DD268282A1

DD268282A1 - Schaltungsanordnung von bodenmembran-waermeuebertragern

Info

Publication number: DD268282A1
Application number: DD87311715A
Authority: DD
Inventors: Frank-Michael Barth; Lutz Bluetchen
Original assignee: Kfz Zubehoerwerke Veb
Priority date: 1987-12-30
Filing date: 1987-12-30
Publication date: 1989-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung von Bodenmembran-Wärmeaustauschern zur rationellen Energieanwendung in den Bereichen der Volkswirtschaft, in denen für die Klimatisierung vermittels LTA eine Luftvorwärmung im Winter und/oder eine Luftvorkühlung im Sommer erforderlich ist. Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Effektivität von Erd-Wärme-Übertragern für die Luftvorwärmung (Winterbetrieb) bzw. Luftvorkühlung (Sommerbetrieb) wesentlich zu erhöhen, die bisher unabdingbaren Ausfallzeiten durch Bodenverschlammung völlig auszuschalten, die Luftdurchflussmenge gleichbleibend hoch sowie die Luftdurchflusswiderstände gleichbleibend niedrig zu halten, sowie darüber hinaus den technologisch bedingten Aufwand der Installation wesentlich zu reduzieren. Erfindungsgemäß wird dies erreicht, indem mehrere geschlossene Erd-Wärme-Übertrager in unterschiedlich tiefen Bodenschichten verlegt und in einer Parallelschaltung mit Stellorganen versehen werden.

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Anordnung von Bodenmembran-Wärmeübertragern findet Anwendung In allen Bereichen der Volkswirtschaft, In denen Insbesondere für die Klimatisierung vermittels LTA eine Luftvorwärmung im Winter und/oder eina Luftvorkühlung im Sommer erforderlich ist, wobei als unmittelbare Nutzer Industriebetriebe und Einrichtungen das Gesellschaftsbaues und der Landwirtschaft (Viehzuchtställe) in Frage kommen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind gegeben für Gewächshäuser.

Charakteristik und bekannte tuchnlsche Lösungen

Umweltfreundliche und zudem energiesparende Verfahren gewinnen in der Wirtnchaft immer mehr an Bedeutung. Nicht zuletzt beschleunigen gesetzgeberische Maßnahmen in allen hochindustriealisierten Lindern ihre Einführung. Seit geraumer Zeit werden außer in der DDR auch in der Schweiz, in Ungarn, in der BRD sowie in Polen experimentelle Forschungsarbeiten über die Nutzung unkonventioneller Klimaprozesse durchgeführt. Dabei geht es namentlich um die Nutzung des Erdbodens geringer Tiefe

a) als offener membranloser Erd-Wärme- und Stoffübertrnger, in welchem infolge des direkten Kontaktes zwischen Arbeitsmedium Luft und Akkumulationsschicht Erdboden neben der Wärmeübertragung noch eine Stoffübertragung vorhanden ist und dazu noch eine einfache Intensivierungamöglichkeit durch Wasserberieselung gegeben ist, darüber hinaus tritt eine Luftfilterung ein,

b) als geschlossener Erd-Wärmeübertrager, in welchem Luft durch Rohre oder Kanäle strömt und somit nur eine Wärmeübertragung und keine Stoffübertragung stattfindet.

Grundprinzipien zur Luftfiltration und zur Wärmeübertragung mittels Erdluftbrunnen finden sich in den CH-PS 210059 v. 2.9.40 und der PL-PS 224548 v. 26.5.80.

Die Idee des auch als Luftbrunnen bezeichneten Übertragers besteht darin, daß in sehr geringer Tiefe unterhalb der Erdoberfläche die Erdbodentemperatur während des gesamten Jahres sich wenig ändert und in der Nähe der mittleren Jahresaußenlufttemperatur bleibt. Der Einfluß der Tagestemperaturveränderungen int nur in Bodentiefen = 1m spürbar. Die Jahrestemperaturveränderungen wirken sich zwar bis 10m Bodentiefe aus, aber schon in einer Bodentiefe von 4m beträgt die Schwingungsamplitude = 3 K. Im DDR-Klimabereich herrscht beispielsweise in dieser Bodentiefe eine mittlere Jahrestemperatur von +1O⁰C ±1,5 K.

Die praktisch unbeschränkte Enthalpie-Akkumulationsmöglichkoit und die selbständige Regeneiationspossibilität des Erdbodens begründeten die experimentelle Untersuchung der Nutzung des Erd-Speichors.

Trotz der grundlegend bewiesenen energetischen Effekte (Lufterwärmung im Winter von -12°C auf ±0°C, Luftabkühlung im Sommer von +3O⁰C auf +18⁰C) fanden derartige Ausführungen keine generelle Anwendung. Vielfach wurde auf Grund des hohen Luftdurchflußwiderstandes durch starke Bodenverschlammung und damit geringnr werdenden Luftdurchfluß durch die Bodenschichten der Klimatisierungsbetrieb mit Hilfe von Luftbrunnen eingestellt, wie beispielsweise in der Großausführung der Frauenklinik in Heilbronn.

Auch in dem Air fountain in Szentendre (Ungarn) stiegen die Luftdurchflußwiderstände bis zu 2000Pa, was zur Stillegung veranlaßte.

In der PL-PS 215334 v. 2.5.79 stellt BESLER ein Funktionsmuster vor, in welchem die Luftdurchströmung des Speichers im Gegensatz zu den Luftbrunnen mit vertikalem Luftdurchlaß horizontal erfolgt. Als Effekt ergehen sich zunächst geringfügige Strömungswiderstbndsverbesserungen bei gleichzeitig höherem Luftdurchsatz, der jedoch durch die o.g. Erscheinungen nach einer bestimmten Betriebszeit nicht mehr relevant ist. In der Fachliteratur werden auch sogenannte „Bodenmembranaustauscher" für Anwendungen in lüftungstechnischen Anlagen vorgestellt, welche nach dem Prinzip des geschlossenen Erd-Wärmeübertragers arbeiten, und damit die Nachteile der Luftbrunnen, bedingt durch Bodenverschlammung und des damit geringer werdenden Luftdurchflusses durch die Bodenschichten, nicht besitzen.

Dafür ist jedoch die Energieausbeuie, bedingt durch die „punktförmige" Wärmesenke bzw. -quelle des in einer bestimmten Bodentiefe verlegten Einzelrohres (betrachtet als zweidimensional Wärmeloitproblem), weitaus geringer als die

.breitflächige" Energienutzung vermittels membranloser Übertrager.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Energiegewinnung aus dem Erdreich effektiver zu gestalten, wobei die technischen Aufwendungen gering und die Nachteile bekannter Lösungen vermieden werden sollen bei gleichzeitiger Erhöhung der Energieausbeute.

Darlegung des Wesens der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ausfuhruny vun Eru-\Virr"«übertragern zu finden, welche bei geringen und

zeitlich unveränderlichen Strömungswiderständen, und damit gleichbleibend hohem Luftdurchsatz, e: \e hohe Energieausbeutegarantiert, wobei die Vorteile der bekannten membranlosen und geschlossenen Erd-Wärmeübertrager beibehalten werdensollen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer bestimmten Bodentiefe mehrere geschlossene Erdwärmeübertrager in verschiedenen Bodenschichten angeordnet werden, die in einer Parallelschaltung mit Stellorganen

versehen sind, daß sie entweder

a) nach einem vorgegebenen Fahrregime oder

b) nach einem über Temperaturfühler steuerbaren Fahrregime

einzeln aktiviert werden können.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sowohl eine .breitflächige" Energienutzung, als auch a) den jahreszeitlich veränderlichen Energieangeboten der Erdschicht, b) der von der Jahreszeit abhängigen energieoptimalen Rohrvei legungstiefe und c) der von der Tageszeit abhängigen Lufttemperatur optimal entsprochen werden kann.

Ausfuhrungsbeispiel Zu m Verständnis der erfindungsgemäßen Lösung sind folgende Darstellungen beigefügt: Fig. 1: Schematische Darstellung des T imperaturverlaufs T = T (x, t) in Erdboden Fig. 2: Schaltungsanordnung von Bodon-Membran-Wärmeübertragern Fig. 3: Über der Erdbodenfläche angeordnete Bodenmembran-Wärmeübertrager, die mit Erdmaterial zugeschüttet sind.

Die Temperatur T in geringor Tiefe χ unterhalb der Erdoberfläche ist eine Funktion des Ortes χ und der Zeit t. Sie gehorcht der bekannten Differentialgleichung für die Wärmeleitung.

T (²T) t ⁼ (x²)

Dabei ist a die Temperaturleitfähigkeit des Bodenmaterials.Dabei handelt es sich um einen ungefähren Mittelwert, der im einzelnen schwankt und außerdem von der Temperatur abhängt. Dem Temperaturvöiiauf T = T(x, t) im Erdboden werden folgende Rand· und Anfangsbedingungen zugrundegelegt: Als Randbedingung sei

a)T(x = 0,t)T.(t) b)q(xd=15m,t) = 0 (2)

und als Anfangsbedingung T (x, t = to) nach Fig. 1

für einen beliebigen gewählten Anfengszeitpunkt to mit T, als Außenlufttemperatur und q als Null-Wärmestromdichte in der Bodentiefe d gewählt.

Die Gleichungen (2a) und (2b) besagen, daß die Temperatur der Erdoberfläche annähernd den Wert der Außenlufttemperatur T, (t) annimmt bzw. daß in einer Bodentiefr von mehr als d = 15m keine relevanten Wärmeströme vorhanden sind. Außerdem beschränkt sich das System der Gleichungen (1) und (2) auf eindimensionale Wärmeleitungsvorgänge im Erdboden. Aus ihm läßt sich der Temperaturverlauf T (x, t) inrerhalb des Erdbodens berechnen. Eine schematische Darstellung des Temperaturverlaufes gibt Fig. 1.

Erfindungsgemäß werden nun anstelle eines in einer bestimmten Bodentiefe χ verlegten fcrd-W^rme-Ubertragers meherera geschlossene Erd-Wärme-Übertiager in verschiedenen Bodenschichten angeordnet und sorr.it Stellorganen versehen, daß sie entsprechend den jahreszeitlich mit der Bodentiefe veränderlichen optimalen Energieangeboten der Erdschicht einzeln oder in Gruppen aktiviert werden können. Mit anderen Worten, die energieoptimale Rohrverlegungstiefe wird indirekt über eine Schaltungsanordnung nach Fig. 2 realisiert. Über Sensoren (Temperaturfühler) kann verbunden mit einem Mikrorechner über das Kriterium /T_x(t)-T,(t)/ = Maxi das Stellorgan des .energieoptimalen" Rohres der Schaltungsanordnung für jede Jahreszeit und darüber hinaus für jede vcn der Tageszeit abhängige Außenlufttemperatur T, betätigt werden. Die absolute Energieausbaute kann durch Verlegen einer entsprechend großen Anzahl derartiger Rohranordnungen nebeneinander vergrößert werden

Der technologisch bedingte Verlegungsaufwand f" - erdverlegte Rohre ist sehr hoch. Der Vorlegungsaufwand reduziert sich

erheblich, wenn die Rohre anstelle in der Erde über der Erdoberfläche verlegt werden und anschließend mit Erdrrk terialzugeschüttet werden (Fig. 3).

Berechnungen ergeben, daß, aufgrund der Tatsache, daß sich die Potentiallinien (Isothermen) der Bodenoberflächenform

anpassen, die energetischen Verhältnisse sich nur unwesentlich von denen der erdverlegten Rohranordnungenunterscheiden.

Claims

1. Schaltungsanordnung von Bodenmembran-Wärmeübertragern zur rationellen Energiear.wendung, gekennzeichnet dadurch, daß zur effektiveren Energioausbeute mehrere geschlossene Erd-Wärmeübertrager in unterschiedlich tiefen Bodenschichten mit definierten Abständen verlegt und in einer Parallelschaltung mit Stellorganen versehen sind, so daß sie entweder nach einem vorgegebenen Fahrregime oder nach einem über Sensoren steuerbaren Fahrregime einzeln oder in Gruppen aktiviert werden, wobei die von einer Außenluftansaugleitung gespeisten Wärmeübertragerrohre in einem Sammelrohr münden und zum Zweck der Erhöhung der Energieausbeute mehrfach nebeneinander angeordnet sein können.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anordnung und Ausführung der Wärmeübertragerrohre, anstelle einer Erdverlegung, oberhalb der Erdoberfläche ausgeführt und wobei eine Überschüttung mit Erdo in gewünschter Höhe notwendig sind.