Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Einbringen einer Erdsonde gemäss Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Erdsonde gemäss Patentanspruch 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 Geschäftshäusern 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 Rohren können auch haarnadelförmig ausgebildete Rohre direkt in das Bohrloch eingelegt werden.
Aus der DE-A1 2 928 414 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 Zementationsschuh verschlossen. Das innere Rohr endet in einem Abstand zum untern Verschluss des äusseren Rohres, so dass Wärmetauschflüssigkeit 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 Eigengewicht des äusseren Rohres und mit entsprechenden Druckkräften überwunden werden kann.
In losem Gestein ist 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 länger, z.B. 500 m und tiefer in den Boden eindringen zu lassen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Einbringen einer Erdsonde in grosse Tiefen zu schaffen. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zu Grunde eine Erdsonde zu schaffen, die einen optimalen Wärmeübergang zum umliegenden Erdreich ermöglicht und allen grundwasserschutztechnischen Forderungen entspricht.
Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäss den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 sowie eine Erdsonde gemäss Anspruch 2 gelöst.
Es gelingt durch die Verwendung eines dehnungselastischen Schlauches als Aussenmantel der koaxial ausgebildeten Erdsonde einen optimalen Wärmeübergang zum Stahlrohr zu schaffen, welches als Einführhilfe und Abstützung der Wandung des Bohrloches in dieses eingebracht worden ist. Die Ausnutzung des statischen Druckes der Wärmetauscherflüssigkeit oder Heissdampf zur Aufweitung des äusseren koaxialen Rohres ermöglicht ein reibungsarmes Einführen desselben in das Stützrohr.
Die Erfindung wird anhand eines illustrierten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Koaxialerdsonde mit einem herkömmlichen Aufbau,
Fig. 2 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 (ungedehnter Mantel),
Fig. 5 einen Querschnitt längs Linie V-V in Fig. 2 im gedehnten unteren Bereich.
Die in Fig. 1 dargestellte Erdsonde 1 aus dem Stand der Technik ist direkt in eine Bohrung 3 im Erdreich 5 eingeführt. Ein allenfalls zwischen der Wandung der Bohrung 3 und der äusseren Wand des Mantelrohres 7 der Erdsonde vorliegender Zwischenraum 9 ist durch eine flüssig eingespritzte Zement- und/oder Bentonitlösung ausgefüllt, um einen optimalen besseren Wärmeübergang zwischen dem Mantelrohr 7 und dem Erdreich 5 zu erlangen. Ein zweites Rohr 11, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser 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 eingeleitet und steigt im Ringraum zwischen den beiden Rohren 7 und 11 wieder auf oder die Einleitung erfolgt im Ringraum und der Rückfluss im Rohr 11.
Die erfindungsgemässe Erdsonde 1, die geeignet ist, eine Wärmeträgerflüssigkeit bis in eine Tiefe von mehreren hundert Metern, z.B. 500 m und tiefer, hinunter zu führen, ist von einer Stahlverrohrung 13 umschlossen. Die Stahlverrohrung 13 weist bei einem Bohrlochdurchmesser von beispielsweise 21,6 cm einen Durchmesser von ca. 17,8 cm auf und besteht aus miteinander verschraubten oder verschweissten Rohrabschnitten, die nach dem Bohren des Bohrloches beispielsweise im "Rotary-Verfahren" in das Bohrloch eingeführt worden sind. Mit einem sogenannten Zementierschuh (nicht dargestellt), der am unteren Ende der Verrohrung 13 angebracht ist, kann der Zwischenraum zwischen dem Bohrloch 3 und der darin eingeführten Verrohrung 13 von unten nach oben ausgefüllt werden.
Diese Zementmasse, die mit Zusatzmitteln (Bentonit, Beschleuniger oder Verzögerer, Quarzstaub) versetzt werden kann, füllt den gesamten Ringraum bis zu Tage, 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 verhindert, dass lockeres Material in die Bohrung 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, dessen unteres Ende durch ein Fussstück 23 dicht verschlossen ist.
Der Schlauch 21 kann ab Rolle "endlos" oder mittels Spiegelschweissungen von Einzelabschnitten in die gewünschte Einbaulänge gebracht werden. Um das Einführen des Schlauches 21 zu erleichtern kann dieser vor dem Einführen mindestens 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 Vorteil, dass der Schlauch 21 durch die Wasserfüllung an seinem unteren Ende nicht gedehnt wird und dadurch keine grössere Reibung an der Stahlverrohrung 13 entstehen kann. Es kann auch eine sogenannter U-Liner eingesetzt werden. Solche U-Liner werden zur Sanierung von Kanalisationsrohren verwendet.
In das Innere des Schlauches wird ein Zentralrohr 25 von geringerem, beispielsweise 50-70 mm, Durchmesser eingesetzt. Das Zentralrohr 25 endet in einem Abstand vom Fussstück 23. Alternativ kann anstelle eines gewöhnliches Kunststoffrohres auch ein mit einer abschnittweisen Wandisolierung versehenes Steigrohr 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 Wärmeträgerflüssigkeit, 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 Ringraum wird dadurch vollständig geschlossen und ein inniger, wärmeleitender Kontakt zwischen dem Schlauch 21 und der Verrohrung 13 bewirkt. Selbstverständlich wurde bei der Materialwahl des Schlauches 21 darauf geachtet, dass dieser die geplan te Dehnung schadlos übersteht. Anstelle der Füllung mit Flüssigkeit kann auch ein entsprechender Schlauch, 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 keine Berührung mit der Verrohrung 13 mehr zustande kommen kann. Der Ringraum 31 wird später durch eine Wärmeträger-Rostschutzflüssigkeit aufgefüllt. Bei Verwendung eines durch wärme irreversibel gedehnten Schlauches ist das Einbringen Wärmeträger-/Rostschutzflüssigkeit nicht notwendig.
Die Wärmeübertragungsflüssigkeit kann durch das Zentralrohr 25 von oben nach unten geleitet und im Ringraum zwischen 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 Ringraum nach unten gepumpt und durch das Zentralrohr 25 nach oben zurückfliessen.
Die erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit, z.B. Wasser, wird einer Wärmepumpe (nicht dargestellt) zugeleitet und von dort nach Entzug eines Teils der Wärme wieder in die Erdsonde 1 eingeführt.
The invention relates to a method for introducing an earth probe according to the preamble of claim 1 and an earth probe according to claim 2.
Geothermal probes are used to extract heat from the ground and bring it to a higher energy level with the help of a heat pump.
Geothermal probes for the generation of geothermal energy for heating domestic water or for heating purposes in residential and commercial buildings usually reach a depth of 50 to 150 m. For this purpose, vertical boreholes are made in the ground and coaxial pipes for the supply and removal of heat exchange fluid, generally water, are installed in it. Instead of coaxial pipes, hairpin-shaped pipes can also be inserted directly into the borehole.
From DE-A1 2 928 414 a geothermal probe is known which consists of two coaxially arranged tubes. The outer pipe is in direct contact with the ground via a cementation (with / or without additives) and is closed at the bottom by a sealant such as a cement plug. The inner tube ends at a distance from the lower closure of the outer tube, so that heat exchange fluid can either be passed down through the inner tube and upward in the outer tube or vice versa. The installation of such coaxial probes in short boreholes in the range from 50 to a maximum of 150 m can be done without major problems, because the friction of the outer tube on the wall of the bore can be overcome by the high weight of the outer tube and with appropriate pressure forces.
In loose rock, however, it is difficult to insert a pipe into the borehole whose diameter is only slightly smaller than the borehole diameter.
In order to achieve a higher withdrawal performance and thus a better efficiency of the system, it is necessary to extend the earth probe significantly longer, e.g. Let it penetrate 500 m and deeper into the ground.
The object of the present invention is to create a method for inserting an earth probe at great depths. The invention is further based on the object of creating an earth probe which enables optimal heat transfer to the surrounding earth and which meets all groundwater protection requirements.
The object is achieved by a method according to the characterizing features of claim 1 and an earth probe according to claim 2.
It is possible to create an optimal heat transfer to the steel pipe by using an expansion-elastic hose as the outer jacket of the coaxially designed earth probe, which has been introduced into the borehole as an insertion aid and to support the wall of the borehole. The utilization of the static pressure of the heat exchanger liquid or hot steam to widen the outer coaxial tube enables it to be inserted into the support tube with little friction.
The invention is explained in more detail using an illustrated embodiment. Show it:
1 is a coaxial earth probe with a conventional structure,
2 shows an earth probe with an extensible outer probe jacket; left half stretched, right half unstretched,
3 shows a cross section through the earth probe in FIG. 2 in the region of loose layers of earth, along line III-III in FIG. 2,
4 shows a cross section along line IV-IV through the earth probe in FIG. 2 in the central region (unstretched jacket),
Fig. 5 shows a cross section along line V-V in Fig. 2 in the expanded lower region.
The geothermal probe 1 shown in FIG. 1 from the prior art is inserted directly into a bore 3 in the ground 5. Any space 9 present between the wall of the bore 3 and the outer wall of the casing tube 7 of the geothermal probe is filled with a liquid injected cement and / or bentonite solution in order to achieve an optimal better heat transfer between the casing pipe 7 and the soil 5. A second tube 11, the diameter of which is smaller than the diameter of the jacket tube 7, lies coaxially with the latter and the lower end of which is at a distance from the closed lower end of the jacket tube 7.
In operation, either heat transfer fluid (water or water-glycol mixture) is introduced through the central tube 11 and rises again in the annular space between the two tubes 7 and 11, or the introduction takes place in the annular space and the backflow in the tube 11.
The earth probe 1 according to the invention, which is suitable for transferring a heat transfer fluid to a depth of several hundred meters, e.g. Leading down 500 m and below is enclosed by steel piping 13. The steel piping 13 has a borehole diameter of, for example, 21.6 cm and a diameter of approximately 17.8 cm and consists of pipe sections which are screwed or welded to one another and which were introduced into the borehole after the borehole had been drilled, for example using the “rotary method” are. With a so-called cementing shoe (not shown), which is attached to the lower end of the piping 13, the space between the borehole 3 and the piping 13 inserted therein can be filled from bottom to top.
This cement mass, which can be mixed with additives (bentonite, accelerator or retarder, quartz dust), fills the entire annulus up to days, i.e. to the upper end of the piping 13. It guarantees a complete sealing of undesired inflows such as water, gas etc. In this way it is possible to restore the original geological and hydraulic condition of the pierced rock. Furthermore, the cement mass, with or without additives, enables optimal heat conduction between the soil (mountains) and the piping 13.
In the upper region, one or more support tube (s) 19 can additionally be embedded in the borehole 3, which prevents loose material from penetrating into the borehole 3 and prevents or complicates the introduction of the piping 13.
In the empty pumped piping 13, a PE hose or a similar plastic hose 21 is used, the lower end of which is sealed by a foot piece 23.
The hose 21 can be brought from the roll "endlessly" or by means of mirror welding of individual sections into the desired installation length. In order to facilitate the insertion of the hose 21, it can be at least partially filled with water before the insertion. Instead of a partial water filling, the hose 21 can be provided at its lower end with a piece of steel which pulls the hose downwards. This has the advantage that the hose 21 is not stretched by the water filling at its lower end and, as a result, no greater friction can occur on the steel piping 13. A so-called U-liner can also be used. Such U-liners are used to renovate sewer pipes.
A central tube 25 of smaller diameter, for example 50-70 mm, is inserted into the interior of the hose. The central tube 25 ends at a distance from the foot piece 23. Alternatively, a riser tube 25 provided with a section of wall insulation can be used instead of a conventional plastic tube. The central tube 25 can be centered by means of centering.
After the insertion of the hose 21 and the central pipe 25 into the piping 13, the hose 21 is filled with heat transfer fluid, e.g. Water or water-glycol mixture, filled. The increasing static pressure in the hose 21 with increasing depth, it is at least 50 bar at a depth of 500 m - causes the hose 21 to expand radially until its jacket comes fully into contact with the piping 13. The annular space previously present there is thereby completely closed and an intimate, heat-conducting contact between the hose 21 and the piping 13 is brought about. Of course, when choosing the material of the hose 21, care was taken to ensure that it survives the planned expansion without damage. Instead of filling with liquid, a suitable hose, e.g. a U-liner hose can be stretched using hot steam or hot water.
From a certain depth, the static pressure acting on the hose 21 from the inside decreases to such an extent that only a slight expansion takes place and contact with the piping 13 can no longer occur. The annular space 31 is later filled up by a heat transfer rust protection liquid. When using a hose that has been irreversibly stretched by heat, it is not necessary to add heat transfer / rust protection liquid.
The heat transfer liquid can pass through the central tube 25 from top to bottom and rise upwards in the annular space between the central tube 25 and the hose 21. When climbing, heat is extracted from the environment (soil, mountains). Of course, the procedure can also be reversed and the water introduced can be pumped down in the annular space and flow back up through the central tube 25.
The heated heat transfer fluid, e.g. Water, is fed to a heat pump (not shown) and from there is reintroduced into the earth probe 1 after some of the heat has been removed.