同轴地热换热器和用于将这种地热换热器安装在地下的方法
【专利摘要】本发明描述了一种同轴地热换热器，所述同轴地热换热器优选具有：套管和设有热绝缘的外罩的中央的芯管(11)，所述套管对从芯管(11)径向向外延伸的环形间隙(15)限界，其中芯管(11)和环形间隙(15)构成为用于有流动能力的载热介质的穿流。套管由软管状的、可膨胀的包套(14)形成，所述包套在换热器的安装状态下直接邻接于地热换热器孔(1)的壁部(2)。本发明也描述了一种用于将同轴地热换热器(10)引入到地热换热器孔(1)中的方法。
【专利说明】同轴地热换热器和用于将这种地热换热器安装在地下的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据设备权利要求1的前序部分所述的同轴地热换热器。此外，本发明也涉及一种根据独立方法权利要求的前序部分所述的用于将根据本发明的同轴地热换热器安装在地下的方法。
【背景技术】
[0002]化石能源载体的可预见的枯竭和降低空气污染物和CO2排放的必要性在热量生产中导致重新考虑并且使替选的可再生能源、尤其是无污染物的应用获得更大的认同。热量生产的尤其吸引人的形式在于使用地热。地热或者地热能是地表之下的以热量形式存储的能量。土层即使在地表下大约10至20m 土层也具有整年近似恒定的温度，所述温度随着深度渐增而提高。土层的自然的温度梯度为大约0.03K/m深度。该温度由出自地球内部的热流来确定。热量获取通常借助于地热换热器来进行，所述地热换热器安装到通常50m至350m深的竖直的、紧密回填的孔中。地热换热器承担下述任务:将存在于土层中的敏感的热能传输给在换热器中循环的载热介质，所述载热介质将来自于土层的热能运输到表面上。在那里，热能通常被传输给第二载热介质，所述第二载热介质在热泵中循环。
[0003]常规的地热换热器通常构成为U形管换热器，在所述U形管换热器中载热介质在一个管分枝中从表面流动至地热换热器孔的底部，即从上向下流动。在另外的管分枝中，循环的被加热的载热介质从钻孔底部流动至表面，即从下向上流动。在上升时，载热介质总是将积累的热能的一部分输出给在相邻的管分枝中向下循环的载热介质并且输出给周围的较冷的土层。由于该不期望的热量输出，U形管换热器的能量效率相对差。为了改进效率，因此通常使用同轴地热换热器。载热介质在同轴地热换热器中在外部的环形间隙中从表面流动至钻孔底部，其中所述载热介质在吸收存在于土层中的敏感的热能并且穿过中央的芯管再次向上流动到表面上。如果在这种同轴地热换热器中将中央的芯管隔热，那么相对于U形管换热器能够显著提高能量效率。
[0004]当相对于其他已知类型的地热换热器具有隔热的芯管的同轴地热换热器在可利用的热流的质量方面具有大的能量方面的优点时，可惜所述同轴地热换热器也具有载热介质的压降大的缺点。该缺点如下引起:地热换热器孔的可用的横截面的大部分由于中央的芯管的隔热部的横截面积、同轴的地热换热器的套管的相对大的壁厚度和尤其是在安装换热器之后在换热器的套管和周围土层之间注入的、例如为由膨润土和水泥构成的混合物的填充层而损失。用于运输载热介质的净横截面积由此大大减小。
【发明内容】
[0005]因此，本发明的目的是:实现一种同轴地热换热器，所述同轴地热换热器对于循环的载热介质具有较小的压降并且允许周围土层的热能更高地被吸收到载热介质中。也应实现一种用于在土层中安装根据本发明的同轴地热换热器的方法，所述方法可尽可能简单且成本适宜地执行并且重视环境和水源保护。
[0006]该目的的解决方案在于一种同轴地热换热器，所述同轴地热换热器具有中央的芯管和套管，所述套管对从芯管径向向外延伸的环形间隙限界，其中芯管和环形间隙构成为用于有流动能力的载热介质的穿流。根据本发明，同轴地热换热器的套管在换热器的安装状态下直接邻接于地热换热器孔的壁部。
[0007]本发明的基本理念在于:如下改型同轴地热换热器，使得在换热器的安装状态下能够放弃对地热换热器孔的壁部和同轴地热换热器的套筒之间的环形间隙的回填。同轴地热换热器构成为使得其直接邻接于孔壁部。由此显著增大了同轴地热换热器的对于运输载热介质所提供的流动横截面。包含在周围土层中的热能直接地通过同轴地热换热器的套管被传输给载热介质。由此避免了因回填的材料、通常为膨润土水泥混合物引起的损失。套管通过在中央的芯管中并且在环形间隙中的循环的载热介质压挤热换热器孔的壁部，以便防止必要时穿孔的水层液压地彼此连接。
[0008]本发明的一个实施方案变形形式提出:芯管和环形间隙构成为用于作为载热介质的水的穿流。水用作为载热介质在环境和水源保护方面显示出附加的安全性，因为即使在泄漏的情况下也不会造成污染。这甚至允许在至今为止出于地下水保护的原因而作为禁区的领域中使用根据本发明的同轴地热换热器。
[0009]本发明的一个有利的实施方案变形形式提出:同轴地热换热器的套管由可通过提高内压膨胀的、软管状的包套形成。软管状的包套的可膨胀性和弹性允许该包套理想地匹配于地热换热器孔的壁部，以便由此实现对于热量传输而言尽可能好的接触，并且此外可靠地密封可能穿孔的地下水位。
[0010]为了便于将同轴地热换热器安装在地热换热器孔中，所述地热换热器孔例如大致为450m并且能够达到直至1500m的深度，本发明的另一个实施方案变形形式提出:软管状的包套在折叠状态下包围芯管并且在引入到地热换热器孔中之后可通过以超压输送的有流动能力的流体膨胀为稳定的最终形状。在此，膨胀的包套附加地满足稳定孔的“支架(stent) ”的功能。
[0011]通过在本发明的另一个实施方案变形形式中软管状的包套具有展开的、与对于其提供地热换热器的孔的直径相比更大的直径的方式实现:形成同轴地热换热器的套管的已安装的并且已展开的或者已膨胀的包套在完全填充的状态下相对于内部仍具有轻微的折痕，所述折痕以不规则的形式产生。该折痕引起对软管壁的附加的加固。相反，同时出现的环形间隙的体积缩小仅是小的并且在运行时实际上对于载热介质的流动阻力没有影响。
[0012]也能够提出:同轴地热换热器的软管状的包套在超过相对于载热介质、尤其是相对于水的最大相对超压的情况下至少局部受限地是可透过的。由此防止了包套在膨胀时折断为裂隙或腔，所述裂隙或腔在制造地热换热器孔时偶尔会因更大的材料爆胀而产生。较小的腔通过穿过外部的套被压出的水填充。在空的裂隙或较大的腔中，包套的相对于水的由超压引起的可穿透性用于使该包套仅膨胀到直至其可靠地密封性地贴靠孔壁部。在此，包套仅受限地扩展到裂隙或腔中；由此防止了材料的过度延展。包套的材料在此构成为，使得必须达到的、直至水穿过包套时的最大相对超压为大约2bar至3bar。包套的相对于水的受限的可穿透性在此适当地被限制到下述区域上:所述区域在地热换热器的安装状态下位于坚固的土层中、尤其是位于多岩石的地下中。邻接于松散土层的表面附近的区域适当地构成为是不可透过水的。因为在制造地热换热器孔时可极其精确地确定松散土层和多岩石的地下之间的边界，所以地热换热器能够精确地匹配于局部条件。
[0013]在同轴地热换热器的另一个实施变型形式中，中央的芯管和外部的软管状的包套整体地彼此连接并且它们作为连续的卷料而存在。为了引入到所制造的地热换热器孔中，同轴地热换热器可以期望的长度从滚筒卷开。在施工地点处，仅须将芯管和优选折叠的包套的所提供的整体的设置引入到地热换热器孔中。为此，同轴地热换热器简单地以期望的长度从滚筒展开。如果设置在滚筒上的长度不足够，那么在引入到地热换热器孔中之前或期间所需要的地热换热器的附加的长度能够从另一个滚筒展开并且在端部位置处紧密地与第一部段的端部连接，以便得到所需要的长度。
[0014]替选地，也能够提供一种同轴地热换热器，其中中央的芯管和整体地与其连接的软管状的包套以定长截断的部段存在。定长截断的部段在引入到地热换热器孔中时可以液体密封的方式彼此连接。该变型形式尤其应用在不那么柔软或刚性的换热器管中。
[0015]在同轴地热换热器的另一个实施变型形式中，中央的芯管和可膨胀的软管状的包套彼此分开地存在。在此，包套由平的连续的卷料形成，所述连续的卷料卷料仅在引入中央的芯管的情况下才与该芯管聚拢，其中软管状的包套的纵向棱边彼此以液体密封的方式连接。
[0016]形成软管状的包套的连续的卷料的纵向侧的液体密封的连接例如通过在专门为此构成的连接设备中缝合和/或焊接邻接的区域来建立。
[0017]形成同轴地热换热器的套管的软管状的包套优选是塑料复合薄膜，所述塑料复合薄膜能够具有大约3mm至15mm的壁厚度。3mm的壁厚度在长度直至大约450m的情况下足以承载塑料复合薄膜的自重。在同轴地热换热器的长度更大的情况下，相应地为软管状的包套选择更大的壁厚度。外部的包套仅少量地占据空间，然而在膨胀的状态下具有足够大的固有稳定性。
[0018]本发明的一个实施方案变型形式提出:包套具有由铝板网构成的护板，可延展的塑料膜在两侧被施加到所述护板上。塑料膜例如由聚乙烯、胶乳、橡胶等材料制成并且是微穿孔的。
[0019]在本发明的一个优选的实施方案变型形式中，中央的芯管由热绝缘的外罩围绕。热绝缘的外罩防止在芯管中上升的被加热的载热介质将其热量部分地再次输出给在环形间隙中向下流动的载热介质。由此能够提高同轴地热换热器的热效率。
[0020]在根据本发明的、用于在土层中安装同轴地热换热器的方法中，如从现有技术中已知的那样，首先借助钻孔设备制造地热换热器孔。孔的深度例如为300m至500m并且能够达到直至1500m。此后根据本发明构成的同轴地热换热器下沉到所准备的孔中。在引入同轴地热换热器之后，首先折叠的、软管状的包套膨胀为，使得所述包套基本上贴靠孔壁部，其中所述包套围绕设有绝缘部的芯管并且同时形成同轴地热换热器的套管的限界壁部。在根据本发明的方法中，同轴地热换热器安装在地热换热器孔中，使得同时形成同轴地热换热器的套管的限界壁部的软管状的外部的包套直接贴靠孔壁部。由此避免了套管的限界壁部和孔壁部之间的环形间隙，所述环形间隙在现有技术中的地热换热器中必须被回填。因此，在根据本发明的方法中取消了通常为由膨润土和水泥构成的混合物的填充材料的注入步骤。套管的由膨胀的包套形成的限界壁部与孔壁部之间的直接接触有助于将土层的热能传输给在同轴地热换热器中循环的载热介质，所述载热介质在本发明中优选由水形成。通过取消回填层相对于现有技术中的地热换热器显著增大了对于循环的载热介质所提供的流动横截面。由此，在同轴地热换热器的长度上得到更小的压降，所述压降对用于循环泵送载热介质的能量成本产生直接有利的影响。
[0021]为了将同轴地热换热器引入到地热换热器孔中，折叠的外部的包套能够由极其薄的薄膜围绕。薄的薄膜构成为，使得其在相对低的超压中撕裂从而实现了首先折叠的包套的展开。
[0022]在根据本发明的方法的一个变型形式中，同轴地热换热器的折叠的软管状的包套的膨胀借助于压缩空气来实现。折叠的包套在此通过压缩空气吹鼓到全直径上，所述压缩空气优选通过同轴地热换热器的中央的芯管以超压输送。在中央的芯管的前端上设置有可调节的热源、优选红外辐射器。中央的芯管以可调节的速度能够从钻孔底部被牵拉至表面，以便区域地短暂加热膨胀的软管状的包套。由于超压和包套材料在被加热的区域中的较低的韧性而出现塑性变形。在此，包套材料被压入到孔壁部的小腔中。由于与较冷的土层的热接触，包套材料冷却到其临界的流动温度之下并且保持其形状。此后，芯管又下沉到其原始位置中。
[0023]为了避免在孔壁部中的较大的腔的区域中引起膨胀的包套的过度延展，本发明的一个变型形式提出:在软管状的包套中设置有用于测量区域的延展或凸出的传感器。在达到边界值时，提高热源的移动速度，也就是说使热源更快速地沿朝表面的方向运动，以便由此限制塑性变形。设置在包套中的传感器因此允许调节包套的塑性变形。由此避免因过度的鼓起而损伤包套。
[0024]一个替选的用于在土层中安装同轴地热换热器的方法提出:同轴地热换热器的折叠的软管状的包套的膨胀借助水来实现，所述水从上方起填入到中央的芯管和折叠的包套之间的环形间隙中。该方法尤其适合于将水用作为载热介质的同轴地热换热器。在此，水首先用于膨胀或展开软管状的包套，此后也能够用作为载热介质。软管状的包套的膨胀从钻孔底部起向上沿朝表面的方向进行。孔的较深的区域中的压强大于向上的压强。通过展开并且增大软管状的包套的体积，大多位于包套和孔壁部之间的水沿朝表面的方向被挤压。在较大的腔的区域中，包套继续扩展，并且部分地侵入到腔中。因为包套材料自2bar至3bar的相对超压起对于所输送的水是部分可透过的，所以水能够从同轴地热换热器的内部溢出到腔中。由此避免了包套材料的过度延展。
[0025]以水来膨胀的方法的一个变型形式提出:在完全填充中央的芯管直至表面和等待时间之后，作用在中央的芯管中的水柱上的压强连续地或阶梯式地被提高直至大约12bar至大约15bar的超压。等待时间能够持续几分钟至两天。为了能够完全地用穿过渗透性的套溢出的水填充孔壁部中的较小的腔并且将包含在腔中的空气挤出，需要等待时间。较大的腔或空的裂隙自然不能够完全以水填充。在此包套以受限的程度鼓起到腔或裂缝中就足够了。超压被保持一段时间，以便包套以期望的程度膨胀。时间段能够为30s至1.5小时。通过随后提高作用到中央的芯管中的水柱上的压强，软管状的包套更稳固地挤压孔壁部。折痕被平滑或者部分地压缩。由此，包套材料在该位置处被延展、即塑性变形而不泄漏。腔中的不可压缩的水和包套的可透过性防止包套过强地变形。如果腔中的水的压强由于压入包套材料而过大，那么水能够穿过渗透性的包套材料流入到中央的芯管和软管状的包套之间的环形空间中，以便因此再次平衡压强。
[0026]根据本发明构成的、具有中央的芯管和从原始折叠的状态转变为稳定的膨胀状态的软管状的包套的同轴地热换热器尤其适合于以水作为载热介质的运行，其中所述芯管设有热绝缘的外罩，所述包套同时形成同轴地热换热器的套管并且在同轴地热换热器的安装状态下贴靠地热换热器孔的壁部。水作为载热介质具有下述优点:在载热介质期望地或不期望地从同轴地热换热器中溢出的情况下也不会造成污染。由此，根据本发明的地热换热器也尤其适合于在至今为止出于地下水保护的原因而作为禁区的领域中使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]本发明的其他的优点和特征从下面参考示意图对实施例进行的描述中得出。附图以不按比例的方式示出:
[0028]图1示出借助于根据现有技术中的地热换热器的热水制备的原理；
[0029]图2示出地热换热器的孔；
[0030]图3示出现有技术中的、具有热绝缘的中央的芯管和套管的、设置在孔中的同轴地热换热器的横截面；
[0031]图4示出根据本发明的、具有热绝缘的中央的芯管和可膨胀的软管状的包套的、设置在地热换热孔中的同轴地热换热器的横截面；以及
[0032]图5示出具有部分膨胀的软管状的包套的、下沉到孔中的同轴地热换热器的示意图以阐述安装方法。
【具体实施方式】
[0033]在图1至图5中的视图中相同的元件或构件分别具有相同的附图标记。
[0034]图1中的示意剖面图以建筑物B的加热装置的实例示出已知的地热换热器技术的原理。为此，插入到大约50m至350m的地热换热器孔I中的地热换热器5经由输入管路6与热泵7连接。热泵7以所需量的热水供应建筑物B的暖气系统8。插入到孔I中的地热换热器5是液体在其中循环的热交换器。根据所示出的实施例，地热换热器5具有四个由聚乙烯构成的换热器管，所述换热器管分别成对地组装成U形管并且与通向热泵7的输入管路6连接。换热器管例如具有32mm或40mm的直径。地热换热器5被推至孔的底部3。地热换热器5和孔壁部2之间余下的空腔以通常由通过膨润土和水泥构成的混合物构成的填充材料4紧凑地回填，以便保证地热换热器5的换热器管和孔壁部2之间的良好的热接触。也可以考虑确保足够好的热传输的其他的材料作为填充材料4。例如也已知下述方法变型形式，其中使用水作为填充材料。在换热器管中循环的液体、通常为具有15%至35%份额的防冻剂的水从地下G抽取地热并且给热泵7供应该地热能。借助热泵7随后将温度提升到对于加热目的所需的水平上。在图1中还表明:地下G通常由表面附近的较软的土层S和硬的岩石层R组成。地热换热器孔I被推进直至到硬的岩石层R中，因为在那里出现仅与孔深度相关的稳定的温度条件。
[0035]图2示意地示出地热换热器孔I的轴向截面。孔壁部再次具有附图标记2。钻孔底部设有附图标记3。地热换热器孔I的直径例如为大约7.62cm至15.24cm(3英寸至6英寸)。地下再次以附图标记G来表示。如果地下是紧凑的、均匀的且干燥的，那么隔热的中央管能够简单地下沉到地热换热器孔I中。中央管的壁部和岩石对环形间隙限界，所述环形间隙能够以载热介质来填充，所述载热介质在被加热的状态下能够穿过隔绝的中央管向运输至表面，以便在那里将所吸收的热量经由热交换器输出给热泵。较冷的载热介质然后又沿朝向钻孔底部3的方向运输。但是现实中，地热换热器孔不引导穿过紧凑的岩石，而是横贯松散的和或多或少坚固的土层的不同的层，所述层例如也包含不同的、不应长期混合的地下水位L、W。地下水位W例如能够包含污染的水,而地下水位L包含较清洁的地下水，所述地下水用作为饮用水储备。孔壁部2通常具有鼓起或腔9，所述鼓起或腔会因水冲蚀更加增大。在安装地热换热器时，因此必须注意的是，不同的地下水位能够可靠地彼此分开，并且鼓起和腔9能够被稳定，使得其能够不进一步增大。
[0036]除了在图1中所表明的具有成对的U形管的地热换热器之外，从现有技术中也已知同轴地热换热器。图3中的横截面视图示出在地下G中安装在地热换热器孔I中的同轴地热换热器10’的示意横截面。所述同轴地热换热器具有中央的芯管11’，所述芯管设有隔热装置12’。隔热的中央的芯管11’由套管14’围绕。套管14’的壁部对环形间隙15’限界，所述环形间隙在隔绝装置12’的外壁部和套管14’的壁部之间延伸。孔壁部2和套管14’的外壁部之间的余下的环形间隙以通常为由膨润土和水泥构成的混合物的填充物16填充。填充物的任务是稳定钻孔壁部2、使不同的地下水位可靠地彼此分开并且应当用于尽可能好地将存在于地下的热能运输至在同轴地热换热器10’中循环的载热介质。从示意图中直接可见的是，对于载热介质所提供的流动横截面相对于地热换热器孔的固有横截面是相对小的，因为填充物占据钻孔横截面至三分之一。这在已知的同轴地热换热器10’的运行中导致在换热器的长度上的提高的压降并且导致由此引起的、对于载热介质的循环而言相对高的能量耗费。对于安装现有技术中的该同轴地热换热器10’而言，耗费尤其由于所需要的用于填充物16的注入步骤是相对高的。
[0037]图4示出根据本发明的同轴地热换热器的类似于图3的示意的横截面视图。相同的器件分别设有与图3相同的附图标记，然而没有撇号“’ ”。整体上设有附图标记10的根据本发明的同轴地热换热器下沉到地热换热器管I中。同轴地热换热器10具有中央的芯管11，所述芯管通过隔热装置12包覆。附图标记14表示可膨胀的软管状的包套，所述包套在图4中以折叠状态示出。折痕设有附图标记17。在膨胀的状态下，软管状的包套14直接贴靠地热换热器孔I的壁部2。在展开之前在包套14和孔壁部2之间存在的间隙16在包套14膨胀的情况下消失，所述包套形成同轴地热换热器10的套管，所述套管此时直接贴靠孔壁部2。取消以填充物回填间隙16。在取消填充物之后，对于穿流同轴地热换热器10的载热介质保留与在现有技术中的同轴地热换热器中相比明显更大的横截面。由此，能够使用下述芯管11，所述芯管的空的横截面13具有更大份额的同轴地热换热器孔I的横截面积。在软管状的包套14的膨胀状态下，隔热装置和包套14之间的环形间隙15与在现有技术中的同轴地热换热器中相比自然也具有更大的横截面积。
[0038]形成同轴地热换热器10的套管的软管状的包套14优选是塑料复合薄膜并且根据同轴地热换热器的长度具有大约3mm至15mm的壁厚度。3mm的壁厚度在长度直至大约450m的情况下足以承载塑料复合薄膜的自重。在同轴地热换热器的长度更大的情况下，相应地为软管状的包套选择更大的壁厚度。外部的包套仅少量地占据体积，然而在膨胀状态下具有足够大的固有稳定性。塑料复合薄膜的小的壁厚度也有助于从地下G到在同轴地热换热器10中循环的载热介质的热过渡。
[0039]本发明的一个实施方案变型形式提出:包套14具有由铝板网构成的护板，可延展的塑料膜在两侧上被施加到所述护板上。塑料膜例如由聚乙烯、胶乳、橡胶等材料制成并且是微穿孔的。由于内压，金属网板以期望的程度变形并且给予包套14所需的稳定性。本发明的另一个实施方案变型形式能够提出:外部的包套经由设置在中央的内管上的、可展开的肋片或连接片与内管连接。肋片或连接片在内管的环周和其长度上分布地设置。所述肋片或连接片可通过提高的内压展开并且在展开状态下占据稳定的最终位置。所述肋片或连接片应当附加地在径向上支撑外部的包套并且防止萎陷。
[0040]图5示出地热换热器孔I与已插入的根据本发明构成的同轴地热换热器10的的钻孔底部附近的部段并且用于阐述换热器在孔I中的安装方法。在制造例如能够具有大约450m并且直至1500m的深度的地热换热器管之后，弓I入根据本发明的同轴地热换热器10并且推动直至孔I的底部3。同轴地热换热器10在其朝向钻孔底部3的端部处具有换热器头部20，所述换热器头部与热绝缘的中央的芯管11连接并且与可膨胀的软管状的包套14连接，所述包套在同轴地热换热器10下沉期间以折叠状态存在。在换热器头部20中设有流动通道(未示出)，所述流动通道使内管和在内管11和包套之间的环形间隙连接。如已经在其他部位所提及的那样，同轴地热换热器10能够作为连续的卷料存在，或者以定长截断的部段来提供，所述部段在引入到地热换热器孔中时以液体密封的方式彼此连接。最后，热绝缘的中央的芯管11和可膨胀的软管状的包套14也能够彼此分开地存在。在此，包套由平的连续的卷料形成，所述卷料仅在引入中央的芯管时才与该芯管聚拢，其中软管状的包套的纵向棱边以液体密封的方式彼此连接。通过换热器头部20由于同轴地热换热器的重量向下牵拉该同轴地热换热器且用于中央的芯管11的被延展的位置的方式，所述换热器头部便于同轴地热换热器10的引入。
[0041]在换热器头部20达到地热换热器孔I的底部之后，在用于同轴地热换热器的安装方法的第一变型形式中，缓慢地从上方起以水来填充在热绝缘的中央的芯管11和展开的包套14之间的环形间隙。在此，折叠的包套14从下方起膨胀并且紧密地压紧孔壁部2。通过增大软管状的包套14的体积，缓慢地向上挤压位于包套14和孔壁部2之间的间隙16中的水。如果孔壁部2例如具有腔9，那么软管状的包套14部分地侵入到该腔中，以便至少部分地借助于鼓起部18填满。为了在腔9和裂隙更大的情况下避免包套14的过度延展或者甚至避免包套的断裂，软管状的包套14对于水而言自大约2bar至3bar的相对压强差起至少局部受限地是可透过的。一旦在包套14上存在该超压，那么水穿过包套14溢出到腔9中。以该方式用水填满较小的腔。由此避免包套14进一步鼓起。在腔或裂隙更大的情况下，包套14仅受限地鼓起到腔或裂隙中，由此在边缘处可靠地密封该腔或裂隙。包套适当地构成为，使得其在表面附近的区域中不透水地构成，所述表面附近的区域在膨胀状态下通常邻接于松散的土层。
[0042]包套14的膨胀的外径选择为略大于地热换热器孔I的直径；直径差例如大约为3%至10%。由此，软管状的包套14在其完全以水填充之后仍具有向内指向的、不规则地设置的小的折痕。该折痕对包套14产生附加的加固。在中央的芯管11也完全地以水填充之后，在大约5min至48h的等待时间之后，作用到芯管11中的水柱上的压强连续地提高直至大约12bar至大约15bar的超压并且在大约30s至1.5小时的时间段内保持。为了完全地以包套14的内部中的水填充可能位于孔壁部2中的较小的腔9并且能够将包含在腔中的空气挤出，需要等待时间。在腔或裂隙较大的情况下仅引起包套受限地膨胀到腔或裂隙中。
[0043]由于作用到芯管11中的水柱上的压强提高，包套14更强地压紧孔壁部2。仍存在的折痕被部分地平滑、部分地压缩。包套材料在该位置处被延展、即塑性变形但不断裂。由此提高了形成同轴地热换热器10的套管的膨胀的包套14的固有强度。在包套14和孔壁部2之间的腔9中的不可压缩的水防止包套14在该位置处过度延展和泄漏。如果由于将包套14压入到腔9中而使得位于那里的水的压强强烈地提高，那么该水能够从腔9中穿过包套14流入到环形间隙15中。使包套14强烈地压紧腔9的边缘引起可靠的密封并且防止不同的引导水的层中的地下水的竖直的循环。挤压孔壁部2的包套14稳定孔壁部2并且防止材料进一步爆胀。直接贴靠孔壁部2的包套和仍存在的折痕有助于从地下G到载热介质中的热能过渡。在同轴地热换热器10以上述方式安装在孔中之后，所述同轴地热换热器能够与热泵的热交换器连接并且运行。填入的水用作为同轴地热换热器10中的载热介质。连接在其之间的压力罐(未示出)用于:在同轴地热换热器中总是保持大约2bar至3bar的超压。
[0044]在用于安装根据本发明构成的同轴地热换热器10的一个方法变型形式中，用压缩空气代替水来膨胀首先折叠的软管状的包套14。内折的软管状的包套14通过过压吹鼓到全直径上。压缩空气为此例如通过中央的芯管11输送。在芯管的前端处安置热源、例如红外辐射器。该热源与芯管11 一起从钻孔底部被缓慢地牵拉至表面。通过缓慢地提升热源，通过超压膨胀的包套14区域地被加热。由于超压和包套材料因加热而降低的韧性，出现塑性变形。包套材料由此紧密地压紧孔壁部2并且侵入到小的细孔和裂缝中。通过与较冷的地下的热接触，包套材料快速地再次冷却到其临界的流动温度下。安置在芯管的前端处的热源以受调节的速度被向上牵拉。为了在较大的腔9的区域中避免包套材料过度膨胀，在包套中设置传感器，所述传感器监控包套延展的程度。如果达到包套14延展的极限值，那么更快速地提升热源。由此限制了相关区域上的塑性变形。此外，以水多次填充较大的腔9和裂隙。水是不可压缩的从而自动地防止包套14过渡鼓起。在包套完全地扩张和变形之后，芯管再次被推动直至保留在钻孔底部处的换热器头部。如果同轴地热换热器10以该方式安装在孔I中，那么所述同轴地热换热器能够以载热介质、适当地以水填充并且连接到热交换器和热泵上。在其之间还能够连接有压力罐，由此在同轴地热换热器中总是始终保持大约2bar至3bar的超压。
[0045]为了进一步便于同轴地热换热器引入到地热换热器孔中，折叠的外部的包套由极其薄的薄膜围绕。薄的薄膜构成为，使得其在超压相对低的情况下撕裂从而实现了首先折叠的包套的展开。
[0046]在上文中详细描述的同轴地热换热器的实施方案变型形式和用于在地热换热管中安装所述同轴地热换热器的所解释的方法变形型式用于阐述本发明。然而由此在任何情况下都不限制一般性的发明思想或者不排除等价的实施方式。
【权利要求】
1.一种同轴地热换热器，所述同轴地热换热器具有中央的芯管(11)和套管，所述套管对从所述芯管向外延伸的环形间隙(15)限界，其中所述芯管(11)和所述环形间隙(15)构成用于有流动能力的载热介质的穿流， 其特征在于，所述套管在换热器(10)的安装状态下直接邻接于地热换热器孔(I)的壁部⑵。
2.根据权利要求1所述的同轴地热换热器，其特征在于，所述套管由能通过提高内压膨胀的、软管状的包套(14)形成。
3.根据权利要求2所述的同轴地热换热器，其特征在于，软管状的所述包套(14)在折叠状态下围绕所述芯管(11)并且在引入到所述地热换热器孔(I)中之后能够通过以超压输送的有流动能力的介质进入稳定的最终形状。
4.根据权利要求3所述的同轴地热换热器，其特征在于，软管状的所述包套(14)具有展开的直径，所述直径大于所述地热换热器孔(I)的直径，所述地热换热器(10)针对所述地热换热器孔来设置。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的同轴地热换热器，其特征在于，所述芯管(11)和所述环形间隙(15)构成为用于作为载热介质的水的穿流。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的同轴地热换热器，其特征在于，软管状的所述包套(14)在超过相对于所述载热介质、尤其是相对于水的最大相对超压时至少局部受限地是可透过的。
7.根据权利要求6所述的同轴地热换热器，其特征在于，所述最大相对超压为大约2bar 至 3bar。
8.根据权利要求6或7所述的同轴地热换热器，其特征在于，软管状的所述包套的在安装状态下邻接于松散土层的表面附近的区域构成为是不透水的。
9.根据权利要求3至8中的任一项所述的同轴地热换热器，其特征在于，中央的所述芯管(11)和能膨胀的所述包套(14)整体地彼此连接并且作为连续的卷料存在，并且为了引入到所述地热换热器孔(I)中能够以期望的长度从滚筒展开。
10.根据权利要求3至8中的任一项所述的同轴地热换热器，其特征在于，中央的所述芯管(11)和整体地与其连接的能膨胀的所述包套(14)以定长截断的部段存在并且所述部段在引入到所述地热换热器孔(I)中时能够以液体密封的方式彼此连接。
11.根据权利要求3至8中的任一项所述的同轴地热换热器，其特征在于，中央的所述芯管(11)和能膨胀的所述包套(14)彼此分开地存在，其中能膨胀的所述包套(14)由平的连续的卷料形成并且在引入中央的所述芯管(11)的情况下才能够与所述芯管聚拢，其中所述包套(14)的纵向棱边能够以液体密封的方式彼此连接。
12.根据权利要求10或11所述的同轴地热换热器，其特征在于，液体密封的所述连接能够通过缝合和/或焊接来建立。
13.根据上述权利要求中的任一项所述的同轴地热换热器，其特征在于，能膨胀的所述包套(14)由塑料复合薄膜形成，所述塑料复合薄膜具有大约3mm至大约15mm的壁厚度。
14.根据上述权利要求中的任一项所述的同轴地热换热器，其特征在于，所述包套具有由铝板网构成的护板，能延展的塑料膜能够在两侧被施加到所述护板上，所述塑料膜优选由聚乙烯、胶乳、橡胶等材料制成并且是微穿孔的。
15.根据上述权利要求中的任一项所述的同轴地热换热器，其特征在于，中央的所述芯管(11)设有热绝缘的外罩(12)。
16.一种用于在土层中安装同轴地热换热器的方法，其中首先借助钻孔设备制造地热换热器孔(I)，并且此后使同轴地热换热器(10)下沉到所准备的孔(I)中， 其特征在于，在引入所述同轴地热换热器(10)之后使首先折叠的、软管状的包套(14)膨胀为，使得所述包套基本上贴靠所述地热换热器孔(I)的壁部(2)，所述包套同时形成所述同轴地热换热器(10)的套管的限界壁部。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，借助压缩空气实现所述同轴地热换热器的折叠的软管状的所述包套(14)的膨胀，所述压缩空气优选通过换热器的中央的芯管(11)输送，并且在中央的所述芯管(11)上设置能调节的热源、优选红外辐射器，所述红外辐射器能够以能调节的速度从钻孔底部(3)移动至表面，以便区域地短暂加热膨胀的所述包套(14)。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在能膨胀的所述包套(14)中设置用于测量区域的延展的传感器，并且所述热源的移动速度与所测量的包套材料的所述延展相关。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，借助水实现所述同轴地热换热器(10)的折叠的所述包套(14)的膨胀，所述水从上方引入到所述芯管(11)和折叠的所述包套(14)之间的环形间隙(15)中。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，在完全填充中央的所述芯管(11)直至表面和大约5min至48h的等待时间之后，将作用到中央的所述芯管(11)中的水柱上的压强连续地或阶梯式地提高至大约12bar至大约15bar的超压，并且在所述同轴地热换热器(10)中在大约30s至1.5小时的时间段内保持。
21.同轴地热换热器(10)的以水作为载热介质的一种运行，所述同轴地热换热器具有中央的芯管(11)和从原始折叠的状态转变为稳定的膨胀状态的软管状的包套(14)，所述芯管设有热绝缘的外罩(12)，所述包套形成套管并且在所述同轴地热换热器(10)的安装状态下直接贴靠地热换热器孔(I)的壁部(2)。
【文档编号】F24J3/08GK104302989SQ201380025495
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年3月27日 优先权日:2012年5月14日
【发明者】马蒂亚斯·布勒德 申请人:布罗德股份公司