Thermal Response Test (TRT)

Was ist ein Thermal Response Test?

Ein Thermal Response Test (TRT) ist ein In-situ-Messverfahren zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit (Lambda, λ) des Untergrunds und des thermischen Bohrlochwiderstands (Rb) an einer fertig ausgebauten Erdwärmesonde. Der TRT liefert damit die beiden zentralen Eingabeparameter für die Simulation und Auslegung von Erdwärmesondenanlagen mit Planungssoftware wie EED (Earth Energy Designer) oder SBM.

Das Prinzip: Eine fertig verrohrte und verpresste Erdwärmesonde wird über mehrere Tage mit konstanter Heizleistung beaufschlagt. Die Temperaturantwort des Untergrunds auf diesen definierten Wärmeeintrag wird kontinuierlich gemessen. Aus dem zeitlichen Verlauf der Temperaturkurve lassen sich über die Linienquellentheorie die thermischen Eigenschaften des Untergrunds berechnen. Das Verfahren ist in VDI 4640 Blatt 5 normiert.

Welche Kenngrößen liefert der TRT?

Ein korrekt durchgeführter TRT liefert drei Ergebnisse:

1. Effektive Wärmeleitfähigkeit (λ)

Die effektive Wärmeleitfähigkeit beschreibt, wie gut der Untergrund Wärme leitet — gemittelt über die gesamte Sondenlänge. Der Wert wird in W/(m·K) angegeben. Je höher Lambda, desto mehr Wärme kann pro Bohrmeter entzogen werden und desto kürzer kann die Sonde ausfallen.

Typische Wertebereiche nach Gesteinstyp (Bundesverband Geothermie):

Untergrund	λ in W/(m·K)
Kies/Sand, trocken	0,3–0,8
Kies/Sand, wassergesättigt	1,7–5,0
Ton/Lehm, feucht	0,9–2,3
Tonstein	0,6–4,0
Sandstein	1,3–5,1
Kalkstein	2,5–4,0
Granit	2,1–4,1
Gneis	1,9–4,0
Basalt	1,3–2,3

Wichtig: Die im TRT gemessene Wärmeleitfähigkeit ist eine effektive Größe. Sie beinhaltet nicht nur die rein konduktive Wärmeleitung, sondern auch konvektive Anteile durch Grundwasserströmung. Deshalb kann der TRT-Wert höher liegen als der Laborwert einer reinen Gesteinsprobe.

2. Thermischer Bohrlochwiderstand (Rb)

Der Bohrlochwiderstand beschreibt den Wärmewiderstand zwischen der Trägerflüssigkeit in der Sonde und dem umgebenden Gestein. Er wird in m·K/W angegeben. Ein niedriger Wert bedeutet eine effiziente Wärmeübertragung.

Typische Messwerte in der Praxis (geoENERGIE Konzept):

• Doppel-U-Sonde mit thermisch verbessertem Verpressmörtel: ca. 0,08 m·K/W
• Doppel-U-Sonde mit klassischem Verpressmörtel: ca. 0,10 m·K/W

Der Bohrlochwiderstand hängt ab von: Sondenbauart (Doppel-U besser als Einfach-U), Bohrdurchmesser, Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmörtels, Positionierung der Sondenrohre im Bohrloch und den Strömungsverhältnissen im Sondenkreislauf. Ein hoher Rb-Wert deutet auf Qualitätsprobleme bei der Verpressung oder eine ungünstige Rohranordnung hin.

3. Ungestörte Untergrundtemperatur

Vor Beginn der eigentlichen Heizmessung wird durch Zirkulation ohne Wärmeeintrag die ungestörte Untergrundtemperatur bestimmt. In Deutschland liegt diese bei Sondentiefen von 100–200 m typischerweise zwischen 10 und 14 °C.

Ablauf eines TRT — Schritt für Schritt

Vorbereitung

1. Pilotbohrung fertigstellen. Die Erdwärmesonde muss vollständig eingebaut und verpresst sein. Die Aushärtung des Verpressmörtels muss abgeschlossen sein — in der Regel mindestens 3 Tage nach Verfüllung.
2. Druckprüfung durchführen. Vor dem TRT wird die Sonde auf Dichtheit geprüft (Prüfparameter gemäß VDI 4640 Blatt 2).
3. TRT-Gerät aufstellen. Die mobile Testeinheit wird an die Sondenverrohrung angeschlossen. Benötigt werden: Stromanschluss (CEE 32 A oder CEE 63 A), ebene Stellfläche neben dem Sondenkopf, Anschluss an Vor- und Rücklauf der Sonde.
4. Stromversorgung sicherstellen. Die Stromzufuhr muss über die gesamte Messdauer (72 Stunden) unterbrechungsfrei gewährleistet sein. Eine Unterbrechung macht die Messung unbrauchbar.

Messung

5. Ungestörte Untergrundtemperatur messen. Die Umwälzpumpe zirkuliert die Trägerflüssigkeit 15–30 Minuten durch die Sonde — ohne Heizung. Aus Vor- und Rücklauftemperatur wird die ungestörte Untergrundtemperatur bestimmt.
6. Heizung einschalten und Messung starten. Das Heizelement bringt eine konstante Wärmeleistung (typisch 30–80 W/m Sondenlänge) in den Kreislauf ein. Vor- und Rücklauftemperatur sowie Durchflussmenge und Heizleistung werden kontinuierlich aufgezeichnet.
7. Messdauer einhalten. Die VDI 4640 Blatt 5 definiert die Mindestmessdauer. Eine kürzere Messzeit ist unter bestimmten Bedingungen möglich, reduziert aber die Auswertungssicherheit. Während der gesamten Messung darf die Heizleistung nicht schwanken — Schwankungen beeinträchtigen die Auswertung.

Auswertung

8. Daten aufbereiten. Die aufgezeichneten Temperaturdaten werden exportiert und auf Plausibilität geprüft. Die ersten Stunden der Messung (Anlaufphase) werden für die Auswertung verworfen — typisch die ersten 10–15 Stunden.
9. Linienquellentheorie anwenden. Die Standard-Auswertung basiert auf der Kelvin-Linienquellentheorie: Die Sonde wird als unendlich lange Linienquelle modelliert. In einem halblogarithmischen Diagramm (Temperatur über ln(t)) ergibt sich ein linearer Anstieg. Aus der Steigung wird Lambda berechnet, aus dem y-Achsenabschnitt der Bohrlochwiderstand Rb.
10. Messbericht erstellen. Die VDI 4640 Blatt 5 definiert die Mindestinhalte des Messberichts — von der Sondengeometrie über die Rohdaten bis zu den berechneten Ergebnissen und Angaben zur Messgenauigkeit.

VDI 4640 Blatt 5 — Was regelt die Norm?

Die VDI 4640 Blatt 5 ist die deutsche Norm für den Thermal Response Test. Sie regelt das gesamte Verfahren verbindlich. Die Norm richtet sich an Planer, Errichter von Erdwärmesondenanlagen, geothermische Prüfinstitute und Sachverständige.

Geregelte Inhalte

• Geräteaufbau: Anforderungen an TRT-Geräte — Heizelement, Umwälzpumpe, Temperatursensoren, Durchflussmesser, Datenlogger. Die Norm legt Mindestanforderungen an Messgenauigkeit und Kalibrierung fest.
• Sensorik und Messdatenerfassung: Anforderungen an Temperatur-, Leistungs- und Durchflussmessung. Messintervall und Speicherung sind definiert.
• Durchführung: Schrittweise Anleitung für Vorbereitung, Messung und Nachbereitung. Die Norm schreibt eine Mindestmessdauer und Anforderungen an die Konstanz der Heizleistung vor.
• Auswertung: Datenauswertung nach der Linienquellentheorie als Standardverfahren. Zusätzlich werden Hinweise auf andere Auswertungsverfahren gegeben (numerische Modelle, Zylinderquellentheorie).
• Messbericht: Inhalt und Struktur des Berichts sind normiert. Der Bericht muss alle relevanten Eingangsdaten, Rohmesswerte und berechneten Ergebnisse enthalten.

Abgrenzung zu anderen Blättern

Blatt 5 ergänzt die bestehenden vier Blätter der VDI 4640. Während Blatt 2 die Auslegung von Erdwärmesonden regelt und die λ-Werte als Eingabegröße nutzt, beschreibt Blatt 5 das Messverfahren, mit dem diese Werte bestimmt werden. Die beiden Blätter greifen direkt ineinander.

Wann ist ein TRT Pflicht, wann empfohlen?

Pflicht (ab 30 kW)

Die VDI 4640 definiert eine Leistungsschwelle, ab der ein TRT empfohlen wird. In der Genehmigungspraxis der meisten Bundesländer ist der TRT ab dieser Schwelle faktisch Pflicht: Die untere Wasserbehörde fordert den TRT-Bericht als Bestandteil des wasserrechtlichen Antrags. Ohne TRT wird die Erlaubnis für das Sondenfeld in der Regel nicht erteilt.

Ab dieser Schwelle verlangen viele Behörden zusätzlich zum TRT eine thermohydrodynamische Modellierung des Sondenfelds, die auf den TRT-Ergebnissen aufbaut.

Empfohlen (unter 30 kW)

Auch unterhalb der normativen Schwelle kann ein TRT wirtschaftlich sinnvoll sein. Bei einer Anlage mit 6 Sonden à 100 m und Bohrkosten von 70 Euro/m belaufen sich die Gesamtbohrkosten auf 42.000 Euro. Ein TRT für 3.000 Euro, der zeigt, dass die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit 20 % über den tabellierten Pauschalwerten liegt, kann eine Sonde einsparen — das sind 7.000 Euro Ersparnis bei 3.000 Euro Investition.

Sonderfälle

Einzelne Bundesländer haben eigene Regelungen. In Berlin ist für jeden TRT eine behördliche Genehmigung (Gebühr: 350 Euro) beim Erdaufschluss erforderlich. In Baden-Württemberg sind die Anforderungen über die LQS EWS (Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonden) zusätzlich geregelt.

Was kostet ein TRT?

Leistung	Kosten (netto)
Standard-TRT (72 h), inkl. Auswertung und Bericht	2.500–3.500 Euro
Enhanced TRT (eTRT), inkl. Auswertung und Bericht	4.000–6.000 Euro
Behördliche Genehmigung (z. B. Berlin)	ca. 350 Euro

Die Pilotbohrung, an der der TRT durchgeführt wird, kann nach Abschluss des Tests als reguläre Sonde in das Sondenfeld integriert werden. Es entstehen daher keine verlorenen Bohrkosten. Dieser Punkt ist für die Kalkulation gegenüber dem Auftraggeber relevant: Die TRT-Kosten sind ein reiner Mehraufwand von 2.500–3.500 Euro — nicht der Preis der gesamten Bohrung.

Wer darf einen TRT durchführen?

Die VDI 4640 Blatt 5 richtet sich an geothermische Prüfinstitute und Sachverständige. Es gibt keine gesetzlich geschützte Berufsbezeichnung für TRT-Durchführende, aber die Praxis zeigt klare Anforderungen:

• Geothermische Prüfinstitute: Spezialisierte Dienstleister mit kalibrierten TRT-Geräten und Erfahrung in der Auswertung nach Linienquellentheorie. Beispiele: geoENERGIE Konzept, Solexperts, LIAG.
• Sachverständige mit Fachnachweis: In Baden-Württemberg können Ingenieure und Geowissenschaftler ihre Qualifikation über die LQS EWS nachweisen (Sachverständigenschulung am KIT).
• DVGW W 120-zertifizierte Fachunternehmen: Die DVGW-Zertifizierung nach W 120-1 und W 120-2 deckt Geothermiearbeiten ab und wird von vielen Behörden als Qualifikationsnachweis akzeptiert.

Bohrfirmen führen den TRT in der Regel nicht selbst durch, sondern beauftragen einen spezialisierten Dienstleister. Die Bohrfirma stellt die Pilotbohrung her, der TRT-Dienstleister führt Messung und Auswertung durch.

TRT vs. Enhanced TRT (eTRT) — Unterschiede

Standard-TRT

Der konventionelle TRT misst die gemittelte Wärmeleitfähigkeit über die gesamte Sondenlänge. Ergebnis ist ein einziger Lambda-Wert für den gesamten Bohrlochquerschnitt. Das Verfahren nutzt Temperatursensoren am Sondenkopf (Vor- und Rücklauf) und wertet nach der Linienquellentheorie aus.

Dauer: 48–72 Stunden. Kosten: 2.500–3.500 Euro netto. Ergebnis: Ein gemittelter λ-Wert, ein Rb-Wert, die ungestörte Untergrundtemperatur.

Enhanced TRT (eTRT)

Der Enhanced TRT — auch als ETRT, eGRT oder aktiv beheizter faseroptischer TRT (ATRT) bezeichnet — verwendet Glasfaserkabel (Distributed Temperature Sensing, DTS) und ein Heizkabel, die zusammen als Hybridkabel in die Sonde eingebaut werden. Das Glasfaserkabel misst die Temperatur metergenau über die gesamte Sondentiefe mittels Raman-Rückstreuung eines Laserimpulses.

Dauer: Mindestens 24 Stunden, typisch 48 Stunden. Kosten: 4.000–6.000 Euro netto. Ergebnis: Tiefenaufgelöstes Lambda-Profil, Identifikation von Grundwasserschichten, Lokalisierung konvektiver Zonen.

Wann lohnt sich ein eTRT?

Ein eTRT ist sinnvoll bei:

• Heterogener Geologie: Wechselnde Schichten (z. B. Tonstein über Kalkstein) erfordern eine tiefenaufgelöste Betrachtung für die optimale Sondenlänge.
• Grundwassereinfluss: Der eTRT identifiziert und lokalisiert Grundwasserströme, die die Entzugsleistung lokal stark erhöhen können.
• Großen Sondenfeldern (ab ca. 10 Sonden): Die höhere Planungsgenauigkeit rechtfertigt die Mehrkosten durch Einsparungen bei der Bohrmeteranzahl.
• Nachträglicher Bewertung: Ein eTRT kann auch an bereits angeschlossenen Sonden durchgeführt werden — Jahre nach der Installation. Der Standard-TRT erfordert dagegen eine nicht angeschlossene Sonde.

Praktische Hinweise für Bohrfirmen

• Pilotbohrung einplanen: Bei Anlagen oberhalb der normativen Leistungsschwelle die erste Bohrung als Pilotbohrung für den TRT vorsehen. Die Sonde muss vollständig eingebaut und verpresst sein, bevor der TRT-Dienstleister kommt.
• Aushärtezeit einhalten: Der Verpressmörtel muss vor dem TRT vollständig ausgehärtet sein (mindestens 3 Tage). Nicht ausgehärteter Mörtel verfälscht den Bohrlochwiderstand.
• Stromversorgung absichern: Über die gesamte Messdauer unterbrechungsfrei. Eine Stromunterbrechung von mehr als wenigen Minuten macht den gesamten Test unbrauchbar. Im Zweifelsfall: Notstromaggregat bereithalten.
• Zeitplanung: Zwischen Fertigstellung der Pilotbohrung und Beginn der restlichen Bohrarbeiten 1–2 Wochen für den TRT und die Auswertung einplanen. Erst nach Vorliegen der TRT-Ergebnisse kann das Sondenfeld endgültig dimensioniert werden.
• Kosten im Angebot: Die TRT-Kosten gehören als eigene Position ins Angebot — nicht in die Bohrmeterpreise einrechnen. So ist transparent, welcher Anteil auf die Qualitätssicherung entfällt.
• Dokumentation: TRT-Bericht zusammen mit Bohrprotokoll, Druckprüfprotokoll und Verpressprotokoll archivieren. Behörden können den TRT-Bericht jederzeit anfordern.

Quellen:

• VDI 4640 Blatt 5 (2020): Thermische Nutzung des Untergrunds — Thermal-Response-Test (TRT). VDI Verlag, Düsseldorf.
• VDI 4640 Blatt 2 (2019): Thermische Nutzung des Untergrunds — Erdwärmesonden. VDI Verlag, Düsseldorf.
• Bundesverband Geothermie (GtV): Lexikon der Geothermie — Geothermal Response Test und Wärmeleitfähigkeit. geothermie.de.
• geoENERGIE Konzept GmbH: Thermal Response Test und Thermischer Bohrlochwiderstand. geoenergie-konzept.de.
• ENERPLAN GmbH: ETRT — Enhanced Thermal Response Test. enerplan.at.
• Sanner, B. et al. (2000): Erfahrungen mit dem Thermal Response Test in Deutschland. Geothermische Fachtagung, GtV.
• Senatsverwaltung für Umwelt, Mobilität, Verbraucher- und Klimaschutz Berlin: Erdaufschluss — Geothermal Response Test beantragen. service.berlin.de.