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R. Markiewicz:
"Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Nutzung von geothermischer Energie mittels erdberührter Bauteile und Neueuntwicklungen für den Tunnelbau";
Supervisor, Reviewer: H. Brandl, D. Adam; Institut für Grundbau und Bodenmechanik, 2004.

In this work the utilization of shallow geothermal energy is investigated. The ground temperature at a depth of around 10 ? 20 m is relatively constant during the year and averages a little bit more than the mean value of the air temperature; in Central Europe values between 10 and 15°C predominate. This stored energy can be extracted from the ground 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.
In order to optimize such applications the principles of heat transport mechanism within soils and from soil to the heat transfer medium within the absorber pipes are investigated. It is demonstrated, which influence the fluids-conditions of the heat transfer medium have on the thermal power of such absorber elements. Furthermore, numerical calculations with the FEM-method are carried out in order to determine the effects of several parameters on the absorber system.
A completely new application of this innovative method is the utilization of geothermal energy using tunnel structures. While a single deep foundation activates a rather small amount of soil in a thermal respect, tunnels activate a much larger quantity of useable geothermal heat. It has to be distinguished, if the tunnel is constructed using the ?Cut and Cover Method? or the ?New Austrian Tunnelling Method?. 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 the test plant ?LT24 ? Hadersdorf-Weidlingau?, which was constructed as a research project. Due to this scientific background, the plant is comprehensively instrumented with measurement devices and the measured data are analyzed and discussed.
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, the station building ?U2/2 ? Taborstraße? 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. This measurement system is presented in this work.
For segmentally excavated tunnels the proven system of mounting absorber pipes along the reinforcement of structural elements cannot be used. Therefore, a completely new absorber element, the energy geotextile, was developed and tested in the Lainzer Tunnel section ?LT22 ? Bierhäuselberg?.
Moreover, to facilitate tunnelling groundwater extraction wells for temporary or permanent groundwater lowering are required in many cases. Therefore, the testing plant ?Energy well Hetzendorferstraße? was established in order to investigate, wether such wells can be used for geothermal energy utilization.

In der vorliegenden Dissertation wird die Nutzung von oberflächennaher geothermischer Energie untersucht. Die Erdreichtemperatur ist ab einer Tiefe von rund 10 ? 20 m relativ konstant im Verlauf eines Jahres und liegt etwas über der Jahresmitteltemperatur; in Mitteleuropa herrschen Temperaturen zwischen 10 und 15°C vor. Diese gespeicherte Energie kann dem Erdreich 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). Dieses System hat sich sowohl für die Beheizung als auch für die Kühlung von Gebäuden in Verbindung mit Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen bestens bewährt.
Um diese Anwendungen zu optimieren, werden die Grundlagen der Wärmetransportvorgänge innerhalb des Erdreiches und vom Erdreich zur Wärmeträgerflüssigkeit in den Absorberrohren untersucht. Es wird gezeigt, welchen Einfluss die Flüssigkeitseigenschaften der Wärmeträgerflüssigkeit auf die Leistungsfähigkeit solcher Absorberanlagen haben. Weiters werden numerische Berechnungen mit Hilfe der FEM-Methode durchgeführt, um die Einflüsse diverser Parameter auf das Absorbersystem zu bestimmen.
Eine völlig neue Anwendung dieser innovativen Technologie ist die Nutzung der geothermischen Energie mittels Tunnelbauwerken. Während mit Gebäudefundierungen nur relativ kleine Teile des Erdreiches in thermischer Hinsicht angesprochen werden, können mit Tunnels sehr große Volumina im Erdreich für die Erdwärmenutzung aktiviert werden. Es ist zu unterscheiden, ob der Tunnel in offener oder geschlossener Bauweise errichtet wird.
Bei offener Bauweise (?Cut and Cover?) kann die aus dem Hochbau bewährte Absorbertechnologie in Form von Energiepfählen, -schlitzwänden oder ?bodenplatten zur Erdwärmenutzung verwendet werden. Dies wird im Rahmen der Versuchsanlage ?LT24 ? Hadersdorf-Weidlingau? erstmals gezeigt. Aufgrund des wissenschaftlichen Hintergrundes ist die Anlage mit zahlreichen Messinstrumenten ausgerüstet, deren Messdaten analysiert und diskutiert werden. 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, dem Stationsbauwerk ?U2/2 ? Taborstraße?, wurde ein umfangreiches Messsystem zur Bestimmung des Temperatur- und Verformungsverhaltens einer Schlitzwand während eines Energiebetriebes installiert, welches in der vorliegenden Arbeit vorgestellt wird.
Bei Tunnels, die in geschlossener Bauweise hergestellt werden, ist das bewährte System der Montage von Absorberleitungen an Bewehrungseinheiten nicht geeignet. Aus diesem Grund wurde ein neues Produkt, das sogenannte ?Energievlies? entwickelt und im Lainzer Tunnel Abschnitt ?LT22 - Bierhäuselberg? getestet.
Darüber hinaus müssen im Rahmen von Tunnelprojekten häufig Brunnen zur Grundwasserabsenkung hergestellt werden. Um zu untersuchen, inwiefern sich solche Brunnen auch zur Erdwärmenutzung heranziehen lassen, wurde die Versuchsanlage ?Energiebrunnen Hetzendorferstraße? errichtet.