Heinloth, Ludwig (Birkacher Hauptstrasse 7 Roth, 91154, DE)
Liebel, Volker (Gleitwitzwerstrasse 47 Erlangen, 91058, DE)
Heinloth, Ludwig (Birkacher Hauptstrasse 7 Roth, 91154, DE)
| 1. | Erdsondenrohr zur Wärmeübertragung im Boden, bestehend aus Rohren für den Transport eines Wärmeträgermediums, mit wenigstens einem Rohrabschnitt für den Vorlauf und einem zu diesem annähernd parallel verlaufenden Rohrab schnitt für den Rücklauf, wobei die Rohrabschnitte mit ineinander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, das der Rohrabschnitt (21) und der Rohrabschnitt (22) einstückig miteinander verbunden sind. |
| 2. | Erdsondenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrab schnitt (21) und der Rohrabschnitt (22) über einen aus dem Rohr geformten, an nähernd Uförmigen Rohrabschnitt (23) einstückig miteinander verbunden sind. |
| 3. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Radius des Uförmigen Rohrabschnittes (23) höchstens dem zweifachen Außendurchmesser des Rohrs (2,3) entspricht. |
| 4. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Rohrabschnitte (21,22, 23) aus einem wenigstens teilweise vernetztem polymeren Werkstoff bestehen. |
| 5. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der wenigstens teilweise vernetzte polymere Werkstoff ein Poly ethylen ist. |
| 6. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Rohr (2,3) eine metallische Schicht aufweist. |
| 7. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die metallische Schicht an der Innenund/oder der Außenseite des Rohres (2,3) aufgebracht ist. |
| 8. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die metallische Schicht in der Wand des Rohres (2,3) einge bracht ist. |
| 9. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Rohr (2,3) Verstärkungselemente aufweist. |
| 10. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Verstärkungselemente an der Innenund/oder der Außenseite des Rohres (2,3) aufgebracht sind. |
| 11. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Verstärkungselemente (5) in die Wand des Rohres (2,3) ein gebracht sind. |
| 12. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Verstärkungselemente Fasern, Laminate und dergl. sind. |
| 13. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Rohr (2,3) an seiner Außenseite Stege (6) aufweist. |
| 14. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Stege (6) in axiale Richtung des Rohres (2,3) ausgebildet sind. |
| 15. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Stege (6) radial, ringförmig an der Außenseite des Rohres (2, 3) ausgebildet sind. |
| 16. | Erdsondenrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Bereich, in dem die Rohrabschnitte (21,22) miteinander ver bunden sind, eine Umhüllung (7) aufweist. |
| 17. | Erdsondenrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (7) aus einer duroplastischen Vergussmasse besteht. |
| 18. | Erdsondenrohr nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die duroplasti sche Vergussmasse Füllund/oder Verstärkungsstoffe aufweist. |
| 19. | Erdsondenrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (7) aus einem auflaminierten, faserarmierten Duromeren besteht. |
Die Erfindung betrifft ein Erdsondenrohr zur Wärmeübertragung im Boden, beste- hend aus Rohren für den Transport eines Wärmeträgermediums, mit wenigstens einem Rohrabschnitt für den Vorlauf und einem zu diesem annähernd parallel ver- laufenden Rohrabschnitt für den Rücklauf, wobei die Rohrabschnitte mit einander in Verbindung stehen.
In jüngster Zeit treten Heizungen mit Wärmepumpen immer häufiger in Konkurrenz zu mit fossilen Brennstoffen betriebenen Heizanlagen. Durch diesen zunehmenden Einsatz regenerativer Energien kann den Problemen der fossilen Energieversorgung entgegengewirkt werden. Die Ausnutzung der regenerativen Energiequellen erfordert den Einsatz von Wärmepumpen unterschiedlicher Bauweisen.
Das Prinzip der Wärmepumpen besteht darin, dass Wärme aus der Umgebung auf- genommen und auf ein höheres Temperaturniveau transformiert wird. Der Wir- kungsgrad oder die Arbeitszahl einer Wärmepumpe hängt entscheidend von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ab. Da die Tempera- tur der Wärmesenke meist vorgegeben ist, bestimmt die Qualität der Wärmequelle die Einsatzmöglichkeiten und die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe.
Da die Nutzung der Luft als Wärmequelle auf Grund erheblicher Nachteile, wie bei- spielsweise große Apparatevolumina, akustische Probleme, stark schwankende Au- ßentemperaturen und der ausgeprägten Divergenz zwischen Heizleistung der Wär- mepumpe und Energiebedarf des Gebäudes noch Schwierigkeiten bereitet, sind be- reits einige Anwendungen bekannt, bei denen das Erdreich auf Grund seiner Tempe- raturkonstanz und hohen Wärmekapazität als Wärmequelle verwendet wird. Der Entzug der Wärme aus dem Erdreich erfolgt mit Hilfe von Wärmeübertragung, wobei grundsätzlich zwei Systeme unterschieden werden.
Bei direkten Systemen werden die Wärmetauscher eines Verdampfers direkt im Erd- reich verlegt und vom Kältemittel des Wärmepumpenkreislaufes durchströmt.
Bei indirekten Systemen erfolgt der Energietransport vom Boden zum Verdampfer der Wärmepumpe über einen Wärmeträger, der in im Erdreich verlegten Rohren strömt. Diese Rohre sind thermodynamisch mit dem Verdampfer der Wärmepumpe gekoppelt, so dass dem Wärmeträger die zur Verdampfung des Kältemittels erfor- derliche Wärmemenge entziehbar ist.
Bei den Wärmeübertragern werden Erdkollektoren und Erdsonden unterschieden.
Die Erdkollektoren werden großflächig in vergleichsweise geringer Tiefe im Erdreich verlegt. Erdwärmesonden werden vertikal oder schräg in den Boden eingebracht und erfordern daher eine wesentlich geringere Grundfläche als Erdkollektoren.
Derartige Erdwärmesonden sind beispielsweise in der DE 42 11 576 A1 beschrieben.
Bei dieser bekannten Lösung ist die Erdwärmesonde mit einem Kältemittel als Wär- meträger gefüllt, das im unteren Teil auf Grund der Erdwärme verdampft wird. Der Kältemitteldampf steigt auf und kondensiert im oberen, kalten Teil der Sonde. Die dabei frei werdende Kondensationswärme wird zum Verdampfen des Kältemittels des Wärmepumpenkreislaufes verwendet. Das kondensierte Kältemittel der Sonde fließt dann wieder in den unteren Teil und wird dort wiederum verdampft, der innere Kreislauf der ErdwZrmesonde ist somit geschlossen.
Ein weiteres Erdsondenrohr ist aus der DE 296 13 450 U1 bekannt. Diese bekannte Erdsonde aus Kunststoff mit Kunststoffrohren, von denen ein Paar über einen Krümmer verbunden ist, der in zwei Werkstücken aus dem Vollen ausgearbeitet ist, die zu einem Block verschweißt sind, in denen die Enden der Rohre eingeschweißt sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Block einen Krümmer aufweist, der in beiden Werkstücken an der Spiegelseite längs geteilt, in beiden Werkstücken zu einem Bogen und den anschließenden Schenkeln ausgespart und durch die Spiegel- verschweißung gefügt ist, wobei die in den die Krümmerschenkel eingeschweißten Rohrenden und der sie verbindende Krümmerbogen einen im Wesentlichen ein- schränkungsfreien Strömungsweg bilden sollen.
Dieses Erdsondenrohr ist jedoch in seiner Herstellung sehr zeit-und kostenintensiv und weist auf Grund des verwendeten Fügeverfahrens weitere Nachteile auf.
Durch die Verschweißung der Rohre mit dem den Krümmer aufweisenden Block ent- stehen an den Schweißstellen einerseits Probleme bei der späteren einschrän- kungsfreien Übertragung des Wärmeträgermediums und andererseits bezüglich der Festigkeit, sowohl bei der Einführung des Erdsondenrohres in die Erdbohrung als auch im Dauerbetrieb. Die Schweißstellen weisen eine veränderte Struktur des ge- schweißten Werkstoffes auf und sind insbesondere bei der Stumpfschweißung als potentielle Sollbruchstellen zu bewerten.
In der weiteren Praxis stellen derartige Schweißverbindungen an sich ein Risiko dar, da auf Grund von Materialfehlern, Maschinenstörungen und auch menschlichen Un- zulänglichkeiten immer wieder mangelhafte Schweißungen auftreten. Solche Schweißfehler werden bei dem vor dem Einführen des Erdsondenrohres in die Erd- bohrung durchgeführten Druckprüfungen nicht erkannt und führen in vielen Fällen, insbesondere bei Dauerbelastungen zum Versagen der Erdsondenrohre. Häufig tre- ten derartige Undichtheiten erst nach mehrwöchiger oder mehrmonatiger Betriebs- zeit auf und sind auf mangelhafte Verschweißungen zwischen dem Erdsondenrohr und beispielsweise dem bekannten Block mit eingearbeiteten Krümmer, aber auch bei stumpfgeschweißten Erdsondenrohren zu finden. Erfordert die Reparatur solcher Fehler bei beispielsweise verlegten Erdkollektoren im horizontalen Einbau schon erheblichen Aufwand, so bedeuten jedoch Undichtheiten bei Erdsondenrohren, die teilweise in bis zu 50 m tiefen Erdbohrungen verlegt sind, den Totalverlust dieses Erdsondenrohres und die Notwendigkeit, dieses Erdsondenrohr abzuschalten bzw. abzuschreiben und ein neues Erdsondenrohr in einer neuen Erdbohrung zu verle- gen.
Weiterhin sind Erdsondenrohre bekannt, bei denen der Rohrabschnitt für den Vorlauf und der Rohrabschnitt für den Rücklauf mittels Formteilen, beispielsweise Schweiß- fittinge, miteinander verbunden sind. Die Verbindung dieser Formteile mit den Rohr- abschnitten erfolgt beispielsweise über eine Stumpfschweißung.
Es sind auch weiterhin Schweißfittinge bekannt, die in ihrer Wandung Wärmequel- len, wie beispielsweise Drähte, aufweisen.
Die Rohrabschnitte für den Vorlauf bzw. für den Rücklauf werden in diese Schweiß- fittinge eingesteckt und durch Anlegen eines Stromes an den Wärmequellen werden die Wandungen der Rohrabschnitte und der Schweißfittinge so weit erhitzt, dass sie verschweißen.
Die Verbindungsstelle zwischen dem Rohrabschnitt für den Vorlauf und den Rohrab- schnitt für den Rücklauf, an dem beispielsweise die bekannten Schweißfittinge posi- tioniert sind, wird allgemein als Kopf des Erdsondenrohres bezeichnet. Dieser Kopf des Erdsondenrohres muss bei der Verlegung in ein ca. 50 m tiefes Bohrloch in den Erdboden eingeführt werden, ohne dass das Erdsondenrohr an dieser empfindlichen und schwer zugänglichen Stelle Undichtigkeiten aufweist.
Dies ist insbesondere dann schwierig, wenn nach dem Ziehen des Bohrkopfes aus dem 50 m tiefen Bohrloch scharfkantige Steine in das Bohrloch rutschen und dem Erdsondenrohr und insbesondere dem Kopf des Erdsondenrohres mit den durch die Verschweißung erzeugten Sollbruchstellen Kerben, Risse oder sonstige Beschädi- gungen zufügen.
Hier setzt die Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gestellt hat, die bekannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Erdsondenrohr aufzuzei- gen, das insbesondere am Kopf des Erdsondenrohres keine risikobehafteten Rohr- verbindungsstellen aufweist, das kostengünstig und wirtschaftlich herstellbar und in Erdbohrungen verlegbar ist und das eine bessere Temperaturbeständigkeit sowie Rissunempfindlichkeit aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der Rohrabschnitt für den Vorlauf und der Rohrabschnitt für den Rücklauf einstückig miteinander verbunden sind.
Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Erdsondenrohres sind den Unter- ansprüchen zu entnehmen.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der Rohrabschnitt für den Vorlauf und der Rohrabschnitt für den Rücklauf über einen aus dem Rohr geformten, annähernd U-förmigen Rohrabschnitt einstückig miteinander verbunden sind.
Somit weist der Kopf des erfindungsgemäßen Erdsondenrohres keine risikobehafte- ten Rohrverbindungsstellen auf.
Die Verwendung eines wenigstens teilweise vernetzten polymeren Werkstoffes für die erfindungsgemäßen Erdsondenrohre führt zu weiteren Vorteilen, da auf Grund der Vernetzung beispielsweise die erfindungsgemäßen Erdsondenrohre im Vergleich zu unvernetzten polymeren Werkstoffen unanfällig gegenüber äußeren Beschädi- gungen sind und im Gegensatz zu diesen zumindest bis zu einer Dauerbetriebstem- peratur von 80°C keine Rissfortpflanzung aufweisen, wodurch bei der Einführung der erfindungsgemäßen Erdsondenrohre in das Bohrloch möglicherweise auftretenden Beschädigungen zu keinerlei Undichtigkeiten führen.
Zur industriellen Fertigung solcher erfindungsgemäßen Erdsondenrohre sind Rohre aus zumindest teilweise vernetztem Polyethylen besonders geeignet, da diese auch nach Erwärmung über den Kristallschmelzpunkt noch für den Biegevorgang ausrei- chende Formbeständigkeit aufweisen.
Weiterhin vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Erdsondenrohr wird gesehen, dass durch die Verwendung eines wenigstens teilweise vernetzen polymeren Werkstoffes wie Polyethylen die Herstellung, insbesondere des Kopfes des erfindungsgemäßen Erdsondenrohres, sehr einfach und kostengünstig realisierbar ist und dass mit dem erfindungsgemäßen Erdsondenrohr sehr kleine Radien des U-förmigen Rohrab- schnittes realisierbar sind. Durch die damit mögliche faltenfreie Herstellung des Kopfes des erfindungsgemäßen Erdsondenrohres lässt sich der Durchmesser der erforderlichen Erdbohrung reduzieren, was zu einem Kosten-und Zeitvorteil bei der Montage des erfindungsgemäßen Erdsondenrohres führt. Da andererseits eine zu enge Parallelführung der Erdsondenrohre Nachteile hinsichtlich unerwünschter Wärmeübertragung zwischen dem Rohrabschnitt für den Vorlauf und dem Rohrab- schnitt für den Rücklauf und erwünschter Wärmeübertragung zwischen Erdsonden- rohr und Boden mit sich bringt, weist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Erdsondenrohre einen Radius des U-förmigen Rohrab- schnittes auf, der etwa dem Doppelten des Rohraußendurchmessers entspricht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Erdson- denrohr so ausgebildet, dass es eine metallische Schicht aufweist, die an der Innen-
und/oder der Außenseite aufgebracht oder in die Rohrwand eingebracht ist. Durch die zusätzliche metallische Schicht, welche beispielsweise eine Folie aus Aluminium sein kann, wird eine zusätzliche Diffusionssperre integriert, wobei gleichzeitig eine bessere Wärmeleitung realisierbar ist, da diese metallische Schicht eine gute Leitfä- higkeit aufweist. Gleichzeitig bewirkt die metallische Schicht eine noch bessere Formbeständigkeit des erfindungsgemäßen Erdsondenrohres, insbesondere im Be- reich des U-förmigen Rohrabschnittes.
In einer weiteren Ausgestaltungsform weist das erfindungsgemäße Erdsondenrohr Verstärkungselemente auf. Diese Verstärkungselemente sind an der Innen-und/oder der Außenseite des Rohres aufgebracht bzw. in die Rohrwand eingebracht. Sie be- wirken eine materialseitige Verbesserung sowohl der mechanischen als auch der chemischen Eigenschaften. Die Verstärkungselemente, können beispielsweise Fa- sern, Drähte oder Laminate sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdsondenrohres weist an seiner Außenseite Stege auf.
Diese Stege können je nach den an das erfindungsgemäße Erdsondenrohr gestell- ten Anforderungen so in ihrer Wandstärke und Höhe dimensioniert werden, dass sowohl die mechanischen Eigenschaften, als auch eine Vergrößerung der Oberflä- che des Erdsondenrohres realisierbar ist.
Die von der Außenseite des Erdsondenrohres wegweisenden Stege können in axia- ler Richtung des Rohres ausgebildet sein, so dass die Wärmeübertragung zwischen Rohr und Bohrlochverfüllung verbessert wird.
Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, dass das Erdsondenrohr radial ausge- bildete Stege aufweist, die in bestimmten Abständen gleichmäßig oder alternierend über die gesamte Länge ringförmig auf dem Erdsondenrohr ausgebildet sind und
ebenfalls zu einer Vergrößerung der Oberfläche und damit zu einer Optimierung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Erdsondenrohres führen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das erfindungsgemäße Erdsondenrohr im Bereich des Kopfes lokale Verstärkungen auf, welche beispielsweise aus einer duroplastischen Vergussmasse bestehen. Diese Vergussmasse ist so dimensioniert, dass sie den Kopf des bzw. der erfindungsgemäßen Erdsondenrohre voll umfänglich bedeckt und an seinem vom Kopf der Erdsonde wegragenden freien Ende eine ke- gelförmig Gestalt aufweist, welche die Einführung der erfindungsgemäßen Erdson- denrohre in das Bohrloch wesentlich erleichtert.
Weiterhin kann die zur Verstärkung dienende Vergussmasse mit Füll-und/oder Ver- stärkungsstoffen versetzt sein, so dass die Festigkeit, insbesondere beim Einführen in das entsprechende Bohrloch jederzeit gegeben ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Verstärkung des Kopfes des erfin- dungsgemäßen Erdsondenrohres durch eine auflaminierte faserarmierte Duromer- schicht bestehen, welche die mechanischen Eigenschaften bei der Einführung der Erdsonde in das Bohrloch noch einmal wesentlich erhöht.
Das erfindungsgemäße Erdsondenrohr soll nun anhand eines die Erfindung nicht beschränkenden Ausführungsbeispieles näher beschrieben werden. Es zeigt : Fig. 1 : Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Erdsondenrohres In der Figur 1 ist eine Schnittdarstellung durch die Erdsonde 1 dargestellt. Die Erd- sonde 1 besteht aus dem Erdsondenrohr 2 und einem annähernd im rechten Winkel versetzt angeordneten Erdsondenrohr 3. Das Erdsondenrohr 2 weist einen Rohrab- schnitt 21 für den Vorlauf und einem zu diesem annähernd parallel verlaufenden Rohrabschnitt 22 für den Rücklauf auf. Der Rohrabschnitt 21 und der Rohrabschnitt 22 sind über einen annähernd U-förmigen Rohrabschnitt 23 einstückig miteinander verbunden.
Im annähernd rechten Winkel versetzt zum Erdsondenrohr 2 ist das Erdsondenrohr 3 angeordnet, wobei der Rohrabschnitt für den Vorlauf und der Rohrabschnitt für den Rücklauf des Erdsondenrohres 3, welche hier nicht ersichtlich sind, einstückig mit- einander verbunden sind. Das Erdsondenrohr 3 weist in seiner Wand Verstärkungs-
elemente in Form von Fasern auf, welche bereits bei der Herstellung des Erdsonden- rohres 3 im Extrusionsverfahren mit eingearbeitet worden sind. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, hier weitere Fasern bzw. auch Laminate zur Verstärkung des Erdsondenrohres 3 zu verwenden. Das Erdsondenrohr 3 weist an seiner Außen- seite radial ausgebildete Stege 6 auf, welche in gleichmäßigen Abständen zueinan- der angeordnet sind und zu einer Vergrößerung der Wärmeaufnahmefläche des er- findungsgemäßen Erdsondenrohres 3 führen. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdsondenrohres 2,3 können diese Stege 6 auch in axiale Richtung des Erdsondenrohres 2,3 ausgebildet sein und so zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Erdsondenrohres 2,3 führen. Die Erdsonde 1 weist in dem Bereich, in dem sich der Rohrabschnitt 21 für den Vorlauf und der Rohrabschnitt 22 für den Rücklauf über einen aus dem Rohr geformten annähernd U-förmigen Rohrabschnitt 23 einstückig miteinander verbinden, eine Umhüllung 7 auf. Diese Umhüllung 7, welche beispielsweise aus einer duroplastischen Verguss- masse besteht, schützt diesen Teil der Erdsonde 1, der im Allgemeinen auch als Kopf der Erdsonde 1 bezeichnet wird. Ein weiterer Vorteil dieser Umhüllung 7 be- steht darin, dass sie zu einer dauerhaften Fixierung des Erdsondenrohres 2 und des Erdsondenrohres 3 der Erdsonde 1 beitragen und speziell bei der Einführung der Erdsonde 1 in ein Bohrloch eine bessere und leichtere Handhabung bewirken. In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Erdsonde weist die Um- hüllung 7 Füll-und/oder Verstärkungsstoffe auf, so dass die die Erdsondenrohre 2,3 umfassende Umhüllung 7 den jeweiligen Anforderungen des Erdbodens anpassbar ist, in dem die Erdsonde 1 einbringbar ist.
- Schutzansprüche-