DE102007009773A1

DE102007009773A1 - Verfahren zum Einbringen von Erdwärmesonden in das Erdreich und eine Vorrichtung

Info

Publication number: DE102007009773A1
Application number: DE102007009773A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. Wurm; Hans-Joachim Dr. Bayer
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-08-28
Also published as: US20080202723A1; GB0802909D0; GB2447123B; US8016049B2; GB2447123A

Abstract

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die elastische Komponente verdrängten Erdreichs für Erdwärmesonden zu nutzen. Dies wird ermöglicht, indem die Erdwärmesonden so in das Erdreich eingebracht werden, daß das Erdreich in mindestens einem Verfahrensschritt verdrängt wird, so daß es sich beim Entspannungsvorgang dann auf die Sonde zu bewegt. Das Einbringen der Sonde in elastisch verdrängtes Erdreich gewährleistet nicht nur eine stabile dauerhafte Fixierung der Sonde im Erdreich, sondern auch den für Erdwärmesonden besonders wichtigen engen Kontakt zwischen Erdreich und Sondenwandung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Erdwärmesonden in das Erdreich und eine entsprechende Vorrichtung.
Im Bereich der Geothermie, insbesondere im Bereich der Nutzung von Erdwärme für die Beheizung von Häusern werden Erdwärmesonden in das Erdreich durch Ausheben des Erdreichs oder durch das Bohren von Kanälen eingebracht.
Soweit die Sonden nicht offen verlegt werden, ist es üblich, vertikale Kanäle zu bohren, beispielsweise mit einem Schneckenbohrgerät, und die Erdwärmesonden dann in die Bohrung einzulassen.
In der US 5,634,515 ist ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Einbringen von Sonden in eine Bohrung beschrieben. Mit dieser Vorrichtung soll ein vereinfachtes Einbringen von Erdwärmesystemen in das Erdreich ermöglicht werden, das insbesondere für bereits bebaute Gebiete geeignet ist. Hierzu werden die Sonden grabenlos, jedoch nicht vertikal, sondern horizontal verlegt. Dazu werden mit einem Bohrgerät mehrere Kanäle in das Erdreich eingebohrt. In einem zweiten Schritt werden die entsprechenden Sonden in diese Bohrungen eingeschoben.
Bei den bekannten grabenlosen Verfahren besteht das Problem, daß kein optimaler Kontakt zwischen Erdreich und Sonde entsteht, so daß die Wärmeleitung gestört ist und die Sonden bisweilen nicht ausreichend fixiert sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die ein verbessertes Verlegen von Erdwärmesonden erlauben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die elastische Komponente (insbesondere der bindige Anteil) verdrängten Erdreichs für Erdwärmesonden zu nutzen. Dies wird ermöglicht, indem die Erdwärmesonde so in das Erdreich eingebracht werden, daß das Erdreich in mindestens einem Verfahrensschritt durch Verdrängen komprimiert wird, so daß es sich beim Entspannungsvorgang dann auf die Sonde zu bewegt. Das Einbringen der Sonde in elastisch verdrängtes Erdreich gewährleistet nicht nur eine stabile dauerhafte Fixierung der Sonde im Erdreich, sondern auch den für Erdwärmesonden besonders wichtigen engen Kontakt zwischen Erdreich und Sondenwandung.
Die Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft mit dem Einsatz von Thermodämmmaterial kombinieren, welches dann z. B. zu der Anlagerung an die Sonde beitragen kann.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem vor dem Verdrängen des Erdreichs ein bestimmter Verdrängungsgrad in Abhängigkeit von bestimmten Parametern gewählt wird, um die gewünschte Kompression des Erdreichs zu bewirken. Dies erlaubt es je nach Art des Erdreichs, dessen Verdrängbarkeit, dessen Wärmeleitwert und des zur Verfügung stehenden Einschubgerätes die optimale Verdrängung einzustellen.
Eine besonders vorteilhafte Fixierung der Sonde bei entsprechend engem Kontakt zu dem umgebenden Material wird in Erdreich erreicht, welches einen hohen elastischen Anteil bei der Verformung aufweist. Bei der Entspannung des Erdreichs nach dem Verdrängen paßt sich das Erdreich der Form der Sonde an und erlaubt eine verbesserte Wärmeübertragung und einen festen Sitz. So können auch isolierende Luftschichten minimiert werden.
Dabei kann zunächst eine Pilotbohrung vorgenommen werden, die in ihrem Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der einzubringenden Erdwärmesonden, um dann in einem zweiten Schritt die Erdwärmesonde mit Hilfe eines Schubkopfes in das Erdreich einzupressen.
Die Pilotbohrung als solche kann den Verdrängungsvorgang bereits beinhalten oder dieser Vorgang kann beim Einbringen der Sonde stattfinden. Beim Einbringen der Sonde kann folglich ein erster oder ein weiterer Verdrängungsschritt erfolgen. Alternativ kann die Sonde aber auch ohne zusätzliche Verdrängung eingebracht werden, wenn die Verdrängung bereits im Wege der Pilotbohrung erfolgt ist. Vorzugsweise wird hierzu ein Schubkopf eingesetzt, der zweiteilig ausgestaltet sein und dessen Spitze als Schutz der Führung im Erdreich dienen kann. Zudem kann ein Schubstern zum Einsatz kommen, der der Aufnahme und gezielten Anordnung der Sonden dient und ihnen Halt gibt.
Ferner kann eine Induktionsrohranbindung vorgesehen sein, die ein Verfüllen des Bohrlochs mit einem Thermodämmstoff erlaubt, wie er dem Fachmann bei Erdwärmesonden bekannt ist. Das Induktionsrohr kann mittig angeordnet sein und so ein gezieltes und genaues formschlüssiges Verfüllen der Sonden erlauben. Die Induktionsrohranbindung kann ein intergriertes Entriegelungssystem aufweisen, welches den Austritt von Dammmaterial beim Rückziehen des Schubgestänges ermöglicht. Dieses Zurückziehen ist insbesondere aufgrund der geometrischen Form eines bevorzugten Schubkopfes mit Kragenform möglich, ohne den Sitz der Sonde zu destabilisieren. Eine zusätzliche Stabilisierung der Sonden ist bei entsprechender Form des Schubsterns möglich.
Je nach Konsistenz des Erdreichs kann die Sonde aber auch direkt verdrängend ohne Pilotbohrung in das Erdreich eingebracht werden, indem ein entsprechend verdrängend arbeitender Schubkopf eingesetzt wird, der über ein Gestänge in das Erdreich eingeschoben wird und die Sonde bereits beim Erstellen des Kanals nach sich zieht.
Vorteilhaft ist die Verwendung eines Schubkopfes, der aufgrund seiner geometrischen Form eine Haltekraft im Erdreich entfaltet, um zusätzlich einen sicheren Sitz der Sonden im Erdreich zu gewährleisten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Sonde mit einem Schubkopf mit beispielsweise kegeligem bis stumpfkegeligem Aufbau eingetrieben, der einen Kragen aufweist. Der Schubkopf verbleibt nach dem Eintreiben im Erdreich. Der Kragen bewirkt eine zusätzliche Fixierung der Sonde und verhindert ein Zurückrutschen in dem Kanal.
Die Sonde und/oder die Pilotbohrung wird vorzugsweise mit einem statisch arbeitenden linearen Schubgerät, beispielsweise mit einem Hydraulikantrieb oder Elektroantrieb und Schubschlitten, in das Erdreich eingebracht. Erfindungsgemäß läßt sich die mögliche Schubkraft besonders vorteilhaft mit dem Verdrängungsgrad abstimmen. Zusätzlich kann das Schubgerät aber auch eine Drehung ausführen oder bei Bedarf Hammerschläge ausüben, um den Vorgang des Einschiebens zu unterstützen.
Zum Erstellen einer Pilotbohrung kann eine bevorzugt Vorrichtung einen Vorschneidekopf und/oder ein Aufweitwerkzeug aufweisen. Das Aufweitwerkzeug kann Bits Nuten und/oder Verfestigungsrollen besitzen. Mit dieser Anordnung läßt sich mit geringem Kraftaufwand ein Kanal auch unter schwierigen Bedingungen erstellen. Durch die Wahl des Durchmessers des Aufweitwerkzeugs kann dabei mehr oder weniger Erdreich verdrängt werden und so eine optimale Einstellung der Verdrängung gewählt werden. Die Nuten erlauben einen erleichterten Vortrieb zusammen mit den Rollen eine besonders gleichmäßige Verteilung der Erdkompression über den Umfang und gewährleisten damit, daß sich das Erdreich gleichmäßig um die Sonden herumlegt. Die Rollen können dabei auch drehbar ausgestaltet sein.
Die vorliegende Erfindung kann besonders vorteilhaft mit einem linearen Schubgerät eingesetzt werden, welches eine Mehrzahl von Kanälen für die Erdwärmesonden ausgehend von einer zentralen Position in das Erdreich treibt und sich hierzu auf bestimmte Winkel einstellen läßt. Bevorzugt erfolgt das Einstellen der Winkel in zwei Freiheitsgraden, so daß ein kugelkopfförmiges Ausrichten der Sonden im Erdreich möglich ist.
Dies erlaubt den schnellen Einsatz kleiner Bohranlagen ohne ständige Ortsveränderung bei gleichzeitiger Schonung der Natur. Zudem ist das Anlegen von Bohrungen in bebauten Gebieten auch dort möglich, wo die Raumverhältnisse beengt sind. Bevorzugt werden die Kanäle so ausgerichtet, daß wasserführende Schichten erfaßt werden, um eine höhere Wärmeentzugsleistung zu erreichen. Bei der strahlenförmigen Ausführung der Bohrung ist aber die Wahrscheinlichkeit bereits per se erhöht, daß eine solche Schicht erfaßt wird. Als Sonde kommen vorzugsweise U-förmige Schleifen zum Einsatz, so daß das Wärmemedium in diesen zirkulieren kann.
Vorzugsweise ist der Bohrkopf über einen Bajonettverschluß oder Steckverbindung mit dem Gestänge verbunden und ist über den Bajonettverschluß auch lösbar. Dies kann beispielsweise über eine bestimmte Drehbewegung erfolgen. So kann der Bohrkopf in einer Drehrichtung fest mit dem Gestänge verbunden sein. In dieser Drehrichtung wird der Bohrkopf dann mit der Sonde mit Hilfe des Gestänges in das Erdreich eingebohrt. Bei Umkehr der Drehrichtung des Gestänges – dies sollte erst am Ende des Bohrvorgangs erfolgen – löst sich das Gestänge von dem Bohrkopf und kann aus dem gebohrten Kanal herausgezogen werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein verbleibender Hohlraum zwischen Sonde und Bohrwand, falls vorhanden, verdämmt. Dies kann beim Zurückziehen des Gestänges erfolgen. Erfindungsgemäß wirkt die elastische Komponente des Erdreichs dann über das Dammmaterial.
Alternativ kann aber auch das Dammmaterial selbst für die elastische Komponente verantwortlich sein. Insbesondere bei nicht bindigen Böden kann teigiges Dämmmaterial in den Kanal mit eingeknetet werden. Dadurch wird dem Boden der nicht bindige und der fehlende elastische Anteil oder ein zusätzlicher bindiger oder elastischer Anteil zugeführt.
Der erfindungsgemäße Bohrkopf kann einen Freilauf aufweisen, um eine Rotation des Gestänges zu erlauben, ohne die Sonde mitzudrehen. Vorzugsweise ist der Freilauf teilbar, so daß ein einfacher Einbau möglich ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1 ein erfindungsgemäßer Schubkopf mit Schubstern und Induktionsrohranbindung zur Durchführung des Verfahrens;
2 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Schubkopfes mit Schubstern zur Durchführung des Verfahrens und
3 eine Vorrichtung zum Erstellen einer erfindungsgemäßen Pilotbohrung mit einem Vorschneidkopf und einem Aufweitwerkzeug mit Drillbits und Aufweitrollen.
Das erfindungsgemäße verdrängende Einziehen der Sonden 2, 4 erfolgt über ein Schubrohr 6, welches die von einem Schubantrieb (nicht dargestellt) ausgehende Schubkraft über einen Schubstern 8 auf einen kegelstumpfförmigen Schubkopf 10 überträgt. Der Schubstern 8 besitzt ferner stabilisierende Leitbleche 8.1, 8.2, 8.3, welche Kompartimente ausbilden, in denen die Sonden 2, 4 angeordnet sind und welche einen verbesserten Sitz im Erdreich gewährleisten. Der Schubkopf 10 weist einen Haltebolzen 12 für die Sondenköpfe und einen Kragen 14 zum Fixieren im Erdreich auf. Der Kragen 14 verhindert ein Zurückrutschen der im Schubkopf 10 fixierten Sonden 2, 4, insbesondere beim Zurückziehen des Schubrohres 6.
Am Ende des Schubrohres 6 ist ein Induktionsrohr 16 mit einer Entriegelungseinheit 18 angeordnet, die ein Verfüllen mit Dämmstoff beim Zurückziehen des Rohres 6 erlaubt.
Werden nun die Sonden 2, 4 in das Erdreich eingezogen verdrängt der Schubkopf 10 das Erdreich. Die elastische Komponente des verformten Erdreichs bewirkt, daß sich das Erdreich nach dem Einschieben des Schubkopfes bis zu einem gewissen Grad wieder in seine ursprüngliche Position zurückbewegt und so die Sonden 2, 4 und den Schubkopf 10 fixiert. Leitbleche 8 stabilisieren dabei die Richtung bzw. verhindern eine Rotation, was zu einem Verdrehen der Sonden führen würde. Daraufhin wird das Rohr 6 bei gleichzeitiger Verfüllung des verbleibenden Freiraums mit Dämmstoff zurückgezogen.
3 zeigt eine bevorzugte Vorrichtung zum Erstellen einer Pilotbohrung. Die Vorrichtung weist einen Vorschneidekopf 22 und ein Aufweitwerkzeug 24 auf. Das Aufweitwerkzeug 24 besitzt Bits 26 und Nuten 28 sowie Verfestigungsrollen 30. Mit dieser Anordnung läßt sich mit geringem Kraftaufwand ein Kanal auch in problematischem Erdreich erstellen, der je nach Wahl des Durchmessers des Aufweitwerkzeugs 24 mehr oder weniger Erdreich verdrängt. Die Nuten 28 erlauben zusammen mit den Rollen 30 eine gleichmäßige Verteilung der Erdkompression und gewährleisten damit, daß sich das Erdreich gleichmäßig um die Sonden herumlegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5634515 [0004]

Claims

Verfahren zum Einbringen von Erdwärmesonden in das Erdreich mittels eines Schubgerätes durch Erstellen eines Kanals, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Verfahrensschritt die elastische Komponente der Erdreichs genutzt wird, um einen engen Kontakt zwischen Erdreich und Sonde zu erzeugen, indem bei der Kanalerstellung zunächst eine gezielte Kompression des Erdreichs durch Verdrängen erfolgt wodurch sich das Erdreich nach dem Einführen der Sonde auf die Sonde zu bewegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gewünschte Verdrängungsgrad anhand von Parametern, wie der Erdbeschaffenheit, der maximalen Schubkraft des Schubgerätes und der Elastizität der Erdreichs ermittelt wird und ein für den gewünschten Verdrängungsgrad geeignetes Verdrängungswerkzeug ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdreich im Wege einer Pilotbohrung ganz oder zum Teil verdrängt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdreich mit Hilfe eines Schubkopfes (10) beim Einziehen der Sonde (2, 4) ganz oder zum Teil verdrängt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung eines Schubkopfes (10), der nach dem Einschieben aufgrund seiner geometrischen Form eine Haltekraft entfaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Verdämmen von Hohlräumen beim Zurückziehen des Schubrohres (6).
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schubkopf (10) mit Kegelstumpfform.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Schubkopf (10) mit Kragen (14) zur Fixierung im Erdreich.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Verdammung bestehender Hohlräume.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung einer Vorrichtung zum Erstellen einer Pilotbohrung mit mindestens einem der folgenden Merkmale: a) ein Vorschneidekopf (22) b) ein Aufweitwerkzeug (24) zum Verdrängen des Erdreichs c) Drillbits (26) d) Verfestigungsrollen (30) e) Stabilisierungsnuten (28)
Verfahren zum Verlegen einer Erdwärmesonde mit einer Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Wahl eines Durchmessers des Aufweitwerkzeugs unter Berücksichtigung der Schubkraft des Schubgerätes und der elastischen Komponente des Erdreichs.
Verfahren zum Verlegen einer Erdwärmesonde nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Verwenden von Dammmaterial zur Beeinflussung der elastischen Komponente des Erdreiches.