Bestimmung thermischer Untergrundparameter in Erdwärmesondenfeldern und Evaluierung tiefenaufgelöster Thermal-Response-Tests durch thermohydraulische Modellierungen

Die oberflächennahe Geothermie leistet im Bereich der Nutzung regenerativer Wärme einen wichtigen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz. Um die technische Nutzung oberflächennaher Geothermie zu optimieren, ist die Kenntnis der Beschaffenheit des geologischen Untergrundes ausschlaggebend. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bestimmung verschiedener Untergrundparameter an einem Erdwärmesondenfeld. Es wurden Untersuchungen zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wie der enhanced Thermal Response Test (eTRT), sowie eine Untergrund-Temperaturüberwachung im ersten Betriebsjahr durchgeführt. Die Überwachung zeigte keine gegenseitige Beeinflussung einzelner Sonden. Ein Vergleich zwischen dem geplanten und dem tatsächlichem Wärmebedarf des ersten Betriebsjahres ergab eine Abweichung von ca. 35%. Dies zeigt, dass die Nutzungsparameter der Anlage deren Effizienz maßgeblich beeinflussen können. Der am Beispielobjekt praktisch durchgeführte eTRT wurde mittels numerischer Modellierung auf seine Reproduzierbarkeit hin überprüft. Bei einem rein konduktiven Wärmetransport im Untergrund betrug die maximale Abweichung der Messung selbst unter ungünstigen Bedingungen lediglich ca. 6% vom zu erwartenden Wert. Die Detektion von grundwasserdurchflossenen Schichten ist in den Modellen ebenfalls gut abbildbar. Problematisch bleibt die hohe Abhängigkeit des Tests von einer konstanten Wärmezufuhr. Lediglich die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit über das Relaxationsverhalten des Untergrundes liefert bei Wärmeeintragsschwankungen hinreichend genaue Ergebnisse. Die mathematische Nachbearbeitung von fehlerhaften Temperaturkurven bietet einen Einstiegspunkt für weiterführende Forschung.

On the convergence of the no response test

The no response test is a new scheme in inverse problems for partial differential equations which was recently proposed in [D. R. Luke and R. Potthast, SIAM J. Appl. Math., 63 (2003), pp. 1292–1312] in the framework of inverse acoustic scattering problems. The main idea of the scheme is to construct special probing waves which are small on some test domain. Then the response for these waves is constructed. If the response is small, the unknown object is assumed to be a subset of the test domain. The response is constructed from one, several, or many particular solutions of the problem under consideration. In this paper, we investigate the convergence of the no response test for the reconstruction information about inclusions D from the Cauchy values of solutions to the Helmholtz equation on an outer surface $\partial\Omega$ with $\overline{D} \subset \Omega$. We show that the one‐wave no response test provides a criterion to test the analytic extensibility of a field. In particular, we investigate the construction of approximations for the set of singular points $N(u)$ of the total fields u from one given pair of Cauchy data. Thus, the no response test solves a particular version of the classical Cauchy problem. Also, if an infinite number of fields is given, we prove that a multifield version of the no response test reconstructs the unknown inclusion D. This is the first convergence analysis which could be achieved for the no response test.

Unification of the probe and singular sources methods for the inverse boundary value problem by the no-response test

In this article, we use the no-response test idea, introduced in Luke and Potthast (2003) and Potthast (Preprint) and the inverse obstacle problem, to identify the interface of the discontinuity of the coefficient gamma of the equation del (.) gamma(x)del + c(x) with piecewise regular gamma and bounded function c(x). We use infinitely many Cauchy data as measurement and give a reconstructive method to localize the interface. We will base this multiwave version of the no-response test on two different proofs. The first one contains a pointwise estimate as used by the singular sources method. The second one is built on an energy (or an integral) estimate which is the basis of the probe method. As a conclusion of this, the probe and the singular sources methods are equivalent regarding their convergence and the no-response test can be seen as a unified framework for these methods. As a further contribution, we provide a formula to reconstruct the values of the jump of gamma(x), x is an element of partial derivative D at the boundary. A second consequence of this formula is that the blow-up rate of the indicator functions of the probe and singular sources methods at the interface is given by the order of the singularity of the fundamental solution.

Application of an auditory steady-state response test to evaluate the attenuation of hearing protection devices

This research aims to present a new method to get real attenuation of hearing protection devices, with good reproducibility and a small standard deviation, without relying on skills and cooperation individual. Thus the authors performed tests in 10 individuals without protection and after with two kinds of ear protections (ear plug and ear muffs), to get the threshold limit value in each of the 3 stages. For this, the research used an electrophysical exam, normally used in speech therapy, named ASSR (auditory steady-state response). The principle of this exam is put on individual’s head 3 electrodes, to capture electrical signs directly in auditory nerve. In summary, the authors presented the final results. The method proposed by ANSI (American National Standards Institute) indicated an attenuation of 27.6 dB for ear plugs, while the value found in this work was 16 dB; and for ear muffs, the ANSI method indicated 29.8 dB while the value found here was 28.5 dB.

Analisi della stabilità dei risultati dei test di risposta termica: prove in campo, confronto e analisi critica per diversi metodi di esecuzione e modellizzazione

Il Test di Risposta Termica (Thermal Response Test-TRT) (Mogenson,1983) è il test esistente con il più alto grado di accuratezza per la caratterizzazione del reservoir geotermico superficiale. Il test consiste in una simulazione in situ del funzionamento di un sistema a circuito chiuso di sfruttamento dell’energia geotermica, per un periodo limitato di tempo, attraverso l’iniezione o estrazione di calore a potenza costante all’interno del geo-scambiatore (Borehole Heat Exchanger-BHE). Dall’analisi della variazione delle temperature del fluido circolante, è possibile avere una stima delle proprietà termiche medie del volume del reservoir geotermico interessato dal test. Le grandezze principali per la caratterizzazione di un serbatoio geotermico sono la conduttività termica (λ), la capacità termica volumetrica (c), la temperatura indisturbata del suolo (Tg) e la resistenza termica del pozzo (Rb); la loro determinazione è necessaria per il corretto progettazione degli geo-scambiatori. I risultati del TRT sono tuttavia sensibili alle condizioni al contorno spazio-temporali quali ad es.: variazione della temperatura del terreno, movimento d’acqua di falda, condizioni metereologiche, eventi stagionali, ecc. Questo lavoro vuole: i) introdurre uno studio sui problemi di caratterizzazione del reservoir geotermico superficiale, in particolare analizzando l’effetto che il movimento d’acqua di falda ha sui parametri termici; ii) analizzare la sensitività dei risultati del test alle variabilità dei parametri caratteristici del funzionamento delle attrezzature. Parte del lavoro della mia tesi è stata svolta in azienda per un periodo di 4 mesi presso la “Groenholland Geo Energy systems” che ha sede ad Amsterdam in Olanda. Tre diversi esperimenti sono stati realizzati sullo stesso sito (stratigrafia nota del terreno: argilla, sabbia fine e sabbia grossa) usando una sonda profonda 30 metri e diversi pozzi per l’estrazione d’acqua e per monitorare gli effetti in prossimità del geo scambiatore. I risultati degli esperimenti sono stati molto diversi tra di loro, non solo in termini di dati registrati (temperature del fluido termovettore), ma in termini dei valori dei parametri ottenuti elaborando i dati. In particolare non è sufficiente adottare il modello classico della sorgente lineare infinita (Infinite Line Source Solution- ILS) (Ingersoll and Plass, 1948), il quale descrive il trasferimento di calore per conduzione in un mezzo omogeneo indefinito a temperatura costante. Infatti, lo scambio di calore avviene anche tramite convezione causata dal movimento d’acqua di falda, non identificabile mediante gli approcci classici tipo CUSUM test (Cumulative Sum test) (Brown e altri,1975) Lo studio della tesi vuole dare un quadro di riferimento per correlare la variabilità dei risultati con la variabilità delle condizioni al contorno. L’analisi integra le metodologie classiche (ILS) con un approccio geostatistico utile a comprendere i fenomeni e fluttuazioni che caratterizzano il test. Lo studio delle principali variabili e parametri del test, quali temperatura in ingresso e uscita del fluido termovettore, portata del fluido e potenza iniettata o estratta, è stato sviluppato mediante: il variogramma temporale, ovvero la semivarianza dell’accrescimento, che esprime il tipo di autocorrelazione temporale della variabile in esame; la covarianza incrociata temporale, ovvero la covarianza fra due variabili del sistema, che ne definisce quantitativamente il grado di correlazione in funzionamento del loro sfasamento temporale. L’approccio geostatistico proposto considera la temperatura del fluido Tf come una funzione aleatoria (FA) non stazionaria nel tempo (Chiles, 1999), il cui trend è formalmente definito, ma deve essere identificato numericamente. Si considera quindi un classico modello a residuo; in cui la FA è modellizzata come la somma di un termine deterministico, la media (il valore atteso) m(t),coincidente col modello descritto dalla teoria della sorgente lineare infinità, e di un termine aleatorio, la fluttuazione, Y(t). Le variabili portata e potenza sono invece considerate delle funzioni aleatorie stazionarie nel tempo, ovvero a media costante. Da questo studio di Tesi si sono raggiunte delle conclusioni molto importanti per lo studio del TRT: Confronto tra gli esperimenti in estrazione di calore, con e senza movimento d’acqua di falda: si studia l’effetto indotto dalla falda sul TRT. E’ possibile caratterizzare quantitativamente l’incremento della conducibilità termica equivalente legata a fenomeni convettivi dovuti al movimento d’acqua di falda. Inoltre, i variogrammi sperimentali evidenziano periodicità simili nei due casi e legate al funzionamento della pompa di calore e della componentistica associata ed alla circolazione del fluido termovettore all’interno della sonda. Tuttavia, la componente advettiva ha un effetto di smorzamento sulle piccole periodicità dei variogrammi, ma di aumento dell’ampiezza delle periodicità maggiori a causa del funzionamento della pompa di calore che deve fornire maggiore energia al sistema per bilanciare le dispersioni dovute al movimento d’acqua di falda. Confronto fra estrazione ed iniezione di calore, con movimento d’acqua di falda: si studia la significatività dei risultati nei due casi. L’analisi delle variografie evidenzia significative differenze nella struttura dei variogrammi sperimentali. In particolare, nel test con iniezione di calore i variogrammi sperimentali delle temperature hanno valori sistematicamente inferiori, circostanza che assicura una migliore precisione nella stima dei parametri termici. Quindi eseguire il TRT in iniezione di calore risulta più preciso. Dall’analisi dei variogrammi sperimentali delle singole variabili quali temperatura del fluido in ingresso e uscita all’interno del geoscambiatore è stato confermato il fenomeno di smorzamento delle oscillazioni da parte del terreno. Dall’analisi delle singole variabili del test (temperature, potenza, portata) è stata confermata l’indipendenza temporale fra portate e temperature. Ciò è evidenziato dalle diverse strutture dei variogrammi diretti e dalle covarianze incrociate prossime a zero. Mediante correlogrami è stato dimostrato la possibilità di calcolare il tempo impiegato dal fluido termovettore per circolare all’interno della sonda. L’analisi geostatistica ha permesso quindi di studiare in dettaglio la sensitività dei risultati del TRT alle diverse condizioni al contorno, quelle legate al reservoir e quelle legate al funzionamento delle attrezzature

Thermal response model of free-running buildings = Model toplotnega odziva netermostatiranih stabv

Reducing energy consumption and eliminating wastage are among the main goals of the European Union (EU) [2]. In order to satisfy all challenges arising from the Kyoto protocol, improving energy efficiency is a very important factor to take into account. There is significant potential for reducing consumption with cost-effective measures. Some studies show that 40% of our energy is consumed in buildings, and the EU has introduced legislation that aims to ensure that less energy is consumed in this way in the future.

A proposed concept for determining the need for air conditioning for buildings based on building thermal response and human comfort /

Includes bibliographical references.

Thermal response of Bragg gratings in PMMA microstructured optical fibers

We report on the thermal characteristics of Bragg gratings fabricated in polymer optical fibers. We have observed a permanent shift in the grating wavelength at room temperature which occurs when the grating has been heated above a threshold temperature. This threshold temperature is dependent on the thermal history of the grating, and we attribute the effect to a shrinking of the fiber. This effect can be avoided by annealing the fiber before grating inscription, resulting in a linear response with temperature and an increased linear operating temperature range of the grating.

Thermal response of Bragg gratings in PMMA microstructured optical fibers

We report on the thermal characteristics or Bragg gratings fabricated in polymer optical fibers. We have observed a permanent shift in the grating wavelength at room temperature which occurs when the grating has been heated above a threshold temperature. This threshold temperature is dependent on the thermal history of the grating, and we attribute the effect to a shrinking of the fiber. This effect can be avoided by annealing the fiber before grating inscription, resulting in a linear response with temperature and an increased linear operating temperature range of the grating. © 2007 Optical Society of America.

THERMAL VACUUM TEST CORRELATION OF A ZERO PROPELLANT LOAD CASE THERMAL CAPACITANCE PROPELLANT GAUGING ANALYTICAL MODEL

This thesis describes the development and correlation of a thermal model that forms the foundation of a thermal capacitance spacecraft propellant load estimator. Specific details of creating the thermal model for the diaphragm propellant tank used on NASA’s Magnetospheric Multiscale spacecraft using ANSYS and the correlation process implemented are presented. The thermal model was correlated to within +/- 3 Celsius of the thermal vacuum test data, and was determined sufficient to make future propellant predictions on MMS. The model was also found to be relatively sensitive to uncertainties in applied heat flux and mass knowledge of the tank. More work is needed to improve temperature predictions in the upper hemisphere of the propellant tank where predictions were found to be 2-2.5 Celsius lower than the test data. A road map for applying the model to predict propellant loads on the actual MMS spacecraft in 2017-2018 is also presented.

Characterization of geothermal reservoirs’ parameters by inverse problem resolution and geostatistical simulations

BTES (borehole thermal energy storage)systems exchange thermal energy by conduction with the surrounding ground through borehole materials. The spatial variability of the geological properties and the space-time variability of hydrogeological conditions affect the real power rate of heat exchangers and, consequently, the amount of energy extracted from / injected into the ground. For this reason, it is not an easy task to identify the underground thermal properties to use when designing. At the current state of technology, Thermal Response Test (TRT) is the in situ test for the characterization of ground thermal properties with the higher degree of accuracy, but it doesn’t fully solve the problem of characterizing the thermal properties of a shallow geothermal reservoir, simply because it characterizes only the neighborhood of the heat exchanger at hand and only for the test duration. Different analytical and numerical models exist for the characterization of shallow geothermal reservoir, but they are still inadequate and not exhaustive: more sophisticated models must be taken into account and a geostatistical approach is needed to tackle natural variability and estimates uncertainty. The approach adopted for reservoir characterization is the “inverse problem”, typical of oil&gas field analysis. Similarly, we create different realizations of thermal properties by direct sequential simulation and we find the best one fitting real production data (fluid temperature along time). The software used to develop heat production simulation is FEFLOW 5.4 (Finite Element subsurface FLOW system). A geostatistical reservoir model has been set up based on literature thermal properties data and spatial variability hypotheses, and a real TRT has been tested. Then we analyzed and used as well two other codes (SA-Geotherm and FV-Geotherm) which are two implementation of the same numerical model of FEFLOW (Al-Khoury model).