D i p l o m a r b e i t

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1 D i p l o m a r b e i t Auswirkung von Tiefbauwerken auf die Grundwassertemperatur in Dresden Inhalt 1 Einleitung 2 Methodik 3 Auswertung 4 Zusammenfassung/ Schlussfolgerungen Von Linda Wübken Betreuer: Prof. Dr.-Ing. T. Grischek Dr.-Ing. B. Gutt

2 1 Einleitung Ständigen Aktivitäten, wie Wasserentnahme und -einspeisung, Baumaßnahmen und Versiegelung der Oberfläche sowie das Vorhandensein von beheizten Kellern, Fernwärmekanälen, Abwasserkanälen und die zunehmende Nutzung des unterirdischen Raumes für die Anlage von Verkehrswegen, Tiefgaragen, Lageräumen, stellen eine ständige anthropogene Wärmequelle dar. Diese Wärmequellen führen zu Veränderungen der Grundwassertemperatur. Auf der Suche nach Möglichkeiten zum umweltfreundlichen und energiesparenden Kühlen ist man auf das Grundwasser gestoßen. Auch in Dresden wird das Grundwasser bereits für viele Gebäude für den Betrieb von Klimaanlagen genutzt. Im Stadtgebiet Dresden wurden aber andererseits in den letzten Jahren stärkere Schwankungen der Grundwassertemperatur sowie lokal relativ hohe Werte beobachtet. Durch die Erhöhung der Grundwassertemperatur können die vorhandenen kältetechnischen Anlagen nicht mehr effizient arbeiten. Ziel der Diplomarbeit war es die Beeinflussung der Grundwassertemperatur speziell die Auswirkung der Tiefbauwerke auf die Grundwassertemperatur sowie die Grundwassertemperaturentwicklung im Stadtgebiet Dresden zu untersuchen. 2 Methodik Für die Untersuchung wurde die Grundwassertemperatur in den Untersuchungsgebieten G1 und G2 großflächig erfasst, wobei G1 die innere Altstadt von Dresden und G2 einen Ring von 6 km um das Untersuchungsgebiet G1 umfasst. Die Erfassung der tiefenabhängigen Grundwassertemperaturverteilung diente zur Abschätzung der anthropogen bedingten Veränderung der Grundwassertemperaturen. Dazu wurden an ausgewählten Grundwassermessstellen mit dem Temperaturkabellichtlot vertikale Temperaturprofile aufgenommen. Diese Stichtagsmessungen erfolgten in einem Zyklus von jeweils einem Monat. Für die Untersuchung der Entwicklung der Grundwassertemperatur im Stadtgebiet Dresden wurde eine langfristige kontinuierliche Temperaturerfassung durchgeführt. Für die Messung der Grundwassertemperaturen einer bestimmten Teufe wurden in ausgewählte Messstellen des Hauptuntersuchungsgebietes G1 Datenlogger installiert. Der Messrhythmus betrug, zur genauen Dokumentation etwaiger Schwankungen der

3 Grundwassertemperatur, eine Stunde. Die Dauer der Messungen wurde zunächst für ein Jahr vorgesehen. Zusätzlich mussten die vorhandenen Temperaturdaten und die im Rahmen der Diplomarbeit gemessenen Daten auf ihre Repräsentativität hinsichtlich der Methode zur Messwertgewinnung überprüft werden, damit ein Vergleich der Temperaturdaten unterschiedlicher Datenquellen und unterschiedlicher Messmethoden geschlossen werden konnte. Um die Repräsentativität der vorhandenen, überwiegend während Grundwasserprobennahmen gemessenen, Temperaturdaten bewerten zu können, wurde ein Abpump- und Probennahmeversuch durchgeführt. Für die Untersuchung des Einflusses der Tiefbauwerke auf die Grundwassertemperatur wurden Bauwerke aus dem Untersuchungsgebebiet G1 ausgewählt, bei denen im Zuge der Stichtagsmessung im Abstrom erhöhte Grundwassertemperaturen festgestellt wurden. Nach der Objektauswahl wurden die Objektdaten recherchiert und Innentemperaturen des Bauwerks gemessen. Der Stattfindende Wärmetransport durch die Bauwerkshülle in das Grundwasser wurde modellhaft nachgebildet. Zur Bewertung der Güte des entwickelten Modells wurden anschließend die Berechnungsergebnisse mit den Grundwassertemperatur-Messergebnissen verglichen. 3 Auswertung Die kontinuierliche Grundwassertemperaturerfassung der Datenlogger ergab für den Beprobungszeitraum von vier Monaten einen leichten Anstieg der Grundwassertemperatur. Dieser Anstieg ist vermutlich auf den saisonalen Einfluss der Lufttemperatur zurückzuführen, in Hinsicht auf eine langfristige Grundwassertemperaturentwicklung ist er zu vernachlässigen. Aus den Stichtagsmessungen resultieren vertikale Temperaturprofile, die im Zusammenhang mit der Lage zu Tiefbauwerken, Abwasserleitungen und Fernwärmekanäle ausgewertet wurden. Die Messstellen mit den höchsten gemessenen Temperaturen liegen alle im Untersuchungsgebiet G1 unmittelbar im Abstrom von Bauwerken, die in das Grundwasser hineinragen. So wurden im Abstrom der Tiefgarage des Coselpalais im Juni 2006 Temperaturen von maximal 17,5 C und im Anstrom Temperaturen von maximal 13,3 C gemessen. Beide Temperaturen wurden im Bereich des oberflächennahen Grundwassers gemessen.

4 Weitere Beispiele sind in Tabelle 1 aufgeführt. An diesen Messstellen waren aber auch grundwassertemperaturverändernde Einflüsse aus Fernwärme- und Abwasserleitungen nicht auszuschließen. Hingegen weisen die Grundwassermessstellen, bei denen nur eine Beeinflussung durch Fernwärme- und Abwasserleitungen in Frage kommen kann, keine signifikante Grundwassertemperaturerhöhung auf. Tab. 1: Gegenüberstellung der gemessenen Maximaltemperaturen im An- und Abstrombereich von Tiefbauwerken Bauwerk maximale Temperatur im Anstrom maximale Temperatur im Abstrom Teufe in mhn Temperaturdifferenz Coselpalais 13,8 C 17,7 C 3,9 K Tiefgarage des Coselpalais Tiefgarage des ESAG- Gebäudes Die Messstellen mit den niedrigsten gemessenen Temperaturen befinden sich alle im Untersuchungsgebiet G2 (Abb. 1). Die mittleren Grundwassertemperaturen der Gebiete G1 und G2 betragen 13,3 C bzw. 11,3 C. So kann für die Auswertung der Profile hinsichtlich ihrer Lage im Untersuchungsgebiet gesagt werden, dass die Grundwassertemperaturen im Untersuchungsgebiet G1 im Mittel 2 K höher sind als die im Gebiet G2 gemessenen Grundwassertemperaturen. 13,3 C 17,5 C 4,2 K 14,9 C 17,0 C 2,1 K Temperatur in C GWMS des Untersuchungsgebietes G2 GWMS des Untersuchungsgebietes G1 Abb. 1: Darstellung vertikaler Temperaturprofile aller Messstellen im G1 und G2 Bei einem Vergleich von Grundwassertemperaturen verschiedener Datenquellen ist es wichtig, deren Messmethode zu kennen, um falsche Interpretation bezüglich eines Ansteigens oder Sinkens der Grundwassertemperatur ausschließen zu können. Der

5 Durchgeführte Abpump- und Probennahmeversuch unter realen Bedingungen ergab, dass die gemessenen Grundwassertemperaturen in Abhängigkeit von der Förderrate um 1 K bis 2 K höher als die in-situ gemessenen Grundwassertemperaturen sind. Bei Temperaturdaten, die mit einem Temperaturkabellichtlot gemessen wurden, ist es wichtig, in welcher Teufe die Temperaturwerterfassung durchgeführt wurde. Die Untersuchungen ergaben, dass große Temperaturdifferenzen zwischen den vertikalen Profilen der einzelnen Stichtagsmessungen im Einflussbereich der Aerationszone auftreten. Das heißt, je geringer der Flurabstand desto größer ist der Bereich, in dem die Grundwassertemperatur von der Aerationszone beeinflusst wird (Abb. 2). Nach der Prüfung aller vertikalen Temperaturprofile des Beprobungszeitraumes kann für den Raum Dresden die Aussage getroffen werden, dass bei einer Grundwassertemperaturmessung ab einer Teufe von mindestens 11 m unter Geländeoberkante eine Beeinflussung der Aerationzone vernachlässigbar gering ist , , 11 11, 12 C 10,7 10,9 11,1 11,3 51 C m u. MP m u. MP GWMS mit 1,61 m u. GOK Grundwasserflurabstand GWMS mit 50,6 m u. GOK Grundwasserflurabstand Abb. 2: Vertikale Temperaturprofile der GWMS mit niedrigsten und höchsten Grundwasserflurabstand Der Einfluss der Tiefbauwerke, die in das Grundwasser hineinragen, auf die Grundwassertemperatur konnte messtechnisch nachgewiesen werden. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden zwei der in Tabelle 1 aufgeführten Tiefbauwerke ausgewählt, um an

6 diesen Beispielen eine Abschätzung des Wärmetransportes durch die Bauwerkshülle in das Grundwasser vorzunehmen. Bei den ausgewählten Tiefbauwerken handelt es sich dabei um die Tiefgaragen des Coselpalais und des ESAG-Gebäudes. Für die Abschätzung wurde ein einfaches analytisches Wärmetransportmodell entwickelt, mit dem die Grundwassertemperaturen nach der Erwärmung durch die Tiefbauwerke berechnet werden können. Die im stationären Endzustand betrachteten Ergebnisse der Abschätzung wurden mit den gemessenen Grundwassertemperaturen im Abstrom der Gebäude verglichen (Tab. 2). Tab. 2: Gegenüberstellung gemessener und berechneter Temperaturen Bauwerk Tiefgarage des Coselpalais Tiefgarage des ESAG- Gebäudes mittlere Temperatur im Anstrom gemessen Temperatur im Abstrom berechnet mittlere Temperatur im Abstrom gemessen T Anstrom gemessen Abstrom berechnet T Anstrom gemessen Abstrom gemessen 13,3 C 14,5 C 16,5 C 1,2 K 3,2 K 14,5 C 15,7 C 16,5 C 1,2 K 2,0 K Die gemessenen und berechneten Grundwassertemperaturerhöhungen weichen um einen Faktor 2 bis 3 voneinander ab. Diese signifikanten Abweichungen deuten darauf hin, dass die starke Vereinfachung des Modellalgorithmus dazu führt, dass die Wärmetransportprozesse nicht hinreichend genau beschrieben werden. Weiterhin werden im Modell keine in der Nähe gelegenen Wärmequellen berücksichtigt. Trotzdem kann anhand der Berechnung mit dem stark vereinfachten Modell die Aussage getroffen werden, dass eine Erwärmung des Grundwassers durch die Tiefbauwerke stattfindet. Die in-situ gemessene Grundwassertemperaturerhöhung im Abstrombereich der Tiefbauwerke bestätigt diese Aussage. 4 Zusammenfassung/ Schlussfolgerung Die Untersuchungen im Rahmen der Diplomarbeit haben gezeigt, dass es eine signifikante Grundwassertemperaturerhöhung im Innenstadtbereich Dresdens gibt. Die Ursachen für diese Erwärmung sind vielfältig. Fernwärme- und Abwasserleitungen sowie weitere Tiefbauwerke sind potenzielle Wärmequellen, die die

7 Grundwassertemperatur beeinflussen. Die Messungen und Berechnungen haben bewiesen, dass der Wärmeeintrag durch die Tiefbauwerke nicht zu vernachlässigen ist. Für die Bewertung der Entwicklung der Grundwassertemperatur ist es daher wichtig, eine kontinuierliche Langzeitmessung der Grundwassertemperatur mittels Datenlogger durchzuführen. Die Datenaufzeichnung sollte mindestens über 2 Jahren erfolgen, um die Temperaturdaten zwischen den einzelnen Monaten der jeweiligen Jahre, unter Beachtung des Einflusses der Aerationszone im Zusammenhang mit saisonalen Lufttemperaturschwankungen, vergleichen zu können. Für langfristige Messungen würde die tägliche Gewinnung eines Grundwassertemperaturwertes genügen. Weiterhin sollte die Stichtagsmessung einmal monatlich bis einmal vierteljährlich durchgeführt werden, um langfristig eine Aussage über die vertikale Temperaturverteilung im Stadtgebiet Dresden treffen zu können. Der Abstand zwischen den Stichtagsmessungen ist dabei so zu wählen, dass alle saisonalen Lufttemperaturschwankungen erfasst werden. Bei beiden Temperaturmessmethoden muss die Beeinflussung der Aerationszone beachtet werden. Für den Dresdner Raum ist ab einer Teufe von mindestens 11 m unter Geländeoberkante eine Beeinflussung der Grundwassertemperatur durch die Aerationzone vernachlässigbar gering. Neben den Grundwassertemperaturmessungen muss sofern die in-situ gemessene Grundwassertemperaturerhöhung mit größerer rechnerischer Genauigkeit nachgewiesen werden soll, zusätzlich eine Präzisierung des Wärmetransportmodells durchgeführt werden.