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Die
Erfindung betrifft eine Geothermiesonde und ein Verfahren zur Installation
einer Geothermiesonde.
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Geothermiesonden
dienen der Gewinnung von Wärme,
die im zugänglichen
Teil der Erdkruste gespeichert ist. Wärme in der Erdkruste hat ihren
Ursprung in Restwärme
aus der Zeit der Erdentstehung, in Wärme aus radioaktiven Zerfallsprozessen und
zumindest im oberflächennahen
Bereich aus Sonneneinstrahlung und Wärmekontakt mit Luft. Die Bedeutung
dieser oberflächennahen
Geothermie beim Heizen und Klimatisieren von Wohn- und Nutzgebäuden hat
angesichts steigender Energiepreise in den letzten Jahren zugenommen.
In 5 m bis 10 m Tiefe weist der Boden praktisch ganzjährig eine
Temperatur auf, die dem Jahresmittel der Lufttemperatur des Standortes
entspricht. Die Schwankung der Lufttemperatur wirkt sich nur in
der Art einer mit steigender Tiefe immer weiter gedämpften Schwingung
auf die oberflächennahe
Bodentemperatur aus. Geothermiesysteme nutzen diesen Umstand, indem
sie große
Wärmemengen
auch bei relativ geringen Temperaturunterschieden zwischen Boden
und Luft mittels Geothermiesonden zum Zwecke des Heizens aus dem
Boden entnehmen oder in den Boden zum Zwecke der Klimatisierung
abführen.
Beim Abführen
von Wärme
in den Boden wird gleichzeitig das Wärmereservoir für die kommende
Heizsaison aufgefüllt. Üblicherweise
werden Geothermiesonden installiert, indem eine lotrechte Bohrung
mit einem Durchmesser von 200 mm bis 600 mm niedergebracht wird.
Anschließend
werden ein Vorlaufrohr und ein Rücklaufrohr
und die Bohrung verfüllt.
Dieses Vorgehen erfordert eine Reihe zeitaufwändiger Arbeitsschritte und bedingt
eine geringe energetische Effizienz aufgrund der Verfüllung der
Bohrung.
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Aus
DE 102 02 261 A1 ist
eine Geothermiesonde bekannt, umfassend mehrere Segmente eines äußeren Rohres
mit einem im äußeren Rohr
angeordneten inneren Rohr, einen an einem ersten Ende eines ersten
Segmentes angeordneten Sondenfuß, die
als einrammbare Sondenspitze ausgebildet ist, und einen an einem
zwei ten Ende eines der Segmente angeordneten Sondenkopf. Der Sondenkopf
dient zum Einströmen
oder Ausströmen
einer Flüssigkeit und
weist einen Vorlaufleitungsanschluss zum Einströmen der Flüssigkeit in das innere Rohr
und einen Rücklaufleitungsanschluss
zum Ausströmen
der Flüssigkeit
aus dem äußeren Rohr
auf.
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Nachteilig
ist dabei, dass derartige Geothermiesonden schwer einbringbar und
damit in der Regel mit geringer Länge ausführbar sind.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Geothermiesonde
und ein verbessertes Verfahren zu ihrer Installation anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Geothermiesonde nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Installation
einer Geothermiesonde nach Anspruch 13.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Geothermiesonde umfasst
mindestens ein Segment eines äußeren Rohres
mit mindestens einem im äußeren Rohr
angeordneten inneren Rohr, einen an einem ersten Ende eines ersten
Segmentes angeordneten Sondenfuß mit
einer Bohrkrone und einen an einem zweiten Ende eines der Segmente
angeordneten Sondenkopf. Der Sondenkopf weist eine zum äußeren Rohr
führende
Vorlauföffnung
zum Einströmen und/oder
Ausströmen
von Suspensionen und/oder Flüssigkeiten
und mindestens eine zum inneren Rohr führende Rücklauföffnung zum Einströmen und/oder Ausströmen von
Suspensionen und/oder Flüssigkeiten
auf. Am ersten Ende des ersten Segmentes sind Suspensionen und/oder
Flüssigkeiten
aus dem äußeren Rohr
in das innere Rohr und/oder aus dem inneren Rohr in das äußere Rohr
strömbar.
Der Sondenfuß weist
mindestens eine zur Bohrkrone führende
Durchtrittsöffnung
auf. Die Bohrkrone weist mindestens eine Austrittsöffnung auf,
so dass Suspensionen und/oder Flüssigkeiten
aus dem äußeren Rohr über die
Durchtrittsöffnung
aus der Austrittsöffnung
in eine Umgebung des Bohrkopfes ausströmbar sind. Die Durchtrittsöffnung ist
reversibel oder irreversibel verschließbar. Erfindungsgemäß ist eine
infolge eines Bohrvorganges bei der Installation der Geothermiesonde
entstandene Bohrung im Baugrund mit Zementstein ausgefüllt.
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Die
Geothermiesonde wird erfindungsgemäß installiert mit einem Verfahren,
bei dem mindestens das am ersten Ende mit einem Sondenfuß und einer
Bohrkrone versehene Segment mittels eines drehschlagenden Bohrgerätes in einen
Baugrund gebohrt wird, wobei während
des Bohrens eine Stützflüssigkeit,
insbesondere eine Zementdickspülung
in ein zweites Ende mindestens eines der Segmente eingebracht wird.
Die Zementdickspülung,
insbesondere mit einem Wasser/Zement-Verhältnis
von etwa 0,7 passiert die Durchtrittsöffnung im Sondenfuß und tritt
aus der Austrittsöffnung
in der Bohrkrone in die Umgebung im Baugrund aus. Bei Erreichen
einer vorgegebenen Bohrtiefe wird das Bohren eingestellt und die
Durchtrittsöffnung
verschlossen. Anschließend
wird das innere Rohr in das äußere Rohr
eingebracht. Anschließend
wird Wasser zumindest solange in das innere Rohr oder das äußere Rohr
eingebracht, bis die im inneren Rohr und/oder äußeren Rohr verbliebene Zementdickspülung durch
das innere Rohr und/oder äußere Rohr
ausgespült
ist. Nach der Zementdickspülung
kann vor dem Ausspülen
zusätzlich
das Einpressen eines Wasser-Sand-Gemischs vorgesehen sein. Erfindungsgemäß wird als
Stützflüssigkeit
eine Zementdickspülung
verwendet, welche in die infolge des Bohrvorganges bei der Installation
der Geothermiesonde entstandene Bohrung im Baugrund gefüllt wird
und dort anschließend
zu Zementstein aushärtet.
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Schließlich wird
das zweite Ende eines der Segmente mit einem Sondenkopf versehen.
Während
des Bohrens füllt
sich die gesamte Umgebung der Geothermiesonde mit der aus der Bohrkrone
austretenden Zementdickspülung,
wo sie beim Abbinden eine die Geothermiesonde umgebende Zementsteinsäule bildet,
die in Abhängigkeit
von einem Druck, unter dem die Zementdickspülung eingebracht wird, auch
entsprechend tief in die umgebenden Klüfte des Baugrundes vordringt.
Die Segmente des äußeren Rohres
und der Sondenfuß mit
der Bohrkrone dienen gleichermaßen
als Bohrgerät,
Injektionsrohr und Bewehrungsstab. Nach dem Spülen mit Wasser sind die genannten,
in der Bohrung verbliebenen Bauteile als Geothermiesonde nutzbar,
indem beispielsweise kaltes Wasser in die Vorlauföffnung gepumpt
wird, durch das äußere Rohr
bis zum Sondenfuß strömt, während es
sich durch die Wärme
des umgebenden Baugrundes erwärmt,
im Sondenfuß in
das innere Rohr und in diesem zur Rücklauföffnung strömt. Vorlauföffnung und Rücklauföffnung sind
mit einer Wärmepumpe
einer Geothermieanlage verbunden. Dient die Geothermiesonde in der
beschriebenen Betriebsart der Gewinnung von Wärme zum Heizen eines Gebäudes so
kann sie auch der Abführung
von Wärme
in den Baugrund zum Zwecke der Klimatisierung eines Gebäudes dienen.
In diesem Fall wird warmes Wasser in die Vorlauföffnung gepumpt und abgekühltes aus der
Rücklauföffnung entnommen.
Das innere Rohr ist bei Bedarf auf einfache Weise austauschbar.
Die im Baugrund installierte Geothermiesonde erfüllt zusätzlich die Funktion eines Ankerpfahls
aus der als Bewehrungsstab dienenden Geothermiesonde und dem sie
umgebenden Verpresskörper
aus Zementstein. Ein solcher Ankerpfahl überträgt Druck- und/oder Zugkräfte im Wesentlichen über Mantelreibung
in den Baugrund. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass das Niederbringen
der Bohrung und die Verrohrung im selben Arbeitsgang stattfinden,
wodurch in erheblichem Ausmaß Zeit
und Kosten gespart werden können.
Vorzugsweise werden an den Baugrund angepasste Bohrkronen verwendet,
beispielsweise für
Lehmböden,
Fels etc. Die beschriebene Geothermiesonde ist vertikal, horizontal
oder in einem beliebigen anderen Winkel in einem Baugrund installierbar.
Wenn sie in ihrer Eigenschaft als Ankerpfahl im Wesentlichen Druckkräfte aufzunehmen
hat, wird sie im Wesentlichen vertikal installiert. Zur Befestigung von
Hängen,
Stützmauern,
Gründung
von Masten, zur Auftriebssicherung und anderen Anwendungen, bei
denen Zugkräfte
auftreten, kann ein anderer Einbauwinkel sinnvoll sein. Sofern die
Geothermiesonde als Ankerpfahl genutzt wird, wird der Sondenkopf
vorzugsweise als Pfahlkopf mit der zusätzlichen Funktion der Lasteinleitung
als Ankerplatte ausgebildet. Durch die Verwendung als Geothermiesonde
und Ankerpfahl werden zusätzlich
Kosten eingespart.
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Auch
das innere Rohr kann in Innenrohrsegmente aufgeteilt sein. Die Innenrohrsegmente
können
alternativ zum Einbringen des inneren Rohres nach dem Ende des Bohrvorgangs
auch zusammen mit den Segmenten des äußeren Rohres bereits während des
Bohrens montiert sein. Sie werden dann ebenfalls von der Zementdickspülung durchflossen.
Das innere Rohr wird im äußeren Rohr
vorzugsweise mit Hilfe von Abstandshaltern zentriert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Durchtrittsöffnung
kegelförmig
gestaltet. Zum Verschließen
der Durchtrittsöffnung
wird eine Kugel in das äußere Rohr
eingeworfen, die in die Durchtrittsöffnung herabsinkt und optional
durch Erhöhung
eines Druckes der eingebrachten Zementdickspülung dort verpresst wird, so
dass die Durchtrittsöffnung
auf einfache und kostengünstige
Weise verschlossen ist. Ist das innere Rohr bereits während des
Bohrens im äußeren Rohr
installiert, wird die Kugel durch das innere Rohr eingeworfen. Hierzu
müssen
die Größe der Durchtrittsöffnung,
der Innendurchmesser des inneren Rohres und der Durchmesser der
Kugel aufeinander abgestimmt sein.
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Vorzugsweise
ist das innere Rohr aus Kunststoff, insbesondere PE oder HDPE gebildet.
PE weist eine niedrige Wärmeleitfähigkeit
auf, so dass das im inneren Rohr zum Sondenkopf fließende, bereits
erwärmte
Wasser nicht oder nur wenig von dem im äußeren Rohr zum Sondenfuß fließenden,
noch nicht erwärmten
Wasser abgekühlt
wird, so dass der Wirkungsgrad der Geothermiesonde verbessert wird.
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Das äußere Rohr
ist bevorzugt aus Aluminium gebildet. Aluminium weist eine besonders
hohe Wärmeleitfähigkeit
auf, so dass das im äußeren Rohr zum
Sondenfuß fließende Wasser
besonders schnell Wärme
aus dem Baugrund aufnehmen kann. Zudem ist Aluminium weniger korrosionsanfällig als
andere gebräuchliche
Metalle.
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Die
Wärmeaufnahme
und Abgabe des äußeren Rohres
kann auch verbessert werden, indem es mit Strukturen zur Oberflächenvergrößerung auf
seiner Innenseite und/oder seiner Außenseite versehen wird. Ein
auf der Außenseite
des äußeren Rohres
angebrachtes Außengewinde
vereinfacht nicht nur das Verbinden von Segmenten mit Sondenfuß, Sondenkopf
oder untereinander, sondern erhöht
auch die Reibung zwischen dem äußeren Rohr
und dem Verpresskörper
und vergrößert zusätzlich die
Oberfläche im
Interesse eines besseren Wärmeübergangs.
Dadurch und durch die Verwendung von Aluminium kann verglichen mit
einer herkömmlichen
Geothermiesonde eine geringere Bohrtiefe ausreichend sein.
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Vorzugsweise
ist das erste Ende eines der Segmente mit dem zweiten Ende eines
anderen der Segmente mittels einer Kupplungsmutter verbindbar. Alle
Segmente benötigen
so nur ein durchgehendes Außengewinde
oder ein Außengewinde
am ersten und zweiten Ende und können
auf besonders einfache Weise miteinander verbunden werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Verschraubungen des Außengewindes
mit Sondenfuß,
Sondenkopf und Kupplungsmuttern selbsthemmend ausgeführt, erfordern
also zum Lösen
ein signifikantes Drehmoment, so dass zum Verschrauben keine Kontermuttern
erforderlich sind.
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Beim
Installieren einer Geothermiesonde mit mehreren Segmenten wird der
Bohrvorgang spätestens
dann unterbrochen, wenn das zweite Ende eines der Segmente eine
Oberfläche
des Baugrundes erreicht. Anschließend wird mindestens ein weiteres Segment
mittels mindestens einer Kupplungsmutter an dieses zweite Ende angeschraubt
und der Bohrvorgang anschließend
fortgesetzt. Auf diese Weise sind Geothermiesonden äußerst variabler
Länge realisierbar.
Eine größere Länge kann
sowohl die Effizienz der Geothermiesonde als auch die Zug- oder Druckfestigkeit
des Ankerpfahls verbessern.
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Bevorzugt
ist der Sondenfuß und/oder
der Sondenkopf auf das äußere Rohr
aufschraubbar und/oder die Bohrkrone auf den Sondenfuß aufschraubbar,
um schnelle Arbeitsabläufe
bei der Installation der Geothermiesonde sicherzustellen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Sondenfuß mit
der Bohrkrone einteilig gebildet, um den Herstellungs- und Montageaufwand
zu verringern.
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Vorzugsweise
wird der Stützflüssigkeit,
insbesondere der Zementdickspülung
vor dem Einbringen in das äußere Rohr
Kohlenstoff und/oder eine Kohlenstoffverbindung zugesetzt, um die
Wärmeleitfähigkeit
des Zementsteins zu verbessern und so einen verbesserten Wärmeübergang
zwischen dem Baugrund und dem im äußeren Rohr fließenden Wasser
zu erreichen. Gleichzeitig verbessert sich der Korrosionsschutz
für das äußere Rohr.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Durchtrittsöffnung
mit einem Verschlussventil versehen, mittels dessen die Durchtrittsöffnung abhängig von
einem Innendruck der Geothermiesonde verschließbar und/oder passierbar ist.
Vorzugsweise öffnet
das Verschlussventil dabei bei einem höheren Innendruck, beispielsweise
mehr als 10 bar, und schließt
bei einem niedrigeren Innendruck, beispielsweise weniger als 2 bar.
Auf diese Weise ist die Durchtrittsöffnung zum einen in allen Einbaulagen der
Geothermiesonde verschließbar.
Zum anderen kann bis zum Abbinden der Stützflüssigkeit in jeder beliebigen
Bohrtiefe zwischen Stützflüs sigkeit
und Wasser gewechselt werden, indem die Stützflüssigkeit mit mehr als 10 bar
und das Wasser mit einem geringeren Druck eingebracht wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer in einem Baugrund installierten Geothermiesonde,
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2 eine
teilweise längs
geschnittene, vergrößerte Seitenansicht
eines Abschnitts der Geothermiesonde aus 1,
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3 einen
Längsschnitt
eines Sondenkopfes einer Geothermiesonde und
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4 einen
Längsschnitt
eines Sondenfußes
einer Geothermiesonde.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine Geothermiesonde 1, die vertikal in einem Baugrund 2 installiert
ist. In dieser Ansicht ist ein in Segmente 3.1 bis 3.n aufgeteiltes äußeres Rohr 3 dargestellt,
wobei die Segmente 3.1 bis 3.n mittels Kupplungsmuttern 5 miteinander
verbunden sind. Ein Abschnitt A des äußeren Rohres 3 ist
teilweise längs
geschnitten in 2 dargestellt. An einem ersten
Ende 6 des untersten Segments 3.1 ist ein Sondenfuß 7 mit
einer Bohrkrone 8 angeordnet, der im Detail in 4 gezeigt
wird. An einem zweiten Ende 9 des obersten Segmentes 3.n ist
ein Sondenkopf 10 angeordnet, der im Detail in 3 gezeigt
wird. Der Sondenkopf 10 ist über eine Vorlaufleitung 11 und
eine Rücklaufleitung 12 jeweils
in Form einer Schlauch- bzw. Rohrleitung mit einer Wärmepumpe 13 verbunden.
Die infolge eines Bohrvorganges bei der Installation der Geothermiesonde 1 entstandene
Bohrung im Baugrund 2 ist mit kohlenstoffhaltigem Zementstein 14 ausgefüllt.
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2 zeigt
den Abschnitt A der Geothermiesonde 1 aus 1 im
Detail. Das aus Aluminium gebildete äußere Rohr 3 ist auf
seiner Außenseite
mit einem Außengewinde 15 versehen.
Im äußeren Rohr 3 ist
ein aus PE gebildetes inneres Rohr 16 angeordnet, welches
durch nicht gezeigte Abstandshalter im äußeren Rohr 3 zentriert
wird. Die Pfeile in der Darstellung deuten eine Vorlaufrichtung
V und eine Rücklaufrichtung
R an, in denen die Geothermiesonde 1 im installierten Zustand
von Wasser durchströmt wird.
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3 zeigt
den Sondenkopf 10 der Geothermiesonde 1 aus 1.
Der Sondenkopf 10 ist auf das Außengewinde 15 des äußeren Rohres 3 aufgeschraubt.
Er weist eine zum äußeren Rohr 3 führende Vorlauföffnung 17 und
eine zum inneren Rohr 16 führende Rücklauföffnung 18 auf. Im
vorliegenden Beispiel wird die Rücklauföffnung 18 durch
das nach oben über
den Sondekopf hinausragende innere Rohr 16 selbst gebildet.
Die Dichtheit des Sondenkopfes (10) wird einerseits beispielsweise
mittels einer geeigneten Dichtmasse in der Verschraubung des Sondekopfes 10 auf
dem Außengewinde 15 und andererseits
mittels einer Stopfbuchse 19 an der Rücklauföffnung sichergestellt. Auch
in dieser Darstellung sind die Vorlaufrichtung V und die Rücklaufrichtung
R des Wassers mit Pfeilen angedeutet.
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4 zeigt
den Sondenfuß 7 der
Geothermiesonde 1 aus 1. Der Sondenfuß 7 ist
auf das Außengewinde 15 des äußeren Rohres 3 aufgeschraubt
und analog zum Sondenkopf 10 abgedichtet. Auf den Sondenfuß 7 ist
die Bohrkrone 8 aufgeschraubt. Eine Durchtrittsöffnung 20 des
Sondenfußes 7 ist
kegelförmig
gebildet und mittels einer Kugel 21 abgedichtet. Der vom äußeren Rohr 3 aus
gesehen hinter der Kugel 21 liegende Bereich der Durchtrittsöffnung 20 sowie
in der Bohrkrone 8 angeordnete Austrittsöffnungen 22 sind
mit Zementstein 14 gefüllt.
Das untere Ende des inneren Rohres 16 ist hinreichend weit
von der Kugel 21 entfernt, dass Wasser daraus ungehindert
in das äußere Rohr 3 oder
ungehindert aus dem äußeren Rohr 3 in
das innere Rohr 16 einströmen kann.
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Die
beschriebene Geothermiesonde 1 wird vorzugsweise wie folgt
installiert: Das am ersten Ende 6 mit einem Sondenfuß 7 und
einer Bohrkrone 8 versehene Segment 3.1 wird mittels
eines drehschlagenden Bohrgerätes
in den Baugrund 2 gebohrt. Während des Bohrens wird eine
mit Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen versetzte Stützflüssigkeit,
hier eine Zementdickspülung,
in das obere, zweite Ende 9 des Segmente eingebracht. Die
Zementdickspülung
mit einem Wasser/Zement-Verhältnis
von etwa 0.7 passiert die Durchtrittsöffnung 20 im Sondenfuß 7 und
tritt aus den Austrittsöffnungen 22 der
Bohrkrone 8 in die Umgebung im Baugrund 2 aus.
Der Bohrvorgang wird unterbrochen, wenn die Bohrkrone 8 soweit
im Baugrund 2 vorgerückt
ist, dass das zweite Ende 9 in den Bereich der Oberfläche des
Baugrundes 2 kommt. Das zweite Ende 9 wird dann
mit einer Kupplungsmutter 5 versehen, die auf dem selbsthemmenden
Außengewinde 15 keine Kontermutter
benötigt.
Gegebenenfalls wird die Verschraubung mittels einer Dichtmasse abgedichtet.
In gleicher Weise wird ein erstes Ende 6 eines weiteren Segmentes 3.2 bis 3.n in
die Kupplungsmutter 5 eingeschraubt und der Bohrvorgang
anschließend
fortgesetzt. Das Anfügen
weiterer Segmente 3.3 bis 3.n erfolgt auf die
beschriebene Weise solange, bis die gewünschte Bohrtiefe erreicht ist.
Bei Erreichen dieser Bohrtiefe wird das Bohren eingestellt und die Durchtrittsöffnung 20 verschlossen,
indem eine Kugel 21 in das äußere Rohr eingeworfen wird.
Diese sinkt in die kegelförmige
Durchtrittsöffnung 20 und wird
durch ein kurzzeitiges Anheben des Drucks der Zementdickspülung darin
verpresst. Anschließend wird
das innere Rohr 16 in das äußere Rohr 3 eingebracht,
Wasser in das innere Rohr 16 gepumpt und die noch im äußeren Rohr 3 befindliche
Zementdickspülung
herausgespült.
Schließlich
wird das zweite Ende 9 des noch aus dem Baugrund 2 herausragenden
Segments 3.n mit einem Sondenkopf 10 versehen.
Im gezeigten Beispiel wird die Rücklauföffnung 18 noch
mit einer Stopfbuchse 19 zum Abdichten versehen. Während des
Bohrens hat sich das entstandene Bohrloch der Geothermiesonde 1 mit
der aus der Bohrkrone 8 austretenden Zementdickspülung gefüllt, wo
diese im Verlaufe von typischerweise 4 bis 6 Stunden abbindet und
eine die Geothermiesonde 1 umgebende Säule aus Zementstein 14 bildet,
die in Abhängigkeit
vom Druck, unter dem die Zementdickspülung eingebracht wurde, entsprechend
tief in die umgebenden Klüfte
des Baugrundes 2 vordringt. Man spricht dabei von einer
Infiltrationsverdübelung.
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Die
so installierte Geothermiesonde 1 wird nun mittels einer
Vorlaufleitung 11 und einer Rücklaufleitung 12 an
eine Wärmepumpe 13 angeschlossen.
Zur Gewinnung von Wärme
wird von der Wärmepumpe 13 kaltes
Wasser in die Vorlauföffnung 17 gepumpt.
Das Wasser strömt
im äußeren Rohr 3 in Richtung
des Sondenfußes 7.
Dabei wird es durch die im Baugrund 2 gespeicherte Wärme erwärmt. Der Wärmeübergang
wird dabei durch den kohlenstoffhaltigen Zementstein 14,
die durch das Außengewinde 15 vergrößerte Oberfläche des äußeren Rohres 3 und
dessen gute Wärmeleitfähigkeit
infolge seiner Beschaffenheit aus Aluminium begünstigt. Die Innenseite des äußeren Rohres 3 könnte zur
weiteren Verbesserung des Wärmeübergangs
ebenfalls so strukturiert sein, dass sich eine vergrößerte Oberfläche ergibt.
Das im Bereich des Sondenfußes 7 maximal
erwärmte
Wasser strömt
dort in das innere Rohr 16 und durch dieses nach oben zur
Rücklauföffnung 18.
Da das innere Rohr 16 aus PE gebildet ist, welches eine geringe
Wärmeleitfähigkeit
aufweist, gibt das erwärmte
Wasser im inneren Rohr 16 nur wenig Wärme an das kühlere Wasser
im äußeren Rohr 3 ab.
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Soll
die Geothermiesonde 1 hingegen zum Abführen von Wärme in den Baugrund benutzt
werden, wird von der Wärmepumpe
warmes Wasser in die Vorlauföffnung 17 gepumpt.
Während
es in Richtung des Sondenfußes 7 strömt gibt
es infolge der oben beschriebenen, den Wärmeübergang begünstigenden Umstände Wärme an den
kühleren
Baugrund 2 ab. Das im inneren Rohr 16 aufsteigende, abgekühlte Wasser
nimmt wiederum aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des inneren Rohres 16 kaum
Wärme aus
dem wärmeren
Wasser im äußeren Rohr 3 auf.
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Die
installierte Geothermiesonde 1 erfüllt zusätzlich die Funktion eines Ankerpfahls
zur Übertragung
von Druck- und/oder Zugkräften
in den Baugrund.
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Die
beschriebene Geothermiesonde wurde vertikal installiert, kann jedoch,
insbesondere wenn sie als Ankerpfahl auch seitliche Zugkräfte aufnehmen
soll, auch horizontal oder in einem beliebigen anderen Winkel installiert
werden. Insbesondere in diesem Fall kann die Durchtrittsöffnung 20 mittels
eines Verschlussventils verschlossen werden, das abhängig von
einem Innendruck der Geothermiesonde 1 verschließbar und/oder
passierbar ist. Vorzugsweise öffnet
das Verschlussventil bei einem höheren
Innendruck, beispielsweise mehr als 10 bar und schließt bei einem
niedrigeren Innendruck, beispielsweise weniger als 2 bar. Die Stützflüssigkeit
wird mit einem entsprechend hohen Druck eingebracht. Das Wasser
zum Spülen
mit einem niedrigeren Druck.
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Nach
dem Einbringen der Stützflüssigkeit, beispielsweise
Zementdickspülung,
Zementsuspension, Bentonitsuspension kann vor dem Ausspülen ein
Wasser-Sand-Gemisch
eingepresst werden.
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Auch
das innere Rohr 16 kann in Innenrohrsegmente aufgeteilt
sein. Die Innenrohrsegmente können
alternativ zum Einbringen des inneren Rohres 16 nach dem
Ende des Bohrvorgangs auch zusammen mit den Segmenten 3.1 bis 3.n des äußeren Rohres 3 bereits
während
des Bohrens montiert sein. Sie werden dann ebenfalls von der Zementdickspülung durchflossen.
Die Innenrohrsegmente können durch
Schrauben, Kleben oder Schweißen
miteinander verbunden werden.
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- 1
- Geothermiesonde
- 2
- Baugrund
- 3.1
... 3.n
- Segment
- 3
- Äußeres Rohr
- 5
- Kupplungsmutter
- 6
- Erstes
Ende
- 7
- Sondenfuß
- 8
- Bohrkrone
- 9
- Zweites
Ende
- 10
- Sondenkopf
- 11
- Vorlaufleitung
- 12
- Rücklaufleitung
- 13
- Wärmepumpe
- 14
- Zementstein
- 15
- Außengewinde
- 16
- Inneres
Rohr
- 17
- Vorlauföffnung
- 18
- Rücklauföffnung
- 19
- Stopfbuchse
- 20
- Durchtrittsöffnung
- 21
- Kugel
- 22
- Austrittsöffnung
- A
- Abschnitt
des äußeren Rohres
- R
- Rücklaufrichtung
- V
- Vorlaufrichtung