WO2009135475A2

WO2009135475A2 - Erdwärmesonde

Info

Publication number: WO2009135475A2
Application number: PCT/DE2009/000624
Authority: WO
Inventors: Horst Kruse; Jörn Homann
Original assignee: Fkw Hannover - Forschungszentrum Für Kältetechnik Und Wärmepumpen Gmbh; Fku - Forschungszentrum Für Kälte- Und Umwelttechnik Gmbh; Brugg Rohrsysteme Gmbh
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2009-11-12
Also published as: WO2009135475A8; WO2009135475A3; DE102008049731A1

Abstract

Offenbart sind eine Erdwärmesonde und ein Verfahren zum Einbringen einer derartigen Erdwärmesonde. Diese hat ein Wärmerohr, das mit einer Vorspannung ins Erdreich eingebracht ist.

Description

Beschreibung

Erdwärmesonde

Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zum Einbringen einer Erdwärmesonde gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Die Nutzung von fossilen Energien gewinnt in der Bundesrepublik Deutschland immer mehr an Bedeutung, da der Treibhauseffekt der Atmosphäre im wesentlichen auf das Verbrennen fossiler Primärenergieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) zurückzuführen ist. Durch den verstärkten Einsatz regenerativer und geothermischer Energien kann eine Verminderung der Kohlendioxidemission in die Atmosphäre erreicht werden.

Die Bundesrepublik Deutschland verwendet für Gebäudeheizungen etwa ein Drittel ihrer gesamten Endenergie in einem Temperaturbereich unter 100°C. In diesem Temperaturbereich ist die Arbeitsfähigkeit der Wärme, der so genannte Exergiegehalt gering. Das führt dazu, dass herkömmliche Verbrennungsheizungen auf Erdgas- bzw. Erdölbasis eine erhebliche Entwertung der als Exergie gespeicherten chemischen Brennstoffenergie durch Verbrennung und anschließenden Wärmeübergang auf die genannten tieferen Temperaturen vornehmen, was zu exergetischen Primärenergie- Nutzungsgraden von nur ca. 6 % führt.

Kesselsysteme, beispielsweise im Betrieb mit Heizöl oder Erdgas sind praktisch am Ende ihrer technischen Entwicklung angekommen. Derartige Systeme erreichen einen Nutzungsgrad, der geringfügig unter dem physikalischen Maximum liegt.

Wärmepumpen als thermodynamische Heizung können exergetische Primärener- gienutzungsgrade von etwa dem vierfachen erreichen, da sie Wärme aus der Umgebung aufnehmen und diese auf die für die Beheizung erforderliche Temperatur pumpen. Als Energieträger kommen dabei beispielsweise die Energie der Umgebungsluft, der Oberflächengewässer oder Oberflächen naher Bodenschichten in Frage. Geother- mische Energie zur Beheizung von Gebäuden kann durch Nutzung warmer hydrothermaler Tiefengewässer direkt verwendet werden, bei der Anwendung von Erdsonden bis ca. 100 m Tiefe jedoch nur indirekt mit Wärmepumpenanlagen, die Erdwärme im Temperaturbereich von 8°C bis 12°C auf ein für die Gebäudebeheizung nutzbares Temperaturniveau (35°C oder höher) anheben. Etwa die Hälfte aller in Deutschland im Jahr 2007 installierten Wärmepumpen nutzen Erdwärme als Wärmequelle.

Als Wärmeträger für diese Erdwärmetauscher werden gegenwärtig häufig einphasige Arbeitsstoffe, wie Wasser-Glykol oder Wasser-Salzmischungen verwendet, die durch die Sonden zum Verdampfer der Wärmepumpe gepumpt werden (Solesonden). Nachteilig bei derartigen Sonden ist, dass die Flüssigkeiten dieser Solen in die Wassergefährdungsklasse 1 eingestuft sind, was eine wasserrechtliche Genehmigung erforderlich macht. Des weiteren ist bei diesen Anlagen eine Pumpe zum Umwälzen der einphasigen Flüssigkeit erforderlich, wodurch der Energiebedarf und der vorrichtungstechnische Aufwand der Anlage erheblich erhöht ist. Eine derartige Solesonde ist beispielsweise aus www.hakagerodur.ch bekannt.

Aus der DE 42 115 76 A1 sind auch zweiphasige Systeme bekannt, bei denen ein Wärmeträger verwendet wird, der in einer Heizzone verdampft und in einer Kühlzone kondensiert wird. Derartige zweiphasige Systeme weisen eine höhere energetische Effizienz auf, da keine Umwälzpumpe benötigt wird. Bei der Wärmeübertragung vom Wärmeträger der Erdwärmesonde auf das Kältemittel einer Wärmepumpe haben die einphasigen Wärmeträger des weiteren den Nachteil, dass in Folge der nicht kongruenten Temperaturverläufe des Wärmeträgers und des Kältemittels im Kältemittelverdampfer der Wärmepumpen Wärmetauscherverluste entstehen, da das Kältemittel bei im wesentlichen konstanter Temperatur verdampft und der Wärmeträger von der Eintrittstemperatur auf die Austrittstemperatur abgekühlt wird. Dieser Nachteil besteht bei zweiphasigen Wärmeträgern nicht.

In der DE 298 24 676 U1 der Anmelderin wird eine Erdwärmesonde beschrieben, bei der als Wärmeträger CO₂ verwendet wird. Der wesentliche Vorteil dieses Wärmeträgers liegt in der guten Umweltverträglichkeit, so dass bei einer Leckage des Erdwärmerohres keine Grundwassergefährdung zu befürchten ist. Des weiteren weist CO₂ gegenüber den herkömmlichen Kältemitteln ein eintausendstel kleineres, vernachlässigbares Treibhauspotential je kg auf.

Ein Nachteil aller bestehenden Lösungen mit vertikal ins Erdreich eingebrachten Wärmerohren besteht darin, dass ein erheblicher Aufwand erforderlich ist, um die zur Aufnahme der Wärmerohre vorgesehenen Bohrungen, die eine Tiefe bis zu 300 m haben können, ins Erdreich einzubringen und dann die Wärmerohre in diese Aufnahmebohrungen einzusetzen. Da die Wärmerohre bei zweiphasigen Systemen erheb- liehen Drücken (bis 60 bar) ausgesetzt sind, müssen druckfeste Rohre eingesetzt werden. Die Verwendung von herkömmlichen starren Stahlrohren ist vergleichsweise kompliziert und teuer, da das Wärmerohr an der Baustelle aus mehreren Einzelrohren zusammengeschweißt und einer Qualitätskontrolle unterzogen werden muss.

In dem deutschen Patent DE 103 27 602 ist eine verbesserte Erdwärmesonde erläutert, bei der ein gewelltes Wärmerohr in das Erdreich eingebracht wird und CO₂ als Wärmeträger verwendet wird.

Diese Erdwärmesonde ist den eingangs beschriebenen Lösungen sowohl hinsichtlich des vorrichtungstechnischen Aufwandes als auch hinsichtlich des thermodynamischen Wirkungsgrades überlegen, so dass großes Interesse an dieser Technologie besteht.

Der Vorteil eines derartigen Wellrohrs besteht darin, dass dieses durch seine größere Oberfläche außen im Kontakt mit der Erde eine Rippenwirkung bewirkt, was zu einer um etwa 25% größeren Austauschfläche als bei einem herkömmlichen Glattrohr bei gleichem Innendurchmesser führt. Mit anderen Worten gesagt, die Wärmeaustauschfläche ist durch die Wellrohrprofilierung um ca. 25% größer als bei einem Glattrohr mit gleichbleibenden Innen- und Außendurchmesser.

Beim Einbau ist besonders darauf zu achten, dass das Erdreich vollflächig am Außenumfang des Wärmerohrs anliegt, um eine optimale Wärmeaustauschfläche zu erhalten. Mit den bekannten Lösungen ist dies nicht immer möglich.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Erdwärmesonde und ein Verfahren zum Einbringen einer Erdwärmesonde zu schaffen, die zum Einen ein einfaches Einbringen in das Erdreich ermöglichen und zum Anderen einen verbesserten Wirkungsgrad der Erdwärmesonde gewährleisten.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Erdwärmesonde durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 6 gelöst.

Erfindungsgemäß hat die Erdwärmesonde ein als Wellrohr ausgeführtes Wärmerohr, das mit einer vorbestimmten Vorspannung ins Erdreich eingesetzt wird. Nach Verfestigung des das Wellrohr umgebenden Materials ist dieses Wellrohr dann sozusagen eingespannt, so dass auch bei Geometrieänderungen aufgrund von Temperaturunterschieden und dergleichen eine flächige Anlage der Außenumfangswandung an das benachbarte Material gewährleistet ist und somit eine optimierte Wärmeaustauschfläche vorliegt. Bei den herkömmlichen Lösungen konnte diese flächige Anlage bei den unvermeidlichen Geometrieänderungen des Wärmerohrs während des Betriebes nicht sichergestellt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Erdwärmesonde wird es bevorzugt, wenn das Wärmerohr mittels einer Verfüllmasse im Erdreich fixiert ist.

Das Wärmerohr ist vorzugsweise wendeiförmig ausgeführt, wobei das Verhältnis vom Außendurchmesser zum Innendurchmesser größer 1.1 ist. Die Wandstärke des Wärmerohrs wird vorzugsweise so ausgelegt, dass das Verhältnis vom Außendurchmesser zu Wandstärke zwischen 50 und 100 ist.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Wellrohr zunächst in eine Bohrung eingesetzt und eine Verfüllmasse eingefüllt. Vor dem Aushärten dieser Verfüllmasse wird das Wärmerohr mit der Vorspannung beaufschlagt, so dass nach dem Aushärten der Verfüllmasse das Wellrohr mit dieser Vorspannung aufgenommen ist und somit eine flächige Anlage der Verfüllmasse auch bei Geometrieänderungen des Wellrohrs aufgrund von Temperaturunterschieden oder dergleichen gewährleistet ist. Die Vorspannung des Wellrohrs erfolgt beispielsweise durch Beaufschlagung mit einem Innendruck. Dieser Innendruck kann beispielsweise durch Wasser aufgebracht werden.

Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn mit der Vorspannung des Wellrohrs eine Verlängerung der Axiallänge einhergeht. Diese Längenveränderung wird durch das Abflachen der innenliegenden Wellenbereiche verursacht.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Darstellung mehrerer Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Erdwärmesonde,

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung einer Erdwärmesonde aus Figur 1 und Figur 3 eine Prinzipdarstellung eines Wellrohrs der Erdwärmesonde

In Fig. 1 sind vier Ausführungsbeispiele eines Wärmerohres 2 einer Erdwärmesonde 1 dargestellt, das in Vertikalrichtung in eine ins Erdreich eingebrachte Bohrung 4 eingesetzt wird. Die Länge des Wärmerohres 2 kann beispielsweise etwa 70 - 9O m betragen und als Wärmeträger wird vorzugsweise CO₂ eingesetzt. Bei diesem Wärme- träger können Betriebsdrücke von bis zu 50 bar erreicht werden, so dass die Druckfestigkeit des Wärmerohres 2 ein wesentliches Auslegungskriterium ist. Eine weitere wesentliche Anforderung besteht darin, das Wärmerohr 2 mit einer hinreichenden Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Erdreich auszubilden. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Wärmerohr 2 aus Edelstahl hergestellt.

Das in Figur 1a) dargestellte Wärmerohr 2 ist als Einzelrohr ausgebildet, das durch ein so genanntes Wellrohr gebildet ist. Derartige Wellrohre werden - wie eingangs erwähnt - im Anlagenbau beispielsweise als Kompensatoren verwendet. Bei diesen Wellrohren ist die Außenumfangswandung wellenförmig (parallel gewellt oder wendelgewellt) ausgeführt, so dass das Rohr in Axialrichtung eine gewisse Flexibilität aufweist, die ein Aufwickeln des Rohres ermöglicht. Durch diese flexible Ausgestaltung des Wärmerohres 2 kann dieses auf einer Trommel aufgerollt zur Baustelle gebracht und dort direkt von der Trommel in die Bohrung 4 eingebracht werden. Gegenüber den herkömmlicher Weise verwendeten starren Stahlrohren hat diese Vorgehensweise den Vorteil, dass das kostenintensive Schweißen und die Röntgenprüfung an der Baustelle entfallen, so dass die Erdwärmesonde wesentlich schneller und mit geringerem Aufwand in das Erdreich eingebracht werden kann.

Figur 2 zeigt eine vergrößerte Prinzipdarstellung einer Erdwärmesonde 1 gemäß Figur 1a). Das aufgewickelt angelieferte Wärmerohr 2 mit einer Vielzahl von in Um- fangsrichtung verlaufenden Wellen 6 (parallel gewellt oder wendelgewellt) wird in die Bohrung 4 direkt vom Wickel eingelassen, wobei das fußseitige Ende mit einem Fußteil 8 verschlossen ist. Das Wärmerohr 2 wird vorzugsweise mit einer Verfüllmasse 10 oder dergleichen in der Bohrung 4 lagefixiert. Bei einer Bohrungstiefe im Bereich von 70 - 100 m herrscht fußseitig eine Temperatur von 10⁰C bis 13°C. Diese Temperatur reicht aus, um das im Wärmerohr 2 mit einem Druck von bis zu 50 bar aufgenommene CO₂ zu verdampfen, so dass der Dampf 12 in Pfeilrichtung etwa im Mittelbereich des Wärmerohres 2 nach oben strömt. Diese Heizzone mit einer konstanten Erdtemperatur erstreckt sich über einen vergleichsweise großen Axialbereich des Wärmerohres 2. An diese Heizzone schließt sich eine sogenannte neutrale Zone an, die üblicherweise in den oberen Schichten des Erdreiches liegt. In dieser neutralen Zone ist der Wärmeaustausch zwischen dem Erdreich und dem Wärmeträger gering. Diese neutrale Zone und eine im folgenden noch näher beschriebene Kühlzone müssen nicht zwangsweise an dem in Figur 2 dargestellten Wärmerohr 2 ausgebildet sein, sondern können auch getrennt von diesem ausgeführt werden. Die neutrale Zone geht zur Erdoberfläche hin in die Kühlzone über, in der die Kondensation des CO₂ durch Wärmeabgabe an ein anderes Medium erfolgt. Dieses andere Medium kann bei indirekter Kühlung eine frostsichere Lösung (Glykol und Wasser, Salzlösung und Wasser) oder bei direkter Kühlung ein Kältemittel einer Wärmepumpe sein, deren Verdampfer 16 thermodynamisch an die Kühlzone gekoppelt ist. In diesem Verdampfer 16 wird das Kältemittel durch die frei werdende Kondensationsenthalpie des CO₂ verdampft, wobei beide Wärmeträger (Kältemittel des Wärmepumpenkreislaufes, CO₂ der Erdwärmesonde) im wesentlichen bei konstant bleibender Temperatur kondensieren bzw. verdampfen. Das Kondensat 14 strömt als Film an der gewellten Innenumfangswandung des Wärmerohres 2 nach unten und gelangt von der Kühlzone zur neutralen Zone und dann in die Heizzone, in der das Kondensat 14 dann wieder auf die Verdampfungstemperatur aufgeheizt und verdampft wird. Anstelle des vorbeschriebenen Wärmeaustausches über einen Zwischenwärmetauscher 16 mit einem Kältemittel einer Wärmepumpe ist es prinzipiell auch möglich, die Erdwärmesonde ohne Zwischenwärmeaustauscher direkt an den Kältemittelkreislauf anzuschließen. Dabei müssen jedoch geeignete Maßnahmen getroffen werden, die eine Verschmutzung des Wärmeträgers ausschließen. So wäre beispielsweise ein ölfreier Betrieb des Kältemittelkreislaufes zu bevorzugen.

Die neutrale Zone und die Kühlzone können - wie in Figur 2 dargestellt - direkt am Wärmerohr 2 ausgeführt sein. Für den Fall, dass die Wärmepumpe an einem anderen Ort als die Erdwärmesonde 1 angeordnet ist, wird die Kühlzone nicht in das Wärmerohr 2 integriert sondern getrennt davon ausgeführt, wobei die neutrale Zone oberirdisch als Verbindung zwischen Heiz- und Kühlzone ausgeführt sein kann. In diesem Fall können die neutrale Zone und die Kühlzone aus einem anderen geeigneten druckfesten Material hergestellt sein.

Die Länge, der Durchmesser und die Wandstärke des Wärmerohres 2 hängen sehr stark von der Art des verwendeten Wärmeträgers ab. Neben dem bevorzugten Wärmeträger CO₂ können auch alle anderen geeigneten Arbeitsstoffe wie beispielsweise Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden. Zur Erhöhung der Druckfestigkeit und als Schutz gegen mechanische Beschädigung des Wärmerohres 2 kann dieses mit einem Verstärkungs- oder Schutzmantel versehen werden.

Ein wesentliches Auslegungskriterium bei derartigen Erdwärmesonden ist die so genannte Flutgrenze. Diese Flutgrenze ist erreicht, wenn der aufströmende Dampf 12 aufgrund der Schubspannungen in der Phasengrenze zwischen dem Flüssigkeitsfilm 14 und dem Dampf 12 das Abströmen der Flüssigkeit aus der Kühlzone verhindert, so dass Flüssigkeit in der Kühlzone angestaut wird. Zur Vermeidung dieses Flutens sind die Entzugsleistung, die Länge und der Durchmesser des Wärmerohres in Abhängigkeit vom verwendeten Wärmeträger so aufeinander abzustimmen, dass die maximal mögliche Gasgeschwindigkeit (Flutpunkt) nicht erreicht wird. Vorversuche zeigten, dass die Wellstruktur des Wärmerohres 2 diese Flutgrenze nicht oder nur geringfügig gegenüber einem glatten Rohr absenkt. Überraschender Weise zeigte es sich, dass die wellenförmige Struktur der Umfangswandung des Wärmerohres 2 den Aufbau des Kondensatfilmes nur in vernachlässigbarem Umfang stört und somit keinen nachteiligen Ein- fluss auf den Wärmeaustausch hat. Besonders gute Ergebnisse wurden mit Wellrohren erzielt, bei denen die Wellen nicht in Umfangsrichtung (quer zur Längsachse des Wärmerohres 2) sondern wendeiförmig verlaufen. Diese wendeiförmige Wellenform begünstigt möglicherweise das Strömen des Kondensats von der Kühlzone hin zur Heizzone und in der Heizzone. Es zeigte sich, dass eine Strähnenbildung im Kondensationsfilm bei der spiralförmigen Wellung im vorgesehenen Betriebsbereich verhindert werden kann.

In Figur 1b) ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem anstelle eines einzigen Wärmerohres 2 ein U-förmiges Wärmerohr in die Bohrung 4 eingesetzt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat das Wärmerohr 2 zwei Parallelrohre 17, 18, die fuß- seitig durch ein Fußteil 20 miteinander verbunden sind. Die beiden Parallelrohre 17, 18 sind in der vorbeschriebenen Weise ebenfalls wieder als Wellrohr ausgeführt. Dieser U- förmige Aufbau ermöglicht es, bei gleicher oder besserer Entzugsleistung geringere Rohrquerschnitte einzusetzen.

Bei dem in Figur 1c) dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Wärmerohr 2 ebenfalls U-förmig ausgeführt, wobei diese Konstruktion einstückig aus einem einzigen Wellrohr ausgeführt ist, das unter Berücksichtigung des zulässigen Biegeradius fuß- seitig gebogen ist. Ein derartiges Wärmerohr kann auch als Pumpensonde mit einer Wärmeabfuhr nach unten hin zum Fuß betrieben werden, wobei im Sommerbetrieb Wärme ans Erdreich abgegeben wird. Bei dem in Figur 1b) dargestellten Ausführungsbeispiel werden die jeweils auf einer Trommel angelieferten Wellrohre 17, 18 vor dem Einsetzen in die Bohrung mit dem Fußteil 20 versehen und anschließend gleichzeitig in die Bohrung abgesenkt. Bei dem in Figur 1c) dargestellten Ausführungsbeispiel wird das im aufgewickelten Zustand angelieferte Wellrohr abgewickelt, mittig gebogen und in die Bohrung eingesetzt. Es ist auch möglich, das U-Rohr vorgefertigt und zweistrangig aufgewickelt zur Bohrstelle zu liefern.

Figur 1d) zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Wärmerohr 2 durch zwei koaxial angeordnete Rohre 22, 24 ausgebildet ist. Diese sind jeweils wieder als Wellrohr ausgeführt. Fußseitig ist auf das außen liegende Rohr 22 mit größerem Durchmesser ein Fußteil 20 aufgesetzt, der fußseitige Endabschnitt des Innenrohres 24 bleibt offen. Bei dieser Konstruktion strömt der Dampf 12 durch das Innenrohr 24 nach oben hin zur Kühlzone, während der Kondensatfilm 14 sich im Ringraum zwischen dem äußeren Rohr 22 und dem inneren Rohr 24 ausbildet und nach unten von der Kühlzone zur Heizzone strömt. Eine derartige Variante hat eine höhere Flutgrenze als die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele, da der direkte Kontakt zwischen Dampf und Kondensatfilm weitestgehend verhindert ist.

Das Innenrohr 24 kann im Prinzip aus allen flexiblen Rohrmaterialien (Metalle, Kunststoffe) mit glatten oder gewellten Außenumfangswandungen ausgebildet werden. Die erforderliche Druckfestigkeit muss nur vom Außenrohr 22 aufgebracht werden. Das Innenrohr 24 kann mit einem geschlossenen Rohrmantel oder als perforiertes Rohr gemäß dem deutschen Gebrauchsmuster DE 202 10 841.4 ausgeführt sein.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Wärmerohrs 2, das vorzugsweise als Wellrohr mit gewendelter Wandung ausgeführt ist. Bei Vorversuchen zeigte es sich, dass die Wärmeaustauschfläche optimal ist, wenn das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser d_a zum Innendurchmesser dj mehr als 1.1 beträgt. Das Verhältnis des Außendurchmessers d_a zur Wandstärke s sollte größer 10 gewählt werden.

Erfindungsgemäß wird zunächst in das Erdreich eine Bohrung eingebracht und anschließend das Wärmerohr 2 eingesetzt. Der Ringraum zwischen der In- nenumfangswandung der Bohrung und der Außenumfangswandung des Wärmerohrs 2 wird dann mittels der Verfüllmasse 10 ausgefüllt. Diese kann beispielsweise mit Zement gebunden sein, derartige Verfüllmassen sind beispielsweise auch im Tunnelbau eingesetzt. Diese beim Aushärten quellende Verfüllmasse wird im Hinblick auf die Druckfestigkeit und die Wärmeleitfähigkeit optimiert, so dass die Wärmeübertragung vom Wärmerohr zum Erdreich entsprechend der Thermodynamik der Erdwärmesonde optimiert ist.

Erfindungsgemäß wird jedoch das Wärmerohr 3 nicht einfach in die Bohrung eingelegt, sondern vor, während oder nach dem Einfüllen der Verfüllmasse 10 mit einer Vorspannung beaufschlagt. Diese Spannungsbeaufschlagung kann beispielsweise mittels eines Innendrucks erfolgen. Dabei kann über eine Pumpe Wasser in das Wärmerohr 2 gepumpt werden, bis sich im Inneren ein Druck von beispielsweise 50 bar einstellt. Durch diese Druckbeaufschlagung des Innenrohrs und aufgrund der Tatsache, dass die Verfüllmasse 10 entweder noch nicht eingefüllt ist oder noch nicht ausgehärtet ist, verformt sich das Wärmerohr 2, wobei insbesondere die den Innendurchmesser d, bestimmenden Wellen abgeflacht werden, so dass sich die Axiallänge U gegenüber der ursprünglichen Länge L (links in Figur 3) erhöht. Bei einer Gesamtlänge des Wärmerohrs (2) von beispielsweise 200m kann die Längenänderung bis zu 3m betragen. Durch diese Abflachung der innenliegenden Wellen wird der Durchmesser d-, etwas größer- das Wärmerohr 2 wird somit mit einer Vorspannung beaufschlagt. Diese Vorspannung wird aufrechterhalten, bis die Verfüllmasse 10 ausgehärtet ist, so dass das Wärmerohr 2 in dem in Figur 3 rechts dargestellten Zustand eingespannt ist. Durch diese Einspannung ist eine flächige Anlage der Verfüllmasse 10 an der Außenumfangswandung des Wärmerohrs 2 gewährleistet. Auch während des Betriebs auftretende Termperaturänderungen werden diese flächige Anlage nur unwesentlich beeinträchtigen. Aufgrund der verbesserten Anlage wird die Wärmeaustauschfläche gegenüber den herkömmlichen Lösungen verbessert, so dass der thermodynamische Wirkungsgrad der Erdwärmesonde wesentlich besser als bei herkömmlichen Lösungen ist.

Bei der Auslegung des Verfahrens ist darauf zu achten, dass der Zeitpunkt der Spannungsbeaufschlagung des Wärmerohrs 2 und des Aushärtens der Verfüllmasse 10 so abgestimmt wird, dass nach dem Aushärten noch eine hinreichende Vorspannung des Wärmerohrs 2 vorliegt.

Wie bereits erwähnt, wird ein wendeiförmig gewelltes Wärmerohr 2 bevorzugt. Diese Konstruktion zeigt folgende Vorteile:

a) Durch eine Wendelwellung findet bei Eintritt der Flüssigkeit durch das Rohr von oben gleichzeitig eine Umfangsverteilung des Filmes statt, da dieser durch die Wendelwirkung entlang dem Umfang geführt wird. Entgegen einer Parallelwellung fließt hierbei der Film nicht über die inneren Wellkuppen nach unten, sondern entlang der Schraubenwellung. Hierdurch kann eine bessere Bedeckung gegenüber dem Glattrohr durch den Film erfolgen, während beim Glattrohr in Folge der Axialströmung des Filmes an der Wand dieser nach einigen Durchmesserlängen in Strähnen aufreißt und schließlich nur einen mittleren Bedeckungsgrad des Rohres von ca. 33 % der inneren Glattrohroberfläche erreicht. Durch die geführte Strömung entlang der Wellung ist es möglich, durch geeignete Profiloptimierung einen höheren Bedeckungsgrad bei dem Wellrohr gegenüber dem Glattrohr zu erreichen.

b) Da die Filmgeschwindigkeit nicht wie beim Glattrohr axial-vertikal nach unten gerichtet, sondern geneigt in Umfangrichtung verläuft, verkleinert sich die Filmgeschwindigkeit und damit die Reynolds-Zahl, so dass mit einem späteren Übergang von Laminar- zu turbulenter Strömung gerechnet werden kann.

c) Da die Strömung in der Wendelwellung schraubenlinig verläuft, befindet sie sich vorwiegend hinter der Wellung auf der von der Gasströmung abgewandten Seite, der sogenannten Lee-Seite, dadurch ist die Filmströmung vor der axialen Scherwirkung der Gasströmung stärker geschützt als beim Glattrohr, wodurch bei geeigneter geometrischer Optimierung eine Erhöhung der sogenannten Flutgeschwindigkeit folgen kann.

Die Flutgeschwindigkeit ist eine der Betriebsgrenzen für ein solches Wärmerohr, die dadurch entsteht, dass durch eine axiale Scherwirkung der Gasströmung, die nach oben gerichtet ist, am herunter fließenden Film auf der Wand, die Scherwirkung dazu führen kann, dass der Film nicht mehr weiter nach unten fließt. Wenn dessen Geschwindigkeit in Folge dieser Scherwirkung der Gasströmung zu Null wird, dann ist die sogenannte Flutgrenze des Rohres erreicht, d. h., das Rohr fällt in seinem unteren Bereich trocken und kann dort keine Wärme mehr durch Verdampfung übertragen. Eine Wendelwellung wird im Gegensatz zu einer Parallelwellung diesen Schutz des Flüssigkeitsfilmes vor der Gasströmung bewirken und eine Mitnahme des Filmes durch die Gasströmung nach oben erschweren. In dem Fall, in dem die Möglichkeit besteht, dass der Wärmeträger mit Öl in Berührung kommt, ist innerhalb des flexiblen Wärmerohres 2 ein Ölabscheider oder geeignete Vorrichtungen zur Ölrückführung vorzusehen.

Es ist auch vorstellbar, die erfindungsgemäße Erdwärmesonde mit umlaufenden Wärmeträgern in einem Pumpenumlaufsystem zu verwenden, so dass einphasige oder zweiphasige Zustände im Wärmeträger erzeugt werden. In einem solchen Fall ist auch eine Umkehrung der Transportrichtung der Wärme denkbar, so dass beispielsweise im Sommerbetrieb Wärme ins Erdreich zurückgespeist werden kann. Eine Kombination zwischen Wärmerohrbetrieb und einem Umlaufbetrieb ist bei geeigneter Ausführung der oberirdischen Anlage möglich.

Bezugszeicheπliste:

Erdwärmesonde

Wärmerohr

Bohrung

Welle

Fuß

Verfüllmasse

Dampf

Kondensat

Zwischenverdampfer

Parallelrohr

Fußteil

Innenrohr

Außenrohr

Claims

Patentansprüche

1. Erdwärmesonde mit einem ins Erdreich eingebrachten Wärmerohr (2), das einen zweiphasigen Wärmeträger aufnimmt, der mittels der Erdwärme verdampfbar und in einer Kühlzone kondensierbar ist, wobei das Kondensat (14) als Kondensatfilm an den Wandungen des Wärmerohrs (2) abströmt und der Dampf im Gegenstrom aufsteigt, wobei das Wärmerohr (2) als Wellrohr ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (2) mit Vorspannung im Erdreich aufgenommen ist.

2. Erdwärmesonde nach Patentanspruch 1 , wobei das vorgespannte Wärmerohr (2) mittels einer Verfüllmasse (10) in einer Erdreichbohrung fixiert ist.

3. Erdwärmesonde nach einem der vorhergehenden Patentansprüche wobei die Wandung des Wärmerohres (2) wendeiförmig ausgeführt ist.

4. Erdwärmesonde nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Verhältnis eines Außendurchmessers (d_a) zu einem Innendurchmesser (dj) größer als 1.1 ist.

5. Erdwärmesonde nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Verhältnis eines Außendurchmessers (d_a) zur Wandstärke (s) des Wärmerohrs (2) zwischen 50 und 100 ist.

6. Verfahren zum Einbringen einer Erdwärmesonde (1) in Erdreich, wobei die Erdwärmesonde (1) ein als Wellrohr ausgeführtes Wärmerohr (2) hat, das in eine Bohrung im Erdreich eingesetzt wird, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Einsetzen des Wärmerohrs (2) in die Bohrung;

- Einfüllen einer aushärtenden Verfüllmasse (10) in den Ringraum zwischen Wärmerohr (2) und Innenumfangswandung der Bohrung;

- Beaufschlagen des Wärmerohrs (2) mit einer Vorspannung.

7. Verfahren nach Patentanspruch 6, wobei die Vorspannung durch einen Innendruck aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Patentanspruch 6 oder 7, wobei das Wärmerohr (2) durch Vorspannung in Axialrichtung verformt wird.

9. Verfahren nach Patentanspruch 8, wobei die Axiallänge (L) des Wärmerohrs (2) vergrößert wird.

10.Verfahren nach einem der Patentansprüche 6 bis 9, wobei die Spannungsbeaufschlagung des Wärmerohrs (2) vor dem vollständigen Aushärten der Verfüllmasse (10) aufgebracht wird.