EP4018067A1 - Verfahren zur herstellung eines erdwärmekollektors, bohrmaschine zur herstellung eines erdwärmekollektors sowie erdwärmekollektor - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines erdwärmekollektors, bohrmaschine zur herstellung eines erdwärmekollektors sowie erdwärmekollektor

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Publication number
EP4018067A1
EP4018067A1 EP19782464.2A EP19782464A EP4018067A1 EP 4018067 A1 EP4018067 A1 EP 4018067A1 EP 19782464 A EP19782464 A EP 19782464A EP 4018067 A1 EP4018067 A1 EP 4018067A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bores
drilling
collector
ground
drill
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19782464.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Josef FERK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vital Wohnen & Co Kg GmbH
Original Assignee
Vital Wohnen & Co Kg GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vital Wohnen & Co Kg GmbH filed Critical Vital Wohnen & Co Kg GmbH
Publication of EP4018067A1 publication Critical patent/EP4018067A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/02—Drilling rigs characterised by means for land transport with their own drive, e.g. skid mounting or wheel mounting
    • E21B7/021—With a rotary table, i.e. a fixed rotary drive for a relatively advancing tool
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/02—Drilling rigs characterised by means for land transport with their own drive, e.g. skid mounting or wheel mounting
    • E21B7/027—Drills for drilling shallow holes, e.g. for taking soil samples or for drilling postholes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T10/10—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
    • F24T10/13—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes
    • F24T10/15—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes using bent tubes; using tubes assembled with connectors or with return headers
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/06—Down-hole impacting means, e.g. hammers
    • E21B4/14—Fluid operated hammers
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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    • F24T2010/53—Methods for installation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T2201/00—Prediction; Simulation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10—Geothermal energy

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a geothermal collector, wherein bores are made in the ground, after which collector pipes are introduced into the bores for a heat exchange of a medium carried in the collector pipes with the ground, the collector pipes passing through the individual bores being connected via connecting lines .
  • the invention also relates to a drilling machine for drilling holes in the ground for a geothermal collector, comprising a drilling table with at least one drilling table base and a drilling rod that is rotatable and axially movable relative to the drilling table about an axis can be introduced into the ground.
  • the invention relates to a geothermal collector with collector pipes arranged in the ground, through which a heat transfer medium can be passed in order to enable a heat exchange between the soil and the heat transfer medium.
  • collectors close to the surface In order to achieve a corresponding heat exchange via collectors close to the surface, these collectors must be laid over a correspondingly large area, so that the arrangement of a collector close to the surface is also associated with considerable damage to the ground.
  • the object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the beginning with which a geothermal collector can be produced in a particularly cost-effective manner.
  • a drilling machine of the type mentioned at the outset for producing such a geothermal energy collector is also to be specified.
  • geothermal energy collector which can be manufactured particularly inexpensively.
  • the first object is achieved according to the invention by a method of the type mentioned at the outset, in which the bores have a maximum depth of 8 m to 45 m.
  • U-probes and / or double-U-probes which preferably consist of a plastic, are introduced into the bores.
  • a U-probe is understood to mean two approximately parallel pipes which are inserted into the bore and are connected at a lower end to an approximately U-shaped foot part, so that a first pipe forms an inlet pipe and a second pipe forms an outlet pipe.
  • a heat transfer medium can then flow through the two tubes one after the other, as a result of which it is guided over an entire length of the bore or to a lower end of the bore. It goes without saying that a supply line and a discharge of the heat transfer medium into or out of the U-probes usually take place at an upper end of the bore.
  • the U-probes are thus supplied with the heat transfer medium via connecting lines, which are usually arranged at a depth of less than 5 m below the surface of the earth.
  • the collector pipes which protrude into the bores are thus usually formed by vertical, parallel plastic pipes which are connected at a lower end by a U-shaped foot part.
  • the bores in which the collector pipes are arranged can have a small diameter, for example compared to helix probes, so that they can be introduced into the ground in a simple manner. Since the bores are only relatively shallow here and thus have a significantly lower geological influence than in the case of deep bores of the prior art, the collector pipes in a geothermal collector according to the invention can also be referred to and viewed as energy piles. Because of the reduced depth and the lower impact on the environment, official permits for a geothermal heat collector according to the invention can be obtained more easily than in the case of deep boreholes of the prior art.
  • the collector pipes introduced into the bores each have an inlet pipe and an outlet pipe, the inlet pipe being connected to the outlet pipe at a first position in the bore, preferably at a lower end of the bore, the inlet pipe also being connected to the drain pipe is connected at a second position via a connecting channel, which is approximately at the level of the Connecting lines is located.
  • the second position is preferably located at an upper end of the inlet pipe and the outlet pipe.
  • the connecting channel has a smaller cross-section than the connections at the first position.
  • the connecting lines are laid at a depth of 1 m to 3 m, in particular about 1.5 m, under the surface of the earth.
  • a trench of a corresponding depth is usually excavated by excavating topsoil, for example by means of an excavator, preferably a mini-excavator, after which the connecting lines are arranged in the trench in a bed of sand.
  • the trench is finally backfilled, usually with topsoil.
  • a mini excavator weighing less than two tons is used, especially since such a mini excavator allows easy access to the drilling site.
  • a special drill carriage and a large excavator with an auger are required for the production of deep boreholes of the prior art, into which, for example, so-called helix probes are introduced.
  • the analysis of the soil can in principle be carried out in a wide variety of ways known from the prior art, for example using geomagnetics.
  • a geoelectrical method can be used to determine the structure of the ground in a particularly precise manner. Since the method according to the invention only drills to a depth of about 45 m, a complete analysis by means of geoelectrics is also possible in a reliable manner in an urban area with property sizes of about 1000 m 2, for example in single-family houses. For example, a method with an artificial power supply via a four-point arrangement or a measuring chain with more than four electrodes can be used for this purpose. Suitable prior art processes for this purpose are, in particular, the Wenner process and the Schlumberger process. Corresponding measurement of a ground to a depth of prior art boreholes of more than 100 m would, however, require significantly larger property sizes or distances between the individual electrodes, which is why prior art deep boreholes cannot be geoelectrically investigated in an economical manner.
  • the soil surrounding the boreholes is mapped at least up to the maximum depth of the boreholes.
  • a multi-dimensional map of the soil surrounding the boreholes is usually created in relation to an electrical resistance, and conclusions can be drawn from the electrical resistance about types of rock and, if necessary, about groundwater-bearing layers.
  • apparent specific resistances are determined for individual areas of the ground, the areas in at least one spatial direction have an extension of less than 1 m.
  • a measured value in geoelectrics is the apparent specific resistance, which is given in ohmmeters or W m.
  • an area around the borehole can be computationally divided into individual volumes or areas of defined dimensions for the analysis, for which volumes an apparent specific resistance is assumed to be constant.
  • the volumes can, for example, be cubes with an edge length of 10 cm and an apparent specific resistance can be determined for each individual area using geoelectric methods known from the prior art, so that the soil around the borehole is measured with a resolution of 10 cm , whereby thermal properties of the borehole, and thus of the geothermal collector, at least indirectly, as well as a geological structure of the ground, in particular groundwater layers, can be predicted particularly precisely for assessing a drilling risk.
  • the bores are flushed with compressed air.
  • compressed air When flushing the boreholes, rock loosened during drilling is removed from the borehole. If this is done with compressed air, there is no need for a liquid for rinsing, which makes it easier to carry out. This also avoids any negative influence or contamination of the soil by drilling additives which are usually added to a flushing liquid.
  • drilling additives which are usually added to a flushing liquid.
  • flushing with compressed air it is also easy to determine when a layer carrying groundwater has been drilled.
  • the entire drilling is done with a single drilling process.
  • the probability is higher that different rock formations have to be penetrated.
  • a borehole for depth probes according to the prior art can encounter a rock formation at a certain depth that has to be tackled with a down-the-hole hammer and then hit a section with silt.
  • the down-the-hole hammer is usually used continuously during the entire drilling process or drilled with a down-the-hole hammer method and, if necessary, the drill rod is rotated at the same time at a low speed of for example up to 100 min-1. This is possible here because of the comparatively small depth of the bores selected and thus leads to increased efficiency and lower costs of the boring.
  • the bores are made with a drilling machine which has a reversibly dismountable drilling carriage.
  • the drill can then also be transported without heavy equipment, for example manually.
  • the bores are made in the ground with a drilling machine which can be connected to units for supplying energy, in particular to a hydraulic unit and / or a compressed air unit.
  • the drill then does not have to have its own corresponding unit for driving a drill rod, so that the drill can be made small and lightweight.
  • the drilling machine has a drilling carriage that can be detached from a drilling table.
  • the individual components of the drilling machine can then have a low weight of, for example, less than 400 kg.
  • the individual components of the drilling machine are usually movable or designed with rollers or wheels and can thus be transported manually to a place of use.
  • the bores are made with a drilling machine which has a clamping device reversibly releasable from a drilling table, in particular clamping pliers, for clamping drill rods or casing pipes located in the ground.
  • the drill can thus be dismantled into small and lightweight individual parts which can be transported separately by hand.
  • the drilling machine can be easily transported manually.
  • the bores are made with a drilling machine which has a drilling table base which can be fastened in a horizontal plane at different positions on a drilling table and with which the drilling table can be supported against a substrate, in particular by means of a tie rod.
  • the drilling machine can thus also be adapted in a simple manner to unevenness in the surface of the earth in order to make the bores, which are usually made vertically in the earth.
  • the base of the drilling table can also be vertically connected to the drilling table in different positions and / or its length can be changed in order to position the drilling machine in a stable manner, for example, even in sloping terrain, and to be able to drill a vertical hole in the ground.
  • the hole can also be at an angle to or different from be aligned with the plumb direction, for example at an angle of 45 degrees to the plumb direction.
  • the bores are filled after the collector pipes have been introduced, in particular with excavated material, a rock in a suspension, preferably a bentonite suspension 14, and / or a hardenable material.
  • the collector tubes and / or the connecting lines have a corrugated surface inside and / or outside.
  • corrugated or ribbed tubes an increased surface is achieved, so that more surface is available for heat transfer and the bores can be designed to be particularly short or shallow.
  • a corrugated or ribbed inner surface of the tubes results in an advantageous turbulent flow when there is a flow through the tubes, whereby an improved heat transfer can also be achieved.
  • a turbulent flow with advantageous properties can then be achieved with a volume flow of only 500 liters / hour.
  • the bores In order to make good use of the available earth for heating or cooling a building, it is advantageous for the bores to be arranged in an L formation and / or a U formation in a plan view.
  • the bores can also be arranged in other formations, for example a combination of L formation, U formation and a line or an I formation to form a square or rectangular formation, in order to optimally utilize a given soil.
  • the bores are arranged at a distance of 4 m to 10 m from one another. As a result, the heat from the ground is used to advantage.
  • collector pipes are arranged in series and / or in parallel for the flow through several bores.
  • a flow with which subcooled heat transfer medium is introduced into the geothermal collector, can be divided into four parallel branches, with each of the four branches having two or more branches Contains bores, which flow through serially and are then brought together again to form a common return.
  • a specific selection of a corresponding circuit of boreholes and a number of these can be determined by means of numerical simulation on the basis of given requirements for the geothermal heat collector and determined data about the ground.
  • the collector pipes have plastic pipes with an outer diameter of 40 mm to 110 mm, preferably 60 mm to 95 mm, and a wall thickness of 1 mm to 5 mm, preferably 2 mm to 4 mm, in particular about 3 mm. It has been shown that with pipes of this type an optimal heat exchange is achieved in a geothermal collector produced with a method according to the invention. Compared with depth probes, which are used in deep boreholes of geothermal collectors of the prior art, an increased surface is achieved based on the length of the borehole.
  • probes with lines with a diameter of 40 mm and a wall thickness of approximately 4 mm are used, in particular in order to achieve the mechanical properties required for these deep boreholes. Due to the increased surface and the smaller wall thickness, an improved heat transfer is achieved with the collector pipes used in the geothermal collector according to the invention, which is why, in a direct comparison with a geothermal collector of the prior art with deep bores of 70 m or more than 100 m in a geothermal collector according to the invention, lower Drilling depths can be realized to achieve the same heat transfer properties.
  • an actual occurrence of a groundwater layer can be compared with a structure determined, for example, geoelectrically in a preceding method step, in order to check the quality of an analysis of the structure.
  • a structure determined for example, geoelectrically in a preceding method step
  • an effect of the geothermal heat collector can be predicted particularly precisely so that, depending on an actually occurring groundwater layer, adjustments can be made to the number and / or arrangement of the boreholes.
  • groundwater reservoirs groundwater reservoirs
  • the borehole is therefore usually ended in a layer that does not carry any groundwater and is also referred to as a groundwater reservoir.
  • a drilling machine of the type mentioned at the beginning which has a connection for supplying energy, in particular for connecting to a hydraulic or compressed air unit, a drive for the drill rod being able to be supplied with energy via the connection.
  • the drilling machine can thus be designed to be particularly small and lightweight, especially since the corresponding unit or several units for generating hydraulic energy and / or pneumatic energy are transported separately from the drilling machine to a place of use.
  • the drilling machine can then, if necessary, also be transported manually to a position of a provided borehole. It is preferably provided that the drilling machine is designed for the introduction of casing tubes, which casing tubes enclose the drill rod.
  • the casing pipes can then be used to stabilize a borehole during drilling.
  • a compressed air line is provided with which compressed air can be introduced into a borehole formed by the drill rod in order to flush the borehole.
  • a liquid for flushing the borehole can be dispensed with, as a result of which a simple and lightweight drilling machine is achieved.
  • a device for flushing the borehole with water for example with a mud pump, can also be provided.
  • a drilling table base can be moved relative to the drilling table, in particular in a plane arranged at an angle of approximately 90 degrees to the axis, and can be connected to the drilling table at different positions.
  • the hole is drilled approximately vertically into the ground, so that the base of the drilling table moves in a horizontal plane relative to the drilling table and can be connected to the drilling table at different positions.
  • the drilling table base can also be connected to the drilling table in different vertical positions and / or is variable in length. As a result, the drilling table can be positioned exactly over a provided borehole even on uneven terrain, in that the position of the drilling table base is adjusted so that stable positioning is possible.
  • a mandatory prerequisite for making a hole at a predefined position would be that the position of the drilling table base resulting from the position of the hole is flat and loadable.
  • the drill rod can be moved with a drill carriage, the drill carriage being detachably connected to the drill table.
  • the drilling machine can thus be divided into several parts, which can also be transported individually, if necessary, manually. This eliminates the effort required for prior art drilling machines to transport the drilling machines by means of a large truck or the like.
  • the third object is achieved according to the invention by a geothermal energy collector of the type mentioned at the beginning, which is produced in a method according to the invention.
  • the geothermal heat collector is usually operated in such a way that a turbulent flow results in the collector pipes. It was found that this leads to an improved heat transfer.
  • a corresponding geothermal collector can be produced much more economically than prior art geothermal collectors.
  • a drilling machine according to the invention is usually used to produce a corresponding geothermal energy collector.
  • a geothermal collector according to the invention is used in conjunction with a single-family or multi-party house.
  • the length and cross-section of the individual lines are usually dimensioned in such a way that the geothermal collector is suitable for receiving a heat transfer medium with a total volume of, for example, about 100 liters to 5,000 liters.
  • the capacity of a geothermal collector for a single-family house is typically around 500 liters.
  • a flow rate of 1,500 liters / hour is usually selected as the flow rate.
  • One content of all collector pipes of the geothermal heat storage is therefore sufficient to heat up a hot water storage tank in the house.
  • the heat pump can use the contents of all collector pipes to heat the hot water or a heating buffer, especially since heat is stored in the collector pipes in the heat transfer medium or in a brine when the heat pump is at a standstill, like in a battery.
  • Calculations and measurements for the geothermal collector according to the invention have shown that the amount of heat stored in the collector pipes, for example during the typical downtime of a heat pump for a family house, can be used in a particularly advantageous manner for heating hot water.
  • the heat transfer medium in the collector pipes of around 500 liters is warmed up almost to the temperature of the surrounding soil, this temperature is then typically continuously available for the hot water during the entire heating cycle. This is advantageous for an efficiency of the heat pump, especially since this is better at higher temperatures than at lower ones.
  • the collector tubes can serve as a heat store due to the outer diameter of the collector tubes of usually about 63 mm and the small wall thickness of only about 3 mm.
  • a heat pump connected to the geothermal energy collector has higher average temperatures of the heat transfer medium available with the collector pipes than with geothermal energy collectors of the prior art, which have deep bores with lines with a smaller diameter and greater wall thickness, thus a smaller cross-section.
  • FIG. 5 shows a drilling machine in a schematic representation.
  • Fig. 1 shows a section through a geothermal collector 1 according to the invention, which can be used, for example, in connection with a heat pump for heating and cooling a family house. Shown are three bores 2 connected in series, in which U-probes are arranged, which form collector pipes 3 and conduct a heat transfer medium to a base of the bores 2 and back again from this.
  • the collector tubes 3 of the individual bores 2 are connected at their upper ends by connecting lines 4.
  • the connecting lines 4 are arranged approximately 1.5 m below the surface of the earth 13, while the bores 2 and thus also the collector pipes 3 protrude to a depth of approximately 25 m below the surface of the earth 13.
  • a distance 6 between the individual bores 2 is about 5 m here.
  • the bores 2 here extend entirely through a so-called groundwater storey 10 or a groundwater-bearing layer into a layer of slightly permeable or impermeable material, which is also referred to as a groundwater reservoir 11 and delimits the groundwater storey 10.
  • the groundwater-bearing layer i.e. the groundwater storey 10 ensures a particularly good heat exchange between the heat transfer medium carried in the collector pipes 3 and the ground 12, especially since groundwater is continuously conveyed through this layer depending on the geological conditions of a groundwater catchment area, so that heat is exchanged with the groundwater takes place.
  • the connecting lines 4 are laid in a sand bed 27 as shown.
  • the bores 2 are first drilled into the ground, after which a trench with a depth of 1.5 m is dug, which after the bores 2 and the connecting lines 4 and the collector pipes 3 have been drilled with topsoil 28 is decayed.
  • the bores 2 are diluted with a bentonite suspension 14 in order to ensure particularly good heat exchange between a heat transfer medium carried in the collector pipes 3 and the ground 12.
  • FIG. 2 shows a detail of a geothermal collector 1 according to the invention.
  • a double-T connector 29 which is usually made of plastic and connects the connecting lines 4 formed by U-probes to the collector pipes 3, is shown.
  • the U-probes have an inlet pipe 7 and outlet pipe 8 which, as shown, are connected in addition to the connection (not shown here) at the bottom of the bore 2 by a connecting channel 9 which has a smaller cross section for the inlet pipe 7 and the outlet pipe 8 and is used for this purpose to prevent accumulation of air in the connecting lines 4.
  • a ratio of a cross section of the connecting channel 9 to a cross section of the inlet pipe 7 is only shown schematically in FIG.
  • the collector tubes 3 have a tube surface 15 which is partially corrugated or profiled in order to be larger To achieve surface for a heat exchange.
  • the collector pipes 3 thus have smooth pipe segments 30 with an essentially cylindrical outer contour and corrugated pipe segments 31 with a corrugated outer contour, the segments in the inlet pipe 7 and outlet pipe 8 not being of the same length, so that an offset 26 results, as shown in FIG. 2.
  • a wall thickness of the pipe is usually about 2.9 mm.
  • Fig. 4 shows schematically a geothermal collector 1 according to the invention in a plan view.
  • two branches 17 connected in parallel are provided, each of the two branches 17 having four bores 2 connected in series through which the heat transfer medium carried in the respective branch 17, for example water with a glycol additive or a gas such as CO 2 or butane, in series flows to ensure a favorable heat exchange between a conveyed from a flow 32 to a return 33 heat transfer medium.
  • the individual bores 2 are arranged approximately in an L-shape in order to make good use of the heat from the ground 12.
  • a specific choice of the number of bores 2 and switching of the individual bores 2 is usually determined individually depending on the requirements and available data in relation to the soil 12, it also being possible to use computer programs for numerical simulation.
  • a ground 12 in which the geothermal collector 1 is to be used is analyzed before it is designed. This is possible in particular by geoelectric methods of the prior art with high accuracy even in the case of small properties customary in urban areas, because the bores 2 at a geothermal collector 1 according to the invention have a comparatively small depth.
  • the drilling machine 18 has a drilling table 19 which is supported by four drilling table feet 20 against a subsurface.
  • the drilling table feet 20 can be anchored in the ground 12 by means of tie rods 35, whereby a drilling table foot 20 can be connected horizontally at different positions to the drilling table 19 in order to enable a precise arrangement of the drilling machine 18 even on uneven ground.
  • the drilling table base 20 can be connected to the drilling table 19 at different vertical positions and / or can be designed to be variable in length in order to enable a horizontal arrangement of the drilling table 19 even in sloping terrain.
  • a drilling carriage 21 is detachably connected to the drilling table 19, with which a drilling rod 36 can be inserted vertically into a soil 12.
  • the drilling carriage 21 is preferably connected to the drilling table 19 at a variable angle, so that bores 2 deviating from a perpendicular direction can also be made in the ground 12.
  • a carriage 34 can be moved in the axial direction, with which the drill rod 36 on the one hand can be moved in the axial direction and on the other hand can be rotated about an axis 5 in order to carry out a drilling movement.
  • the drilling machine 18 according to the invention has a down-the-hole hammer 22 with which blows can be applied in the axial direction to a drill bit arranged at the end of the drill rod 36 or connected to the drill rod 36.
  • the drilling machine 18 has a compressed air connection 23 and a hydraulic connection 23 in order, on the one hand, to provide compressed air for flushing the borehole and, on the other hand, to drive the carriage 34 and a drill head. Since corresponding units are not part of the drilling machine 18 itself, the drilling machine 18 can be designed to be small and lightweight, so that it can also be transported manually to a place of use and over a planned borehole position can be arranged.
  • the drill rod 36 rotates as a rule at least partially within a casing tube 24, which secures the bore 2 against collapse during drilling and is continuously moved downward as the borehole depth increases.
  • a clamp 25 is provided, which can also be actuated via a hydraulic connection 23 by means of an external unit.
  • the clamping pliers 25, which can also be designed as a simple clamping device for positively locking a lower tube around the axis 5 with a fitting, and the drilling carriage 21 are detachably connected to the drilling table 19 so that the drilling machine 18 can be dismantled into small, lightweight parts which can be easily transported manually.
  • individual or all of the components of the drilling machine 18, in particular the drilling table 19 and the drilling carriage 21, can be made from a lightweight material, in particular aluminum or a fiber composite material.
  • the individual components of the drilling machines 18 can then be transported to a place of use manually, for example by only two people, so that the drilling of the bores 2 does not cause any damage to the ground. It goes without saying that some or all of the components of the drilling machine 18 can also be made of steel.
  • geothermal collectors 1 can be produced in a particularly cost-effective manner. Since groundwater-bearing layers can be used at corresponding depths and an improved heat transfer takes place per meter of drilling depth, there is a favorable heat exchange despite the ease of manufacture, which ensures efficient heating and cooling, especially of single-family houses.
  • a drilling machine 18 according to the invention is usually used, which can also be transported manually to a place of use in order to make corresponding bores 2 in a simple manner in a soil 12.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erdwärmekollektors (1), wobei Bohrungen (2) in ein Erdreich (12) eingebracht werden, wonach in die Bohrungen (2) Kollektorrohre (3) für einen Wärmeaustausch eines in den Kollektorrohren (3) geführten Mediums mit dem Erdreich (12) eingebracht werden, wobei die durch die einzelnen Bohrungen (2) geführten Kollektorrohre (3) über Verbindungsleitungen (4) verbunden sind. Um eine besonders kostengünstige Herstellung zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bohrungen (2) eine maximale Tiefe von 8 m bis 45 m aufweisen. Weiter betrifft die Erfindung eine Bohrmaschine zur Einbringung von Bohrungen in ein Erdreich für einen Erdwärmekollektor, aufweisend einen Bohrtisch mit zumindest einem Bohrtischfuß sowie eine relativ zum Bohrtisch um eine Achse drehbare und axial bewegbare Bohrstange, wobei durch eine Rotation der Bohrstange unter einer Axialbewegung derselben eine Bohrung in ein Erdreich einbringbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Erdwärmekollektor (1) mit in einem Erdreich (12) angeordneten Kollektorrohren (3), durch welche ein Wärmeträgermedium führbar ist, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Erdreich (12) und dem Wärmeträgermedium zu ermöglichen.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Erdwärmekollektors, Bohrmaschine zur Herstellung eines Erdwärmekollektors sowie Erdwärmekollektor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erdwärmekollektors, wobei Bohrungen in ein Erdreich eingebracht werden, wonach in die Bohrungen Kollektorrohre für einen Wärmeaustausch eines in den Kollektorrohren geführten Mediums mit dem Erdreich eingebracht werden, wobei die durch die einzelnen Bohrungen geführten Kollektorrohre über Verbindungsleitungen verbunden sind.
Weiter betrifft die Erfindung eine Bohrmaschine zur Einbringung von Bohrungen in ein Erdreich für einen Erdwärmekollektor, aufweisend einen Bohrtisch mit zumindest einem Bohrtischfuß sowie eine relativ zum Bohrtisch um eine Achse drehbare und axial bewegbare Bohrstange, wobei durch eine Rotation der Bohrstange unter einer Axialbewegung derselben eine Bohrung in ein Erdreich einbringbar ist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Erdwärmekollektor mit in einem Erdreich angeordneten Kollektorrohren, durch welche ein Wärmeträgermedium führbar ist, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Erdreich und dem Wärmeträgermedium zu ermöglichen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Erdwärmekollektoren sowie Verfahren zur Herstellung desselben bekannt geworden. Dabei sind einerseits Flächenkollektoren bekannt geworden, welche oberflächennah in ein Erdreich eingesetzt werden. Andererseits ist es bekannt geworden, Tiefenbohrungen von mehr als 100 m Tiefe in das Erdreich einzubringen, in diese Tiefenbohrungen Tiefensonden anzuordnen, durch welche ein Wärmeträgermedium transportiert wird, um dem Erdreich Wärme zum Heizen eines Gebäudes zu entnehmen oder dem Erdreich Wärme aus einem Gebäude zuzuführen, um das Gebäude zu kühlen.
Nachteilig bei Erdwärmekollektoren des Standes der Technik und Verfahren zur Herstellung derselben ist insbesondere ein hoher Aufwand sowie damit verbunden hohe Kosten. So können die Tiefenbohrungen nur mit sehr aufwendigem Bohrgerät durchgeführt werden, wodurch diese häufig zu einem Flurschaden führen, und weisen weiter ein Risiko auf, dass bei entsprechend tiefen Bohrungen Gasblasen oder Tonschichten angebohrt werden oder das Bohrloch bis in zerklüftete Gesteinsschichten ragt, welche sich nicht abdichten lassen. Weiter wurde als negativ beobachtet, dass Tiefenbohrungen Grundwasserschichten unterschiedlicher Ebenen verbinden, sodass sich eine negative Beeinflussung des Grundwassers ergibt. Insbesondere aus diesem Grunde sind Tiefenbohrungen auch durch Behörden nicht uneingeschränkt genehmigungsfähig.
Um über oberflächennahe Kollektoren einen entsprechenden Wärmeaustausch zu erreichen, müssen diese Kollektoren entsprechend großflächig verlegt werden, sodass auch die Anordnung eines oberflächennahen Kollektors mit einem erheblichen Flurschaden einhergeht.
Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem ein Erdwärmekollektor auf besonders kostengünstige Weise herstellbar ist.
Weiter soll eine Bohrmaschine der eingangs genannten Art zur Herstellung eines solchen Erdwärmekollektors angegeben werden.
Darüber hinaus soll auch ein Erdwärmekollektor angegeben werden, welcher besonders kostengünstig herstellbar ist.
Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem die Bohrungen eine maximale Tiefe von 8 m bis 45 m aufweisen.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Herstellung eines Erdwärmekollektors mit Bohrungen entsprechender Tiefe von bis zu 45 m, vorzugsweise 20 m bis 30 m, unter einer Erdoberfläche mehrere Vorteile hat. So können entsprechende Bohrungen bereits mit leichterem Bohrgerät durchgeführt werden, weswegen die Herstellung der Bohrungen geringe Kosten verursacht. Darüber hinaus verursacht die Herstellung entsprechender Bohrungen einen wesentlich geringeren Flurschaden als die Herstellung eines oberflächennahen Kollektors. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass grundwasserführende Schichten häufig in diesem Bereich anzutreffen sind und sich grundwasserführende Schichten besonders gut dazu eignen, Wärme aus dem in den Kollektorrohren geführten Wärmeträgermedium aufzunehmen bzw. abzugeben. Dadurch können mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Bohrungen vergleichsweise sehr gute Wärmeübertragungseigenschaften erreicht werden.
Es hat sich bewährt, dass in die Bohrungen U-Sonden und/oder Doppel-U-Sonden eingebracht werden, welche vorzugsweise aus einem Kunststoff bestehen. Als U-Sonde werden zwei etwa parallele Rohre verstanden, welche in die Bohrung eingebracht werden und an einem unteren Ende mit einem etwa u-förmigen Fußteil verbunden sind, sodass ein erstes Rohr ein Zulaufrohr und ein zweites Rohr ein Ablaufrohr bilden. Ein Wärmeträgermedium kann die beiden Rohre dann nacheinander durchströmen, wodurch dieses über eine gesamte Länge der Bohrung bzw. bis an ein unteres Ende der Bohrung geführt wird. Es versteht sich, dass eine Zuleitung sowie eine Ableitung des Wärmeträgermediums in bzw. aus den U-Sonden üblicherweise an einem oberen Ende der Bohrung erfolgen. Die U-Sonden werden somit über Verbindungsleitungen mit dem Wärmeträgermedium versorgt, welche üblicherweise in einer Tiefe von weniger als 5 m unter einer Erdoberfläche angeordnet sind. Die Kollektorrohre, welche in die Bohrungen ragen, sind somit in der Regel durch vertikale, parallele Kunststoffrohre gebildet, welche an einem unteren Ende durch ein u-förmiges Fußteil verbunden sind. Dadurch können die Bohrungen, in welchen die Kollektorrohre angeordnet sind, einen beispielsweise im Vergleich zu Helix-Sonden geringen Durchmesser aufweisen, sodass diese auf einfache Weise in das Erdreich einbringbar sind. Nachdem die Bohrungen hier nur eine vergleichsweise geringe Tiefe aufweisen und somit eine erheblich geringere geologische Beeinflussung als bei Tiefenbohrungen des Standes der Technik vorliegt, können die Kollektorrohre bei einem erfindungsgemäßen Erdwärmekollektor auch als Energiepfähle bezeichnet und angesehen werden. Aufgrund der verringerten Tiefe und der geringeren Auswirkungen auf die Umwelt können behördliche Genehmigungen für einen erfindungsgemäßen Erdwärmekollektor einfacher erreicht werden als bei Tiefenbohrungen des Standes der Technik.
Günstig ist es, wenn die in die Bohrungen eingebrachten Kollektorrohre jeweils ein Zulaufrohr und ein Ablaufrohr aufweisen, wobei das Zulaufrohr mit dem Ablaufrohr an einer ersten Position in der Bohrung, vorzugsweise an einem unteren Ende der Bohrung, verbunden ist, wobei das Zulaufrohr darüber hinaus mit dem Ablaufrohr an einer zweiten Position über einen Verbindungskanal verbunden ist, welche sich etwa auf einer Höhe der Verbindungsleitungen befindet. Bevorzugt befindet sich die zweite Position an einem oberen Ende von Zulaufrohr und Ablaufrohr. Dadurch ist eine Entlüftung der in die Bohrungen reichenden Kollektorrohre auf einfache Weise möglich. Andernfalls besteht ein Risiko, dass sich in den Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Kollektorrohren Luft sammelt, welche für eine Durchströmung der Leitungen und eine Wärmeübertragung negative Auswirkungen hätte. Die Verbindung an der ersten Position, welche sich üblicherweise am Grund der Bohrung befindet, wird in der Regel durch ein u-förmiges Rohrstück gebildet, welches Zulaufrohr und Ablaufrohr verbindet.
Um einerseits die Möglichkeit zur Entlüftung der Kollektorrohre und der Verbindungsleitungen und andererseits einen Transport des Wärmeträgermediums bis an ein unteres Ende der Bohrungen zu gewährleisten, ist es günstig, wenn der Verbindungskanal einen geringeren Querschnitt als die Verbindungen an der ersten Position aufweist.
Für eine vorteilhafte Wärmeübertragung bei gleichzeitig einfacher Herstellbarkeit des Erdwärmekollektors hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Verbindungsleitungen in einer Tiefe von 1 m bis 3 m, insbesondere etwa 1 ,5 m, unter einer Erdoberfläche verlegt werden. Zur Herstellung der Verbindungsleitungen wird üblicherweise ein Graben mit einer entsprechenden Tiefe ausgehoben, indem Mutterboden ausgehoben wird, beispielsweise mittels eines Baggers, vorzugsweise eines Minibaggers, wonach die Verbindungsleitungen im Graben in einem Sandbett angeordnet werden. Der Graben wird schließlich wieder verfüllt, in der Regel mit Mutterboden. Üblicherweise wird ein Minibagger mit einem Gewicht von weniger als zwei Tonnen eingesetzt, zumal mit einem solchen ein einfacher Zugang zum Bohrplatz möglich ist. Im Unterschied dazu sind für die Herstellung von Tiefenbohrungen des Standes der Technik, in welche beispielsweise sogenannte Helix-Sonden eingebracht werden, eine spezielle Bohrlafette sowie ein Großbagger mit einem Schneckenbohrer erforderlich.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn vor einem Einbringen der Bohrungen ein die Bohrungen umgebendes Erdreich zumindest bis zur maximalen Tiefe der Bohrungen in Bezug auf Grundwasservorkommen und Gesteinsarten analysiert wird. So kann dann sowohl eine Anzahl als auch eine Tiefe der einzelnen Bohrungen abgestimmt auf beispielsweise für ein zu beheizendes Einfamilienhaus erforderliche Wärmeübertragungseigenschaften einerseits sowie Wärmeübertragungseigenschaften der einzelnen Gesteinsschichten unter Berücksichtigung von Grundwasservorkommen andererseits erfolgen. Dadurch wird sowohl eine Unter- als auch eine Überdimensionierung des Erdwärmekollektors vermieden, wodurch sowohl Kosten zur Herstellung als auch Kosten in einem Betrieb minimiert werden können. Eine wesentliche Kosteneinsparung gegenüber Erdwärmekollektoren mit Tiefenbohrungen des Standes der Technik ergibt sich bei einem erfindungsgemäßen Erdwärmekollektor durch die Reduktion der Bohrtiefe auf bis zu 45 m.
Die Analyse des Erdreichs kann grundsätzlich auf unterschiedlichste aus dem Stand der Technik bekannte Weisen erfolgen, beispielsweise unter Ausnutzung einer Geomagnetik.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Analyse mittels Geoelektrik durchgeführt wird. So kann mit einem geoelektrischen Verfahren ein Aufbau des Erdreichs auf besonders genaue Weise ermittelt werden. Nachdem beim erfindungsgemäßen Verfahren Bohrungen nur bis zu einer Tiefe von etwa 45 m durchgeführt werden, ist eine vollständige Analyse mittels Geoelektrik auch in einem urbanen Gebiet mit Grundstücksgrößen von etwa 1000 m2 beispielsweise bei Einfamilienhäusern auf zuverlässige Weise möglich. Beispielsweise kann hierzu ein Verfahren mit einer künstlichen Stromzufuhr über eine Vierpunktanordnung oder auch eine Messkette mit mehr als vier Elektroden eingesetzt werden. Geeignete Verfahren des Standes der Technik hierzu sind insbesondere das Wenner-Verfahren und das Schlumberger-Verfahren. Eine entsprechende Vermessung eines Erdreichs bis zu einer Tiefe von Bohrungen des Standes der Technik von mehr als 100 m würde hingegen wesentlich größere Grundstücksgrößen bzw. Abstände zwischen den einzelnen Elektroden erfordern, weswegen Tiefenbohrungen des Standes der Technik auf wirtschaftliche Weise nicht geoelektrisch untersuchbar sind.
Es hat sich bewährt, dass eine Kartierung des die Bohrungen umgebenden Erdreichs zumindest bis zur maximalen Tiefe der Bohrungen erfolgt. Dabei wird üblicherweise eine mehrdimensionale Karte des die Bohrungen umgebenden Erdreichs in Bezug auf einen elektrischen Widerstand erstellt, wobei anhand des elektrischen Widerstandes auf Gesteinsarten sowie gegebenenfalls auf grundwasserführende Schichten geschlossen werden kann. Um thermische Eigenschaften des Erdwärmekollektors besonders genau im Vorhinein bestimmen zu können bzw. um einen Erdwärmekollektor besonders genau auf gegebene Anforderungen hin auslegen zu können, ist es günstig, wenn für einzelne Bereiche des Erdreichs scheinbare spezifische Widerstände ermittelt werden, wobei die Bereiche in zumindest einer Raumrichtung eine Ausdehnung von weniger als 1 m aufweisen. Ein Messwert der Geoelektrik ist der scheinbar spezifische Widerstand, welcher in Ohmmetern bzw. W m angegeben wird. Je genauer eine Auflösung eines geoelektrisch vermessenen Gebietes, also je geringer Ausdehnungen der Bereiche, für welche der scheinbare spezifische Wderstand als konstant angenommen wird, um die Bohrung erfolgt, umso genauer kann ein Verhalten des einzelnen Bohrloches vorhergesagt werden. Beispielsweise kann ein Bereich um die Bohrung für die Analyse rechnerisch in einzelne Volumen bzw. Bereiche definierter Abmessungen eingeteilt werden, für welche Volumen ein scheinbarer spezifischer Wderstand als konstant angenommen wird. Die Volumen können beispielsweise Würfel mit einer Kantenlänge von 10 cm sein und mittels aus dem Stand der Technik bekannten geoelektrischen Verfahren kann für jeden einzelnen Bereich ein scheinbarer spezifischer Widerstand ermittelt werden, sodass sich eine Vermessung des Erdreichs um das Bohrloch mit einer Auflösung von 10 cm ergibt, wodurch thermische Eigenschaften des Bohrloches, und somit des Erdwärmekollektors, zumindest indirekt sowie eine geologische Struktur des Erdreiches, insbesondere Grundwasserschichten, zur Beurteilung eines Bohrrisikos besonders genau vorhersagbar sind.
Um die Bohrungen auf besonders einfache Weise einbringen und den Erdwärmekollektor somit auf kostengünstige Weise hersteilen zu können, ist es günstig, wenn die Bohrungen mit Druckluft gespült werden. Bei einem Spülen der Bohrungen wird während des Bohrens gelöstes Gestein aus dem Bohrloch entfernt. Wenn dies mit Druckluft erfolgt, kann auf eine Flüssigkeit zur Spülung verzichtet werden, wodurch eine einfachere Durchführung ermöglicht ist. Weiter wird dadurch eine negative Beeinflussung bzw. Kontamination des Erdreiches durch Bohrzusätze vermieden, welche einer Spülflüssigkeit üblicherweise beigemengt werden. Darüber hinaus kann bei einer Spülung mit Druckluft auch auf einfache Weise festgestellt werden, wann eine Grundwasser führende Schicht angebohrt wurde. Alternativ oder ergänzend kann in seltenen Fällen bei besonderen geologischen Verhältnissen vorgesehen sein, dass das Bohrloch mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, gegebenenfalls mit Bohrzusätzen gespült wird.
Üblicherweise wird die gesamte Bohrung mit einem einzigen Bohrverfahren durchgeführt. Dadurch ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung gegenüber Verfahren des Standes der Technik, bei welchen häufig in einem oberflächennahen Bereich mit einem Rotationsbohrverfahren und dann, wenn die Bohrung auf Felsgestein trifft, mit einem Imlochhammer-Verfahren gebohrt wird, sodass die Bohrverfahren während der Bohrung gewechselt werden. Bei Bohrverfahren für Tiefensonden nach dem Stand der Technik ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass unterschiedliche Gesteinsformationen durchdrungen werden müssen. Beispielsweise kann eine Bohrung für Tiefensonden nach dem Stand der Technik in bestimmter Tiefe auf eine Felsformation stoßen, die mit einem Imlochhammer zu bewältigen ist, und danach auf einen Abschnitt mit Schluff treffen. Spätestens beim Antreffen von Schluff müsste die Bohrung für die Tiefensonde nach dem Stand der Technik wieder auf ein Rotationsspülverfahren mit hoher Drehzahl umgestellt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird üblicherweise durchgehend während der gesamten Bohrung der Imlochhammer eingesetzt bzw. mit einem Imlochhammer- Verfahren gebohrt und gegebenenfalls die Bohrstange gleichzeitig mit geringer Geschwindigkeit von beispielsweise bis zu 100 min 1 rotiert. Dies ist hier aufgrund der gewählten vergleichsweise geringen Tiefe der Bohrungen möglich und führt somit zu einer erhöhten Effizienz und geringeren Kosten der Bohrung.
Es hat sich gezeigt, dass eine kostengünstige Herstellung des Erdwärmekollektors auf einfache Weise möglich ist, wenn die Bohrungen mit einem Imlochhammer eingebracht werden. Dadurch können auch mit einer vergleichsweise kleinen und leichtgewichtigen Bohrmaschine entsprechende Bohrungen in ein Erdreich eingebracht werden. In der Regel wird die Bohrung über eine gesamte Bohrlänge bzw. von der Erdoberfläche bis zur maximalen Tiefe der Bohrung mit dem Imlochhammer durchgeführt, wodurch sich ein besonders einfaches Verfahren ergibt.
Günstig ist es, wenn die Bohrungen mit einer Bohrmaschine eingebracht werden, welche eine reversibel zerlegbare Bohrlafette aufweist. Die Bohrmaschine kann dann auch ohne schweres Gerät transportiert werden, beispielsweise manuell. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Bohrungen mit einer Bohrmaschine in das Erdreich eingebracht werden, welche mit Aggregaten zur Energiezufuhr, insbesondere mit einem Hydraulik- und/oder einem Druckluftaggregat, verbindbar ist.
Die Bohrmaschine muss dann für einen Antrieb einer Bohrstange kein eigenes entsprechendes Aggregat aufweisen, wodurch die Bohrmaschine klein und leichtgewichtig ausgebildet sein kann.
Weiter ist bevorzugt vorgesehen, dass die Bohrmaschine eine von einem Bohrtisch lösbare Bohrlafette aufweist. Die einzelnen Bestandteile der Bohrmaschinen können dann ein geringes Gewicht von beispielsweise weniger als 400 kg haben. Üblicherweise sind die einzelnen Bestandteile der Bohrmaschine verfahrbar bzw. mit Rolle oder Rädern ausgebildet und können somit manuell zu einem Einsatzort transportiert werden.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Bohrungen mit einer Bohrmaschine eingebracht werden, welche eine von einem Bohrtisch reversibel lösbare Klemmeinrichtung, insbesondere eine Klemmzange, zum Klemmen von im Erdreich befindlichen Bohrstangen oder Mantelrohren aufweist. Somit kann die Bohrmaschine in kleine und leichtgewichtige Einzelteile zerlegt werden, welche gesondert manuell transportierbar sind. Dadurch ist die Bohrmaschine im Unterschied zu Bohrmaschinen für Erdwärmekollektoren des Standes der Technik auf einfache Weise manuell transportierbar.
Günstig ist es, wenn die Bohrungen mit einer Bohrmaschine eingebracht werden, welche einen in einer horizontalen Ebene an unterschiedlichen Positionen an einem Bohrtisch befestigbaren Bohrtischfuß aufweist, mit welchem der Bohrtisch gegenüber einem Untergrund abstützbar ist, insbesondere mittels eines Zugankers. Die Bohrmaschine kann somit auf einfache Weise auch an Unebenheiten einer Erdoberfläche angepasst werden, um die Bohrungen einzubringen, welche üblicherweise senkrecht in das Erdreich eingebracht werden. Der Bohrtischfuß kann auch vertikal in unterschiedlichen Positionen mit dem Bohrtisch verbindbar und/oder in einer Länge veränderbar ausgebildet sein, um die Bohrmaschine beispielsweise auch in einem abfallenden Gelände stabil positionieren und eine vertikale Bohrung in das Erdreich einbringen zu können. Alternativ zu einer vertikalen Bohrung kann die Bohrung auch unter einem Winkel zur bzw. abweichend von der Lotrichtung ausgerichtet sein, beispielsweise unter einem Winkel von 45 Grad zur Lotrichtung.
Um einen guten Wärmeübergang zwischen dem Wärmeträgermedium und dem Erdreich zu gewährleisten, ist es günstig, wenn die Bohrungen nach Einbringen der Kollektorrohre aufgefüllt werden, insbesondere mit Aushubmaterial, einem Gestein einer Suspension, vorzugsweise einer Bentonit-Suspension 14, und/oder einem aushärtbaren Material.
Es hat sich gezeigt, dass eine vorteilhafte Wärmeübertragung möglich ist, wenn die Kollektorrohre und/oder die Verbindungsleitungen innen und/oder außen eine gewellte Oberfläche aufweisen. Durch gewellte oder gerippte Rohre wird eine erhöhte Oberfläche erreicht, sodass mehr Oberfläche für eine Wärmeübertragung zur Verfügung steht und die Bohrungen besonders kurz bzw. mit geringer Tiefe ausgebildet sein können. Weiter ergibt sich durch eine gewellte oder gerippte Innenoberfläche der Rohre eine vorteilhafte turbulente Strömung bei einer Durchströmung der Rohre, wodurch ebenfalls eine verbesserte Wärmeübertragung erreicht werden kann. Beispielsweise kann dann bereits bei einem Volumenstrom von nur 500 Liter/Stunde eine turbulente Strömung mit vorteilhaften Eigenschaften erreicht werden.
Um ein verfügbares Erdreich gut für eine Heizung oder Kühlung eines Gebäudes auszunutzen, ist es günstig, dass die Bohrungen in einer Draufsicht in einer L-Formation und/oder einer U-Formation angeordnet werden. Selbstverständlich können die Bohrungen auch in anderen Formationen, beispielsweise einer Kombination von L- Formation, U-Formation und einer Linie bzw. einer I-Formation zu einer quadratischen oder rechteckförmigen Formation, angeordnet werden, um ein gegebenes Erdreich optimal auszunutzen.
Günstig ist es, wenn die Bohrungen mit einem Abstand zueinander von 4 m bis 10 m angeordnet werden. Dadurch wird die Wärme des Erdreichs vorteilhaft genutzt.
Günstig ist es, wenn Kollektorrohre zur Durchströmung mehrerer Bohrungen seriell und/oder parallel angeordnet werden. Beispielsweise kann ein Vorlauf, mit welchem unterkühltes Wärmeträgermedium in den Erdwärmekollektor eingebracht wird, auf vier parallele Zweige aufgeteilt werden, wobei jeder der vier Zweige zwei oder mehr Bohrungen enthält, welche seriell durchströmt und anschließend wieder zu einem gemeinsamen Rücklauf zusammengeführt werden. Eine konkrete Auswahl einer entsprechenden Schaltung von Bohrlöchern sowie eine Anzahl derselben kann mittels numerischer Simulation anhand von gegebenen Anforderungen an den Erdwärmekollektor und ermittelten Daten über das Erdreich bestimmt werden.
Günstig ist es, wenn die Kollektorrohre Kunststoffrohre mit einem Außendurchmesser von 40 mm bis 110 mm, vorzugsweise 60 mm bis 95 mm, und einer Wandstärke von 1 mm bis 5 mm, vorzugsweise 2 mm bis 4 mm, insbesondere etwa 3 mm, aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass mit derartigen Rohren ein optimaler Wärmeaustausch bei einem mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Erdwärmekollektor erreicht wird. Verglichen mit Tiefensonden, welche in Tiefenbohrungen von Erdwärmekollektoren des Standes der Technik eingesetzt werden, wird eine erhöhte Oberfläche bezogen auf eine Länge der Bohrung erreicht. So werden für Tiefenbohrungen des Standes der Technik Sonden mit Leitungen mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Wandstärke von etwa 4 mm eingesetzt, insbesondere um die für diese Tiefenbohrungen erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Aufgrund der erhöhten Oberfläche und der geringeren Wandstärke wird somit mit den beim erfindungsgemäßen Erdwärmekollektor eingesetzten Kollektorrohren eine verbesserte Wärmeübertragung erreicht, weswegen bei einem direkten Vergleich mit einem Erdwärmekollektor des Standes der Technik mit Tiefenbohrungen von 70 m oder auch mehr als 100 m bei einem erfindungsgemäßen Erdwärmekollektor geringere Bohrtiefen realisiert werden können, um dieselben Wärmeübertragungseigenschaften zu erreichen. Rechnungen zum erfindungsgemäßen Erdwärmekollektor haben gezeigt, dass die erbrachten Leistungen und gelieferten jährlichen Wärmemengen mit reduzierten Bohrmetern verglichen mit jenen von Tiefensonden des Standes der Technik gleich oder besser sind. Dies bei gleichen Temperaturverhältnissen des Wärmeträgermediums. Nachdem die beim erfindungsgemäßen Erdwärmekollektor vorgesehenen Bohrungen zudem eine geringere Tiefe aufweisen und somit mit einfacherem Bohrgerät ausgebildet werden können, werden Kostenvorteile zum einen durch eine geringere Länge der gesamt einzubringenden Bohrungen und zum anderen durch die reduzierten Kosten je Länge der Bohrungen erreicht. Bevorzugt ist vorgesehen, dass während des Einbringens der Bohrungen kontinuierlich festgestellt wird, ob eine Grundwasserschicht erreicht wurde. So kann einerseits ein tatsächliches Auftreten einer Grundwasserschicht mit einem in einem vorhergehenden Verfahrensschritt beispielsweise geoelektrisch ermittelten Aufbau abgeglichen werden, um eine Qualität einer Analyse des Aufbaues zu überprüfen. Andererseits kann unter Kenntnis eines Auftretens einer Grundwasserschicht eine Wirkung des Erdwärmekollektors besonders genau vorhergesagt werden, sodass abhängig von einer tatsächlich auftretenden Grundwasserschicht Anpassungen in Bezug auf eine Anzahl und/oder eine Anordnung der Bohrungen erfolgen kann.
Es hat sich bewährt, dass die Bohrung beendet wird, wenn festgestellt wird, dass eine Grundwasserschicht durch die Bohrung vollständig durchdrungen ist. So hat sich gezeigt, dass in einer Grundwasserschicht ein besonders guter Wärmeaustausch möglich ist und es daher zweckmäßig ist, eine Bohrung fortzusetzen, solange die Grundwasserschicht noch nicht vollständig durchdrungen ist. Gegebenenfalls kann die Bohrung auch mehrere Grundwasserschichten, sogenannte Grundwasserstockwerke, vollständig durchdringen und die Bohrung beendet werden, wenn ein Grundwasserstockwerk, welches sich in einem Bereich einer geplanten Tiefe des Bohrloches befindet, vollständig durchdrungen ist, um auch dieses Grundwasserstockwerk vollständig auszunutzen. Die Bohrung wird somit in der Regel in einer Schicht beendet, welche kein Grundwasser führt und auch als Grundwasserstauer bezeichnet wird.
Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bohrmaschine der eingangs genannten Art gelöst, welche einen Anschluss zur Zuführung von Energie, insbesondere zur Verbindung mit einem Hydraulik- oder Druckluftaggregat, aufweist, wobei ein Antrieb für die Bohrstange über den Anschluss mit Energie versorgbar ist. Die Bohrmaschine kann dadurch besonders klein und leichtgewichtig ausgebildet sein, zumal das entsprechende Aggregat oder mehrere Aggregate zur Erzeugung von hydraulischer Energie und/oder pneumatischer Energie gesondert von der Bohrmaschine zu einem Einsatzort transportiert wird. Die Bohrmaschine kann dann gegebenenfalls auch manuell zu einer Position eines vorgesehenen Bohrloches transportiert werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Bohrmaschine zur Einbringung von Mantelrohren ausgebildet ist, welche Mantelrohre die Bohrstange umschließen. Durch die Mantelrohre kann dann ein Bohrloch während des Bohrens stabilisiert werden.
Günstig ist es, wenn eine Druckluftleitung vorgesehen ist, mit welcher Druckluft in ein durch die Bohrstange gebildetes Bohrloch einbringbar ist, um das Bohrloch zu spülen. Dadurch kann auf eine Flüssigkeit zur Spülung des Bohrloches verzichtet werden, wodurch eine einfache und leichtgewichtige Bohrmaschine erreicht wird. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Einrichtung zur Spülung des Bohrloches mit Wasser, beispielsweise mit einer Schlammpumpe, vorgesehen sein.
Es hat sich bewährt, dass ein Imlochhammer bei der Bohrmaschine vorgesehen ist, mit welchem auf die Bohrstange und/oder eine Bohrkrone Schläge in axialer Richtung aufbringbar sind. Dadurch kann mit einer vergleichsweise kleinen und leichtgewichtigen Bohrmaschine eine entsprechende Bohrung ausgebildet werden.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass ein Bohrtischfuß relativ zum Bohrtisch bewegbar ist, insbesondere in einer zur Achse etwa unter einem Winkel von 90 Grad angeordneten Ebene, und an unterschiedlichen Positionen mit dem Bohrtisch verbindbar ist. In der Regel wird die Bohrung etwa senkrecht in das Erdreich eingebracht, sodass der Bohrtischfuß in einer horizontalen Ebene relativ zum Bohrtisch bewegt und an unterschiedlichen Positionen mit dem Bohrtisch verbindbar ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Bohrtischfuß zudem in unterschiedlichen vertikalen Positionen mit dem Bohrtisch verbindbar und/oder in einer Länge variabel ist. Dadurch kann der Bohrtisch auch in unebenem Gelände exakt über einem vorgesehenen Bohrloch positioniert werden, indem die Position des Bohrtischfußes so angepasst wird, dass eine stabile Positionierung möglich ist. Andernfalls wäre eine zwingende Voraussetzung zur Einbringung einer Bohrung an einer vordefinierten Position, dass die sich aus der Position der Bohrung ergebende Position des Bohrtischfußes eben und belastbar ist. Mittels eines an unterschiedlichen Positionen mit dem Bohrtisch verbindbaren Bohrtischfußes wird somit eine erhöhte Flexibilität zur Anwendung erreicht.
Vorteilhaft ist es, wenn die Bohrstange mit einer Bohrlafette bewegbar ist, wobei die Bohrlafette lösbar mit dem Bohrtisch verbunden ist. Durch ein Demontieren der Bohrlafette kann die Bohrmaschine somit auf mehrere Teile aufgeteilt werden, welche einzeln gegebenenfalls auch manuell transportierbar sind. Dadurch entfällt ein bei Bohrmaschinen des Standes der T echnik erforderlicher Aufwand zum T ransport der Bohrmaschinen mittels eines großen Lastkraftwagens oder dergleichen.
Die dritte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Erdwärmekollektor der eingangs genannten Art gelöst, welcher in einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Üblicherweise wird der Erdwärmekollektor derart betrieben, dass sich in den Kollektorrohren eine turbulente Strömung ergibt. So konnte festgestellt werden, dass dadurch ein verbesserter Wärmeübergang erreicht wird.
Ein entsprechender Erdwärmekollektor ist wesentlich kostengünstiger als Erdwärmekollektoren des Standes der Technik herstellbar. Üblicherweise wird zur Herstellung eines entsprechenden Erdwärmekollektors eine erfindungsgemäße Bohrmaschine eingesetzt.
In der Regel wird ein erfindungsgemäßer Erdwärmekollektor in Verbindung mit einem Einfamilien- oder auch Mehrparteienhaus eingesetzt. Länge und Querschnitt der einzelnen Leitungen sind dabei in der Regel derart dimensioniert, dass der Erdwärmekollektor zur Aufnahme eines Wärmeträgermediums mit einem Gesamtvolumen von beispielsweise etwa 100 Liter bis 5.000 Liter geeignet ist. Ein Fassungsvermögen eines Erdwärmekollektors für ein Einfamilienhaus beträgt typischerweise etwa 500 Liter. Als Durchflussgeschwindigkeit wird üblicherweise eine Geschwindigkeit von 1.500 Liter/Stunde gewählt. Ein Inhalt sämtlicher Kollektorrohre des Erdwärmespeichers ist daher ausreichend, um einen Warmwasserspeicher im Haus aufzuheizen. So kann die Wärmepumpe den Inhalt sämtlicher Kollektorrohre zum Aufheizen des Warmwassers oder eines Heizungspuffers verwenden, zumal in den Kollektorrohren Wärme in dem Wärmeträgermedium bzw. in einer Sole bei einem Stillstand der Wärmepumpe wie in einer Batterie gespeichert wird. Rechnungen und Messungen zum erfindungsgemäßen Erdwärmekollektor haben ergeben, dass die beispielsweise während der typischen Stillstandsdauer einer Wärmepumpe für ein Einfamilienhaus in den Kollektorrohren gespeicherte Wärmemenge auf besonders günstige Weise für das Aufheizen von Warmwasser genutzt werden kann. Das Wärmeträgermedium in den Kollektorrohren von etwa 500 Liter wird nahezu auf die Temperatur des umgebenden Erdreichs aufgewärmt, wobei diese Temperatur dann typisch während des gesamten Aufheizzyklus für das Warmwasser durchgängig zur Verfügung steht. Dies ist vorteilhaft für einen Wirkungsgrad der Wärmepumpe, zumal dieser bei höheren Temperaturen besser ist als bei geringeren.
Weiter hat sich gezeigt, dass die Kollektorrohre aufgrund des Außendurchmessers der Kollektorrohre von üblicherweise etwa 63 mm und der geringen Wandstärke von nur etwa 3 mm als Wärmespeicher dienen können. Einer an den Erdwärmekollektor angeschlossenen Wärmepumpe stehen mit den Kollektorrohren daher höhere durchschnittliche Temperaturen des Wärmeträgermediums zur Verfügung als bei Erdwärmekollektoren des Standes der Technik, welche Tiefenbohrungen mit Leitungen mit geringerem Durchmesser und höherer Wandstärke, somit geringerem Querschnitt, aufweisen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindungen ergeben sich anhand der nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:
Fig. 1 einen Erdwärmekollektor;
Fig. 2 ein Detail eines Erdwärmekollektors;
Fig. 3 ein weiteres Detail eines Erdwärmekollektors;
Fig. 4 einen Erdwärmekollektor in Übersichtsdarstellung;
Fig. 5 eine Bohrmaschine in schematischer Darstellung.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Erdwärmekollektor 1, welcher beispielsweise in Verbindung mit einer Wärmepumpe zum Beheizen und Kühlen eines Einfamilienhauses eingesetzt werden kann. Dargestellt sind drei in Serie geschaltete Bohrungen 2, in welchen U-Sonden angeordnet sind, welche Kollektorrohre 3 bilden und ein Wärmeträgermedium bis an einen Grund der Bohrungen 2 sowie von diesem wieder zurück leiten. Die Kollektorrohre 3 der einzelnen Bohrungen 2 sind an oberen Enden durch Verbindungsleitungen 4 verbunden. Die Verbindungsleitungen 4 sind etwa 1,5 m unter einer Erdoberfläche 13 angeordnet, während die Bohrungen 2 und somit auch die Kollektorrohre 3 bis in eine Tiefe von etwa 25 m unter der Erdoberfläche 13 ragen. Ein Abstand 6 zwischen den einzelnen Bohrungen 2 beträgt hier etwa 5 m. Wie dargestellt reichen die Bohrungen 2 hier gänzlich durch ein sogenanntes Grundwasserstockwerk 10 bzw. eine grundwasserführende Schicht bis in eine Schicht aus gering durchlässigem bzw. undurchlässigem Material, welche auch als Grundwasserstauer 11 bezeichnet wird und das Grundwasserstockwerk 10 begrenzt. Die grundwasserführende Schicht, also das Grundwasserstockwerk 10, gewährleistet einen besonders guten Wärmeaustausch des in den Kollektorrohren 3 geführten Wärmeträgermediums mit dem Erdreich 12, zumal Grundwasser in Abhängigkeit von geologischen Gegebenheiten eines Grundwasser-Einzugsbereichs stetig durch diese Schicht gefördert wird, sodass ein Wärmeaustausch mit dem Grundwasser stattfindet.
Die Verbindungsleitungen 4 sind wie dargestellt in einem Sandbett 27 verlegt. Zum Anordnen der Verbindungsleitungen 4 sowie der Bohrungen 2 im Erdreich 12 werden zunächst die Bohrungen 2 in das Erdreich eingebracht, wonach ein Graben mit einer Tiefe von 1,5 m ausgehoben wird, welcher nach Einbringen der Bohrungen 2 und der Verbindungsleitungen 4 sowie der Kollektorrohre 3 mit Mutterboden 28 verfällt wird. Die Bohrungen 2 werden nach Einbringen der Kollektorrohre 3 mit einer Bentonit-Suspension 14 verfällt, um einen besonders guten Wärmeaustausch zwischen einem in den Kollektorrohren 3 geführten Wärmeträgermedium und dem Erdreich 12 zu gewährleisten.
Fig. 2 zeigt ein Detail eines erfindungsgemäßen Erdwärmekollektors 1. Dargestellt ist ein üblicherweise aus Kunststoff bestehendes Doppel-T-Verbindungsstück 29, welches die durch U-Sonden gebildeten Verbindungsleitungen 4 mit den Kollektorrohren 3 verbindet. Die U-Sonden weisen ein Zulaufrohr 7 und Ablaufrohr 8 auf, welche wie dargestellt zusätzlich zu der hier nicht dargestellten Verbindung am Grund der Bohrung 2 durch einen Verbindungskanal 9 verbunden sind, welcher einen kleineren Querschnitt das Zulaufrohr 7 und das Ablaufrohr 8 aufweist und dient dazu, ein Ansammeln von Luft in den Verbindungsleitungen 4 zu verhindern. Es versteht sich, dass ein Verhältnis eines Querschnittes des Verbindungskanals 9 zu einem Querschnitt des Zulaufrohres 7 in Fig. 2 nur schematisch dargestellt ist und bei einer Umsetzung das Verhältnis auch wesentlich größer bzw. der Querschnitt des Verbindungskanals 9 relativ zum Querschnitt des Zulaufrohres 7 wesentlich kleiner als in Fig. 2 dargestellt sein kann. So kann die Luft durch den Verbindungskanal 9 treten und der Erdwärmekollektor 1 somit auf einfache Weise entlüftet werden. Die Kollektorrohre 3 weisen wie in Fig. 2 und Fig. 3 ersichtlich eine Rohroberfläche 15 auf, welche teilweise gewellt bzw. profiliert ist, um eine größere Oberfläche für einen Wärmeaustausch zu erreichen. Die Kollektorrohre 3 weisen somit Glattrohrsegmente 30 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Außenkontur und Wellrohrsegmente 31 mit einer gewellten Außenkontur auf, wobei die Segmente bei Zulaufrohr 7 und Ablaufrohr 8 nicht gleich lang sind, sodass sich wie in Fig. 2 dargestellt ein Versatz 26 ergibt.
Ein Außendurchmesser 16 des für die Kollektorrohre 3 gewählten Rohres, welches beispielsweise aus Polyethylen bestehen kann, beträgt hier etwa 63 mm. Eine Wandstärke des Rohres beträgt üblicherweise etwa 2,9 mm. Es ergibt sich somit je Länge des Kollektorrohres 3 eine erhöhte Oberfläche verglichen mit Tiefensonden des Standes der Technik, welche einen geringeren Außendurchmesser 16 und eine höhere Wandstärke aufweisen.
Fig. 4 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Erdwärmekollektor 1 in einer Draufsicht. Wie dargestellt sind dabei zwei parallel geschaltete Zweige 17 vorgesehen, wobei jeder der beiden Zweige 17 vier seriell geschaltete Bohrungen 2 aufweist, durch welche das im jeweiligen Zweig 17 geführte Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser mit einem Glykol-Zusatz oder ein Gas wie C02 oder Butan, seriell strömt, um einen günstigen Wärmeaustausch zwischen einem von einem Vorlauf 32 zu einem Rücklauf 33 geförderten Wärmeträgermedium zu gewährleisten. Die einzelnen Bohrungen 2 sind wie dargestellt im Ausführungsbeispiel etwa L-förmig angeordnet, um eine Wärme des Erdreichs 12 gut auszunutzen. Das dem Erdwärmekollektor 1 durch einen Vorlauf 32 von einer Wärmepumpe, welche in einem Einfamilienhaus angeordnet sein kann, zugeführte Wärmeträgermedium wird somit auf die beiden Zweige 17 aufgeteilt, wobei es in jedem Zweig 17 durch vier Bohrungen 2 geleitet wird, wonach die beiden Zweige 17 wieder zu einen gemeinsamen Rücklauf 33 kombiniert werden, über welchen das Wärmeträgermedium an die Wärmepumpe zurück gefördert wird. Eine konkrete Wahl von Anzahl der Bohrungen 2 und Schaltung der einzelnen Bohrungen 2 wird in der Regel je nach Anforderungen und verfügbaren Daten in Bezug auf das Erdreich 12 individuell ermittelt, wobei auch Computerprogramme zur numerischen Simulation eingesetzt werden können. Üblicherweise wird ein Erdreich 12, in welchem der Erdwärmekollektor 1 eingesetzt werden soll, vor Auslegung desselben analysiert. Dies ist insbesondere durch geoelektrische Verfahren des Standes der Technik mit hoher Genauigkeit auch bei in urbanen Gegenden üblichen kleinen Grundstücken möglich, weil die Bohrungen 2 bei einem erfindungsgemäßen Erdwärmekollektor 1 eine vergleichsweise geringe Tiefe aufweisen.
Fig. 5 zeigt eine Bohrmaschine 18 zur Einbringung von Bohrungen 2 in ein Erdreich 12 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Erdwärmekollektors 1. Die Bohrmaschine 18 weist einen Bohrtisch 19 auf, welcher über vier Bohrtischfüße 20 gegenüber einem Untergrund abgestützt ist. Die Bohrtischfüße 20 sind mittels Zugankern 35 im Erdreich 12 verankerbar, wobei ein Bohrtischfuß 20 horizontal an unterschiedlichen Positionen mit dem Bohrtisch 19 verbindbar ist, um eine punktgenaue Anordnung der Bohrmaschine 18 auch auf unebenem Untergrund zu ermöglichen. Weiter kann der Bohrtischfuß 20 an unterschiedlichen vertikalen Positionen mit dem Bohrtisch 19 verbindbar und/oder in einer Länge variabel ausgebildet sein, um eine horizontale Anordnung des Bohrtisches 19 auch in abfallendem Gelände zu ermöglichen. Mit dem Bohrtisch 19 ist lösbar eine Bohrlafette 21 verbunden, mit welcher eine Bohrstange 36 vertikal in ein Erdreich 12 einbringbar ist. Die Bohrlafette 21 ist bevorzugt unter einem variablen Winkel mit dem Bohrtisch 19 verbunden, sodass auch von einer Lotrichtung abweichende Bohrungen 2 in das Erdreich 12 eingebracht werden können.
Auf der Bohrlafette 21 ist ein Laufwagen 34 in axialer Richtung bewegbar, mit welchem die Bohrstange 36 einerseits in axialer Richtung bewegt und andererseits um eine Achse 5 rotiert werden kann, um eine Bohrbewegung durchzuführen. Weiter weist die erfindungsgemäße Bohrmaschine 18 einen Imlochhammer 22 auf, mit welchem auf eine endseitig an der Bohrstange 36 angeordnete bzw. mit der Bohrstange 36 verbundene Bohrkrone Schläge in axialer Richtung aufbringbar sind. Dadurch können mit einer vergleichsweise kleinen und leichtgewichtigen Bohrmaschine 18 entsprechende Bohrlöcher bis zu einer Tiefe von etwa 45 m auf einfache Weise in ein Erdreich 12 eingebracht werden.
Die Bohrmaschine 18 weist einen Druckluft-Anschluss 23 und einen Hydraulik- Anschluss 23 auf, um einerseits Druckluft zum Spülen des Bohrloches bereitzustellen und andererseits den Laufwagen 34 sowie einen Bohrkopf anzutreiben. Nachdem entsprechende Aggregate nicht Teil der Bohrmaschine 18 selbst sind, kann die Bohrmaschine 18 klein und leichtgewichtig ausgebildet sein, sodass diese auch manuell zu einem Einsatzort transportierbar und über einer geplanten Bohrlochposition anordenbar ist. Die Bohrstange 36 rotiert dabei in der Regel zumindest teilweise innerhalb eines Mantelrohres 24, welches die Bohrung 2 während des Bohrens gegen Einsturz sichert und kontinuierlich mit zunehmender Bohrlochtiefe nach unten bewegt wird. Zur Fixierung des Mantelrohres 24 sowie von Verlängerungsstangen, welche während eines Vortriebes eingeschraubt werden können, ist eine Klemmzange 25 vorgesehen, welche ebenfalls über einen Hydraulik-Anschluss 23 mittels eines externen Aggregates betätigbar ist. Die Klemmzange 25, welche auch als simple Klemmvorrichtung zur formschlüssigen Fixierung eines unteren Rohres um die Achse 5 mit einem Formstück ausgebildet sein kann, sowie die Bohrlafette 21 sind lösbar mit dem Bohrtisch 19 verbunden, sodass die Bohrmaschine 18 in kleine, leichtgewichtige Teile zerlegt werden kann, welche manuell auf einfache Weise transportierbar sind.
Um eine besonders leichtgewichtige Ausbildung der Bohrmaschine 18 zu erreichen, können einzelne oder sämtliche Bestandteile der Bohrmaschine 18, insbesondere der Bohrtisch 19 und die Bohrlafette 21, aus einem Leichtbaumaterial, insbesondere Aluminium oder einem Faserverbundwerkstoff, ausgebildet sein. Die einzelnen Bestandteile der Bohrmaschinen 18 können dann manuell, beispielsweise durch nur zwei Personen, zu einem Einsatzort transportiert werden, sodass die Einbringung der Bohrungen 2 keinen Flurschaden verursacht. Es versteht sich, dass einzelne oder sämtliche Bestandteile der Bohrmaschine 18 auch aus Stahl ausgebildet sein können.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren können Erdwärmekollektoren 1 auf besonders kostengünstige Weise hergestellt werden. Nachdem damit in entsprechenden Tiefen grundwasserführende Schichten ausgenutzt werden können und je Meter Bohrtiefe eine verbesserte Wärmeübertragung erfolgt, ergibt sich trotz der einfachen Herstellbarkeit ein günstiger Wärmeaustausch, wodurch ein effizientes Heizen und Kühlen insbesondere von Einfamilienhäusern gewährleistet ist. Üblicherweise wird hierzu eine erfindungsgemäße Bohrmaschine 18 eingesetzt, welche auch manuell zu einem Einsatzort transportierbar ist, um entsprechende Bohrungen 2 auf einfache Weise in ein Erdreich 12 einzubringen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Erdwärmekollektors (1), wobei Bohrungen (2) in ein Erdreich (12) eingebracht werden, wonach in die Bohrungen (2) Kollektorrohre (3) für einen Wärmeaustausch eines in den Kollektorrohren (3) geführten Mediums mit dem Erdreich (12) eingebracht werden, wobei die durch die einzelnen Bohrungen (2) geführten Kollektorrohre (3) über Verbindungsleitungen (4) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (2) eine maximale Tiefe von 8 m bis 45 m aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Bohrungen (2) U-Sonden und/oder Doppel-U-Sonden eingebracht werden, welche vorzugsweise aus einem Kunststoff bestehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Bohrungen (2) eingebrachten Kollektorrohre (3) jeweils ein Zulaufrohr (7) und ein Ablaufrohr (8) aufweisen, wobei das Zulaufrohr (7) mit dem Ablaufrohr (8) an einer ersten Position in der Bohrung (2), vorzugsweise an einem unteren Ende der Bohrung (2), verbunden ist, wobei das Zulaufrohr (7) darüber hinaus mit dem Ablaufrohr (8) an einer zweiten Position über einen Verbindungskanal (9) verbunden ist, welche sich etwa auf einer Höhe der Verbindungsleitungen (4) befindet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (9) einen geringeren Querschnitt als die Verbindung an der ersten Position aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (4) in einer Tiefe von 1 m bis 3 m, insbesondere etwa 1,5 m, unter einer Erdoberfläche (13) der Erde verlegt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Einbringen der Bohrungen (2) ein die Bohrungen (2) umgebendes Erdreich (12) zumindest bis zur maximalen Tiefe der Bohrungen (2) in Bezug auf Grundwasservorkommen und Gesteinsarten analysiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse mittels Geoelektrik durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kartierung des die Bohrungen (2) umgebenden Erdreichs (12) zumindest bis zur maximalen Tiefe der Bohrungen (2) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für einzelne Bereiche des Erdreichs (12) scheinbare spezifische Widerstände ermittelt werden, wobei die Bereiche in zumindest einer Raumrichtung eine Ausdehnung von weniger als 1 m aufweisen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (2) mit einem Imlochhammer (22) eingebracht werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (2) mit Druckluft gespült werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (2) mit einer Bohrmaschine (18) nach einem der Ansprüche 24 bis 29 eingebracht werden, welche bevorzugt eine reversibel zerlegbare Bohrlafette (21) aufweist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (2) mit einer Bohrmaschine (18) in das Erdreich (12) eingebracht werden, welche mit Aggregaten zur Energiezufuhr, insbesondere mit einem Hydraulik- und/oder einem Druckluftaggregat, verbindbar ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (2) mit einer Bohrmaschine (18) eingebracht werden, welche eine von einem
Bohrtisch (19) reversibel lösbare Klemmeinrichtung, insbesondere eine Klemmzange (25), zum Klemmen von im Erdreich (12) befindlichen Bohrstangen (36) oder Mantelrohren (24) aufweist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (2) mit einer Bohrmaschine (18) eingebracht werden, welche einen in einer horizontalen Ebene an unterschiedlichen Positionen an einem Bohrtisch (19) befestigbaren Bohrtischfuß (20) aufweist, mit welchem der Bohrtisch (19) gegenüber einem Untergrund abstützbar ist, insbesondere mittels eines Zugankers (35).
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (2) nach Einbringen der Kollektorrohre (3) aufgefüllt werden, insbesondere mit Aushubmaterial, einem Gesteineiner Suspension, vorzugsweise einer Bentonit- Suspension (14), und/oder einem aushärtbaren Material.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorrohre (3) und/oder die Verbindungsleitungen (4) innen und/oder außen eine gewellte Oberfläche aufweisen.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (2) in einer Draufsicht in einer L-Formation und/oder einer U-Formation angeordnet werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (2) mit einem Abstand (6) zueinander von 4 m bis 10 m angeordnet werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Kollektorrohre (3) zur Durchströmung mehrerer Bohrungen (2) seriell und/oder parallel angeordnet werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorrohre (3) Kunststoffrohre mit einem Außendurchmesser (16) von 40 mm bis 110 mm, vorzugsweise 60 mm bis 95 mm, und einer Wandstärke von 1 mm bis 5 mm, insbesondere etwa 3 mm, aufweisen.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einbringens der Bohrungen (2) kontinuierlich festgestellt wird, ob eine Grundwasserschicht erreicht wurde.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (2) beendet wird, wenn festgestellt wird, dass eine Grundwasserschicht durch die Bohrung (2) vollständig durchdrungen ist.
24. Bohrmaschine (18) zur Einbringung von Bohrungen (2) in ein Erdreich (12) für einen Erdwärmekollektor (1), aufweisend einen Bohrtisch (19) mit zumindest einem Bohrtischfuß (20) sowie eine relativ zum Bohrtisch (19) um eine Achse (5) drehbare und axial bewegbare Bohrstange (36), wobei durch eine Rotation der Bohrstange (36) unter einer Axialbewegung derselben eine Bohrung (2) in ein Erdreich (12) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrmaschine (18) einen Anschluss (23) zur Zuführung von Energie, insbesondere zur Verbindung mit einem Hydraulik- oder Druckluftaggregat, aufweist, wobei ein Antrieb für die Bohrstange (36) über den Anschluss (23) mit Energie versorgbar ist.
25. Bohrmaschine (18) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrmaschine (18) zur Einbringung von Mantelrohren (24) ausgebildet ist, welche Mantelrohre (24) die Bohrstange (36) umschließen.
26. Bohrmaschine (18) nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckluftleitung vorgesehen ist, mit welcher Druckluft in ein durch die Bohrstange (36) gebildetes Bohrloch einbringbar ist, um das Bohrloch zu spülen.
27. Bohrmaschine (18) nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Imlochhammer (22) vorgesehen ist, mit welchem auf die Bohrstange (36) und/oder eine Bohrkrone Schläge in axialer Richtung aufbringbar sind.
28. Bohrmaschine (18) nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrtischfuß (20) relativ zum Bohrtisch (19) bewegbar ist, insbesondere in einer zur Achse (5) etwa unter einem Winkel von 90° angeordneten Ebene, und an unterschiedlichen Positionen mit dem Bohrtisch (19) verbindbar ist.
29. Bohrmaschine (18) nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrstange (36) mit einer Bohrlafette (21) bewegbar ist, wobei die Bohrlafette (21) lösbar mit dem Bohrtisch (19) verbunden ist.
30. Erdwärmekollektor (1) mit in einem Erdreich (12) angeordneten Kollektorrohren (3), durch welche ein Wärmeträgermedium führbar ist, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Erdreich (12) und dem Wärmeträgermedium zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Erdwärmekollektor (1) in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23 hergestellt ist.
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