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Sonde zur Aufnahme von Erdwärme und Verfahren
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zum Einbringen der Sonde in das Erdreich Die Erfindung betrifft nach
einem ersten Erfindung gedanken eine Sonde zur Aufnahme von Erdwärme mit einem säulenartig
in das Erdreich hineinragenden Rohrkörper, dessen erdseitiges Ende verschlossen
ist und in dessen Innenraum zur Bildung eines Spülmantels ein Innenrohr mit einem
gegenüber dem Innendurchmesser des Rohrkörpers kleineren Durchmesser angeordnet
ist.
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Anordnungen dieser Art lassen an sich gute Ergebnisse
erwarten.
Gemäß einem in einem älteren Vorschlag geschilderten Ausführungsbeispiel soll der
in das Erdreich hineinragende Rohrkörper an seinem unteren Ende mittels einer praktisch
aufgeschweißten Kappe verschlossen sein. Hiermit läßt sich zwar ein zuverlässiger
Verschluß erreichen. Die Verschlußkappe muß Je doch vor dem Einbringen des Rohrkörpers
in das Erdreich bereits aufgesetzt sein, so daß ein derart verschlossener Rohrkörper
nur in eine vorher bereits hergestellte Bohrung eingeschoben werden kann, was als
nachteilig empfunden wird, weil sich hierbei Schwierigkeiten ergeben können, die
in das Erdreich niedergebrachte Bohrung bis zum Einführen des Rohrkörpers ausreichend
abzustützen.
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Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
eine Anordnung eingangs erwähnter Art mit einfachen Mitteln so zu verbessern, daß
der Rohrkörper als Bohrgestänge Verwendung finden und somit bereits mit der Bohrung
in das Erdreich niedergebracht werden kann, wodurch sich die Durchführung der Bohrarbeiten
wesentlich erleichtert und vergleichsweise kurze Montagezeiten ergeben.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung in überraschend
einfacher Weise dadurch, daß das erdseitige Ende des in das Erdreich hineinragenden
Rohrkörpers mittels eines vorzugsweise abnehabaren Kolbens verschließbar ist, der
dichtend auf einen in den Rohrkörper eingesetzten, mit einer axialen Bohrung versehenen
Sitzkörper aufsetzbar ist.
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Diese Maßnahmen eröffnen in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, den
zunächst unten offenen Rohrkörper
als Bohrgestänge und Spülleitung
zur Spülung der Bohrstelle zu verwenden, was die Durchführung einer Spülbohrung
erlaubt, und damit einen Abtransport von Bohrschutt überflüssig macht. Nach Beendigung
der Bohrarbeiten wird der Kolben eingesetzt und damit der Innenraum des Rohrkörpers
nach unten verschlossen. Der verschlossene Rohrkörper kann somit die Funktion des
Außenmantels der erfindungsgemäßen Sonde übernehmen.
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Das unterhalb des dem Kolben zugeordneten Sitzkörpers angeordnete
Bohrwerkzeug, beispielsweise ein Rollenmeißel oder dergleichen, gilt hierbei zwar
als verloren. Durch die mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen erreichte Vereinfachung
der Bohrarbeiten wird dieser Verlust aber weit aufgewogen. Ein weiterer Vorteil
der erfindungsgemäßen Maßnahmen besteht darin, daß über den unten offenen Rohrkörper
auf einfache Weise eine Bindemittel-Aufschwemmung, beispielsweise eine Zement- oder
vorzugsweise eine Wärmezement-Aufschwemmung, von unten in den Zwischenraum zwischen
der Rohrkörperaußenwand und dem Erdreich eingedrückt werden kann, wodurch ein ausgezeichneter
Wärmeschluß zwischen der erfindungsgemäßen Sonde und dem Erdreich, dem Wärme entzogen
werden soll, zu bewerkstelligen ist.
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Gleichzeitig ergeben derartige Bindemittel einen ausgezeichneten Korrosionsschutz,
was eine lange Lebensdauer gewährleistet. Sofern der Kolben von seinem Sitzkörper
abnehmbar ist, besteht in vorteilhafter Weise jederzeit die Möglichkeit, die Bohrung
zu vertiefen und damit die Sonde zu verlängern, was in vorteilhafter Weise einen
Ausbau Zug um Zug ermöglicht und sich daher positiv auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der übergeordneten
Maßnahmen
kann darin bestehen, daß der Kolben einen Führungizylinder und einen in die Bohrung
des Sitzkörpers eingreifenden Zapfen aufweist. Der Führung zylinder gewährleistet
eine verkantungifreie Führung des Kolbens ia Rohrkörper und damit eine sichere Montage
auch in sehr großer Tiefe. Der zweckmißig hieran angesetzte, in die Bohrung des
Sitzkörpers eingreifende Zapfen ermöglicht eine saubere Abdichtung.
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Zweckmäßig kann der Zapfen mit elastischen Dichtringen versehen sein,
die einen sauberen Preßsitz ergeben.
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Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, daß der obere
Bereich der Sitzkdrperbohrung konisch erweitert ist. Hierdurch ist in vorteilhafter
Weise praktisch eine Selbstzentrierung des Kolbens gewährleistet, dessen Zapfen
infolge der konischen Erweiterung praktisch selbsttätig in die zugeordnete Bohrung
hineinsuchen kann. Zweckmäßig kann sich an die konische Erweiterung der Sitskörperbohrung
ein dem Führungszylinder zugeordneter zylindrischer Sitz Anschließen.
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Um ein Abziehen des Kolbens zu ermöglichen, kann der Kolben in weiterer
Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen im Bereich seiner nach oben weisenden Stirnseitc
zweckmäßig mit einem Stangen-Verbindungselement, vorzugsweise einfach mit einem
zweckiäßig nach oben konisch erweitertes Gewindesackloch versehen sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der übergeordneten Maßnahmen
kann ferner darin bestehen, daß der Außendurchmesser des Führungszylinders des Kolbens
etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des in das
Erdreich
hineinragenden Rohrkörpers. Hierdurch ist sichergestellt, daß beim Absenken des
Kolbens im Rohrkörper unterhalb des Kolbens sich befindendes Wasser auf die oberhalb
des Kolbens liegende Seite gelangen kann, was ein gedämpftes aber sicheres Niedergehen
des Kolbens sicherstellt unter gleichzeitiger Gewährleistung einer ausreichenden
Verkantungsfreiheit.
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In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen kann der in das
Erdreich hineinragende Rohrkörper im Bereich seines äußeren Umfangs mit umlaufenden,
vorzugsweise spiralförmig umlaufenden Rippen versehen sein. Diese Rippen gewährleisten
eine große Wärmeübergangsfläche und damit einen ausgezeichneten Wärmefluß, so daß
eine ausgezeichnete Wärmeaufnahme zu erwarten ist.
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Die Erfindung betrifft nach einem weiteren Erfindungsgedanken ein
Verfahren zum Einbringen der erfindungsgemäßen Sonde in das Erdreich. Nach der Lehre
dieses Erfindungsgedankens soll zunächst der Rohrkörper im Wege einer Spülbohrung
als verlorenes Bohrgestänge in das Erdreich eingebracht werden, anschließend wird
der dem Kolben zugeordnete Sitz des Sitzkörpers mit in den Rohrkörper eingeleitetem
Klarwasser freigespült und dann der Kolben unter weiterem Klarwasserzufluß in den
Rohrkörper in diesem versenkt. Anschließend wird der Innenraum des Rohrkörpers einfach
zumindest solange unter Druck gesetzt, bis der Wasser fluß aus dem Rohrkörper stoppt.
Diese Maßnahmen gewährleisten ersichtlich eine einfache Montage und damit in vorteilhafter
Weise kurze Montagezeiten, was sich vorteilhaft auf die Gestehungskosten auswirkt.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen
der übergeordneten Maßnahmen ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den restlichen Unteransprüchen.
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Hierbei zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Sonde in bereits fertiggestelltem Zustand und Figur 2 einen Schnitt durch ein den
dem Kolben zugeordneten Sitzkörper aufnehmendes Rohrstück.
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Die in Figur 1 dargestellte Sonde zur Aufnahme von Erdwärme besteht
aus einem als Ganzes mit 1 bezeichneten, säulenartig in das Erdreich hineinragenden
Rohrkörper mit einem hierin etwa koaxial angeordneten Innenrohr 2. Zwischen dem
den Außenmantel der Sonde bildenden Rohrkörper 1 und dem hierin angeordneten, einen
gegenüber dem Innendurchmesser des Rohrkörpers 1 kleineren Außendurchmesser aufweisenden
Innenrohr 2 ist eine Spülkammer 3 vorgesehen, die Aber das Innenrohr 2 mit Wärmeaufnahmemedium,
in der Regel Wasser, beaufschlagt wird. Hierzu ist im Bereich des unteren Endes
des Innenrohrs 2 ein etwa als Wirbelkammer oder dergleichen ausgebildeter Überlauf
4 vorgesehen. Das obere Ende des Innenrohrs 2 ist mit einer hier durch einen RohrkrUser
5 angedeuteten Zulauf versehen. Das obere Ende des den Außenmantel der Sonde bildenden
Rohrkörpers 1 weist einen hier als T-StUck 6 ausgebildeten Abfluß auf. Das bei 5
der Sonde zugeleitete
Wasser niamt an den Wandungen der Spülkammer
3 Wärme auf, welche die Sonde dem umliegenden Erdreich entzieht. Zur Verbesserung
des Wärmeflusses kann der Rohrkörper 1 mit in das umliegende Erdreich hineinragenden
Rippen versehen sein, wie in Figur 1 bei 7 angedeutet ist. Im dargestellten AusfUhrwngsbeispiel
handelt es sich vorteilhaft um spiralförlig umlaufende Rippen, die eine Drehbewegung
des Rohrkörpers 1 gestatten.
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Der Rohrkörper 1 sitzt mit einem Tragflansch 8 am oberen Rand der
zugeordneten Erdbohrung auf, die mit einem am unteren Ende des Rohrkörpers 1 angebrachten,
bei 9 angedeuteten Meißel, der vorteilhaft als Rollenmeißel ausgebildet sein kann,
in das Erdreich niedergebracht wird. Während der Bohrarbeiten dient der Rohrkörper
1 als Bohrgestänge. 1. dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der als Ganzes
mit 1 beseichnetze Rohrkörper aus drei mittels jeweils einer bei 10 angedeuteten
Muffe aneinander festgelegten RohrschUssen 1t, 12 und 13, die beil Niederbringen
der Bohrung stetig aneinander festgelegt werden. Zur Gewährleistung von Spülbohrbetrieb
ist der Rohrkörper 1 im Bereich seines erdseitigen Endes zunächst offen und dient
somit gleichzeitig als Zuleitung von Spülwasser zur Bohrstelle. Im dargestellten
Montagebeispiel ist die endseitige Öffnung des Rohrkörpers 1 mit einem zugeordneten
Kolben 14 verschlossen, so daß kein Verlust von die Sonde durch strömendem Wärmeaufnahmemedium
zu befürchten ist.
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Hierzu ist der Rohrkörper 1, wie am besten aus Figur 2 erkennbar ist,
mit einem eine zentralc Axialbohrung 15 aufweisenden Sitzkörper 16 versehen, auf
welchen der Kolben 14 auf setzbar ist. Der Kolben 14 und der
Sitzkörper
16 sind als einfache Drehteile ausgeführt.
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Der Sitzkörper 16 kann einfach in den unteren Rohrschuß 11 eingesetzt
sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel findet zur Aufnahme des Sitzkörpers 16
ein im Vergleich zu den Rohrschüssen kurzes Rohrstück 17 Verwendung, das am unteren
Rohrschuß 11 festgelegt ist und das zur Aufnahme des Meißels 9 dient, was eine einfache
Vorfertigung gewährleistet und die Montage erleichtert. Der Kolben 14 ist mit einem
in der Montagestellung in die Bohrung 15 eingreifenden Zapfen 18 versehen. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel sind im Bereich des Zapfens 18 mehrere elastische Dichtringe
19 angeordnet, die einen exakten Dichtsitz gewährleisten. Der Kolben 14 wird einfach
im Rohrkörper 1 bis zum Sitzkörper 16 abgelassen. In Figur 2 ist die Stellung kurz
vor Erreichen des Sitzkörpers 16 festgehalten. Zur Gewährleistung einer scrkantungsfreien
EUhrung des Kolbens 14 im Rohrkörper 1 ist der Kolben 14 mit einem Führungszylinder
20 versehen, an welchen der Zapfen 18 angesetzt ist. Der Durchmesser des FUhrungszylinders
20 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser der Rohrschüsse 11 bis 13 bzw. des
denselben Durchmesser aufweisenden Rohrstücks 17, so daß bei ausreichender Führung
ein zuverlässiges Niedergehen des Kolbens 14 in dem mit Wasser gefüllten Rohrkörper
1 gewährleistet ist. Die Sitzkörperbohrung 15 ist im Bereich ihres oberen Endes
mit einer konischen Erweiterung 21 versehen, wodurch der Zapfen 18 des Kolbens 14
praktisch selbsttätig in die zugeordnete Bohrung 15 hineingeführt wird. Oberhalb
der konischen Erweiterung 21 weist der Sitzkörper 16 einen dem Führungszylinder
20 zugeordneten, zylindrischen Sitz 22 auf. Der Übergangsbereich zwischen Führungszylinder
20 und Zapfen 18 kann ebenfalls konisch ausgebildet
sein. Um den
Kolben 14 mit Hilfe einer geeigneten Stange wieder von seinem Sitz abheben zu können,
ist im Bereich der nach oben weisenden Kolbenstirnseite ein geeignetes Stangen-Verbindungselement,
im dargestellten Ausführungsbeispiel einfach eine Gewindesackbohrung 23 vorgesehen,
die zweckmäßig nach oben konisch erweitert ist, wie bei 24 angedeutet ist.
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Der hier in das Rohrstück 17 einfach eingeschweißte Sitzkörper 16
ist zweckmäßig so angeordnet, daß sich unterhalb seiner unteren Stirnseite ein in
Figur 2 bei 25 angedeuteter Freiraum ergibt. Die Höhe dieses Freiraums 25 kann in
etwa dem Rohrdurchmesser entsprechen. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß
unterhalb des Sitzkörpers 16 ausreichend Platz vorhanden ist, in welchem Steine
oder dergleichen, welche nicht ausgespült wurden, liegenbleiben können, ohne die
Bohrung 15 für den zugeordneten Zapfen 18 zu blockieren.
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Beim Einbringen der vorstehend beschriebenen Sonde in das Erdreich
wird zweckmäßig so vorgegangen, daß zunächst das den Sitzkörper 16 aufweisende Rohrstück
17 am ersten Schuß 11 festgelegt wird. Anschließend wird der Meißel 9 auf das freie
Ende des Rohrstücks 17 aufmontiert. Die derart vorbereitete Einheit wird in einen
Bohrwagen eingesetzt und im Sptlbohrbetrieb, d.h. unter ständigem Druckwasserzufuhr
zum Meißel 9 über den Innenraum des Rohrkörpers 1 niedergebracht, wobei der Rohrkörper
1 nach Erreichen der entsprechenden Tiefe durch Aufsetzen jeweils eines weiteren
Schusses 12 bzw. 13 verlängert wird, bis die endgültige Tiefe erreicht ist. Nach
Aufsetzen des Tragflansches 8 auf den Rand der Bohrung wird der Innenraum
des
Rohrkörpers 1 durch Zufuhr von Klarwasser eine ausreichende Zeit, etwa 5 Minuten,
gespült. Anschließend kann sofort der Kolben 14 abgesenkt werden. Diesen läßt man
einfach unter der Wirkung seines eigenen Gewichts im Rohrkörper 1 absinken, wobei
währenddessen laufend Klarwasser nachgeführt wird, so daß die unter dem Kolben 14
sich befindende Wassersäule eine Abbremsung bewirkt und der Kolben 14 somit gedämpft
auf den zugeordneten Sitzkörper 16 aufsetzt. Durch entsprechende Wahl des Durchmesserunterschieds
zwischen dem Innendurchmesser des Rohrkörpers 1 und dem Außendurchmesser des Führungszylinders
20 läßt sich die Sinkgeschwindigkeit auf das gewünschte Maß bringen. Sobald der
Kolben 14 abgesenkt ist, wird der Innenraum des Rohrkörpers 1 unter Druck gesetzt,
etwa durch entsprechende Druckwasserzufuhr. Sobald der Wasserabfluß über die Bohrung
15 aus dem Innenraum des Rohrkörpers 1 stoppt, ist dies ein Zeichen dafür, daß der
Zapfen 18 die Bohrung 15 verschlossen und der Kolben 14 unter der Wirkung des an
ihm angreifenden Drucks seinen Sitz erreicht hat. Anschließend kann daher der zur
Druckbeaufschlagung an seinem oberen Ende abgedeckelte Rohrkörper 1 geöffnet und
das Innenrohr 2 montiert werden. Dieses wird einfach in den durch den Rohrkörper
1 gebildeten Außenmantel eingesteckt.
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Zur Erhöhung der Verweilzeit des den Spülmantel 3 durchströmenden
Wärmeaufnahmemediums kann das Innenrohr 2 mit an seinem Umfang angebrachten Leitschaufelkränzen
der in Figur 1 bei 25 angedeuteten Art versehen sein. Diese dienen in vorteilhafter
Weise gleichzeitig zur Bewerkstelligung einer ausreichenden Zentrierung des Innenrohrs
2 im Rohrkörper 1.
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Zur Erhöhung des Wärmeschlusses zwischen dem Rohrkör-
per
1 und dem diesen umgebenden Erdreich kann vorteilhaft ein geeignetes Bindemittel
Verwendung finden.
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Dieses wird zweckm8nig in Form einer Aufschwemmung vor der Montage
des Kolbens 14 über den freien Innenraum des Rohrkörpers 1 und die offene Bohrung
14 von unten in den Zwischenraum zwischen dem äußeren Umfang des Rohrkörpers 1 und
dem umgebenden Erdreich eingedrückt. Zweckmäßig wird hierzu der Rohrkörper 1 einfach
solange unter Druck mit der Bindemittel-Aufschwemmung beaufschlagt, bis im Bereich
des Tragflansches 8 Bindemittel austritt. Anschließend wird das im Rohrkörper 1
sich befindende Bindemittel durch Zufuhr von Klarwasser über die Bohrung 14 nach
unten ausgespült. Anschließend wird der Kolben 14 montiert, wie weiter oben bereits
beschrieben. Das zur Verbesserung des Wärmeschlusses verwendete Bindemittel ergibt
gleichzeitig in vorteilhafter Weise einen ausgezeichneten Korrosionsschutz der Oberflächen
des Rohrkörpers 1, womit eine lange Lebensdauer gewihrleistet ist. Als Bindemittel
kann zweckmäßig Zement, vorzugsweise sogenannter Wärmezement, Verwendung finden.
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Vorstehend ist zwar ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel
näher beschrieben, ohne daß jedoch hiermit eine Beschränkung verbunden sein soll.
Vielmehr stehen dem Fachmann eine Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung, um den
allgemeinen Gedanken der erfindungsgemäßen Lösungen an die Verhältnisse des Einzelfalls
anzupassen.