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Vorrichtung zur Entnahme von Bodenwärme aus dem Grundwasser und/oder
dem
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das Grundwasser umgebenden Erdreich Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Entnahme von Bodenwärme aus dem Grundwasser und/oder dem das
Grundwasser umgebenden Erdreich mittels einer senkrecht in den Boden eingeführten
Sonde aus ein Zwischenträgermedium führenden Rohren, von denen das oder die mit
ihrer äußeren Oberfläche den Erdreich zugekehrten Rohre ati ihrem unteren Ende abgeschlossen
sind, und dem in geschlossenem Kreislauf umlaufenden Zwischenträgermedium, wobei
der Kreislauf einerseits zur Anordnung unterhalb der Erdoberfläche in Kontakt mit
dem Grundwasser und/oder dem umgebenden Erdreich ausgebildet und andererseits mit
der Primärseite einer außerhalb des Erdreichs angeordneten Wärmepumpe verbunden
ist Für die Entnahme von Bodenwärme unter Einsatz einer Wärmepumpe sind verschisdenartige
Vorrichtungen bekannt. Sogenannte Erdwärmerückgewinnungsanlagen mit waagerecht ausgelegten
Rohrsystemen erfordern aufwendige Verlegungsarbeiten und ein großes Grundstück.
Sogenannte "Luft-Wasser"-Wärmepunlpen sind aufwendig und bringen sowohl eine Lärmbelästigung
als auch eine Vegetations-
beeinflussung durch die abgegebene Kaltluft
mit sich. Bei den bekannten Vorrichtungen wird das Grundwasser aus einem Brunnen
entnommen, der Wärmepumpe zugeführt und nach der Wärmeentnahme und der damit verbundenen
Temperaturabsenkung wieder in das Erdreich eingeleitet. Es hat sich jedoch gezeigt,
daß die für die Genehmigung der Errichtung einer derartigen Anlage zuständigen Behörden
vielfach Eingriffe in den Grundwasserhaushalt befürchten, da insbesondere nicht
sichergestellt ist, ob das entnommene Grundwasser tatsächlich wieder ordnungsgemäß
eingeleitet wird.
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Bekannt ist auch bereits ein sog. Wärmeaustauscher für Erdwärmenutzung
(Erdspieß) in Form eines einige Meter langen hohlen Bauteils, das senkrecht in das
Erdreich gedrückt oder gesenkt wird und in dem Strömungskanäle so ausgebildet sind,
daß eine strömende Wärmeübertragungsflüssigkeit in ihm erst nach unten und dann
wieder nach oben geführt wird. Nachteilig hierbei ist die verhältnismäßig kurze
Baulänge solcher Bauteile, die schon aufgrund des Transportes auf 5 bis 6 m beschränkt
ist. Damit bleibt aber der Versuch eines Wärmeentzuges aus dem Erdreich auf den
oberflächennahen Bereich beschränkt.
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Eine langdauernde Betriebsfähigkeit und die Betriebssicherheit ist
durch die Gefahr eines vorzeitigen Einfrierens bei solchen in Oberflächennähe arbeitenden
Anlagen nicht gewährleistet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu
schaffen, die trotz der Anbindung an das Grundwasser oder den Grundwasserbereich
keinen Eingriff in den Grundwasserhaushalt bedeutet und störungsfrei arbeitet.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das oder
die mit ihrer äußeren Oberfläche dem Erdreich zugekehrten Rohre als unten abgeschlossene
Wellrohre ausgebildet sind, in das oder die von oben ein oder mehrere Glattrohre
hineinragen, die im unteren, dem Wellrohrabschluß zugekehrten Ende frei münden.
Hierdurch ist es möglich, einen Wärmeaustauscher so im Grundwasser bzw. feuchten
Erdreich anzubringen, daß das in dem Wärmeaustauscher enthaltende Zwischenträgermedium
die Temperatur des Grundwassersbzw. des feuchten Erdreiches annimmt, ohne daß das
Grundwasser selbst aus dem Erdreich entnommen wird. Das Zwischenträgermedium wird
in einem geschlossenen
Kreislauf der Primärseite einer außerhalb
des Erdreichs anzuordnenden llä,mlepumpe zugeführt und dann in der Wärmepumpe aus
dem Zwischenträgermediurn entnommen.
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Die Verwendung des oder der Außenrohre als Wellrohre bringt infolge
der vergrößerien Oberfläche des Wellrohres gegenüber einem glatten Rohr eine Verbesserung
des Wirkungsgrades des Wärmeüberganges mit sich. Als weiterer Vorteil des Wellrohres
ergibt sich eine große seismische Belastungsfähigkeit Während des Betriebes der
Wärmesonde können daher geologische Erdbewegungen durch die Flexibilität des Wellrohres
abgefangen werden. Gegenüber den bekanten Erdsonden, bei denen Rohre bestimmter
Länge erst an der 30hrstelle durch Verbindungsmuffen miteinander verbunden werden,
hat das Wellrohr darüber hinaus den Vorteil, daß keine Undichtigkeiten an Verbindungsstellen
auftreten können und es überdies nicht erforderlich ist, die Verbindungsstellen
jeweils einer Druckprüfung zu unterziehen. Das gilt insbesondere dann, wenn, wie
in Durchführung des Erfindungsgedankens vorgesehen, das oder die Wellrohre über
die gesamte Sondenlange eins-Lückig ausgebildet sind.In diesen Fall kann das Wellrohr
- etwa ähnlich einer Kabelverlegung - in seiner gesamten Länge an der Montagestelle
von einer Holzhaspel abgespult und ohne zusätzliche Arbeiten in das Bohrloch eingeführt
werden.
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In Durchführung der Erfindung kann man so vorgehen, daß der zum Kontakt
mit dem Grundwasser und/oder feuchten Erdreich ausgebildete Bereich des Kreislaufes
des Wärmeaustauschers in einen Brunnenschacht bis unterhalb des Wasserspiegels des
Grundwassers abgesenkt wird. Bei tiefer liegendem Grundwasser kann auch vorgesehen
werden, daß eine Tiefbohrung mittels eines verlorenen Bohrkopfes erstellt wird,
derart, daß das Erdreich jeweils herausgespült wird. Der zum Kontakt mit dem Grundwasser
ausgebildete Bereich des Kreislaufes des Wärmeaustauschers befindet sich in diesem
Fall an bzw. hinter dem verlorenen Bohrkopf und wird auf diese Weise entsprechend
tief in das Erdreich eingebracht.
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Als vorteilhaft hat es sich in Weiterführung der Erfindung erwiesen,
wenn das oder die mit ihrer äußeren Oberfläche dem Erdreich zugekehrten Wellrohre
aus im Verhältnis zu dem oder den inneren Glattrohren gut wärmeleit-
fähigen
Werkstoffen hergestellt sind. Besteht beispielsweise die Vorrichtung zur Entnahie
von Bodenwarme, also die Erdsnnde,aus zwei konzentrischen Rohren, dann kann in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß der zum Kontakt mit dem Grundwasser
und/oder feuchten Erdreich ausgebildete Bereich der Vorrichtung ein Innenrohr aufweist,
welches in ein dieses umschließendes Außenrohr freihängend eingeführt ist und im
unteren Bereich mündet, und das Außenwellrohr an seinem der Wärmepumpe abgewandten
Ende abgeschlossen ist. Dabei besteht das Außenwellrohr zweckmäßigerweise aus gut
leitendem Werkstoff, beispielswise Metall, während das Innenrohr im Verhältnis zum
Außenrohr aus schlechter wärmeleitfähigem Werkstoff Iic'.-steht, beispielsweise
aus Kunststoff. Als Metall kann ein geeigneter Edel stahl Anwendung finden, als
Kunststoff ist u.a. Polyethylen geeignet.
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Das Zwischenträgermedium wird in dem Innenrohr nach unten geführt,
tritt &n -unteren Ende in das Außenrohr ein und strömt dann längs der gut wärmeleitenden
Wandung des Außenrohres nach oben, wobei das vorher im Wärmeaustauscher abgekühlte
Zwischenträgermedium dann die Temperatur des Grundwassers bzw. dos daws Außenrohr
umgebenden Erdreiches annimmt. Die letztgenannte Ausführungsform weist den besonderen
Vorteil auf, daß die in das Erdreich einzuführende Anordnung einen relativ kleinen
Außendurchmesser haben kann und somit mittels eines üblicherweise für eine Versuchsbohrung
vorgesehenen Bohrgerätes tief (bis zu 100 m und mehr) in das Erdreich eingebracht
werden kann.
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Als Zwischenträgermedium eignet sich vorzugsweise eine Mischung aus
Wasser und lebensmittelfreundlichem Ethylenglykol Damit ist gewährleistet, daß auch
bei in dem Kreislauf des tiärmeaustauschers auftretenden Leckagen keine Bodenverseuchung
erfolgen kann.
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Fiir das oder die Außenrohre finden nach der Erfindung Wellrohre eine
vorteilhafte Anwendung Diese Wellrohre können beliebig hergestellt sein, wenn sie
nur die an eine Erdsonde nach der Erfindung glestellten Forderungen erfüllen.
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Insbesondere für die Fälle, bei denen neben der yuten Wärmeleitung
zum Grundwasser und/oder Erdreich eine Einstückigkeit der Erdsonde über die gesamte
Länge gefordert wird, hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn das
oder
die metallischen Wellrohre aus einem längseinlaufend zum Rohr geformten, an den
Kanten nicht verschweißten und anschließend gewellten Metallband dünner Wandstärke
bestehen. Als dünn im Sinne dieser Definition sollen Wandstärken eines Wellrohres
von 0,2 bis 1,2 mm, vorzugsweise 0>4 bis 0,8 mn, verwendet werden. Wird, wie
in Weiterführung der Erfindung auch vorgesehen, die Wellung des oder der dünnwandigen
Außenrohre so gewählt, daß die Wellung wendelförmig verläuft, dann ergibt sich als
weiterer Vorteil, daß die z. B.
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bei zwei konzentrischen Rohren im Ringsraum zwischen dem inneren glatten
Kunststoffrohr und dem äußeren gewellten Metallrohr befindliche Sole, etwa Ethylenglykol
L, in Turbulenz versetzt wird, die zu einem höchst gleichmäßigen Wärmeübergang führt.
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Dabei ist weiter zu berücksichtigen, daß zum Zwecke der Erzielung
einer Turbulenz der Sole im Ringspalt dieser bei konzentrischen Rohren 6 -10 4 bis
15 . 10-4m², vorzugsweise 7 . 10-4m², betragen sollte. Die angegebenden Maße berücksichtigen
einen mittleren Ringspalt zwischen glaLtei Innenrohr und gewellten Außenrohr.
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Unter Berücksichtigung der im Rahmen der Erfindung getroffenen Maßnahmen
ergeben sich. gegenüber den bekannten Vorrichtungen zur Entnahme von Erdwärma durch
die Erfindung die folgenden wesentlichen Vorteile: die Wärmeaufnahmefläche ist erheblich
vergrößert 1,5 :1,0), durch die geringe Wandstärke des Außenwellrohres ist der Wärmewiderstand
stark reduziert, durch die Wellform gleichzeitig aber die für die Sonde notwendige
mechanische Stabilität gegeben. Darüber hinaus sind als Wellrohre ausgcbildete Erdsonden
in praktisch beliebiger Länge auf Trommeln oder Spulen aufgewickelt leicht zu transportieren
und auf die geforderten Endlängen, beispielsweise auch erst am Montageort, zuschneidbar.
Die Wellrohr-Erdsonden können Ersversetzungen problemlos Folgen, ohne unter mechanische
Spannung zu geraten, die die Sonde zerstören könnte. tlier ist noch von besonderen,
Vorteil, daß z. B. bei konzentrischer Ausführung das innere Glattrohr frei hängend,
a. h. ohne Abstand haltende Elemente, im Außenwellrohr aufgehängt ist. Das fohrt
weiter dazu, daß Vlännedehnungen aus unterschiedlichen Betriebszuständen infolge
(er Kompensationsfähigkeit der Wellrohr-Sonde mühelos verkraftet werden können,
Zweckmäßigerweise
kann das Wellrohr aus legiertem Edelstahl bestehen. Auch dies trägt zu einem günstigen
Wärmeübergang bei. Sollte das Wellrohr im tiefen Bereich mitAußensolen oder mit
durch Kupfer, Kohlensäure oder dergl.
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angereichertem Grundwasser in Verbindung kommen, können galvanische
Ströme infolge Elementbildung gemessen werden. Die galvanische Spannung wird durch
eine dem Wellrohr nach einem weiteren Erfindungsgedanken zugeordnete Potentialausgleichseinrichtung
mit Opferanode ausgeglichen. Dadurch kann eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten
erreicht werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figur. zeigt eine schematische Darstellung
des zum Kontakt mit dem Grundwasser und/oder feuchten Erdreiches ausgebildeten Bereiches
des Wärmeaustauschers in seiner vorgesehenen Lage in einer Bohrung im Erdreich sowie
ein Blockschaltbild einer Wärmepumpe und eines Heizkreislaufes eines Gebäudes.
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Im Erdreich 1 sei unterhalb des Mutterbodens 2 und einer Sandschicht
3 eine grundwasserführende Schicht-vorhanden. In dieses Erdreich wird eine Bohrung
5 eingebracht. Ein insgesamt mit 6 bezeichneter Wärmeaustauscher weist einen Bereich
7 auf, der zum Einführen in die Bohrung 5 vorgesehen ist. Der Bereich 7 weist ein
frei eingehängtes Innenrohr 8 auf, welchem ein Zwischenträgermedium von einer Zirkulationspumpe
9a entsprechend der Pfeilrichtung A zuführbar ist. Das Zwischenträgermedium tritt
am unteren Ende 9b des vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden glatten Innenrohres
aus und strömt in einem den eigentlichen Wärmetauscher bildenden und als Wellrohr
ausgebildeten Außenrohr 10 in Pfeilrichtung B nach oben. Das Wellrohr 10 ist über
seine gesamte Länge einstückig ausgebildet und besteht aus legiertemEdelstahl. Die
Wellenform des Wellrohres eist eine einem Kordelgewinde oder einer wendelförmig
verlaufenden Wellung entsprechende Gestaltung auf. Der Wärmeaustauscher ist im übrigen
mit der Primärseite16 einer insgesamt mit 9 bezeichneten Wärmepumpe verbunden, deren
sekundäre Seite 15 über Leitungen 11 und 12 mit einem Heizkreislauf 13 eines Gebäudes
verbindbar ist. Ein Druckausgleichsgefäß ist mit 14 bezeichnet. Dem Wellrohr ist
eine (nicht dargestellte) Potentialausgleichseinrichtung mit einer Opferanode zugeordnet.
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Die Funktion der Anordnung ist derart, daß die im feuchten Erdreich
bzw.
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Grundwasser enthaltene Wärme in dem gewellten Bereich des den eigentlichen
Wärmeaustauscher bildenden Außenrohres 10 auf das Zwiscghenträgermedium übergeht
und in der Wärmepumpe 9 dem Zwischenträgermedium wieder entnommen wird. Da zwischen
dem direkt mit dem Außenrohr in Kontakt stehenden Grundwasser bzw. feuchten Erdreich
und dem umgebenden Grundwasser bzw. feuchten Erdreich ständig eine Temperaturausgleich
stattfindet, wird die durch des Zwischenträgermed i um erfolgende Temperaturabsenkung
kontinuierlich kompensiert.
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Es kommt hinzu, daß die Wärmepumpe diskontiiiuierlich arbeitet und
während des Betriebsstillstandes ein weiterer Temperaturausgleich erfolgen kann.
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Eine mögliche Ausführungsform der Erdsonde besteht beispielsweise
aus eines gewellten Außenrohr 10 mit einem maximalen Außendurchmesser von 45 mm
unrl einem'minimalen Innendurchmesser von 39 mm. Die Wandstärke des aus Edelstahl
hergestellten Wellrohres betrage 0,75 mm, die Länge des Wellrohres, die in das Erdreich
eingebracht wird, sei 50 m. Das Innenrohr 8, z. B. aus Polyethylen, ist ein Glattrohr,
es kann in der vorgesehenen Ausführung z B.
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einen Außendurchmesser von 25 mm und einen INnendurchmesser von 19,6
mm aufweisen. Der minimale Ringspalt zwischen Glattrohr 8 und Wellrohr 10 Beträgt
dann etwa 7- 10 4 m2, der mittlere Ringspalt 9 10 4 m2.
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Die Herstellung einer nach der Erfindung ausgebildeten Erdsonde aus
z. B.
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zwei konzentrischen Rohren kann so vorgenommen werden, daß um ein
inneres glattes Kunststoffrohr ein Stahlband zum Rohr geformt, an den Kanten verschweißt
und anschließend gewellt wird. Man kann aber auch so vorgehen, daß in ein fertiges
Wellrohr das Kunststoffrohr eingeführt wird. Wesentlich ist in jedem Fall, daß auf
diese Weise einstückige Erdsonden von 50, 100, 200 m oder mehr hergestellt werden
können, wobei sich das im Innern frei hängend angeordnete Kunststoffrohr im Betrieb
in seiner Lage selbst stabilisiert.
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Abstand haltende Elemente können entfallen.