CH687043A5 - Erdsonde. - Google Patents

Description

  
 



  Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Erdsonden zur Nutzung geothermischer Wärme für Heizungszwecke. 



  Erdsonden gewinnen zunehmend an Bedeutung bei der Nutzung geothermischer Wärme für Heizungszwecke, insbesondere für Gebäudeheizungen. Es handelt sich dabei allgemein um Leitungssysteme, die in Bohrlöcher abgesenkt werden, deren Tiefe bei bekannten Ausführungen bis 140 m beträgt. Die Erdsonde wird von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt, die die Erdwärme über die Sondenwände aus dem Erdreich aufnimmt. Die Wärme wird der Flüssigkeit in der Regel über eine Wärmepumpe entzogen und zum Beispiel für Gebäudeheizung verwendet. Durch den Wärmeentzug wird das Erdreich um die Erdsonde stark abgekühlt. Werden dabei Temperaturen um und unter 0 DEG C erreicht, müssen zusätzlich Frostschutzmassnahmen getroffen werden. Schliesslich sinkt auch der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe mit abnehmender Temperatur der Wärmequelle, d.h. der Temperatur des Rücklaufs von der Erdsonde, ab.

  Zur Vermeidung dieser nachteiligen Effekte werden einerseits die jährliche Betriebszeit der Erdsonden beschränkt und eine entsprechend grosse Anzahl Erdsonden eingesetzt. Daneben ist auch ein guter Wärmeübergang zwischen Erdreich und Erdsonde eine erstrangige Optimierungsgrösse. Schliesslich kann die Wirkung einer Erdsonde auch durch ihre Verlängerung, das heisst den Vorstoss in grössere Tiefen, erhöht werden. Dem wird jedoch durch den zunehmenden Strömungswiderstand und hydrostatischen Druck eine Grenze gesetzt. 



  Die üblichen Ausführungen von Erdsonden werden in Bohrungen von 110-130 mm Durchmesser und einer Tiefe bis 140 m eingesetzt. Der Raum zwischen Bohrungswand und der Erdsonde wird zum Beispiel durch eine Zement-Opalitsuspension aufgefüllt. Gemäss neuen Vorschriften muss diese Füllung durch  Injektion unter Druck vom Fuss der Bohrung ausgehend geschehen. Es muss daher zusätzlich zu den Leitungen der Erdsonde ein Injektionsrohr bis zum Grund der Bohrung hinabgeführt werden. 



  Eine gängige Ausführung einer Erdsonde besteht aus einer gleichen Anzahl Vorlauf- und Rücklaufrohre, die jeweils entweder paarweise durch ein U-Stück verbunden sind oder in einen gemeinsamen Sondenfuss zusammengefasst werden. Ein Problem bei diesen Ausführungen besteht darin, dass der Rücklauf während des Aufstiegs aus der Tiefe Wärme an den Vorlauf bzw. an das abgekühlte Erdreich verliert. 



  Eine Weiterentwicklung der Sonden besteht gemäss dem Schweizer Patent CH 658 513 darin, ein spezielles Profilrohr zu verwenden. Im Mantel des Profilrohrs werden dabei die Vorlaufleitungen ausgeformt, während im Profilrohr der Rücklauf erfolgt. Das untere Ende der Sonde wird durch einen Sondenfuss verschlossen und weist Verbindungsöffnungen zwischen den Vorlaufkanälen und dem Innenraum auf. Bei dieser Konstruktion treten nur die Vorlaufleitungen in direkten Wärmekontakt mit der Umgebung der Erdsonde.

  Nachteilig an dieser Konstruktion sind jedoch unter anderem der hohe Preis seiner Fertigung, die geringe Wärmetauscherfläche, die im Prinzip identisch ist mit der Oberfläche eines einfachen Rohres, der relativ hohe Strömungswiderstand, der sich aus dem notwendigerweise relativ geringen Querschnitt der Vorlaufkanäle ergibt, und schliesslich die fehlende Injektionsmöglichkeit, da ein Injektionsrohr nicht vorgesehen ist. Auch ist diese Sonde wegen des grossen Durchmessers und der wegen des dicken Mantels hohen Steifigkeit nur mit Schwierigkeiten nach dem üblichen Verfahren verlegbar. Bei diesem Verfahren werden die üblicherweise aus Kunststoff bestehenden Rohre der Erdsonde von Vorratsrollen in das Bohrloch über Umlenkrollen eingeführt, wofür eine bestimmte Kombination von Biegsamkeit und Steifigkeit erforderlich  ist.

  Eine zu geringe Steifigkeit kann z.B. zu einem Abknicken über den Umlenkrollen führen. 



  Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Erdsonde mit verbessertem Wirkungsgrad anzugeben. 



  Eine derartige Erdsonde wird im Anspruch 1 definiert. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen an. 



  Die erfindungsgemässe Erdsonde weist demnach ein zentrales Rücklaufrohr und dieses umgebende Vorlaufrohre mit kleinerem Querschnitt auf. Überraschend wurde gefunden, dass durch eine Reduzierung des Verhältnisses von Querschnitt des Rücklaufrohrs zur Summe der Querschnitte der Vorlaufrohre und deren zwangsläufige technische Konsequenzen eine Erdsonde mit wesentlich erhöhtem Wirkungsgrad erhalten wird, die aus marktgängigen Bauteilen mit Ausnahme des Sondenfusses zusammengesetzt und leicht verlegt werden kann und darüber hinaus den Vorteil bietet, die möglichen Verlegungstiefen beträchtlich zu erhöhen, insbesondere bis Tiefen von 200 m und mehr. 



  Die Reduktion des genannten Querschnittverhältnisses führt zu einem gegenüber den bekannten Ausführungen kleiner dimensionierten Rücklaufrohr. Durch den Wegfall der Isolation, die auch zur Druckstabilität des Rücklaufrohrs beigetragen hat, ist es nötig, ein Rücklaufrohr mit höherer Wandstärke als die Vorlaufrohre zu verwenden. Diese höhere Wandstärke führt zusammen mit der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit im Rücklaufrohr zu einer überraschend hohen Verminderung des Wärmeverlusts aus dem Rücklauf in die Umgebung bzw. mit den Vorlaufrohren. Der insgesamt durch den Wegfall der Isolation des Rücklaufrohrs freigewordene Raum in der Erdsondenbohrung wird genutzt, indem insgesamt grössere Rohre für Rücklauf bzw. Vorlauf verwendet werden. Dadurch ergibt sich insgesamt eine grössere Wassermenge und  damit Wärmekapazität pro Meter Erdsonde.

  In der Folge kann die Strömungsgeschwindigkeit der Wärmeträgerflüssigkeit reduziert werden. Da bei der erfindungsgemässen Erdsonde Rohre verwendet werden, die über die gesamte Länge konstanten Querschnitt aufweisen, ergibt sich ein günstiger Strömungswiderstand, der zusammen mit der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit zu niedrigen Umwälzpumpenleistungen führt. Der Wärmeaustausch der Vorlaufrohre erfolgt im wesentlichen über deren gesamte Oberfläche, was einen wesentlichen Fortschritt gegenüber dem bekannten Profilrohr bedeutet. 



  Die Erfindung soll weiter an einem Ausführungsbeispiel anhand von Figuren erläutert werden. 
 
   Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Erdsonde, 
   Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den Sondenfuss, und 
   Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Erdsonde. 
 



   Die Erdsonde 1 besteht aus dem Sondenfuss 3, der vorgefertigt an der Baustelle angeliefert wird, wo die Vorlaufrohre 5 und das Rücklaufrohr 7 mittels Elektroschweissmuffen 9 auf bekannte Art mit den jeweiligen Anschlussstutzen für die Vorlaufrohre 11 bzw. das Rücklaufrohr 12 am Sondenfuss 3 verbunden werden. Die genannten Teile, also Sondenfuss 3, Muffen 9 und die Anschlussstutzen 11, 12 bestehen aus einem langzeitstabilen Kunststoff. Damit können ohne weiteres die nötigen, langjährigen Garantiezeiten bezüglich Leckfreiheit gegeben werden. Besonders vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist, dass der vorfabrizierte Sondenfuss im Werk auf Druckfestigkeit, in der Regel auf einen Druck grösser als 20 Bar, geprüft werden kann.

  Eine in diesem Zusammenhang charakteristische Grösse ist der Mindestabstand zwischen  den Anschlussstutzen 11, 12 am Sondenfuss, der z.B. für einen Prüfdruck von 22 Bar mindestens 10 mm betragen muss. 



  Die weiteren Teile, wie Elektroschweissmuffen 9 und Rohre 5 bzw. 7 sind in der Gastechnik standardmässig vorhandene Teile und sind daher trotz der hohen Anforderungen wie Druck (z.B. 22 Bar) und Berstdruck (z.B. 40 Bar und mehr) zu einem günstigen Preis erhältlich. Auch das Ansetzen der Rohre 5, 7 an die Anschlussstutzen 11, 12 über Elektroschweissmuffen 9 ist aus der Gastechnik bekannt und kann daher mit grosser Zuverlässigkeit durchgeführt werden. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird in den Vorlaufrohren 5 in die Tiefe geleitet, tritt über die Stutzen 11 gemäss Pfeilen 14 (Fig. 2) in den Sondenfuss 3 ein und gemäss Pfeilen 15 in das zentrale Rücklaufrohr 7 mit z.B. doppelter Geschwindigkeit aus, um zurückzufliessen. 



  Die bevorzugte Ausführungsform weist 8 Rücklaufrohre auf, die einen Durchmesser d und eine Wandstärke s aufweisen. Daraus ergibt sich ein Gesamtumfang von d *  * 8 und ein Gesamtvorlaufquerschnitt von (d/2)<2> *  * 8. Im Rücklaufrohr soll zum Beispiel die doppelte Strömungsgeschwindigkeit herrschen, d.h., der Querschnitt des Rücklaufrohrs 7 muss die Hälfte des Gesamtquerschnitts der Vorlaufrohre 5 sein. Daraus ergibt sich, dass der Durchmesser des Rücklaufrohrs dr doppelt so gross wie der Durchmesser der Vorlaufrohre 5 sein muss: dr = 2 * d. Daraus ergibt sich ein Umfang Ur, der 1/4 des Gesamtumfangs der Vorlaufrohre 5 beträgt: Ur = 2 * d *  . Da der Wärmeaustausch unter anderem eine lineare Funktion der Oberfläche der Rohre ist, wird durch diese verminderte Oberfläche des Rücklaufrohrs 7 bereits eine Isolationswirkung erzielt.

  Dadurch, dass der Querschnitt des Rücklaufrohrs 7 die Hälfte des Gesamtquerschnitts der Vorlaufrohre 5 ist, wird eine doppelt so hohe Strömungsgeschwindigkeit im Rücklaufrohr als in den Vorlaufrohren 5 erzwungen, wodurch die Verweilzeit der Wärmeträgerflüssigkeit im Rücklaufrohr 7 auf die Hälfte verkürzt wird, und damit der Wärmeaustausch mit der Umgebung nochmals in etwa halbiert wird. Schliesslich wird auch eine grössere Wandstärke des Rücklaufrohres 7 erzwungen, zum Beispiel das Doppelte der Wandstärke der Vorlaufrohre 5: sr = 2 * s, um die geforderte Druckstabilität einhalten zu können. Durch diese erhöhte Wandstärke wird der Wärmeaustausch zwischen Rücklauf und Umgebung nochmals reduziert. 



   Bei Verwendung standardmässig vorhandener Rohre aus der Gastechnik können z.B. für die Vorlaufrohre 5 solche von etwa 20 mm Innendurchmesser und von etwa 40 mm Innendurchmesser für das Rücklaufrohr 7 gewählt werden, die mit einem Innendurchmesser von 20,4 mm bzw. 40,8 mm und einem Aussendurchmesser von 25 mm bzw.       50 mm verfügbar sind. Der Gesamtdurchmesser der Sonde ist dann so, dass sie in Erdsondenbohrungen mit einem Bohrdurchmesser von mehr als   140 mm und bevorzugt von etwa 170 mm Durchmesser eingeführt werden kann. Die Erdsonde ist jedoch auch für grössere Tiefen als 20 die bisherigen 140 m geeignet.

  Ein Grund hierfür ist die Verwendung bekannter und gut beherrschter Techniken, die es ohne Probleme erlauben, die Erdsonde auf die bei diesen Baulängen auftretenden Drücke auszulegen, wobei bereits der hydrostatische Druck einer 200 m hohen Flüssigkeitssäule zu einem Innendruck im Bereich des Sondenfusses von ca.   20 Bar führt, wozu noch der Druck zur Überwindung des Strömungswiderstandes kommt. 



  Die erfindungsgemässe Sonde lässt sich ohne weiteres in Längen von 200 m und mehr, d.h. auch für ebenso grosse Tiefen verwenden. Für derartige Längen bzw. Tiefen wird vermutet, dass Temperaturen der Wärmeträgerflüssigkeit unter 0 DEG C sicher vermieden werden, da die Anlage auf einem höheren Temperaturniveau läuft. Dadurch erübrigt sich ein Frostschutz und ein höherer Wirkungsgrad der angeschlossenen Wärmepumpe wird erreicht. 



  Ein weiteres Problem stellt sich bereits bei den herkömmlichen Tiefen und verschärft bei den jetzt erzielbaren grösseren Tiefen. Erdsonden werden üblicherweise verlegt, indem das Rohrmaterial endlos auf Rollen bereitgestellt und über geeignete Umlenkvorrichtungen direkt in das Erdsondenloch eingeführt wird. Die erfindungsgemässe Erdsonde erlaubt es, die Erdsonde nach diesem einfachen Verfahren zu verlegen, ohne dass die Vorlaufrohre 5 gegenüber dem Rücklaufrohr 7 fixiert werden müssten, da die Vorlaufrohre 5 im Verhältnis zum Rücklaufrohr 7 genügend gross dimensioniert sind und damit eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, um ein Abknicken während des Verlegens entweder im Sondenloch oder in den Umlenkeinrichtungen zu verhindern. Andererseits sind Rücklaufrohre 7 und Vorlaufrohre 5 noch biegsam genug, um das genannte Verlegeverfahren anwenden zu können.

  Insbesondere Profilrohre oder mit einem Isoliermantel versehene Rohre bereiten wegen ihrer hohen Steifigkeit Probleme, während die bisher verwendeten, relativ dünnen Vorlaufrohre zum Abknicken neigen. Verschärft wird das Problem des Abknickens und damit der Vorteil der erfindungsgemässen Erdsonde bei den grösseren Bohrdurchmessern, die insbesondere bei tieferen Erdsondenbohrungen angewendet werden, wie z.B. 170 mm anstatt üblicherweise bis 110 mm Durchmesser. 



  Das Injektionsrohr zum Auffüllen vom Grunde her unter Druck mit der üblicherweise verwandten Zement-Opalitsuspension kann ohne weiteres noch zusätzlich zur Erdsonde in der Bohrung untergebracht werden, da der freie Raum zwischen Bohrlochwand und Rücklaufrohr 7 von den Vorlaufrohren 5 nicht annähernd vollständig ausgefüllt wird. Dadurch wird auch eine thermische Entkopplung der Vorlaufrohre bewirkt und die Wärmeaufnahme aus dem umgebenden Erdreich erfolgt mit einem grösseren Wirkungsgrad. 



   Mögliche Variationen in der Konstruktion der Erdsonde sind dem Fachmann im Rahmen der Erfindung ohne weiteres zugäng lich. Es ist zum Beispiel denkbar, mehr oder weniger als acht Vorlaufrohre 5 einzusetzen, das Verhältnis zwischen Querschnitt des Rücklaufrohrs und Gesamtquerschnitt der Vorlaufrohre zu verändern, wobei jedoch Verhältnisse ausserhalb des Bereichs von etwa 1:1,5 bis etwa 1:3 entweder zu hohen Wärmeverlusten aus dem Rücklaufrohr oder zu drastisch erhöhten Strömungswiderständen der Erdsonde führen. 

Claims (9)

1. Erdsonde mit einer Rücklaufleitung (7), die Rücklaufleitung (7) umgebenden Vorlaufleitungen (5) und einem Kopf (3), der die Rücklaufleitung (7) mit den Vorlaufleitungen (5) verbindet, wobei die Leitungen (5, 7) druckfeste Kunststoffrohre sind, dadurch gekennzeichnet, dass die nutzbare Querschnittsfläche der Rücklaufleitung (7) weniger als 2/3 der Summe der Querschnittsflächen der Vorlaufleitungen (5) beträgt.

2. Erdsonde gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Rücklaufleitung (7) halb so gross ist wie die Summe der Querschnitte der Vorlaufleitungen (5).

3.

Erdsonde gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufleitung (7) und die Vorlaufleitungen (5) auf denselben Nenndruck ausgelegt sind, indem die Rücklaufleitung (7) aus einem Rohr mit einer grösseren Wandstärke besteht als die für die Vorlaufleitungen (5) verwendeten Rohre.

4. Erdsonde gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass acht Vorlaufleitungen (5) vorhanden sind und dass der Querschnitt der Rücklaufleitung (7) die Hälfte der Summe der Querschnitte der Vorlaufleitungen (5) beträgt.

5.

Erdsonde gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlaufleitungen (5) einen Innendurchmesser von etwa 20 mm, vorzugsweise 20,4 mm, und die Rücklaufleitung (7) einen Innendurchmesser von etwa 40 mm, vorzugsweise 40,8 mm, aufweisen und dass die Wandstärke der Rücklaufleitung (7) etwa das Doppelte der Wandstärke der Vorlaufleitungen (5) beträgt.

6. Erdsonde gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Länge von mehr als 140 m.

7. Erdsonde gemäss Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Länge von mehr als 200 m.

8. Verwendung der Erdsonde gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7 in Bohrungen von mehr als 140 mm Durchmesser.

9. Verwendung gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen einen Durchmesser von etwa 170 mm aufweisen. 1. Erdsonde mit einer Rücklaufleitung (7), die Rücklaufleitung (7) umgebenden Vorlaufleitungen (5) und einem Kopf (3), der die Rücklaufleitung (7) mit den Vorlaufleitungen (5) verbindet, wobei die Leitungen (5, 7) druckfeste Kunststoffrohre sind, dadurch gekennzeichnet, dass die nutzbare Querschnittsfläche der Rücklaufleitung (7) weniger als 2/3 der Summe der Querschnittsflächen der Vorlaufleitungen (5) beträgt. 2. Erdsonde gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Rücklaufleitung (7) halb so gross ist wie die Summe der Querschnitte der Vorlaufleitungen (5). 3.

Erdsonde gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufleitung (7) und die Vorlaufleitungen (5) auf denselben Nenndruck ausgelegt sind, indem die Rücklaufleitung (7) aus einem Rohr mit einer grösseren Wandstärke besteht als die für die Vorlaufleitungen (5) verwendeten Rohre. 4. Erdsonde gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass acht Vorlaufleitungen (5) vorhanden sind und dass der Querschnitt der Rücklaufleitung (7) die Hälfte der Summe der Querschnitte der Vorlaufleitungen (5) beträgt. 5.

Erdsonde gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlaufleitungen (5) einen Innendurchmesser von etwa 20 mm, vorzugsweise 20,4 mm, und die Rücklaufleitung (7) einen Innendurchmesser von etwa 40 mm, vorzugsweise 40,8 mm, aufweisen und dass die Wandstärke der Rücklaufleitung (7) etwa das Doppelte der Wandstärke der Vorlaufleitungen (5) beträgt. 6. Erdsonde gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Länge von mehr als 140 m. 7. Erdsonde gemäss Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Länge von mehr als 200 m. 8. Verwendung der Erdsonde gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7 in Bohrungen von mehr als 140 mm Durchmesser. 9. Verwendung gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen einen Durchmesser von etwa 170 mm aufweisen.