Verwendung von Erdwärme zur Schnee- und Eisfreihaltung von Freiflächen:
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Stuttgart
Fraunhofer-IRB-Verl.
2009
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Inhalt
1 Problemstellung und Stand der Technik..................................................18
1.1 Einführung und Problemstellung............................................................18
1.2 Stand der Technik...............................................................................19
1.3 Ziel der Arbeit.....................................................................................28
2 Energiequelle Erdwärme.......................................................................29
2.1 Einführung..........................................................................................29
2.2 Thermische Nutzung des Bodens...........................................................30
2.2.1 Überblick über Wärmespeicher...........................................................30
2.2.2 Erstellung und Auslegung einer Erdwärmequelle....................................32
2.2.3 Erschließungskosten der
Géothermie
...................................................34
2.3 Oberflächennaher Temperaturverlauf.....................................................34
3 Ermittlung von Temperaturfeldem..........................................................38
3.1 Mechanismen der Wärmeübertragung....................................................38
3.2 Temperaturfeldberechnung...................................................................39
3.3 Wärmeübergangsrandbedingungen........................................................41
3.3.1 Konvektiver Wärmeübergang an Bauwerksoberflächen...........................41
3.3.2 Konvektiver Wärmeübergang in Rohrströmungen..................................45
3.3.3 Strahlungs-Wärmeübergang...............................................................51
3.3.3.1 Kurzwellige Strahlung..........................................................51
3.3.3.2 Langwellige Strahlung..........................................................51
4 Klimatische Einwirkungen auf Freiflächen...............................................60
4.1 Umgebungslufttemperatur, Wind und Bewölkung....................................60
4.2 Berechnung der kurzwelligen Sonneneinstrahlungsintensitäten auf
beliebig orientierte und geneigte Flächen................................................65
4.2.1 Berechnung des Sonnenstandes.........................................................66
4.2.2 Berechnung der Solarstrahlung mit und ohne Berücksichtigung des
Bewölkungsgrades............................................................................73
4.2.2.1 Intensität der extraterrestrischen Bestrahlungsstärke................73
4.2.2.2 Trübung der Atmosphäre - Maß der Gesamtextinktion.............74
4.2.2.3 Berechnung der direkten Sonnenstrahlung auf eine zur
Einfallsrichtung normalen Ebene für wolkenlosen Himmel.........76
4.2.2.4 Bestimmung der Sonneneinstrahlung auf horizontale Flächen .... 77
4.2.2.5 Bestimmung der Sonneneinstrahlung auf beliebig orientierte
und geneigte Flächen...........................................................80
l
Inhaltsverzeichnis
4.2.2.6 Gesamt-Strahlungsbilanz aller auf eine beliebig orientierte
und geneigte Körperfläche einfallenden kurzwelligen
Strahlungsflussdichten.........................................................85
4.2.3 Berücksichtigung von Verschattungen und Horizontüberhöhungen..........90
4.2.4 Umrechnung von Strahlungsdaten aus Messwerten oder Daten des
Testreferenzjahres auf beliebig orientierte Flächen.................................95
4.3 Langwelliger Strahlungsaustausch.......................................................100
4.3.1 Vorbemerkungen............................................................................100
4.3.2 Atmosphärische Gegenstrahlung
A
...................................................100
4.3.2.1 Berechnung der Himmelstemperatur Tsky...............................100
4.3.2.2 Berechnung der fiktiven Himmelstemperatur Tfsky..................105
4.3.2.3 Langwellige atmosphärische Gegenstrahlung auf eine
beliebig orientierte und geneigte Fläche................................107
4.3.2.4 Reflektierte atmosphärische Gegenstrahlung auf eine
geneigte Fläche................................................................107
4.3.3 Langwellige Ausstrahlung
E
.............................................................109
4.4 Schnee und Eis in Deutschland...........................................................110
4.4.1 Schneeverhältnisse und -Verteilung in Deutschland.............................110
4.4.1.1 Mittleres Andauerverhalten der Schneedecke........................111
4.4.1.2 Mittleres maximales Wasseräquivalent der Schneedecke........113
4.4.1.3 Glatteisbildung und Schneefallintensitäten............................117
4.4.2 Physikalische Grundlagen der
Ablation
...............................................119
4.4.2.1 Kurzwellige Strahlungsbilanz der Schneefläche......................122
4.4.2.2 Langwellige Strahlungsbilanz der Schneefläche.....................123
4.4.2.3 Latente Wärmestromdichte qu»«.........................................123
4.4.2.4 Konvektive Wärmestromdichte qKm™.....................................125
4.4.2.5 Wärmezufuhr durch Regen qReeen.........................................126
4.4.2.6 Bodenwärmestrom qeoden und Wärmestrom durch planmäßige
Beheizung qHeiz..................................................................127
4.4.3 Schnee- und Eisvorhersagemodelle...................................................127
4.4.4 Energiebedarf für beheizte Freiflächen und Grobauslegung eines
Erdwärmesonden-Speichers.............................................................128
5 Versuchstechnische Untersuchung......................................................134
5.1 Verwendete
Mess-, Steuerungs-
und Versuchstechnik...........................135
5.1.1 Messung von Wetterdaten...............................................................135
5.1.2 Temperaturmesswerte der Versuchsplatten........................................137
5.1.3 Messung von Durchflüssen und Medientemperaturen..........................139
5.1.4 Wärmequelle und -senke, Steuerungstechnik......................................141
5.1.5 Messdatenauswertung und Darstellung..............................................142
5.2 Freifeldversuche...............................................................................142
5.2.1 Versuchsauf bauten.........................................................................142
5.2.2 Versuche bei realen Schneefällen......................................................146
5.2.2.1 Versuch am 17./18.03.2008 - mäanderförmige Beheizung.....146
5.2.2.2 Versuch am 22./23.03.2008 - punktuelle Beheizung.............150
5.2.3 Versuche bei sommerlichen Temperaturen.........................................153
6 Entwicklung eines FE-Modells.............................................................155
II
Inhaltsverzeichnis
6.1 Simulationsaufbau.............................................................................155
6.1.1 Numerische Modellierung der Beheizung............................................156
6.1.1.1 Mäanderförmige Beheizung.................................................156
6.1.1.2 Punktuelle Beheizungen......................................................160
6.1.2 Stoff
parameter
...............................................................................162
6.2 Validierung des FE-Modells.................................................................163
6.2.1 Numerische Überprüfung durch Berechnungsanalogie zur
Fußbodenheizung...........................................................................163
6.2.2 Numerische und versuchstechnische Untersuchung des Aufheiz- und
Abkühlungsverhalten beheizter Konstruktionen unter
Laborbedingungen..........................................................................168
6.2.3 Numerische und versuchstechnische Untersuchung beheizter und
unbeheizter Bodenplatten unter Realbedingungen................................176
6.2.3.1 Modellabbildung ohne Beheizung.........................................176
6.2.3.2 Modellabbildung mit Beheizung...........................................181
6.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse.....................................................190
7 Entwicklung einer numerischen Bewertungsmethode für beheizte
Freiflächen.......................................................................................191
7.1 Untersuchte Konstruktionsarten..........................................................191
7.1.1 Randbedingungen bei aufgeständerten, luftumspülten
Konstruktionsflächen.......................................................................193
7.1.2 Randbedingungen ebenerdig aufgebauter Freiflächen...........................194
7.2 Untersuchte Einflussparameter............................................................195
7.3 Ansatz zur thermischen Dimensionierung und quantifizierten Beurteilung
einer Freifläche.................................................................................200
7.3.1 Spezifische Aufheiz-Reaktionszeit tA..................................................200
7.3.2 Bestimmung der zum Schmelzen zur Verfügung stehenden
Wärmestromdichte qs......................................................................202
7.3.2.1 Vergleichsrechnungen........................................................203
7.4 Parametervariationen zur Berechnung geeigneter
Konstruktionsaufbauten.....................................................................214
7.4.1 Vorbemerkungen............................................................................214
7.4.2 Ergebnisse für Freiflächen mit mäanderförmig verlegten Heizrohren.......214
7.4.2.1 Einfluss des Konstruktionsaufbaus.......................................214
7.4.2.2 Einfluss der Vorlauftemperatur............................................226
7.4.2.3 Einfluss der Durchflussmenge.............................................233
7.4.2.4 Grenzwertdarstellungen geeigneter Konstruktionen................238
7.4.3 Ergebnisse für Freiflächen mit punktuell angeordneten
Beheizungselementen......................................................................254
7.4.3.1 Vorbemerkungen...............................................................254
7.4.3.2 Einfluss des Konstruktionsaufbaus.......................................254
7.4.3.3 Grenzwertdarstellungen geeigneter Konstruktionen................262
7.5 Temperaturbeanspruchungen in beheizten Konstruktionsaufbauten..........268
7.6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen........................................................268
III
Inhaltsverzeichnis
8 Zusammenfassung und Ausblick.........................................................271
9 Literaturverzeichnis...........................................................................276
10 Software.........................................................................................283
11 Anlagen...........................................................................................284
11.1 Anlage
A
- Klimatische Regionen und
Klimate
in Deutschland................285
11.2 Anlage
В
- Dokumentation Versuchsaufbau.........................................288
11.3 Anlage
С
- Versuchsdaten vom 17. bis 18.03.08.................................294
11.4 Anlage
D
- APDL-Makros für Ansys....................................................300
11.5 Anlage
E
- Wärmeübergang Rohrwendel..............................................305
11.6 Anlage
F
- Versuchsdaten vom 16. bis 18.02.08.................................307
11.7 Anlage
G
- Versuchsdaten vom 03. bis 05.03.08................................310
11.8 Anlage
H
- Randbedingungen Variationsrechnungen.............................315
11.9 Anlage
I
- Versuchsdaten vom 22. bis 23.03.08..................................318
11 .lOAnlage
J
- Ergebnisse für mäanderförmig verlegte Beheizungen.............325
11.11 Anlage
К
- Grenzwertkurven für mäanderförmige Beheizungen...............340
11.12Anlage
L
- Ergebnisse für punktuelle Beheizungen................................367
11.13 Anlage
M
- Grenzwertkurven für punktuelle Beheizungen......................371
IV
Torsten Richter
Verwendung von Erdwärme zur Schnee- und
Eisfreihaltung von Freiflächen
Die thermische Schnee- und Eisfreihaltung mit Nutzung der Erdwärme bietet
gegenüber den herkömmlichen Winterdienstmethoden den Vorteil eines
technisch realisierbaren und nicht auf fossile Energieträger zurückgreifenden
Systems. Ziel dieser Arbeit ist es, erstmalig ein Berechnungsverfahren zu
entwickeln und zu
validieren,
das realitätsnahe, rechnerische Simulationen der
klimatischen Beanspruchungen beheizter Freiflächen mit Berücksichtigung des
schmelzenden Schnees gestattet. Hierbei werden insbesondere die zeit- und
ortsabhängige Entwicklung der Temperatur- und Schmelzwärmeverteilung auf
der Freifläche untersucht und Kenngrößen zur Beurteilung und Bemessung von
beheizten Freiflächen abgeleitet.
Für die instationären Temperaturfeldberechnungen werden allgemeingültige
Berechnungsmodellierungen für die relevanten klimatischen Randbedingungen
entwickelt (z.B. kurzwellige Sonnenstrahlung mit Verschattungseinfluss,
langwelliger Strahlungsaustausch, windgeschwindigkeitsabhängiger konvek-
tiver Wärmeübergang und das Auftreten von Schnee und Eis). Weiterhin ist ein
im zeitlichen Verlauf steuerbares numerisches Modell (z.B. Durchflussmenge,
Vorlauftemperatur) zur energetischen Abbildung eines in Festkörpern ent¬
haltenden Strömungskörpers für das verwendete FE-Programm Ansys-Work-
bench implementiert worden.
Die entwickelten Berechnungsmodellierungen werden anhand von Messergeb¬
nissen mehrerer unterschiedlicher Vergleichsobjekten, wie zum Beispiel durch
eigene Laborversuche mit konstanten Randbedingungen und Freiflächenversuche
unter realen Witterungs- und Schneeverhältnissen verifiziert. Mit Hilfe des
neuen Berechnungsverfahrens können die zu einem beliebigen Zeitpunkt nach
einem Schneefallereignis auf der beheizten Fläche vorhandenen, nicht
geschmolzenen Schneeflächen und - höhen genau bilanziert und ausgewertet
werden. Auf dieser Grundlage wurden umfangreiche Variationsberechnungen
durchgeführt, die den Einfluss von
Konstruktions-
und Betriebsparametern, wie
zum Beispiel den Verlegeabstand, die Einbautiefe der Beheizung, die Vorlauf¬
temperaturen und den Massenströmen des Heizmediums quantitativ be¬
schreiben.
Zur praktischen Anwendbarkeit des Berechnungsverfahrens werden aufbauend
auf den Variationsberechnungen grafische Darstellungen von Grenzlinien
generiert, mit deren Hilfe die unter Auslegungsrandbedingungen geeigneten
Konstruktionen in Abhängigkeit der untersuchten Einflussparameter schnell
identifiziert werden können.
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