DE10101200A1 - Betonbauteil für Wärmepumpenanlagen - Google Patents

Abstract

Um ein Betonbauteil für Wärmepumpenanlagen, bestehend aus einer Betonsäule, die in Erdreich eingebracht ist, wobei die Betonsäule (1) einen ausreichenden Durchmesser von insbesondere etwa 1 Meter und eine Länge von vorzugsweise etwa 10 Metern aufweist, etwa lotrecht in das Erdreich eingebracht ist und eine Verrohrung aufweist, die am oberen Ende der Säule (1) Anschlußteile zum Anschluß weiterführender Rohrleitungen hat, zu schaffen, mittels dessen eine günstigere Energiebilanz zu erreichen ist und eine höhere Effizienz der Wärmepumpenanlage, wird vorgeschlagen, daß die Verrohrung aus gut wärmeleitendem Werkstoff besteht, die Verrohrung druckfest und fluiddicht ausgebildet ist und daß als Wärmeträgermedium FCKW-freies Kältemittel in die Verrohrung eingebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Betonbauteil für Wärmepumpenanlagen, bestehend aus einer Betonsäule, die in Erdreich eingebracht ist, wobei die Betonsäule einen ausreichenden Durchmesser von insbesondere etwa 1 Meter und eine Länge von vorzugsweise etwa 10 Metern aufweist, etwa lotrecht in das Erdreich eingebracht ist und eine Verrohrung aufweist, die am oberen Ende der Säule Anschlußteile zum Anschluß weiterführender Rohrleitungen hat.

Wärmepumpen, die insbesondere zum Betrieb von Heizungsanlagen dienen, sind im Stand der Technik bekannt. Bei einer Wärmepumpe handelt es sich um eine Maschine, die im linkslaufenden Kreisprozeß zwischen der Umgebungstemperatur und einer höheren Temperatur arbeitet, wobei diese Maschine bei der höheren Temperatur eine Wärmemenge abgibt, die zur Heizung ausgenutzt werden kann. Als Element, dem die Wärme entnommen wird, stehen besonders für Wohnraumheizungen der Erdboden und dergleichen zur Verfügung. Es ist dazu bekannt, Betonbauteile in den Erdboden einzubringen, die mit einer Verrohrung versehen sind, wobei als Wärmetransportmedium Sole eingesetzt wird, die mit einer Umwälzpumpe im Kreislauf gepumpt wird. Dabei wird über einen Wärmetauscher der Sole die Wärme entzogen und an das im Kreislauf der Wärmepumpe geförderte Wärmeübertragungsmedium übertragen. Die Wärmepumpe weist üblicherweise einen Verdampfer auf, wobei im Verdampfer das Betriebsmittel der Wärmepumpe verdampft wird und einem Verflüssiger der Wärmepumpe zugeführt wird, in dem das dampfförmige Betriebsmittel unter Abgabe des größten Teils der in ihm enthaltenen Wärme (Verdampfungswärme) verflüssigt wird, wobei der Verflüssiger als Wärmetauscher ausgebildet ist, der diese Wärmeenergie an den Wärmeträger der Heizanlage abgibt.

Nachteilig bei den bekannten Einrichtungen ist, daß eine zusätzliche Umwälzpumpe im Solekreislauf vorgesehen sein muß und daß die Wärmeübertragung von der Sole auf das Wärmeträgermedium des Wärmepumpenprozesses mittels eines Wärmetauschers erfolgen muß. Durch diese Ausbildung und Anordnung beziehungsweise Verfahrensweise wird der Wirkungsgrad beeinträchtigt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Betonbauteil für Wärmepumpenanlagen zu schaffen, mittels dessen eine günstigere Energiebilanz zu erreichen ist und eine höhere Effizienz der Wärmepumpenanlage.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Verrohrung aus gut wärmeleitendem Werkstoff besteht, die Verrohrung druckfest und fluiddicht ausgebildet ist, und daß als Wärmeträgermedium Kältemittel, insbesondere FCKW-freies Kältemittel, in die Verrohrung eingebracht ist.

Die Ausbildung des entsprechenden Betonbauteiles und die Integration dieses Betonbauteiles in eine Wärmepumpenanlage führt zu einer erheblichen Verbesserung der Leistungsbilanz, weil ein zusätzlicher Wärmetauscher zwischen dem Wärmeträgermedium, welches das Betonbauteil durchströmt und dem Wärmeträgermedium der Wärmepumpenanlage nicht erforderlich ist, sondern ein- und dasselbe Medium wird als Wärmeträger durch das Betonbauteil geführt und durch die Wärmepumpenanlage geführt. Darüber hinaus ersetzt das entsprechende Betonbauteil den ansonsten üblichen Verdampfer der Wärmepumpe, was zu einer zusätzlichen Kosteneinsparung und Effizienz der Anlage führt. Das Betonbauteil kann einen Durchmesser von beispielsweise 1 Meter aufweisen und bis zu 10 Meter lang ausgebildet sein. Eine solche Betonsäule kann mit der entsprechenden Verrohrung örtlich in Erdreich eingebracht werden, in dem ein Loch vorgebohrt wird, in welches die Verrohrung eingebracht wird und welches anschließend mit Spezialbeton verfüllt wird. Bei der entsprechenden Gestaltung ist es lediglich erforderlich, einen seitlichen Sicherheitsabstand von ca. 2 Metern zu angrenzenden Bauteilen einzuhalten und ebenso zu wasserführenden Rohrleitungen. Ein solches Betonbauteil nimmt die Umwelt- und Erdwärme gleichermaßen auf. Bis zu einer Tiefe von ca. 10 Metern erfolgt ein Energienachschub aus Sonne und Regen. Bei größeren Tiefen erfolgt dieser Energienachschub nicht mehr oder nur unwesentlich, so daß eine größere Einbautiefe des Betonbauteiles nicht sinnvoll ist. Aufgrund des massigen Betonvolumens wird das umgebende Erdreich entwärmt, wobei die Pufferwirkung so groß ist, daß die Wechselwirkung aus Temperaturunterschieden der Umweltenergie von außen extrem gedämpft wird. Eine mit solchem Betonbauteil komplettierte Wärmepumpenanlage kann insbesondere bei Ein-, Mehrfamilien- oder Reihenhäusern eingesetzt werden. Damit ist in einfacher Weise die Nachrüstung und Erstausrüstung mit einer umweltfreundlichen Wärmepumpenheizung ermöglicht. Sofern beim Einsatz derartiger Bauteile bodentechnische Probleme in größerer Tiefe auftreten, können anstelle einer Betonsäule auch mehrere Betonsäulen kürzerer Länge, beispielsweise von 5 Metern Länge eingebracht werden. Bei höheren Leistungsanforderungen können mehrere solche Betonsäulen installiert und parallel geschaltet werden.

Bevorzugt ist zudem vorgesehen, daß die Verrohrung aus Kupferrohren besteht.

Zudem kann bevorzugt vorgesehen sein, daß die metallische Verrohrung mit einer dünnen Kunststoffummantelung, insbesondere aus Polyäthylen umgeben ist.

Durch diese Ausbildung wird die Wärmeübertragung günstig gestaltet, wobei beim Einsatz eines Kupferrohres mit Polyäthylen-Ummantelung in entsprechendem Beton eine unbegrenzte Lebensdauer erreicht wird.

Zudem ist bevorzugt vorgesehen, daß die Verrohrung wendelartig in der Betonsäule verlegt ist.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung wird darin gesehen, daß die Rohrleitung an eine Wärmepumpe angeschlossen ist, wobei das Betonbauteil mit Verrohrung als Direktverdampfer ausgebildet ist und den Verdampfer der Wärmepumpe bildet, die ohne Verdampfer ausgeführt ist.

Zudem kann vorgesehen sein, daß mehrere wendelartig velegte Rohrleitungen über die Länge der Betonsäule hintereinander verlegt sind, wobei jeweils die Eingänge und Ausgänge jedes Rohrleitungselementes zum oberen Ende der Säule geführt sind.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, daß die Verrohrung der Betonsäule ausgangsseitig an den Eingang einer Wärmepumpe angeschlossen ist, und zwar in Strömungsrichtung des Fluids an einen Flüssigkeitsabscheider, einen Verflüssiger, einen Verdichter, einen Flüssigkeitssammler, wobei ausgangsseitig der Wärmepumpe ein Expansionsventil und gegebenenfalls ein Venturi-Verteiler vor den Eingang der Verrohrung der als Direktverdampfer wirkenden Betonsäule geschaltet ist.

Eine unter Umständen bevorzugte Weiterbildung wird darin gesehen, daß in die Betonsäule eine weitere Verrohrung eingebracht ist, die mit Sole gefüllt ist und die an einen Wärmetauscher angeschlossen ist, der zum Beispiel von Wasser als Wärmeträger einer Heiz- Kühlanlage durchströmt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 die wesentlichen Bestandteile einer Wärmepumpe mit einem erfindungsgemäßen Betonbauteil;

Fig. 2 bis 5 Anlagenkombinationen unterschiedlicher Ausbildung.

In Fig. 1 ist ein Betonbauteil für Wärmepumpen­ anlagen (Wärmepumpe 26) gezeigt, daß aus einer Betonsäule 1 besteht, die in eine entsprechende Bohrung oder dergleichen eingebracht ist. Die Betonsäule 1 weist beispielsweise einen Durchmesser von 1 Meter und eine Länge von etwa 10 Metern auf. Sie ist in Einbaulage lotrecht in das Erdreich eingebracht. Die Betonsäule 1 weist eine Verrohrung auf, die am oberen Ende der Säule 1 Anschlußteile zum Anschluß weiterführender Rohrleitungen hat. Die Verrohrung besteht aus kunststoffummantelten Kupferrohren. Als Wärmeträgermedium ist in die durchgehenden Rohrleitungen einschließlich der Wärmepumpe 26 FCKW-freies Kältemittel eingebracht. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Rohrleitung der Säule 1 an eine Wärmepumpe 26 angeschlossen, wobei das Betonbauteil mit Verrohrung als Direktverdampfer ausgebildet ist und den Verdampfer der Wärmepumpe 26 bildet, die demzufolge ohne eigenen Verdampfer ausgeführt ist. Gegebenenfalls können, wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 verdeutlicht, mehrere wendelartig verlegte Rohrleitungen über die Länge der Betonsäule 1 hintereinander verlegt sein, wobei alle Eingänge und Ausgänge der Rohrleitungselemente zum oberen Ende der Säule 1 geführt sind. Die Verrohrung der Betonsäule 1 ist ausgangsseitig an den Eingang der Wärmepumpe 26 angeschlossen und zwar in Strömungsrichtung des Fluids an einen Flüssigkeitsabscheider 23, einen Verdichter 16, einen als Wärmetauscher ausgebildeten Verflüssiger 17, einen Flüssigkeitssammler beispielsweise mit Kappenventil 18, gegebenenfalls einen Filtertrockner 19, ein Schauglas mit Feuchtigkeitsindikator 20, ein thermostatisches Expansionsventil 21, einen Venturi- Verteiler 22 und nachfolgend wieder an den Eingang des Rohrleitungssystems der Säule 1. Dabei ist vor und hinter dem Verdichter ein Unterdruckwächter 24 beziehungsweise ein Überdruckwächter 25 vorgesehen.

Bei der Anlage gemäß Fig. 2 ist die Wärmepumpe bei 26 angegeben und ebenso die Betonsäule 1 mit Verrohrung, wobei bei 12 symbolisiert ist, daß es sich um einen Direktverdampfer handelt. In die Betonsäule 1 ist ein zweites Leitungssystem 8 für Rohrleitungen eines Kühlkreislaufes gezeigt, wobei dieses Rohrleitungssystem mit Sole gefüllt ist. An dieses Rohrleitungssystem angeschlossen ist ein Ausdehnungsgefäß 2, ein Sicherheitsventil 3, ein Wärmetauscher 4, eine Schwerkraftbremse 5, eine Umwälzpumpe 6, ein Absperrschieber 7, ein Heizungsvorlauf 9 und ein Heizungsrücklauf 10 sowie ein Umschaltventil 11 und ein Stellmotor M. Der Abgang zum Heizungssystem/Kühlsystem ist bei 27 angegeben. Bei dieser Anordnung wird nicht nur der Kreislauf zwischen der Betonsäule 1 und der Wärmepumpe 26 betrieben, sondern es ist überlagert möglich, den Wärmeträger Wasser von Heiz-/Kühlsystemen durch das Umschaltventil 11 und den Wärmetauscher 4 zu führen. Auf der Gegenseite wird in dem geschlossenen Kreislauf durch die Umwälzpumpe 6 der Wärmeträger Soleflüssigkeit über die Rohrleitungen 8 mit einer Temperatur von beispielsweise 0° bis + 10° umgewälzt. Dadurch kann nur durch Betrieb der Pumpen 6 und 7 kostengünstig gekühlt werden. Gleichzeitig wird durch die Energieeinspeisung in die Betonsäule 1 eine höhere Effizienz (Jahresarbeitszahl) der Wärmepumpe 26 erreicht.

Bei der Ausbildung nach Fig. 3 ist an den Solekreislauf (8) der Betonsäule 1 ein weiterer Kreislauf angeschlossen, und zwar mit den Bestandteilen Ausdehnungsgefäß 2, Sicherheitsventil 3, Wärmetauscher 4, Schwerkraftbremse 5, Umwälzpumpe 6, Absperrschieber 7, Rohrleitungssystem Kühlkreislauf 8, Rohrleitung mit Umwälzpumpe und Sicherheitsgruppe Sonnenkollektoranlage 9, Umschaltventil 10, Warmwasser oder Pufferspeicher 13 sowie Stellmotor M. Hierbei nimmt der Kühlkreislauf die überschüssige Wärme von der Solaranlage auf und erhöht die Effizienz der Wärmepumpe. Der Solekreislauf 8 kann überschüssige Energie nach dem Aufladen des Warmwassers oder Pufferspeichers 13 in das Betonbauteil 1 einspeisen. Dies hat den Vorteil, daß die Sonnenkollektoren nicht überhitzt werden und der Betrieb der Wärmepumpe durch das höhere Temperaturniveau in der Betonsäule 1 eine höhere Effizienz und somit eine höhere Jahresarbeitszahl erreicht.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 4 ist es möglich, kostengünstig einen Vorratsraum 15 zu kühlen. Hierzu ist der Solekreislauf 8 in den Vorratsraum 15 geführt und zwar über die Elemente Ausdehnungsgefäß 2, Sicherheitsventil 3, Ventilator-Luftkühler 14, Umwälzpumpe 6, Schwerkraftbremse 5, Absperrschieber 7. Somit kann mit dem Solekreislauf beispielsweise ein Büro, eine Wohnung oder ein Vorratsraum 15 mit einem Luftkühler 14 gekühlt werden. Es ist lediglich die Umwälzpumpe 6 zu betreiben, um den Wärmeträger Sole über die Rohrleitungen 8 mit ca. 0° bis +10° Temperatur umzuwälzen und somit eine kostengünstige Kühlung zu betreiben.

Bei der Anlagenform gemäß Fig. 5 ist es möglich, die Betonsäule 1 bei wärmerer Außentemperatur gegenüber Erdreich-Wärmetauschern nachzuladen. Dadurch wird eine bessere Effizienz erreicht. Es ist hierzu in den Solekreislauf 8 wiederum ein Ausdehnungsgefäß 2, ein Sicherheitsventil 3, ein Ventilator-Luftheizer (im freien montiert) 14, eine Umwälzpumpe 6, eine Schwerkraftbremse 5, und ein Absperrschieber 7 vorgesehen. Über den Solekreislauf 8 kann durch den Ventilator-Luftheizer 14 zum Beispiel Umweltenergie von der wärmeren Außenluft in das Betonbauteil 1 transportiert werden. Durch das höhere Temperaturniveau wird die Effizienz und somit eine höhere Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe erreicht. Außerdem kann bei dieser Systemausführung die Betonsäule 1 verkleinert oder mit einer höheren Kälteleistung betrieben werden.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.

Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims (8)

1. Betonbauteil für Wärmepumpenanlagen, bestehend aus einer Betonsäule (1), die in Erdreich eingebracht ist, wobei die Betonsäule (1) einen ausreichenden Durchmesser von insbesondere etwa 1 Meter und eine Länge von vorzugsweise etwa 10 Metern aufweist, etwa lotrecht in das Erdreich eingebracht ist und eine Verrohrung aufweist, die am oberen Ende der Säule (1) Anschlußteile zum Anschluß weiterführender Rohrleitungen hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Verrohrung aus gut wärmeleitendem Werkstoff besteht, die Verrohrung druckfest und fluiddicht ausgebildet ist, und daß als Wärmeträgermedium Kältemittel, insbesondere FCKW-freies Kältemittel in die Verrohrung eingebracht ist.

2. Betonbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verrohrung aus Kupferrohren besteht.

3. Betonbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Verrohrung mit einer dünnen Kunststoffummantelung, insbesondere aus Polyäthylen umgeben ist.

4. Betonbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verrohrung wendelartig in der Betonsäule (1) verlegt ist.

5. Betonbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung an eine Wärmepumpe (26) angeschlossen ist, wobei das Betonbauteil mit Verrohrung als Direktverdampfer ausgebildet ist und den Verdampfer der Wärmepumpe (26) bildet, die ohne Verdampfer ausgeführt ist.

6. Betonbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere wendelartig velegte Rohrleitungen über die Länge der Betonsäule (1) hintereinander verlegt sind, wobei jeweils die Eingänge und Ausgänge jedes Rohrleitungselementes zum oberen Ende der Säule (1) geführt sind.

7. Betonbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Verrohrung der Betonsäule (1) ausgangsseitig an den Eingang einer Wärmepumpe (26) angeschlossen ist, und zwar in Strömungsrichtung des Fluids an einen Flüssigkeitsabscheider (23), einen Verflüssiger (17), einen Verdichter (16), einen Flüssigkeitssammler (18), wobei ausgangsseitig der Wärmepumpe (26) ein Expansionsventil (21) und gegebenenfalls ein Venturi-Verteiler (22) vor den Eingang der Verrohrung der als Direktverdampfer wirkenden Betonsäule (1) geschaltet ist.

8. Betonbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Betonsäule (1) eine weitere Verrohrung (8) eingebracht ist, die mit Sole gefüllt ist und die an einen Wärmetauscher (4) angeschlossen ist, der zum Beispiel von Wasser als Wärmeträger einer Heiz-Kühlanlage durchströmt ist.