Vaildate Frost

09/2018 – 08/2020 (2 Jahre)

606.000 EUR

Validate Frost betrachtet und evaluiert die „Minus 3 °C Grenze“ als minimale Zulauftemperatur beim Betrieb von Erdwärmesonden, die in den Leitlinien “Qualitätssicherung Erdwärmesonden” (LQS EWS) Baden-Württembergs festgelegt ist.

Förderprogramm “Lebensgrundlage Umwelt und ihre Sicherung” des Landes Baden-Württemberg

• Steinbeis Forschungsinstitut Solites
• Universität Stuttgart – Versuchseinrichtung zur Grundwasser und Altlastensanierung (VEGAS) am Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung
• Universität Stuttgart –  Institut für Geotechnik (IGS)

Ziel des Verbund-Forschungsvorhaben Validate Frost ist es, die minimale zulässige Zulauftemperatur von Erdwärmesonden zu ermitteln. Dies geschieht insbesondere unter der Prämisse der Frostvermeidung im Untergrund und im Hinterfüllmaterial, sowie einer ausreichend geringen Systemdurchlässigkeit im Verfüllmaterial und in den Kontaktzonen zwischen Verfüllmaterial und Bohrlochwandung bzw. Sondenrohren. Dabei sollen die im Großversuch des vorangegangenen Forschungsvorhabens “Einfluss des Betriebs von Wärmepumpen auf potentielle Durchfrostung einer Erdwärmesonde – EWS-Frost” ermittelten Ergebnisse auf die Realsituation übertragen werden.

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. Um einer potentiellen Frostbildung in einer EWS vorzubeugen, wird in Baden-Württemberg in den Leitlinien “Qualitätssicherung Erdwärmesonden (LQS EWS)” die minimale Zulauftemperatur der EWS auf minus 3 °C begrenzt. Diese Minimaltemperatur, festgelegt basierend auf Erfahrungswerten, wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens „Einfluss des Betriebs von Wärmepumpen auf potentielle Durchfrostung einer Erdwärmesonde – EWS-Frost“ in Großversuchen im Nachgang zu der Festlegung experimentell untersucht.

Die Ergebnisse der Großversuche aus dem Forschungsvorhaben EWS-Frost zeigen, dass unter Verwendung der „Minus 3 °C“-Regel bei gewissen Betriebszuständen der EWS eine Frostgefährdung vorliegt.

Für eine fundierte Bewertung der „Minus 3 °C“-Regel sind daher weiterführende Untersuchungen von unterschiedlichen geometrischen sowie material- und betriebsbedingten Randbedingungen einer Erdwärmesonde erforderlich. Die Überlagerung verschiedenster Parameter wie Zulauftemperatur, Wärmeentnahmezeiten, Bohrlochgeometrie, Verfüllmaterialien, Untergrund, Material des Sondenrohres, Strömungsart in den Sondenrohren, Initialtemperatur des Untergrunds etc. ergibt eine Vielzahl an möglichen Szenarien.

Eine experimentelle Untersuchung aller Parameterkombinationen ist weder ökonomisch noch in einem annehmbaren zeitlichen Rahmen durchführbar.

Solites erstellt daher ein geeignetes Simulationsmodell und führt die numerische Ermittlung der minimal zulässigen EWS-Zulauftemperatur zur Frostvermeidung durch. Dabei werden kritische Fälle identifiziert, welche vom Projektpartner VEGAS in mittelskaligen Frost-Experimenten untersucht werden.

• Erstellung und Auswahl eines geeigneten numerischen Simulationsmodells zu den thermischen Verhältnissen in Erdwärmesonden und des umgebenden Untergrunds
• Identifikation kritischer Fälle bei einer Rücklauftemperatur von -3 °C