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Die Erfindung betrifft einen im Erdreich zu verlegenden Wärmeaustauscher für das Betriebsmittel einer
Wärmepumpenheizung.
Die für die Beheizung von Häusern herkömmlich verwendeten Primärenergien, wie Kohle, Öl und Erdgas, werden teurer und knapper. Ebenso stellt man immer höhere Anforderungen an ihre Verbrennung. Im vorliegenden Zusammenhang reicht es aus, diese Anforderungen mit dem Stichwort Umweltschutz zu umschreiben.
Auf der Suche nach neuen, für die Beheizung von Häusern anwendbaren, billigen und umweltfreundlichen
Energien ist man auf die natürliche Erdwärme gestossen. Diese lässt sich mit dem physikalisch seit langem bekannten Prinzip der Wärmepumpe ausnutzen und zur Hausbeheizung heranziehen. Mit einer solchen
Wärmepumpe wird die Erdwärme durch Einbringen mechanischer Energie auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Vereinfacht gesprochen handelt es sich um den von Eisschränken bekannten Kältemaschinen-Prozess, der jetzt in anderer Richtung durchlaufen wird. Bei diesem nun linksherum ablaufenden Kreisprozess wird der
Verflüssiger der Wärmepumpe, in dem ein dampfförmiges Betriebsmittel unter Abgabe des grössten Teils der in ihm enthaltenen Wärme verflüssigt wird, als Wärmetauscher ausgebildet.
Er gibt die aus dem Betriebsmittel herausgeholte Wärmeenergie an den Wärmeträger der Heizanlage ab.
Ein wesentlicher und den Gegenstand der Erfindung bildender Bestandteil einer Wärmepumpenheizung ist der im Erdboden zu verlegende Wärmeaustauscher. Dieser wird vom Betriebsmittel durchströmt und soll dieses auf einem möglichst langen Weg mit dem Erdreich in Berührung bringen. Dabei nimmt es aus diesem Wärme auf.
Bei den bisherigen Versuchen zur praktischen Verwirklichung einer Wärmepumpenheizung hat man als Wärmeaustauscher Rohre oder Schläuche, gegebenenfalls in hin- und hergehenden Schleifen, im Erdboden verlegt. Nach einer Faustregel muss man dabei zum Beheizen von 1 m2 Fussbodenfläche etwa 3 bis 4 m2
Erdboden belegen. Wegen der mit steigender Tiefe zunehmenden Bodentemperatur soll der Wärmeaustauscher möglichst tief verlegt werden. Der Wärmeaustauscher wird u. a. in der für das Hausfundament ausgeschachteten Grube verlegt. Diese Grube, deren Fläche die Grundfläche des Hauses etwas übersteigt, hat jedoch auf keinen
Fall ein die Fussbodenfläche um das Drei- bis Vierfache übersteigendes Mass. Somit musste man den neben dem
Haus gelegenen Garten oder Hof zum Belegen mit den Rohren oder Schläuchen heranziehen.
Dies treibt die Anlagekosten auf untragbare Höhen. Auch mit niedrigen Betriebskosten lassen sie sich kaum noch abtragen.
Hievon ausgehend stellt sich für die Erfindung die Aufgabe, einen Wärmeaustauscher mit hoher
Flächennutzung zu entwickeln. Unter Flächennutzung wird dabei das Verhältnis von Berührungsweg zwischen Erdboden und Betriebsmittel einerseits und auszuschachtender Bodenfläche anderseits verstanden.
Als Lösung für diese Aufgabe hat sich nach der Erfindung eine Konstruktion herausgestellt, die gekennzeichnet ist durch zwei rechteckförmige, aufeinanderliegende und an ihren Rändern miteinander verschweisste Kunststoffolien, einen Betriebsmitteleinlauf an einer und einen Betriebsmittelauslauf an einer andern Ecke, und Abschweissungen zwischen den beiden Kunststoffolien, die unter gegenseitigem Abstand parallel zueinander und zu einem Rand zwischen den beiden senkrecht zu diesem einen Rand stehenden Rändern verlaufen und die abwechselnd an dem einen oder andern dieser beiden letzten Ränder beginnen und kurz vor dem jeweilig gegenüberliegenden andern Rand enden. Für das Betriebsmittel ergibt sich daraus ein mäanderförmiger Strömungsweg. Die Länge dieses Strömungsweges ist etwa gleich der Breite einer Folie, multipliziert mit der Zahl der Abschweissungen.
Diese Länge übersteigt diejenige der Strecke um ein Wesentliches, die bei Belegung der gleichen Bodenfläche mit Rohren oder Schläuchen, auch bei hin- und hergehender Verlegung in Schleifenform, erreichbar ist. Der erfindungsgemässe Wärmeaustauscher bringt damit eine solch hohe Flächennutzung, dass das Belegen allein der Bodenfläche des Fundamentes für viele Anwendungsfälle ausreicht.
Für die praktische Verwirklichung dieses Grundgedankens ergeben sich mehrere Möglichkeiten. Der Betriebsmitteleinlauf und der Betriebsmittelauslauf können an sämtlichen vier Ecken liegen. Die Abschweissungen müssen zwischen diesen so hin und her verlaufen, dass sich der maximal mögliche Strömungsweg ergibt.
In einer ersten zweckmässigen Ausgestaltung ist der Betriebsmitteleinlauf an einem Rand und der Betriebsmittelauslauf am gegenüberliegenden Rand der beiden Kunststoffolien angeordnet, und die Abschweissungen verlaufen parallel zu diesen beiden Rändern zwischen den beiden andern senkrecht hiezu verlaufenden Rändern.
In einer zweiten Ausgestaltung ist der Betriebsmitteleinlauf an einem Ende eines Randes und der Betriebsmittelauslauf am gleichen Ende des gegenüberliegenden Randes der beiden Kunststoffolien angeordnet, und die Abschweissungen verlaufen parallel zu diesen Rändern zwischen den hiezu senkrecht stehenden Rändern.
In sämtlichen Ausgestaltungen enden die Abschweissungen zweckmässig in einer ihrem gegenseitigen Abstand entsprechenden Entfernung von dem jeweiligen Rand. Damit erhält der durch die Abschweissungen gebildete Strömungskanal auch an den Umkehrstellen gleichen Querschnitt. Dies vermeidet unnötige Strömungsverluste.
Die Folien können quadratische oder auch Rechteckform haben. Als ein nur zur Erläuterung und nicht zur Einschränkung dienendes Zahlenbeispiel sei genannt, dass die Folien eine Länge von 10 und eine Breite von 2 m haben. Die Abschweissungen haben einen Abstand von etwa 3 cm. Der Druck des Betriebsmittels liegt bei etwa 1 atü. Damit erhält der Wärmeaustauscher trotz seines Aufbaus aus elastischen Folien eine hohe Steifheit. Diese ist so hoch, dass er ohne Gefährdung des Fundamentes in der Baugrube unter diesem verlegt werden kann.
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Am Beispiel der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In den Zeichnungen ist Fig. 1 eine vereinfachte Aufsicht auf eine Ausführungsform des Wärmeaustauschers, Fig. 2 in vergrössertem Massstab ein Schnitt entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinie und Fig. 3 eine vereinfachte Aufsicht auf eine zweite Ausführungsform.
Der Wärmeaustauscher besteht aus der unteren Folie --12-- und der oberen Folie--14--. Diese sind an ihren beiden Rändern--16 und 18--und den beiden hiezu senkrecht verlaufenden Rändern--20 und 22--miteinander verschweisst. Unter gegenseitigem Abstand verlaufen die Abschweissungen --24-- bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform quer über die Folien. Zum Wärmeaustauscher gehören dann schliesslich noch der Betriebsmitteleinlauf--26-und der Betriebsmittelauslauf-28-.
Dieser Wärmeaustauscher wird in einer beliebigen oder besser in einer wirtschaftlich noch erreichbaren Tiefe im Erdboden und insbesondere in der Baugrube verlegt. Über dem Betriebsmitteleinlauf --26-- und dem Betriebsmittelauslauf--28--wird er an den Primärkreislauf der Wärmepumpenheizung angeschlossen. Im Betrieb wird er durch das ihn mit Druck durchströmende Betriebsmittel auf seine in Fig. 2 gezeigte Form aufgebläht. Damit erreicht er eine auch für hohe statische Anforderungen ausreichende Steifheit.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform sind der Betriebsmitteleinlauf --26-- und der Betriebsmittelauslauf --28-- am gleichen Rand --20-- angeordnet. Die Abschweissungen-24-verlaufen nun parallel zu den Rändern--16 und 18--. Der Strömungsweg wird wieder gestreckt. Die Pfeile zeigen ihn an.
Bei den in den Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführungsformen haben die Folien--12 und 14--
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Querränder nennen. Diese Bezeichnungen gelten für Rechteckform der Folien. Bei quadratischer Form der Folien sind sämtliche Ränder einander gleich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Im Erdreich zu verlegender Wärmeaustauscher für das Betriebsmittel einer Wärmepumpenheizung, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h zwei rechteckförmige, aufeinanderliegende und an ihren Rändern (16,18, 20, 22) miteinander verschweisste Kunststoffolien (12,14), einen Betriebsmitteleinlauf (26) an einer und einen Betriebsmittelauslauf (28) an einer andern Ecke, und Abschweissungen (24) zwischen den beiden Kunststoffolien (12,14), die unter gegenseitigem Abstand parallel zueinander und zu einem Rand zwischen den beiden senkrecht zu diesem einen Rand stehenden Rändern verlaufen und die abwechselnd an dem einen oder andern dieser beiden letzten Ränder beginnen und kurz vor dem jeweilig gegenüberliegenden andern Rand enden.
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