Auslegung und Berechnung von thermo-aktiven Bauteilen bei vorhandener Grundwasserströmung
Die thermische Aktivierung erdberührender Bauteile zur Nutzung der im Untergrund gespeicherten Wärme findet weltweit eine immer weitere Verbreitung, da sich die Investitionskosten im Vergleich zu herkömmlichen Systemen durch die Integration von Wärmetauscherrohren in ohnehin erforderliche Bauteile deutlich reduzieren lassen. Ergebnisse abgeschlossener Projekte sind in Laborversuchen erprobte, thermoaktive Abdichtungselemente sowie ein geeigneter Berechnungsansatz, der in das Finite- Differenzen-Programm „SHEMAT-Suite“ implementiert wurde. Das neue Berechnungsmodul ermöglicht auch die Kalkulation entsprechender Bauteile in strömendem Grundwasser und somit die Berücksichtigung maßgeblicher Einflussgrößen – etwa den Betrag der Strömung oder die Strömungsrichtung bei der Auslegung flächiger thermo-aktiver Bauteile. Ein aktuelles Verbundprojekt befasst sich mit der Möglichkeit der Ertragsteigerung solcher Bauteile durch Steuerung der Grundwasserströmung.
Die weltweit installierte thermische Leistung geothermischer Anlagen zur thermischen Nutzung des Untergrundes stieg von ca. 8,9 GW im Jahr 2000 auf ca. 48,5 GW im Jahr 2010. Davon entfallen ca. 70 % auf erdgekoppelte Wärmepumpen. In Deutschland werden hauptsächlich oberflächennahe geothermische Anlagen installiert. Dazu zählen die konventionellen Systeme wie Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren, bei denen dem Erdreich die Wärme aus den oberflächennahen Bodenschichten (bis 400 m Tiefe) entzogen wird. Seit Beginn der 1980er-Jahre werden zunehmend erdberührende Bauteile zur thermischen Nutzung des Untergrundes verwendet. Am Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen (GiB) der RWTH Aachen wurden in diesem Zusammenhang in einem durch das Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR) geförderten Projekt flächige thermo-aktive Abdichtungselemente zur thermischen Aktivierung von Bauteilen im Grundwasser entwickelt. Flächige Bauteile besitzen aufgrund der großen erdberührenden Fläche ein großes Energiepotenzial, finden aber aufgrund von fehlenden allgemeinen Erfahrungswerten und allgemeingültigen Berechnungsansätzen nur vereinzelt Anwendung.
In einem von der Deutschen Bundestiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekt wurde am GiB daher in Zusammenarbeit mit der Geophysica Beratungsgesellschaft mbH ein Berechnungsansatz für flächige thermo-aktive Bauteile entwickelt und in das Finite-Differenzen-Programm SHEMAT-Suite implementiert. Dieser Ansatz ermöglicht erstmals die Berücksichtigung aller relevanten Einflussfaktoren auf die Entzugsleistung von flächigen thermo-aktiven Bauteilen. Er ermöglicht auch die Berechnung von thermo-aktiven Bauteilen in strömendem Grundwasser und erlaubt somit eine Berücksichtigung maßgeblicher Einflussgrößen wie den Betrag der Strömung oder die Strömungsrichtung bei der Auslegung flächiger thermo-aktiver Bauteile. Der Ansatz wird am GiB derzeit in einem von der der DBU geförderten Folgeprojekt zur Untersuchung der Möglichkeit einer Ertragssteigerung thermo-aktiver Bauteile durch eine gezielte Steuerung der Grundwasserströmung eingesetzt.
| Copyright: | © wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH | |
| Quelle: | Heft 12 - 2014 (Dezember 2014) | |
| Seiten: | 6 | |
| Preis inkl. MwSt.: | € 6,00 | |
| Autor: | David Koppmann  Prof. Dr.-Ing. Martin Ziegler Sylvia Kürten Dr. Darius Mottaghy | |
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