In der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle und theoretische Untersuchungen an vertikalen Wärmetauschersonden durchgeführt. Hierzu wurde ein Prüfstand mit drei verschiedenen Erdsonden errichtet. Um eine theoretische Aussage über die Sondenleistung zu erarbeiten, war es nötig, in gesonderten Versuchen die Wärmeleitfähigkeit von Bentonit/Wasser-Suspensionen zu messen und die Wärmeübergangsprozesse am einzelnen Rippenrohr zu untersuchen. Die Wärmeleitfähigkeit der Bentonit/Wasser-Suspension beträgt 0,5 W/mK - 0,8 W/mK. Der thermische Kontaktwiderstand an der Innenwand des Rippenrohres wurde mit Hilfe der Strömungstheorie berechnet. An der Außenwand konnte er als guter thermischer Kontakt angenommen werden. Diese Annahme ist, in Anbetracht der Verwendung der Bentonit/Wasser-Suspension zur Optimierung des Kontaktes, realistisch. So konnte ein genaues Temperaturprofil zwischen Fluid und Erdreich erstellt werden. Trotz der Verwendung von Bentonit läßt sich zwischen dem Vorgang des Ladens und des Entladens eine Änderung des Durchgangswiderstandes zwischen dem Rippenrohr und der Bentonit/Wasser-Suspension feststellen. Dies hat seine Ursache im Auftreten der Wasserdampfdiffussion, welche die Wärmeleitfähigkeit des Bentonits in direkter Umgebung des Rohres beeinflußt. Ein Austrocknen der Rippenrohraußenseite konnte allerdings nicht festgestellt werden. Einen Einfluß dieser Wasserdampfdiffusion auf die Sondenleistung ließ sich ebenfalls nicht nachweisen. Der Wärmedurchgangskoeffizient des Rippenrohres liegt beim Laden zwischen 7 W/K und 8 W/K. Beim Entladen beträgt er 13 W/K. Beim Entladen der Sonden sollte es vermieden werden, die Frostgrenze zu unterschreiten, da durch Risse und Porenbildung irreparable Schäden festgestellt wurden. Auf dem Prüfstand konnte die Zyklenfestigkeit der Sonden nachgewiesen werden. Die Leistung der Sonden sinkt beim Dauerbetrieb nach wenigen Tagen auf ein stabiles Niveau ab. Die hier noch auftretenden Schwankungen sind auf versuchsbedingte Faktoren (z.B. Regenwasser-Intrusion) zurückzuführen. Die Versuche haben gezeigt, daß durch eine einfache Isolation zwischen Hin- und Rückführung (Iso-U-Sonde) eine Leistungsverbesserung von 50 % (Laden) bzw. 25 % (Entladen) erzielt werden kann. Die erhoffte Leistungsverbesserung durch eine birnenförmige Temperaturstratifikation (Spiral-Sonde) konnte nicht ermittelt werden. Es wurde sowohl beim Laden als auch beim Entladen eine Leistungsverminderung gegenüber der Sonde 1 (U-Sonde) von etwa 10 % festgestellt. Das verwendete Rippenrohr erwies sich durch die geringe Wandstärke als besonders gut geeigneter Wärmetauscher. Es konnte nachgewiesen werden, daß sich Sonde 3 (Iso-U-Sonde) noch weiter verbessern läßt. Eine Modell-Rechnung zeigte, daß eine Vergrößerung des Rippenrohrdurchmessers eine erhebliche Leistungssteigerung bewirkt. Bei Verwendung des gleichen Bohrlochradius wie auf dem Prüfstand würde ein 50er-Rippenrohr statt dem 25 mm-Rippenrohr eine Leistungsverbesserung von 20 % bewirken. Dagegen ist durch eine Steigerung des Massendurchsatzes nur eine geringfügige Verbesserung zu erhalten. Die Eigenschaften des Bodens sind ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit eines Erdspeichers. Zwar beeinflußt die Wärmekapazität des Bodens die Wärmeleistung nur schwach. Dagegen ist die Wärmeleitfähigkeit für die Leistung der Einzelsonde von entscheidender Bedeutung. Bei guter Wärmeleitfähigkeit nehmen aber auch die thermischen Verluste des Speichers zu. Als Kriterium eines Erdspeichers dient daher die Temperaturleitfähigkeit des Erdreichs und insbesondere die hieraus ermittelte Relaxationszeit für ein vorgegebenes Speichervolumen.      «

In der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle und theoretische Untersuchungen an vertikalen Wärmetauschersonden durchgeführt. Hierzu wurde ein Prüfstand mit drei verschiedenen Erdsonden errichtet. Um eine theoretische Aussage über die Sondenleistung zu erarbeiten, war es nötig, in gesonderten Versuchen die Wärmeleitfähigkeit von Bentonit/Wasser-Suspensionen zu messen und die Wärmeübergangsprozesse am einzelnen Rippenrohr zu untersuchen. Die Wärmeleitfähigkeit der Bentonit/Wasser-Suspension be...     »