Grundwassermodellierung am Beispiel des Heiz- und Kühlkonzeptes der neuen Wirtschaftsuniversität in Wien

Transkript

1 Geothermische Heiz- und Kühlanlagen Bewirtschaftung der Ressource Grundwasser ÖWAV-Arbeitsbehelf 43 Grundwassermodellierung am Beispiel des Heiz- und Kühlkonzeptes der neuen Wirtschaftsuniversität in Wien Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar Adam GEOTECHNIK ADAM Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 1/ 23

2 Wirtschaftsuniversität Wien NEUER STANDORT WU Bauherr: Projektgesellschaft Wirtschaftsuniversität Wien Neu GmbH Projektdaten: Baubeginn: 2009 Baufertigstellung: 2013 Nettonutzfläche: m² 5 Gebäudekomplexe Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 2/ 23

3 Prinzip der thermischen Grundwassernutzung HEIZEN KÜHLEN 16 C Thermische Leistung: Q m c T Förder- und Versickerungsmenge: 10 l/s Abkühlung / Erwärmung: +/- 4 C Thermische Leistung: ca. 170 kw Bewilligungspraxis: - Rückgabetemperatur max. 17 C (18 C) bzw. min. 5 C (6 C) - keine nachteilige Beeinträchtigung fremder, bestehender Wasserrechte - zukünftige Nutzungen im Umfeld sollen möglich sein - Berechnung der hydr. und therm. Reichweite (Kurzschluss, Wasserrechte) Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 3/ 23

4 Energiebedarf der neuen WU HEIZ- und KÜHLARBEIT HEIZ- und KÜHLLEISTUNG Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 4/ 23 HEIZ- UND KÜHLENERGIE pro Monat [MWH/Monat] Jänner Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Jänner Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember MAXIMALE HEIZ- UND KÜHLLEISTUNG [kw] Jahresheizarbeit: ca MWh Jahreskühlarbeit: ca MWh Spitzenleistung Heizen: kw Spitzenlast Kühlen: kw

5 Thermische Grundwassernutzung Pumpmenge [l/s] Einleittemp GW [ C] Entnahmetemp GW [ C] Entnahmetemperatur: 12 C Rückgabetemperatur: 7 C / 17 C Pumpmenge [l/s] Temperatur [ C] Jän Feb März April Mai Juni Juli Aug Sep Okt Nov Dez Datum [-] Maximale Pumpmenge: 150 l/s (9.053 m³/tag) Mittlere Pumpmenge pro Monat: 11 l/s bis 80 l/s Mittlere Jahrespumpmenge: 44 l/s Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 5/ 23

6 Grundlagen Grundwasser Grundwasserbewirtschaftungsgebiet 21 Brunnenpaare ca. 160 Messstellen BAUPLATZ Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 6/ 23

7 Grundlagen Grundwasser Wasserstände KALIBRIERUNGSPERIODE GRUNDWASSER- BEWIRTSCHAFTUNG BAUPLATZ NEUBAU WU Messstelle 2-4 Jahres-Mittel Mittel m WN Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 7/ 23 Wasserstand [m WN = 156,68 m ü. A.]

8 Grundlagen Grundwasser Strömungsrichtung Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 8/ 23

9 Grundlagen Grundwasser Wassertemperatur Mexikoplatz: Max: 14,6 C Min: 11,0 C Mittel: 12,4 C Prater Hauptallee: Max: 12,2 C Min: 10,1 C Mittel: 11,2 C Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 9/ 23

10 Grundlagen Untergrund Schichtaufbau GOK: +3,20m 2.0 Auffüllungen / Schluff Absolute Höhe [m uwn] OK-KIES: -0,60m OK-STAUER: -7,45m Ausande Kies Kies im GW (zum Bohrzeitpunkt) Tertiär (S,u) Tertiär (U,t) TB 1 TB 2 KB 1 KB 2 KB 3 KB 4 KB 5 KB 6 KB 7 KB 8 KB 9 KB 10 KB 11 KB 12 KB 13 KB 14 C553/2 C554/B_S1 Baugrundaufschlüsse am Bauplatz Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 10 / 23

11 Modellbildung Untergrundsituation ENTNAHME VERSICKERUNG Höhe [WN = 156,68 m ü. A.] GOK DECKSCHICHT DONAUKIES KIES UK-BAUWERK t=7,0m SCHMALWAND t=5,26m Staueroberkante variiert zwischen ca. -5,43 m bis -10,92 m TEGEL t=0m t=3,80m t=4,26m t=11,26m t=50,00m H=4,26m H=7,0m H=38,74m Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 11 / 23

12 Modellbildung Theoretischer Hintergrund HYDRAULISCHE BERECHNUNGEN 2D-Modell mit Modellansatz der Stanford University (Transmissivität) THERMISCHE BERECHNUNGEN WÄRMELEITUNG WÄRME- SPEICHERUNG DECKSCHICHT KIES IM GRUNDWASSER TERTIÄR KONVEKTION 3D-Modell mit gesättigter Zone Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 12 / 23

13 Bestehendes Hydraulisches Modell BESTEHENDES HYDRAULISCHES MODELL (PÖYRY): Kalibrierzeitraum Kalibrierte GW-Daten für gesamtes Gebiet (H, Strömungsrichtung, k, n etc.) Wehrbetriebsordnung Donaukanal 2005 Grundwasserbewirtschaftung Verbund-AHP Zellengröße 100m x 100m keine punktuelle Entnahme bzw. Versickerung Bereich Bauwerk: 10% Durchlässigkeit keine exakte Berücksichtigung Bauwerk, Schmalwand Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 13 / 23

14 Bestehendes Hydraulisches Modell AUFSPIEGELUNG IM VERSICKERUNGSBEREICH ABSENKUNG IM ENTNAHMEBEREICH PUMPMENGE Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 14 / 23

15 Hydraulisches Modell Detailbetrachtung v f = k f *i Entnahme: Q ges Konstante Grundwasserdaten Berücksichtigung Geometrie WU (Bauwerk, Schmalwand) kleine Zellengrößen punktuelle Entnahme bzw. Versickerung stationäre und transiente Berechnungen T R =k f *H Rest T=k f *H 0 Schmalwand 10% offen v f = k f *i Rückgabe: Q ges Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 15 / 23

16 Hydraulisches Modell Detailbetrachtung HYDRAULISCHER EINFLUSSBEREICH OHNE BESTEHENDE WASSERRECHTE bei mittlerer Jahrespumpmenge MIT BESTEHENDEN WASSERRECHTEN bei maximaler Entnahmemenge Woche Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 16 / 23

17 Hydraulisches Modell Detailbetrachtung HYDRAULISCHER EINFLUSSBEREICH OHNE BESTEHENDE WASSERRECHTE bei mittlerer Jahrespumpmenge MIT BESTEHENDEN WASSERRECHTEN bei maximaler Entnahmemenge Woche Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 17 / 23

18 Thermisches Modell Themperaturfahne Modell: 3D, hydraulische und thermische Koppelung, transiente Berechnung 1 Monat 6 Monate 1 Jahr 1,5 Jahre 2 Jahre 4 Jahre 10 Jahre 20 Jahre Thermische Reichweite: < 700m Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 18 / 23

19 Betroffene Wasserrechte Hydraulischer Einflussbereich: + 0,2 m (E,S21) Hydraulischer Einflussbereich: - 0,2 m Thermischer Einflussbereich: < 700 m (E,S19) (E,S17) (E,S16) Thermische Nutzungen: 1043, 4051, 4052 BEURTEILUNG JEDES EINZELNEN WASSERRECHES IM EINFLUSSBEREICH Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 19 / 23

20 Einreichplanung HORIZONTAL- FILTERBRUNNEN VERSICKERUNGS- ANLAGE Baugrubenumschließung: Schmalwand mit 10% Öffnungen im Endzustand Quelle: Vasko + Partner Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 20 / 23

21 Schachttiefe ca. 9 m Vortrieb der Filterrohre im Ranny-Fally-Verfahren Vortriebsebene 1 m über Stauer 10 Vortriebsstränge Gesamtvortriebslänge: 167 m teilweise Hindernisse im Untergrund (alte Einbauten) Schock- und Intensiventsandung aller Filterstränge Brunnenherstellung 20 m Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 21 / 23

22 Betriebsphase LEITERTEST EINFLUSS DURCH NACHBARBAUSTELLE Brunneninbetriebnahme im April 2013 Leitertest mit unterschiedlichen Pumpraten Beobachtung von Pegeln im Nah- und Fernbereich Hindernisse im Untergrund erkennbar Sandeintrag infolge Einbringen und Ziehen von Spundwänden bei einer Nachbarbaustelle erneute Brunnenentsandung erforderlich Zustrom-Einschränkung während Bauphase Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 22 / 23

23 Betriebsphase PRÜFUNG DER GRUNDWASSERKOMMUNIKATION Schmalwandumschließung zu 10% geöffnet Simulation Brunnen und Versickerungsanlage bei Starkregenereignis Durchführung eines 1:1 Versuches im kritischen Bereich Zusätzliches Aufbohren der Schmalwand erforderlich Starkregenereignis ohne Brunnenbetrieb Starkregenereignis mit Brunnenbetrieb Geothermische Heiz- und Kühlanlagen 17. Juni 2014 Linz 23 / 23