DE202007014142U1

DE202007014142U1 - Erdwärmesonde zur Gewinnung geothermischer Energie

Info

Publication number: DE202007014142U1
Application number: DE202007014142U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2017-10-10

Abstract

Erdwärmesonde zur Gewinnung geothermischer Energie mit mindestens eine Fluid zuführenden und abführenden Leitung (2; 3), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die mindestens eine zuführende Leitung (2) wärmeisoliert ist und die Leitungen (2; 3) an ihrem unteren Ende unterhalb des Bodens jeweils mindestens einen Verteiler (4) aufweisen, derart, dass das Fluid von der mindestens einen zuführenden wärmeisolierten Leitung (2) durch mindestens zwei vertikale U-Sonden (4) verteilt in die abführende Leitung (3) strömen kann, und die Rohrabschnitte (6) der U-Sonde (4) zur besseren Wärmeübertragung aus einem gut wärmeleitenden Material gefertigt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde zur Gewinnung geothermischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Als Erdwärmesonden bezeichnet man in Tiefenbohrungen vertikal eingebrachte Rohrbündel. Derartige Sonden sind nach dem Stand der Technik bereits bekannt und z.B. in Druckschrift EP0582118A1 beschrieben. Im Sondenkreislauf wird eine Wärmeträgerflüssigkeit (im Folgenden: Fluid) durch den Boden und zumeist durch den grundwassererfüllten Gesteinsbereich geleitet, um die darin gespeicherte Wärme aufzunehmen. In einem Wärmetauscher wird die Flüssigkeit dann wieder abgekühlt. Die gewonnene Energie wird in der Regel zu Heizzwecken oder zum Kühlen weiter verwendet. Die Tiefe der geothermischen Bohrungen variiert nach dem geologischen Aufbau des Untergrundes und liegt für den normalen Wohnungsbau je nach lokaler Gegebenheiten und Leistungsanforderung in der Regel zwischen 15 und 100 Metern. Ab einer Tiefe von ca. 10 Meter stabilisiert sich die Bodentemperatur zunächst bei etwa 10 °C und steigt dann langsam mit durchschnittlich 3 °C pro 100m Tiefe an.
Nach dem Stand der Technik erfolgt der Ausbau der Erdwärmesonde üblicherweise mit U-förmigen Schleifen aus mindestens zwei parallel eingesetzten Kunststoffrohren (z.B. aus Polyethylen). Das Fluid strömt dabei im ersten Rohr nach unten und wird durch das zweite Rohr wieder nach oben zurückgeführt. Die Bohrungen sind in der Regel mit einem Gemisch aus Zement und Bentonit hinterfüllt, um einen guten thermischen Kontakt zwischen den U-Rohren und der Bohrlochwand sicherzustellen. Mehrere Sonden werden dabei über eine Sammelleitung oder über einen Verteiler zusammengefasst und über Verbindungsleitungen an die Wärmepumpe angeschlossen. Um einen Wär meverlust zu vermeiden, sind die horizontal zum Haus fluidführenden Verbindungsleitungen isoliert.
Die Entzugsleistung der Erdwärmesonden aus dem Erdreich ist abhängig von den geologischen Verhältnissen, d. h. von der Bodenbeschaffenheit des jeweiligen Standortes, wobei nur der Bereich des unbelebten Untergrundes maßgebend ist. Bei Erdwärmesonden befindet sich diese Zone unterhalb des Bodens und kann aus Lockersedimenten oder Fels bestehen. Der Boden ist durch organische Bestandteile gekennzeichnet und im Allgemeinen ca. 1-10 Meter tief. Die Rohre der nach dem Stand der Technik bekannten Erdwärmesonden werden nahe der Erdoberfläche in 1,20-1,50 Metern Tiefe im frostfreien Bereich an die horizontal laufenden Leitungen, die zur Wärmepumpe führen, angeschlossen und führen von dort unisoliert in das Erdreich.
Der Nachteil bekannter Erdwärmesonden besteht darin, dass das Fluid innerhalb des zuführenden Rohres den unterhalb des Anschlusses zwischen der Erdwärmesonde und den Verbindungsleitungen liegenden und das die Erdwärmesonde umgebende Erdreich sowie zugleich das nach oben führende Rohr der Erdwärmesonde mit dem erwärmten Fluid abkühlt. Zudem kann besonders im Winter, wenn die meiste Wärme benötigt wird, der Einfluss, den die Umgebungskälte auf die Erdwärmesonde und die Verbindungsleitungen ausübt, zu einer stetigen Abkühlung des Erdwärmekreises führen.
Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass insbesondere aufgrund der hohen Herstellungskosten von U-Sonden aus anderen Materialien bisher in erster Linie Kunststoffrohre bzw. -leitungen zum Einsatz gebracht werden, die aber eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Erdwärmesonde zu schaffen, die eine Abkühlung des Bodens verhindert und gleichzeitig die Gewinnung von Erdwärme gegenüber herkömmlichen Systemen deutlich verbessert, ohne dass hierbei zugleich jedoch deutlich höhere Herstellungskosten in Ansatz gebracht werden müssten.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 die Verwendung einer Erdwärmesonde aus mindestens eine Fluid zuführenden und mindestens eine Fluid abführenden Leitung vorgeschlagen, wobei zumindest die zuführende Leitung wärmeisoliert ist und die Leitungen an ihrem unteren Ende unterhalb des Bodens jeweils mindestens einen Verteiler aufweisen, derart, dass das Fluid von der zuführenden isolierten Leitung durch mindestens zwei vertikale U-Sonden verteilt in die abführende Leitung strömen kann, und die Leitungen der U-Sonde zur besseren Wärmeübertragung aus einem gut wärmeleitenden Material gefertigt sind.
Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, sollte der Verteiler in bevorzugter Ausführung mindestens 10 Meter unterhalb der Erdoberfläche an den mindestens zwei Leitungen angeordnet sein. Die zuführende Leitung sollte bis zu dieser Tiefe derart isoliert sein, dass keine bzw. zumindest nur eine möglichst geringe Kälteübertragung des Fluids an das umgebende Erdreich erfolgt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Erdwärmesonde sind vielseitig: Durch den Einsatz der wärmeisolierten zuführenden Leitung ist eine Abkühlung des umgebenden Erdreichs und mithin des die abführende Leitung umgebenden Erdreichs ausgeschlossen.
Des Weiteren reduzieren sich die Herstellungskosten einer Erdwärmesonde gegenüber wirkungsgleichen Systemen ganz erheblich.
Durch die zusätzliche Nutzung von Verteilern weit unterhalb der Erdoberfläche können im weniger einflussreichen Wärmebereich des Bodens günstige Leitungen mit hoher Wärmekapazität und geringer – leitfähigkeit eingesetzt werden, wohingegen erst in den wärmekonstanten Regionen des Erdreichs auf Materialien zurückgegriffen wird, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Hier kommen in erster Linie Materialien wie Aluminium, Edelstahl, Kupfer sowie gut wärmeleitfähige Kunststoffe in Betracht.
Eine weitere Beschreibung der Erfindung und deren Vorteile erfolgt nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die in Zeichnungsfiguren dargestellt sind.
Es zeigen:
1 die Erdwärmesonde, bestehend aus Fluid zuführender (2) und abführender Leitung (3) mit jeweils einem Verteiler (1) sowie zwei U-Sonden (4), aus der Seitenperspektive.
2 die Ausführungsform wie 1 von oben.
3 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der U-Sonden (4).
4 die Ausführungsform wie 3 von oben.
Wie aus 1 ersichtlich, sind die an den Leitungen (2; 3) angeordneten U-Sonden (4) vorzugsweise orthogonal zueinander ausgerichtet. Die U-Sonden (4) können je nach Anwendungsbereich aus einem oder mehreren Einzelelementen gefertigt sein.
Der Verteiler (1) ist in bevorzugter Ausführungsform so ausgebildet, dass der Abstand der Anschlussstücke (5) zueinander im Wesentlichen dem Abstand der Rohrabschnitte (6) der U-Sonde (4) entspricht.
Zur Verbindung der Rohrabschnitte (6) der U-Sonde (4) eignen sich – wie aus 1 ersichtlich – u-förmige Verbindungselemente; weitere, vorzugsweise temperatur- und rissbeständige Rohrverbindungselemente, z.B. Schweißfittinge sind ebenfalls denkbar.
Wie aus 1 und 3 ersichtlich, weisen die U-Sonden (4) in bevorzugter Ausführungsform an ihrem unteren Ende mindestens eine Ausbuchtung (9) auf. Diese Ausbuchtung (9) sollte derart ausgestaltet sein, dass Materialien, die zur Verstopfung einer der U-Sonden (4) führen könnten – z.B. in die Erdwärmesonde eingefügtes Dichtungsmittel während oder nach der Erstinstallation sowie Schmutzpartikel und dergleichen –, automatisch durch den Fluidstrom in die Ausbuchtung (9) geleitet werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft ferner die in 3 und 4 dargestellte Ausführungsform der U-Sonden (4). Die U-Sonden (4) sind so angeordnet, dass jeweils ein Vor- (7) und Rücklauf (8) der U-Sonden (4) derart oben miteinander verbunden sind, dass das Fluid nicht direkt über den Rücklauf (9) der U-Sonde (4) in die abführende Leitung (3), sondern nochmals über den Vorlauf (8) der weiteren U-Sonde (4) nach unten ins Erdreich und sodann über den Rücklauf der weiteren U-Sonde (4) in die abführende Leitung (3) fließen kann (sog. W-Sonde).
Durch diese Ausgestaltung wird ein noch höherer Wärmezufluss bei gleich bleibender Tiefe der Bohrung bzw. gleich bleibender Länge der Erdwärmesonde erreicht.

1: Verteiler
2: zuführende Leitung
3: abführende Leitung
4: U-Sonden
5: Anschlussstücke
6: Rohrabschnitte
7: Vorlauf der U-Sonde
8: Rücklauf der U-Sonde
9: Ausbuchtung

Claims

Erdwärmesonde zur Gewinnung geothermischer Energie mit mindestens eine Fluid zuführenden und abführenden Leitung (2; 3), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die mindestens eine zuführende Leitung (2) wärmeisoliert ist und die Leitungen (2; 3) an ihrem unteren Ende unterhalb des Bodens jeweils mindestens einen Verteiler (4) aufweisen, derart, dass das Fluid von der mindestens einen zuführenden wärmeisolierten Leitung (2) durch mindestens zwei vertikale U-Sonden (4) verteilt in die abführende Leitung (3) strömen kann, und die Rohrabschnitte (6) der U-Sonde (4) zur besseren Wärmeübertragung aus einem gut wärmeleitenden Material gefertigt sind.
Erdwärmesonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Leitungen (2; 3) angeordneten U-Sonden (4) vorzugsweise orthogonal zueinander ausgerichtet sind.
Erdwärmesonde nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (1) in bevorzugter Ausführungsform so ausgebildet ist, dass der Abstand der Anschlussstücke (5) zueinander im Wesentlichen dem Abstand der Rohrabschnitte (6) der U-Sonde (4) entspricht.
Erdwärmesonde nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der U-Sonden (4) in bevorzugter Ausführungsform an ihrem unteren Ende mindestens eine Ausbuchtung (9) aufweist, die derart ausgestaltet ist, dass Materialien, die zur Verstopfung einer der U-Sonden (4) führen können, automatisch durch den Fluidstrom in die Ausbuchtung (9) geleitet werden.
Erdwärmesonde nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die U-Sonden (4) so angeordnet sind, dass jeweils ein Vor- (7) und Rücklauf (8) der U-Sonden (4) derart oben miteinander verbunden sind, dass das Fluid nicht direkt über den Rücklauf (9) der U-Sonde (4) in die abführende Leitung (3), sondern nochmals über den Vorlauf (8) der weiteren U-Sonde (4) nach unten ins Erdreich und sodann über den Rücklauf der weiteren U-Sonde (4) in die abführende Leitung (3) fließen kann.