Vorrichtung zur Entnahme von Bodenwärme aus dem Grundwasser und/oder dem das Grundwasser umgebenden Erdreich

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entnahme von Bodenwärme aus dem Grundwasser und/oder dem das Grundv/asser umgeben¬ den Erdreich mittels einer senkrecht in den Boden eingeführten Sonde aus ein Zwischenträgermedium führenden Rohren, von denen das oder die mit ihrer äußeren Oberfläche dem Erdreich zugekehrten Rohre an ihrem unteren Ende abgeschlossen sind, und dem in geschlossenem Kreislauf umlaufenden Zwischenträgermedium, v/obei der Kreislauf einerseits zur Anordnung unterhalb der Erdoberfläche in Kontakt mit dem Grundwasser und/oder dem umgebenden Erdreich ausgebildet und andererseits mit der Primärseite einer außerhalb des Erdreichs angeordneten Wärmepumpe ver¬ bunden ist.

Für die Entnahme von Bodenwärme unter Einsatz einer Wärmepumpe sind verschiedenartige Vorrichtungen bekannt. Sogenannte Erdwäπnerückge- winnungsanlagen mit v/aagerecht ausgelegten Rohrsystemen erfordern auf¬ wendige Verlegungsarbeiten und ein großes Grundstück. Sogenannte "Luft-Wasser"-Wäπnepumpen sind aufwendig und bringen sowohl eine Lärm¬ belästigung als such eine Vegetationsbeeinflussung durch die abgege¬ bene Kaltluft mit sich. Bei den bekannten Vorrichtungen wird das Grundwasser aus einem Brunnen entnommen, der Wärmepumpe zugeführt und nach der Wärmeentnahme und der damit verbundenen Temperaturab-

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Senkung wieder in das Erdreich eingeleitet. Es hat sich jedoch ge¬ zeigt, daß die für die Genehmigung der Errichtung einer derartigen Anlagen zuständigen Behörden vielfach Eingriffe in den Grundwasser¬ haushalt befürchten, da insbesondere nicht sichergestellt ist, ob das entnommene Grundwasser tatsächlich wieder ordnungsgemäß einge¬ leitet wird.

Bekannt ist auch bereits ein sog. Wärmeaustauscher für Erdwärmenut¬ zung (Erdspieß) in Form eines einige Meter langen hohlen Bauteils, das senkrecht in das Erdreich gedrückt oder gesenkt wird und in dem Strömungskanäle so ausgebildet sind, daß eine strömende Wärmeüber¬ tragungsflüssigkeit in ihm erst nach unten und dann wieder nach oben geführt wird. Nachteilig hierbei ist die verhältnismäßig kurze Bau¬ länge solcher Bauteile, die schon aufgrund des Transportes auf 5 bis ^" 6 ^* beschränkt ist. Damit bleibt aber der Versuch eines Wäreent- zuges aus dem Erdreich auf den oberflächennahen Bereich beschränkt. Eine langdauernde Betriebsfähigkeit und die Betriebssicherheit sind durch die Gefahr eines vorzeitigen Einfrierens bei solchen in Ober¬ flächennähe arbeitenden Anlagen nicht gewährleistet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die trotz der Anbindung an das Grundwasser oder den Grund¬ wasserbereich keinen Eingriff in den Gruήdwasserhaushalt bedeutet und störungsfrei arbeitet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das oder die mit ihrer äußeren Oberfläche dem Erdreich zugekehrten Rohre als unten abgeschlossene Wellrohre ausgebildet sind, in das oder die von oben ein oder mehrere Glattrohre hineinragen, die im unteren, dem Wellrohrabschluß zugekehrten Ende frei münden. Hierdurch ist es mög¬ lich, einen Wärmeaustauscher so im Grundwasser bzw. feuchten Erd¬ reich anzubringen, daß das in dem Wärmeaustauscher enthaltende Zwi- schenträgermedium die Temperatur des Grundwassers bzw. des feuchten Erdreiches annimmt, ohne daß das Grundwasser selbst aus dem Erdreich

entnommen wird. Das Zwischenträgermedium wird in einem geschlosse¬ nen Kreislauf der Primärseite einer außerhalb des Erdreichs anzu¬ ordnenden Wärmepumpe zugeführt und dann in der Wärmepumpe aus dem Zwischenträgermedium entnommen.

Die Verwendung des oder der Außenrohre als 'Wellrohre bringt infolge der vergrößerten Oberfläche des Wellrohres gegenüber einem glatten Rohr eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Wärmeübergangs mit sich. Als weiterer Vorteil des Wellrohres ergibt sich eine große seismische Belastungsfähigkeit. Wähnend des Betriebes der Wärmesonde können daher geologische Erdbewegungen durch die Flexibilität des Wellrohres abge¬ fangen werden. Gegenüber den bekannten Erdsonden, bei denen Rohre bestimmter Länge erst an der Bohrstelle durch Verbindungsmuffen mit¬ einander verbunden v/erden, hat das Wellrohr darüber hinaus den Vorteil, daß keine Undichtigkeiten an Verbindungsstellen auftreten können und es überdies nicht erforderlich ist, die Verbindungsstellen jeweils einer Druckprüfung zu unterziehen. Das gilt insbesondere dann, wenn, wie in Durchführung des Erfindungsgedankens vorgesehen, das oder όie . _Wellrohre über die gesamte Sondenlänge einstückig ausgebildet sind. In diesem Fall kann das Wellrohr - etwa ähnlich einer Kabelverlegung - in seiner gesamten Länge an der Montagestelle von einer Holzhaspel abgespult und ohne zusätzliche Arbeiten in das Bohrloch eingeführt werden.

In Durchführung der Erfindung kann man so vorgehen, daß der zum Kon¬ takt mit dem Grundwasser und/oder feuchten Erdreich ausgebildete Bereich des Kreislaufes des V/ärmeaustauschers in einen Brunnenschacht bis unterhalb des Wasserspiegels des Grundwassers abgesenkt wird. Bei tiefer liegendem Grundwasser kann auch vorgesehen werden, daß eine Tiefbohrung mittels eines verlorenen Bohrkopfes erstellt wird, derart, daß das Erdreich jeweils herausgespült wird. Der zum Kontakt mit dem Grundwasser ausgebildete Bereich des Kreislaufes des Wäπrieaustauschers befindet sich in diesen Fall an bzw. hinter dem verlorenen Bohrkopf und wird auf diese Weise entsprechend tief in das Erdreich eingebracht.

Als vorteilhaft hat es sich in Weiterführung όer Erfindung erwie¬ sen, wenn das oder die mit ihrer äußeren Oberfläche dem Erdreich zugekehrten Wellrohre aus im Verhältnis zu dem oder den inneren Glattrohren gut wärmeleitfähigen Werkstoffen hergestellt sind. Be- 5 steht beispielsv/eise die Vorrichtung zur Entnahme von Bodenwärme, also die Erdsonde, aus zwei konzentrischen Rohren, dann kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß der zum ^" .Kontakt mit dem Grundwasser und/oder feuchten Erdreich ausgebilde¬ te Bereich der Vorrichtung ein Innenrohr aufweist, welches in ein 0 dieses umschließendes Außenrohr freihängend eingeführt ist und im unteren Bereich mündet, und das Außenwellrohr an seinem der Wärme¬ pumpe abgewandten Ende abgeschlossen ist. Dabei besteht das Außen¬ wellrohr zweckmäßigerweise aus gut leitendem Werkstoff, beispiels¬ weise Metall, während das Innenrohr im Verhältnis zum Außenrohr 5 aus schlechter wärmeleitfähigem Werkstoff besteht, beispielsweise aus Kunststoff. Als Metall kann ein geeigneter Edelstahl Anwendung finden, als Kunststoff ist u. a. Polyethylen geeignet.

Das Zwischenträgermedium wird ^' in dem Innenrohr nach unten geführt, tritt am unteren Ende in das Außenrohr ein und strömt dann längs 0 der gut wärmeleitenden Wandung des Außenrohres nach oben, wobei das vorher im Wärmeaustauscher abgekühlte ^" Zwischenträgermedium dann die Temperatur des Grundwassers bzw. des das Außenrohr umgebenden Erdreiches annimmt. Die letztgenannte Ausführungsfor weist den besonderen Vorteil auf, daß die in das Erdreich einzuführende Anord- 5 nung einen relativ kleinen Außendurchmesser haben kann und somit mittels eines üblicherweise für eine Versuchsbohrung vorgesehenen - Bohrgerätes tief (bis zu 100 m und mehr) in das Erdreich einge¬ bracht v/erden kann.

Als Zwischenträgermedium eignet sich vorzugsweise eine Mischung aus 0 Wasser und lebensmittelfreundlichem Ethylglykol. Damit ist gewähr¬ leistet, daß auch bei in dem Kreislauf des Wärmeaustauschers auftre¬ tenden Leckagen keine Bodenverseuchung erfolgen kann.

für das oder die Außenrohre finden nach der Erfindung Wellrohre eine vorteilhafte Anwendung. Diese Wellrohre können beliebig hergestellt sein, wenn sie nur die an eine Erdsonde nach der Erfindung gestellten Forderungen erfüllen. Insbesondere für die Fälle, bei denen neben der guten Wärmeleitung zum Grundwasser und/oder Erdreich eine Einstückig- keit der Erdsonde über die gesamte Länge gefordert wird, hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen,* v/enn das oder die metallischen Wellrohre* aus einem längseinlaufend zum Rohr geformten, an den Kanten dicht verschweißten und anschließend gewellten Metallband dünner Wand- stärke bestehen. Als dünn im Sinne dieser Definition sollen Wandstär¬ ken eines Wellrohres von 0,2 bis 1,2 mm, vorzugsweise 0,4 bis 0,8 mm, verwendet werden. Wird, wie in Weiterführung der Erfindung auch vor¬ gesehen, die Wellung des oder der dünnwandigen Außenrohre so gewählt, daß die Wellung wendeiförmig verläuft, dann ergibt sich als weiterer Vorteil, daß die z. B. bei zwei konzentrischen Rohren im Ringsraum zwischen dem inneren glatten Kunststoffrohr und dem äußeren gewell¬ ten Metallrohr befindliche Sole, etwa Ethylenglykol L, in Turbolenz versetzt wird, die zu einem höchst gleichmäßigen Wärmeübergang führt.

Dabei ist weiter zu berücksichtigen, daß zum Zv/ecke der Erzielung einer Turbulenz der Sole im Ringspalt dieser bei konzentrischen Roh- ren 6-10 -4 bis 15*10-4m2, vorzugsweise 7-10 -4 bis 10-10 - ■ 2, betragen sollte. Die angegebenen Maße berücksichtigen einen mittleren Ring¬ spalt zwischen glattem Inneπrohr und gewellten Außenrohr.

Unter Berücksichtigung der im Rahmen der Erfindung getroffenen Maßnah- men ergeben sich gegenüber den bekannten Vorrichtungen zur Entnahme von Erdwärme durch die Erfindung die folgenden wesentlichen Vorteile: die Wärneaufnähmetlache ist erheblich vergrößert (*~1,5 : 1,0), durch die geringe Wandstärke des Außenwellrohres ist der Wärme'--.ϊderstand stark reduziert, durch die Wellfo gleichzeitig aber die für die Sonde notwendige mechanische Stabilität gegeben. Darüber hinaus sind als Wellrohre ausgebildete Erdsonden in praktisch beliebiger Länge auf Trorr^eln oder Spulen aufgewickelt leicht zu transportieren und auf

die geforderten Endlängen, beispielsweise auch erst am Hontageort, zuschneidbar. Die Wellrohr-Erdsonden können Erdversetzungen problem¬ los folgen, ohne unter mechanische Spannung zu geraten, die die Sonde zerstören könnte. Hier ist noch von besonderem Vorteil, daß z. B.- bei konzentrischer Ausführung das innere Glattrohr frei hän¬ gend, d. h. ohne Abstand haltende Elemente, im Außenwellrohr aufge¬ hängt ist. Das führt weiter dazu, daß Wärmedehnungen aus unterschied lichen Betriebszuständen infolge der Ko pensationsfähigkeit der Well rohr-Sonde mühelos verkraftet werden können. Zweckmäßiderweise kann das Wellrohr aus legiertem Edelstahl bestehen. Auch dies trägt zu einem günstigen Wärmeübergang bei. Sollte das Wellrohr im tiefen Bereich mit Außensolen oder mit durch Kupfer, Kohlensäure oder dergl. angereichertem Grundwasser in Verbindung kommen, können galvanische Ströme infolge Elementbildung gemessen v/erden. Die galvanische Span- nung wird durch eine dem Wellrohr nach einem weiteren Erfindungsge¬ danken zugeordnete Potentialausgleichseinrichtung mit Opferanode ausgeglichen. Dadurch kann eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten erreicht werden.

Die Erfindung v/ird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestell ten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt eine schem tische Darstellung des zum Kontakt mit den Grundwasser und/oder feuc ten Erdreiches ausgebildeten Bereichs des Wärmetauschers in seiner vorgesehenen Lage in einer Bohrung im Erdreich sowie ein Blockschalt bild einer Wärmepumpe und eines Heizkreislaufs eines Gebäudes.

Im Erdreich 1 sei unterhalb des Mutterbodens 2 und einer Sandschicht eine grundwasserführendeSchicht 4 vorhanden. In dieses Erdreich wird eine Bohrung 5 eingebracht. Ein insgesamt mit 6 bezeichneter Wärmeau tauscher v/eist einen Bereich 7 auf, der zum Einführen in die Bohrung vorgesehen ist. Der Bereich 7 weist ein frei eingehängtes Innenrohr auf, welchem ein Zwischenträgermedium von einer Zirkulationspumpe 9a entsprechend der Pfeilrichtung A zuführbar ist. Das Zwischenträger¬ medium tritt am unteren Ende 9b des vorzugsweise aus Kunststoff be-

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stehenden glatten Innenrohres aus und strömt in einem den. eigentli¬ chen Wärmetauscher bildenden und als Wellrohr ausgebildeten Außen¬ rohr 10 in Pfeilrichtung B nach oben. Das Wellrohr 10 ist über seine gesamte Länge einstückig ausgebildet und besteht aus legiertem Edel- stahl. Die Wellenform des Wellrohres weist eine einem Kordelgewinde oder einer wendeiförmig verlaufenden Wellung entsprechende Gestal¬ tung auf. Der Wärmeaustauscher ist im übrigen mit der Primärseite 15 einer insgesamt mit 9 bezeichneten Wärmepumpe verbunden, deren sekun¬ däre Seite 15 über Leitungen 11 und 12 mit einem Heizkreislauf 13 eines Gebäudes verbindbar ist. Ein Druckausgleichsgefäß ist mit 14 bezeichnet. Dem Wellrohr ist eine (nicht dargestellte) Potentialaus- gleichseiπrichtung mit einer Opferanode zugeordnet. Die Funktion ist derart, daß die im feuchten Erdreich bzw. Grundwasser enthaltene Wärme in dem gewellten Bereich des den eigentlichen Wärmeaustauscher bildenden Außenrohres 10 auf das Zwi chenträgermedium übergeht und in der Wärmepumpe 9 dem Zwischenträgermedium wieder entnommen wird. Da zwischen dem direkt mit dam Außenrohr in Kontakt stehenden Grundwasser bzw. feuchten Erdreich und dem umgebenden Grundwasser bzw. feuchten Erdreich ständig ein Temperaturausgleich stattfindet, wird die durch das Zwischenträgermedium erfolgende Temperaturabsenkung kontinuier¬ lich kompensiert. Es kommt hinzu, daß die Wärmepumpe diskontinuierlich arbeitet und während des BetriebsstillStandes ein weiterer Temperatur¬ ausgleich erfolgen kann.

Eine mögliche Ausführungsform der Erdsonde besteht beispielsweise aus einem gewellten Außenrohr 10 mit einem maximalen Außeridurchmesser von 45 mm und einem minimalen Innendurchmesser von 39 mm. Die Wandstärke des aus Edelstahl hergestellten Wellrohres betrage 0,75 mm, die Länge des Wellrohres, die in das Erdreich eingebracht wird, sei 50 m. Das Innenrohr 8, z. B. aus Polyethylen, ist ein Glattrohr, es kann in der vorgesehenen Ausführung z. B. einen Außendurchmesser von 25 mm und einen Innendurchmesser von 19,6 mm aufweisen. Der minimale Ringspalt zwischen Glattrohr 8 und Wellrohr 10 beträgt dann etwa 7«10 ^"4 m ² , der

-4 ? mittlere Ringspalt 9-10 ^" .

Die Herstellung einer nach der Erfindung ausgebildeten Erdsonde aus z. B. zwei konzentrischen Rohren kann so vorgenommen werden, daß um ein inneres glattes Kunststoffrohr ein Stahlband zum Rohr geformt, an den Kanten verschweißt und anschließend gewellt wird. Man kann aber auch so vorgehen, daß in ein fertiges Wellrohr das Kunststoff¬ rohr eingeführt wird. Wesentlich ist in jedem Fall, daß auf diese Weise einstückige Erdsonden von 50, 100, 200 m oder mehr hergestellt werden können, wobei sich das im Innern frei hängend angeordnete Kun stoffrohr im Betrieb in seiner Lage selbst stabilisiert.

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