DE102006012903B3

DE102006012903B3 - Erdwärmesonde

Info

Publication number: DE102006012903B3
Application number: DE102006012903A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Feldmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2026-03-18
Also published as: US20090107650A1; EP1996874A2; WO2007110030A2; WO2007110030A3; CA2646049A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde zur Nutzung von Erdwärme mit einem Bündel aus mehreren abgeschlossenen Wärmerohren, die für den Wärmetransport mit einem zweiphasigen Arbeitsmedium gefüllt sind, das mittels Erdwärme verdampfbar und in einer Wärmeabgabezone kondensierbar ist. Dabei untergliedern sich die jeweiligen Wärmerohre über deren Länge in zumindest eine Wärmeaufnahmezone, Wärmetransportzone und Wärmeabgabezone, wobei zumindest zwei Wärmerohre in der Wärmeaufnahmezone und/oder in der Wärmetransportzone unterschiedliche Längen aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde zur Nutzung von Erdwärme mit einem Bündel aus mehreren abgeschlossenen Wärmerohren, die für den Wärmetransport mit einem zweiphasigen Arbeitsmedium gefüllt sind, das mittels Erdwärme verdampfbar und in einer Wärmeabgabezone kondensierbar ist, wobei sich die jeweiligen Wärmerohre über deren Länge in zumindest eine Wärmeaufnahmezone, Wärmetransportzone und Wärmeabgabezone untergliedern.

Erdwärme zum Beheizen von Straßen wird in der DE 35 32 542 A1 vorgeschlagen. Der geplante Einsatzzweck war eine Automobilteststrecke. Um diese große Fläche während eines Testprogramms sicher zu beheizen, sind sehr große Wärmeaufnahmeräume im Erdreich durch viele lange Bohrungen zu erschließen. Um dies zu begrenzen wurde die Wärme in Vorratsbehältern gesammelt und gelagert und bei Bedarf über eine durch Klimasensoren geführte Steuerung an die zu beheizende Straße abgegeben. Deshalb ist bei dieser Beheizung eine schaltbar ausgeführte Anlage vorgesehen, die erst bei Über- bzw. Unterschreiten von klimaspezifischen Grenzwerten wie Luftfeuchtigkeit, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, Oberflächentemperatur und Oberflächenfeuchtigkeit Wärme abgibt und so den Wärmevorrat des Erdreiches schont.

Aus der Druckschrift DE 30 00 157 A1 ist eine in den Erdboden eintreibbare Wärmetauschvorrichtung zur Gewinnung von Wärmeenergie aus dem Erdboden bekannt, die von einem Wärmeträger durchströmt wird. Die Zu- und Ableitung des Wärmeträgers ist mit einer Kurzschlussleitung verbunden, die bei ungenügender Energieaufnahme des Wärmeträgers in der Zuleitung eine geeignete Mischung für den Betrieb erzeugen soll.

Die Druckschrift DE 30 37721 A1 beschreibt ein Wärmerohr zur Ausnützung der Wärmekapazität des Erdreichs und/oder Grundwassers, beispielsweise zum Verhindern des Einfrierens von Weichen. Das Sondenrohr ist in Form eines Bohrkerns so in den Boden eingebracht, dass das umgebende Erdreich als Wärmekapazität wirkt. Das Wärmerohr ist hier ein abgeschlossenes Rohr mit einem flüssigen/gasförmigen Arbeitsmedium sowie die Oberfläche vergrößernden Einlagen für einen verbesserten Wärmeübergang an der Wärmequelle von der Wärme im Erdreich auf das Arbeitsmedium. Als Besonderheit ist hier eine durch Satellitenrohre oder Rippen vergrößerte Wärmeaufnahmefläche erwähnt. Durch diese Maßnahme wird versucht, die Menge der zufließenden Wärme zu maximieren. Tatsächlich ist die zufließende Wärmemenge überwiegend durch die Leitfähigkeit des umgebenden Erdreiches begrenzt, so dass eine Erhöhung der aufnehmbaren Wärmemenge vorwiegend durch eine Vergrößerung des Durchmessers der zylinderförmigen Aufnahmefläche erreicht wird. Zur rationelleren Wärmeausnutzung sind Schalter im Wärmerohr eingebaut, die durch Unterbrechung des Kondensatrückflusses oder durch Trennung von Kondensationsund Verdampfungsteil oder durch eine Schaltflüssigkeit den Wärmetransport entsprechend den Anforderungen regeln. Als Arbeitsflüssigkeit wird hier eine Wasser-/Alkoholmischung, FCKW oder FKW verwendet.

Des Weiteren ist nach einem ähnlichen Verfahren eine ausgeführte Prototypanlage mit Propan als Arbeitsmedium bekannt.

In der Druckschrift EP 1529880 und WO002005045134 handelt es sich um eine direkt Verkehrsanlagen beheizende Erdwärmesonde, deren Wärmestrom über mindestens ein Wärmerohr von der Wärmequelle über die Transportzone geleitet und auf mehrere Wärmeverteilrohre aufgeteilt wird, bevor im Bereich einer Wärmesenke die Wärme abgegeben wird.

In der Patentschrift EP 1194723 B1 wird eine Ausführung dargestellt, in der das flüssige Medium in einem spiralförmig geführten Rohr hinabfließt, das sich um das Rohr mit dem aufsteigenden Medium windet. Ein ähnlicher Vorschlag wird in US5816314 gemacht.

In der Patentschrift DE 4240082 C1 wird eine Sonde beschrieben, in der der Vorlauf des Gases vom Rücklauf des Kondensates des Arbeitsmediums durch Lochbleche getrennt ist. Dies geschieht, um im Falle eines Kapillarrohres bereits auf dem Transportweg die Gasblasen aus der Flüssigkeit zu separieren und dem Gasstrom zuzuführen.

Über Anwendungen von CO₂ als Medium in Erdwärmesonden sind als Veröffentlichungen bekannt DE29824676U1 , DE20320409U1 , DE20210841U1 .

In DE20210841U1 wird eine Sonde beschrieben, deren Kondensatstrom vom Gasstrom dadurch getrennt ist, dass der Gasstrom mittig in einem separaten, zentralen, gelochten Rohr aufsteigt und der Kondensatstrom an der Rohraußenwand entlang hinabfließt.

In der Druckschrift DE29824676U1 wird eine Sonde beschrieben, die, um den Wärmeübergang zu verbessern, mit Rippen versehen sein kann.

In der Druckschrift DE20320409U1 wird eine Sonde aus nicht rostendem Stahl in Form eines Wellrohres beschrieben, als Einrohr oder Doppelrohr ausgeführt. Hiermit soll ermöglicht werden, dass auch längere Rohre aus nicht rostendem Stahl mit größerem Durchmesser von einer Rolle in einem Stück in das Bohrloch eingebracht werden können. Weiteres Ziel hierbei ist, dass bei größeren Bohrlochtiefen, großem Rohrdurchmesser und damit großem bewegten Volumen des Arbeitsmediums, der hinabfließende Kondensatfilm nicht von dem aufsteigenden Gasstrom behindert wird. Mit dem hier vorgesehenen Rohrdurchmesser bzw. Volumen des Sondenrohres, unterliegt dieses Bauteil schärferen Bestimmungen des GPSG (Geräte- und Produktsicherheitsgesetz).

In den bekannten Ausführungen von Erdwärmesonden werden auch Kupferrohre, durch PE-Folienbeschichtung korrosionsgeschützt, mit dem maximal möglichen Durchmesser verwendet, der noch eine leichte Verformbarkeit erlaubt, so dass die Rohre von einer Rolle abgewickelt, gerade geformt, in das Bohrloch versenkt werden können. Der größtmögliche Rohrdurchmesser wird durch die für den Einbau notwendige Mindestverformbarkeit vorgegeben. Es werden hier mehrere gleichlange Rohre in einer Bohrung verwendet. Diese Ausführungen wurden bereits zahlreich bei Erdwärme nutzenden Gebäudeheizungen installiert. Ebenso ist es Stand der Technik ein Verpressungsmaterial im Bohrloch mit die Wärmeleitung verbessernden Zusätzen zu verwenden. In allen bekannten Fällen erfolgt die Wärmeaufnahme gleichmäßig über die gesamte Bohrlochtiefe mindestens ab unterhalb der neutralen Zone, der Tiefe, die keinen Temperaturschwankungen im Jahresverlauf aufweist.

Bei einem überwiegenden Anteil der bekannten Sonden wird die Wärme entweder in Rohren möglichst großen Durchmessers gesammelt und genau einer Nutzung zugeführt oder sie wird in mehreren Rohren mit kleinerem Durchmesser gesammelt und genau einer Nutzung, beispielsweise einem Wärmeübertrager mit nachgeschalteter Wärmepumpe zugeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Sammlung von Erdwärme weiterzubilden, die den speziellen Anforderungen eines Einsatzzwecks angepasst sind und dabei eine effizientere und wirtschaftlichere Lösung darstellen.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung schließt die technische Lehre bezüglich einer Erdwärmesonde zur Nutzung von Erdwärme mit einem Bündel aus mehreren abgeschlossenen Wärmerohren ein, die für den Wärmetransport mit einem zweiphasigen Arbeitsmedium gefüllt sind, das mittels Erdwärme verdampfbar und in einer Wärmeabgabezone kondensierbar ist. Dabei untergliedern sich die jeweiligen Wärmerohre über deren Länge in zumindest eine Wärmeaufnahmezone, Wärmetransportzone und Wärmeabgabezone, wobei zumindest zwei Wärmerohre in der Wärmeaufnahmezone und/oder in der Wärmetransportzone unterschiedliche Längen aufweisen.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass bei Erdwärmesonden zur Sammlung von Erdwärme mittels Wärmerohren ein flüssig-gasförmiges Arbeitsmedium verwendet wird, dessen Kondensationstemperatur etwas unterhalb der Temperatur der genutzten Wärmequelle ist. Sie dient vorzugsweise als Wärmequelle zur Frostfreihaltung von Verkehrswegen und -anlagen, wie Bahnanlagen. Dies geschieht vorwiegend unter Nutzung eines geringen Temperaturgefälles zwischen Erdwärme und/oder der im Grundwasser und/oder Abwasser enthaltenen Wärme gegenüber der für die zu beheizenden Bauten oder Anlagen erforderlichen Temperaturen mindestens gegenüber dem Gefrierpunkt von Wasser. Dabei werden keine zusätzlichen, mit Fremdenergie angetriebenen Pumpen oder sonstige bewegte Teile benötigt. Als Erdwärme ist in diesem Zusammenhang jegliche unterhalb der Erdoberfläche zur Verfügung stehende Niedertemperaturwärmequelle zu verstehen, beispielsweise auch Abwärme aus Abwasserkanälen.

Die hier vorgeschlagene Erfindung arbeitet nach dem Prinzip eines Wärmerohres, in der Fachsprache auch unter Heatpipes bekannt. Es ist das ein gasdicht verschlossenes, überwiegend vertikal oder stark geneigt installiertes Rohr, in dem das Arbeitsmedium an der Wärmequelle verdampft, zur Wärmesenke aufsteigt, dort kondensiert und in demselben Rohr wieder zur Wärmequelle hinabfließt.

Der Massenstrom ist die wesentliche Einflussgröße für übertragene Leistung. Die maximal übertragbare Leistung ergibt sich aus der Kette Ergiebigkeit des Erdreiches im Wärmeaufnahmebereich, der Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches in der Bohrungsumgebung und des Verpressmaterials um die Bohrung, der Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials und der Art, Ausrichtung und Größe der Wärmeaufnahmefläche. Dabei sind die Ergiebigkeit und Leitfähigkeit sowie die Größe und Ausrichtung der Aufnahmefläche die Hauptkriterien. Das zeigt, dass die Wärmeleitung des Sondenmaterials von nachrangiger Bedeutung ist.

Da hier die Forderung nach der Möglichkeit besteht, mehrere kleine, teilweise gleichgroße Leistungen auf jeweils genau die gleiche Anzahl Wärmesenken zu übertragen und nicht eine möglichst große Leistung aus einem oder mehreren Rohren auf einen Wärmeübertrager zu führen, wird nicht vorgeschlagen mehrere Wärmesenken aus einem Sondenrohr zu speisen, sondern jeder Wärmesenke genau ein Wärmerohr aus einem Rohrbündel einer Sonde zuzuordnen. Dabei wird dem Erdreich über die Größe der jeweiligen Wärmeaufnahmefläche eines Wärmerohrs nur soviel Wärme entnommen, wie für die jeweilige Wärmesenke benötigt wird.

Auf diese Weise kann auch die Forderung nach verschiedenen Temperaturen für die jeweiligen Wärmesenken erfüllt werden. Da das Erdreich mit größerer Tiefe auch wärmer wird, können die einzelnen Rohre verschieden lang ausgeführt werden und durch deren begrenzte Wärmeaufnahmezone aus den jeweiligen Schichten dann unterschiedlichen Temperaturen liefern. Die Wärmeaufnahmefläche wird dadurch begrenzt, dass oberhalb davon das Rohr thermisch isoliert wird, somit ein nach Temperatur und Fläche genau definierter Wärmeaufnahmebereich vorliegt.

In den Fällen, in denen die Aufnahmezone einer Sonde durch mehrere geologische Schichten mit jeweils unterschiedlicher Wärmekapazität reicht, wird durch eine Anpassung der Länge der jeweiligen Wärmeaufnahmezone, die an der Wärmesenke geforderte Wärmemenge geliefert.

Aus der Anschauung ist es einleuchtend, dass ein hoher Gasdurchsatz in einem Rohr zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten führt. Der Rohrdurchmesser limitiert den Massendurchsatz bei vorgegebener Maximalgeschwindigkeit des Mediums. Dies bedeutet, dass der gleichmäßige Fluss des Kondensatfilms an der Rohrwand, hinab zum Sondenfuß, von dem aufsteigenden Gasstrom behindert wird, sobald die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Massenstrom die kritische Größe überschreitet. Dies wird hier dadurch verhindert, dass die Wärmeaufnahmefläche, die Menge des Fluids im Rohr und damit der maximale Leistungsdurchsatz begrenzt werden. Die Wärmeaufnahmefläche wird dadurch begrenzt, dass oberhalb davon das Rohr thermisch isoliert wird, somit ein nach Temperatur und Fläche genau definierter Wärmeaufnahmebereich vorliegt.

Der besondere Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäße Erdwärmesonde eine den heutigen Stand übertreffende Effizienz bezüglich Wärmenutzung, Materialeinsatz und Wirtschaftlichkeit aufweist. Die Effizienz bezüglich der Wärmenutzung ergibt sich aus der optimierten Wärmeaufnahme der aus dem Erdreich gesteuert über einen Temperaturgradienten zufließenden Wärme.

So ergibt sich bei einer Sonde anwendungsspezifisch eine Aufteilung der im Erdreich zur Verfügung stehenden Wärme auf das Arbeitsmedium im Rahmen mehrerer kleiner Wärmesenken mit genau definierten Wärmemengen. Eine Aufteilung des Wärmestromes in ein Rohrbündel mit mehreren Wärmeübertragern verbessert die Betriebs- und Funktionssicherheit durch eine Vielzahl von unabhängig voneinander arbeitenden Teilsystemen. Dadurch wird eine Fehlerquelle bei der Anpassung der die Wärmemenge an die Wärmeübertrager liefernden Wärmeströme ebenso vermieden, wie eine potentielle Schadensquelle, nämlich Undichtigkeit des Sondenrohres an mindestens drei zusätzlichen Verbindungsstellen je Aufteilung.

Unterschiedliche Leistungsanforderungen von mehreren Wärmeübertragern können vom Konzept her aus einer einzigen Sonde erfüllt werden. Dabei kann auch der Materialaufwand insbesondere durch die unterschiedlichen Längen der Sondenrohre minimiert werden.

Derartige Erdwärmesonden mit neuartigen Komponenten zur Wärmegewinnung eignen sich für die Beheizung von Gebäuden und Anlagen. Insbesondere für Verkehrsanlagen, beispielsweise im Eisenbahnwesen zur Schnee- und Eisfreihaltung von Weichen, Bahnsteigen und Bahnübergängen und anderen Verkehrsflächen auch außerhalb des Eisenbahnwesens.

Der auf die Anwendung bezogene Wärmebedarf lässt sich mit Wärmerohren kleineren Durchmessers als bisher üblich erfüllen. Die Verwendung eines kleineren Rohrdurchmessers erlaubt bei gleich großer Berstfestigkeit wesentlich dünnere Wandstärken. Dadurch ergeben sich folgende weitere Vorteile: Materialeinsparung, bessere Verarbeitbarkeit und Handhabung und größere Flexibilität bei der Materialwahl. Überdies kann durch die unterschiedlichen Sondenrohrlängen eine weitere Materialeinsparung von bis zu 45% realisiert werden.

Vorteilhafterweise können zumindest zwei Wärmerohre in der Wärmeaufnahmezone und/oder in der Wärmetransportzone unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Alternativ oder in Kombination hierzu können in zumindest zwei Wärmerohren unterschiedliche Gasdrücke herrschen. Des Weiteren können in zumindest zwei Wärmerohren unterschiedliche Arbeitsmedien eingebracht sein. All diese Ausführungsformen eröffnen die Möglichkeit, einzelne Wärmerohre mit unterschiedlichen Wärmeleistungen, dem Bedarf entsprechend, auszuführen.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Wärmerohre in der Wärmetransportzone thermisch isoliert sein. Um die Wärmegewinnung weiter zu verbessern, kann jedes Rohr im Abschnitt oberhalb der Wärmeaufnahmezone thermisch isoliert werden und zwar auch gegen die parallel laufenden Sondenrohre mit weiter unten liegender Wärmeaufnahmezonen. Damit wird erreicht, dass in der Wärmetransportzone eines jeden Rohres nur ein vernachlässigbar kleiner unkontrollierter Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet.

In bevorzugter Ausführungsform befindet sich die Wärmeaufnahmezone am unteren Ende des jeweiligen Wärmerohres im Rohrbündel, um in jedem Falle zu gewährleisten, dass sich am Rohrende kein flüssiges Arbeitsmedium ansammeln kann, das dem Wärmekreislauf entzogen wäre. Um eine effektivere Nutzung der Wärmequelle zu erreichen, werden die verschiedenen Wärmeaufnahmezonen eines Rohrbündels so in verschiedenen Tiefen angeordnet.

Vorteilhafterweise können an einem Wärmerohr mehrere Wärmeaufnahmezonen und Wärmetransportzonen angeordnet sein.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Wärmeaufnahmezonen der einzelnen Wärmerohre etagenweise angeordnet sein. Hierdurch können um den Umfang des Rohrbündels auf jeder Etage mehrere Wärmerohre mit Wärmeaufnahmezonen angeordnet sein. Die Anzahl richtet sich danach, dass jede Stelle an der Wärme im Erdreich entnommen wird nicht die benachbarten Wärmeentnahmezonen maßgeblich beeinflusst. Beispielsweise werden so umfänglich ungefähr sechs Wärmerohre mit Wärmeaufnahmezonen in jeder Etage angeordnet.

Vorteilhafterweise können die Wärmerohre zumindest abschnittsweise axial verlaufende Auswölbungen aufweisen oder Führungsbleche im Innern angeordnet sein, durch deren Einfluss der Transport des zurückfließenden Kondensats gezielt erfolgt. Dabei wird das zurückfließende Kondensat in das Sondenrohr in einen teilweise durch fortlaufende Auswölbungen oder Bleche vom Gas getrennten Bereich eingespeist und fließt auch darin durch die Transportzone hinab bis in die Wärmeaufnahmezone. Hierdurch wird die Effektivität gesteigert, indem das aufsteigende Gas kaum Kontakt zum zurückfließenden Kondensat hat, so dass die Strömungs- und Druckverluste in den Rohren minimiert werden.

Alternativ kann vorteilhafterweise das Wärmerohr inwändig eine spiralförmig verlaufende Prägung besitzen. Das Wärmerohr als in sich verdrehtes Rohr mit spiralförmiger Prägung verbessert die Strömungsverhältnisse und damit die Effizienz. Dies bewirkt, dass das aufsteigende Gas mit einem Drall beaufschlagt wird und ebenso das herabfließende Kondensat. Durch die unterschiedliche Dichte der beiden Aggregatszustände des Arbeitsmediums und die sich daraus ergebenden unterschiedlichen Zentrifugalkräfte, wird die weitgehende Trennung des Gases vom Kondensat erreicht, wobei das Kondensat an der Außenwand hinabfließt.

Vorteilhafterweise können die Wärmeaufnahmeflächen der Wärmerohre durch spiralförmige Führung der Wärmerohre in der Wärmeaufnahmezone um die Bohrlochachse und/oder durch zusätzliche äußere Rippen vergrößert sein.

Durch den kleineren Durchmesser der Sondenrohre ist der Umfang und damit die Aufnahmefläche gegenüber einem Rohr großen Durchmessers entsprechend verringert. Um dennoch die Wärmekapazität des die Wärmeaufnahmezone umgebenden Erdreichs optimal auszunutzen kann das Rohr in der jeweils Wärme aufnehmenden Zone beispielsweise um das Rohrbündel spiralförmig herumgeführt werden, wodurch die Aufnahmefläche vervielfacht wird.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können in der Wärmeaufnahmezone die Wärmerohre zumindest abschnittsweise als Flächenwärmeaustauscher ausgebildet sein, der ganz oder teilweise um die innen liegenden Wärmerohre des Bündels greift. Hierdurch wird über den gesamten Umfang oder auch nur einen Teil des Rohrbündels auf einfache Weise größere Anteile der Erdwärme effizient gesammelt und beispielsweise ausgewählten Wärmerohren zur Verfügung gestellt.

Vorteilhafterweise kann zumindest im Bereich der Wärmeaufnahmezone die Innenwand der Wärmerohre rau sein. Hierdurch kann neben der erhöhten Wärmeübertragungsfläche zudem das zurückfließende Fluid auch auf die gesamte der Oberfläche im Rohrinneren verteilt werden.

Ebenso kann zumindest ein Wärmerohr im Bereich der Wärmeaufnahmezone an seinem Rohrende aufgeweitet sein. Hierdurch findet insbesondere am untersten Sammelpunkt des zurückfließenden flüssigen Arbeitsmediums ein erhöhter Wärmeeintrag statt.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können im Bereich der jeweiligen Wärmeaufnahmezonen die Wärmerohre um die eigene Achse tordiert sein. Eine prinzipielle Verbesserung der Wärmeaufnahme wird erreicht durch Anordnung der Rohre derart, dass nur die äußeren Wärme aufnehmen und kann zusätzlich dadurch verbessert werden, dass die Wärmeaufnahmefläche durch spiralförmige Führung um die isolierten Wärmerohre, die hier eine Art isolierten Kern bilden, in der Aufnahmezone vergrößert wird. Dies kann auch in der Art erfolgen, dass mehrere Rohre quasi parallel wie ein mehrgängiges Gewinde mit größerer Steigung geführt werden. Wenn sich daraus eine flache Steigung der Spirale des Wärme aufnehmenden Rohrabschnittes ergibt und das Kondensat nur am Rohrboden fließt und nicht gleichmäßig an der Rohrwand verteilt ist, wird vorgeschlagen, dass das Rohr im Wärmeaufnahmebereich in sich gedreht ist. Damit wird erreicht, dass das Kondensat mit jeder Umdrehung des Rohres wieder zumindest teilweise an die Rohrinnenwand zurückgeworfen wird.

Vorteilhafterweise kann das Wärmerohr aus Aluminium oder Stahl sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen schematisch:
1 eine Wärmesonde mit Wärmerohren unterschiedlicher Längen der Wärmeaufnahmezone H unterhalb der Erdoberfläche,
2 eine Wärmesonde mit Wärmerohren unterschiedlicher Längen der Wärmetransportzone N durch eine Isolierung unterhalb der Erdoberfläche und etagenweise angeordneten Wärmeaufnahmezonen H,
3 eine Wärmesonde mit etagenweise spiralförmiger Führung der Wärmerohre in der Wärmeaufnahmezone H um die Bohrlochachse,
4 eine Wärmesonde mit spiralförmiger Führung zweier Wärmerohre in der Wärmeaufnahmezone H um die Bohrlochachse,
5 eine Wärmesonde mit Wärmerohren, die in der Wärmeaufnahmezone H als Flächenwärmeaustauscher ausgebildet sind, der um die innen liegenden Wärmerohre des Bündels greift,
6A bis H ein Querschnitt unterschiedlicher Ausführungen von Flächenwärmeaustauscher auf unterschiedlichen Etagen einer Wärmesonde, die zumindest teilweise um die innen liegenden Wärmerohre des Bündels greifen,
7 ein Wärmerohr einer Wärmesonde mit wandseitiger Auswölbung,
8 Querschnitt eines Wärmerohrs nach 7,
9 ein Wärmerohr einer Wärmesonde mit inneren Führungsblechen, und
10 Querschnitt eines Wärmerohrs nach 9.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Wärmesonde 1 mit Wärmerohren 2 unterschiedlicher Längen der Wärmeaufnahmezone H unterhalb der Erdoberfläche O. Das Bündel wird aus einer Vielzahl im Erdreich parallel verlaufender Wärmerohre 2 gebildet, die für den Wärmetransport mit einem zweiphasigen Arbeitsmedium gefüllt sind. Das Arbeitsmedium verdampft durch die Erdwärme im Bereich der Wärmeaufnahmezone H und wird über die Wärmetransportzone N in eine Wärmeabgabezone K transportiert. Im Bereich der Wärmetransportzone N entspricht die Temperatur des dampfförmigen Arbeitsmediums ungefähr derjenigen der umgebenden Erdschicht, so dass hier keine Wärme ausgetauscht wird. In der Wärmeabgabezone K kondensiert das Arbeitsmedium nach Wärmeabgabe und fließt durch die Schwerkraft wieder im Wärmerohr 2 in die Tiefe. Die im jeweiligen Wärmerohr 2 übertragene Wärme ist abhängig von den unterschiedlichen Rohrlängen in der Wärmeaufnahmezone H.
Auch 2 zeigt eine Wärmesonde 1 mit Wärmerohren 2 unterschiedlicher Länge bei der Wärmetransportzone N. Die Länge der Wärmetransportzone N ist durch eine Isolierung 3 unterhalb der Erdoberfläche O festgelegt. Die Wärme wird über die freiliegenden Rohrenden der Wärmerohre 2 auf das Arbeitsmedium übertragen. Die freiliegenden Rohrenden bilden etagenweise angeordnete Wärmeaufnahmezone H für das jeweilige Wärmerohr 2.
3 zeigt eine Wärmesonde 1 mit etagenweise spiralförmiger Führung der Wärmerohre 2 in der Wärmeaufnahmezone H um die Bohrlochachse. Eine weitere Ausführungsform ist in 4 dargestellt. Dort ist eine Wärmesonde 1 mit spiralförmiger Führung zweier Wärmerohre 2 in der Wärmeaufnahmezone H um die Bohrlochachse gezeigt. Beiden Lösungen gemeinsam sind die enorm vergrößerten Wärmeaufnahmeflächen durch eine spiralförmige Führung der Wärmerohre 2 in der Wärmeaufnahmezone H.
5 zeigt eine Wärmesonde 1 mit Wärmerohren 2, die in der Wärmeaufnahmezone H als Flächenwärmeaustauscher 7 ausgebildet sind, der um die innen liegenden Wärmerohre 2 des Bündels greifen. Das Rohrende 8 des tiefsten Wärmerohrs 2 ist im Bereich der Wärmeaufnahmezone H konisch aufgeweitet.
6A bis H zeigen einen Querschnitt unterschiedlicher Ausführungen von Flächenwärmeaustauschern 7 auf unterschiedlichen Etagen einer Wärmesonde 1, die zumindest teilweise um die innen liegenden Wärmerohre 2 des Bündels greifen. Dabei ist auf der am tiefsten liegende Etage (6A) ein ringförmiger Flächenwärmeaustauscher 7 ausgebildet, der in das Wärmerohr 2 mündet, das zentral nach oben führt. Um das zentrale Wärmerohr 2 sind auf der ersten Etage (6B) drei weitere Flächenwärmeaustauscher 7 zu jeweils einem Drittel des Umfangs angeordnet. Die aus den Flächenwärmeaustauschern 7 mündenden Wärmerohre 2 werden wiederum möglichst nahe dem zentral verlaufenden Wärmerohr 2 parallel zu diesem nach oben geführt. Die weiteren Etagen sind analog in den 6C bis 6G dargestellt. 6H zeigt einen Querschnitt durch das Rohrbündel, wie er beispielsweise in der Wärmetransportzone N anzutreffen ist. In jeder Etage sind die innen verlaufenden Rohrstücke durch eine Isolation thermisch abgeschirmt.
7 zeigt ein Wärmerohr 2 einer Wärmesonde 1 mit wandseitiger Auswölbung 4. Durch diese axial verlaufenden Auswölbungen wird das zurückfließende Kondensat in das Sondenrohr in einen teilweise durch fortlaufende Auswölbungen oder Bleche vom Gas getrennten Bereich eingespeist und fließt auch darin durch die Transportzone N hinab bis in die Wärmeaufnahmezone H. Der Rückflusskanal 6 leitet das flüssige Arbeitsmedium direkt in die Auswölbung 4. 8 zeigt den Querschnitt eines Wärmerohrs nach 7.
Alternativ zeigt 9 ein Wärmerohr 2 einer Wärmesonde 1 mit inneren Führungsblechen durch deren Einfluss der Transport des zurückfließenden Kondensats ebenfalls gezielt erfolgt. Durch beide Lösungen wird die Effektivität gesteigert, indem das aufsteigende Gas kaum Kontakt zum zurückfließenden Kondensat hat, so dass die Strömungs- und Druckverluste in den Rohren minimiert werden. 10 zeigt einen Querschnitt eines Wärmerohrs nach 9.

1: Erdwärmesonde
2: Wärmerohr
3: Isolierung
4: Auswölbung
5: Führungsblech
6: Rückflusskanal
7: Flächenwärmeaustauscher
8: aufgeweitetes Rohrende
H: Wärmeaufnahmezone
N: Wärmetransportzone
K: Wärmeabgabezone
O: Erdoberfläche

Claims

Erdwärmesonde (1) zur Nutzung von Erdwärme mit einem Bündel aus mehreren abgeschlossenen Wärmerohren (2), die für den Wärmetransport mit einem zweiphasigen Arbeitsmedium gefüllt sind, das mittels Erdwärme verdampfbar und in einer Wärmeabgabezone kondensierbar ist, wobei sich die jeweiligen Wärmerohre über deren Länge in zumindest eine Wärmeaufnahmezone (H), Wärmetransportzone (N) und Wärmeabgabezone (K) untergliedern, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (2) in der Wärmeaufnahmezone (H) und/oder in der Wärmetransportzone (N) unterschiedliche Längen aufweisen.
Erdwärmesonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (2) in der Wärmeaufnahmezone (H) und/oder in der Wärmetransportzone (N) unterschiedliche Durchmesser haben.
Erdwärmesonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest zwei Wärmerohren (2) unterschiedliche Gasdrücke herrschen.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest zwei Wärmerohren (2) unterschiedliche Arbeitsmedien eingebracht sind.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (2) in der Wärmetransportzone (N) thermisch isoliert sind.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmezone (H) eines Wärmerohres (2) sich zumindest am unteren Ende dieses Rohres befindet.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Wärmerohr (2) mehrere Wärmeaufnahmezonen (H) und Wärmetransportzonen (N) angeordnet sind.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmezonen (H) der einzelnen Wärmerohre (2) etagenweise angeordnet sind.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (2) zumindest abschnittsweise axial verlaufende Auswölbungen (4) aufweisen oder Führungsbleche (5) im Innern angeordnet sind, durch deren Einfluss der Transport des zurückfließenden Kondensats gezielt erfolgt.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (2) inwändig eine spiralförmig verlaufende Prägung besitzt.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmeflächen der Wärmerohre (2) durch spiralförmige Führung der Wärmerohre in der Wärmeaufnahmezone (H) um die Bohrlochachse und/oder durch zusätzliche äußere Rippen vergrößert sind.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wärmeaufnahmezone (H) die Wärmerohre zumindest abschnittsweise als Flächenwärmeaustauscher (7) ausgebildet sind, der ganz oder teilweise um die innen liegenden Wärmerohre (2) des Bündels greift.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der Wärmeaufnahmezone (H) die Innenwand der Wärmerohre (2) rau ist.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wärmerohr (2) im Bereich der Wärmeaufnahmezone (H) an seinem Rohrende aufgeweitet ist.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der jeweiligen Wärmeaufnahmezonen (H) die Wärmerohre (2) um die eigene Achse tordiert sind.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (2) aus Aluminium oder aus Stahl ist.