DE102007013089A1

DE102007013089A1 - Anordnung zur Gewinnung von oberflächennaher Erdwärme

Info

Publication number: DE102007013089A1
Application number: DE102007013089A
Authority: DE
Inventors: Christian Dede
Original assignee: Dede Christian Dr
Current assignee: Dede Christian Dr
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2008-09-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Gewinnung von Erdwärme und die Speicherung von Wärme und Kälte im Boden. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Gewinnung von Erdwärme zu entwickeln, welche effizient und kostengünstig die Gewinnung von Erdwärme und die Speicherung von Wärme und Kälte im oberflächennahen Bereich ermöglicht. Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem oder mehreren Wärmetauschern, die zwischen einer Startgrube und einer Zielgrube horizontal oder parallel zur Geländeoberkante in einer genügenden Tiefe, bei welcher der Einfluss jahreszeitlicher Temperaturschwankungen ausgeschlossen ist, verlegt werden. Sondenvorlauf und Sondenrücklauf liegen dabei in einem solchen Abstand voneinander, der ihre gegenseitige thermische Beeinflussung vermeidet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Gewinnung von oberflächennaher Erdwärme und die Speicherung von Wärme und Kälte im Boden.
[Stand der Technik]
Die Gewinnung von Erdwärme ist bekannt. So werden in den deutschen Patentanmeldungen DE 2850865 A1 und DE 2928893 A1 Verfahren zur Gewinnung von oberflächennaher Erdwärme beschrieben, bei denen in geringer Tiefe (ca. 1,0–2,0 m unter Geländeoberkante) Rohre oder Schläuche, die als Wärmetauscher wirken (sog. Kollektoren) horizontal verlegt werden.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass sich die Kollektoren in der genannten geringen Tiefe noch im Einflussbereich jahreszeitlicher Temperaturschwankungen befinden. Mit Fortschreiten des Winters tritt durch Wärmeabgabe an die Atmosphäre eine Auskühlung des genutzten Bereichs ein, die konkurrierend zur Heiznutzung steht. Als Ergebnis sinkt der Wirkungsgrad der Anlage.
Weiterhin sind verschiedene Sondenanordnungen bekannt, bei denen der Wärmetauscher mit Sondenvorlauf und Sondenrücklauf in einem überwiegend vertikalen oder schrägen Bohrloch angeordnet ist. Das Bohrloch kann mit verschiedenen Materialien verfüllt werden und dann z. B. auch als Gründungselement genutzt werden. Diese Gründungselemente können auch vorgefertigt sein, und durch Rammen eingebracht werden (sog. Betonspieß, z. B. DE 19728637 C1 ).
Die Anordnung von Sondenvorlauf und Sondenrücklauf in einem Bohrloch oder Gründungselement (sog. Energiepfahl, Betonspieß) kann unterschiedlich ausgeführt sein (U-Sonde, Koax-Sonde, z. B. DE 3244496 A1 , DE 10202261 A1 , DE 4437124 A1 ).
Diese vertikalen Sonden können auch zur Speicherung von Wärme und Kälte im Boden genutzt werden ( DE 10 2005 011 239 A1 ).
Nachteilig bei diesen Verfahren sind die relativ hohen Kosten, sowie die Tatsache, dass die gemeinsame Führung von Vor- und Rücklauf in einem relativ geringkalibrigen Querschnitt (z. B. Bohrloch, Energiepfahl, Betonspieß), häufig noch eingebettet in einem relativ gut wärmeleitfähigen Material, zwangsläufig zu Effekten führt, die als „thermischer Kurzschluss" bezeichnet werden. Dabei wird das relativ warme Medium auf dem Weg aufwärts zur Wärmepumpe durch Wärmeleitung zum abwärts fließenden kalten Medium abgekühlt. Darunter leidet die Effizienz der gesamten Anlage.
Weiterhin nachteilig ist die Tatsache, dass derartige vertikale Sonden aufgrund ihrer Tiefe (aus bergrechtlichen Gründen in Deutschland meist bis 99 m unter Geländeoberkante) zu relativ hohen so genannten sondenspezifischen Zeitkonstanten führen. Bei der in diesem Tiefenbereich genutzten Energie handelt es sich überwiegend um von der Geländeoberfläche eingetragene Sonnenenergie, die relativ langsame Leitung der Wärme von der Oberfläche in die Tiefe führt dazu, dass es erst nach relativ langen Zeiträumen (typischerweise Jahrzehnte) zur Einstellung eine Gleichgewichtszustandes von entzogener Wärmemenge und nachströmender Wärme kommt.
Weiterhin nachteilig kann die negative Beeinflussung durchteufter Grundwasserleiter sein. So kann es zu unerwünschten hydraulischen Verbindungen zwischen z. B. Süßwasser- und Salzwasser-Grundwasserleitern kommen mit der Folge einer negativen Beeinflussung der Wasserqualität der Süßwasser-Grundwasserleiter.
Werden die Erdwärmesonden zur Speicherung von Wärme genutzt, so ist im Bereich von Grundwasserleitern ein Abstrom der Wärme mit dem Grundwasserstrom zu befürchten.
Bei einem weiteren Verfahren ( DE 3913429 A1 ) werden Sondenvorlauf und Sondenrücklauf in Form einer Spirale in Brunnen größeren Durchmessers (ca. 1,5 m) und geringer Tiefe (ca. 10,0 m) verlegt. Die Nachteile der geringen Verlegetiefe im Bereich der jahreszeitlichen Temperaturschwankungen und der gegenseitigen Beeinflussung von Sondenvorlauf und Sondenrücklauf wirken auch hier.
In DE 19919555 C1 wird ein Verfahren zur Erschließung geothermischer Energie offenbart, bei der eine Bohrung eingebracht wird, die gezielt der nutzbaren Temperatur im Boden folgt. Hierzu wird eine vollkommen verlaufsgesteuerte Bohrung mit einem fernsteuerbaren Bohrkopf vorangetrieben und der Bohrverlauf in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur im umgebenden Bodenbereich gesteuert. Eine Ausführungsform zeigt die Verwendung einer Schlaufenbohrung mit unterschiedlichen Start- und Zielpunkten. Das Wärmetauscherrohr besteht aus einer Leitung und wird an der Einströmstelle mit Speisewasser gefüllt und an der Abzugsstelle z. B. als Dampf wieder entnommen. Dies ist nur möglich, wenn die Bohrungen bis in große Tiefen deutlich über 1000 m durchgeführt werden, da die Temperatur für die Erwärmung des Wassers genügend hoch sein muss. Im oberflächennahen Bereich ist das Verfahren nicht anwendbar.
[Aufgabe der Erfindung]
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Gewinnung von oberflächennaher Erdwärme zu entwickeln, welche die o. g. Nachteile vermeidet und effizient und kostengünstig die Gewinnung von Erdwärme und die Speicherung von Wärme und Kälte im oberflächennahen Bereich ermöglicht.
Grundgedanke der Erfindung ist es, dass mittels Horizontalbohrung erstellte Wärmetauscher mit Sondenvorlauf und Sondenrücklauf in horizontaler Lage oder geländeparallel angeordnet sind, und dass Sondenvorlauf und Sondenrücklauf voneinander beabstandet sind.
Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem oder mehreren Wärmetauschern, die horizontal oder parallel zur Geländeoberkante in einer genügenden Tiefe, bei welcher der Einfluss jahreszeitlicher Temperaturschwankungen ausgeschlossen ist, zwischen einer Startgrube und einer Zielgrube verlegt werden. Sondervorlauf und Sondenrücklauf liegen dabei in einem solchen Abstand voneinander, der ihre gegenseitige thermische Beeinflussung vermeidet.
Eine Ausführungsform beinhaltet, dass der Sondenvorlauf gleichzeitig der Sondenrücklauf ist, wobei dieser ausgehend von einer Startgrube, welche gleichzeitig Zielgrube ist, annähernd kreisförmig zu dieser zurückgeführt wird.
In einer weiteren Ausführungsform verlaufen mehrere Wärmetauscher lanzettförmig von einer Startgrube zu je einer Zielgrube und von dort zur Startgrube zurück.
Die Wärmetauscher werden mittels Horizontalbohrung verlegt. Die Horizontalbohrung wird in einer Tiefe von größer ca. 10 m unter Geländeoberkante durchgeführt.
Die Wärmetauscher können zur Speicherung von Wärme oder Kälte genutzt werden.
Die Anordnung weist gegenüber den bekannten Anordnungen folgende Vorteile auf:

– Die Tiefe kann derart gewählt werden, dass der bei den Erdwärmekollektoren negative Einfluss jahreszeitlicher Temperaturschwankungen ausgeschlossen ist (ab ca. 10,0 m unter GOK).
– Die bei konventionellen vertikalen oder schrägen Bohrungen unvermeidliche größere Tiefe und damit größere sondenspezifische Zeitkonstanten werden vermieden.
– Durch die Beabstandung von Vorlauf und Rücklauf wird vermieden, dass es durch gegenseitige Beeinflussung von Vorlauf und Rücklauf zum Wärmeaustausch zwischen Vor- und Rücklauf kommt.
– Die Kosten für die Installation einer solchen Anlage liegen je laufendem Meter unter den für eine Bohrung erforderlichen finanziellen Aufwendungen.
– Eine Beeinflussung von Grundwasserleitern kann durch geeignete Anordnung der Sondenschleife z. B. in einem Grundwasser-Nichtleiter vermieden werden.

[Beispiele]
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierzu zeigen
1 Schnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung mit mehreren horizontalen Sondensträngen
2 Grundriss eines kreisförmig verlaufenden Wärmetauschers
3 Sondenanordnung mit mehreren lanzettförmig verlaufenden Wärmetauschern
Mittels Horizontal-Bohrverfahren werden Rohre in einer horizontalen Schleife in den Boden eingebracht. Die geometrische Anordnung von Vor- und Rücklauf kann den Erfordernissen des jeweiligen Vorhabens angepasst werden (z. B. Kreis, Ellipse, Lanzett).
1 zeigt im Schnitt eine Anordnung, bei der mehrere horizontale Sondenstränge des Wärmetauschers (1) in ca. 10–15 m unter Geländeoberkante (4) zwischen einer Startgrube (2) und je einer Zielgrube (3) verlaufen. Der Wärmetauscher (1) kann aufgrund seiner Ausführung und Tiefenlage ohne Probleme Gebäude (5) oder Pflanzen (6) unterfahren.
2 zeigt im Grundriss einen Wärmetauscher (1), der ausgehend von einer Startgrube (2) kreisförmig zur Startgrube (2) zurück verläuft. In dem Ausführungsbeispiel wird die Startgrube mittels Verbindungsleitungen (7) mit einem Gebäude (5) verbunden, in dem sich z. B. Anlagen zum Betrieb der Sonde befinden. Diese Anlagen können jedoch auch in der z. B. befestigten Startgrube (2) untergebracht sein.
3 zeigt eine Sondenanordnung im Grundriss, bei der mehrere Wärmetauscher (1) lanzettförmig von einer Startgrube (2) zu je einer Zielgrube (3) und von dort zur Startgrube (2) zurück verlaufen. Wie schon in 2 gezeigt, kann die Startgrube mittels Verbindungsleitungen (7) mit einem Gebäude (5) verbunden werden, in dem sich z. B. Anlagen zum Betrieb der Sonde befinden.
Diese Anlagen können jedoch auch in der befestigten Startgrube (2) untergebracht sein.
Die Wärmetauscher (1) mit Sondenvorlauf und Sondenrücklauf können in mehreren Teilabschnitten erstellt werden. (1 und 3)

1: Wärmetauscher
2: Startgrube
3: Zielgrube
4: Geländeoberkante
5: Gebäude
6: Pflanzen
7: Verbindungsleitungen zwischen Startgrube und Gebäude

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 2850865 A1 [0002]
- DE 2928893 A1 [0002]
- DE 19728637 C1 [0004]
- DE 3244496 A1 [0005]
- DE 10202261 A1 [0005]
- DE 4437124 A1 [0005]
- DE 102005011239 A1 [0006]
- DE 3913429 A1 [0011]
- DE 19919555 C1 [0012]

Claims

Anordnung zur Gewinnung von oberflächennaher Erdwärme dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Wärmetauscher (1) zwischen einer Startgrube (2) und einer Zielgrube (3) horizontal oder parallel zur Geländeoberkante in einer genügenden Tiefe, bei welcher der Einfluss jahreszeitlicher Temperaturschwankungen ausgeschlossen ist, angeordnet sind und Sondervorlauf und Sondenrücklauf in einem solchen Abstand voneinander liegen, der ihre gegenseitige thermische Beeinflussung vermeidet.
Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenvorlauf gleichzeitig der Sondenrücklauf ist, wobei dieser ausgehend von einer Startgrube (2), welche gleichzeitig Zielgrube (3) ist, annähernd kreisförmig zu dieser zurückgeführt wird.
Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmetauscher (1) lanzettförmig von einer Startgrube (2) zu je einer Zielgrube (3) und von dort zur Startgrube (2) zurück verlaufen.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (1) mittels Horizontalbohrung verlegt werden.
Anordnung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Horizontalbohrung in einer Tiefe von mind. 10 m unter Geländeoberkante durchgeführt wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (1) zur Speicherung von Wärme oder Kälte genutzt werden.