Die Erfindung betrifft eine Koaxial-Erdwärmesonde gemäss dem Oberbegriff des Vorrich- tungsanspruchs 1. Weiters betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Montage einer erfindungsgemässen Koaxial-Erdwärmesonde im Untergrund gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs.

Die absehbare Verknappung fossiler Energieträger und die Notwendigkeit, die Emissio- nen von Luftschadstoffen und von C0 ₂ zu reduzieren, haben in der Wärmeproduktion zu einem Umdenken geführt und der Anwendung alternativer, erneuerbarer Energien, insbesondere von schadstofffreien Technologien, zu einer grösseren Akzeptanz verholten. Eine besonders attraktive Form der Wärmeproduktion besteht in der Nutzung der Erdwärme. Erdwärme oder geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Erdoberfläche. Bereits etwa 10 bis 20 m unter der Erdoberfläche weist das Erdreich eine über das ganze Jahr annähernd konstante Temperatur auf, die sich mit zunehmender Tiefe erhöht. Der natürliche Temperaturgradient des Erdreichs beträgt ca. Ö.Ö3 K i Tiefe. Diese Temperatur wird vom Wärmefluss aus dem Erdinneren bestimmt. Die Wärmegewinnung erfolgt in der Regel mittels Erdwärmesonden _» die in eine vertikale, dicht hinterfüilte Bohrung von übiicherweise 50 bis 350 m Tiefe eingebaut werden. Eine Erdwärmesonde übernimmt die Aufgabe, im Erdreich vorhandene sensible Wärmeenergie an ein in der Sonde zirkulierendes Wärmeträgermedium zu übertragen, das die Wärmeenergie aus dem Erdreich an die Oberfiäche transportiert. Dort wird die Wärmeenergie in der Regel an ein zweites Wärmeträgermediurn übertragen, das in einer Wärmepumpe zirkuliert,

Herkömmiiche Erdwärmesonden sind meist ais U-Rohrsonden ausgebildet, in denen das Wärmeträgermedäum in einem Rohrast von der Oberfläche zum Grund der Erdwärme- sondenbohrung, d.h, von oben nach unten, strömt. Im anderen Rohrast strömt das zirku- lierende erwärmte Wärmeträgermedium vom Bohrlochgrund zur Oberfiäche, d.h. von unten nach oben. Beim Aufsteigen gibt das Wärmeträgermedium immer einen Teil der akkumulierten Wärmeenergie an das im benachbarten Rohrast nach unten zirkuiierende Wärmeträgermedium und an das umgebende kältere Erdreich ab, Infolge dieser unerwünschten Wärmeabgabe ist der exergetische Wirkungsgrad von U-Rohrsonden relativ bescheiden. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades werden daher oft Koaxial ^«

Erdwärmesonden eingesetzt. Das Wärmeträgermedium strömt bei Koaxial- Erdwärmesonden im äusseren Ringspalt von der Oberfläche zum Bohrlochgrund, wobei es die im Erdreich vorhandene sensible Wärmeenergie aufnimmt, und strömt durch ein zentrales Kernrohr wieder zurück nach oben an die Oberfläche. Wird bei solchen Koaxial- Erdwärmesonden das zentrale Kernrohr thermisch gedämmt, kann der exergetische Wir- kungsgrad gegenüber den U-Rohrsonden deutlich gesteigert werden.

Während tiefreichende Koaxial-Erdwärmesonden mit gedämmtem Kernrohr gegenüber den anderen bekannten Arten von Erdwärmesonden einen grossen exergetischen Vorteil in Bezug auf die Qualität des verwertbaren Wärmestroms aufweisen, besitzen sie leider auch den Nachteil eines grossen Druckabfalls des Wärrneträgermecliums. Dieser ist dadurch bedingt, dass ein grosser Teil des verfügbaren Querschnitts der Erdwärmeson- denbohrung durch die Querschnittsfläche der Wärmedämmung des zentralen Kernrohrs, durch die relativ grosse Wandstärke des Hüllrohrs der Koaxial-Erdwärmesonde und insbesondere durch die nach dem Einbau der Sonde injizierte Verfüllungsschicht, beisptels- weise eine Mischung aus Bentonit und Zement, zwischen dem Hüllrohr der Sonde und dem umgebenden Erdreich verloren geht. Die Netto-Querschnittsfläche für den Transport des Wärmeträgermediums wird dadurch stark reduziert,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Koaxial-Erdwärmesonde zu schaf- fen, welche einen geringeren Druckabfall für das zirkulierende Wärmeträgermedium aufweist und eine höhere Aufnahme von Wärmeenergie des umgebenden Erdreichs in das Wärmeträgermedium erlaubt. Es soll auch ein Verfahren zur Montage einer erfindungs- gemessen Koaxial-Erdwärmesonde im Erdreich geschaffen werden, welches möglichst einfach und kostengünstig durchführbar ist und den Auflagen von Umwelt- und Gewäs- serschutz Rechnung trägt.

Die Lösung dieser Aufgaben besteht in einer Koaxiai-Erdwärmesonde mit einem zentralen Ke nrohr und einem Hüllrohr, das einen sich vom Kernrohr radial nach aussen erstreckenden Ringspalt begrenzt, wobei das Kernrohr und der Ringspalt für eine Durchströ- mung mit einem fliessfähigen Wärmeträgermedium ausgebildet sind. Erfindungsgemäss grenzt das Hüllrohr der Koaxial-Erdwärmesonde im eingebauten Zustand der Erdwärmesonde unmittelbar an eine Wandung einer Erdwärmesondenbohrung an.

Das Grundkonzept der Erfindung besteht darin, eine Koaxial-Erdwärmesonde dahinge- hend zu modifizieren, dass im eingebauten Zustand der Sonde auf eine Hinterfüllung des Ringspalts zwischen der Wandung der Erdwärmesondenbohrung und dem Hüllrohr der Koaxiai-Erdwärmesonde verzichtet werden kann. Die Koaxiai-Erdwärmesonde ist derart ausgebildet, dass sie unmittelbar an die Bohrungswandung angrenzt. Dadurch wird der für den Transport des Wärmeträgermediums zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt der Koaxiai-Erdwärmesonde deutlich vergrössert. Die im umgebenden Erdreich enthaltende Wärmeenergie wird direkt durch das Hüiirohr der Koaxial-Erdwärmesonde an das Wärmeträgermedium übertragen, Verluste durch das Material der Hinterfüllung, üblicherweise ein Bentonit-Zement Gemisch, werden dadurch vermieden. Das Hüllrohr wird durch das im zentralen Kernrohr und im Ringspalt zirkulierende Wärmeträgermedium gegen die Wandung der Erdwärmesondenbohrung gepresst, um zu verhindern, dass ggf, durchbohrte Wasserschichten hydraulisch miteinander verbunden werden.

Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das Kernrohr und der Ringspait für eine Durchströmung mit Wasser als Wärmeträgermedium ausgebildet sind. Der Einsatz von Wasser ais Wärmeträgermedium stellt eine zusätzliche Sicherheit hinsichtlich Umwelt- und Gewässerschutz dar, da es selbst bei Leckagen zu keinen Kontaminationen kommen kann. Dies erlaubt den Einsatz der erfindungsgemässen Koaxial-Erdwärmesonde sogar in Gebieten, die bislang aus Gründen des Grundwasserschutzes ais Sperrgebiete gelten, Eine vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das Hüiirohr der Koaxial-Erdwärmesonde von einer durch erhöhten Innendruck expandierbaren schlauchartigen Umhüllung gebildet ist. Die Expansionsfähigkeit und Elastizität der schlauchartigen Umhüllung erlaubt es, diese kteai an die Wandung der Erdwärmesondenbohrung anzupressen, um dadurch einen möglichst guten Kontakt für die Wärmeenergieübertragung zu erzielen und zudem allfällig durchbohrte Wasserhorizonte zuverlässig abzudichten.

Um die Montage der Koaxiai-Erdwärmesonde in einer Erdwämesondenbohrung, die beispielsweise etwa 450 m beträgt und Tiefen von bis zu 1500 m erreichen kann, zu erleichtern, sieht eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung vor, dass die schlauchartige Umhüllung das Kernrohr in zusammengefaltetem Zustand umgibt und nach dem Einbringen in die Erdwärmesondenbohrung durch ein mit Überdruck zugeführtes fliessfähiges Medium in eine stabile Endform expandierbar ist. Die expandierte Umhüllung erfüllt dabei zusätzlich die Funktion eines„Stents", der die Bohrung stabilisiert. Indem in einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung die schiauchartige Umhüllung einen entfalteten Durchmesser aufweist, der grösser ist, als der Durchmesser der Boh- rung, für welche die Erdwärmesonde vorgesehen ist, wird erreicht, dass die montierte und entfaltete bzw. expandierte Umhüllung, welche das Hüllrohr der Koaxial-Erdwärmesonde bildet, im vollständig gefüllten Zustand immer noch gegen innen Seichte Falten aufweist, die in unregeSmässiger Form entstehen, Diese Falten bewirkten eine zusätzliche Verstei- fung der Schlauchwand, Die zugSeich auftretende Volumensverkleinerung des Ringspaltes ist hingegen nur gering und hat im Betrieb praktisch keinen EinfSuss auf den Strömungswiderstand für das Wärmeträgermedium.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die schSauchartige Umhüllung der Koaxial-Erd- wärmesonde bei ÜberschreSten eines maximalen reSativen Überdrucks gegenüber dem Wärmeträgermedium, insbesondere gegenüber Wasser, wenigstens bereichsweise begrenzt durchlässig ist. Dadurch wird verhindert, dass die Umhüliung bei der Expansion in Klüfte oder KavStäten, die beim Erstellen der Erdwärmesondenbohrung gelegentlich durch grössere Materialausbrüche entstehen können, bricht. Kleinere Kavitäten werden durch das durch die äussere HülSe ausgepresste Wasser gefüllt. Bei leeren Klüften oder grösseren Kavitäten sorgt die überdruckbedingfe Durchlässigkeit der UmhülSung gegenüber Wasser dafür, dass diese nur soweit expandiert wird, bis sie zuverlässig dichtend an der Bohrungswandung anSiegt. Die Umhüllung wird dabei nur begrenzt in die Klüfte oder Kavitäten hinein ausgedehnt; eine Überdehnung des Materials wird dadurch verhindert. Das Material der Umhüllung ist dabei derart ausgebildet, dass der maximale relative Überdruck, der erreicht werden muss, bis Wasser durch die Umhüllung hindurch tritt, ca. 2 bar bis 3 bar beträgt. Die begrenzte Durchlässigkeit der Umhüilung gegenüber Wasser ist dabei zweckmässigerweise auf diejenigen Bereiche beschränkt, die sich im montierten Zustand der Erdwärmesonde im festen Erdreich, insbesondere im felsigen Untergrund, befinden. Der oberflächennähere Bereich, der an iockeres Erdreich angrenzt, ist zweckmässigerweise wasserundurchlässig ausgebildet. Da bei der Erstellung der Erdwärmesondenbohrung die Grenze zwischen lockerem Erdreich und felsigem Untergrund sehr genau ermittelbar ist, kann die Erdwärmesonde exakt auf die lokalen Gegenbenheiten angepasst werden.

In einer weiteren Ausführungsvariante der Koaxial-Erdwärmesonde sind das zentrale Kernrohr und die äussere schlauchartige Umhüllung integral miteinander verbunden und liegen sie als Endlos-Roilmaterial vor. Für das Einbringen in die ersteilte Erdwärmesondenbohrung ist die Koaxial-Erdwärmesonde in der gewünschten Länge von einer Trorn- mel abrollbar. An der Baustelle muss nur noch die angelieferte integrale Anordnung von Kernrohr und, vorzugsweise gefalteter, Umhüllung in die Erdwärmesondenbohrung ein- gebracht werden. Dazu wird die Koaxial-Erdwärrnesonde einfach in der gewünschten Länge von einer Trommel abgerollt. Sollte die auf einer Trommel angeordnete Länge nicht ausreichen, kann vor oder während dem Einbringen in die Erdwärmesondenbohrung die erforderliche zusätzliche Länge der Erdwärmesonde von einer weiteren Trommel abgerollt und an den Endstellen dicht mit dem Ende des ersten Abschnitts verbunden werden, um auf die erforderliche Länge zu kommen.

Alternativ kann auch eine Koaxial-Erdwärrnesonde vorgesehen sein, bei der das zentrale Kernrohr und die integral damit verbundene schlauchartige Umhüllung in abgelängten Abschnitten vorliegen. Die abgelängten Abschnitte sind beim Einbringen in die Erdwärmesondenbohrung flüssigkeitsdicht miteinander verbindbar. Diese Variante kommt insbesondere bei weniger flexiblen bzw, starren Sondenrohren zur Anwendung.

Bei einer weiteren Ausführungsvariante der Koaxial-Erdwärrnesonde liegen das zentrale Kernrohr und die expandierbare schlauchartige Umhüllung getrennt voneinander vor. Dabei wird die Umhüllung von einem flachen Endlos-Rollenmaterial gebildet, das erst beim Einbringen des zentralen Kernrohrs mit diesem zusammengeführt wird, wobei die Längskanten der schlauchartigen Umhüllung miteinander flüssigkeitsdächt verbunden werden. Die flüssigkeitsdichte Verbindung der Längsseiten des die schiauchartige Umhüllung bildenden Endlos-Rollenmaterials erfolgt beispielsweise durch Vernähen und/oder Ver- schweissen der aneinanderliegenden Bereiche in spezieil dafür ausgebildeten Verbindevorrichtungen. Die das Hüllrohr des Koaxial-Erdwärrnesonde bildende schiauchartige Umhüllung ist mit Vorteil eine Kunststoffverbundfolie, die eine Wandstärke von etwa 3 mm bis zu 15 mm aufweisen kann. Eine Wandstärke von 3 mm reicht bei Längen bis ca. 450 m aus, um das Eigengewicht der Kunststoffverbundfolie zu tragen, Bei grösseren Längen der Koaxial- Erdwärrnesonde wird entsprechend eine grössere Wandstärke für die schlauchartige Um- hüllung gewählt. Die äussere Umhüllung nimmt nur wenig Volumen ein, weist jedoch im expandierten Zustand eine ausreichend grosse Eigenstabilität auf.

Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Umhüllung eine Armierung aus einem Aluminium-Streckmetail aufweist, auf die beidseitig eine dehnbare Kunstsloff- membran aufgebracht ist. Die Kunststoffmembran besteht beispielsweise aus einer dePo- iyethylen, Latex, Kautschuk oder dergleichen Materialien und ist mikroperforiert. Das zentrale Kernrohr ist in einer bevorzugten Äusführungsvariante der Erfindung mit einer thermisch isolierenden Ummantelung umgeben. Die thermisch isolierende Umman- telung verhindert das das im Kenrrohr aufsteigende erwärmte Wärmeträgermedium seine Wärme zum Teil wieder an das im Ringspalt nach unten strömende Wärmeträgermedium abgibt, Dadurch kann der thermische Wirkungsgrad der Koaxial-Erdwärmesonde erhöht werden.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Montage einer Koaxial-Erdwärmesonde im Erdreich wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt, zunächst mit einer Bohrvorrichtung eine Erdwärmesondenbohrung erstellt, Die Tiefe der Bohrung beträgt beispielsweise 300 m bis 500 m und kann bis 1500 m erreichen. Danach wird eine erfindungsgemäss ausgebildete Koaxial-Erdwärmesonde in die vorbereitete Bohrung abgesenkt. Nach dem Einbringen der Koaxial-Erdwärmesonde wird eine zunächst zusammengefaltete schlauchartige Umhüllung, welche ein mit einer Isolation versehenes Ke nrohr umgibt und zugleich die Begrenzungswandung eines Hüilrohrs der Koaxial-Erdwärmesonde bildet, derart expandiert, dass sie im wesentlichen an der Bohrungswandung anliegt. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren, wird die Koaxial-Erdwärmesonde derart in der Erdwärmesondenbohrung montiert, dass die schlauchartige äussere Umhüllung, die zugleich die Begrenzungswandung des Hüilrohrs der Koaxial-Erdwärmesonde bildet, unmittelbar an der Bohrungswandung anliegt. Dadurch wird ein Ringspalt zwischen der Begrenzungswandung des Hüilrohrs und der Bohrungswandung vermieden, der bei den Erdwärmesonden des Stands der Technik hinterfüllt werden muss. Somit entfällt bei dem erfindungsgemässen Verfahren der injektionsschritt für das Füllmaterial, üblicherweise eine Mischung aus Bentonit und Zement, Der unmittelbare Kontakt zwischen der von der expandierten Umhüllung gebildeten Begrenzungswandung des Hüllrohrs mit der Bohrungswandung begünstigt die Übertragung der Wärmeenergie des Erdreichs an das in der Koaxial-Erdwärmesonde zirkulierende Wärmeträgermedium, das bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt von Wasser gebildet ist. Durch das Entfallen der Hinterfüllungsschicht ist der für das zirkulierende Wärmeträgermedium zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt gegenüber den Erdwärmesonden des Stands der Technik deutlich vergrössert Dadurch ergibt sich über die Länge der Koaxial-Erdwärmesonde ein geringerer Druckabfall, der sich unmittelbar vorteilhaft auf die Energiekosten für das Umpumpen des Wärmeträgermediums auswirkt. Zum Einbringen der Koaxial-Erdwärmesonde in die Erdwärmesondenbohrung kann die zusammengefaltete äussere Umhüllung von einer sehr dünnen Folie umgeben sein. Die dünne Folie ist derart ausgebildet, dass sie bei einem reiativ geringen Überdruck reisst und dann die Entfaltung der zunächst zusammengefalteten Umhüllung ermöglicht.

In einer Variante des erfindungsgernässen Verfahrens, erfolgt die Expansion der zusammengefalteten schlauchartigen Umhüllung der Koaxial-Erdwärmesonde mit Pressluft. Die zusammengefaltete Umhüllung wird dabei durch Pressluft, die vorzugsweise durch das zentrale Kernrohr der Koaxial-Erdwärmesonde mit Überdruck zugeführt wird, auf den vol- len Durchmesser aufgeblasen. Am vorderen Ende des zentralen Kernrohrs ist eine regelbare Wärmequelle, vorzugsweise ein Infrarotstrahler, angeordnet, Das zentrale Kernrohr wird mit regelbarer Geschwindigkeit vom Bohrlochgrund bis zur Oberfläche gezogen, um die expandierte schlauchartige Umhüllung kurzzeitig zonenweise zu erwärmen. Infolge des Überdrucks und der geringeren Zähigkeit des Umhüllungsmaterials in der erwärmten Zone tritt eine plastische Deformation ein. Das UmhüSlungsmateriai wird dabei in die kleinen Kavitäten der Bohrungswandung gedrückt, Infolge des thermischen Kontakts mit dem kälteren Erdreich kühlt das Umhüllungsmaterial unter seine kritische Fliesstemperatur ab und behält seine Form bei. Danach wird das Kernrohr wieder in seine ursprüngliche Position abgesenkt.

Um zu vermeiden, dass es im Bereich grösserer Kavitäten in der Bohrungswandung zu einer Überdehnung der expandierten Umhüllung kommt, sieht eine Variante der Erfindung vor, dass in der schlauchartigen Umhüllung Sensoren für die Messung der zonenweisen Dehnung bzw. Ausstülpung angeordnet sind. Bei Erreichen eines Grenzwertes wird die Verschiebegeschwindigkeit der Wärmequelle erhöht, d.h. die Wärmequelle schneller in Richtung der Oberfläche bewegt, um dadurch die plastische Deformation einzuschränken. Die in der Umhüllung angeordneten Sensoren erlauben somit eine Regelung der plastischen Deformation der Umhüllung. Dadurch wird eine Beschädigung der Umhüllung durch übermässige Ausbeulung vermieden.

Ein alternatives Verfahren zur Montage einer Koaxial-Erdwärmesonde im Erdreich sieht vor, dass die Expansion der zusammengefalteten schlauchartigen Umhüllung der Koaxial- Erdwärmesonde mit Wasser erfolgt, das von oben her in den Ringspalt zwischen dem zentralen Kernrohr und der gefalteten Umhüllung eingefüllt wird. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für Koaxial-Erdwärmesonden, bei denen Wasser als Wärmeträgermedium eingesetzt wird. Dabei kann das Wasser, das zunächst zur Expansion bzw. Entfal- tung der schiauchartigen Umhüllung eingesetzt wird, danach auch als Wärmeträgeirnedi- um verwendet werden, Die Expansion der schiauchartigen Umhüilung erfolgt vom Bohr- lochgrund her nach oben in Richtung der Oberfläche. Der Druck in tieferen Bereichen der Bohrung ist grösser als nach oben hin. Durch die Entfaltung und Volumenvergrösserung der schiauchartigen Umhüllung wird Wasser, das sich meist zwischen der Umhüllung und der Bohrungswandung befindet, in Richtung der Oberfläche gedrückt, im Bereich von grösseren Kavitäten dehnt sich die Umhüllung weiter aus, und dringt teilweise in die Kavi- täten ein. Da das Umhüllungsmaterial ab einem relativen Überdruck von 2 bar bis 3 bar teilweise durchlässig für das zugeführte Wasser ist, kann Wasser aus dem I neren der Koaxial-Erdwärme onde in die Kavität austreten. Dadurch wird eine übermässige Dehnung des Umhüllungsmaterials vermieden.

Eine Variante des Verfahren der Expansion mit Wasser sieht vor, dass nach dem vollständigen Füllen des zentralen Kernrohrs bis zur Oberfläche und einer Wartezeit der Druck auf die Wassersäule im zentralen Kernrohr kontinuierlich oder stufenweise bis zu einem Überdruck von etwa 12 bar bis etwa 15 bar erhöht wird. Die Wartezeit kann von einigen Minuten bis zu zwei Tagen dauern, Die Wartezett ist erforderlich, damit kleinere Kavitäten in der Bohrungswandung voliständig mit Wasser, das durch die permeable Hülle austritt, gefüllt und die in den Kavitäten enthaltene Luft ausgepresst werden kann, Grössere Kavitäten oder ieere Klüfte können naturgemäss nicht vollständig mit Wasser gefüllt werden. Hier genügt es, wenn die Umhüllung in einem begrenzten Ausmass in die Kavitäten oder Klüfte hinein ausgebeult wird. Der Überdruck wird eine Zeitlang aufrecht erhalten, um die Umhüllung im gewünschen Ausmass zu expandieren. Die Zeitspanne kann 30 s bis 1 Ys h betragen. Durch die anschliessende Druckerhöhung auf die Wasser- säule im zentralen Kernrohr wird die schlauchartige Umhüllung noch fester gegen die Bohrungswandung gepressf. Die Falten werden geglättet oder teilweise zusammenge- presst. Dadurch wird das Umhüllungsmaterial an diesen Steilen gereckt, d.h. plastisch verformt, ohne leck zu werden. Das inkompressible Wasser in den Kavitäten und die Durchlässigkeit der Umhüllung verhindern eine zu starke Deformation der Umhüllung. Ist der Druck des Wassers in den Kavitäten infoige einer Einpressung des Umhüllungsmate- rials zu gross, kann Wasser durch das permeabie Umhüilungsmateriai in den Ringraum zwischen zentralem Kernrohr und schlauchartige Umhüllung fliessen, um so den Druck wieder auszugleichen. Eine erfindungsgemäss ausgebildete Koaxial-Erdwärmesonde mit einem zentralen Kernrohr, das mit einer wärmeisolierenden Ummantelung versehen ist, und einer aus einem ursprünglich zusammengefalteten Zustand in einen stabilen expandierten Zustand übergeführten schlauchartigen Umhüllung, die zugleich das Hüllrohr der Koaxial- Erdwärmesonde bildet und im montierten Zustand der Koaxial-Erdwärmesonde an einer Wandung einer Erdwärmesondenbohrung anliegt, eignet sich insbesondere für den Be- trieb mit Wasser als Wärmeträgermedium. Wasser als Wärmeträgermediurn hat den Vorteil, dass es auch bei einem gewollten oder ungewollten Austreten des Wärmeträgermediums aus der Koaxial-Erdwärmesonde zu keinen Kontaminationen kommen kann.

Dadurch eignet sich die erfindungsgemässe Koaxial-Erdwärmesonde insbesondere auch für die Verwendung in Gebieten, die bislang aus Gründen des Grundwasserschutzes als Sperrgebiete gelten.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung:

Fig. 1 das Prinzip einer Warmwasserzubereitung mit Erdwärmesonde des Stands der Technik;

Fig. 2 eine Bohrung für eine Erdwärmesonde;

3 einen Querschnitt einer in einer Bohrung angeordneten Koaxial-Erdwärmesonde des Stands der Technik mit einem thermisch isolierten zentralen Kernrohr und einem Hüllrohr; Fig. 4 einen Querschnitt einer in einer Erwärmesondenbohrung angeordneten erfin- dungsgemässen Koaxial-Erdwärmesonde mit einem thermisch isolierten zentralen Ke nrohr und einer expandierbaren schiauchartigen Umhüiiung; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer in die Bohrung abgesenkten Koaxial- Erdwärmesonde mit partiell expandierter schlauehartiger Umhüllung zur Erläuterung des Montageverfahrens.

In den Darstellungen in Fig. 1 bis Fig. 5 tragen gleiche Elemente bzw. Bauteile jeweils das gleiche Bezugszeichen. Die schematische Schnittdarstellung in Fig. 1 zeigt das Prinzip der bekannten Erdwärme- sondentechnologie am Beispiel der Beheizung eines Gebäudes B. Dazu ist eine Erdwärmesonde 5, die in eine Erdwärmesondenbohrung 1 von ca, 50 - 350 m eingesetzt ist, über eine Zuleitung 8 mit einer Wärmepumpe 7 verbunden. Die Wärmepumpe 7 versorgt ein Heizungssysfem 8 des Gebäudes B mit der erforderiichen Menge Warmwasser. Die in die Bohrung 1 eingesetzte Erdwärmesonde 5 ist ein Wärmetauscher, in dem eine Flüssigkeit zirkuliert. Gemäss dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Erdwärmesonde 5 vier Sondenrohre aus Polyethylen auf, die paarweise jeweils zu einem U-Rohr zusar - mengefasst sind und mit der Zuleitung 8 zur Wärmepumpe 7 verbunden sind. Die Son~ denrohre weisen beispielsweise Durchmesser von 32 mm oder 40 mm auf. Die Erdwärmesonde 5 wird bis zum Grund 3 der Bohrung vorgeschoben. Der zwischen der Erdwärmesonde 5 und der Bohrungswandung 2 verbleibende Hohlraum wird mit einem Verfüll- material 4, das üblicherweise aus einer Mischung aus Bentonit und Zement besteht, kompakt hinterfülit, um einen guten thermischen Kontakt zwischen den Sondenrohren der Erdwärmesonde 5 und der Bohrungswandung 2 sicherzustellen. Als Verfüllmaterial 4 kommen auch andere Materialien in Frage, die eine ausreichend gute Wärmeübertragung gewährleisten. Beispielsweise ist auch eine Verfahrensvariante bekannt, bei der als Verfüllmaterial Wasser eingesetzt wird. Die in den Sondenrohren zirkulierende Flüssigkeit, meist Wasser mit einem Anteil von 15 - 35% Antige!, entzieht dem Untergrund G Erdwär- me und versorgt mit dieser geothemischen Energie die Wärmepumpe 7. Mit der Wärmepumpe 7 wird die Temperatur dann auf das für Heizzwecke erforderliche Niveau angehoben. In Fig. 1 ist auch noch angedeutet, dass sich der Untergrund G meist aus oberflä- chennäherem weicherem Erdreich S und harten Felsschichten R zusammensetzt. Die Erdwärmesondenbohrung 1 wird bis in die harten Felsschichten R vorgetrieben, da dort die stabilsten, nur von der Bohrungstiefe abhängigen Temperaturverhältnisse anzutreffen sind.

Fig^j? zeigt schematisch einen Axiaischnitt einer Erdwärmesondenbohrung 1. Die Bohrungswandung trägt wiederum das Bezugszeichen 2. Der Bohrlochgrund ist mit dem Be~ zugszeichen 3 versehen. Der Durchmesser der Erdwärmesondenbohrung 1 beträgt beispielsweise etwa 7,82 cm bis 15,24 cm (3 - 8 Zoll). Der Untergrund ist wiederum mit G bezeichnet. Wäre der Untergrund kompakt, homogen und trocken, dann könnte einfach ein thermisch gedämmtes Zentralrohr in die Erdwärmesondenbohrung 1 abgesenkt werden. Die Wandung des Zentralrohrs und der Fels begrenzen einen Ringspalt, der mit ei- nem Wärmeträgermedium gefüllt sein könnte, das in erwärmtem Zustand durch das gedämmte Zentralrohr zur Oberfläche transportiert werden könnte, um dort die aufgenom- mene Wärmeenergie über einen Wärmetauscher an eine Wärmepumpe abzugeben. Das kühlere Wärmeträgermedium wird dann wieder in Richtung des Bohrlochgrundes 3 transportiert, in der Realität führt eine Erdwärmesondenbohrung aber nicht durch kompakten Fels, sondern es werden verschiedene Schichten von losem und mehr oder weniger fes- tem Erdreich durchquert, die beispielsweise auch unterschiedliche Wasserhonzonte L W enthalten, die sich auf Dauer nicht durchmischen dürfen. Beispielsweise kann der Wasserhorizont W verunreinigtes Wasser enthalten, während der Wasserhorizont L sauberes Grundwasser enthält, das als Trinkwasserreserve dient. Die Bohrungswandung 2 weist oft Ausbrüche und Kavitäten 9 auf, die durch Wasserausschwemmungen noch vergrössert werden können. Bei der Montage einer Erdwärmesonde muss daher darauf geachtet werden, dass unterschiedliche Wasserhorizonte zuverlässig voneinander getrennt werden und Ausbrüche und Kavitäten 9 stabilisiert werden, dass sie sich nicht weiter vergrössern können. Neben den in Fig. 1 angedeuteten Erdwärmesonden mit Paaren von U-Röhren sind aus dem Stand der Technik auch Koaxial-Erdwärmesonden bekannt ist. Die Guersehnittsdar- Stellung n Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt der in einer Erdwärmesondenbohrung 1 im Untergrund G montierten Koaxial-Erdwärmesonde 10 ¹ . Sie weist ein zentrales Kernrohr 1 T auf, das mit einer thermischen Dämmung 12' versehen ist. Das thermisch gedämmte zentrale Kernrohr 11 ¹ ist von einem Hüilrohr 14 ^: umgeben. Die Wandung des Höllrohrs 14' begrenzt einen Ringspalt 15', der sich zwischen der Aussenwandung der Dämmung 12' und der Wandung des Hülirohrs 14' erstreckt. Ein zwischen der Bohrungswandung 2 und der Aussenwandung des Hüllrohrs 14 ^! verbleibender Ringspalt ist mit einer Verfüllmasse 18, üblicherweise ein Gemisch aus Bentonit und Zement, gefüllt Die Verfüllmasse hat die Aufgabe, die Bohrlochwandung 2 zu stabilisieren, unterschiedliche Wasserhorizonte zuverlässig voneinander zu trennen und soll für einen möglichst guten Transport der im Untergrund vorhandenen Wärmeenergie zu dem in der Koaxiai- Erdwärmesonde 10' zirkulierenden Wärmeträgermedium sorgen. Aus der schematischen Darstellung ist unmittelbar ersichtlich, dass der für das Wärmeträgermedium zur Verfü- gung stehende Strömungsquerschnitt gegenüber dem eigentlichen Querschnitt der Erdwärmesondenbohrung relativ klein ist, da die Verfüllmasse bis zu einem Drittel des Bohr- lochquerschnitls einnimmt. Dies führt im Betrieb der bekannten Koaxial-Erdwärmesonde 10' zu einem erhöhten Druckabfall über die Länge der Sonde und zu einem daraus resultierenden relativ hohen Energieaufwand für die Zirkulation des Wärmeträgermediums. Der Aufwand für die Montage dieser Koaxial-Erdwärmesonde 10' des Stands der Technik ist nicht zuletzt wegen des erforderlichen Injektionsschrittes für die Verfüllmasse 18 relativ hoch.

Fig^4 zeigt eine zu Fig. 3 analoge schematische Guerschnittsdarstellung einer Koaxial- Erdwärmesonde gemäss der Erfindung. Gleiche Bauelemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 versehen, jedoch ohne Apostroph„ ' ".

Eine erfindungsgemässe Koaxial-Erdwärmesonde, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist, ist In eine Erdwärmesondenbohrung 1 abgesenkt. Die Koaxial- Erdwärmesonde 10 weist ein zentrales Kernrohr 11 auf, das mit einer thermischen Däm~ mung 12 ummantelt ist, Bezugszeichen 14 bezeichnet eine expandierbare schlauchartige Umhüllung, die in Fig. 4 in gefaltetem Zustand gezeigt ist. Die Faltungen sind mit dem Bezugszeichen 17 versehen, im expandierten Zustand liegt die schlauchartige Umhüllung 14 unmittelbar an der Wandung 2 der Erdwärmesondenbohrung 1 an. Ein vor der Entfaltung zwischen der Umhüllung 14 und der Bohrungswandung 2 existierender Spalt 16 ver- schwindet bei der Expansion der Umhüliung 14, welche das Hüllrohr der Koaxial-

Erdwärmesonde 10 bildet, das ja nun unmittelbar an der Bohrungswandung 2 anliegt. Eine Hinterfüllung des Spalts 16 mit einer Verfüllmasse entfällt. Nachdem die Verfüllmas- se entfällt, verbleibt für ein die Koaxial-Erdwärmesonde 10 durchströmendes Wärmeträgermedium eine deutlich grössere Querschnittsfläche als bei den Koaxiai-Erdwärme- senden des Stands der Technik. Dadurch kann ein Kernrohr 11 eingesetzt werden, dessen freier Querschnitt 13 einen grösseren Anteil an der Querschnittsfläche der Erdwärmesondenbohrung 1 aufweist. Im expandierten Zustand der schlauchartigen Umhüllung 14 weist natürlich auch der Ringspalt 15 zwischen der thermischen Dämmung und der Umhüllung 14 eine grössere Querschnittsfläche auf als bei den Koaxial-Erdwärmesonden des Stands der Technik.

Die das Hüllrohr der Koaxial-Erdwärmesonde 10 bildende schlauchartige Umhüllung 14 ist mit Vorteil eine Kunststoffverbundfolie und weist, je nach Länge der KoaxiaS- Erdwärmesonde eine Wandstärke von etwa 3 mm bis 15 mm auf. Eine Wandstärke von 3 mm reicht bei Längen bis ca. 450 m aus, um das Eigengewicht der Kunststoffverbundfolie zu tragen. Sei grösseren Längen der Koaxial-Erdwärmesonde wird entsprechend eine grössere Wandstärke für die schlauchartige Umhüllung gewählt. Die äussere Umhüllung nimmt nur wenig Volumen ein, weist jedoch im expandierten Zustand eine ausreichend grosse Eigenstabilität auf, Die geringe Wandstärke der Kunststoffverbundfolie begünstigt auch den Wärmeübergang vom Untergrund G in das in der Koaxial-Erdwärmesonde 10 zirkulierende Wärmeträgermedium. Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Umhüllung 14 eine Armierung aus einem Alurniniu -Streckmetall aufweist, auf die beidseitig eine dehnbare Kunststoffmembran aufgebracht ist, Die Kunststoffmembran besteht beispielsweise aus Polyethyl- en, Latex, Kautschuk oder dergleichen Materialien und ist mikroperforiert. Durch Innendruck deformiert sich das Streckmetal! im gewünschten Ausmass und verleiht der Umhüllung 14 die geforderte Stabilität Eine weitere Äusführungsvariante der Erfindung kann vorsehen, dass die äussere Umhüllung über am zentralen Innenrohr angeordnete, entfaltbare Rippen oder Stege mit dem Innenrohr verbunden ist. Die Rippen oder Stege sind über den Umfang des Innenrohrs und dessen Länge verteilt angeordnet. Sie sind durch einen erhöhten Innendruck entfaltbar und nehmen im entfalteten Zustand eine stabile Endlage ein. Sie sollen die äussere Umhüllung zusätzlich radial abstützen und ein Kollabieren verhindern. Fig. 5 zeigt einen bohrlochgrundnahen Abschnitt einer Erdwärmesondenbohrung 1 mit einer eingesetzten erfindungsgemäss ausgebildeten Koaxial-Erdwärmesonde 1 Ö und dient zur Erläuterung des Montageverfahrens der Sonde in der Bohrung 1. Nach dem Erstellen der Erdwärmesondenbohrung, die beispielsweise eine Tiefe von etwa 450 m und bis zu 15ÖÖm aufweisen kann, wird die erfindungsgemässe Koaxial-Erdwärmesonde 10 eingebracht und bis zum Grund 3 der Bohrung 1 vorgeschoben. Die Koaxial- Erdwärmesonde 1 Ö weist an ihrem dem Bohrlochgrund 3 zugewandten Ende einen Sondenkopf 20 auf, der mit dem thermische isolierten zentralen Kernrohr 11 und mit der expandierbaren schlauchartigen Umhüllung 14 verbunden ist die während des Absenkens der Koaxial-Erdwärmesonde 10 in gefaltetem Zustand vorliegt. Im Sondenkopf 20 sind Strömungskanäle (nicht dargestellt) vorgesehen, welche das Innenrohr und den Rängspalt zwischen dem Innenrohr 11 und der Umhüllung verbinden. Wie bereits an anderer Stelle erwähnt, kann die Koaxial-Erdwärmesonde 10 als Endlos-Rollmaterial vorliegen, oder in abgelängten Abschnitten bereitgestellt werden, die beim Einbringen in die Erdwärmesondenbohrung flüssigkeitsdicht miteinander verbunden werden. Schliesslich können das thermische isolierte zentrale Kernrohr 11 und die expandierbare schlauchartige Umhüllung 14 auch getrennt voneinander vorliegen. Dabei wird die Umhüllung von einem flachen Endlos-Rollenmaterial gebildet, das erst beim Einbringen des zentralen Kernrohrs mit diesem zusammengeführt wird, wobei die Längskanten der schlauchartigen Umhüllung miteinander flüssigkeitsdicht verbunden werden. Der Sondenkopf 20 erleichtert das Einbringen der Koaxial-Erdwärmesonde 10, indem er diese infolge seines Gewichts nach unten zieht und für eine gestreckte Lage des zentralen Kernrohrs 11 sorgt. Nachdem der Sondenkopf 20 den Grund der Erdwärmesondenbohrung 1 erreicht hat wird in einer ersten Variante des Montageverfahrens für die Koaxial-Erdwärmesonde der Ringspalt zwischen dem thermisch isolierten zentralen Kernrohr 11 und der gefalteten Umhül- Sung 14 langsam von oben her mit Wasser gefüllt. Dabei wird die gefaltete Umhüllung 14 von unten her expandiert und eng an die Bohrungswandung 2 gepresst. Durch die Volu- menvergrösserung der schiauchartigen Umhüllung 14 wird Wasser, das sich im Zwischenraum 18 zwischen der Umhüllung 14 und der Bohrungswandung 2 befindet, langsam nach oben gedrückt. Weist die Bohrungswandung 2 beispielsweise eine Kavität 9 auf, so dringt die schlauchartige Umhüllung 14 teilweise in diese ein, um sie wenigstens zum Teil mit einer Ausbeulung 18 auszufüllen. Um bei grösseren Kavitäten 9 und Klüften eine Überdehnung oder gar einen Bruch der Umhüllung 14 zu vermeiden, ist die schlauchartige Umhüllung 14 wenigstens bereichsweise ab einer relativen Druckdifferenz von etwa 2 bar bis 3 bar begrenzt durchlässig für Wasser. Sobald dieser Überdruck an der Umhüllung 14 ansteht, tritt das Wasser durch die Umhüllung 14 in die Kavität 9 aus. Kleinere Kavitäten werden auf diese Weise mit Wasser aufgefüllt, Dadurch wird eine weitere Ausbeulung der Umhüllung 14 vermieden. Bei grösseren Kavitäten oder Klüften erfolgt lediglich eine begrenzte Ausbeulung der Umhüllung 14 in die Kavität bzw. Kluft hinein, wodurch diese an den Rändern zuverlässig abgedichtet werden. Die Umhüllung ist zweckmässigerweise derart ausgebildet, dass sie in oberflächennahen Bereichen, die im expandierten Zustand üblicherweise an lockeres Erdreich angrenzen, wasserundurchlässig ausgebildet ist.

Der expandierte Aussendurchmesser der Umhüllung 14 ist etwas grösser gewählt als der Durchmesser der Erdwärmesondenbohrung 1 ; beispielsweise beträgt der Durchmesserunterschied etwa 3 % bis 10 %. Dadurch weist die schlauchartige Umhüllung 14 nach ihrer vollständiger Füllung mit Wasser immer noch kleine, nach innen weisende Falten auf, die unregelmässig angeordnet sind. Diese Falten bewirken eine zusätzliche Versteifung der Umhüllung 14. Nachdem auch das zentrale Kernrohr 11 vollständig mit Wasser gefüllt ist, wird nach einer Wartezeit von ca. 5 min bis 48 h der Druck auf die Wassersäule im Kernrohr 11 kontinuierlich bis zu einem Überdruck von ca. 12 bar bis 15 bar erhöht und für eine Zeitspanne von etwa 30 s bis 1 1/2 h aufrecht erhalten. Die Wartezeit ist erforderlich, damit allfällige in der Bohrungswandung 2 befindliche kleinere Kavitäten 9 vollständig mit Wasser aus dem Inneren der Umhüllung 14 gefüllt werden und in den Kavitäten ent- haltene Luft ausgepresst werden kann, Bei grösseren Kavitäten oder Klüften kommt es lediglich zu einer begrenzten Expansion der Umhüllung in die Kavität oder Kluft hinein. Durch die Druckerhöhung auf die Wassersäule im Kernrohr 11 wird die Umhüllung 14 noch stärker an die Bohrungswandung 2 gepresst. Die immer noch vorhandenen Falten werden teilweise geglättet, teils zusarnmengepresst Das Umhüllungsmaterial wird an diesen Stellen gereckt, d.h. plastisch verformt, ohne zu brechen. Dadurch wird die Ei~ gensteifigkeit der das Hüllrohr der Koaxial-Erdwärmesonde 10 bildenden expandierten Umhüllung 14 erhöht. Das inkornpressible Wasser in den Kavitäten 9 zwischen der Umhüllung 14 und der Bohrungswandung 2 verhindert eine Überdehnung und Leckagen der Umhüllung 14 an diesen Stellen. Steigt infoige der Einpressung der Umhüllung 14 in die Kavitäten 9 der Druck des dort befindlichen Wassers zu stark an, kann dieses Wasser aus den Kavitäten 9 durch die Umhüllung 14 in den Ringspalt 15 fliessen. Die starke Pressung der Umhüllung 14 an den Rändern der Kavitäten 9 führt zu einer zuverlässigen Abdichtung und verhindert eine vertikale Zirkulation von Grundwasser aus unterschiedlichen wasserführenden Schichten, Die gegen die Bohrungswandung 2 gepresste Umhüllung 14 stabilisiert die Bohrungswandung 2 und verhindert ein weiteres Ausbrechen von Material. Die unmittelbar an der Bohrungswandung 2 anliegende Umhüllung und die immer noch vorhandenen Falten begünstigen den Übergang von Wärmeenergie aus dem Untergrund G in das Wärmeträgermedium, Nachdem die Koaxial-Erdwärmesonde 10 auf die vorstehend geschilderte Weise in der Bohrung montiert worden ist, kann sie mit dem Wärmetauscher der Wärmepumpe verbunden und betrieben werden, Ais Wärmeträgermedium in der Koaxial-Erdwärmesonde 10 dient das eingefüllte Wasser. Ein dazwischen geschaltetes Druckgefäss (nicht dargestellt) sorgt dafür, dass in der Koaxialerdwärmesonde stets ein Überdruck von ca. 2 - 3 bar aufrecht erhalten bleibt.

In einer Verfahrensvariante zur Montage einer erfindungsgemäss ausgebildeten Koaxial- Erdwärmesonde 0 wird die zunächst zusammengefaltete schlauchartige Umhüllung 14 mit Pressluft anstatt mit Wasser expandiert. Die eingeleitete schiauchartige Umhüllung 14 wird durch Überdruck auf den vollen Durchmesser aufgeblasen. Die Druckluft wird dazu beispielsweise durch das zentrale Kernrohr 11 zugeführt. Am vorderen Ende des Kernrohrs ist eine Wärmequelle, beispielsweise ein Infrarotstrahler, angebracht. Dieser wird zusammen mit dem Kernrohr 11 vom Bohrlochgrund langsam zur Oberfläche gezogen. Durch die langsam hochgezogene Wärmequelle wird die durch Überdruck expandierte Umhüllung 14 zonenweise erwärmt. Infolge des Überdrucks und der durch die Erwärmung verringerten Zähigkeit des Umhüllungsmaterials tritt plastische Verformung ein. Das Umhüllungsmaterial wird dadurch eng an die Bohrungswandung 2 gepresst und dringt in die kleinen Poren und Ritzen ein, Durch den thermischen Kontakt mit dem kälteren Untergrund kühlt das Umhüllungsmaterial schneil wieder unter seine kritische Fliesstemperatur ab. Die am Vorderende des Kernrohrs angebrachte Wärmequelle wird mit geregelter Geschwindigkeit nach oben gezogen. Um Im Bereich grösserer Kavitäten 9 eine übermässige Expansion des Umhüilungsmaterials zu vermeiden, sind in der Umhüllung Sensoren angeordnet, weiche das Ausmass der Dehnung der Umhüllung überwachen, Wird ein Grenzwert der Dehnung der Umhüllung 14 erreicht, so wird die Wärmequelle schneller hochgezogen. Dadurch wird die plastische Verformung an der betreffende Zone eingeschränkt. Äussderdem sind grössere Kavitäten 9 und Kiüfte vielfach mit Wasser gefüllt. Wasser ist inkompressibel und verhindert dadurch automatisch eine übermässige Ausbeulung der Umhüllung 14. Mach der vollständigen Äufweitung und Umformung der Um- hüllung wird das Kernrohr wieder bis zum am Bohriochgrund verbliebenen Sondenkopf vorgeschoben. Ist die Koaxial-Erdwärmesonde 10 auf diese Weise in der Bohrung 1 montiert worden, kann sie mit dem Wärmeträgermedium, zweckmässigerweise Wasser, gefüllt werden und an den Wärmetauscher und die Wärmepumpe angeschlossen werden. Es kann auch noch ein Druckgefäss dazwischen geschaltet werden, damit in der Koaxialerd- wärmesonde stets ein Überdruck von ca. 2 - 3 bar aufrecht erhalten bleibt.

Um das Einbringen der Koaxial-Erdwärmesonde in die Erdwärmesondenbohrung noch weiter zu erleichtern, kann die zusammengefaltete äussere Umhüllung von einer sehr dünnen Folie umgeben sein. Die dünne Folie ist derart ausgebildet, dass sie bei einem relativ geringen Überdruck reisst und dann die Entfaltung der zunächst zusammengefalteten Umhüllung ermöglicht.

Die im Vorstehenden näher beschriebenen Ausführungsvarianten der Koaxial- Erdwärmesonde und die angeführten Verfahrensvarianten zu deren Montage in einer Erdwärmesondenbohrung dienen zur Erläuterung der Erfindung. Keinesfalls sollen dadurch jedoch der allgemeine Erfindungsgedanke eingeschränkt oder äquivalente Ausführungsformen ausgeschlossen werden