DE102005060970A1 - Geothermal power station has deep vertical shaft filled with a first good heat conductor and a second thermally insulated section - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Einbringen einer Erdwärmesonde nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.The The invention relates to a geothermal probe after the preamble of claim 1 and a method of introduction a geothermal probe according to the preamble of claim 5.
Bekannte Erdwärmesonden bestehen im wesentlichen aus einem Bohrloch mit ausreichender Tiefe und mindestens einer in das Bohrloch eingebrachten Rohrleitung, die im wesentlichen die Form eines U-Rohrs aufweist. Durch den abführenden Rohrleitungsschenkel wird ein Fluid, beispielsweise Sole, Öl, ein Gas oder ein anderer fließfähiger Wärmeträger, in das Bohrloch hinab gepumpt. Das Fluid nimmt innerhalb des Bohrloches geothermische Energie durch eine Wärmeübertragung zwischen Bohrlochwand, Bohrlochinnenvolumen und Rohrleitungswand auf, erwärmt sich dabei und verlässt das Bohrloch über einen aufsteigenden Rohrleitungsschenkel. In Abhängigkeit von der Anfangstemperatur des Fluids ist es auch möglich, das Fluid zu kühlen. Die Erdwärmesonde kann somit sowohl für Heiz- als auch für Kühlzwecke verwendet werden. Bei Bedarf können auch mehrere Erdwärmesonden gesetzt werden. Der Vorteil von Erdwärmesonden besteht darin, dass diese eine ganzjährlich nutzbare Wärmequelle mit weitgehend konstanter Temperatur bilden und daher technologisch sehr effektiv mit Wärmepumpen kombiniert werden können.Known geothermal probes consist essentially of a well with sufficient depth and at least one pipeline introduced into the borehole, which has substantially the shape of a U-tube. Through the laxative pipe legs becomes a fluid, for example brine, oil, a gas or another flowable heat transfer medium, in pumped down the borehole. The fluid decreases inside the borehole geothermal energy through heat transfer between borehole wall, Hole inside volume and pipe wall, heats up and leaves the borehole over an ascending pipe leg. Depending on the initial temperature of the fluid it is also possible to cool the fluid. The geothermal probe can thus both for Heating as well as for cooling purposes be used. If necessary can also several geothermal probes be set. The advantage of geothermal probes is that this one year round usable heat source form with a largely constant temperature and therefore technological very effective with heat pumps can be combined.
Dabei wird der durch die Erdwärme verursachte Temperaturgradient genutzt. Dieser zeigt sich ab einer Tiefe von 10 bis 25 Metern in einer Temperaturzunahme von etwa 3K/100 Meter Tiefe. Der Einbau bekannter Erdwärmesonden erfolgt im wesentlichen in zwei Schritten. In eine abgeteufte Bohrung wird eine U-Profil-Sonde eingelassen. Das Bohrloch wird anschließend verfüllt. In der Regel werden hierzu Bentonit-Zement-Wasser-Suspensionen verwendet, die verschiedene Zuschlagstoffe, insbesondere Quarz oder Sand, enthalten können. Neben den geologischen Rahmenbedingungen, beispielsweise der Wärmeleitfähigkeit des anstehenden Erdreichs, den hydrogeologischen Gegebenheiten, der Bohrlochqualität oder der Bauweise der Sonde, insbesondere des Fluids, ist die Bohrlochverfüllung für die Effektivität der Erdwärmesonde von ausschlaggebender Bedeutung. Kriterien zur Beurteilung der Qualität der Verfüllung sind insbesondere die Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials und der thermische Kontakt zur Bohrlochwandung bzw. zur Rohrleitung.there is the by the geothermal energy caused temperature gradient used. This shows up from one Depth of 10 to 25 meters in a temperature increase of about 3K / 100 Meter depth. The installation of known geothermal probes is essentially in two steps. In a drilled hole is a U-profile probe admitted. The borehole is then filled. In general, this will be Bentonite cement-water suspensions used different Aggregates, especially quartz or sand, may contain. Next geological conditions, such as thermal conductivity the upcoming soil, the hydrogeological conditions, the borehole quality or the design of the probe, in particular the fluid, is the well filling for the effectiveness of the geothermal probe of crucial importance. Criteria for assessing the quality of backfilling are in particular the thermal conductivity of the backfill and the thermal contact to the borehole wall or to the pipeline.
Die Effektivität geothermischer Erdwärmesonden wird auch durch die Geometrie der Rohrleitung, insbesondere durch den Mittenabstand der auf- und absteigenden Rohrabschnitte, beeinflusst. Eine Vergrößerung des Mittenabstandes von beispielsweise 40 auf 80 mm führt bei einer konstanten Wärmeleitfähigkeit von 2,0 W/mK und konstanter Bohrlochtiefe zu einer Erhöhung der Wärmequellentemperatur um 12,5% und ermöglicht eine Verkürzung der Bohrlochtiefe um ca. 6% bei beibehaltener Wärmequellentemperatur. Bei einer Wärmeleitfähigkeit von 3,5 W/mK ist eine Einsparung der Sondenlänge um ca. 8% möglich.The effectiveness Geothermal geothermal probes is also due to the geometry of the pipeline, in particular through the center distance of the up and descending pipe sections, influenced. An enlargement of the Center distance of, for example, 40 to 80 mm leads a constant thermal conductivity of 2.0 W / mK and constant drill hole depth to increase the Heat source temperature around 12.5% and allows a shortening the hole depth by about 6% with maintained heat source temperature. At a thermal conductivity of 3.5 W / mK it is possible to save the probe length by approx. 8%.
Nach dem bekannten Kenntnisstand zeichnet sich also eine optimale Erdwärmesonde durch einen möglichst großen Abstand der Rohrleitungsschenkel und eine möglichst große Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials aus. Forschungsvorhaben im Bereich der Technologien für Erdwärmesonden konzentrieren sich demzufolge ausschließlich auf die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials bzw. auf eine Maximierung des Mittenabstandes der auf- und absteigenden Rohrleitungsschenkel bei sonst unverändert guten Verarbeitungs- und Materialeigenschaften. Es ist jedoch einsichtig, dass die Wärmeleiteigenschaften des Verfüllmaterials nicht beliebig gesteigert werden können und sowohl materialtechnisch als auch hinsichtlich der dabei entstehenden Kosten ganz real begrenzt sind. Ebenso ist es praktisch nicht möglich, den Mittenabstand der Rohrleitungsschenkel fortgesetzt zu vergrößern, denn der dadurch notwendige größere Durchmesser der Erdbohrung bedingt einen steigenden technologischen bzw. materiellen Aufwand.To The known state of knowledge is thus characterized by an optimal geothermal probe through one as possible huge Distance between the pipe legs and the greatest possible thermal conductivity of the filling material out. Concentrate on research projects in the field of technologies for geothermal probes therefore exclusively on the increase the thermal conductivity of the filling material or on a maximization of the center distance of the ascending and descending Pipe legs with otherwise unchanged good processing and material properties. However, it is obvious that the heat conduction properties of the filling material can not be increased arbitrarily and both material technology as well as in terms of the resulting costs in real terms are. Likewise, it is practically impossible, the center distance of the pipe legs continued to enlarge, because the thus required larger diameter of the well bore requires an increasing technological or material effort.
Es besteht somit die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Erdwärmesonde bzw. ein Verfahren zum Einbringen einer Erdwärme anzugeben, mit der die beschriebenen technologischen Grenzen mit einem vertretbaren Kosten- und Arbeitsaufwand überwunden werden können und eine gesteigerte Effektivität der Erdwärmesonde möglich wird.It Thus, there is the problem underlying the invention, a geothermal probe or to provide a method for introducing geothermal heat with which the described technological limits with a reasonable cost and workload overcome can be and increased effectiveness the geothermal probe becomes possible.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Vorrichtungsaspektes mit einer Erdwärmesonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrensaspektes mit einem Verfahren zum Einbringen einer Erdwärmesonde mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche enthalten zweckmäßige bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Ausführungsformen von Vorrichtung bzw. Verfahren.The Task is with respect to the device aspect with a geothermal probe with the features of claim 1 and with regard to the method aspect with a method for introducing a geothermal probe with the features of Claim 5 solved. The respective subclaims contain appropriate or advantageous embodiments or embodiments of apparatus or Method.
Erfindungsgemäß ist die Erdwärmesonde dadurch gekennzeichnet, dass die Verfüllung in einem ersten Abschnitt zwischen einer maximalen Bohrlochtiefe bis zu einer Inversionstiefe eines Temperaturgradienten zwischen einer lokalen Bohrlochtemperatur und einer Fluidtemperatur mit einem gut wärmeleitenden ersten Verfüllmaterial ausgeführt ist und die Verfüllung ab der Inversionstiefe bis zum Bohrlochrand mindestens im Bereich eines aufsteigenden Rohrleitungsschenkels mit einem wärmedämmenden zweiten Verfüllmaterial ausgeführt ist.According to the invention Geothermal probe by characterized in that the backfilling in a first section between a maximum drill hole depth to an inversion depth of a temperature gradient between a local well temperature and a fluid temperature with a good heat conducting first backfill material accomplished is and the backfilling from the inversion depth to the borehole edge at least in the area an ascending pipe leg with a heat-insulating second backfill material accomplished is.
Die Verfüllung ist demnach nicht nur in Form eines Verfüllmaterials mit guten Wärmeleiteigenschaften ausgeführt, sondern weist einen schichtartigen Aufbau auf. Dabei wird der obere Teil der Rohrleitungsschenkel gegen einen Wärmetransport in das Erdreich abgedämmt. Eine genauere Betrachtung zeigt, dass die Richtung des Wärmetransports zwischen Erdreich und dem Fluid innerhalb der Rohrleitung wechselt und von der Richtung des Temperaturgradienten zwischen Fluid und Erdreich bei einer gewissen Tiefe abhängt. Die Tiefe, bei der sich die Richtung der Wärmetransports zwischen Fluid bzw. Rohrleitung und umgebendem Erdreich in einem für die Wirkungsweise der Erdwärmesonde erheblichen und verluststeigernden Maße umkehrt, wird dabei im folgenden als Inversionstiefe bezeichnet. So erfolgt beispielsweise bei einer Erwärmung des innerhalb der Rohrleitung strömenden Fluids im unteren Teil der Rohrleitung ein Wärmetransport von der Wand des Bohrlochs in das kühlere strömende Fluid im Inneren der Rohrleitung. Der Temperaturgradient zwischen Bohrloch und Fluid zeigt in diesem Fall vom Erdreich über die Verfüllung des Bohrlochs in das strömende Fluid hinein. Oberhalb der Inversionstiefe des Bohrlochs gibt das erwärmte Fluid die aufgesammelte Wärme aufgrund der nun niedrigeren Temperatur an die Verfüllung des Bohrlochs und somit schließlich an das Erdreich wieder ab. Der Temperaturgradient zwischen Fluid und Erdreich zeigt somit oberhalb der Inversionstiefe nun vom Lumen der Rohrleitung nach außen. Dieser Wärmeverlust verursacht eine Effizienzabnahme der Erdwärmesonde im Heizbetrieb. In einer dazu analogen Weise wird ein in den unteren Abschnitten der Rohrleitung gekühltes Fluid oberhalb der Inversionstiefe aufgrund des nun entgegen gesetzten Temperaturgradienten wieder erwärmt. Dies führt zu einem Effizienzverlust der Erdwärmesonde in einem Kühlbetrieb.The backfilling is therefore not only in the form of a backfill material with good thermal conductivity executed but has a layered structure. This is the upper Part of the pipe legs against heat transport into the soil dammed. A closer look shows that the direction of heat transport between ground and the fluid within the pipeline changes and the direction of the temperature gradient between fluid and Soil at a certain depth depends. The depth at which the direction of heat transport between fluid or pipeline and surrounding soil in one for the mode of action the geothermal probe reverses significant and loss-increasing measures is, in the following called inversion depth. For example, at a warming of the fluid flowing inside the pipeline in the lower part the pipeline a heat transfer from the wall of the borehole into the cooler flowing fluid inside the Pipeline. The temperature gradient between the borehole and the fluid shows in this case of the soil on the backfilling of the Borehole in the flowing fluid into it. Above the inversion depth of the borehole is the heated fluid the collected heat because of the now lower temperature to the backfilling of the Borehole and thus finally to the ground again. The temperature gradient between fluid and Soil now shows above the inversion depth of the lumen the pipeline to the outside. This heat loss causes an efficiency decrease of the geothermal probe in heating mode. In a a similar way is one in the lower sections of the pipeline chilled Fluid above the inversion depth due to the now opposite Temperature gradient reheated. this leads to to a loss of efficiency of the geothermal probe in a cooling operation.
Die erfindungsgemäße Erdwärmesonde ist nun so ausgeführt, dass ein Wärmetransport oberhalb der genannten Inversionstiefe mindestens zwischen aufsteigendem Rohrleitungsschenkel und Erdreich dadurch weitgehend verhindert wird, indem die Verfüllung des Bohrlochs in diesem Abschnitt wärmedämmend ausgeführt ist. Dabei weist die Verfüllung unterhalb der Inversionstiefe optimale Wärmeleitfähigkeiten auf. Der beschriebene Effizienzverlust wird somit in einfacher Weise wirkungsvoll vermindert, ohne dass auf die kostspieligen und gut wärmeleitenden Verfüllungen zurückgegriffen werden muss.The geothermal probe according to the invention is now executed that a heat transfer above the said inversion depth at least between ascending Pipe legs and soil largely prevented is by filling the backfilling the borehole is made heat-insulating in this section. Here, the backfill below the inversion depth optimal thermal conductivities on. The described loss of efficiency is thus in a simple manner Effectively diminished, without putting on the costly and good thermally conductive backfilling resorted must become.
Zweckmäßigerweise ist die Inversionstiefe größer oder gleich als der jahreszeitlichen Temperaturschwankungen ausgesetzte Tiefenbereich des Bohrlochs am geographischen Standort der Erdwärmesonde. Dabei wird die Erkenntnis berücksichtigt, dass vor allem die jahreszeitlichen Schwankungen in den oberen Schichten des Erdreichs die Effizienz der Erdwärmesonde nachteilig beeinträchtigen, sodass bei einer entsprechenden Größe der wärmedämmenden Verfüllung dieser jahreszeitliche Einfluss weitgehend beseitigt werden kann.Conveniently, is the inversion depth larger or the same as the seasonal temperature fluctuations exposed Depth area of the borehole at the geographical location of the geothermal probe. The knowledge is taken into account that especially the seasonal fluctuations in the upper strata of the soil adversely affect the efficiency of the geothermal probe, so that with a corresponding size of the heat-insulating backfilling this Seasonal influence can be largely eliminated.
Vorteilhaft ist hierbei eine Inversionstiefe von mindestens 10, zweckmäßigerweise mindestens 25 Metern. Diese Beträge ergeben sich aus bekannten geologischen Untersuchungen über die tiefenabhängige Temperaturverteilung in deren jahreszeitliche Schwankungen im Erdreich der gemäßigten Klimazone. Als wärmedämmendes Verfüllmaterial sind Werkstoffe mit einer hohen Porosität vorgesehen. Insbesondere kann hier auf aufschäumende und aushärtende Suspensionen und/oder Mischungen zurückgegriffen werden. Die innerhalb des porösen Werkstoffes enthaltenen Lufteinschlüsse gewährleisten erfahrungsgemäß optimale wärmedämmende Eigenschaften.Advantageous here is an inversion depth of at least 10, expediently at least 25 meters. These amounts arise from known geological studies on the depth-dependent Temperature distribution in their seasonal fluctuations in the soil the temperate climate zone. As heat-insulating backfill are materials with a high porosity provided. Especially can be foaming here and curing Suspensions and / or mixtures are used. The inside of the porous material contained air pockets guarantee experience optimal heat-insulating properties.
Ein Verfahren zum Einbringen einer Erdwärmesonde ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: Als erstes wird das Bohrloch im Erdreich abgeteuft und die zweckmäßige Inversionstiefe im Bohrloch unter Berücksichtigung der geologischen und hydrogeologischen Bedingungen am vorgesehenen Ort bestimmt. Dann wird die Rohrleitungsanordnung in das Bohrloch eingebracht. Das Bohrloch wird anschließend mit dem ersten, gut wärmeleitenden Verfüllmaterial vom Grund des Bohrlochs bis zur Inversionstiefe verfüllt. Schließlich wird das Bohrloch von der Inversionstiefe im wesentlichen bis zum Rand des Bohrloches mit dem zweiten wärmedämmenden Verfüllmaterial aufgefüllt.One Method for introducing a geothermal probe is by the following Process steps marked: First, the borehole sunk in the ground and the appropriate inversion depth in the borehole considering geological and hydrogeological conditions Location determined. Then the piping arrangement is in the borehole brought in. The drill hole is then connected to the first, good heat conducting backfill from the bottom of the borehole to the inversion depth. Finally that will be Drilling hole from the inversion depth substantially to the edge of the Borehole with the second heat-insulating backfill refilled.
Bei einer denkbaren Ausgestaltung des Verfahrens wird eine den absteigenden Rohrleitungsschenkel vom aufsteigenden Rohrleitungsschenkel trennende, von der Inversionstiefe im wesentlichen bis zum Rand des Bohrlochs reichende Verschalung eingebracht. Dies geschieht zweckmäßigerweise nach dem Einbringen des ersten gut wärmeleitenden Verfüllmaterials. Als nächstes wird der Raumbereich zwischen Verschalung und aufsteigendem Rohrleitungsschenkel mit der wärmedämmenden zweiten Verfüllung aufgefüllt, während der Raumbereich zwischen dem absteigendem Rohrleitungsschenkel und der Verschalung mit der wärmeübertragenden ersten Verfüllung aufgefüllt wird. Bei dieser Vorgehensweise kann die Menge des zweiten Verfüllmaterials reduziert werden, während der aufsteigende Rohrleitungsschenkel nach wie vor optimal wärmegedämmt ist.at a conceivable embodiment of the method is a descending Pipe legs separating from the ascending pipe branch, from the inversion depth substantially to the edge of the borehole reaching shuttering introduced. This happens expediently after the introduction of the first good heat-conductive filling material. Next The space between the formwork and rising pipe legs with the heat-insulating second backfilling filled, while the space between the descending pipe legs and the Cladding with the heat transferring first backfilling filled becomes. In this procedure, the amount of the second backfill material be reduced while the ascending pipe leg is still optimally thermally insulated.
Die
erfindungsgemäße Erdwärmesonde bzw.
das Verfahren zum Einbringen der Erdwärmesonde soll nun nachfolgend
anhand von Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
Zur Verdeutlichung dienen die
Es zeigt:It shows:
Im
Bereich des aufsteigenden Rohrleitungsschenkels
Der
genaue Betrag der Inversionstiefe zi hängt von
mehreren Faktoren ab. Bei der Ausführungsform aus
Die
Bei
dem Anwendungsbeispiel in
Damit kann der Energieaustrag der Erdwärmesonde um ca. 10 bis 15% erhöht und die Bohrtiefe einer Erdwärmesonde um ca. 10 bis 15% verkürzt werden. Es kann bei einer angenommenen Ergiebigkeit der Erdwärmesonde bei einer Sondenlänge von 100 Metern ein zusätzlicher Energiebetrag von bis zu 2000 kWh/a gewonnen werden.In order to can the energy loss of the geothermal probe increased by about 10 to 15% and the drilling depth of a geothermal probe be shortened by about 10 to 15%. It can with an assumed fertility of the geothermal probe at a probe length of 100 meters an additional Energy amount of up to 2000 kWh / a be obtained.
Als
Werkstoff für
die wärmedämmende Verfüllung
- 1010
- Bohrloch, abgeteuftborehole, abgeteuft
- 2020
- Rohrleitungpipeline
- 2525
- aufsteigender RohrleitungsschenkelAscending Pipeline leg
- 2626
- absteigender RohrleitungsschenkelDescending Pipeline leg
- 2727
- Querschenkeltransverse leg
- 3030
- Verfüllungbackfilling
- 4040
- wärmeübertragende Verfüllungheat transfer backfilling
- 5050
- wärmedämmende Verfüllungheat-insulating filling
- 6060
- Verschalungcasing
Claims (6)
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R082 | Change of representative |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: MEISSNER, BOLTE & PARTNER GBR, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: GIB - GESELLSCHAFT FUER INNOVATION IM BAUWESEN, DE Free format text: FORMER OWNER: GIB - GESELLSCHAFT FUER INNOVATION IM BAUWESEN MBH, 99423 WEIMAR, DE Effective date: 20130417 |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: MEISSNER, BOLTE & PARTNER GBR, DE Effective date: 20130417 Representative=s name: MEISSNER BOLTE PATENTANWAELTE RECHTSANWAELTE P, DE Effective date: 20130417 |
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