räumliche Verteilung der Wärmestromdichte besser aufgelöst werden.

 

Die Summe der anthropogenen Wärmeeinträge beträgt für Karlsruhe mit der LMC Methode 52 ± 37 MW und mit der RMC Methode 48,7 ± 8,1 MW. In Köln führen vergleichsweise hohe Flurabstände zu einem niedrigeren Temperaturgradienten: es ergibt sich mit der LMC Methode 33 ± 31 MW und mit der RMC Methode 34,6 ± 9,3 MW.

In beiden Städten sind Wärmeflüsse aus Gebäudekellern (Karlsruhe: 7,0 ± 2,1 MW; Köln: 12,2 ± 3,6 MW) und durch erhöhte Oberflächentemperaturen (Karlsruhe: 24,5 ± 7,5 MW; Köln: 9,1 ± 2,7 MW) die dominierenden.

In Karlsruhe zeigt die RMC Methode jedoch, dass bezogen auf den lokalen Wärmefluss punktuelle Kühlwassereinleitungen zu den höchsten Wärmestromdichten von bis zu 19,5 W/m² führen (Abb.1).

 

Die Gegenüberstellung der beiden Methoden zeigt, dass sich zwar durch eine räumlich hochaufgelöste Betrachtung (RMC Methode) die Beschreibungsunsicherheit verringern lässt, aber auch ein einfacher MC Ansatz (LMC Methode) zu vergleichbaren Ergebnissen führt. Die räumliche Berechnung der Wärmeflüsse ist allerdings wertvoller für die Entwicklung eines regionalisierten, geothermischen Nutzungskonzepts.

Abb.1: Anthropogener Wärmefluss in das Grundwasser von Karlsruhe. Die Kühlwassereinleitungen im Westen der Stadt führen zu den höchsten Wärmestromdichten von bis zu 19,5 W/m².
Abb.1: Anthropogener Wärmefluss in das Grundwasser von Karlsruhe. Die Kühlwassereinleitungen im Westen der Stadt führen zu den höchsten Wärmestromdichten von bis zu 19,5 W/m².



Menberg, K., Blum, P., Schaffitel,  A., & Bayer, P. (2013): Long-Term Evolution of Anthropogenic Heat Fluxes into a Subsurface Urban Heat Island. Environmental Science & Technology 47: 9747−9755.

Zhu, K., Blum, P. Ferguson, G., Balke, K.-D. & Bayer, P. (2010): The geothermal potential of urban heat islands. Environmental Research letters 5: art. no. 044002



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Letzte Änderung 31.10.2013