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Dokumentenidentifikation DE202007009712U1 18.10.2007
Titel Erdsonde und Sondenkopf für eine Erdsonde
Anmelder Reuter, Andreas, 29227 Celle, DE
Vertreter Einsel und Kollegen, 38102 Braunschweig
DE-Aktenzeichen 202007009712
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 18.10.2007
Registration date 13.09.2007
Application date from patent application 10.07.2007
IPC-Hauptklasse F24J 3/08(2006.01)A, F, I, 20070710, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Erdsonde und einen Sondenkopf für eine Erdsonde. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Erdsonde, mit einer rohrartigen Leitung mit einem in ein Bohrloch im Erdboden absteigenden Zweig der Rohrleitung, mit einem aus dem Bohrloch zum Erdboden aufsteigenden zweiten Zweig der rohrartigen Leitung und mit einem U-förmigen Bogen, der den absteigenden Zweig und den aufsteigenden Zweig miteinander verbindet.

In den vergangenen Jahren hat das Interesse an einer Nutzung der Erdwärme erheblich zugenommen, auch im Hinblick auf steigende Energiepreise und das zunehmende Umweltbewusstsein, das zu einer stärkeren Nachfrage bei der Nutzung von erneuerbaren Energien führt.

Zur Nutzung der Erdwärme werden Rohrleitungen eingesetzt, die von einem Fluid durchströmt werden. Diese Erdsonden beziehungsweise Rohrleitungen werden in Bohrungen im Erdboden eingebracht. Diese Bohrungen oder Ausschachtungen können relativ tief in das Erdreich eingebracht werden, durchaus auch in Tiefen von 100 m oder mehr. Die Rohrleitungen sind dabei U-förmig. Das bedeutet, dass das Fluid (im Allgemeinen ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel) mittels des absteigenden Astes oder Zweiges dieser U-förmigen Rohrleitung zunächst bis zum tiefsten Punkt des Bohrloches nach unten gefördert und dort durch den U-Bogen wieder in den aufsteigenden Ast oder Zweig der Rohrleitung und in diesem nach oben zum Erdboden gelangt. Wärmetauscher können dann aus der von dem Fluid aufgenommenen Wärme dieselbe gewinnen.

Es gibt Bohrungen in wasserführenden Schichten, ebenso auch solche in Festgestein.

Um die U-förmigen Rohrleitungen der Erdsonden in die Bohrlöcher einbringen zu können, werden an den tiefsten Abschnitt, also den U-Bogen, vor Ort Gewichte gehängt. Diese Gewichte sorgen auch dafür, dass eine Auftriebskraft überwunden werden kann, die beispielsweise von dem Grundwasser in einem wasserführenden Bohrloch auf die Bohrleitungen ausgeübt wird. Zu bedenken ist ja, dass es von der Erdoberfläche aus schwer möglich ist, Hindernisse, Auftriebskräfte und dergleichen zu überwinden, die sich in beispielsweise 100 m Tiefe auf die untersten Bereiche der Erdsonde mit der U-förmigen Rohrleitung auswirken können.

Diese Gewichte verbleiben nach dem Einbringen der Erdsonde im Bohrloch, um die Erdsonde auch während des Verfüllvorganges in der gewünschten, möglichst tief in den Erdboden reichenden Position zu halten.

Problematisch ist häufig das Handhaben dieser Gewichte am Bohrloch. Diese müssen geeignet um den U-Bogen der Erdsonde befestigt werden, damit sie die Erdsonde auch wie gewünscht innerhalb des Bohrloches nach unten ziehen können. Dabei besteht bei unsachgemäßer Handhabung natürlich die Gefahr, dass das Gewicht gerade den empfindlichen U-Bogen beschädigt oder die Befestigungseinrichtungen etwa in die Rohrwandung einschneiden und hier zu Leckagen oder anderen Schäden führen.

Bei unsachgemäßer Befestigung können diese Gewichte während des Herablassens im Bohrloch mit der Erdsonde auch in Schwingungen geraten und Schäden in den Bohrlochwandungen hervorrufen, wenn diese Schwingungen ein bestimmtes Maß überschreiten.

Bei zu schweren Gewichten kann es in Extremfällen auch geschehen, dass der U-Bogen der Erdsonde abgeknickt wird und so die gesamte Erdsonde unbrauchbar wird, wieder aus dem Bohrloch herausgenommen werden und durch eine Ersatz-Erdsonde ersetzt werden muss.

Alle diese Gefahren können zu außerordentlich kostspieligen Ersatzmaßnahmen führen, in bestimmten Fällen sogar zu dem Erfordernis, ein komplett neues Bohrloch einbringen zu müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Erdsonde vorzuschlagen, mit der diese Gefahren vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer gattungsgemäßen Erdsonde dadurch gelöst, dass der U-förmige Bogen durch eine Schutzeinrichtung hindurch verläuft, und dass die Schutzeinrichtung eine Masse besitzt, die groß genug und als Gewichtskraft in der Lage ist, die auf die Erdsonde wirkende Auftriebskraft von Wasser im Bohrloch zu überwinden.

Dadurch wird die Aufgabe überraschend gelöst, wobei noch eine Vielzahl zusätzlicher Vorteile eintreten.

Die Schutzeinrichtung wird dabei zugleich als Gewicht ausgestattet. Es ist also nicht mehr erforderlich, am Bohrloch noch mit zusätzlichen Gewichten zu hantieren und diese mühsam oder mehr oder weniger geschickt an den U-Bogen zu hängen, um die Auftriebskraft im Bohrloch zu überwinden.

Stattdessen ist der U-Bogen schon "von selbst" so schwer, dass er diese Aufgabe des Gewichtes vollständig miterfüllt. Damit entfallen sämtliche Probleme, die die separat angehängten Gewichte bisher hervorgerufen haben. So können keine unkontrollierten Schwingungen auftreten, das Gewicht kann nicht separat in das Bohrloch fallen, unkontrollierte Schäden in den Bohrlochwänden beim Aufsetzen werden vermieden und die gesamte Bewegung der Erdsonde beim Einbringen in das Bohrloch verläuft wesentlich kontrollierter.

Die Schutzeinrichtung erfüllt darüber hinaus auch Aufgaben, die das Gewicht bisher nicht bewältigen konnte. So wird durch die wesentlich kräftigere Ummantelung gerade des empfindlichen U-Bogens dafür gesorgt, dass ein Aufsetzen des Sondenkopfes mit dem U-Bogen der Erdsonde auf der Bohrlochwandung beziehungsweise auf in dieser enthaltenen Vorsprüngen nicht zu einem Schaden am U-Bogen führt.

Neben der Funktion, den Auftrieb in wasserführenden Bohrlöchern zu vermeiden, ist diese Schutzfunktion besonders wichtig im Festgestein, in welchem die Bohrlöcher trocken sind. Auch unten im Bohrloch bei Erreichen der tiefsten Passagen und des Bodens des Bohrlochs wird so ein Schutz erzielt, da der U-Bogen nicht ungeschützt aufschlägt.

Durch die Schutzeinrichtung insgesamt wird auch eine Begradigung der Sondenspitze beziehungsweise des Sondenkopfes erreicht. Statt der unkontrollierten Abmessungen in verschiedenen Richtungen, die durch am Bohrloch ausgewählte Gewichte hervorgerufen werden, ist hier eine genau vorhersehbare äußere Kontur gegeben, die noch dazu eine Rundung aufweist und so verhindert, dass man beispielsweise bei einer Spülbohrung in die Bohrlochwandung schlägt und das Bohrloch dadurch ganz oder teilweise einfällt.

Bevorzugt ist es, wenn der Sondenkopf der Schutzeinrichtung aus einem Werkstoff besteht, der eine oder mehrere der Bestandteile Eisenspäne, Zement, Estrichbeton und ein Klebmedium, insbesondere Fliesenkleber, enthält.

Fliesenkleber hat sich für das Zusammenhalten der restlichen Mischung aus Eisenspänen, Estrichbeton und/oder Zement besonders bewährt. Diese Materialien stehen darüber hinaus gut und verhältnismäßig kostengünstig zur Verfügung, weisen die gewünschte Schwere auf und können auch die Schutzfunktion gut erfüllen. Außerdem sind sie unkritisch für eine Verwendung in wasserführenden Bohrlöchern gegenüber dem Grundwasser.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Sondenkopf der Schutzeinrichtung einen kreisförmigen Querschnitt besitzt, wenn er die untersten Abschnitte des absteigenden Zweiges und des aufsteigenden Zweiges der Rohrleitung und den diese beiden Abschnitte verbindenden U-förmigen Bogen vollständig umgibt, wobei in dem Sondenkopf die beiden Abschnitte der Zweige der Rohrleitung parallel zueinander verlaufen, wenn der Sondenkopf der Schutzeinrichtung die Form eines vertikal verlaufenden Zylinders besitzt, und wenn das unterste Ende des Sondenkopfes der Schutzeinrichtung konisch oder annähernd konisch ausgebildet ist.

Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das obere Ende des Sondenkopfes ebenfalls konisch oder annähernd konisch ausgebildet ist.

Eine derartige Ausführungsform hat sich als besonders praktikabel und stabil erwiesen und ermöglicht ein besonders zuverlässiges Abwärtsführen im Bohrloch.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Erdsonde zwei parallel verlaufende Rohrleitungen mit U-Bogen auf, wobei beide U-Bögen durch den gleichen Sondenkopf mit einer Schutzvorrichtung verlaufen.

Durch die Verwendung von zwei parallelen Rohrleitungen mit zwei ebenfalls parallelen U-Bögen kann die Wärmeleitung durch die Rohrleitung aus den umgebenden Erdschichten in das strömende Fluid hinein verbessert werden, da mehr Kontaktoberfläche zur Verfügung steht. Herkömmlich ist dies schwierig, da eine Koordination von zwei unabhängigen U-Bögen unten in einem 100 m tiefen Bohrloch schwierig ist und unerwünschte gegenseitige Störungen auftreten können. Durch einen koordinierten Sondenkopf mit einer gemeinsamen Schutzeinrichtung jedoch kann gleichzeitig ein definiertes Nebeneinanderherlaufen der Rohrleitungen gerade in diesem kritischen Bereich der U-Bögen sichergestellt werden.

Die spezielle Ausbildung des Sondenkopfes mit der Schutzeinrichtung ermöglicht es auch, von vornherein eine Möglichkeit vorzusehen, im Bedarfsfalle zusätzliche, speziell ausgebildete und geformte Gewichtselemente an der Schutzeinrichtung fest zu montieren.

Es wird in diesem Falle also nicht ein separates Gewicht angehängt, sondern ein speziell vorgeformtes und genau an die Abmessungen der Schutzeinrichtung angepasstes Gewicht etwa angeschraubt.

Die Erfindung kann nicht nur im Erdwärmesektor eingesetzt werden, sondern generell bei Erdsonden, auch solchen, die etwa zu speziellen Messzwecken eingesetzt werden.

Bei Tests hat sich bereits herausgestellt, dass ein Gewicht von etwa 10 kg bis 20 kg, bevorzugt etwa 15 kg, für die zusätzliche Schutzeinrichtung sehr geeignet ist. Die Schutzeinrichtung reicht etwa jeweils über 1000 mm Länge vom untersten Punkt des U-Bogens der Erdsonde nach oben und ist etwa 100 mm stark. Natürlich sind auch andere Abmessungen möglich.

Die Länge des Sondenkopfes kann sehr variabel und nach Kundenwunsch ausgeführt werden.

Schweißungen am Kopf können mit einem Dehnungsschutz versehen werden.

Die Rohrleitungen der Erdsonden selbst bestehen bevorzugt aus Polyethylen, das in großen Rollen eingesetzt wird. Es ist möglich, noch am Bohrloch ein Einführen der Polyethylen-Rohrleitungen in vorgefertigte Schutzeinrichtungen vorzunehmen.

Im Folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher dargestellt.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Bohrlochs mit einer erfindungsgemäßen Erdsonde;

2 eine vergrößerte Darstellung eines Sondenkopfes für die erfindungsgemäße Erdsonde; und

3 einen Schnitt durch eine spezielle Ausführungsform.

1 zeigt schematisch die Darstellung eines Bohrlochs 6 im Erdboden 5. Das Bohrloch 6 kann sich recht weit in die Tiefe erstrecken, Tiefen von 100 m und mehr sind ohne Weiteres denkbar.

In dieses Bohrloch soll für geothermische oder auch andere Zwecke eine rohrartige Leitung 10 eingeführt werden. Diese rohrartige Leitung 10 führt vom Erdboden 5 aus in das Bohrloch 6 nach unten.

Ein zweiter, aufsteigender Zweig 12 der rohrartigen Leitung 10 führt aus dem Bohrloch 6 wieder nach oben zum Erdboden 5. Der absteigende Zweig 11 und der aufsteigende Zweig 12 sind am untersten Punkt des Bohrloches 6 über einen U-förmigen Bogen 13 miteinander verbunden. Jetzt kann vom Erdboden 5 während des Betriebes aus ein Fluid, beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, durch den absteigenden Zweig 11, den U-förmigen Bogen 13 und den aufsteigenden Zweig 12 wieder zum Erdboden geführt werden. In den tieferen Schichten kann das Fluid in der rohrartigen Leitung 10 die vorhandene Erdwärme aufnehmen und oben auf dem Erdboden 5 kann in an sich bekannter weise mittels eines Wärmetauschers diese Wärme ausgekoppelt und verwertet werden.

In der 2 ist eine vergrößerte Darstellung eines Sondenkopfes für eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Erdsonde dargestellt. Dieser Bereich befindet sich in der Darstellung in 1 am tiefsten Punkt des Bohrloches 6, jedenfalls während des Betriebes. Das zu lösende Problem ist, den Sondenkopf der Erdsonde so auszugestalten, dass er vom Erdboden 5 in das Bohrloch 6 geeignet platziert werden kann, sodass er schließlich den tiefsten Punkt des Bohrloches 6 einnimmt.

Man sieht daher in 2 den untersten Abschnitt des absteigenden Zweiges 11 und den untersten Abschnitt des aufsteigenden Zweiges 12 der rohrartigen Leitung 10; ferner den U-förmigen Bogen 13.

Die beiden Abschnitte 11 und 12 und der U-förmige Bogen 13 sind in einer Schutzeinrichtung 20 aufgenommen. Diese Schutzeinrichtung 20 ist zylinderförmig und läuft unten konisch zu. Der U-förmige Bogen 13 liegt fast in dem konisch zulaufenden Bereich der Schutzeinrichtung 20. Die Schutzeinrichtung 20 umgibt also vollständig die rohrartige Leitung 10 in diesem Bereich. Sie hat zwei Aufgaben. Zum Einen schützt sie diesen empfindlichen Bereich, der beim Herablassen der Erdsonde in das Bohrloch 6 vom Erdboden 5 aus voranschreitet und daher der Gefahr ausgesetzt ist, etwaigen von der Wandung des Bohrloches 6 heranragenden Stufen, Schwellen oder Vorsprüngen ausgesetzt zu sein oder auch unten an der tiefsten Stelle des Bohrloches 6 auf dem Boden aufzuschlagen und beschädigt zu werden. Durch die insbesondere konische Form ist gewährleistet, dass ein hängen bleiben an der Wandung des Bohrloches 6 vermieden wird und zugleich selbst bei einem Berühren dieser Bohlochwandung ein Beschädigen der Wandung weitgehend unterbleibt. Dadurch kann einem teilweisen Zufallen des Bohrloches 6 entgegengewirkt und gleichzeitig jede Beschädigung der unteren Abschnitte der beiden Zweige 11, 12 der Rohrleitung 10 entgegengewirkt werden.

Die zweite Aufgabe der Schutzeinrichtung 20 ist es, als Gewicht für die Erdsonde zu wirken. Diese Schutzeinrichtung 20 wird so schwer ausgeführt, dass sie in der Lage ist, diesen Abschnitt der rohrartigen Leitung 10 der Erdsonde gegen die Wirkung der Auftriebskraft etwaigen Grundwassers nach unten zu ziehen. Zu berücksichtigen ist ja, dass bei diesem Eindringungsvorgang die rohrartige Leitung 10 der Erdsonde noch nicht mit Fluid gefüllt ist und daher die ständige Tendenz besteht, die an sich relativ leichte, aus Polyethylen-Material bestehende rohrartige Leitung einfach nach oben vom Grundwasser aus gesehen aufschwimmen zu lassen. Genau das kann durch die Schutzeinrichtung 20 beziehungsweise durch die erfindungsgemäß vorgesehene Masse und das Gewicht dieser Schutzeinrichtung 20 unterbunden werden. Die Erdsonde wird mit genau diesem Bereich gezielt nach unten transportiert; zugleich wird durch die Schutzeinrichtung 20 verhindert, dass der U-förmige Bogen 13 geknickt wird, weil ihm etwa zu schwere Gewichte angehängt werden oder spontan unvorhersehbare Kräfte etwa bei einem zwischenzeitlichen Zurückziehen nach oben wirken.

In der 3 ist ein Schnitt durch eine spezielle Ausführungsform dargestellt. Man sieht hier, dass zwei rohrartige Leitungen 10 und 10a gemeinsam durch ein und dieselbe Schutzeinrichtung 20 geführt werden, wobei die absteigenden Zweige 11, 11a und die aufsteigenden Zweige 12, 12a völlig parallel laufen, sodass sich im Schnitt 4 kreisrunde Querschnitte zeigen.

Unterhalb des Schnittes sind dann zwei U-förmige Bögen 13, 13a der beiden rohrartigen Leitungen 10, 10a vorgesehen.

Die Schutzeinrichtung 20 unterstützt die Parallelführung der insgesamt 2 Leitungen mit den vier aufsteigenden und absteigenden Zweigen.

5
Erdboden
6
Bohrloch
10
rohrartige Leitung
10a
rohrartige Leitung
11
absteigender Zweig
11a
absteigender Zweig
12
aufsteigender Zweig
12a
aufsteigender Zweig
13
U-förmiger Bogen
13a
U-förmiger Bogen
20
Schutzeinrichtung


Anspruch[de]
Erdsonde,

mit einer rohrartigen Leitung (10) mit einem in ein Bohrloch im Erdboden absteigenden Zweig der Rohrleitung (11),

mit einem aus dem Bohrloch zum Erdboden aufsteigenden zweiten Zweig der rohrartigen Leitung und

mit einem U-förmigen Bogen (13), der den absteigenden Zweig (11) und den aufsteigenden Zweig (12) miteinander verbindet,

dadurch gekennzeichnet,

dass der U-förmige Bogen (13) durch eine Schutzeinrichtung (20) hindurch verläuft, und

dass die Schutzeinrichtung (20) eine Masse besitzt, die groß genug und als Gewichtskraft in der Lage ist, die auf die Erdsonde wirkende Auftriebskraft von Wasser im Bohrloch zu überwinden.
Erdsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (20) einen den U-förmigen Bogen (13) vollständig umgebenden Sondenkopf aufweist. Erdsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkopf der Schutzeinrichtung (20) aus einem Werkstoff besteht, der eine oder mehrere der Bestandteile Eisenspäne, Zement, Estrichbeton und ein Klebmedium, insbesondere Fliesenkleber, enthält. Erdsonde nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Sondenkopf der Schutzeinrichtung (20) einen kreisförmigen Querschnitt besitzt,

dass er die untersten Abschnitte des absteigenden Zweiges (11) und des aufsteigenden Zweiges (12) der Rohrleitung (10) und den diese beiden Abschnitte verbindenden U-förmigen Bogen (13) vollständig umgibt, wobei in dem Sondenkopf die beiden Abschnitte der Zweige (11, 12) der Rohrleitung (10) parallel zueinander verlaufen,

dass der Sondenkopf der Schutzeinrichtung (20) die Form eines vertikal verlaufenden Zylinders besitzt, und

dass das unterste Ende des Sondenkopfes der Schutzeinrichtung (20) konisch oder annähernd konisch ausgebildet ist.
Erdsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Ende des Sondenkopfes ebenfalls konisch oder annähernd konisch ausgebildet ist. Erdsonde nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkopf der Schutzeinrichtung (20) etwa 500 mm bis 2000 mm lang ist. Erdsonde nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Sondenkopfs der Schutzeinrichtung (20) zwischen 20 mm und 500 mm beträgt. Erdsonde nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Sondenkopfes der Schutzeinrichtung (20) zwischen 10 kg und 20 kg beträgt. Erdsonde nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass sie zwei parallel verlaufende rohrartige Leitungen (10, 10a) mit jeweils zwei absteigenden Zweigen (11, 11a) der beiden Rohrleitungen (10, 10a), zwei aufsteigende Zweige (12, 12a) der beiden Rohrleitungen (10, 10a) und zwei U-förmige Bögen (13, 13a) der beiden Rohrleitungen (10, 10a) aufweist, und

dass beide Rohrleitungen (10, 10a) mit ihren jeweiligen Zweigen (11, 11a, 12, 12a) und U-förmigen Bögen (13, 13a) durch die gleiche Schutzeinrichtung (20) verlaufen.
Erdsonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle vier Zweige (11, 11a, 12, 12a) parallel angeordnet sind. Erdsonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (20) mit Einrichtungen zum Verbinden mit vorgefertigten Zusatzgewichten ausgerüstet ist. Sondenkopf für eine Erdsonde nach einem der vorstehenden Ansprüche.






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