Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Nutzung von geothermischer Energie mittels erdberührter Bauteile und Neuentwicklungen für den Tunnelbau

Abstract

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Nutzung von oberflächennaher geothermischer Energie. Die im Erdreich gespeicherte Energie kann mittels geeigneter Systeme, die in erdberührten Bauteilen wie Pfähle, Schlitzwände, Bodenplatten etc. (Energiefundierungen) integriert sind, entzogen werden. Das Grundprinzip dabei ist, dass Fundierungselemente, die aus baulichen Gründen ohnehin erforderlich sind, mit flüssigkeitsgefüllten Absorberrohren ausgestattet werden und dadurch dem Boden Wärme entziehen (Heizanwendung) oder zuführen (Kühlanwendung).<br />Dieses System hat sich sowohl für die Beheizung als auch für die Kühlung von Gebäuden in Verbindung mit Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen bestens bewährt. Mittels analytischer und numerischer Berechnungen wird gezeigt, welchen Einfluss diverse Parameter auf die Leistungsfähigkeit solcher Absorberanlagen haben.<br /> Eine völlig neue Anwendung dieser innovativen Technologie ist die Nutzung der geothermischen Energie mittels Tunnelbauwerken. Bei offener Bauweise kann die aus dem Hochbau bewährte Absorbertechnologie in Form von Energiepfählen, -schlitzwänden oder -bodenplatten zur Erdwärmenutzung verwendet werden. Dies wird im Rahmen eines Pilotprojektes erstmals gezeigt. Die Erfolge dieser Anlage haben schließlich maßgeblich dazu beigetragen, dass im Rahmen der Verlängerung der Wiener U-Bahn-Linie U2 vier Stationsbauwerke mit einer Erdwärmeanlage zur Deckung des Heiz- und Kühlbedarfs ausgestattet werden. Dieses Projekt bildet damit die erste großmaßstäbliche Anwendung dieser Technologie. In einem der Baulose wurde ein umfangreiches Messsystem zur Bestimmung des Temperatur- und Verformungsverhaltens einer Schlitzwand während eines Energiebetriebes installiert, welches in der vorliegenden Arbeit vorgestellt wird.<br />Für Tunnels, die in eng: In this work the utilization of shallow geothermal energy is investigated. Stored energy of the ground can be extracted by means of suitable systems integrated into earth-coupled structures such as piles, diaphragm walls, slabs etc. (energy foundations). The principle is that energy is extracted (for heating purposes) from or deposed (for cooling purposes) into the ground by means of fluid filled absorber pipes incorporated inside the foundation elements, which are needed in any case for structural reasons. The system has been proven very suitable to heat and cool buildings in connection with heat pumps or chillers respectively.<br />In order to optimize such applications analytical and numerical calculations are carried out in order to determine the effects of several parameters on the absorber system.<br />A completely new application of this innovative method is the utilization of geothermal energy using tunnel structures. For cut and cover tunnels proven absorber elements from building construction like energy piles, energy diaphragm walls or energy base slabs can be used for energy extraction. This is demonstrated at a test plant.<br />Among others the results from this testing plant considerably supported the decision that in the course of the extension of the Vienna metro line U2 four station buildings will be supplied with geothermal energy from earth-coupled units for both heating and cooling purposes. This project marks the first full-scale application of this technology to tunnels. In one of the construction sites an extensive monitoring system for temperature and deformation behaviour of a diaphragm wall during energy operation has been installed in order to investigate the effects of the absorber system on construction elements and surrounding soil.<br />This measurement system is presented in this Zsfassung in engl. Sprache