Diese Masterarbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem österreichischen Forschungsinstitut Austrian Institute of Technology (AIT) im Rahmen des GEOFIT Projektes durchgeführt. Dieses Forschungsprojekt ist in das europäische Förderprogramm Horizon 2020 eingebettet. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Nahfeldeigenschaften von neuartigen, platzsparenden Erdwärmetauschern (Erdkörbe und Ringgrabenkollektoren) in verschiedenen Substraten zu erfassen und zu dokumentieren. Ergänzend zu den experimentellen Versuchsaufbauten sollen Simulationen ein reproduzierbares physikalisches Abbild schaffen und Daten für ein Dimensionierungstool bereitstellen. Die Daten aus der Nahfeldsimulation sind zudem ein wichtiger Input für weitergehendende Betrachtungen in Fernfeldsimulationen. Diese werden vom europäischen Partnerinstitut EURECAT durchgeführt.
Als Grundlage und Vergleichsbasis für diverse Simulationsreihen dient ein experimenteller Versuchsaufbau unter kontrollierten Bedingungen innerhalb einer Klimakammer am AIT. Die räumliche und zeitliche Auflösung des Temperaturfeldes wird von faseroptischen Sensoren und PT1000 Sensoren erfasst und bereitgestellt. Da sich eine hinreichend genaue modellhafte 3D Darstellung des Versuchsaufbaues als sehr ressourcenaufwändig herausstellte, wurden alternativ sowohl ein vereinfachtes 2D Zylindermodell entwickelt, als auch ein 1D Stabmodell. Mithilfe des 1D Stabmodelles konnte zudem die Richtigkeit des Berechnungsalgorithmus gezeigt werden. Tests mit verschiedenen Zeitschritten resultierten in der Erkenntnis, dass durch optimale Wahl der Simulationseinstellungen signifikante Rechenleistung gespart werden kann.
Aus ersten Vergleichen von Experiment und Simulation, durchgeführt mit trockenem Sand als Substrat, gehen deutliche Abweichungen der Temperaturfelder hervor. Weitere Berechnungen mit temperaturabhängigen Materialkennwerten aus Laboruntersuchungen konnten Fehlerursachen systematisch ausschließen. Mithilfe der Simulationsergebnisse konnte auch ein Verständnis für die verschiedenen Stellschrauben des Temperaturfeldes, das durch die partielle Differentialgleichung (DGL) der Wärmeleitung beschrieben wird, gewonnen werden. Wichtig fürs Verständnis ist dabei die Erkenntnis, dass die Wärmeleitfähigkeit λ Information über den partikulären Teil der DGL liefert, während der Faktor ρ*cp Information für den flüchtigen Teil der DGL liefert.
Des Weiteren wurden dem europäischen Forschungspartner EURECAT Temperaturverteilungen und Wärmeflüsse auf einem Zylindermantel bereitgestellt, um weiterer globale Feldsimulationen durchführen zu können.
Eine abschließende Parameterstudie mit verschiedenen Steigungen und Durchmessern der Heizhelix ermöglicht erste Abschätzungen von Geometrieveränderungen auf die auftreten-den Wärmeflüsse. Dies soll die Grundlage für weiteren internationalen wissenschaftlichen Diskurs darstellen und die Weiterentwicklung von oberflächennahen Erdwärmetauschern als Teil von Wärmepumpensystemen fördern.