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Validate Frost Vertiefte Evaluierung der "Minus 3°C Grenze beim Betrieb von Erdwärmesonden"

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Braun, J.; Giannelli, G.; Moormann, C.; Buhmann, P.; Mustafa, M.; Riegger, M.

2019

Projektbericht - Zwischenbericht

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Beschreibung

Beim Betrieb von Erdwärmesonden (EWS) können Frost-Tau-Wechsel zu einer nachteiligen Veränderung der Ringraumverfüllung der EWS und des umliegenden porösen Mediums (Boden, Fels) führen. Dabei sind insbesondere folgende Vorgänge zu berücksichtigen:


-    Während des Normalbetriebs einer EWS erfährt der EWS-Verfüllbaustoff Temperaturdehnungen infolge der Temperaturspreizung zwischen der Untergrundtemperatur und der Temperatur des in den Sonden strömenden Wärmeträgerfluids. Diese temperaturinduzierten Dehnungen der Ringraumverfüllung können zu Spaltbildung an der Bohrlochwandung (Kontakt zwischen Verfüllbaustoff und umliegendem Boden) und zu Ringspaltbildung (Kontakt zwischen Ringraumfüllung und PE-Rohren) und damit zu ungewollten Wegsamkeiten für Wasser führen. Es ist jedoch nicht bekannt, welche Temperaturspreizungen zu Spaltbildung führen.


-    Wasser dehnt sich beim Gefrieren um 9 Vol.-% aus. Dies liegt weit über der Bruchdehnung eines (wassergesättigten) EWS-Verfüllbaustoffs. Frost-Tau-Wechsel können zu einer nachteiligen Veränderung der Struktur der Ringraumverfüllung und in der Folge zu einer deutlichen Erhöhung der Systemdurchlässigkeit von Erdwärmesonden führen.


-    Die Auswirkungen des Betriebs einer Erdwärmesonde im Frostbereich auf die Durchlässigkeit des umgebenden Untergrunds wurden bisher lediglich für ein einzelnes zentriertes Rohr und für zentrierte Sondenrohre, untersucht. Für im Bohrloch exzentrisch liegende Sondenrohre kann es bereits beim ersten Frost-Tau-Zyklus zu Frosteinwirkungen auf den umgebenden Baugrund und hier insbesondere bei bindigen Böden zu einer nachteiligen Veränderung der Bodenstruktur kommen.


-    Das Gefrieren einer Erdwärmesonde erfolgt stets von innen nach außen (Durchfrostung). Hierbei führt die entzogene Wärmeleistung zu einer Reduktion der Temperatur zunächst im  Trägerfluid, dann in der Rohrwandung und erst danach im Verfüllbaustoff. Dies führt letztendlich zu einem Phasenwechsel des Porenwassers mit entsprechender Abgabe von latenter Wärme.