CH655380A5 - DEVICE FOR TAKING SOIL HEAT FROM THE GROUNDWATER AND / OR THE GROUNDWATER SURROUNDING THE GROUNDWATER. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entnahme von Bodenwärme aus dem Grundwasser und/ oder dem das Grundwasser umgebenden Erdreich, mit einer senkrecht in den Boden einzuführenden Sonde aus ein Zwischenträgermedium in geschlossenem Kreislauf führenden Rohren, von welchen mindestens ein mit seiner äusseren Oberfläche in Kontakt mit dem Grundwasser und/oder dem umgebenden Erdreich zu stehen bestimmtes Rohr an seinem unteren Ende abgeschlossen ist, wobei der einerseits zur Anordnung unterhalb der Erdoberfläche bestimmte Kreislauf andererseits mit der Primärseite einer ausserhalb des s Erdreichs angeordneten Wärmepumpe verbunden ist. The present invention relates to a device for removing soil heat from the groundwater and / or the soil surrounding the groundwater, with a probe to be inserted vertically into the soil from an intermediate carrier medium in a closed circuit, pipes, at least one of which comes into contact with its outer surface to stand the groundwater and / or the surrounding soil is completed at its lower end, the circuit intended for arrangement on the one hand below the surface of the earth on the other hand is connected to the primary side of a heat pump arranged outside the soil.
Für die Entnahme von Bodenwärme unter Einsatz einer Wärmepumpe sind verschiedenartige Vorrichtungen bekannt. Sogenannte Erdwärmerückgewinnungsanlagen mit waagerecht ausgelegten Rohrsystemen erfordern aufwendige io Verlegungsarbeiten und ein grosses Grundstück. Sogenannte «Luft-Wasser»-Wärmepumpen sind aufwendig und bringen sowohl eine Lärmbelästigung als auch eine Vegetationsbeeinflussung durch die abgegebene Kaltluft mit sich. Bei den bekannten Vorrichtungen wird das Grundwasser aus einem 15 Brunnen entnommen, der Wärmepumpe zugeführt und nach der Wärmeentnahme und der damit verbundenen Temperaturabsenkung wieder in das Erdreich eingeleitet. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die für die Genehmigung der Errichtung einer derartigen Anlage zuständigen Behörden vielfach Ein-20 griffe in den Grundwasserhaushalt befürchten, da insbesondere nicht sichergestellt ist, ob das entnommene Grundwasser tatsächlich wieder ordnungsgemäss eingeleitet wird. Various types of devices are known for extracting ground heat using a heat pump. So-called geothermal heat recovery systems with horizontally laid pipe systems require complex laying work and a large plot of land. So-called “air-water” heat pumps are complex and involve both noise pollution and vegetation interference from the cold air that is emitted. In the known devices, the groundwater is withdrawn from a well, fed to the heat pump and, after the heat has been removed and the temperature has been reduced, is introduced back into the ground. However, it has been shown that the authorities responsible for approving the construction of such a facility fear interventions in the groundwater budget, since it is particularly not certain whether the extracted groundwater is actually being properly discharged again.
Bekannt ist auch bereits ein sog. Wärmeaustauscher für Erdwärmenutzung (Erdspiess) in Form eines einige Meter 25 langen hohlen Bauteils, das senkrecht in das Erdreich gedrückt oder gesenkt wird und in dem Strömungskanäle so ausgebildet sind, dass eine strömende Wärmeübertragungsflüssigkeit in ihm erst nach unten und dann wieder nach oben geführt wird. Nachteilig hierbei ist die verhältnismässig kurze 30 Baulänge solcher Bauteile, die schon aufgrund des Transportes auf 5 bis 6 m beschränkt ist. Damit bleibt aber der Versuch eines Wärmeentzuges aus dem Erdreich auf den oberflächennahen Bereich beschränkt. Eine langdauernde Betriebsfähigkeit und die Betriebssicherheit sind durch die 35 Gefahr eines vorzeitigen Einfrierens bei solchen in Oberflächennähe arbeitenden Anlagen nicht gewährleistet. Also known is a so-called heat exchanger for geothermal use (earth spike) in the form of a few meters 25 long hollow component that is pressed or lowered vertically into the ground and in which flow channels are designed so that a flowing heat transfer fluid in it only down and then up again. The disadvantage here is the relatively short overall length of such components, which is limited to 5 to 6 m due to the transport. However, the attempt to extract heat from the ground is limited to the near-surface area. Long-term operability and operational safety are not guaranteed due to the risk of premature freezing in systems close to the surface.
Es sind auch Wärmeaustauschersysteme bekannt, die aus zusammengefügten Einzelelementen bestehen, wobei entweder das im Erdboden befindliche oder auch das aus dem 40 Erdboden herausragende Element zum Teil eine gewellte äussere Wandung aufweist. Die hierdurch in einem bestimmten Bereich gebildeten Rippen dienen der Vergrösserung der Wärmeaustauscheroberfläche an dieser Stelle. Durch die zusammengefügten Einzelelemente lassen sich jedoch grosse 45 Tiefen im Erdboden nicht erreichen, abgesehen davon, dass jede Verbindung der Einzelelemente eine Schwachstelle im Gesamtsystem darstellt. Heat exchanger systems are also known which consist of assembled individual elements, either the element located in the ground or the element protruding from the ground having a corrugated outer wall. The ribs thus formed in a certain area serve to enlarge the heat exchanger surface at this point. Due to the combined individual elements, however, great 45 depths in the ground cannot be reached, apart from the fact that every connection of the individual elements represents a weak point in the overall system.
Die Erfindung bezweckt eine Vorrichtung zur Entnahme von Bodenwärme zu schaffen, die trotz der Anbindung an so das Grundwasser oder den Grundwasserbereich keinen Eingriff in den Grundwasserhaushalt bedeutet, störungsfrei arbeitet und leicht montiert werden kann. The invention aims to provide a device for extracting soil heat which, despite being connected to the groundwater or the groundwater area in this way, means no intervention in the groundwater balance, works trouble-free and can be easily installed.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung entspricht den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. The device according to the invention corresponds to the characterizing features of patent claim 1.
55 Da das Wellrohr über die gesamte Sondenlänge einstückig ausgebildet ist, kann es - etwa ähnlich einer Kabelverlegung - in seiner gesamten Länge an der Montagestelle von einer Holzhaspel abgespult und ohne zusätzliche Arbeiten in das Bohrloch eingeführt werden. 55 Since the corrugated pipe is made in one piece over the entire length of the probe, it can be unwound over its entire length at the assembly point - similar to a cable installation - by a wooden reel and inserted into the borehole without additional work.
60 Man kann so vorgehen, dass der zum Kontakt mit dem Grundwasser und/oder dem feuchten Erdreich ausgebildete Bereich des Kreislaufes des Wärmeaustauschers in einen Brunnenschacht bis unterhalb des Wasserspiegels des Grundwassers abgesenkt wird. Bei tiefer liegendem Grundwasser 65 kann auch vorgesehen werden, dass eine Tiefbohrung mittels eines verlorenen Bohrkopfes erstellt wird, derart, dass das Erdreich jeweils herausgespült wird. Der zum Kontakt mit dem Grundwasser ausgebildete Bereich des Kreislaufes des 60 One can proceed in such a way that the area of the circuit of the heat exchanger designed for contact with the groundwater and / or the moist soil is lowered into a well shaft to below the water level of the groundwater. In the case of deeper groundwater 65, it can also be provided that deep drilling is carried out by means of a lost drill head, such that the soil is flushed out in each case. The area of the circulatory system designed for contact with the groundwater
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Wärmeaustauschers befindet sich in diesem Fall an bzw. hinter dem verlorenen Bohrkopf und wird auf diese Weise entsprechend tief in das Erdreich eingebracht. In this case, the heat exchanger is located on or behind the lost drill head and is thus inserted deep into the ground.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Wellrohr aus im Verhältnis zu dem oder den inneren Glattrohren wärme-leitfähigem Werkstoff besteht. Besteht beispielsweise die Vorrichtung zur Entnahme von Bodenwärme, also die Erdsonde, aus zwei koaxial zueinander angeordneten Rohren, dann kann vorgesehen sein, dass der zum Kontakt mit dem Grundwasser und/oder feuchten Erdreich ausgebildete Bereich der Vorrichtung ein Innenrohr aufweist, welches in ein dieses umschliessendes Aussenrohr freihängend eingeführt ist und im unteren Bereich mündet, und das Aussenwellrohr an seinem der Wärmepumpe abgewandten Ende abgeschlossen ist. Dabei besteht das Aussenwellrohr zweckmässigerweise aus gut leitendem Werkstoff, beispielsweise Metall, während das Innenrohr im Verhältnis zum Aussenrohr aus schlechter wärmeleitfähigem Werkstoff besteht, beispielsweise aus Kunststoff. Als Metall kann ein geeigneter Edelstahl Anwendung finden, als Kunststoff ist u. a. Polyäthylen geeignet. It has proven to be advantageous if the corrugated tube consists of a material which is thermally conductive in relation to the inner smooth tube or tubes. If, for example, the device for extracting ground heat, i.e. the geothermal probe, consists of two pipes arranged coaxially to one another, then it can be provided that the area of the device designed for contact with the groundwater and / or moist soil has an inner pipe which surrounds it The outer tube is inserted freely suspended and opens in the lower area, and the outer corrugated tube is closed at its end facing away from the heat pump. The outer corrugated tube expediently consists of a highly conductive material, for example metal, while the inner tube in relation to the outer tube consists of poorly thermally conductive material, for example plastic. A suitable stainless steel can be used as the metal. a. Suitable for polyethylene.
Das Zwischenträgermedium wird in dem Innenrohr nach unten geführt, tritt am unteren Ende in das Aussenrohr ein und strömt dann längs der gut wärmeleitenden Wandung des Aussenrohres nach oben, wobei das vorher im Wärmeaustauscher abgekühlte Zwischenträgermedium dann die Temperatur des Grundwassers bzw. des das Aussenrohr umgebenden Erdreiches annimmt. Diese Ausführungsform v/eist den Vorteil auf, dass die in das Erdreich einzuführende Anordnung einen relativ kleinen Aussendurchmesser haben kann und somit mittels eines üblicherweise für eine Versuchsbohrung vorgesehenen Bohrgerätes tief (bis zu 100 m und mehr) in das Erdreich eingebracht werden kann. The intermediate carrier medium is guided downwards in the inner tube, enters the outer tube at the lower end and then flows upwards along the heat-conducting wall of the outer tube, the intermediate carrier medium previously cooled in the heat exchanger then the temperature of the groundwater or of the soil surrounding the outer tube assumes. This embodiment has the advantage that the arrangement to be introduced into the soil can have a relatively small outside diameter and can therefore be inserted deep (up to 100 m and more) into the soil by means of a drilling device usually provided for a test borehole.
Als Zwischenträgermedium eignet sich vorzugsweise eine Mischung aus Wasser und Ethylglykol. A mixture of water and ethyl glycol is preferably suitable as the intermediate carrier medium.
Für das Aussenrohr finden Wellrohre eine vorteilhafte Anwendung. Diese Wellrohre können beliebig hergestellt sein, wenn sie nur die an eine Erdsonde gestellten Forderungen erfüllen. Es hat sich als besonders zweckmässig erwiesen, wenn das oder die metallischen Wellrohre aus einem längseinlaufend zum Rohr geformten, an den Kanten dicht verschweissten und anschliessend gewellten Metall-band dünner Wandstärke bestehen. Als dünn im Sinne dieser Definition sollen Wandstärken eines Wellrohres von 0,2 bis 1,2 mm, vorzugsweise 0,4 bis 0,8 mm, verwendet werden. Wird die Wellung des dünnwandigen Aussenrohres so gewählt, dass sie wendeiförmig verläuft, dann ergibt sich als weiterer Vorteil, dass das z.B. bei zwei koaxialen Rohren im Ringraum zwischen dem inneren glatten Kunststoffrohr und dem äusseren gewellten Metallrohr befindliche Zwischenträgermedium in Turbulenz versetzt wird, die zu einem höchst gleichmässigen Wärmeübergang führt. Corrugated pipes are used advantageously for the outer pipe. These corrugated pipes can be made as desired if they only meet the requirements placed on an earth probe. It has proven to be particularly expedient if the metallic corrugated tube (s) consist of a thin metal strip which is formed longitudinally into the tube, sealed at the edges and then corrugated and then corrugated. Wall thicknesses of a corrugated tube of 0.2 to 1.2 mm, preferably 0.4 to 0.8 mm, should be used as thin in the sense of this definition. If the corrugation of the thin-walled outer tube is chosen so that it is helical, there is a further advantage that e.g. in the case of two coaxial tubes in the annular space between the inner smooth plastic tube and the outer corrugated metal tube, the intermediate carrier medium is set in turbulence, which leads to a highly uniform heat transfer.
Dabei ist weiter zu berücksichtigen, dass zum Zwecke der Erzielung einer Turbulenz des Zwischenträgermediums im Ringspalt dieser bei konzentrischen Rohren 6-10-4 bis 15-10~ 4m2, vorzugsweise 7-10-4 bis 10-10"4m2, betragen sollte. Die angegebenen Masse berücksichtigen einen mittleren Ringspalt zwischen glattem Innenrohr und gewelltem Aussenrohr. It should also be taken into account that for the purpose of achieving turbulence of the intermediate carrier medium in the annular gap, this should be 6-10-4 to 15-10 ~ 4m2, preferably 7-10-4 to 10-10 "4m2, for concentric pipes specified mass take into account an average annular gap between smooth inner tube and corrugated outer tube.
Sollte das Wellrohr im tiefen Bereich mit Aussensolen oder mit durch Kupfer, Kohlensäure oder dergleichen angereichertem Grandwasser in Verbindung kommen, können galvanische Ströme infolge Elementbildung auftreten. Die galvanische Spannung kann durch eine dem Wellrohr zugeordnete Potentialausgleichseinrichtung mit Opferanode ausgeglichen werden. Dadurch kann eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten erreicht werden. If the corrugated pipe comes into contact with outer brine or with water enriched with copper, carbonic acid or the like in the deep area, galvanic currents can occur due to element formation. The galvanic voltage can be compensated for by a potential equalization device with sacrificial anode assigned to the corrugated tube. This enables a lifespan of several decades to be achieved.
Nachfolgend wird anhand einer Zeichnungsfigur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to a drawing figure.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung des zum Kontakt mit dem Grundwasser und/oder feuchten Erdreiches ausgebildeten Bereichs des Wärmetauschers in seiner vorgesehenen Lage in einer Bohrung im Erdreich sowie ein s Blockschaltbild einer Wärmepumpe und eines Heizkreislaufs eines Gebäudes. The figure shows a schematic representation of the area of the heat exchanger designed for contact with the groundwater and / or moist soil in its intended position in a hole in the ground and a block diagram of a heat pump and a heating circuit of a building.
Im Erdreich 1 ist unterhalb des Mutterbodens 2 und einer Sandschicht 3 eine grundwasserführende Schicht 4 vorhanden. In dieses Erdreich wird eine Bohrung 5 eingebracht, io Ein insgesamt mit 6 bezeichneter Wärmeaustauscher weist einen Bereich 7 auf, der zum Einführen in die Bohrung 5 vorgesehen ist. Der Bereich 7 weist ein frei eingehängtes Innenrohr 8 auf, welchem ein Zwischenträgermedium von einer Zirkulationspumpe 9a entsprechend der Pfeilrichtung A is zuführbar ist. Das Zwischenträgermedium tritt am unteren Ende 9b eines vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden glatten Innenrohres 8 aus und strömt in einem den eigentlichen Wärmeaustauscher bildenden und als Wellrohr ausgebildeten Aussenrohr 10 in Pfeilrichtung B nach oben. Das 20 Wellrohr 10 ist über seine gesamte Länge einstückig ausgebildet und besteht aus legiertem Edelstahl. Die Wellenform des Wellrohres 10 weist ein Kordelgewinde oder eine wendeiförmige Wellung auf. Der Wärmeaustauscher ist im übrigen mit seiner Primärseite 16 einer Wärmepumpe 9 verbunden, 2s deren sekundäre Seite 15 über Leitungen 11 und 12 mit einem Heizkreislauf 13 eines Gebäudes verbindbar ist. Ein Druck-ausgleichsgefäss ist mit 14 bezeichnet. Dem Wellrohr 10 ist eine (nicht dargestellte) Potentialausgleichseinrichtung mit einer Opferanode zugeordnet. Die Funktion ist derart, dass so die im feuchten Erdreich bzw. Grundwasser enthaltene Wärme in dem gewellten Bereich des den eigentlichen Wärmeaustauscher bildenden Aussenrohres 10 auf das Zwischenträgermedium übergeht und in der Wärmepumpe 9 dem Zwischenträgermedium wieder entnommen wird. Da zwischen ss dem direkt mit dem Wellrohr 10 in Kontakt stehenden Grundwasser bzw. feuchten Erdreich und dem umgebenden Grundwasser bzw. feuchten Erdreich ständig ein Temperaturausgleich stattfindet, wird die durch das Zwischenträger-medium erfolgende Temperaturabsenkung kontinuierlich 40 kompensiert. Es kommt hinzu, dass die Wärmepumpe 9 diskontinuierlich arbeitet und während des Betriebsstillstandes ein weiterer Temperaturausgleich erfolgen kann. In the ground 1 there is a groundwater layer 4 below the topsoil 2 and a sand layer 3. A hole 5 is made in this soil, io. A heat exchanger, designated as a whole by 6, has a region 7 which is provided for insertion into the hole 5. The area 7 has a freely suspended inner tube 8, to which an intermediate carrier medium can be fed by a circulation pump 9a in the direction of the arrow A is. The intermediate carrier medium exits at the lower end 9b of a smooth inner tube 8, which is preferably made of plastic, and flows upward in the direction of arrow B in an outer tube 10 which forms the actual heat exchanger and is designed as a corrugated tube. The 20 corrugated tube 10 is formed in one piece over its entire length and consists of alloyed stainless steel. The wave shape of the corrugated tube 10 has a cord thread or a helical corrugation. The heat exchanger is otherwise connected to its primary side 16 of a heat pump 9, 2s whose secondary side 15 can be connected to a heating circuit 13 of a building via lines 11 and 12. A pressure compensation vessel is designated by 14. A potential equalization device (not shown) with a sacrificial anode is assigned to the corrugated tube 10. The function is such that the heat contained in the moist soil or groundwater is transferred to the intermediate carrier medium in the corrugated area of the outer tube 10 which forms the actual heat exchanger and is removed from the intermediate carrier medium in the heat pump 9. Since there is a constant temperature compensation between the groundwater or moist soil that is in direct contact with the corrugated pipe 10 and the surrounding groundwater or moist soil, the temperature drop that occurs through the intermediate carrier medium is continuously compensated 40. In addition, the heat pump 9 operates discontinuously and a further temperature compensation can take place during the shutdown.
Eine mögliche Ausführungsform der Erdsonde besteht beispielsweise aus einem gewellten Aussenrohr 10 mit einem 4s maximalen Aussendurchmesser von 45 mm und einem minimalen Innendurchmesser von 39 mm. Die Wandstärke des aus Edelstahl hergestellten Wellrohres 10 beträgt zweckmässig 0,75 mm, die Länge des Wellrohres 10, die in das Erdreich eingebracht wird, beträgt 50 m. Das koaxiale Innenrohr so 8, z.B. aus Polyäthylen, ist ein Glattrohr, es kann in der vorgesehenen Ausführung z.B. einen Aussendurchmesser von 25 mm und einen Innendurchmesser von 19,6 mm aufweisen. Der minimale Ringspalt zwischen dem Glattrohr 8 und dem Wellrohr 10 beträgt dann etwa 7-1 O^m2, der mittlere Ring-55 spalt 9-10_4m2. In der Regel soll der Ringspalt 6-10_4m2 bis 15-10_4m2 betragen. A possible embodiment of the earth probe consists, for example, of a corrugated outer tube 10 with a 4s maximum outer diameter of 45 mm and a minimum inner diameter of 39 mm. The wall thickness of the corrugated pipe 10 made of stainless steel is expediently 0.75 mm, the length of the corrugated pipe 10 which is introduced into the ground is 50 m. The coaxial inner tube 8, e.g. made of polyethylene, is a smooth tube, it can be e.g. have an outer diameter of 25 mm and an inner diameter of 19.6 mm. The minimum annular gap between the smooth tube 8 and the corrugated tube 10 is then about 7-1 O ^ m2, the middle ring-55 gap 9-10_4m2. As a rule, the annular gap should be 6-10_4m2 to 15-10_4m2.
Die Herstellung einer sochen Erdsonde aus z.B. zwei koaxialen Rohren kann so vorgenommen werden, dass um ein inneres, glattes Kunststoffrohr ein Stahlband zumAussen-60 rohr geformt, an den Kanten verschweisst und anschliessend gewellt wird. Man kann aber auch so vorgehen, dass in ein fertiges Aussenrohr das aus Kunststoff bestehende Innenrohr eingeführt wird. Wesentlich ist in jedem Fall, dass auf diese Weise einstückige Erdsonden von 50,100,200 m oder mehr ss hergestellt werden können, wobei sich das im Innern frei hängend angeordnete Kunststoffrohr im Betrieb in seiner Lage selbst stabilisiert. The production of such a geothermal probe from e.g. Two coaxial tubes can be made in such a way that a steel band is formed around the inner, smooth plastic tube to the outer tube, welded at the edges and then corrugated. However, one can also proceed in such a way that the inner tube made of plastic is inserted into a finished outer tube. It is essential in any case that one-piece geothermal probes of 50, 100, 200 m or more ss can be produced in this way, the position of the freely suspended plastic tube stabilizing itself during operation.
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