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Patent Searching and Data


Title:
HEAT EXCHANGER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2007/070905
Kind Code:
A2
Abstract:
Anchors, especially injection drilling anchors, are used as heat exchangers in combination with heat pumps in order to deliver heat to the ground (heat storage, optionally in combination with air-conditioning a building) or withdraw heat from the ground (heat pump heating), wherefore at least one pipe (8) for feeding a heat transfer medium is introduced into the tube (4) of the anchor. The heat transfer medium flows back through the space between the pipe and the anchor tube (4) while exchanging heat with the environment. In an alternative embodiment, a supply pipe and a discharge pipe (forward flow, return flow) for the heat transfer medium can be accommodated in the anchor tube. The inventive embodiment of the heat exchanger has the advantage of meeting two objectives, i.e. exchanging heat and securing country or ground for the anchor.

Inventors:
BERNTHALER, Mark (Werthenaustrasse 29/1, Villach, A-9500, AT)
HOSP, Michael (Hauptplatz 7, Villach, A-9500, AT)
KOPF, Fritz (Alpengartenstrasse 16, Wien, A-1140, AT)
OBERHAUSER, Andreas (Siebenbrunnenfeldgasse 26-30/17/7, Wien, A-1050, AT)
ADAM, Dietmar (Lowatschekgasse 50, Mödling, A-2340, AT)
MARKIEWICZ, Roman (Zemlinskygasse 7, Wien, A-1230, AT)
OSTERMANN, Norbert (Anzbachgasse 78, Wien, A-1140, AT)
Application Number:
AT2006/000525
Publication Date:
June 28, 2007
Filing Date:
December 19, 2006
Export Citation:
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Assignee:
ATLAS COPCO MAI GMBH (Werkstrasse 17, Postfach 8, Feistritz an der Drau, A-9710, AT)
BERNTHALER, Mark (Werthenaustrasse 29/1, Villach, A-9500, AT)
HOSP, Michael (Hauptplatz 7, Villach, A-9500, AT)
KOPF, Fritz (Alpengartenstrasse 16, Wien, A-1140, AT)
OBERHAUSER, Andreas (Siebenbrunnenfeldgasse 26-30/17/7, Wien, A-1050, AT)
ADAM, Dietmar (Lowatschekgasse 50, Mödling, A-2340, AT)
MARKIEWICZ, Roman (Zemlinskygasse 7, Wien, A-1230, AT)
OSTERMANN, Norbert (Anzbachgasse 78, Wien, A-1140, AT)
International Classes:
F28D20/00; E02D5/80; E21D21/00; F24J3/08
Domestic Patent References:
WO2004013531A12004-02-12
WO2002075116A12002-09-26
WO2005047650A12005-05-26
WO2003060389A12003-07-24
Foreign References:
DE10114448A12002-10-02
DE3139868A11983-04-21
DE2928414A11981-01-29
EP0017783A11980-10-29
DE3335511A11985-04-18
FR2062017A51971-06-25
DE1708531B11971-12-02
DE1634233A11971-09-09
US4574875A1
US4832534A1
EP0016742A11980-10-01
US20040206085A12004-10-21
AT406521B2000-06-26
EP1310745A12003-05-14
DE3015172A11981-10-22
Attorney, Agent or Firm:
BEER, Manfred et al. (Lindengasse 8, Wien, A-1070, AT)
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Claims:

Ansprüche

1. Wärmetauscher, der von einem Wärmeträger durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Anker mit einem Ankerrohr (4) ist, der zur Sicherung von Gebirge oder Untergrund (2) gesetzt worden ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d ' ass im Ankerrohr (4) eine Leitung (8) zum Zuführen von Wärmeträger vorgesehen ist. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (8) bis zu dem im Bohrloch tiefst angeordneten Ende des Ankerrohres (4) reicht.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerrohr (4) die Leitung (20) für den Rücklauf des Wärmeträgers ist.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an das außerhalb des Untergrunds (2) liegende Ende des Ankerrohres (4) ein Anschlussstück (Adapter 14) für das Zuführen und das Abführen des Wärmeträgers angeschlossen ist. 6. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ankerrohr (4) eine Leitung (8) für den Vorlauf und eine Leitung (20) für den Rücklauf des Wärmeträgers vorgesehen ist. 7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (8 und 20) zueinander konzentrisch angeordnet sind. 8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerrohr (4) gegenüber der an ihm angeordneten Bohrkrone (6) abgedichtet ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung durch zwischen das Ankerrohr (4) und die Bohrkrone (6) eingebrachte Dichtmasse ausgeführt ist.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des vorderen, der Bohrkrone (6) benachbarten Endes des Ankerrohres (4) eine mechanische Abdichtung (50) eingesetzt ist, die das vordere Ende des Ankerrohres (4) im Bereich der Bohrkrone (6) abdichtet.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (50) einen aufweitbaren Dichtring (58) aufweist.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (50) eine Verschlussspitze (54) und eine relativ zu dieser verschiebbare Einschlaghülse (52) aufweist, wobei die Ring-

dichtung (58) zwischen der Verschlussspitze (54) und der Einschlaghülse (52) angeordnet ist.

13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringdichtung (58) auf einem Schaft (56) der Verschlussspitze (54) verschiebbar angeordnet ist.

14. Wärmetauscher nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (56) einen konischen Abschnitt (62) und einen zylindrischen Abschnitt (64) aufweist.

15. Wärmetauscher nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich- net, dass der Schaft (56) in eine Bohrung in der Einschlaghülse (52) eingreift.

16. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringdichtung (58) in der Dichtstellung vom vorderen Ende der Einschlaghülse (52) gegen eine Ringschulter (60) der Einschlagspitze (54) gehalten ist.

17. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoßbereich aneinander grenzender Ankerrohre (4) durch wenigstens eine in eine dort vorgesehene Kupplungsmuffe (80) vorgesehene Dichtung (82) abgedichtet ist. 18. Wärmetauscher nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtung (82) wenigstens ein Dichtungsring vorgesehen ist. 19. Wärmetauscher nach Anspruch.18, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (82) in eine Nut, die zum Inneren der Kupplungsmuffe (80) hin offen ist, eingesetzt ist. 20. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (14) auf das äußere Ende des Ankerrohres (4) aufgeschraubt ist.

21. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (14) auf das äußere Ende eines Anker- rohres aufgeklebt ist.

22. Wärmetauscher nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (14) einen Ansatz mit Außengewinde aufweist, so dass er in ein am Ende des Ankerrohres (4) vorgesehenes Innengewinde eingeschraubt ist. 23. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass im Adapter ein Nippel (74) für das Festlegen der Rückflussleitung (16) für Wärmeträger eingesetzt ist. 24. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass im Adapter (14) ein Nippel (74) vorgesehen ist, durch den die Leitung (8) für Wärmeträger dichtend geführt ist.

25. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Distanzstück vorgesehen ist, das zum vorübergehenden Verschließen des äußeren Endes des Ankerrohres (4) auf dieses aufsetz-, insbesondere aufschraubbar ist. 26. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der als Wärmetauscher dienende Anker mit einer Wärmepumpe verbunden ist.

27. Wärmetauscher nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der als Wärmetauscher dienende Anker mit der Wärmepumpe derart verbunden ist, dass er aus dem Untergrund Wärme aufnimmt.

28. Wärmetauscher nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der als Wärmetauscher dienende Anker mit der Wärmepumpe derart verbunden ist, dass er Wärme in den Untergrund abgibt.

29. Verfahren zum Betreiben einer Erdwärmeanlage mit einer Wärme- pumpe, einem Solekreislauf, einem Heizkreislauf und wenigstens einem

Wärmetauscher in Form eines Ankers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdwärmeanlage intermittierend betrieben wird.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdwärmeanlage mit einer Betriebsdauer von weniger als 24 Stunden je

Tag betrieben wird.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdwärmeanlage mit einer Betriebsdauer von 6 Stunden je Tag betrieben wird. 32. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdwärmeanlage mit einer Betriebsdauer von 12 Stunden je Tag betrieben wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdwärmeanlage derart betrieben wird, dass das Erdreich im Bereich des wenigstens einen als Wärmetauscher verwendeten Ankers im nicht gefrorenen Zustand verbleibt.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdwärmeanlage beim Unterschreiten einer vorgewählten Temperatur im Bereich des wenigstens einen als Wärmetau- scher dienenden Ankers abgeschaltet wird.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger (Absorbermedium) im Solekreislauf mit einer Temperatur von mehr als 0'C in den Boden geleitet wird.

36. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 35, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Eintrittstemperatur des Wärmeträgermediums am

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Eingang und am Ausgang aus dem als Wärmetauscher dienenden Anker gemessen wird.

Description:

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Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der vornehmlich in Verbindung mit Wärmepumpen, zum Abgeben von Wärme in einen oder zum Entnehmen von Wärme aus einem den Wärmetauscher umgebenden Wärmespeicher (Boden/Gebirge) verwendet werden kann.

Im Zusammenhang mit Wärmepumpen ist es bekannt, dem Boden Wärme zu entziehen, wozu im Boden aufwändig gestaltete Wärmetauscher (Absorber) in ebenso aufwändiger Arbeit eingebaut werden müssen. In diesem Zusammenhang kann beispielhaft auf die AT 391 506 B, die DE 39 13 429 A und die DE 36 00 230 A verwiesen werden.

Die DE 33 35 511 A betrifft ein Verfahren zum Verankern eines Ankers im Erdreich mittels Bodengefrieren. Dabei wird vorgeschlagen, nach dem Einbringen des Ankers in das Erdreich ein tiefkaltes Fluid über den Anker in Wärmetausch mit dem den Anker umgebenden Erdreich zu bringen, um den Anker auf einfache und kostengünstige Weise im Erdreich verankern zu können. Irgendwelche Hinweise auf das Ausnützen von Wärmeenergie sind in der DE 33 35 511 A nicht enthalten. Die DE 101 14 448 A betrifft die Verwendung von Bohrungen im Erdreich oder im Gebirge für die Wärmenutzung, wobei vorgeschlagen wird, für diesen Zweck Erdanker heranzuziehen. Insbesondere wird in der DE 101 14 448 A vorgeschlagen, nicht näher definierte Erdanker, die beispielsweise zum Sichern von Wohngebäuden dienen, oder auch Anker in Felswänden oberhalb von Straßen- und/oder Bahntrassen nicht nur zur Sicherung des Erdreichs bzw. Gebirges, sondern auch zur Wärmenutzung einzusetzen. Nähere Ausführungen, wie die Erdanker ausgebildet sein sollen, um zur Nutzung von Erdwärme herangezogen werden zu können, sind der DE 101 14 448 A nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Wärmetauscher vorzuschlagen, der einfach herzustellen ist und der neben seiner Funktion als Wärmetauscher auch andere Aufgaben erfüllen kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Wärmetauscher, der die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Da der erfindungsgemäße Wärmetauscher mit zum Festlegen bzw. Sichern von Gestein (Gebirge) und Boden verwendeten Ankern vereinigt (kombiniert) ist - solche Anker werden in der Regel in dem zu sichernden Bereich in größerer Anzahl gesetzt - entfallen gesonderte Maßnahmen, um Wärmetauscher in den Untergrund (Boden, Gebirge und

dgl . ) einzubringen .

Solche Anker werden beispielsweise im Tunnelbau oder zur Baugruben- und Hangsicherung verwendet.

Anker der im Rahmen der Erfindung in Betracht gezogenen Art sind beispielsweise Injektionsbohranker, Anker mit aufweitbaren Teilen (sofortwirkende Reibrohranker, auch mit Wasser oder einem anderen Medium expandierbare Reibrohranker, z.B. Anker des Typs "Swellex" von Atlas Copco) , die ggf. mit Injektionsbohrankern kombiniert sein können ("Swellex Hybrid"), oder Bohrsysteme, z.B. ver- röhrte Hammerbohrungen, mit großem Durchmesser, bei welchen ein Hüllrohr und ein Teil der Bohrkrone nach dem Bohren des Loches im Boden/Gebirge verbleibt (sogenannte "Symmetrix-Systeme" von Atlas Copco) . Mögliche Anwendungen von solchen verrohrten Bohrsystemen sind: - "Rohrschirmsystem" (horizontal oder mit leichter Neigung nach oben eng nebeneinander) als künstliche Firste (=Tunneldecke) ; "Reibpfahl", wenn vertikal oder nach unten geneigt eingebracht.

Man kann, wie z.B. beim Rohrschirmsystem, das Außenrohr (Stützrohr des Systems "Symmetrix") im Bohrloch belassen. Der Vorteil der entkoppelbaren Ringbohrkrone besteht darin, dass man das Bohrgestänge samt Innenteil der Bohrkrone vollständig aus dem Bohrloch ziehen kann, ohne dass das Bohrloch kollabiert (Stützrohr) , dann kann man das Stützrohr mit Beton füllen (Rohrschirmdecke) oder, bei einem Pfahl, einen "Korb" aus Bewehrungsstahl hineinstellen und dann mit Mörtel oder Beton verfüllen. Man kann (mit oder ohne Bewehrung) auch einen Koaxialschlauch (zwei Schläuche ineinander) in das Stützrohr einführen und dann Mörtel einbringen.

Obwohl solche verrohrten Hammerbohrungen ("Symmetrix-Systeme") keine "Anker" im engeren Sinn sind, werden sie in dieser Beschreibung und den Patentansprüchen als durch den Begriff "Anker" erfasst verstanden.

Die Richtung, in welcher der Anker, der im Rahmen der Erfindung als Wärmetauscher verwendet wird, in den Untergrund eingebracht ist, ist belanglos. So können Anker für Hangsicherungen horizontal und/oder schräg nach unten weisend eingebaut sein. Weiters können erfindungsgemäß Anker im Tunnelbau im Bereich der Tunnelwölbung lotrecht oder schräg nach oben gerichtet oder auch lotrecht oder schräg nach unten gerichtet sein. Auch horizontal oder im Wesentli- chen horizontal ausgerichtete Anker sind bei der Erfindung in Be-

tracht gezogen. Injektionsbohranker können horizontal, vertikal oder geneigt eingebaut werden (Anker, Bodennägel, Mikropfähle, Wurzelpfähle, Rohrschirme) . Für verrohrte Hammerbohrungen gilt das gleiche . Solche Anker können auch Fundamentpfähle für Bauwerke sein (vornehmlich "Anker" der Type verrohrte Hammerbohrungen "Symme- trix") .

Im Rahmen der Erfindung ist in einer möglichen Ausführungsform mit Vorteil vorgesehen, dass das Wärmeträgermedium, von dem Wärme in den oder aus dem Untergrund, in den der Anker gesetzt ist, transportiert wird und beispielsweise zu einer Wärmepumpe strömt, innerhalb des Ankers strömt.

Dabei besteht die Möglichkeit, im Ankerrohr einfach eine Leitung vorzusehen, die als Leitung für das Zuführen des Wärrαeträgers dient, wobei das Ankerrohr für den Rücklauf des Wärmeträgers vorgesehen ist.

In einer alternativen Möglichkeit, die sich insbesondere bei Ankerrohren mit größerem Durchmesser anbietet, können in dem Ankerrohr z.B. koaxial angeordnete Rohre für Vor- und Rücklauf des Wärme- trägers vorgesehen werden.

Wesentlich für die Erfindung ist es, dass das Rohr eines Ankers, der zur Verfestigung des Untergrundes (Hangsicherung, Tunnelbau und dgl . ) eingesetzt worden ist, entweder selbst Bestandteil der Leitungen für den Wärmeträger ist oder in sich Leitungen für die Zu- und Abfuhr des Wärmeträgers aufnimmt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen.

Es zeigt: Fig. 1 das vordere Ende eines Injektionsbohrankers mit einer Leitung für den Wärmeträger, Fig. 2 den äußeren Anschluss im Bereich des Ankerkopfes für die Zu- und Abfuhr des Wärmeträgers, Fig. 3 eine Variante, bei der in ein Ankerrohr eines Injektionsbohrankers Leitungen für die Zu- und Abfuhr des Wärmeträgers eingesetzt sind, Fig. 4 einen Injektionsbohranker mit größerem Durch- messer, Fig. 5 einen z.B. gemäß Fig. 6 hergestellten Anker mit Leitungen für die Zu- und Abfuhr des Wärmeträgers, Fig. 6 eine Anordnung zum Herstellen einer verrohrten Hammerbohrung (Bauart "Symmetrix" von Atlas Copco) , Fig. 7 einen Tunnelquerschnitt mit Ankern, Fig. 8 einen durch Anker gesicherten Hang, Fig. 9 am Kopf eines Ankers angeordnete Bauteile, Fig. 10 eine Vorrichtung zum

Abdichten eines Ankerrohres im Bereich der Bohrkrone, Fig. 11 die Situation der Vorrichtung von Fig. 10 bei der Bohrkrone vor dem Abdichten, Fig. 12 die Situation im Bereich der Bohrkrone nach dem Abdichten mit Hilfe der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung, Fig. 13 eine Variante einer Ausführung des Anschlussadapters im Bereich des Ankerkopfes, Fig. 14 eine Kupplungsmuffe für Ankerrohre mit Dichtung, Fig. 15 eine andere Ausführungsform einer Abdichtung im Bereich einer Kupplungsmuffe für Ankerrohre, Fig. 16 in einem Diagramm das beispielhafte Verhalten eines Bodenspeichers einer Erdwärme- anläge für zwei unterschiedlich ausgelegte Anlagen und Fig. 17 die Energieausbeute beim intermittierenden Anlagenbetrieb im Vergleich zu einem durchgehenden Anlagenbetrieb.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist ein Injektionsbohranker mit wenigstens einem Ankerrohr 4, an dessen vorderen Ende ein Bohrkopf 6 vorgesehen ist, in einen Untergrund 2 (Erdreich, Gebirge, Felsen u.dgl.) bis in die gewünschte Tiefe durch Bohren vorgetrieben worden. Im Innenraum des Ankerrohres 4 ist eine, beispielsweise als flexibler Schlauch ausgebildete, Leitung 8 für die Zufuhr eines fluiden Wärmeträgers aufgenommen, die bis knapp vor die Bohrkrone 6, die mit dem Ankerrohr 4 beispielsweise verschraubt ist, reicht.

Um Zu- und Abfuhr des Wärmeträgers (Vorlauf/Rücklauf) zu ermöglichen, ist (vgl. Fig. 2) auf das äußere Ende des Ankerrohres 4, außerhalb einer Ankerplatte 12 und einer diese am Ankerrohr 4 si- chernden Mutter 10 ein Adapter 14 (Anschlussstück) angesetzt. Durch diesen Adapter 14 führt die Leitung (Schlauch) 8 zum Zuführen des Wärmeträgers. Abströmender Wärmeträger strömt im Raum zwischen der Leitung 8 und dem Ankerrohr 4 durch das Ankerrohr 4 in den Adapter 14 und aus diesem über eine dort angeschlossene Leitung 16 (Schlauch) ab.

Wie ersichtlich, dient bei der in Fig. 1 gezeigten Ausfüh- rungsform das Ankerrohr 4 als Leitung für den Rücklauf des Wärmeträgers, nachdem dieser im Untergrund 2 durch die Wand des Ankerrohres 4 oder mehrerer miteinander gekuppelter Ankerrohre 4 hindurch Wärme an den Untergrund 2 abgegeben oder von diesem aufgenommen hat. Mit Vorteil ist der erfindungsgemäß von wenigstens einem Anker gebildete Wärmetauscher mit einer Wärmepumpe gekuppelt. Dabei besteht die Möglichkeit, den von wenigstens einem Anker gebildeten Wärmetauscher mit der Wärmepumpe so zu verbinden, dass von dem Wärmetauscher Wärme in den den Anker umgebenden Untergrund 2 abge-

geben wird. Alternativ besteht die Möglichkeit, den Wärmetauscher mit der Wärmepumpe so zu verbinden, dass von dem den Wärmetauscher bildenden Anker Wärme aus dem Untergrund aufgenommen wird.

In Fig. 3 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Wärmetau- schers in Form eines Ankers gezeigt, bei der in das Ankerrohr 4 sowohl eine Leitung 8 für den Vorlauf als auch eine Leitung 20 für den Rücklauf des Wärmeträgers eingesetzt sind. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform sind die die Leitungen 8 und 20 bildenden Rohre und/oder Schläuche konzentrisch zueinander und zum Ankerrohr 4 angeordnet, was aber nicht zwingend so ist.

In Fig. 4 ist ein Anker mit größerem Durchmesser dargestellt, in dem eine Leitung 8 für das Zuführen und eine Leitung 20 für das Abführen des Wärmeträgers aufgenommen ist. Bei der in Fig. 4 gezeigten Anordnung ist in einer bevorzugten Ausführungsform im Raum zwischen dem Untergrund (Baugrund) 2 und dem Ankerrohr 22 eine wärmeleitende Masse, z.B. Thermozement oder Ankermörtel 24, vorgesehen, die einen Wärmeschluss ergibt. Das Ankerrohr 22 trägt an seinem vorderen Ende die im Bohrloch verbleibende Bohrkrone 6. Zwischen der Außenseite der Leitung 20 für das Abführen des Wärme- trägermediums und dem Ankerrohr 22 ist eine Schicht 26 (Thermozement oder Ankermörtel) vorgesehen, die gewährleistet, dass zwischen der Leitung 20 und dem Außenrohr 22, also insgesamt dem Untergrund 2, ein guter Wärmeübergang stattfinden kann.

Für die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform eines Injektions- bohrankers gibt es zwei Möglichkeiten: einmal ist das Ankerrohr 22 unten geschlossen (versiegelt) und nur ein Schlauch als Leitung 8 eingebracht und kein Beton. Damit trägt das Ankerrohr 22 aber so gut wie nicht (Knickung) . Das Ankerrohr 22 übernimmt hier wie beim Injektionsbohranker das Ankerrohr 4 der Fig. 1 die Funktion der zweiten Leitung für das Abführen des Wärmeträgers. Alternativ bringt man - wie in Fig. 4 gezeigt - einen Koaxialschlauch (Leitung 8 für den Vorlauf und Leitung 20 für den Rücklauf) ein und verfüllt (Mörtel oder Thermozement 26) dann.

Der Injektionsbohranker kann einen Außendurchmesser von 51 bis über 150 mm haben. Eine Knickung nach innen ist auf Grund der Wandstärke des Ankerrohres auszuschließen. Beim Einbringen eines Koaxialrohres wird der Ringraum zwischen dem äußeren Rohr und dem Ankerrohr aus Gründen der Wärmeübertragung verfüllt. Dies kann mit Ankermörtel oder besser wegen der besseren Wärmeleitfähigkeit mit Thermo- zement erfolgen.

Fig. 5 zeigt im Schnitt eine verrohrte Haitimerbohrung (geteilte Bohrkrone) mit einem Stützrohr 30, an dessen vorderem Ende eine Ringbohrkrone 32 befestigt ist. Innerhalb des Stützrohres 30 ist eine Leitung 20 für das Abführen eines fluiden Wärmeträgers und innerhalb der Leitung 20 ist eine Leitung 8 für die Zufuhr des Wärmeträgers vorgesehen.

Um den Wärmeübergang zu verbessern ist sowohl zwischen der Leitung 20 und dem Stützrohr 30 als auch zwischen dem Stützrohr 30 und dem Baugrund 2 Ankermörtel 26 bzw 24 eingebracht. Fig. 6 zeigt das Herstellen einer verrohrten Hammerbohrung (Bauart "Symmetrix" von Atlas Copco) .

Das Stützrohr 30 wird gemeinsam mit einem innerhalb des Stützrohres 30 angeordneten Bohrer 34 vorgetrieben. Die Bohrkrone 36 ist während des Bohrvorganges mit der am vorderen Ende des Stützrohres 30 vorgesehenen (dort befestigten) Ringbohrkrone 32 lösbar gekuppelt. Sobald das Bohrloch die gewünschte Tiefe erreicht hat, wird die Bohrkrone 36 des Bohrers 34 von der Ringbohrkrone 32 abgekuppelt und aus dem Stützrohr 30 herausgezogen.

Die Fig. 7 zeigt anhand eines schematisch dargestellten Tun- nelquerschnittes wie Anker, von denen erfindungsgemäß wenigstens einzelne als Wärmetauscher dienen, in einem Tunnelquerschnitt angeordnet sein können.

Fig. 8 zeigt dies am Beispiel einer Hangsicherung durch Anker. Die Fig. 7 und 8 zeigen, dass die Ausrichtung der Anker für die Erfindung nicht wesentlich ist, diese können horizontal, vertikal oder schräg ausgerichtet sein.

Nachstehend wird beispielhaft das Setzen von erfindungsgemäßen Ankern beschrieben:

Das Sichern beginnt mit dem Aufbringen der ersten Spritzbeton- schale, um vor allem die Mannschaft zu sichern und den ersten Ausbauwiderstand aufzubringen. Danach werden die Anker gesetzt. Der Anker wird nach der Zementinjektion mit Wasser gespült und anschließend verschlossen, damit beim nachfolgenden Aufbringen der Baustahlgitter und der zweiten Spritzbetonschale der Spülkanal des Ankers nicht wieder mit Spritzbeton verunreinigt wird. Dieses Abdichten des Ankers kann mit einem Bauteil erfolgen, beispielsweise dem Distanzstück von Fig. 9, das die Form einer aufschraubbaren, einseitig verschlossenen Manschette haben kann. Durch Aufbringen einer zweiten Spritzbetonschale wird der Spritzbeton in der er- forderlichen Dicke aufgebracht.

Das Distanzstück 40 aus Fig. 9 kann als Messmarke für die Spritzbetonstärke verwendet werden, sowie auch als Reflektor für Konvergenz- oder sonstige geodätische Messungen.

Das Anschlussstück aus Fig. 2 kann ebenfalls als Reflektor und auch als Befestigungspunkt für die Dichtungsfolie dienen. Das Anschlussstück kann jedoch, wenn die Ausgänge für 8 bzw. 16 z.B. mit Kunststoffstopfen versiegelt sind, gleichzeitig auch als vorübergehender Schutz des freigespülten Ankerinnenraumes dienen.

Nach den Vortriebsarbeiten erfolgt der Einbau des Tunnelab- dichtungssystems, beispielsweise einer Druckwasserabdichtung mit Hilfe einer Folie. Auf die Spritzbetonoberfläche wird zunächst ein Schutzvlies aufgebracht. Das Schutzvlies ist bergseitig polyesterverstärkt, um Unebenheiten im Spritzbeton abzufedern und auszugleichen. Das Vlies wird mit Rondellen befestigt, die später zum Be- festigen der Abdichtungsfolie dienen. Auf die Rondellen wird nun mittels Heißluftschweißung die Abdichtungsbahn angebracht. Im Falle einer zweilagigen Abdichtung wird zunächst nur die erste Lage der Kunststoffdichtungsbahn aufgebracht, in einem weiteren Arbeitsvorgang dann die zweite Lage. Bei dieser Form der Abdichtung emp- fiehlt es sich, den Anker bereits nach dem Aufbringen der ersten Lage mit seinem Anschlussstück auszustatten. Somit kann (siehe unten) die Dichtigkeitsprüfung der Folienkammern (oder Kissen) mit einem bereits ausgestatteten Anker erfolgen. Nach der Dichtigkeitsprüfung wird somit nicht mehr in den Aufbau der Druckwasserabdich- tung eingegriffen.

Nach dem Fertigstellen der Abdichtung wird zwischen dem Ankerrohr und dem Anschlussstück (Adapter) eine dauerhaft dichte, sowie insbesondere zug- und schubfeste Verbindung geschaffen. Das Herstellen dieser Verbindung kann auf zwei Arten erfolgen: In einer Variante wird in das Ankerrohr ein Gewinde geschnitten, in das dann das Anschlussstück eingeschraubt wird.

In einer anderen Variante wird unter Zuhilfenahme eines Klebstoffes das Anschlussstück, als verklebte Schiebehülse verwirklicht, befestigt. Diese Lösung ist vor allem bei Ankern mit größerem Durch- messer in Betracht zu ziehen, da der Querschnitt durch diese Maßnahme eingeengt wird. Das Anschlussstück kann entweder als über- schubhülse, als Gewindeteil mit Außengewinde auf dem Anker (vorhandenes Gewinde des Injektionsbohrankers) oder als Gewindeteil mit Innengewinde im Anker (vorhandenes Innengewinde beim Injektions- bohranker mit Innengewinde oder einem einzuschneidenden Gewinde)

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ausgebildet sein. In allen drei Fällen wird gegen dieses Gewinde bevorzugt abgedichtet.

Bevorzugt ist ein auf der Baustelle hergestelltes Gewinde. Das Gewinde wird mittels einer Dichtung (Gewindeklebstoff, Hanffa- sern und Locherpaste oder Teflon-Gewindeband) abgedichtet. Das Anschlussstück ist bevorzugt werkseitig vorbereitet und enthält die Anschlussleitungen für den Vor- und Rücklauf des fluiden Wärmeträgers. Zusätzlich ist, für den Fall einer Folienabdichtung, mit Vorteil ein genügend großer Folienfleck dicht an den Adapter an- geschweißt. Dieser Folienfleck wird dann seinerseits mit der Kunst- stoffdichtungsbahn verschweißt. Im Falle der zweilagigen Abdichtung wird er nur mit der ersten Lage verschweißt, da die zweite Bahn erst später aufgebracht wird.

Die Fig. 9 zeigt dieses Konzept für die Bauteile des Energie- ankers in der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Das Distanzstück 40 dient zur vorübergehenden Abdichtung, um während des Aufbringens der zweiten Spritzbetonlage den Ankerinnenraum vor Verunreinigungen zu schützen. Es wird außen auf das Ankerrohr 4 aufgeschraubt. Das Anschlussstück 42 ist mit einem Folienfleck 44 für den Fall einer zweilagigen Abdichtung verbunden. Vor dem Aufschrauben wird der Schlauch 8, durch den die koaxiale Zuleitung des Wärmeträgers erfolgt, in den Anker 4 eingeschoben. Mittels eines Doppelnippels kann der Schlauch 8 mit dem Anschlussstück 42 verbunden werden.

Anschließend oder unmittelbar nach dem Freispülen des Anker- rohres 4 wird das Ankerrohr 4 an der Ankerspitze gegenüber der Bohrkrone 6 abgedichtet. Dies ist vorteilhaft, da dort der Wärmeträger auf Grund der koaxialen Zuleitung (Leitung 8) und der Rückleitung im Ringspalt zwischen Ankerrohr 4 und Leitung 8 umgelenkt wird. An dieser Stelle hinter der Bohrkrone 6 wird mit Vorteil abgedich- tet. Dies kann beispielsweise mittels eines Packers zusammen mit PU- Schaum oder auf andere Weise erfolgen. Anschließend kann der Anker einer Dichtigkeitsprüfung unterzogen werden. Diese Prüfung kann mittels Wasser oder Druckluft erfolgen, wobei über einen Zeitraum von 15 Minuten kein Druckabfall erfolgen sollte. Nach bestandener Dichtigkeitsprüfung wird die Leitung 8 in das Ankerrohr 4 eingeführt. Sollte deren Eigensteifigkeit bei größeren Ankerlängen nicht ausreichen, empfiehlt es sich, die Leitung 8 mittels eines steifen Drahtes, den man in den die Leitung 8 bildenden Schlauch einschiebt, in das Ankerrohr 4 einzuführen. Dann können die Anker mittels der Anschlussstücke 42 und Schlauchverbindungen zu

- einem geschlossenen Kreislauf zusammengeschlossen und mit wenigstens einer Wärmepumpe verbunden werden.

Die Folge der Verfahrensschritte ist nachstehend beispielhaft und tabellenartig wiedergegeben.

3eothermie-Aus- Klebergrat im Ankerinnenraum entfernen, erneute Ankerinnenreinigung durch Stahlbürste statter und Wasserspülung

ueothermie-Aus-JDruckprobe des Ankers auf Dichtigkeit statter

Geothermie-Aus- Krümmerstück (Bauteil 3, Stahl oder Plastik) aufschrauben statter

Energieanker fertiggestellt, Anschluss der Leitungen kann erfolgen

Da Bohrkronen 6 an Ankerrohren 4, die außen meist mit einem Rundgewinde versehen sind, auf diesen nur mit Spiel sitzen, ist es vorteilhaft, das Ankerrohr 4 im Bereich des vorderen Endes, also im

15 Bereich der Bohrkrone 6, abzudichten. Hiefür gibt es grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten. Dieses Abdichten kann durch Einbringen von Dichtmassen, z.B. chemischen Dichtmassen in Form von 2- Komponenten-Dichtmassen, erfolgen. Hiezu kann beispielsweise eine Patrone mit der 2-Komponenten-Dichtmassen in den Anker eingeführt

20 und mit der Mörtelfüllung zur Bohrkrone transportiert werden. Dort zerbricht sie oder wird mutwillig zerstört und die aus der Patrone austretenden 2-Komponenten-Dichtmasse dichtet das vordere Ende des Ankerrohres 4 gegenüber der Bohrkrone 6 ab.

In einer anderen Variante ist vorgesehen, dass eine Dichtung

25 oder Dichtmasse zwischen dem Außengewinde des Ankerrohres 4 und dem Innengewinde der Bohrkrone 6 eingebracht wird.

Eine andere Möglichkeit (Fig. 10-12) besteht darin, im Bereich der Bohrkrone 6 eine mechanische Dichtvorrichtung 50 vorzusehen. Die Vorrichtung 50 besteht aus einer Einschlaghülse 52 und einer Ver-

30 schlussspitze 54, wobei die Einschlaghülse 52 auf dem Schaft 56 der Verschlussspitze 54 verschiebbar ist. über einen Schaft 56 der Verschlussspitze 54 ist wenigstens ein O-Ring 58 gesteckt, an dem das vordere Ende 60 der Einschlaghülse 52 anliegt. Der O-Ring 58 wird von der Einschlaghülse 52 über den konischen Abschnitt 62 des

35 Schaftes 56 der Verschlussspitze 54 auf den weiteren Teil 64 des Schaftes 56 verschoben, bis er schlussendlich an der Schulter 66 der Verschlussspitze 54 anliegt, einen größeren Durchmesser aufweist und so an der Innenwand des Ankerrohres abdichtend anliegt. Beim Vorschieben der Einschlaghülse 52 wird diese vom konischen Bereich 62

40 des Schaftes 56 aufgeweitet, so dass sie fest sitzt und den O-Ring dauerhaft an Anlage an die Schulter 66 hält. In Fig. 11 ist die

Situation vor dem Abdichten, also vor dem Vorschieben der Einschlaghülse 52, und in Fig. 12 ist die Situation im abgedichteten Zustand dargestellt.

Die Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform eines Adapters 14 am Ankerkopf, wie sie bei Ankerrohren 4 mit einem Durchmesser von 32 mm als Lösung in Betracht gezogen wird. Ankerrohre 4 mit größerem Durchmesser, beispielsweise von 51 mm ("R51"), sind groß genug, um zwei konzentrische Kunststoffrohre als Leitungen 8 und 20 für den Wärmeträger aufzunehmen, wie dies beispielsweise schematisch in Fig. 3 gezeigt ist. Daher ergeben sich weder im Bereich der Bohrkrone 6 noch im Bereich des Ankerkopfes besondere Dichtungsprobleme.

Für Ankerrohre mit kleinerem Durchmesser (32 mm Durchmesser "R32") wird wegen des geringen zur Verfügung stehenden Raumes bevorzugt nur ein Rohr 8 eingeführt und das Ankerrohr 4 selbst als Rüc- kführung benützt, wie dies schematisch auch in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.

Fig. 13 zeigt eine beispielhafte Ausführung eines Adapters 14 im Bereich des Ankerkopfes. Der Adapter 14 besteht aus einer auf das Rund-Gewinde des Ankerrohres 4 aufgeschraubten Hülse 70 mit einer Innenschulter, in deren Bereich eine O-Ring-Dichtung 72 vorgesehen ist, die zwischen dem äußeren Ende des Ankerrohres 4 und der Schulter in der Hülse 70 geklemmt ist. In der Hülse 70 ist in der Seitenwand eine Gewindebohrung vorgesehen, in die ein Anschlussnippel 74 eingeschraubt ist. Dieser Anschlussnippel 74 nimmt dichtend das Rohr 16 auf.

In das offene Ende der Hülse 70 ist über einen Zwischenring 76, der in die Hülse 70 beispielsweise eingeklebt oder eingeschraubt ist, ebenfalls ein Anschlussnippel 74 eingesetzt, durch den dichtend die im Ankerrohr 4 bis zu dessen vorderen Ende geführte Leitung 8 geführt ist.

Für die Verwendung von Ankern als Wärmetauscher im Sinne der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn bei Ankern aus mehreren miteinander gekuppelten Ankerrohren 4 zwischen den einzelnen Ankerrohren 4 im Bereich der dort vorgesehenen Kupplungsmuffen 80 Dichtungen 82 vorgesehen sind, um den Austritt von Wärmeträgern zu verhindern.

Diese Dichtung kann so wie in Fig. 14 dargestellt ausgeführt sein. Diese Ausführungsform ist im Prinzip aus der WO 2004/013531 bekannt und weist eine im Bereich einer Ringrippe 86 eingesetzte Ringdichtung 82 (O-Ring) auf, die vor den Enden 84 der Ankerrohre 4 geklemmt ist.

In Fig. 15 ist eine andere Ausführungsform gezeigt, bei der in der Muffe 80 etwa in deren Mitte in zwei Ringnuten 88, die nach innen offen sind, Ringdichtungen 82 (O-Ringe) eingesetzt sind. Diese

O-Ringe 82 dichten gegenüber an den Enden 84 der Ankerrohre vor- gesehene gewindefreie zylindrische Bereiche derselben ab.

Es besteht auch die Möglichkeit im Bereich von Kupplungsmuffen 80 aneinander grenzende Ankerrohre 4 dadurch nach außen hin abzudichten, dass in den Bereich zwischen der Innenfläche der Kupplungsmuffe 80 und Außenfläche der Ankerrohre 4 eine (z.B. aushärten- de) Dichtmasse eingebracht wird. Das kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Enden der Ankerrohre 4 vor dem Einschrauben in die Kupplungsmuffen 80 mit Dichtmasse bestrichen werden.

Im Zusammenhang mit dem Abdichten von Ankern, die erfindungsgemäß als Wärmetauscher eingesetzt werden, werden u.a. folgende Möglichkeiten in Betracht gezogen, wobei auch die weiter oben in dieser Beschreibung genannten Beispiele im Rahmen der Erfindung für das Abdichten in Betracht gezogen sind.

- Abdichten Bohrkrone-Ankerrohr : Wenn eine Dichtung im Bereich der Gewinde erfolgt, ist auch für ein Verschließen (Abdichten) der Spüllöcher in der Bohrkrone zu sorgen.

Eine Abdichtung im Ankerrohr selbst, so dass zusätzliche Dichtmaßnahmen im Bereich der Gewinde und der Spüllöcher in der Bohrkrone nicht erforderlich sind. Solche Abdichtungen können mechanische (Fig. 10-12) oder "chemische" in Form von Schäumen, 2-Komponenten-Dichtmassen od.dgl. sein.

- Abdichten im Bereich von Kupplungen von Ankerrohren: Mechanische Dichtungen ähnlich Fig. 14 und 15, oder Gewindekleber, Dichtpasten, Dichtbänder, Dichtringe aus weichem Werkstoff, die sich beim Einbohren des Ankers in den Spalt um die Fasen an den Enden der Ankerstangen hineinverformen, und Kombinationen der genannten Maßnahmen.

- Abdichten Ankerkopf:

Bei konzentrischen Rohren können zum Abdichten in der Installationstechnik übliche Maßnahmen angewendet werden. Daneben ist im Rahmen der Erfindung in Betracht gezogen, gegen das

Gewinde zwischen Ankerrohr und Anschlussstück (Adapter) abzudichten.

Nachstehend wird das zweckmäßige Betreiben einer Erdwärmeanlage mit den erfindungsgemäß als Anker ausgebildeten Wärmetau- schern beschrieben.

Die dem Boden entziehbare Leistung verringert sich mit der Dauer der Heizperiode. Somit steht im (Hoch) Winter (Zeitraum Dezember/Jänner) am wenigsten Leistung zur Verfügung. Dies ist in Fig. 16 veranschaulicht . Diese Leistungsausbeute kann durch einen intermittierenden Anlagenbetrieb, der den thermischen Speicher im Boden schont, gesteigert werden. Mit dem erfindungsgemäß als Anker ausgebildeten Wärmetauscher ist dies möglich. Ein intermittierender Betrieb ist schematisch in Fig. 17 gezeigt und wird nachstehend erläutert. Die Energieausbeute ist beim intermittierenden Anlagenbetrieb vor allem durch eine Schonung des Bodenspeichers am Periodenbeginn größer, da das Abfallen der Leistungskurve verringert wird.

Eine hier in Betracht gezogene Erdwärmeanlage besteht aus der Wärmepumpe selbst, aus einem Solekreislauf und aus einem Heizkreis- lauf.

Der Solekreislauf wird direkt mit dem Wärmetauscher (erfindungsgemäß: wenigstens ein Anker) verbunden, es entsteht ein geschlossener Flüssigkeitskreislauf .

Absorbermedium (Wärmeträger) wird im Solekreislauf mit einer vorgewählten Temperatur in den Boden geleitet (nicht kälter als 0'C, um ein Gefrieren des Bodens zu verhindern) und erwärmt sich dort um etwa 3 bis 5 ' C, bevor es in die Wärmepumpe geleitet wird. In der Wärmepumpe wird durch einen Carnot-Prozess in der Wärmepumpe das Temperaturniveau auf etwa 25 bis 45° C erhöht, womit direkt in der Heizanlage eines Wohnhauses oder Bürogebäudes eingespeist werden kann.

Es ist vorteilhaft, die Eintrittstemperatur des Absorbermediums (Wärmeträger) in den Anker dermaßen zu begrenzen, dass kein Gefrieren des Bodens eintritt. Dies kann dadurch erfolgen, dass

- die Eintrittstemperatur des Wärmeträgers entsprechend geregelt wird (etwa durch Messen der Ein- und Austrittstemperatur aus dem Anker mit Temperaturfühlern)

und/oder

die Anlage in einem Intervallbetrieb betrieben wird (d.h. sie schaltet nach einer entsprechenden Betriebsdauer oder bei Unterschreiten eines Temperaturgrenzwertes aus), so dass das Temperaturregime des Bodens möglichst wenig gestört wird, und das Wärmereservoir des Bodens erhalten bleibt (siehe entsprechende Abbildung mit verschiedenen Betriebszeiten pro Tag) .

Vorteilhaft ist eine ausgeglichene Bilanzierung über das ganze Jahr. Das heißt, die im Winter während des Heizens entzogene Energie sollte während des Kühlbetriebs im Sommer wiederum in der selben Menge eingebracht werden. Damit bleibt auch die Langzeitverfügbarkeit der Erdwärme gewährleistet.

Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt beschrieben werden:

Anker, insbesondere Injektionsbohranker, werden als Wärmetauscher in Kombination mit Wärmepumpen verwendet, um dem Untergrund 2 Wärme zuzuführen (Wärmespeicherung, gegebenenfalls in Kombination mit dem Klimatisieren eines Gebäudes) oder dem Untergrund Wärme zu entziehen (Wärmepumpen-Heizung) , . wozu in das Rohr 4 des Ankers wenigstens eine Leitung 8 zum Zuführen eines Wärmeträgers eingeführt wird. Der Wärmeträger strömt durch den Raum zwischen der Leitung 8 und dem Ankerrohr 4 unter gleichzeitigem Austausch von Wärme mit der Umgebung zurück. In einer alternativen Ausführungsform können in dem Ankerrohr 4 eine Zu- und Ableitung (Vor- und Rücklauf) für den Wärrαeträger untergebracht sein. Von Vorteil ist es, dass durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Wärmetauschers zwei Ziele, nämlich ein Wärmetauscher und das Sichern von Gebirge oder Untergrund für den Anker, erreicht werden.