DE4329269A1 - Verfahren zum Einbringen einer Erdsonde und eine Erdsonde - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Einbringen einer Erdsonde gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Gegenstand der Erfindung ist weiter eine Erdsonde gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 3.

Erdsonden werden eingesetzt um dem Erdreich Wärme zu entziehen und diese mit Hilfe einer Wärmepumpe auf ein höheres Energieniveau zu bringen.

Erdsonden für die Gewinnung von Erdwärme für die Erwärmung von Brauchwasser oder für Heizzwecke in Wohn- und Ge­ schäftshäusern reichen üblicherweise in eine Tiefe von 50 bis 150 m. Zu diesem Zweck werden vertikale Bohrlöcher im Erdreich erstellt und darin koaxial ausgebildete Rohre für die Zuführung und Entnahme von Wärmetauschflüssigkeit, im allgemeinen Wasser, eingebaut. Anstelle von koaxialen Roh­ ren können auch haarnadelförmig ausgebildete Rohre direkt in das Bohrloch eingelegt werden.

Aus der DE-A1-29 28 414 ist eine Erdwärmesonde bekannt, die aus zwei koaxial angeordneten Rohren besteht. Das äußere Rohr steht über eine Zementation (mit/oder ohne Beischlag­ stoffe) in direktem Kontakt mit dem Erdreich und ist unten durch Dichtmittel wie zementpfropfen, einen Zementations­ schuh verschlossen. Das innere Rohr endet in einem Abstand zum unteren Verschluß des äußeren Rohres, so daß Wärme­ tauschflüssigkeit entweder durch das innere Rohr nach unten und im äußeren Rohr nach oben geleitet werden kann oder umgekehrt. Der Einbau solcher Koaxialsonden in kurze Bohrlöcher im Bereich von 50 bis maximal 150 m kann ohne große Probleme erfolgen, weil die Reibung des äußeren Rohres an der Wandung der Bohrung durch das hohe Eigenge­ wicht des äußeren Rohres und mit entsprechenden Druck­ kräften überwunden werden kann. In losem Gestein ist es aber schwierig, ein Rohr in das Bohrloch einzuführen, dessen Durchmesser nur geringfügig kleiner ist als der Bohrlochdurchmesser.

Um eine größere Entzugsleistung und damit einen besseren Wirkungsgrad der Anlage zu erlangen, ist es nötig, die Erdsonde wesentlich weiter, z. B. 500 m und tiefer in den Boden eindringen zu lassen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einbringen einer Erdsonde in große Tiefen zu schaffen. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zu Grunde eine Erdsonde zu schaffen, die einen optimalen Wär­ meübergang zum umliegenden Erdreich ermöglicht und allen grundwasserschutztechnischen Forderungen entspricht.

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch eine Erdsonde gemäß den Merkmalen des Anspruches 3 gelöst.

Es gelingt durch den Einbau eines Schutzrohres, für die Abdichtung der Wärmeleitflüssigkeit einen elastisch oder plastisch dehnbaren Schlauch nachträglich in das Bohrloch einzuführen und einen optimalen Wärmeübergang durch den satt anliegenden Schlauch zu erhalten. Zwischen die rauhe Bohrlochwand und das Schutzrohr kann in einfacher Weise ein gut wärmeleitendes Material eingespritzt werden.

Die Verwendung eines dehnungselastischen Schlauches als Außenmantel der koaxial ausgebildeten Erdsonde erlaubt nicht nur einen optimalen Wärmeübergang zum Stahlrohr zu schaffen, welches als Einführhilfe und Abstützung der Wan­ dung des Bohrloches in dieses eingebracht worden ist, sondern der Schlauch läßt sich auch mühelos einführen.

Die Ausnutzung des statischen Druckes der Wärmetauscherflüssigkeit oder der Druck von Heißdampf zur Aufweitung des äußeren koaxialen Rohres ermöglicht vollständige Anlage der Schlauchoberfläche am Schutzrohr.

Auch oberhalb des gedehnten Bereiches kann in einfacher Weise ein gut flüssiges oder festes wärmeleitendes Material zwischen das Schutzrohr und den Schlauch von oben eingeführt werden. Das Material kann zugleich ein Korrosionsschutzmittel enthalten.

Die Schutzverrohrung kann aus einzelnen Abschnitten bestehen, welche nicht flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sein müssen. Dies senkt die Kosten bei der Verlegung der Rohre. Der Schlauch kann, im Gegensatz zu einem Rohr, zusammengerollt mit geringem Transportvolumen auf die Baustelle gebracht werden. Ein aus Metall hergestelltes unteres Ende am Schlauch zieht diesen in die Verrohrung und schützt zudem vor Beschädigung durch Reibung an der Verrohrung.

Die Erfindung wird anhand eines illustrierten Ausführungs­ beispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Koaxialerdsonde mit einem herkömmlichen Auf­ bau,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Erdsonde mit einem dehnbaren äußeren Sondenmantel; linke Hälfte gedehnt, rechte Hälfte ungedehnt,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Erdsonde in Fig. 2 im Bereich lockerer Erdschichten, längs Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt längs Linie IV-IV durch die Erdsonde in Fig. 2 im mittleren Bereich (unge­ dehnter Mantel),

Fig. 5 einen Querschnitt längs Linie V-V in Fig. 2 im gedehnten unteren Bereich.

Die in Fig. 1 dargestellte Erdsonde 1, die den Stand der Technik darstellt, ist direkt in eine Bohrung 3 im Erdreich 5 eingeführt. Ein allenfalls zwischen der Wandung der Bohrung 3 und der äußeren Wand des Mantelrohres 7 der Erdsonde 1 vorliegender Zwischenraum 9 ist durch eine flüssig eingespritzte Zement- und/oder Bentonitlösung ausgefüllt, um einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem Mantelrohr 7 und dem Erdreich 5 zu erlangen. Ein zweites Rohr 11, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmes­ ser des Mantelrohres 7, liegt koaxial zu letzterem und dessen unteres Ende in einem Abstand vom verschlossenen unteren Ende des Mantelrohres 7.

Im Betrieb wird entweder Wärmeträgerflüssigkeit (Wasser oder Wasser-Glykolgemisch) durch das zentrale Rohr 11 ein­ geleitet und steigt im Ringraum zwischen den beiden Rohren 7 und 11 wieder auf oder die Einleitung erfolgt im Ring­ raum und der Rückfluß im Rohr 11.

Die erfindungsgemäße Erdsonde 1, die geeignet ist, eine Wärmeträgerflüssigkeit bis in eine Tiefe von mehreren hun­ dert Metern, z. B. 500 m und tiefer, hinunterzuführen, ist von einer Stahlverrohrung 13 umschlossen. Die Stahl­ verrohrung 13 weist bei einem Bohrlochdurchmesser von bei­ spielsweise 8,5′′ einen Durchmesser von ca. 7′′ auf und be­ steht aus miteinander verschraubten oder verschweißten Rohrabschnitten, die nach dem Bohren des Bohrloches bei­ spielsweise im "Rotary-Verfahren" in das Bohrloch einge­ führt worden sind. Mit einem sogenannten Zementierschuh (nicht dargestellt), der am unteren Ende der Verrohrung 13 angebracht ist, kann der Zwischenraum zwischen dem Bohr­ loch 3 und der darin eingeführten Verrohrung 13 von unten nach oben mit Zementmasse ausgefüllt werden. Diese Zementmasse, die mit Zusatzmitteln (Bentonit, Beschleuniger oder Verzögerer, Quarzstaub) versetzt werden kann, füllt den gesamten Ringraum bis zutage, d. h. bis zum oberen Ende der Verrohrung 13. Sie bietet Gewähr für eine lückenlose Abdichtung von unerwünschten Zuflüssen wie Wasser, Gas etc . . Auf diese Weise gelingt es, den ursprünglichen geologischen und hydraulischen Zustand des durchbohrten Gebirges wieder herzustellen. Im weiteren ermöglicht die Zementmasse mit oder ohne Zuschlagsstoffe eine optimale Wärmeleitung zwischen dem Erdreich (Gebirge) und der Verrohrung 13.

Im oberen Bereich kann im Bohrloch 3 zusätzlich ein oder mehrere Stützrohr(e) 19 eingelassen sein, welches verhin­ dert, daß lockeres Material in die Bohrung 3 eindringt und das Einführen der Verrohrung 13 verhindert oder erschwert.

In der leergepumpten Verrohrung 13 ist ein pE-Schlauch oder ein ähnlicher Kunststoffschlauch 21 eingesetzt, des­ sen unteres Ende durch ein Fußstück 23 dicht verschlossen ist.

Der Schlauch 21 kann ab Rolle "endlos" oder mittels Spie­ gelschweißungen von Einzelabschnitten in die gewünschte Einbaulänge gebracht werden. Um das Einführen des Schlau­ ches 21 zu erleichtern kann dieser vor dem Einführen min­ destens teilweise mit Wasser angefüllt werden. Anstelle einer teilweisen Wasserfüllung kann der Schlauch 21 an seinem unteren Ende mit einem Stahlstück versehen werden, welches den Schlauch nach unten zieht. Dies hat den Vor­ teil, daß der Schlauch 21 durch die Wasserfüllung an sei­ nem unteren Ende nicht gedehnt wird und dadurch keine größere Reibung an der Stahlverrohrung 13 entstehen kann. Es kann auch ein sogenannter U-Liner eingesetzt werden. Solche U-Liner werden zur Sanierung von Kanalisationsroh­ ren verwendet.

In das Innere des Schlauches 21 wird ein Zentralrohr 25 von geringerem Durchmesser, beispielsweise 50-70 mm, eingesetzt. Das Zentralrohr 25 endet in einem Abstand vom Fußstück 23. Alternativ kann anstelle eines gewöhnliches Kunststoffrohres auch ein mit einer isolierenden Wand versehenes Steigrohr 25 eingesetzt sein. Das Zentralrohr 25 kann mittels Zentrierungen zentriert werden.

Nach dem Einführen des Schlauches 21 und des Zentralrohres 25 in die Verrohrung 13 wird der Schlauch 21 mit Wärmeträ­ gerflüssigkeit, z. B. Wasser oder Wasser-Glykolgemisch, gefüllt. Der mit zunehmender Tiefe steigende statische Druck im Schlauch 21, er beträgt auf 500 m Tiefe immerhin 50 bar - bewirkt eine radiale Dehnung des Schlauches 21, bis dessen Mantel vollständig in Anlage mit der Verrohrung 13 gelangt. Der zuvor dort vorgelegene mittlere Ringraum 31 wird dadurch vollständig geschlossen und ein inniger, wärmeleitender Kontakt zwischen dem Schlauch 21 und der Verrohrung 13 bewirkt. Selbstverständlich muß bei der Materialwahl des Schlauches 21 darauf geachtet werden, daß dieser die geplante Dehnung schadlos übersteht. Anstelle der Füllung mit Flüssigkeit kann auch ein entsprechender Schlauch 21, z. B. ein U-Liner-Schlauch, mittels Heißdampf oder Heißwasser analog gedehnt werden.

Ab einer bestimmten Tiefe verringert sich der von innen auf den Schlauch 21 wirkende statische Druck soweit, daß nur noch eine geringe Dehnung erfolgt und keine Berührung mit der Verrohrung 13 mehr zustande kommen kann. Der Ring­ raum 31 wird später durch eine Wärmeträger-Rostschutzflüs­ sigkeit aufgefüllt. Bei Verwendung eines durch Wärme irre­ versibel gedehnten Schlauches 21 ist das Einbringen Wärmeträger-/Rostschutzflüssigkeit nicht notwendig.

Die Wärmeübertragungsflüssigkeit kann durch das Zentral­ rohr 25 von oben nach unten geleitet und im Ringraum zwi­ schen dem Zentralrohr 25 und dem Schlauch 21 nach oben aufsteigen. Beim Aufsteigen wird der Umgebung (Erdreich, Gebirge) Wärme entzogen. Selbstverständlich kann auch in umgekehrter Weise verfahren werden und das eingeleitete Wasser im inneren Ringraum 32 nach unten gepumpt und durch das Zentralrohr 25 nach oben zurückfließen.

Das erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit, z. B. Wasser wird ei­ ner Wärmepumpe (nicht dargestellt) zugeleitet und von dort nach Entzug eines Teils der Wärme wieder in die Erdsonde 1 eingeführt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Einbringen einer Erdsonde (1) in ein Bohrloch (3), dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Bohrloch (3) durch eine Verrohrung (13) ausge­ baut wird,
• - der äußere Ringraum (9) zwischen der Wand (4) des Bohrloches (3) und der Verrohrung (13) mit einem gut leitenden Dichtmittel lückenlos aufgefüllt wird,
• - in die leere Verrohrung ein an seinem unten zu lie­ gen kommenden Ende verschlossener Schlauch (21) ein­ geführt wird,
• - in den Schlauch (21) ein unten offenes Zentralrohr (25) eingelegt wird,
• - der Schlauch (21) mindestens teilweise mit einer wärmeübertragenden Flüssigkeit aufgefüllt und durch den statischen Druck der Flüssigkeit der Schlauch (21) ballonartig gedehnt wird oder daß der Schlauch mittels Heißdampf ballonartig gedehnt wird bis eine innige Anlage an der Verrohrung (13) erfolgt und
• - im Übergang vom gedehnten zum ungedehnten Schlauch­ bereich (A) der Ringraum mit gut wärmeleitendem flüssigem oder festem Material aufgefüllt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtmittel in flüssiger Form von unten nach oben in den äußeren Ringraum (9) eingepreßt wird.

3. Erdsonde für den Entzug von Erdwärme aus einem verti­ kalen Bohrloch, mit einem in Kontakt mit dem Erdreich oder Gebirge stehenden Mantel und einem im Mantel eingesetzten Zentralrohr, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel als elastisch dehnbarer, an seinem unten im Bohrloch (3) zu liegen kommenden Ende verschlossener Schlauch (21) ausgebildet ist, der mit einer wärmeleitenden Flüssigkeit gefüllt, im unteren Bereich durch den statischen Druck der Wassersäule der wärmeleitenden Flüssigkeit oder durch Einbringen von Heißdampf ballonartig aufgedehnt an der Wandung des Bohrloches (3) anliegt.

4. Erdsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wandung (4) des Bohrloches (3) und dem Schlauch (21) eine Verrohrung (13) eingesetzt ist und der zwischen der Verrohrung (13) und der Wand (4) gebildete äußere Ringraum (9) mit einem wärmeleitenden Dichtmittel aufgefüllt ist.

5. Erdsonde nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Ringraum (31) zwischen dem Schlauch (21) und der Verrohrung (13) oberhalb des ballonartig ausgedehnten Bereiches (A) einem Material aufgefüllt ist.

6. Erdsonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material flüssig oder fest vorliegt und mit oder ohne Rostschutzmittel versetzt ist.

7. Erdsonde nach einem der Ansprüche 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verrohrung (13) unten ver­ schlossen ist und aus einem einzigen oder aus mehreren zusammengesetzten Rohrabschnitten besteht.

8. Erdsonde nach einem der Ansprüche 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (21) aus einem ein­ zigen Stück oder aus stirnseitig geschweißten (ge­ spiegelten) Schlauchabschnitten besteht.

9. Erdsonde nach einem der Ansprüche 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende des Schlauches (21) ein Fußstück (23) aus Metall befestigt ist.