Nutzung der Geothermie mittels Erdwärmeabsorber und Grundwasserbrunnen

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1 D Adam, R Markiewicz Zusammenfassung: 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 a b c d Abb 1: a: Absorberleitungen für eine Energiebodenplatte b: Verlegung von Absorberleitungen im Bewehrungskorb eines Energiepfahls c: Absorberleitungen am Bewehrungskorb einer Energieschlitzwand d: Einbringen von Absorberleitungen in einen Kleinbohrpfahl technical design of plant utilising the thermal energy of the ground Utilising geothermal energy by means of geothermal absorbers and groundwater wells Summary: The development of efficient heat pumps has made it possible over the past decades to raise the energy stored in the ground to temperature levels which permit the active heating of buildings Since the early nineties, novel technologies have helped to integrate absorber systems into building foundations and infrastructure buildings and to develop larger energy potentials at lower cost These novel absorber technologies are also suited to meet the increasing cooling requirements of modern buildings constructed by recently developed methods Besides these closed geothermal systems, open systems for the direct utilisation of the groundwater through extraction and re-infiltration are being increasingly used Sophisticated solutions such as hydraulic and thermal simulations form the basis for the efficient Abb: Autoren Nutzung der Geothermie mittels Erdwärmeabsorber und Grundwasserbrunnen 1 Einleitung und Prinzip der Geothermienutzung In den meisten Klimazonen Europas ist die Temperatur des Untergrundes ab einer Tiefe von ca m aufgrund dessen thermodynamischer Trägheit nahezu konstant Bis zu einer Tiefe von ca 50 m beträgt sie in der Regel 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 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 77

2 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 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, bei dem nur Energie aus dem Boden entnommen oder nur Energie in den Boden eingetragen wird, 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 Wärmeoder 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 78 Abb 2: Einbau des Energievlieses in einem Testabschnitt des bergmännisch aufgefahrenen Lainzer Tunnels a b Abb 3: a: Thermische Nutzung von Ankern im bergmännischen Tunnelbau b: Thermische Nutzung von Ankern zur Böschungsstabilisierung nennenswerter Massenstrom stattfindet und somit die betroffenen Partikel am selben Ort verbleiben 2 Erdwärmeabsorber Neben den klassischen Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren ermög lichen 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 ( Energiebo

3 21 Erdwärmesonden, Erdwärme kollektoren 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 Abb 4: Energietübbing: Anordnung der Absorberelemente innerhalb des Betonfertigteils (oben) und testen eines Prototyps im Labor (unten), Pralle et al 2009 Abb 5: Pilotprojekt für die Erdwärmenutzung eines in offener Bauweise (Deckelbauweise) errichteten Tunnelbauwerks (links) Simulationsberechnung zur Ermittlung des thermischen Einflussbereiches (rechts) Abb 6: Möglichkeiten der Erdwärmenutzung bei bergmännisch aufgefahrenen Tunnelbauwerken denplatten ) 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 insbe sondere 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 22 Energiepfähle, Energieschlitz wände, 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 (Vollund Hohlquerschnitt Ortbetonbohrpfähle (Abb 1b) Schlitzwände (Abb 1c) Kleinbohrund Kleinrammpfähle (Abb 1d) Die Nutzung von Einphasendichtwänden, die beispielsweise zur Umschließung von Altlasten sowie für den Hochwasserschutz hergestellt werden, ist Gegenstand eines aktuellen Forschungsprojektes 23 Energievlies Beim Energievlies handelt es sich um eine neue Entwicklung, bei dem zwischen zwei vernadelten Vliesbahnen Absorberrohre eingelegt werden Überall dort, wo Vliese 79

4 Abb 7: Prinzipschema der direkten thermischen Grundwassernutzung für Heiz- (links) und Kühlzwecke (rechts) ( varianten_der_erdwaermenutzunghtm; Eberhard & Partner AG Aarau) Abb 8: Schematische Übersicht des Wärmetransportes einer Energiepfahlanlage im Heizfall (Leistungsbilanz) im Erd-, Grund- und Tunnelbau zum Trennen, Filtern, Drainieren, Verstärken und Bewehren eingesetzt werden, kann das Energievlies grundsätzlich verwendet werden Erste Anwendungen erfolgten beim Bau des Lainzer Tunnels, bei dem im Rahmen einer Pilotanlage (Abb 2) die 80 Trennung zwischen Innen- und Außenschale mittels des Energievlieses erfolgte 24 Energieanker Anker werden für die Stabilisierung von Hängen und Böschungen sowie zur Siche rung 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

5 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 Innenund 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 27 Energiebrunnen Abb 9: Mechanismen beim Wärmestrom vom Erdreich zur Absorberflüssigkeit (schematisch) Abb 10: Ergebnis (Schnittdarstellung) einer dreidimensionalen thermischen Simulationsberechnung für ein Infrastrukturbauwerk, das auf Energiepfählen und Energieschlitzwänden fundiert ist 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 folgten 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) 25 Energietübbing 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 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 er 26 Energietunnel TunnelThermie 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 aufwändige 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 Versickerungsbrunnen (Wärmesenke) verwendet werden Zur Erzielung eines geschlossenen Wärmeträgersystems dienten U-förmige Rohre als Erdwärmesonden 28 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: 81

6 Abb 11: Temperaturverhältnisse (Grundrissdarstellung) im Erdreich und der Energiefundierung in einer Tiefe von 15 m unterhalb der Bodenplatte im Verlauf eines Jahres Abb 12: Berechnungsgleichungen für gesättigte und gesättigte/ungesättigte Zonen im Untergrund 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? 82 4 Hydraulische und thermische Simulation 41 Geschlossene Systeme 411 Theoretische Grundlagen Bei geschlossenen Systemen zur Erdwärmenutzung (Massivabsorbertechnologie) hängt die dem Erdreich entziehbare Energiemenge im Wesentlichen von folgenden Parametern ab: Stoffeigenschaften des Bodens: Wärmeleitfähigkeit λb, spezifische Wärmekapazität cb, Dichte ρb Stoffeigenschaften des Massivabsorberbauteils: Wärmeleitfähigkeit λbeton, spezifische Wärmekapazität cbeton, Dichte ρbeton Grundwasserströmung Temperatur T und TemperaturgradiB ent 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 L P Beschaffenheit der Rohrwandung (Rohrrauigkeit) ε Stoffparameter der Absorberleitungen: Wärmeleitfähigkeit λr, spezifische Wärmekapazität cr, Dichte ρr Stoffparameter der Absorberflüssigkeit: Wärmeleitfähigkeit λ, spezifische Wärmekapazität c, Dichte ρ; Dynamische Viskosität η Strömungsgeschwindigkeit u m 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 Software produkte 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 AbsorberPr im flüssigkeit im Primärkreislauf T VL 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 dadurch erwärmt Die Rücklauftemperatur T RLPr im kann dabei als Ergebnis des Primärkreislaufes gesehen werden und ist

7 Abb 13: Wärmespeicherung und Wärmetransportvorgänge im Untergrund Abb 14: Beispiel für die Ermittlung der Reichweite der Temperaturfront bei einer direkten Grundwassernutzung (Grundrissdarstellung) durch eine gekoppelte hydraulisch-thermische Simulationsberechnung An der Versickerungsstelle wird während der Heizperiode 7 C kaltes Wasser und während der Kühlperiode 17 C warmes Wasser dem Aquifer rückgeführt 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 Wärme strom QSole Dieser Wärmetransport 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 aufwändige numerische Verfahren (z B FEM) erforderlich 412 Praktische Umsetzung Für die Simulation und Dimensionie rung einer Massivabsorberanlage wäre es grundsätzlich wünschenswert, das Gesamtsystem Boden Primärkreislauf Wärmepumpenkreislauf Sekundärkreislauf (vgl Abbildung 8) mit sämt lichen Einflussparametern zu simulieren Zusätzlich zu berücksichtigen wären die geometrischen Verhältnisse (Bauwerk, Bauteilaufbauten, Anordnung der Massivabsorberlemente etc) sowie bauwerks- bzw standort spezifische Parameter (Außenluft tempera tur, Innenlufttemperatur etc) Dies erfordert oftmals dreidimensionale Be rechnungs modelle, um insbesondere die geometrischen 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) 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 83

8 42 Offene Systeme den 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 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 421 Hydraulische Berechnung 422 Thermische 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 Grundwasserstän- 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 ΔT = 4 K, einer ange nommenen Förderleistung des Entnahmebrunnens von 10 l/s eine thermi sche Leistung von ca Q = 170 kw Dieses einfache Beispiel zeigt grundsätzlich das 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: Q = c m ΔT (1) mit Q: Wärmestrom [kw] c: spezifische Wärmekapazität [kwh/ (kgk)] m: Massenstrom [kg/h] ΔT: Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur [K] Bei komplexeren geometrischen Verhältnissen (z B Großprojekt mit Energieschlitzwänden) können die einzelnen Absorberrohre aus genannten Gründen nicht mehr im Einzelnen berücksichtigt werden In diesen Fällen ist man gezwungen, einen Mittelwert der erwarteten Eintrittsund 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 84 große Energiepotenzial einer thermischen Grundwassernutzung Um die thermische Reichweite (Thermalfront) im Bereich der Versickerung zu berechnen, ist im Regelfall eine dreidimensionale gekoppelte hydraulischethermische Simulation durchzuführen, damit die im Untergrund auftretenden Wärmetransportmechanismen und Randbedingungen berücksichtigt werden können Die wichtigsten Wärmetransportvorgänge im Untergrund sind (vgl Abb 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 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 Versickerungsan

9 lage 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 Absenkbzw 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 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 Literatur Adam D, Markiewicz R (2003) Geothermische Energienutzung im Bauwesen Heft 54/Oktober 2003 Wien: Österreichische Vereinigung für Beton- und Bautechnik Adam D, Markiewicz R (2009) Energy from 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Wien 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 aufwändige Berechnungsmodelle erforderlich Mit der stetig wachsenden Bedeutung der Nutzung von umweltfreundlicher Energie wird es aber auch in diesem Bereich wertvolle Weiterentwicklungen in naher Zukunft geben n Korrespondenz: UnivProf Dipl-Ing Drtechn Dietmar Adam Technische Universität Wien Institut für Geotechnik, Forschungsbereich für Grundbau, Boden- und Felsmechanik Karlsplatz 13/220 A-1040 Wien Tel: +43-(0)1/ Fax: +43-(0)1/ dietmaradam@tuwienacat und GEOTECHNIK ADAM ZT GmbH Wiener Straße 66-72/15/4, A-2345 Brunn am Gebirge Tel: +43-(0)2236/ Fax: +43-(0)2236/ dadam@geotechnik-adamat Dipl-Ing Drtechn Roman Markiewicz GEOTECHNIK ADAM ZT GmbH Wiener Straße 66 72/15/4 A-2345 Brunn am Gebirge Tel: +43-(0)2236/ Fax: +43-(0)2236/ markiewicz@geotechnik-adamat 85