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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Meßverfahren zur Messung einer Temperatur im Erdreich sowie auf die Verwendung von Halbleitersensoren zur Messung der Temperatur im Erdreich.
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Die Nutzung von Erdwärme wird den regenerativen Energien zugeordnet. Die Erdwärme kann oberflächennah in 1,00–2,00 m genutzt werden, beispielsweise durch die horizontale Verlegung von Wärmetauscherrohren oder durch das Einbringen vertikaler Erdsonden bis ca. 100 m Tiefe. Das Erdreich wird bis ca. 0,30–0,70 m Tiefe durch Tagesschwankungen der Lufttemperatur beeinflusst und bis ca. 10–20 m durch Jahresschwankungen der Lufttemperatur. Ohne diese Beeinflussungen würde das Erdreich die Jahresmitteltemperatur des jeweiligen Standortes aufweisen und mit zunehmender Tiefe einen Temperaturanstieg von ca. 3°C pro 100 m Tiefe zeigen. Die Stärke der Beeinflussung ist abhängig von der Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Standortes bzw. von der Boden- oder Gesteinsart, der Feuchte, der Homogenität und der Exposition (Höhenlage, Neigung, Himmelsrichtung etc.).
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Die Nutzung der Wärme des Erdreiches erfolgt mittels Erdsonden. Erdsonden werden in der Regel bis zu 100 m Tiefe installiert, am häufigsten zwischen 40 m und 50 m. Als Material wird meist HDPE (High Density Polyethylen) verwendet, als Kreislaufflüssigkeit oft Wasser mit Frostschutzmittel (Sole). Bei der Verwendung von Stahlrohren ist die Anfälligkeit für Korrosion zu bedenken, die die Lebensdauer der Anlage einschränken können. Das Bohrloch wird mit plastischen Stoffen (Tone oder Tongemische) verfüllt, um den Kontakt zwischen Sonde und Erdreich sicherzustellen und die verschiedenen Tiefenhorizonte bzw. Grundwasserleiter des Erdreiches gegeneinander abzudichten.
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Aus diesem Grund bietet sich in vielen Regionen die Nutzung der Erdwärme zur Energiegewinnung an, da so eine emissionsneutrale (insbesondere im Hinblick auf CO2-Emissionen) und ungefährliche Energiegewinnung möglich ist.
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Ein wichtiges Kriterium bei der Nutzung der Erdwärme ist die Messung der Erdtemperatur und die Aufzeichnung der unterirdischen Temperaturveränderungen für Zeiträume von vielen Jahren. Für eine dazu notwendige Messstelle wird eine Bohrungen niedergebracht und mit einem Rohr ausgebaut, das sich entsprechend dem Grundwasserspiegel mit Wasser füllt. In diesem wird ein druckwasserdichter Sensor an einem Lot herabgelassen und die dabei gemessene Temperatur in Abhängigkeit von der Tiefe aufgezeichnet. Diese Methode hat den Nachteil, dass sie personalaufwendig ist und die Messung sehr langsam vorgenommen werden kann. Nur durch eine langsame Messung wird sichergestellt, dass eine Temperaturangleichung des Sensors an das umgebende Wasser garantiert ist. Bei der Temperaturangleichung kommt es häufig zu einer Durchmischung des Wassers und damit zu einer Störung des ursprünglichen Temperaturverlaufs und zu der Entstehung von Messfehlern. Dies ist von großer Bedeutung, da es sich um nur geringe Temperaturunterschiede handelt, die aufgezeichnet werden und so auch geringe Messfehler eine große Auswirkung haben.
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Alternativ werden Temperatur-Messketten eingesetzt die verschiedene Formen des Aufbaus haben können. Eine Form besteht zum Beispiel darin, die Sensoren druckdicht einzukapseln und untereinander mit Kabeln zu verbinden. Diese Variante hat den Nachteil, dass jeder einzelne Druckdichtesensor relativ aufwändig in seiner Herstellung ist. An den Übergängen zum Kabel und auch durch den Mantel können Undichtigkeiten entstehen, die den Eintritt von Wasser ermöglichen und so die Funktion des Sensors oder des Kabels beeinträchtigen. Die Beeinträchtigung zeigt sich dermaßen, dass zum Einen der Sensor beschädigt werden kann und zum Anderen keine gleichmäßiger Temperaturangleichung erfolgt. Eine langfristige Aufzeichnung unter hohen Wasserdrücken birgt dabei also das verstärkte Risiko einer Funktionsstörung.
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Eine weitere Methode besteht in der Verwendung einer Lichtleitfaser oder Lichtwellenleiter, die mit einem gepulsten Laserstrahl durchstrahlt wird. Durch eine optoelektronische Auswertung der Temperatur-abhängigen Reflexionsveränderungen an der Wand der Glasfaser ist eine Temperaturmessung für jeden beliebigen Punkt der Glasfaser möglich. Es sind Messungen über eine Distanz von mehreren 1000 m durchführbar. Nachteilig ist jedoch, dass die Auswerteeinheiten sehr teuer sind und die Methode sehr störungsanfällig ist.
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Die
DE 199 02 490 A1 offenbart eine Meßanordnung und ein Meßverfahren, bei dem mindestens zwei gesonderte Meßeinheiten an einer Kabelstrecke angeordnet sind, wobei die Meßeinheiten über eine Abfragestation abfragbar sind. Die Meßeinheiten sind in Gruppen angeordnet, die mit einem Gruppenseparatormodul separiert werden können. Falls die Kabelstrecke nicht funktionsfähig ist, wird bei Feststellung des Defektes ein Alarmsignal ausgelöst.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine effektive Messung der Temperatur im Erdreich durchzuführen, wobei dies mit kostengünstigen Mitteln und einem Verfahren schnell und einfach erfolgen soll.
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Überraschenderweise wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es war völlig überraschend, dass das erfindungsgemäße Problem mit einer Vorrichtung zur Messung der unterirdischen Temperatur, umfassend
- a) mindestens eine Messeinheit,
- b) eine Kabelstrecke,
- c) mindestens einen Hohlkörper und/oder
- d) eine poröse Schüttung
gelöst werden kann. Hierbei ist in dem ersten Hohlkörper mindestens eine Messeinheit entlang mindestens einer Kabelstrecke angeordnet, wobei die Kabelstrecke bevorzugt zentral in einen ersten Hohlkörper eingebracht ist und (i) der erste Hohlkörper in einen zweiten Hohlkörper eingeführt wird oder (ii) die poröse Schüttung den ersten und/oder zweiten Hohlkörper ausfüllt. Eine Kabelstrecke ist im Sinne der Erfindung ein Datenbus, insbesondere ein digitaler 2- oder 3-Leiter Datenbus, mit dem die Messeinheiten verbunden sind. Der Datenbus oder die Kabelstrecke stellt eine Verbindung zwischen bevorzugt zwei Punkten her, wobei die Verbindung über ein Kabel hergestellt sein kann, das heißt eine Kabelstrecke umfasst bevorzugt mindestens ein Kabel. Bei den beiden Punkten kann es sich beispielsweise um eine Sende- und Empfangseinheit oder Abfragestation handeln, die ein Signal in die Kabelstrecke leiten und dieses auch wieder empfangen, beziehungsweise messen. Das Eingangssignal kann dann vorzugsweise mit dem Ausgangssignal verglichen werden, wobei aus dem Vergleich Abhängigkeiten ermittelbar sind. Ein Datenbus überträgt im Sinne der Erfindung Daten zwischen Empfänger- und Sendeeinheit, insbesondere der Abfragestation. Der Datenbus kann vorteilhafterweise mehrere Abfragestationen über den gleichen Satz von Leitungen miteinander verbinden. Der Datenbus ist bevorzugt bidirektional, das heißt, das Senden und Empfangen von Signalen erfolgt bevorzugt über den gleichen Datenbus
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Die Vorrichtung ist derart gestaltet, dass es sich hierbei um eine Messkette handelt, die in Form eines Bussystems hergestellt ist. Vorteilhafterweise sind die Messeinheiten mit mindestens einem digitalen Datenbus, insbesondere einem 2- oder 3-Leiter Datenbus, verbunden. Die Messeinheiten werden an dem Datenbus (d. h. einem Kabel) befestigt und in einen Hohlkörper eingeführt. Der verbleibende Hohlraum zwischen Datenbus oder Kabel, beziehungsweise Messeinheit und Hohlkörper oder Hohlkörperwand kann mit einer Schüttung, bevorzugt einer porösen Schüttung, ausgefüllt werden. Vorteilhafterweise ist die poröse Schüttung wärmeleitend. Wärmeleitend bezeichnet im Sinne der Erfindung, dass ein Wärmefluss aufgrund eines Temperaturunterschiedes besteht und die Wärme insbesondere in Richtung der geringeren Temperatur fließt und somit thermische Energie von einem Ort zu einem anderen transportiert wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Messung einer unterirdischen Temperatur bereitgestellt, umfassend mindestens eine Messeinheit, eine Kabelstrecke und mindestens einen Hohlkörper. Hierbei werden die Messeinheiten an eine Kabelstrecke, bevorzugt einem digitalen 2- oder 3-Leiter-Datenbus angeordnet. Der mindestens eine Datenbus mit an diesen angebrachten Messeinheiten wird bevorzugt in einen Schrumpfschlauch eingebracht. Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass dieser wiederum von einem weiteren Hohlkörper, insbesondere einem Schlauch oder Schrumpfschlauch umgeben wird. Das heißt, die an den Datenbus angebrachten Messeinheiten, welche von einem Hohlkörper, insbesondere einem Schrumpfschlauch umgeben sind, werden in einen weiteren Hohlkörper, bevorzugt einen Schlauch oder Schrumpfschlauch eingebracht. Durch die Verwendung eines Schrumpfschlauches wird im Wesentlichen der Zwischenraum zwischen dem Messeinheiten durch das Schlauchmaterial ausgefüllt, wodurch wiederum eine optimale Wärmeleitung und somit eine genaue Temperaturmessung sichergestellt ist. Durch die Verwendung von zwei in sich vergossenen Hohlkörpern wird eine optimale Wärmeleitung und Wasserdruckdichtigkeit erreicht.
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Vorteilhafterweise wird die Kabelstrecke zentral in den Hohlkörper eingefügt. Der Fachmann weiß jedoch, dass beispielsweise durch das Einbringen einer Schüttung in den Hohlkörper die Kabelstrecke, beziehungsweise die Position der Kabelstrecke verlagert werden kann und die zentrale Lage der Kabelstrecke verloren geht. Auch kann es von Vorteil sein, mehrere Kabelstrecken inklusive Messeinheiten in den Hohlkörper einzubringen. Ein Kabel bezeichnet im Sinne der Erfindung ein Mittel zur Übertragung von Energie oder Informationen, welches ortsfest oder flexibel verlegt werden kann. Hierbei umfasst ein Kabel einen Kabelmantel und dieser umgibt ein Adernbündel. Die Anzahl der Adern kann an eine Energie- oder Informationsübertragung angepasst werden. Als Material der Adern können Materialien, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium eingesetzt werden. Jedoch sind auch Glasfaserkabel oder Lichtwellenleiterkabel verwendbar. Der Kabelmantel als Hülle die darunterliegenden Elemente, wie beispielsweise die Adern und schützt sie gegen mechanische, thermische und chemische Einflüsse sowie gegen Feuchtigkeit. Dabei lassen sich verschiedene Mantelarten unterscheiden: Kunststoffmäntel (werden zur Erfüllung verschiedenster Beständigkeitsanforderungen wie beispielsweise gegen Kühlmittel und Flammwidrigkeit eingesetzt); Gummimäntel (werden aufgrund ihrer hohen Abriebfestigkeit bei ortsveränderlichen Maschinen und größeren mechanischen Beanspruchungen verwendet); Schichtenmantel dient als Feuchtigkeitssperre und besteht bevorzugt aus einem beschichteten Aluminiumband und einem PE-Mantel. Des Weiteren können auch Metallmäntel aus Aluminium und Blei bevorzugt sein. Bevorzugt werden Materialien zur Ummantelung umfassend Kunststoff, wie beispielsweise Polyurethan, Polyethylen, Nylon, Polyamid oder Polyvenylchlorid verwendet. Als Schutz und zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der Kabel können Bewährungen eingebracht werden, insbesondere Stahldrahtgeflechte oder Stahlbleche.
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Es war völlig überraschend, dass durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche eine Abweichung des technisch Üblichen darstellt, effektiv und schnell die Temperatur im Erdreich bestimmt werden kann. Die Beobachtung der sich verändernden Temperaturprofile im Erdreich kann insbesondere zur Langzeitbeobachtung von Geothermieanlagen genutzt werden. Das Messsignal wird von der Abfragestation empfangen und bevorzugt an eine Auswerteeinheit weitergeleitet. Bei der Abfragestation handelt es sich um eine dem Fachmann bekannte Messeinheit, die in regelmäßigen Abständen ein Signal aussendet und bevorzugt wieder empfängt. Die Abfragestation kann auch in einer bevorzugten Ausführungsform eine Auswerteeinheit beinhalten.
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Die Messdaten werden ausgewertet und an eine Vorrichtung der Anlagen-Monitoring weitergeleitet, die wiederum unmittelbar auf die sich ändernden Bedingungen reagiert und eine Geothermie Anlage an die Messung anpasst. Hierdurch kann die Effizienz der Anlagen verbessert, die Funktion der Anlage kontrolliert und die Grenzwerte der Anlagen eingehalten werden.
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Bevorzugt ist, dass die Messeinheit ein Halbleitersensor ist. Ein Halbleitersensor beschreibt bevorzugt einen Festkörper, der hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit als Leiter sowie als Nichtleiter angesehen werden kann und basierend auf dieser Eigenschaft eine Veränderung messen kann. Das heißt der Halbleiter fungiert bevorzugt als Sensor. Die Leitfähigkeit der Halbleiter ist stark temperaturabhängig und in der Nähe des absoluten Temperatur-Null-Punktes sind Halbleiter Isolatoren. Halbleitersensoren können aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, umfassend Germanium, Silizium, Zinn, Kohlenstoff, Bohr, Selen, Tellur, Kupferchlorid, Silberbromid, sowie organische Halbleitersensoren umfassend Tetracen, Pentacen oder Mischsysteme umfassend Polyvinyl, Carbacol oder Kombinationen hieraus. Die bevorzugte Ausführungsform ermöglicht die schnelle Messung der Temperatur, da die Leitfähigkeit der Halbleitersensoren temperaturabhängig ist und folglich die Leitfähigkeit durch minimale Temperaturschwankungen verändert wird. Somit sind minimale Temperaturschwankungen unmittelbar und nahezu ohne zeitliche Verzögerung erfassbar. Die Messung der Temperatur, beziehungsweise der Leitfähigkeit der Sensoren, kann in unterschiedlichen Taktzyklen erfolgen. Außerdem können die Messsonden oder Messeinheiten digital adressiert werden, wodurch die Messgenauigkeit erheblich verbessert wird. Außerdem ist hierdurch eine Funk-basierte Datenübermittlung an ein zentrales Datenverarbeitungssystem möglich, was wiederum einen Vergleich, Auswertung und Analyse der ermittelten Daten ermöglicht. Die digitalen Daten können bevorzugt per Datenfernübertragung mit GSM-Modem an einen zentralen Datenserver übermittelt werden. Auch ist vorteilhafterweise ein Übermittlung per Email/Internet möglich. Die Halbleitersensoren sind weiterhin durch Massenproduktionsverfahren herstellbar.
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Weiterhin ist bevorzugt, dass der Hohlkörper vorzugsweise ein Schlauch oder ein Schrumpfschlauch, gefertigt aus Naturkautschuk, synthetischer Kautschuk, Kunststoff, Glasfasern, Metalle oder eine Kombination hieraus ist. Durch die bevorzugte Ausführungsform sind die Kabelstrecken, beziehungsweise die an den Kabelstrecken angeordneten Messeinheiten in einen bevorzugt flexiblen und druckwasserdichten Schlauch oder Hohlkörper eingebracht. Somit kann sich die bevorzugte Ausführungsform flexibel an die Formen des Erdreichs anpassen, wodurch auch die Temperaturmessung in schwer zugänglichen Erdbereichen ermöglicht wird. Außerdem ist die bevorzugte Ausführungsform günstig herstellbar und kann leicht bearbeitet werden, wodurch wiederum ein günstiger Preis an den Benutzer weitergegeben kann. Weiterhin hat sich gezeigt, dass die aus den Materialien hergestellten Hohlkörper einfach in den Erdboden eingeführt werden können und hierfür keine komplexen Maschinen nötig sind.
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Im Sinne der Erfindung beschreibt ein Schrumpfschlauch einen Kunststoffschlauch, der sich bevorzugt unter Energieeinwirkung (umfassend Hitzeeinwirkung) stark zusammenzieht. Hierbei wird das vor dem Erhitzen in den Schlauch eingebrachte Produkt gegen seine Umgebung elektrisch isoliert und vor mechanischen Beschädigungen geschützt. Um eine möglichst gute Abdichtung zu erreichen ist der Schrumpfschlauch bevorzugt auf der Innenseite mit einem Heißkleber beschichtet. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Messeinheiten nicht beschädigt werden. Der Schrumpfschlauch ist hergestellt aus einer Gruppe umfassend Polyolefine, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Viton, Polyvinylchlorid (PVC) und/oder Polytetrafluorethen (PTFE).
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Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein Schlauch bevorzugt eine flexible Leitung zur Aufnahme und Förderung fester, flüssiger und gasförmiger Stoffe. Der Schlauch kann beispielsweise als zylindrischer Hohlkörper ausgeformt sein. Durch die Verwendung der bevorzugten Materialien wird zum Einen eine effiziente Wärmeleitfähigkeit sichergestellt und zum Anderen ein Schutz der in den Schlauch eingebrachten Kabelstrecke und Messeinheit garantiert. Vorteilhafterweise ist der Schlauch druckwasserfest, das heißt es kann kein Wasser mit erhöhtem Druck in das Innere des Schlauches oder Hohlkörper vordringen. Hierdurch sind die in den Schlauch eingebrachten Messeinheiten und Kabelstrecken optimal vor Wasser geschützt, wodurch ein dauerhafter Betrieb ohne Funktionsverluste ermöglicht wird.
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Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass der Hohlkörper ein Rohr ist. Ein Rohr bezeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt einen länglichen Hohlkörper, dessen Länge in der Regel wesentlich größer als sein Querschnitt ist und eine Steifigkeit aufweist. Das Rohr kann einen rechteckigen, ovalen oder anderen Querschnitt aufweisen. Es kann von Vorteil sein, wenn die Messeinheiten und die Kabelstrecke in ein Rohr eingebracht werden und dieses in ein Erdreich eingeführt wird. Hierbei kann der Durchmesser des Rohres flexibel an die Größe der Messeinheiten oder Länge der Kabelstrecke angepasst werden. Durch die Steifigkeit des Rohres kann die bevorzugte Ausführungsform in Bereiche eingeführt werden, die beispielsweise nur schwer zugänglich sind und aus vorwiegend hartem Material oder Gestein bestehen. Die in das Rohr eingebrachten Messeinheiten und Kabelstrecken werden effektiv vor äußeren Einflüssen geschützt, wobei das Rohr jedoch eine effektive und schnelle Wärmeleitfähigkeit garantiert und somit eine optimale Temperaturmessung ermöglicht.
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Vorteilhafterweise kann durch die bevorzugte Ausführungsform die Temperatur auch in tieferen Regionen des Erdreiches bestimmt werden, indem mehrere Rohre aneinander befestigt werden. Verbindungsmöglichkeiten umfassen Schweiß- und Lötnähte, Flansche, Muffen, Rohrverbindungselemente, Spannränge, Formteile, Verschraubungen sowie verbogene Rohrstöcke. Hierdurch sind die Rohre flexibel miteinander verbindbar. Die Verbindungen können bevorzugt durch die Integration von Formteilen, wie beispielsweise T-Stücke oder Bögen in 45, 90 und 180 Grad sowie konzentrische oder exzentrische Reduzierungen unterstützt werden. Somit sind flexible Rohrverbindungen herstellbar, die an das Erdreich, beziehungsweise an die Struktur des Erdreichs angepasst werden können.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Rohr aus PVC, Stahl oder einer Kombination hieraus besteht. Die Verwendung von Kunststoff als Herstellungsmaterial umfassend PVC (Polyvenylchlorid) ermöglicht die Herstellung von leichten Rohren, die eine hohe Ringsteifigkeit aufweisen und somit durch Drücke, die im Erdreich bestehen, nicht beschädigt werden. Die Kunststoffrohre können zudem mit thermoplastischen glasfaserverstärkten Materialien ausgestaltet werden, um so die Stabilität der Rohre noch zusätzlich zu erhöhen.
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Metallrohre, umfassend Stahlrohre oder Rohre aus Kupfer und Messing sind ebenfalls bevorzugt. Diese Rohre weisen eine hohe Festigkeit, ein geringes Korrosionsverhalten, eine geringe Verformbarkeit auf und sind durch Wärme und thermomechanische Behandlungen leicht modifizierbar. Durch die bevorzugte Ausführungsform wird besonders gut Wärme von dem Erdreich auf das in dem Hohlkörper angeordneten Bestandteile, umfassend die Messeinheit und eine poröse Schüttung geleitet, wodurch ohne eine Zeitverzögerung die Messung der Temperatur erfolgen kann. Hierdurch ist eine umgehende Anpassung der geothermischen Anlagen möglich.
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Bevorzugt ist, dass die poröse Schüttung, Sand, Glas, Keramik oder vergleichbare Materialien, beispielsweise Oberboden, Kies und Zement sowie Rohstoffe wie etwa Erz, Kohle oder Streusalz umfasst. Es ist bevorzugt, dass die poröse Schüttung, die in den Hohlkörper eingeführte Kabelstrecke, zumindest teilweise, vorteilhafterweise vollständig umgibt und den verbleibenden Hohlraum in dem Hohlkörper ausfüllt. Die Korngröße der Schüttung kann hierbei bevorzugt im Bereich von 1 mm, beispielsweise bei Feinkies oder Kugeln, bis bevorzugt in den Bereich von 20 mm von Grobkies liegen. Im Sinne der Erfindung umfasst die poröse Schüttung bevorzugt ein körniges oder auch stückiges Gemenge, das in einer schüttfähigen Form vorliegt. Innerhalb der porösen Schüttung gibt es durchgehende, zugängliche, nicht durchgehende und geschlossene Zwischenräume. Folglich gibt es auch durchströmbare und nicht durchströmbare Bereiche. Im Sinne der Erfindung wird bevorzugt die Porosität einer entsprechenden Schüttung als ein Maß für die Dichte der Schüttung mit ihren Hohlräumen verstanden.
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Vorteilhafterweise besteht die poröse Schüttung aus einem wärmeleitfähigen Material, wodurch eine thermische Ankopplung der Messeinheit an den umliegenden Hohlkörper und damit auch an das umgebende Erdreich oder Gestein, erfolgt. Die Verwendung eines trockenen Schüttguts ist besonders vorteilhaft, da hierdurch eine langfristig unbeeinträchtige Funktionsweise der Messeinheiten, die von der Schüttung umgeben sind, garantiert wird. Somit kann ein dauerhafter Betrieb der Vorrichtung hergestellt werden.
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Weiterhin ist bevorzugt, dass ein feines Schüttgut in den Hohlkörper eingeführt wird, wodurch eine optimale Druckverteilung auf alle in dem Hohlkörper befindlichen Elemente (Messeinheiten, Kabelstrecke) erfolgt und keine Beschädigung der Elemente durch die Drücke geschieht. Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein feines Schüttgut pulverförmige Stoffe mit Korngrößen von bevorzugt 1 μm–10 mm. Außerdem kann durch die Verwendung eines trockenen Schüttguts, die Vorrichtung einfach aufgetrennt werden, wodurch ein Austausch oder eine Reparatur der in dem Hohlkörper angeordneten Elemente wesentlich vereinfacht ist. Des Weiteren kann durch die bevorzugte Ausführungsform eine kostengünstige Herstellung der Vorrichtung realisiert werden.
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Es ist bevorzugt, dass die Messeinheiten in Abständen von 50 cm bis 150 cm, bevorzugt 80 cm bis 120 cm, besonders bevorzugt 90 cm bis 110 cm an dem Kabel befestigt sind. Durch die Anbringung der Messeinheiten in einem Abstand von 50 cm bis 150 cm kann eine Temperaturmessung in einem großem Bereich erfolgen, wodurch auch tiefere Regionen erreicht werden können. Besonders in Geothermieanlagen, bei denen eine tiefe Bohrung durchgeführt wird, sind solche Anordnungen von Vorteil. Des Weiteren kann die Anordnung der Messeinheiten in Abständen von 50 cm zu präzisen Messungen führen und minimale Temperaturänderungen des Erdreichs festgestellt werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Messverfahren zur Messung einer unterirdischen Temperatur, wobei die Funktion der Kabelstrecke überwacht wird und bei einer Feststellung eines Defekts ein Signal generiert wird. Die Kabelstrecke wird bevorzugt digital adressiert, das heißt es wird ein digitales Signal in definierten variablen Taktzyklen bevorzugt von einer Abfragestation durch die Kabelstrecke geleitet. Die Abfragestation ist derart gesteuert, dass das Signal der Abfragestation unmittelbar an die Anlage weitergegeben wird und somit ein konstantes Monitoring der Anlage, beziehungsweise der Temperaturmessung erfolgt. Falls eine Störung der Vorrichtung vorliegt, das heißt falls eine Messeinheit beschädigt ist oder das Kabel unterbrochen wurde, wird unmittelbar ein Signal an die Abfragestation gesendet und dementsprechend an die Anlage übermittelt. Der Nutzer der Geothermieanlage wird dementsprechend schnell über einen Defekt informiert, wobei ein Techniker die Position des Schadens bestimmen kann und somit ein partieller oder vollständiger Austausch der Vorrichtung schnell erfolgt. Gegebenenfalls kann bei einer Störung auf eine alternative Vorrichtung verwiesen werden, die in einem Störfall die Temperatur weiterhin an die Anlage übermittelt und somit einen dauerhaften Betrieb der Anlage garantiert.
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Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung von Halbleitersensoren zur Messung einer unterirdischen Temperatur, wobei eine Messeinheit entlang mindestens einer Kabelstrecke über mindestens eine an der Kabelstrecke abgebrachten Abfragestation abfragbar ist, wobei die Kabelstrecke bevorzugt zentral in einen ersten Hohlkörper eingefügt ist und (i) der erste Hohlkörper in einen zweiten Hohlkörper eingeführt wird oder (ii) die poröse Schüttung den ersten und/oder zweiten Hohlkörper ausfüllt. An eine Kabelstrecke werden in regelmäßigen Abständen Messeinheiten angebracht, wobei die Messeinheiten bevorzugt aus Halbleitersensoren bestehen. Halbleitersensoren verändern aufgrund von materialspezifischer Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur ihre Leitfähigkeit. Die Kabelstrecke mit den an der Kabelstrecke befestigten Messeinheiten (Halbleitersensoren) ist in einen ersten Hohlkörper eingefügt. Bei dem Hohlkörper kann es sich vorteilhafterweise um ein Rohr oder um einen flexiblen Schlauch oder Schrumpfschlauch handeln, wobei diese bevorzugt aus Kunststoff oder Metall gefertigt sind. Der erste Hohlkörper kann in einen zweiten Hohlkörper eingeführt werden, oder der erste und/oder zweite Hohlkörper könnenmit einer porösen Schüttung befüllt werden, wobei die poröse Schüttung teilweise, bevorzugt vollständig die Kabelstrecke umgibt. Bei der porösen Schüttung kann es sich vorteilhafterweise um Sand, Kugeln aus Glas, Keramik oder vergleichbaren Materialien handeln. Vorteilhafterweise wird das Rohr, beziehungsweise der Schlauch an beiden Enden versiegelt um ein Eindringen von Wasser zu verhindern. Bei der Versiegelung kann es sich um ein dem Fachmann bekanntes Material handeln, umfassend Kunststoff oder keramische Materialien.
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Der Hohlkörper wird in ein Erdreich eingelassen, in dem die Temperatur, beispielsweise für eine Geothermieanlage bestimmt werden soll. Hierbei kann der Hohlkörper bevorzugt in Tiefen bis zu 250 m in das Erdreich eingebracht werden. Bedingt durch die veränderte Temperatur im Erdreich wird Wärme über den Hohlkörper, die poröse Schüttung oder den weiteren Hohlkörper an die Halbleitersensoren geleitet. Diese verändern daraufhin ihre Leitfähigkeit. Vorteilhafterweise wird durch die poröse Schüttung und den Hohlkörper oder die beiden Hohlkörper eine effektive Wärmeleitfähigkeit erreicht, wodurch eine unmittelbare Temperaturbestimmung möglich ist. Die Messeinheiten werden von der Oberfläche von einer digitalen Abfragestation adressiert, wobei in definierten Taktzyklen Signale durch die Kabelstrecke an die Messeinheiten, die wie ein Bussystem (ein Datenbus) strukturiert sind, geleitet wird. Aufgrund der veränderten Leitfähigkeit der Halbleitersensoren kann eine Temperaturveränderung genau bestimmt werden. Hierbei sind Genauigkeiten (Messgenauigkeiten) von bevorzugt 0,1°C bis 1°C möglich. Durch die flexible Gestaltung des Hohlkörpers und durch die hohe Messgenauigkeit der Halbleitersensoren sind effiziente, sowie schnelle Messungen von geringen Temperaturänderungen garantiert. Geothermieanlagen können somit unmittelbar an Temperaturveränderungen angepasst werden.
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Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nunmehr anhand von Figuren beispielhaft beschrieben, ohne auf die Beispiele begrenzt zu sein. Es zeigen:
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1 Schematische Darstellung von in einem Hohlkörper angeordneten Sensoren
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1 zeigt schematische eine Darstellung von in einem Hohlkörper angeordneten Sensoren. Sensoren 2 zur Erfassung der Temperatur, beispielsweise Halbleitersensoren können mit einem Kabel 1 verbunden sein. Das Kabel 1 kann aus Materialien umfassend Kunststoffe (beispielsweise Polyethylen oder Polyvenylchlorid) hergestellt sein, wobei durch das Einbringen von Verstärkungen (beispielsweise Stahldrahtgeflechte), die Stabilität der Kabel erhöht werden kann. Die Sensoren 2 können in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Abstand zueinander auf dem Kabel 1 angebracht werden. Die Halbleitersensoren bestehen vorteilhafterweise aus einem Metall, wobei sich die elektrische Leitfähigkeit der Halbleiter mit der Temperatur ändert. Die Sensoren 2 werden an einem Kabel 1 befestigt und das Kabel 1 mit den Sensoren kann in einen Hohlkörper 3 eingeführt werden. Der Hohlkörper 3 kann beispielsweise ein Schlauch oder ein Rohr sein, welches aus Metall und/oder Kunststoff hergestellt ist. Der verbleibende Hohlraum zwischen Kabel 1/Sensor 2 und Hohlkörper 3 oder der Hohlkörperwand wird mit einer Schüttung 4 ausgefüllt. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Schüttung 4 porös ist und wärmeleitende Eigenschaften aufweist. Hierfür können beispielsweise Sand oder Glasperlen verwendet werden. Das Kabel 1 mit den Sensoren 2 kann mittig in den Hohlkörper 3 eingeführt werden, wobei auch mehrere Kabel 1 mit Sensoren 2 in den Hohlkörper 3 eingebracht werden können. Die Position des Kabels 1 in dem Hohlkörper kann durch das Einbringen der Schüttung 4 verändert werden. Nach Einbringen des Kabels 1, der Sensoren 2 und der Schüttung 4 in den Hohlkörper 3 wird der Hohlkörper 3 vorteilhafterweise an beiden Enden verschlossen, um das Eindringen von Wasser zu verhindern. Das aus dem Hohlkörper 3 herausragende Kabel 1 ist bevorzugt mit einer Abfragestation oder Sendestation verbunden. Der Hohlkörper 3 wird mittels einer Bohrung in das Erdreich eingebracht. Das Kabel 1 wird beispielsweise an eine computergesteuerte Anlage, beispielsweise eine Abfragestation angeschlossen, die in definierten Abständen ein Signal, vorteilhafterweise ein digitales Signal durch das Kabel 1 sendet. Eine in dem Erdreich vorliegende Temperatur wird auf den Hohlkörper 3 übertragen und durch die Schüttung 4 an die Sensoren 2 weitergeleitet. Die Temperaturleitung erfolgt vorteilhafterweise schnell und im Wesentlichen ohne Verluste, so dass die Temperatur in dem Inneren des Hohlkörpers nahezu der Temperatur des Erdreichs entspricht. Die Leitfähigkeit der Sensoren 2 wird durch die einwirkende Temperatur geändert, was durch eine entsprechende Vorrichtung an der Oberfläche (beispielsweise einer Abfragestation) feststellbar ist. Die Abfragestation sendet in definierten Intervallen Signale durch das Kabel 1 an die Sensoren 2, wobei das von den Sensoren 2 an die Abfragestation zurückgesendete Signal aufgrund der Temperaturänderung ggf. geändert ist. Aus dieser etwaigen Differenz zwischen gesendetem und empfangenem Signal, kann ein Computer oder ggf. die Abfragestation eine Temperatur, beziehungsweise eine Temperaturänderung errechnen. Vorteilhafterweise sind die Sensoren 2 individuell ansteuerbar, wodurch die Temperatur oder die Temperaturveränderung in einer gegebenen Tiefe bestimmbar ist. Durch die Anordnung der Sensoren 2 an dem Kabel 1 und in dem Hohlkörper 3 mit der Schüttung 4, ist eine einfache Wartung oder Austausch von beispielsweise beschädigten Sensoren 2 möglich. Außerdem ist durch die Anordnung garantiert, dass die Sensoren 2 durch die im Erdreich auftretenden Drücke nicht beschädigt werden. Ein weitere Vorteil ist die hohe Messgenauigkeit der Sensoren 2, die digital adressiert werden und in variierenden Zyklen abfragbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kabel
- 2
- Sensor
- 3
- Hohlkörper
- 4
- Schüttung
