DE102006026531B3

DE102006026531B3 - Erdsonde zur Wärmegewinnung

Info

Publication number: DE102006026531B3
Application number: DE102006026531A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Strebe
Original assignee: STREBE ANGELIKA
Current assignee: STREBE ANGELIKA
Priority date: 2006-03-11
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-06-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Erdsonde zur Wärmegewinnung aus dem Erdreich. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Erdsonde zu entwickeln, welche einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als der Stand der Technik besitzt, indem mit möglichst geringem Primärenergieaufwand möglichst viel Wärmeenergie aus der Umwelt genutzt werden kann. Das Installieren in das Erdreich soll möglichst wenig Aufwand erfordern. Zusätzlich soll die Erdsonde auch für einen Einsatz zur Gewinnung von Gebäudeabwärme verwendet werden. Die erfindungsgemäße Erdsonde besteht aus konzentrisch um ein Zentralrohr angeordneten Rohren, die über Sammler miteinander verbunden sind. Es sind Mittel zur Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen. Dies erfolgt dadurch, dass die Summe der Nennweiten aller um das Zentralrohr angeordneten Vorlaufrohre größer ist, als die Nennweite des Zentralrohres und/oder durch eine Venturi-Düse, welche am Übergang vom unteren Sammler in das Zentralrohr angeordnet ist. Bei Bedarf wird die Größe der Erdsonde durch Verlängerungselemente variiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Erdsonde zur Wärmegewinnung aus dem Erdreich.

[Stand der Technik]

Es ist Stand der Technik, mittels Sonden Erdwärme zu nutzen. Bekannte Sonden sind durch die Bauart „Rohr in Rohr" ausgebildet und nutzen in der Regel ein Fluid als Wärmeträger. Diese Sonden weisen schlechte Energieeffizienzen auf, da die in der Tiefe gewonnene Wärme beim Aufsteigen durch das Innenrohr teilweise an das in die Tiefe gepumpte Fluid abgegeben wird. Isolierte Innenrohre sind in der Regel sehr aufwändig gestaltet und somit oft kostenintensiv.

Man kennt aber auch Erdsonden dahingehend ausgestaltet, dass nebeneinander geführte Zuleitungen und Rückführungen durch Abstandshalter teilweise zu Gruppen von mehreren Erdsonden verbunden werden ( EP 582118 A1 ). Die Energieeffizienz ist hier durch die Verwendung von Kunststoffen allerdings nicht optimal. Kunststoff verfügt über einen Wärmeleitfähigkeitswert λ von lediglich 0,4.

Ein sehr viel höherer Wärmeleitfähigkeitswert kann erzielt werden, wenn statt des Kunststoffes Erdsonden aus Gußeisen ( EP 1468226 B1 ) oder Metallen (z.B. EP 1486741 A1 ) verwendet werden. Auf einen legierten Edelstahl wird in DE 3047397 C2 hingewiesen. Die bekannten Sonden haben allerdings die Probleme der „Rohr-in-Rohr"-Technik.

Alle genannten Sonden weisen das Merkmal auf, dass aufwändige Arbeiten wie z.B. Tiefenbohrungen bei der Installation ausgeführt werden müssen, die teilweise ausschließlich durch Spezialfirmen geleistet werden können. Bei Tiefenbohrungen entstehenden vielfach umweltschädliche Bohrschlämme, die kostenintensiv abtransportiert und als Sondermüll behandelt werden müssen. Ein weiterer umweltschädlicher Aspekt ist, dass bei sehr tief reichenden Erdsonden mehrere Erdschichten und damit auch verschiedene wasserführende Schichten durchstoßen werden. Dabei kann es unter anderem auch zu Vermischungen zwischen Süßwasser und einem salzhaltigeren Wasser einer anderen Schicht kommen. Um Auflagen des Umweltschutzes zu genügen, muss ein sehr hoher technischer Aufwand betrieben werden.

Eine Kombination von mehreren Zuleitungen und einer zentralen Rückführung ist aus den Schriften CH 687043 A5 und DE 20106707 U1 bzw. DE 10216739 A1 bekannt. Hier werden wiederum Kunststoffe mit den oben angeführten Problemen verwendet. Hinzu kommt, dass es bei der Verlegung von Kunststoffrohren zu Verformungen kommen kann, die ein sachgerechtes Verfüllen bzw. Verpressen des Bohrloches unmöglich macht.

Bekannte Erdsonden, die nicht einstückig gefertigt werden können, müssen vor Ort zusammengeschweißt werden. Diese Vorgehensweise ist durch den hohen Zeitaufwand bei der Montage sehr kostenintensiv.

Die beschriebenen Erdsonden geben in der Regel die gewonnene Energie an einem Wärmetauscher ab, der mit der Wärmepumpe in einem zweiten Kreislauf verbunden ist. Aus EP 1194723 B1 ist bekannt, dass neben flüssigen Wärmeträgern auch Gase Verwendung finden. Um eine ordnungsgemäße Kondensation zu gewährleisten wird wiederum ein hoher technischer Aufwand betrieben.

Das Einbringen einer Erdsonde aus Kunststoff in Gebäudebestandteile ist aus EP 582118 A1 bekannt. Hier ist das Ziel die Gewinnung von Erdwärme im Bereich der Pfahlgründung. Es wird sich lediglich der Umstand zu nutze gemacht, dass bei einer Pfahlgründung in die erforderliche Bohrung zusätzlich eine Sonde mit eingefügt werden kann.

Nachteil dieser Erfindung ist es, dass durch die Betonummantelung die Effizienz der Wärmegewinnung sehr gering ist und die eventuell nutzbare Wärmeenergie des Gebäudes durch den Austausch mit dem unmittelbar umliegenden Erdreich wieder verloren geht.

In CH 687 043 A5 wird eine Erdsonde beschrieben, die aus einem zentralen Rücklaufrohr und mehreren um das Rücklaufrohr angeordneten Vorlaufrohren besteht, welche von einem einzelnen Sammler am unteren Ende abgeschlossen werden. Durch die Reduzierung des Querschnitts des Rücklaufrohres gegenüber der Summe der Querschnitte des Vorlaufrohres wird die Strömungsgeschwindigkeit des im Rücklaufrohr aufsteigenden Mediums erhöht. Ein weiteres Mittel zur Erhöhung der Rücklaufgeschwindigkeit ist nicht benannt. Die Sonde wird in sehr großen Tiefen verwendet. Dieses macht das Verfahren des Einbaus sehr teuer. Zudem kann die Verfüllung des Bohrloches in großen Tiefen zu Problemen führen, nicht zuletzt durch eine Verschlechterung der Energieeffizienz bei der Entstehung von Hohlräumen. Eine Verformung des verwendeten Kunststoffes kann außerdem nicht ausgeschlossen werden. Beim Bruch der Leitungen zieht dies – abhängig vom verwendeten Medium – u.U. schädliche Einflüsse auf die Umwelt nach sich. Ein Reparieren der Erdsonde oder auch nur das einfache Stilllegen wären mit hohen finanziellen Aufwendungen bzw. Verlusten verbunden. Um den entstehenden Drücken entgegenwirken zu können, müssen die Wandstärken der Leitungen, speziell der zentralen Leitung sehr groß sein. Dieses macht die Herstellung der Sonde sehr teuer.

In DE 26 31 552 A1 wird eine Methode zur Erdwärmenutzung beschrieben, bei der ein Doppelwandrohr in einen durch eine unterirdische Sprengung geschaffenen Hohlraum hinabgelassen wird. Durch den Außenring des Doppelwandrohrs wird Wasser in den Hohlraum geleitet, das aufgrund der dort herrschenden Hitze verdampft und ein Teil des Wasserdampfs durch ein inneres Rohr zu einem Wärmetauscher aufsteigt. Ein mit einer dünnen Außenwand versehenes Innenrohr wird über Halterungen zentral innerhalb des mit einer stärkeren Außenwand versehenen Außenrohres für die Kaltwasserzuführung gehalten. Es wird die „Rohr-in-Rohr"-Technik verwendet, welche auch in Druckschriften EP 1468226 B1 und EP 1486741 A1 offenbart wurde. Diese Technik weist eine schlechte Energieeffizienz auf, welche nur durch eine aufwändige Isolierung des Innenrohres sehr teuer herzustellen ist. Die genannte Erdsonde muss zudem in Bereiche abgesenkt werden, die ein Verdampfen des eingebrachten Mediums Wasser ermöglichen. Dies lässt auf sehr große Tiefen mit den damit verbundenen Problemen schließen.

Die in DE 31 39 868 A1 offenbarte Sonde für Wärmetauscher besteht aus einem äußeren und einem inneren Rohr sowie Zu- und Abflussarmaturen. Das äußere Rohr besteht dabei aus Metall, während die innere Leitung auch durch einen Schlauch gebildet werden kann. Zum Schutz des äußeren Rohres ist die Sonde mit einer Kunststoffhülle umgeben und am unteren Ende mit einem Kunststoffstopfen verschlossen. Allerdings wird die schon beschriebene „Rohr-in-Rohr"-Technik verwendet. Die geforderte Effizienz ist somit nicht erzielbar. Daneben ist die Herstellung dieser Sonde durch einen zusätzlichen Überzug aus Kunststoff sehr teuer.

[Aufgabe der Erfindung]

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Erdsonde zu entwickeln, welche einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als der Stand der Technik besitzt, indem mit möglichst geringem Primärenergieaufwand möglichst viel Wärmeenergie aus der Umwelt genutzt werden kann. Das Installieren in das Erdreich soll möglichst wenig Aufwand erfordern. Zusätzlich soll die Erdsonde auch für einen Einsatz zur Gewinnung von Gebäudeabwärme verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Erdsonde besteht aus konzentrisch um ein Zentralrohr angeordneten Rohren, die über Sammler miteinander verbunden sind. Sie besteht aus einem formstabilen Material, vorzugsweise aus Metall und insbesondere Edelstahl.

Es sind Mittel zur Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen. Dies erfolgt dadurch, dass die Summe der Nennweiten aller um das Zentralrohr angeordneten Vorlaufrohre größer ist, als die Nennweite des Zentralrohres und/oder durch eine Venturi-Düse, welche am Übergang vom unteren Sammler in das Zentralrohr angeordnet ist. Durch die Verwendung einer Erdsonde, die über mehrere kleine Vorlaufrohre verfügt, deren Querschnitte in ihrer Summe größer sind als der Querschnitt des Zentralrohres, entsteht ein Venturi-Effekt, welcher die Strömungsgeschwindigkeit beim Rücklauf des verwendeten Wärmeträgermediums erhöht.

Die Erdsonde besteht aus einem formstabilen Material, wobei die Wandstärke aller Rohre gleich ist.

Ein erheblicher Vorteil liegt in der Handlichkeit und der Montage ohne besondere Anforderungen. Die auf ein Maß von ca. 6 Metern beschränkte Sonde ist bequem mit kleineren LKW an den Bestimmungsort zu transportieren. Durch ein sehr geringes Gewicht von 20 bis 25 Kilogramm kann eine Person die Sonde vor Ort bewegen.

Bei Bedarf wird die Größe der Erdsonde durch Verlängerungselemente variiert. Sofern eine Erdsonde aus mehreren Einzelelementen kombiniert werden muss, gestaltet sich die Montage durch die Verwendung einfacher Pressverbindungen als sehr einfach. Mehrere Verlängerungselemente werden mit einem Endstück verbunden. Es ist darauf zu achten, dass der Abstand der Einzelelemente eine ordnungsgemäße Verbindung gewährleistet.

Die Erdsonde wird mit einem Fluid oder einem Gas betrieben.

Die Erdsonde ist für den Einbau in geringeren Tiefen ausgelegt, d.h. die notwendige Bohrung wird bis zur ersten wasserführenden Schicht durchgeführt. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass lediglich eine Trockenbohrung notwendig ist, somit fallen keine Bohrschlämme an, was den Einbau sehr umweltfreundlich macht.

Die Ausgestaltung in Edelstahl lässt ein sehr leichtes und sorgfältiges Verpressen des Bohrloches mit Erde zu, da das Material der Sonde nach dem Einbringen in das Bohrloch nicht nachgibt und so keine unerwünschten Veränderungen der Form entstehen.

Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erdsonde liegt in der Möglichkeit des Einbaus in ein Gebäudefundament. Die bisher an das umliegende Erdreich abgegebene Wärmeenergie aus dem Gebäude kann zumindest zu einem Teil wiedergewonnen werden, wenn in die Fundamente, vorzugsweise in Ringfundamente, eine Erdsonde der vorliegenden Art eingefügt wird. Die so an das Erdreich abgestrahlte Wärme kann hierüber zu einem Teil dem Heizkreislauf wieder zugeführt werden.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die VDI 4640 eingehalten.

[Beispiele]
Nachfolgend werden erfindungsgemäße Vorrichtungen anhand von Figurenbeschreibungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 einen Längsschnitt durch die Erdsonde aus Edelstahl;
2 einen Querschnitt durch die Erdsonde aus Edelstahl;
3 einen Längsschnitt einer Sondenverlängerung;
4 einen Längsschnitt durch eine horizontal einzubauende Sonde.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Erdsonde, die aus konzentrisch um ein Zentralrohr angeordneten Edelstahl-Rohren besteht, die über Sammler miteinander verbunden sind. Die Form der Sammler ist unerheblich, im Ausführungsbeispiel wird eine zylindrische Form bevorzugt. Es sind aber auch andere Formen, wie Kugeln oder Quader usw. denkbar. Durch einen Zulauf 7 am oberen Sammler 3 wird das Wärmeträgermedium der Erdsonde zugeführt. Die Nennweite des Zulaufs 7 ist gleich groß der Summe der Nennweiten aller Vorlaufrohre 2. Als Wärmeträger kann eine umweltfreundliche Zuckerlösung (z.B. Thermera) oder ein Gas verwendet werden. Der Wärmeträger wird durch die Vorlaufrohre 2 in den unteren Sammler 4 gepumpt. Dabei und im unteren Sammler 4 wird die Wärmeenergie 6 aufgenommen. Ein leichter Wärmeübergang wird durch die Ausgestaltung der Sonde in Edelstahl erreicht. Der Rückfluss des erwärmten Mediums erfolgt durch das Zentralrohr 1, dass durch eine geringere Nennweite als die Gesamtheit der Vorlaufrohre 2 eine erhöhte Fließgeschwindigkeit aufweist. Durch Einbau einer Venturi-Düse 5 wird die Nennweite des Zentralrohrs noch etwas weiter verengt, so dass der Venturi-Effekt zur weiteren Geschwindigkeitssteigerung des aufsteigenden Mediums genutzt werden kann.
Bei der Verwendung von Gasen kann auf den Einsatz eines Wärmetauschers verzichtet werden, Wärmepumpe und Erdsonde liegen im gleichen Kreislauf.
In 2 ist ein Zentralrohr 1 mit hier sechs kreisförmig um das Zentralrohr 1 angeordneten Vorlaufrohren 2 dargestellt. Bei einer Verringerung der Anzahl der Vorlaufrohre 2 muss auf eine ausreichende Vergrößerung der Nennweiten der Vorlaufrohre 2 geachtet werde und entsprechend umgekehrt.
In 3 ist ein Beispiel für ein Verlängerungselement gezeigt. Das Zentralrohr 1 wird hier durch beide Sammler 3 und 4 durchgeführt. An der Unterseite des unteren Sammlers 4 befindet sich ein Ablaufstutzen 8, der über eine Pressverbindung mit dem Zulauf 7 einer weiteren Verlängerung oder dem Zulauf 7 des in 1 dargestellten Endstücks verbunden werden kann. Idealerweise entspricht die Nennweite dieser Verbindung (Ablaufstutzen 8 mit Zulauf 7) der Summe aller Nennweiten der Vorlaufrohre 2, um eine ungehinderte Bewegung des Wärmeträgermediums zu gewährleisten.
In 4 ist eine Erdsonde dargestellt, die sich zum Einbau in ein Gebäudefundament eignet. Der Zulauf 7 ist hier so angebracht, dass das Wärmeträgermedium wie bei einer vertikal einzubauenden Sonde nach 1 von oben in die Sonde eintritt. Der weitere Aufbau entspricht den Eigenschaften, die schon in 1 beschrieben worden sind, bis auf die Tatsache, dass auch das Zentralrohr letztendlich wieder über eine beliebig ausgestaltete Krümmung in Richtung des Wärmetauschers gelenkt werden muss. Wichtig hierbei ist der ausschließliche Einsatz im Solebetrieb. Auch für den Einbau in ein Gebäudefundament ist eine Verlängerung denkbar. Dazu sind die Zuläufe und Ablaufstutzen entsprechend der Gegebenheiten und den senkrecht ausgestalteten Erdsonden angepasst auszugestalten.
Für Gebäudefundamente können die Erdsonden aus Edelstahl als Bewährungselemente genutzt werden, wodurch zusätzliche Kosten gering gehalten werden können.
Ebenso ist es möglich, die Erdsonde aus Edelstahl als Energiepfahl zur Gewinnung von Erdwärme im Bereich der Pfahlgründung einzusetzen.

1: Zentralrohr
2: Vorlaufrohre
3: Oberer Sammler
4: Unterer Sammler
5: Venturi-Düse
6: Aufnehmbare Wärmeenergie
7: Zulauf
8: Ablaufstutzen

Claims

Erdsonde zur Wärmegewinnung bestehend aus konzentrisch um ein Zentralrohr angeordneten Rohren, die über Sammler miteinander verbunden sind, wobei die Summe der Nennweiten aller um das Zentralrohr angeordneten Vorlaufrohre größer ist, als die Nennweite des Zentralrohres dadurch gekennzeichnet, dass am Übergang vom unteren Sammler (4) in das Zentralrohr (1) eine Venturi-Düse (5) zur Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit angeordnet ist, dass die Erdsonde aus einem formstabilen Material, vorzugsweise aus Metall besteht, wobei die Wandstärke aller Rohre gleich ist, und dass bei Bedarf die Größe der Erdsonde durch Verlängerungselemente, welche ein durch einen oberen Sammler (3) und einen unteren Sammler (4) geführtes Zentralrohr (1) besitzen, an die Bohrlochtiefe angepasst wird.
Erdsonde nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Erdsonde aus Edelstahl besteht.
Erdsonde nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Verlängerungselemente durch Pressverbindungen miteinander verbunden werden.
Erdsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Erdsonde mit einem Fluid oder einem Gas betrieben wird.
Erdsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Erdsonde in die Fundamente von Gebäuden eingesetzt wird.
Erdsonde nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Erdsonde aus Edelstahl als Bewährungselement genutzt wird.
Erdsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Erdsonde als Energiepfahl eingesetzt wird.