DE19929697A1

DE19929697A1 - Graphithaltiges Verfüllmaterial für Erdwärmesonden

Info

Publication number: DE19929697A1
Application number: DE19929697A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Ebert; Volker Drach; Jochen Fricke
Original assignee: Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV; ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV; ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2001-01-04

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Bohrlochverfüllmaterial für Erdwärmesonden nach Patentanspruch 1. Durch den Einsatz von Graphit als Bestandteil des Verfüllmaterials wird dessen Wärmeleitfähigkeit erhöht und somit die Fähigkeit der Erdwär mesonde verbessert, große Wärmeleistungen zu übertragen.

Stand der Technik

Zur Langzeitspeicherung von Wärmeenergie stellt der Erdwärme sondenspeicher eine erfolgreich eingesetzte Variante der erdgekoppelten Wärmepumpen dar. Die Erdwärmesonden ermögli chen die Zuführung und Abführung von Wärmeenergie im Erdreich durch Wasser oder einer anderen Wärmeträgerflüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf.

In geeigneten Bodenzonen werden vertikale Löcher ausgebohrt, die in der Regel eine Länge von weit mehr als 10 m aufweisen und deren Durchmesser ungefähr 20 cm beträgt. In diese Bohr löcher werden geeignete Wasserrohre (z. B. U-Rohre oder Koa xialrohre aus PVC) eingesetzt. Mit einem Bohrlochverfüllmate rial aus speziellem Beton wird der thermische Kontakt zwi schen der Erdwärmesonde und dem umgebenden Erdreich gewähr leistet und die Rohre mechanisch fixiert.

Als Verfüllmaterial werden üblicherweise Mischungen aus Wasser, Bentonit, Zement und Quarzsand verwendet. Die Be standteile Wasser, Bentonit und Zement bilden das eigentliche Bindemittel; die Zusammensetzung dieser Mischung bewirkt im abgebundenen Zustand im wesentlichen die mechanische und chemische Resistenz des Verfüllmaterials. Der Quarzsand dient als Füllstoff und zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Gesamtmischung. Die Sandkörnchen werden nach dem Abbinden der Bindemittelmischung (Wasser, Bentonit, Zement) mehr oder weniger von dem Bindemittel eingehüllt. Durch leichte Schrumpfung des Bindemittels beim Aushärteprozeß und unter schiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Bindemittel und Quarzsand ist eine vollständige Anlagerung des Bindemittels an die Oberfläche des Sandkorns nicht immer gegeben. Es treten damit thermische Kontaktwiderstände an den Grenzen zwischen Kornoberfläche und Bindemittel auf.

Quarzsand besitzt eine Festkörperwärmeleitfähigkeit von etwa 1,5 W/(mK); das abgebundene Verfüllmaterial hat jedoch wegen der oben genannten Probleme bei der thermischen Ankopplung von Bindemittel und Sand, sowie wegen der geringen Wärmeleit fähigkeit der bindenden Komponenten Bentonit und Zement eine effektive Gesamtwärmeleitfähigkeit von etwa nur 1 W/(mK). Diese relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit vermindert die Leistungsfähigkeit der Erdwärmesonde, d. h. die Fähigkeit große Wärmeleistungen zu übertragen. Dies ist entscheidend für die Effizienz des gesamten Speichersystems.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials für Erdwärmesonden merklich zu erhöhen. Als Lösung des Problems wird die Zumischung von Graphit vorgeschlagen. Graphit besitzt in reiner Form eine Wärmeleit fähigkeit von etwa 170 W/(mK). Der Quarzsand im Verfüllmate rial kann zum Teil oder vollständig durch Graphitpulver ersetzt werden. Um die mechanischen Eigenschaften des Ver füllmaterials nicht zu verändern, kommt bevorzugt Graphitpul ver bzw. Graphitgranulat zum Einsatz, deren Partikelgröße etwa 0,1 bis 1 mm beträgt, das entspricht in etwa der Korn größe des üblicherweise verwendeten Sandes. Graphitpulver in grober Fraktion ist auch billiger erhältlich als feinkörniges Graphit.

Um eine noch bessere thermische Anbindung der Graphitparti kel an das umgebende Bindemittelmaterial zu gewährleisten wird vorgeschlagen, als Graphit Blähgraphit zu verwenden. Blähgraphit besitzt zwar durch die offenporige schaumartige Struktur eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das massive Graphitkorn, verbindet sich aber aufgrund seiner elastischen Eigenschaften und seiner Oberflächenstruktur inniger mit dem umgebenden Bindemittel.

Das Bindemittel dringt zum Teil in das Blähgraphitteilchen ein; die elastischen Eigenschaften des Blähgraphits kompen sieren das Problem der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizi enten von Bindemittel und Graphitteilchen und reduzieren damit den Effekt der thermischen Kontaktwiderstände an den Korngrenzen.

Die typische Zusammensetzung des Verfüllmaterials besteht aus etwa 50 Gew.-% (Gewichtsprozent) Wasser, 10 Gew.-% Bento nit, 10 Gew.-% Zement und 30 Gew.-% Sand. Wenn der Sand kom plett durch Graphit ersetzt wird erreicht man eine Wärme leitfähigkeit von mehr als 2 W/(mK), d. h. durch den Einsatz des Graphits im Verfüllmaterial wird die Wärmeleitfähigkeit verdoppelt.

An der gesamten Zusammensetzung des Verfüllmaterials kann Graphit zwischen 5 Gew.-% und 50 Gew.-% betragen.

Claims

1. Verfüllmaterial für Erdwärmesonden, dadurch gekennzeich net, daß 10 Gewichtsprozente bis 50 Gewichtsprozente der Zusammensetzung des Verfüllmaterials aus pulver- oder granulatförmigem Graphit oder Blähgraphit bestehen.

2. Verfüllmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphit oder der Blähgraphit Korngrößen zwischen 0,1 mm und 1 mm aufweist.

3. Verfüllmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Bindemittel im Verfüllmaterial aus min destens zwei der Bestandteile Wasser, Bentonit, Zement und Sand besteht.