DE102005049930A1

DE102005049930A1 - Einrichtung zur Gewinnung von Wärme durch wiedergewinnbare Energie

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Publication number: DE102005049930A1
Application number: DE102005049930A
Authority: DE
Inventors: Stefan Büschkes; Karl-Heinz Graßmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-04-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gewinnung von Wärme durch verwertbare Energie, mit DOLLAR A - mindestens einem in den Erdboden (4) in geringer Tiefe eingelassenen Erdwärmesammler (2) und DOLLAR A - einer Wärmepumpe, die dem aus dem Erdwärmesammler (2) austretenden Strömungsmittel Wärme entzieht und das abgekühlte Strömungsmittel wieder an den Erdwärmesammler (2) abgibt. DOLLAR A Diese Einrichtung ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass DOLLAR A - der Erdwärmesammler (2) in Schlamm (5) eingebettet ist und DOLLAR A - mindestens eine weitere, erneuerbare Energie gewinnende Einrichtung (1) vorgesehen ist, deren Strömungsmittel dem Erdwärmesammler (2) zugeführt wird, wenn es die Temperatur im Erdwärmesammler (2) übersteigt und nicht anderweitig benötigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gewinnung von Wärme durch verwertbare Energie, mit

– mindestens einem in den Erdboden in geringer Tiefe eingelassenen Erdwärmesammler, und
– einer Wärmepumpe, die dem aus dem Erdwärmesammler austretenden Strömungsmittel Wärme entzieht und das abgekühlte Strömungsmittel wieder an den Erdwärmesammler abgibt.

Solche Einrichtungen sind bekannt, etwa durch den Prospekt „Stiebel Eltron-Wärmepumpen". Bei diesen bekannten Anlagen zum Beheizen zum Beispiel eines Einfamilienhauses ist vor dem Haus eine Erdwärmesammler in den Erdboden eingelassen, in dem eine Mischung aus Wasser und Gefrierschutzmittel umläuft und die Temperatur des Bodens annimmt. Dieses Strömungsmittel wird einer im Haus untergebrachten Wärmepumpe zugeführt, die etwa wie ein Eisschrank funktioniert und die dem Strömungsmittel Wärme entzieht, bevor es zum Erdwärmesammler wieder zurückgeführt wird. Die gewonnene Wärmemenge hängt natürlich ab von der Temperatur des Erdwärmesammlers, es kann aber noch Wärme gewonnen werden, wenn dieser längst eingefroren ist.

Das Problem liegt in der Abmessung des Erdwärmesammlers, wenn man einmal von Erdwärmesonden und Grundwassersonden absieht. Erdwärmesonden sitzen nämlich in Tiefbohrungen in einer Tiefe von bis zu 100 m; solche Tiefbohrungen sind genehmigungsbedürftig, schwierig und sehr teuer in der Durchführung und können im Laufe der Zeit Schaden nehmen; Grundwassersonden machen das Vorliegen einer ausreichenden Menge an hoch stehendem Grundwasser zur Voraussetzung, so dass in der Regel nur Erdwärmesammler bei Privathäusern infrage kommen.

Ein Erdwärmesammler, der eine freie Oberfläche von 250 m² einnimmt, liefert eine Wärmemenge von maximal etwa 10 kWh, was zur vollen Winterbeheizung eines bescheidenen Einfamilienhauses auch bei sehr sorgfältiger Wärmeisolierung in einem milden Winter kaum ausreichen wird, jedoch könnte ein solcher aber einen willkommenen Beitrag zur spürbaren Senkung der Heizkosten bilden. Dem stehen aber die hohen Kosten entgegen: Gegenwärtig sind die Zinsen auf diese Kosten deutlich höher als die eingesparten Heizkosten, wenn man davon absieht, dass noch erschwingliche Baugrundstücke in Großstadtnähe kaum den Platz für einen solchen Erdwärmesammler bieten.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Größe eines solchen Erdwärmesammlers zu senken.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass

– der Erdwärmesammler in Schlamm eingebettet ist, und
– mindestens eine weitere, erneuerbare Energie gewinnende Einrichtung vorgesehen ist, deren Strömungsmittel dem Erdwärmesammler zugeführt wird, wenn es die Temperatur im Erdwärmesammler übersteigt und nicht anderweitig benötigt wird.

Das Einbetten in Schlamm sorgt für einen deutlich besseren Wärmeübergang der Erdbodenwärme auf den Erdwärmesammler, wobei die Feststoffanteile des Schlamms den Wärmetransport bei eingefrorenem Wasseranteil aufrechterhalten, während der Wasseranteil durch Benetzung des Erdwärmesammlers den Wärmeübergang entscheidend verbessert. Dabei sollte das Wasser durch Feststoffzusatz gerade gesättigt sein, denn in einem festeren Schlamm verschlechtert sich die Konvektion des Wassers längs des Erdwärmesammlers.

Die weitere, erneuerbare Energie gewinnende Einrichtung führt dabei die gewonnene Energie nicht ihrerseits der Beheizung des angeschlossenen Hauses zu, sondern dem Erdwärmesammler, der dadurch zum Wärmespeicher wird. So kann im Frühjahr die untertags aufgenommene Sonnenwärme etwa abends mit zur Beheizung dienen, wodurch eine erhebliche, zusätzliche Heizkosteneinsparung bei geringen Anlagekosten auftritt.

Die Erdbodenzone, in der der Erdwärmesammler angebracht ist, bildet nämlich eine Wärmesenke, der Wärme aus dem umgebenden Erdboden zufließt. Diese Wärmesenke wird bei andauernder Wärmeentnahme ausgeprägter, aber weniger ergiebig. Wird nun dieser Wärmesenke von außen Wärme zugeführt, so wird sie nicht aufgehoben, sondern nur weniger ausgeprägt und somit ergiebiger. Daher ist die zusätzliche Wärme, die in diese Wärmesenke eingeleitet wird, nicht verloren, sondern wird praktisch in vollem Maße zurückgewonnen.

So bietet die Erfindung einen nahezu vollkommenen Wärmespeicher, der zum Beispiel die untertags von der weiteren Einrichtung gewonnene Wärme speichert und abends wieder abgibt, ohne dass dafür letztlich nicht mehr als ein Ventil mit Temperaturfühlern notwendig ist.

Die zusätzliche Einrichtung wird zum Erdwärmesammler zugeschaltet, soweit die Temperatur ihres Strömungsmittels über der des Erdwärmesammlers liegt, und wieder abgetrennt, wenn die Temperatur ihres Strömungsmittels gleich oder niedriger ist. Sie kann allerdings auch dann abgetrennt werden, wenn die in der zusätzlichen Einrichtung gewonnene Wärme anderweitig benötigt wird, etwa zur Erwärmung von Wasser. Andererseits kann eine zusätzliche Einrichtung, deren Strömungsmittel eine Temperatur von einigen 10° C erreichen kann, rascher als vorgesehen vom Strömungsmittel durchströmt werden, das dann eine niedrigere Temperatur, somit ein niedrigeres Gefälle zur Lufttemperatur oder sonstigen Umgebungstemperatur und demnach geringere Verluste hat.

Alles in allem gelingt es der Erfindung, durch das Verringern von Wärmeverlusten und durch die Verwendung des Erdwärmesammlers als Wärmespeicher gerade gegen Ende der Heizperiode die Wirkung der damit ausgestatteten Heizung erheblich zu steigern, wobei gerade bei eingefrorenem Schlamm die zugeführte Wärme aus der zusätzlichen Einrichtung den Schlamm bzw. das in ihm enthaltene Wasser nahe dem Erdwärmesammler auftaut, so dass dieser relativ rasch einen großen Teil der kurz zuvor zusätzlich gespeicherten Wärme wieder abgeben kann. Im Frühjahr kann somit die gewonnene Wärmemenge ausreichen, um die Heizung eines Hauses in den kühlen Abendstunden voll zu betreiben. Auf jeden Fall aber hat der Erdwärmespeicher bei gleicher Leistungsfähigkeit eine deutlich kleinere Oberflächengröße.

Bevorzugt ist die weitere Einrichtung eines Sonnenwärmesammlers. Dieser kann irgendwo, etwa an einer sonnigen Dachfläche, angebracht sein und kann sogar zum Unterstützen z.B. der Warmwasseraufbereitung eingesetzt werden. Sein Hauptzweck ist es aber, den Erdwärmesammler aufzuladen, wobei er mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durchströmt werden kann, um auch bei geringem Sonneneinfall noch eine Temperatur des Strömungsmittels zu erreichen, die zum Aufladen des Erdwärmesammlers geeignet ist.

Bevorzugt ist der Sonnenwärmesammler ein unmittelbar unter der Erdbodenoberfläche angebrachter Sammler, der über dem Erdwärmesammler sitzt und seinen Bereich somit nach oben abdeckt und sichert sowie einen Schutz gegenüber dem Schlamm bietet. Dieser Sonnensammler sitzt unmittelbar unter der Grasnarbe, ist somit unsichtbar und bevorzugt auch begehbar. Vorzugsweise ist er in eine Vergussmasse eingefüllt, die porös ist und Regenwasser nach unten in den Schlamm einfallen lässt, um diesen vor dem Austrocknen zu schützen.

Die weitere Einrichtung kann aber auch ein Biomassen-Wärmesammler sein, der statt des Sonnenwärmesammlers oder zusätzlich zu diesem Wärme liefert, die etwa von vermoderndem Laub und sich zersetzenden Gartenabfällen herstammt. So ist es mit der Erfindung möglich, auch geringe, oft nur mit Unterbrechungen arbeitende Wärmequellen zu nutzen, vorausgesetzt, der Erdwärmesammler ist seinerseits nicht in Betrieb, und das ihn umgebende Erdreich ist kälter als der Nachbarbereich.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung befindet sich der Biomassensammler über dem unmittelbar unter der Erdbodenoberfläche angebrachten Sammler, wobei er natürlich nicht dessen gesamte Ausdehnung einnimmt. Somit kann der Biomassensammler letztlich nur aus einem abgedeckten Komposthaufen bestehen, der seine Wärme nach unten zum Sonnensammler abgibt.

Bevorzugt ist zusammen mit dem Erdwärmesammler in dessen unmittelbarer Nähe auch mindestens ein unterirdischer Sammeltank für vorgewärmtes Strömungsmittel vorgesehen. So kann der Strömungsmittelvorrat an vorgewärmten Strömungsmittel erhöht werden, ohne dass hierzu besondere Isoliermaßnahmen erforderlich werden, da jede Wärme, die vom Strömungsmittelvorrat abgeht, ja letztlich dem Erdwärmesammler nicht verloren geht, solange sein Bereich, genauer der Schlamm, im Erdreich kälter ist als das umgebende Erdreich. Aber auch wenn der Schlamm über das Nachbarbereich hinaus aufgewärmt wird, bleibt die Wärme erhalten, so lange sie nicht bis an die Oberfläche gelangt. Das ist aber, wenn man für den Erdwärmesammler eine Tiefe von maximal 2,5 bis 4,5 m annimmt, zumindest innerhalb eines kurzen Zeitraumes so gut wie ausgeschlossen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Erdwärmesammler in einer Grube sitzt, die mit wasserundurchlässiger Folie ausgekleidet ist und mindestens zum Teil mit Schlamm gefüllt ist. Natürlich muss der Erdwärmesammler mindestens weitgehend in den Schlamm eintauchen. Die wasserdicht und verrottungssicher ausgekleidete Grube hat nicht nur den Vorteil, etwa in sandigem Boden den Schlamm zurückzuhalten, sondern auch etwa austretendes Strömungsmittel daran zu hindern, in den Mutterboden zu gelangen. Das Strömungsmittel ist nämlich in aller Regel ein Gefrierschutzmittel, etwa Ethylenglykol, das mit Wasser versetzt ist, wie das auch bei wassergekühlten Kraftfahrzeugen der Fall ist. Ein solches Gefrierschutzmittel könnte den Boden kontaminieren, wenn es damit in Berührung käme, etwa beim Auslaufen der Anlage. Die Auskleidung der Grube mit Teichfolie verhindert zusätzlich dieses an sich schon unwahrscheinliche Austreten des Strömungsmittels in das Erdreich.

Im Fall dieser Grube ist der Erdwärmesammler dabei entweder ein im wesentliches ebenes Gebilde aus unverrottbarem Rohr und nahe dem Boden der Grube angeordnet, wobei mindestens ein zweiter, im wesentlichen ebener Erdwärmesammler in der gleichen Grube mit Abstand über dem ersten vorgesehen ist und hinter den ersten geschaltet ist, oder ein wendelförmiges Gebilde aus unverrottbarem Rohr mit im wesentlichen vertikaler Achse, das bevorzugt in der Grube angebracht ist. Dabei ist ein genügender Abstand des einen Rohres zum anderen sinnvoll, um dem Erdreich auf die ökonomischste Weise Wärme zu entnehmen und den Schlamm als Wärmespeicher auszunutzen. Der Erdwärmesammler ist aus einem handelsüblichen Kunststoffrohr (etwa aus PE) gebildet, das einen Durchmesser von 70–100 mm besitzt. Die Grube braucht (bei einer Heizleistung von etwa 10 kWh und bei einer Tiefe von 2,5–3 m) ca. 30 m² nicht zu überschreiten – im Verhältnis zu den 250 m² aus dem Stand der Technik eine durch künstliche Staunässe gewaltige Verringerung der beanspruchten Bodenfläche.

Bevorzugt ist ein Spreizgestell aus Holz oder Kunststoff vorgesehen, das das wendelförmige Gebilde in Form hält und verhindert, dass es durch Schlamm und Eigengewicht zusammengedrückt wird. Somit kann ein relativ dünnwandiges Rohr verwendet werden, weil es den Belastungen nicht mehr in vollem Umfang standzuhalten hat. Das oder mehrere wendelförmige Gebilde steht bzw. stehen bevorzugt aufrecht in der Grube und sind dort mit Schlamm benetzt. Es ist aber natürlich auch möglich, das wendelförmige Gebilde mit horizontaler oder schräg liegender Achse anzuordnen.

Anstelle der wasserdicht ausgekleideten Grube kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das wendelförmige Gebilde in einem undurchlässigen, nach oben offenen Sack angeordnet sein, der mit Schlamm gefüllt ist und oben offen ist. Diese Lösung ist dort zu bevorzugen, wo selbst die genannten 30 m² nicht vorhanden oder ungeeignet sind. So ist es möglich, an besonders geeigneten Stellen, oder etwa zwischen Parkplätzen, Rohrwendel mit ca. 1 m Durchmesser in den Boden einzusenken. Es ist sogar möglich, dass die Rohrwendel, die in einem schlammgefüllten Sack in den Boden eingelassen sind, von Fahrzeugen überfahren werden, wenn etwa ein Betondeckel auf jedem Bohrloch sitzt.

Hierbei ist es möglich, dass mehrere wendelförmige Gebilde jeweils in einem eigenen Erdloch angeordnet sind und hintereinander geschaltet sind. Es kann eine Anlage mit der erfindungsgemäßen Einrichtung somit mit dem Haus „mitwachsen", indem etwa im Fall eines nachträglichen Anbaus, weitere Erdlöcher angelegt werden.

Weiter vorne war bereits die Rede von Sonnenwärmesammlern, die unmittelbar unter dem Rasen in der Erde angeordnet sind. Bei, solchen Sonnenwärmesammlern ist es bevorzugt, dass die Grube bzw. die Erdlöcher nahe der Erdoberfläche durch einen Sonnenwärmesammler abgedeckt ist bzw. sind, der nur von einer dünnen Erd- oder Rasenschicht bedeckt ist.

Soweit es sich um eine Erdschicht handelt, kann sie mit Bitumen o. dgl. belegt sein, was ihre Wärmeaufnahmefähigkeit wegen der schwarzen Farbe des Bitumen noch verbessert. Im Falle von Rasenbedeckung wird dagegen bevorzugt, dass in der dünnen Erd- oder Rasenschicht ein Gitter oder eine Maschendrahtschicht als Spatenschutz eingelassen ist.

Bevorzugt ist der Sonnenwärmesammler in eine Vergussmasse eingegossen, die mindestens trittfest ist. So sind die schlammgefüllten Bereiche ohne weiteres gefahrlos begehbar und können sogar (etwa mit Rasen) bepflanzt werden. Der Sonnenwärmesammler besteht dabei ebenfalls aus Kunststoffrohren, die aber einen kleineren Durchmesser als die des Erdwärmesammlers haben können.

Soweit die Vergussmasse wasserundurchlässig ist, ist es zweckmäßig, eine dünne Rohrleitung vorzusehen, mit der der Wasserinhalt des Schlamms nötigenfalls nachgefüllt werden kann. Bevorzugt ist es allerdings, dass die Vergussmasse wasserdurchlässig ist. Soweit die Vergussmasse die Teichfolie oder die oben offenen Säcke nicht hermetisch abschließt, wird deren Wasserfüllung durch Regenwasser ergänzt. Ist ein Nachfüllen nicht erforderlich, dann läuft das Wasser anderweitig ab. Im Idealfall ist allerdings ein Nachfüllen überhaupt nicht erforderlich.

Normalerweise ist es zweckmäßig, den Schlamm, in den der Erdwärmesammler eingebettet ist, mit einer Leitung zum Nachfüllen von Wasser zu verbinden, mit dem auch etwa Insektizide in den Schlamm eingeleitet werden können.

Bei der Verwendung weitgehend ebener Rohrgebilde hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass der Erdwärmesammler nur mittelbar vom Schlamm benetzt ist und mindestens teilweise in einer Kiesschicht sitzt, in die der Schlamm einsickern kann. Die Kiesschicht fixiert dabei, besonders während des Baues, das Rohrgebilde, so dass es nicht im Schlamm aufschwimmen kann, wenn es noch nicht mit Strömungsmittel gefüllt ist.

Insgesamt sind nur kleinere Erdarbeiten zur Anbringung des Erdwärmesammlers nötig, die wesentlich weniger bedeutend als beim Verlegen eines herkömmlichen Erdwärmesammlers sind. Die Befüllung der Grube bzw. der Säcke mit Schlamm ist unproblematisch, weil dieser vor Ort aus feiner Erde und Wasser in vorgegebenem Verhältnis gemischt werden kann. Die zusätzliche Wärmegewinnungseinrichtung benötigt, zumindest in ihrer bevorzugten Ausführung, keinerlei zusätzliche Bodenfläche. Im einfachsten Fall werden nur zwei Temperaturfühler und ein Ventil benötigt, die mit in die Einrichtung eingebaut werden können und nur die Zuführung einer Steuerspannung benötigen.

So ist die erfindungsgemäße Einrichtung einfach und damit billig herzustellen, nimmt zudem wesentlich weniger Bodenfläche in Anspruch als bekannte Einrichtungen und kann zudem bereits vorhandene Wärmegewinnungsanlagen nutzen.

Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels entnehmbar, das die Erfindung erläutert, aber nicht einschränkt. In der beigefügten Zeichnung ist:
1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten, erfindungsgemäßen Einrichtung,
2 ein vereinfachtes Blockschaltbild des Betriebskreislaufes nur des Erdwärmesammlers, und
3 ein Querschnitt durch die Einrichtung in leicht schematisierter Darstellung.
In 2 ist ein einfacher Betriebskreislauf nur des Erdwärmesammlers 2 dargestellt:
Strömungsmittel, das im Erdwärmesammler 2 durch den diesen umgebenden Erdboden 4 erwärmt wurde, wird durch eine Umwälzpumpe 11 in Umlauf gehalten. Dabei durchströmt es eine Wärmepumpe 6, in der es seine Wärme wieder abgibt, und gelangt abgekühlt wieder in den Erdwärmesammler 2. In der Wärmepumpe 6 wird durch die Wärme ein Kältemittel verdampft, das unter niedrigem Druck steht, wobei es dem Strömungsmittel Wärme entzieht. Das Kältemittel wird dann verdichtet und dadurch erwärmt, gibt in einem Wärmeaustauscher die Wärme an den zu speisenden Heizungskreislauf ab, wobei das Kältemittel wieder abgekühlt wird. Anschließend wird das Kältemittel mit einem Expansionsventil wieder auf den ursprünglichen Druck zurückgebracht und dabei noch weiter abgekühlt und kann nun durch das Strömungsmittel wieder erwärmt werden.
Die Wärmepumpe stellt, kurz gesagt, ein Gefälle zwischen der Temperatur des Strömungsmittels (ca. 8° C) und der Temperatur des Heizkreislaufes (ca. 28° C) her, ohne hierbei grundsätzlich Wärmezufuhr zu benötigen – die Temperaturen ändern sich, aber der Wärmegehalt bleibt gleich. Der Heizungskreislauf speist z.B. eine Fußbodenheizung. Der zusätzliche Energiebedarf gleicht lediglich Verluste (etwa die Reibung in der Pumpe) aus, aber der Erdwärmesammler muss groß genug sein, damit die Wärmenachfuhr aus dem umgebenden Erdreich stets gewährleistet ist. Wird mehr Wärme entnommen als durch den Erdboden nachgeführt wird, sinkt die Temperatur des Erdwärmesammlers ab, bis der Heizkreislauf seine unterste Temperatur erreicht hat, nämlich die Fußbodentemperatur, die auch vorliegen würde, wenn keine Fußbodenheizung vorhanden ist. Nun muss abgeschaltet werden, weil sonst ein umgekehrter Wärmefluss eintreten könnte, der den Erdboden mit Wohnraumwärme erwärmt. In der Praxis tritt dieser Zustand kaum ein, aber der Erdwärmesammler kann einfrieren und so an Wirkung einbüßen.
Der Erdwärmesammler 2 muss also groß genug sein, um innerhalb einer Heizperiode noch immer Wärme an den Heizungskreislauf abgeben zu können, aber in der Regel nimmt die vom Erdwärmesammler abgegebene Wärme mit fortlaufendem Heizungsbetrieb und gleichbleibenden, niedrigen Außentemperaturen ab.
Im Winter kann zeitweise eine durchaus bedeutende Sonneneinstrahlung vorliegen, und im Frühjahr steigen untertags die Lufttemperaturen und die Sonneneinstrahlung an, ohne dass man aber abends, nachts und morgens auf eine Heizung verzichten könnte. Der Erdwärmesammler 2 wird von der relativ kurzzeitigen Erwärmung nicht beeinflusst, da er ja tief genug im Boden sitzen muss, um auch von den niedrigen Wintertemperaturen nicht beeinflusst zu werden. Vorwiegend diese Wärme soll genutzt werden, um dadurch letztlich den Erdwärmesammler verkleinern zu können.
Erfindungsgemäß sitzt zu diesem Zweck der Erdwärmesammler in einem Schlammbad 5, das einen intensiveren Kontakt mit dem Erdboden 4 herstellt, in erster Linie aber zur Aufnahme bedeutender Wärmemengen geeignet ist, die überwiegend der Sonnenenergie entstammen und als Zusatz zum Erwärmen des Erdwärmesammlers 2 dienen. Zur Gewinnung dieser zusätzlichen Energie dient ein Ladekreis 1, wie er in 1 gezeigt ist.
Der Ladekreis 1 hat eine durch Strömungsmittel durchströmte Rohrschlange, an deren wärmstem Punkt ein Fühler F8 angeordnet ist. Die Rohrschlange des Ladekreises 1 ist mit einem Dreiwegeventil 10 und dem Erdwärmesammler 2 verbunden.
Der Erdwärmesammler 2 hat einen Fühler F9, der an der kältesten Stelle angeordnet ist, und wird von Strömungsmittel durchströmt, das vom Dreiwegeventil 10 und von der Rohrschlange des Ladekreises 1 kommt. Der Auslass des Erdwärmesammlers 2 ist, wie schon in 3 gezeigt, mit der Wärmepumpe 6 und mit der Förderpumpe 11 verbunden und strömt dem Dreiwegeventil 10 zu. Dies ist der Betriebskreis.
Die gestrichelte Linie zeigt die Grenze zwischen Ladekreis 1 mit der Rohrschlange und dem Betriebskreis mit der Erdwärmesammler 2.
Die Messergebnisse der Fühler F8 und F9 gehen einem Differenz-Temperaturregler 7 zu, der das Dreiwegeventil 10 regelt. Das Dreiwegeventil 10 wird von einer Bypassleitung 13 umgangen, deren Absperrventil auf Wunsch geöffnet werden kann. Die Bypassleitung verbindet dann bei entsprechend geschaltetem Dreiwegeventil 10 den Ausgang der Pumpe 11 mit dem Einlass der Rohrleitung des Ladekreises 1.
Wenn, bei laufender Pumpe 11, die Wärmepumpe 6 in Betrieb ist, dann ist das Dreiwegeventil 10 vom Regler 7 so geschaltet, dass nur der Betriebskreis mit dem Erdwärmesammler 2 in Betrieb ist, während der Ladekreis 1 mit der Rohrschlange ruht.
Ist die Wärmepumpe 6 ausgeschaltet, und übersteigt die am Fühler F8 gemessene Temperatur die am Fühler F9 gemessene Temperatur oder übersteigt sie um einen Schwellenwert, dann wird bei laufender Pumpe 11 das Dreiwegeventil 10 so geschaltet, dass das Strömungsmittel hintereinander die Rohrschlange des Ladekreises 1 und die Rohrschlange am Erdwärmesammler 2 durchfließt und wieder in die Rohrschlange des Ladekreises 1 gelangt.
Im Sommerbetrieb ruht die Anlage, und das Dreiwegeventil 10 sperrt alle Anschlüsse. Es ist dann aber möglich, die Pumpe 11 anzuschalten und das Absperrventil in der Bypassleitung 13 zu öffnen und z.B. ein Schwimmbad zu temperieren. Der Wärmeaustausch erfolgt dann nicht unbedingt in der Wärmepumpe 6.
3 zeigt als Beispiel einen erfindungsgemäßen Erdwärmesammler 3, der in einer Schlammgrube 3 sitzt, im Querschnitt.
Im Erdboden 4 ist eine rechteckige, sich nach unten verjüngende, rechteckige Grube 3 angelegt, die je nach Wärmebedarf eine Länge von etwa 8 m, eine Breite von etwa 3 m und eine Tiefe von etwa 2,5 m hat. Boden und Seiten der Grube 3 sind mit einem Schutzvlies 18 abgedeckt, auf dem eine Teichfolie 17 aufgelegt wird, die sich bis etwa 50 cm unter den oberen Rand erstreckt und die Grube abdichtet.
Auf den Boden wird Kies aufgeschüttet und auf diesen die Rohrschlange aufgelegt, die den Erdwärmesammler 2 bildet. Die Kiesschicht wird bis knapp über die Rohrschlange des Erdwärmesammlers 2 weiter aufgeschüttet und bedeckt geschlossen den Boden. Die Rohrschlange kann aus einem oder mehreren, mäanderförmig eben angeordneten, handelsüblichen Kunststoffrohren mit einem Durchmesser von 70 bis 100 mm bestehen. Es können auch ein oder mehrere Rohre in jeweils einander überschneidenden Schlaufen ausgelegt werden. Soweit mehrere Rohre ausgelegt werden, ist ein Abstand zwischen diesen Rohren von etwa 50 cm empfehlenswert. Mehrere solcher ebenen Anordnungen können übereinander angeordnet werden. Es ist auch möglich, nebeneinander Rohranordnungen in Spiralenform aufrecht nebeneinander mit etwa einem Durchmesser von 1 m und einer Höhe von etwa 1 m mit einem Abstand von etwa 50 cm nebeneinander anzuordnen. Der Rohrdurchmesser ist dann u. U. geringer, z. B. 30 mm. Jede Rohranordnung kann bis zu 100 m Rohrlänge aufweisen. Die Rohranordnungen werden hintereinander geschaltet, so dass der Erdwärmesammler 2 nur einen einzigen Einlass und einen Auslass besitzt.
Dann wird ganz oder beinahe bis zur Oberkante der Teichfolie 17 Schlamm 5 in die Grube 3 eingefüllt. Der Schlamm 5 besteht bevorzugt aus Wasser, das mit feiner Erde gesättigt ist (Staunässe). Zusätze können dem Schlamm 5 beigemischt werden, die z. B. das Faulen verhindern oder die Gefriertemperatur herabsetzen, etwa Kochsalz.
Die Oberfläche des Schlamms wird nun mit einer Frostsperre 15 abgedeckt, die ebenfalls wasserdicht sein kann und einen Temperaturaustausch zwischen den Bereichen über und unter der Frostsperre 15 verhindert.
Nun wird im verbleibenden oberen Bereich der Grube 3, der etwa 50 cm Tiefe besitzt, über die gesamte Oberfläche der Grube die Rohrschlange des Ladekreises 1 verlegt, die in Sand, Kies, eine Vergussmasse oder dergleichen eingebettet wird. Diese Schicht sollte tragfähig sein, um ein Einsinken zu vermeiden. Gegebenenfalls können Stützsäulen etwa aus Beton in der Grube 3 zwischen den Rohren des Erdwärmesammlers vorgesehen sein, wenn die Oberfläche etwa als Parkplatz genutzt werden soll.
Auf die Oberfläche der Vergussschicht o. dgl. wird ein Spatenschutz 16 aufgelegt oder in die Oberfläche eingelassen, über dem eine Grasnarbe 12 aufgebracht wird, so dass die ebene Oberfläche des Bodens 4 nach Abschluss der Arbeiten eine ebene Rasenfläche bildet. Auf der Oberfläche der Grube kann auch etwa ein Misthaufen oder eine Einfriedung für Gartenabfälle zur Gewinnung von Biowärme angeordnet sein, dessen bzw. deren Wärme bevorzugt nach oben abgeschirmt ist und den Sonnenwärmesammler oder Ladekreis 1 zusätzlich aufheizt.
Die Fühler F8 und F9 (1) müssen sich im so gebildeten Erd- und Sonnenwärmesammler befinden, das Dreiwegeventil 10 (1) kann abgesetzt sein und kann sich im Heizungsraum befinden. Vom Sammler zum Heizungsraum erstrecken sich nur zwei (Dreiwegeventil 10 in oder an der Grube 3) oder vier (Dreiwegeventil 10 im Heizungsraum) Rohrleitungen, die bevorzugt wärmeisoliert sind. Falls andere Wärmekollektoren, etwa ein Sonnenwärme-Dachkollektor, anstelle des Sonnenwärmekollektors 1 oder zusätzlich zu diesem verwendet werden, sind in jedem Fall vier Leitungen erforderlich.
Der dargestellte Erdwärmesammler erzeugt etwa 5 kWh; für ein Einfamilienhaus sind in der Regel zwei solche Erdwärmesammler erforderlich, so dass (bei nachträglichem Einbau nach dem Hausbau) insgesamt 30 m² Bodenfläche benötigt werden – verglichen mit 250 m² Bodenfläche, die der eingangs genannte, bekannte Erdwärmesammler benötigt, eine außerordentlich hohe Einsparung an Bodenfläche.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können in der Grube 3 auch ein oder mehrere Sammlertanks angeordnet sein, um Erdwärme aufzunehmen.

1: Sonnenwärmesammler oder Ladekreis
2: Erdwärmesammler
3: Graben
4: Erdboden
5: Sumpf
6: Wärmepumpe
7: Differenz-Temperaturregler
8: Fühler
9: Fühler
10: Dreiwegeventil
11: Umwälzpumpe
12: Grasnarbe
13: Bypass-Leitung
15: Frostsperre
16: Spatenschutz
17: Teichfolie
18: Schutzvlies

Claims

Einrichtung zur Gewinnung von Wärme durch verwertbare Energie, mit – mindestens einem in den Erdboden (4) in geringer Tiefe eingelassenen Erdwärmesammler (2), und – einer Wärmepumpe (6), die dem aus dem Erdwärmesammler (2) austretenden Strömungsmittel Wärme entzieht und das abgekühlte Strömungsmittel wieder an den Erdwärmesammler (2) abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass – der Erdwärmesammler (2) in Schlamm (5) eingebettet ist, und – mindestens eine weitere, erneuerbare Energie gewinnende Einrichtung (1) vorgesehen ist, deren Strömungsmittel dem Erdwärmesammler (2) zugeführt wird, wenn es die Temperatur im Erdwärmesammler (2) übersteigt und nicht anderweitig benötigt wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Einrichtung ein Sonnenwärmesammler (1) ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenswärmesammler ein unmittelbar unter der Erdbodenoberfläche angebrachter Sammler (1) ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Einrichtung (1) ein Biomassen-Wärmesammler ist oder diesen umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Biomassensammler auf dem unmittelbar unter der Erdbodenoberfläche angebrachten Sammler (1) sitzt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusammen mit dem Erdwärmesammler (2) in dessen unmittelbarer Nähe im Schlamm (5) auch mindestens ein unterirdischer Sammeltank für vorgewärmtes Strömungsmittel vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Erdwärmesammler (2) in einer Grube (3) sitzt, die mit wasserundurchlässiger Folie (17) ausgekleidet ist und mindestens zum Teil mit Schlamm (5) gefüllt ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Erdwärmesammler (2) ein im wesentliches ebenes Gebilde aus unverrottbarem Rohr ist und nahe dem Boden der Grube (3) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter, im wesentlichen ebener Erdwärmesammler (2) in der gleichen Grube (3) mit Abstand über dem ersten vorgesehen ist und mit dem ersten in Reihe geschaltet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Erdwärmesammler (2) ein wendelförmiges Gebilde aus unverrottbarem Rohr mit im wesentlichen vertikaler Achse ist.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spreizgestell aus Holz oder Kunststoff das wendelförmige Gebilde in Form hält.
Einrichtung nach den Ansprüchen 7 und 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das oder mehrere wendelförmige Gebilde in der Grube (2) stehen und mit dem Schlamm (5) benetzt sind.
Einrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das wendelförmige Gebilde in einem undurchlässigen, nach oben offenen Sack angeordnet ist, der mit Schlamm (5) gefüllt ist.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere wendelförmige Gebilde jeweils in einem eigenen Erdloch angeordnet sind und hintereinander geschaltet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Grube (3) bzw. die Erdlöcher nahe der Erdoberfläche durch einen Sonnenwärmesammler (1) abgedeckt ist bzw. sind, der nur von einer dünnen Erd- oder Rasenschicht (12) bedeckt ist.
Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in oder unmittelbar unter der dünnen Erd- oder Rasenschicht (12) ein Gitter oder eine Maschendrahtschicht als Spatenschutz (16) eingelassen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenwärmesammler (1) in eine trittfeste Vergussmasse einlassen ist.
Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse wasserdurchlässig ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlamm (5), in den der Erdwärmesammler (2) eingebettet ist, mit einer Leitung zum Nachfüllen von Wasser verbunden ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Erdwärmesammler (2) nur mittelbar vom Schlamm (5) benetzt ist und mindestens teilweise in einer Kiesschicht sitzt, in die der Schlamm (5) einsickern kann.