WO2003060389A1 - Wärmequellen- oder wärmesenken-anlage mit thermischer erdankopplung - Google Patents

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WO2003060389A1
WO2003060389A1 PCT/EP2003/000470 EP0300470W WO03060389A1 WO 2003060389 A1 WO2003060389 A1 WO 2003060389A1 EP 0300470 W EP0300470 W EP 0300470W WO 03060389 A1 WO03060389 A1 WO 03060389A1
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probe
ram
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earth
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PCT/EP2003/000470
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Klemens Waterkotte
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Waterkotte Wärmepumpen Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • 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
    • F24T10/17—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 tubes closed at one end, i.e. return-type tubes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • 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 present invention relates to a heat source or heat sink system with thermal earth coupling for the near-surface extraction of thermal energy from the ground or for the near-surface introduction of thermal energy into the ground, the system comprising at least one earth probe arranged in the ground, thermal energy by means of a the heat transfer fluid guided by the earth probe can either be removed from the earth or introduced into the earth, each earth probe comprising a metallic probe tube which is sealed with respect to the surrounding earth and consists of a plurality of ram tube segments driven into the earth and wherein the probe tube either supplies or removes the heat transport fluid a dip tube open at its lower end or a U-shaped tube loop is arranged.
  • a first group of plants according to the known state of the art works with an open circuit with a removal of groundwater from a groundwater aquifer, cooling or warming in a heat pump or another unit and its reintroduction into the aquifer.
  • This heat generation from the groundwater or heat introduction into the groundwater is only possible if a suitable aquifer is available and if the quality of the groundwater is sufficient.
  • an official permit for the extraction and reintroduction of groundwater is required, which is only issued under certain conditions.
  • surface collectors are already known, which are usually designed as horizontally arranged tube register heat exchangers and which are laid at a depth of about 1 m or slightly more in the ground. These surface collectors require extensive earthworks and are therefore expensive to install and, depending on the local conditions, are often not applicable.
  • geothermal probes for creating heat source systems consist of a single or double pipe loop, which is installed in a hole drilled vertically into the ground. In general, the depth of the hole is less than 100 m, but can also extend beyond it. In the case of sandy soil, the holes are usually drilled out as flushing holes.
  • the so-called air lifting drilling method with an in-hole hammer is mainly used in solid soil. This drilling process requires the provision of a two-stage air compressor with a working pressure of up to 24 bar and a drive power of 200 kW and more. In loose rock, drilling is carried out with protective piping, which in practice has a typical diameter of, for example, 152 mm.
  • the pre-assembled pipe loop must be inserted into the completed earth hole. Then the remaining space between the pipe loop and the wall of the borehole must be filled with a filler, in practice mostly bentonite, ie a cement-clay mixture, progressively from bottom to top.
  • a filler in practice mostly bentonite, ie a cement-clay mixture, progressively from bottom to top.
  • each ram pipe segment consists of ductile cast iron
  • each drive-pipe segment comprises at its one end a tapered outer periphery and at its other end a sleeve embodied with a stop shoulder with a matching tapered inner periphery, the 'diameter and cone angle are dimensioned such that a non-positive locking with the driving of the drive-pipe segments and tight connection of the ram pipe segments can be produced with one another.
  • each ram pipe segment consists of ductile cast iron.
  • the essential difference to conventional gray cast iron of ductile cast iron is that in the ductile cast iron ⁇ the graphite contained in the form of spheroidal graphite is present, the mechanical properties which change; in particular, strength and toughness are increased.
  • the chemical properties of ductile cast iron are also improved compared to gray cast iron, in particular the corrosion resistance against pitting.
  • the production of the ram pipe segments is possible, for example, by centrifugal casting. lent, whereby practically 100% recycled material, i.e. steel scrap, can be used, which is both economically and ecologically advantageous.
  • the ramming tube segments made of ductile cast iron are mechanically so resistant that they can be driven into the ground with considerable impact without being damaged.
  • the invention provides that the ram tube segments are designed to be pluggable into one another at their ends. Elaborate screw, solder or welded connections, which can only be produced and checked on site with great difficulty, are not required between the successive ram tube segments. This also simplifies the mechanical processing of the ends of the ram pipe segments during their manufacture and also reduces the amount of work and the risk of work errors on the construction site at the location where the ram pipe segments are driven into the ground.
  • each ram pipe segment has a conically tapering outer circumference at one end and a sleeve with a matching tapered inner circumference at its other end, the cone angle of which is dimensioned such that only with the driving in of the ram pipe segments is a permanently non-positive and tight connection of the ram pipe segments can be generated.
  • This configuration of the ram pipe segments ensures that the desired tightness and non-positive connection of the individual ram pipe segments to one another is achieved simply by the driving-in process. Special sealants are not required.
  • the sleeve is each provided with a shoulder and in connection with the inserted part of the other segment in such a way that the inserted segment is placed on this shoulder after a defined expansion of the sleeve and afterwards forwards the drive-in impulses without the sleeve being impermissibly stressed in the direction of a further expansion.
  • a suitable strength of the impulses or ramming strikes for driving in the ramming tube segments it is achieved that in the connection area of two ramming tube segments with each other there is a friction welding which ensures the desired tightness and non-positive connection for very long operating times of the probe tube. Since a later non-destructive separation of the individual ram pipe segments from one another is not necessary, this fixed friction welding does not represent any technical disadvantage.
  • the probe pipes each consist of several ram pipe segments driven into the ground, a particularly economical construction of the system is guaranteed.
  • This high level of economy is achieved in particular because driving the ram tube segments to form the probe tube by means of suitable devices, in particular by means of a commercially available hydraulic hammer, requires considerably less time and technical effort, in particular an at least 80% less energy expenditure than drilling an earth hole.
  • the ram pipe segments are of course designed so that they can absorb the impact forces that occur when driving into the soil.
  • the probe tube is sealed only by driving it into the surrounding earth, so that the heat transport fluid can practically be prevented from escaping into the earth from the probe tube, especially since the pipe tubes that form the probe tube are relatively thick-walled because of the mechanical stability required.
  • each probe tube is in firm and intimate contact with the surrounding soil after it has been driven into the ground without special fillers or contact agents having to be introduced into the region of the outer circumference of the probe tube. This ensures good heat transfer from the ground into the probe tube or vice versa without special measures. Since the probe tube itself is metallic, it has a very high thermal conductivity, so that overall there is a very low resistance to heat conduction from the ground into the heat transfer fluid flowing in the interior of the probe tube or in the opposite direction.
  • the system can be used both as a heat source for heating purposes and as a heat sink for cooling purposes.
  • the system can be used either at the natural temperature level or with the interposition of a reversed heat pump, i.e. a cooling unit. With a switchable heat pump, heating or cooling operation is even alternately possible. This application is particularly advantageous in southern, hotter regions of the world or in regions with a typical mainland climate.
  • the invention preferably proposes that the conically tapering outer circumference of each ram pipe segment is provided at its front end and the sleeve with each stop shoulder of each ram pipe segment is provided at its rear end.
  • the lowest possible resistance to movement of the ram pipe segments is achieved when they are driven into the ground.
  • a further contribution to high economic efficiency is achieved in that only one dip tube open at its lower end is required for the supply or discharge of the heat transport fluid, the outside diameter of the dip tube preferably being smaller than the inside diameter of the probe tube and the length of the dip tube is slightly less than the length of the probe tube.
  • the second half of the flow path of the heat transport fluid then runs through the part of the interior of the probe tube that is not occupied by the dip tube.
  • a U-shaped tube loop is arranged in the probe tube instead of the immersion tube for the supply and discharge of the heat transfer fluid, it being further preferred that its length up to its U-bend is slightly less than the length of the Probe tube is and that the part of the interior of the probe tube not occupied by the tube loop is filled with a thermally conductive filler.
  • This design of the system according to the invention offers the advantage of a particularly high level of security against penetration of the heat transport fluid into the soil in the vicinity of the probe tube, since here both the tube loop and the probe tube must leak before the heat transfer fluid can get into the soil.
  • the first leading ramming tube segment of the probe tube is expediently designed with a probe tip at its front end or tightly connected. If the probe tip is tightly connected to the ram pipe segment, this connection is expediently carried out in the manner described above by means of conical connection areas and their friction welding by ram blows.
  • the last ram tube segment of the probe tube is tightly connected at its rear end to a connection cover which is fitted after driving in and on which a flow line connection and a return line connection for the heat transport fluid are arranged.
  • the connection cover provides the connections required for the flow and return of the heat transfer fluid. Since the cover has to be retrofitted, it does not interfere with driving in the ram pipe segments. Since this means that the cover does not have to absorb any driving forces, it can be made light and it is sufficient for the connection and sealing of the cover on the last segment of the ramming tube to be connected conventionally. In a heat recovery system, it will be advantageous to lead the flow of the heat transfer fluid through the dip tube. The fluid then exits the geothermal probe through the cover, where the temperature of the fluid has already surpassed the frost limit, so that no explosion can occur on the cover due to ice formation, as is known from refrigeration technology as a problem.
  • the dip tube or Pipe loop is held alone on or in the connection cover. Complex and difficult to access holding means in the course of the probe tube itself are not required here. For the function of the earth probe and for its efficiency, it does not matter whether the immersion tube or the tube loop runs exactly centered through the probe tube or whether it more or less approaches the wall of the probe tube. Since the dip tube or the tube loop is held on or in the connection cover, it is not yet in the drive tube segments when driving in, so that the dip tube or the tube loop cannot be disruptive or damaged even during this work step. The dip tube or the tube loop is only inserted into the probe tube when it has been completely driven into the ground in the intended length.
  • the dip tube or the tube loop has a vent hole or a vent valve at its upper end. Air can emerge from the dip tube or the tube loop at the highest point of the probe tube through the bore or the valve and be discharged with the returning heat transport fluid. The final separation of the air is then advantageously carried out in a known manner by means of an automatic ventilation device in the highest part of the system.
  • the immersion tube or the tube loop preferably consists of plastic, preferably polyethylene (PE) or polypropylene (PP).
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • the immersion tube is relatively light in this way, so that in connection with its buoyancy in the heat transfer fluid it practically does not load the connection cover with tensile forces.
  • an insulation can additionally be applied to the immersion tube, for example in the form of a drawn-on corrugated tube made of plastic, the space between the immersion tube and the corrugated tube advantageously also being filled with the fluid.
  • the probe tube obliquely either in vertical direction or in a 'is preferably driven between 15 ° and 75 ° to the vertical direction extending into the soil.
  • the respective driving direction depends on the local conditions. -If there is sufficient floor space available, an oblique drive-in direction is preferable, because this creates a ' larger heat-pulling surface on the earth's surface. In this way, the required amount of thermal energy, for example for heating a residential building, can be obtained from the ground with a smaller number of probe tubes.
  • the present invention relates to' where there are those geothermal herein, the actual generated by sunlight.
  • the probe tube extends obliquely to the vertical direction, since then the 'surface of the earth's surface projected ed collection region of the geothermal probe is greater than in a purely vertical gradient of the probe tube.
  • An inclined course of the probe tube or an arrangement of probe tubes is easily possible with the ramming technique and in particular much easier than the creation of oblique boreholes, especially if the angle ' to the vertical direction is relatively large, for example greater than 45 °.
  • the probe shaft is driven into a pre-drilled into the earth bore, the bore depth is at most as large as the length of the probe tube and the bore diameter is smaller is the outside diameter of the probe tube.
  • the borehole is therefore completely filled by the aerial tube, which also ensures good thermal contact between the ground and the probe tube. At the same time, driving in is made considerably easier.
  • each ram tube segment of the probe tube can be driven into the ground without damage
  • the wall thickness of each ram tube segment, apart from the area of its two ends is between 10 and 20% of the outer diameter of the ram tube segment in order to achieve the necessary stability.
  • the ram pipe segments are therefore very thick-walled in relation to their diameter, but this is not disadvantageous for the heat transfer from the ground into the heat transport fluid inside the probe pipe or vice versa due to the high thermal conductivity of the metal from which the ram pipe segments are made.
  • each ram pipe segment has, apart from the area of its two ends, an outer diameter between approximately 80 and 200 mm and a wall thickness between approximately 7 and 12 mm.
  • the ram pipe segments are still included relatively little effort and thus driven into the soil with correspondingly relatively light machines, so that even in built-up areas such ram pipe segments can still be driven into the soil without any problems, without any dangers for buildings in the area.
  • each ramming tube segment s is between approximately 4 and 6 m, preferably approximately 5 m, and the total length of the probe tube is approximately 10 to 50 m and, if the soil conditions allow, also more.
  • the individual segments can still be handled by two workers and common handling devices, which simplifies the work on site at the point where the ramming tube segments are to be driven into the ground.
  • two people are sufficient, namely: a driver for an excavator with a hydraulic hammer and one person for filling in the pipe segments and for assisting each time a new pipe segment is put in place.
  • the heat transfer fluid is preferably pure water, in particular without the addition of antifreeze and in particular under a pressure of the order of about 10 bar. '' This basically excludes all groundwater and other environmental hazards, which also means that permits from authorities are considerably easier to maintain or can even be omitted entirely.
  • the heat transfer fluid is carbon dioxide, in particular under a pressure of the order of about 100 bar and more.
  • geothermal probes can be operated according to the so-called "heat pipe” method, especially since the probe tubes are structurally able to withstand such a high internal pressure without damage.
  • the probe tubes it is also no problem to provide them with an appropriately pressure-resistant cover at their upper end, in particular here by welding.
  • optimizing the “heat pipe” method by choosing a favorable driving-in angle of the probe tube and, in particular, of significantly improving it compared to the conventional vertical bores.
  • each drive-pipe segment can also be on its outer and / or inner surface provided with a corrosion protection layer. If there is salty water in the ground, e.g. near the coast, the probe tube can be effectively protected against corrosion by an external current anode.
  • the corrosion protection layer can be formed, for example, by a zinc coating or by a plastic coating, preferably made of polyurethane (PU), the material in each case being supposed to be oxygen diffusion-tight.
  • PU polyurethane
  • Another contribution to avoiding corrosion damage is that for the piping of the rest of the system and its connection to a heating or cooling device, lines are used which are impermeable to oxygen. This prevents the entry of oxygen which may promote corrosion of the ramming tube segments into the heat transfer fluid.
  • FIG. 1 shows a heat recovery system with a single probe tube in its vertically driven condition, in a schematic vertical section
  • Figure 2 shows a section of a modified probe tube, in longitudinal section
  • Figure 3 shows a heat recovery system with two probe tubes, which are driven obliquely into the ground, in a schematic vertical section.
  • the earth probe 1 consists of a probe tube 2, which is composed of several ram tube segments 20.
  • ramming pipe segments 2-0 are first driven into the soil 3 in succession in a previously prepared, relatively small construction pit 30, for example by means of a hydraulic hammer mounted on an excavator boom or on a carriage.
  • the lower ramming tube segment 20 in the drawing is provided with a probe tip 23 in order to drive the soil 3 as easily and quickly as possible with little resistance.
  • the probe pit drift into the earth 3 to reach.
  • the probe tip 23 is tightly connected here to the front end 21 of the lower ram tube segment 20.
  • a second ramming tube segment 20 is set, after which the first and second ramming tube segment 20 are then driven further into the soil 3.
  • each ram tube segment 20 connects to one another and to the probe tip 23 in a force-fitting and tight manner.
  • the front end 21 of each ram tube segment 20 is formed with a conical outer circumference 21 '.
  • a sleeve 22 with a suitably conical inner circumference 22 'or 23' is provided at the respective ' rear end of each ram pipe segment 20 and on the rear side of the probe tip 23.
  • Each sleeve 22 is provided on its lower part with a shoulder 22 ′′ or 23 ′′ and designed in connection with the inserted front end 21 of the respective other segment 20 so that the inserted end 21 of the segment 20 after a defined expansion of the Socket 22 is placed on this shoulder 22 ′′ or 23 ′′ and then transmits the drive-in impulses without the sleeve 22 being impermissibly stressed in the widening direction.
  • the ram pipe segments 20 and the probe tip 23 are preferably made of ductile cast iron, which is particularly strong and tough at the same time, so that it damages the driving impacts. can start and allows the desired friction welding when driving the ram pipe segments 20 in their connection areas.
  • a connection cover 24 is placed sealingly on the upper end of the upper ramming tube segment 20 and secured with at least one locking screw 24 '.
  • the connection cover 24 has a flow line connection 25 and a return line connection 27 for a heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid is water, which, if necessary, is mixed with an antifreeze, usually alcohol.
  • the inflow line connection 25 is a dip tube 26 is connected, which is supported only at the terminal cap 24 and is otherwise freely passes through 'the hollow interior 28 of the probe shaft. 2 The length of this dip tube 26 is only slightly smaller than the length of the probe tube 2.
  • cold heat transport fluid flows through the feed line connection 25 into the immersion tube 26 and through this to the lower end region of the probe tube 2.
  • the heat transport fluid emerges from the immersion tube 26 and now flows from bottom to top through the area of the interior 28 of the probe tube 2, which is not occupied by the dip tube 26.
  • the heat transport fluid absorbs thermal energy from the surrounding soil 3, the heat transport fluid heating up compared to its original temperature.
  • the heated heat transfer fluid leaves the probe tube 2 through the side return line connection 27 provided in the connection cover 24;
  • the connected to connection 27 In the case of the heat recovery system assumed here, closed return line usually leads to a heat pump in which the geothermal heat contained and transported in the heat transport fluid is extracted and used for heating purposes, for example for building heating or water heating.
  • the temperature of the heat transfer fluid emerging from the heat pump, which is now reduced in temperature, is then again routed to the flow line connection 25 and through the immersion tube 26 into the interior 28 of the probe tube 2. So there is a closed heat transport fluid circuit here.
  • the heat transport fluid then absorbs a relatively large amount of heat energy from the ground during its dwell time in the probe tube 2 and can thus experience a relatively large increase in temperature, which is favorable for the efficiency of the heat pump.
  • the high fluid age of the geothermal probe has a positive effect, which in practice can be, for example, about 10 1 / m. This results in typical times of about 30 to 60 minutes for a complete circulation of the heat transfer fluid.
  • the probe tube 2 Due to its relatively large material thickness, which is required for driving into the soil 3, the probe tube 2 is absolutely tight for very long operating times in the range of many decades, so that an escape of heat transport fluid from the probe tube 2 into the soil 3 is practically impossible , The probe tube 2 is intimately embedded in the soil 3 after being driven into it, so that, in conjunction with the good thermal conductivity of the metallic wall of the probe tube 2, a high degree of efficiency in heat transfer from the soil 3 into the Heat transfer fluid is reached in the hollow interior 28 of the probe tube 2 and in the reverse direction.
  • the feed and return line for the heat transfer fluid is also expediently arranged in the soil 3, an arrangement below the frost limit, e.g. at a depth of about 1 m or more if necessary.
  • the U-shape is located in the probe tube. 2, the U-bend 29 'is expediently near the lower end of the probe tube 2.
  • the heat transfer fluid in this case remains above its all the way through the probe tube 2 enclosed in the tube loop 29 and ' does not come into direct contact with the probe tube 2. Therefore, for the purpose of heat conduction, the space of the probe tube interior 28 around the tube loop 29 is filled with a thermally conductive filling material, for example water, which then there is an essentially standing liquid.
  • a heat recovery system can comprise one or more probe tubes 2.
  • probe tubes 2 or earth probes 1 as shown schematically in FIG. 3, these can advantageously be connected in series due to their low hydraulic resistance, the length of the individual probe tubes 2 being arbitrary. This makes the installation significantly cheaper and there is no hydraulic balancing, which is always associated with energy losses. If necessary, a parallel connection or a mixed connection of a larger number of probe tubes 2 is of course also possible.
  • the distance between several geothermal probes 1 in a system with several geothermal probes 1 depends on the catchment area of each individual geothermal probe 1, the size of the catchment area depending on the thermal conductivity of the ground 3 in the respective individual case.
  • the probe tubes 2 can also be driven vertically into the soil 3 instead of, as shown in FIG. 1 of the drawing, as shown in FIG. 3. This is advantageous in many applications, because then a larger intake area can be achieved per probe tube -2 for the thermal energy radiated into the soil 3 by the sun via the earth's surface. This then allows the probe distance to decrease as the direction of the probe increases from the vertical. Thus, the upper ends of the probes 2 can be arranged on a smaller total area for a predetermined amount of energy required, which saves space and installation effort.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmequellen- oder Wärmesenken- Anlage mit thermischer Erdankopplung, wobei die Anlage mindestens eine im Erdreich (3) angeordnete Erdsonde (1) umfaßt, wobei jede Erdsonde (1) ein Sondenrohr (2) aus mehreren Rammrohrsegmenten (20) ist und wobei im Sondenrohr (2) ein an seinem unteren Ende offenes Tauchrohr (26) oder eine U-förmige Rohrschleife (29) angeordnete ist. Die erfindungsgemässe Anlage ist dadurch gekennzeichnet, - daß jedes Rammrohrsegment (20) aus duktilem Gußeisen besteht; - daß die Rammrohrsegmente (20) an ihren Enden (21, 22) ineinandersteckbar ausgebildet sind und - daß jedes Rammrohrsegment (20) an seinem einen Ende (21) einen konisch zulaufenden Außenumfang (21') und an seinem anderen Ende eine mit einer Anschlagschulter (22') ausgeführte Muffe (22) mit einem passenden konischen Innenumfang (22') aufweist, wobei deren Durchmesser und Konuswinkel so bemessen sind, daß mit dem Eintreiben der Rammrohrsegmente (20) eine Kraftschlüssige und dichte Verbindung der Rammrohrsegmente (20) untereinander erzeugbar ist.

Description

Beschreibung:
Wärmequellen- oder Wärmesenken-Anlage mit thermischer Erd- ankopplung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmequellen- oder Wärmesenken-Anlage mit thermischer Erdankopplung für die oberflächennahe Gewinnung von Wärmeenergie aus dem Erdreich oder für die oberflächennahe Einleitung von Wärmeenergie in das Erdreich, wobei die Anlage mindestens eine im Erdreich angeordnete Erdsonde umfaßt, wobei Wärmeenergie mittels eines durch die Erdsonde geleiteten Wärme- transportfluids entweder aus dem Erdreich entnehmbar oder in das Erdreich einleitbar ist, wobei jede Erdsonde ein zum umgebenden Erdreich dichtes, metallisches Sondenrohr aus mehreren in das Erdreich eingetriebenen Rammrohrsegmenten umfaßt und wobei im Sondenrohr für die Zu- oder Abführung des Wärmetransportfluids entweder ein an seinem unteren Ende offenes Tauchrohr oder eine U-förmig verlaufende Rohrschleife angeordnet ist.
Anlagen für die eingangs genannten Verwendungszwecke sind in unterschiedlichen Ausführungen aus der Praxis bekannt. Diese bekannten Lösungen lassen sich im wesentlichen in drei verschiedene Gruppen zusammenfassen.
Eine erste Gruppe von Anlagen gemäß dem bekannten Stand der Technik arbeitet mit einem offenen Kreislauf mit einer Entnahme von Grundwasser aus einem Grundwasserleiter, des- sen Abkühlung oder Erwärmung in einer Wärmepumpe oder einem anderen Aggregat und dessen Wiedereinleitung in den Grundwasserleiter. Diese Wärmegewinnung aus dem Grundwasser oder Wärmeeinleitung in das Grundwasser ist allerdings nur dann möglich, wenn ein geeigneter Grundwasserleiter vorhanden ist und wenn die Grundwasserqualität ausreichend ist. Zudem ist eine behördliche Genehmigung für die Entnahme und Wiedereinleitung von Grundwasser erforderlich, die nur unter bestimmten Voraussetzungen erteilt wird.
Weiterhin sind bereits Flächenkollektoren bekannt, die üblicherweise als horizontal angeordnete Rohrregister- Wärmeaustauscher ausgeführt sind und die in einer Tiefe von etwa 1 m oder etwas mehr im Erdreich verlegt sind. Diese Flächenkollektoren erfordern umfangreiche Erdarbeiten und sind dadurch in ihrer Installation teuer und zudem je nach den örtlichen Gegebenheiten häufig nicht anwendbar.
Schließlich sind Erdsonden zur Erstellung von Wärmequellenanlagen bekannt . Diese bekannten Erdsonden bestehen aus einer einfachen oder doppelten Rohrschleife, die in einer vertikal in das Erdreich eingebrachten Bohrung eingebaut ist. Allgemein liegt die Tiefe der Bohrung unter 100 m, kann aber auch darüber hinausgehen. Bei Sandboden erfolgt das Niederbringen der Bohrungen üblicherweise als Spülbohrungen. Im festen Boden wird überwiegend das sogenannte Lufthebe-Bohrverfahren mit einem Im-Loch-Hammer verwendet. Dieses Bohrverfahren erfordert die Bereitstellung eines zweistufigen Luftkompressors mit einem Arbeitsdruck von bis zu 24 bar und einer Antriebsleistung von 200 kW und mehr. Bei Lockergestein wird mit einer Schutzverrohrung gebohrt, die in der Praxis einen typischen Durchmesser von beispielsweise 152 mm hat. Im Festgestein wird mit einem typischen Durchmesser von beispielsweise 128 mm weiterge- bohrt, bis die jeweils benötigte Endtiefe erreicht ist. In die fertig gestellte Erdbohrung muß die vorkonfektionierte Rohrschleife eingebracht werden. Anschließend muß der verbleibende Raum zwischen der Rohrschleife und der Wandung der Erdbohrung mit einem Füllstoff, in der Praxis meist Bentonit, d.h. ein Zement-Ton-Gemisch, von unten nach oben fortschreitend verfüllt werden. Hiermit erreicht man ein zuverlässiges und dauerhaftes Verschließen wasserführender Schichten untereinander sowie den notwendigen thermischen Kontakt zwischen der Rohrschleife und dem Erdreich. Ersichtlich ist auch die Erstellung einer derartigen Anlage sehr aufwendig und dadurch teuer. Zudem sind auch diese Anlagen genehmigungspflichtig, so daß durch entsprechende Beantragung und Bearbeitung von Genehmigungen zusätzlicher Aufwand an Kosten und Zeit entsteht. Nach praktischen Beobachtungen behandeln zudem die zuständigen Behörden derartige Anträge häufig restriktiv und mit überzogener Vorsicht im Hinblick auf mögliche Grundwasserverunreinigungen bei Leckagen.
Aus DE 79 36 659 Ul ist eine Vorrichtung zum Einbringen von stangenförmigen Wärmetauschern in das Erdreich bekannt . Für die dabei verwendeten Wärmetauscher ist bevorzugt vorgesehen, daß diese die Form von Rammkernsonden haben, die aus untereinander mittels konischer Gewindestücke verschraubten Teilstücken zusammengesetzt sind. Nachteilig ist hierbei, daß Schraubverbindungen, ebenso wie die auch aus der Praxis bekannten Schweiß- oder Lδtverbindungen zwischen den Teilstücken beim Einschlagen empfindlich sind und zu Rissen und damit verbundenen Undichtigkeiten neigen. Das Einschneiden von Gewinden, das Schweißen oder das Löten führen nachteilig sämtlich zu lokalen Struktur- und Härteveränderungen im Material der Sondenrohrteilstücke und damit zu potentiellen Schwachstellen, von denen früher oder später Risse oder Brüche ausgehen können. Für die vorliegende Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, eine Anlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die vorstehend dargelegten Nachteile vermieden werden und die insbesondere wirtschaftlich 'erstellbar ist, die besonders sicher im Hinblick auf mögliche Umweltbeeinträchtigungen ist, die eine sehr lange Lebensdauer hat und die einen guten Wirkungsgrad aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einer Anlage der- eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,
- daß jedes Rammrohrsegment aus duktilem Gußeisen besteht,
- daß die Rammrohrsegmente an ihren Enden ineinandersteck- bar ausgebildet sind und
- daß jedes Rammrohrsegment an seinem einen Ende einen konisch zulaufenden Außenumfang und an seinem anderen Ende eine mit einer Anschlagschulter ausgeführte Muffe mit einem passenden konischen Innenumfang aufweist, wobei deren' Durchmesser und Konuswinkel so bemessen sind, daß mit dem Eintreiben der Rammrohrsegmente eine kraft- schlüssige und dichte Verbindung der Rammrohrsegmente untereinander erzeugbar ist.
Erfindungsgemäß ist zunächst vorgesehen, daß jedes Rammrohrsegment aus duktilem Gußeisen besteht. Der wesentliche Unterschied von duktilem Gußeisen zu herkömmlichem Grauguß besteht darin, daß im duktilen Gußeisen das enthaltene ■ Graphit in Form von Kugelgraphit vorliegt, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften verändern; insbesondere werden die Festigkeit und die Zähigkeit angehoben. Die chemischen Eigenschaften des duktilen Gußeisens sind gegenüber dem Grauguß ebenfalls verbessert, insbesondere die Korrosionsfestigkeit gegen Lochfraß. Die Herstellung der Rammrohrsegmente ist beispielsweise als Schleuderguß mög- lieh, wobei praktisch zu 100% Recyclingmaterial, also Stahlschrott, eingesetzt werden kann, was sowohl ökonomisch als auch ökologisch vorteilhaft ist. Durch eine auf den Guß folgende spezielle Nachbehandlung sind die Rammrohrsegmente aus duktilem Gußeisen mechanisch so widerstandsfähig, daß sie mit erheblichen Schlagkräften in das Erdreich eingetrieben werden können, ohne Schaden zu erleiden. Zur weiteren Vereinfachung der Erstellung der Sondenrohre ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Rammrohrsegmente an ihren Enden ineinander steckbar ausgebildet sind. Aufwendige Schraub-, Löt- oder Schweißverbindungen, die sich auf der Baustelle nur unter größten Schwierigkeiten herstellen und prüfen lassen, werden zwischen den aufeinanderfolgenden Rammrohrsegmenten nicht benötigt. Dadurch wird auch die mechanische Bearbeitung der Enden der Rammrohrsegmente bei deren Herstellung vereinfacht und auch der Arbeitsaufwand und die Gefahr von Arbeitsfehlern auf der Baustelle am Ort des Eintreibens der Rammrohrsegmente in das Erdreich werden vermindert. Gemäß Erfindung ist dabei weiterhin vorgesehen, daß jedes Rammrohrsegment an seinem einen Ende einen konisch zulaufenden Außenumfang und an seinem anderen Ende eine Muffe mit einem passenden konischen Innenumfang aufweist, wobei deren Konuswinkel so bemessen sind, daß allein mit dem Eintreiben der Rammrohrsegmente eine dauerhaft kraftschlüssige und dichte Verbindung der Rammrohrsegmente untereinander erzeugbar ist. Diese Ausgestaltung der Rammrohrsegmente sorgt dafür, daß allein durch den Eintreibvorgang schon die gewünschte Dichtigkeit und kraftschlüssige Verbindung der einzelnen Rammrohrsegmente untereinander erreicht wird. Besondere Dichtmittel sind nicht erforderlich. Die Muffe ist jeweils mit einer Schulter versehen und in Verbindung mit dem eingesteckten Teil des jeweils anderen Segments so gestaltet, daß das eingesteckte Segment nach einer definierten Auf- weitung der Muffe auf diese Schulter aufsetzt und danach die Eintreibimpulse weiterleitet, ohne daß die Muffe in Richtung einer weiteren Aufweitung unzulässig beansprucht werden kann. Bei geeigneter Stärke der Impulse oder Rammschläge zum Eintreiben der Rammrohrsegmente wird erreicht, daß im Verbindungsbereich zweier Rammrohrsegmente miteinander sich eine Reibverschweißung ergibt, die die gewünschte Dichtigkeit und kraftschlüssige Verbindung für sehr lange Einsatzzeiten des Sondenrohrs gewährleistet. Da eine spätere zerstörungsfreie Trennung der einzelnen Rammrohrsegmente voneinander nicht erforderlich ist, stellt diese feste Reibverschweißung keinerlei technischen Nachteil dar.
Da die Sondenrohre jeweils aus mehreren in das Erdreich eingetriebenen Rammrohrsegmenten bestehen, ist eine besonders wirtschaftliche Erstellung der Anlage gewährleistet. Diese hohe Wirtschaftlichkeit wird insbesondere deshalb erreicht, weil das Eintreiben der Rammrohrsegmente zur Bildung des Sondenrohrs mittels geeigneter Einrichtungen, insbesondere mittels eines handelsüblichen Hydraulikhammers, einen wesentlich geringeren zeitlichen und technischen Aufwand, insbesondere einen mindestens 80% geringeren Energieaufwand, erfordert als die Erstellung einer Erdbohrung. Die Rammrohrsegmente sind selbstverständlich so ausgeführt, daß sie beim Eintreiben in das Erdreich die dabei auftretenden Schlagkräfte schadlos aufnehmen können. Vorteilhaft ist das Sondenrohr allein durch sein Eintreiben zum umgebenden Erdreich dicht, so daß ein Austreten des Wärmetransportfluids aus dem Sondenrohr in das Erdreich praktisch ausgeschlossen ist, zumal die Rä mrohrseg- ente, die das Sondenrohr bilden, wegen der benötigen mechanischen Stabilität relativ dickwandig sind. Dabei bleibt die Dichtigkeit entsprechend der Lebenserwartung der Sondenrohre auch über lange Zeiträume von vielen Jahrzehnten erhalten. Mit der erfindungsgemäßen Anlage wird ein hoher Wirkungsgrad erzielt, weil jedes Sondenrohr nach seinem Eintreiben in das Erdreich in einem festen und innigen Kontakt zu dem umgebenden Erdreich steht, ohne daß besondere Füll- oder Kontaktmittel in den Bereich des Außenumfangs des Sondenrohrs eingebracht werden müssen. Damit ist ohne besondere Maßnahmen schon ein guter Wärmeübergang aus dem Erdreich in das Sondenrohr oder umgekehrt gewährleistet . Da das Sondenrohr selbst metallisch ist, hat es eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, so daß insgesamt ein sehr niedriger Widerstand bei der Wärmeleitung aus dem Erdreich in das im Inneren des Sondenrohrs strömende Wärmetransportfluid bzw. in umgekehrter Richtung vorliegt.
Die Anlage kann sowohl als Wärmequelle für Heizzwecke als auch als Wärmesenke für Kühlzwecke eingesetzt werden. Für Kühlzwecke kann dabei die Anlage entweder auf dem natürlichen Temperaturniveau oder unter Zwischenschaltung einer umgekehrt betriebenen Wärmepumpe, also eines Kälteaggregats, eingesetzt werden. Bei einer umschaltbaren Wärmepumpe ist sogar wahlweise wechselnd ein Heiz- oder .Kühlbetrieb möglich. Diese Anwendung ist ganz besonders in südlicheren, heißeren Regionen der Erde oder in Regionen mit typischem Festlandklima von besonderem Vorteil.
In weiterer Ausgestaltung schlägt die Erfindung bevorzugt vor, daß jeweils der konisch zulaufende Außenumfang jedes Rammrohrsegments an dessen vorderem Ende und die mit der Anschlagschulter ausgeführte Muffe jedes Rammrohrsegments an dessen hinterem Ende vorgesehen ist. Mit dieser Ausführung wird ein möglichst geringer Bewegungswiderstand der Rammrohrsegmente bei deren Eintreiben in das Erdreich erreicht . Ein weiterer Beitrag für eine hohe Wirtschaftlichkeit wird dadurch erreicht, daß für die Zu- oder Abführung des Wärmetransportfluids nur ein an seinem unteren Ende offenes Tauchrohr benötigt wird, wobei vorzugsweise weiterhin der Außendurchmesser des Tauchrohrs kleiner als der Innendurchmesser des Sondenrohrs ist und die Länge des Tauchrohrs geringfügig kleiner als die Länge des Sondenrohrs ist. Die zweite Hälfte des Strömungsweges des Wärmetransportfluids verläuft dann durch den Teil des Inneren des Sondenrohrs, der nicht von dem Tauchrohr eingenommen wird. Durch diese Konstruktion ergibt sich ein denkbar geringer hydraulischer Widerstand der Erdsonde, was für die Praxis von ausschlaggebender Bedeutung ist. Das Einbringen eines Füllstoffs ist hier nicht erforderlich.
Alternativ- besteht die Möglichkeit, daß im Sondenrohr anstelle des Tauchrohrs für die Zu- und Abführung des Wärmetransportfluids eine U-förmig verlaufende Rohrschleife angeordnet ist, wobei weiter bevorzugt vorgesehen ist, daß deren Länge bis zu ihrem U-Bogen geringfügig kleiner als die Länge des Sondenrohrs ist und daß der nicht von der Rohrschleife eingenommene Teil des Inneren des Sondenrohrs mit einem wärmeleitfähigen Füllmaterial gefüllt ist. Diese Ausführung der erfindungsgemäßen Anlage bietet den Vorteil einer besonders hohen Sicherheit gegen ein Eindringen des Wärmetransportfluids in das Erdreich in der Umgebung des Sondenrohrs, da hier sowohl die Rohrschleife als auch das Sondenrohr undicht werden müssen, bevor das Wärmetransportfluid in das Erdreich gelangen kann. Auf der anderen Seite wird aber diese erhöhte Sicherheit mit einem etwas geringeren Wirkungsgrad erkauft, weil hier insgesamt etwas höhere Widerstände bei der Wärmeleitung aus dem Erdreich in das Wärmetransportfluid und umgekehrt vorliegen. Um beim Eintreiben der Rammrohrsegmente in das Erdreich mit möglichst geringen Eintreibkräften einen möglichst großen Vortrieb zu erreichen, ist zweckmäßig das erste, vorlaufende Rammrohrsegment des Sondenrohrs an seinem vorderen Ende mit einer Sondenspitze ausgeführt oder dicht verbunden. Sofern die Sondenspitze mit dem Rammrohrsegment dicht verbunden ist, erfolgt diese Verbindung zweckmäßig in der vorstehend beschriebenen Art und Weise durch konische Verbindungsbereiche und deren Reibverschweißung durch Rammschläge .
Weiter ist erfindungsgemäß, vorgesehen, daß das letzte Rammrohrsegment des Sondenrohrs an seinem hinteren Ende dicht mit einem nach dem Eintreiben aufgesetzten Anschlußdeckel verbunden ist, an dem ein Vorlaufleitungsanschluß und ein Rücklaufleitungsanschluß für das Wärmetransport- fluid angeordnet sind. Der Anschlußdeckel stellt die benötigten Anschlüsse für den Vorlauf und Rücklauf des Wärmetransportfluids zur Verfügung. Da der Deckel nachträglich aufzusetzen ist, stört er beim Eintreiben der Rammrohrsegmente nicht . Da dadurch der Deckel keine Eintreibkräfte aufnehmen muß, kann er leicht ausgeführt sein und es genügen für die Anbringung und Abdichtung des Deckels auf dem letzten Rammrohrsegment herkömmliche Verbindungstechniken. Bei einer Wärmegewinnungsanlage wird es vorteilhaft sein, den Vorlauf des Wärmetransportfluids durch das Tauchrohr zu führen. Der Austritt des Fluids aus der Erdsonde erfolgt dann durch den Deckel, wo das Fluid temperaturmäßig bereits die Frostgrenze sicher überschritten hat, sodaß am Deckel keine Sprengwirkung durch Eisbildung auftreten kann, wie sie aus der Kältetechnik als Problem bekannt ist.
Ein weiterer Beitrag zu einem vorteilhaften niedrigen Herstellungsaufwand besteht darin, daß das Tauchrohr oder die Rohrschleife allein am oder im Anschlußdeckel gehaltert ist. Aufwendige und nur schwer zugängliche Halterungsmittel im Verlauf des Sondenrohrs selbst sind hier nicht erforderlich. Für die Funktion der Erdsonde und für deren Wirkungsgrad spielt es auch keine merkliche Rolle, ob das Tauchrohr oder die Rohrschleife exakt zentriert durch das Sondenrohr verläuft oder ob es sich der Wandung des Sondenrohrs mehr oder weniger annähert . Da das Tauchrohr oder die Rohrschleife am oder im Anschlußdeckel gehaltert ist, befindet es/sie sich beim Eintreiben der Rammrohrsegmente noch nicht in diesen, so daß das Tauchrohr oder die Rohrschleife auch bei diesem Arbeitsschritt nicht störend wirken oder beschädigt werden kann. Das Tauchrohr oder die Rohrschleife wird erst in das Sondenrohr eingeführt, wenn dieses vollständig in der vorgesehenen Länge in das Erdreich eingetrieben ist.
Um Störungen des Wärmetransports durch die Erdsonde und durch die übrigen Teile der Anlage infolge von Luftblasen zu vermeiden, ist vorgesehen, daß das Tauchrohr oder die Rohrschleife an ihrem oberen Ende eine Entlüftungsbohrung oder ein Entlüftungsventil aufweist. Durch die Bohrung oder das Ventil kann Luft im höchsten Punkt des Sondenrohrs aus dem Tauchrohr oder der Rohrschleife austreten und mit dem rücklaufenden Wärmetransportfluid abgeführt werden. Die endgültige Abscheidung der Luft erfolgt dann zweckmäßig in bekannter Weise mittels einer selbsttätigen Entlüftungseinrichtung in dem am höchsten gelegenen Teil der Anlage .
Bevorzugt besteht das Tauchrohr oder die Rohrschleife aus -Kunststoff, vorzugsweise Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) . Auf diese Weise wird allein aufgrund des Materials schon ein guter Wärmeisolationswert erreicht, der einen unerwünschten Wärmeaustausch zwischen dem vorlaufenden und rücklaufenden Wärmetransportfluid innerhalb des Sondenrohrs sehr gering hält . Außerdem wird das Tauchrohr auf diese Weise relativ leicht, so daß es in Verbindung mit seinem Auftrieb im Wärmetransportfluid den Anschlußdeckel praktisch nicht mit Zugkräften belastet. Um den ohnehin schon geringen thermischen Kurzschluß zwischen Vor- und Rücklauf weiter zu verringern, kann auf das Tauchrohr zusätzlich eine Isolation aufgebracht sein, beispielsweise in Form eines aufgezogenen Wellrohrs aus Kunststoff, wobei der Zwischenraum zwischen Tauchrohr und Wellrohr zweckmäßig auch mit dem Fluid gefüllt ist.
Weiter ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Sondenrohr entweder in Vertikalrichtung oder in einer' schräg, vorzugsweise zwischen 15° und 75°, zur Vertikalrichtung verlaufenden Richtung in das Erdreich eingetrieben ist . Die jeweilige Eintreibrichtung richtet sich nach den örtlichen -Gegebenheiten. -Sofern ausreichend Grundfläche zur Verfügung steht, ist eine schräge Ξintreibrichtung vorzuziehen, weil dadurch eine' größere Wärmeeiήzugsflache an der Erdoberfläche erzielt wird. Auf diese Weise kann die benötigte Wärmeenergiemenge , z.B. für die Beheizung -eines Wohngebäudes, , mit einer geringeren Anzahl von Sondenrohren aus- dem Erdreich gewonnen werden. Wie eingangs -schon ' erwähnt , betrifft die vorliegende Erfindung' unter anderem eine Anlage für die oberflächennahe Gewinnung von Erdwärme, wobei es sich hier um solche Erdwärme handelt, die von Sonneneinstrahlung erzeugt ist-. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn das Sondenrohr schräg zur Vertikalrichtung verläuft, da dann die' Fläche des auf die Erdoberfläche proji- zierten Einzugsbereichs der Erdsonde größer wird als bei einem rein vertikalen Verlauf des Sondenrohrs . Ein schräger Verlauf des Sondenrohrs oder einer 'Anordnung -von Sondenrohren ist mit der- Rammtechnik problemlos möglich und insbesondere wesentlich einfacher als die Erstellung von schräg verlaufenden Bohrlöchern, insbesondere wenn der Winkel' zur Vertikalrichtung relativ groß, beispielsweise größer als 45°, ist.
Falls das Erdreich so fest ist, daß ein Eintreiben der Rammrohrabschnitte' zu Problemen führt, kann ausnahmsweise vorgesehen sein, daß das Sondenrohr in eine in das Erdreich vorgebohrte Bohrung eingetrieben ist, deren Bohrungstiefe maximal so groß ist wie die Länge des Sondenrohrs und deren Bohrungsdurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser des Sondenrohrs. Das Bohrloch wird also vollständig vom Söndenrohr ausgefüllt, wodurch der gute Wärmeleitungskontakt zwischen Erdreich und Sondenrohr auch hier erreicht wird. Gleichzeitig wird das Eintreiben wesentlich erleichtert.
Damit die einzelnen Rammrohrsegmente des Sondenrohrs schadlos in das Erdreich eingetrieben werden können, ist zur Erzielung der dafür erforderlichen Stabilität bevorzugt vorgesehen, daß die Wandstärke jedes Rammrohrsegments, abgesehen vom Bereich seiner beiden Enden, zwischen 10 und 20% des Außendurchmessers des Rammrohrsegments beträgt . Die Rammrohrsegmente sind damit im Verhältnis zu ihrem Durchmesser sehr dickwandig, - was aber aufgrund der hohen Wärmeleitf higkeit des 'Metalls, aus dem die Rammrohrsegmente bestehen, nicht nachteilig für den Wärmeübergang aus dem Erdreich in das Wärmetransportfluid im Inneren des Sondenrohrs oder umgekehrt ist .
In einer konkreteren, für die meisten in der Praxis auftretenden Anwendungsfälle gut geeigneten Ausführung .weist jedes Rammrohrsegment , abgesehen vom Bereich seiner beiden Enden, einen Außendurchmesser zwischen etwa 80 und 200 mm und eine Wandstärke zwischen etwa 7 und 12 mm auf. Mit den angegebenen Dimensionen sind die Rammrohrsegmente noch mit relativ geringem Aufwand und dadurch mit entsprechend relativ leichten Maschinen in das Erdreich eintreibbar, so daß auch in bebauten Gebieten derartige Rammrohrsegmente noch problemlos in das Erdreich eingetrieben werden können, ohne daß Gefahren für Gebäude in der Umgebung entstehen.
Weiter ist in einer konkreten Ausgestaltung bevorzugt vorgesehen, daß die Länge jedes Rammrohrsegmen s zwischen etwa 4 und 6 m, bevorzugt etwa 5 m, und die Gesamtlänge des Sondenrohrs etwa 10 bis 50 m und, wenn es die Bodenverhältnisse zulassen, auch mehr, beträgt. Bei diesen Dimensionen der Rammrohrsegmente sind die einzelnen Segmente noch von zwei Arbeitskräften und 'gängigen Handhabungsvorrichtungen handhabbar, was die Arbeiten vor Ort an der Stelle, wo die Rammrohrsegmente in das Erdreich einzutreiben sind, erleichtert. An Personal genügen zwei Personen, •nämlich ein Führer für einen Bagger mit Hydraulikhammer und eine Person zum Anreichen der Rohrsegmente und zur -Hilfestellung bei Ansetzen jeweils eines neuen Rohrseg- ments. Bei der angegebenen bevorzugten Gesamtlänge des Sondenrohrs ist in den meisten Fällen in der Praxis zu erwarten, daß das Eintreiben der Rammrohrsegmente des Sondenrohrs noch ohne Probleme und mit einer relativ hohen Eintreibgeschwindigkeit möglich ist. Erleichtert wird in der Regel das Eintreiben der Rammrohrsegmente, wenn diese, wie oben schon beschrieben, nicht vertikal, sondern schräg in das Erdreich eingebracht werden.
Aus ökologischen Gründen ist bevorzugt das Wärmetransport- fluid reines Wasser, insbesondere ohne Frostschutzmittel- Zusatz und insbesondere unter einem Druck in der Größenordnung von etwa 10 bar. ' Hierdurch werden alle Grundwasser- und sonstige Umweltgefährdungen grundsätzlich ausgeschlossen, wodurch auch Genehmigungen durch Behörden we- sentlich leichter zu erhalten sind oder sogar ganz entfallen können.
Alternativ besteht die Möglichkeit, daß das Wärmetransportfluid Kohlendioxid, insbesondere unter einem Druck in der Größenordnung von etwa 100 bar und mehr, ist. Hiermit können Erdsonden nach den sogenannten "Heat-Pipe"- Verfahren betrieben werden, zumal die Sondenrohre konstruktiv in der Lage sind, einem derart hohen Innendruck schadlos standzuhalten. Bei den Sondenrohren ist es außerdem kein Problem, diese an ihrem oberen Ende mit einem entsprechend druckfesten Deckel zu versehen, hier insbesondere durch Aufschweißen. Auch besteht die Möglichkeit, das "Heat-Pipe" -Verfahren durch Wahl eines günstigen Eintreibwinkels des Sondenrohrs zu optimieren und insbesondere gegenüber bisher üblichen Vertikalbohrungen deutlich zu verbessern.
Wie oben erwähnt, ist der duktile Guß, aus dem die Rammrohrsegmente bevorzugt bestehen, wesentlich korrosionsfester als üblicher Grauguß. Um auch bei langen Betriebszei^- ten von mehreren Jahrzehnten das Sondenrohr noch stärker gegen Undichtigkeiten zu schützen, kann zusätzlich jedes Rammrohrsegment an seiner äußeren und/oder inneren Oberfläche mit einer Korrosionsschutzschicht versehen sein. Liegt im Erdreich salzhaltiges Wasser vor, z.B. in Küstennähe, kann das Sondenrohr durch eine Fremdstromanode wirkungsvoll gegen Korrosion geschützt werden.
Die Korrosionsschutzschicht kann beispielsweise durch eine Verzinkung oder durch einen KunstStoffÜberzug, vorzugsweise aus Polyurethan (PU) , gebildet sein, wobei der Werkstoff jeweils Sauerstoffdiffusionsdicht sein soll. Ein weiterer Beitrag zur Vermeidung von Korrosionsschäden besteht darin, daß für die Verrohrung der übrigen Anlage sowie deren Verbindung mit einer Heiz- oder Kühleinrichtung Leitungen verwendet werden, die sauerstoffdiffusionsdicht sind. Hierdurch - wird ein Eintrag von eine Korrosion der Rammrohrsegmente möglicherweise förderndem Sauerstoff in das Wärmetransportfluid verhindert.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Die Zeichnungsfiguren zeigen:
Figur 1 eine Wärmegewinnungsanlage mit einem einzelnen Sondenrohr in seinem vertikal in das Erdreich eingetriebenen Zustand, in einem schematisierten Vertikalschnitt ,
Figur 2 einen Ausschnitt aus einem geänderten Sondenrohr, im Längsschnitt, und
Figur 3 eine Wärmegewinnungsanlage mit zwei Sondenrohren, die schräg in das Erdreich eingetrieben sind, in einem schematisierten Vertikalschnitt.
Gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Erdsonde 1 aus einem Sondenrohr 2, das aus mehreren Rammrohrsegmenten 20 zusammengesetzt ist. Zur Erstellung der Erdsonde 1 werden in einer vorab hergerichteten, relativ kleinen Baugrube 30 zunächst Rammrohrsegmente 2-0 in der benötigten Anzahl nacheinander in das Erdreich 3 eingetrieben, beispielsweise mittels eines an einem Baggerausleger oder an einer Lafette montierten hydraulischen Hammers. Zunächst .wird das in der Zeichnung untere Rammrohrsegment 20 mit einer Sondenspitze 23 versehen, um ein möglichst widerstandsarmes, leichtes und schnelles Eintreiben in das Erdreich 3 zu erreichen. Die Sondenspit- treiben in das Erdreich 3 zu- erreichen. Die Sondenspitze 23 ist hier dicht mit dem vorderen Ende 21 des unteren Rammrohrsegments 20 verbunden. Sobald das erste Rammrohrsegment 20 annähernd vollständig in das Erdreich 3 eingetrieben ist, wird ein zweites Rammrohrsegment- 20 angesetzt, wonach dann das erste und zweite Rammrohrsegment 20 gemeinsam weiter in das Erdreich 3 eingetrieben werden.
Durch die ausgeübten Eintreibschläge des hydraulischen Hammers verbinden sich die Rammrohrsegmente 20 miteinander sowie mit der Sondenspitze 23 kraftschlüssig und dicht. Zu diesem Zweck ist jeweils das vordere Ende 21 jedes Rammrohrsegments 20 mit einem konischen Außenumfang 21' ausgebildet. Am jeweils' hinteren Ende jedes Rammrohrsegments 20 und an der hinteren Seite der Sondenspitze 23 ist jeweils, eine Muffe 22 mit einem passend konischen Innenumfang 22' bzw. 23' vorgesehen. Die Konuswinkel von Außenumfang 21' und Innenumfang 22' bzw. 23' sind dabei so gewählt und aufeinander abgestimmt, daß sich beim Eintreiben der Rammrohrsegmente 20 die gewünschte kraftschlüssige und dichte Verbindung allein durch die Eintreibschläge oder -impulse ergibt, wobei durch diese auftretenden Schläge oder Impulse im Verbindungsbereich eine Reibschweißung erzeugt wird. Jede Muffe 22 ist an ihrem unteren Teil mit einer Schulter 22'' bzw. 23'' versehen und in Verbindung mit dem eingesteckten vorderen Ende 21 des jeweils anderen Segments 20 so gestaltet, daß das eingesteckte Ende 21 des Segments 20 nach einer definierten Aufweitung der Muffe 22 auf diese Schulter 22'' bzw. 23'' aufsetzt und danach die Eintreibimpulse weiterleitet, ohne daß die Muffe 22 in Aufweit- richtung unzulässig beansprucht ' wird.
Die Rammrohrsegmente 20 und die Sondenspitze 23 bestehen bevorzugt aus duktilem Gußeisen, das besonders fest und gleichzeitig zäh ist, so daß es die Eintreibschläge schad- los aufnehmen kann und die gewünschte Reibverschweißung bei dem Eintreiben der Rammrohrsegmente 20 in deren Verbindungsbereichen erlaubt. Sobald die benötigte Gesamtlänge des Sondenrohrs 2, in der Praxis beispielsweise zwischen etwa 10 und 50 m, erreicht ist, wird das Eintreiben • der Rammrohrsegmente 20 beendet. Auf das obere Ende des oberen Rammrohrsegments 20 wird ein Anschlußdeckel 24 dichtend aufgesetzt und mit mindestens einer Feststellschraube 24' gesichert. Der Anschlußdeckel 24 besitzt je einen Vorlaufleitungsanschluß 25 und Rücklaufleitungsanschluß 27 für ein Wärmetransportfluid. Das Wärmetransport- fluid ist im einfachsten Fall Wasser, das bedarfsweise mit einem Frostschutzmittel, üblicherweise Alkohol, versetzt ist. Mit. dem Vorlaufleitungsanschluß 25 ist ein Tauchrohr 26 verbunden, das lediglich am Anschlußdeckel 24 gehaltert ist und ansonsten frei durch ' das hohle Innere 28 des Sondenrohrs 2 verläuft. Die Länge dieses Tauchrohrs 26 ist dabei nur geringfügig kleiner als die Länge des Sondenrohrs 2.
Im Betrieb der Erdsonde 1 als Teil einer Heizeinrichtung strömt kaltes Wärmetransportfluid durch den Vorlaufleitungsanschluß 25 in das Tauchrohr 26 und durch dieses bis zum unteren Endbereich des Sondenrohrs 2. Am unteren Ende 26' des Tauchrohrs 26 tritt das Wärmetransportfluid aus dem Tauchrohr 26 aus und strömt nun von unten nach oben durch den Bereich des Inneren 28 des Sondenrohrs 2, der nicht vom Tauchrohr 26 eingenommen wird. Auf seinem Weg entlang der Wand des Sondenrohrs 2 von unten nach oben nimmt das Wärmetransportfluid Wärmeenergie aus dem umgebenden Erdreich 3 auf, wobei sich das Wärmetransportfluid gegenüber seiner ursprünglichen Temperatur erwärmt. Das erwärmte Wärmetransportfluid verläßt durch den im Anschlußdeckel 24 vorgesehenen seitlichen Rücklaufleitungsanschluß 27 das Sondenrohr 2 ; Die an den Anschluß 27 ange- schlossene Rücklaufleitung führt im Fall der hier angenommenen Wärmegewinnungsanlage üblicherweise zu einer Wärmepumpe, in der die im Wärmetransportfluid enthaltene und transportierten Erdwärme entzogen und für Heizungszwecke, beispielsweise für eine Gebäudeheizung oder eine Wassererwärmung, genutzt wird. Das aus der Wärmepumpe austretende, nun in seiner Temperatur herabgesetzte Wärmetransportfluid wird dann wieder zum Vorlaufleitungsanschluß 25 und durch das Tauchrohr 26 in das Innere 28 des Sondenrohrs 2 geführt. Es liegt hier also ein geschlossener Wärmetransportfluid-Kreislauf vor.
Besonders vorteilhaft ist ein Intervallbetrieb der zugehörigen Heizungseinrichtung und Wärmepumpe, weil dann das Wärmetransportfluid jeweils während seiner Verweilzeit im Sondenrohr 2 eine relativ große Wärmeenergiemenge aus dem Erdreich aufnehmen und so eine relativ große Temperaturerhöhung erfahren kann, was für den Wirkungsgrad der Wärmepumpe günstig ist. Hier macht sich der hohe Fluidge alt der Erdsonde positiv bemerkbar, der in der Praxis beispielsweise etwa 10 1/m betragen kann. Damit ergeben sich typische Zeiten von etwa 30 bis 60 Minuten für eine vollständige Umwälzung des Wärmetransportfluids .
Das Sondenrohr 2 ist aufgrund seiner relativ großen Materialstärke, die für das Eintreiben in das Erdreich 3 erforderlich ist, für sehr lange Einsatzzeiten im Bereich von vielen Jahrzehnten absolut dicht, so daß ein Austritt von Wärmetransportfluid aus den Sondenrohr 2 in das Erdreich 3 praktisch ausgeschlossen ist. Das Sondenrohr 2 ist nach dem Eintreiben in das Erdreich 3 innig in dieses eingebettet, so daß in Verbindung mit der guten Wärmeleitfähigkeit der metallischen Wand des Sondenrohrs 2 ein hoher Wirkungsgrad beim Wärmeübergang aus dem Erdreich 3 in das Wärmetransportfluid im hohlen Inneren 28 des Sondenrohrs 2 sowie in umgekehrter Richtung erreicht wird.
Die Vorlauf- und Rücklaufleitung für das Wärmetransport- fluid wird zweckmäßig ebenfalls im Erdreich 3 angeordnet, wobei dann vorteilhaft eine Anordnung unterhalb der Frostgrenze, z.B. in einer Tiefe von etwa 1 m oder bedarfsweise mehr, sinnvoll ist.
Für die Führung des Wärmetransportfluids kann gemäß Figur 2 alternativ auch" eine Rohrschleife 29 eingesetzt werden, die U-förmig im Sondenrohr 2 liegt. Der U-Bogen 29' liegt dabei zweckmäßig nahe dem unteren Ende des Sondenrohrs 2. Das Wärmetransportfluid bleibt hierbei über seinen gesamten Weg durch das Sondenrohr 2 in der Rohrschleife 29 eingeschlossen und' kommt nicht in unmittelbaren Kontakt mit dem Sondenrohr 2. Deshalb ist für Zwecke der Wärmeleitung der Raum des Sondenrohrinneren 28 um die Rohrschleife 29 herum mit einem wärmeleitenden Füllmaterial, z.B. Wasser, gefüllt, das hier dann eine im wesentlichen stehende Flüssigkeit ist.
Je nach Energiebedarf kann eine Wärmegewinnungsanlage ein oder mehrere Sondenrohre 2 umfassen. Bei Verwendung mehrerer Sondenrohre 2 oder Erdsonden 1, wie in Figur 3 schematisch dargestellt, können diese aufgrund ihres niedrigen hydraulischen Widerstandes vorteilhaft in Reihe geschaltet werden, wobei die Länge der einzelnen Sondenrohre 2 beliebig ist. Dadurch wird die Installation deutlich günstiger und es entfällt ein hydraulischer Abgleich, der immer mit -Energieverlusten verbunden ist. Bei Bedarf ist aber auch eine Parallelschaltung oder eine gemischte Schaltung einer größeren Anzahl von Sondenrohren 2 selbstverständlich möglich. Der Abstand mehrerer Erdsonden 1 voneinander bei einer Anlage mit mehreren Erdsonden 1 richtet sich nach dem Einzugsbereich jeder einzelnen Erdsonde 1, wobei die Größe des Einzugsbereichs von der Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs 3 im jeweiligen Einzelfall abhängt. Auch können die Sondenrohre 2 statt, wie in der Figur 1 der Zeichnung dargestellt, vertikal, auch in einer' schrägen Richtung in das Erdreich 3 eingetrieben werden, wie dies die Figur 3 zeigt. Dies ist in vielen Anwendungsfällen vorteilhaft, weil dann pro Sondenrohr -2 eine größere Einzugsfläche für die von der Sonne über die Erdoberfläche in das Erdreich 3 eingestrahlte Wärmeenergie erzielt werden kann. Dies erlaubt dann bei zunehmender Abweichung der Sondenrichtung von der Vertikalen einen kleiner werdenden Sondenabstand. Damit können für eine vorgegebene Energiemenge, die benötigt wird, die oberen Enden der Sonden 2 auf einer kleineren Gesamtfläche angeordnet werden, was Platz und Installationsaufwand einspart-.

Claims

Patentansprüche :
Wärmequellen- oder Wärmesenken-Anlage mit thermischer Ξrdankopplung für die oberflächennahe Gewinnung von Wärmeenergie aus dem Erdreich oder für die oberflächennahe Einleitung von Wärmeenergie in das Erdreich, wobei die Anlage mindestens eine im Erdreich (3) angeordnete Erdsonde (1) umfaßt, wobei Wärmeenergie mittels eines durch die Erdsonde (1) geleiteten Wärmetransportfluids entweder aus dem Erdreich (3) entnehmbar oder in das Erdreich (3) einleitbar ist, wobei jede Erdsonde (1) ein zum umgebenden Erdreich (3) dichtes, metallisches Sondenrohr (2) aus mehreren in das Erdreich (3) eingetriebenen Rammrohrsegmenten (20) umfaßt und wobei im Sondenrohr (2) für die Zu- oder Abführung des Wärmetransportfluids entweder ein an seinem unteren Ende offenes Tauchrohr (26) oder eine U-förmig verlaufende Rohrschleife (29) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet ,
- daß jedes Rammrohrsegment (20) aus duktilem Gußeisen besteht,
- daß die Rammrohrsegmente (20) an ihren Enden (21, 22) ineinandersteckbar ausgebildet sind und
- daß jedes Rammrohrsegment (20) an seinem einen Ende
(21) einen konisch zulaufenden Außenumfang (21') und an seinem anderen Ende eine mit einer Anschlagschulter (22'') ausgeführte Muffe (22) mit einem passenden konischen Innenumfang (22') aufweist, wo- bei deren Durchmesser und Konuswinkel so bemessen sind, daß mit dem Eintreiben der Rammrohrsegmente (20) eine kraftschlüssige und dichte Verbindung der Rammrohrsegmente (20) untereinander erzeugbar ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß jeweils der konisch zulaufende Außenumfang (21') jedes Rammrohrsegments (20) an dessen vorderem Ende
(21) und die mit der Anschlagschulter (22'') ausgeführte Muffe (22) jedes Rammrohrsegments (20) an dessen hinterem Ende vorgesehen ist.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Außendurchmesser des Tauchrohrs (26) kleiner als der Innendurchmesser des Sondenrohrs (2) ist und daß die Länge des Tauchrohrs (26) geringfügig kleiner als die Länge des Sondenrohrs (2) ist,
4. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Länge der U-förmig verlaufenden Rohrschleife
(29) bis zu ihrem U-Bogen geringfügig kleiner als die Länge des .Sondenrohrs (2) ist und daß der nicht von der Rohrschleife (29) eingenommene Teil des Inneren
(28) des Sondenrohrs (2) mit einem wärmeleitfähigen Füllmaterial gefüllt ist,
5. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, vorlaufende Rammrohrsegment (20) des Sondenrohrs (2) an seinem vorderen Ende (21) mit einer Sondenspitze (23) ausge-
- führt oder dicht verbunden ist.
6. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das letzte Rammrohrsegment
(20) des Sondenrohrs (2) an seinem hinteren Ende dicht mit einem nach dem Eintreiben aufgesetzten Anschlußdeckel (24) verbunden ist, an dem ein Vorlauf- leitungsanschluß (25) und ein Rücklaufleitungsanschluß (27) für das Wärmetransportfluid angeordnet sind.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchrohr (26) oder die Rohrschleife (29) allein am oder, im Anschlußdeckel (24) gehaltert . ist .
8. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchrohr (26) oder die Rohrschleife (29) an ihrem oberen Ende eine Entlüf- tüngsbohrung (29) oder . ein Entlüftungsventil aufweist .
9. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchrohr (26) oder die Rohrschleife (29) aus Kunststoff, vorzugsweise Poly- ethylen (PE) oder Polypropylen (PP) , besteht.
10. Anlage nach einem der .vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sondenrohr (2) entweder in Vertikalrichtung oder in einer schräg, vorzugsweise zwischen 15° und 75°, zur Vertikalrichtung verlaufenden Richtung in das Erdreich (3) eingetrieben ist.
11. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sondenrohr (2) in eine in das Erdreich (3) vorgebohrte Bohrung eingetrieben ist, deren Bohrungstiefe maximal so groß ist wie die Länge des Sondenrohrs (2) und deren Bohrungsdurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser des . Sondenrohrs (2) .
12. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke jedes Rammrohrsegments (20) , abgesehen vom Bereich seiner beiden Enden (21, 22) , zwischen 10 und 20% des Außendurchmessers des Rammrohrsegments (20) beträgt
13. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rammrohrsegment (20) , abgesehen vom Bereich seiner beiden Enden (21, 22) , einen Außendurchmesser zwischen etwa 80 und 200 mm und eine Wandstärke zwischen etwa 7 und 12 mm aufweist .
14. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jedes Rammrohrsegments (20) zwischen etwa 4 und 6 m, bevorzugt etwa 5 m, und die Gesamtlänge des Sondenrohrs (2) etwa 10 bis 50 m, bei geeigneten Bodenverhältnissen auch mehr, beträgt.
15. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetransportfluid Wasser, insbesondere ohne Frostschutzmittel-Zusatz und insbesondere unter einem Druck in der Größenordnung von bis zu etwa 10 bar, ist.
16. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetransportfluid Kohlendioxid, Insbesondere unter einem Druck in der Größenordnung von etwa 100 bar und mehr, ist.
17. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rammrohrsegment (20) an seiner äußeren und/oder inneren Oberfläche mit einer Korrosionsschutzschicht versehen ist.
8. Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrosionsschutzschicht durch eine Verzinkung oder durch einen Kunststoffüberzug, vorzugsweise aus Polyurethan (PU) , gebildet ist.
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