Wärmeübergangswiderstand bei flächigen thermo-aktiven Bauteilen am Beispiel thermo-aktiver Abdichtungselemente

Die thermische Nutzung des Untergrunds mithilfe von erdberührenden Bauteilen findet in den letzten Jahren immer weitere Verbreitung. Ausführungsbeispiele finden sich z. B. für Energiepfähle, Energieschlitzwände, Energiebodenplatten oder Energietunnel. Am Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen der RWTH Aachen (GiB) wurden in diesem Zusammenhang thermo-aktive Abdichtungselemente entwickelt und in ersten großmaßstäblichen Laborversuchen erprobt.
Für eine effiziente Anlagenauslegung ist die wirklichkeitsnahe Beschreibung des Wärmeübergangs zwischen Bauteil und Untergrund von entscheidender Bedeutung. Während für rotationssymmetrische Systeme in der Praxis erprobte Ansätze existieren, fehlen für flächige Bauteile entsprechende Formulierungen. Am GiB wurde daher in Zusammenarbeit mit der Geophysica Beratungsgesellschaft mbH ein Berechnungsmodul für flächige Bauteile entwickelt, welches alle relevanten Wärmeübergangsvorgänge über eine Sternschaltung von Widerständen zusammenfasst. Das Modul wurde als Flächenelement in das Finite-Differenzen-Programm Shemat-Suite implementiert, welches sich bereits für die Simulation von geothermischen Anlagen bewährt hat. Durch diese Kopplung können alle (Strömungs-)Vorgänge im Untergrund und im geothermischen System abgebildet werden. Die Rechenzeiten sind jedoch im Vergleich zu reinen numerischen Simulationen - bei denen das Bauteil vollständig diskretisiert werden muss - deutlich reduziert.

Thermal resistance for plane thermo-active geotechnical systems using the example of thermo-active seal-panels
The use of geothermal energy with thermo-active geothermal systems has been constantly increasing over the last years. There are examples for Energy-Piles, Energy-Diaphragm-Walls or Energy-Slabs documented. The chair of Geotechnical Engineering (RWTH Aachen University) has developed thermo-active seal panels, which are based on the principle of thermo-active structures made of concrete. The seal panels were tested in large-scale laboratory tests showing very satisfying results.
The realistic description of the heat transfer between soil and structural element is paramount for the design of a geothermal plant. Regarding rotationally symmetric systems there are several modeling tools. In contrast, there are no comparable models for plane elements documented. Therefore, the chair of Geotechnical Engineering, in cooperation with Geophysica Beratungsgesellschaft mbH, developed a mathematical model, which includes all important parameters. The different heat transfer processes are summed-up to a thermal resistance model, which is implemented in a Finite Difference Code (Shemat-Suite).