Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Tunnelgeothermie

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1 Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Tunnelgeothermie Dipl.-Geol. Marcus Schneider Institut für Geotechnik, Universität Stuttgart und PSP Consulting Engineers GmbH, München Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Chr. Moormann Institut für Geotechnik, Universität Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Pieter A. Vermeer Institut für Geotechnik, Universität Stuttgart Zusammenfassung Im Zuge der technischen Umsetzung des Bauprojektes U6 Stadtbahnanschluss Stuttgart-Fasanenhof konnte in einem in Spritzbetonbauweise hergestellten Tunnelabschnitt ein tunnelgeothermischer Pilotbereich zu Forschungszwecken ( GeoTU6 ) eingerichtet werden. Dabei wurden zwischen Außen- und Innenschale des Tunnels Absorberleitungen eingebaut, die mit einer Wärmepumpe im nahe liegenden Haltestellenbereich verbunden sind. Der Tunnel wurde umfangreich mit Messtechnik ausgestattet, die der Ermittlung des Temperaturfeldes in Baugrund, Bauwerk und Tunnelluft dient. Nach einer Übersicht über die tunnelgeothermischen Verfahrenstechniken im Allgemeinen und einer kurzen Erläuterung der technischen Baugrundausrüstung (TBA) der tunnelgeothermischen Teststrecke Stuttgart-Fasanenhof im Speziellen, werden die maßgeblichen Wärmetransportprozesse und das primäre, sekundäre und tertiäre Temperaturfeld im System Untergrund Bauwerk - Tunnelluft erläutert. Dem Tunnelabsorbersystem werden im Zuge des Betriebs verschiedene thermische Lastfälle aufgeprägt. Es werden Messergebnisse dazu vorgestellt, die die Leistungsfähigkeit des Tunnelabsorbersystems zeigen. Die begleitende Messkampagne erlaubte die Kalibrierung und Validierung zweidimensionaler Finite Element-Modelle. Diese dienen der Untersuchung der Entzugsleistung des Absorbersystems und der Analyse des Temperaturfeldes im Umfeld des Tunnels für verschiedene thermische Lastfälle. Es werden Rechenergebnisse hierzu vorgestellt. 1 Einleitung Energiepfähle oder Energieschlitzwände sind Stand der Technik bei der Nutzung geothermischer Energie im Zusammenhang mit Gründungsarbeiten. Aufgrund ihres hohen Grades an Erdberührung stehen auch Tunnelbauwerke im Blickpunkt für geothermische Nutzungen. Mit geringem technischem Zusatzaufwand kann die statisch-konstruktive Funktion der Tunnelschalen um eine thermisch-energetische erweitert werden. Bislang durchgeführte Projekte und Prognosen weisen auf einen respektablen Beitrag des Tunnelbaus zu regenerativen Energiekonzepten hin. Im weiteren Verlauf wird über Ergebnisse eines tunnelgeothermischen Forschungsprojekts in Stuttgart ( GeoTU6 ) berichtet. Zuvor widmet sich der Beitrag der verfahrenstechnischen und energetischen Seite der Tunnelgeothermie im Allgemeinen. 2 Verfahrenstechniken der Tunnelgeothermie Es kann grundsätzlich zwischen zwei tunnelgeothermische Verfahrenstechniken unterschieden werden, der hydrogeothermischen und der absorbertechnologischen. Das hydrogeothermische Verfahren arbeitet als offenes

2 System, das absorbertechnologische Verfahren hingegen als geschlossenes System. Bei der hydrogeothermischen Verfahrenstechnik wird das aus der Bergwasserdränage an den Tunnelportalen austretende warme Wasser energetisch verwertet. Das Verfahren ist momentan auf die Schweiz beschränkt, wo es seit den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts umgesetzt wird. Gegenwärtig werden dort fünf Tunnelbauwerke geothermisch im Zusammenhang mit Wärmepumpen genutzt, bei einem weiteren, dem Großen St. Bernhard-Tunnel, wird die warme Tunnelluft verwertet. Das Wasser aus den Dränagen tritt an den Portalen dieser Bauwerke mit einer Schüttung von 98 l/min (Tunnel Mappo-Morettina) bis 7.2 l/min (Gotthardtunnel) aus. Die Wassertemperaturen betragen dabei 12 C (Rickentunnel) bis 19 C (Hauensteintunnel) [1]. Die auf hydrogeothermischem Wege gewonnene Energie stellt im Grunde ein Nebeneffekt der aus tunnelstatischer Sicht erforderlichen Dränage zum Abbau des auf die Tunnelschale wirkenden Wasserdrucks dar. Das ideale Einsatzgebiet hydrogeothermischer Nutzungen in der Tunnelgeothermie wird im alpinen Raum mit seinen typischen hydrogeologischen und morphologischen Verhältnissen gesehen, in die mit Basistunnelbauwerken eingegriffen wird [2]. Absorbertechnologische Anwendungen eignen sich z.b. in innerstädtischen Bereichen bei seicht liegenden Tunnelbauwerken. Hier werden Wärmeaustauscherrohre (Absorberleitungen) in Bauteile des Bauwerks eingesetzt. Diese werden von einem Absorberfluid durchströmt, das die in Baugrund und Tunnelluft gespeicherte Energie in Form von Wärme aufnimmt und einer Wärmepumpe zuführt, um diese auf ein höheres Energieniveau anzuheben. Absorbertechnologische Anwendungen im Tunnelbau sind aus Österreich und Deutschland bekannt. In Abhängigkeit der Bauweise stehen unterschiedliche Einbauorte und - verfahren zur Verfügung. Bei Tunnelbauwerken in offener Bauweise kommen meist hybride Anwendungen, die mit dem Spezialtiefbau verknüpft sind, wie etwa Energieschlitzwände, Energiepfähle, aber auch thermische Aktivierungen im Fundamentbereich zum Einsatz [3]. Im Zuge des U- Bahn-Baus in Wien (Linie U2) wurden in den letzten Jahren vier Haltestellen für die geothermische Bewirtschaftung ausgestattet [4]. Der in bergmännischer Bauweise erstellte Lainzer Tunnel wurde in einem Pilotbereich mit einem so genannten Energievlies zwischen Außen- und Innenschale ausgestattet [4]. Dabei handelt es sich um die erste Anwendung dieser Art bei einer Spritzbetonbauweise. Im Rahmen des Forschungsprojekts GeoTU6, wurde dieses Modell modifiziert und mit weiteren wissenschaftlichen Schwerpunkten versehen. In Stuttgart konnte somit die erste in Spritzbetonbauweise hergestellte Anlage zur Gewinnung geothermischer Energie in Deutschland realisiert werden [3]. Bild 1: Systemplan der tunnelgeothermischen Testanlage Stuttgart-Fasanenhof. Die technische Baugrundausrüstung des Systems (TBA) arbeitet mit Absorberleitungen, die zwischen Tunnelaußen- und Tunnelinnenschale eingebaut wurden und wird in Abschnitt 2.1 erläutert. Als weitere Einbauorte von Wärmeaustauscherrohren kommen einer aktuellen Studie von [5] zufolge weiterhin Fahrbahnplatten in Straßentunneln, der Sohlbereich des Tunnels oder Zwischendecken, die den Fahrbereich vom Abluftbereich trennen, in Frage. Eine Alternative zu den zuvor beschriebenen flächenhaft wirkenden Absorbersystemen stellen thermisch aktivierte Anker dar, die im Zuge des Vortriebs als Sicherungsmittel eingebaut werden können. Über den Einsatz thermisch aktivierter Tübbings im Rahmen der bergmännisch-maschinellen Bauweise wird in [6] und [7] am Beispiel des Tunnels Jenbach (Unterinntal, Österreich) berichtet. Hier wurden über einen Bereich von rund 54 m sog. Energietübbings eingebaut. Die Absorberleitungen wurden an der äußeren Bewehrungslage der Tübbings fixiert. 2.1 Verfahrenstechnik der Testanlage Stuttgart- Fasanenhof Bei der technischen Baugrundausrüstung handelt es sich nach einer Definition des VBI (21)...um sämtliche Anlagenteile der Geothermieanlage, die im Baugrund und am Konstruktionsaußenbereich des Gebäudes bis zum quellenseitigen Verteiler zur Energiegewinnung installiert werden. Im vorliegenden Fall liegt die Schnittstelle zur Technischen Gebäudeausrüstung (TGA) am Eintritt zum Betriebsraum. Die TBA wird nachfolgend erläutert. Zwei 1 m lange Betonierabschnitte der Innenschale wurden im Gewölbebereich zwischen Spritzbetonaußen- und Ortbetoninnenschale bei vorgegebenem Verlegeschema mit Absorberleitungen ausgerüstet und übernehmen die Funktion eines Wärmeaustauschers (Energiefeld, Energieblock oder Tunnelabsorber). Sie sind über Anschlussleitungen mit einer Hauptleitung verbunden, die auf der Tunnelsohle verlegt wurde und in einen Betriebsraum in der nahe gelegene Haltestelle Europaplatz führt. Energiefelder und Leitungssystem

3 Bild 3: Prüfstand Geothermie in einem Betriebstechnikraum der Haltestelle Europaplatz mit Wärmepumpe, Steuerungseinheit und Messrechner. Im Hintergrund Wärmeaustauscher im Belüftungskanal der Haltstelle. Bild 2: Auf der Trennlage zwischen Tunnelaußen- und Tunnelinnenschale montiertes Absorbersystem vor Durchführung der Bewehrungsarbeiten. bilden gemeinsam den in Bild 1 dargestellten Absorberkreis. Bild 2 zeigt das Absorbersystem vor den Bewehrungsarbeiten für die Tunnelinnenschale. In den Energiefeldern wurden aus Redundanzgründen jeweils zwei Teilkreisläufe ausgebildet. Diese wurden mit rund 4 m Absorberleitung auf eine Fläche von rund 18 m² pro Block verteilt. Die Montage der Leitungen erfolgte auf Fixierschienen über der gemäß ZTV-ING einzubauenden Trennlage (Geotextil) zwischen beiden Tunnelschalen [3]. Im Betriebsraum der Haltestelle Europaplatz. wurde ein Versuchstand zum Test der Tunnelabsorber aufgebaut (Bild 3). Er ist mit einer Wärmepumpe, einem Wärmespeicher, diversen Regelventilen sowie den Umwälzpumpen für die Versorgung der Absorber mit Wärmeträgerflüssigkeit ausgestattet. Mit der gewonnenen Wärme bzw. Kälte wird ein Wärmeübertrager im Zuluftkanal der Lüftungsanlage versorgt. Somit kann die Zuluft für die Betriebsräume der Haltestelle Europaplatz vorgewärmt bzw. vorgekühlt werden. 2.2 Energetische Bilanz tunnelgeothermischer Anwendungen Beispiele für das hydrogeothermische Verfahren sind der Hauenstein-Tunnel mit einem geothermischen Potential von ca. 2,3 MW t thermischer Leistung, der Furka-Tunnel mit ca. 3,7 MW t oder der Ricken-Tunnel mit ca.,5 MW t [1]. Die beiden absorbertechnologisch ausgestatteten Tunnelblöcke des Lainzer Tunnels liefern nach [3] eine dauerhafte spezifische Entzugsleistung von 14,2 W/m². Eine Studie über den geplanten zweiröhrigen Straßentunnel Rosenstein zeigt die Möglichkeit der Deckung des Heiz- und Kühlbedarfs der Tunnel- Betriebszentrale (45 kw bzw. 5 kw) mit sechs bzw. sieben thermisch aktivierten Tunnel-Blöcken in der nördlichen bzw. in der südlichen Tunnelröhre [8]. Die Geothermieanlage des Tunnels Jenbach wurde nach [6] auf eine Leistung von rund 43 kw dimensioniert. Dabei entfallen rund 28 kw auf eine gasbetriebene Wärmepumpe und ca. 15 kw auf die Entzugsleistung aus der Erde. Die spezifische Entzugsleistung wird von den Anlagenerstellern mit 1 W/m² bis 2 W/m² angegeben [7]. Bei der im weiteren Verlauf vorgestellten Testanlage im Fasanenhoftunnel Stuttgart wurde im Vorfeld zunächst konservativ für den grundlastdeckenden Betrieb eine langfristige spezifische Entzugsleistung für den Heiz- und Kühlfall angenommen, die zwischen 5 W/m² und 1 W/m² liegt bzw. für zwei Energieblöcke rund 1,8 kw bzw. 3,6 kw thermischer Leistung beträgt [3]. Über den Energieertrag der seit April 211 arbeitenden Anlage wird in Abschnitt berichtet. 3 Wärmetransportprozesse im System Untergrund Bauwerk Tunnelluft Der Transport von Wärmeenergie bei tunnelgeothermischen Nutzungen erfolgt zwischen Baugrund, Bauwerk und Tunnelluft. Dabei wird die Energie in den drei Phasen flüssig (Grundwasser, Absorberfluid), fest (Gebirge, Stahlbeton, Rohrwandung) und gasförmig (Tunnelluft) transportiert. Die beiden Hauptmechanismen des Wärmetransports im Untergrund sind die intermolekular ablaufende

4 Konduktion (Wärmeleitung), bei der Energie von Molekülen eines höheren Energieniveaus auf Moleküle mit niedrigerem Energieniveau übertragen wird und die Konvektion, bei der Wärmeenergie durch Fluidbewegung in den Poren und Klüften transportiert wird. Bei der Konvektion unterscheidet man zwischen einer freien, dichtegesteuerten und einer erzwungenen Konvektion, die durch Potentialunterschiede oder durch Pumparbeit hervorgerufen wird. Bei der Grundwasserströmung handelt es sich um eine erzwungene Konvektion, für die synonym auch der Begriff Advektion verwendet wird (z.b. [9]). Weitere Wärmetransportvorgänge wie die Wärmestrahlung (Radiation) sowie die hydrodynamische Dispersion spielen bei den vorliegenden Baugrundverhältnissen (überwiegend tonreiche Gesteine) keine bzw. eine vernachlässigbare Rolle. Die Absorberleitungen in der Tunnelschale werden von einem Absorberfluid durchflossen, dessen Temperaturen im Sommer bis zu 25 C (Kühlfall) und im Winter bis zu,5 C (Heizfall) betragen können. Die Leitungen stellen somit Quellen bzw. Senken dar, die den Wärmetransport im System Baugrund Tunnel Tunnelluft intensivieren. Der Wärmetransport zwischen Untergrund und Bauwerk erfolgt durch Konduktion und bei Vorhandensein von hydraulisch wirksamen Klüften zusätzlich durch konvektive Anteile. Die Wärmeenergie wird mittels Wärmeleitung durch den Spritzbeton und durch die Wandung der Absorberleitung zur Absorberflüssigkeit transportiert bzw. umgekehrt. Der Wärmetransport durch das Fluid erfolgt wiederum konvektiv. Die durch den Tunnel strömende Luft transportiert Wärmeenergie auf konvektivem Wege. An der Innenkante der 4 cm dicken Tunnelinnenschale erfolgt der Übergang des Wärmetransports von der Konvektion zur Konduktion, die zwischen Absorberleitung und Beton abläuft. Die Energiebilanz am Absorber hat eine auf die Tunnelluft und eine auf das Gebirge zurückzuführende Komponente, die als Erdwärme bezeichnet werden soll (vgl. Bild 4). Die Energiebilanz lässt sich durch folgende Gleichung für das stationäre Langzeitmittel ausdrücken: Q & = Q & + Q & Glg. 1 Abs Erdwärme Luft Dabei ist Q & Abs der durch den Absorber zu- bzw. abgeführte Wärmestrom, Q & Luft der Wärmestrom zwischen der Tunnelluft und dem Absorber und Q & Erdwärme der Wärmestrom zwischen Gebirge und Absorber. Der Wärmestrom Q & Erdwärme setzt sich als also tiefenabhängig zu unterschiedlichen Anteilen zusammen aus: Q (z) = Q (z) + Q (z) Glg. 2 Erdwärme Solar Geo Bild 4: Idealisierte Darstellung des tertiären Temperaturfeldes im Umfeld eines thermisch aktivierten Tunnels im innerstädtischen Bereich. 3.1 Temperaturfelder Das Temperaturfeld im Umfeld des Tunnels lässt sich nach [3] grundsätzlich in drei Stadien unterteilen. Der ungestörte Zustand, der nur durch den geothermischen Tiefenstrom und die Sonneneinstrahlung beeinflusst wird, wird als primäres Temperaturfeld (TF 1 ) bezeichnet. Es wird sowohl durch den geothermischen Tiefenstrom Q & Geo als auch durch Komponenten des beträchtlich größeren solaren Wärmestroms Q & Solar beeinflusst, der im Untergrund gespeichert wird. Die an der Geländeoberfläche herrschenden Temperaturen ϑ OF (t) spiegeln sich in Abhängigkeit der thermischen Gebirgseigenschaften in abgedämpfter Form und phasenverschoben im Untergrund wieder. Schwankt der Jahresgang der Temperatur Δϑ im Untergrund um nicht mehr als,1 K, so ist die neutrale Zone erreicht. Darunter erfolgt die Zunahme der Temperatur in Abhängigkeit des geothermischen Gradienten. Werden der Tunnel bzw. andere tiefreichende Bauwerke oder Gründungen hergestellt, so wird das primäre Temperaturfeld thermisch beeinflusst, z.b. durch Hydratationswärme beim Abbinden des Betons, durch Wärmequellen wie Baumaschinen und infolge Durchströmung des Bauwerks mit Außenluft sowie durch die betriebliche Nutzung (Zug- oder Autoverkehr). Dieser neue Zustand wird als sekundäres Temperaturfeld (TF 2 ) bezeichnet. Der Effekt der Störung der natürlichen Temperaturfelder in innerstädtischen Bereichen wird in der Literatur auch als urban heat island effect beschrieben (z.b. [1]). Die in Bild 5 dargestellten Temperaturwerte repräsentieren das sekundäre Temperaturfeld im Umfeld des Tunnels auszugsweise. Das tertiäre Temperaturfeld (TF 3 ) entsteht durch die Störung des sekundären infolge geothermischer Bewirtschaftung. Es ist in idealisierter Form in Bild 4 dargestellt.

5 4 Messkampagne und Messergebnisse 4.1 Messstellenaufbau Die beiden thermisch aktivierten Blöcke des Fasanenhoftunnels wurden umfangreich mit Messtechnik ausgestattet. Jeder Block wurde mit drei Temperaturmesslanzen ausgerüstet. Davon reichen zwei Stück 5, m bzw. 1, m tief horizontal in den Baugrund, eine dritte 5, m lange Messlanze ist lotrecht nach oben ausgerichtet. Die Temperaturmessung im Baugrund erfolgt mit Thermistorenketten, die zwischen 8 und 12 Sensoren mit variablen Abständen zwischen,5 m und 1,75 m aufweisen. Ergänzend wird in den Energieblöcken auch die Betontemperatur und die Lufttemperatur an vier Stellen pro Energieblock gemessen. 4.2 Messergebnisse Vor Beginn der Tunnelbauarbeiten konnten keine Messungen des primären Temperaturfeldes durchgeführt werden. Nachfolgend werden auszugsweise Ergebnisse von Messungen der Untergrundtemperaturen des sekundären Temperaturfelds und solche des Anlagenbetriebs gezeigt Sekundäres Temperaturfeld In Bild 5 sind die im Zeitraum von Mai 21 bis Februar 211 aufgezeichneten Monatsmitteltemperaturen über die Entfernung von der Tunnelinnenschale des Energieblockes 73 aufgetragen, die in Tunnelluft, Bauwerksbeton und Untergrund gemessen wurden. In diesem Zeitraum erfolgte noch keine tunnelgeothermische Nutzung. Die Messergebnisse repräsentieren das sekundäre Temperaturfeld im Umfeld des Tunnels. Die mittleren Tunnellufttemperaturen im beobachteten Zeitraum haben eine Schwankungsbreite von ca. 14,5 K. Mit Eintritt der Temperaturwelle in die Tunnelschale wird die Schwankungsbreite auf etwa 8,1 K abgedämpft. Temperatur Tunnelluft C 15 Untergrund 1 Mai 1 Jun 1 Datenverlust, ersatzweise Jul 1 Aug 1 Daten aus TMK 81 Sep 1 5 Okt 1 Nov 1 Dez 1 Tunnelschalen Jan 11 Feb m 11 Entfernung von der Innenschale Bild 5: Temperatur-Monatsmittelwerte von Tunnelluft, Beton der Tunnelinnenschale und Untergrund, gemessen in der nördlichen Thermistorenkette des Blockes 73 im Zeitraum Mai bis Februar 211 (TF 2 ). Im geologischen Nahfeld des Tunnels werden zunächst Temperaturdifferenzen von rund 6,4 K beobachtet, die mit zunehmender Entfernung vom Tunnel abnehmen und sich vergleichmäßigen. Ab einer Entfernung von rund 7 m sind die Schwankungen <,4 K. Die absoluten Temperaturwerte liegen dann bei ca. 11,8 C [3] Betrieb der tunnelgeothermischen Anlage Der Betrieb der tunnelgeothermischen Anlage wurde im April 211 erfolgreich aufgenommen. Die Anlage wird seitdem im Dauerbetrieb gefahren und wird über die Regelungsgrößen Vorlauftemperatur und Volumenstrom des Absorberfluids gesteuert. Für den simulierten Kühlfall wurden Vorlauftemperaturen von 25,5 C und 2 C variiert sowie Volumenströme zwischen 5 l/h und 2 l/h. Aus den gemessenen Rücklauftemperaturen konnte die energetische Ergiebigkeit der Anlage ermittelt werden. In der Abbildung 6 sind die im Zuge des stationären Grundsatzversuchs für den Kühlfall gemessenen Wärmestromdichten der beiden Teilkreisläufe des Energieblockes 82 sowie die Temperatur der Tunnelluft und der Außenluft gegen die Zeit aufgetragen. Die Wärmestromdichte q& in W/m² wird aus dem Wärmestrom Q & in W und der thermisch aktivierten Fläche A in m² berechnet (Glg. 3). Der Wärmestrom ergibt sich aus dem Volumenstrom V & in l/h, der Dichte des Absorberfluids ρ Fluid in kg/m³, dessen Wärmekapazität C P in kj/kgk und der Temperaturdifferenz Δϑ zwischen Vor- und Rücklauf in K (vgl. Glg. 4). Q& q= & Glg. 3 A Q=V & & ρ C Δϑ Glg. 4 Fluid P Die spezifische Entzugsleistung betrug anfangs rund 33 W/m² und pendelte sich später unter quasistationären Verhältnissen bei etwa 15 W/m² ein. Die Gesamtentzugsleistung des Energieblocks 82 betrug dann 2,8 kw (vgl. Bild. 6). 5 Temperatur Außenluft 3 W/m 2 Temperatur Tunnelluft C 25 4 Wärmestromdichte q Wärmestromdichte Kreislauf 1 Wärmestromdichte Kreislauf Zeit Bild 6: Messergebnisse des stationären Grundsatzversuchs, gemessen in Block 82. Dargestellt sind der Temperatur

6 Verlauf der Wärmestromdichte und der Lufttemperaturen gegen die Zeit. Der Wärmestrom Q & bzw. die Wärmestromdichte q& zeigen eine sehr starke Abhängigkeit von den Schwankungen der Temperatur der Tunnelluft, die u.a. abhängig ist von der Temperatur der Außenluft, dem Abstand von den Portalen, der Strömungsgeschwindigkeit der Tunnelluft sowie Wärmequellen (z.b. Zügen). Mit Zunahme der Außentemperaturen und in deren Folge der Zunahme der Tunnellufttemperaturen sinkt die Leistung der tunnelgeothermischen Anlage im Kühlfall [3]. 5 Numerische Untersuchungen Die in situ-messreihen wurden durch numerische Simulationen nach der Methode der Finiten Elemente ergänzt, die sich im Wesentlichen auf die Ermittlung der Reichweite der Temperaturveränderung im Umfeld des Tunnels und auf energetische Betrachtungen konzentrieren. Die ermittelten Messergebnisse ermöglichten die Kalibrierung und Validierung des numerischen Modells, sowohl für das TF 2 als auch für das TF 3. Die Simulationen sind gemäß den in Abschnitt 4.1 erläuterten unterschiedlichen Stadien der Temperaturfelder (TF 1, TF 2 und TF 3 ) strukturiert. Die FE-Berechnungen unter Verwendung des Programms FEFLOW wurden für Zeiträume von Monaten bis hin zu mehreren Jahren durchgeführt. Die Simulationen des TF 1 dienten der Ermittlung der Anfangsbedingungen für weiterführende Berechnungen im TF 2. Die Randbedingungen des Grundmodells (TF 1 ) ergeben sich aus den Oberflächentemperaturen am oberen Modellrand und dem geothermischen Wärmestrom am unteren Rand des Modells. Die Simulationen in TF 2 und TF 3 wurden durch eine interne Temperaturrandbedingung für die Tunnelluft an der Innenkante der Tunnelinnenschale gemäß Bild 4 ergänzt. Bild 7: Temperaturfeld im Winter in der Tunnelumgebung ohne geothermische Nutzung des Tunnels (TF 2 ). Temperatur 25 C T RL Dauerbetrieb T RL Intervallbetrieb d 3 Zeit Bild 8: Berechneter Verlauf der Rücklauftemperatur in Dauerbetrieb und Intervallbetrieb bei Kühlbetrieb mit einer Vorlauftemperatur von 25 C. Die verwendeten thermischen Stoffeigenschaften für Untergrund und Bauwerk wurden auf der Grundlage eigener Labor- und in situ-untersuchungen [11] sowie auf der Basis von Literaturquellen gewählt [12]. Die numerischen Berechnungen erfolgten unter Verwendung eines Homogenmodells. Bild 7 zeigt einen Auszug der Modellierung des TF 2 für einen Wintermonat. Die Temperaturfeldbeeinflussung durch den Tunnel ist deutlich erkennbar, ebenso Temperaturinterferenzen zwischen dem oberflächennahen Bereich und dem Bereich über der Tunnelfirste. Die teilweise nicht kreisrunde Gestalt der in Bild 7 gezeigten Temperaturfeldveränderung in der Tunnelumgebung, insbesondere im Nahfeld ist auf den Einfluss einer markanten Schicht zurückzuführen (Hauptsandstein, Lias α), deren thermische Stoffwerte sich deutlich von denen des restlichen Gesteins abheben (siehe hierzu [11]). Auf den Berechnungen des TF 2 aufbauend erfolgte die Simulation des tunnelgeothermischen Betriebs unter Einbeziehung des Wärmetransports in den Absorberleitungen, zunächst im Dauerbetrieb im Kühlfall, dann im Intervallbetrieb mit achtstündiger täglicher Betriebszeit. Die Vorlauftemperatur des Absorberfluids betrug in beiden Fällen 25 C. Die berechneten Kurven der Rücklauftemperatur für einen Teilkreislauf sind in Bild 8 dargestellt. Aus dem zyklischen Betrieb resultieren aufgrund der Regenerationsmöglichkeit des Systems im Vergleich zum Dauerentzug größere Temperaturunterschiede Δϑ zwischen Vor- und Rücklauftemperatur und somit gemäß Glg. 3 und 4 auch höhere entziehbare spezifische Wärmemengen. 6 Schlussbemerkung Aufgrund der seichten Lage des Fasanenhoftunnels und der damit verbundenen Beeinflussung des Temperaturfelds im Umfeld des Tunnels durch die Oberflächentemperaturen sowie durch die Tunnelluft, stellt die Berechnung dieser tunnelgeothermischen

7 Fragestellungen im innerstädtischen Bereich eine hochgradig instationäre Aufgabe dar. Die konstruktiven Modifikationen, die erforderlich sind, um aus einem Tunnel einen thermisch aktivierten Tunnel herzustellen, sind grundsätzlich gering. Die erforderlichen zusätzlichen Tätigkeiten können gut in den allgemeinen Arbeitsablauf für die Bauwerkskonstruktion integriert werden. Die Tunnelgeothermie ist ein noch kleiner Teilaspekt der Geothermie, die wiederum einen überschaubaren Teilbereich der Erneuerbaren Energien abdeckt. Die gezeigten Beispiele machen jedoch das Potenzial und die Vorteile tunnelgeothermischer Anwendungen deutlich [3]. Danksagung Das Projekt ist in eine Forschungsinitiative des BMWi eingebunden, das die Bezeichnung Energieoptimiertes Bauen trägt. GeoTU6 wird durch das BMWi, in Koordinierung durch den Projektträger Jülich sowie durch den Bauherrn, die Stuttgarter Straßenbahnen AG finanziell getragen. Den Förderern sei an dieser Stelle ausdrücklich gedankt. [7] Franzius, J. N., Pralle, N. (211): Turning segmental tunnels into sources of renewable energy. Civil Engineering 164, S [8] Hofmann, K., Schmitt, D. (21): Geothermie im Tunnelbau - Konzept für die Nutzung der Geothermie am Beispiel des B1-Tunnels Rosenstein Geotechnik 33: [9] Banks, D (28): An introduction to thermogeology, ground source heating and cooling Oxford (Wiley-Blackwell). [1] Allen, A., Milenic, D., Sikora, P. (23): Shallow gravel aquifers and the urban heat island effect: a source of low enthalpy geothermal energy Geothermics 32: S [11] Schneider, M., Vermeer, P.A.: Tunnelgeothermische Teststrecke Stuttgart-Fasanenhof. 7. Kolloquium Bauen in Boden und Fels, TAE, Ostfildern 21, S [12] VDI 464 Blatt 1 Entwurf (28): Thermische Nutzung des Untergrundes Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte. Literaturverzeichnis [1] Wilhelm, J., Rybach, L.: The geothermal potential of swiss alpine tunnels. Geothermics 32 (23) S [2] Moormann, C., Schneider, M.: Technische und ökonomische Entwicklungen in der Tunnelgeothermie. VEGAS-Kolloquium 211; Flache Geothermie Perspektiven und Risiken; Tagungsband zur Veranstaltung in Kooperation mit dem Landesforschungszentrum Geothermie am Karlsruher Institut für Technologie KIT, Universität Stuttgart. Mitteilungen Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart, Heft , S [3] Schneider, M., Moormann, Chr., Vermeer, P.A.: Der Beitrag des Tunnelbaus zu regenerativen Energiekonzepten. Veröffentlichungen zur 18. Tagung für Ingenieurgeologie und zum Forum für junge Ingenieurgeologen Berlin, März 211/ (Hrsg.) J. Tiedemann, Berlin: Fachsektion Ingenieurgeologie der DGGT, 211, S [4] Markiewicz, R.: Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Nutzung geothermischer Energie mittels erdberührter Bauteile und Neuentwicklungen für den Tunnelbau. Dissertation TU Wien 24. [5] Bruderer, W., Rausch, M., Kühn, W., Mégel, Th., Rohner, E., Iglesisas, E., Wetzig, V. (21): Energiegewinnung aus städtischen Tunneln; Systemevaluation. Schweizerische Eidgenossenschaft, Bundesamt für Straßen. Forschungsauftrag FGU 28/6. [6] Frodl, S., Franzius, J. N., Bartl, T. (21): Design and construction of the tunnel geothermal system in Jenbach / Planung und Bau der Tunnelgeothermieanlage in Jenbach Geomechanics and Tunnelling 3: S