3. grundwasserbrunnen - Technische Universität Wien

Titel:
15.01.2010
Nutzung der Geothermie mittels Erdwärmeabsorber und Grundwasserbrunnen
Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar Adam
Technische Universität Wien und Geotechnik Adam ZT GmbH
Dipl.-Ing. Dr.techn. Roman Markiewicz
Geotechnik Adam ZT GmbH
Technische Universität Wien
Institut für Geotechnik, Forschungsbereich für Grundbau, Boden- und Felsmechanik
Karlsplatz 13/220, A-1040 Wien
TEL +43-(0)1/58801-22100, FAX +43-(0)1/58801-22199
e-mail: [email protected]
GEOTECHNIK ADAM ZT GmbH
Wiener Straße 66-72/15/4, A-2345 Brunn am Gebirge
TEL +43-(0)2236/312244-22, FAX +43-(0)2236/312244-99
e-mail: [email protected]
3850 Wörter (gesamte Datei)
14 Abbildungen
Keywords: Geothermie, Erdwärme, Massivabsorber, Energiepfähle,
Grundwasserbrunnen, Wärmepumpe, Erneuerbare Energien, Klimaschutz
1
KURZFASSUNG
Die Entwicklung leistungsfähiger Wärmepumpen ermöglicht seit einigen Jahrzehnten
die Anhebung der im Untergrund gespeicherten Energie auf Temperaturniveaus, die
eine aktive Beheizung von Gebäuden erlauben. Seit Anfang der 90er Jahre wurden
Technologien entwickelt, die es erlauben, Absorbersysteme in Fundamente von
Gebäuden und in Infrastrukturbauwerke zu integrieren und größere Energiepotentiale
wirtschaftlicher zu erschließen. Mit der Entwicklung von neuen Bauweisen ist ein
Anstieg des Kühlbedarfes in Gebäuden verbunden, für die sich diese neuen
Absorbertechnologien ebenso sehr gut eignen. Neben diesen geschlossenen Systemen
zur Nutzung der Geothermie kommen verstärkt offene Systeme zur direkten Nutzung
des Grundwassers durch die Entnahme und die Wiederversickerung zur Anwendung.
Technisch ausgereifte Lösungen sowie hydraulische und thermische Simulationen
bilden die Grundlage für die effiziente Planung von Anlagen zur thermischen Nutzung
des Untergrundes.
1.
EINLEITUNG UND PRINZIP DER GEOTHERMIENUTZUNG
In den meisten Klimazonen Europas ist die Temperatur des Untergrundes ab einer
Tiefe von ca. 10 – 15 m aufgrund dessen thermodynamischer Trägheit nahezu
konstant. Bis zu einer Tiefe von ca. 50 m beträgt sie in der Regel 10 – 15°C. Eine
Umwälzung der Wärme reicht für eine Heizung im Allgemeinen nicht aus, sodass
Wärmepumpen zur Anhebung der Temperaturniveaus verwendet werden. Die
Bodenwärme wird der Wärmepumpe durch den sog. Primärkreislauf zugeführt, der
Sekundärkreislauf befindet sich im Bauwerk. Leistungsfähige Wärmepumpen weisen
einen Wirkungsgrad von ca. 4 bis 5 auf, d.h. in diesem Fall ist nur ein Viertel bis ein
Fünftel Fremdenergie erforderlich. Der Hauptanteil von rund 75% bis 80% der
nutzbaren Gesamtenergie stammt aus der im Untergrund gespeicherten Wärme.
2
Im Falle der Kühlung wird eine Kältemaschine eingesetzt. Bei günstigen
Randbedingungen besteht die Möglichkeit, ohne Kältemaschine das Auslangen zu
finden. Die Kühlung erfolgt in diesem Fall lediglich durch Umwälzung der im Boden
gespeicherten Kälte. Bei diesem sog. „Free Cooling“ wird der Fremdenergiebedarf auf
den Betrieb einer Umwälzpumpe reduziert. Umschaltbare Wärmepumpen ermöglichen
sowohl eine Beheizung als auch eine Kühlung.
Der Transport der Wärme im Untergrund erfolgt über unterschiedliche Mechanismen,
wobei in gering durchlässigen Böden neben anderen Übertragungsmechanismen die
Wärmeleitung (Konduktion) vorherrscht, wohingegen in stark durchlässigen,
Grundwasser
führenden
Bodenschichten
die
Wärmeströmung
(Konvektion)
entscheidend für die Wärmeübertragung ist.
Für den Transport von Wärme- bzw. Kälteenergie ist ein Temperaturunterschied
zwischen dem zur Nutzung herangezogenen Untergrund und dem Transportmedium
erforderlich. Grundsätzlich wird zwischen zwei Systemen unterschieden:

Geschlossene Systeme (Absorberkreislauf)

Offene Systeme (direkte Grundwasserentnahme)
Bei geschlossenen Systemen zirkuliert ein Wärmeträgermedium durch die
Absorberleitungen, welches beim Durchströmen entweder erwärmt oder abgekühlt
wird. Bei offenen Systemen wird das Grundwasser aus dem Aquifer entnommen und
direkt genutzt, anschließend wird das erwärmte oder abgekühlte Wasser wiederum
dem Grundwasserträger zugeführt.
Für die Planung einer Geothermieanlage sind folglich die Eigenschaften des
Untergrundes zu bestimmen, Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherkapazität sind
die maßgebenden thermischen Parameter des Bodens, bestehend aus den drei Phasen
3
Feststoff, Porenwasser und Porenluft. Weiters ist der Bedarf an Wärme- und
Kälteenergie innerhalb eines Jahreszyklus unter Berücksichtigung der jeweiligen
Wärme- und Kälteleistung für die Auslegung und den Betrieb der Anlage
entscheidend.
Prinzipiell kann zwischen zwei grundsätzlich verschiedenen Möglichkeiten der
geothermischen Energiebewirtschaftung unterschieden werden:

Einfache geothermische Energieentnahme bzw. -zufuhr

Saisonaler Betrieb mit Wärme- und Kältespeicherung
Während beim einfachen geothermischen Betrieb, d.h. entweder wird nur Energie aus
dem Boden entnommen oder nur Energie in den Boden eingetragen, der Energiefluss
lediglich
in
eine
Richtung
erfolgt,
wird
beim
saisonalen
Betrieb
die
thermodynamische Trägheit des Bodens herangezogen, um Energie im Boden zu
speichern, sodass diese zum benötigten Zeitpunkt wiederum entnommen werden kann.
Bei einem saisonalen Speicher ist es daher möglich, eine ausgeglichene Energiebilanz
im Zeitraum eines Jahres zu gewährleisten. Böden mit hoher Durchlässigkeit eignen
sich besonders gut für den einfachen Betrieb zur Wärme- oder Kältenutzung, da durch
die Grundwasserströmung kontinuierlich die erwärmten bzw. abgekühlten Partikel
abtransportiert und durch neue ersetzt werden. Böden mit geringer Durchlässigkeit
eignen sich hingegen besonders gut für die saisonale Speicherung, da kein
nennenswerter Massenstrom stattfindet und somit die betroffenen Partikel am selben
Ort verbleiben.
4
2.
ERDWÄRMEABSORBER
Neben den klassischen „Erdwärmesonden“ und „Erdwärmekollektoren“ ermöglichen
auch erdberührte Bauwerksteile ("Erdwärmeabsorber") eine sehr wirtschaftliche
Nutzung der Geothermie. Dies betrifft vor allem Bauwerksteile aus Beton
("Massivabsorber"). Hiefür kommen primär Tieffundierungen („Energiepfähle“,
„Energieschlitzwände“),
aber auch Flachfundierungen
(„Energiebodenplatten“)
infrage. Die Absorberleitungen werden unmittelbar in die Fundierungselemente
verlegt,
zusätzliche Einbauten im
Erdreich
sind
nicht erforderlich.
Neue
Entwicklungen stellen ganze Infrastrukturbauwerke, wie „Energietunnel“, dar bzw.
Bauteile, die insbesondere für den Bau von unterirdischen Bauwerken, wie
„Energieanker“, „Energievlies“, „Energietübbung“ und „Energiebrunnen“ eingesetzt
werden. Energie kann mittlerweile auch aus Abwasser durch die Verwendung von
speziellen Absorberelementen genutzt werden.
2.1. Erdwärmesonden, Erdwärmekollektoren
Bei den Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren handelt es sich um gängige
Anwendungen, Erdwärme für Heiz- und Kühlzwecke zu nutzen. Bei den
Erdwärmesonden werden Absorberrohre in eine eigens dafür abgeteufte Bohrung
eingebaut und der Ringraum mit speziellen Verpressmaterialien verfüllt. Das Erdreich
wird somit über die gesamte Tiefe der Erdwärmesonde thermisch aktiviert.
Demgegenüber werden bei den Erdwärmekollektoren Absorberrohre in einer Tiefe
von ca. 1,3 m verlegt, womit eine flächenhafte Erdwärmenutzung erzielt wird. Sowohl
die Erdwärmesonden als auch die Erdwärmekollektoren können als technisch
ausgereift angesehen werden.
5
2.2. Energiepfähle, Energieschlitzwände, Energiebodenplatten
Im Prinzip können alle erdanliegenden Betonbauteile als Energieabsorber verwendet
werden, somit auch Flachfundierungen (Abb. 1A). Tieffundierungen (Pfähle,
Schlitzwände) eignen sich in besonderer Weise, da tiefer liegende Bereiche des
Untergrundes erschlossen werden, welche nicht mehr unter dem Einfluss der
saisonalen Temperaturschwankungen an der Oberfläche stehen. Aus diesem Grund ist
auch der „Energiepfahl“ jenes Element, mit dem am häufigsten eine geothermische
Energiebewirtschaftung erfolgt. Kleinbohr- und Kleinrammpfähle werden häufig aus
Stahlrohren
hergestellt,
womit
der
Hohlraum
ähnlich
einer
klassischen
Erdwärmesonde mit Absorberleitungen bestückt werden kann. Grundsätzlich kommen
folgende Tieffundierungselement infrage:

Fertigteilrammpfähle aus Beton (Voll- und Hohlquerschnitt

Ortbetonbohrpfähle (Abb. 1B)

Schlitzwände (Abb. 1C)

Kleinbohr- und Kleinrammpfähle (Abb. 1D)
Die Nutzung von Einphasendichtwänden, die beispielsweise zur Umschließung von
Altlasten sowie für den Hochwasserschutz hergestellt werden, ist Gegenstand eines
aktuellen Forschungsprojektes.
2.3. Energievlies
Beim Energievlies handelt es sich um eine neue Entwicklung, bei dem zwischen zwei
vernadelten Vliesbahnen Absorberrohre eingelegt werden. Überall dort, wo Vliese im
Erd-, Grund- und Tunnelbau zum Trennen, Filtern, Drainieren, Verstärken und
Bewehren eingesetzt werden, kann das Energievlies grundsätzlich verwendet werden.
6
Erste Anwendungen erfolgten beim Bau des Lainzer Tunnels, bei dem im Rahmen
einer Pilotanlage (Abb. 2) die Trennung zwischen Innen- und Außenschale mittels des
Energievlieses erfolgte.
2.4. Energieanker
Anker werden für die Stabilisierung von Hängen und Böschungen sowie zur
Sicherung von Tunnelbauwerken verwendet. Die Anker reichen damit tief in den Berg
und erschließen große Volumina (Abb. 3A), die zur Geothermienutzung herangezogen
werden
können.
Grundsätzlich
werden
Rohranker
in
Abhängigkeit
vom
Innendurchmesser mit geschlossenen Koaxialrohren ausgestattet oder das Ankerrohr
selbst dient als Absorber, wodurch nur ein offenes Rohr in den Anker eingebracht
wird. In diesem Fall ist insbesondere auf die Abdichtung im Bereich des Endes des
Ankers zu achten. Energieanker wurden erstmals im Zuge einer Versuchsanlage auf
einer Böschung (Abb. 3B) im Zuge der Errichtung des Lainzer Tunnels eingesetzt.
2.5. Energietübbing
Der so genannte Energietübbing (Abb. 4) wurde von den Firmen Ed. Züblin AG und
Rehau AG + co entwickelt. Damit kann nun auch aus maschinell vorgetriebenen
Tunneln, bei denen Betonfertigteile (Tübbinge) als Tunnelschale verwendet werden,
Erdwärme entzogen werden. Nach bereits erfolgten Labor- und Feldversuchen wurde
nun erstmalig beim Eisenbahntunnel Jenbach im Tiroler Unterinntal eine Tunnellänge
von 54 m mit Energietübbingen ausgestattet, um den nahe gelegenen Bauhof der
Gemeinde Jenbach mit Wärme aus dem Tunnel bzw. Erdreich zu versuchen. [Pralle et
al, 2009]
7
2.6. Energietunnel – TunnelThermie®
Beim Einbau von Erdwärmeabsorbern in Tunnel ist zunächst zwischen offenem (Abb.
5) und bergmännischem (Abb. 6) Tunnelbau zu unterscheiden. Bei der Anwendung
der offenen Bauweise stehen die bekannten Flach- und Tiefgründungselement zur
Verfügung: Einbau von Massivabsorbern in Bohrpfählen, Schlitzwänden und unter
den Bodenplatten. Im bergmännischen Tunnelbau kann mit Massivabsorbern der
Sohlbereich von Tunnelröhren mit Absorberleitungen ausgestattet werden. Zur
Nutzung der Tunnelschalen eignet sich beim bergmännischen Tunnelvortrieb das
Energievlies als Trennlage zwischen Innen- und Außenschale und beim maschinell
vorgetriebenen Tunnel die Energietübbinge. Im Zuge der Sicherung des Gebirges
während des Ausbruches kann der Energieanker als Stützmittel eingebaut werden.
Pilotanlagen sowohl für die offene als auch die bergmännische Bauweise wurden im
Zuge der Errichtung des Lainzer Tunnels hergestellt.
2.7. Energiebrunnen
Bei
zahlreichen
Bauvorhaben
werden
Brunnen
zur
Absenkung
des
Grundwasserspiegels benötigt. Diese meist temporären Maßnahmen können auch zur
Heizung und/oder Kühlung benachbarter Bauwerke genutzt werden, und zwar sowohl
temporär als auch permanent. Letzteres erfordert im Allgemeinen keine aufwendige
zusätzliche wasserrechtliche Genehmigung, da die Nutzung von einzelnen Brunnen
nur
zur
geothermischen
Energiebewirtschaftung
keinen
Eingriff
in
den
Wasserhaushalt des Untergrundes darstellt. Eine zu Forschungszwecken umfassend
instrumentierte Versuchsanlage wurde im Zuge des Baus des Lainzer Tunnels
betrieben,
bei
der
sowohl
Entnahmebrunnen
(Wärmequelle)
als
auch
8
Versickerungsbrunnen (Wärmesenke) verwendet werden. Zur Erzielung eines
geschlossenen Wärmeträgersystems dienten U-förmige Rohre als Erdwärmesonden.
2.8. Energie aus Abwasser
Abwasserkanäle stellen oftmals aufgrund des hohen Massenstroms und den auch im
Winter hohen Abwassertemperaturen eine ergiebige Energiequelle dar, die mithilfe
von speziellen Absorbersystemen nutzbar gemacht werden kann. Verschiedene
Systeme werden zurzeit
auf deren Tauglichkeit
als
nachhaltig
wirksame
Energieabsorber untersucht. Eine erste großmaßstäbliche Forschungsanlage wurde in
Wien errichtet und betrieben.
3.
GRUNDWASSERBRUNNEN
Bei der direkten Nutzung der Grundwasserwärme (Offenes System) müssen
mindestens zwei Brunnen gebohrt werden: ein Förderbrunnen (Quelle) und ein
Schluckbrunnen (Senke). Im Heizbetrieb wird über einen oder mehrere Förderbrunnen
das Grundwasser entnommen und dem Grundwasser die Wärme entzogen. Das
abgekühlte Wasser wird anschließend einem oder mehreren Schluckbrunnen bzw.
Versickerungsanlagen zugeführt und auf diese Weise wieder dem Aquifer zugeführt
(Abb. 7). Im Kühlbetrieb wird dem entnommenen Grundwasser Wärme zugeführt und
anschließend das erwärmte Wasser versickert. Für die Auslegung von derartigen
Anlagen sind grundsätzlich folgende Grenzen der Nutzung zu beachten:

Steht die erforderliche Wassermenge immer zur Verfügung?

Beeinflusst die Thermalfront bzw. der Absenk- und Aufspiegelungstrichter
fremde Wasserrechte?

Beeinflussen sich Entnahmebrunnen und Schluckbrunnen gegenseitig?
9
4.
HYDRAULISCHE UND THERMISCHE SIMULATION
4.1. Geschlossene Systeme
4.1.1.
Theoretische Grundlagen
Bei geschlossenen Systemen zur Erdwärmenutzung (Massivabsorbertechnologie)
hängt die dem Erdreich entziehbare Energiemenge im Wesentlichen von folgenden
Parametern ab:

Stoffeigenschaften
des
Bodens:
Wärmeleitfähigkeit
 B,
spezifische
Wärmekapazität cB, Dichte B

Stoffeigenschaften des Massivabsorberbauteils: Wärmeleitfähigkeit Beton,
spezifische Wärmekapazität cBeton, Dichte Beton

Grundwasserströmung

Temperatur TB und Temperaturgradient TB

Zeitdauer t des Energieentzuges bzw. Energieeintrags

geometrische Verhältnisse der Massivabsorber

Betriebskonzept und Energiebewirtschaftungssystem der Erdwärmeanlage
Der Transport der entzogenen Energiemenge vom Massivabsorber (Energiepfahl,
Energieschlitzwand etc.) zur Technikzentrale erfolgt durch erzwungene Konvektion
der Flüssigkeit in den Absorberleitungen, für deren Auslegung und Betrieb im
Wesentlichen folgende Parameter zu berücksichtigen sind:

Rohrinnendurchmesser D

Rohrlänge L bzw. LP

Beschaffenheit der Rohrwandung (Rohrrauigkeit) 

Stoffparameter der Absorberleitungen: Wärmeleitfähigkeit R, spezifische
Wärmekapazität cR, Dichte R
10

Stoffparameter der Absorberflüssigkeit: Wärmeleitfähigkeit , spezifische
Wärmekapazität c, Dichte ; Dynamische Viskosität 

Strömungsgeschwindigkeit um der Absorberflüssigkeit

Strömungsverhältnisse (laminar – turbulent)
Der Wärmetransport vom Erdreich bis zum Nutzraum ist in Abbildung 8 schematisch
für den Heizfall einer Massivabsorberanlage (Beispiel Energiepfahl) dargestellt. Die
Vorgänge
innerhalb
der
Wärmepumpe
(Wärmepumpenkreislauf)
und
des
Sekundärkreislaufes können grundsätzlich als bekannt angesehen werden. Die
Simulation und Dimensionierung erfolgt üblicherweise durch den HKLS-Experten,
wofür geeignete Softwareprodukte am Markt erhältlich sind. Die Wärmepumpe stellt
dabei die Schnittstelle zum Primärkreislauf bzw. zu den Massivabsorbern dar, für
deren Simulation und Dimensionierung die Wärmetransportvorgänge innerhalb des
Erdreichs, vom Erdreich zur Absorberflüssigkeit und innerhalb bzw. durch die
Absorberflüssigkeit zu berücksichtigen sind.
Sobald
die
Vorlauftemperatur
(geregelt
durch
die
Wärmepumpe)
der
Pr im
Absorberflüssigkeit im Primärkreislauf TVL
kleiner ist als die Boden- bzw.
Erdreichtemperatur TB , kommt es zunächst zu einer Abkühlung des Pfahles und
dadurch innerhalb des Erdreiches zu einem Wärmestrom in Richtung Pfahl. Innerhalb
des Pfahles wird die Wärme von der Absorberflüssigkeit aufgenommen, die sich
Pr im
dadurch erwärmt. Die Rücklauftemperatur TRL
kann dabei als „Ergebnis“ des
Primärkreislaufes gesehen werden und ist eine der wichtigsten Beurteilungskriterien
für die Effizienz einer Massivabsorberanlage. Es bildet sich schließlich ein

Gleichgewicht zwischen dem Wärmestrom vom Boden zum Pfahl QB und dem von

der Absorberflüssigkeit transportierten Wärmestrom QSole . Dieser Wärmetransport
11
hängt von zahlreichen Faktoren ab, wie schematisch in Abbildung 9 dargestellt ist. Die
einzelnen Faktoren haben auf die Effizienz einer Massivabsorberanlage einen mehr
oder weniger großen Einfluss. Einige, wie z.B. die Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches
oder die Erdreichtemperatur, sind durch die Natur vorgegeben und können nicht
beeinflusst werden. Faktoren, wie z.B. die Anzahl der Absorberrohre oder die
Strömungsgeschwindigkeit der Absorberflüssigkeit (Massenstrom) können aber im
Zuge der Dimensionierung gewählt werden. Hier gilt es ein technisch-wirtschaftliches
Optimum
zu
finden,
um
den
Energieaustausch
zwischen
Erdreich
und
Absorberflüssigkeit zu maximieren und die Herstell- und Betriebskosten zu
minimieren.
Die Strömungsverhältnisse innerhalb der Absorberrohre und die daraus resultierende
Wärmeübertragung vom Absorberrohr zur Absorberflüssigkeit können analytisch
berechnet werden. Für die Berechnung des gesamten Wärmetransportes vom Erdreich
zur Absorberflüssigkeit sind allerdings aufgrund der zahlreichen Einflussparameter
und der Komplexität oftmals aufwendige numerische Verfahren (z.B. FEM)
erforderlich.
4.1.2.
Praktische Umsetzung
Für die Simulation und Dimensionierung einer Massivabsorberanlage wäre es
grundsätzlich wünschenswert, das Gesamtsystem „Boden – Primärkreislauf –
Wärmepumpenkreislauf – Sekundärkreislauf“ (vgl. Abbildung 8) mit sämtlichen
Einflussparametern zu simulieren. Zusätzlich zu berücksichtigen wären die
geometrischen
Verhältnisse
(Bauwerk,
Bauteilaufbauten,
Anordnung
der
Massivabsorberlemente etc.) sowie bauwerks- bzw. standortspezifische Parameter
(Außenlufttemperatur,
dreidimensionale
Innenlufttemperatur
Berechnungsmodelle,
um
etc.).
Dies
insbesondere
erfordert
die
oftmals
geometrischen
12
Verhältnisse realitätsnah abbilden zu können. Eine derartige dreidimensionale
Simulation unter Berücksichtigung sämtlicher Einflussparameter ist mit den
derzeitigen Computern und Softwarepaketen allerdings nicht möglich. Durch das
große Verhältnis zwischen den einerseits kleinen Absorberrohren und den andererseits
großen Bauwerksabmessungen sind die Modellgrenzen rasch erreicht. Demzufolge hat
sich in der Praxis folgende Vorgehensweise ergeben:
Für Forschungsaufgaben (z.B. Optimierung der Abstände der Absorberrohre) werden
nur einzelne Bauteile isoliert betrachtet, sodass ein höherer Detaillierungsgrad
möglich ist und damit die Absorberrohre im Detail modelliert werden können. Bei
Simulationsaufgaben
für
konkrete
Bauprojekte,
steht
die
Ermittlung
des
Gesamtenergiepotentials im Vordergrund. Für die Berechnungen sind in den meisten
Fällen entsprechende Annahmen und Vereinfachungen gegenüber den tatsächlichen
physikalischen Verhältnissen zu treffen, da weder alle Einflüsse korrekt erfasst
werden können noch alle Randbedingungen mit vertretbarem Aufwand rechnerisch
modellierbar sind. Zu den wesentlichen Eingangsgrößen zählen:

Geometrie der Bauteile und Situierung der Absorberleitungen (z.B. Innenund Außenseite bei einer Schlitzwand oder z.B. gesamter Umfang eines
Energiepfahls)

Stoffparameter der einzelnen Elemente (Beton, Boden, Wärmeträger)

Rand- und Anfangsbedingungen (Anfangstemperaturen, Randtemperaturen
wie z.B. Außenlufttemperatur, Lufttemperatur im Bauwerksinneren
inklusive der entsprechenden Wärmeübergangskoeffizienten)

Thermische Belastungen des Systems (z.B. Eingangstemperatur der
Absorberflüssigkeit in die Massivabsorberelemente)
13
Für konkrete Anwendungsfälle existieren Softwaretools, die für eine Simulation
herangezogen werden können: Beispielsweise das Programm EWS, mit dem
Erdwärmesondenfelder berechnet werden können oder das Programm Pilesim zur
Simulation einer Energiepfahlanlage. Der Vorteil derartiger Programme liegt in deren
einfachen Bedienung und der vergleichsweise kurzen Berechnungsdauer. Zu beachten
ist allerdings, dass meistens nur bestimmte geometrische Verhältnisse und
Randbedingungen berücksichtigt werden können. Beispielsweise kann mit dem
Programm Pilesim nur ein regelmäßiger Energiepfahlraster modelliert werden, sodass
in vielen Fällen auf numerische Simulationen (z.B. Finite Elemente Methode)
zurückgegriffen werden muss, um komplexere geometrische Verhältnisse zu erfassen..
Bei einfachen geometrischen Verhältnissen (z.B. Energiebodenplatten) gelingt es im
Simulationsmodell die einzelnen Absorberleitungen zu berücksichtigen, sodass eine
mit der Zeit variable Eintrittstemperatur der Absorberflüssigkeit in die Massivabsorber
vorgegeben und die Austrittstemperatur berechnet werden kann. Die Wärmeleistung
ergibt sich dann aus der Differenz von Eintritts- und Austrittstemperatur gemäß
nachfolgender Gleichung:
  T
Q  c  m
mit
Bei
(1)
Q :
Wärmestrom [kW]
c:
spezifische Wärmekapazität [kWh/(kgK)]
 :
m
Massenstrom [kg/h]
T:
Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur [K]
komplexeren
geometrischen
Verhältnissen
(z.B.
Großprojekt
mit
Energieschlitzwänden) können die einzelnen Absorberrohre aus genannten Gründen
14
nicht mehr im Einzelnen berücksichtigt werden. In diesen Fällen ist man gezwungen,
einen Mittelwert der erwarteten Eintritts- und Austrittstemperatur anzunehmen. Die
Wärmeleistung ergibt sich in diesem Fall über den Wärmefluss vom Boden zum
Massivabsorber. Durch Integration des Wärmeflusses über alle mit Absorberleitungen
belegten Flächen resultiert schließlich die Gesamtleistung der Anlage.
Abbildung 10
und
Abbildung 11
zeigen
exemplarisch
Ergebnisse
einer
dreidimensionalen Simulationsberechnung zur Ermittlung der Gesamtleistung einer
Massivabsorberanlage, bestehend aus Energiebodenplatte, Energiepfählen und
Energieschlitzwänden.
4.2. Offene Systeme
4.2.1.
Hydraulische Berechnung
Bei der Simulation hydraulischer Vorgänge im Untergrund ist unter anderem zu
beachten,
dass
der
meist
vorliegende
maßgebende
Parameter
–
die
Filtergeschwindigkeit vf nach Darcy – nur im mit Wasser vollständig gesättigten
Boden gültig ist. Wie Abbildung 12 zeigt, sind im Boden jedoch Zonen vorhanden, in
denen der Sättigungsgrad im Jahresverlauf schwankt – bei hohen Grundwasserständen
ist die gesättigte Zone höher als bei niedrigen Grundwasserständen. Darüber hinaus ist
zu beachten, dass im Bereich von Wasserentnahmen aufgrund des Absenktrichters die
ungesättigte Zone vergrößert und im Bereich der Versickerung die ungesättigte Zone
verkleinert wird.
Um einen derartigen Wechsels zwischen gesättigten und ungesättigten Bedingungen
in Simulationsberechnungen zu berücksichtigen, können die Gleichungen nach
Richard´s mit Stoffparametern von z.B. Van Genuchten herangezogen werden. Für
gesättigte Zonen kann die in Abbildung 12 angegebene einfachere LaPlace Gleichung
15
verwendet werden, die sich aus der Kontinuitätsgleichung und der Darcy-Gleichung
ableiten lässt.
In den meisten Fällen ergeben sich allerdings bei Verwendung der Gleichungen nach
Richard´s
sehr
lange
Rechenzeiten
bei
denen
oftmals
eine
numerische
Modellkonvergenz schwierig zu erreichen ist. Zudem ist die Wahl geeigneter
Stoffparameter nach z.B. Van Genuchten mit großen Unsicherheiten behaftet. Aus
diesem Grund kann folgender Berechnungsansätze gewählt werden:
Wird anstelle der Durchlässigkeit kf [m/s] mit der Transmissivität T [m²/s] gerechnet,
so können mit einem zweidimensionalem Berechnungsmodell (Grundrissmodell)
dreidimensionale Verhältnisse (Verteilung der hydraulischen Höhe im Grundriss)
simulieret werden. Die Transmissivität stellt dabei das Integral des kf-Wertes über die
wassergefüllte Mächtigkeit H [m] des Grundwasserleiters dar.
Bei der Grundwassersimulation ist somit die wassergefüllte Mächtigkeit die in jedem
Punkt variierende hydraulische Höhe, womit die Transmissivität ebenfalls eine
Modellvariable darstellt, nach der schließlich die Gleichungsmatrix gelöst wird. Damit
lassen sich letztendlich die hydraulische Höhe für jeden Punkt und damit auch
Absenk- bzw. Aufspiegelungstrichter im Bereich der Entnahme bzw. Versickerung
berechnen.
4.2.2.
Thermische Berechnung
Die aus dem Entnahmebrunnen nutzbare thermische Leistung lässt sich wiederum mit
Gleichung (1) berechnen. Beispielsweise ergibt sich für den Heizfall entsprechend
Abbildung 7 mit einer Temperaturdifferenz von T = 4 K, einer angenommenen
Förderleistung des Entnahmebrunnens von 10 l/s eine thermische Leistung von ca.
16
Q = 170 kW. Dieses einfache Beispiel zeigt grundsätzlich das große Energiepotenzial
einer thermischen Grundwassernutzung.
Um die thermische Reichweite (Thermalfront) im Bereich der Versickerung zu
berechnen, ist im Regelfall eine dreidimensionale gekoppelte hydraulische-thermische
Simulation
durchzuführen,
damit
die
im
Untergrund
auftretenden
Wärmetransportmechanismen und Randbedingungen berücksichtigt werden können.
Die wichtigsten Wärmetransportvorgänge im Untergrund sind (vgl. Abbildung 13):
-
Wärmeleitung – Konduktion: Die Wärmeleitung ist die Übertragung von Wärme
zwischen benachbarten Teilchen innerhalb eines Körpers. Sie ist unabhängig von
einer Massenbewegung und damit der bestimmende Transportmechanismus in
festen Phasen, findet aber auch in Flüssigkeiten und Gasen statt.
-
Wärmeströmung – Konvektion: Konvektion ist der Wärmetransport, der durch die
Bewegung von Teilchen zustande kommt. Die zu den Teilchen gehörende Wärme
wird dabei mitgeführt. Konvektion findet nur in Flüssigkeiten und gasen statt (im
gegenständlichen Fall: im Grundwasserkörper).
Bei der Konvektion breitet sich die Wärme mit der Geschwindigkeit der bewegten
Teilchen
aus.
Für
die
Grundwasserströmung
bedeutet
das,
dass
die
Abstandsgeschwindigkeit des Wasserteilchens maßgebend ist. Da aber nur ein
Teil des Mehrphasensystems Boden fließendes Wasser ist, wird mit der
Filtergeschwindigkeit unter Berücksichtigung des Porenanteils gerechnet.
-
Dispersion: Wasserteilchen, die durch eine Bodenmatrix strömen, durchqueren
diese nicht auf geraden Bahnen, wie es die Filtergeschwindigkeit beschreibt.
Durch verschiedene Prozesse werden die Teilchen sowohl in Längs- (longitudinale
Dispersivität) als auch in Querrichtung (transversale Dispersivität) abgelenkt. Die
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mitgeführte Wärme breitet sich daher ebenfalls aus, während ihre Intensität
abnimmt.
-
Zusätzlich zu diesen Transportvorgängen ist bei transienten Berechnungen das
Wärmespeichervermögen eines Stoffes zu berücksichtigen.
Da der Schwerpunkt von derartigen dreidimensionalen hydraulisch-thermischen
Modellen in der Berechnung der thermischen Reichweite (Abb. 14) des über die
Schluckbrunnen bzw. Versickerungsanlage eingeleiteten Wassers liegt, kann je nach
Anwendungsfall zur Modellvereinfachung eine konstante Grundwassermächtigkeit
des Aquifers angesetzt werden. Im Berechnungsmodell ist somit die Schicht des
Aquifers zu jedem Zeitpunkt vollständig wassergesättigt, sodass die numerisch
einfacher zu bewältigende LaPlace-Gleichung (mit dem Gesetz von Darcy) zugrunde
gelegt werden kann.
Durch eine derartige Modellvereinfachung mit konstanter Grundwassermächtigkeit
ergeben
sich
insbesondere
im
Bereich
der
Entnahme
und
Versickerung
Modellunschärfen, da die Absenk- bzw. Aufspiegelungstrichter nicht exakt abgebildet
werden. Aus thermischer Sicht kann dies allerdings vernachlässigt werden, da der
hydraulische Einfluss der Entnahme bzw. Versickerung im Modell ohnehin durch die
in diesen Bereichen höhere Grundwasser-Strömungsgeschwindigkeit berücksichtigt
wird. Eine derartige Modellvereinfachung ist allerdings für den jeweiligen
Anwendungsfall zu prüfen.
5.
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Die geothermische Nutzung von Fundierungen, Keller- oder Stützwänden ermöglicht
ein umweltfreundliches, Ressourcen schonendes sowie wirtschaftliches Heizen
und/oder Kühlen von Bauwerken. Es werden „saubere“ Energie und „sich selbst
18
erneuernde“ Energieträger genutzt, die direkt am Ort der Nutzung dem Untergrund
entzogen oder in diesem gespeichert wird. Mit zunehmender Anwendung für Wohnund Geschäftshäuser, öffentliche Gebäude, Industrieobjekte, Infrastrukturbauwerke
etc. sinkt die Abhängigkeit von Energieimporten.
Als besonders geeignet haben sich Pfähle und Schlitzwände erwiesen, wobei praktisch
keinerlei Tiefenbegrenzung nach oben oder unten besteht. Bei sachgemäßer
Betriebsführung
wird
das
Tragfähigkeits-Verformungsverhalten
der
Fundierungselemente in keinem geotechnisch oder statisch relevanten Ausmaß
beeinflusst.
Die Nutzung der geothermischen Energie mittels erdberührter Bauteile ist nicht nur
auf Fundierungen und massive Wände bzw. Pfahlwände beschränkt. "Energietunnels",
die Heizung und/oder Kühlung von Verkehrsflächen auf Straßen sowie Brücken und
die direkte thermische Nutzung von Grundwasser stellen weitere Anwendungsgebiete
mit einer Vielzahl von Vorteilen dar: Umweltfreundlichkeit, Schonung von
Ressourcen, Wirtschaftlichkeit, Erhöhung der Betriebssicherheit (z. B. Straßenverkehr
im Winter), Erhöhung der Lebensdauer bei gleichzeitiger Reduktion des
Erhaltungsaufwandes von Bauwerken (z. B. Straßendecken, Brückentragwerke) etc.
Für die Simulation, Dimensionierung und Planung von Erdwärmeabsorbern und
Grundwasserbrunnen waren anfänglich noch sehr aufwendige Berechnungen
erforderlich. Mittlerweile existieren bereits Softwarelösungen, mit denen bestimmte
(vom Softwarehersteller vorgegebene) Fälle rasch simuliert werden können. Bei davon
abweichenden Randbedingungen und komplexen Verhältnissen sind allerdings
weiterhin vergleichsweise aufwendige Berechnungsmodelle erforderlich. Mit der
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stetig wachsenden Bedeutung der Nutzung von umweltfreundlicher Energie wird es
aber auch in diesem Bereich wertvolle Weiterentwicklungen in naher Zukunft geben.
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