DE102014206042A1

DE102014206042A1 - Messvorrichtung für eine Erdwärmesonde

Info

Publication number: DE102014206042A1
Application number: DE102014206042.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Geser Stefan De
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2034-04-01
Also published as: DE102014206042B4

Abstract

Eine Messvorrichtung (10) zum Bewegen einer Messsonde (3) in einem mit Flüssigkeit gefüllten und unter Druck stehenden, mittels einer Anschlussarmatur (7) gegenüber der Umgebung dicht verschlossenen Rohr (6a) einer Erdwärmesonde (6), ist gekennzeichnet durch die Anbringung der Messsonde (3) an einem durch die Anschlussarmatur (7) geführten und gegenüber dem unter Druck stehenden Rohr (6a) der Erdwärmesonde (6) abgedichteten, axial zum Rohr der Erdwärmesonde (6) in beide Richtungen verschiebbaren, biegesteifen Messkabel (4).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Messen und/oder Überwachen der Verfüllung des Bohrlochs einer Erdwärmesonde.
Im Rahmen einer ressourcenschonenden und nachhaltigen Energiegewinnung sind Erdwärmesonden im industriellen, kommunalen und privaten Bereich mittlerweile stark verbreitet. Hierfür werden eine oder mehrere vertikale Bohrungen mit beispielsweise 100 m Tiefe in den Untergrund getrieben. In jede Bohrung wird eine Erdwärmesonde eingeführt, durch welche in einem Kreislauf eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert. Die Energie der in der Tiefe durch die geogene Wärme aufgeheizte Wärmeträgerflüssigkeit kann an der Oberfläche mit Hilfe einer Wärmpumpe nutzbar gemacht werden. Häufig werden hierfür so genannte U-Rohrsonden in Einzel- oder Doppelausführung verwendet.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs vom Gebirge auf die Erdwärmesonde und zur Sicherung der geologischen Stabilität des Untergrunds, ist es notwendig, das der verbleibende Ringraum zwischen Bohrloch und Erdwärmesonde vollständig verfüllt wird. Diese Verfüllung dient auch zur sicheren Absperrung und gegenseitigen Verriegelung von bei der Bohrung durchteuften Grundwasserleitern und Grundwasserhorizonten. Eine der gängigsten Methoden für das Verfüllen von Erdwärmesonden ist das Verpressen des Ringraums mit zementgebundenen Suspensionen im bekannten Kontraktorverfahren.
Mangelhaft verfüllte Bohrlöcher, bei denen das Bohrloch nicht durchgängig dichtend mit Suspension verfüllt ist, haben in der jüngeren Vergangenheit zu beträchtlichen Schäden geführt. Hydraulische Kurzschlüsse zwischen verschiedenen Grundwasserleitern können zu Störungen in der Wasserversorgung führen. Dringt über das mangelhaft verfüllte Bohrloch Grundwasser in sensible Erdschichten ein, in denen es eine Quellung oder eine Auswaschung der Schicht verursachen kann, sind die Auswirkungen oft bis zur Oberfläche sichtbar und spürbar.
Von den für das Einbringen von Erdwärmesonden in den Untergrund zuständigen staatlichen und kommunalen Genehmigungsbehörden wird eine sichere Kontrolle des Verfüllung einer Erdwärmesonde gefordert. In den Schriften DE 20 2011 107 616 U1 und DE 20 2012 005 822 U1 werden Vorrichtungen beschrieben, die eine Kontrolle des Verfüllvorgangs ermöglichen sollen. Gemeinsames Merkmal von beiden Vorrichtungen ist die Einbringung einer Messsonde und/oder Messlanze in den Ringraum zwischen Erdwärmesonde und Bohrlochwand. Dies hat oftmals zur Folge, dass die Bohrung mit einem größeren Durchmesser als nötig gebohrt werden muss, um den Platz für die Messsonden und/oder Messlanzen zu schaffen. Da es in der Praxis häufig vorkommt, dass die Bohrung infolge der Geologie des Untergrunds und des verwendeten Bohrverfahrens nicht in vertikal gerader Linie verläuft, sondern eine oder mehrere Krümmungen aufweisen kann, und die Erwärmesonde sich in der Praxis nicht idealisiert mittig im Bohrloch befindet, sondern an der Bohrlochwand abstützt und dadurch einen freien vertikalen Zugang von der Bohrlochöffnung zum Bohrlochgrund versperrt, ist hier das Einbringen der Messsonden und/oder Messlanzen deutlich erschwert bis unmöglich. Die beschriebenen Verfahren haben sich daher bis zum heutigen Tag nicht durchgesetzt.
Des Weiteren wird in dem Prospekt „Schwenk Füllbinder EWM plus", Ausgabe Februar 2014 der Firma Schwenk Spezialbaustoffe GmbH & C. KG ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Messsonde in wenigstens ein Rohr einer Erdwärmesonde eingebracht wird und die Verfüllung des Ringraums durch einen, von der Messsonde nachweisbaren, dotierten Verfüllbaustoff gemessen werden kann. Die Messung kann hier aber nur nach Abschluss der Verfüllung und dem vollkommenen Aushärten des Verfüllbaustoffs über ein oben offenes Sondenrohr vorgenommen werden und dokumentiert somit lediglich den Zustand der fertigen und nicht mehr veränderbaren Verfüllung der Erdwärmesonde. Wird dabei eine fehlerhafte Verfüllung der Erdwärmesonde festgestellt, kann darauf kein Einfluss mehr genommen werden. Im ungünstigsten Fall kann bei gravierenden Fehlern in der Verfüllung ein Rückbau der Erdwärmesonde und die komplette Sanierung des Bohrlochs angeordnet werden.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Möglichkeit bereit zu stellen, mit der der Verfüllvorgang zu jedem Zeitpunkt überwacht und dokumentiert werden kann, so dass das mit der Verfüllung beauftragte Unternehmen während des Verfüllvorgangs sofort Einfluss auf sich bildende Fehlstellen nehmen kann. Damit kann zukünftig eine fehlerfreie Verfüllung von Erdwärmesonden gewährleistet werden.
Vor der Verfüllung des Ringraums werden die Rohre der Erdwärmesonde vollständig mit Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser gefüllt. Anschließend werden die Rohre unter Verwendung von an sich bekannten Armaturen hermetisch dicht verschlossen und hydraulisch oder pneumatisch unter Druck gesetzt. Der daraufhin in den Sondenrohren vorhandene Überdruck ist notwendig, um ein Zusammendrücken der Rohre aufgrund des hydraulischen Drucks der Suspension im Bohrloch zu verhindern. Die Dichte der verwendeten Suspensionen liegt immer erheblich über der Dichte von Wasser, so dass die Füllung der Sonden nur mit Wasser und ohne zusätzlichen Überdruck nicht ausreicht, um dem hydraulischen Druck der Suspension entgegenzuwirken.
Mit den Mitteln der Erfindung ist es möglich, eine Messsonde in einem unter Druck stehenden, hermetisch verschlossenen Sondenrohr auf und ab zu bewegen, um so Messungen während des Verfüllvorgang auf der gesamten Länge der Erdwärmesonde vorzunehmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 bis 2 erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer U-Rohr-Erdwärmesonde mit angeschlossener Messvorrrichtung
2: eine Schnittdarstellung der Anschlussarmatur mit axial verschiebbaren Messkabel
In 1 ist die Messvorrichtung für eine Erdwärmesonde 6 mit 10 bezeichnet. Die Messvorrichtung 10 umfasst eine Haspel 8 auf der ein Messkabel 4 mit einer Messsonde 3 aufgespult ist, eine Wegmessvorrichtung 13 und einen Ausgleichsbehälter 20. Im folgenden werden Funktion und detaillierter Aufbau der Messvorrichtung 10 bezugnehmend auf die 1 und 2 näher erläutert.
Die Messsonde 3 ist an einem Messkabel 4 befestigt, welches die Messsonde 3 mit einer für das gewählte Messverfahren geeigneten Auswerteelektronik 5 verbindet und die Übertragung der Messsignale sicherstellt. Erfindungsgemäß wird als Messkabel 4 ein aus der Kanalinspektion bekanntes Schiebekabel verwendet. Vorzugsweise wird hierfür ein Schiebekabel eingesetzt, das durch eine Glasfaserverstärkung eine gewisse Steifigkeit aufweist und das durch eine glatte Außenmembran die Möglichkeit einer wirksamen Abdichtung bietet. Das Messkabel 4 ist durch die Anschlussarmatur 7 geführt und in dieser durch wenigstens eine Dichtung 9 ähnlich der Kolbenstange eines Hydraulikzylinders oder einer anderen geeigneten Stangendichtung abgedichtet. Durch die Steifigkeit des Messkabels 4 ist ein Schieben und Ziehen der Messonde 3 im Rohr 6a der Erdwärmesonde 6 möglich. Die Anschlussarmatur 7 wird mit Hilfe einer druckfesten Kupplung 11 auf dem zu messenden Sondenrohr 6a angebracht. Das Messkabel 4 ist auf einer Haspel 8 aufgewickelt. Zwischen Haspel 8 und Anschlussarmatur 7 ist eine Wegmesseinrichtung 13 angebracht. Mit dieser Wegmesseinrichtung 13 kann die Länge 14 des in der Erdwärmesonde eingebrachten Messkabels 4 gemessen werden und man erhält somit einen Referenzwert für die Tiefe des jeweiligen Messpunkts.
Um bei der Bewegung der Messsonde 3 im Sondenrohr 6a einen Volumenausgleich für die von dem Messkabel 4 verdrängte Flüssigkeit 12 zu schaffen, ist an einem der Sondernrohre 6a, 6b der U-Rohr-Erdwärmesonde 6 ein hermetisch dichter Ausgleichsbehälter 20 angeschlossen. Der Anschluss des Ausgleichsbehälters 20 erfolgt vorzugsweise an einem seitlichen Abgang 17 der Anschlussarmatur 7, die mit Hilfe der Kupplung 11 auf dem Sondenrohr 6a der Erdwärmesonde 6 angebracht ist. Alternativ hierzu kann der Anschluss des Ausgleichsbehälters 20 auch in ähnlicher Weise über die Kupplungsverbindung 18 an dem zweiten Rohr 6b der Erdwärmesonde 6 erfolgen. Der Ausgleichbehälter 20 dient nicht nur zur Kompensation des verdrängten Flüssigkeitsvolumens 22, über ihn wird auch in der Funktion eines Windkessels der für die Verfüllung notwendige Überdruck p in der Erdwärmesonde 6 aufgebracht. Hierfür ist an der Oberseite des Ausgleichsbehälters 20 ein Ventilanschluss 16 vorgesehen, mit dem der Behälter pneumatisch unter Druck p gesetzt werden kann. Wird der Ausgleichsbehälter 20 genügend groß ausgeführt, kann die Erdwärmesonde 6 alternativ auch über eines der Befüllventile 15a, 15b hydraulisch unter Druck gesetzt werden. Die in den Ausgleichsbehälter 20 strömende Flüssigkeit 22 komprimiert die anfangs vorhandene Luft 21 hierbei bis auf ein für den Volumenausgleich notwendiges Restvolumen.
Das Messkabel 4 der beschriebene Messvorrichtung 10 kann mit unterschiedlichen Messsonden 3 bestückt werden. Beispielsweise kann die Messvorrichtung 10 mit einer Sonde zur Messung der magnetischen Suszeptibilität eines entsprechend dotierten Verfüllbaustoff ausgestattet werden. Damit kann zu jeder Zeit des Verfüllvorgangs der Verfüllhorizont und die Verfüllgüte, das heißt die vollständige Ummantelung der Erdwärmesonde mit Verfüllbaustoff detektiert werden und die Messwerte einer Auswertung und Dokumentation zugeführt werden.
In einer weiteren Ausbildung der Messvorrichtung 10 können die Kupplungsstellen 11, 18 zu den Rohren 6a, 6b der Erdwärmesonde 6 so gestaltet werden, dass zu beliebigen späteren Zeitpunkten die Messvorrichtung 10 wieder an die im Betrieb befindliche Erdwärmesonde 6 angeschlossen werden kann, um den gegenwärtigen Zustand der Verfüllung zu kontrollieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202011107616 U1 [0005]
DE 202012005822 U1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Schwenk Füllbinder EWM plus“, Ausgabe Februar 2014 der Firma Schwenk Spezialbaustoffe GmbH & C. KG [0006]

Claims

Messvorrichtung (10) zum Bewegen einer Messsonde (3) in einem mit Flüssigkeit gefüllten und unter Druck stehenden, mittels einer Anschlussarmatur (7) gegenüber der Umgebung dicht verschlossenen Rohr (6a) einer Erdwärmesonde (6), gekennzeichnet durch die Anbringung der Messsonde (3) an einem durch die Anschlussarmatur (7) geführten und gegenüber dem unter Druck stehenden Rohr (6a) der Erdwärmesonde (6) abgedichteten, axial zum Rohr der Erdwärmesonde (6) in beide Richtungen verschiebbaren, biegesteifen Messkabel (4).
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Messvorrichtung (10) eine Wegmesseinrichtung (13) für die Messung der in das Rohr 6a der Erdwärmesonde (6) eingebrachte Länge (14) des Messkabels (4) angeordnet ist
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) einen Ausgleichsbehälter (20) beinhaltet, der ein Aufnahmevolumen (21) für die bei der Bewegung der Messsonde im Rohr (6a) der Erdwärmesonde (6) durch das Messkabel (4) verdrängten Flüssigkeit (22) bereitstellt.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsbehälter (20) an der Anschlussarmatur (7) angeschlossen ist.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsbehälter (20) an einem zweiten Rohr (6b) der Erdwärmesonde (6) angebracht ist, das mit dem Rohr (6a), in dem sich die Messsonde (3) befindet, kommunizierend verbunden ist.