Erdwärmenutzung mit Hilfe von geothermisch wirksamen Abdichtungselementen an erdberührten Untergeschoßkonstruktionen im Grundwasser

Im Rahmen von Zukunft Bau des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung wurde am Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen der RWTH Aachen das Forschungsvorhaben "Erdwärmenutzung mit Hilfe von geothermisch wirksamen Abdichtungselementen an erdberührten Untergeschoßkonstruktionen im Grundwasser" durchgeführt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden in Zusammenarbeit mit der Firma NAUE GmbH und Co. KG neuartige thermo-aktive Abdichtungselemente entwickelt und deren Wirksamkeit mittels Laborversuchen und numerischen Simulationen untersucht. Im Rahmen von Laborversuchen in einem eigens entwickelten Versuchsstand wurden verschiedene Systemkonfigurationen der thermo-aktiven Abdichtungselemente unter verschiedenen Rahmenbedingungen getestet und hinsichtlich ihrer spezifischen Entzugsleistung und ihres Wärmeübergangswiderstands bewertet. Durch ergänzende numerische Simulationen mit dem Programmsystem SHEMAT wurden im Rahmen einer Parameterstudie die maßgeblichen Einflussgrößen auf den Wärmeertrag von thermo-aktiven Abdichtungselementen ermittelt.

In den Laborversuchen konnten je nach System spezifische Entzugsleistungen zwischen 25 W/qm und 300 W/qm bei Wärmeübergangwiderständen zwischen 0,03 Km/W und 0,3 Km/W erzielt werden. Ein Vergleich mit dokumentierten Entzugsleistungen aus erdberührenden Betonbauteilen (Leistungen bis zu 100 W/qm) zeigt die gute Leistungsfähigkeit der thermoaktiven Abdichtungselemente. Als maßgebliche Einflussgrößen auf den Wärmeertrag wurden der Systemdurchfluss im Absorberkreislauf, die ungestörte Bodentemperatur, sowie die Wärmeübertragungsfläche zwischen Erdreich und Absorberfluid identifiziert.

Zur Erzielung eines hohen Wärmeertrags aus geothermisch wirksamen Abdichtungselementen sollte eine große Anzahl von Absorberrohren mit möglichst großem Rohrdurchmesser in das Abdichtungselement integriert werden. Während des Betriebs sollte im Absorberrohr ein Strömungszustand oberhalb des laminaren Bereichs angestrebt werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnte gezeigt werden, dass die Verwendung von thermo-aktiven Abdichtungselementen zur Wärmeerzeugung energetisch wirkungsvoll ist. Zukünftige Forschungsschwerpunkte liegen in der Quantifizierung des Einflusses aus strömendem Grundwasser, der genauen Abbildung des Wärmeübergangs sowie in der Einbeziehung des Heizkreislaufs.