DE102006054435B4

DE102006054435B4 - Verfahren zum Einbringen einer Erdwärmesonde in das Erdreich und eine Vorrichtung

Info

Publication number: DE102006054435B4
Application number: DE102006054435A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. Wurm
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2026-11-17
Also published as: GB0817750D0; US20080283297A1; GB2453056B; DE102006054435A1; US8020636B2; GB0722456D0; GB2453056A; GB2443954A; DE202006020425U1; AU2007234522A1; GB2443954B

Abstract

Verfahren zum Einbringen einer Erdwärmesonde in das Erdreich, bei dem die Erdwärmesonde (2) bereits mit dem Bohrkopf (1) in das Erdreich eingebracht wird und der Bohrkopf (1) mit der Erdwärmesonde (2) nach dem Bohrvorgang im Erdreich verbleibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (1) mit Hilfe eines Bohrgestänges (5) drehend in das Erdreich eingebracht wird, wobei die Erdwärmesonde (2) über einen Freilauf (3) mit dem Bohrkopf verbunden ist und das Bohrgestänge (5) durch Lösen eines Adapters von dem Bohrkopf (1) nach dem Bohrvorgang im Erdreich zurückgezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Erdwärmesonde in das Erdreich und eine Vorrichtung.
Im Bereich der Geothermie, insbesondere im Bereich der Nutzung von Erdwärme für die Beheizung von Häusern ist es erforderlich, Erdwärmesonden in das Erdreich einzubringen. Dies kann durch Ausheben des Erdreichs oder durch Bohrungen im Erdreich erfolgen, um dann die für den Wärmeaustausch einzusetzenden Sonden in das Erdreich einzulegen oder in die Bohrung einbringen zu können. Dabei kommen neben einer Tiefenbohrung auch Bohrungen in Frage, bei denen ein größeres Areal des Erdreichs als Wärmetauscher genutzt wird. Um die entsprechende Austauschfläche zu erreichen, ohne all zu tiefe Bohrungen vornehmen zu müssen, ist es bekannt, mehrere Bohrungen vorzunehmen, um dann mehrere Sonden zu einem System zu verbinden. Hierzu wird zunächst mit einem Bohrgerät, beispielsweise mit einem Schneckenbohrgerät, eine Pilotbohrung erstellt. In einem zweiten Schritt wird dann das Bohrgerät bzw. das Bohrgestänge und der Bohrkopf aus dem Erdreich entfernt und in einem dritten Schritt die Sonden, d. h. die Leitungen und Technik für den Wärmeaustausch mit dem Erdreich in die erstellte Bohrung eingebracht. Typischerweise kommen hierbei Vertikalbohrmaschinen zum Einsatz, wobei häufig Imlochhammerverfahren, Doppelkopfbohrverfahren oder Rotary-Bohrverfahren verwendet werden.
In der US 5,634,515 ist ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Einbringen von Sonden in eine Bohrung beschrieben. Mit dieser Vorrichtung soll ein vereinfachtes Einbringen von Erdwärmesystemen in das Erdreich ermöglicht werden, der insbesondere für bereits bebaute Gebiete geeignet ist. Die Druckschrift will damit die kostenintensive und die Natur beeinträchtigende Notwendigkeit der offenen Leitungsverlegung vermeiden, wie sie häufig bei horizontal eingebrachten Sonden zur Anwendung kommt. Im Stand der Technik wird dieses Problem in der Regel durch die Anlage einer vertikalen Bohrung gelöst, die jedoch schweres Gerät für die Durchführung der Bohrung verlangt und mit den damit verbundenen Vibrationen und Erschütterung zu Schäden an umliegenden Einrichtungen und Gebäuden führen kann. Zur Lösung dieses Problems wird vorgeschlagen, die Sonden grabenlos, jedoch nicht vertikal zu verlegen. Dazu werden mehrere Kanäle in einer bestimmten Weise in das Erdreich eingebohrt. In einem zweiten Schritt werden die entsprechenden Sonden in diese Bohrungen eingebracht.
Diesem beschriebenen Verfahren ist der Nachteil zu eigen, daß zunächst ein Bohrloch erstellt und anschließend das Bohrwerkzeug entfernt werden muß, um die Erdwärmesonde in das Bohrloch einbringen zu können.
Dies ist insbesondere aufwendig bei der mit dem Vermeiden einer Tiefenbohrung erforderlichen Durchführung einer Vielzahl von Bohrungen, wie sie dann für einen ausreichenden Wärmeaustausch mit dem Erdreich von Nöten ist.
Zwar sind aus der EP 0 017 783 B1 und der US 5,623,986 A Verfahren und Vorrichtungen zum Einbringen von Erdwärmesonden in das Erdreich bekannt, wobei jedoch gemäß der EP 0 017 783 das mit einem Bohrkopf verbundene Bohrgestänge im Erdreich verbleibt und als Sondenrohr dient, während gemäß der US 5,623,986 A gemäß ein Bohrgestänge mit Bohrkopf in das Erdreich gebohrt wird und dort verbleibt, wonach die eigentliche Erdwärmesonde in das Bohrgestänge eingeführt wird und der Zwischenraum zwischen dem Bohrgestänge und der Erdwärmesonde mit einem wärmeleitenden Material verfüllt wird.
In beiden Fällen bleibt das Bohrgestänge im Erdreich und muß entsprechend den Bohrbeanspruchenden dimensioniert sein. Außerdem muß gemäß der US 5,623,986 A die Erdwärmesonde nachträglich in das Bohrgestänge eingeführt und verdämmt werden, was ein zusätzlichen, aufwendigen Arbeitsgang bedeutet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die das Verlegen von Erdwärmesonden erleichtern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die einzelne Erdwärmesonde in das Erdreich einzubringen, ohne das Bohrwerkzeug anschließend aus dem Erdreich entfernen zu müssen.
Hierzu wird ein Bohrkopf verwendet, der nach dem Einbohren im Erdreich verbleibt. Dieser wird zusammen mit der Sonde und mit einem Gestänge in das Erdreich eingebracht, wobei das Gestänge nach dem Bohren von dem Bohrkopf gelöst wird, um dieses wieder aus dem Erdreich zu entfernen. Die Sonde verbleibt dann zusammen mit dem Bohrkopf im Erdreich und kann verwendet werden, ohne daß gleichzeitig auch das Gestänge verloren wäre.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind bezüglich ihres Einsatzgebietes nicht auf das Verlegen von Erdwärmesonden beschränkt, sondern eignen sich für den Einsatz in solchen Bereichen, bei denen sich ähnliche Problemstellungen und insbesondere ein entsprechender Zeitgewinn durch den Rückgriff auf das erfindungsgemäße Verfahren ergeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich insbesondere vorteilhaft mit kleinen Bohrgeräten einsetzten, wie dies insbesondere bei der nachträglichen Verlegung von Erdwärmesonden in bebauten Gebieten der Fall ist und erlauben es, in kurzer Zeit eine Vielzahl von Bohrungen vorzunehmen, so daß sich die erforderliche Tiefe der einzelnen Bohrung ohne Verlust an Wärmeaustauschfläche verringern läßt.
Vorzugsweise wird die Bohrung in einem Schrägbohrverfahren durchgeführt, bei dem die Bohrungen strahlenförmig in unterschiedlichen Richtungen von einem Punkt ausgehend angelegt werden. Dies erlaubt den schnellen Einsatz kleiner Bohranlagen ohne ständige Ortsveränderung bei gleichzeitiger Schonung der Natur. Zudem ist das Anlegen von Bohrungen in bebauten Gebieten auch dort möglich, wo die Raumverhältnisse beengt sind. Bevorzugt wird die Bohrung so ausgerichtet, daß wasserführende Schichten erfaßt werden, um eine höhere Wärmeentzugsleistung zu erreichen. Bei der strahlenförmigen Ausführung der Bohrung ist aber die Wahrscheinlichkeit bereits per se erhöht, daß eine solche Schicht erfaßt wird. Als Sonde kommen vorzugsweise U-förmige Schleifen zum Einsatz, so daß das Wärmemedium in diesen zirkulieren kann.
Vorzugsweise ist der Bohrkopf über einen Bajonettverschluß oder Steckverbindung mit dem Gestänge verbunden und ist über den Bajonettverschluß auch lösbar. Dies kann beispielsweise über eine bestimmte Drehbewegung erfolgen. So kann der Bohrkopf in einer Drehrichtung fest mit dem Gestänge verbunden sein. In dieser Drehrichtung wird der Bohrkopf dann mit der Sonde mit Hilfe des Gestänges in das Erdreich eingebohrt. Bei Umkehr der Drehrichtung des Gestänges – dies sollte erst am Ende des Bohrvorgangs erfolgen – löst sich das Gestänge von dem Bohrkopf und kann aus dem gebohrten Kanal herausgezogen werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Hohlraum zwischen Sonde und Bohrwand beim Zurückziehen des Gestänges verdämmt.
Die Erdwärmesonden werden vorzugsweise über eine Bohrlafette ausgehend von einem Schacht ins Erdreich eingebracht. Die Bohrlafette ist dabei so ausgestaltet, daß ein individuelles Ausrichten der Bohrtrasse möglich ist, um eine strahlenförmige Anordnung der Bohrungen zu erreichen.
Der erfindungsgemäße Bohrkopf weist einen Freilauf auf, um eine Rotation des Gestänges zu erlauben, ohne die Sonde mitzudrehen. Vorzugsweise ist der Freilauf teilbar, so daß ein einfacher Einbau möglich ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Eintaktverfahrens mit strahlenförmigen Bohrkanälen;
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens;
3 eine Schnittansicht der Vorrichtung nach 2;
4a und 4b eine Teildarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der 2 mit Vierkantschaft und Bajonettverschluß;
5 eine erfindungsgemäße Halbschale als Ausführungsform des Freilaufs Vorrichtung der 2 und
6 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Bohrlafette.
Wie in 1 dargestellt, wird zum Anfertigen mehrerer Bohrungen zum Einbringen von Erdwärmesonden 2 ein Bohrkopf 1 mit einem Freilauf 3 Gestänge 5 in das Erdreich eingebracht. Nach dem Arbeitsschritt des Bohrens wird bei Erreichen der erwünschten Bohrtiefe das Gestänge 5 durch einen Lösemechanismus am Bohrkopf 1 von dem Bohrkopf getrennt und aus dem Erdreich entfernt. Beim Entfernen des Gestänges wird der Raum zwischen der Erdwärmesonde 2 und der Bohrwand gedämmt. Die Erdwärmesonde 2 verbleibt dabei ebenso im Bohrloch wie der Bohrkopf 1 und kann danach für die Verwendung eingesetzt werden.
Der Bohrkopf 1 weist einen Freilauf 3 mit einem Schaft für das Gestänge 5 auf, der in seinem gestängeseitigen Bereich als Vierkantschaft ausgebildet ist und damit eine formschlüssige Verbindung mit einer korrespondieren Buchse am Gestänge 5 erlaubt. Im kopfseitigen Bereich weist der Schaft 30 einen abgesetzten Bereich für den Freilauf 3 auf. Der Freilauf 3 ermöglicht eine rotierende Bohrung ohne Übertragung eines Drehmoments auf die Erdwär mesonde 2. Zum Einbringen der Erdwärmesonde 2 in das Erdreich wird diese auf den Freilauf 3 aufgesetzt, wobei der Bohrkopf 1, der mit dem Freilauf 3 verbunden ist, frei rotiert, indem die Rotation des Gestänges 5 über die Vierkantverbindung auf den Bohrkopf 1 übertragen wird. Eine Mitnahmeschulter 21 dient der Übertragung einer Axialkraft in Richtung der Bohrachse, durch die die Erdwärmesonde 2 dem Bohrkopf 1 in die Bohrung folgt.
Die Erdwärmesonde 2 wird zum Einbringen in das Erdreich zusammen mit dem Bohrkopf 1 in die Bohrlafettenachse eingelegt und nach Ausrichten im Wege des Erstellens einer Bohrung direkt in der ausgewählten Achse in das Erdreich eingebracht. Ein Bajonettanschluß mit einer Schulter 32 und einer Verriegelungsnut 31, wie in 4b dargestellt, erlaubt es, den Bohrkopf 1 nach dem Ende des Bohrvorgangs durch Lösen der Bajonettverbindung zu entfernen oder, alternativ, den Bohrkopf 1 zurückzuziehen, falls dies erforderlich ist.
Wie in 2 dargestellt, besitzt der Bohrkopf 1 mehrere Funktionsbereiche. Die Bohrkopfspitze 10 dient zum Zentrieren und zur Führung des Bohrgestänges beim Einbringen in das Erdreich. Die stirnseitige Form im Bereich 11 des Bohrkopfes verhindert ein Auslenken des Bohrkopfes 1 während des Bohrvorgangs und erlaubt es gleichzeitig, den erforderlichen Außendurchmesser zu erbohren. Die Verbindung ist so ausgestaltet, daß sich der Bohrkopf zurückziehen läßt, solange die Verbindung nicht entriegelt wird.
In 5 ist der Freilauf 3 als Halbschale dargestellt. Eine Zentrierungsbuchse 41 läuft auf dem abgesetzten bohrkopfseitigen Schaftbereich 20. Dabei werden die Halbschalen eingesetzt, um die Erdwärmesonde 2 problemlos einsetzen zu können und diese dann zu umschließen. Zur Vereinfachung der Montage der Erdwärmesonde dient die Aussparung 44.
Bei der Verwendung einer Bohrlafette, wie in 1 und 6 dargestellt, wird die Bohrlafette 6 auf einen vorhandenen Schacht 8 aufgesetzt und auf einer umlaufenden Schiene 7 entsprechend ausgerichtet, um eine strahlenförmige Anordnung der Bohrungen und damit der Sonden 2 zu erreichen. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß eine optimale Nutzung des vorhandenen Grundes bei hoher Wahrscheinlichkeit des Erfassens von Wassereinschlüssen erreicht wird.

Claims

Verfahren zum Einbringen einer Erdwärmesonde in das Erdreich, bei dem die Erdwärmesonde (2) bereits mit dem Bohrkopf (1) in das Erdreich eingebracht wird und der Bohrkopf (1) mit der Erdwärmesonde (2) nach dem Bohrvorgang im Erdreich verbleibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (1) mit Hilfe eines Bohrgestänges (5) drehend in das Erdreich eingebracht wird, wobei die Erdwärmesonde (2) über einen Freilauf (3) mit dem Bohrkopf verbunden ist und das Bohrgestänge (5) durch Lösen eines Adapters von dem Bohrkopf (1) nach dem Bohrvorgang im Erdreich zurückgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrkanäle strahlenförmig angelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrkanäle im Wege des Schrägbohrverfahrens in das Erdreich eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Bohrkanäle in Wasser führenden Schichten eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei oder nach dem Eindringen der Erdwärmesonde (2) eine Verdammung zur Bohrlochwandung vorgenommen wird.
Vorrichtung zum Eindringen einer mit einem Bohrkopf verbundenen Erdwärmesonde in das Erdreich, wobei die Erdwärmesonde und der Bohrkopf nach dem Bohrvorgang dem Erdreich verbleiben, gekennzeichnet durch einen mit einem Bohrgestänge (5) drehfest verbindbaren Bohrkopf (1) mit einem Freilauf (3) für die Aufnahme einer Erdwärmesonde (2) und einem Adapter für das Bohrgestänge (5), der ein Lösen des Bohrgestänges (5) von dem Bohrkopf (1) im Erdreich nach dem Bohrvorgang im Erdreich und ein Zurückziehen des Bohrgestänges (5) erlaubt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Adapter mit einem Vierkantschaft für die Verbindung zum Bohrgestänge (5) und einer Mitnahmeschulter (21) zur axialen Fixierung der Erdwärmesonde (2).
Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Bohrkopf oder Adapter mit einem Bajonettverschluß.
Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Bohrkopf mit einer Zentrierspitze.