Besonderheiten bei der Planung und Berechnung von oberflächennahen thermo-aktiven Bauteilen

Die thermische Nutzung des Untergrunds mit sogenannten thermo-aktiven Bauteilen ist eine zukunftsorientierte Möglichkeit zur Klimatisierung von Gebäuden. In diesem Zusammenhang ist der Energiepfahl das weltweit am weitesten verbreitete System. Flächige Bauteile, wie beispielsweise Verbau- oder Kellerwände verfügen jedoch durch ihre große Kontaktfläche zum Untergrund ebenfalls über ein großes Energiepotenzial. Derzeit fehlen jedoch für flächige Bauteile geeignete Berechnungsansätze, wodurch die Verbreitung dieser Technologie derzeit erschwert ist. Am Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen der RWTH Aachen wurde daher in Zusammenarbeit mit der Geophysica Beratungsgesellschaft ein entsprechender Berechnungsansatz entwickelt und in die Software SHEMAT-Suite implementiert. In dem semi-analytischen Ansatz werden alle Wärmetransportvorgänge im Bauteil und im Absorbersystem durch eine Verschaltung von thermischen Widerständen abgebildet, während für die Abbildung des Untergrunds die Finite-Differenzen-Methode verwendet wird (Modell-in-Modell-Ansatz). Mit diesem Ansatz ist es nun möglich, alle relevanten Faktoren sowie deren Interaktion in der Systemplanung zu berücksichtigen und eine standortspezifische und systemangepasste Anlagenplanung durchzuführen. Mit dem neuen Berechnungsansatz wurde eine umfangreiche Parameterstudie durchgeführt, mithilfe derer die maßgebenden Einflussfaktoren auf den Wärmeentzug ermittelt wurden. Als Ergebnis konnten darüber hinaus Handlungsempfehlungen für die konstruktive Durchbildung des Bauteils und den Anlagenbetrieb abgeleitet werden.

Design of near-surface energy geostructures.
Energy geostructures (thermo-active elements) are an up-coming technique for the thermal utilisation of the ground. Currently, the energy pile is the most known and used energy geostructure in Europe and all over the world. Nevertheless, plane geostructures such as basement or retaining walls have a large energy potential due to their large contact area to the ground. However, no suitable calculation approaches exists for the design of plane energy geostructures. The chair of geotechnical engineering (RWTH Aachen University) in cooperation with Geophysica Beratungsgesellschaft mbH (Aachen) developed an appropriate calculation approach. This approach, which is based on thermal resistances, was implemented in the finite difference code SHEMAT-Suite. So it is possible to consider all important factors and their interaction. The new model was used for an extensive parameter study. As a result, the flow rate in the heat exchanging system, the ground temperature, the groundwater flow, the pipe arrangement in the structural element and the structure of the element were identified as the decisive parameters.