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Die
Erfindung betrifft einen Sondenfuß für eine Erdwärmesonde.
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Regenerative
Energiearten gewinnen wegen des weltweit wachsenden Energiebedarfs,
des zunehmenden Umweltbewußtseins, des Klimawandels und
der zunehmenden Wichtigkeit regenerativer Energiequellen im Vergleich
zu fossilen Energieträgern zunehmend an Bedeutung. Die
Erdwärme stellt dabei eine wichtige Energiealternative
für die Zukunft dar, da sie u. a. ständig und überall
verfügbar ist.
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Zur
Nutzung der Erdwärme werden Erdwärmesonden eingesetzt,
die nach dem Prinzip eines Wärmetauschers betrieben werden.
Hierbei wird die Sonde je nach geologischer Beschaffenheit des Untergrundes über
Bohrungen in den Boden eingebracht. Die Wärme wird anschließend
zwischen den Bodenschichten und einer in der Sonde zirkulierenden
Flüssigkeit, der so genannten Sole, ausgetauscht.
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Während
des Betriebs der Erwärmesonde strömt die Sole
von einem Zulaufrohr nach unten, wird anschließend im Sondenfuß umgelenkt
und fließt schließlich über das Rücklaufrohr
zu einer Wärmepumpe zurück. Während des
Flusses innerhalb der Erdwärmesonde nimmt die Sole innerhalb
der Rohrstrecken Erdwärme auf. Diese wird an die Wärmepumpe
abgegeben. Die Sole kühlt sich da bei ab und wird erneut
in den Untergrund gepumpt, wobei sich deren Strömungskreislauf
schließt.
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Eine
herkömmliche aus dem Stand der Technik bekannte Erdwärmesonde
besteht aus zwei oder vier parallelen Rohrleitungen, in welchen
die Sole fließt. Dabei dient jeweils ein Rohr als Zulaufrohr
zum Sondenfuß und ein Rohr als Rücklaufrohr. Am
unteren Ende der Erdwärmesonde, im Sondenfuß,
weisen die Rohrleitungen eine u-förmige Umlenkung auf. Über
die Umlenkung ist jeweils ein Zulaufrohr mit einem Rücklaufrohr
verbunden.
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Im
Sondenfuß befindet sich dazu in der Regel wenigstens ein
für ein Zulauf- und Rücklaufrohr vorgesehener
180° Rohrkrümmer. Dieser Rohrkrümmer
ermöglicht eine Strömungsverbindung der beiden
Rohrstrecken auf dem durch das Bohrloch begrenzten engen Raum. Er
weist einen Rohrbogen und parallel verlaufende Rohrschenkel auf.
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Aus
der Patentschrift
CH
687 268 A5 ist ein Sondenfuß für eine
Erdsonde bekannt, bei dem die Zu- und Rücklaufrohre mit
einem etwa 180° gekrümmten Bogenteil zur Durchströmung
eines Wärmeträgers verbunden sind.
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Gemäß der
Lehre des Gebrauchsmusters
DE
299 12 335 U1 sind aus Polyethylen oder Polypropylen bestehende
Rohre paarweise über 180° Rohrumlenkungen miteinander
verbunden. Diese sind zusätzlich in einem Schutzkörper
aus einem Harz-Feinkies-Gemisch eingebettet.
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Das
Gebrauchsmuster
DE
202 02 578 U1 offenbart ein Erdsondenrohr, bestehend aus
Rohren mit wenigstens einem Rohrabschnitt für den Vorlauf und
einem zu diesem annähernd parallel verlaufenden Rohrabschnitt
für den Rücklauf. Die Rohrabschnitte stehen dabei
u-förmig miteinander in Verbindung.
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Im
Gebrauchsmuster
DE
296 134 50 U1 wird ein aus Kunststoff hergestellter Sondenfuß beschrieben,
der aus den Rohrstrecken für Zu- und Rücklauf und
dem Krümmer besteht. Der Krümmer dient der Strömungsverbindung
zwischen den Rohrstrecken und bewirkt ein Zusammenhalten der Rohre.
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Wie
ausgeführt, enthalten die in den zitierten Druckschriften
offenbarten und auch dem Stand der Technik bekannten Sondenfüße
einen u-förmigen bzw. symmetrischen 180° Umlenkungsbereich,
der als Verbindungselement zwischen dem Zulauf- und Rücklaufrohr
dient. Ein derartiger Umlenkbereich weist jedoch eine Strömungsdynamik
auf, die nicht optimal ist.
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Untersuchungen
haben gezeigt, dass die Strömungsdynamik in einer 180°-Umlenkung
vergleichsweise komplex ist. Dies wird in den bekannten Ausführungsformen
nicht berücksichtigt. Infolgedessen verursachen derartige
u-förmige Sondenfüße einen beträchtlichen
Strömungswiderstand in Verbindung mit einem oft starken
Druckabfall innerhalb der Rohrleitungen der Erdwärmesonde.
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Es
besteht somit die Aufgabe, einen Sondenfuß für
eine Erdwärmesonde anzugeben, der eine verbesserte Strömungsdynamik
aufweist und damit eine optimale und besonders effiziente Strömung
der Sole innerhalb der Erdwärmesonde gewährleistet.
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Die
mit dem gesuchten Sondenfuß ausgestattete Erdwärmesonde
soll eine deutlich verbesserte Funktionalität vor allem
in Hinsicht auf die Wärmeübertragung im Vergleich
zu herkömmlichen Sonden nach dem Stand der Technik aufweisen.
Insbesondere sollen Kosten bei dem Betrieb der Erdwärmesonde gespart
werden. Es wird vor allem eine höhere Volumenstromrate
pro Zeiteinheit in Verbindung mit einer Einsparung von Antriebsleistung
bei konstantem Ausgangsvolumenstrom angestrebt.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Sondenfuß für
eine Erdwärmesonde nach den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige
bzw. vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Gegenstandes.
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Der
Sondenfuß für eine Erdwärmesonde weist
mindestens ein Zulaufrohr und mindestens ein Rücklaufrohr
auf. Erfindungsgemäß zeichnet er sich dadurch
aus, dass das mindestens eine Zulaufrohr mit dem mindestens einen
Rücklauf rohr über eine asymmetrisch geformte Rohrumlenkung
miteinander verbunden ist.
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Die
Rohrumlenkung weist also keine symmetrische U-Form wie bei den aus
dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen auf.
Damit wird den komplexen Strömungsverhältnissen
innerhalb der Umlenkung Rechnung getragen. Die Rohrgeometrie der
Rohrumlenkung ist den strömungstechnischen Erfordernissen
angepasst. Dies führt zu einer erheblichen Verbesserung
der strömungstechnischen Performance des Sondenfußes.
Die asymmetrisch geformte Rohrumlenkung bewirkt vor allem eine Reduzierung
des Druckverlustes sowie des Strömungsverlustes der in
der Erdwärmesonde umlaufenden Sole.
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Die
asymmetrisch geformte Rohrumlenkung ist bei einer Ausführungsform
als ein das mindestens eine Zulaufrohr mit dem mindestens einen
Rücklaufrohr verbindendes Umlenkbauteil ausgebildet. Dieses
Umlenkbauteil ist ein entsprechend ausgeführtes Rohrstück,
dass zwischen das Zulauf- und das Rücklaufrohr montierbar
ist. Dadurch können das Zulauf- und das Rücklaufrohr
im wesentlichen konventionell ausgeführt sein, während
das Umlenkbauteil strömungsdynamisch angepasst und als
modulares Bauteil zwischen beide Rohre montiert werden kann.
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Zweckmäßigerweise
sind das mindestens eine Zulaufrohr und das mindestens eine Rücklaufrohr
im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Diese Bauform
ist durch die Gestaltung des Bohrloches, in dem sich die Erdwärmesonde
befindet, bestimmt. Wichtig ist, dass die parallele Ausrichtung zwischen
Zulauf- und Rücklaufrohr beibehalten werden kann, wobei
allein die Gestaltung des Sondenfußes die Strömungsdynamik
der Sole verbessert.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform weist die der Rohrumlenkung
folgende Rohr-Mittelachse in mindestens einem Abschnitt eine Krümmung
auf, die entgegen der durch die Rohrumlenkung vorgegebenen Hauptkrümmung
gerichtet ist.
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Die
Hauptkrümmung der Rohrumlenkung ist wie beschrieben durch
die asymmetrische U-Form vorgegeben. Zusätzlich dazu weicht
der Verlauf des Rohres im Umlenkbereich an mindestens einer Stelle in
seiner Krümmungsrichtung von dieser U-Form ab. Der Rohrverlauf
ist mit anderen Worten an diesen Abschnitten „ausgebeult"
bzw. „ausgewölbt" und damit den strömungsdynamischen
Prozessen im Umlenkbereich besonders angepasst.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform weist die der Rohrumlenkung
folgende Mittelachse in mindestens einem Abschnitt einen Krümmungsmittelpunkt
auf, der sich außerhalb des zwischen des von den Mittelachsen
des mindestens einen Zulaufrohres und des mindestens einen Rücklaufrohres
eingeschlossenen Bereiches befindet.
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Der
Abschnitt mit einem solchen Krümmungsmittelpunkt ragt damit
aus der generalisierten U-Form deutlich heraus und dient einer besonders nachhaltigen
Anpassung des Rohrverlaufs an die Strömungsverhältnisse
im Sondenfuß.
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Der
Sondenfuß besteht bei einer vorteilhaften Ausführungsform
mindestens teilweise aus vernetzten polymeren Werkstoffen. Derartige
Werkstoffe ermöglichen es, einen Rohrabschnitt fertigungstechnisch
in besonders einfacher Weise in den erwähnten Verlauf zu überführen
und stellen eine kostengünstige und korrosionsbeständige
Alternative zu metallischen Ausführungsformen von Rohrleitungen
dar.
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Das
mindestens eine Zulaufrohr, das mindestens eine Rücklaufrohr
und/oder die asymmetrische Rohrumlenkung sind bei einer Ausführungsform von
einem Schutzmantel umschlossen. Der Schutzmantel schirmt den Sondenfuß bzw.
die gesamte Erdwärmesonde vor der direkten mechanischen
Einwirkung der umgebenden Bodenschichten ab.
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Zweckmäßigerweise
weist der Schutzmantel ein der auf die Erdwärmesonde im
Bohrloch ausgeübten Auftriebskraft entgegen wirkendes Gewicht auf.
Er erfüllt damit eine stabilisierende und verankernde Funktion
für die gesamte Erdwärmesonde.
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Der
Schutzmantel weist zweckmäßigerweise eine Form
eines Pyramiden- oder Kegelstumpfes auf. Eine derartige Form ermöglicht
beim Absenken der Erdwärmesonde ein besonders einfaches
Verdrängen von Bodenmaterial aus dem Bohrbereich und erleichtert
somit das Einsetzen der Sondenvorrichtung beträchtlich.
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Der
Zwischenraum zwischen dem mindestens einen Zulaufrohr und dem mindestens
einen Rücklaufrohr ist bei einer Ausführungsform
mit einem Polymermaterial ausgefüllt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform mit zwei Zulaufrohren und
zwei Rücklaufrohren ist jeweils ein Zulaufrohr und ein
Rücklaufrohr paarweise über jeweils eine asymmetrischen
Rohrumlenkung verbunden. Damit enthält der Sondenfuß insgesamt
zwei Rohrumlenkungen, wobei die Erdwärmesonde als eine
Duplexsonde ausgebildet ist.
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Über
die asymmetrische Rohrumlenkung der vorhergehend genannten Ausführungsformen
sind mindestens zwei Rohre miteinander verbunden. Die Rohre verlaufen
dabei sowohl innerhalb einer Ebene oder je nach Erfordernis in unterschiedlichen
Ebenen.
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Eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Sondenfußes wird nachfolgend anhand der Darstellungen in 1 bis 4 näher
erläutert. Es werden für gleiche oder gleich wirkende
Teile die selben Bezugszeichen verwendet. Es zeigt:
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1 eine
Seitenansicht eines beispielhaften Sondenfußes,
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2 eine
Draufsicht auf einen Sondenfuß,
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3 eine
Seitenansicht eines Sondenfußes im Schnitt,
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4 eine
Ansicht einer Rohrumlenkung mit verschobenem Krümmungsmittelpunkt.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Sondenfußes. Der Sondenfuß enthält
ein Zulaufrohr 1, ein Rücklaufrohr 2 und
einen die beiden Rohre umgebenden Schutzmantel 3 zum Schutz
vor äußeren Einwirkungen. Der Schutzmantel 3 ist
in Form eines Pyramidenstumpfes oder Kegelstumpfes ausgebildet. Diese
Form erweist sich als vorteilhaft während des Einführens
des Sondenfußes in das Bohrloch. Durch diese geometrische
Form wird die Einführung nicht durch sich aufstauende Luft
oder Flüssigkeit behindert, im Bohrloch befindliches Material
kann leichter entlang der Flanken des Sondenfußes verdrängt werden.
Die aus dem Sondenfuß herausragenden Enden des Zu- bzw.
Rücklaufrohres bilden die Verbindung mit den zu der hier
nicht gezeigten Wärmepumpe führenden Rohrleitungen.
Das Zulauf- und das Rücklaufrohr verlaufen im Bereich des
Sondenfußes annähernd parallel zueinander.
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2 zeigt
einen Sondenfuß für eine Duplex-Ausführung
in einer beispielhaften Draufsicht. Der Sondenfuß weist
in diesem Beispiel einen kreisförmigen Querschnitt auf.
Bei dem hier dargestellten Sondenfuß sind vier Rohre vorgesehen,
die in dem Schutzmantel 3 eingebettet und fixiert sind.
Es sind in diesem Beispiel jeweils zwei Rohre für den Zulauf 1 sowie
den Rücklauf 2 der Sole vorgesehen.
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3 zeigt
eine Schnittdarstellung des beispielhaften Sondenfußes.
Der Sondenfuß weist in diesem Beispiel ein Zulaufrohr 1 und
ein zu diesem annähernd parallel verlaufendes Ablaufrohr 2 auf. Das
Zulaufrohr 1 und das Ablaufrohr 2 sind über
eine asymmetrisch geformte Rohrumlenkung 4 miteinander
verbunden. Die zwei Rohre sowie die Rohrumlenkung 4 sind
hierbei ebenfalls von dem Schutzmantel 3 umhüllt
und fixiert. Als Material für den Schutzmantel bieten sich
verschiedene Materialien, insbesondere poröse Polymere,
an. Poröse Materialien schützen einerseits die
im Sondenfuß enthaltenen Rohrleitungen und ermöglichen
andererseits einen Zutritt von umgebendem Bodenwasser zur Rohrleitungsoberfläche.
Sie bilden somit einen Kontakt zur Wärmeübertragung
zwischen Sole und Boden aus.
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Die
Rohrumlenkung 4 ist bezüglich der Längsachse
L des Sondenfußes unsymmetrisch ausgeführt. Sie
bildet insbesondere keine symmetrische U-Form aus. Der Verlauf der
Rohrumlenkung 4 weist drei verschiedene Abschnitte auf.
Bei einem ersten Abschnitt 5 folgt die Mittellinie ML der
U-Form der Rohrumlenkung und weist eine entsprechende Hauptkrümmungsrichtung
auf.
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In
einem zweiten Abschnitt 6 und einem dritten Abschnitt 7 wechselt
die Krümmungsrichtung der Rohrumlenkung 4 und
weist ein entgegen gesetztes Vorzeichen im Vergleich zur Krümmungsrichtung
des Abschnittes 5 auf. Die Krümmungsradien der
Abschnitte 6 und 7 weisen darüber hinaus
unterschiedliche Beträge auf. Insgesamt ergibt sich für
die Rohrumlenkung 4 eine asymmetrische, leicht ausgebauchte
U-Form, bei der durch die Ausbauchung der Krümmungsradius
im Abschnitt 5 gegenüber der konventionellen U-Form
vergrößert ist.
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Das
in der Rohrumlenkung strömende Medium erfährt
durch diese Gestaltung der Rohrumlenkung einen im Vergleich zur
normalen U-Form verringerten Strömungswiderstand.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform des Sondenfußes,
insbesondere der Rohrumlenkung 4. Bei diesem Beispiel weist
die Rohrumlenkung einen Abschnitt 6 auf, dessen Krümmungsmittelpunkt M
außerhalb eines durch die Mittelachsen A des Zulaufrohres 1 und
des Rücklaufrohres 2 bezeichneten Bereiches B
befindet. Die Rohrumlenkung nimmt dabei die Gestalt eines seitwärts
hakenförmig gekrümmten U an.
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Die
Rohrumlenkungen in sämtlichen gezeigten Ausführungsformen
sind zweckmäßigerweise als Umlenkbauteile ausgeführt,
die modulartig mit den Zulauf- und Rücklaufrohren der Erdwärmesonde über
Flanschverbindungen verbunden sind. Besonders vorteilhaft sind dabei
Umlenkbauteile mit einer zunächst veränderlichen
flexiblen Gestaltung aus Kunststoff. Bei der Fertigung der Erdwärmesonde werden
die flexiblen Umlenkbauteile zunächst u-förmig
an die entsprechenden Zulauf- und Rücklaufrohre angeflanscht
und anschließend asymmetrisch in die endgültige
strömungsgünstige Form gebracht, bevor diese schließlich
mit dem Schutzmantel umkleidet und fixiert werden. In diesem Fall
stabilisiert der Schutzmantel die endgültig erstellte optimale Form.
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Die
beschriebene Formgebung des Umlenkbauteiles kann insbesondere während
einer Messung des Strömungswiderstandes erfolgen. Dabei wird
die gefertigte Anordnung aus Zulaufrohr, Umlenkbauteil und Rücklaufrohr
testweise mit einem Medium durchströmt, wobei die Form
des Umlenkbauteiles verändert und der sich dabei einstellende Strömungswiderstand
gemessen wird. Die bei einem minimalen Strömungswiderstand
vorliegende Form des Umlenkbauteiles wird dann beibehalten und fixiert.
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- 1
- Zulaufrohr
- 2
- Rücklaufrohr
- 3
- Schutzmantel
- 4
- Rohrumlenkung
- 5
- U-förmiger
Abschnitt
- 6
- erster
Abschnitt, abweichende Krümmungsrichtung
- 7
- zweiter
Abschnitt, abweichende Krümmungsrichtung
- ML
- Mittellinie
- L
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - CH 687268
A5 [0007]
- - DE 29912335 U1 [0008]
- - DE 20202578 U1 [0009]
- - DE 29613450 U1 [0010]