DE102013006416A1

DE102013006416A1 - Erdwärmesonde

Info

Publication number: DE102013006416A1
Application number: DE102013006416.3A
Authority: DE
Inventors: Gerd Lugert; Marcus Bergk
Original assignee: FRANK GmbH
Current assignee: FRANK GmbH
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2033-04-16
Also published as: DE102013006416B4; DE202013010048U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde, welche einen rohrförmigen Träger mit einer Oberseite und einer Unterseite umfasst. Ein von einem Fluid durchströmbares Wärmetauscherrohr verläuft schraubenförmig entlang einer Außenwand des Trägers, und Vorlauf und Rücklauf sind an der Oberseite der Erdwärmsonde angeordnet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde, welche für geringe Bohrtiefen, also insbesondere für Bohrtiefen von bis zu 6 m ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Hintergrund der Erfindung
Erdwärmesonden sind bekannt. Herkömmliche Erdwärmesonden werden in vertikale Tiefenbohrungen eingebracht und benötigen dementsprechend tiefe Bohrlöcher, was hohe Kosten durch die Bohrung selbst und durch in der Regel aufwändiges Abdichten und/oder Verpressen der Bohrstelle nach sich zieht.
Für geringe Bohrtiefen sind daher aus der Praxis so genannte „Helix-Sonden” bekannt, welche schraubenförmig gewickelte Rohre aufweisen.
Diese haben den Vorteil, dass meist keine Abdichtung und Verpressung der Bohrstelle erforderlich ist. Weiter können derartige Sonden auch dort verwendet werden, wo tiefe Bohrungen aus technischen oder rechtlichen Gründen nicht möglich sind.
Die Bereitstellung von derartigen Helix-Sonden ist aber auch aufwändig. So müssen in der Regel die einzelnen Rohrschleifen mittels Abstandshalter auf Distanz gehalten werden, welche entweder an der Baustelle selbst oder bei der Herstellung der Erdwärmsonde angebracht werden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine einfach herstell- und einfach handhabbare vertikal einbringbare Erdwärmesonde für geringe Bohrtiefen bereit zu stellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch eine Erdwärmesonde sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Erdwärmesonde nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind dem Gegenstand der Unteransprüche zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde, also eine vertikal in den Boden einsetzbare Sonde mit einem Vorlauf und einem Rücklauf, worüber ein Fluid („Sole”) durch die Sonde geleitet wird, welches sich durch das umgebende Erdreich erwärmt.
Das Fluid wird sodann einer Wärmepumpe zugeführt und dient der Energiegewinnung zur Beheizung eines Gebäudes und/oder zur Erzeugung von Warmwasser.
Die Erdwärmesonde umfasst einen rohrförmigen Träger mit einer Oberseite und einer Unterseite.
Im Sinne der Erfindung ist die Oberseite des rohrförmigen Trägers diejenige Seite, welche bei bestimmungsgemäßen vertikalem Einbau der Erdwärmesonde im Boden das obere Ende der Erdwärmesonde bildet.
Unter einem rohrförmigen Träger wird ein innen zumindest abschnittsweise hohles Gebilde verstanden.
Als rohrförmiger Träger wird insbesondere ein kreiszylindrisches Rohr verwendet.
Entlang der Außenwandung des rohrförmigen Trägers läuft ein von einem Fluid durchströmbares Wärmetauscherrohr entlang. Das Wärmetauscherrohr ist also um den rohrförmigen Träger gewickelt.
Vorzugsweise umschlingt das Wärmetauscherrohr mit einer Vielzahl von Windungen den rohrförmigen Träger im Wesentlichen von seiner Unterseite zu seiner Oberseite.
An der Oberseite des Trägers sind ein Vorlauf und ein Rücklauf zum Anschließen der Erdwärmsonde angeordnet.
Durch den Vorlauf fließt das Fluid durch die im eingebauten Zustand im Erdreich vorhandenen Windungen und kann sich dabei erwärmen.
Aufgrund der Verwendung eines rohrförmigen Trägers, auf welchem das Wärmetauscherrohr gewickelt ist, wird eine stabile Einheit aus Träger und Wärmetauscherrohr bereitgestellt, bei welcher auf stabile Abstandshalter zwischen den einzelnen Rohrschleifen in der Regel verzichtet werden kann.
Vielmehr ist das Wärmetauscherrohr stoffschlüssig oder formschlüssig mit dem rohrförmigen Träger verbunden. Eine formschlüssige Verbindung ist insbesondere durch Ausnehmungen auf dem Träger möglich, die das Wärmetauscherrohr in axialer Richtung der Erdwärmesonde fixieren.
Aufgrund des rohrförmigen Trägers ist es nicht erforderlich, dass die einzelnen Windungen des Wärmetauscherrohrs an den Ausnehmungen verbunden sind. Vielmehr dienen die Ausnehmungen nur zur axialen Fixierung und bilden nur im Zusammenwirken mit dem rohrförmigen Träger einen Abstandshalter.
Es ist alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass sowohl rohrförmiger Träger als auch Wärmetauscherrohr aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Thermoplast, ausgebildet sind und miteinander verschweißt oder verklebt sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verläuft der Vorlauf oder der Rücklauf durch das Innere des Trägers von der Oberseite zur Unterseite.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Vor- oder der Rücklauf, vorzugsweise der Rücklauf, durch das Rohrinnere nach oben geführt ist.
Der Vorlauf oder Rücklauf wird durch den rohrförmigen Träger vor Beschädigungen geschützt und es ist insbesondere möglich, den durch das Rohrinnere verlaufenden Abschnitt aus demselben Material wie das Wärmetauscherrohr auszubilden.
Insbesondere kann das Wärmetauscherrohr nahtlos in den Vorlauf oder Rücklauf übergehen.
Die Erdwärmesonde hat vorzugsweise eine Länge zwischen 1 und 10 m, besonders bevorzugt zwischen 3 und 6 m.
Der rohrförmige Träger hat vorzugsweise eine SDR(Standard Dimension Ratio)-Kennzahl zwischen 5 und 51, vorzugsweise zwischen 11 und 33.
So wird ein hinreichend stabiler Träger bereitgestellt, so dass insgesamt eine steife Sonde entsteht, welche auf einfache Weise in die Bohrung eingeschoben werden kann, ohne dabei abzuknicken.
Der Träger weist vorzugsweise einen Außendurchmesser zwischen 100 und 2000 mm, vorzugsweise zwischen 200 und 800 mm auf und das Wärmetauscherrohr weist vorzugsweise einen Außendurchmesser zwischen 5 und 100 mm, vorzugsweise zwischen 20 und 63 mm auf.
Auch beim Verfüllen der Bohrstelle wird durch den stabilen Träger eine Verformung und insbesondere ein Abknicken des Wärmetauscherrohrs vermieden.
Durch eine feste Verbindung des schraubenförmig verlaufenden Wärmetauscherrohrs mit dem Träger wird des Weiteren ein Zusammenschieben der Schleifen des Wärmetauscherrohrs beim Verfüllen der Bohrung vermieden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Träger zumindest an der Unterseite mit einem Deckel versehen.
Der Deckel trägt ebenfalls zur Stabilität des rohrförmigen Trägers bei. Weiter wird durch den Deckel das Einführen der Erdwärmesonde in die Bohrung erleichtert, da die Gefahr eines Hängenbleibens oder Verkantens des Trägerendes reduziert wird.
Es versteht sich, dass der Deckel vollständig verschlossen sein kann. Denkbar ist aber auch, den Deckel mit zumindest einer Öffnung zu versehen, wie im Folgenden noch im Detail erläutert wird.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Träger verschlossen. Vorzugsweise ist hierzu der Träger sowohl auf seiner Oberseite als auch seiner Unterseite mit einem Deckel versehen.
Der Träger kann so mit einem Fluid, insbesondere mit Wasser, gefüllt werden.
Dieses Fluid kann, wie es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, mit dem Fluidkreislauf des Wärmetauscherrohrs verbunden sein. Es ist insbesondere vorgesehen, das im Trägerrohr vorhandene Fluid durch Anschluss des Wärmetauscherrohrs in den Solekreislauf mit einzubinden.
Die Erdwärmesonde kann so als Speichersonde verwendet werden und auch wenn diese nicht im Betrieb ist, beispielsweise wenn die Wärmepumpe abgeschaltet ist, Wärme aus dem Erdreich aufnehmen und durch das Fluid speichern.
Es ist aber auch denkbar, den Träger lediglich mit einer Flüssigkeit zu befüllen, welche als thermischer Puffer dient und so den thermischen Wirkungsgrad verbessert.
Insbesondere kann dieses Fluidvolumen auch zur Speicherung von Regenwasser verwendet werden. Die erfindungsgemäße Erdwärmesonde kann mithin gleichzeitig als Zisterne dienen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist. die Wand des Trägers und/oder ein unterer Deckel des Trägers zumindest eine Öffnung auf.
Insbesondere kann die Wandung und/oder der Boden des Trägers gelocht ausgebildet sein.
Durch einen Boden mit zumindest einer Öffnung wird ein Aufschwimmen der Sonde beim anstehendem Grundwasser oder Verfüllen der Bohrung mit flüssigem Material verhindert.
Durch eine gelochte Trägerwand kann Feuchtigkeit, insbesondere Grundwasser auch in den Innenraum des Trägers gelangen, wodurch die Effizienz der Erdwärmesonde verbessert wird.
Es ist weiter auch denkbar, einen nicht verschlossenen Träger mit zumindest einer Öffnung mit einem Zulauf zur Einleitung von Regenwasser zu versehen.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird die Erde durch das versickernde Regenwasser gezielt angefeuchtet, um eine bessere Wärmeleitfähigkeit des Materials um die Erdwärmesonde herum sicher zu stellen.
Bei einer weitern Ausführungsform der Erfindung ist in den Träger ein Brunnenfilterrohr zur Förderung von Grundwasser eingesetzt.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird auf besonders einfache Weise mit dem Einbringen der Erdwärmesonde ein Brunnen geschaffen. Das stabile Trägerrohr dient dabei dem Schutz des Brunnenfilterrohres.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Erdwärmesonde, insbesondere einer Erdwärmesonde, wie sie vorstehend beschrieben ist.
Es wird ein rohrförmiger Träger aus einem Kunststoff insbesondere aus einem Thermoplast bereitgestellt.
Der Träger wird erwärmt und ein Wärmetauscherrohr aus einem Kunststoff, insbesondere aus demselben Kunststoff wie der Träger, wird auf den Träger aufgewickelt und mit dem Wärmetauscherrohr verschweißt.
Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass das aufgewickelte Wärmetauscherrohr mit einer Kunststoffschicht überdeckt wird, insbesondere aus demselben Kunststoff wie Träger und Wärmetauscherrohr und so Wärmetauscherrohr und Träger in einem Schweißvorgang von der so bereitgestellten Deckschicht mit der Trägerschicht stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Alternativ ist auch denkbar, ein Wärmetauscherrohr aus dem gleichen oder einem anderen Material aufzuwickeln und mittels Verbindungselementen fest mit dem Träger zu verbinden.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll im Folgenden Bezug nehmend auf die Zeichnungen 1 und 2 näher erläutert werden.
1 zeigt eine schematische teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Erdwärmesonde 1.
Die Erdwärmesonde 1 umfasst einen Träger 2, welcher als kreiszylindrisches Kunststoffrohr ausgebildet ist.
In der Zeichnung ist die Einbauposition der Erdwärmesonde 1 dargestellt.
So ist eine Oberseite definiert, welche mit einem Deckel 7 verschlossen ist, und eine Unterseite, welche ebenfalls mit einem Deckel 6 verschlossen ist.
Von der Oberseite aus verläuft ein Wärmetauscherrohr 3 schraubenförmig um den Träger 2.
Wärmetauscherrohr 3 und Träger 2 bestehen beide aus Kunststoff und sind miteinander verschweißt.
Über den Vorlauf 4, welcher an der Oberseite des Trägers 2 angeordnet ist, kann ein Fluid die Windungen des Wärmetauscherrohrs 3 durchlaufen und sich dabei erwärmen.
An der Unterseite angekommen, wird das Wärmetauscherrohr 3 ins Innere des Trägers 2 geführt.
Der Rücklauf 5 verläuft so im Inneren des Trägers 2 senkrecht nach oben und endet an der Oberseite des Trägers 2.
Die erwärmte Sole kann so geschützt im Inneren des Trägers nach oben geleitet werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Träger 2 vollständig verschlossen.
Das Innere des Trägers 2 kann bei diesem Ausführungsbeispiel mit einem Fluid gefüllt werden und so als thermisches Puffervolumen dienen.
Denkbar ist insbesondere auch, das Innere des Trägers 2 zur Speicherung von Regenwasser zu verwenden.
Bei einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) der Erfindung ist auch denkbar, zumindest den Boden und/oder die Wand des Trägers zu lochen, so dass aufsteigendes Grundwasser in den Träger gelangen kann und dieser beim Verfüllen des Bohrlochs mit Flüssigmaterial nicht aufschwimmt.
Bei dem hier dargstellten geschlossen ausgebildeten Träger 2 kann ein Aufschwimmen beim Einsetzen dadurch verhindert werden, dass der Träger 2 beim oder nach dem Einsetzen in die Bohrung mit einer Flüssigkeit gefüllt wird.
Durch die Erfindung wird eine leicht herstellbare stabile Erdwärmesonde bereitgestellt, bei welcher Wärmetauscherrohr 3 und Träger 2 fest miteinander verbunden sind.
Die Sonde lässt sich leicht einsetzen und es wird ein Verschieben der Windungen des Wärmetauscherrohrs 3 beim oder nach dem Einsetzen auf sehr einfache Weise vermieden.
Insbesondere kann in der Regel auf Abstandshalter zwischen den einzelnen Windungen des Wärmetauscherrohrs 3 verzichtet werden.
Bezug nehmend auf 2 soll die Fixierung der Wärmetauscherrohrs 3 auf dem Träger 2 bei einer Ausführungsform der Erfindung näher erläutert werden.
Bei dieser Ausführungsform umfasst der Träger 2 axial voneinander beabstandete Ausnehmungen 8.
Die Ausnehmungen 8 können in das Grundmaterial des Träger 2 eingebracht werden, oder wie hier dargestellt, durch ein zusätzliches Bauteil bereitgestellt werden.
Beispielsweise können mehrere Platten mit Ausnehmungen 8 an dem Träger befestigt werden. Auch ist denkbar, dass die Ausnehmungen schraubenförmig um den rohrförmigen Träger 2 laufen.
Die Platten sind in diesem Ausführungsbeispiel als Finnen aus Kunststoff mit halbkreisförmigen Ausnehmungen 8 ausgebildet.
Die Platten können beispielsweise angeschweißt werden.
Vorzugsweise sind die Ausnehmungen 8 weniger als 5 cm, besonders bevorzugt weniger als 2 cm von der Wand des rohrförmigen Trägers beabstandet.
Die Windungen des Wärmetauscherrohrs 3 werden durch die Ausnehmungen in axialer Richtung der Erdwärmesonde 1 formschlüssig fixiert.
Vorzugsweise sind die Windungen derart ausgeführt, dass sich das Wärmetauscherrohr 3 in die Ausnehmungen presst.

Claims

Erdwärmesonde (1), umfassend einen rohrförmigen Träger (2) mit einer Oberseite und einer Unterseite, wobei ein von einem Fluid durchströmbares Wärmetauscherrohr (3) schraubenförmig entlang der Wand des Träger verläuft und ein Vorlauf (4) und ein Rücklauf (5) an der Oberseite der Erdwärmesonde angeordnet sind.
Erdwärmesonde nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf oder Rücklauf (5) durch das Innere des Trägers zur Unterseite verläuft.
Erdwärmesonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdwärmesonde (1) eine Länge zwischen 1 und 10 m, vorzugsweise zwischen 3 und 6 m aufweist und/oder dass der Träger eine SDR-Zahl zwischen 5 und 51, vorzugsweise zwischen 11 und 33 aufweist, und/oder dass der Träger (2) einen Außendurchmesser zwischen 200 und 800 mm aufweist und/oder dass das Wärmetauscherrohr (3) einen Außendurchmesser zwischen 20 und 63 mm aufweist.
Erdwärmesonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) zumindest an seiner Unterseite mit einem Deckel versehen ist.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) verschlossen und mit einem Fluid gefüllt ist.
Erdwärmesonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gefüllte Innenvolumen des Trägers (2) mit dem Fluid des Wärmetauscherrohrs (3) verbunden ist.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2), insbesondere die Wand des Trägers (2) und/oder ein Deckel (7) des Trägers zumindest eine Öffnung aufweist.
Erdwärmesonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) einen Zulauf zur Einleitung von Regenwasser aufweist.
Erdwärmesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Träger (2) ein Brunnenfilterrohr eingesetzt ist.
Erdwärmesonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) axial voneinander beabstandete Ausnehmungen (8) aufweist, durch welche das Wärmetauscherrohr (3) in axialer Richtung der Erdwärmesonde (1) formschlüssig auf dem Träger (2) fixiert ist.