Detail Diplomarbeit Eicker
Thema der Diplomarbeit: Geothermische Temperierung von Brückenbelägen -Parameterstudie zur Bestimmung thermodynamischer Einflussgrößen-
Betreuung:
Prof. Dr.-Ing Martin Mertens
Fachhochschule Bochum, Institut für Konstruktiven Ingenieurbau
Prof. Dr. rer. nat. Rolf Bracke
Fachhochschule Bochum, Institut für Wasser und Umwelt
Zusammenfassung:
In der Statik spielen neben den Einwirkungen aus Eigenlasten und Verkehrslasten die klimatischen Einflüsse auf Ingenieurbauwerke eine maßgebende Rolle. Speziell bei Brückenbauwerken, die charakterisiert werden durch ihre freie Lage im Raum, ohne die isolierenden Eigenschaften des Erdreichs und den Windschutz angrenzender Bebauung und Vegetation, erhalten die Klimafaktoren eine besondere Gewichtung. In einer detaillierteren Betrachtung kommt schließlich dem Fahrbahnbelag als Schnittstelle zwischen dem Ingenieursbauwerk und der geplanten Nutzung eine wichtige Bedeutung zu.
In unseren Breitengraden heizen sich im Sommer Fahrbahnbeläge primär durch Sonneneinstrahlung bis zu einer Temperatur von 60 °C auf. Das Zusammenwirken der beiden Komponenten – hohe Belagstemperaturen und ansteigender Anteil des Schwerlastverkehrs – leistet der zunehmenden Bildung von Spurrinnen Vorschub. Im Winter kann es auf Brückenbauwerken infolge ihrer exponierten Lage zu einer schnelleren Auskühlung des Fahrbahnbelages als auf angrenzenden Straßenabschnitten und somit zu einer unerwarteten Bildung von Eisglätte und Blitzeis kommen. Diese Eigenschaften, die auf Brückenbauwerke weltweit zutreffend sind, führen einerseits zu verkehrstechnischen Behinderungen und Gefahren und andererseits zu Schäden am Asphaltbelag und am Brückenkörper selbst. Um diesen negativen Einflüssen entgegenzuwirken, müsste der Asphaltbelag gezielt temperiert werden. Dies bedeutet eine Kühlung in den Sommer- und eine Beheizung in den Wintermonaten.
Der Inhalt dieser Arbeit besteht darin, ein System zu untersuchen, das diese Art der Belagstemperierung realisieren kann. Die Basis für die Belagstemperierung bilden im Asphaltbelag installierte Rohrregister. Im Sommer als auch im Winter dienen diese, wie es bei Bodenheizungen etabliert ist, als Wärmetauscher. Eine in den Registern zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit führt im Sommer die gespeicherte Wärme aus dem Belag ab und im Winter dem Belag wieder Wärme zu. Durch die Nutzung von Geothermie soll die benötigte thermische Energie für den Betrieb der Anlage gedeckt werden. Die Geothermie garantiert eine grundlastfähige, das heißt eine von Tages- und Jahreszeit sowie wetterunabhängige Energieaufnahme, welche ähnlich der Sonnen-, Wind- und Wasserkraftenergie in natürlicher Form, kostenlos und emissionsfrei zur Verfügung steht.
Diese Art der Temperierung für Verkehrswege wird seit einigen Jahren an verschiedenen Pilotprojekten im Ausland erforscht und diskutiert. Da die technischen Vorraussetzungen jedoch auf Grund der unterschiedlichen nationalen Normen und Vorschriften nur eingeschränkt auf Deutschland übertragbar sind, müssen eigene Analysen und Auswertungen durchgeführt werden. In der vorliegenden Arbeit wird die Kosterbrücke bei Hattingen als Referenzobjekt für die nachfolgenden Analysen und Untersuchungen herangezogen.
Das Ziel dieser Diplomarbeit liegt in der Darstellung der thermodynamischen Einwirkungen auf das Brückenbauwerk, die sich aus den komplexen Zusammenhängen der klimatischen Randbedingungen, der bauphysikalischen Eigenschaften und der dynamischen Belagstemperierung ergeben. Darauf aufbauend werden diese zunächst spezifischen Ergebnisse durch Parameterstudien zu transferierbaren Aussagen umgeformt. Diese Parameterstudien ermöglichen eine differenzierte Analyse des Energiebedarfs und des Energieüberschusses der Belagstemperierung, welche die Grundlage für weiterführende Berechnungen Dritter bezüglich der Dimensionierung und Wirtschaftlichkeitsprüfung der geothermischen Anlage bilden.
