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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Geothermiesonde in das Erdreich sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Geothermiesonden grabenlos in das Erdreich einzubringen, indem zunächst mittels einer Bohrvorrichtung eine Bohrung in das Erdreich eingebracht und die Geothermiesonde nachträglich in die bereits erstellte Bohrung eingeschoben oder eingezogen wird.
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Die Höhe des Wärmeübergangs von dem Erdreich auf das in der Geothermiesonde zirkulierende Wärmeübertragungsmedium hängt neben der Ausgestaltung der Geothermiesonde selbst insbesondere von der Beschaffenheit des Erdreichs sowie der Einbettung der Geothermiesonde in das Erdreich ab. Aufgrund der schlechten thermischen Leitfähigkeit von Luft und anderen Gasen zeichnet sich insbesondere Lockergesteinserdreich durch eine lediglich geringe thermische Leitfähigkeit aus, da die in dem Lockergesteinserdreich naturgemäß vorhandenen, mit Luft und anderen Gasen gefüllten Hohlräume den Wärmeübergang behindern. Ein geringer Wärmeübergang ergibt sich aus den gleichen physikalischen Gründen auch bei einer schlechten Einbettung der Geothermiesonde in das Erdreich, da durch einen fehlenden Kontakt der Geothermiesonde mit dem Erdreich ein Hohlraum entsteht, der mit Luft oder anderen Gasen gefüllt ist, die den Wärmeübergang behindern.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einen Hohlraum, der sich zwischen einer Geothermiesonde sowie dem angrenzenden Erdreich gebildet hat, mit thermisch gut leitendem Material aufzufüllen. Dadurch wird ein direkter Kontakt zwischen der Geothermiesonde sowie dem umgebenden Erdreich hergestellt, so dass der Wärmeübergang von dem Erdreich auf die Geothermiesonde verbessert werden kann. Das nachträgliche Auffüllen des Hohlraums zwischen der Geothermiesonde sowie dem angrenzenden Erdreich ist mit einem zusätzlichen Arbeitsaufwand verbunden. Zudem kann mit diesem Verfahren eine ungenügende thermische Leitfähigkeit des Erdreichs selbst nicht verbessert werden.
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JP 2006 349 295 A offenbart ein Verfahren zum Verlegen einer Geothermiesonde, bei dem zunächst eine Bohrung in das Erdreich eingebracht und das dabei gelockerte Erdreich beim Zurückziehen der Bohrvorrichtung mit einem Stabilisierungswerkstoff („cement milk”) vermischt wird. Nachdem die Bohrung vollständig verfüllt wurde, wird die Geothermiesonde, die mit einem Gewicht beschwert ist, bis zur gewünschten Tiefe in der Bohrung versenkt und daraufhin das Gewicht wieder herausgezogen.
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EP 0 017 783 B1 offenbart ein Verfahren, bei dem mittels eines hohlen Bohrgestänges mit einem frontseitig angeordneten Bohrkopf eine Bohrung in das Erdreich eingebracht wird. Nachdem die Bohrung bis zur gewünschten Tiefe erstellt wurde, wird durch das hohle Bohrgestänge und eine Auslassöffnung im Bereich des Bohrkopfs ein Bindemittel (z. B. Zement oder Wärmezement) ausgebracht, das dafür vorgesehen ist, den zwischen der Außenseite des Bohrgestänges und dem Erdreich ausgebildeten Ringspalt aufzufüllen. Nach der Bindemittelaufschwemmung wird das hohle Bohrgestänge gespült und ein Stopfen eingeführt, um die Auslassöffnung im Bereich des Bohrkopfs zu verschließen. Daraufhin wird ein Innenrohr in das Bohrgestänge eingeführt. Das hohle Bohrgestänge sowie das darin konzentrisch angeordnete Innenrohr fungieren dann gemeinsam als Geothermiesonde. Durch das Bindemittel soll der Wärmefluss zwischen der Geothermiesonde und dem diese umgebenden Erdreich verbessert werden.
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JP 2007 017 141 A offenbart ein Verfahren, bei dem ein Tank („underground buried type tank”) in das Erdreich eingebracht werden soll. Hierbei wird zunächst eine Bohrung erstellt und dann das dabei zu Tage geförderte Bohrklein („removed earth in drilling”) oder Metallschrott („waste metal”) mit einem Fällungsmaterial („coagulant”), wie beispielsweise Zement, vermischt und daraufhin wieder in die Bohrung eingebracht („filled into the drilled hole”). Das Erdreich/Metallschrott-Zement-Gemisch soll das Vergraben des Tanks erleichtern („facilitating the burying”) und einen Wärmeübergang von dem Erdreich auf eine in dem Tank gelagerte Flüssigkeit verbessern.
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US 5,378,085 offenbart ein Verfahren, durch das ein Fundament im Erdreich erzeugt wird. Hierzu wird eine Bohrschnecke in das Erdreich eingetrieben und gleichzeitig eine Zementflüssigkeit ausgebracht und mit dem gelockerten Erdreich vermischt. Die Erdreich-Zement-Mischung härtet nach dem Entfernen der Bohrschnecke aus und bildet so das gewünschte Fundament.
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Ausgehend von dem genannten Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einbringen einer Geothermiesonde anzugeben, das wirtschaftlicher durchführbar ist und insbesondere weniger Arbeitsschritte erfordert. Weiterhin sollte eine hierfür geeignete Vorrichtung angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Kern der Erfindung sieht vor, den Wärmeübergang von dem Erdreich auf eine Geothermiesonde dadurch zu erhöhen, dass das die Geothermiesonde umgebende Erdreich mit einem Zusatzmittel vermischt wird. Das Zusatzmittel weist vorzugsweise eine gute thermische Leitfähigkeit auf, wodurch die thermische Leitfähigkeit des Erdreich/Zusatzmittel-Gemisches gegenüber dem Erdreich selbst erhöht werden kann; besonders bevorzugt liegt dabei die thermische Leitfähigkeit des Zusatzmittels erheblich über der des Erdreichs. Eine Verbesserung des Wärmeübergangs kann jedoch auch dann erzielt werden, wenn das Zusatzmittel keine bessere thermische Leitfähigkeit als das umgebende Erdreich aufweist, denn durch das Vermischen des Zusatzmittels mit dem die Bohrung umgebenden Erdreich wird der innere Druck in diesem Bereich des Erdreichs erhöht, wodurch wiederum die Geothermiesonde besser in das umgebende Erdreich eingebettet wird.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einbringen einer Geothermiesonde in das Erdreich wird mittels einer Bohrvorrichtung eine Bohrung in dem Erdreich erstellt und gleichzeitig oder nachträglich eine Geothermiesonde in die Bohrung eingebracht; zudem wird das die Bohrung umgebende Erdreich mit einem Zusatzmittel vermischt.
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Das kennzeichnende Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens, wonach das die Bohrung umgebende Erdreich mit einem Zusatzmittel vermischt wird, ist lediglich räumlich zu verstehen, so dass es erfindungsgemäß nicht erforderlich ist, dass die Bohrung bereits zum Zeitpunkt des Vermischens des Erdreichs mit dem Zusatzmittel existiert.
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Es ist vorgesehen, dass zunächst mittels der Bohrvorrichtung die Bohrung erstellt wird und dann die Geothermiesonde in das sich noch in der Bohrung befindliche hohle Gestänge geschoben wird, woraufhin das Bohrgestänge zurückgezogen wird, wobei die Geothermiesonde in der Bohrung verbleibt. Das Zusatzmittel wird während des Erstellens der Bohrung und/oder während des Zurückziehens des Bohrgestänges mit dem Erdreich vermischt.
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Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Geothermiesonde bereits während des Erstellens der Bohrung in dem hohlen Bohrgestänge zu lagern. Das Zusatzmittel kann dann über eine alternative Zuleitung zu den Auslassöffnungen geleitet werden, durch die dieses in das Erdreich ausgebracht wird.
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Der Aufwand beim Vermischen des Erdreichs mit dem Zusatzmittel steigt regelmäßig mit dem Volumen des Erdreichs, das mit dem Zusatzmittel vermischt wird. Als guter Kompromiss zwischen zusätzlichem Aufwand und zusätzlichem Nutzen (d. h. einer Erhöhung des Wärmeübergangs) hat sich gezeigt, wenn das Erdreich in einem Bereich mit dem Zusatzmittel vermischt wird, der ca. einem Radius von 0,5 m bis 1 m um die Bohrung entspricht. Selbstverständlich können auch größere oder kleinere Bereiche um die Bohrung mit dem Zusatzmittel vermischt werden, sofern dies aufgrund der besonderen Anforderungen des Einzelfalls sinnvoll sein kann.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist zumindest eine Bohrvorrichtung zum Erstellen einer Bohrung in einem Erdreich mit einem hohlen Bohrgestänge zur Aufnahme der Geothermiesonde und einer oder mehreren Auslassöffnungen zum Ausbringen des Zusatzmittels auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, die Bohrvorrichtung und/oder Einziehmittel für die Geothermiesonde mit einem oder mehreren Mischflügeln zu versehen, mit denen das die Bohrung umgebende Erdreich mechanisch durchmischt wird. Eine besonders gute Durchmischung mittels eines solchen Mischflügels kann erreicht werden, wenn der Bohrkopf bzw. der Einziehkopf (zusätzlich) rotierend durch das Erdreich vorgetrieben wird.
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Um eine Durchmischung des die Bohrung umgebenden Erdreichs in einem Bereich, der einem Radius von 0,5 m bis 1 m um die Bohrung entspricht, zu erzielen, weisen die Mischflügel der Bohrvorrichtung vorzugsweise eine entsprechende radiale Erstreckung auf.
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Unter „Einziehmittel” werden sämtliche Mittel verstanden, die beim Einbringen einer Geothermiesonde in eine bereits erstellte Bohrung der Geothermiesonde vorderseitig mit der Geothermiesonde verbunden sind; die Geothermiesonde muss hierbei nicht gezogen, sondern kann auch geschoben werden.
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Besonders bevorzugt sind der bzw. die Mischflügel an einem Bohrkopf der Bohrvorrichtung angeordnet.
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Unter „Bohrkopf” wird erfindungsgemäß ein Bestandteil einer Bohrvorrichtung verstanden, der durch Abtragen oder Verdrängen des Erdreichs die Bohrung in einem definierten Durchmesser erstellt. Ein Bohrkopf im Sinne der Erfindung muss nicht zwangsweise frontseitig an der Bohrvorrichtung angeordnet sein.
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Bevorzugt befinden sich die Auslassöffnungen an einem Bohrkopf der Bohrvorrichtung.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die Auslassöffnungen in oder an dem Mischflügel positioniert sein.
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Das Ausbringen des Zusatzmittels durch das oder die Auslassöffnungen kann bei Bedarf unter einem so hohen Druck erfolgen, dass bereits hierdurch eine gute Durchmischung des Zusatzmittels mit dem Erdreich erzielt werden kann. Dies kann insbesondere bei der grundsätzlich bevorzugten Verwendung eines flüssigen Zusatzmittels erfolgen, ist jedoch auch bei beispielsweise einem pulverförmigen Zusatzmittel anwendbar.
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Durch die Erhöhung des inneren Drucks innerhalb des die Bohrung umgebenden Erdreichs und die dadurch bedingte bessere Einbettung der Geothermiesonde in das Erdreich kann bereits auch bei an sich schlecht thermisch leitendem Zusatzmittel eine Verbesserung des Wärmeübergangs vom Erdreich auf die Geothermiesonde erreicht werden. Bevorzugt ist das Zusatzmittel jedoch selbst thermisch gut leitend ausgebildet, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass das Zusatzmittel thermisch gut leitende Partikel enthält, wie beispielsweise Kohlenstoff-Träger (z. B. Graphit), metallische Pulver (z. B. Eisenpulver-Abgänge aus der Stahlerzeugung, feine Metallspäne, pulverförmige Eisenoxide, flüssige Eisenhydroxide, Gießerei-Abgänge, Reste von Pulverbeschichtungsprozessen, etc.) oder tonige Partikel. Vorteilhafterweise können hierbei pulverförmige Produktionsrückstände aus anderen Produktionsprozessen verwendet werden, da diese häufig günstig beschafft werden können und zudem der ansonsten für die Produktionsrückstände erforderliche Deponieraum eingespart werden kann. Das verwendete Zusatzmittel sollte jedoch möglichst umweltverträglich sein.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, die Menge des ausgebrachten Zusatzmittels und/oder die thermische Leitfähigkeit des mit dem Zusatzmittel vermischten Erdreichs zu messen. Die Messungen können beispielsweise mittels Druck- und/oder Leitfähigkeitssensoren, die beispielsweise an dem Bohrkopf der Bohrvorrichtung und/oder dem oder den Mischflügeln angeordnet sein können, erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Anwendung im Lockergesteinserdreich, da bei einem solchen Erdreich eine besonders große Verbesserung des Wärmeübergangs von dem Erdreich auf die Geothermiesonde erzielt werden kann.
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Unter „Lockergesteinserdreich” wird erfindungsgemäß ein Erdreich verstanden, das aufgrund der Vielzahl bzw. Größe der inneren Hohlräume, die das Erdreich ausbildet, eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hierzu zählt zum Beispiel Erdreich mit geringer Lagerungsdichte, hoher Feinkörnigkeit oder hoher Setzungsempfindlichkeit.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1 in einer schematischen Darstellung eine Mehrzahl von mittels einer Bohrvorrichtung in das Erdreich eingebrachten Geothermiesonden;
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2 einen Querschnitt durch eine der Geothermiesonden der 1 sowie das umgebende Erdreich;
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3 alternative Ausführungsformen von Geothermiesonden;
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4 in einer isometrischen Ansicht ein Bohrgestänge einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform;
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5 das Bohrgestänge der 4 in einer Vorderansicht;
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6 in einer isometrischen Ansicht ein Bohrgestänge einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform;
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7 das Bohrgestänge der 6 in einer Vorderansicht;
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8 in einer isometrischen Ansicht ein Bohrgestänge einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dritten Ausführungsform; und
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9 das Bohrgestänge der 8 in einer Vorderansicht.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Mehrzahl von bereits in das Erdreich eingebrachten Geothermiesonden 1. In einem Bereich um jede der Geothermiesonden 1 ist das Erdreich 2 erfindungsgemäß mit einem thermisch gut leitenden Zusatzmittel (auf Basis von Graphit) vermischt worden, wodurch der Wärmeübergang von dem Erdreich auf die Geothermiesonden verbessert werden kann. Der Bereich 3 um die Geothermiesonden, der mit dem Zusatzmittel vermischt worden ist, ist in der 1 schraffiert dargestellt.
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Die in der 1 dargestellte Bohrvorrichtung weist eine fahrbare Antriebseinheit 4 auf, die ein fahrbares Gestell 5 sowie eine darauf angeordnete verschwenkbare Antriebslafette 6 umfasst. Die Antriebslafette 6 weist einen kombinierten Linear-/Rotationsantrieb 7 auf, über den ein Bohrgestänge (in der 1 nicht dargestellt) translatorisch und bei Bedarf auch rotierend in das Erdreich vorgetrieben werden kann.
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Mittels der Antriebseinheit 4 werden die einzelnen Geothermiesonden 1 ausgehend von einem Startschacht 8 in unterschiedlichen Winkeln in das Erdreich 2 eingebracht. Hierbei wird jeweils zunächst das Bohrgestänge in das Erdreich vorgetrieben und dadurch die Bohrung, die nachträglich die Geothermiesonde 1 aufnehmen soll, erstellt. Gleichzeitig, d. h. während des Erstellens der Bohrung, wird das die Bohrung umgebende Erdreich 2 mit einem Zusatzmittel vermischt. Hierzu ist das Bohrgestänge frontseitig von einer Mehrzahl von Mischflügeln versehen, wie es in den 4 bis 9 in alternativen Ausführungsformen dargestellt sind. Das Zusatzmittel wird hierbei durch das hohle Bohrgestänge 9a; 9b; 9c bis zu einer frontseitigen Auslassöffnung 10a; 10b; 10c geleitet, wo es aus dem Bohrgestänge 9a; 9b; 9c austritt. Die Mischflügel 11a; 11b; 11c bewirken eine mechanische Durchmischung des Erdreichs 2 mit dem bereits aus dem Bohrgestänge 9a; 9b; 9c ausgetretenen Zusatzmittel.
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Nachdem die Bohrung bis zur gewünschten Tiefe erstellt worden ist, wird der Linear-/Rotationsantrieb 7 der Antriebseinheit 4 gestoppt und die Zufuhr von Zusatzmitteln durch das hohle Bohrgestänge 9a; 9b; 9c beendet. Die Geothermiesonde 1 kann daraufhin durch das hohle Bohrgestänge 9a; 9b; 9c in die Bohrung eingeschoben werden. Daraufhin kann – wiederum mittels der Antriebseinheit – das Bohrgestänge 9a; 9b; 9c zurückgezogen werden. Die Geothermiesonde 1 sowie die verlorene Bohrspitze 12a; 12b; 12c des Bohrgestänges verbleiben dabei innerhalb der Bohrung. Während des Zurückziehens des Bohrgestänges 9a; 9b; 9c kann dieses erneut rotiert werden, so dass eine weitere Durchmischung des Erdreichs 2 mit dem bereits eingebrachten Zusatzmittel erfolgen kann.
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Die 3 zeigt alternative Ausführungsformen von Geothermiesonden, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden können. Links in der 3 ist eine Doppel-U-Sonde 1a, mittig eine Koaxial-Sonde 1b und rechts eine einfache U-Sonde 1c, jeweils im Querschnitt, dargestellt.
