WO2002077541A1 - Verwendung von bohrungen im erdreich oder im gebirge für die wärmenutzung und sonde zur verwendung in den bohrungen - Google Patents

Verwendung von bohrungen im erdreich oder im gebirge für die wärmenutzung und sonde zur verwendung in den bohrungen Download PDF

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    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T10/10—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
    • F24T10/13—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes
    • F24T10/15—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes using bent tubes; using tubes assembled with connectors or with return headers
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10—Geothermal energy

Definitions

  • the invention relates to the use of the temperature differences available in the ground or in the mountains for heating or cooling purposes of buildings or facilities and claims the priority of German patent application 101 14 448.2, to which reference is made in terms of content.
  • DE 19 919 555 C1 describes a method for developing geothermal energies, which comprises the steps of driving a completely course-controlled borehole, detecting the temperature in the surrounding area and controlling the course of the borehole as a function of the temperature in the ground. After the bore is completed, a heat exchanger tube is inserted into the bore.
  • the bores can be designed as blind bores and / or loop bores, which comprise a heat exchanger area which is located in a heat source and which, starting from a supply bore, runs in the direction of the highest ambient temperature.
  • a heat exchanger tube for the supply of cold heat transfer medium and a parallel heat exchanger tube for the return flow of the heat transfer medium can be provided. It is also possible to arrange the feed pipe centrally in a return pipe, with spacers the coaxial course of the feed pipe ensure in the return pipe. A reverse arrangement is also possible.
  • the invention has for its object to ensure the development of geothermal energy or other underground heat sources inexpensively.
  • the invention is based on the consideration that boreholes are created in a variety of ways in the ground in order to only ever perform a single function, for example to accommodate rock anchors, to accommodate supply and disposal lines, to lay cables, for example power cables or communication technology cables, in order to To build well pipes or to install drainage pipes, for example. Bundling lines of different functions is completely unusual.
  • the invention makes it possible to use existing bores or laid pipes for the development of geothermal energy or the use of operating heat, for example in power lines or other supply and disposal carriers, or when drilling bores for the aforementioned purposes Providing energy in connection with the functions provided for this purpose.
  • a probe or probe line for use in the aforementioned bores can consist of an earth anchor designed as a tube and at least one tube of smaller diameter arranged therein for the flow of a heat carrier.
  • anchors It is currently customary for anchors to be made from high-tensile, tempered steel or steel cables. There are threads at the ends and holding jaws that expand on the anchor head, which are to be tightened by turning in the mountains. In addition, the remaining anchor line is often mortared and thus firmly connected to the mountains to be secured.
  • the outside diameter of such an earth anchor becomes larger than with the conventional construction, this is offset by the advantage of being able to use the geothermal energy in the mountains to be secured. Since many residential buildings on half-part to steep mountain slopes have to be secured with ground anchors anyway (e.g.
  • the invention results in an ideal combination of Building security and heating of the building with geothermal energy.
  • the hollow anchors according to the invention can also be used for simultaneous use of geothermal energy in cases in which rock walls must be secured by anchors directly behind buildings, or "nailed" rock walls above streets and / or railway lines in the vicinity of buildings. It is advantageous if the transport distance between the geothermal heat source and the object to be heated is small.
  • Communication technology cables are usually pulled through plastic pipes at a shallow depth, in which there is often still enough space to arrange at least one parallel pipe of smaller diameter for the flow of a heat transfer medium.
  • the return flow can take place through the remaining space in the pipe if contact with the heat transfer medium or wetting by the heat transfer medium is not critical for the communication technology cables. Otherwise, a second pipe of smaller diameter is advantageous for the return of the heat transfer medium.
  • a heat carrier can be guided in bores or pipes that contain a flowing medium such as groundwater or drinking water , Waste water or natural gas or a power cable, heat is absorbed from this flowing medium or the power cable and, if necessary, also given off to the flowing medium.
  • either a coaxial inner tube held by means of spacers can be provided in the pipe for power cables, communication technology cables, for drinking water and sewage pipes, for geotechnical purposes or hydraulic purposes, so that an intermediate space is formed between the inner pipe and the outer pipe can serve for the return of the heat transfer medium, or there can be two parallel tubes be arranged in the tube, one of which is used for the flow and the other for the return of the heat transfer medium.
  • the pipes carrying the heat transfer medium can be arranged in pipes completely filled with, for example, water or natural gas, in particular drinking water pipes and pressure drainage pipes, but the probes can also be arranged in thick-walled, large-sized gradient and free-mirror pipes made of earthenware, concrete, brick masonry, polymer concrete or other building materials , if the probes are installed in an integrated flow profile at the brine area of the drainage line.
  • Fig. 1 is designed as a pipe anchor and a coaxially arranged flow pipe and
  • Fig. 2 shows a ground anchor designed as a tube with a flow pipe arranged therein and a return pipe parallel to it
  • Fig. 3 shows a trenchless laying of earth probes.
  • An anchor pipe 1 made of high-strength steel has an external thread 2 at least at the end areas, in order to be able to screw the anchor pipe into holding jaws on the anchor head, which are braced by turning in the mountains.
  • the anchor head emerging from the mountains to be secured is included provided a pressure plate, not shown, which is braced against the mountains by means of a nut.
  • a coaxial inner tube 3 is guided in the ground tube 1 by means of spacers 4, so that an annular space 5 is present. The flow of a heat transfer medium is led through the inner tube 3 to a reversing end and then returned through the annular space 5 and fed to a heat exchanger arranged in a building.
  • a flow pipe 6 and, in parallel, a return pipe 7 can also be arranged in the ground anchor pipe 1 if direct contact of the heat transfer medium with the ground anchor pipe 1 is to be avoided.
  • FIG. 3 shows how geothermal probes 200 can be laid underground to a heat pump 300 of a house 400 by means of a drilling device 100.

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Abstract

Verwendung von für Ver- und Entsorgungszwecke (Stromkabel, Kommunikationstechnikkabel, Trinkwasser- und Abwasserleitungen), für geotechnische Zwecke (Erdanker) oder hydraulische Zwecke (Grundwasserabsen-kung, Brunnen, insbesondere horizontalbrunnen) angelegte Bohrungen oder verlegte Rohre für die Wärmenutzung und Sonden zur Verwendung in den Bohrungen.

Description

"Verwendung von Bohrungen im Erdreich oder im Gebirge für die Wärme- nutzun und Sonde zur Verwendung in den Bohrungen"
Die Erfindung betrifft die Nutzung vom im Erdreich oder im Gebirge zur Verfügung stehenden Temperaturunterschieden zu Heiz- oder Kühlzwecken von Gebäuden oder Einrichtungen und nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 101 14 448.2 in Anspruch, auf die inhaltlich Bezug genommen wird.
Die Erschließung geothermischer Energie zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden oder Einrichtungen ist seit langem bekannt. So ist in der DE 19 919 555 C1 ein Verfahren zum Erschließen geothermischer Energien beschrieben, das die Schritte des Vorantreibens einer vollkommen verlaufsgesteuerten Bohrung, das Erfassen der Temperatur im umgebenen Bereich sowie die Steuerung des Bohrverlaufs in Abhängigkeit von der Temperatur im Boden umfaßt. Nach Fertigstellen der Bohrung wird ein Wärmetauscherrohr in die Bohrung eingebracht. Die Bohrungen können als Sackbohrungen und/oder Schlaufenbohrungen gestaltet sein, die einen Wärmetauscherbereich umfassen, der sich in einem Wärmeherd befindet und ausgehend von einer Zufuhrbohrung jeweils in Richtung der höchsten Umgebungstemperatur verläuft. Für die Kreislaufführung des Wärmeträgers können ein Wärmetauscherrohr für die Zuleitung von kaltem Wärmeträger und ein paralleles Wärmetauscherrohr für den Rücklauf des Wärmeträgers vorgesehen sein. Ebenso ist es möglich, das Vorlaufrohr zentrisch in einem Rücklaufrohr anzuordnen, wobei Abstandhalter den koaxialen Verlauf des Vorlaufrohres im Rücklaufrohr gewährleisten. Eine umgekehrte Anordnung ist ebenso möglich.
Des weiteren ist es auch möglich, in der in das Erdreich eingebrachten Boh- rung Bündel von Rohren anzuordnen, die vom Wärmeträger durchströmt werden.
Grundsätzlich werden zum Erschließen geothermischer Energie eigens Bohrungen in das Erdreich oder das Gebirge eingebracht, die unterschiedliche Längen aufweisen und in unterschiedliche Tiefen reichen können. Dementsprechend ist diese Form der Erschließung geothermischer Energie sehr kostenaufwendig und bei niedrigen Energiekosten unwirtschaftlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erschließung geothermischer Energie oder anderer unterirdischer Wärmequellen kostengünstig zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß Bohrungen in vielfältigster Weise im Erdreich angelegt werden, um immer nur eine einzige Funktion zu erfüllen, z.B. um Gebirgsanker aufzunehmen, um Versorgungs- und Entsorgungsleitungen aufzunehmen, um Kabel, beispielsweise Stromkabel oder Kommunkationstechnikkabel zu verlegen, um Brunnenleitungen zu bauen oder z.B. Drainageleitungen zu installieren. Eine Bündelung von Leitungen verschiedener Funktion ist völlig unüblich. Die Erfindung erlaubt es, bereits vorhandene Bohrungen oder verlegte Rohre für die Erschließung geothermi- sche Energie oder die Nutzung von Betriebswärme beispielsweise bei Stromleitungen oder anderen Ver- und Entsorgungsträgern zu verwenden oder beim Anlegen von Bohrungen für die vorgenannten Zwecke die Erschließung von Energie in Verbindung mit den dafür vorgesehenen Funktionen vorzusehen.
Dementsprechend ist es möglich, Bohrungen zur Aufnahme von Wärme aus dem oder zur Abgabe von Wärme an das die Bohrungen umgebende Erdreich oder zur Aufnahme von Wärme aus einem oder zur Abgabe von Wärme an ein durch die Bohrungen geführtes fließendes Medium vorsehen. Des weiteren kann auch Wärme von durch die Bohrungen geführten Stromkabeln aufgenommen werden. Derartige Stromkabel erwärmen sich so, daß ein Problem mit der Wärmeableitung in die unmittelbare Umgebung verbunden ist, so daß hochbelastete Stromkabel häufig mittels eines Kühlmittels gekühlt werden, um eine zu starke Aufheizung des umgebenden Erdreiches zu vermeiden.
Eine Sonde bzw. Sondenleitung zur Verwendung in den vorerwähnten Bohrungen kann aus einem als Rohr ausgebildeten Erdanker und wenigstens einem darin angeordneten Rohr kleineren Durchmessers für den Vorlauf eines Wärmeträgers bestehen.
Bei Erdankern derzeit üblich, sie aus hochzugfesten, vergüteten Stählen oder Stahlseilen auszubilden. An den Enden befinden sich Gewinde und am Ankerkopf verspreizende Haltebacken, die sich durch Drehen im Gebirge verspannen sollen. Zudem wird die übrige Ankerstrecke häufig ummörtelt und somit fest mit dem zu sichernden Gebirge verbunden. Es ist indessen technisch kein Problem, derartige Erdanker aus hochfesten Rohren herzustellen, an denen sich außen problemlos Gewinde anbringen lassen. Zwar wird der Außendurchmesser eines solchen Erdankers größer als bei der herkömmlichen Bauweise, jedoch wird dies durch den Vorteil aufgewogen, die Erdwärme im zu sichernden Gebirge nutzen zu können. Da viele Wohn- gebäude an halbsteilen bis steilen Berghängen ohnehin mittels Erdankern gesichert werden müssen (z.B. Bad Uradi, in Mössingen und vielen schweizer Orten), ergibt sich durch die Erfindung eine ideale Kombination von Gebäudesicherung und Beheizung des Gebäudes mit Erdwärme. Auch in Fällen, in denen Felswände dicht hinter Gebäuden durch Anker gesichert werden müssen, oder "vernagelte" Felswände oberhalb von Straßen und/oder Bahntrassen in der Nähe von Gebäuden vorhanden sind, lassen sich die erfindungsgemäß hohlen Erdanker zur gleichzeitigen Erdwärmenutzung einsetzen. Von Vorteil ist es, wenn die Transportweite zwischen der Erdwärmequelle und dem zu beheizenden Objekt gering ist.
Kabel der Kommunikationstechnik werden in der Regel in geringer Tiefe durch Kunststoffrohre gezogen, in denen häufig noch genügend Platz ist, um darin noch wenigstens ein paralleles Rohr kleineren Durchmessers für den Vorlauf eines Wärmeträgers anzuordnen. Der Rücklauf kann durch den verbleibenden Raum im Rohr erfolgen, wenn für die Kommunkationstechnikkabel eine Berührung mit dem Wärmeträger bzw. eine Benetzung durch den Wärmeträger unkritisch ist. Andernfalls ist ein zweites Rohr kleineren Durchmessers für den Rücklauf des Wärmeträgers vorteilhaft.
Während bei Verwendung von rohrförmigen Erdankern bzw. Rohren zur Aufnahme von Kommunikationstechnikkabeln Wärme aus dem umgeben- den Erdreich oder Gebirge aufgenommen oder dahin abgegeben wird, kann bei Verlegung von Sonden zum Führen eines Wärmeträgers in Bohrungen oder Rohren, die ein fließendes Medium wie Grundwasser, Trinkwasser, Abwasser oder Erdgas oder ein Stromkabel führen, Wärme aus diesem fließenden Medium oder dem Stromkabel aufgenommen und gegebenen- falls auch an das fließende Medium abgegeben werden.
In allen Fällen kann in dem Rohr für Stromkabel, Kommunikationstechnikkabel, für die Trinkwasser- und Abwasserleitung, für geotechnische Zwecke oder hydraulische Zwecke entweder ein koaxiales, mittels Abstandhaltern gehaltenes Innenrohr für den Vorlauf vorgesehen sein, so daß ein zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr gebildeter Zwischenraum für den Rücklauf des Wärmeträgers dienen kann, oder es können zwei parallele Rohre im Rohr angeordnet sein, von denen eines für den Vorlauf und das andere für den Rücklauf des Wärmeträgers dient.
Einzelheiten derartiger Sonden sind in der DE 199 19 555 C1 beschrieben.
Die den Wärmeträger führenden Rohre können sowohl in vollständig mit beispielsweise Wasser oder Erdgas gefüllten Leitungen, insbesondere Trinkwasserleitungen und Druckentwässerungsleitungen angeordnet sein, jedoch lassen sich die Sonden auch in dickwandigen, großdimensionierten Gefälle- und Freispiegelleitungen aus Steingut, Beton, Ziegelmauerwerk, Polymerbeton oder anderen Baustoffen anordnen, wenn die Sonden in einem eingebauten Fließprofil am Solbereich der Entwässerungsleitung installiert werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispielen, des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen als Rohr ausgebildeten Erdanker und ein darin koaxial angeordnetes Vorlaufrohr und
Fig. 2 einen als Rohr ausgebildeten Erdanker mit einem darin angeordneten Vorlaufrohr sowie dazu parallel einem Rücklaufrohr und
Fig. 3 eine Darstellung eines grabenlosen Verlegens von Erdsonden.
Ein Erdankerrohr 1 aus hochfestem Stahl weist zumindest an den Endberei- chen ein Außengewinde 2 auf, um das Erdankerrohr in Haltebacken am Ankerkopf schrauben zu können, die sich durch Drehen im Gebirge verspannen. Der aus dem zu sichernden Gebirge austretende Ankerkopf wird mit einer nicht dargestellten Druckplatte versehen, die mittels einer Mutter gegen das Gebirge verspannt wird. Ein koaxiales Innenrohr 3 ist im Erdankerrohr 1 mittels Abstandhaltern 4 geführt, so daß ein Ringraum 5 vorhanden ist. Durch das Innenrohr 3 wird der Vorlauf eines Wärmeträgers bis zu einem Umkehrende geführt und dann durch den Ringraum 5 zurück- und einem in einem Gebäude angeordneten Wärmetauscher zugeführt.
Gemäß Fig. 2 können auch ein Vorlaufrohr 6 sowie parallel dazu ein Rücklaufrohr 7 im Erdankerrohr 1 angeordnet sein, wenn eine unmittelbare Berührung des Wärmeträgers mit dem Erdankerrohr 1 vermieden werden soll.
Die Ausführungen zu den Fig. 1 und 2 gelten sinngemäß auch für alle anderen Verwendungen, wenn beispielsweise in einem dem Erdankerrohr 1 ent- sprechenden Rohr Trinkwasser oder Abwasser, Brunnenwasser oder Grundwasser geführt wird und deren Wärme mittels der darin verlegten Sonden genutzt wird.
Das gleiche gilt für Rohre zur Aufnahme von Stromkabeln und/oder Kommu- nikationstechnikkabeln.
Bei Wärmeentzug aus fließendem Wasser ist es von Vorteil, darauf zu achten, daß die Nähe des Gefrierpunktes nicht erreicht wird. Andererseits ist eine Abkühlung des durch das Rohr geführten Wassers um wenige Grad ohne Einfluß auf die nachgeschaltete Wasseraufbereitungstechnik. Dabei ist eine Temperatur von 10°C vorteilhaft. Auch ist dafür zu sorgen, daß die Sonden in Brunnenwasserleitungen und Trinkwasserleitungen keimfrei eingebracht werden.
Bei Nutzung der Erdwärme und/oder der Wärme von Stromkabeln ist es zweckmäßig, das Stromkabel mittels Abstandhaltern koaxial in dem Rohr zu führen und die Erdwärmesonden schlauchförmig oder halbschalenförmig, gegebenenfalls mit einem Zwischenrohr so am Stromkabel entlang zu führen, daß sich einerseits die Kabelabwärme, andererseits aber auch die Erdwärme nutzen lassen. Für die Stromwirtschaft ergibt sich der kostenwirksame Vorteil, in bebauten Bereichen, das heißt in Abnehmernähe, ohne gekühlte Kabel auskommen zu können und die Wärme aus den Stromkabeln verkaufen zu können.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie Erdsonden 200 mittels eines Bohrgeräts 100 unterirdisch zu einer Wärmepumpe 300 eines Hauses 400 verlegt sein kön- nen.

Claims

Patentansprüche:
1. Verwendung von zu anderen Zwecken angelegten Bohrungen oder verlegten Rohren für die Wärmenutzung, insbesondere von geothermischer Wärme oder Betriebswärme.
2. Verwendung von für Ver- und Entsorgungszwecke (Stromkabel, Kommunikationstechnikkabel, Gasleitungen; Trinkwasser- und Abwasserleitungen) oder für geotechnische Zwecke (Erdanker (1)) oder hydrauli- sehe Zwecke (Grundwasserabsenkung, Brunnen, insbesondere Horizontalbrunnen) angelegten Bohrungen oder verlegten Rohren nach Anspruch 1.
3. Verwendung der Bohrungen oder Rohre nach Anspruch 1 zur Aufnahme von Wärme aus dem oder Abgabe von Wärme an das die Bohrungen oder Rohre umgebende Erdreich.
4. Verwendung der Bohrungen oder Rohre nach Anspruch 1 zur Aufnahme von Wärme aus einem oder Abgabe von Wärme an ein durch die Boh- rungen oder Rohre geführtes, fließendes Medium.
5. Verwendung der Bohrungen oder Rohre nach Anspruch 1 zur Aufnahme von Wärme von durch die Bohrungen geführten Stromkabeln.
6. Sonde zur Verwendung in den Bohrungen oder Rohren nach Anspruch 3 aus einem als Rohr (1 ) ausgebildeten Erdanker und wenigstens einem darin angeordneten Rohr (3, 6, 7) kleineren Durchmessers für den Vorlauf eine Wärmeträgers
7. Sonde zur Verwendung in den Bohrungen oder Rohren nach Anspruch 3 aus einem Kommunikationstechnikkabel führenden Rohr und wenigstens einem darin angeordneten, zu den Kommunikationstechnikkabeln parallelen Rohr kleineren Durchmessers für den Vorlauf eines Wärmeträgers.
8. Sonde zur Verwendung in den Bohrungen oder Rohren nach Anspruch 4 aus einem ein fließendes Medium wie Grundwasser, Trinkwasser,
Abwasser oder Erdgas führenden Rohr und wenigstens einem darin angeordneten Rohr kleineren Durchmessers für den Vorlauf eines Wärmeträgers.
9. Sonde zur Verwendung in den Bohrungen oder Rohren nach Anspruch 4 aus einem ein Stromkabel führenden Rohr und wenigstens einem darin angeordneten Rohr kleineren Durchmessers für den Vorlauf eines Wärmeträgers.
10. Sonde nach einem der Ansprüche 6 bis 9 aus einem koaxial im Rohr (1) mittels Abstandhaltern (4) gehaltenen Innenrohr (3) für den Vorlauf und einem Ringraum (5) zwischen dem Innenrohr (3) und dem Rohr (1) für den Rücklauf des Wärmeträgers.
11. Sonde nach einem der Ansprüche 6 bis 9 aus zwei im Rohr (1) angeordneten, parallelen Rohren (6, 7) für den Vorlauf und den Rücklauf des Wärmeträgers.
12. Erdanker, gekennzeichnet durch eine rohrförmige Ausgestaltung
13. Erdanker, gekennzeichnet durch ein Hüllrohr.
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