Geothermische Nutzung einer Bohrpfahlwand im Lainzer Tunnel – Numerische Modellierung, Vergleich mit Messdaten und grundlegende Einflüsse auf die statische Bemessung

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich einerseits mit der Untersuchung des thermischen Verhaltens der langjährig geothermisch genutzten Bohrpfahlwand des Lainzer Tunnels im Abschnitt LT24 Hadersdorf-Weidlingau und andererseits mit dem Einfluss einer geothermischen Nutzung von Bohrpfählen auf deren statisch-konstruktive Bemessung. Beim Bau des Lainzer Tunnels Anfang der 2000er Jahre wurde im Abschnitt LT24 eine Bohrpfahlwand mit Absorberrohren geothermisch aktiviert. Dieser Prozess und das erste Jahr der Anlage in Betrieb wurden von Markiewicz im Rahmen seiner Dissertation wissenschaftlich begleitet. Somit gibt es seit dem Jahr 2004 Messungen des Temperaturverhaltens dieser Bohrpfahlwand. Dieser Datensatz ist ein Alleinstellungsmerkmal. Ziel dieser Arbeit ist es, eine numerische Vergleichsmodellierung für die Heizperiode 2005/06 mit dem Finite-Elemente-Programm COMSOL Multiphysics anzustellen und damit die Messwerte abzubilden. Dabei soll die Modellierung durch bekannte Parameter und Messwerte, wie der Außenlufttemperatur und der Temperatur im Pfahl an verschiedenen Stellen validiert werden. Zur Kalibrierung dienen Parameter, die bekannt, allerdings mit gewissen Unsicherheiten behaftet sind, sowie Parameter, die erst durch die Modellierung angenähert werden. Dazu zählen unter anderem die Anfangstemperatur des Bodens, die Tunnelinnenlufftemperatur, die Strömungsgeschwindigkeit der Absorberflüssigkeit sowie die Vorlauftemperatur. Die Annäherung erfolgt in einem iterativen Prozess. Anschließend wird durch Variation einzelner Variablen gezeigt, welchen Einfluss diese auf das Gesamtsystem sowie den Wärmeertrag haben. Im zweiten Abschnitt wird der Einfluss einer geothermischen Nutzung auf die statisch-konstruktive Bemessung behandelt. Dabei wird zunächst eine Auflistung der notwendigen Nachweise zur Bemessung eines Bohrpfahls gebracht. Anschließend folgen Überlegungen, welche Parameter dieser Nachweise durch eine geothermische Nutzung des Bauteils beeinflusst werden. Am Ende des Kapitels wird aufgezeigt welche Ansätze es zur Berücksichtigung einer geothermischen Nutzung in der Bemessung bereits gibt und wie diese in internationalen Normen und Richtlinien verankert sind. Dies soll die Planung und Ausführung künftiger Anlagen unterstützen.

The present diploma thesis deals on the one hand with the investigation of the thermal behavior of the bored pile wall of the Lainzer Tunnel in section LT24 Hadersdorf-Weidlingau, which has been geothermally utilized for many years, and on the other hand with the influence of a geothermal activation of bored piles on their structural design. During the construction of the Lainzer Tunnel in the early 2000s, a bored pile wall in section LT24 was geothermally activated with heat exchanger pipes. This process and the first year of the system in operation were scientifically monitored by Markiewicz as part of his thesis. Thus, there are numerous measurements of the temperature behavior of this bored pile wall from 2004 on. This data set has a unique characteristic. The aim of this work is to perform a comparative numerical model for the heating period 2005/06 with the finite element software COMSOL Multiphysics and to reproduce the measured values. The model is to be validated by known parameters and values, such as the outside air temperature and the temperature in the pile at different locations. Parameters that are known, but subject to certain uncertainties, as well as parameters that are only approximated through modeling are used for calibration. These include, among others, the initial temperature of the soil, the air temperature inside the tunnel, the flow velocity of the heat exchanger fluid, and the inlet temperature. The approximation is done in an iterative process. Subsequently, by varying individual variables, it is shown what influence they have on the overall system as well as the heat output. In the second section, the influence of geothermal activation on the structural design is discussed. First, a list of the necessary verifications for the design of a bored pile is presented. This is followed by considerations which parameters in the design are influenced by geothermal utilization of the structural element. At the end of the chapter, the approaches for the consideration of geothermal use are shown and how they are already anchored in international standards and guidelines. This should support the design and execution of future plants.