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Die Erfindung betrifft ein Bündel aus mehreren Rohren für Erdwärmesonden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie dessen Verwendung.
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Die Druckschrift
DE 30 37 721 A1 beschreibt ein Wärmerohr zur Ausnutzung der Wärmekapazität des Erdreichs, beispielsweise zum Beheizen von Weichen. Das Sondenrohr ist in Form eines Bohrkerns so in den Boden eingebracht, dass das umgebende Erdreich als Wärmekapazität wirkt. Das Wärmerohr ist hier ein abgeschlossenes Rohr mit einem flüssigen/gasförmigen Arbeitsmedium sowie die Oberfläche vergrößernden Einlagen für einen verbesserten Wärmeübergang an der Wärmequelle von der Wärme im Erdreich auf das Arbeitsmedium. Als Besonderheit ist hier eine durch Satellitenrohre oder Rippen vergrößerte Wärmeaufnahmefläche erwähnt. Durch diese Maßnahme wird versucht, die Menge der zufließenden Wärme zu maximieren. Tatsächlich ist die zufließende Wärmemenge überwiegend durch die Leitfähigkeit des umgebenden Erdreiches begrenzt, so dass eine Erhöhung der aufnehmbaren Wärmemenge vorwiegend durch eine Vergrößerung des Durchmessers der zylinderförmigen Aufnahmefläche erreicht wird. Zur rationelleren Wärmeausnutzung sind Schalter im Wärmerohr eingebaut, die durch Unterbrechung des Kondensatrückflusses oder durch Trennung von Kondensations- und Verdampfungsteil oder durch eine Schaltflüssigkeit den Wärmetransport entsprechend den Anforderungen regeln. Als Arbeitsflüssigkeit wird hier eine Wasser-/Alkoholmischung, FCKW oder FKW verwendet.
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Des Weiteren ist nach einem ähnlichen Verfahren eine ausgeführte Prototypanlage mit Propan als Arbeitsmedium bekannt. Über Anwendungen von CO
2 als Arbeitsmedium in Erdwärmesonden sind aus den Schriften
DE 298 24 676 U1 ,
DE 203 20 409 U1 ,
DE 202 10 841 U1 bereits bekannt. In diesen Druckschriften werden Erdwärmesonden mit einem ins Erdreich eingebrachten Wärmerohr beschrieben. Bei einem zweiphasigen Wärmeträger, in diesem Falle CO
2, strömt das Kondensat als Flüssigkeitsfilm an den Wandungen des Wärmerohres entlang zu einer Heizzone, nimmt dabei Wärme auf und verdampft. Der Dampf steigt im Gegenstrom von der Heizzone zur Kühlzone auf, gibt die Wärme ab und kondensiert dabei. Ein Ziel hierbei ist, dass bei größeren Bohrlochtiefen, großem Rohrdurchmesser und damit großem bewegten Volumen des Arbeitsmediums, der hinabfließende Kondensatfilm nicht von dem aufsteigenden Gasstrom behindert wird.
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Sofern nicht miteinander verbundene Rohrstücke zum Einsatz kommen, bestehen die im Erdreich eingebrachten Wärmerohre im Wesentlichen aus einem flexiblen, wickelbaren Rohrmaterial. Aus der Druckschrift
DE 201 20 401 U1 ist eine derartige Anlage zur Gewinnung von Heizungsenergie aus Erdwärme mit einer Tiefensonde bekannt. Tiefensonden mit CO
2 als Kältemittel haben den Vorteil, dass sie nach dem bereits vorstehend beschriebenen Naturumlaufprinzip möglich sind. Um Sondenlängen von bis zu 100 m und mehr zu erreichen, sind Erdsonden aus Stangenmaterial zwar theoretisch denkbar, doch stößt man hier in der praktischen Anwendung auf erhebliche Schwierigkeiten, welche nur durch sehr aufwändige Verbindungs- und Einbringungstechniken umgangen werden können. Zusätzlich tritt an den Verbindungsstellen vermehrt ein Korrosionsproblem auf. Beschrieben ist daher ein Sondenrohr aus einem kunststoffbeschichteten Kupferrohr, welches als Rollenware im Handel erhältlich ist und erst bei der Erdmontage gerade ausgerichtet wird. Diese Rollenware ist im Vergleich zur Stangenware erheblich billiger und kann in ihrer Länge je nach Bedarf hergestellt werden. Die geradlinige Ausrichtung bei der Erdmontage kann händisch erfolgen. Unabhängig von der gewünschten Länge kann dieses Sondenrohr ohne Kran und ohne besondere Zufahrtsmöglichkeit zur Einbaustelle problemlos auch nachträglich in bebautem Gebiet eingebracht werden. Ein weiterer Vorteil, der sich besonders auf die Herstellungskosten auswirkt, besteht darin, dass herkömmliche Bohrtechniken eingesetzt werden können.
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In den weiteren bekannten Ausführungen von Erdwärmesonden werden sowohl Stahl-Wellrohre wie auch Kupferrohre verwendet, die noch zumindest eine leichte Verformbarkeit erlauben, so dass die Rohre von einer Rolle abgewickelt, gerade geformt, in das Bohrloch versenkt werden können. Der größtmögliche Rohrdurchmesser wird durch die für den Einbau notwendige Mindestverformbarkeit vorgegeben.
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Sollen allerdings gleich mehrere Rohre in einer Bohrung eingebracht werden, so ist es nötig, diese nacheinander von einer jeweils getrennten Haspel oder Trommel abzuspulen und vor dem Einbringen ins Erdreich jeweils einzeln parallel zueinander anzuordnen. Ein derartiges vorgefertigtes Rohrbündel lässt sich nicht auf einer Haspel oder Trommel aufwickeln, da die Weglängen der einzelnen Rohre beim Spulen unterschiedlich wären.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rohrbündel für Erdwärmesonden anzugeben, das sich aufwickeln oder spulen lässt.
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Die Erfindung wird bezüglich eines Rohrbündels durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie bezüglich einer Verwendung durch die Merkmale des Anspruchs 6 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre bezüglich eines Bündels aus mehreren Rohren für Erdwärmesonden ein, die für den Wärmetransport mit einem Arbeitsmedium vorgesehen sind, wobei zumindest zwei Wärmerohre ein Wärmerohrbündel bilden. Die Wärmerohre laufen spiralförmig, mit konstanter Steigung gewendelt bzw. helixartig um eine zentrale Achse. Entlang der zentralen Achse ist ein weiteres Zentralrohr angeordnet, welches aus dem Wärmerohrbündel entfernbar ist. Die Wärmerohre können entweder gleichsinnig spiralförmig oder auch gegenläufig spiralförmig und radial ineinander angeordnet umlaufen.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass ein derartiges Rohrbündel auf einer Haspel oder Trommel aufgespult werden kann oder auch in Form von vergleichsweise eng gewickelten Ringen in Behälter transportiert werden kann. So können vorgefertigte Bündel, die für Erdwärmesonden eingesetzt werden, als ganze Längen zum Einbringen in den Erdboden oder auch anderen Temperaturquellen ausgeliefert werden. Bevorzugt werden Rohrbündel aus 4 bis 8 Wärmerohren aus einem ausreichend duktilen Material oder Wellrohre vorgefertigt.
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Zur Fixierung des Rohrbündels wird ein Füll- oder Verpressmaterial im Bohrloch eingebracht, das die Wärmeleitung verbessernde Zusätze enthalten kann. Dieses Verpressmaterial wird nach dem Einbringen des erfindungsgemäßen Rohrbündels über das Zentralrohr eingebracht, um das Restvolumen im Bohrloch auszufüllen. Eine Besonderheit der Erfindung ist, dass das Zentralrohr entlang der Bündelachse gerade oder zumindest lang gestreckt verläuft, so dass dieses während des Einbringens des Füllmaterials aus dem Bündel herausgezogen werden kann. Nur so kann über die gesamte Bohrlochlänge kontinuierlich oder auch etappenweise Füllmaterial eingepresst werden.
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Der besondere Vorteil besteht in der Wendelung der spiralförmig um eine zentrale Achse umlaufenden Wärmerohre, wodurch diese sich als vorgefertigtes Bündel ohne Weiteres auf einer Haspel oder Trommel aufwickeln lassen.
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Zudem resultiert bei dem vorstehend beschriebenen zweiphasigen Arbeitsmedium, beispielsweise CO2, dass das zur Wärmequelle hinab fließende Kondensat entsprechend gut über die gewendelte Innenrohroberfläche verteilt wird.
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Erdwärmesonden zur Wärmegewinnung aus dem erfindungsgemäßen Rohrbündel eignen sich für die Beheizung von Gebäuden und Anlagen. Insbesondere für Verkehrsanlagen, beispielsweise im Eisenbahnwesen zur Schnee- und Eisfreihaltung von Weichen, Bahnsteigen und Bahnübergängen und anderen Verkehrsflächen auch außerhalb des Eisenbahnwesens.
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Vorteilhafterweise kann das Wärmerohrbündel mit dem Zentralrohr auf eine Haspel oder Trommel aufwickelbar oder als Ring spulbar sein. Die innerste Lage hat dabei den geringsten Spulradius, der sich lagenweise erhöht. Dagegen kann ein gespulter Ring in eine korbartige Ablage eingelegt und mit dieser transportiert werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann das Zentralrohr aus Kunststoff bestehen und einen größeren Durchmesser als die Wärmerohre aufweisen. Das Zentralrohr, auch als Verpressinjektionsrohr bezeichnet, dient als Befüllrohr für Verpressmaterial. Diese Materialien werden für eine Verfüllung des Bohrlochs oder anderer Hohlräume um das eingebrachte Wärmerohrbündel verwendet. Es handelt sich im Regelfall um eine Suspension aus einer Kalkmehl-Zement-Ton-Kombination, die mit Wasser angemischt wird und im Bohrloch aushärtet. Im Idealfall handelt es sich dabei auch um frostsichere Verpressmaterialien, die Frost- und Auftau-Wechselprozesse aushalten und gegebenenfalls auch wärmetechnisch optimiert sind. Durch das zentral verlaufende Füllrohr wird im Befüllprozess die Suspension in das Bohrloch eingebracht und während des Befüllvorgangs das Zentralrohr selbst herausgezogen.
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In bevorzugter Ausführungsform kann das Wärmerohrbündel aus Metall bestehen. Insbesondere bei zweiphasigen Medien, beispielsweise bei CO2, muss ein Wärmerohr einem hohen Betriebsdruck standhalten. So eignen sich oft nur Stähle bzw. Kupfer- oder Kupferlegierung als Rohrmaterial, das entweder als Wellrohr oder als Glattrohr eine entsprechende Biegbarkeit bzw. Duktilität aufweist.
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Vorteilhafterweise können die Rohre des Wärmerohrbündels und das Zentralrohr durch Abstandshalter voneinander flexibel beabstandet sein. Abstandshalter dienen einerseits der Bohrlochzentrierung des Rohrbündels zwischen Erdwärmesonde und Bohrlochringraum. Des Weiteren haben die Abstandshalter bereits beim Vorfertigen des Rohrbündels die Aufgabe, dass die Rohre gegeneinander ausreichend für ein Aufwickeln oder Spulen auf Trommeln oder Haspeln bzw. auch als Ring gespult fixiert werden. Die Abstandshalter können selbstfixierend sein und ermöglichen eine leichte Montage an den Einzelrohren des Rohrbündels. Die Abstandshalter sind aus Kunststoff oder Werkstoffen mit Federeigenschaften, die mittels Rastvorrichtungen die Rohre gegeneinander fixieren. Das zentral verlaufende Verpressinjektionsrohr wird dabei mittels längs oder radial verlaufenden Abstandshaltern mit den außen angeordneten Wärmerohren über die gesamte Länge lose zentrisch positioniert und längs verschiebbar angeordnet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Bündels aus mehreren Rohren für Erdwärmesonden zur Nutzung von Erdwärme, die für den Wärmetransport mit einem Arbeitsmedium vorgesehen sind, wobei sich die jeweiligen Wärmerohre über deren Länge in zumindest eine Wärmeaufnahmezone, Wärmetransportzone und Wärmeabgabezone untergliedern. Als Arbeitsmedien kommen sowohl einphasige wie auch zweiphasige Fluide in Betracht.
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Vorteilhafterweise kann bei Erdwärmesonden, die für den Wärmetransport mit einem zweiphasigen Arbeitsmedium gefüllt sind, das Wärmerohrbündel aus mehreren abgeschlossenen druckbeständigen Wärmerohren bestehen.
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Alternativ können vorteilhafterweise die Wärmerohre in der Wärmetransportzone thermisch isoliert sein. In der Wärmetransportzone muss dafür gesorgt werden, dass die vom Wärmeträgermedium aufgenommen Erdwärme nicht zu früh wieder abgegeben wird sondern der Wärmeabgabezone zur Verfügung steht. Thermisch isoliert kann in der Wärmetransportzone jedes einzelne Rohr oder auch das Rohrbündel insgesamt sein. Dies kann bei Einzelrohren mit isolierenden Kunststoffummantelungen durchgeführt werden. Zur Isolation eines Rohrbündels insgesamt kann, insbesondere im oberen Bereich des Bohrlochs, eine das gesamte Bündel umspannende Manschette oder eine Schaumfüllung dienen. Eine Schaumfüllung kann dabei das Restvolumen insgesamt ausfüllen und auch entsprechend elastisch sein. Das erfindungsgemäße Rohrbündel kann auch für die in der
DE 10 2006 012 903 B3 beschriebenen Erdwärmesonden verwendet werden, bei denen die Wärmerohre bezüglich der Wärmeaufnahmezone und der Wärmetransportzone unterschiedliche Längen aufweisen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Wärmerohre für Erdwärmesonden in der Länge betrachtet einstückig sein. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff Einstückigkeit des erfindungsgemäßen Bündels, dass auf der gesamten Länge die Rohre keine Verbindungsstellen aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3037721 A1 [0002]
- DE 29824676 U1 [0003]
- DE 20320409 U1 [0003]
- DE 20210841 U1 [0003]
- DE 20120401 U1 [0004]
- DE 102006012903 B3 [0021]