DE102009040476A1

DE102009040476A1 - Geothermiesonde und Verfahren zu deren Betrieb

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Publication number: DE102009040476A1
Application number: DE102009040476A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Ing. Schmachtenberg; Georg Dipl.-Ing. Dietze; Dustin Dipl.-Ing. Flock
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2011-03-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Geothermiesonde umfassend ein Außenrohr (1a, 1b) und ein darin angeordnetes Innenrohr (2) die am unteren Endbereich miteinander in Fluidverbindung stehen, bei dem das Innenrohr (2) aus einem, insbesondere monolithischen, Kunststoff-Vollmaterial-Rohr ausgebildet ist und das Außenrohr in einen oberen (1a) und unteren Bereich (1b) unterteilt ist, wobei der Wärmedurchgangswiderstand des Außenrohres (1a, 1b) zum umgebenden Erdreich und zum Innenrohr (2) im oberen Bereich (1a) höher gewählt ist als im unteren Bereich (1b). Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Geothermiesonde umfassend ein Außenrohr (1a, 1b) und ein darin angeordnetes Innenrohr (2), bei dem in einem primären Fluidkreislauf ein Wärmeträgerfluid durch einen Wärmeübertrager (5) und die Geothermiesonde gefördert wird und in einem sekundären Fluidkreislauf über diesen Wärmeübertrager Wärme aus dem primären Fluidkreislauf entzogen wird, wobei das Wärmeträgerfluid durch den Ringspalt (3) zwischen Außenrohr (1a, 1b) und Innenrohr (2) in das Erdreich eingeleitet wird, am unteren Ende vom Außenrohr (1a, 1b) in das Innenrohr (2) überströmt und durch das aus einem Kunststoff ausgebildete Innenrohr (2) aus dem Erdreich herausgeleitet wird, wobei durch Veränderung der Strömungsparameter im Ringspalt (3) entlang der Tiefenerstreckung ein oberer Bereich (1a) des Außenrohres (1a, 1b) ausgebildet wird, der einen höheren Wärmedurchgangswiderstand zum Erdreich und/oder zum ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Geothermiesonde umfassend ein Außenrohr und ein darin angeordnetes Innenrohr die am unteren Endbereich miteinander in Fluidverbindung stehen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer Geothermiesonde umfassend ein Außenrohr und ein darin angeordnetes Innenrohr, bei dem in einem primären Fluidkreislauf ein Wärmeträgerfluid durch einen Wärmetauscher und die Geothermiesonde gefördert wird und in einem sekundären Fluidkreislauf über diesen Wärmetauscher Wärme aus dem primären Fluidkreislauf entzogen wird.
Solche Geothermiesonden oder auch Betriebsverfahren sind im Stand der Technik bekannt und werden eingesetzt, um Erdwärme nutzbar zu machen. Dabei macht man sich zunutze, dass mit zunehmender Tiefe die Temperatur im Erdreich ansteigt.
Bohrungen werden beispielsweise bis in Tiefen von 2000 bis 3000 Metern durchgeführt. Die Bohrungswandung wird verschalt und in die verschalte Bohrung, die ein Außenrohr bildet, ein Innenrohr eingesetzt, insbesondere koaxial.
Zwischen Außenrohr und Innenrohr ergibt sich dadurch ein Ringspalt, der zum Transport eines Wärmeträgerfluids genutzt wird, ebenso wie der Innenbereich des Innenrohres. Ein Wärmeträgerfluid kann so, z. B. in einem geschlossenen Kreislauf bis zum Bohrungsgrund geführt werden, wo es zwischen Außenrohr und Innenrohr überströmt und mit der aufgenommenen Erdwärme wieder zur Oberfläche gelangt, wo die Erdwärme dem Wärmeträgerfluid, z. B. durch Wärmeübertragung in einem vom Wärmeträgerfluid durchströmten Wärmeübertrager entnommen werden kann. Solche geschlossenen Systeme haben den Vorteil, dass kein Kontakt zwischen Grundwasser und Wärmeträgerfluid entsteht. Es können daher statt Wasser als Wärmeträgerfluid auch andere Medien eingesetzt werden.
Als problematisch erweist sich bei solchen Systemen der Wärmedurchgang zwischen den Strömungen im Innen- und Außenrohr sowie zum umgebenden Erdreich, so dass ein Teil der aus der Tiefe geförderten Wärme aufgrund dessen verloren geht bzw. nicht genutzt werden kann.
So nimmt z. B. das in die Tiefe fließende kalte Wärmeträgermedium einen Teil der Wärme auf, die aus der Tiefe nach oben gefördert wird, so dass hierdurch signifikant die maximal erreichbare Temperatur des Wärmeträgermediums an der Oberfläche reduziert wird.
Um diese Verluste zu verringern wurden bislang Lösungen gewählt, die zusätzliche Isolierungsschichten um die eingesetzten Rohre vorsahen, z. B. eine Vakuumrohrummantelung oder auch eine PU-Schaumisolierung. Der Einsatz solcher Isolierungen hat sich jedoch als nicht praxistauglich erwiesen, da in den hier genutzten Tiefen von z. B. 2000 bis über 3000 Metern sowohl sehr hohe Drücke als auch hohe Temperaturen vorherrschen. Diese hier genannten Isolierungen haben dem vorherrschenden Druck nicht Stand gehalten bzw. wurden bei diesen Drücken durch Wassermoleküle infiltriert, so dass deren Isolationswirkung aufgehoben wurde. Auch war keine genügende Langzeitstabilität gegen die wirkende Wärme gegeben.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Wärmeverluste beim Transport des Wärmeträgermediums zu verringern und somit eine möglichst hohe Arbeitstemperatur des Wärmeträgermediums an der Erdoberfläche zu erzielen. Diese Aufgabe soll dabei sowohl durch konstruktive Maßnahmen, als auch durch eine spezielle Betriebsweise erzielt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe konstruktiv dadurch gelöst, dass bei einer Geothermiesonde der eingangs genannten Art das Innenrohr aus einem, Kunststoff-Vollmaterial-Rohr ausgebildet ist und das Außenrohr in einen oberen und unteren Bereich unterteilt ist, wobei der Wärmeleitungswiderstand des Außenrohres zum umgebenden Erdreich und zum Innenrohr im oberen Bereich höher gewählt ist als im unteren Bereich.
Verfahrensgemäß wird die Aufgabe auch dadurch gelöst, dass das Wärmeträgerfluid durch den Ringspalt zwischen Außenrohr und Innenrohr in das Erdreich eingeleitet wird, am unteren Ende vom Außenrohr in das Innenrohr überströmt und durch das aus einem Kunststoff ausgebildete Innenrohr aus dem Erdreich herausgeleitet wird, wobei durch Veränderung der Fluidstromparameter im Ringspalt entlang der Tiefenerstreckung ein oberer Bereich des Außenrohres ausgebildet wird, der einen höheren Wärmedurchgangswiderstand zum Erdreich und/oder zum Innenrohr aufweist als ein unterer Bereich des Außenrohres.
Hier ist es ein erster erfindungswesentlicher Gedanke, das aufzuwärmende Wärmeträgerfluid im äußeren Ringspalt zwischen Außenrohr und Innerohr in die Tiefe zu leiten und im Inneren eines Kunststoffrohres aus einem Vollmaterial wieder an die Erdoberfläche zu fördern. Das eingesetzte Kunststoffrohr aus einem Vollmaterial hat hier den Vorteil gegenüber üblichen Materialien, wie z. B. Metallen, einen hohen Wärmeleitungswiderstand aufzuweisen, bedingt durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit, der auch durch die Wandstärke und den Durchmesser beeinflusst werden kann. Weiterhin erreicht das Kunststoffrohr aufgrund seiner Ausbildung aus Vollmaterial eine genügend hohe Druckstabilität und kann aus geeigneten Kunststoffen gewählt werden, die eine genügend hohe Temperaturstabilität aufweisen. Vollkunststoffmaterial wird weiterhin nicht in dem Maße durch Wassermoleküle infiltriert, wie es bei Schaumstrukturen der Fall ist.
Es erweist sich auch als vorteilhaft, dass solche Innenrohre im Extrusionsverfahren hergestellt werden können und auf Wunsch dem Kunststoff Zusatzstoffe beigemischt werden können, um bestimmte gewünschte Eigenschaften gezielt zu erreichen, wie eine geforderte Temperaturstabilität. Als besonders geeignete Kunststoffe können thermoplastische Kunststoffe eingesetzt werden, z. B. Polyolefine.
Das erfindungsgemäße Innenrohr aus Vollmaterial-Kunststoff kann z. B. in einer Ausführung aus mehreren Rohrabschnitten Abschnitt für Abschnitt zusammengefügt werden. Beispielsweise können die Abschnitte durch Schweißtechniken stoffschlüssig verbunden werden, so dass die Schweißstellen dieselben Eigenschaften aufweisen, wie die übrigen Bereiche.
Auch ist es in einer anderen Ausführung möglich, das Kunststoff-Innenrohr monolithisch auszuführen, z. B. als „Endlos”-Material von der Rolle.
Bestimmte Abmessungen des Innenrohres haben sich als besonders geeignet erwiesen hinsichtlich Stabilität, Wärmeleitfähigkeit und Druckverlust beim Fördern des Wärmeträgerfluids. So sind erfolgreich als dickwandig zu bezeichnende Innenrohre eingesetzt worden, deren Außendurchmesser zur Wandstärke ein Verhältnis aufweisen von 10:1 bis 2:1 bevorzugt 4:1 bis 3:1. Konkret wurden mit einem Außendurchmesser von 125 mm und einer Wandstärke von ca. 34 mm erfolgreich arbeitende Geothermiesonden realisiert.
Der weitere erfindungswesentliche Gedanke liegt darin, beim Außenrohr nicht ein solches zu verwenden, welches – wie üblich – über die gesamte Länge gleichen Wärmeleitungswiderstand aufweist, sondern einen oberen Bereich der einen höheren Wärmeleitungswiderstand besitzt. Bei oberflächlicher Betrachtung mag diese Wahl zunächst unsinnig erscheinen, da es ja der Zweck des Außenrohres ist, die Wärmeleitung aus dem Erdreich in das in die Tiefe geförderte Wärmeträgerfluid zu gewährleisten.
Es zeigt sich jedoch, dass im oberen Bereich einer Geothermiesonde die Wärmeverluste aus dem aufgewärmten aus der Tiefe geförderten Wärmeträgerfluid größer sind, also ein Wärmeabfluss ins oberflächennahe Erdreich. So ist es der Ansatz der Erfindung durch die genannte Maßnahme die Wärmeverluste aus dem Innenrohr im oberen Bereich der Geothermiesonde zu minimieren.
Wärmeverluste im oberen Bereich können in einer Maßnahme auch dadurch verringert werden, dass das Außenrohr im oberen Bereich eine zusätzliche Isolierung gegenüber dem Erdreich erhält, oder z. B. zur Befestigung des Außenrohres ein Zement mit geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Dies hingegen lässt die Wärmeleitfähigkeit des Außenrohres selbst unbeeinflusst, sondern isoliert dieses lediglich.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die unterschiedlichen Wärmedurchgangswiderstände im oberen und unteren Bereich eingestellt sind durch einen unterschiedlichen Querschnitt des Ringspaltes zwischen Außenrohr und Innenrohr, der im oberen Bereich größer ist als im unteren Bereich. Durch die Aufteilung des Außenrohres in einen oberen und unteren Bereich ergibt sich ebenso ein oberer Ringspalt, sowie ein unterer Ringspalt.
Hierdurch wird bewirkt, dass bei einem im Gesamtsystem gegebenen Massenstrom des Wärmeträgermediums im oberen Bereich aufgrund des größeren Querschnittes eine geringere Strömungsgeschwindigkeit vorliegt, als im unteren Bereich, in welchem der Querschnitt des Ringspaltes geringer gewählt ist. Dies erzeugt unterschiedliche Wärmedurchgangswiderstände alleine aufgrund der Strömungsunterschiede.
In einer bevorzugten Ausführung kann dabei die Strömung im oberen Bereich derart eingestellt sein, dass diese laminar erfolgt, hingegen im unteren Bereich turbulent.
Durch die laminare Strömung wird dabei an den fluidkontaktierten Wandungsbereichen ein geringer Wärmeübergang zwischen dem Wärmeträgerfluid im Innenrohr und äußerem Ringspalt, ebenso wie zwischen dem Wärmeträgerfluid im Ringspalt und dem Erdreich erzeugt. Hingegen bewirkt die turbulente Strömung im unteren Bereich einen demgegenüber besseren Wärmetransport zwischen Erdreich und Wärmeträgerfluid im äußeren Ringspalt.
Dabei ist anzumerken, dass die Relevanz dieses Einflusses vom Wärmenachfluss aus dem Erdreich abhängt.
Bevorzugt kann das Außenrohr in einer bestimmten gewählten Bohrungstiefe eine stufenförmige Querschnittsverringerung aufweisen. Beispielsweise kann diese gewählte Bohrungstiefe 30% bis 70%, bevorzugt 40% bis 60% der Gesamtbohrungstiefe entsprechen. Anzustreben ist eine Ausführung bei der die Querschnittsverringerung in einer Bohrungstiefe angeordnet ist, bei welcher die Temperatur des Wärmeträgermediums im Ringspalt der Erdreichtemperatur entspricht.
Die Querschnittsverringerung kann z. B. erzielt werden durch verschiedene Bohrungsdurchmesser. Bevorzugt können Innendurchmesser des Außenrohres im oberen und unteren Bereich gewählt werden, die Im Verhältnis von 2,5:1 bis 1,5:1 (oben:unten) stehen, bevorzugt 2:1. Konkret haben sich Innendurchmesser des Außenrohren von 340 mm oben und 193 mm unten als positiv erwiesen, insbesondere in Zusammenhang mit den bevorzugten Dimensionen des zuvor genannten Innenrohres.
Zusätzlich zu allen Ausführungen kann das Außenrohr im unteren Bereich mit Zement umgeben sein, dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist im Vergleich zum oberen Bereich, um vorgenannte Wirkung zu unterstützen.
Das Innenrohr kann in einer Weiterbildung auf seiner Außenseite Abstandshalter zum Einhalten eines gleichmäßigen Abstandes zum Außenrohr aufweisen, insbesondere die das Innenrohr in gleichmäßiger Winkelteilung umgeben. Bevorzugt sind hier drei Abstandshalter. Diese können in axialer Erstreckung des Innenrohres in einem äquidistanten Abstand angeordnet sein. Bei Zusammenfügung eines Innenrohres aus mehreren Abschnitten kann es vorgesehen sein, dass jeder Abschnitt solche Abstandhalter aufweist, insbesondere im Bereich eines der beiden Enden des Innerohrabschnittes.
Dabei sind bevorzugt die Innenrohrabschnitte, die tiefer verbaut werden mit radial geringer ausladenden Abstandhaltern ausgestattet als solche Innenrohrabschnitte, die im oberen Bereich verbaut werden, um den unterschiedlichen Außenrohrdurchmessern in diesen beiden Bereichen Rechnung zu tragen.
Es kann in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass zur Verringerung des Auftriebs am Innenrohr oder im Material des Innenrohres Gewichte angeordnet sind. Da Kunststoffrohre als Innenrohr, je nach gewähltem Material, aufgrund der geringeren Dichte im Vergleich zum Wärmeträgermedium (z. B. Wasser) einen starken Auftrieb haben, benötigen solche Innenrohre eine sichere Befestigung, um nicht im Außenrohr aufzuschwimmen oder die Geothermiesonde insgesamt durch die starken Auftriebskräfte zu zerstören. Um diese Kräfte zu minimieren kann es mit der genannten Ausführung vorgesehen sein, den Auftrieb zu verringern. Der resultierende Auftrieb kann so eingestellt sein, dass die Innenrohre im Wärmeträgermedium schweben oder nur einen sehr geringen Auftrieb haben, so dass sie bei Bedarf gehoben werden können.
Neben den genannten konstruktiven Merkmalen kann eine weitere verfahrentechnische Optimierung vorgesehen sein.
Häufig wird – gerade zu Heizzwecken – eine möglichst hohe Arbeitstemperatur des Wärmeträgerfluids am Austritt einer Geothermiesonde gewünscht. Um in einem bestehenden primären Fluidkreislauf die Austrittstemperatur zu erhöhen, kann es insbesondere in einer Weiterbildung des genannten Verfahrens vorgesehen sein, dass die Eintrittstemperatur des Wärmeträgerfluids beim Eintritt in den oberen Ringspalt und/oder im gesamten Bereich des oberen Ringspaltes erhöht wird.
Das Einleiten eines Wärmeträgerfluids mit vergleichsweise hoher Temperatur scheint zunächst wieder im Widerspruch zu stehen mit dem Wunsch möglichst viel Wärmemenge aus der Tiefe zu fördern, also in erster Linie mit möglichst kaltem Wärmeträgerfluid die Einleitung in die Geothermiesonde zu starten.
Bereits eingangs wurde jedoch darauf hingewiesen, dass im oberen Bereich der Geothermiesonde Wärmeverluste festzustellen sind aufgrund eines Wärmedurchgangs vom im Innenrohr hoch geförderten Wärmeträgerfluid zu dem im Ringspalt hinab geförderten Wärmeträgerfluid. Die Wärmeverluste sind dabei umso größer, je geringer der Wärmedurchgangswiderstand und je größer die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Strömungen im oberen Bereich des Außenrohres bzw. des Ringspaltes ist.
Der Wärmedurchgangswiderstand wurde bereits erfindungsgemäß durch den Einsatz des Kunststoffrohres als Innenrohr und der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten rein konstruktiv optimiert. Eine verfahrentechnische weitere Optimierung kann dadurch erfolgen, dass die Eintrittstemperatur des Wärmeträgermediums im oberen Bereich erhöht wird, da hierdurch die Temperaturdifferenz des Wärmeträgerfluids zwischen Innenrohr und Ringspalt verringert wird und somit auch die möglichen Verluste reduziert werden.
Dies reduziert zwar grundsätzlich die maximal mögliche zwischen primären und sekundären Fluidkreislauf austauschbare Wärmemenge, es ist jedoch oftmals der Fall, dass eine von einer Geothermieanlage maximal zur Verfügung stellbare Wärmemenge mangels Bedarf nicht benötigt wird.
Es kann daher in einer Ausführungsform vorgesehen sein, die Eintrittstemperatur des Wärmeträgermediums in Abhängigkeit des sekundärseitig zu erreichenden Wärmestroms bzw. der benötigten Wärmemenge einzustellen oder zu regeln, insbesondere auf das für dieses Ziel mögliche Maximum. Für einen solchen gewünschten oder geforderten Wärmestrom sind in diesem Fall dann die internen Wärmeverluste in der Geothermiesonde minimiert.
Die Einstellung oder Regelung der Eintrittstemperatur kann dabei z. B. erfolgen durch Veränderung des Massenstroms des Wärmeträgermediums im primären Fluidkreislauf durch die Geothermiesonde und/oder auch im sekundären Kreislauf. Es kann so für eine bestehende Geothermieanlage der optimale Kompromiss gefunden bzw. eingestellt/eingeregelt werden aus benötigtem sekundären Wärmestrom/sekundärer Wärmemenge und hierfür aufzuwendender elektrischer Pumpenleistung im primären und/oder sekundären Fluidkreislauf.
Ebenso kann eine Geothermiesonde bei vorgegebenen gewünschten Wärmestrom/Wärmemenge sowie den bekannten geothermischen Verhältnissen am Ort der Sonde hinsichtlich Durchmesser und Wandstärken von Innenrohr und Außenrohr gewählt und projektiert und so orts- und anwendungsbezogen optimiert werden.
In einer möglichen konkreteren Ausführung kann die Geothermiesonde so betrieben werden, dass die Eintrittstemperatur des Wärmeträgerfluids beim Eintritt in den oberen Ringspalt so gewählt, insbesondere erhöht wird, dass diese über der Erdreichtemperatur liegt und mit zunehmender Tiefe zunächst die Temperatur im Ringspalt abnimmt, dann ein Minimum erreicht und mit weiter zunehmender Tiefe wieder ansteigt, wobei im ansteigenden Verlauf ein Temperaturknick liegt, ab dem sich die Temperatur des Wärmeträgermediums insbesondere asymptotisch an die Erdreichtemperatur annähert.
Zwar wird durch die Einleitung des Wärmeträgermediums bei einer derart hohen Temperatur, die diesen beschriebenen Verlauf erzeugt ein Wärmeverlust im oberen Außenrohrbereich in Richtung zum Erdreich hervorgerufen, es dominieren jedoch demgegenüber die Vorteile aus der damit insgesamt hervorgerufenen Anhebung der Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, das zur Erzielung einer Erhöhung der Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids am oberen Ende des Innenrohres und/oder einer Erhöhung des maximal übertragbaren Gesamtwärmestroms der Massenstrom im primären Fluidkreislauf erhöht wird, insbesondere in Abhängigkeit des zu erreichenden Wärmestroms im sekundären Fluidkreislauf und/oder der Austrittstemperatur aus dem Innenrohr. Insbesondere kann hierdurch der Verringerung des zur Sekundärseite übertragenen Gesamtwärmestromes entgegengewirkt werden, welcher aus einer Anhebung der Eintrittstemperatur resultiert. So kann bevorzugt die zuvor beschriebene Anhebung der Eintrittstemperatur mit einer Anhebung des Massenstroms kombiniert werden.
In bevorzugter Ausführung kann es vorgesehen sein, dass durch Auswahl, insbesondere Regelung wenigstens eines Betriebsparameters, vorzugsweise der Eintrittstemperatur und/oder des Massenstroms im primären Fluidkreislauf die Temperaturdifferenz des Wärmeträgerfluids zwischen Ringspalt und Innenrohr verringert wird, insbesondere so eingestellt wird, dass mit abnehmender Tiefe die Temperaturdifferenz zunächst steigt, insbesondere degressiv steigt und mit weiter abnehmender Tiefe, insbesondere ab der Tiefe, bei der sich der Wärmeleitungswiderstand des Außenrohres ändert, die Temperaturdifferenz abnimmt, insbesondere progressiv abnimmt.
Diese Betriebsweise hat den Vorteil, dass die Temperaturdifferenz beim Fluid im oberen Bereich von unten nach oben abnimmt, hierdurch die internen Wärmeverlust minimiert und so die Austrittstemperatur maximiert wird. Auch diese Verfahrensweise kann in Abhängigkeit von einem vorgegebenen oder gewünschten sekundärseitigen Wärmestrom bzw. einer Wärmemenge eingestellt oder geregelt werden.
Dabei kann mit dieser Ausführung auch der zuvor beschriebene Temperaturverlauf des Wärmeträgermediums im Ringspalt und oberen Eintrittsbereich hervorgerufen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den folgenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
1: den konstruktiven Aufbau einer Geothermiesonde gemäß der Erfindung
2: den Temperaturverlauf unter einer gewählten ersten Betriebsbedingung
3: den Temperaturverlauf gemäß 2 im Vergleich zum theoretischen idealen Verlauf
4: den Temperaturverlauf bei zwei weiteren Betriebsbedingungen
Die 1 zeigt einen möglichen konstruktiven Aufbau einer Geothermiesonde gemäß der Erfindung. Die 2 zeigt den möglichen Temperaturverlauf des Wärmeträgerfluids in einer Anordnung gemäß der 1 bei einer ersten gewählten Betriebbedingung. 1 und 2 werden nachfolgend gemeinsam beschrieben.
Es ist hier vorgesehen, dass ein Wärmeträgerfluid, z. B. Wasser in einem äußeren Ringspalt zwischen dem Außenrohr 1 in die Tiefe befördert wird. Das Außenrohr, ist dabei in zwei Abschnitte aufgeteilt, einen oberen Abschnitt 1a mit großem Innendurchmesser und einen unteren Abschnitt 1b mit geringerem Innendurchmesser. Innerhalb des Außenrohres 1 ist das Innenrohr 2 angeordnet so dass sich zwischen diesen ein Ringspalt 3 ergibt, der im oberen Bereich einen größeren Querschnitt aufweist als im unteren. Hierdurch wird dem Verlauf der Temperatur im Erdreich Rechnung getragen, die in der 2 als durchgezogene Linie dargestellt ist mit idealisiert angenommener konstanter Steigung.
In einem primären Fluidkreislauf wird das Wärmeträgerfluid mit einer Pumpe 4 in den oberen Eintrittsbereich des Ringspaltes 3 gefördert, wobei über die Tiefe der Bohrung dem Wärmeträgerfluid vom Erdreich zunächst Wärme entnommen und dann zugeführt wird. Am unteren Ende der Bohrung wird das Wärmeträgerfluid in das Innere des Innenrohres 2 geführt, durch welches das Wärmeträgerfluid wieder an die Erdoberfläche befördert wird und dort durch den Wärmeübertrager 5 strömt, wo es die geförderte Wärme an ein Fluid in einem sekundären Kreislauf abgibt.
Dabei wird über die gesamte Bohrungstiefe Wärme vom Wärmeträgerfluid im Innenrohr 2 an das Wärmeträgerfluid im Ringspalt 3 übertragen aufgrund der gegebenen Wärmeleitfähigkeit des Innenrohres 2. Erkennbar ist dies in der 2 an dem oberen strichpunktierten Verlauf der Temperaturkurve in Abhängigkeit von der Tiefe.
Aus Sicht des sekundären Kreislaufes sind zwei Anforderungen an den Primärkreislauf zu stellen. Erstens soll die Austrittstemperatur T'' des Wärmeträgerfluids am oberen Ende des Innenrohres 2 möglichst hoch liegen.
Zweitens soll der, im sekundären Kreislauf abführbare Wärmestrom möglichst hoch sein. Letzterer ist (ohne Berücksichtigung von Verlusten) von der Wärmekapazität des Fluids, dem Massenstrom und der Temperaturdifferenz (T'' – T') abhängig. Darüber hinaus ist darauf zu achten, dass die Pumpenleistung zur Förderung des Wärmeträgerfluids im geothermischen primären Kreislauf und die Druckdifferenz über die Innenrohrwand nicht zu hoch ist.
Die 2 stellt den Temperaturverlauf im geothermischen primären Kreislauf vom Eintritt in den oberen Ringspalt 3 bis zum Austritt aus dem Innenrohr 2 dar. In diesem Beispiel tritt Wasser mit einer verhältnismäßig geringen Temperatur von 20°C in den oberen Ringspalt 3 ein. Dort wird dem Wasser vom Erdreich Wärme entzogen und vom Wasser im Innenrohr 2 Wärme zugeführt. Da das treibende Potenzial zum Erdreich hin, in Folge der niedrigen Eintrittstemperatur, gering ist, überwiegt der zugeführte Wärmestrom aus dem Innenrohr 2 und die Temperatur T' steigt an.
Ab einer gewissen Tiefe überschreitet die Erdreichtemperatur (durchgezogene Linie) geothermisch bedingt, die Temperatur T' des Wassers im Ringspalt 3, wonach diesem nun Wärme sowohl von innen als auch von außen zugeführt wird.
An der Stelle S des sprunghaften Übergangs vom oberen in den unteren Ringspalt 3 weist die Wassertemperatur einen Knickpunkt auf, bedingt durch die sprunghafte Änderung des äußeren Wärmedurchgangskoeffizienten (d. h. vom Ringspalt zum Erdreich durch das Außenrohr 1) dort. Diese Änderung wird durch eine sprunghafte Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten zur Außenwand des Ringspaltes 3 in Folge der sich ändernden Strömungsbedingungen hervorgerufen.
Durch diese Steigerung nähert sich im weiteren Verlauf die Wassertemperatur degressiv der Erdreichtemperatur an.
Am unteren Ende des unteren Ringspaltes 3 erreicht die Wassertemperatur T' ihr Maximum. Ausgehend von diesem Maximum nimmt sie dann im Innenrohr 2 durch ständige Wärmeabgabe an das Wasser im Ringspalt 3 bis zur Austrittstemperatur T'' ab, wobei das treibende Potenzial, nämlich die Temperaturdifferenz (T'' – T') für diese Wärmeabgabe im hier gezeigten Beispiel ständig wächst und sich folglich ein progressiver fallender Verlauf der Temperatur T'' einstellt.
In 3 ist derselbe Temperaturverlauf wie in 2 gezeigt, jedoch im Vergleich zu den idealen Bedingungen im Kreislauf (durchgezogene Linien).
Diese idealen Bedingungen sind gekennzeichnet durch einen adiabat isolierten oberen Ringspalt 3 und ein adiabat isoliertes Innerohr 2. Demzufolge bleibt die Wassertemperatur im oberen Ringspalt 3 mit zunehmender Tiefe konstant. Es wird weder Wärme an das Erdreich abgegeben noch Wärme dem Fluid im Innenrohr 2 entnommen.
An der Stelle an der die Erdreichtemperatur die Wassertemperatur im Ringspalt 3 erreicht, beginnt der untere Ringspalt 3, wobei ein angenommener idealer unendlich hoher Wärmeübergangskoeffizient zwischen Fluid im Ringspalt und Außenwand vorherrscht, so dass die Wassertemperatur der Erdreichtemperatur ohne Versatz folgt. Nach Erreichen ihres Maximums am unteren Ende der Bohrung bleibt die Wassertemperatur über die Länge des Innenrohrs in Folge der adiabaten Isolierung konstant.
Durch Vergleich des realen Prozesses aus 2 mit diesem idealen Prozess sind die Verbesserungspotenziale für den geothermischen Kreislauf erkenntlich.
Diese sind durch schraffierte Flächen in 3 hervorgehoben. Diese Verbesserungsmöglichkeiten lassen sich durch gezielte konstruktive und auf die Betriebsweise des Kreislaufes bezogene Maßnahmen ausschöpfen.
Die mit den Anforderungen des sekundären Kreislaufes direkt verbundene Verbesserungsmöglichkeit ist durch die Abnahme der Wassertemperatur über die Länge des Innenrohrs 2 bedingt (siehe oberste schraffierte Fläche in 3). Dieser Abnahme kann durch folgende Maßnahmen entgegengewirkt werden:

• Betreibung des Kreislaufes bei möglichst hohem Massenstrom (begrenzt durch Pumpenleistung)
• Einstellung eines hohen Wärmedurchgangswiderstandes zwischen den Strömungen im Innenrohr und im oberen Ringspalt durch konstruktive Gestaltung von Innenrohr und äußeren Ringspalten sowie geeignete Wahl des Innenrohrmaterials. Hier wird dies erfindungsgemäß durch die Auswahl eines Vollkunststoffrohres als Innenrohr 2 erzielt, wie im allgemeinen Teil beschrieben wurde. Weiterhin trägt die Abstufung des Ringspaltquerschnittes wie erwähnt dazu bei.
• Minimierung des treibenden Potenzials zwischen den Strömungen im Innenrohr 2 und im oberen Ringspalt 3

Der letzte Punkt der Aufzählung lässt sich durch Anhebung, insbesondere optimale Anhebung der Temperatur T' im Ringspalt 3 erreichen, d. h. durch Ausnutzung der zweiten in 3 hervorgehobenen Verbesserungsmöglichkeit (siehe untere schraffierte Fläche).
Folgende Maßnahmen ermöglichen dies:

• Optimale Wahl des Längenverhältnisses L1/L2 von oberen und unteren Außenrohrabschnitt 1a und 1b.
• Minimierung des Wärmedurchgangswiderstandes zum Erdreich für das im unteren Bereich des Ringspaltes 3 strömende Wärmeträgerfluid durch Einstellung turbulenter Strömungsbedingungen mittels hoher Strömungsgeschwindigkeit und/oder Minimierung des Wärmeleitungswiderstandes des Außenrohres. Dies ist hier wiederum realisiert durch den gestuften Ringspaltquerschnitt.

Die Minimierung des treibenden Potenzials (T'' – T') im oberen Teil des Außenrohres 1 bzw. der Bohrung, d. h. im Bereich in dem die Temperatur T' im Ringspalt 3 oberhalb der Erdreichtemperatur liegt, lässt sich ebenfalls durch Anhebung, insbesondere optimale Anhebung der Temperatur des Fluids dort erreichen. Diese stellt somit ein weiteres Verbesserungspotenzial dar, welches in 3 nicht graphisch hervorgehoben ist.
Folgende Maßnahmen können hier erfindungsgemäß getroffen werden:

• Äußere Isolierung des Ringspaltes 3 im oberen Bereich und/oder
• Wahl einer hohen Eintrittstemperatur T'

Die 4 zeigt oben und unten die Umsetzung weiterer verfahrenstechnischer erfindungsgemäßer Maßnahmen.
Gegenüber der 2 zeigt sich deutlich die Auswirkung einer höher gewählten Eintrittstemperatur T' des Wärmeträgermediums im oberen Ringspaltbereich. Hier ist die Temperatur zu 50°C gewählt, was lediglich ein nicht beschränkendes Beispiel darstellt. Wesentlich ist die Wahl der Temperatur derart, insbesondere über der Erdreichtemperatur derart, dass das treibende Potenzial (T₂(x) – T₁(x)) verringert wird, insbesondere dadurch, dass sich im weiteren Verlauf zunächst ein Abfall der Temperatur mit zunehmender Tiefe bis zu einem Minimum M ergibt. Von dort an erfolgt eine Temperaturzunahme, d. h. es wird Wärme aus dem Erdreich aufgenommen.
Die hier hoch gewählte Eintrittstemperatur T' bewirkt, dass das lokale treibende Potenzial (T₂(x) – T₁(x)) geringer ist als bei der 2. Dadurch ist die Austrittstemperatur T'' gegenüber der 2 deutlich angehoben. Eingestellt werden kann hier die Eintrittstemperatur z. B. durch Wahl des Massenstromes auf der Sekundärseite. Erkennbar ist auch, dass sich kurz nach dem Schnittpunkt zwischen der Temperatur T' und der Erdreichtemperatur ein Knick an der Stelle S im Temperaturverlauf ergibt. Dieser Knick liegt dort, wo die Stufe im Ringspaltquerschnitt angeordnet ist.
Ein Vergleich von oberer und unterer Darstellung der 4 zeigt weiterhin, dass der obere Verlauf der Temperatur gegenüber dem unteren weiter optimiert ist durch Änderung des Massenstromes im primären Kreislauf. Hier ist der Massenstrom so weit erhöht worden, dass der Knick nicht mehr erkennbar ist, d. h. die Temperatur T' des Wassers im Ringspalt 3 schneidet die Erdreichtemperatur exakt an der Tiefe, wo die Stufe im Ringspaltquerschnitt, also die Verjüngung des Außenrohres angeordnet ist. Hierdurch wird das den Verlust verursachende treibende Potenzial (T₂(x) – T₁(x)) verringert, d. h. die Austrittstemperatur ist gegenüber dem unteren Fall nochmals leicht angehoben.
Die Figuren zeigen deutlich, dass durch konstruktive Maßnahmen, die Verwendung eines Kunststoff-Innenrohres und einer gestuften Ausführung des Außenrohres mit nach unten zunehmendem Wärmedurchgang sowie verfahrenstechnischen Verbesserungen eine optimierte Geothermiesonde realisiert werden könnte mit maximierter Austrittstemperatur und minimierten internen Verlusten.

Claims

Geothermiesonde umfassend ein Außenrohr (1a, 1b) und ein darin angeordnetes Innenrohr (2) die am unteren Endbereich miteinander in Fluidverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (2) aus einem, insbesondere monolithischen, Kunststoff-Vollmaterial-Rohr ausgebildet ist und das Außenrohr in einen oberen (1a) und unteren Bereich (1b) unterteilt ist, wobei der Wärmedurchgangswiderstand des Außenrohres (1a, 1b) zum umgebenden Erdreich und zum Innenrohr (2) im oberen Bereich (1a) höher gewählt ist als im unteren Bereich (1b).
Geothermiesonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Wärmedurchgangswiderstände zwischen oberem (1a) und unterem Bereich (1b) eingestellt sind durch einen unterschiedlichen Querschnitt des Ringspaltes (3) zwischen Außenrohr (1a, 1b) und Innenrohr (2), der im oberen Bereich (1a) größer ist als im unteren Bereich (1b).
Geothermiesonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (1a, 1b) in einer gewählten Bohrungstiefe eine stufenförmige Querschnittsverringerung aufweist.
Geothermiesonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die gewählte Bohrungstiefe 30% bis 70%, bevorzugt 40% bis 60% der Gesamtbohrungstiefe entspricht.
Geothermiesonde nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverringerung in einer Bohrungstiefe angeordnet ist, bei welcher die Ringspalttemperatur der Erdreichtemperatur entspricht.
Geothermiesonde nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr im oberen Bereich (1a) eine zusätzliche Isolierung zum Erdreich aufweist und/oder das Außenrohr im unteren Bereich (1b) mit einem Material, insbesondere einem Zement ummantelt ist mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zum oberen Bereich (1a).
Geothermiesonde nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (1a, 1b) und das Innenrohr (2) mit einem Wärmeübertrager (5) einen primären Fluidkreislauf ausbilden, bei dem das Wärmeträgerfluid durch den Ringspalt (3) zwischen Außenrohr (1a, 1b) und Innenrohr (2) in das Erdreich eingeleitet ist, am unteren Ende vom Außenrohr (1a, 1b) in das Innenrohr (2) überströmt und durch das Innenrohr (2) aus dem Erdreich herausgeleitet ist.
Geothermiesonde nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (2) aus mehreren Innenrohrabschnitten zusammengeschweißt ist.
Geothermiesonde nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (2) auf seiner Außenseite Abstandshalter zum Einhalten eines Abstandes zum Außenrohr (1a, 1b) aufweist, insbesondere die das Innenrohr (2) in gleichmäßiger Winkelteilung umgeben.
Geothermiesonde nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung des Auftriebs am Innenrohr (2) oder im Material des Innenrohres (2) Gewichte angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Geothermiesonde umfassend ein Außenrohr (1a, 1b) und ein darin angeordnetes Innenrohr (2), bei dem in einem primären Fluidkreislauf ein Wärmeträgerfluid durch einen Wärmeübertrager (5) und die Geothermiesonde gefördert wird und in einem sekundären Fluidkreislauf über diesen Wärmeübertrager Wärme aus dem primären Fluidkreislauf entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgerfluid durch den Ringspalt (3) zwischen Außenrohr (1a, 1b) und Innenrohr (2) in das Erdreich eingeleitet wird, am unteren Ende vom Außenrohr (1a, 1b) in das Innenrohr (2) überströmt und durch das aus einem Kunststoff ausgebildete Innenrohr (2) aus dem Erdreich herausgeleitet wird, wobei durch Veränderung der Strömungsparameter im Ringspalt (3) entlang der Tiefenerstreckung ein oberer Bereich (1a) des Außenrohres (1a, 1b) ausgebildet wird, der einen höheren Wärmedurchgangswiderstand zum Erdreich und/oder zum Innenrohr (2) aufweist als ein unterer Bereich (1b) des Außenrohres (1a, 1b).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer Erhöhung der Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids am oberen Ende des Innenrohres (2) die Eintrittstemperatur des Wärmeträgerfluids am Eintritt in den oberen Ringspalt (3) erhöht wird, insbesondere in Abhängigkeit des zu erreichenden Wärmestroms im sekundären Fluidkreislauf und/oder der Austrittstemperatur aus dem Innenrohr (2).
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittstemperatur des Wärmeträgerfluids im oberen Eintrittsbereich des Ringspaltes (3) so gewählt, insbesondere erhöht wird, dass diese, insbesondere aus einem Temperaturbereich über der Erdreichtemperatur, mit zunehmender Tiefe zunächst im Ringspalt (3) abnimmt, ein Minimum erreicht und mit weiter zunehmender Tiefe ansteigt, wobei zu Beginn des ansteigenden Verlaufes ein Temperaturknick liegt, ab dem sich die Temperatur asymptotisch an die Erdreichtemperatur annähert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer Erhöhung der Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids am oberen Ende des Innenrohres (2) und/oder einer Erhöhung des maximal übertragbaren Gesamtwärmestroms der Massenstrom im primären Fluidkreislauf erhöht wird, insbesondere in Abhängigkeit des zu erreichenden Wärmestroms im sekundären Fluidkreislauf und/oder der Austrittstemperatur aus dem Innenrohr (2).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswahl, insbesondere Regelung/Steuerung eines Betriebsparameters, vorzugsweise der Eintrittstemperatur und/oder des Massenstroms im primären Fluidkreislauf die Temperaturdifferenz des Wärmeträgerfluids zwischen Ringspalt (3) und Innenrohr (2) verringert wird, insbesondere so eingestellt wird, dass mit abnehmender Tiefe die Temperaturdifferenz zunächst steigt, insbesondere degressiv steigt und mit weiter abnehmender Tiefe, insbesondere ab der Tiefe, bei der sich der Wärmedurchgangswiderstand ändert, die Temperaturdifferenz abnimmt, insbesondere progressiv abnimmt.