title: Konzeption einer grundwassergestützten Freiflächenheizung im Großraum Nürnberg - Machbarkeitsstudie durch praktische Versuche und Finite Element Simulation
Creators: name: Baumgärtel, Sebastian
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Geothermie
subject: Geowissenschaften
subject: Freiflächenheizung

description: Geothermie spielt in vielen Bereichen seit mehreren Jahren eine immer bedeutendere Rolle, sei es als alternativer Energieträger zur Stromerzeugung oder als Konzept für die Wärmeversorgung. So wird Geothermie weiterhin seit vielen Jahren als eine Möglichkeit betrachtet, Straßen und weitere Freiflächen eis- und schneefrei zu halten. Der Ansatz, den diese Arbeit verfolgt, soll eine direkte Nutzung von urbanem Grundwasser verfolgen, welches durch den urbanen Wärmeinseleffekt meist deutlich höhere Temperaturen als die Umgebung aufweist. Als Studiengebiet sollte hierfür die Stadt Nürnberg herangezogen werden. Zunächst wurde, unter Berücksichtigung der klimatischen, hydrologischen und thermischen Bedingungen der Stadt Nürnberg, ein Versuch in kontrollierter Testumgebung entworfen, der zum Ziel hatte, unterschiedliche Konfigurationen einer Freiflächenheizung unter Laborbedingungen zu testen. Dafür wurden Probenkörper in einer Kühlkammer bei kontrollierten Temperaturbedingungen auf unterschiedliche Temperaturstufen herabgekühlt und der Effekt der Beheizung durch Temperaturfühler gemessen. Die aus Straßenbeton bestehenden Probenkörper waren dabei mit PE-XA Rohren mit Aluminiumummantelung in fester Einbautiefe und variablem Rohrabstand ausgestattet, durch die temperiertes Wasser in unterschiedlichen Temperaturstufen geflossen ist. Ein Referenzkörper ohne Verrohrung sollte die Temperaturentwicklung ohne Beheizung erfassen. Die Ergebnisse zeigten, dass bereits Vorlauftemperaturen von 10 °C ausreichen, sofern ein Rohrabstand von 10 cm und eine Einbautiefe von 4 cm angesetzt wurde, um eine Eisfreiheit bis zu dauerhaften Umgebungstemperaturen von -10 °C, also strengen Frostbedingungen, zu gewährleisten. Wird die Vorlauftemperatur weiter erhöht, sind deutlich niedrigere Umgebungstemperaturen möglich. Diese Ergebnisse und ihr thermisches Verhalten können durch ihren stationären Charakter später als Kalibrierung für Finite Element Methoden herangezogen werden. Zweiter Teilschritt der Machbarkeitsstudie war die Herstellung einer Freifläche mit, den Probenkörpern aus der Kühlkammer entsprechenden, Beheizungsanlagen für in-Situ Versuche über Winter und Sommer, um die Dynamik der Beheizung, und in diesem Fall auch Kühlung, zu verstehen und einen Vergleich der Effektivität und Effizienz der Anlage bei unterschiedlichem Material (in diesem Fall Deckasphalt und Straßenbeton) zu erhalten. Es wurden dafür mehrere designierte Testfelder angelegt und diese wieder mit temperiertem Wasser beheizt. Im Winter wurde das Wasser als Heizung verwendet und die Leistung bei schwankenden Tagestemperaturen, bei Schneefall und bei erhöhter Sonneneinstrahlung gemessen werden. Im Sommer hingegen wurde die Wasserzirkulation als Kühlung der Freifläche verwendet. Die Ergebnisse zeigten durch die gesamte Zeit im Winter, auch bei, zum Teil sehr strengen, Frosttagen eine effektive Eisfreihaltung der beheizten Flächen, sowohl von Beton als auch Asphalt, bei einer Zulauftemperatur von 10 °C. Weiterhin wurde anfallender Schnee auf den Betonflächen zuverlässig geschmolzen, ohne dass es zu signifikanter Glättebildung auf der Oberfläche kam. Die benötigte Wärmeleistung stieg in dieser Zeit deutlich, allerdings war die Anlage zu keiner Zeit überlastet. Auf Asphalt konnte eine vollständige Schneeschmelze mit den angesetzten Rahmenbedingungen hingegen nicht gewährleistet werden und Glättebildung setzte ein. Im Sommer wurde die Vorlauftemperatur des Wassers auf 20 °C erhöht und die Kühlleistung an Asphalt und Straßenbeton gemessen. Durch die Wasserzirkulation war eine deutliche Abkühlung der gekühlten Flächen im Vergleich zu den Referenzflächen möglich. Bei Asphalt wurden derweil Spitzenleistungen von bis zu 400 W/m²K erreicht, mehr als doppelt so hoch wie die benötigte Heizleistung im Winter. Ein Ergebnis der in-Situ Versuche ist also in jedem Fall die Möglichkeit, im Winter benötigte Energie im Sommer zu regenerieren, bzw. eine nachhaltige Bilanz zwischen Entnahme und Zugabe von thermischer Energie zu erreichen. Die Abkühlung der Flächen, die ungekühlt zum Teil 60 °C heiße Oberflächentemperaturen erreichten, ist ein bedeutender Beitrag zur Erhöhung der Lebensdauer der Flächen. Letzter Schritt war die Erstellung von numerischen Modellen auf Basis der in der Kühlkammer gewonnenen Ergebnissen. Hierfür wurde ein Finite-Element Modell in COMSOL entworfen, das auf vorherige Ergebnisse der kontrollierten Versuche kalibriert wurde. Dadurch wurde ermöglicht, Modellierungen der Temperaturentwicklung an der Oberfläche auch bei unterschiedlichsten Konfigurationen der Einbautiefe und weiteren Zulauftemperaturen darzustellen und die Annahme, dass eine Einbautiefe von 4 cm Abstand zur Oberfläche in diesem Fall die ideale Konfiguration darstellt, bestätigt. Allerdings kann die Einbautiefe, sollte es die Auflast der Straße nötig machen, bei unterschiedlicher Zulauftemperaturen auch um einige Zentimeter tiefer gesetzt werden. Die Machbarkeitsstudie hat somit gezeigt, dass eine solche Beheizung von Freiflächen im Studiengebiet rein vom thermischen Aspekt möglich ist. Selbstverständlich wären bei einer Konzeptionierung ortsbezogene Gutachten nötig, die die genaue Entnahme des Heizträgers und weitere Parameter, wie etwa den Chemismus des vorliegenden Grundwassers, feststellen, damit ein dauerhafter Betrieb der Anlage garantiert werden kann. Eine thermische Nutzung der urbanen Wärmeinsel für diese Zwecke ist aber in jedem Fall eine sinnvolle Variante.