CH650069A5 - Device for heating rooms with use of earth heat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beheizung von Räumen in Ein- bis Acht-Familienhäusern, mit einem Heizungssystem, dem die mit hoher Temperatur abzugebende Wärme von einer an dasselbe angeschlossenen Wärmepumpe zuführbar ist, mit welcher demErdreich Wärme bei niedriger Temperatur mittels eines mit Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit betriebenen Wärmeträgerflüssigkeits-Hilfskreislaufs mit Umwälzpumpe entnehmbar ist, der zwischen den Verdampfer der Wärmepumpe und ein in das Erdreich vertikal eingebrachtes Bohrloch eingeschaltet ist, bei dem das vom Verdampfer zurückfliessende kalte Wasser mittels eines Tauchrohrs in den oberen Abschnitt des Bohrlochs unterhalb der Erdoberfläche einleitbar ist und bei dem das warme Wasser dem Verdampfer vom Grund des Bohrlochs durch ein bis dort im letzteren verlegtes Innenrohr, das gegen Wärmeverlust aufgrund niedriger Wärmedurchgangszahl gesichert ist, zuführbar ist.

Wärmepumpen werden neuerdings eingesetzt, um der Umgebung als Wärmequelle niedriger Tempertatur, z.B. Luft, Wasser, Erdreich oder dgl. Wärmeenergie zu entziehen und diese bei höherer Temperatur zur Auf heizung abzugeben. Das genannte Prinzip der Wärmepumpe kann auch umgekehrt werden, so dass der Umgebung mit Hilfe der Wärmepumpe nicht Wärme entzogen, sondern zugeführt wird, was bei Klima- und Kühlanlagen der Fall ist (DE-OS 2479748), die dem gegenüber der wärmeren Umgebung zu kühlenden Raum die Wärme entziehen.

Bei Heizzwecken setzt sich die erzielte, abgebbare Nutzwärme aus der Wärmeenergie, die der Wärmequelle entzogen wird, und der Antriebsenergie, die zum Betrieb der Wärmepumpe erforderlich ist, zusammen. Als Mass für die im Verhältnis zur aufgewendeten Antriebsenergie tatsächlich zur Verf ügung stehende, abgebbare Gesamtenergie ist die Leistungsziffer £ definiert:

Antriebsenergie für Wärmepumpe + _ Energie aus Wärmequelle

Antriebsenergie der Wärmepumpe

Die zurzeit üblichen Wärmepumpen für den Betrieb von Heizungs- und Kühlanlagen weisen in der Regel eine Leistungsziffer zwischen etwa 2 und 5 auf. Für einen wirtschaftlichen Betrieb ist unter Berücksichtigung der heutigen Energiekosten und Investitionskosten der Anlage eine Leistungsziffer von mindestens 2,5 bis 3,5 beim Antrieb der Wärmepumpe mit Dieselmotoren und von 3,0 bis 4,5 bei elektrischem Antrieb der Wärmepumpe, wünschenswert.

Die Wärmepumpe besteht im wesentlichen aus einem mittels Diesel- oder Elektromotor angetriebenem Verdichter, einem Kondensator, einem Regelventil und einem Verdampfer. Diese Bauteile sind zu einem geschlossenen Kreislauf für das Arbeitsmedium zusammengeschaltet. In diesem zirkuliert als Arbeitsmedium ein Kältemittel mit tiefem Siedepunkt. Soll einem Medium, z.B. dem Erdreich, Wärme entzogen werden, so kann entweder nach einer ersten Möglichkeit der Verdampfer unmittelbar in dieses Medium eingebaut werden, so dass der Kältemittelkreislauf in das abzukühlende Medium hineinläuft, oder es kann nach einer zweiten Möglichkeit die Wärmepumpe mit den oben erwähnten Bauteilen fertig vorfabriziert werden und dem Verdampfer die Wärme über einen an Ort und Stelle anzuschlies-senden geschlossenen oder offenen Wärmeträgerflüssigkeits-Hilfskreislauf zugeführt werden.

Der erstgenannten Möglichkeit, die verschiedentlich vorgeschlagen wurde (DE-AS 1601235 und 2429748), kommt für die Energiegewinnung aus dem Erdreich zurzeit keine praktische Bedeutung zu, weil der Zusammenbau der Wärmepumpe an Ort und Stelle relativ kostenaufwendig ist, weil verfahrenstechnische Schwierigkeiten auftreten, z. B. Vereisung des Verdampfers im Erdreich, und weil aufwendige Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden müssen, um zu verhindern, dass das Erdreich durch Undichtigkeiten im Rohrsystem des die Wärme aufnehmenden Verdampfers mit Kältemittel «verseucht» wird.

Dagegen wird die zweite Möglichkeit, nämlich die Verwendung einer vorfabrizierten Wärmepumpe, verschiedentlich für Heizzwecke praktiziert. Die Gewinnung von Heizenergie mittels Wärmepumpen ist damit heute u.a. unter Ausnutzung der Wärmequellen oberflächennahen Erdreichs, Oberflächenwassers sowie oberflächennahen und oberflächenfernen Grundwassers bekannt.

Bei der Nutzung der im oberflächennahen Erdreich enthaltenen Erdwärme wird ein geschlossener Wärmeträgerflüssigkeits-Hilf skreislauf mit einer in einer annähernd horizontalen Ebene etwa 1 bis 3 m unter Geländeoberfläche im Erdreich verlegten Rohrschlange verwendet. Die Rohrschlange wird von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt, die die Erdwärme aufnimmt. Eine solche Vorrichtung erreicht in den Zeiten des grössten Wärmebedarfs, also im Winter, nur eine geringe Leistungsziffer, denn das Erdreich hat in dieser Tiefe gerade dann eine geringe Eigentemperatur (etwa in der Grössenordnung von 2 bis 4° C), und wird durch den Wärmeentzug weiter bis unter 0° C abgekühlt, was ein Gefrieren zur Folge hat. Als Wärmeträgerflüssigkeit kommt daher auch nur eine frostbeständige Flüssigkeit in Betracht.

Oberflächenwasser aus Seen und Flüssen kann oder darf heutzutagei. a. nicht verwendet werden und fällt daher als Wärmequelle praktisch aus.

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Eine bessere und schon häufiger verfügbare Wärmequelle ist daher das oberflächennahe Grundwasser, weil es im Gegensatz zum Oberflächenwasser eine relativ hohe, im Jahresverlauf relativ gleichbleibende Temperatur von etwa 6 bis 8° C aufweist. Bei der Nutzung dieses Grundwassers als Wärmequelle wird daher eine wesentlich bessere durchschnittliche Leistungsziffer erreicht als bei der Nutzung des oberflächennahen Erdreichs. Das Grundwasser wird in Entnahmebrunnen gefördert, durchläuft unmittelbar als Wärmeträgerflüssigkeit in einem offenen Wärmeträgerflüssigkeits-Hilfskreislauf den Verdampfer der Wärmepumpe und wird im abgekühlten Zustand einem getrennten, vom Entnahmebrunnen weit entfernt liegenden Versicke-rungsbrunnen oder einem offenen Gewässer wieder zugeleitet. Die Nutzung des oberflächenferneren Grundwassers (sofern es vorhanden ist) als Wärmequelle in einem offenen Wärmeträger-flüssigkeits-Hilfskreislauf mit Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit, ist bereits vor drei Jahrzehnten vorgeschlagen worden (US-PS2461449), hataber keine praktische Bedeutung erlangt, weil in der Regel die geologischen Voraussetzungen fehlen. Danach soll zur Nutzung von hoch anstehendem (weniger als 10 m unter Erdoberfläche) neben tief anstehendem Grundwasser als Wärmequelle statt getrennter Entnahme- und Versickerungsbrunnen nur eine vertikale, etwa 60-90 m tiefe Bohrung durch eine oder zwei Grundwasser führende Zonen des Erdreichs niedergebracht und das Bohrloch zwischen einem oberen und einem unteren Teil der einen Zone oder zwischen den beiden Zonen mittels eines Packers in einen unteren Bereich zur Entnahme des dem Verdampfer der Wärmepumpe zuzuleitenden Grundwassers und einen oberen Bereich zur Versickerung des aus dem Verdampfer austretenden abgekühlten Wassers wasserdicht unterteilt werden. Das nahe dem Grund des Bohrlochs anstehende warme Grundwasser wird durch ein mittig des Bohrlochs verlegtes wärmeisoliertes Innenrohr dem Verdampfer der Wärmepumpe über eine oberhalb des Bohrlochs angeordnete Pumpe zugeleitet und von diesem durch eine Rückleitung in den oberen Bereich des Bohrlochs zurückgeführt. Der Grundwasserspiegel im Bohrloch muss wenigstens bis auf 7 bis 8 m an die Erdoberfläche heranreichen, um eine stabile Wasserumwälzung zu gewährleisten. Der im Bohrloch befindliche Packer wird vom Wasser nur bei insgesamt wasserdurchlässigen Erdschichten weiträumig umströmt. Der Wasserkreislauf ist also i. a. ein offener, da das versickerte Wasser dem entnommenen praktisch nicht gleicht.

Die genannten Vorrichtungen zur Nutzung der Erdwärme für Heizzwecke unter Verwendung einer Wärmepumpe haben verschiedene Nachteile. Bei Verlegen eines horizontalen Rohrsystems dicht unter der Geländeoberfläche tritt in der Regel eine unerwünschte Verzögerung des Vegetationsbeginns im Frühling ein. Es ist als Wärmeträgerflüssigkeit in der Rohrschlange des Verdampfers ein spezielles Kältemittel zu verwenden. Dieses erfordert, um einer Verseuchung des Erdreichs und des Grundwassers durch Kältemittel sowie kostspieligen Reparaturen vorzubeugen, Leitungssysteme, die mit Sicherheit korrosionsbeständig sind. Diese bestehen in der Regel aus nur schlecht wärmeleitendem Kunststoff. Um dem Erdreich ausreichend Wärmemenge entnehmen zu können, ist eine Grundstücksfläche erforderlich, die in der Regel erheblich grösser ist als die Grundfläche der zu beheizenden Räume. Gerade zur Zeit des grössten Wärmebedarfs ergibt sich für die Erdreich-Heizeinrich-tung eine wirtschaftlich unzureichende Leistungsziffer, was in jedem Fall unbefriedigend ist.

Vorrichtungen zur Nutzung der Wärme von Grundwasser, sogenannte Grundwasserwärmepumpen, können unter Verwendung von offenen Entnahmebrunnen nur dort eingesetzt werden, wo der Grundwasserspiegel hinreichend dicht unter der Geländeoberfläche vorhanden ist. Sie lassen sich ferner, wenn überhaupt, nur in grossem Abstand voneinander betreiben. Grundwasser kann auch nur dort genutzt werden, wo eine nachteilige Beeinflussung (z. B. benachbarter Wassergewinnungsanlagen oder dgl.) nicht gegeben ist. Ihr Betrieb wird zum Schutze der Umwelt behördlich eingeschränkt oder teilweise völlig untersagt. Diese Art der Erdwärmegewinnung ist daher nicht universell auf jedem beliebigen Grundstück anwendbar. Auch der Verzicht auf 5 oberflächennahe Entnahmebrunnen zugunsten vertikaler Tiefbohrungen mit Entnahme von oberflächenfernem Grundwasser aus grossen Tiefen und Versickerung des rückgeleiteten abgekühlten Wassers in oberflächennäheren Schichten führt nicht zu einer universell anwendbaren Grundwasserwärmepumpe, da sie 10 an das Vorhandensein hoch- und tiefliegender wasserführender Schichten gebunden ist.

Die vielfach vorgeschlagene Aufnahme der Geowärme durch Kreislaufwasser in grossen Tiefen und die unmittelbare Verwendung des aus einem Bohrloch herausgeführten Heisswassers zur 15 Heizung scheidet für Raumheizungssysteme von Ein- bis Acht-Familienhäusern aus, weil die Erstellung der bis wenigstens etwa 2000 m tief reichenden Bohrungen mit zentralem wärmeisoliertem Rücklaufrohr derart hohe Investitionskosten erfordert, dass auch herkömmliche Heizungssysteme mit schlechtem Wirkungs-20 grad zu einer preiswerteren Heizung führen.

Der Erfindung liegt demgemäss die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Nutzung der Erdwärme für Heizungszwecke der eingangs genannten Art mit geschlossenem Wärmeträgerflüssig-keits-Hilfskreislauf derart auszugestalten, dass die genannten 25 zeitlichen und örtlichen Einschränkungen des Betriebs weitge-hendst entfallen und insbesondere eine für die Wirtschaftlichkeit ausreichend hohe Leistungsziffer über das ganze Jahr erreicht wird, ohne dass die Investitionskosten für den die Wärme aus dem Erdreich aufnehmenden Hilfskreislauf die Gesamtwirt-30 schaftlichkeit in Frage stellen oder gar vereiteln.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei der eingangs genannten Vorrichtung vor, dass das Wasser des Hilfskreislaufs 15 bis 20 m unterhalb der Erdoberfläche mittels eines Tauchrohrs, das wenigstens in dem Bereich, in dem es in im 35 Bohrloch stehendes Wasser eintaucht, wärmeisoliert ist, in den Aussenbereich des Bohrlochs einleitbar ist, dass die Umwälzpumpe innerhalb des Innenrohrs unterhalb des Wasserspiegels im Bohrloch angeordnetist, und dass das Bohrloch mindestens 6 cm Durchmesser hat und mindestens 100 m, insbesondere 40 mindestens 150 m, tief ist.

Das Bohrloch kann in wasserdurchlässigen Bereichen wasserdicht ausgekleidet sein oder wasserdicht verrohrt sein. Wird die Umwälzpumpe als elektrische Unterwasserpumpe ausgebildet und am unteren Ende des Innenrohrs montiert, dann liegt sie 45 etwa mittig des Wasserströmungswegs und arbeitet besonders ausgeglichen. Die Wärmedurchgangszahl des bevorzugt aus Kunststoff bestehenden Innenrohrs soll so niedrig sein, dass die Abkühlung des im Innenrohr hochströmenden warmen Wassers nicht mehr als 1 bis 2° C, bei grossen Tiefen höchstens 3° C so beträgt, um eine hohe Leistungsziffer zu erzielen.

Die Erfindung ermöglicht überraschend problemlos die Nutzung der Wärmeenergie des Erdreichs bis in oberflächenferne Bereiche dadurch, dass verhältnismässig enge und damit bis in grosse Tiefen wirtschaftlich herzustellende Bohrungen ins Erd-55 reich niedergebracht werden. In diesen Tiefen unterliegt das Erdreich nicht mehr den jahreszeitlichen Temperaturschwankungen. Um die Vegetation und die Lebensbedingungen an der Erdoberfläche nicht zu beeinflussen - die Stärke dieser oberen Erdschicht wird mit 15 bis 20 m angenommen - wird dort ein 60 Wärmetausch unterbunden, so dass zeitliche und örtliche Beschränkungen, die bisher bei geschlossenen Wärmeträgerflüs-sigkeits-Kreisläufen hingenommen werden mussten, entfallen. Das Bohrloch kann - je nach Beschaffenheit und Standfestigkeit des Erdreichs und je nach Zusammensetzung des als Wärmeträ-65 gerflüssigkeit verwendeten Wassers - unverrohrt belassen werden oder an den Wandungen abgedichtet bzw. mit einer wasserdichten Bohrlochauskleidung versehen werden. In der Regel muss mindestens ein oberster Teil des Bohrlochs zum Schutz

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gegen Einfallen verrohrt werden. Das Bohrloch wird vom Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit in der Weise durchströmt, dass ein Teil der im Erdreich vorhandenen Wärmeenergie in das Wasser durch Wärmetausch an der Bohrlochwandung übertritt und mit Hilfe des Wassers zur Wärmepumpe transportiert wird. Das Wasser wird am Bohrlochgrund entnommen und durch ein in bekannter Weise gegen Wärmeverlust aufgrund niedriger Wärmeleitzahl gesichertes, gegebenenfalls noch zusätzlich isoliertes Innenrohr zur Wärmepumpe gefördert, in deren Verdampfer es aufgrund der Wärmeabgabe abkühlt. Es tritt dann im abgekühlten Zustand durch das Tauchrohr oben wieder in das Bohrloch ein und strömt in dessen Aussenbereich nach unten, wobei es hier zunehmend Wärme aufnimmt. Die Intensität der Wärmeaufnahme ist dabei naturgemäss umso grösser, je grösser der Temperaturunterschied zwischen dem Wasser und dem Erdreich ist.

Als Wärmeträgerflüssigkeit soll Wasser benutzt werden, welches in seinen chemischen Eigenschaften dem eventuell vorhandenen Grundwasser entspricht. Das Bohrloch braucht dann im allgemeinen nicht zu einem in sich absolut wasserdicht geschlossenen Rohrsystem ausgebaut zu werden. Alternativ kommt jedoch auch Wasser in Betracht, dem ein dessen Gefrierpunkt erniedrigender Zusatz zugegeben wurde. Hierbei kann es sich um Streusalz (NaCl) handeln, so dass eine schwache Sole die Wärmeträgerflüssigkeit bildet. Diese erfordert zum Schutz einer Grundwasserbeeinflussung zwar höhere Herstellungskosten für das Bohrloch, da eine gute Abdichtung, z. B. durch Bohrlochverrohung, erforderlich ist, dafür erlaubt sie aber eine höhere Energieausbeute infolge möglicher höherer Temperaturdifferenz zwischen Flüssigkeit und umgebendem Erdreich.

Mit der Erfindung lassen sich verschiedene Vorteile erzielen:

Im jahreszeitlichen Durchschnitt lässt sich eine höhere Wirtschaftlichkeit gegenüber Vorrichtungen mit dicht unter der Geländeoberfläche verlegtem geschlossenem Rohrleitungssystem erzielen, weil in Erdreichbereichen mit höheren und j ahres-zeitlich konstanteren Temperaturen gearbeitet wird. Die im Jahresmittel erreichbare Leistungsziffer liegt trotz fehlenden Grundwassers mindestens so hoch wie bei den bisher üblichen oberflächennahen Grundwasser-Wärmepumpensystemen. Bei günstiger Wahl der Bohrlochabmessungen lässt sich eine höhere Leistungsziffer erzielen.

Durch bewussten Verzicht auf direkten Einbau des Verdampfers der Wärmepumpe in das Erdreich ist eine wirtschaftliche fabrikmässige Serienfertigung der Wärmepumpen möglich. Die Gefahr einer möglichen Verseuchung des Grundwassers durch eventuell aus schadhaftem Verdampfer austretendes Kältemittel ist wegen der industriellen Fertigung vermindert. Durch die Verwendung von Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit in einem geschlossenen Hilfskreislauf ist die Verseuchungsgefahr des Grundwassers bei einem Leck oder bei am Bohrloch in höheren Schichten anstehendem Grundwasser vermieden. Ein für den Wärmeübergang nachteiliges Gefrieren des Erdreichs rund um die Rohre des Verdampfers kann nicht eintreten.

In einer oberen Zone des Erdreichs soll ein Wärmeaustausch zwischen Erdreich und dem Wasser des Hilfskreislaufs verhindert werden. Dies kann zweckmässig durch Einleitung der Flüssigkeit erst unterhalb 15 bis 20 m Tiefe durch ein soweit isoliertes Tauchrohr oder durch Isolierung des Bohrlochs erfolgen, so dass jegliche Beeinträchtigung der Vegetation vermieden ist Ausserdem kann durch entsprechende Wahl der Bohrlochtiefe das Mass der Erdreichabkühlung bei vorgegebenem maximalem Wärmeentzug beliebig begrenzt werden. Die erfindungs-gemässe Vorrichtung ist daher umweltfreundlich. Durch entsprechende Wahl der Bohrlochtiefe, unterschiedlichen Bohrlochdurchmesser und unterschiedliche Ausbildung der Bohrlochwandung kann die Vorrichtung individuell den j eweils gegebenen Untergrund- und Grundwasserverhältnissen angepasst werden, ohne dass z. B. auf Nachbargrundstücken vorhandene Wassergewinnungsanlagen oder Erdwärmeheizungsanlagen beeinflusst werden.

Der geschlossene Hilfskreislauf ist so ausgelegt, dass nach Möglichkeit immer eine geschlossene Wassersäule vorhanden ist. Daher ist für die Umwälzung des Wassers meist lediglich Antriebsenergie für die Überwindung des Reibungswiderstandes im Hilfskreislauf erforderlich, aber nicht-wie bei den bisher üblichen Grundwasserwärmepumpen mit offenem Hilfskreislauf -zusätzlich Energie für die Förderung des Grundwassers aus grossen Tiefen, d. h. für die Überwindung des Höhenunterschieds zwischen dem abgesenkten Wasserspiegel im Entnahmebrunnen und dem erhöhten Wasserspiegel im Versickerungs-brunnen.

Das Bohrloch benötigt nur einen sehr geringen Platzbedarf auf dem bebauten Grundstück und kann daher praktisch auf jedem Grundstück erstellt werden, ohne dass die Nutzung des Grundstücks als Garten, Bauland oder dgl. beeinträchtigt ist. Auch ohne grosse Grundstücksveränderung ist ein nachträglicher Einbau des erfindungsgemässen Hilfskreislaufs möglich.

Das Rohrsystem für den Hilfskreislauf des als Wärmeträgerflüssigkeit verwendeten Wassers im Bohrloch wird durch ein wärmeisoliertes, dünnes Innenrohr und durch das Bohrloch selbst bzw. ein dicht an der Bohrlochwandung anliegendes Aussenrohr gebildet. Somit wird fast der gesamte Bohrlochquerschnitt (nur abzüglich des Innenrohrs) für den Flüssigkeitsstrom genutzt. Dadurch kann der Bohrlochdurchmesser ausserordentlich klein gehalten werden, so dass auch grosse Bohrlochtiefen besonders wirtschaftlich hergestellt werden können.

Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt:

Fig. 1 eine Vorrichtung mit Rückführung des abgekühlten Wassers des Hilfskreislaufs mit einem wärmeisolierten Tauchrohr, das in das vollständig mit Wasser gefüllte Bohrloch eintaucht, und

Fig. 2 eine Vorrichtung gemäss Fig. l,beiderdasTauchrohr jedoch nur unterhalb eines oberflächennahen Grundwasserspiegels im Bohrloch wärmeisoliert ist.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung besteht aus einer Wärmepumpe 1 als ihrem Kernstück, einem Heizungssystem 2, das über Heizkörper einen zu erwärmenden Raum in einem Haus 3 aufheizt, und einem Wärmeträgerflüssigkeits-Hilfskreislauf 4, der die dem Erdreich entzogene Wärme an den Verdampfer der Wärmepumpe abgibt. Die Wärmepumpe und das Heizungssystem sind in bekannter Weise aufgebaut, so dass auf eine nähere Beschreibung verzichtet ist.

In Fig. 1 umfasst der mit Wasser betriebene Wärmeträgerflüs-sigkeits-Hilfskreislauf 4 ein vertikal in die Erde 5 eingebrachtes, gegebenenfalls in wasserdurchlässigen Bereichen abgedichtetes und von der Erdoberfläche 13 bis 15 bis 20 m wärmeisoliertes Bohrloch 6 von mindestens 100 m Tiefe, in welchem ein vom Bohrlochgrund 7 zum Verdampfer der Wärmepumpe 1 führendes dünnes Innenrohr 8 mit niedriger Wärmeleitzahl verlegt ist. Das Innenrohr 8 ist über eine Rohrleitung 10 an den Verdampfer der Wärmepumpe 1 angeschlossen. Das aus diesem austretende Wasser gelangt über ein Anschlussrohr 11 und ein zur Verminderung von Wärmeaufnahme aus dem umgebenden Erdreich wärmeisoliertes Tauchrohr 12, das 15 bis 20 m unterhalb der Erdoberfläche 13 in das Bohrloch 6 mündet, in dessen Aussenbereich. Hier strömt das Wasser abwärts, nimmt an der Bohrlochwandung Wärme aus dem Erdreich auf, um dann als erwärmtes Wasser durch das Innenrohr 8 aufzusteigen und wieder zum Verdampfer zu gelangen. Der Durchmesser des Innenrohrs 8 im Verhältnis zu dem des Bohrlochs 6 wird so gewählt, dass das Wasser mit möglichst geringer Fliessgeschwindigkeit abwärts fliesst, während es mit höherer Strömungsgeschwindigkeit zur Wärmepumpe zurückfliesst, um den Wärmeverlust sehr gering zu halten. Zur Sicherstellung des Wasser-Kreislaufes ist eine nicht dargestellte Umwälzpumpe vorgesehen. Sofern das Bohr4

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loch 6 praktisch völlig wasserundurchlässig ist, wird der Wasserspiegel nahe der Erdoberfläche 13 stehen. Dann kann - was sehr vorteilhaft ist - die Umwälzpumpe oberhalb des Bohrlochs zwischen Innenrohr 8 und Rohrleitung 10 eingeordnet sein. Ist jedoch in einem Bereich zwischen etwa 10 und 50 m unterhalb der Erdoberfläche 13 das Gestein so wasserdurchlässig, dass der Grundwasserspiegel 23, siehe Fig. 2, den Wasserstand im Bohrloch 6 bestimmt, so ist eine gekapselte elektrische Unterwasserpumpe oder Rohrpumpe unterhalb der Erdoberfläche 13 dem Innenrohr 8 entweder im Bereich des Bohrlochgrunds vorzuordnen, so dass sie das oberhalb des Bohrlochgrunds angesaugte Wasser unmittelbar in das Innenrohr 8 fördert, oder wenigstens unterhalb des Wasserspiegels im Bohrloch in das Innenrohr 8 einzuordnen, so dass sie Wasser aus dem unteren Teil des Innenrohrs ansaugt und es unmittelbar in den darüberliegenden Teil abgibt. Auf dieser steht das nach oben zu führende Wasser immer mit ausreichend hohem Zulaufdruck am Pumpeneinlass an, so dass Anlaufschwierigkeiten und Kavitationen sicher ausgeschlossen sind. Als Wärmeträgerflüssigkeit wird Wasser, dem in bestimmten Fällen auch Salz zugesetzt ist, verwendet.

Die Bestimmung des Durchmessers bzw. Umfangs des Bohrlochs sowie dessen für den Wärmetausch nutzbare Länge erfolgt unter Berücksichtigung der zur Tiefe hin steigenden Temperaturen und der Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs, die gegebenenfalls beim Niederbringen der Bohrung ermittelt werden, sowie der zu gewinnenden Wärmemenge unter Berücksichtigung der Kosten für das Niederbringen des Bohrlochs auf bekannte Weise.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist auf eine wasserdichte Auskleidung des Bohrlochs 6 verzichtet worden, ohne dass vom Prinzip des geschlossenen Hilfskreislaufs abgewichen ist. Diese gegenüber einer wasserdichten Auskleidung des Bohrlochs kostengünstigere Ausführung ist möglich, wenn ein erheblicher Wasserverlust aus dem Bohrloch oder ein wesentlicher Wasseraustausch nicht zu befürchten ist, weil entweder das Erdreich ausreichend wasserundurchlässig ist oder in einem oberen Bereich wasserdurchlässiges Erdreich von Grundwasser erfüllt

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ist. Im letztgenannten Fall ist dann der freie Wasserspiegel im Bohrloch mit dem Grundwasserspiegel 23 identisch, damit nicht infolge unterschiedlicher Druckhöhen ständig Wasser aus dem Bohrloch in das Erdreich versickert oder Grundwasser aus dem 5 Erdreich entnommen wird. Eine geringfügige Flüssigkeitsvermischung, die eventuell an der Bohrlochwandung auftreten kann, ist unbedeutend. (Der Wasserabfluss durch die Bohrlochwandung im Gestein ist meist erheblich kleiner als der durch das Bohrloch.)

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In diesem Falle muss als Wärmeträgerflüssigkeit reines Grundwasser benutzt werden, damit keine Veränderungen des Grundwassers und des Erdreichs eintreten können. Das Wasser gelangt vom Verdampfer der Wärmepumpe 1 über das Anschlussrohr 11 und das nur im unteren Bereich unterhalb des Wasserspiegels im Bohrloch wärmeisolierte Tauchrohr 1215 bis 20 m unterhalb der Erdoberfläche 13 und unterhalb des Grundwasserspiegels in das Bohrloch 6, in dessen Aussenbereich und strömtim Bohrloch langsam bis zum Bohrlochgrund 7, wobei es an der Bohrlochwandung Wärme aus dem Erdreich aufnimmt, und kann dann im Innenrohr 8 etwa bis zur Höhe des Grundwasserspiegels 23 ansteigen, von wo es spätestens von der Umwälzpumpe erfasst und zum Verdampfer der Wärmepumpe gefördert wird.

Bei einer speziellen Ausführungsform einer erfindungsgemäs-25 sen Vorrichtung mit geschlossenem Wasser-Hilfskreislauf lässt sich aus einem in Tonschiefer-Fels hergestellten Bohrloch von 16,5 cm Durchmesser und einer Tiefe von 250 m eine Wärmeenergie von ca. 39,5 kW (34000 kcal/h) entnehmen. Bei voller Auslastung, d. h. in den kältesten Wintertagen, liess sich eine 30 Leistungsziffer von 3,1 erzielen, wozu als elektrische Antriebsenergie der Wärmepumpe zusätzlich 18,5 kW (16000 kcal/h) aufgewendet wurden, so dass an das Heizungssystem eine Gesamtwärmemenge von ca. 58 kW (50000 kcal/h) abgegeben wurde, was für ein grosses Ein- oder ein Zweifamilienhaus bei 35 monovalenter Heizung auch im Winter ausreichend ist. Im Jahresmittel ergab sich eine Leistungsziffer von deutlich über 3,6.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

650 069 PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Beheizung von Räumen in Ein- bis Acht-Familienhäusern, mit einem Heizungssystem, dem die mit hoher Temperatur abzugebende Wärme von einer an dasselbe angeschlossenen Wärmepumpe (1) zuführbar ist, mit welcher dem Erdreich Wärme bei niedriger Temperatur mittels eines mit Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit betriebenen Wärmeträger-flüssigkeits-Hilfskreislaufs (4) mit Umwälzpumpe entnehmbar ist, der zwischen den Verdampfer der Wärmepumpe und ein in das Erdreich vertikal eingebrachtes Bohrloch (6) eingeschaltet ist, bei dem das vom Verdampfer zurückfliessende kalte Wasser mittels eines Tauchrohrs (12) in den oberen Abschnitt des Bohrlochs unterhalb der Erdoberfläche eingleitbar ist und bei dem das warme Wasser dem Verdampfer vom Grund des Bohrlochs durch ein bis dort im letzteren verlegtes Innenrohr, das gegen Wärmeverlust aufgrund niedriger Wärmedurchgangszahl gesichert ist, zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser des Hilfskreislaufs (4) 15 bis 20 m unterhalb der Erdoberfläche (13) mittels des Tauchrohrs (12), das wenigstens in dem Bereich, in dem es in im Bohrloch stehendes Wasser eintaucht, wärmeisoliert ist, in den Aussenbereich des Bohrlochs (6) einleitbar ist, dass die Umwälzpumpe innerhalb des Innenrohrs (8) unterhalb des Wasserspiegels im Bohrloch angeordnet ist, und dass das Bohrloch (6) mindestens 6 cm Durchmesser hat und mindestens 100 m tief ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrloch (6) eine Tiefe von mindestens 150 m hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrloch (6) in wasserdurchlässigen Bereichen wasserdicht ausgekleidet oder wasserdicht verrohrt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe als elektrische Unterwasserpumpe ausgebildet und am unteren Ende des Innenrohrs (8) montiert ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasser des Hilfskreislaufs ein dessen Gefrierpunkt erniedrigender Zusatz, insbesondere NaCl, beigemischt ist.