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Die
Erfindung betrifft einen Sondenkopf, eine Sonde und ein Verfahren
zum Austausch von Wärmeenergie
mit dem Erdreich mit einem Behälter,
wobei der Behälter
jeweils einen als Rohr ausgebildeten Zulauf und einen Ablauf aufweist,
wobei der Ablauf in einen oberen Endbereich und der Zulauf in einen
Bodenbereich des Behälters
geführt
ist, und wobei im Bodenbereich zumindest eine Strömungsführungseinrichtung
zur Strömungsführung eines
Wärmeträgermediums
gegen eine Behälterinnenwandung
angeordnet ist, derart, dass das Wärmeträgermedium im Wesentlichen spiralförmig um
eine Behälterlängsachse
entlang der Behälterinnenwandung
bewegbar ist.
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Sonden
zur Gewinnung von Erdwärme
sind hinlänglich
bekannt und werden regelmäßig in Verbindung
mit Wärmepumpen
zur Nutzung der gewonnenen Wärmeenergie
eingesetzt. Die bekannten Sonden weisen in der Regel eine Vor- und
eine Rücklaufleitung
auf, welche aus einem Kunststoffrohr gebildet sind und in ein in
das Erdreich eingebrachtes Bohrloch eingesetzt werden. Vermittels
einer Pumpe wird ein Wärmeträgermedium
durch die im Erdreich befindliche Kunststoffleitung zirkuliert,
wobei in tieferen und somit wärmeren
Erdschichten eine Erwär mung
des Mediums erfolgt. Die sich so zwischen der Vor- und Rücklaufleitung
einstellende Temperaturdifferenz ist vermittels einer Wärmepumpe
beispielsweise zur Beheizung von Gebäuden nutzbar. An einem Grund
des Bohrlochs ist die Kunststoffleitung in einem verhältnismäßig engen
Radius gebogen bzw. als Bogenstück
ausgebildet, welches mit der Vor- und Rücklaufleitung verschweißt ist.
Am Leitungsbogen im Grund des Bohrlochs erfolgt aufgrund von sich dort
ablagernden Kleinpartikeln ein relativ hoher Verschleiß an der
Rohrleitung. Die Kleinpartikel wirken durch die Medienströmung abrasiv
auf die Innenwandung des Rohrleitungsbogens, so dass dessen Wandung
bis hin zur Undichtigkeit gedünnt
werden kann. Zur Sicherung des Bohrlochs bzw. zur Herstellung einer
guten wärmeleitenden
Verbindung mit dem Erdreich wird das Bohrloch regelmäßig vom
Grund ausgehend mit Zement oder ähnlichen
Füllmaterialien verfüllt. Nachteilig
bei derartigen Sonden ist der schlechte Wirkungsgrad, da das Wärmeträgermedium
relativ schnell an den warmen Erdschichten vorbeigeleitet wird und
Kunststoffleitungen eine vergleichsweise schlechte Wärmeleitfähigkeit
aufweisen.
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Aus
der
DE 30 48 870 A1 ist
eine Sonde bekannt, die sich ausgehend von einem Schacht in das Erdreich
erstreckt. Die Sonde ist als ein rohrförmiger Behälter ausgebildet, wobei ein
Zulauf eines Wärmeträgermediums
in einem Bodenbereich und ein Ablauf in einem Deckel des Behälters ausgebildet
sind. In den Behälter
ist eine schraubenförmig
umlaufende Ringwandung in Art einer Spirale eingesetzt, die einen
Ringraum ausbildet durch den das Wärmeträgermedium vom Zulauf zum Ablauf
strömen
kann.
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Auch
aus der
DE 30 00 157
C2 ist eine derartige Erdsonde mit einer in einem Behälter angeordneten
schraubenförmigen
Wendel bekannt. Die Erdsonde verfügt über eine Bypassleitung zwischen
einem Zulauf- und einem Ablaufrohr, wodurch ein mehrmaliges Durchströmen eines
Behälters
der Erdsonde mit einem Wärmeträgermedium
ermöglicht werden
soll.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sondenkopf
bzw. eine Sonde sowie ein Verfahren zum Austausch von Wärmeenergie
mit einem gegenüber
den bekannten Techniken verbesserten Wirkungsgrad vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Sondenkopf mit den Merkmalen des Anspruchs
1, eine Sonde mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und ein Verfahren zum
Austausch von Wärmeenergie
mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Sondenkopf
zum Austausch von Wärmeenergie
mit dem Erdreich weist einen Behälter
auf, wobei der Behälter
jeweils einen als Rohr ausgebildeten Zulauf und einen Ablauf aufweist,
und wobei der Ablauf in einen oberen Endbereich und der Zulauf in
einen Bodenbereich des Behälters
geführt
ist. Im Bodenbereich des Behälters
ist zumindest eine Strömungsführungseinrichtung
zur Strömungsführung eines
Wärmeträgermediums
gegen eine Behälterinnenwandung
angeordnet. Bei einer Durchflussströmung wird das Wärmeträgermedium
so im Wesentlichen spiralförmig
um eine Behälterlängsachse
entlang der Behälterinnenwandung
bewegt. Ein derartiger Sondenkopf verfügt über einen wesentlich verbesserten
Wirkungsgrad, da das Behältervolumen
im Vergleich zu einer Rohrleitung relativ größer ist und so die Aufenthaltsdauer des
Wärmeträgermediums
zur Aufnahme von Wärmeenergie
in der maßgeblichen
Erdschicht verlängert
wird. Der Wirkungsgrad wird weiter durch die Ausbildung einer spiralförmigen Strömung des
Wärmeträgermediums
entlang der Behälterinnenwandung
verbessert. Kalte Strömungsschichten
gelangen aufgrund ihrer vergleichsweise höheren Dichte und der im Spiralwirbel
wirkenden Zentrifugalkräfte
in eine Grenzschicht an der Behälterinnenwandung,
so dass aufgrund der hohen Temperaturdifferenz zwischen der Behäterinnenwandung
und der Grenzschicht ein besonders guter Austausch von Wärmeenergie
ermöglicht
wird.
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Durch
die Positionierung des Zulaufs im Bodenbereich und des Ablaufs im
oberen Endbereich des Behälters
ist Infolge der Erwärmung
des Wärmeträgermediums
die Ausbildung einer Strömung
aufgrund einer Schwerkraft von unten nach oben möglich, wobei auch Pumpen über dem
Erdreich in einer Vor- und/oder Rücklaufleitung eine Durchflussströmung ausbilden
bzw. unterstützen
können.
Auch wirkt sich die Anordnung des Zulaufs im Bodenbereich des Behälters verschleißmindernd
aus, da die Behälterinnenwandung
gegenüber
einem Rohrbogen eine verhältnismäßig größere Strömungs- bzw. Prallfläche für abrasiv
wirkende Kleinpartikel aufweist.
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Als
besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn ein Rohrende des Zulaufs
unterhalb der Strömungsführungseinrichtung
angeordnet ist. Die Ausbildung einer vom Bodenbereich bis zum oberen Endbereich
verlaufenden spiralförmigen
Strömung ist
so besonders einfach möglich,
da so unterhalb der Strömungsführungseinrichtung
ein gegen die Strömungsfüh rungseinrichtung
wirkender Flüssigkeitsdruck
des Wärmeträgermediums
erzielbar ist.
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In
einer Ausführungsform
weist die Strömungsführungseinrichtung
Lamellenelemente zur Ausbildung eines Wirbelstroms auf. Die Lamellenelemente
können
in Art von Turbinenschaufeln an der Behälterinnenwandung und/oder am
Zulaufrohr angeordnet bzw. befestigt sein.
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Die
Ausbildung einer spiralförmigen
Strömung
des Wärmeträgermediums
ist dann besonders einfach möglich,
wenn der Behälter
zylinderförmig ausgebildet
ist.
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Ist
das Verhältnis
einer Behälterlänge zu einer
Behälterbreite
zwischen 30 bis 60 zu 1, ist ein relativ großes Behältervolumen innerhalb eines
vorgegebenen Bohrlochdurchmessers realisierbar. Ein großes Behältervolumen
trägt wesentlich
zur Verbesserung des Wirkungsgrades durch die damit verbundene verlängerte Aufenthaltszeit
des Wärmeträgermediums
in der maßgeblichen
Erdschicht bei.
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Wenn
der Sondenkopf in zumindest zwei Segmente teilbar ist, kann dieser
besonders leicht zu einer Baustelle transportiert werden. So kann
der Sondenkopf in der Mitte trennbar sein, beispielsweise mit am
Behälter
und am Zulaufrohr ausgebildeten Gewinden bzw. Verschraubungen. Der
Sondenkopf kann dann besonders leicht verladen und ohne großen Aufwand
in situ vollständig
montiert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
eines Behälterbodens,
kann ein Rand des Behälterbodens gerundet
oder abgeschrägt
ausgebildet sein. Somit kann der Behälterboden beispielsweise eine
Kalotten-, Parabel-, Kegel- oder jede andere mögliche Form aufweisen. Eine
derartige Form eines Behälterbodens
kann eine Zulaufströmung
im Bodenbereich des Behälters
zur Strömungsführungseinrichtung
hin umlenken. Auch wird ein Einbringen des Behälters in ein Bohrloch erleichtert,
wenn ein derartig ausgebildeter Behälterboden ein unteres Behälterende
bildet.
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Wenn
der Zulauf einen größeren Querschnitt als
der Ablauf aufweist, können
die Strömungs-
bzw. Druckverhältnisse
im Sondenkopf besonders günstig beeinflusst
werden.
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Das
Einbringen des Behälters
in ein Bohrloch kann erleichtert werden, wenn der Zulauf durch den
oberen Endbereich bis in den Bodenbereich des Behälters geführt ist.
So befindet sich zwischen einer Außenwandung des Behälters und
einer Bohrlochwandung keine Rohrleitung, die bei einer Positionierung
des Sondenkopfs bzw. des Behälters
hinderlich sein könnte.
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Ist
am oberen Endbereich des Behälters
jeweils eine Anschlusseinrichtung zum Anschluss einer Zulaufleitung
und einer Ablaufleitung ausgebildet, kann der Sondenkopf getrennt
von einem Leitungssystem einer Sonde hergestellt werden und eine
Montage der Sonde mit an die jeweiligen Bohrlochtiefen angepassten
Leitungen wird in situ ermöglicht.
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Als
besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Anschlusseinrichtung
aus einer Verschraubung und einer die Verschraubung umgebenden Vergussmasse
gebildet ist. So ist eine besonders sichere Verbindung zwischen
Sondenkopf und Zulaufleitung bzw. Ablaufleitung ausbildbar, da die
Vergussmasse als beispielsweise ergänzende Abdichtung wirken kann.
Hinsichtlich einer Verschraubung in Kombination mit einer Vergussmasse
sind alle geeigneten Verschraubungstechniken und Dichtmaterialien
denkbar.
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Wenn
das Rohrende des Zulaufs im Bodenbereich des Behälters bogenförmig ausgebildet
ist, kann eine besonders wirkungsvolle Umlenkung der Strömung des
Wärmeträgermediums
in Richtung nach oben auf die Strömungsführungseinrichtung ermöglicht.
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Ist
der Behälter
des Sondenkopfs aus Metall, kann aufgrund der vergleichsweise guten
Wärmeleitfähigkeit
des Metalls der Wirkungsgrad des Sondenkopfes noch weiter erhöht werden.
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Weist
der Sondenkopf zumindest einen Temperaturfühler auf, können die jeweiligen Messwerte zur
Auswertung bzw. Anlagensteuerung an die Erdoberfläche weitergeleitet
werden. So wird eine optimale Betriebsanpassung des Sondenkopfs
innerhalb eines Anlagenverbundes ermöglicht.
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Die
Ausbildung der spiralförmigen
Strömung über die
gesamte Länge
des Behälters
wird erleichtert, wenn zumindest eine zweite Strömungsführungseinrichtung im Behälter angeordnet
ist. Die zweite Strömungsführungseinrichtung
kann im Bereich einer Behältermitte
angeordnet sein und den Zulauf ergänzend haltern. So kann insbesondere
bei einer Ausbildung des Sondenkopfes aus zwei Segmenten die Anordnung
von weiteren Strömungsführungseinrichtungen
in einem Fügebereich
der Segmente sinnvoll sein.
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In
weiteren vorteilhaften Ausführungsformen eines
Sondenkopfs kann beispielsweise zur Kühlung eines Wärmeträgermediums
der Zulauf als Ablauf und umgekehrt genutzt werden. Dann kann die
weitere Strömungsführungseinrichtung
im oberen Endbereich unterhalb des Zulaufs des Behälters angeordnet
sein.
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Auch
kann das Rohrende des Zulaufs eine Durchmesserreduzierung aufweisen,
die eine Expansion und eine lokal begrenzte Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
des Wärmeträgermediums ermöglicht.
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Die
erfindungsgemäße Sonde
mit einem Sondenkopf weist am Sondenkopf eine Zulaufleitung und
eine Ablaufleitung auf, die jeweils am Sondenkopf angeschlossen
ist. Die Ablaufleitung ist temperaturisoliert, so dass ein im Sondenkopf
erwärmtes Wärmeträgermedium
bei einem Rückfluss
durch relativ kältere
Erdschichten nicht wesentlich an Wärmeenergie verliert und somit
ein erhöhter
Wirkungsgrad für
die Sonde erzielbar ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
einer Sonde ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf
den Vorrichtungsanspruch 1 rückbezogenen
Unteransprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Austausch von Wärmeenergie
mit dem Erdreich mit einem Sondenkopf wird dem im Erdreich befindlichen,
als Behälter
ausgebildeten Sondenkopf ein Wärmeträgermedium
durch einen Zulauf kontinuierlich zugeführt, wobei das Wärmeträgermedium
vermittels einer Strömungsführungseinrichtung
im Wesentlichen spiralförmig
um eine Behälterlängsachse entlang
einer Behälterinnenwandung
bewegt wird, und wobei ein Austausch von Wärmeenergie zwischen dem Wärmeträgermedium
und der Behälterinnenwandung
erfolgt und nachfolgend das Wärmeträgermedium
durch einen Ablauf abgeführt
wird. Das Verfahren ermöglicht
insbesondere die Erzielung eines hohen Wirkungsgrades durch die
relativ lange Verweildauer des Wärmeträgermediums
in der dafür vorgesehenen
Erdschicht bzw. durch die Strömungsführung entlang
der Behälterinnenwandung.
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In
einer Ausführungsform
des Verfahrens kann eine Aufnahme von Wärmeenergie durch das Wärmeträgermedium
erfolgen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens kann eine Abgabe von Wärmeenergie des Wärmeträgermediums
erfolgen. Das Verfahren ist somit sowohl zur Gewinnung von Erdwärme als
auch zur Kühlung
bzw. Abführung
oder Speicherung überschüssiger Wärmeenergie
geeignet.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
des Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf
den Vorrichtungsanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Längsschnittansicht
einer Ausführungsform
eines Sondenkopfs;
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2 eine
Schnittansicht entlang einer Linie II-II aus 1;
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3 eine
Teilschnittansicht eines unteren Endes eines Sondenkopfs;
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4 eine
Teilschnittansicht eines oberen Endes des Sondenkopfs.
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Eine
Zusammenschau der 1 und 2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Sondenkopfs 10 jeweils
in einer Schnittansicht. Der Sondenkopf 10 ist aus einem Rohr 11,
welches in einem oberen Endbereich 12 mit einer Platte 13 und
in einem Bodenbereich 14 mit einer Kalotte 15 dicht
verschlossen ist, gebildet. Der Sondenkopf 10 verfügt weiter über einen
Zulauf 16 und einen Ablauf 17, welche jeweils
als Rohr 18 bzw. 19 ausgebildet sind. Im Bodenbereich 14 ist
eine Strömungsführungseinrichtung 20 mit
einer Mehrzahl von Lamellenelementen 21 angeordnet. Ein
Rohrende 22 des Rohrs 18 bildet eine Zulauföffnung 23 für den Zulauf 16.
Ein hier nicht näher
dargestelltes Wärmeträgermedium
tritt an der Zulauföffnung 23 in
einen Behälterinnenraum 24 des
Sondenkopfs 10 aus und wird, wie mit den Pfeilen 25 angedeutet,
in seiner Strömungsrichtung
von der Kalotte 15 umgelenkt und durch die Strömungsführungseinrichtung 20 geleitet. Die
Lamellenelemente 21 der Strömungsführungseinrichtung 20 sind
um eine Längsachse 26 des
Sondenkopfs 10 schraubenförmig, in Art eines Propellers angeordnet,
so dass das Wärmeträgermedium
eine spiralförmige
Strömung,
wie mit den Pfeilen 27 angedeutet, vom Bodenbereich 14 zum
oberen Endbereich 12 ausbildet. Das Wärmeträgermedium gelangt durch eine
Ablauföffnung 28 des
Rohrs 19 in der Platte 13 in den Ablauf 17.
Da der Sondenkopf 10 in einem hier nicht näher dargestellten
Bohrloch in einer Erdschicht mit vergleichsweise hoher, gleich bleibender
Temperatur angeordnet ist, wird das Wärmeträgermedium beim Durchfluss durch
den Sondenkopf 10 entsprechend einer vorliegenden Temperatur differenz
erwärmt.
Eine Erwärmung
des Wärmeträgermediums
erfolgt insbesondere vermittels einer Behälterinnenwandung 29 an
der das Wärmeträgermedium, wie
zuvor beschrieben, spiralförmig
entlang geführt wird.
Eine Wandung 30 des Sondenkopfs 10 besteht vorzugsweise
aus Edelstahl, so dass eine gute Wärmeleitung zwischen einer Behälteraußenwandung 31 und
der Behälterinnenwandung 29 erfolgt.
Innerhalb der spiralförmigen
Strömung 27 kann
beispielsweise auch ein Austausch von unterschiedlich temperierten und
hier nicht näher
dargestellten Strömungsschichten
erfolgen. Kältere
Strömungsschichten
würden aufgrund
ihrer vergleichsweise höheren
Dichte und der so wirksamen Zentrifugalkraft in Richtung der Behälterinnenwandung 29 bewegt
werden. Infolge der vorbeschriebenen Strömungsverhältnisse und des vergleichsweise
großen
Behälterinnenraums 24 bzw. der
entsprechenden Volumenmenge eines Wärmeträgermediums sowie der daraus
resultierenden Aufenthaltszeit des Wärmeträgermediums im Sondenkopf 10 ist
ein besonders hoher Wirkungsgrad des Sondenkopfes erzielbar.
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Einen
Teilausschnitt einer Ausführungsform eines
Sondenkopfs 32 zeigt 3. Ein Bodenbereich 33 des
als Rohr 34 ausgebildeten Sondenkopfs 32 ist mit
einer paraboloidförmigen
Spitze 35 verschlossen, welche mit dem Rohr 34 verschweißt ist.
Im Bereich einer Verbindungsnaht 36 ist in das Rohr 34 bzw.
die Spitze 35 ein Ring 37 eingesetzt. An einer
Innenfläche 38 des
Rings 37 sind eine Mehrzahl von Lamellenelementen 39 in
einer schraubenförmigen
Konfiguration ebenfalls vermittels einer Schweißverbindung befestigt. Eine
zentrisch zwischen den Lamellenelementen verbleibende Öffnung 40 ermöglicht den
Durchtritt eines Rohrs 41 mit einem gekröpften Rohrende 42.
An einer Behälteraußenwandung 43 ist weiter
ein Halter 44 zur temporären Befestigung eines Schlauchs 45 vorgesehen.
Der Schlauch 45 dient zum Verfüllen eines hier nicht näher dargestellten
Zwischenraums zwischen der Behälteraußenwandung 43 und
einem Bohrloch mit einem Füllstoff. Die
Verfüllung
des Zwischenraums soll eine besonders gute wärmeleitende Verbindung zwischen
dem Sondenkopf 32 und dem das Bohrloch umgebende Erdreich ermöglichen.
Auch können
weitere, hier nicht gezeigte Behälteraußenwandung 43 beispielsweise
als Halter für
Temperaturfühler
dienen. In 4 ist ein oberer Endbereich 46 des
Sondenkopfs 32 in einem Teilausschnitt mit einer Zulaufleitung 47 und
einer Ablaufleitung 48 dargestellt. Das Rohr 34 ist
von einer Platte 49 verschlossen, wobei das Rohr 41 die
Platte 49 mittig durchdringt und an deren Außenwandung 50 mit
dieser verschweißt
ist. Ebenso ist in einer zwischen der Behälteraußenwandung 43 und
dem Rohr 41 vermittelten Position ein Rohr 51 in die
Platte 49 eingesetzt und mit dieser verschweißt, derart,
dass ein Ablauf 52 am Sondenkopf 32 ausgebildet
wird. Die Rohre 41 und 51 überragen die Außenwandung 50 der
Platte 49, wobei jeweils ein Ring 53 bzw. 54 die
Rohre 41 bzw. 51 zumindest teilweise koaxial umgibt
und ebenso mit der Platte 49 an deren Außenwandung 50 verschweißt ist.
Vermittels Schraubverbindungen 55 und 56 ist jeweils
ein Leitungsrohr 57 der Zulaufleitung 47 bzw. 58 der
Ablaufleitung 48 an das Rohr 41 bzw. 51 des
Sondenkopfes 32 zur Ausbildung einer Sonde 59 angeschlossen. Die
Leitungsrohre 57 und 58 sind aus Kunststoff gebildet,
wobei das Leitungsrohr 58 von einer Isolierschicht 60 umgeben
ist, die eventuelle thermische Verluste bei der Durchleitung des
Wärmeträgermediums
durch die Ablaufleitung 48 verhindern soll. Um eventuelle
Undichtigkeiten der Schraubverbindungen 55 und 56 entgegenzuwirken,
ist auf den Ringen 53 und 54 jeweils eine Muffe 61 bzw. 62 aufgeschraubt, die
jeweils um die Schraubverbindungen 55 bzw. 56 einen
Vergussraum 63 bzw. 64 bilden. Die Vergussräume 63 und 64 werden
mit einem schnell aushärtenden
Harz 65 in situ vergossen. Im Übrigen entspricht diese Ausführungsform
der in 3 gezeigten Ausführungsform eines Sondenkopfs.