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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.

Geothermie im Spezialtiefbau: Praxis mit BIM
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (7/2017)
Ab 2020 werden öffentliche Großprojekte in Deutschland nur noch mit Building Information Modeling (BIM) neu geplant, gebaut und betrieben. So sieht es der Stufenplan Digitales Planen des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur vor.

Depothermie - Geothermale Nutzung von Deponien und Altablagerungen zur Wärmegewinnung und -speicherung
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (6/2017)
Dem Ausbau der Geothermie, insbesondere der oberflächennahen Geothermie zur Heizung und Kühlung von Wohn- und Industriegebäuden, wird zukünftig eine steigende Bedeutung zukommen, da durch die Energiewende und den beschlossenen Klimaschutzplan 2050 die Umstellung von einer kohlenstoffbasierten auf eine regenerative Energieerzeugung forciert werden wird.

Europäische Normung für den Brunnenbau nimmt Fahrt auf
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (6/2017)
Die umfangreichen Vorbereitungen für eine gute Ausgangsposition der deutschen Expertise bei der Normung des Brunnenbaus tragen nun erste Früchte. Die strikte Trennung der Themenkomplexe 'oberflächennahe Geothermie' und 'Brunnenbau' wurde auf der konstituierenden Sitzung des CEN TC 451 'Water wells and borehole heat exchangers' durchgesetzt.

Anlagendimensionierung zur Unterschreitung des in Hessen für EWS geforderten Mindestabstandes zur Grundstücksgrenze
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (5/2017)
Die hessischen Anforderungen des Gewässerschutzes an Erdwärmesonden (EWS) vom 21. März 2014 geben einen im Regelfall einzuhaltenden Mindestabstand zwischen EWS und Grundstücksgrenze von 5 m vor. Bei Einhaltung dieses Abstandes wird für EWS-Anlagen mit einer Heizleistung bis 30 kW davon ausgegangen, dass es in der Regel zu keiner thermischen Beeinflussung außerhalb des Grundstücks kommt und somit keine Gewinnung von Erdwärme im Sinne des Bundesberggesetzes (BBergG) erfolgt.

Leistungsvergleich von Erdwärmesonden verschiedener Bauart
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (5/2017)
Ein praktischer Leistungsvergleich von Erdwärmesonden verschiedener Bauart am gleichen Standort unter gleichen Beanspruchungsbedingungen ist bisher nicht bekannt.