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Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Gewinnung von Heizungsenergie aus Erd- wärme, mit mindestens einem Sondenrohr, das als unten geschlossenes Rohr ausgeführt ist und das mit einem Kältemittel beaufschlagt ist, sowie mit einem Sondenkopf, der am oberen Ende des Sondenrohrs vorgesehen ist, der einen als wendelförmig gebogenes Rohr ausgebildeten Kondensator/Verdampfer aufweist, der mit dem Sondenrohr verbunden ist, um die aus dem Erdreich gewonnene Energie an eine Wärmepumpe abzugeben, die diese an einen Wärmeverbraucher weiterleitet.
Heizungsanlagen mit Wärmepumpen sind seit vielen Jahren bekannt und haben aufgrund ihrer wirtschaftlichen Energiegewinnung einen hohen Stellenwert er- langt. Die der Wärmepumpe zugeführte Energie kann dabei sowohl der Umge- bungsluft, als auch dem Grundwasser oder dem Erdreich entnommen werden.
Die Entnahme von Erdwärme hat sich für Wärmepumpenanlagen, welche nicht nur zur Brauchwassererwärmung, sondern speziell auch in der kälteren Jahres- zeit für die Heizung eines Objektes herangezogen werden, als besonders wirt- schaftlich herausgestellt, da die zur Verfügung stehende Umweltenergie keinen beziehungsweise keinen grossen Schwankungen unterworfen ist, so wie dies etwa bei der Umgebungsluft der Fall ist.
Um dem Erdreich Wärme zu entziehen, werden Erdsonden senkrecht oder leicht schräg in das Erdreich eingebracht. Bekannte Erdsonden bestehen aus einem Doppelrohrsystem, bei dem durch das Innenrohr ein Wärmeträger - etwa ein Wasser-Glykol-Gemisch - nach unten strömt und in dem Ringspalt zwischen dem Innenrohr und dem unten verschlossenen Aussenrohr wieder aufwärts steigt, wo- bei das Gemisch durch die Erdwärme aufgewärmt wird. Die Vor- und Rückläufe meist mehrerer Erdsonden sind über einen Verteiler mit dem Verdampfer der Wärmepumpe verbunden, so dass ein geschlossener Kreislauf gebildet wird.
Diese bekannte Vorrichtung weist jedoch mehrere Nachteile auf. Einerseits ist für die Umwälzung des Wärmeträgermediums eine Pumpe notwendig, zweitens ist der Wirkungsgrad dieser Erdsonde systembedingt nicht optimal, da das Doppel- rohrsystem unvermeidbar einem Wärmenebenschluss auf kurzem Weg vom Ringspalt zum Innenrohr aufweist, drittens ist das Doppelrohr relativ aufwendig in seiner Herstellung und damit teuer, viertens ist das eingesetzte Gemisch nicht für Anlagen in Wasserschon- oder schutzgebieten zulässig und fünftens haben solche Wärmeträgermedien den Nachteil, dass sie nach einiger Zeit zu Korrosi- onsproblemen führen.
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Um diese Probleme zu vermeiden, wurden Systeme wie in der DE-OS 42 11 576 entwickelt, bei welchen die Erdsonde aus einem einzigen, nach unten geschlos- senen Rohr besteht, in welchem sich ein Kältemittel befindet, weiches im unteren Teil des Rohres durch die eindringende Erdwärme verdampft wird, im dampfför- migen Zustand im Rohr nach oben steigt, am oberen Ende des Wärmerohrs unter Abgabe von Wärmeenergie an einen Verdampfer wieder kondensiert und als Flüssigkeit wieder nach unten fliesst. Die unterschiedlichen Aggregatzustände zwischen aufsteigendem und abfliessendem Kältemittel bedingen einen vernach- lässigbaren thermischen Rückschluss im Sondenrohr. In Verbindung mit dem oh- nehin hohen Wirkungsgrad der Phasenwechsel beim Wärmeaustausch ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad des gesamten Systems.
Da der Transport des Kältemit- tels im Rohr durch aufsteigenden Dampf und Abfliessen von Flüssigkeit selbsttätig erfolgt, ist der Einsatz einer Umwälzpumpe nicht mehr erforderlich. Ausserdem ist die Erdsonde sehr einfach gestaltet und somit preiswert in der Herstellung.
Um dem Problem der Umweltgefährdung bei einem Bruch der Sonde zu begeg- nen und damit den Einsatz solcher Erdwärmeanlagen auch in Gebieten mit Grundwasservorkommen zu ermöglichen, wird in solchen Erdsonden bevorzugt - wie in der US 5,327,734 oder in der DE 198 60 328 beschrieben - CO2 als Käl- temittel eingesetzt. CO2 ist ein Hochdruckkältemittel, dessen kritische Daten ca.
31 C bei 74 bar sind ; bei20 C ist der Druck ca. 57 bar. CO2 gilt als Sicherheits- kältemittel, da es ungiftig und unbrennbar ist.
Die bekannten Vorrichtungen lösen zwar die oben beschriebenen Probleme, sind jedoch in der praktischen Anwendung noch mit Mängeln behaftet. So kann das in der DE 198 60 328 beschriebene Sondenrohr nur für Längen bis etwa 25 Meter eingesetzt werden. Zudem ist es hier erforderlich, die stangenförmigen Rohrteile an der Einbaustelle miteinander durch Löten oder Schweissen zu verbinden, oder die Einbringung eines im Stück gefertigten Rohres mittels eines Kranes durchzu- führen. Zweiteres erfordert die ungehinderte Zufahrt eines entsprechenden Bau- fahrzeuges und ist für die nachträgliche Umstellung eines Heizungssystems auf Erdwärme im verbauten Gebiet schwer anwendbar.
Die Gesamtkosten der Anlage und damit die Frage ihrer Effizienz wird massgeb- lich von der Zahl der benötigten Erdsonden bestimmt, welche für den Wärmebe- darf des entsprechenden Objektes erforderlich sind. Pro Erdsonde wird ein Son- denkopf benötigt. Die zahl der benötigten Erdsonden samt Sondenköpfen richtet sich nach dem Wärmebedarf des zu heizenden Objektes, wobei man von einer Wärmeentzugsleistung von ca. 50 W/m Sondenlänge ausgeht. Wenn es gelingt, entsprechend lange Erdsonden in das Erdreich zu bringen, reduziert sich die An- zahl der erforderlichen Sonden und damit auch der Sondenköpfe. Damit kann
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auch das Problem des Platzbedarfs für solche Heizungsanlagen gelöst werden, welches speziell bei geringem Raumangebot Bedeutung hat.
Ein Sondenkopf, wie er etwa in der US 5,327,734 geoffenbart wird, besteht aus einem geschlossenen Behälter, in dem das Trägermedium aus der Erdsonde zir- kuliert und durch welches in einem wendelförmigen Rohr das Kältemittel einer Wärmepumpe hindurchfliesst und sich dabei erwärmt. Da der geschlossene Behäl- ter unter Druck betrieben wird, sind entsprechend der Druckkesselverordnung jährliche Überprüfungendes Sondenkopfes erforderlich.
Um die durch die Überprüfung anfallenden Betriebskosten zu sparen, wurde vor- geschlagen, die Erdsonde als allseits geschlossenes Rohr gleichbleibenden Durchmessers zu gestalten, welches in seinem obersten Abschnitt von einem wendelförmigen Verdampferrohr, durch weiches das Kältemittel einer Wärme- pumpe fliesst, eng anliegend umfasst wird, wie in der DE-OS 42 11 576 geoffen- bart.
Diese Ausführungsvariante weist jedoch einen unbefriedigenden Wirkungsgrad auf, da die Berührungsflächen beider Rohre sehr gering sind. Auch konstruktive Verbesserungen am Verdampferrohr lösen dieses Problem nur unzureichend.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Anlage zur Gewin- nung von Heizungsenergie aus Erdwärme zu schaffen, welche bei geringstem Platzbedarf, geringen Herstellungskosten und geringen Betriebskosten durch Vermeidung einer Überprüfung nach der Druckkesselverordnung, die Nachteile der bekannten Anlagen vermeidet und welche sowohl für den Einbau in verbau- tem Gelände als auch in einem Grundwasserschutzgebiet geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen oder zweckmässige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausfüh- rungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen die Fig. 1 eine schematische Übersichtsdarstellung in einer Draufsicht, die Fig. 2 und 3 Schaltschemata unterschiedlicher Ausführungsvarianten der Er- findung und Fig. 4 ein Detail im vergrössertem Massstab.
Fig. 1 zeigt einen Betonschacht mit einem Schachtring 9, in welchem vier Son- denköpfe 5, 6,7 und 8 untergebracht sind. Im Schachtdeckel befindet sich das strichliert angedeutete Einstiegsloch. Von den Sondenköpfen 5, 6, 7 und 8 führen Sondenrohre 1, 2,3 und 4 über ein Bohrloch 10 in das Erdreich.
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Fig. 2 zeigt ein Sondenrohr 1 mit dem Sondenkopf 5, weicher aus einem wendel- förmig gebogenen Doppelrohr 13 besteht, einen Verdichter 14 und ein Expansi- onsventil 15 für das Kältemittel einer Wärmepumpe, sowie eine Wärmeabgabe- einheit 16. Das nach dem Expansionsventil 15 wieder entspannte Kältemittel wird über einen Verteiler 23 der tiefsten Stelle des Hohlraumes zwischen dem inneren Rohr 24 und dem äusseren Rohr 26 des Doppelrohres 13 zugeführt, um es an seiner höchsten Stelle wieder zu verlassen und über einen Sammler 12 wieder dem Verdichter 14 zugeführt zu werden.
Fig. 3 zeigt die Abbildung nach Fig. 2, wobei der Sondenkopf 5 von einem allseits geschlossenen Behälter 17 eingeschlossen ist, in welchemeine Latentspeichermas- se 18 den Hohlraum ausfüllt. Zwischen der höchsten Stelle 19 des Sondenroh- res 1 und dem Doppelrohr 13 befindet sich ein Verbindungsrohr 20, welches über die Anschlussstelle 21 den CO2 Dampf an das Doppelrohr 13 weitergibt und an der Anschlussstelle 22 das CO2 Kondensat wieder aufnimmt.
Der wichtigste Konstruktionsteil einer Heizenergieanlage mit Wärmepumpe 11 und Sondenrohren 1, 2,3, 4 sind die Sondenköpfe 5,6, 7,8 mit dem Kondensa- tor/Verdampfer. Diese Technologie ist prinzipiell von Kältekaskaden bekannt, je- doch kommt im vorliegenden Anwendungsfall erschwerend dazu, dass der Druckabfall sondenseitig minimiert werden und die Kondensatableitung in der Weise erfolgen muss, dass die Sondenrohre 1, 2,3, 4 gleichmässig und vor allem vollflächig beaufschlagt werden, ohne den Dampfstrom zu behindern. Die Kon- densation erfolgt daher idealerweise von oben nach unten. 'zu dicke Kondensat- filme sollten im Hinblick auf einen guten Wärmeübergang vermieden werden.
Das entspricht auch der Forderung nach kleinen Temperaturdifferenzen zwischen dem Sondenmedium und dem Kältemittel der Wärmepumpe 11. Erfindungsge- mäss besteht daher der Sondenkopf 5,6, 7,8 aus einem wendelförmig geboge- nen Doppelrohr 13, wobei das innere Rohr 24 denselben Innendurchmesser wie das Sondenrohr 1, 2, 3, 4 aufweist.
Das Sondenrohr 1, 2,3, 4 ist in seinem oberen Bereich an seiner höchsten Stelle dicht mit der höchsten Stelle 21 des inneren Rohres 24 des Doppelrohres 13 und an einer weiteren Stelle mit der tiefsten Stelle 22 des inneren Rohres 24 des Doppelrohres 13 verbunden. Dadurch wird gewährleistet, dass das aufsteigende dampfförmige CO2 an der höchsten Stelle 21 des inneren Rohres 24 eindringt und das Kondensat das innere Rohr 24 an seiner tiefsten Stelle 22 verlässt um wieder entlang der Innenwand des Sondenrohres 1 abwärts zu rinnen.
Zwischen dem inneren Rohr 24 und dem äusseren Rohr 26 des Doppelrohres 13 ist ein Abstandhalter 25, insbesondere in der Form eines umlaufenden Drahtes vorgesehen (siehe Fig. 4). Der Hohlraum zwischen dem inneren Rohr 24 und
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dem äusseren Rohr 26 wird vom Kältemittel einer Wärmepumpe 11 durchflossen, wobei dessen Fliessrichtung entgegengesetzt zum CO2 Strom verläuft.
Theoretisch kann die Verdampfungstemperatur des CO2 abhängig von seinem Sättigungsdruck und abhängig von der Umgebungstemperatur in einem grossen Bereich angewendet werden. In der praktischen Anwendung hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, dass die Verdampfungstemperatur des CO2 in einem Be- reich zwischen -15 C und +25 C, insbesondere zwischen -5 C und +15 C liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Anlage ist zwi- schen der höchsten Stelle 19 des Sondenrohres 1 und der höchsten Stelle 21 des inneren Rohres 24 ein Verbindungsrohr 20 und eine Verbindung zwischen dem Verbindungsrohr 20 und der tiefsten Stelle 22 des inneren Rohres 24 des Doppel- rohres 13 vorgesehen. Durch dieses zusätzliche Verbindungsrohr 20 wird es möglich, den Sondenkopf 5 als geschlossenen Behälter 17 mit drei Anschlüssen vorzufertigen und an der Einbaustelle zu montieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Hohlraum dieses Be- hälters 17 mit einer Latentspeichermasse 18 gefüllt. Dadurch wird es möglich, die kontinuierliche Wärmezufuhr aus dem Bohrloch 10 bei abgeschalteter Wär- meabgabe in der Latentspeichermasse 18 zwischenzuspeichern und bei einer neuerlichen Wärmeanforderung an das Heizsystem weiterzugeben. Durch diese Massnahme kann die Effizienz der Gesamtanlage weiter erhöht werden.
Durch den erfindungsgemässen Sondenkopf 5 kann zwar der Wirkungsgrad des Verdampfers wesentlich verbessert werden, die bestmögliche Lösung der gestell- ten Aufgabe wird allerdings erst in Verbindung mit einer wesentlichen Vergrösse- rung der Sondenlänge erreicht, da dadurch eine erheblich grössere Wärmeaus- beute pro Sondenrohr 1, 2,3, 4 erzielt wird, wodurch die Anzahl der Sondenroh- re, der Sondenköpfe und letztendlich der Betonschächte erheblich reduziert wird.
Tiefensonden mit CO2 als Kältemittel haben den Vorteil, dass sie nach heutigem Wissensstand bis etwa 200m nach dem Naturumlaufprinzip möglich sind. Um Sondenlängen von bis zu 100m und mehr zu erreichen, sind Erdsonden aus Stangenmaterial zwar theoretisch denkbar, doch stösst man hier in der prakti- schen Anwendung auf erhebliche Schwierigkeiten, welche nur durch sehr auf- wendige und daher unwirtschaftliche Einbringungstechniken umgangen werden können. Zusätzlich tritt an den Verbindungsstellen vermehrt ein Korrosionsprob- lem auf.
Erfindungsgemäss besteht daher das Sondenrohr 1, 2,3, 4 aus einem kunststoff- beschichtetem Kupferrohr, welches als Rollenware im Handel erhältlich ist und erst bei der Erdmontage gerade ausgerichtet wird. Diese Rollenware ist im Ver-
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gleich zur Stangenware erheblich billiger und kann in ihrer Länge je nach Bedarf hergestellt werden.
Die geradlinige Ausrichtung bei der Erdmontage kann händisch erfolgen. Unab- hängig von der gewünschten Länge kann dieses Sondenrohr ohne Kran und ohne besondere Zufahrtsmöglichkeit zur Einbaustelle problemlos auch nachträglich in bebautem Gebiet eingebracht werden.
Ein weiterer Vorteil, der sich besonders auf die Herstellungskosten auswirkt, be- steht darin, dass herkömmliche Bohrtechniken eingesetzt werden können.
Auch hier wird es durch die Verwendung der Rollenware möglich, solche Wärme- gewinnungsanlagen auch in einem Wasserschutzgebiet zu errichten, in welchem normale Bohrmethoden, bei denen eine Verschmutzung des Grundwassers durch Schmiermittel zu befürchten wäre, nicht angewendet werden dürfen. Durch Presssysteme ist hier die Einbringung bis zu einer Länge von etwa 50m möglich.
Durch den Einsatz von Sondenrohren 1, 2, 3, 4 mit bis zu 100m Länge oder auch darüber wird die Anzahl der erforderlichen Sondenrohre zur Gewinnung der nöti- gen Wärmeausbeute möglichst gering halten, so dass der gesamte Platzbedarf der Anlage so klein gehalten werden kann, dass sie auch bei kleinstem Rauman- gebot möglich wird.