Die Erfindung betrifft eine Anlage gemäss oberbegriff des Anspruches 1.
Anlagen der eingangs genannten Art sind mehrfach bekannt, so beispielsweise aus der EP-PS 0 386 176. Ein solches offenes, das heisst druckloses System, bei dem also die Vorlaufleitung und die Rücklaufleitung eines Erdwärmetauschers kein geschlossenes Rohrleitungssystem bilden, hat sich sehr gut bewährt. Bei lockeren geologischen Schichten oder verschmutztem Wasser besteht die Gefahr, dass sich der Rücklaufbereich und insbesondere auch der Bereich der Eintrittsöffnungen in das Trennrohr zusetzen, so dass eine Zirkulation des Rücklaufwassers mit dem Vorlauf nicht mehr möglich oder zumindest erschwert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage der eingangs genannten Art weiter zu verbessern, so dass der Wasserkreislauf gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Dadurch, dass mindestens der die Eintrittsöffnungen aufweisende Bereich des Trennrohres mit einer Schutzkappe umgeben ist, deren Seitenwand mit der Aussenwand des Trennrohres eine Kammer bildet, in die Rücklaufrohre münden, wird verhindert, dass Sedimente oder sonstige Verunreinigungen in den Bereich der Durchtrittsöffnungen des Rück laufrohres und die Eintrittsöffnungen des Trennrohres gelangen und dadurch die Strömung erschweren oder gar verhindern können. Somit wird auch bei ungünstigen geologischen Verhältnissen und/oder bei einem mit Schwemmstoffen verunreinigten Grundwasser der Wasserkreislauf dennoch sichergestellt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlage sind in den Ansprüchen 2 bis 9 beschrieben.
Es ist zweckmässig, wenn die Schutzkappe nach Anspruch 2 das untere Ende des Trennrohres abschliesst, wodurch am Boden des Bohrloches vorhandene Verunreinigungen nicht ins Trennrohr gelangen können und überdies die Schutzkappe auch einen sicheren Halt am Trennrohr findet.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die Kammer das Trennrohr nicht vollständig umgibt, vorteilhafter ist jedoch eine Ausgestaltung nach Anspruch 3.
Um ein weiteres Eindringen von Verunreinigungen in die Kammer zumindest zu erschweren, ist eine Weiterbildung der Anlage nach Anspruch 4 von Vorteil. Das Filter verhindert so das Eindringen von Verunreinigungen in die Kammer und stellt trotzdem eine Kommunikation des Kammerinnenraumes mit der Umgebung sicher, um das offene System zu gewährleisten.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die den Vorlauf speisende Pumpe im Bereich der Schutzkappe angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung nach Anspruch 5, wobei die Schutzkappe den Kommunikationsbereich zwischen dem Rücklaufbereich und dem Inneren des Trennrohres sichert und damit die Funktionsfähigkeit der Anlage verbessert.
Insbesondere bei grossen Tiefen des Erdwärmetauschers entfaltet die Ausgestaltung nach Anspruch 6 grosse Vorteile, da durch die Vielzahl der Rücklaufrohre dennoch ein guter Wärmeaustausch zwischen der Umgebung und dem Rücklaufwasser in den Rücklaufrohren gegeben ist. Dieser Wärmeaustausch kann durch eine Weiterbildung nach Anspruch 7 verbessert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rücklaufrohre gemäss Anspruch 8 einen kleinen Durchmesser haben und kleine Wandstärken, so dass möglichst viel Rücklaufwasser wenigstens in indirekte Berührung mit der Umgebung kommt.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die Rücklaufrohre im Bereich der Schutzkappe frei münden. Der Flüssigkeitsaustausch wird jedoch durch eine Ausgestaltung nach Anspruch 9 verbessert.
Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben, dabei zeigen:
Fig. 1 eine Anlage in schematischer Darstellung, im Vertikalschnitt;
Fig. 2 die Anlage der Fig. 1, wobei das Vorlaufrohr und die Pumpe im Abstand vom Boden des Bohrloches angeordnet sind; und
Fig. 3 den Schutzkappenbereich der Anlage der Fig. 2 in grösserem Massstab.
Die Fig. 1 zeigt eine Anlage zur Nutzung der Erdwärme, beispielsweise zur Beheizung eines Hauses 2. Hierzu enthält das Haus einen Energietauscher, der als Wärmepumpe 4 ausgebildet ist, die in einem Medienkreislauf 6 einen Verdampfer 8, einen Verdichter 10, einen Verflüssiger 12 und ein Dros selventil 14 enthält. Solche Wärmepumpen 4 sind bekannt.
An dem Verflüssiger 12 sind in bekannter Weise eine Heizungsanlage 16 mit einem Heizungsvorlauf 18, der eine Umwälzpumpe 20 enthält, und mit einem Wärmeverbraucher 22 angeschlossen. Von letzterem stellt ein Heizungsrücklauf 24 die Verbindung zum Verflüssiger 12 wieder her.
Der Verdampfer 8 ist über eine Vorlaufleitung 26a und eine Rücklaufleitung 26b mit einem Erdwärmetauscher 25 verbunden, der ein wärmeisolierendes Vorlaufrohr 27 und eine Pumpe 28 enthält, welche am Grund 30 eines Bohrloches 32 oder wie im Beispiel der Fig. 2 und 3 mit Abstand vom Grund angeordnet ist. Das Vorlaufrohr 27 und die Pumpe 28 sind von einem Trennrohr 34 umgeben, an das sich radial nach aussen bis zur Bohrlochwandung 36 ein Rücklaufbereich 38 anschliesst, in dem eine poröse Füllung 39 aus Kies angeordnet ist. In diesem Rücklaufbereich 38 sind überdies mehrere im Umfang verteilte Rücklaufrohre 40 angeordnet, die in einer gemeinsamen Rücklaufleitung 26b zusammengefasst sind, welche am Verdampfer 8 angeschlossen ist.
Der am Grund 30 des Bohrloches 32 angeordnete Endbereich des Trennrohres 34, in dem die Pumpe 28 angeordnet ist, ist von einer Schutzkappe 43 umgeben. Letztere weist einen das Trennrohr 34 nach unten abschliessenden Bodenteil 44 auf, an den sich seitlich eine ringförmige Seitenwand 46 anschliesst, die mit dem Trennrohr eine ringförmige Kammer 48 bildet. Die Seitenwand 46 reicht mindestens über den Bereich des Trennrohres 34, der mit Eintrittsöffnungen 50 versehen ist. In der ringförmigen Kammer 48 endigen auch die Rücklaufrohre 40, die dort mit seitlichen Durchtrittsöffnungen 52 versehen sind, durch die das Rücklaufwasser austreten und über Eintrittsöffnungen 50 in den Bereich des Trennrohres 34 eintreten und dort von der Pumpe 28 in das Vorlaufrohr 27 gepumpt werden kann.
Die Kammer 48 ist am oberen Rand mit einem Filter 54 abgedeckt, so dass aus der Wandung 36 des Bohrloches 32 und/oder aus der porösen Füllung 39 keine Verunreinigungen in die ringförmige Kammer 48 eintreten können.
Die Fig. 2 und 3 zeigen die Anlage gemäss Fig. 1, wobei jedoch das Vorlaufrohr 27 und die Pumpe 28 nicht bis an den Grund 30 des Bohrloches 32 reichen, sondern mit Abstand davon angeordnet sind. Unterhalb der Pumpe 28 geht das Trennrohr 34 in einen Abschnitt 34a mit kleinerem Innenquerschnitt über, wobei das Trennrohr in diesem Abschnitt überdies wärmeisolierend ausgebildet ist. Die übrige Ausgestaltung des Endbereiches des Trennrohres 34a entspricht jener der Fig. 1, so dass gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und für das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 den Zusatz a tragen.
Während die Ausgestaltung nach der Fig. 1 für Bohrtiefen von 250 m bis 350 m besonders geeignet ist, ermöglicht die Ausbildung nach den Fig. 2 und 3 wesentlich grössere Bohrtiefen von 500 m bis 800 m und tiefer. Grundsätzlich hängt die untere Grenze der Bohrtiefe nur vom Bohrgerät ab. Die Pumpe wird bei solch tiefgehenden Erdwärmetauschern zweckmässigerweise in einer Tiefe von 250 m bis 350 m angeordnet. Durch den kleinen Innenquerschnitt des verlängerten vorzugsweise wärmeisolierenden Trennrohres entsteht ein starker thermischer Auftrieb des erwärmten Vorlaufwassers, wodurch die Funktionsfähigkeit und der Wirkungsgrad der Anlage wesentlich verbessert wird.
Die Rücklaufrohre bestehen vorzugsweise aus hochwärmeleitendem Material, wie beispielsweise Kupfer. Sie weisen einen kleinen Querschnitt von beispielsweise 9 mm auf und haben nur eine relativ geringe Wandstärke von beispielsweise 1 mm. Die Anordnung ist vorzugsweise so getroffen, dass der Umfang des Trennrohres relativ dicht mit Rücklaufrohren belegt ist. Das Trennrohr ist vorzugsweise wärmeisolierend ausgebildet und besteht aus vorzugsweise relativ dickwandigem Kunststoff. Eingebrachte Hohlräume im Kunststoff verbessern die wärmeisolierenden Eigenschaften.
The invention relates to a system according to the preamble of claim 1.
Plants of the type mentioned at the outset are known several times, for example from EP-PS 0 386 176. Such an open, that is to say a depressurized system, in which the feed line and the return line of a geothermal heat exchanger do not form a closed pipeline system, has proven very successful. In the case of loose geological layers or contaminated water, there is a risk that the return area and in particular also the area of the inlet openings become clogged in the separating pipe, so that circulation of the return water with the flow is no longer possible or at least difficult.
The object of the invention is to further improve a system of the type mentioned at the outset so that the water cycle is ensured.
This object is achieved by the characterizing features of claim 1. The fact that at least the area of the separating pipe which has the inlet openings is surrounded by a protective cap, the side wall of which forms a chamber with the outer wall of the separating pipe, into which return pipes open, prevents sediment or other impurities get into the area of the passage openings of the return pipe and the entry openings of the separating pipe and can thereby complicate or even prevent the flow. Thus, the water cycle is still ensured even in the case of unfavorable geological conditions and / or groundwater contaminated with floating substances.
Advantageous refinements of the system are described in claims 2 to 9.
It is expedient if the protective cap according to claim 2 closes off the lower end of the separating tube, so that contaminants present at the bottom of the borehole cannot get into the separating tube and, moreover, the protective cap also finds a secure hold on the separating tube.
In principle, it is possible that the chamber does not completely surround the separating tube, but an embodiment according to claim 3 is more advantageous.
In order at least to make it more difficult for contaminants to penetrate further into the chamber, a further development of the system according to claim 4 is advantageous. The filter thus prevents the ingress of contaminants into the chamber and still ensures communication between the chamber interior and the environment to ensure the open system.
In principle, it is possible that the pump feeding the flow is arranged in the area of the protective cap. An embodiment according to claim 5 is also particularly advantageous, the protective cap securing the communication area between the return area and the interior of the separating tube and thus improving the functionality of the system.
In particular at great depths of the geothermal heat exchanger, the embodiment according to claim 6 has great advantages, since the large number of return pipes nevertheless ensures good heat exchange between the surroundings and the return water in the return pipes. This heat exchange can be improved by a further development according to claim 7. It is particularly advantageous if the return pipes have a small diameter and small wall thicknesses, so that as much return water as possible comes into indirect contact with the surroundings.
In principle, it is possible that the return pipes open freely in the area of the protective cap. However, the liquid exchange is improved by an embodiment according to claim 9.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are described in more detail below with reference to the drawing, in which:
Figure 1 is a system in a schematic representation, in vertical section.
FIG. 2 shows the system of FIG. 1, the feed pipe and the pump being arranged at a distance from the bottom of the borehole; and
Fig. 3 shows the protective cap area of the system of Fig. 2 on a larger scale.
1 shows a system for using geothermal energy, for example for heating a house 2. For this purpose, the house contains an energy exchanger which is designed as a heat pump 4, which in a media circuit 6 has an evaporator 8, a compressor 10, a condenser 12 and contains a throttle valve 14. Such heat pumps 4 are known.
A heating system 16 with a heating flow 18, which contains a circulation pump 20, and with a heat consumer 22 are connected to the condenser 12 in a known manner. From the latter, a heating return 24 reconnects to the condenser 12.
The evaporator 8 is connected via a feed line 26a and a return line 26b to a geothermal heat exchanger 25, which contains a heat-insulating feed pipe 27 and a pump 28, which is at the bottom 30 of a borehole 32 or, as in the example in FIGS. 2 and 3, at a distance from the bottom is arranged. The feed pipe 27 and the pump 28 are surrounded by a separating pipe 34, to which a return area 38 adjoins radially outwards up to the borehole wall 36, in which a porous filling 39 made of gravel is arranged. In this return area 38 there are also a plurality of return pipes 40 distributed around the circumference, which are combined in a common return line 26b which is connected to the evaporator 8.
The end region of the separating tube 34, in which the pump 28 is arranged, arranged at the base 30 of the borehole 32 is surrounded by a protective cap 43. The latter has a bottom part 44 which closes off the separating tube 34 and to which an annular side wall 46 connects laterally, which forms an annular chamber 48 with the separating tube. The side wall 46 extends at least over the area of the separating tube 34 which is provided with inlet openings 50. The return pipes 40 also end in the annular chamber 48, which there are provided with lateral passage openings 52 through which the return water emerges and enter the region of the separating pipe 34 via entry openings 50 and can be pumped there into the supply pipe 27 by the pump 28.
The chamber 48 is covered at the upper edge with a filter 54, so that no impurities can enter the annular chamber 48 from the wall 36 of the borehole 32 and / or from the porous filling 39.
2 and 3 show the system according to FIG. 1, but the feed pipe 27 and the pump 28 do not extend to the bottom 30 of the borehole 32, but are arranged at a distance therefrom. Below the pump 28, the separating pipe 34 merges into a section 34a with a smaller internal cross section, the separating pipe also being designed to be heat-insulating in this section. The remaining configuration of the end region of the separating tube 34a corresponds to that of FIG. 1, so that the same features are provided with the same reference numerals and carry the addition a for the exemplary embodiment in FIGS. 2 and 3.
1 is particularly suitable for drilling depths of 250 m to 350 m, the design according to FIGS. 2 and 3 enables substantially greater drilling depths of 500 m to 800 m and deeper. Basically, the lower limit of the drilling depth only depends on the drilling machine. With such deep geothermal heat exchangers, the pump is expediently arranged at a depth of 250 m to 350 m. The small internal cross section of the elongated, preferably heat-insulating, separating tube creates a strong thermal buoyancy of the heated feed water, which significantly improves the functionality and efficiency of the system.
The return pipes are preferably made of highly thermally conductive material, such as copper. They have a small cross section of, for example, 9 mm and have only a relatively small wall thickness of, for example, 1 mm. The arrangement is preferably such that the circumference of the separating tube is covered with return tubes in a relatively tight manner. The separating tube is preferably heat-insulating and is preferably made of relatively thick-walled plastic. Cavities in the plastic improve the heat-insulating properties.