CH721579B1 - Verfahren zur Herstellung einer Erdwärmesonde - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Erdwärmesonde (1) für eine Erdwärmepumpe. Das Verfahren umfasst mindestens die folgenden Verfahrensschritte: Einbringen eines Bohrlochs (2) von der Erdoberfläche (EO) her bis zum Erreichen eines Bohrlochgrunds (21) in einer vordefinierten Tiefe (T); Einbringen mindestens einer Sonde und eines Hinterfüllschlauchs (4) in das Bohrloch (2), bis ein distales Ende (31) der mindestens einen Sonde und ein distales Ende (41) des Hinterfüllschlauchs (4) angrenzend an den Bohrlochgrund (21) des Bohrlochs (2) zu liegen kommt; Hinterfüllen der mindestens einen Sonde in dem Bohrloch (2) vom Bohrlochgrund (21) her bis hin zur Erdoberfläche (EO) durch Verpressen eines Füllmaterials (5) in das Bohrloch (2) mittels des Hinterfüllschlauchs (4). Das Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzdruck (ΔD) zwischen Fülldruck (D1) und Innendruck (D2) vorgegeben wird, der so gewählt ist, dass eine lokale Deformation der Sonde soweit begrenzt wird, dass eine Verringerung der Durchflussrate unter 15 % bleibt, und dass beim Verpressen des Füllmaterials (5) in das Bohrloch (2) der Differenzdruck (ΔD) der mindestens einen Sonde überwacht wird und das Verpressen unterbrochen wird, sobald der maximal zulässiger Differenzdruck (ΔD) überschritten wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Erdwärmesonde für eine Erdwärmepumpe und eine Erdwärmesonde gemäss den Oberbegriffen der Patentansprüche.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0002] Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Erdwärmesonden (EWS) in Bohrlöcher im Erdreich bis auf Tiefen von bis zu mehreren Hundert Metern einzubringen. Üblicherweise dienen diese Sonden dazu, Wasser oder ein anderes Medium durch ein in ein Bohrloch eingesetztes Rohr zu pumpen und auf diese Weise dem Erdinneren Wärme zu entziehen. Solche, üblicherweise am Grund des Bohrloches mit einem 180°-Bogen versehene, üblicherweise aus Kunststoff, z. B. Polyethylen, hergestellte Erdwärmesonden sind bekannt. Diese werden üblicherweise auf der Baustelle aus ringförmig aufgewickelten Rohren durch Einschweissen der Bögen zu fünfzig und mehr Metern langen Stücken zusammengefügt.

[0003] CH653120A5, veröffentlicht am 13.12.1985 im Namen von Ernst Rohner, offenbart eine Erdwärmesonde zum Einführen in ein vertikales Bohrloch. Die Erdwärmesonde umfasst ein Bündel von haarnadelförmigen Kunststoffrohren. Weiterhin ist ein weiteres, bis an den Bohrlochgrund reichendes Injektionsrohr vorgesehen, mit dem das Bohrloch nach dem Einbringen der haarnadelförmigen Kunststoffrohre mit einer gut wärmeleitenden Flüssigkeit, z. B. eine Mischung aus Wasser und Bentonit gefüllt werden kann.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0004] Erdwärmesonden (EWS) als solche sind grundsätzlich bekannt. Bei einer Erdwärmesonde wird zuerst mittels eines Bohrgerätes, an dessen Ende üblicherweise ein Diamantbohrkopf befestigt ist, ein bis zu 400 m tiefes Bohrloch in den Boden eingebracht. Dabei werden Erde, Gestein und Fels durch den inneren Mantel des Bohrgestänges an die Erdoberfläche befördert und abgepumpt. Sobald die Solltiefe erreicht ist, wird das Bohrgestänge wieder herausgezogen und stattdessen eine Erdwärmesonde in Form eines Rohrbündels in das gebohrte Loch eingeführt. Dieses Rohrbündel befördert nach der Installation der Erdwärmepumpe die Wärme aus dem Erdreich zur Wärmepumpe. Das Bohrloch wird nach dem Eibringen der Sonde hinterfüllt und die Wärmepumpe kann mit der Sonde verbunden und in Betrieb genommen werden.

[0005] Für die Sonde werden üblicherweise Doppel-U-Rohre aus einem Polymermaterial verwendet. Um tiefere Erdwärmesonden herstellen zu können, sind Rohrmaterialien mit höherer Festigkeit und möglichst guter Wärmeleitfähigkeit gefragt. Dazu müssen Rohre mit höheren Druckstufen hergestellt werden. Die Rohre müssen dabei für den Transport flexibel biegbar (z. B. aufrollbar) bleiben und sollten schweissbar sein. Für Erdwärmesonden mit Tiefen grösser 300 m werden zudem oftmals Rohre mit einer Armierung verwendet. Diese können Druckstufen bis 5000 kPa und mehr erreichen, sodass Erdwärmesonden bis in Tiefen von 500 m und mehr hergestellt werden können.

[0006] Sowohl für Rohre aus hochfestem Polyethylen als auch im Besonderen für Rohre mit Armierung besteht beim Hinterfüllen der Rohre im Bohrloch die Gefahr, dass diese beim Verpressen des Füllmaterials eingedrückt werden. Das Problem dabei ist, dass die daraus resultierende Verengung des Rohrquerschnitts den Durchfluss verringert. Bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit wird aufgrund der verringerten Querschnittsfläche der Volumenstrom verringert. Dies führt dazu, dass der Wirkungsgrad der Erdwärmesonde abnimmt, da bei geringeren Querschnitten eine höhere Strömungsgeschwindigkeit nötig ist um denselben Volumenstrom erreichen zu können. Da die Pumpe für eine höhere Strömungsgeschwindigkeit mehr Leistung zum Pumpen des Fluids benötigt, führt dies zu einem höheren Stromverbrauch der Pumpe und zu einem schlechteren Gesamtwirkungsrad der Anlage.

[0007] Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Erdwärmesonde bereitzustellen, bei dem beim Hinterfüllen ein ungewolltes Eindrücken der Rohre verringert oder gar verhindert werden kann.

[0008] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Erdwärmesonde für eine Erdwärmepumpe. Ein Bohrloch wird von der Erdoberfläche her bis zum Erreichen eines Bohrlochgrunds erstellt, bis eine vordefinierte Tiefe erreicht ist. Das Bohrloch für die Erdwärmesonde wird mittels eines Bohrgerätes mit einem Bohrgestänge eingebracht. Dabei werden Erde, Gestein und Fels durch den inneren Mantel des Bohrgestänges an die Erdoberfläche befördert und abgepumpt. Sobald die vordefinierte Tiefe erreicht ist, wird das Bohrgestänge wieder herausgezogen und stattdessen eine Erdwärmesonde (EWS), typischerweise in Form eines Rohrbündels in das gebohrte Loch eingeführt.

[0009] Mindestens eine Sonde, welche vorzugsweise mindestens ein Rohr mit einer vorzugsweise runden Ausgangsquerschnittsfläche umfasst und mindestens ein Hinterfüllschlauch werden in das Bohrloch eingebracht, bis ein distales Ende der mindestens einen Sonde und ein distales Ende des Hinterfüllschlauchs angrenzend an den Bohrlochgrund des Bohrlochs zu liegen kommt. Typischerweise ist unter angrenzend ein Abstand des distalen Endes der Sonde vom Bohrlochgrund von etwa 1 bis 2 m zu verstehen. Das distale Ende ist hierbei das von der Wärmepumpe entfernte Ende, das proximale Ende ist das Ende, welches an die Wärmepumpe anschliessbar ist. Üblicherweise wird am distalen Ende der Sonde ein Gestell mit einem Gewicht angebracht, um zu gewährleisten, dass die Sonde schwerkraftgetrieben bis zum Erreichen der Zieltiefe nach unten in das Bohrloch gelangt. Die mindestens eine Sonde umfasst üblicherweise zwei Rohre, eine Hin- und eine Rückleitung, welche am distalen Ende angrenzend an den Bohrlochgrund mit einem Verbindungsstück, typischerweise einem U-Stück, miteinander verbunden sind. Der Aufbau der Sonde und die Dimensionierung werden im Folgenden Im Detail näher beschrieben.

[0010] Die mindestens eine Sonde umfasst typischerweise zwei Rohre, die an ihrem jeweiligen distalen Ende mittels eines U-Stücks miteinander verbunden sind. Vorzugsweise werden zwei Sonden in das Bohrloch eingebracht. Für die mindestens eine Sonde werden üblicherweise Doppel-U-Rohre aus hochfestem Polyethylen verwendet. Polyethylen ist ein gut biegbares und gut schweissbares Material. Der Aussendurchmesser der Rohre beträgt üblicherweise 25 mm, 32 mm oder 40 mm, bei einer Wandstärke von 2.3 mm, 2.9 mm oder 3.7 mm. Es existieren auch Rohre mit grösseren Aussendurchmessern, diese haben üblicherweise aber auch eine grössere Wandstärke, was die Wärmeübertragung an das Sondenfluid verschlechtert. Rohre aus Polyethylen für Erdwärmesonden werden üblicherweise in den Druckstufen PN 16, daher bis 16 Bar, entspricht 1600 kPa, bei 20°C, und mit dem Durchmesser zu Wandstärkeverhältnis SDR 11 hergestellt. Beim PN-Wert (pressure nominal) handelt es sich um den so genannten Nenndruck. Dieser Nenndruck stellt den höchstzulässigen Druck bei einer Fluidtemperatur von 20 °C dar. Rohre mit einem PN 16 sind beispielsweise für Erdwärmesonden bis 250m Tiefe problemlos geeignet. Höhere Druckstufen würden zu grösseren Wandstärken führen, was aufgrund der schlechteren Wärmeübertragung nicht sinnvoll ist. Die Nenndruckstufen bestimmen sich nach DIN EN 1333:2006-06: Flansche und ihre Verbindungen - Rohrleitungsteile - Definition und Auswahl von PN; Deutsche Fassung EN 1333: Stand 2006.

[0011] Die mindestens eine Sonde wird in das Bohrloch mittels eines Füllmaterials vom Bohrlochgrund her bis hin zur Erdoberfläche durch Verpressen des Füllmaterials in das Bohrloch mittels des Hinterfüllschlauchs befüllt. Nach dem Absenken der Sonde und des Hinterfüllschlauchs wird der Hohlraum zwischen der Bohrlochwand und der Sonde vorzugsweise mit einem dauerhaft leicht flexiblen Material, z.B. einem Mörtelgemisch, vollständig ausgefüllt. Dieses Füllmaterial wird als Hinterfüllung oder auch Verpressung bezeichent. Verwendet wird hierzu bevorzugt eine Suspension, z.B. spezielle Mörtelgemische wie sie im Folgenden näher beschrieben sind. Die Hinterfüllung erfüllt dabei typischerweise zumindest zwei Aufgaben. Zum einen kann durch die Hinterfüllung ein vertikaler Grundwasserfluss verhindert werden. Zum anderen wird eine gute Wärmeleitung zwischen der Sonde und der Bohrlochwandung, daher dem Erdreich/ Gestein erreicht. Je besser der Wärmeübergang zwischen Erdreich/ Gestein und Sonde ist, desto höher ist der Wirkungsgrad der Erdwärmesonde. Weiterhin kann die Hinterfüllung auch das Bohrloch gegen Einsturz stützen, insbesondere wenn in lockerem Gestein gebohrt wurde. Die Sonde kann somit vor Bohrloch-Einstürzen geschützt werden.

[0012] Beim Verpressen des Füllmaterials in das Bohrloch wird ein Differenzdruck zwischen Fülldruck und Innendruck der mindestens einen Sonde überwacht. Ein Differenzdruck zwischen Fülldruck und Innendruck wird vorgegeben, der so gewählt ist, dass eine lokale Deformation der Sonde soweit begrenzt wird, dass eine Verringerung der Durchflussrate unter 15 % bleibt. Die Veränderung der Durchflussrate ist dabei auf ein Rohr mit dem Ausgangsquerschnitt bezogen, typischerweise mit einem im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt. Wird die Sonde aufgrund von zu grossem Innen- oder Aussendruck bereichsweise verformt, bei zu grossem Innendruck typischerweise ausgebeult oder bei zu grossem Aussendruck typicherweise eingeschnürt, verändert dies die Ausgangsquerschnittsfläche und somit die Durchflussrate. Der maximal zulässige Differenzdruck entspricht hierbei für gewöhnlich dem Nenndruck (PN). Der Nenndruck, d.h. der Differenzdruck zwischen Innen- und Aussendruck, wird bei den Sonden-Rohren über die PN-Zahl (Pressure Nominal) angegeben. Der für die Rohrbelastung massgebende Differenzdruck wird über die Differenz aus Innendruck und Aussendruck berechnet. Beim Verpressen des Füllmaterials in das Bohrloch wird weiterhin der Differenzdruck der mindestens einen Sonde überwacht und das Verpressen wird unterbrochen, sobald der maximal zulässiger Differenzdruck überschritten wird. Hierdurch wird ein ungewolltes Verformen der Sonde verhindert.

[0013] Üblicherweise ist der Sondenfuss am stärksten belastet. Beim Hinterfüllungsvorgang können aber auch andere Bereiche der Sonde einen höheren Differenzdruck aufweisen. Für das distale Ende, den Sondenfuss, ergibt sich der Innendruck beim Befüllvorgang aus Fülldruck (Anlagedruck und Teil des Pumpendrucks) am Sondenkopf und dem statischen Druck der Flüssigkeitssäule in der Sonde am Sondenfuss. Der Aussendruck während des Hinterfüllungsvorgangs setzt sich aus statischem Druck der flüssigen Hinterfüllung und dem Austrittsdruck am Austritt des Hinterfüllungsschlauchs, dem Fülldruck, zusammen. Während des Hinterfüllens wird die Sonde vor allem von aussen belastet und kann bei zu hohen Aussendrücken gequetscht werden. Nach dem Abbinden der Hinterfüllung reduziert sich der Aussendruck und der Innendruck wird für die Festigkeitsberechnung und die Lebensdauer im laufenden Betrieb bestimmend.

[0014] Nach dem Einbringen der mindestens einen Sonde in das Bohrloch und vor dem Hinterfüllen kann die mindestens eine Sonde mit einem nichtkompressiblen Fluid gefüllt werden und vorzugsweise mit einem Vordruck beaufschlagt werden. Wenn die vollständig, beispielsweise mit Wasser, gefüllte mindestens eine Sonde am Kopf druckdicht abgeschlossen und mit einem Vordruck vorbelastet wird, kann das Risiko des Beulens oder Quetschens der Sonde während des Einbringens der Hinterfüllung verringert werden. Ausserdem kann durch einen moderaten innendruck der Fülldruck erhöht werden, ohne den maximal zulässigen Differenzdruck zu überschreiten. Dabei ist darauf zu achten, dass bei fehlendem Gegendruck (nicht vollständig gefülltes Bohrloch) der Innendruck inklusive allfällig zusätzlich aufgebrachtem Vordruck über die ganze Sonde den maximal zulässigen Pressure Nominal nicht überschreitet, um ein überdehnen der Sonde zu verhindern. Die mindestens eine Sonde kann mit Kappen verschlossen werden und mit einem Manometer überwacht werden. Die Kappen mit Manometer bleiben bevorzugt bis zur teilweisen Aushärtung der Hinterfüllung montiert.

[0015] Der Fülldruck kann mittels einer Überwachungseinrichtung überwacht werden, welche dazu eingerichtet ist das Verpressen des Füllmaterials in das Bohrloch automatisiert zu unterbrechen, falls der maximal zulässige Differenzdruck erreicht wird. Damit die Hinterfüllung ihre Aufgaben erfüllen kann, muss sie sorgfältig ausgeführt werden. Insbesondere bei tiefen Bohrlöchern, ab 200 m und tiefer sowie bei Bohrlöchern, die weite Strecken durch Lockermaterial führen, ist dies kein einfaches Unterfangen und braucht genügend Zeit sowie erfahrene Bohrmeister, um die Hinterfüllung korrekt erstellen zu können. Dennoch ist es selbst für einen erfahrenen Bohrmeister nicht ohne weiteres möglich schnell genug auf einen punktuellen, kritischen Druckanstieg zu reagieren. Kritisch bedeutet hierbei ein Erreichen oder gar Überschreiten des maximalen PN-Wertes der Sonde. Die Überwachungseinrichtung kann hierzu den Fülldruck messen, der an der Erdoberfläche an der Pumpe anliegt. Da es sich bei dem Füllmaterial um ein im Wesentlichen nicht kompressibles Material handelt, erfolgt das Feedback zwischen Austrittsöffnung des Hinterfüllschlauchs am Bohrlochgrund und der Eintrittsöffnung an der Pumpe umgehend.

[0016] Um bei Erdwärmesonden ab einer Tiefe von 300 m und mehr den Differenzdruck (Differenz Innendruck - Aussendruck) niedrig zu halten, kann die Hinterfüllung stufenweise mit mehreren Hinterfüllungsschläuchen eingebracht werden. Dabei wird die nächste Hinterfüllungsladung erst dann eingebracht, wenn der Kopfdruck genügend abgesunken ist. Dieses Verfahren wird auch als Stufenzementation bezeichnet. Es ist auch hier auf eine vollständige Hinterfüllung der Sonde zu achten. Während des ganzen Hinterfüllungsvorgangs dürfen die zulässigen PN-Werte der Sonde nicht überschritten werden.

[0017] Mittels der Überwachungseinrichtung kann weiterhin der Volumenstrom des zugeführten Füllmaterials überwacht werden, welcher vorzugsweise beim Verpressen auf einen Wert von 2 m<3>/h bis 3 m<3>/h, vorzugsweise von 2,2 m<3>/h bis 2,4 m<3>/h voreingestellt wird. Die Überwachung des Volumenstroms ist vorteilhaft, da nachträglich nach dem Hinterfüllen kaum mehr festgestellt werden kann, ob die Hinterfüllung korrekt und durchgängig eingebracht wurde oder nicht. Eine lückenhafte Hinterfüllung kann die Funktion der Erdwärmesonde beeinträchtigen, ihre Lebensdauer verringern, das Grundwasser gefährden oder zu Schadensfällen führen. Mittels der Überwachung des Volumenstroms kann daher kontinuierlich während des Hinterfüllens überwacht werden, ob die Hinterfüllung durchgängig ausgeführt wird.

[0018] Als Füllmaterial kann eine Bentonit-Zement-Suspension eingebracht werden, welche vorzugsweise beim Verpressen ein Verhältnis von Wasser zu Betonit von 4 zu 5 Gewichtsanteilen aufweist. Das Verhältnis beträgt somit vorzugsweise 4 Gewichtsanteile Wasser und 5 Gewichtsanteile Betonit, beispielsweise 800 kg Wasser auf 1000 kg Betonit. In Kluftzonen und in permeablen Bereichen des Bohrlochs ist eine Hinterfüllung mit thixotropen Eigenschaften erforderlich. Dies verhindert ein Wegfliessen der Hinterfüllung im Ruhezustand. Eine mögliche Hinterfüllung, die diese Bedingungen erfüllt umfasst die folgenden Bestandteile: 100 kg Bentonit (Calcium-Montmorillonit), 200 kg Zement (z. B. CEM III/B 325 N HSKH) und 900 Liter Wasser, was 1000 Liter Suspension ergibt. Die Suspension soll genügend thixotrop sein und Sedimentation und Entmischung unterbinden. Als akzeptable gilt ein Absetzmass von max. 2% der Bohrtiefe bzw. max. 5 m, als akzeptables Schwindmass, die längenbezogene Volumenverringerung beim Trocknen entlang des Bohrlochs von Bohrlochgrund zur Oberfläche gelten max. 10 %. Die Probe soll dabei einen Gewichtsanteil Wasser von noch max. 20% des Anmachwassers aufweisen. Eine Mindestdichte der Suspension soll 1,20 kg/Liter nicht unterschreiten.

[0019] Daher kann mittels der Überwachungseinrichtung weiterhin die Dichte des zugeführten Füllmaterials überwacht werden, welche vorzugsweise beim Verpressen auf einen Wert von 1,2 kg/I bis 2,0 kg/I voreingestellt wird, vorzugsweise von 1,4 kg/I bis 1,6 kg/I. Während die Überwachung des Drucks zur Vermeidung von Einbeulungen der Sonde und die Überwachung des Volumenstroms zur Vermeidung von Fehlstellen dient, dient die Überwachung der Dichte der Gewährleistung, dass die eingebrachte Hinterfüllung auch die gewünschten Eigenschaften zur Wärmeübertragung erreichen kann. So soll beim Hinterfüllen sichergestellt werden, dass die Hinterfüllung genügend Eigenstabilität aufweist, um bei ungenügender Aushärtung nicht durch „Nachfliessen“ die Erdwärmesonde doch noch zu quetschen. Die Suspension wird üblicherweise derart gewählt, dass sie auf der Baustelle einfach zu mischen ist und eine gute Pump- und Fliessfähigkeit aufweist, um auch über weite Distanzen in die Tiefe des Bohrlochs gepumpt werden zu können. Da die Suspension jedoch häufig batchweise angemischt wird, muss gewährleistet werden, dass die geforderte Dichte nicht unter- oder überschritten wird um ein Verstopfen des Hinterfüllschlauchs zu vermeiden und gleichzeitig konstant eine Mischung mit den geforderten Wärmeeigenschaften einzubringen. Darüber hinaus soll die Suspension auch raumbeständig sein und möglichst geringen Verschleiss an den Maschinen zur Verarbeitung verursachen. Mittels der Überwachung der Dichte kann überwacht werden, dass die zugeführte Suspension homogen und knollenfrei gemischt wurde.

[0020] Vorzugsweise weist das Bohrloch einen Durchmesser im Bereich von 130 mm bis 190 mm auf, vorzugsweise von 135 mm bis 165 mm. Derartige Bohrlochdurchmesser bieten einen guten Kompromiss. So erlauben diese das leichte Einführen der Sonde auch über grosse Tiefen bis zu 300m und mehr und gleichzeitig ein vertretbares Mass an nötiger Hinterfüllung. Je grösser der Durchmesser, desto grösser sind auch die nötigen Bohrgeräte. Das Ziel ist folglich den Durchmesser des Rohrs so klein als möglich zu wählen. Das mindestens eine Rohr der Sonde weist vorzugsweise einen Durchmesser von 30 mm bis 50 mm, vorzugsweise 40 mm auf. Dieser Durchmesserbereich bietet ein ideales Verhältnis von Rohrquerschnitt und somit Durchflussmenge und gleichzeitig Wandstärken die einen ausreichend grosses PN-Wert aufweisen, ohne den Wärmeübergang zu stark negativ zu beeinflussen, was den Wirkungsgrad der Wärmesonde verringern würde. Der Füllschlauch weist vorzugsweise einen Durchmesser von 10 mm bis 40 mm, vorzugsweise von 25 mm auf. Dies erlaubt einen ausreichenden Durchsatz an Hinterfüllung um eine wirtschaftliche Hinterfüllung zu ermöglichen und gleichzeitig eine wirtschaftliche Pumpendimensionierung. Je grösser der Durchmesser des Füllschlauchs gewählt wird, desto höher ist der von der Pumpe aufzubringende Volumenstrom.

[0021] Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Erdwärmesonde für eine Erdwärmepumpe, hergestellt nach dem obenstehend beschriebenen Verfahren. Die Erdwärmesonde umfasst typischerweise mindestens ein Bohrloch und mindestens eine Sonde und einen Hinterfüllschlauch. Die mindestens eine Sonde und der Hinterfüllschlauch sind üblicherweise jeweils derart in dem mindestens einen Bohrloch angeordnet, dass das distale Ende der mindestens einen Sonde und das distale Ende des Hinterfüllschlauchs angrenzend an einen Bohrlochgrund im inneren des Bohrlochs angeordnet sind. Weiterhin umfasst die Erdwärmesonde typischerweise ferner eine Hinterfüllung, umfassend Füllmaterial welches im Bohrloch vom Bohrlochgrund her bis hin zur Erdoberfläche angeordnet ist und die mindestens eine Sonde und den Hinterfüllschlauch umgibt. Durch das Überwachen des Differenzdrucks bei der Herstellung der Erdwärmesonde werden lokale Deformationen der Ausgangsquerschnittsfläche der mindestens einen Sonde soweit begrenzt, dass eine Verringerung der Durchflussrate unter 15 % liegt.

[0022] Die obenstehend für das Herstellungsverfahren aufgeführten Merkmale gelten ebenfalls für die Erdwärmesonde und umgekehrt.

KURZDARSTELLUNG DER FIGUREN

[0023] Anhand der in den nachfolgenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Beschreibung werden Aspekte der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Erdwärmesonde des Stands der Technik; Fig. 2 zeigt eine Detailansicht eines Rohrabschnitts einer Erdwärmesonde des Stands der Technik; Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Herstellung einer Erdwärmesonde; Fig. 4 ein Mesprotokoll in welchem der Hinterfüllvorgang überwacht wurde; Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Erdwärmesonde, welche im Erreich eingebracht und an einen Wärmetauscher angeschlossen ist.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

[0024] Figur 1zeigt eine schematische Darstellung einer Erdwärmesonde 1 für eine Erdwärmepumpe aus dem Stand der Technik. Das gezeigte Bohrloch 2 wurde von der Erdoberfläche EO her bis zum Erreichen eines Bohrlochgrunds 21 eingebracht, bis eine vordefinierte Tiefe T erreicht wurde. Für die Erdwärmesonde 1 wurden die jeweiligen distalen Enden 31, 41 der Sonde 3 und des Hinterfüllschlauchs 4 bis zum Erreichen der Zieltiefe T in das Bohrloch 2 eingebracht. Das distale Ende ist hierbei das am Bohrlochgrund befindliche, das proximale Ende ist das Ende welches im Betrieb an die Wärmepumpe angeschlossen ist.

[0025] Die gezeigte Sonde 3 umfasst zwei Rohre 32, 32', die an ihrem jeweiligen distalen Ende 31 mittels eines U-Stücks 33 miteinander verbunden sind. Das Bohrloch 2 wurde mittels eines Füllmaterials 5 vom Bohrlochgrund 21 her bis hin zur Erdoberfläche EO durch Verpressen des Füllmaterials 5 in das Bohrloch 2 mittels des Hinterfüllschlauchs 4 verpresst, dies jedoch ohne Überwachen des Hinterfüllvorgangs. Im gezeigten Beispiel wurde der Hohlraum zwischen der Bohrlochwand 22 und der Sonde 3 mit Füllmaterial 5 bis zur Erdoberfläche EO hin ausgefüllt. Die gezeigte Hinterfüllung weist jedoch Mängel auf. So weist die Hinterfüllung keine konstante Dichte auf und aufgrund der fehlenden Überwachung der Hinterfüllung sind Fehlstellen FS in Form von Lunkern unerkannt geblieben. Diese Fehlstellen FS mit Lufteinschlüssen weisen einen schlechteren Wärmeübergang auf, da die eingeschlossene Luft als Isolierung wirkt. Folglich ist der Wirkungsgrad der gezeigten Erdwärmesonde 1 verringert.

[0026] Figur 2zeigt eine Detailansicht eines der Rohre 32 einer Erdwärmesonde des Stands der Technik. Beim Verpressen des Füllmaterials 5 in das Bohrloch wurden der Fülldruck und der Innendruck innerhalb der Sonde nicht überwacht und das Verpressen beim Erreichen eines maximal zulässigen Differenzdrucks zwischen dem Fülldruck und dem Innendruck nicht rechtzeitig unterbrochen. Wie dem Ausschnitt zu entnehmen ist, wurde das Rohr 32 der Sonde 3 aufgrund einer Überschreitung des maximal zulässigen Differenzdrucks lokal eingedrückt. Insbesondere bei Rohren mit einer Metalleinlage ist dieses Einschnüren oftmals irreversibel. Der lokale Rohrquerschnitt Q1 ist im Bereich der Einbeulung gegenüber dem Ausgangsquerschnitt AQ verringert. Diese Verringerung der Querschnittsfläche sorgt dafür, dass der förderbare Volumenstrom abnimmt, was zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe führt.

[0027] Figur 3zeigt eine schematische Darstellung der Herstellung einer Erdwärmesonde 1 für eine Erdwärmepumpe nach der Erfindung. Das gezeigte Bohrloch 2 wurde von der Erdoberfläche EO her bis zum Erreichen eines Bohrlochgrunds 21 eingebracht, bis eine vordefinierte Tiefe T erreicht worden ist. Das Bohrloch 2 wurde mittels eines Bohrgerätes mit einem Bohrgestänge erstellt. Dabei werden Erde, Gestein und Fels durch den inneren Mantel des Bohrgestänges an die Erdoberfläche befördert und abgepumpt. In der vorliegenden Erdwärmesonde 1 wurden die Sonde 3 und der Hinterfüllschlauch 4 bis zum Erreichen der Zieltiefe T durch die jeweiligen distalen Enden 31 der Sonde 3 und des Hinterfüllschlauchs 41 in das Bohrloch 2 eingebracht. Das distale Ende ist hierbei das am Bohrlochgrund befindliche, das proximale Ende ist das Ende an welchem ein Manometer 9 beziehungsweise ein Messgerät und eine Pumpe 7 angeschlossen sind.

[0028] Die gezeigte Sonde 3 umfasst zwei Rohre 32, 32', die an ihrem jeweiligen distalen Ende 31 mittels eines U-Stücks 33 miteinander verbunden sind. Die Rohre 32, 32' bestehen aus hochfestem Polyethylen, mit einem Aussendurchmesser von 40 mm, bei einer Wandstärke von kleiner 4 mm. Das Bohrloch 2 wird im gezeigten Verfahren mittels eines Füllmaterials 5 vom Bohrlochgrund 21 her bis hin zur Erdoberfläche EO durch Verpressen des Füllmaterials 5 in das Bohrloch 2 mittels des Hinterfüllschlauchs 4 befüllt. Im gezeigten Beispiel wird der Hohlraum H zwischen der Bohrlochwand 22 und der Sonde 3 mit einem Füllmaterial 5 in Form eines dauerhaft leicht flexiblen Mörtelgemischs vollständig bis zur Erdoberfläche EO ausgefüllt. Die gezeigt Hinterfüllung erfüllt dabei zwei wesentliche Aufgaben. Zum einen wird durch die Hinterfüllung ein vertikaler Grundwasserfluss GF verhindert. Zum anderen wird eine gute Wärmeleitung λ zwischen der Aussenwand der Sonde 3 und der Bohrlochwand 22, daher dem Erdreich/ Gestein erreicht. Je besser der Wärmeübergang zwischen Erdreich/ Gestein E und Sonde 3 ist, desto höher ist der Wirkungsgrad der Erdwärmesonde 1. Weiterhin schützt das Füllmaterial 5 auch das Bohrloch 2 gegen Einsturz, insbesondere wenn in lockerem Gestein gebohrt wurde.

[0029] Beim Verpressen des Füllmaterials 5 in das Bohrloch 2 wird der Fülldruck D1 und zusätzlich der Innendruck D2 innerhalb der Rohre 32, 32' der Sonde 3 überwacht und das Verpressen wird unterbrochen, sobald ein maximal zulässiger Differenzdruck ΔD zwischen dem Fülldruck D1 und dem Innendruck D2 erreicht wird. Nach dem Einbringen der Sonde 3 in das Bohrloch 2 und vor dem Hinterfüllen, wurde die gezeigte Sonde 3 mit einem nichtkompressiblen Fluid gefüllt und mit einem Vordruck beaufschlagt. Die vollständig gefüllte Sonde ist am Kopf druckdicht abgeschlossen und mit einem Vordruck vorbelastet, um das Risiko des Beulens oder Quetschens der Sonde während des Verpressens der Hinterfüllung zu verringern. Der vorgegebene Differenzdruck ΔD zwischen Fülldruck D1 und Innendruck D2 ist so gewählt, dass eine lokale Deformation der Sonde soweit begrenzt wird, dass eine Verringerung der Durchflussrate unter 15 % bleibt, und dass beim Verpressen des Füllmaterials 5 in das Bohrloch 2 der Differenzdruck ΔD der mindestens einen Sonde 3, 3' überwacht wird und das Verpressen unterbrochen wird, sobald der maximal zulässige Differenzdruck ΔD überschritten wird.

[0030] Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Fülldruck D1 mittels einer Überwachungseinrichtung 6 überwacht, die dazu eingerichtet ist das Verpressen des Füllmaterials 5 in das Bohrloch 2 automatisiert zu unterbrechen, sofern der maximal zulässige Differenzdruck ΔD erreicht wird. Damit die Hinterfüllung ihre Aufgaben erfüllen kann, muss sie sorgfältig ausgeführt werden. Die Überwachungseinrichtung 6 misst hierzu den Fülldruck D1 der an der Erdoberfläche an der Pumpe 7 anliegt. Da es sich bei dem Füllmaterial 5 um ein nicht kompressibles Material handelt, erfolgt das Feedback zwischen der Austrittsöffnung am distalen Ende 41 des Hinterfüllschlauchs 4 am Bohrlochgrund 21 und der Eintrittsöffnung am proximalen Ende 42 des Hinterfüllschlauchs 4 an der Pumpe 7 umgehend. Mittels der gezeigten Überwachungseinrichtung 6 wird weiterhin der Volumenstrom VS des zugeführten Füllmaterials 5 überwacht und weiterhin die Dichte D des zugeführten Füllmaterials 5 überwacht.

[0031] Figur 4zeigt das Messprotokoll einer Überwachten Hinterfüllung. Beim Verpressen des Füllmaterials in das Bohrloch wird der Innendruck innerhalb der mindestens einen Sonde in Bar aufgezeichnet und das Verpressen wird unterbrochen, sobald ein maximal zulässiger Differenzdruck zwischen dem Fülldruck und dem Innendruck erreicht wird. Nach dem Einbringen der mindestens einen Sonde in das Bohrloch und vor dem Hinterfüllen wurde die mindestens eine Sonde mit einem nichtkompressiblen Fluid gefüllt und mit einem Vordruck beaufschlagt. Wenn die vollständig, beispielsweise mit Wasser, gefüllte mindestens eine Sonde am Kopf druckdicht abgeschlossen und mit einem Vordruck vorbelastet wird, kann das Risiko des Beulens oder Quetschens der Sonde während des Verpressens der Hinterfüllung verringert werden.

[0032] Der Fülldruck wurde mittels einer Überwachungseinrichtung überwacht, mittels der das Messprotokoll aufgezeichnet wurde und die zudem dazu eingerichtet ist, das Verpressen des Füllmaterials in das Bohrloch automatisiert zu unterbrechen, falls der maximal zulässige Differenzdruck erreicht wird. Wie dem Messprotokoll zu entnehmen ist, wurde über den gesamten Hinterfüllvorgang ein Differenzdruck ΔD von etwa 2000 kPa Bar mit einer Schwankung von ± 500 kPa eingehalten. Mittels der Überwachungseinrichtung wurde weiterhin der Volumenstrom VS in [m<3>/min] des zugeführten Füllmaterials überwacht, welcher ein Volumen V von etwa 1/3 m<3>pro Minute betragen hat. Der nahezu ideal lineare Anstieg des hinterfüllten Volumens lässt auf eine gleichmässige und daher unterbruchsfreie Hinterfüllung schliessen. Weiterhin wurde mittels der Überwachungseinrichtung die Dichte D in [kg/I] des zugeführten Füllmaterials überwacht. Die Dichte der Hinterfüllung lag hierbei nahezu konstant bei etwa 1,75 kg/Liter. Die sehr gleichmässige Dichte des Füllmaterials lässt auf eine gleichmässige Mischung der Suspension und somit auf eine sehr hochwertige Hinterfüllung schliessen.

[0033] Figur 5zeigt eine Ausführungsform der Erdwärmesonde 1 im Betrieb, angeschlossen an einen Wärmetauscher 8. Die Erdwärmesonde 1 umfasst zwei Sonden 3, 3', die in einem Bohrloch 2 mit einen Durchmesser im Bereich von 135 mm und 165 mm eingebracht sind. Derartige Bohrlochdurchmesser bieten einen guten Kompromiss. So erlauben diese das leichte Einführen der Sonden 3, 3' auch über grosse Tiefen bis zu 300m und mehr und gleichzeitig ein vertretbares Mass an nötiger Hinterfüllung. Je grösser der Durchmesser, desto grösser sind auch die nötigen Bohrgeräte. Das Ziel ist folglich den Durchmesser des Rohrs so klein als möglich zu wählen. Die Sonden 3, 3' weisen jeweils zwei Rohre 32, 32' und ein U-Stück 33 mit einem Durchmesser von 40 mm auf. Dieser Durchmesser bietet ein ideales Verhältnis von Rohrquerschnitt und somit Durchflussmenge und gleichzeitig Wandstärken die einen ausreichend grosses PN-Wert aufweisen ohne den Wärmeübergang zu stark negativ zu beeinflussen, was den Wirkungsgrad der Wärmesonde verringern würde. Der Füllschlauch weist einen Durchmesser von 25 mm auf. Dies erlaubt einen ausreichenden Durchsatz an Hinterfüllung um eine wirtschaftliche Hinterfüllung zu ermöglichen und gleichzeitig eine wirtschaftliche Pumpendimensionierung. Je grösser der Durchmesser des Füllschlauchs gewählt wird, desto höher ist der von der Pumpe aufzubringende Fülldruck.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

[0034] 1 Erdwärmesonde 2 Bohrloch 21 Bohrlochgrund 22 Bohrlochwand 3, 3' Sonde 31, 31' Distales Ende Sonde 32, 32' Rohr 33 U-Stück 4 Hinterfüllschlauch 41 Distales Ende Hinterfüllschlauch 42 Proximales Ende Hinterfüllschlauch 5 Füllmaterial 6 Überwachungseinrichtung 7 Pumpe 8 Wärmetauscher 9 Manometer EO Erdoberfläche E Erdreich/Gestein T Tiefe FS Fehlstelle AQ Ausgangsquerschnitt Q1 Rohrquerschnitt (lokal) H Hohlraum GF Grundwasserfluss λ Wärmeleitfähigkeit D1 Fülldruck D2 Innendruck Sonde ΔD Differenzdruck VD Vordruck VS Volumenstrom D Dichte

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung einer Erdwärmesonde (1) für eine Erdwärmepumpe, umfassend mindestens die folgenden Verfahrensschritte: a. Erstellen eines Bohrlochs (2) von der Erdoberfläche (EO) her bis zum Erreichen eines Bohrlochgrunds (21) in einer vordefinierten Tiefe (T); b. Einbringen mindestens einer Sonde (3, 3') mit einer Ausgangsquerschnittsfläche (AQ) und mindestens eines Hinterfüllschlauchs (4) in das Bohrloch (2), bis ein distales Ende (31, 31') der mindestens einen Sonde (3, 3') und ein distales Ende (41) des Hinterfüllschlauchs (4) angrenzend an den Bohrlochgrund (21) des Bohrlochs (2) zu liegen kommt; c. Hinterfüllen der mindestens einen Sonde (3, 3') in dem Bohrloch (2) vom Bohrlochgrund (21) her bis hin zur Erdoberfläche (EO) durch Verpressen eines Füllmaterials (5) in das Bohrloch (2) mittels des Hinterfüllschlauchs (4),dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzdruck (ΔD) zwischen Fülldruck (D1) und Innendruck (D2) vorgegeben wird, der so gewählt ist, dass eine lokale Deformation der Sonde soweit begrenzt wird, dass eine Verringerung der Durchflussrate unter 15 % bleibt, und dass beim Verpressen des Füllmaterials (5) in das Bohrloch (2) der Differenzdruck (ΔD) der mindestens einen Sonde (3, 3') überwacht wird und das Verpressen unterbrochen wird, sobald der maximal zulässiger Differenzdruck (ΔD) überschritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,wobeinach dem Einbringen der mindestens einen Sonde (3, 3') in das Bohrloch (2) und vor dem Hinterfüllen, die mindestens eine Sonde (3, 3') mit einem nichtkompressiblen Fluid gefüllt und vorzugsweise mit einem Vordruck (VD) beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,wobeider Fülldruck (D1) mittels einer Überwachungseinrichtung (6) überwacht wird, welche dazu eingerichtet ist das Verpressen des Füllmaterials (5) in das Bohrloch (2) automatisiert zu unterbrechen, sobald der maximal zulässige Differenzdruck (ΔD) erreicht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3,wobeimittels der Überwachungseinrichtung (6) weiterhin der Volumenstrom (VS) des zugeführten Füllmaterials (5) überwacht wird, welcher vorzugsweise beim Verpressen auf einen Wert von 2 m<3>/h bis 3 m<3>/h, vorzugsweise von 2,2 m<3>/h bis 2,4 m<3>/h voreingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,wobeimittels der Überwachungseinrichtung (6) weiterhin die Dichte (D) des zugeführten Füllmaterials (5) überwacht wird, welche vorzugsweise beim Verpressen auf einen Wert von 1,2 kg/I bis 2,0 kg/I voreingestellt wird, vorzugsweise von 1,4 kg/I bis 1,6 kg/I.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,wobeials Füllmaterial (5) eine Bentonit-Zement-Suspension eingebracht wird, welche beim Verpressen ein Verhältnis von Wasser zu Betonit von vorzugsweise 4 zu 5 Gewichtsanteilen aufweist.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,wobeidas Bohrloch (2) einen Durchmesser (D) im Bereich von 130 mm bis 190 mm aufweist, vorzugsweise von 135 mm bis 165 mm.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,wobeidie mindestens eine Sonde (3, 3') mindestens ein Rohr (32, 32') mit einem Durchmesser von 30 mm bis 50 mm, vorzugsweise 40 mm aufweist.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,wobeidie mindestens eine Sonde (3, 3') zwei Rohre (32, 32') umfasst, die an ihrem jeweiligen distalen Ende (31, 31') mittels eines U-Stücks (33) miteinander verbunden sind, wobei vorzugsweise zwei Sonden (3, 3') in das Bohrloch (2) eingebracht werden.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,wobeider Füllschlauch (4) einen Durchmesser von 10 mm bis 40 mm, vorzugsweise von 25 mm aufweist.

11. Erdwärmesonde (1) für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend a. mindestens ein Bohrloch (2), b. mindestens eine Sonde (3, 3') und einen Hinterfüllschlauch (4), die jeweils derart in dem mindestens einen Bohrloch (2) angeordnet sind, dass das distale Ende (31, 31') der mindestens einen Sonde (3, 3') und das distale Ende des Hinterfüllschlauchs (4) angrenzend an einen Bohrlochgrund (21) im inneren des Bohrlochs (2) angeordnet sind und c. eine Hinterfüllung umfassend Füllmaterial (5) welches im Bohrloch (2) vom Bohrlochgrund (21) her bis hin zur Erdoberfläche (EO) angeordnet ist und die mindestens eine Sonde (3, 3') und den Hinterfüllschlauch (4) umgibt, wobei d. lokale Deformationen der Ausgangsquerschnittsfläche (AQ) der mindestens einen Sonde (3, 3') soweit begrenzt sind, dass eine Verringerung der Durchflussrate unter 15 % liegt.