DE4329269C2 - Verfahren zum Einbringen einer Erdsonde und eine Erdsonde - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Einbringen einer Erdsonde gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Gegenstand der Erfindung ist weiter eine Erdsonde gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 2.

Erdsonden werden eingesetzt um dem Erdreich Wärme zu entziehen und diese mit Hilfe einer Wärmepumpe auf ein höheres Energieniveau zu bringen.

Erdsonden für die Gewinnung von Erdwärme für die Erwärmung von Brauchwasser oder für Heizzwecke in Wohn- und Ge­ schäftshäusern reichen üblicherweise in eine Tiefe von 50 bis 150 m. Zu diesem Zweck werden vertikale Bohrlöcher im Erdreich erstellt und darin koaxial ausgebildete Rohre für die Zuführung und Entnahme von Wärmetauschflüssigkeit, im allgemeinen Wasser, eingebaut. Anstelle von koaxialen Roh­ ren können auch haarnadelförmig ausgebildete Rohre direkt in das Bohrloch eingelegt werden.

Bei einem aus der Praxis bekannten Verfahren werden miteinander verschraubte oder verschweißte Rohre in das vorgebohrte Erdloch eingeführt. Bei den bisher üblichen Bohrtiefen von 50-100 m ergeben sich keine sehr großen Probleme. Durch die stetige Erhöhung der Bohrtiefe auf 500 und mehr Meter ist das Einbringen einer gegenüber dem Erdreich dichten Verrohrung mit zunehmend größeren Problemen verbunden.

Aus der DE 29 28 414 A1 ist eine Erdwärmesonde bekannt, die aus zwei koaxial angeordneten Rohren besteht. Das äußere Rohr steht über eine Zementation (mit/oder ohne Beischlag­ stoffe) in direktem Kontakt mit dem Erdreich und ist unten durch Dichtmittel wie Zementpfropfen, einen Zementations­ schuh verschlossen. Das innere Rohr endet in einem Abstand zum unteren Verschluß des äußeren Rohres, so daß Wärme­ tauschflüssigkeit entweder durch das innere Rohr nach unten und im äußeren Rohr nach oben geleitet werden kann oder umgekehrt. Der Einbau solcher Koaxialsonden in kurze Bohrlöcher im Bereich von 50 bis maximal 150 m kann ohne große Probleme erfolgen, weil die Reibung des äußeren Rohres an der Wandung der Bohrung durch das hohe Eigenge­ wicht des äußeren Rohres und mit entsprechenden Druck­ kräften überwunden werden kann. In losem Gestein ist es aber schwierig, ein Rohr in das Bohrloch einzuführen, dessen Durchmesser nur geringfügig kleiner ist als der Bohrlochdurchmesser.

Um eine größere Entzugsleistung und damit einen besseren Wirkungsgrad der Anlage zu erlangen, ist es nötig, die Erdsonde wesentlich weiter, z. B. 500 m und tiefer in den Boden eindringen zu lassen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einbringen einer Erdsonde in große Tiefen zu schaffen sowie eine Erdsonde für den Entzug von Erdwärme mit möglichst optimalem Wärmeübergang zum umliegenden Erdreich auszubilden, welche zudem allen grundwasserschutztechnischen Forderungen entspricht.

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch eine Erdsonde gemäß den Merkmalen des Anspruches 2 gelöst.

Aus der US 3 274 769 ist es bekannt, in ein Bohrloch im Erdreich ein Mantelrohr einzubringen, ein inneres Hüllrohr in diesem Mantelrohr anzuordnen und in dem Hüllrohr ein Wärmeträgerrohr für den Wärmeträger zu positionieren. Sowohl zwischen dem Mantelrohr und dem Hüllrohr als auch zwischen dem Hüllrohr und dem Wärmeträgerrohr befindet sich Wärmeträgerflüssigkeit. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Erdsonde nicht der Fall. Im weiteren sind sämtliche aus der US 3 274 769 bekannten Rohre starr.

In der DE 29 33 792 A1 ist eine Anordnung eines "Erdreichkollektors, der bei geringem Aufwand einen guten Wärmetausch gewährleistet und eine ausreichende Speicherkapazität ermöglicht" beschrieben. Die Speicherkapazität wird durch ein Aufnahmegefäß in Gestalt eines Brunnens geschaffen, wobei der Brunnen durch eine Folie ausgekleidet ist. Durch die Flüssigkeitsfüllung in der Folie wird diese gegen das umgebende Erdreich gepreßt und damit erreicht, daß dieses auch ohne aufwendige Abstützungen nicht zusammenbricht. Über die Ausbildung der Folie und deren Einbringen in den Brunnen, welcher einen etwa 15- bis 17mal größeren Durchmesser als das Zentralrohr aufweist, ist nichts bekannt. Bei dem bekannten Brunnen handelt es sich um einen Brunnen mit hoher Speicherkapazität und nicht um eine Tiefbohrung von 500 und mehr Metern. Aus der DE 29 33 792 A1 ist es nicht bekannt, wie eine solche bekannte Folie in einem 500 oder mehr Metern tiefen Bohrloch eingebracht werden soll.

Das Einbringen einer Erdsonde, wie sie in der DE 29 52 593 A1 beschrieben ist, hat mit dem Gegenstand der Erfindung keinen Zusammenhang, da weder die Erzeugung des Bohrloches noch das Einbringen des Schlauches etwas mit einem Rammverfahren zu tun haben.

Es gelingt durch den Einbau eines Schutzrohres, für die Abdichtung der Wärmeleitflüssigkeit einen elastisch oder plastisch dehnbaren Schlauch nachträglich in das Bohrloch einzuführen und einen optimalen Wärmeübergang durch den satt anliegenden Schlauch zu erhalten. Zwischen die rauhe Bohrlochwand und das Schutzrohr kann in einfacher Weise ein gut wärmeleitendes Material eingespritzt werden.

Die Verwendung eines dehnungselastischen Schlauches als Außenmantel der koaxial ausgebildeten Erdsonde erlaubt nicht nur einen optimalen Wärmeübergang zum Stahlrohr zu schaffen, welches als Einführhilfe und Abstützung der Wan­ dung des Bohrloches in dieses eingebracht worden ist, sondern der Schlauch läßt sich auch mühelos einführen.

Die Ausnutzung des statischen Druckes der Wärmetauscherflüssigkeit oder der Druck von Heißdampf zur Aufweitung des äußeren koaxialen Rohres ermöglicht eine vollständige Anlage der Schlauchoberfläche am Schutzrohr. Auch oberhalb des gedehnten Bereiches kann in einfacher Weise ein gut flüssiges oder festes wärmeleitendes Material zwischen das Schutzrohr und den Schlauch von oben eingeführt werden. Das Material kann zugleich ein Korrosionsschutzmittel enthalten.

Die Schutzverrohrung kann aus einzelnen Abschnitten bestehen, welche nicht flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sein müssen. Dies senkt die Kosten bei der Verlegung der Rohre. Der Schlauch kann, im Gegensatz zu einem Rohr, zusammengerollt mit geringem Transportvolumen auf die Baustelle gebracht werden. Ein aus Metall hergestelltes unteres Ende am Schlauch zieht diesen in die Verrohrung und schützt zudem vor Beschädigung durch Reibung an der Verrohrung.

Die Erfindung wird anhand eines illustrierten Ausführungs­ beispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Koaxialerdsonde mit einem herkömmlichen Auf­ bau,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Erdsonde mit einem dehnbaren äußeren Sondenmantel; linke Hälfte gedehnt, rechte Hälfte ungedehnt,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Erdsonde in Fig. 2 im Bereich lockerer Erdschichten, längs Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt längs Linie IV-IV durch die Erdsonde in Fig. 2 im mittleren Bereich (unge­ dehnter Mantel),

Fig. 5 einen Querschnitt längs Linie V-V in Fig. 2 im gedehnten unteren Bereich.

Die in Fig. 1 dargestellte Erdsonde 1, die den Stand der Technik darstellt, ist direkt in ein Bohrloch 3 im Erdreich 5 eingeführt. Ein allenfalls zwischen der Wandung des Bohrlochs 3 und der äußeren Wand des Mantelrohres 7 der Erdsonde 1 vorliegender Ringraum 9 ist durch eine flüssig eingespritzte Zement- und/oder Bentonitlösung ausgefüllt, um einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem Mantelrohr 7 und dem Erdreich 5 zu erlangen. Ein zweites Rohr 11, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmes­ ser des Mantelrohres 7, liegt koaxial zu letzterem und dessen unteres Ende in einem Abstand vom verschlossenen unteren Ende des Mantelrohres 7.

Im Betrieb wird entweder Wärmeträgerflüssigkeit (Wasser oder Wasser-Glykolgemisch) durch das zentrale Rohr 11 ein­ geleitet und steigt im Ringraum zwischen den beiden Rohren 7 und 11 wieder auf oder die Einleitung erfolgt im Ring­ raum und der Rückfluß im Rohr 11.

Die erfindungsgemäße Erdsonde 1, die geeignet ist, eine Wärmeträgerflüssigkeit bis in eine Tiefe von mehreren hun­ dert Metern, z. B. 500 m und tiefer, hinunterzuführen, ist von einer Stahlverrohrung 13 umschlossen. Die Stahl­ verrohrung 13 weist bei einem Bohrlochdurchmesser von bei­ spielsweise 8,5′′ einen Durchmesser von ca. 7′′ auf und be­ steht aus miteinander verschraubten oder verschweißten Rohrabschnitten, die nach dem Bohren des Bohrloches bei­ spielsweise im "Rotary-Verfahren" in das Bohrloch einge­ führt worden sind. Mit einem sogenannten Zementierschuh (nicht dargestellt), der am unteren Ende der Verrohrung 13 angebracht ist, kann der Zwischenraum zwischen der Wand 4 des Bohr­ lochs 3 und der darin eingeführten Verrohrung 13 von unten nach oben mit Zementmasse ausgefüllt werden. Diese Zementmasse, die mit Zusatzmitteln (Bentonit, Beschleuniger oder Verzögerer, Quarzstaub) versetzt werden kann, füllt den gesamten Ringraum bis zutage, d. h. bis zum oberen Ende der Verrohrung 13. Sie bietet Gewähr für eine lückenlose Abdichtung von unerwünschten Zuflüssen wie Wasser, Gas etc. Auf diese Weise gelingt es, den ursprünglichen geologischen und hydraulischen Zustand des durchbohrten Gebirges wieder herzustellen. Im weiteren ermöglicht die Zementmasse mit oder ohne Zuschlagsstoffe eine optimale Wärmeleitung zwischen dem Erdreich (Gebirge) und der Verrohrung 13.

Im oberen Bereich kann im Bohrloch 3 zusätzlich ein oder mehrere Stützrohr(e) 19 eingelassen sein, welches verhin­ dert, daß lockeres Material in das Bohrloch 3 eindringt und das Einführen der Verrohrung 13 verhindert oder erschwert.

In der leergepumpten Verrohrung 13 ist ein PE-Schlauch oder ein ähnlicher Kunststoffschlauch 21 eingesetzt, des­ sen unteres Ende durch ein Fußstück 23 dicht verschlossen ist.

Der Schlauch 21 kann ab Rolle "endlos" oder mittels Spie­ gelschweißungen von Einzelabschnitten in die gewünschte Einbaulänge gebracht werden. Um das Einführen des Schlau­ ches 21 zu erleichtern, kann dieser vor dem Einführen min­ destens teilweise mit Wasser angefüllt werden. Anstelle einer teilweisen Wasserfüllung kann der Schlauch 21 an seinem unteren Ende mit einem Stahlstück versehen werden, welches den Schlauch nach unten zieht. Dies hat den Vor­ teil, daß der Schlauch 21 durch die Wasserfüllung an sei­ nem unteren Ende nicht gedehnt wird und dadurch keine größere Reibung an der Stahlverrohrung 13 entstehen kann. Es kann auch ein sogenannter U-Liner eingesetzt werden. Solche U-Liner werden zur Sanierung von Kanalisationsroh­ ren verwendet.

In das Innere des Schlauches 21 wird ein Zentralrohr 25 von geringerem Durchmesser, beispielsweise 50-70 mm, eingesetzt. Das Zentralrohr 25 endet in einem Abstand vom Fußstück 23. Alternativ kann anstelle eines gewöhnlichen Kunststoffrohres auch ein mit einer isolierenden Wand versehenes Zentralrohr 25 eingesetzt sein. Das Zentralrohr 25 kann mittels Zentrierungen zentriert werden.

Nach dem Einführen des Schlauches 21 und des Zentralrohres 25 in die Verrohrung 13 wird der Schlauch 21 mit Wärmeträ­ gerflüssigkeit, z. B. Wasser oder Wasser-Glykolgemisch, gefüllt. Der mit zunehmender Tiefe steigende statische Druck im Schlauch 21, er beträgt auf 500 m Tiefe immerhin 50 bar - bewirkt eine radiale Dehnung des Schlauches 21, bis dessen Mantel vollständig in Anlage mit der Verrohrung 13 gelangt. Der zuvor dort vorgelegene mittlere Ringraum 31 wird dadurch vollständig geschlossen und ein inniger, wärmeleitender Kontakt zwischen dem Schlauch 21 und der Verrohrung 13 bewirkt. Selbstverständlich muß bei der Materialwahl des Schlauches 21 darauf geachtet werden, daß dieser die geplante Dehnung schadlos übersteht. Anstelle der Füllung mit Flüssigkeit kann auch ein entsprechender Schlauch 21, z. B. ein U-Liner-Schlauch, mittels Heißdampf oder Heißwasser analog gedehnt werden.

Ab einer bestimmten Tiefe verringert sich der von innen auf den Schlauch 21 wirkende statische Druck soweit, daß nur noch eine geringe Dehnung erfolgt und von einem Schlauchbereich A an keine Berührung mit der Verrohrung 13 mehr zustande kommen kann. Der Ring­ raum 31 wird später durch eine Wärmeträger-Rostschutzflüs­ sigkeit aufgefüllt. Bei Verwendung eines durch Wärme irre­ versibel gedehnten Schlauches 21 ist das Einbringen Wärmeträger-/Rostschutzflüssigkeit nicht notwendig.

Die Wärmeübertragungsflüssigkeit kann durch das Zentral­ rohr 25 von oben nach unten geleitet und im Ringraum zwi­ schen dem Zentralrohr 25 und dem Schlauch 21 nach oben aufsteigen. Beim Aufsteigen wird der Umgebung (Erdreich, Gebirge) Wärme entzogen. Selbstverständlich kann auch in umgekehrter Weise verfahren werden und das eingeleitete Wasser im inneren Ringraum 32 nach unten gepumpt und durch das Zentralrohr 25 nach oben zurückfließen.

Die erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit, z. B. Wasser wird ei­ ner Wärmepumpe (nicht dargestellt) zugeleitet und von dort nach Entzug eines Teils der Wärme wieder in die Erdsonde 1 eingeführt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Einbringen einer Erdsonde (1) in ein Bohrloch (3), das durch eine Verrohrung (13) ausgebaut und bei dem der äußere Ringraum (9) zwischen der Wand (4) des Bohrloches (3) und der Verrohrung (13) mit einem gut leitenden Dichtmittel lückenlos aufgefüllt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - in die leere Verrohrung (13) ein an seinem unten zu liegen kommenden Ende verschlossener Schlauch (21) eingeführt wird,
• - in den Schlauch (21) ein unten offenes Zentralrohr (25) eingelegt wird,
• - der Schlauch (21) mindestens teilweise mit einer wärmeübertragenden Flüssigkeit aufgefüllt und durch den statischen Druck der Flüssigkeit der Schlauch (21) ballonartig gedehnt wird oder daß der Schlauch (21) mittels Heißdampf ballonartig gedehnt wird bis eine innige Anlage an der Verrohrung (13) erfolgt und
• - im Übergang vom gedehnten zum ungedehnten Schlauchbereich (A) der Ringraum (31) mit gut wärmeleitendem flüssigem oder festem Material aufgefüllt wird.

2. Erdsonde für den Entzug von Erdwärme aus einem vertikalen Bohrloch, mit einer in Kontakt mit dem Erdreich oder Gebirge stehenden Verrohrung (13) und einem in der Verrohrung (13) eingesetzten Zentralrohr (25), dadurch gekennzeichnet, daß in die Verrohrung (13) ein als elastisch dehnbarer, an seinem unten im Bohrloch (3) zu liegen kommenden Ende verschlossener Schlauch (21) eingelegt ist, der mit einer wärmeleitenden Flüssigkeit gefüllt, im unteren Bereich durch den statischen Druck der Wassersäule der wärmeleitenden Flüssigkeit oder durch Einbringen von Heißdampf ballonartig aufgedehnt, an der Wandung der das Bohrloch (3) auskleidenden Verrohrung (13) anliegt.

3. Erdsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum zwischen dem Schlauch (21) und der Verrohrung (13) oberhalb des ballonartig ausgedehnten Bereiches (A) mit einem Material aufgefüllt ist.

4. Erdsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material flüssig oder fest vorliegt und mit oder ohne Rostschutzmittel angereichert ist.

5. Erdsonde nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verrohrung (13) unten verschlossen ist und aus einem einzigen oder aus mehreren zusammengesetzten Rohrabschnitten besteht.

6. Erdsonde nach einem der Ansprüche 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (21) aus einem einzigen Stück oder aus stirnseitig geschweißten Schlauchabschnitten besteht.

7. Erdsonde nach einem der Ansprüche 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende des Schlauches (21) ein Fußstück (23) aus Metall befestigt ist.

8. Erdsonde nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Wärmeträger-Material ist.