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 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 links herum ablaufenden Kreisprozess wird der Verflüssiger der Wärmepumpe, in dem ein dampfförmiges Betriebsmittel unter Abgabe des grössten Teils der in ihm enthaltenden 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 vorliegenden 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 qm Fussbodenfläche etwa 3 bis 4 qm Erdboden belegen. Wegen der mit steigender Tiefe zunehmenden Bodentemperatur soll der Wärmeaustauscher möglichst tief verlegt werden. Der Wärmeaustauscher wird unter anderem 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 herabziehen. Dies treibt die Anlagekosten auf untragbare Höhen.
Auch mit niedrigen Betriebskosten lassen sie sich kaum noch abtragen.
Hiervon ausgehend stellt sich für vorliegende 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 andererseits verstanden.
Als Lösung für diese Aufgabe hat sich nach der Erfindung eine Konstruktion herausgestellt, die gekennzeichnet ist durch zwei rechteckförmige, aufeinanderliegende und an ihren Aussenseiten miteinander verschweisste Kunststoffolien, einen Betriebsmitteleinlauf an einer und einen Betriebsmittelauslauf an einer anderen Ecke und Abschweissungen zwischen den beiden Kunststoffolien, die unter gegenseitigem Abstand parallel zueinander und zu einer Aussenseite zwischen den beiden senkrecht zu dieser einen Aussenseite stehenden Aussenseiten verlaufen und die abwechselnd an der einen oder anderen dieser beiden Aussenseiten beginnen und kurz vor der jeweilig gegenüberliegenden anderen Aussenseite 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 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 dann zwischen diesen so hin- und herverlaufen, dass sich der maximal mögliche Strömungsweg ergibt.
In einer ersten zweckmässigen Ausgestaltung ist der Betriebsmitteleinlauf an einem Querrand der rechteckförmigen Kunststoffolien und der Betriebsmittelauslauf am anderen Querrand angeordnet, und die Abschweissungen verlaufen parallel zu diesen Querrändern zwischen den beiden Längsrändern der Kunststoffolien.
In einer zweiten Augestaltung ist der Betriebsmitteleinlauf an einem Ende eines Längsrandes der rechteckförmigen Kunststoffolien und der Betriebsmittelauslauf am gleichen Ende des anderen Längsrandes angeordnet, und die Abschweissungen verlaufen parallel zu diesen Längsrändern zwischen den beiden Querrändern der Kunststoffolien.
In sämtlichen Ausgestaltungen enden die Abschweissungen zweckmässig in einer ihrem gegenseitigen Abstand entsprechenden Entfernung vor dem jeweiligen Längs- oder Querrand.
Damit erhält der durch die Abschweissungen gebildete Strömungskanal auch an den Umkehrstellen gleichen Querschnitt. Dies vermeidet unnötige Ströniiungsverluste.
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 vorteilhaft einen Abstand von etwa 3 cm. Der Druck des Betriebsmittels liegt vorzugsweise 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.
Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist:
Fig. 1 eine vereinfachte Aufsicht auf eine Ausführungsform des Wärmeaustauschers,
Fig. 2 in grösserem 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 Kunststoffolie 12 und der oberen Kunststoffolie 14. Diese sind an ihren beiden Längsrändern 16 und 18 und ihren beiden Querrändern 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 Be triebsmitteleinlauf 26 und der Betriebsmittelauslauf 28.
Dieser Wärmeaustauscher wird in einer beliebigen oder besser in einer wirtschaftlich noch erreichbaren Tiefe im Erdboden und insbesondere in einer Baugrube verlegt. Über dem Betriebsmitteleinlauf 26 und dem Betriebsmittelauslauf 28 wird er an den Primärkreislauf einer 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 Querrand 20 angeordnet. Die Abschweissungen 24 verlaufen nun parallel zu den Längsrändern 16 und 18. Der Strömungsweg wird wieder gestreckt. Die Pfeile zeigen ihn an.
The invention relates to a heat exchanger to be laid in the ground for the equipment of a heat pump heating system.
The primary energies traditionally used to heat houses, such as coal, oil and natural gas, are becoming more expensive and scarce. There are also ever higher demands on their combustion. In the present context, it is sufficient to describe these requirements with the keyword environmental protection.
In the search for new, cheap, environmentally friendly energies that could be used for heating houses, one came across natural geothermal energy. This can be exploited with the physically long-known principle of the heat pump and used for house heating. With such a heat pump, the geothermal energy is brought to a higher temperature level by introducing mechanical energy. Put simply, it is the refrigeration machine process known from ice cabinets, which is now carried out in a different direction. In this cycle, which now runs counter-clockwise, the condenser of the heat pump, in which a vaporous operating medium is liquefied while releasing most of the heat it contains, is designed as a heat exchanger. It transfers the thermal energy extracted from the equipment to the heat transfer medium of the heating system.
An essential component of a heat pump heating system, which forms the subject of the present invention, is the heat exchanger to be laid in the ground. The equipment flows through this and should bring it into contact with the ground over the longest possible route.
It absorbs heat from this.
In previous attempts to implement heat pump heating in practice, pipes or hoses have been laid in the ground as heat exchangers, if necessary in back and forth loops. According to a rule of thumb, you have to cover around 3 to 4 square meters of ground to heat 1 square meter of floor space. Because the soil temperature increases with increasing depth, the heat exchanger should be laid as deep as possible. The heat exchanger is laid in the pit dug for the house foundation, among other things. This pit, the area of which is slightly larger than the floor area of the house, is by no means three to four times larger than the floor area. So you had to pull down the garden or courtyard next to the house for covering with the pipes or hoses. This drives the investment costs to intolerable levels.
Even with low operating costs, they can hardly be removed.
Proceeding from this, the task of the present invention is to develop a heat exchanger with a high use of space. Land use is understood to mean the relationship between the contact path between the ground and the equipment on the one hand and the ground area to be excavated on the other.
As a solution to this problem, a construction has been found according to the invention, which is characterized by two rectangular plastic films, one on top of the other and welded together on their outer sides, an operating fluid inlet at one corner and an operating fluid outlet at another corner and welds between the two plastic films, which are below mutual spacing parallel to one another and to an outside between the two outside perpendicular to this one outside and which alternately begin on one or the other of these two outside and end shortly before the respective opposite other outside. This results in a meandering flow path for the equipment. The length of this flow path is roughly equal to the width of a film multiplied by the number of welds.
This length significantly exceeds the distance that can be achieved when the same floor area is covered with pipes or hoses, even when laying the floor in a loop. The heat exchanger according to the invention thus brings about such a high use of space that covering the floor area of the foundation alone is sufficient for many applications.
There are several possibilities for the practical implementation of this basic idea. The operating fluid inlet and the operating fluid outlet can be at all four corners. The welds must then run back and forth between these in such a way that the maximum possible flow path results.
In a first expedient embodiment, the operating fluid inlet is arranged on one transverse edge of the rectangular plastic films and the operating fluid outlet is arranged on the other transverse edge, and the welds run parallel to these transverse edges between the two longitudinal edges of the plastic films.
In a second embodiment, the operating fluid inlet is arranged at one end of a longitudinal edge of the rectangular plastic films and the operating fluid outlet is arranged at the same end of the other longitudinal edge, and the welds run parallel to these longitudinal edges between the two transverse edges of the plastic films.
In all of the configurations, the welds expediently end at a distance corresponding to their mutual spacing in front of the respective longitudinal or transverse edge.
The flow channel formed by the welds thus also has the same cross section at the reversal points. This avoids unnecessary Ströniiungsverluste.
As a numerical example serving only for explanation and not limitation, it should be mentioned that the films have a length of 10 and a width of 2 m. The welds are advantageously about 3 cm apart. The pressure of the operating medium is preferably around 1 atm.
This gives the heat exchanger a high degree of rigidity despite its construction from elastic foils. This is so high that it can be laid under the foundation in the construction pit without endangering the foundation.
The invention will now be described further using the example of the embodiment shown in the drawing. In the drawing is:
1 shows a simplified plan view of an embodiment of the heat exchanger,
2 shows, on a larger scale, a section along the section line shown in FIG. 1 and
3 shows a simplified plan view of a second embodiment.
The heat exchanger consists of the lower plastic film 12 and the upper plastic film 14. These are welded to one another at their two longitudinal edges 16 and 18 and their two transverse edges 20 and 22. In the embodiment shown in FIG. 1, the welds 24 run at a mutual distance across the foils. Finally, the operating medium inlet 26 and the operating medium outlet 28 also belong to the heat exchanger.
This heat exchanger is laid at any desired or, better still, at an economically achievable depth in the ground and in particular in an excavation. It is connected to the primary circuit of a heat pump heater via the operating medium inlet 26 and the operating medium outlet 28. During operation, it is inflated to its shape shown in FIG. 2 by the operating medium flowing through it with pressure. In this way, it achieves sufficient rigidity even for high static requirements.
In the embodiment shown in FIG. 3, the operating medium inlet 26 and the operating medium outlet 28 are arranged on the same transverse edge 20. The welds 24 now run parallel to the longitudinal edges 16 and 18. The flow path is stretched again. The arrows indicate it.