Verwendung von Erdwärme zur Schneeund Eisfreihaltung von Freiflächen

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1 Dieser Text ist entnommen aus dem Fachbuch: Torsten Richter Verwendung von Erdwärme zur Schneeund Eisfreihaltung von Freiflächen Berichte des Instituts für Bauphysik der Leibniz Universität Hannover, Band , 373 S., zahlr. farbige Abbildungen und Tabellen, Kartoniert ISBN Fraunhofer IRB Verlag Für weitere Informationen, für die Durchführung von Downloads oder zur Buchbestellung klicken Sie bitte hier: Richter, Verwendung von Erdwärme... Fraunhofer IRB Verlag Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau IRB Nobelstraße Stuttgart Postfach Stuttgart Telefon +49(0)711 / Telefax +49(0)711 / Fraunhofer IRB Verlag. Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung gestattet.

2 Inhalt 1 Problemstellung und Stand der Technik Einführung und Problemstellung Stand der Technik Ziel der Arbeit Energiequelle Erdwärme Einführung Thermische Nutzung des Bodens Überblick über Wärmespeicher Erstellung und Auslegung einer Erdwärmequelle Erschließungskosten der Geothermie Oberflächennaher Temperaturverlauf Ermittlung von Temperaturfeldern Mechanismen der Wärmeübertragung Temperaturfeldberechnung Wärmeübergangsrandbedingungen Konvektiver Wärmeübergang an Bauwerksoberflächen Konvektiver Wärmeübergang in Rohrströmungen Strahlungs-Wärmeübergang Kurzwellige Strahlung Langwellige Strahlung Klimatische Einwirkungen auf Freiflächen Umgebungslufttemperatur, Wind und Bewölkung Berechnung der kurzwelligen Sonneneinstrahlungsintensitäten auf beliebig orientierte und geneigte Flächen Berechnung des Sonnenstandes Berechnung der Solarstrahlung mit und ohne Berücksichtigung des Bewölkungsgrades Intensität der extraterrestrischen Bestrahlungsstärke Trübung der Atmosphäre Maß der Gesamtextinktion Berechnung der direkten Sonnenstrahlung auf eine zur Einfallsrichtung normalen Ebene für wolkenlosen Himmel Bestimmung der Sonneneinstrahlung auf horizontale Flächen Bestimmung der Sonneneinstrahlung auf beliebig orientierte und geneigte Flächen I

3 II Gesamt-Strahlungsbilanz aller auf eine beliebig orientierte und geneigte Körperfläche einfallenden kurzwelligen Strahlungsflussdichten Berücksichtigung von Verschattungen und Horizontüberhöhungen Umrechnung von Strahlungsdaten aus Messwerten oder Daten des Testreferenzjahres auf beliebig orientierte Flächen Langwelliger Strahlungsaustausch Vorbemerkungen Atmosphärische Gegenstrahlung A Berechnung der Himmelstemperatur Tsky Berechnung der fiktiven Himmelstemperatur TfSky Langwellige atmosphärische Gegenstrahlung auf eine beliebig orientierte und geneigte Fläche Reflektierte atmosphärische Gegenstrahlung auf eine geneigte Fläche Langwellige Ausstrahlung E Schnee und Eis in Deutschland Schneeverhältnisse und verteilung in Deutschland Mittleres Andauerverhalten der Schneedecke Mittleres maximales Wasseräquivalent der Schneedecke Glatteisbildung und Schneefallintensitäten Physikalische Grundlagen der Ablation Kurzwellige Strahlungsbilanz der Schneefläche Langwellige Strahlungsbilanz der Schneefläche Latente Wärmestromdichte qlatent Konvektive Wärmestromdichte qkonv Wärmezufuhr durch Regen qregen Bodenwärmestrom qboden und Wärmestrom durch planmäßige Beheizung qheiz Schnee- und Eisvorhersagemodelle Energiebedarf für beheizte Freiflächen und Grobauslegung eines Erdwärmesonden-Speichers Versuchstechnische Untersuchung Verwendete Mess-, Steuerungs- und Versuchstechnik Messung von Wetterdaten Temperaturmesswerte der Versuchsplatten Messung von Durchflüssen und Medientemperaturen Wärmequelle und -senke, Steuerungstechnik Messdatenauswertung und Darstellung Freifeldversuche Versuchsaufbauten Versuche bei realen Schneefällen Versuch am 17./ mäanderförmige Beheizung Versuch am 22./ punktuelle Beheizung Versuche bei sommerlichen Temperaturen Entwicklung eines FE-Modells

4 6.1 Simulationsaufbau Numerische Modellierung der Beheizung Mäanderförmige Beheizung Punktuelle Beheizungen Stoffparameter Validierung des FE-Modells Numerische Überprüfung durch Berechnungsanalogie zur Fußbodenheizung Numerische und versuchstechnische Untersuchung des Aufheiz- und Abkühlungsverhalten beheizter Konstruktionen unter Laborbedingungen Numerische und versuchstechnische Untersuchung beheizter und unbeheizter Bodenplatten unter Realbedingungen Modellabbildung ohne Beheizung Modellabbildung mit Beheizung Zusammenfassung der Ergebnisse Entwicklung einer numerischen Bewertungsmethode für beheizte Freiflächen Untersuchte Konstruktionsarten Randbedingungen bei aufgeständerten, luftumspülten Konstruktionsflächen Randbedingungen ebenerdig aufgebauter Freiflächen Untersuchte Einflussparameter Ansatz zur thermischen Dimensionierung und quantifizierten Beurteilung einer Freifläche Spezifische Aufheiz-Reaktionszeit ta Bestimmung der zum Schmelzen zur Verfügung stehenden Wärmestromdichte qs Vergleichsrechnungen Parametervariationen zur Berechnung geeigneter Konstruktionsaufbauten Vorbemerkungen Ergebnisse für Freiflächen mit mäanderförmig verlegten Heizrohren Einfluss des Konstruktionsaufbaus Einfluss der Vorlauftemperatur Einfluss der Durchflussmenge Grenzwertdarstellungen geeigneter Konstruktionen Ergebnisse für Freiflächen mit punktuell angeordneten Beheizungselementen Vorbemerkungen Einfluss des Konstruktionsaufbaus Grenzwertdarstellungen geeigneter Konstruktionen Temperaturbeanspruchungen in beheizten Konstruktionsaufbauten Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen III

5 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Software Anlagen Anlage A Klimatische Regionen und Klimate in Deutschland Anlage B Dokumentation Versuchsaufbau Anlage C Versuchsdaten vom 17. bis Anlage D APDL-Makros für Ansys Anlage E Wärmeübergang Rohrwendel Anlage F Versuchsdaten vom 16. bis Anlage G Versuchsdaten vom 03. bis Anlage H Randbedingungen Variationsrechnungen Anlage I Versuchsdaten vom 22. bis Anlage J Ergebnisse für mäanderförmig verlegte Beheizungen Anlage K Grenzwertkurven für mäanderförmige Beheizungen Anlage L Ergebnisse für punktuelle Beheizungen Anlage M Grenzwertkurven für punktuelle Beheizungen IV