Borchardt, Steve (2024)
Entwicklung und Anwendung eines Prüfverfahrens zur energetischen und hydraulischen Bewertung von Wärmeübertragern in Wasserkörpern.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028816
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der zunehmende Druck, Energie einzusparen und fossile, endliche Brennstoffe durch regenerative Energieträger zu ersetzen, fördert die Suche nach effizienten und umweltschonenden Lösungen für die Wärmewende. Insbesondere die dezentrale Nutzung von Umweltwärme durch Wärmepumpen gilt neben Wärmenetzen als eine ausgereifte Schlüsseltechnologie für eine erfolgreiche Wärmewende, die zugleich eine zunehmende Elektrifizierung unserer Energieversorgung erfordert. Jedoch ist die Umweltwärme nicht an jedem Ort gleichermaßen verfügbar oder mit geringem Aufwand zu erschließen, weshalb geeignete Lösungen lokal angepasst werden müssen. Fließgewässer sind natürliche Fernwärmenetze, die Wärme aus ihrer Umgebung aufnehmen und mittels turbulenter Strömung über weite Strecken transportieren. Aufgrund ihres thermischen Beharrungsvermögens eignen sich Fließgewässer für die dezentrale Wärmeversorgung von angrenzenden Gemeinden und Gebäuden. Eine stetige Zufuhr von Niederschlägen und Grundwasser gewährleistet eine beständige Verfügbarkeit, was Fließgewässer zu einer zuverlässigen und erneuerbaren Wärmequelle macht. Dadurch können Fließgewässer einen wichtigen Beitrag für eine umweltverträgliche und nachhaltige Wärmeversorgung leisten und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern. Die Installation von Wärmeübertragern in Fließgewässer erschließt die darin gespeicherte Wärmeenergie, wobei Wärmepumpen die gewonnene Wärme auf ein nutzbares Niveau transformieren. Um den Wärmeinhalt zu bestimmen oder die Auswirkungen einer thermischen Nutzung auf die Wassertemperatur abschätzen und bewerten zu können, ist ein Verständnis der Strömungs- und Wärmetransportprozesse in Fließgewässern unerlässlich. Auf Grundlage einer Literaturrecherche werden in dieser Arbeit daher die grundlegenden Zusammenhänge des Temperaturregimes von Fließgewässern beschrieben. Darüber hinaus werden Systeme zur thermischen Nutzung und ein deterministisches Modell zur Berechnung des Wärmehaushalts erläutert, welches die Wärmebilanz von Fließgewässern anhand messbarer oder berechenbarer Größen abbildet. Das Monitoring von Fließgewässern nach der Inbetriebnahme ist unabdingbar, um die Auswirkungen von Wärmeentnahmen zu bewerten und Erkenntnisse zu sammeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Leistungsfähigkeit verschiedener Wärmeübertrager untersucht und insbesondere der gewässerseitige Einfluss betrachtet. Dies umfasst die Auswirkungen von Verschmutzungen auf den wärmeübertragenden Oberflächen und den Einfluss der gewässerseitigen Strömungsgeschwindigkeiten auf die Wärmeentnahme als praktische Leitlinien für die Planung und Umsetzung von Wärmeübertragern in Fließgewässern. Hierfür wurde ein wärmeströmungstechnischer Prüfstand konzipiert und ein Prüfverfahren erarbeitet, um Wärmeübertrager unter möglichst natürlichen Bedingungen zu testen. Die Wärmeentnahme unter kontrollierten Randbedingungen ermöglicht es, den Wärmedurchgang methodisch zu untersuchen. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse wurde über Vorversuche in einer Laborrinne und über eine ergänzende Feldstudie bestätigt. Der wärmeströmungstechnische Prüfstand dient dem besseren Verständnis der Leistungsfähigkeit von Wärmeübertragern unter natürlichen Bedingungen und in verschiedenen Betriebsszenarien. Darüber hinaus bietet der wärmeströmungstechnische Prüfstand eine Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten, um Wärmeübertragungsprozesse in naturnahen Umgebungen zu untersuchen und eine umweltverträgliche Wärmeentnahme aus Fließgewässern zu betrachten.

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