DD247263A1

DD247263A1 - SYSTEM FOR OBTAINING AND TRANSFERRING HEAT ENERGY

Info

Publication number: DD247263A1
Application number: DD86287802A
Authority: DD
Inventors: Klaus-Dieter Albrecht; Bernd-Rainer Frist; Herbert Scheel; Ralf Herrmann; Horst Jahn
Original assignee: Oberspree Kabelwerke Veb K
Priority date: 1986-03-12
Filing date: 1986-03-12
Publication date: 1987-07-01
Also published as: HUT43709A; HU203811B; SE8701020D0; SE8701020L; DE3632543A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Gewinnung und Uebertragung von Waermeenergie, insbesondere Erdwaermeenergie fuer Heizzwecke, beispielsweise von Wohnhaeusern. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zu schaffen, das einen guten Wirkungsgrad aufweist, mit geringem Materialeinsatz zu realisieren ist, eine gute Waermeleitfaehigkeit besitzt und eine gleichmaessige Waermeuebertragung gewaehrleistet. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass mehrere Plastschlauchbaender gleicher oder unterschiedlichster Laenge mit ihrer Breitseite zur Waermehauptflussrichtung in beliebigem Abstand nebeneinander verlegt sind. Nach einem anderen Merkmal sind die Plastschlauchbaender ohne Gefaelle in konstanter Tiefe den Bodenunebenheiten angepasst im Erdboden verlegt, wobei die unmittelbar ueber dem Plastschlauchband aufgebrachte Erde eine geringere Dichte aufweist als die Dichte des uebrigen danebenliegenden Erdreiches.The invention relates to a system for the extraction and transmission of heat energy, in particular geothermal energy for heating purposes, for example, of residential houses. The aim and object of the invention is to provide a system which has a good efficiency, can be realized with a low use of material, has a good thermal conductivity and ensures uniform heat transfer. According to the invention, the object is achieved in that a plurality of plastic tubing belts of the same or different length are laid with their broad side to the heat main flow direction at any distance next to one another. According to another feature, the plastic tubing bands are laid without constant adjustment of the uneven ground in the ground, with the immediately above the plastic tubing applied earth has a lower density than the density of the other adjacent soil.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein System zur Gewinnung und Übertragung von Wärmeenergie, insbesondere Erdwärmeenergie für Heizzwecke, beispielsweise von Krankenhäusern, Wohn-und Gesellschaftsbauten.The invention relates to a system for the extraction and transmission of heat energy, in particular geothermal energy for heating purposes, for example, hospitals, residential and community buildings.

Characteristic of the known technical solutions

Systeme und Anordnungen zur Gewinnung und Übertragung von Wärmeenergie sind in vielfältigsten Formen bekannt geworden. Als Wärmeüberträger kommen in überwiegendem Maße starre oder flexible Rohrsysteme bzw. Schlauchsysteme aus unterschiedlichen Materialien in Erdkollektoren, Sonnenkollektoren oder in Fußbodenheizungen zur Anwendung. Bekannt sind Systeme in Ein- oder Mehrkammerausführungen aus Metallen oder Kunststoffen, die konstruktiv die verschiedenartigsten Profile und Formen aufweisen. Es sind Absorber als Mattenausführung bekannt geworden, die aus mehreren biegsamen, aufrollbaren durch einen Steg verbundenen Schläuchen bestehen und an den Enden durch Sammelleitungen verbunden und durch Haltemittel in ihrer Lage fixiert sind und in Sonnenkollektoren zum Einsatz gelangen. Eine maschinelle Legung des Absorbers ist nicht möglich und die Anschlußtechnik kann erst nach Verlegung montiert werden. Bei einem Erdwärmekollektor handelt es sich um ein System von Rohren und Schläuchen, die als Erdsonden ausgebildet und in allen möglichen Richtungen im Erdboden eingebracht sind. Durch direkten Kontakt der Rohre oder Schläuche mit dem Erdreich ist ein guter Wärmeübergang möglich. Der Erdwärmekollektor ist ein Wärmetauscher, der Energie aus dem Erdreich aufnehmen und andererseits auch Energie an das Erdreich wieder abgeben kann. Die dem Erdreich entzogene Energie kann unter anderem in Verbindung mit Wärmepumpen für Heizzwecke nutzbar gemacht werden.Systems and arrangements for the recovery and transfer of heat energy have become known in many forms. As heat exchangers are mainly rigid or flexible pipe systems or hose systems made of different materials in earth collectors, solar panels or floor heating systems for use. Are known systems in single or multi-chamber designs made of metals or plastics, which constructively have the most diverse profiles and shapes. There are absorbers known as mat execution, consisting of several flexible, roll-up connected by a web tubes and connected at the ends by manifolds and fixed by holding means in position and get into solar panels used. An automatic laying of the absorber is not possible and the connection technology can only be installed after installation. A geothermal collector is a system of pipes and hoses designed as geothermal probes and placed in all directions in the ground. By direct contact of the pipes or hoses with the soil, a good heat transfer is possible. The geothermal collector is a heat exchanger that can absorb energy from the soil and on the other hand can also return energy to the ground. The energy extracted from the soil can be harnessed, among other things, in connection with heat pumps for heating purposes.

In der Schweizer PS 644682 ist ein Erdkollektor für Wärmepumpenanlagen beschrieben worden, dessen Kollektorrohre horizontal übereinander im Erdreich verlaufen. An den Enden verbinden senkrecht geführte Sammelrohre die Kollektorrohre untereinander und sorgen für die Zu-und Ableitung des Wärmemediums. Zum Errichten eines Erdkollektors dieser Bauart wird ein Graben von ca. 50cm Breite und variabler Länge benötigt. Der Nachteil dieser Ausführung besteht vor allem darin, daß die Kollektorrohre parallel zur Hauptwärmeflußrichtung verlaufen und sich damit gegenseitig beeinflussen. Die Montage eines derartigen Kollektors erfolgt nach einer aufwendigen, komplizierten Technologie, da der größte Teil dieser Arbeit erst im Graben erfolgen kann. Für Anlagen mit großer Kapazität sind umfangreiche Erdbauarbeiten erforderlich. Die DE-OS 3037755 A1 beschreibt ein Herstellungsverfahren für Erdkollektoren zur Entnahme oder Einspeisung von Wärmeenergie, bei dem Rohre oder Schläuche horizontal, parallel nebeneinander im Erdboden verlegt werden. Die Rohre oder Schläuche werden aus zwei gegenüberliegenden Gräben von ca. 0,8m Breite mit einem Horizontalbohrgerät o.a. verlegt. In diesen Gräben verlaufen die Sammelleitungen. Nachteilig hierbei ist die komplizierte Technologie bei der Verlegung der Rohre oder Schläuche mit Hilfe der Horizontalbohrgeräte. Werden Anlagen mit großer Kapazität benötigt, ist der Bau von mehreren Kollektoren erforderlich. Die nach dem Bohrvorgang eingebrachten Rohre oder Schläuche haben, bedingt durch den größeren Querschnitt der Bohrung, nur ungenügenden Kontakt mit dem umgebenden Erdreich. Die Folge sind eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und damit ein geringer Wirkungsgrad des Erdkollektors.In the Swiss PS 644682 an earth collector for heat pump systems has been described, the collector tubes run horizontally one above the other in the ground. At the ends vertically routed collecting pipes connect the collector pipes with each other and provide for the supply and discharge of the heat medium. To build a ground collector of this type a trench of about 50cm width and variable length is needed. The disadvantage of this design is, above all, that the collector tubes run parallel to the main heat flow direction and thus influence each other. The installation of such a collector takes place after a complex, complicated technology, since the majority of this work can be done only in the trench. For large capacity plants, extensive earthworks are required. DE-OS 3037755 A1 describes a production method for earth collectors for the removal or feeding of heat energy, in which pipes or hoses are laid horizontally, parallel next to each other in the ground. The pipes or hoses are made of two opposite trenches of about 0.8m width with a horizontal drill o.a. laid. In these trenches run the manifolds. The disadvantage here is the complicated technology when laying the pipes or hoses using the Horizontalbohrgeräte. If large capacity systems are required, multiple collectors are required. The introduced after drilling pipes or hoses have, due to the larger cross section of the bore, only insufficient contact with the surrounding soil. The result is a poor thermal conductivity and thus a low efficiency of the earth collector.

Da bei allen bekannten Erdkollektoren eine Entlüftung des Systems vor der Inbetriebnahme erforderlich ist, müssen sämtliche Rohre oder Schläuche mit Gefälle verlegt werden und die Möglichkeiten für eine Entlüftung vorhanden sind.Since all known geothermal collectors require venting of the system prior to commissioning, all pipes or hoses must be installed with a gradient and the facilities for venting available.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein System zur Gewinnung und Übertragung von Wärmeenergie zu schaffen, das einen guten Wirkungsgrad aufweist, mit geringem Materialeinsatz zu realisieren ist und das ohne großen Montageaufwand mit einer relativ einfachen Technologie verlegt werden kann.The aim of the invention is to provide a system for the extraction and transmission of heat energy, which has a good efficiency, can be implemented with low material input and can be installed without great installation effort with a relatively simple technology.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Gewinnung und Übertragung von Wärmeenergie zu entwickeln, das eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt und eine gleichmäßige Wärmeübertragung gewährleistet.The invention has for its object to develop a system for the extraction and transmission of heat energy, which has a good thermal conductivity and ensures uniform heat transfer.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere Schlauchbänder, vorzugsweise Plastschlauchbänder gleicher oder unterschiedlichster Länge, mit ihrer Breitseite zur Wärmehauptflußrichtung in beliebigem Abstand nebeneinander verlegt sind. Nach einem weiteren Merkmal sind die Plastschlauchbänder ohne Gefälle in konstanter Tiefe den Bodenunebenheiten angepaßt im Erdboden verlegt, wobei die unmittelbar über dem Plastschlauch band aufgebrachte Erde eine geringere Dichte aufweist als die Dichte des übrigen, daneben liegenden Erdreiches.According to the invention the object is achieved in that a plurality of hose bands, preferably plastic hose bands of the same or different lengths, are laid with their broad side to the main heat flow direction at any distance next to each other. According to another feature, the plastic hose bands without gradient at a constant depth the ground unevenness adapted laid in the ground, the immediately above the plastic hose band applied earth has a lower density than the density of the rest, adjacent soil.

Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß die Plastschlauchbänder in sich verfestigten Medien, z. B. Beton, verlegt sind und bis zur Verfestigung des Mediums unter Betriebsdruck gehalten werden. Die Plastschlauchbänder können in Längsrichtung konisch ausgeführt und ein- oder zweiseitig abgeflacht sein, wobei die Stege zwischen den Kanälen eine größere Wandstärke aufweisen und parallel verlaufen.Another feature is that the plastic hose bands in solidified media, eg. As concrete, are laid and kept until solidification of the medium under operating pressure. The plastic hose bands can be made conical in the longitudinal direction and be flattened one or two sides, wherein the webs between the channels have a greater wall thickness and run parallel.

Ursächlich der Dehnbarkeit der Plastschlauchbänder weiten sich diese beim Durchströmen des Wärmeträgers infolge des dabei wirkenden Druckverlustes am Anfang dieser Plastschlauchbänder auf einen größeren Querschnitt auf als am Ende dieser Plastschlauch bänder. Dadurch ist die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers am Anfang der Schlauchbänder geringer als am Ende der Schlauchbänder. Durch die in Längsrichtung der dehnbaren Plastschlauchbänder steigende Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers, sinkende Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträger und verlegtem Medium sowie sinkende Oberflächengröße der Plastschlauch bänder wird über der gesamten Länge der dehnbaren Plastschlauch bänder ein gleichmäßiger Wärmeübergang erzielt.Due to the ductility of the plastic hose bands, these expand as they flow through the heat carrier as a result of the pressure loss at the beginning of this plastic hose bands acting on a larger cross-section than at the end of this plastic hose bands. As a result, the flow rate of the heat carrier at the beginning of the hose bands is lower than at the end of the hose bands. By rising in the longitudinal direction of the expandable plastic hose bands flow rate of the heat carrier, sinking temperature difference between the heat transfer medium and installed medium and sinking surface area of the plastic hose bands a uniform heat transfer is achieved over the entire length of the stretchable plastic hose bands.

Durch die Lage des Plastschlauchbandes befindet sich der größte Teil der Schlauchoberfläche in Hauptwärmeflußrichtung, wodurch ein guter Wärmeaustausch und somit guter Wirkungsgrad erreicht wird. Der Wärmefluß erfolgt bei Verlegung im Erdboden in Abhängigkeit von den Witterungsbedingungen entweder von der Erdoberfläche oder aus dem Erdinnern zum Plastschlauchband. Die kleine Schlauchbandoberfläche in seitlicher Richtung hat den Vorteil, daß sich die Plastschlauchbänder untereinander nur minimal beeinflussen. In dem Erdboden über dem Plastschlauchband mit geringerer Dichte kann sich das Sickerwasser wie in einer Mulde sammeln, wodurch ein besserer Wärmeübergang und somit eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades des Erdwärmekollektors erreicht wird.Due to the position of the plastic hose band, the largest part of the hose surface is in the main heat flow direction, whereby a good heat exchange and thus good efficiency is achieved. The heat flow takes place when laid in the ground depending on the weather conditions either from the earth's surface or from the earth's interior to the plastic hose band. The small tube surface in the lateral direction has the advantage that affect the plastic tubing bands only minimally. In the soil above the lower density plastic hose band, the seepage water can accumulate as in a trough, thus achieving better heat transfer and thus further increasing the efficiency of the geothermal collector.

Bei Einbettung in sich verfestigende Medien, wie z. B. Beton, ist während der Einbettung und Verfestigungszeit das Plastschlauchband unter betriebsähnlichen Bedingungen zu halten, d. h. durch die Durchströmung mit einer Flüssigkeit/ Wärmeträger wird der Konus bildende Effekt erreicht und muß bis zum Abschluß der Abbindezeit der Einbettung beibehalten werden. Beim Einsatz eines erwärmten Wärmeträger verkürzt sich z. B. die Abbindezeit von Beton.When embedded in self-solidifying media, such. Concrete, during the embedding and solidification time, the plastic hose band is to be kept under operationally similar conditions, d. H. through the flow with a liquid / heat carrier, the cone-forming effect is achieved and must be maintained until completion of the setting time of the embedding. When using a heated heat carrier z. B. the setting time of concrete.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel anhand eines Erdwärmekollektors näher erläutert werden. Ein System von mehreren nebeneinander liegenden Plastschlauchbändern wird mit Hilfe eines für Meliorationsarbeiten vorgesehenen Gerätes „Meliomat" im Erdboden maschinell verlegt. Dabei wird das Plastschlauchband durch ein im Schwert befindliches Rohr kontinuierlich in der gewünschten Tiefe abgelegt, und der verdrängte Erdboden fällt hinter dem Schwert wiederzusammen, so daß keine weiteren aufwendigen Erdbauarbeiten erforderlich sind. Das Verlegen des Plastschlauchbandes wird durch die Verwendung des Meliomats technologisch besonders vereinfacht und daher sehr wirtschaftlich. Da das Plastschlauchband mit Hilfe eines im Schwert befindlichen Rohres in den Erdboden verlegt wird, entfallen nach dieser Verlegemethode umfangreiche Erdbauarbeiten, wie das Ausheben und wieder Zuschütten der Gräben. Diese sind nur notwendig für die Verlegung der Sammelleitungen.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment with reference to a geothermal collector. A system of several juxtaposed plastic tubing bands is mechanically laid in the ground using a Meliomat device intended for melioration, where the plastic tubing is continuously laid down to the desired depth by a tube located in the sword, and the displaced soil falls back behind the sword. The use of the Meliomat makes the laying of the plastic hose strip much easier and therefore very economical, since the plastic hose band is laid into the ground with the aid of a pipe located in the sword, so that extensive earthworks are not necessary, such as the digging and filling of the trenches, which are only necessary for the laying of the manifolds.

Das zur Anwendung kommende Plastschlauchband ist so ausgeführt, daß sein Gesamtquerschnitt in mehrere kleinere Querschnitte in Form von mehreren, vorzugsweise drei nebeneinanderliegenden Kanälen, unterteilt ist. Dadurch ist die Verlegung des Plastschlauchbandes mit Gefälle zur Entlüftung des Systems nicht erforderlich. Bereits eine geringe Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums reicht aus, um die im Plastschlauchband befindliche Luft in das Entlüftungsgefäß zu transportieren. Das Plastschlauchband kann somit in konstanter Tiefe, d.h. den jeweiligen Bodenunebenheiten angepaßt, verlegt werden.The plastic hose band used is designed such that its total cross section is subdivided into a plurality of smaller cross sections in the form of several, preferably three, adjacent channels. As a result, the laying of the plastic hose band with a gradient for venting the system is not required. Even a low flow rate of the heat transfer medium is sufficient to transport the air contained in the plastic hose band in the venting vessel. The plastic tubing can thus be kept at a constant depth, i. adapted to the respective uneven floors, to be laid.

Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Aufteilung des Gesamtquerschnittes in mehrere Einzelquerschnitte ergibt, ist die höhere Druckbeständigkeit dieser Konstruktion bei einer geringeren Wandstärke. Zur Erhöhung der Druckstabilität werden die Stege zwischen den einzelnen Kanälen so ausgeführt, daß die Wandungen in einem bestimmten Bereich parallel verlaufen. Durch die parallel verlaufenden Stege mit größerer Wandstärke als die übrige Wandstärke des Plastschlauchbandes zwischen den Kanälen erfolgt bei steigender Wärmeeinwirkung auf das Plastschlauchband eine Zwangshaltung des Plastschlauchbandes. Dadurch wird die Ausdehnung in der Breitseite bei Wärmeeinwirkung bevorzugt unterstützt. Da die Breitseite des Plastschlauchbandes in der Wärmehauptflußrichtung liegt, diese sich mit steigender Temperatur in ihrer Fläche bevorzugt zusätzlich zur normalen Wärmedehnung vergrößert, kann zusätzlich mehr Wärmeenergie aufgenommen werden. Einkanälige Plastschlauchbänder mit gleichem Gesamtquerschnitt machen eine wesentlich größere Wandstärke erforderlich. Daraus ergibt sich ein höherer Materialaufwand und ein schlechter Wirkungsgrad.Another advantage resulting from the division of the total cross section into several individual cross sections is the higher pressure resistance of this design with a smaller wall thickness. To increase the pressure stability, the webs between the individual channels are designed so that the walls are parallel in a certain area. Due to the parallel webs with greater wall thickness than the remaining wall thickness of the plastic hose band between the channels takes place with increasing heat on the plastic hose band a forced maintenance of the plastic hose band. As a result, the expansion in the broad side is preferably supported when exposed to heat. Since the broad side of the plastic hose band is in the main heat flow direction, this increases with increasing temperature in their area preferably in addition to the normal thermal expansion, in addition more heat energy can be absorbed. Single-channel plastic hose bands with the same overall cross-section require a considerably larger wall thickness. This results in a higher cost of materials and a poor efficiency.

Die bei „starren" Erdwärmekollektoren auftretenden Probleme der Wärmeausdehnung sind bei der Verwendung von Plastschlauchbändem gegenstandslos. Es ist sogar möglich, Plastschlauch bänder unterschiedlicher Länge nebeneinander parallel zu verlegen. Die hieraus resultierende mögliche Vorkonfektionierung der Plastschlauchbänder und die einfache Anschlußtechnik als Schraubverbindung mittels Preßhülse und Hahnanschlußverschraubung sowie die Herstellung beliebiger Längen dieser Plastschlauchbänder in einem Stück führen zur starken Verringerung des Montageaufwandes.The problems of thermal expansion occurring with "rigid" geothermal collectors are irrelevant with the use of plastic hose straps.It is even possible to lay plastic hose straps of different lengths next to each other in parallel.The resulting possible prefabrication of the plastic hose straps and the simple connection technique as a screw connection by means of compression sleeve and Hahnanschlußverschraubung the production of any lengths of plastic tubing in one piece lead to a strong reduction in assembly costs.

Die im Erdboden verlegten Plastschlauchbänder sind an den Enden durch Sammelleitungen verbunden. Besondere Haltemittel zur Fixierung der Leitung sind nicht notwendig. Der durch die Dehnbarkeit der Plastschlauchbänder und gegebenenfalls durch die konische Formgebung in Längsrichtung hervorgerufene gleichmäßige Wärmeübergang führt zur Erhöhung der energetischen Effektivität und somit zur Einsparung von Kosten für den Bau des Erdwärmekollektors. Dieser Effekt ist mit „starren" Erdwärmekollektokren, die beispielsweise aus Stahl gefertigt sind, nur bedingt, aber dann nur mit sehr erhöhtem Aufwand erzielbar.The plastic hose bands laid in the ground are connected at the ends by manifolds. Special holding means for fixing the line are not necessary. The uniform heat transfer caused by the extensibility of the plastic hose bands and possibly by the conical shape in the longitudinal direction leads to an increase in the energy efficiency and thus to save costs for the construction of the geothermal collector. This effect is with "rigid" Erdwärmekollektokren, which are made for example of steel, only partially, but then achievable only with very much effort.

Die dem Erdreich entzogene Energie kann unter anderem in Verbindung mit dazwischen geschalteten Wärmepumpen zur Heizung, beispielsweise eines Krankenhauses, nutzbar gemacht werden. Es besteht dazu außerdem die Möglichkeit, mit diesem Erdwärmekollektor Wärmeenergie, wie beispielsweise Umweltenergie oder Sekundärenergie, in das Erdreich einzuleiten und für eine spätere Nutzung zu speichern.The deprived of the soil energy can be made available, inter alia, in connection with interposed heat pumps for heating, for example, a hospital. There is also the possibility to use this geothermal collector heat energy, such as environmental energy or secondary energy, to initiate the soil and save for later use.

Durch den Einsatz des Plastschlauchbandes mit der geschilderten Verlegetechnologie im Erdreich besteht die Möglichkeit, erstmals Kleinwärmepumpen und Großwärmepumpenanlagen unter Nutzung der Energiequelle Erdreich als auch unter Nutzung von Umweltenergie wesentlich wirtschaftlicher zu errichten, als das bislang der Fall war.By using the plastic hose band with the described laying technology in the ground, it is possible for the first time to build small heat pumps and large heat pump systems using the energy source soil as well as using environmental energy much more economically than was previously the case.

Flächen mit diesen eingebauten Erdkollektoren sind nach deren Montage landwirtschaftlich wieder nutzbar.Areas with these built-in ground collectors are agriculturally usable again after their assembly.

Claims

Invention claim:

1. System for the extraction and transmission of heat energy, in particular geothermal energy for heating purposes, for example, hospitals, residential and community buildings, consisting of an array of hose baths, preferably plastic hose bands with multiple lying in a plane channels, the material-bonded together and at the ends by Manifolds are connected, wherein the plastic hose band assembly may be connected to heat pumps, characterized in that a plurality of plastic hose bands of the same or different length are laid with their broad side to the heat main flow at any distance next to each other.

2. System for the recovery and transfer of heat energy according to item 1, characterized in that the plastic hose bands are laid without gradient at a constant depth of the uneven floors in the ground, the immediately above the plastic hose band applied earth has a lower density than the density of the rest , adjacent soil.

3. system for recovering and transmitting heat energy according to item 1, characterized in that the plastic hose bands in solidifying media, for. As concrete, are laid and kept until solidification of the medium under operating pressure.

4. system for the extraction and transfer of heat energy according to item 1-3, characterized in that the plastic hose bands are flattened conically in the longitudinal direction and one or two sides, wherein the webs between the channels have a greater wall thickness and parallel.