DW² - Entwicklung einer thermisch verbesserten Schlitzwand­konstruktion

Status

abgeschlossen (November 2022)

Ausgangssituation, Inhalte und Ergebnisse

Die Speicherung von Energie bzw. die Reduktion des Energieverbrauches von Bauwerken stellt einen großen Bestandteil der Bemühungen zur Schaffung nachhaltiger Siedlungen und Wohnungsbereiche sowie zur Erreichung der Klimaziele dar. Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Verbesserung der thermischen Eigenschaften finden im Regelfall im Hochbau – und den Außenwand- und Deckenkonstruktionen von Wohnbauten statt. Geotechnische Konstruktionselemente wie Schlitz- oder Bohrpfahlwände werden hierbei jedoch oftmals nicht betrachtet, obwohl diese ebenfalls einen Beitrag zur Reduktion des Energieverbrauches eines Bauwerkes und der Optimierung von Speicherlösungen schaffen könnten.

Im Bereich des Wohnbaues werden Schlitzwand- oder Bohrpfahlkonstruktionen zur Errichtung der Baugrubenumschließung verwendet, und vor allem bei innerstädtischen Baufeldern oftmals als erdberührte Außenwand in den Untergeschossen. Damit kommt diesen Bauteilen – in Bezug auf ihre Nutzung – eine untergeordnete thermische Anforderung zu. Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Speichertechnologien – wie beispielsweise Underground Thermal Energy Storages, welche Wärmeenergie im Untergrund speichern und bereitstellen können, benötigen jedoch ebenfalls Umschließungen. Hierfür werden ebenfalls Schlitzwand- oder Bohrpfahlkonstruktionen verwendet, welche neben einer dichtenden und umschließenden Funktion auch thermischen Anforderungen unterliegen. Bei der Verwendung von klassischen Konstruktionsbetonen für derartige Konstruktionselemente kommt es, im Zuge der Speichernutzung, zu einer massiven Erwärmung dieser Bauteile. Neben den damit verbundenen, sich negativ auf die Bilanz des Speichers auswirkenden Energieverlusten, geht mit einer derartigen Erwärmung auch eine Beeinflussung des Untergrundes einher.

Ergänzend zu einer möglichen mechanischen Beeinflussung der Eigenschaften des Untergrundes (Steifigkeit und Festigkeit) ist hierbei vor allem eine möglicherweise stattfindende Erwärmung des Grundwassers maßgebend. Aktuelle normative und gesetzliche Vorschriften geben eine sehr starke Limitation der erlaubten Grundwassererwärmung vor, um die Trinkwasserqualität zu erhalten und in weiterer Folge auch bakterielles Wachstum innerhalb der Grundwasserzonen zu verhindern. Dies bedeutet jedoch auch massive Einschränkungen bei der Errichtung von thermischen Speichern im Untergrund.

Im Zuge des Projektes DW² - Energetisch verbesserte Schlitzwandkonstruktion – wurden daher die Möglichkeiten der Verbesserung und Optimierung der thermischen Eigenschaften von Schlitzwänden und auch anderen geotechnischen Elementen untersucht. Neben der Anwendung und Nutzung neuer – thermisch optimierter – Betonsorten wurden hierzu auch umfassende Labor- und Feldversuchsreihen durchgeführt, um deren Anwendbarkeit und das damit verbundene Potential aufzuzeigen. Ergänzt wurden diese durch numerische Simulationen von Wärmespeichern im Untergrund und den damit verbundenen Einflüssen auf den umliegenden Boden- und Grundwasserkörper.

Die Ergebnisse des Projektes zeigten, dass prinzipiell die Anwendung von thermische verbesserten Konstruktionsbetonen für geotechnische Konstruktionen möglich ist. Hierbei müssen jedoch die Anforderungen an die Herstellung und Einbringung (z.B. Kontraktorverfahren) aber auch die Anforderungen an die Nutzung (z.B. Dichtheit, Druckfestigkeit) entsprechend berücksichtigt werden. Mit den durchgeführten Labor- und Feldversuchen konnte die Eignung eines neu entwickelten Konstruktionsbetons für geotechnische Bauteile im Modellmaßstab gezeigt werden. Ebenfalls konnte durch eine umfassende labortechnische Untersuchung des entwickelten Betons aufgezeigt werden, dass zu Folge einer optimierten Mischung eine Halbierung der Wärmeleitfähigkeit und damit eine Reduktion der energetischen Verluste möglich ist. Zudem konnte durch weitreichende numerische Untersuchungen und Parameterstudien der Einfluss eines derartigen Betons im Vergleich zu einem klassischen Konstruktionsbeton aufgezeigt werden. Hierbei konnte erkannt werden, dass hierdurch eine deutliche Reduktion der Wärmeverluste und der Erwärmung des Untergrundes möglich ist.

Im Zuge des Projektes wurde jedoch auch erkannt, dass trotz eines optimierten Konstruktionsbetons immer noch eine deutliche Erwärmung des Untergrundes und des Grundwassers stattfindet. Aus diesem Grund wurden im Zuge des Projektes ebenfalls Möglichkeiten konzeptioniert, wie dies verhindert bzw. vermindert werden kann. Eine der zukunftsweisenden und nachhaltigsten Lösung dieser Problemstellung ist die Anordnung zusätzlicher Entnahmebrunnen im Außenbereich von thermischen Untergrundspeichern. Damit könnte nicht nur ein Erwärmen des Grundwassers verhindert werden, sondern es würde hieraus auch die Möglichkeit resultieren, bereits erwärmtes Grundwasser (z.B. innerstädtische Hitzeinseln) als Wärmequelle für die Untergrundspeicher zu verwenden und die Verluste des Speichers zu reduzieren. Hierzu sind jedoch weitere Untersuchungen, sowohl im Bereich der Simulation aus auch der Erprobung erforderlich.

Projektleitung

Technische Universität Graz – Institut für Bodenmechanik, Grundbau und Numerische Geotechnik

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• Technische Universität Graz - Institut für Betonbau
• Technische Universität Graz - Arbeitsgruppe Nachhaltiges Bauen
• Universität Graz - Institut für Erdwissenschaften

Technische Universität Graz
Institut für Bodenmechanik, Grundbau und Numerische Geotechnik
Matthias J. Rebhan
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A-8010 Graz
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