DE202010017558U1

DE202010017558U1 - Geothermische Mess-Sonde zur Durchführung von geothermischen Responsetests

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Publication number: DE202010017558U1
Application number: DE202010017558U
Authority: DE
Original assignee: H S W INGENIEURBUERO GES fur EN und UMWELT MBH; Hsw Ingenieurbuero Gesellschaft fur Energie und Umwelt Mbh
Current assignee: H S W INGENIEURBUERO GES fur EN und UMWELT MBH; Hsw Ingenieurbuero Gesellschaft fur Energie und Umwelt Mbh
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2020-05-01
Also published as: DE102010028412A1

Abstract

Geothermische Mess-Sonde, welche geotechnischen in-situ-Untersuchungen dient, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Hohlsonde (1) ein dünnes, nach unten offenes Rohr (2) angeordnet ist, welches mit einer Zulauf- und einer Ablaufleitung (7) in einem Fittingaufsatz (8) am Sondenkopf (5) verbunden ist, und eine geothermische Responsetest-Einheit (9) angeschlossen ist, oder in einer geothermischen Mess-Sonde eine oder mehrere elektrothermische Anregungsquellen und Temperatursensoren angeordnet sind, welche mit einer geothermischen Responsetest-Einheit (9) verbunden sind, wobei die geothermische Mess-Sonde im Zuge der geotechnischen in-situ-Untersuchungen für eine Durchführung eines geothermischen Responsetests verwendet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine geothermische Mess-Sonde zur Durchführung von geothermischen Responsetests. Die erfindungsgemäße geothermische Mess-Sonde wird für die Ermittlung von baugrundmechanischen Kennwerten (u. a. Lagerungsdichte von Böden, Spitzendruck, Mantelreibung) und die Messung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von Böden (geothermischer Responsetest) sowie Temperatur durch in den Boden eingerammte bzw. eingedrückte Sonden angewendet. Insofern handelt es sich bei der Erfindung um eine Kombination von geotechnischen und geothermischen Erkundungsmethoden.
Stand der Technik
Zur in-situ-Bestimmung der Lagerungsdichte von Böden haben sich Rammsondierungen bereits seit Jahrzehnten bewährt und sind als anerkannte Feldmethode umfangreich im Einsatz.
Die Drucksondierung ist ein weiteres Verfahren zur Ermittlung der Festigkeit des Bodens im Feld durch Einbringen einer Drucksonde in den Untergrund.
Die Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes als maßgeblicher Parameter der Bemessung von Erdreichwärmeübertragern erfolgt in-situ über geothermische Responsetests/thermische Responsetests an Test-Erdwärmesonden, Test-Energiepfählen oder auch Test-Erdreichkollektoren. Dabei werden auch häufig Untergrundtemperaturen erfasst.
Die geothermische Aktivierung von Gründungspfählen zu Energiepfählen und die geothermische Aktivierung anderen erdberührten Bauteilen zum Zwecke der Nutzung von oberflächennaher Geothermie wird bereits seit mehreren Jahren praktiziert und ist Stand der Technik. Im Zuge der Bemessung solcher komplexen Erdwärmeanlagen werden sehr häufig zur in-situ-Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit geothermische Responsetests an Test-Erdwärmesonden bzw. Test-Energiepfählen durchgeführt.
Die technischen Aufwendungen für die Einbringung von Test-Erdwärmesonden bzw. Test-Energiepfählen zum Zwecke der Durchführung von geothermischen Responsetests für den Absetzbereich einer späteren Energiepfahlanlage sind aufgrund der erforderlichen Gerätetechnik und unter Berücksichtigung der teilweise nur geringen Bohrtiefen vergleichsweise sehr hoch bzw. teuer.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die für Baugrunduntersuchungen z. B. in Vorbereitung geplanter Tiefgründungen, Baugruben, Baugrubenverbauwände, schweren Fundamentierungen typischen Erkundungsmethodik der Rammsondierungen/Drucksondierungen mit einem geothermischen Responsetest technisch und wirtschaftlich sinnvoll zu kombinieren und so die geotechnischen Untersuchungen durch geothermische Untersuchungen zu erweitern.
Erfindungsgemäß wird die in den Untergrund eingebrachte geothermische Mess-Sonde gleichzeitig als Test-Erdreichwärmeübertrager (Fluidkreislauf) bzw. thermoelektrische Anregungsquelle (Heizelemente entlang der Sonde oder an deren Spitze) für die Durchführung des geothermischen Responsetests genutzt.
Dazu werden die für Drucksondierungen genutzten hohlen Gestänge mit durchgängigen (hohlen) Verbindungsstellen, welche bisher ausschließlich für die Durchführung der Messkabel der Druckmesssonden dienen, zusätzlich bzw. alternativ für die Durchführung eines Innenrohres oder einer elektrochemischen Anregungsquelle und der Messsensoren zur Ausführung eines geothermischen Responsetests genutzt. Bei Rammsondierungen werden abweichend zur gängigen Praxis ebenfalls entsprechende durchgängig hohle Gestänge eingesetzt.
In das hohle und unten geschlossene Gestänge der Sonde (Rammsonde oder Drucksonde) wird in einem Ausführungsbeispiel zentriert ein dünnes, nach unten offenes Rohr eingeführt, welches mit einer Zulauf- und einer Ablaufleitung in einem Fittingaufsatz am Sondenkopf verbunden ist, und eine geothermische Responsetest-Einheit angeschlossen ist. Durch dieses Rohr wird ein Wärmeträgerfluid eingeleitet, welches an der Spitze des Rohres umgelenkt und an der Wandung wieder nach oben zum Sondenkopf geführt wird (Fluidkreislauf).
Eine weitere Ausführungsform bevorzugt an Stelle einer thermischen Anregung mittels Fluidkreislauf eingebaute elektrothermische Elemente zur thermischen Anregung im Zuge des geothermischen Responsetests.
Erfindungsgemäß sind in einer geothermischen Mess-Sonde eine oder mehrere elektrothermische Anregungsquellen und Temperatursensoren angeordnet, welche mit einer geothermischen Responsetest-Einheit verbunden sind.
Weiterhin kann die geothermische Mess-Sonde selbst ganz oder in Abschnitten als elektrothermische Anregungsquelle aktiviert werden. Die elektrothermische Anregungsquelle besteht aus einem oder mehreren Heizelementen.
Zur Durchführung eines geothermischen Responsetests wird eine in das Erdreich eingebrachte gerichtete Test-Sonde eingebracht und ist dadurch gekennzeichnet, dass entweder in eine Hohlsonde ein dünnes, nach unten offenes Rohr eingeführt wird, in welches ein Wärmeträgerfluid für den geothermischen Responsetest eingeleitet wird, oder in einer geotechnischen Sonde eine oder mehrere elektrothermische Anregungsquellen und Temperatursensoren angeordnet sind, welche die Temperatur in Abhängigkeit von der Tiefe ermitteln. Eine angeschlossene geothermische Responsetest-Einheit ermittelt die effektive Wärmeleitfähigkeit des angefahrenen Baugrundes in Abhängigkeit vom Temperaturerhalten im Zuge der elektrothermischen Anregung.
Die geotechnische Erkundung erfolgt vor der geothermischen Sondierung oder parallel dazu.
Eine spezielle Ausführungsform dieser geothermischen Mess-Sonde wird mit im Verhältnis zur Sondenlänge kurzer oder punktförmiger thermischer Anregungsquelle und Temperatursensorik, z. B. in der Sondenspitze, zur diskreten Schnellbestimmung der Untergrundtemperatur und Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes bei schrittweiser Vermessung mit zunehmender Eindringtiefe der geothermischen Mess-Sonde und parallel zur Erfassung der geotechnischen Parameter genutzt. Der Schnelltest wird entweder analytisch oder durch numerische inverse Parametrisierung ausgewertet.
Vorteil der Erfindung ist es, dass mit Mitteln, welche bei geotechnischen Untersuchungen des Baugrundes zum Beispiel für Pfahlgründungen, Baugruben, Spund- und Bohrpfahlwände auf den Baustellen schon vorhanden sind, gleichzeitig verschiedene Messungen (geotechnische und geothermische) durchgeführt werden können, so dass Personalkosten, Materialkosten und Kosten zusätzlicher Baustelleneinrichtungen eingespart werden können. Gesonderte Erkundungen im Zuge der geothermischen Untersuchungen können entfallen bzw. signifikant reduziert werden. Auch ermöglicht die Erfindung eine der Tiefe nach schrittweise Schnellbestimmung der Wärmeleitfähigkeit und Temperatur des Untergrundes.
Die vorteilhafte Kombination der bereits bekannten geotechnischen Messverfahren (Rammsondierung bzw. Drucksondierung) und dem geothermischen Messverfahren (geothermischer Responsetest) bringt einen vertretbaren Aufwand, um neben den geotechnischen Messwerten auch in-situ-Messwerte der effektiven Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes zur Bemessung z. B. von geothermisch aktivierten Tiefgründungen zu gewinnen. Außerdem kann die Untergrundtemperatur erfasst werden. Die erfindungsgemäße geothermische Mess-Sonde ist zur Schnellbestimmung der Wärmeleitfähigkeit geeignet.
Der Mehrwert der Erfindung ergibt sich also aus dem mit dem jeweiligen Sondierverfahren (Rammsondierung, Drucksondierung) zusätzlich gewinnbaren Messwerten effektive Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes sowie Temperatur und der Möglichkeit des Verzichtes auf großkalibrige, mit Test-Erdreichwärmeübertragern ausgebaute Erkundungsbohrungen (z. B. Spülbohrungen mit 160 mm Durchmesser) zur Durchführung von geothermischen Responsetests. Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Sonde zur der Tiefe nach schrittweisen Schnellbestimmung der Wärmeleitfähigkeit und Temperatur ist die zeitparallele Durchführung von geotechnischer und geothermischer Untersuchung möglich.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigt
1 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Lösung mit einer Rammsonde oder Drucksonde,
2 die erfindungsgemäße Lösung mit elektrothermischer Anregungsquelle und
3 Messsondenspitze mit punktförmiger bzw. zylinderförmiger elektrothermischer Anregungsquelle und Temperatursensorik.
Ausführung der Erfindung
In 1 wird schematisch eine in das Erdreich eingebrachte gerichtete Test-Sonde (Rammsondierungen, Drucksondierungen u. a.) dargestellt. Diese wird üblicherweise durch einen sogenannten Rammbär (Rammsonde), durch eine Hydraulikpresse (Drucksonde) oder durch Vibration eingebracht.
Vorteilhafterweise sind die eingebrachten Sonden für die geotechnische Erkundung mit einer geschlossenen Sondenspitze 6 versehene Hohlsonden 1, was bis dahin nicht in jedem Fall notwendig war. Die Sondenspitze 6 bzw. die Test-Sonde kann Messeinheiten für die Erfassung der Temperatur (z. B. bei einer Drucksonde) enthalten.
In diese Hohlsonden 1 wird je nach Messmethode ein dünnes, nach unten offenes Rohr 2 eingeführt. Durch dieses Rohr wird ein Wärmeträgerfluid 3 eingeleitet, welches an dem unteren Ende des Rohres 4 umgelenkt und an der Wandung wieder nach oben zum Sondenkopf 5 geführt wird. Durch einen entsprechend gestalteten Fittingaufsatz 8 am Sondenkopf 5 (oberhalb des Geländes) kann dann eine Zulauf- und eine Ablaufleitung 7 installiert und so der Fluidkreislauf realisiert werden. Über eine an der Sonde angeschlossene geothermische Responsetest-Einheit 9 wird die effektive Wärmeleitfähigkeit des angefahrenen Baugrundes ermittelt.
In einer weiteren Ausführungsform, welche in 2 dargestellt ist, wird an Stelle des Fluidkreislaufs eine elektrothermische Anregungsquelle 10 (z. B. ein oder mehrere Heizelemente oder diskrete elektrothermische Elemente) in die Hohlsonde 1 eingeführt. Die Messungen der effektiven Wärmeleitfähigkeit erfolgen entsprechend mit einer an der Sonde angeschlossenen, geothermischen Responsetest-Einheit 9 gemäß 1 und mittels ebenfalls in die Hohlsonde 1 oder im Rohrmaterial eingebauter Temperatursensoren 12. Diese an der Innenseite der geothermischen Mess-Sonde anliegenden Temperatursensoren 12 werden parallel mit dem Drucksondenmesskabel 11, welches die Signale der Sensorik Mantelreibung 13 und Spitzendruck 14 aufnimmt, im Hohlraum der geothermischen Mess-Sonde geführt. Die elektrothermische Anregungsquelle kann auch an der Außenseite der Mess-Sonde angebracht werden. Eine andere Ausführungsform der elektrothermischen Anregung ist, dass die Mess-Sonde selbst ganz oder in Abschnitten als elektrothermische Anregungsquelle aktiviert wird. Dies kann dann auch eine Vollsonde sein, was in den Zeichnungen nicht näher gezeigt wird.
Eine direkte Erfassung der Beschaffenheit der Bodenschichten, also die direkte geotechnische Erkundung mit der Gewinnung von Bodenproben kann beispielsweise durch eine Rammkernsondierung am Sondierstandort erfolgen. Außerdem bietet die Drucksondierung die Möglichkeit der indirekten Erfassung der vorhandenen Bodenschichten. Die Erkundungsergebnisse können mit späteren Aufschlussbohrungen bzw. Produktionsbohrungen abgeglichen werden.
Durch die Erfindung werden aufwendige großkalibrige mit Erdreichwärmeübertragern zu Test-Erdwärmesonden ausgebaute Erkundungsbohrungen (Spülbohrungen, Trockenbohrungen) oder eigens zur Durchführung von geothermischen Responsetests eingebrachte Test-Energiepfähle durch das preiswerte, schnelle Einbringen einer Hohlsonde und Durchführung des geothermischen Responsetests an einer solchen in den Untergrund eingebrachten Hohlsonde substituiert.
Die erfindungsgemäße Mess-Sonde eignet sich zur Durchführung eines speziellen geothermischen Responsetests als Schnelltest zur Schnellbestimmung der Wärmeleitfähigkeit und der Untergrundtemperatur wenn gemäß 3 im Bereich der Messsondenspitze 6 eine punktförmige elektrothermische Anregungsquelle 17 mit Temperatursensorik 15 eingebaut ist und einen definierten Wärmeeintrag 16 in das Gebirge erzeugt. Die elektrothermische Anregungsquelle kann auch zylinderförmig aufgebaut sein und erzeugt dann zum Gebirge hin eine linienförmige Anregung, was bei der Auswertung berücksichtigt werden muss. Die Auswertung erfolgt analytisch und/oder als numerische inverse Parametrisierung.
Bezugszeichenliste

1: Hohlsonde
2: nach unten offenes Rohr
3: Wärmeträgerfluid
4: untere Ende des Rohres
5: Sondenkopf
6: Sondenspitze
7: Zulauf- und Ablaufleitung
8: Fittingaufsatz
9: geothermische Responsetest-Einheit
10: elektrothermische Anregungsquelle (Heizdraht)
11: Drucksondenmesskabel
12: Temperatursensoren
13: Sensorik Mantelreibung
14: Sensorik Spitzendruck
15: Temperatursensorik
16: Wärmeeintrag
17: elektrothermische Anregungsquelle (punktförmig)

Claims

Geothermische Mess-Sonde, welche geotechnischen in-situ-Untersuchungen dient, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Hohlsonde (1) ein dünnes, nach unten offenes Rohr (2) angeordnet ist, welches mit einer Zulauf- und einer Ablaufleitung (7) in einem Fittingaufsatz (8) am Sondenkopf (5) verbunden ist, und eine geothermische Responsetest-Einheit (9) angeschlossen ist, oder in einer geothermischen Mess-Sonde eine oder mehrere elektrothermische Anregungsquellen und Temperatursensoren angeordnet sind, welche mit einer geothermischen Responsetest-Einheit (9) verbunden sind, wobei die geothermische Mess-Sonde im Zuge der geotechnischen in-situ-Untersuchungen für eine Durchführung eines geothermischen Responsetests verwendet wird.
Geothermische Mess-Sonde nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die geothermische Mess-Sonde selbst ganz oder in Abschnitten als elektrothermische Anregungsquelle aktiviert wird.
Geothermische Mess-Sonde nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrothermische Anregungsquelle aus einem oder mehreren Heizelementen besteht.