Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesondenanordnung und eine Einrichtung zum Austausch von Wärmeenergie mit dem Erdboden.

Die Nutzung regenerativer Energiequellen steht gegenwärtig im Fokus vielerlei Aktivitäten, die Energieversorgung sicherzustellen. Eine große Bedeutung kommt hierbei der Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle und Wärmespeicher zu.

Mit Hilfe von Erdwärmesondenanordnungen ist es möglich, Wärmeenergie aus dem Erdreich beispielsweise für Heizzwecke zu entnehmen, aber auch Wärmeenergie dem Erd- reich zuzuführen, um damit beispielsweise Gebäude zu kühlen und die im Erdreich zwischengespeicherte Wärmeenergie dann im Winter zu Heizzwecken wieder zu entnehmen.

Hierzu ist aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Erdwärmesondenanordnungen bekannt, die in entsprechende Hohlräume im Erdboden eingebracht werden und dort den Wärmeenergieaustausch mit dem Erdboden bewerkstelligen.

Insbesondere für bestimmte Erdwärmesonden wird hierzu ein Hohlraum im Erdboden durch einen Bohrvorgang geschaffen, bei dem durchaus Tiefen von 300 m und mehr erreicht werden, um darin diese Sonden einzubauen.

Hierbei werden im Erdboden auch Grundwasserleiter (Aquifere) durchbohrt.

Nach dem Einbringen der Sonde in den Hohlraum ist der noch bestehende Freiraum zwischen Erdwärmesonde und Bohrlochwand geeignet zu verfüllen. Dabei ist besonders da- rauf zu achten, dass die Aquifere sicher voneinander getrennt sind, damit keine Durchmischung der unterschiedlichen Grundwässer stattfindet. Weiterhin ist es für die Effektivität einer Erdwärmesondenanordnung ganz besonders wichtig, dass der thermische Anschluss an das Erdreich gut ausgeführt ist.

Lunker in dem Verfüllmaterial, die beim Verfüllen nicht entweichen können, behindern den thermischen Anschluss an das Erdreich ganz besonders und reduzieren die Effektivität der Erdwärmesondenanordnung.

Dieses Problem war bisher nur ungenügend gelöst, da die Erdwärmesonde in dem Bohrloch nicht ideal platziert werden konnte, sondern da es durch Verdrillungen und durch die beim Aufwickeln im Rohr inhärent entstehenden Spannungen dazu kommen kann, dass das Rohr sich an die Bohrlochwandung anlegt.

Weiterhin stehen beispielsweise auch Steine aus der Wandung des Bohrloches hervor, wodurch ein Verfüllen in notwendigem Umfang und das Entweichen von Luftblasen erschwert wird.

Hier setzt die Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, eine

Erdwärmesondenanordnung anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere erlaubt, das Verfüllen des bestehenden Freiraums zwischen Erdwärmesonde und Bohrlochwand zu vereinfachen und sicher zu machen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Austausch von Wärmeenergie mit dem Erdboden anzugeben.

Die Aufgabe, eine Erdwärmesondenanordnung anzugeben, wird gelöst mit einer

Erdwärmesondenanordnung nach Anspruch 1.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass eine

Erdwärmesondenanordnung zur Einbringung in einen Hohlraum im Erdboden, bei der zwei Rohre, von denen eines als Vorlauf und das andere als Rücklauf für ein diese durchströmendes Fluid vorgesehen sind, dann im Sinne der Erfindung vorteilhaft ist, wenn an wenigstens einem Rohr wenigstens ein Element angeordnet ist, das das in den Hohlraum im Erdboden eingebrachte Rohr von der Wandung des Hohlraums beabstandet.

Im Erfindungszusammenhang wird unter der Erdwärmesondenanordnung folgendes verstanden: Eine Erdwärmesonde ist hierbei in einem im Erdboden angeordneten Bohrloch bzw. Freiraum, welcher im Allgemeinen senkrecht in den Erdboden eingebracht ist, aus Rohren, insbesondere Kunststoffrohren eingebaut. Dies kann eine Sonde sein, die zwei Rohre für den Vor- und Rücklauf des Fluids aufweist, wobei die beiden Rohre für Vor- und Rücklauf des Fluids an ihren Enden durch ein Verbindungsstück, einen sog. Sondenfuß, verbunden sind.

In einer anderen Ausführungsform kann eine sog. Coaxialsonde zum Einsatz kommen, bei dieser ist im Lumen eines äußeren Rohres ein inneres Rohr angeordnet, wobei das äußere Rohr je nach Konfiguration den Vorlauf oder den Rücklauf bildet und das innere Rohr entsprechend dann den Rücklauf oder den Vorlauf.

Das äußere Rohr ist an seinem unteren Ende in geeigneter Art und Weise verschlossen, beispielsweise durch einen Blindstopfen. Diese Erdwärmesonden sind geeignet, Wärme aus dem Erdreich zu entziehen und beispielsweise für Heizzwecke eines Gebäudes zur Verfügung zu stellen.

Die Erdwärmesonden sind andererseits auch dafür ausgelegt, beispielsweise für Kühlzwecke des Gebäudes dem Gebäude entzogene Wärmeenergie an das Erd- reich abzugeben.

Besonders vorteilhaft lässt sich diese dem Gebäude entzogene und dem Erdreich zugeführte Wärmeenergie im Erdreich Zwischenspeichern und steht dann beispielsweise im Winterhalbjahr für Heizzwecke zur Verfügung, in dem die Erdwärmesonde aus dem aufgeheizten Erdreich dann Wärmeenergie für Heizzwecke ent- ziehen kann.

Dass hierzu eine Verrohrung der Erdwärmesonde mit den Komponenten einer Heizbzw. Kühleinrichtung eines Gebäudes notwendig sind, ebenso wie Pumpen, um das Fluid durch die Erdwärmesonde zu transportieren und ggf. auch Wärmepumpen, um die aus dem Erdboden gewonnene Energie auf ein höheres, insbesondere nutzbares Temperaturniveau zu bringen, wird als aus dem Stand der Technik bekannt vorausgesetzt. Gemäß vorliegender Erfindung ist vorgesehen, dass eine U-Erdwärmesonde zum Einsatz kommt.

Eine solche U-Erdwärmesonde besteht aus wenigstens zwei Rohren, die für den Vor- und Rücklauf des Wärmeträgerfluids vorgesehen sind.

Auch sog.„Doppel-U-Sonden" sind bekannt, bei diesen sind vier Rohre vorgesehen, jeweils zwei Vor- und Rückläufe.

Solche U-Erdwärmesonden sind mit dem Nachteil behaftet, dass diese beim Einbau in den Hohlraum im Erdboden einen„thermischen Kurzschluss" erleiden können, indem über einen bestimmten Längenabschnitt die beiden Rohre, von denen eines der Vorlauf und das andere der Rücklauf für das zu leitende Wärmeträgerfluid bilden, aneinander anliegen.

Ein„thermischer Kurzschluss" ist unerwünscht, da dadurch die Leistungsfähigkeit der Erdwärmesondenanordnung herabgesetzt wird, indem dem Erdreich entzogene Wärme nicht vollumfänglich genutzt werden kann, indem diese beispielsweise aus den Rücklauf anteilig sofort auf den Vorlauf übergeht oder indem im Erdreich zu speichernde Wärme aus dem Vorlauf anteilig direkt in den Rücklauf übergeht. In beiden Fällen ist der Wirkungsgrad der Sonde minimiert.

Ein thermischer Kurzschluss kann bei einer Sonde, die im Erdreich eingebaut ist, nicht mehr nachträglich repariert werden. Dieser thermische Kurzschluss wird durch die erfindungsgemäße

Erdwärmesondenanordnung minimiert bzw. vermieden.

Hierdurch kann ein thermischer Kurzschluss über die Länge oder über den größten Teil der Länge der zwei in etwa parallel verlaufenden Rohre minimiert oder vermieden werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde als vorteilhaft erkannt, dass die Rohre der Erdwärmesondenanordnung von der Wandung des in den Erdboden eingebrachten Hohlraums zu beabstanden sind, damit eine sichere Verfüllung dieses Freiraums zwischen Erdwärmesonde und Wandung des Hohlraumes erfolgen kann. Eine sichere Verfüllung des Freiraumes kann dann stattfinden, wenn an wenigstens einem Rohr wenigstens ein Element angeordnet ist, das das in den Hohlraum im Erdboden eingebrachte Rohr von der Wandung des Hohlraums beabstandet. Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders günstig erwiesen, wenn das Element, mit dem die Beabstandung des Rohres von der Wandung des Hohlraumes im Erdboden gebildet wird, einstückig mit dem Rohr ausgebildet ist.

Das mit dem Rohr einstückig ausgebildete Element kann hierbei ein Polymermaterial ent- halten oder aus Polymermaterial bestehen, wobei das Polymermaterial bevorzugt aus einem Polyolefin, besonders bevorzugt aus einem Polyethylen oder einem Polypropylen oder einem vernetzten Polyethylen ausgewählt ist.

Ganz besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn das Rohr und das Ele- ment aus demselben Polymermaterial bestehen, so dass diese in einem kontinuierlichen Formgebungsvorgang, beispielsweise einem Extrusionsprozess, in beliebiger Länger herstellbar sind.

Ein Polyolefin ist leicht verarbeitbar, in hervorragender Weise recycelbar und kostengüns- tig.

Polyethylen ist hierfür ein ganz besonders bevorzugter Werkstoff, der über eine hohe Zähigkeit verfügt sowie inert ist gegen die meisten Stoffe, die im Erdboden vorkommen und die im Rahmen des die Erdwärmesondenanordnung durchströmenden Fluides enthalten sind.

Auch Polypropylen ist mit gewissen Einschränkungen ein für diese Zwecke geeignetes Polymermaterial. Ein vernetztes Polyethylen ist in ganz besonderem Maße bevorzugt für die Herstellung einer Erdwärmesondenanordnung der vorliegenden Erfindung, da dieses Material besonders zäh ist, beim Einbringen in den Hohlraum im Erdboden möglichen Beschädigungen ganz besonders gut widersteht, langlebig ist und vor allem äußerst inert ist gegen die unterschiedlichsten Stoffe. Das Element, das im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Beabstandung des Rohres zur Wandung des Hohlraumes im Erdboden bewirkt, weist eine Längserstreckung auf und ist damit entlang wenigstens eines Teils der Länge des Rohres angeordnet. In bevorzugter Weise kann das Element als Steg ausgebildet sein, der in axialer Richtung an der Außenoberfläche des Rohres angeordnet ist und einen Teil der Länge des Rohres oder die gesamte Länge des Rohres umfasst.

Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn mehrere Elemente am Rohr derart an- geordnet sind, dass diese entlang des Rohrumfangs in etwa gleich beabstandet sind.

Hierdurch können mehrere Elemente entlang des Rohrumfanges derart angeordnet werden, dass diese den Abstand des Rohres zur Wandung des Bohrloches im Erdreich in alle Richtungen in einer zur Rohrachse senkrechten Schnittebene in etwa gleich beabstanden und somit das Rohr im Bohrloch etwa zentrieren.

Als bevorzugt hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung erwiesen, wenn das Element als Steg, in T-Form, in H-Form, in O-Form, in V-Form oder in einer Mischform der vorgenannten Formen ausgebildet ist.

Besonders bevorzugt ist dabei eine T-Form für das Element, wobei der„Fuß" der T-Form mit dem Rohr verbunden ist, während sich der breite beidseitig abstehende„Kopfabschnitt" der T-Form an die Wandung des Bohrloches im Erdreich anlegt und dabei das Rohr abstützt und weitgehend im Bohrloch zentriert.

Auf diese Weise gelingt es, in einfacher Art das Element derart zu modifizieren, dass es eine sichere Beabstandung des Rohres von der Wandung des Hohlraums im Erdboden bewirkt. Die erfindungsgemäße Erdwärmesondenanordnung weist noch weitere Vorteile auf:

Neben der sicheren Beabstandung des Rohres von der Wandung des Hohlraums im Erdboden weist das Rohr insbesondere mit dem Element oder den Elementen eine vergrößerte Austauschoberfläche auf und ist damit in der Lage, mehr Wärmeenergie mit dem Erdboden auszutauschen.

Hierdurch kann die Effektivität dieser Erdwärmesondenanordnung gesteigert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei einer Coaxialsonde vorgesehen sein kann, das innere Rohr auch mit den Elementen zu versehen und damit eine Beabstandung des inneren Rohres von der inneren Wandung des äußeren Rohres zu erreichen. Dadurch kann ein thermischer Kurzschluss minimiert oder vermieden werden. Hierdurch steigt die Effektivität einer derartigen Coaxialsonde.

Vorteilhaft kann auch vorgesehen sein, dass bei einer Helixsonde, die ein sich etwa gerade erstreckendes Rohr umfasst, um das in einer Schraubenwindung das zweite Rohr herum- gewickelt ist, wobei die beiden Rohre miteinander verbunden sind, die Elemente zur Beabstandung von der Wandung des Bohrloches im Erdboden vorzusehen.

Insbesondere eine Helix-Tiefensonde, bei der eine Helixsonde in große Tiefen im Erdboden, wie beispielsweise 150 m und mehr, eingebracht ist, kann vorteilhaft durch Vorsehen dieser Elemente zur Beabstandung von der Wandung des Bohrloches im Erdboden betrie- ben werden.

Beim Verfüllen der Erdwärmesondenanordnung gemäß vorliegender Erfindung wird das Verfüllmaterial von oben / von der Erdoberfläche aus in den Hohlraum im Erdboden eingebracht.

Hierzu wird das Verfüllmaterial so gewählt, dass es möglichst niederviskos ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Vorteilhaft ist bei dieser erfindungsgemäßen Erdwärmesondenanordnung, dass das Verfüllmaterial entlang der um den Rohrumfangs in etwa gleich beabstandeten Elemente und des dadurch bedingten Abstandes der Rohre zur Wandung des Bohrloches im Erdboden, wobei die Rohre im Bohrloch etwa zentriert sind, in einfacher Weise einbringbar ist. Das Verfüllmaterial kann dabei dem durch die Elemente vorgegebenem Weg entlang der Oberfläche des Rohres und der Wandung des Hohlraumes folgen und damit leicht bis zum tiefsten Punkt des Hohlraums im Erdboden gelangen.

Eine solche Erdwärmesondenanordnung ist besonders schnell und kostengünstig in den Hohlraum im Erdboden einbaubar. Bei einer Coaxialsonde sind an dem äußeren Rohr Elemente zur Beabstandung des Rohrs von der Wandung des Hohlraums im Erdboden angeordnet.

Die Aufgabe, eine Einrichtung zum Austausch von Wärmeenergie mit dem Erdboden anzu- geben, wird nach Anspruch 10 gelöst. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung zum Austausch von Wärmeenergie mit dem Erdboden bereitgestellt, die wenigstens eine Erdwärmesondenanordnung, wie vorstehend beschrieben, aufweist.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

Hierzu zeigt

Fig.1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße

Erdwämesondenanordnung in einem Hohlraum im Erdboden;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht in Längsrichtung auf eine erfindungsgemäße Erdwärmesondenanordnung in einem Hohlraum im Erdboden in einer teilweise geschnittenen Ansicht. In Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Erdwärmesondenanordnung 1 in einem Hohlraum 5 im Erdboden 8 gezeigt.

Im Erdboden 8 ist hierzu ein Hohlraum 5 geschaffen worden, der beispielsweise in einem Bohrverfahren erzeugt wurde, in welchem die erfindungsgemäße

Erdwärmesondenanordnung 1 installiert ist.

Die Erdwärmesondenanordnung 1 umfasst hierbei zwei in etwa parallel verlaufende Rohre 2, 2'. Das Rohr 2 kann dabei im vorliegenden Fall beispielsweise als Vorlauf für das in der

Erdwärmesondenanordnung 1 zu leitende Fluid genutzt werden, das Rohr 2 dann entsprechend als Rücklauf. Mithilfe des die Erdwärmesondenanordnung 1 durchströmenden Fluids wird Wärmeenergie mit dem Erdboden 8 ausgetauscht.

Zur Beabstandung der Rohre 2, 2' von der Wandung 6 des Hohlraums 5 und voneinander sind Elemente 4 in Form von Stegen an den Rohren 2, 2' angeordnet.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind an den Rohren 2, 2' jeweils vier Elemente 4 in Form von Stegen derartig angeordnet, dass die Stege in etwa eine gleiche Höhe über der Rohrwand der Rohre 2, 2' aufweisen.

Die Stege 4 sind dabei etwa gleich beanstandet entlang des Umfangs der Rohre 2, 2' angeordnet.

Im vorliegenden Falle sind jeweils vier Stege 4 an den beiden Rohren 2, 2' vorgesehen.

Die Stege 4 dienen dazu, dass die Positionierung der Erdwärmesondenanordnung 1 im Hohlraum 5 im Erdboden 8 in etwa mittig erfolgt, so dass der Freiraum zwischen der Wandung 6 des Hohlraums 5 und den Rohren 2, 2' in einfacher Weise mit dem Verfüllmaterial 7 verfüllt werden kann.

Insbesondere sind die Rohre 2, 2' durch die als Abstandshalter zur Wandung 6 des Hohlraums 5 im Erdboden 8 dienenden Elemente 4 beabstandet.

Da keines der Rohre 2, 2' direkt an der Wandung 6 des Hohlraums 5 im Erdboden 8 anlie- gen kann, ist eine sichere Verfüllung des Freiraums zwischen der Wandung 6 des Hohlraums 5 im Erdboden 8 und den Rohren 2, 2' gegeben.

Damit kann zum einen ein sehr guter thermischer Anschluss zwischen dem Erdbodens 8 und den Rohren 2, 2' erreicht werden, weiterhin kann der Freiraum zwischen der Wan- dung 6 des Hohlraums 5 im Erdboden 8 und den Rohren 2, 2' über die gesamte oder annähernd die gesamte Länge des Hohlraums 5 im Erdboden 8 mit dem Verfüllmaterial 7 verfüllt werden, so dass einzelne Grundwasserleiter (Aquifere) sicher voneinander getrennt werden können. In Fig. 1 ist weiterhin gezeigt, dass zwei Elemente 4 an den Rohren 2, 2' derart ausgerichtete sind, dass diese etwa aufeinander zuweisen.

Hierdurch ist sichergestellt, dass die Rohre 2, 2' durch die als Abstandshalter fungierenden Elemente 4 sich nicht berühren können, wodurch eine thermischer Kurzschluss zwischen den Rohren 2, 2' sicher vermieden wird, so dass keine Wärmeenergie in ungewollter Weise zwischen den Rohren 2, 2' ausgetauscht wird.

In Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht in Längsrichtung auf eine erfindungsgemäße Erdwärmesondenanordnung 1 in einem Hohlraum 5 im Erdboden 8 in einer teilweise ge- schnittenen Ansicht gezeigt.

Die erfindungsgemäße Erdwärmesondenanordnung 1 ist in einem Hohlraum 5 im Erdboden 8 eingebaut. Der Hohlraum 5 im Erdboden 8 ist dazu beispielsweise in einem Bohrverfahren erzeugt worden.

Die Erdwärmesondenanordnung 1 umfasst dabei zwei Rohre 2, 2', von denen ein Rohr, beispielsweise Rohr 2, als Vorlauf und das andere Rohr, Rohr 2', als Rücklauf für das zu leitende Fluid dient.

Das in der Erdwärmesondenanordnung 1 zirkulierende Fluid tauscht beim Betrieb der Erdwärmesondenanordnung 1 Wärmeenergie mit dem Erdboden 8 aus. An den Rohren 2, 2' sind Elemente 4 vorgesehen, die, wie in Fig. 2 ersichtlich, als Stege ausgebildet sind.

Die Stege 4 dienen dazu, die Rohre 2, 2' von der Wandung 6 des Hohlraums 5 im Erdboden 8 und voneinander zu beabstanden.

Die Stege 4 sind an den Rohren 2, 2' abschnittsweise ausgebildet, wobei sie eine Längserstreckung aufweisen, die sich in axialer Rohrrichtung erstreckt.

An den Enden der Längserstreckung der Stege 4 sind Schrägen 4.1 angeordnet, die dazu dienen, dass die Einführung der Erdwärmesondenanordnung 1 in den Hohlraum 5 im Erd- boden 8 erleichtert wird, in dem dadurch vermieden wird, dass es zu Verkeilungen oder Verklemmungen kommt.

Wie weiterhin aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Elemente 4 entlang des Umfangs der Rohre 2, 2' mehrfach angeordnet.

Die erfindungsgemäße Erdwärmesondenanordnung 1 gestattet es, dass der Freiraum zwischen der Wandung 6 des Hohlraums 5 im Erdboden 8 und den Rohren 2, 2' in einfacher Art und Weise mit dem Verfüllmaterial 7 verfüllt werden kann, in dem sichergestellt ist, dass keines der Rohre 2, 2' an der Wandung 6 des Hohlraums 5 im Erdboden 8 und auch nicht aneinander anliegt, und dort ggf. das Verfüllen verhindert oder erschwert.

Auch der thermische KUrzschluss zwischen den Rohren 2, 2' wird dadurch ausgeschlossen, da die Rohre 2, 2' durch die Elemente 4 voneinander beabstandet sind. Das Verfüllen des Freiraums kann damit über die gesamte Länge bewerkstelligt werden, wodurch ein sehr guter thermischer Anschluss zwischen Erdboden 8 und den Rohren 2, 2' sichergestellt ist. Durch die Verfüllung des Freiraumes mit dem Verfüllmaterial 7 lassen sich Grundwasserleiter in unterschiedlichen Höhenschichten im Erdboden 8 (Aquifere) sicher voneinander trennen.

Bezugszeichenliste

1 Erdwärmesondenanordnung

2, 2 ^' Rohr

4 Element

4.1 Schräge

5 Hohlraum

6 Wandung

7 Verfüllmaterial

8 Erdboden