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Prüfverfahren zur Bestimmung des Frost-Tau-Wechseleinflusses auf Hinterfüllbaustoffe für Erdwärmesonden

Anbergen, Hauke :
Prüfverfahren zur Bestimmung des Frost-Tau-Wechseleinflusses auf Hinterfüllbaustoffe für Erdwärmesonden.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Prüfverfahren zur Bestimmung des Frost-Tau-Wechseleinflusses auf Hinterfüllbaustoffe für Erdwärmesonden
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines Prüfverfahrens zur Untersuchung des Einflusses von zyklischen Frost-Tau-Belastungen auf die hydraulische Integrität von Hinterfüllbaustoffen für Erdwärmesonden vorgestellt. Erdwärmesonden sind die häufigste Ausführungsform der oberflächennahen Geothermie in Deutschland und werden meist in Kombination mit Wärmepumpen für die Temperierung von Gebäuden genutzt. Ein bautechnisch kritischer Lastfall ist die Belastung der Hinterfüllung durch Frost-Tau-Wechsel aufgrund von zeitweise hohem Wärmeentzug. Der hohe Wärmeentzug kann dabei planmäßig, aber unter Umständen auch unplanmäßig stattfinden. Dieses kann die hydraulische Integrität von Erdwärmesonden negativ beeinflussen. Die meisten Leitfäden der Bundesländer fordern daher den Einsatz von Hinterfüllmaterialien, die gegen zyklische Frost-Tau-Belastungen widerstandsfähig sind. Jedoch existiert bis dato kein genormtes Prüfverfahren für eine Eignungsprüfung. Bei der bisherigen Anwendung genormter Frost-Prüfverfahren aus dem Betonbau oder für Natursteinprüfungen werden die theoretischen Hintergründe des Durchfrostungsprozesses und der bodenmechanischen Randbedingungen der Hinterfüllung von Erdwärmesonden ungenügend berücksichtigt. Dies gab Anlass die Frost-Tau-Wechsel bei Erdwärmesonden wissenschaftlich zu untersuchen und über ein Prüfverfahren, welches den maßgeblichen Randbedingungen der Einbausituation von Hinterfüllungen entspricht, das Materialverhalten zu charakterisieren. Es werden die theoretischen Hintergründe der Belastung durch Eisbildung in Erdwärmesonden sowie die Umsetzung in ein geeignetes Prüfverfahren dargestellt. In Voruntersuchungen wurde die Zeit- und Temperaturabhängigkeit der Materialeigenschaften von Hinterfüllmaterialien untersucht und Randbedingungen für die Hauptuntersuchungen definiert. In Kombination mit den Erkenntnissen vorheriger Untersuchungen an Hinterfüllmaterialien konnten so vier Prüfkriterien aufgestellt werden. Diese besagen, dass 1) die Durchlässigkeit des Systems Sonde / Hinterfüllung ausschlaggebend ist. 2) die Systemdurchlässigkeit auch nach der Simulation der zyklischen Frost-Tau-Belastungen ermittelt werden muss. 3) während des gesamten Prüfablaufs die Prüfkörper in der Messapparatur unter definierten Spannungszuständen verbleiben müssen. 4) die Durchfrostung der Prüfkörper wie in-situ von innen nach außen erfolgen muss. Die Prüfkriterien wurden in einer modifizierten Wasserdurchlässigkeitsmesszelle umgesetzt. Die Prüfkörper für die Messzelle sind maßstabsgetreu zu realen Erdwärmesondenabmessungen konzipiert und verfügen über ein mittiges Sondenrohr für die Temperierung von innen nach außen. Das Prüfverfahren misst direkt die hydraulische Leitfähigkeit eines Modellsystems einer Erdwärmesonde unter Berücksichtigung der Materialdurchlässigkeit in Kombination mit den präferierten Wasserwegigkeiten entlang des Sondenrohres. Die Prüfkörper verbleiben während der gesamten Prüfung unter definierten Spannungsrandbedingungen in der Messapparatur und werden wie in-situ von innen nach außen durchfrostet. Darüber kann die frost-tau-bedingte Änderung der Systemdurchlässigkeit quantifiziert werden. Das Prüfverfahren wurde an einer Auswahl von Hinterfüllbaustoffen getestet und die Funktion an unterschiedlichen Anlagenperipherien und in verschiedenen Laboratorien überprüft. Somit konnte belegt werden, dass die Standortunabhängigkeit gegeben ist. Die Versuche an den Einzelkomponenten von Hinterfüllbaustoffen zeigten, dass das Prüfverfahren für jegliche Hinterfüllmaterialien für Erdwärmesonden geeignet ist. Über Versuche mit großen Anzahlen an Frost-Tau-Wechsel konnten Aussagen zur allgemeinen Charakteristik des Frost-Tau-Wechsel-Einflusses getroffen werden. Die durchgeführten Tracerversuche bestätigen Notwendigkeit der Forderungen nach Messungen der Systemdurchlässigkeit. Die Temperaturausbreitung in der Messzelle während der Versuchsdurchführung wurde experimentell überwacht und anhand numerischer thermisch-hydraulisch gekoppelter Berechnungen validiert. Im Rahmen der numerischen Validierung wurde ein Plug-In für die Finite Element Methode Software FEFLOW entwickelt, welches die Berechnung von Phasenwechselvorgängen ermöglicht. Das Plug-In wurde an numerischen und analytischen Lösungen kalibriert und kann für die Berechnung von Frost-Tau-Wechsel-Ereignissen in Erdwärmesonden verwendet werden. Dabei werden die Veränderungen der hydraulischen und thermischen Materialparameter berücksichtigt, ebenso wie die Einflüsse der Kristallisationswärme während der Übergänge zwischen den flüssigen und festen Phasen. Mit dem Plug-In können Durchfrostungssimulationen mit FEFLOW modelliert werden. Es wird gezeigt, dassdie hydraulische Systemdurchlässigkeit von Erdwärmesonden um zwei Zehnerpotenzen höher ist als die reine Materialdurchlässigkeit. Der Frost-Tau-Wechseleinfluss auf die Systemdurchlässigkeit von Erdwärmesonden ist materialspezifisch. Die ersten Frost-Tau-Wechsel-Belastungen sind entscheidend für Systemdurchlässigkeit, spätere Durchfrostungen haben keinen Einfluss mehr. Aufgrund der geringen Abmessungen der entwickelten Messzellen, einer Handhabung, die derer üblicher bodenmechanischer Versuche ähnelt und der Einbettung in die gängigen Prüfverfahren der Bodenmechanik, kann das Prüfverfahren nahezu in jedes Erdbaulabor implementiert werden. Dadurch kann das Prüfverfahren zu einer flächendeckenden Qualitätssicherung in der oberflächennahen Geothermie beitragen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this dissertation a testing procedure for the assessment of the influence of cyclic freeze-thaw-stresses on borehole heat exchanger grouts is developed, calibrated and validated. In Germany the borehole heat exchanger is the most common application for shallow geothermal systems. It is used for domestic heating coupled with a ground source heat pump system. During periods of extensive heat extraction freezing and thawing of the grout of the borehole heat exchanger might occur. This can affect the sealing properties of the grout. Consequently legal authorities require that grouting materials have to be resistant against freeze-thaw-cycles. However, there is no standardized procedure to test freeze-thaw-resistance of geothermal grouts. Due to broad experiences in cyclic freeze-thaw-tests for concrete and natural stones, most previous grout tests relied on testing procedures for these materials. The procedures focus on the assessment of mechanical properties such as compressive strength or the loss of weight caused by frost. However, these tests do not follow the in-situ boundary conditions for geothermal grouts and also neglect to take into account the theoretical models of freezing-processes. To address these shortcomings a testing procedure was developed that simulates the downhole in-situ conditions as confining radial earth-pressure, freezing and thawing direction from the inside to the outside, and saturated conditions. The hydraulic conductivity can be measured in axial flow direction. Thus statements according to the susceptibility of grouts against cyclic freezing and thawing stresses can be made. The theoretical models and the implementation of the testing procedure will be discussed. Time- and temperature dependency of grouting materials was investigated and thus four criteria for a valid testing procedure were formulated: 1) The hydraulic conductivity of the system grout / probe has to be assessed. 2) The systems´ hydraulic conductivity has to be assessed after a freely selectable number of freeze-thaw-cycles. 3) The specimen must remain under defined pressure conditions inside the testing device during the whole procedure. 4) The specimens must be frozen radially from inside out, simulating in-situ conditions. The specimens were designed in true portions to a real borehole heat exchanger. They are composed of an axial polyethylene pipe and a surrounding grout body. Thus the systems´ hydraulic conductivity is considered. Several grouts were tested and the procedure was implemented in different geotechnical laboratories with different infrastructures. Therewith procedural independency with regard to laboratories or locations was proven. Tests with pure components of grouts were executed in order to proof the variability of the procedure. A testing series with a high number of freeze-thaw-simulations showed the general hydraulic behavior of frost-stressed grouts. Tracer tests underpinned the need of the assessment of the system hydraulic conductivity. Temperature during the freeze-thaw-simulations was logged and validated experimentally and numerically. Therefore a plug-in was developed for the finite element method software FEFLOW. The plug-in enables FEFLOW to simulate phase change processes considering the temperature dependent material properties while including latent heat effects. Based on tests conducted the following conclusion can be made: The system hydraulic conductivity is higher than hydraulic conductivity of the bulk material; the difference is of a magnitude around two; the increase of the system hydraulic conductivity due to cyclic freeze-thaw-stresses depends on the type of grout material; the first freeze-thaw-stresses cause the heaviest increase in hydraulic conductivity. As the testing device is similar to the dimensions of regular hydraulic conductivity test and due to its handling, the procedure can be easily implemented into any geotechnical laboratory. Thus the testing procedure can contribute to quality assurance for shallow geothermal systems. English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Geothermal Science and Technology
Date Deposited: 27 Jan 2015 13:15
Last Modified: 27 Jan 2015 13:16
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43358
Referees: Sass, Prof. Dr. I. and Müller, Prof. Dr. L.
Refereed: 12 December 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4335
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