DE102008006768A1

DE102008006768A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Einbringen von Erdsonden in Erdreich

Info

Publication number: DE102008006768A1
Application number: DE102008006768A
Authority: DE
Inventors: Jens-Peter Nissen; Birgit Freundt-Malecha
Original assignee: Malecha & Nissen Energietechni; Malecha & Nissen Energietechnik GmbH
Current assignee: MALECHA- NISSEN, BIRGIT, DR., DE; NISSEN, JENS-PETER, DE
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2009-08-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum insbesondere im Wesentlichen vertikalen Einbringen von Erdsonden im Erdreich, umfassend einen Meißelkopf und eine auf den Meißelkopf einwirkende Ramme, sowie ein entsprechendes Verfahren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein mit der Ramme verbundener Führungsschlauch und ein oder mehrere im Führungsschlauch angeordnete Druckschläuche zur Beaufschlagung der Ramme mit Druckluft und/oder Hydrauliköl vorgesehen sind, wobei der Meißelkopf einen größeren Durchmesser aufweist als der Führungsschlauch.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum, insbesondere im Wesentlichen vertikalen, Einbringen von Erdsonden im Erdreich, umfassend einen Meißelkopf und eine auf den Meißelkopf einwirkende Ramme aufweist, einen mit der Ramme verbundenen Führungsschlauch und einen oder mehrere im Führungsschlauch angeordnete Druckschläuche zur Beaufschlagung der Ramme mit Druckluft und/oder Hydrauliköl. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum, insbesondere im Wesentlichen vertikalen, Einbringen von Erdsonden im Erdreich sowie die Verwendung einer Vorrichtung zum, insbesondere im Wesentlichen vertikalen, Einbringen von Erdsonden im Erdreich.
Erdsonden oder Erdwärmesonden sind Rohrbündel, die in Tiefenbohrungen eingebracht sind. Zur Nutzung der im Erdreich gespeicherten Wärme bzw. Erdwärme wird eine Trägerflüssigkeit, etwa mittels einer Wärmepumpenanlage, durch die Erdsonde geleitet. Auf dem Weg durch die Erdsonde nimmt die Trägerflüssigkeit nutzbare Wärme aus dem umgebenden Erdreich auf. Diese Variante der Nutzung von Erdwärme hat einen hohen Wirkungsgrad.
Die Bohrungstiefe hängt von den örtlichen geologischen Gegebenheiten ab. Ab einer Tiefe von etwa 10 Metern bleibt die Temperatur über das Jahr praktisch konstant und steigt je 100 m Tiefe um ca. 3°C an. Im Wohnungsbau beträgt die Bohrtiefe meist mehr als 50 m, selten mehr als 100 m. Bei größerem Energiebedarf werden mehrere Bohrungen im Abstand einiger Meter eingebracht.
Erdsonden können auch zur Kühlung benutzt werden. Überschüssige Wärme wird dabei in das Erdreich eingetragen und steht zum Teil später wieder zum Heizen zur Verfügung.
Die Einbringung von Erdsonden in das Erdreich erfolgt durch verschiedene Bohrverfahren. Bekannte Bohrverfahren lassen sich in schlagende, drehende und drehschlagende Bohrverfahren unterscheiden.
In weichen Böden können Wärmetauscher aus Stahl direkt eingerammt werden. Dies erfolgt meist pneumatisch. Das direkte Einrammen ist ein Beispiel eines schlagenden Bohrverfahrens.
Ein Beispiel eines drehenden Bohrverfahrens ist das sogenannte Rotarybohren bzw. Spülbohren. Dies ist das zurzeit gängigste Verfahren zur Einbringung von Erdsonden. Über ein sich drehendes Gestänge wird das Erdreich durch Stufen-, Rollen- oder Warzenmeißel gelöst und durch im Gestänge in die Tiefe gepumpte Flüssigkeit (Bohrspülung) aufgenommen, zur Oberfläche gebracht und in einer Bohrgrube aufgefangen. Das Rotarybohren ist relativ langsam, stellt aber zurzeit die einzige Möglichkeit zum Bohren in große Tiefen dar.
Ein drehschlagendes Bohrverfahren ist das Bohren mit einem Immlochhammer. In mittelhartem bis sehr hartem Gestein ist mit dem Immlochhammer eine hohe Bohrgeschwindigkeit zu erreichen. Voraussetzung ist ein leistungsfähiger Kompressor, da Druckluft als Antrieb des Hammers und zum Transport des Bohrgutes dient.
Ein weiteres Verfahren ist das Schlagbohren. Bei diesem Verfahren ist das Schlagwerkzeug auf dem Bohrgerät montiert. Die Schläge werden durch das Bohrgestänge auf das Bohrwerkzeug übertragen. Auch hier erfolgt der Austrag des Bohrgutes mittels Druckluft. Diese Methode wird häufig beim Bohren von Sprenglöchern eingesetzt.
Allen Methoden gemeinsam ist zum einen die Nutzung eines zerlegbaren Gestänges und zweitens das Austragen von gelöstem Bohrgut. Eine Ausnahme ist das Rammverfahren ohne Bohrgutaustrag. Das zerlegbare Gestänge wird entsprechend dem Bohrfortschritt jeweils mit Teilstücken von z. B. 2 bis 3 m verlängert bzw. beim Ausbau verkürzt. Dies erfordert viel Zeit und verursacht einen Großteil der Bohrkosten. Auch muss der ausgetragene Boden und die Bohrspülung nach Beendigung der Bohrarbeiten entsorgt werden, was wiederum Kosten verursacht.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einbringen von Erdsonden in Erdreich zur Verfügung zu stellen, bei denen eine kostengünstige und schnelle Bohrung und Installation einer Erdsonde ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum, insbeson dere im Wesentlichen vertikalen, Einbringen von Erdsonden im Erdreich, umfassend einen Meißelkopf und eine auf den Meißelkopf einwirkende Ramme, die dadurch weitergebildet ist, dass ein mit der Ramme verbundener Führungsschlauch und ein oder mehrere im Führungsschlauch angeordnete Druckschläuche zur Beaufschlagung der Ramme mit Druckluft und/oder Hydrauliköl vorgesehen sind, wobei der Meißelkopf einen größeren Durchmesser aufweist als der Führungsschlauch.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zum Herstellen im Wesentlichen vertikaler Bohrungen vorgesehen, mit denen die größte Tiefe erreicht wird. Die Spezifikation „im Wesentlichen" schließt hierbei Abweichungen von der Vertikalen ein, die im üblichen Bohrbetrieb auftreten. Es ist alternativ aber auch vorgesehen, dass Bohrungen unter einem oder verschiedenen Winkeln zur Vertikalen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung herstellbar sind, so dass ein größeres Volumen des Erdreiches zur Energiegewinnung und/oder Energiespeicherung herangezogen wird.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Bohrung eingerammt. In der Bohrung wird mittels Einrammen eines, insbesondere spitzkegeligen, Meißelkopfes das Erdreich zur Seite verdrängt und muss nicht aus der Bohrung ausgetragen werden. Da kein Erdreich entsorgt werden muss, werden Kosten gespart.
Da die Ramme mit Druckluft oder Hydrauliköl betrieben wird und während des Vortriebs der Bohrung den mit der Ramme verbundenen Führungsschlauch und die Druckschläuche mit in die Bohrung hineinzieht, entfällt die Notwendigkeit, alle 2 bis 3 m die Bohrung zu unterbrechen und ein weiteres Gestänge einzubauen. Vielmehr wird der Führungsschlauch während des Rohrens kontinuierlich von einer Haspel abgerollt. Mit dem Wegfall der Zwangspausen wird die Geschwindigkeit der Bohrung erhöht, was ebenfalls die Kosten der Bohrung senkt.
Der Führungsschlauch ist vorzugsweise fest mit der Ramme verbunden, wodurch Bewegungen in Richtung der Bohrung und in der Gegenrichtung von der Ramme und dem Führungsschlauch gemeinsam vollzogen werden. Die Verbindung ist vorteilhafterweise lösbar, so dass Führungsschlauch und Ramme getrennt transportiert und am Ort der Bohrung zusammengesetzt werden können.
Das Merkmal, dass der Meißelkopf einen größeren Durchmesser aufweist als der Führungsschlauch, hat zur Folge, dass der Durchmesser der Bohrung größer ist als der Durchmesser des Führungsschlauches. Dadurch entsteht in der Bohrung ein Ringraum zwischen der Innenwand der Bohrung und dem Führungsschlauch. Der Ringraum ist zur Reduzierung der Reibung und Stabilisierung der Bohrung mit einer Bohrspülung beaufschlagbar. Damit wird einer großflächigen Reibung entgegengewirkt, die ansonsten zwischen dem Führungsschlauch und der Bohrungswand entstehen würde und die Bohrung bzw. den Rammfortschritt verzögern würde.
Vorteilhafterweise weist der Meißelkopf einen Durchmesser auf, der etwa 10% bis 15% größer ist als der Durchmesser des Führungsschlauches. Ein solches Verhältnis der Durchmesser stellt einen gangbaren Kompromiss zwischen der minimal nutzbaren Größe des Ringraums und dem Missverhältnis zwischen der Größe der Ramme und dem Durchmesser der Bohrung, d. h. dem Durchmesser des Meißelkopfes, dar.
Vorzugsweise besteht der Führungsschlauch aus einem flexiblen Kunststoffgewebematerial. Dieses Kunststoffgewebematerial ist von seinen Eigenschaften her ähnlich dem Material eines Feuerwehr schlauchs. Das Kunststoffgewebematerial ist insbesondere vorteilhafterweise luft- und flüssigkeitsdicht und hält ferner vorzugsweise Druckunterschieden stand. Die Luftdichtheit und Flüssigkeitsdichtheit ist erforderlich, um das Eindringen von Bohrspülung in den Führungsschlauch zu verhindern. Die Druckbeständigkeit ist notwendig, wenn der Führungsschlauch mit Druckluft beaufschlagt wird, um zu verhindern, dass er kollabiert und die Druckschläuche, die die Ramme versorgen, abklemmt.
Wenn vorteilhafterweise im Inneren des Führungsschlauchs Ballastkörper, insbesondere Ballastringe, angeordnet sind, wird dem Auftrieb entgegengewirkt, den der Führungsschlauch in der Bohrspülungsflüssigkeit innerhalb der Bohrung erfährt. Die Bohrspülungsflüssigkeit hat eine Dichte, die um einen Faktor bis zu 1.4 höher ist als die Dichte von Wasser, so dass der Auftrieb der Vorrichtung in der Bohrung entsprechend größer ist. Dieser Auftrieb behindert, abhängig vom Gewicht und den Abmessungen der Vorrichtung, bei Erreichen einer bestimmten Tiefe den Fortgang der Bohrung. Als Ballastkörper dienen alternativ oder zusätzlich zu Ballastringen auch Ballastkugeln oder ähnliche Körper.
Die Ballastringe haben außerdem die Funktion, den flexiblen Führungsschlauch in seiner Form zu stabilisieren. Dies ist eine Möglichkeit zu verhindern, dass der Führungsschlauch unter Einwirkung äußerer Kräfte in sich zusammengedrückt wird. Die im Vergleich zu ihrem Durchmesser abgeflachten Ballastringe sind nicht miteinander verbunden, so dass der Führungsschlauch flexibel bleibt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen Mittel zur Halterung der Ballastkörper am Führungsschlauch vorgesehen, insbesondere sind mittels einer Verkleinerung des Durchmessers des Führungsschlauchs oder im Füh rungsschlauch paarweise zusammenwirkend Stoppringe innen und Klemmringe außen am Führungsschlauch befestigt. Durch diese Paare von Stoppringen und Klemmringen, die fest mit dem Führungsschlauch verbunden sind, wird verhindert, dass die Ballastringe innerhalb einer, insbesondere vertikalen, Bohrung ungehindert nach unten sacken und ihre gesamte Gewichtslast auf die Verbindungsstelle zwischen Ramme und Führungsschlauch ausüben. Stattdessen wird die Gewichtskraft der Ballastringe gleichmäßig und kraftschlüssig auf den Führungsschlauch und weitergehend auf die Erdsonde zur Kompensierung der Auftriebskraft verteilt. Geeignete Abstände für diese Mittel bzw. Paare aus Stoppringen und Klemmringen sind 1 bis 2 m.
Vorzugsweise ist der Führungsschlauch mit Druckluft beaufschlagbar. Auch diese Maßnahme trägt zur Stabilisierung des Führungsschlauches bei. Dazu ist eine Druckluftversorgungseinrichtung, beispielsweise ein Kompressor, vorgesehen, der die Druckluft bereitstellt, mit der der Führungsschlauch beaufschlagt wird.
Da nach der Bohrung die Ramme und der Führungsschlauch wieder aus der Bohrung zurückgeholt werden müssen, besteht eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung darin, dass der Meißelkopf mit dem Gehäuse der Ramme beweglich verbunden ist, so dass der Meißelkopf zusammen mit der Ramme rückholbar ist. Dies bedeutet, dass der Meißelkopf auf dem Gehäuse der Ramme beweglich gelagert ist, so dass der Meißelkopf die Schlagbewegung des Schlagkörpers in der Ramme auf das Erdreich übertragen kann und mit seiner spitzkegeligen Form das Erdreich zur Seite drücken kann, andererseits allerdings auch nicht lose auf der Ramme aufsitzt, sondern so mit ihr verbunden ist, dass beim Herausholen der Ramme aus der Bohrung der Meißelkopf mit entfernt wird. Das Resultat einer Bohrung mit einer derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein leeres Bohrloch, das gegebenenfalls teilweise mit Bohrspülung gefüllt ist und in das eine oder mehrere Erdsonden abgeteuft werden.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung gemäß der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Meißelkopf mit dem Gehäuse der Ramme nicht verbunden oder beweglich lösbar verbunden ist, so dass der Meißelkopf beim Rückholen der Ramme im Erdreich verbleibt. In diesem Fall bildet der im Erdreich verbleibende Meißelkopf gleichzeitig den Sondenfuß einer Erdsonde.
In diesem Fall besteht eine vorteilhafte Weiterbildung darin, dass die Ramme und der Führungsschlauch innerhalb eines äußeren Schlauchs bzw. Rohrs einer Erdsonde angeordnet sind. Dies bedeutet, dass schon während des Rammvorgangs, d. h. während des Vorgangs der Erzeugung der Bohrung, der äußere Schlauch bzw. das äußere Rohr der Erdsonde in die Bohrung eingebracht wird. Es fällt hierfür nur ein einziger Verfahrensschritt an. Diese Ausbildung spart Zeit.
Im Rahmen der Erfindung wird unter einem äußeren Schlauch der Erdsonde insbesondere auch ein äußeres Rohr der Erdsonde verstanden.
Hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Meißelkopf einen, insbesondere 10% bis 15%, größeren Durchmesser aufweist als der äußere Schlauch bzw. das äußere Rohr der Erdsonde. Auch in diesem Fall hat der größere Durchmesser des Meißelkopfes zur Folge, dass ein Ringraum in der Bohrung zwischen der Innenwand der Bohrung und dem äußeren Schlauch bzw. Rohr der Erdsonde entsteht. Der Ringraum wird mit Bohrlösung gefüllt, wodurch die Reibung zwischen dem äußeren Schlauch bzw. Rohr der Erdsonde und dem umgebenden Erdreich während des Vortriebs der Bohrung he rabgesetzt wird.
Bei dieser Alternative, in der der äußere Schlauch bzw. das äußere Rohr der Erdsonde während des Vortriebs der Bohrung gleich mit in die Bohrung eingeführt wird, verbleibt der äußere Schlauch bzw. das Rohr auch nach Herausziehen der Ramme und des Führungsschlauches in der Bohrung. Er ist mit dem Sondenfuß bzw. dem Meißelkopf verbunden, insbesondere druck- und/oder flüssigkeitsdicht, so dass die Bohrlösung nicht in den äußeren Schlauch bzw. das äußere Rohr der Erdsonde eindringt. In diesem Fall wird die Bohrspülung durch Zugabe von Zement mit Abbindeverzögerer zur Verpressung des Sondeneinbaus verwendet.
Der äußere Schlauch bzw. das äußere Rohr der Erdsonde besteht vorzugsweise aus einem steifen und druckbeständigem Material, insbesondere einem Edelstahl-Wellschlauch oder aus Polyethylen (PE) oder einem anderen geeigneten Kunststoff. Dieses Material ist druck- und formbeständig und als Außenhülle einer Erdsonde geeignet.
Wenn vorzugsweise bei Beaufschlagung des Führungsschlauches mit Druckluft eine reibschlüssige Kraftverbindung zwischen dem Führungsschlauch und dem äußeren Schlauch der Erdsonde entsteht, wird durch den großflächigen Reibkontakt zwischen Führungsschlauch und dem äußeren Erdsondenschlauch letzterer effektiv mit in die Bohrung hineingezogen, ohne, dass weitere Befestigungsmittel nötig sind.
Um vorteilhafterweise eine zügige Bohrung zu gewährleisten, ist eine Haspel vorgesehen, von der der Führungsschlauch, der oder die Druckschläuche und gegebenenfalls der äußere Schlauch der Erdsonde abspulbar sind.
Vorzugsweise sind der Führungsschlauch, der oder die Druckschläuche und gegebenenfalls der äußere Schlauch der Erdsonde auf eine vorbestimmte Bohrtiefe vorkonfektioniert, die wenigstens 50 m bis zu etwa 1.000 m, insbesondere bis zu etwa 100 m, beträgt. Die genaue Tiefe der Bohrung hängt von lokalen Gegebenheiten ab und kann bei weicheren Böden auch über 100 m betragen. Tiefenbohrungen bis 1.000 m sind bei einigen Böden ebenfalls möglich.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum, insbesondere vertikalen, Einbringen von Erdsonden in Erdreich, das dadurch weitergebildet ist, dass mittels einer erfindungsgemäßen vorbeschriebenen Vorrichtung folgende Schritte ausgeführt werden:

– Erzeugen einer Bohrung durch Einrammen eines Meißelkopfes mittels einer druckluft- und/oder hydraulikbetriebenen Ramme in das Erdreich, wobei ein mit der Ramme verbundener Führungsschlauch und ein oder mehrere im Führungsschlauch angeordnete Druckschläuche zur Beaufschlagung der Ramme mit Druckluft und/oder Hydrauliköl während des Einrammens in die Bohrung mit eingezogen werden,
– Herausziehen wenigstens des Führungsschlauches und der Ramme aus der Bohrung nach Erreichen einer vorbestimmten Bohrtiefe,
– Abteufen wenigstens eines Teils einer Erdsonde in der Bohrung,

Dieses erfindungsgemäße Verfahren bietet die vorbeschriebenen Vorteile, dass Zeit und Kosten gespart werden, da ein periodisches Nachinstallieren von Gestänge entfällt und weitere Kosten gespart werden, da kein Erdreich erzeugt werden muss. Die Reibung zwischen Führungsschlauch und Innenwand der Bohrung wird mittels der Bohrspülung minimiert.
In einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Variante des Verfahrens wird nach Erreichen der vorbestimmten Bohrtiefe die gesamte Vorrichtung einschließlich des Meißelkopfes aus der Bohrung herausgezogen. Da in diesem Fall die Bohrung leer ist, wird vorzugsweise wenigstens eine vollständige Erdsonde in der Bohrung abgeteuft.
In einem alternativen erfindungsgemäßen vorteilhaften Verfahren wird ein äußerer Schlauch bzw. ein äußeres Rohr einer Erdsonde, innerhalb dessen der Führungsschlauch angeordnet ist, während des Erzeugens der Bohrung mit in die Bohrung eingezogen, indem durch Beaufschlagung des Führungsschlauches mit Druckluft eine reibschlüssige Verbindung zwischen Führungsschlauch und dem äußeren Schlauch bzw. Rohr der Erdsonde gebildet wird. Der flexible Führungsschlauch, der in etwa die Beschaffenheit eines Feuerwehrschlauches hat, da er aus einem Kunststoffgewebematerial besteht, presst sich unter dem Einfluss von Druckluft von innen gegen den äußeren Schlauch der Erdsonde, so dass eine flächige reibschlüssige Verbindung entsteht. Damit überträgt der Führungsschlauch die Gewichtskraft der Ballastringe gleichmäßig auf den äußeren Schlauch der Erdsonde. Über den Führungsschlauch wird auch die Gewichtskraft der gesamten Vorrichtung inklusive der Ramme auf den äußeren Schlauch bzw. das äußere Rohr der Erdsonde übertragen.
Zum Ausbau der Vorrichtung wird vorzugsweise nach Erreichen der vorbestimmten Bohrtiefe vor dem Herausziehen die Beaufschlagung des Führungsschlauches mit Druckluft beendet und werden die Ramme, der Führungsschlauch und der oder die Druckschläuche aus der Bohrung herausgezogen, während der äußere Schlauch- oder das äußere Rohr der Erdsonde und der Meißelkopf als Sondenfuß der Erdsonde in der Bohrung verbleiben. Der äußere Schlauch bzw. das äußere Rohr sind in diesem Fall vorzugsweise druckdicht und/oder flüssigkeitsdicht mit dem Sondenfuß verbunden. Durch das Entlüften des Führungsschlauches entspannt dieser sich und löst sich die großflächige reibschlüssige Verbindung zwischen Führungsschlauch und dem äußeren Schlauch oder Rohr der Erdsonde.
Nach Herausziehen der Vorrichtung aus dem äußeren Schlauch oder Rohr der Erdsonde wird zur Erstellung einer Koaxial-Erdsonde vorzugsweise in den leeren äußeren Schlauch bzw. das Rohr wenigstens ein innerer Schlauch oder ein inneres Rohr der Erdsonde abgeteuft. Durch diese Maßnahme wird eine Koaxial-Erdsonde erzeugt, deren Außenleiter kalte Flüssigkeit von der Erdoberfläche bzw. Wärmepumpe nach unten trägt, so dass sie sich im Laufe der Förderung durch thermische Wechselwirkung mit dem umgebenden Erdreich erwärmen kann und die erwärmte Flüssigkeit im Innenleiter, der vorzugsweise gegenüber dem Außenleiter thermisch isoliert ist, nach oben getragen wird. Falls umgekehrt überschüssige Wärme in das Erdreich eingetragen werden soll, kann die Flussrichtung auch umgekehrt werden.
Besonders wenig zu entsorgendes Material fällt an, wenn vorzugs weise die Bohrspülung im Ringraum bzw. in der Bohrung in den beiden erfindungsgemäßen Alternativen des Verfahrens nach Einbau der wenigstens einen Erdsonde zur Verpressung verwendet wird. Hierzu wird vorzugsweise der Bohrspülung Zement mit Abbindeverzögerer zugesetzt.
In der ersten beschriebenen erfindungsgemäßen Variante, in der die gesamte Vorrichtung einschließlich des Meißelkopfs entfernt wird und wenigstens eine Erdsonde vollständig verlegt wird, wird dieser Verfahrensschritt erst nach der Abteufung der Erdsonde vollzogen. Im zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, in dem mit der Bohrung der äußere Schlauch der Erdsonde gleich eingezogen wird, kann der Zement mit Abbindeverzögerer auch gleichzeitig oder gegebenenfalls nach dem Installieren des inneren Schlauchs bzw. Rohrs der Erdsonde innerhalb des leeren äußeren Schlauchs bzw. Rohrs der Erdsonde zugegeben werden.
Schließlich wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen vorbeschriebenen Vorrichtung zum, insbesondere vertikalen, Einbringen von Erdsonden im Erdreich gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
1 eine schematische Übersichtsdarstellung einer Bohrung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
2 eine Ausschnittsdarstellung aus 1,
3a–c schematische Längsschnittdarstellungen durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
4 eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Ausschnitt,
5 einen Querschnitt durch die Vorrichtung aus 4,
6a, b Details einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
7 eine Detaildarstellung aus 3c und
8 einen Querschnitt durch die Detaildarstellung aus 7.
In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente bzw. entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer entsprechenden erneuten Vorstellung abgesehen wird.
In 1 ist eine Übersicht über eine erfindungsgemäße Vorrichtung und die dazu benötigten Hilfsmittel dargestellt. Am Ort der Bohrung 2 ist eine Bohrgrube 7 dargestellt, die eine Bohrspülung 6 für die Sicherung und Stabilisierung der Bohrung 2 enthält. An der Erdoberfläche ist eine Haspel 13 vorgesehen, die einen Führungsschlauch 5 in vorkonfektionierter Länge für die zu erreichende Tiefe der Bohrung 2 bereithält und den Führungsschlauch 5 entsprechend dem Fortgang der Bohrung 2 nachführt.
Am Fuß der Bohrung 2 ist eine Ramme 8 dargestellt, die über einen spitzkegeligen bzw. konischen Meißelkopf 9 die Bohrung 2 in das Erdreich 1 vorantreibt. Die Ramme 8 wird über einen Druckschlauch 12 mit Druckluft versorgt. Der Druckschlauch 12 verläuft im Inneren des Führungsschlauches 5 und wird mit diesem zusammen von der Haspel 13 abgespult. An der Drehachse der Haspel 13 ist ein Anschluss für Druckluft bzw. gegebenenfalls Hydrauliköl vorgesehen, so dass ein Kompressor bzw. Hydraulikaggregat 4 über die Drehverbindung 14 im Zentrum der Haspel 13 dem Druckschlauch bzw. den Schläuchen 12 die Druckluft oder das Hydrauliköl zuführen kann.
In 2 ist die mit einem Kreis in 1 markierte Spitze, d. h. der Meißelkopf 9, und das Ende des Führungsschlauches 5 dargestellt. Der Meißelkopf 9 hat einen Durchmesser, der etwas größer ist als der Durchmesser des Führungsschlauches 5. Meißelkopf 9 und Führungsschlauch 5 überlappen teilweise. Von innen ist der überlappende Bereich durch eine Distanzhülse 17 stabilisiert, so dass in diesem Beispiel eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Führungsschlauch 5 und Meißelkopf 9 besteht. Auch Klebeverbindungen oder andere Dichtverbindungen sind hierfür geeignet. Der Meißelkopf 9 ist entweder mit der Ramme 8 direkt verbunden oder mit einem hier nicht dargestellten äußeren Schlauch oder Rohr der Erdsonde 3.
In den 3a bis 3c ist mittels schematischer Längsschnitte dargestellt, wie in einer ersten erfindungsgemäßen Variante des Verfahrens eine Erdsonde 3 in Erdreich 1 eingebracht wird.
In 3a ist ein Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Im Erdreich 1 wird mittels des Meißelkopfes 9 eine Bohrung 2 eingeführt. Der Meißelkopf 9 ist spitz zulaufend konisch ausgeführt, so dass das Erdreich 1 zur Seite verdrängt wird. Die Stufenform der Frontfläche gibt die gestaffelten Schneidflächen des Meißelkopfes 9 wieder. Im oberen Teil des Meißelkopfes 9 ist der untere Teil der Ramme 8 gelagert. Der Schlagkörper der Ramme 8 ist konisch geformt und wirkt mit einer ebenfalls konisch geformten Schlagfläche des Meißelkopfes 9 zusammen. Mittels einer Distanzhülse 17 ist im oberen Teil des Meißelkopfes 9 der äußere Schlauch 3' der Erdsonde 3 befestigt und wird mit in die Bohrung 2 hineingezogen.
Der Durchmesser des Meißelkopfes 9 ist etwas größer als der Durchmesser des äußeren Schlauchs 3' der Erdsonde 3, so dass ein Ringraum 16 entsteht, der in 3 offen dargestellt ist. Dieser wird mit Bohrlösung 6 gefüllt, um Reibung zwischen dem Erdreich 1 und dem äußeren Schlauch 3' der Erdsonde 3 zu vermindern.
Am oberen Ende der Ramme 8 ist ein Druckschlauch 12 dargestellt, der zusammen mit einem Entlüftungsschlauch 19 die Ramme 8 mit Druckluft oder Hydrauliköl versorgt. Das verbrauchte Fluid wird im Zwischenraum zwischen dem Entlüftungsschlauch 19 und dem Druckschlauch 12 zur Oberfläche zurück geführt.
Im Zwischenraum zwischen dem Führungsschlauch 5 und dem Entlüftungsschlauch 19 befinden sich Ballastringe 18, die dem Auftrieb in der Bohrspülung 6 entgegenwirken.
In 3b ist die Bohrung 2 fertiggestellt worden. Die Ramme 8 ist zusammen mit dem Druckschlauch 12 entfernt worden. In der Bohrung verbleiben der Sondenfuß 10, die Distanzhülse 17 und der äußere Schlauch 3' bzw. das äußere Rohr der Erdsonde 3.
In 3c ist der innere Schlauch 3'' der Erdsonde 3 in die Bohrung abgeteuft worden. Somit ist in 3c der untere Teil einer Erdsonde im eingebauten Zustand dargestellt, wobei die Alternative dar gestellt ist, bei der der Meißelkopf 9 als Sondenfuß 10 im Erdreich 1 verblieben ist. Bei der Erdsonde 3 handelt es sich um eine Koaxial-Erdsonde 3. Der Ringraum 16 um den äußeren Schlauch 3' herum ist durch Zugabe von Zement verpresst worden, so dass die Bohrung stabil ist und ein guter Wärmeaustausch stattfindet.
In 4 ist ein Detail aus 3a gezeigt. Es handelt sich um einen Längsschnitt oberhalb der Ramme 8. Konzentrisch von außen nach innen sind Erdreich 1, der Ringraum 16 mit Bohrspülung 6, ein äußerer Schlauch 3' der Erdsonde 3, der Führungsschlauch 5, Ballastringe 18, ein Entlüftungsschlauch 19, der gegen Druck von außen formstabil ist, und ein Druckschlauch 12 sowie Luft dargestellt, die innerhalb des Druckschlauchs 12 unter hohem Druck steht und innerhalb des Entlüftungsschlauchs 19 entspannt ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Zwischenraum zwischen Entlüftungsschlauch 19 und dem Führungsschlauch 5 mit Druckluft beaufschlagt, so dass sich der Führungsschlauch 5 großflächig an den äußeren Schlauch 3' der Erdsonde 3 anschmiegt und die Gewichtskraft auf den äußeren Schlauch 3' überträgt, so dass dieser mit in die Bohrung 2 gezogen wird.
Es ist in der oberen Hälfte zwischen den Ballastringen 18 außerdem eine Kombination aus einem Stoppring 20 und einem Klemmring 21 innerhalb und außerhalb des Führungsschlauches 5 dargestellt. Stoppringe 20 und Klemmringe 21 sind von innen und außen an den Führungsschlauch 5 geklemmt, so dass diese in jedem Fall ortsfest relativ zum Führungsschlauch 5 sind und mit Fortschritt der Bohrung mit in die Bohrung 2 hinabgezogen werden. Der Stoppring 20 dient als Auflagefläche für die Ballastringe 18, so dass diese an der Stelle des Stopprings 20 bzw. des Klemmrings 21 ihre Gewichtskraft auf den Führungsschlauch 5 übertragen. Solche Paare aus Stoppringen 20 und Klemmringen 21 sind alle 1 bis 2 m des Führungs schlauches 5 vorgesehen.
In 5 ist ein Querschnitt durch einen Teil der Darstellung gemäß 4 auf der Höhe eines Ballastrings 18 dargestellt. Von außen nach innen entsprechen die Elemente den in 4 vorgestellten. Der Entlüftungsschlauch 19 besteht aus einem widerstandsfähigen Material wie Polyethylen, so dass trotz des innerhalb des Entlüftungsschlauches 19 herrschenden niedrigen Luftdrucks bei Beaufschlagung des Zwischenraums zwischen Entlüftungsschlauch 19 und Führungsschlauch 5 mit Druckluft der Entlüftungsschlauch 19 nicht zusammengepresst wird.
In 6a ist eine Variante zu 3a dargestellt, nämlich zum Übergang zwischen Druckschlauch 12 und Ramme 8. Von außen nach innen sind das Erdreich 1, der mit Bohrspülung 6 gefüllte Ringraum 16, der äußere Erdsondenschlauch 3', der Führungsschlauch 5 und ein Druckschlauch 12 dargestellt. Der Führungsschlauch 5 setzt am oberen Ende der Ramme 8 an und ist an dieser befestigt.
In 6b ist der untere Teil der Variante nach 6a detailliert dargestellt. Der Meißelkopf 9 mit den Schneidkanten wird von der Ramme 8 beaufschlagt. Mittels einer Distanzhülse 17 ist am Meißelkopf 9 von innen der äußere Erdsondenschlauch 3' befestigt.
In 7 ist ein Detail von 3c dargestellt. Von außen nach innen folgen aufeinander Erdreich 1, das zur Erdsonde 3 hin verdichtet ist, wodurch der Wärmeaustausch wegen der erhöhten Wärmeleitung verbessert ist, der Ringraum 16 mit der Verpressung 6, der äußere Schlauch 3' der Erdsonde 3 und der innere Schlauch 3'' der Erdsonde 3. In dem Betriebszustand, in dem kalte Flüssigkeit die Erdwärme aufnehmen soll, wird die kalte Flüssigkeit durch den Zwischenraum zwischen innerem und äußerem Schlauch hindurchge führt und die erwärmte Flüssigkeit durch den inneren Schlauch 3'' wieder zur Oberfläche zurückgeführt.
8 zeigt einen Querschnitt der Darstellung nach 7.

1: Erdreich
2: Bohrung
3: Erdsonde
3': äußerer Schlauch bzw. äußeres Rohr
3'': innerer Schlauch bzw. inneres Rohr
4: Kompressor
5: Führungsschlauch
6: Bohrspülung
7: Bohrgrube
8: Ramme
9: Meißelkopf
10: Sondenfuß
12: Druckschlauch
13: Haspel
14: Drehverbindung
16: Ringraum
17: Distanzhülse
18: Ballastringe
19: Entlüftungsschlauch
20: Stoppring
21: Klemmring

Claims

Vorrichtung zum, insbesondere im Wesentlichen vertikalen, Einbringen von Erdsonden im Erdreich, umfassend einen Meißelkopf (9) und eine auf den Meißelkopf (9) einwirkende Ramme (8), dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Ramme (8) verbundener Führungsschlauch (5) und ein oder mehrere im Führungsschlauch (5) angeordnete Druckschläuche (12) zur Beaufschlagung der Ramme (8) mit Druckluft und/oder Hydrauliköl vorgesehen sind, wobei der Meißelkopf (9) einen größeren Durchmesser aufweist als der Führungsschlauch (5).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Meißelkopf (9) einen Durchmesser aufweist, der etwa 10% bis 15% größer ist als der Durchmesser des Führungsschlauches.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsschlauch (5) mit der Ramme (8) fest, insbesondere lösbar, verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsschlauch (5) aus einem flexiblen Kunststoffgewebematerial besteht, das insbesondere luft- und flüssigkeitsdicht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Führungsschlauchs (5) Ballastkörper, insbesondere Ballastringe (18), angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen Mittel (20, 21) zur Halterung der Ballastkörper (18) am Führungsschlauch (5) vorgesehen sind, insbesondere mittels einer Verkleinerung des Durchmessers des Führungsschlauchs (5) oder im Führungsschlauch (5) paarweise zusammenwirkend Stoppringe (20) innen und Klemmringe (21) außen am Führungsschlauch (5) befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsschlauch (5) mit Druckluft beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Meißelkopf (9) mit dem Gehäuse der Ramme (8) beweglich verbunden ist, so dass der Meißelkopf (9) zusammen mit der Ramme (8) rückholbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Meißelkopf (9) mit dem Gehäuse der Ramme (8) nicht verbunden oder beweglich lösbar verbunden ist, so dass der Meißelkopf (9) beim Rückholen der Ramme (8) im Erdreich (1) verbleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ramme (8) und der Führungsschlauch (5) innerhalb eines äußeren Schlauchs (3') oder Rohrs einer Erdsonde (3) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Meißelkopf (9) einen, insbesondere 10% bis 15%, größeren Durchmesser aufweist als der äußere Schlauch (3') oder das äußere Rohr der Erdsonde (3).
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Schlauch (3') oder das äußere Rohr der Erdsonde (3) aus einem steifen und druckbeständigem Material, insbesondere einem Edelstahl-Wellschlauch oder aus Polyethylen besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Beaufschlagung des Führungsschlauchs (5) mit Druckluft eine reibschlüssige Kraftverbindung zwischen dem Führungsschlauch (5) und dem äußeren Schlauch (3') oder Rohr der Erdsonde (3) entsteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haspel (13) vorgesehen ist, von der der Führungsschlauch (5), der oder die Druckschläuche (12) und gegebenenfalls der äußere Schlauch (3') oder das äußere Rohr der Erdsonde (3) abspulbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsschlauch (5), der oder die Druckschläuche (12) und gegebenenfalls der äußere Schlauch (3') oder das äußere Rohr der Erdsonde (3) auf eine vorbestimmte Bohrtiefe vorkonfektioniert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrtiefe wenigstens 50 m bis zu etwa 1.000 m, insbesondere bis zu etwa 100 m, beträgt.
Verfahren zum, insbesondere im Wesentlichen vertikalen, Einbringen von Erdsonden (3) in Erdreich (1), dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, folgende Schritte ausgeführt werden: – Erzeugen einer Bohrung (2) durch Einrammen eines Meißelkopfes (9) mittels einer druckluft- und/oder hydraulikbetriebenen Ramme (8) in das Erdreich (1), wobei ein mit der Ramme (8) verbundener Führungsschlauch (5) und ein oder mehrere im Führungsschlauch (5) angeordnete Druckschläuche (12) zur Beaufschlagung der Ramme (8) mit Druckluft und/oder Hydrauliköl während des Einrammens in die Bohrung (2) mit eingezogen werden, – Herausziehen wenigstens des Führungsschlauches (5) und der Ramme (8) aus der Bohrung (2) nach Erreichen einer vorbestimmten Bohrtiefe, – Abteufen wenigstens eines Teils einer Erdsonde (3) in der Bohrung (2), wobei während der Erzeugung der Bohrung mittels des Meißelkopfes (9), der einen größeren Durchmesser aufweist als der Führungsschlauch (5), ein Ringraum (16) zwischen dem Erdreich (1) und dem Führungsschlauch (5) erzeugt wird, der mit einer Bohrspülung (6) beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen der vorbestimmten Bohrtiefe die gesamte Vorrichtung einschließlich des Meißelkopfes (9) aus der Bohrung (2) herausgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine vollständige Erdsonde (3) in der Bohrung (2) abgeteuft wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußerer Schlauch (3') oder ein äußeres Rohr einer Erdsonde (3), innerhalb dessen der Führungsschlauch (5) angeordnet ist, während des Erzeugens der Bohrung (2) mit in die Bohrung (2) eingezogen wird, indem durch Beaufschlagung des Führungsschlauches (5) mit Druckluft eine reibschlüssige Verbindung zwischen Führungsschlauch (5) und dem äußeren Schlauch (3') oder Rohr der Erdsonde (3) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen der vorbestimmten Bohrtiefe vor dem Herausziehen die Beaufschlagung des Führungsschlauches (5) mit Druckluft beendet wird und die Ramme (8), der Führungsschlauch (5) und der oder die Druckschläuche (12) aus der Bohrung (2) herausgezogen werden, während der äußere Schlauch (3') oder das äußere Rohr der Erdsonde (3) und der Meißelkopf (9) als Sondenfuß (10) der Erdsonde (3) in der Bohrung (2) verbleiben.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erstellung einer Koaxial-Erdsonde in den leeren äußeren Schlauch (3') oder das leere äußere Rohr wenigstens ein innerer Schlauch (3'') oder ein inneres Rohr der Erdsonde (3) abgeteuft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrspülung (6) im Ringraum (16) bzw. in der Bohrung (2) nach Einbau der wenigstens einen Erdsonde (3) zur Verpressung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verpressung der Bohrspülung (6) Zement mit Abbindeverzögerer zugesetzt wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum, insbesondere im Wesentlichen vertikalen, Einbringen von Erdsonden (3) in Erdreich (1).