DE102022118913A1

DE102022118913A1 - Arrangement and method for geothermal use on a bank reinforcement

Info

Publication number: DE102022118913A1
Application number: DE102022118913.9A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Grabe; Arne Speerforck; Kacper Cerek; Andreas Moschallski
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH
Priority date: 2022-07-28
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2024-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer im freien Gewässer vorgesetzten Uferbefestigung (2), insbesondere Spundwand, zur Ertüchtigung einer Bestandsufereinfassung (1) mit einem Zwischenraum (4) zwischen Bestandsufereinfassung (1) und vorgesetzter Uferbefestigung (2), dadurch gekennzeichnet, dass geothermische Wärmetauscher (3), die von einem Wärmetauscherfluid durchströmbar ausgebildet sind, im Zwischenraum (4) angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur geothermischen Nutzung an einer im freien Gewässer (W) vorgesetzten Uferbefestigung (2) mit einem mit Wasser und/oder Boden gefülltem Zwischenraum (4) zwischen einer Bestandsufereinfassung (1) und der vorgesetzten Uferbefestigung (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscherfluid durch im Zwischenraum (4) angeordnete Wärmetauscher (3) gefördert wird, womit Wärmeenergie in dem Zwischenraum (4) an oder aus dem Wasser und/oder dem Boden abgegeben oder entzogen wird.

The invention relates to an arrangement with a bank reinforcement (2), in particular a sheet pile wall, placed in open water for strengthening an existing bank border (1) with a gap (4) between the existing bank border (1) and the front bank reinforcement (2), characterized in that geothermal heat exchangers (3), through which a heat exchanger fluid can flow, are arranged in the intermediate space (4). The invention further relates to a method for geothermal use on a bank reinforcement (2) in open water (W) with an intermediate space (4) filled with water and/or soil between an existing bank border (1) and the bank reinforcement (2) in front, thereby characterized in that a heat exchanger fluid is conveyed through heat exchangers (3) arranged in the intermediate space (4), whereby thermal energy is released or withdrawn in the intermediate space (4) to or from the water and/or the ground.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer im freien Gewässer vorgesetzten Uferbefestigung, insbesondere Spundwand, zur Ertüchtigung einer Bestandsufereinfassung mit einem Zwischenraum zwischen Bestandsufereinfassung und vorgesetzter Uferbefestigung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur geothermischen Nutzung an einer im freien Gewässer vorgesetzten Uferbefestigung mit einem mit Wasser und/oder Boden gefülltem Zwischenraum zwischen einer Bestandsufereinfassung und der vorgesetzten Uferbefestigung.The invention relates to an arrangement with a bank reinforcement, in particular sheet pile wall, placed in front of open water, for strengthening an existing bank border with a gap between the existing bank border and the bank reinforcement in front. Furthermore, the invention relates to a method for geothermal use on a bank reinforcement placed in open water with a space filled with water and / or soil between an existing bank border and the bank reinforcement in front.

Es ist bekannt zur Stabilisierung einer Bestandsufereinfassung, beispielsweise einer älteren Kaimauer, eine vorgesetzte Uferbefestigung, eine so genannte Vorsetze, wasserseitig, also im vor der Bestandsufereinfassung (alten Kaimauer) liegenden freien Gewässer vor die zu sanierende Bestandsufereinfassung zu setzen. Meist wird eine Vorsetze als Stahlspundwand ausgeführt und häufig mit einer Rückverankerung im tieferen Untergrund im Boden hinter der Bestandsufereinfassung, beispielsweise mittels schräg in den Untergrund eingebrachten Pfählen verspannt. Zwar verändert die vorgesetzte Uferbefestigung (Vorsetze) die Geometrie des freien Gewässers, meist eines Hafenbeckens, jedoch bietet der im Zwischenraum zwischen Bestandsufereinfassung und vorgesetzter Uferbefestigung befindliche Bauraum nicht nur eine Erweiterung der nutzbaren Flächen im Hafen für Gebäude und/oder Logistik, sondern bietet auch weitere Nutzungsmöglichkeiten.In order to stabilize an existing bank border, for example an older quay wall, it is known to place a bank reinforcement, a so-called bank wall, on the water side, i.e. in the open water lying in front of the existing bank border (old quay wall), in front of the existing bank border to be renovated. A lining is usually designed as a steel sheet pile wall and is often anchored back into the deeper subsoil in the ground behind the existing bank border, for example by means of piles inserted obliquely into the subsoil. Although the front bank reinforcement (front wall) changes the geometry of the open body of water, usually a harbor basin, the construction space located in the space between the existing bank border and the front bank reinforcement not only offers an expansion of the usable areas in the port for buildings and/or logistics, but also offers other areas Possible uses.

In der EP 2 374 942 B1 sowie die EP 3 486 378 A1 sind eine als geothermischer Wärmetauscher ausgebildete Spundwand bzw. mit Wärmerohren ausgestattete Spundwandelemente bekannt, die eine geothermische Nutzung des an die Spundwand angrenzenden Bodens und insbesondere des an der Spundwand entlang streichenden Wasserkörpers erlaubt. Nachteilig ist die geringe thermische Leistung des bodenseitigen Wärmetauschers aufgrund des umgebenden Bodens und der einbringungsbedingt kleinen Querschnitte. Demgegenüber ist die Leistung eines wasserseitigen Wärmetauschers an der Spundwand um ein Vielfaches höher. Allerdings ist der wasserseitige Wärmetauscher durch Treibgut, Schiffstoß, Eis und Eisgang gefährdet und muss durch zusätzliche Vorkehrungen, wie Leiteinrichtungen etc. geschützt werden.In the EP 2 374 942 B1 as well as the EP 3 486 378 A1 A sheet pile wall designed as a geothermal heat exchanger or sheet pile wall elements equipped with heat pipes are known, which allows geothermal use of the soil adjacent to the sheet pile wall and in particular of the body of water running along the sheet pile wall. The disadvantage is the low thermal performance of the bottom-side heat exchanger due to the surrounding floor and the small cross-sections due to the installation. In contrast, the performance of a water-side heat exchanger on the sheet pile wall is many times higher. However, the water-side heat exchanger is at risk from flotsam, ship impacts, ice and drifting ice and must be protected by additional precautions such as control devices, etc.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung die thermische Leistung an solchen vorgesetzten Uferbefestigungen zu erhöhen.Based on this prior art, the object of the invention is to increase the thermal performance on such bank reinforcements.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Anordnung gemäß Anspruch 1 und mit einem Verfahren gemäß Anspruch 11.This task is solved with an arrangement according to claim 1 and with a method according to claim 11.

Dadurch, dass geothermische Wärmetauscher, die von einem Wärmetauscherfluid durchströmbar ausgebildet sind, im Zwischenraum angeordnet sind, wird das gesamte Volumen des Zwischenraums geothermisch aktiviert. Dabei wird ein Wärmetauscherfluid durch im Zwischenraum angeordnete Wärmetauscher gefördert, womit Wärmeenergie in dem Zwischenraum an oder aus dem Wasser und/oder dem Boden abgegeben oder entzogen wird.Because geothermal heat exchangers, through which a heat exchange fluid can flow, are arranged in the gap, the entire volume of the gap is geothermally activated. In this case, a heat exchanger fluid is conveyed through heat exchangers arranged in the intermediate space, whereby thermal energy is released or withdrawn in the intermediate space to or from the water and/or the ground.

Die im Zwischenraum zwischen Bestandsufereinfassung und vorgesetzter Uferbefestigung angeordneten geothermischen Wärmetauscher erlauben somit die Ausnutzung des gesamten Volumens in diesem Zwischenraum zur geothermischen Nutzung. Dabei ist hervorzuheben, dass bei einer entsprechenden Sanierung einer zu stabilisierenden Kaimauer als Bestandsufereinfassung dieser Zwischenraum nach Fertigstellung der vorgesetzten Uferbefestigung, beispielsweise als Spundwand, zunächst frei zugänglich ist. Ein Einfügen von geothermischen Wärmetauschern ist dabei in unterschiedlichster Ausgestaltung möglich.The geothermal heat exchangers arranged in the space between the existing bank border and the bank reinforcement in front allow the entire volume in this space to be used for geothermal use. It should be emphasized that if a quay wall to be stabilized is renovated accordingly as an existing bank border, this gap is initially freely accessible after completion of the bank reinforcement in front, for example as a sheet pile wall. The insertion of geothermal heat exchangers is possible in a wide variety of designs.

Wenn die geothermischen Wärmetauscher als flächige und/oder räumliche Rippen- und/oder Rohrelemente ausgebildet sind, können beispielsweise flächige Rippenelemente lotrecht und senkrecht zur Uferlinie in beispielsweise äquidistantem Abstand angeordnet werden, so dass zwischen den aufeinander folgenden Rippenelementen der Zwischenraum beispielsweise mit schüttfähigem Material problemlos verfüllt werden kann. Ebenso ist es denkbar, dass flächige Rippen- oder Rohrelemente beim Verfüllen des Zwischenraums mit einem schüttfähigen Material in unterschiedlichen Höhenlagen, beispielsweise jeweils nach dem Verfestigen einer eingebrachten Schicht des schüttfähigen Materials eingelegt werden können. Auch damit ist eine geothermische Aktivierung des gesamten Volumens des Zwischenraumes möglich. In weiterer alternativer Gestaltung können räumliche Rohrelemente in den Zwischenraum eingestellt werden, die zugleich eine hohe Stabilität, beispielsweise auch zur Stützung und Verankerung der gesamten Konstruktion liefern können.If the geothermal heat exchangers are designed as flat and/or spatial finned and/or tube elements, flat finned elements can, for example, be arranged perpendicularly and perpendicularly to the shore line at, for example, equidistant distances, so that the space between the successive finned elements can be easily filled, for example with pourable material can be. It is also conceivable that flat rib or tube elements can be inserted at different heights when filling the gap with a pourable material, for example after an introduced layer of the pourable material has solidified. This also makes geothermal activation of the entire volume of the gap possible. In a further alternative design, spatial tubular elements can be placed in the gap, which at the same time can provide a high level of stability, for example to support and anchor the entire construction.

Dabei können als bevorzugte Ausgestaltung die Rippen- und/oder Rohrelemente mit der vorgesetzten Uferbefestigung und/oder der Bestandsufereinfassung mechanisch verbunden sein. Entsprechend dienen dann die als Rippen- und/oder Rohrelemente ausgebildeten Wärmetauscher als konstruktive Verankerung zwischen Bestandsufereinfassung und vorgesetzter Uferbefestigung. Beispielsweise können diese Elemente an der als Vorsetze ausgebildeten Spundwand angeschweißt und gleichzeitig in geeigneter Weise mit der Bestandsufereinfassung über Schraubanker, Schweißverbindungen oder ähnliches verbunden sein. Mit dieser Konstruktion kann der geothermische Wärmetauscher in Form der flächigen und/oder räumlichen Rippen- und/oder Rohrelemente gleichzeitig die Stabilität und Standfestigkeit der Bestandsufereinfassung als Verbundelement mit der neu vorgesetzten Uferbefestigung bilden.As a preferred embodiment, the rib and/or tube elements can be mechanically connected to the bank reinforcement in front and/or the existing bank border. Accordingly, the heat exchangers designed as finned and/or tubular elements then serve as a structural anchor between the existing bank border and the bank reinforcement in front. At For example, these elements can be welded to the sheet pile wall designed as attachments and at the same time be connected in a suitable manner to the existing bank border via screw anchors, welded connections or similar. With this construction, the geothermal heat exchanger in the form of the flat and/or spatial fins and/or tube elements can simultaneously form the stability and stability of the existing bank border as a composite element with the newly installed bank reinforcement.

In weiterer Ausgestaltung weist die vorgesetzte Uferbefestigung im Wasser führenden Bereich Perforationen auf, die einen Wasseraustausch zwischen dem freien Gewässer und dem Zwischenraum ermöglichen. Durch den über die Perforationen ermöglichten Wasseraustausch zwischen dem freien Gewässer vor der vorgesetzten Uferbefestigung (Vorsetze) und dem Zwischenraum kann die geothermische Leistung der im Zwischenraum angeordneten Wärmetauscher erhöht werden. Dabei kann der Zwischenraum allein nur entsprechend des Wasserstandes des freien Gewässers mit Wasser oder auch mit einem schüttfähigen Material befüllt sein. Im zweiten Fall ist es vorteilhaft, wenn innenliegend der vorgesetzten Uferbefestigung, beispielsweise der Spundwand, ein Vlies angeordnet wird, welches verhindert, dass das in den Zwischenraum verfüllte Material durch Öffnungen und insbesondere durch die Perforationen in das freie Gewässer ausgespült werden können.In a further embodiment, the bank reinforcement in front has perforations in the water-bearing area, which enable water to be exchanged between the open body of water and the intermediate space. The geothermal output of the heat exchangers arranged in the intermediate space can be increased through the exchange of water between the open body of water in front of the bank reinforcement (front wall) and the gap, which is made possible via the perforations. The gap can only be filled with water or with a pourable material in accordance with the water level of the open body of water. In the second case, it is advantageous if a fleece is arranged on the inside of the bank reinforcement in front, for example the sheet pile wall, which prevents the material filled into the gap from being washed out into the open water through openings and in particular through the perforations.

Wenn der Zwischenraum mit einem schüttfähigen Material verfüllt ist, wobei die geothermischen Wärmetauscher von dem schüttfähigen Material umschlossen sind, kann die gesamte Raummasse des schüttfähigen Materials im Zwischenraum als Wärmespeicher-/Puffer genutzt werden.If the gap is filled with a pourable material, with the geothermal heat exchangers being enclosed by the pourable material, the entire volume of the pourable material in the gap can be used as a heat storage/buffer.

Bevorzugt besteht das schüttfähige Material aus Boden, Sand und/oder Kies. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das schüttfähige Material eine Wasserleitfähigkeit von größer 100 cm/d und/oder eine Wärmeleitfähigkeit von größer 2,5 W/mK hat. Eine höhere Wasserleitfähigkeit von > 100 cm/d kann bei einem entsprechend porös geschütteten Material kleinerer Korngröße leicht erreicht werden. Entsprechend erlaubt das in diesen Porenraum ein- und ausfließende Porenwasser eine besonders effiziente Zuführung bzw. Abführung von Wärmeenergie. Andererseits bildet das im Zwischenraum angeordnete schüttfähige Material bei einer entsprechend geeigneten Wärmeaufnahmekapazität von > 1 kJ/kgK eine sinnvolle Zwischenspeicherung von Wärmeenergie. Diese Wärmeenergie kann bei einer Wärmeleitfähigkeit von > 2,5 W/mK auch in geeigneter Weise an den geothermischen Wärmetauscher und somit an das darin fließende Wärmetauscherfluid abgegeben oder davon aufgenommen werden.The pourable material preferably consists of soil, sand and/or gravel. It is particularly preferred if the pourable material has a water conductivity of greater than 100 cm/d and/or a thermal conductivity of greater than 2.5 W/mK. A higher water conductivity of > 100 cm/d can easily be achieved with a suitably porous material of smaller grain size. Accordingly, the pore water flowing in and out of this pore space allows a particularly efficient supply or removal of thermal energy. On the other hand, the pourable material arranged in the gap forms a useful intermediate storage of thermal energy with a correspondingly suitable heat absorption capacity of > 1 kJ/kgK. With a thermal conductivity of > 2.5 W/mK, this heat energy can also be appropriately transferred to or absorbed by the geothermal heat exchanger and thus to the heat exchanger fluid flowing therein.

Wie bereits eingangs dargestellt, ist im Stand der Technik eine Rückverankerung einer vorgesetzten Uferbefestigung Stand der Technik. Aus Standfestigkeitsgründen ist eine solche Rückverankerung im Boden jenseits der Bestandsufereinfassung meist auch zwingend erforderlich. Wenn dafür Energiepfähle, also Pfähle mit einer einliegenden Wärmesondenschleife, eingesetzt werden, kann das im tieferen Untergrund bzw. im entfernteren Bereich von der Bestandsufereinfassung liegende Bodenvolumen zum geothermischen Wärmeaustausch zusätzlich genutzt werden.As already explained at the beginning, anchoring back a bank reinforcement in front is state of the art. For reasons of stability, such anchoring in the ground beyond the existing bank border is usually absolutely necessary. If energy piles, i.e. piles with an embedded heat probe loop, are used for this purpose, the soil volume located deeper underground or in the more distant area from the existing bank border can also be used for geothermal heat exchange.

Zur Leistungssteigerung, insbesondere kurzfristigen Leistungssteigerung der geothermischen Wärmetauscher ist es vorteilhaft, wenn im Zwischenraum eine Pumpeinrichtung und/oder eine pneumatische Hebeeinrichtung angeordnet sind. Bei Einschaltung der Pumpeinrichtung und/oder pneumatischen Hebeeinrichtung wird das im Zwischenraum befindliche Wasser oder bei Verfüllung mit schüttfähigem Material das dort befindliche Porenwasser umgewälzt, so dass ein erhöhter Wärmeübergang am Wärmetauscher möglich ist.To increase the performance, especially short-term performance increase, of the geothermal heat exchanger, it is advantageous if a pump device and/or a pneumatic lifting device are arranged in the intermediate space. When the pumping device and/or pneumatic lifting device is switched on, the water located in the gap or, when filled with pourable material, the pore water located there is circulated, so that increased heat transfer at the heat exchanger is possible.

Dadurch, dass die Wärmetauscher im Zwischenraum entlang der vorgesetzten Uferbefestigung in vertikal und/oder horizontal gegliederte Module aufgeteilt sind, können vorbestimmte einzelne Module oder Gruppen von Modulen der Wärmetauscher für die geothermische Nutzung verwendet werden. Damit ist es beispielweise möglich, einen in Tidegewässern zeitweilig erhöhten Wasserstand und damit erhöhter Leistungsfähigkeit der diesbezüglichen höher liegenden Wärmetauschermodule gezielt zu nutzen, um bei Niedrigwasser beispielsweise die oberen Module der Wärmetauscher ungenutzt zu belassen, während dann auf die unteren Module umgeschaltet wird.Because the heat exchangers are divided into vertically and/or horizontally structured modules in the space along the bank reinforcement in front, predetermined individual modules or groups of modules of the heat exchangers can be used for geothermal use. This makes it possible, for example, to specifically use a temporarily increased water level in tidal waters and thus increased performance of the corresponding higher-lying heat exchanger modules in order to leave the upper modules of the heat exchanger unused when the water is low, for example, while switching to the lower modules.

Dabei ist es verfahrensgemäß vorteilhaft, das die Auswahl der einzelnen Module oder Gruppen von Modulen der Wärmetauscher für die geothermische Nutzung aufgrund von wärmetechnischen Messwerten an jedem Modul erfolgt. Wärmetechnische Messwerte können beispielsweise die Bodentemperatur im Bereich des betreffenden Wärmetauschermoduls, die Wärmetauscherfluidvorlauf- und Rücklauftemperatur oder Wärmemengenmessungen seinAccording to the method, it is advantageous that the selection of the individual modules or groups of modules of the heat exchangers for geothermal use is based on thermal measurements on each module. Thermal measurement values can be, for example, the floor temperature in the area of the relevant heat exchanger module, the heat exchanger fluid flow and return temperature or heat quantity measurements

Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der nachfolgenden Zeichnungen beschrieben.Three exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the following drawings.

Darin zeigt:

1a ein erstes Ausführungsbeispiel der Uferbefestigungsanordnung in einem horizontalen Schnitt entlang der in 1b dargestellten strichpunktierten Linie,
1b die Ausführungsform gemäß 1a in einem Vertikalschnitt entlang der in 1a dargestellten, strichpunktierten Linie,
2a ein zweites Ausführungsbeispiels der Uferbefestigungsanordnung in einer Horizontalschnittdarstellung entlang der in 2b dargestellten, strichpunktierten Linie,
2b die in 2a dargestellte Ausführungsform in einem Vertikalschnitt entlang der in 2a dargestellten, strichpunktierten Linie,
3a eine dritte Ausführungsform der Uferbefestigungsanordnung in einem Horizontalschnitt entlang der in 3b dargestellten, strichpunktierten Linie und
3b die in 3a dargestellte Ausführungsform in einem Vertikalschnitt entlang der in 3a dargestellten, strichpunktierten Linie.

It shows:

1a a first embodiment of the bank reinforcement arrangement in a horizontal section along the in 1b shown dash-dotted line,
1b the embodiment according to 1a in a vertical section along the in 1a shown dash-dotted line,
2a a second embodiment of the bank reinforcement arrangement in a horizontal sectional view along the in 2 B shown dash-dotted line,
2 B in the 2a illustrated embodiment in a vertical section along the in 2a shown dash-dotted line,
3a a third embodiment of the bank reinforcement arrangement in a horizontal section along the in 3b shown dash-dotted line and
3b in the 3a illustrated embodiment in a vertical section along the in 3a shown dash-dotted line.

In den 1a und b ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Bestandsufereinfassung 1 an einem freien Gewässer W, wobei die Bestandsufereinfassung 1 eine Bestandskaimauer 10 und ein Bestandsfundament 11 aus in den tragenden Untergrund U eingespannten Bestandspfählen 12 aufweist. Um die Bestandsufereinfassung 1 ist Boden B angeordnet. Diese Situation ist in einer vertikalen Schnittansicht in 1b dargestellt. Diese Bestandsufereinfassung 1 kann als zu stabilisierende ältere Kaimauer zur Ertüchtigung vorgesehen sein. An bekannten Hafenanlagen sind derartige ältere Kaimauern als zu sanierende Bestandsufereinfassungen bekannt. Dabei können Materialermüdungen, geänderte Wasserstände, ein tieferes Ausbaggern des Hafenbeckens (freies Gewässer) und/oder Kolkbildungen sowie erhöhte Lasten auf der Kaimauer bzw. dem unmittelbar davor liegenden Verkehrsraum zu der nicht mehr ausreichenden Stabilität der Bestandsufereinfassung 1 führen.In the 1a and b shows a first exemplary embodiment of the invention. This is an existing bank border 1 on a free body of water W, the existing bank border 1 having an existing quay wall 10 and an existing foundation 11 made of existing piles 12 clamped into the load-bearing subsoil U. Floor B is arranged around the existing bank border 1. This situation is shown in a vertical sectional view 1b shown. This existing bank border 1 can be intended as an older quay wall to be stabilized for upgrading. At well-known port facilities, such older quay walls are known as existing bank borders that need to be renovated. Material fatigue, changed water levels, deeper dredging of the harbor basin (open water) and/or scour formation as well as increased loads on the quay wall or the traffic area immediately in front of it can lead to the existing bank border 1 no longer being sufficiently stable.

Erfindungsgemäß ist nun eine vorgesetzte Uferbefestigung 2, hier in Form einer Spundwand der Bestandsufereinfassung 1 im davor liegenden freien Gewässer W vorgesetzt. Entsprechend wird die vorgesetzte Uferbefestigung 2 auch als Vorsetze bezeichnet. In allen drei hier dargestellten Ausführungsbeispielen besteht die Vorsetze 2 aus einer Spundwand, die aus einzelnen Spundwandelementen 20, die über Spundwandschlösser 21 miteinander verbunden sind, aufgebaut ist. Die Spundwand 2 wird in den tragfähigen Untergrund U an der Spundwandspannung 23 eingespannt. Die Ausführung der Spundwand ist insbesondere aus den Horizontalschnitten der 1a, 2a und 3a ersichtlich. Zwischen der Bestandsufereinfassung 1 und der vorgesetzten Uferbefestigung 2 bildet sich ein Zwischenraum 4, der nun in unterschiedlicher Ausgestaltung näher betrachtet wird.According to the invention, a front bank reinforcement 2, here in the form of a sheet pile wall, is now placed in front of the existing bank border 1 in the open water W in front of it. Accordingly, the bank reinforcement 2 in front is also referred to as the front bank. In all three exemplary embodiments shown here, the attachment 2 consists of a sheet pile wall, which is constructed from individual sheet pile wall elements 20, which are connected to one another via sheet pile wall locks 21. The sheet pile wall 2 is clamped into the load-bearing subsoil U at the sheet pile wall tension 23. The design of the sheet pile wall is particularly evident from the horizontal sections 1a , 2a and 3a visible. A gap 4 is formed between the existing bank border 1 and the bank reinforcement 2 in front, which will now be examined in more detail in different designs.

Im zunächst betrachteten ersten Ausführungsbeispiel ist im Zwischenraum 4 ein geothermischer Wärmetauscher 3 in Form von vertikal flächigen Wärmetauschern 31 in Art von Rippenelementen 34 angeordnet. Dabei sind die vertikal flächigen Wärmetauscher 31 in ihrer flächigen Ausdehnung normal zur Uferlinie, die in 1a von oben nach unten läuft, orientiert. Im in 1a dargestellten Ausschnitt der Anordnung sind vier zueinander beabstandet angeordnete vertikale flächige Wärmetauscher 31 dargestellt. Die flächigen Wärmetauscher 31 sind dabei mit geeigneten Befestigungsmitteln an den Spundwandelementen 20 der Vorsetze 2 befestigt. Dies können beispielsweise Schraubbefestigungen, Schweißbefestigungen oder dergleichen sein.In the first exemplary embodiment considered initially, a geothermal heat exchanger 3 in the form of vertically flat heat exchangers 31 in the manner of rib elements 34 is arranged in the intermediate space 4. The surface extent of the vertically flat heat exchangers 31 is normal to the shore line, which is in 1a runs from top to bottom, oriented. Im in 1a In the detail of the arrangement shown, four vertical flat heat exchangers 31 are shown which are spaced apart from one another. The flat heat exchangers 31 are attached to the sheet pile wall elements 20 of the attachments 2 using suitable fasteners. These can be, for example, screw fastenings, welded fastenings or the like.

Wie sich aus 1b ergibt, erstreckt sich das jeweilige Rippenelement 34 als vertikal flächiger Wärmetauscher 31 möglichst über die gesamte Höhenerstreckung des Zwischenraumes 4 von der Verkehrsfläche V der Bestandskaimauer 10 bis zum tragenden Untergrund U, um eine möglichst große Wärmeaustauschfläche mit der Umgebung zu ermöglichen.How out 1b As a result, the respective rib element 34 extends as a vertically flat heat exchanger 31 as far as possible over the entire height of the gap 4 from the traffic area V of the existing quay wall 10 to the supporting subsoil U in order to enable the largest possible heat exchange surface with the surroundings.

Zur Verankerung der als Spundwand ausgebildeten vorgesetzten Uferbefestigung 2 ist eine an sich bekannte Rückverankerung 24 in Form von schräg in den Boden B und bevorzugt tragenden Untergrund U in Richtung der Bestandsufereinfassung 1 orientierten Pfählen vorgesehen. Derartige Pfähle 24 werden beispielsweise in den Boden B gerammt oder gebohrt und beispielsweise durch Zement- oder Betoninjektion im Untergrund verspannt. Mit derartigen an sich bekannten Rückverankerungen 24, die bevorzugt in äquidistanten Abständen in den Untergrund eingebracht werden, wird die vorgesetzte Uferbefestigung 2 zur Aufnahme der Lasten nach Verfüllung des Zwischenraumes 4 und Belastung der Verkehrsfläche V an der neu gebildeten Uferlinie erforderlich.To anchor the front bank reinforcement 2 designed as a sheet pile wall, a known back anchoring 24 is provided in the form of piles oriented obliquely into the ground B and preferably supporting subsoil U in the direction of the existing bank border 1. Such piles 24 are, for example, rammed or drilled into the ground B and braced in the subsoil, for example by cement or concrete injection. With such known back anchors 24, which are preferably inserted into the ground at equidistant intervals, the bank reinforcement 2 in front is required to absorb the loads after the gap 4 has been filled and the traffic area V is loaded on the newly formed bank line.

Der Zwischenraum 4 zwischen der Bestandsufereinfassung 1 und der vorgesetzten Uferbefestigung 2 wird nun mit einem schüttfähigen Material 41, insbesondere Boden, Sand und/oder Kies verfüllt. Dabei wird zur Lastaufnahme und Stabilisierung der Bestandsufereinfassung 1 das schüttfähige Material 41 durch rütteln etc. verfestigt. Entsprechend werden die als Rippenelemente 34 ausgebildeten vertikal flächigen Wärmetauscher 31 vollständig von dem schüttfähigen Material umgeben und durch die Verdichtung dicht daran angeschlossen.The space 4 between the existing bank border 1 and the bank reinforcement 2 in front is now filled with a pourable material 41, in particular soil, sand and / or gravel. In order to absorb the load and stabilize the existing bank border 1, the pourable material 41 is solidified by shaking, etc. Accordingly, the vertically flat heat exchangers 31 designed as rib elements 34 are completely surrounded by the pourable material and are tightly connected to it by the compression.

Zur Vermeidung von Ausspülungen des in den Zwischenraum 4 eingebrachten, schüttfähigen Materials 41 in das freie Gewässer W, insbesondere bei etwaig vorgesehenen Perforationen in der vorgesetzten Spundwand 2 ist ein Vlies 25 innenseitig der Spundwand 2 eingebracht. Wie in 3a mit Doppelpfeilen angedeutet, kann auch beim ersten Ausführungsbeispiel eine Perforation 22 in den Spundwandelementen 20 vorgesehen sein, um das anstehende freie Gewässer W als Porenwasser im schüttfähigen Material 41 im Zwischenraum 4 je nach Wasserstand des freien Gewässers W ein- und ausfließen zu lassen. Dies kann beispielsweise bei Tidegewässern im entsprechenden Wechsel von Hoch- zu Niedrigwasser und umgekehrt zu einem erwünschten Wasseraustausch erfolgen.To prevent the pourable material 41 introduced into the gap 4 from being washed out into the open body of water W, especially in the case of any perforations provided in the above set sheet pile wall 2, a fleece 25 is inserted on the inside of the sheet pile wall 2. As in 3a indicated by double arrows, a perforation 22 can also be provided in the sheet pile wall elements 20 in the first exemplary embodiment in order to allow the existing free body of water W to flow in and out as pore water in the pourable material 41 in the intermediate space 4 depending on the water level of the free body of water W. In tidal waters, for example, this can be done by changing from high to low water and vice versa to achieve a desired water exchange.

In dem zweiten Ausführungsbeispiel, das in den 2a und 2b dargestellt ist, ist der Zwischenraum 4 ebenfalls mit einem schüttfähigen Material 41, beispielsweise Sand oder Kies verfüllt. Jedoch ist in diesem Ausführungsbeispiel als geothermischer Wärmetauscher 3 eine Vielzahl von horizontal flächigen Wärmetauschern 32 übereinander, parallel zueinander beabstandet angeordnet, die über eine entsprechende Zuleitung darin aufgenommenes Wärmetauschermedium über die Höhenerstreckung der Kaimauer 10 von der Verkehrsfläche V bis bevorzugt zum tragenden Untergrund U ausfüllt. Auch bei dieser Ausgestaltung, die im Übrigen bei funktionsgleichen Bauteilen gleiche Bezugszeichen verwendet, wird auch das gesamte Volumen des Zwischenraumes 4 durch die Anordnung des geothermischen Wärmetauschers 3, hier in Form von übereinander liegenden horizontal flächigen Wärmetauschern 32 aktiviert. Beispielsweise können die horizontal flächigen Wärmetauscher 32 als Rohrelemente 35 in Form von Rohrschleifen im Boden angeordnet sein. Dies ist in 2a als eine Ringschleife dargestellt. In 2b ist im Vertikalschnitt ersichtlich, dass die entsprechenden als Schleifen ausgebildeten Rohrelemente 35 parallel zueinander beabstandet übereinander angeordnet sind.In the second embodiment, which is in the 2a and 2 B is shown, the gap 4 is also filled with a pourable material 41, for example sand or gravel. However, in this exemplary embodiment, as a geothermal heat exchanger 3, a plurality of horizontally flat heat exchangers 32 are arranged one above the other, spaced parallel to one another, which fills the heat exchange medium received therein via a corresponding supply line over the height of the quay wall 10 from the traffic area V to preferably the supporting subsoil U. Even in this embodiment, which also uses the same reference numbers for functionally identical components, the entire volume of the intermediate space 4 is also activated by the arrangement of the geothermal heat exchanger 3, here in the form of horizontally flat heat exchangers 32 lying one above the other. For example, the horizontally flat heat exchangers 32 can be arranged as pipe elements 35 in the form of pipe loops in the floor. This is in 2a shown as a ring loop. In 2 B It can be seen in the vertical section that the corresponding tube elements 35 designed as loops are arranged parallel to one another and spaced one above the other.

Der Zwischenraum 4 ist mit dem schüttfähigen Material 41, hier beispielsweise Kies oder Sand aufgefüllt und verfestigt. Sofern ein Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Zwischenraum 4 und dem freien Gewässer W möglich ist bzw. durch die Spundwand 2 nicht auszuschließen ist, sollte auch hier ein Vlies 25 innenseitig der Spundwand 2 angeordnet sein. Ggf. können auch hier bewusst Perforationen 22 in den Spundwandelementen 20 vorgesehen sein, um den Wasseraustausch zwischen Zwischenraum 4 und dem freien Gewässer W zu ermöglichen und zu verstärken.The space 4 is filled and solidified with the pourable material 41, here for example gravel or sand. If an exchange of liquid between the intermediate space 4 and the free body of water W is possible or cannot be ruled out by the sheet pile wall 2, a fleece 25 should also be arranged on the inside of the sheet pile wall 2 here. If necessary, perforations 22 can also be deliberately provided in the sheet pile wall elements 20 in order to enable and strengthen the exchange of water between the space 4 and the open body of water W.

In den 3a und 3b ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem wiederum funktionsgleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen erhalten, jedoch im Zwischenraum 4 zwischen der Bestandsufereinfassung 1 und der vorgesetzten Uferbefestigung 2 als geothermischer Wärmetauscher 3 ein räumlicher Wärmetauscher 33 angeordnet ist, der sich aus miteinander wirkverbundenen Rohrelementen 35 bildet und sowohl an der Bestandsufereinfassung 1 wie auch an der vorgesetzten Uferbefestigung 2 jeweils fest verbunden ist, beispielsweise durch Schraubbefestigungen oder durch Verschweißungen.In the 3a and 3b a third exemplary embodiment of the invention is shown, in which functionally identical components are given the same reference numbers, but in the space 4 between the existing bank border 1 and the bank reinforcement 2 in front, a spatial heat exchanger 33 is arranged as a geothermal heat exchanger 3, which is formed from tube elements 35 that are operatively connected to one another and is firmly connected both to the existing bank border 1 and to the bank reinforcement 2 in front, for example by screw fastenings or by welding.

Somit bildet dieser räumliche Wärmetauscher 33 ein Lasten aufnehmendes Verbindungsglied zwischen der Bestandsufereinfassung 1 und der vorgesetzten Uferbefestigung 2, so dass die abstützende Wirkung über den Zwischenraum 4 zur Stabilisierung der Bestandsufereinfassung 1 über diesen räumlichen Wärmetauscher 33 erfolgt.This spatial heat exchanger 33 thus forms a load-bearing connecting link between the existing bank border 1 and the bank reinforcement 2 in front, so that the supporting effect via the intermediate space 4 to stabilize the existing bank border 1 takes place via this spatial heat exchanger 33.

In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Zwischenraum 4 als Wasserkörper 42 ausgebildet, so dass dann zwingend Perforationen 22 in den Spundwandelementen 20 angeordnet sein müssen, um im Wesentlichen Wasserstandsänderungen im freien Gewässer W gleichzeitig auch innerhalb des Zwischenraumes 4 zu erhalten. Da in diesem Falle kaum unmittelbare Ausspülungen aus dem Zwischenraum 4 durch die Perforation 22 in dem Spundwandelement 20 fließen können, ist hier ein Vlies nicht erforderlich.In the embodiment shown here, the intermediate space 4 is designed as a water body 42, so that perforations 22 must then necessarily be arranged in the sheet pile wall elements 20 in order to essentially maintain water level changes in the open body of water W at the same time within the intermediate space 4. Since in this case hardly any direct flushing out of the intermediate space 4 can flow through the perforation 22 in the sheet pile wall element 20, a fleece is not necessary here.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der geothermisch aktivierten Anordnung teils unter Hinweis auf die 1a, b, 2a, b, und 3a, b beschrieben.The functionality of the geothermally activated arrangement is explained below, partly with reference to the 1a, b , 2a, b , and 3a, b described.

In den im Zwischenraum 4 angeordneten Wärmetauschern 3 wird ein Wärmetauscherfluid zirkuliert, welches zur geothermischen Nutzung, beispielsweise zur direkten Raumkühlung oder zur Heizung über eine Wärmepumpe genutzt wird. Somit wird erreicht, dass das gesamte Raumvolumen des Zwischenraumes 4, der durch die vorgesetzte Uferbefestigung 2 vor der Bestandsufereinfassung 1 entsteht, zur geothermischen Nutzung aktiviert wird. Dabei ist vorteilhaft, dass beim Erstellen der vorgesetzten Uferbefestigung 2, beispielsweise durch Einbringen einer Spundwand als Vorsetze ein freier Zwischenraum 4, der meist bis zum tragenden Untergrund U reicht, entsteht, der ohne größeren Aufwand in voller Höhenerstreckung mit Wärmetauschern belegt werden kann und dann anschließend beispielsweise mit einem schüttfähigen Material, insbesondere Sand oder Kies oder gar einem Material mit besonders hoher Wärmekapazität verfüllt wird.A heat exchanger fluid is circulated in the heat exchangers 3 arranged in the intermediate space 4 and is used for geothermal use, for example for direct room cooling or for heating via a heat pump. This ensures that the entire volume of the intermediate space 4, which is created by the bank reinforcement 2 in front of the existing bank border 1, is activated for geothermal use. It is advantageous that when creating the bank reinforcement 2 in front, for example by introducing a sheet pile wall as a front wall, a free space 4 is created, which usually extends to the load-bearing subsoil U, which can be covered with heat exchangers to the full height without any major effort and then afterwards For example, it is filled with a pourable material, in particular sand or gravel or even a material with a particularly high heat capacity.

Aus diesem somit nicht unerheblichen Raumvolumen kann dann durch Zirkulation des Wärmetauscherfluids durch die Wärmetauscher die in diesem Volumen vorliegende Wärmeenergie genutzt werden.From this volume of space, which is therefore not insignificant, the thermal energy present in this volume can then be used by circulating the heat exchanger fluid through the heat exchanger.

In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung können die Wärmetauscher 3 im Zwischenraum 4 entlang der vorgesetzten Uferbefestigung 2 in vertikal und/oder horizontal gegliederte Module aufgeteilt sein. Somit können je nach Wärmeenergiebedarf einzelne Module oder Gruppen von Modulen der Wärmetauscher 3 für die geothermische Nutzung mit dem Wärmetauscherfluid beaufschlagt und beispielsweise über die Wärmepumpe zirkuliert werden. Dabei kann die Auswahl der einzelnen Module oder Gruppen von Modulen der Wärmetauscher für die geothermische Nutzung aufgrund von wärmetechnischen Messwerten an jedem Modul oder jeder Gruppe von Modulen, beispielsweise durch Messen der Wärmetauscherfluid-Vorlauf- und Rücklauftemperatur, der aufgenommenen oder abgegebenen Wärmemenge oder sonstiger geeigneter geothermischer Parameter automatisch ermittelt werden. Entsprechende Stellglieder (Ventile) können somit abhängig von diesen Messwerten/Auswertungen angesteuert werden, um eine möglichst effektive Nutzung der bereitstehenden geothermischen Energie zu erlauben.In a further preferred embodiment, the heat exchangers 3 can be in the gap 4 be divided into vertically and/or horizontally structured modules along the bank reinforcement 2 in front. Depending on the heat energy requirement, individual modules or groups of modules of the heat exchanger 3 for geothermal use can be supplied with the heat exchanger fluid and circulated, for example, via the heat pump. The selection of the individual modules or groups of modules of the heat exchanger for geothermal use can be based on thermal measurements on each module or group of modules, for example by measuring the heat exchanger fluid flow and return temperature, the amount of heat absorbed or released or other suitable geothermal Parameters are determined automatically. Corresponding actuators (valves) can therefore be controlled depending on these measured values/evaluations in order to allow the most effective use of the available geothermal energy.

Zur Steigerung der geothermischen Leistungsfähigkeit der beschriebenen Anordnung kann das im Zwischenraum befindliche Wasser bzw. das darin vorliegende Porenwasser mittels geeigneter Umwälzvorrichtungen, beispielsweise einer Pumpeinrichtung und/oder einer pneumatischen Hebeeinrichtung verstärkt umgewälzt werden. Damit wird der über das Wasser/Porenwasser mögliche Wärmetransport erhöht und somit die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers verstärkt. Die Pumpeinrichtung, beispielsweise eine Kreiselpumpe oder Membranpumpe kann dann bedarfsweise den Wasserfluss innerhalb des Zwischenraums erhöhen. Ebenfalls ist auch das Einblasen von Druckluft zur Aktivierung einer Wasserförderung ähnlich einer pneumatischen Hebeeinrichtung denkbar. Insgesamt wird dabei ein Wasserfluss entlang des Wärmetauschers induziert, der zu einem erhöhten Wärmetransport zum Wärmetauscher bzw. vom Wärmetauscher weg führt. Entsprechend können durch Einschalten dieser gesonderten Umwälzeinrichtungen - zumindest für einen eher kürzeren Zeitraum (von einigen Minuten bis mehreren Stunden) ein erhöhter Wärmetransport gewährleistet werden.In order to increase the geothermal performance of the arrangement described, the water located in the space or the pore water present therein can be circulated to an increased extent using suitable circulation devices, for example a pump device and/or a pneumatic lifting device. This increases the heat transport possible via the water/pore water and thus increases the performance of the heat exchanger. The pump device, for example a centrifugal pump or membrane pump, can then increase the water flow within the space if necessary. It is also conceivable to blow in compressed air to activate water delivery, similar to a pneumatic lifting device. Overall, a water flow is induced along the heat exchanger, which leads to increased heat transport to the heat exchanger or away from the heat exchanger. Accordingly, by switching on these separate circulation devices, increased heat transport can be ensured - at least for a rather shorter period of time (from a few minutes to several hours).

Sofern ergänzend der Wasserkörper des freien Gewässers W mit in diese ergänzende, erzwungene Wasserbewegung einbezogen werden soll, sind auch bei dieser Ausführung zusätzlich Perforationen 22 in der als Spundwand ausgebildeten Vorsetze 2 vorzusehen. Insoweit können bei sonst stehenden Gewässern mit im Wesentlichen konstanten Wasserstand über diese Perforationen 22 Zu- bzw. Abflüsse von Wasser aus dem Zwischenraum 4 in das freie Gewässer W bzw. umgekehrt erzeugt werden. Insgesamt wird mit diesen Maßnahmen der Wärmetransport zum oder vom Wärmetauscher erhöht.If the water body of the free body of water W is to be included in this additional, forced water movement, additional perforations 22 must also be provided in the attachment 2 designed as a sheet pile wall in this version. In this respect, in otherwise stagnant bodies of water with a substantially constant water level, inflows or outflows of water from the intermediate space 4 into the free body of water W or vice versa can be generated via these perforations 22. Overall, these measures increase the heat transport to or from the heat exchanger.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11: BestandsufereinfassungInventory bank capture
1010: BestandskaimauerExisting quay wall
1111: BestandsfundamentExisting foundation
1212: Bestandspfahl Existing pile
22: vorgesetzte Uferbefestigung, Vorsetze, SpundwandFront bank reinforcement, front banks, sheet pile wall
2020: SpundwandelementSheet pile wall element
2121: SpundwandschlossSheet pile lock
2222: Perforationperforation
2323: SpundwandeinspannungSheet pile wall clamping
2424: Rückverankerung, PfahlRe-anchoring, pile
2525: Vlies fleece
33: geothermischer Wärmetauschergeothermal heat exchanger
3131: vertikal flächiger Wärmetauschervertically flat heat exchanger
3232: horizontal flächiger Wärmetauscherhorizontal surface heat exchanger
3333: räumlicher Wärmetauscherspatial heat exchanger
3434: RippenelementRib element
3535: Rohrelement Pipe element
44: Zwischenraumspace
4141: schüttfähiges Material, Boden, Sand, Kiespourable material, soil, sand, gravel
4242: Wasserkörper water body
Bb: BodenFloor
UU: tragender Untergrundsupporting ground
WW: freies Gewässerfree water
Vv: Verkehrsflächetraffic area

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2374942 B1 [0003]
EP 3486378 A1 [0003]

Claims

Arrangement with a bank reinforcement (2), in particular a sheet pile wall, placed in front of the open water to strengthen an existing bank border (1) with a gap (4) between the existing bank border (1) and the bank reinforcement (2) in front, characterized in that geothermal heat exchangers (3), which are designed so that a heat exchanger fluid can flow through them, are arranged in the intermediate space (4).

Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the geothermal heat exchangers (3) are designed as flat and/or spatial fin and/or tube elements (31, 32, 33).

Arrangement according to Claim 2 , characterized in that the ribbed and/or tubular elements (31, 32, 33) are mechanically connected to the bank reinforcement (2) and/or the existing bank border (1).

Arrangement according to Claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the bank reinforcement (2) in front has perforations (22) in the water-bearing area, which enable water to be exchanged between the open body of water (W) and the space (4).

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the intermediate space (4) is filled with a pourable material (41), the geothermal heat exchangers (3) being surrounded by the pourable material (41).

Arrangement according to Claim 4 , characterized in that the pourable material (41) is soil, sand and/or gravel.

Arrangement according to Claim 4 or 5 , characterized in that the pourable material (41) has a water conductivity of greater than 100 cm/d and/or a thermal conductivity of greater than 2.5 W/mK.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the bank reinforcement (2) in front is clamped with back anchors (24) formed from piles in the ground (B) beyond the existing bank border (1), the piles being energy piles.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a pump device and/or a pneumatic lifting device are arranged in the intermediate space (4).

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchangers (3) in the intermediate space (4) along the bank reinforcement (2) in front are divided into vertically and/or horizontally structured modules.

Method for geothermal use on a bank reinforcement (2) in open water (W) with a space (4) filled with water and / or soil between an existing bank border (1) and the bank reinforcement (2) in front, characterized in that a heat exchanger fluid is conveyed by heat exchangers (3) arranged in the intermediate space (4), whereby thermal energy is released or withdrawn in the intermediate space (4) to or from the water and/or the ground.

Procedure according to Claim 11 , characterized in that an exchange of water between the free body of water (W) and the space (4) is made possible.

Procedure according to Claim 11 or 12 , characterized in that the water located in the intermediate space (4) or the pore water located in the soil in the intermediate space (4) is circulated.

Procedure according to Claim 11 , 12 or 13 and with an order according to Claim 10 , characterized in that , depending on the heat energy requirement, individual modules or groups of modules of the heat exchanger are used for geothermal use.

Procedure according to Claim 14 , characterized in that the selection of the individual modules or groups of modules of the heat exchangers for geothermal use is based on thermal measurements on each module.