Feldversuche zur Entwicklung von Dämmbohrpfahlwänden für Großwärmespeicher

Abstract

Der Fokus der Diplomarbeit liegt auf der Weiterentwicklung der Dämmbohrpfahlwände. Dämmbohrpfahlwände gehören zu den Verfahren des Spezialtiefbaus. Die Herstellung erfolgt ähnlich wie bei konventionellen Bohrpfahlwänden, die als Baugrubensicherung oder für Tiefgründungen eingesetzt werden. Im Gegensatz zu konventionellen Bohrpfahlwänden, die in der Regel aus Beton oder Stahlbeton bestehen und vorwiegend statische Funktionen erfüllen, bestehen Dämmbohrpfahlwände aus Dämmmaterial und dienen als Wärmedämmung. Die Notwendigkeit zur Entwicklung der Dämmbohrpfahlwände ergibt sich aus dem Bau von Großwärmespeichern. Bei Großwärmespeichern handelt es sich um Systeme oder Anlagen, die in lokale Fernwärmenetzwerke integriert sind und in denen große Mengen von Energie in Form von Wärme gespeichert wird.Diese Großwärmespeicher können in unterschiedlichen Formen als Erdbecken-, Tank-, Bohrloch oder Aquiferspeicher sowohl ober- als auch unterirdisch ausgeführt werden. Im Zusammenhang mit unterirdischen Tankspeichern sollen Dämmbohrpfahlwände eine entscheidende Funktionals Dämmelement zwischen Speicher und Erdreich übernehmen. Dadurch soll die Effizienz des Speichers erhöht und der Einfluss auf die direkte Umgebung verringert werden.Zu Beginn der Arbeit erfolgt eine ausführliche Literaturrecherche zu den Grundlagen der Pfahlherstellung. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Herstellung von Bohrpfählen, wobei fünf Verfahren – Greiferbohr-, Kellybohr-, Schneckenbohr-, Verdrängerbohr- und Spülbohrverfahren –betrachtet werden. Hier werden insbesondere die einzelnen Abläufe der Verfahren beschrieben.Es folgt eine allgemeine Betrachtung der baubetrieblichen und bauwirtschaftlichen Thematiken,die im Rahmen der Bohrpfahlherstellung zu berücksichtigen sind. Dies beinhaltet Ansätze für die Planung der Bauabläufe sowie Annahmen für die Kalkulation.Ausgehend von diesen Grundlagen erfolgt die Weiterentwicklung von konventionellen Bohrpfahlwänden zu Dämmbohrpfahlwänden. Dazu werden zunächst die Hintergründe erläutert, die zur Notwendigkeit von Dämmbohrpfahlwänden führen. Aus dem möglichen Anwendungsfall der Dämmbohrpfahlwand als Dämmelement für Großwärmespeicher ergeben sich Anforderungen an die Bauweise und das Dämmmaterial. Mit mehreren Feldversuchen wird seit 2019 das Herstellverfahren sowie unterschiedliche Materialien getestet. In der ersten Versuchsdurchführung wurde Schaumglasschotter als Material getestet, der Einbau des Dämmmaterials erfolgte sowohl in ungebundener als auch zementgebundener Form. Die zweite Versuchsdurchführung befasste sich ebenfalls mit Schaumglasschotter, diesmal jedoch ausschließlich in ungebundener Formund wahlweise unverdichtet oder verdichtet. Die dritte Versuchsdurchführung wurde im Zugeder Diplomarbeit entwickelt und begleitet. Dabei wurden zwei unterschiedliche Materialien –Schaumglasplatten und Leichtbeton – als Dämmmaterial getestet. Im Rahmen des Versuchs wurden nicht nur die thermophysikalischen Eigenschaften der Materialien untersucht, sondern auch baubetriebliche und bauwirtschaftliche Aspekte betrachtet. Auf Basis der zu Beginn derArbeit ermittelten Grundlagen werden Leistungs- und Kostenkennwerte berechnet und die Herstellungsabläufe bewertet. Im direkten Vergleich werden die Vor- und Nachteile der eingesetzten Materialien gegenübergestellt und diskutiert.

The focus of this master thesis is on the further development of insulating bored pile walls.Insulating bored pile walls are part of the special civil engineering manufacturing processes.The production is similar to that of conventional bored pile walls, which are used to secure construction pits or for deep foundations. In contrast to conventional bored pile walls, which are usually made of concrete or reinforced concrete and primarily fulfill static functions, insulating bored pile walls are made of insulating material and serve as thermal insulation. The need to develop insulating bored pile walls arises from the construction of large thermal energy storages.Large thermal energy storages are integrated into local district heating networks and store large amounts of energy in the form of thermal energy. These large thermal energy storages can be designed in various forms as pit thermal energy storage, tank thermal energy storage, boreholethermal energy storage or aquifer thermal energy storage, both above and underground. With regard to underground tank storages, insulating bored pile walls are intended to take on a crucial function as an insulating element between the storage and the ground. This is intended to increase the efficiency of the thermal energy storage and reduce the impact on the immediate environment.At the beginning of this master thesis, a detailed literature search is carried out on the basics of bored pile production. The focus is on the production of bored piles, with five processes - grab drilling, Kelly drilling, continuous flight auger drilling, full displacement drilling and jet drilling -being considered. The individual processes of the procedures are described here in particular.Followed by a general consideration of the construction management and economic issues thatmust be taken into account in the context of bored pile production. This includes approaches forplanning the construction processes as well as assumptions for the calculation.Based on these basics, the further development of conventional bored pile walls towards insulating bored pile walls takes place. First, the background that leads to the need for insulating bored pilewalls will be explained. The possible application of insulating bored pile walls as an insulating element for large thermal energy storages results in requirements for the construction method and the insulating material. The manufacturing process and different materials have been tested in several field trials since 2019. In the first trial, foam glass gravel was tested as a material. The insulation material was installed in both unbound and cement bound form. The second trial also dealt with foam glass gravel, but this time only in unbound form and either uncompacted or compacted. The third trial was developed and supervised as part of the masterthesis. Two different materials - foam glass panels and lightweight concrete - were tested as insulating materials. As part of the trial, not only the thermophysical characteristics of the materials were considered, but also construction management and economic aspects. Based onthe basics determined at the beginning of this master thesis, performance and cost parameters are calculated and the manufacturing processes are evaluated. In a direct comparison, the advantages and disadvantages of the materials are compared and discussed.