Hinzu
kommt, dass die Quellleistung des Erdbodens sehr stark von der Bodenbeschaffenheit und
insbesondere seiner Wasserhaltigkeit abhängig ist. Das bedeutet, dass
einem wasserhaltigeren Boden mehr Wärme bei gleichzeitiger Regenerierung entzogen
werden kann, als einem trockenen Boden. Dieses Problem wurde zumindest
teilweise gemäß der Patentschrift
DE 3148600 und
EP 1455148 der Art gelöst, dass
man einem nicht versiegelten Erdboden, in dem in einem wiederverfüllten Graben
oder einer Erdmulde Kollektoren horizontal verlegt sind, neben dem
natürlich
versickernden Wasser zusätzliches
Wasser zugeführt
oder im Erdboden versickert hat. Damit hat man zwar eine bessere
Konditionierung des Bodens für
die angesprochene Wärmegewinnung
erhalten, jedoch bleibt der Nachteil der saisonalen Temperaturschwankungen,
weil weiterhin der Wärmeaustausch
mit der Atmosphäre
gegeben ist.
Betrachtet
man im Vergleich dazu die entsprechende Situation im Bereich von überbauten bzw.
versiegelten Bodenoberflächen,
wird man z.B. unter Gebäuden,
Straßen,
Gehwegen, und befestigten Plätzen
zumeist einen recht trockenen Boden vorfinden, der in dieser Form
für die
Wärmegewinnung
ungeeignet ist, weil das Oberflä chenwasser darauf
in entsprechende Rinnen und Kanäle
abfließt, sodass
dementsprechend hier der Einsatz von insbesondere horizontal in
oberflächennahen
Bodenschichten verlegten Erdwärmetauschereinrichtungen,
sogenannten Kollektoren, bislang nicht als sinnvoll eingestuft wurde.
Auch ist man bislang richtigerweise davon ausgegangen, dass, da
in diesem Fall die Bodenschichten nicht im offenen Austausch mit der
Atmosphäre
stehen, nicht genügend
Wärmeenergie
in diesem Boden für
die regenerative Wärmeenergie
vorhanden bzw. gespeichert ist, da keine zusätzlich Wärme über die Sonneneinsstrahlung
in den Boden eingebracht wird. Dies kann auch dazu führen, dass
neben einer ineffektiven Wärmeentzugsleistung
die Gefahr besteht, dass die Erdwärmetauscheranlage über kurz
oder lang einfriert.
Auch
der Einsatz von in erdberührten
Bodenfundamentplatten und Wänden
integrierten Wärmetauschereinrichtungen
brachte bislang keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Bei Gründungspfählen sieht
die Sache schon positiver aus, jedoch nur wenn sie in tieferen grundwasserführenden
Bodenschichten gründen.
Dagegen werden Erdwärmesonden
bis zu ca. 100 m und mehr abgeteuft, so dass hier fast immer, zumindest
teilweise, von vorhandenen grundwassergesättigten Bodenschichten auszugehen
ist.
Ausgehend
von dem vorstehend angegebenen Stand der Technik und der damit verbundenen Problematik,
liegt der vorliegenden Erfindung nun die Aufgabe zu Grunde, ein
Verfahren anzugeben, das den Einsatz der Wärmegewinnung aus der oberflächennahen
Erdwärme
mit bekannten Erdwärmetauschereinrichtungen
nicht nur auf die Bereiche der unversiegelten Erdoberflächen beschränkt, sondern auch
theoretisch im gesamten Stadtgebiet eingesetzt werden kann, und
nicht deren Nachteile aufweist, d.h. im Gegensatz dazu eine saisonal
und vom Wetter unabhängigere
und konstantere, und damit eine über
das ganze Jahr hinweg leistungsfähiger
Wärmegewinnung
auf relativ hohem Temperaturniveau ermöglicht.
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und
den weiteren wesentlichen Ausgestaltungen in den Unteransprüchen 2 bis
8 gelöst.
Die
Idee der Erfindung liegt darin, insbesondere zu diesem Zweck aufgewärmtes Wasser
gezielt und kontrolliert unter mehr oder weniger versiegelten Erdoberflächen von
Liegenschaften, und Verkehrsflächen
zusätzlich
zu versickern, und damit ein leistungsfähigerer nach oben gegenüber der
Atmosphäre
abgedeckter und nach unten gegenüber
dem Erdreich offener Erdwärmespeicher
entsteht, der weitestgehend saisonal und vom Wetter unabhängig genutzt
werden kann.
Die
bislang nachteiligen Bedingungen von versiegelten Erdoberflächen für die regenerative Wärmegewinnung
aus dem darunter befindlichen oberflächennahen Erdreich werden mit
diesem Verfahren zum gravierenden Vorteil für diesen Zweck umgewandelt,
indem einerseits der dort bislang zumeist für die Wärmegewinnung zu trockene Erdboden
durch eine zusätzliche,
gezielte und weitestgehend kontrollierte Versickerung von Wasser
unter der versiegelten Oberfläche
in einer für
die Wärmegewinnung
geeigneter Weise konditioniert wird, d.h. mehr oder weniger befeuchtet
wird. Das hat den großen Vorteil,
dass der Erdboden unter der versiegelten Oberfläche zu einem idealen Erdwärmespeicher wird,
gerade weil er gegenüber
der Atmosphäre
abgeschottet ist, und keine Wärme
an diese abgibt, aber leider auch keine Sonnenwärme direkt aufnehmen kann.
Demnach muss für
diesen Erdwärmespeicher
eine andere Form der zusätzlichen
Energieeinbringung gefunden werden. Und dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das für
die zusätzliche
Versickerung in diesem Erdboden bestimme Wasser warm ist, sodass
neben der natürlich vorhandenen
Erdwärme
noch städtische
Abwärme zugeführt wird.
Damit wird bei diesem Verfahren im Gegensatz zur bisherigen Methode,
wo Sonnenwärme über die
offene Erdoberfläche
ins Erdreich eingebracht wurde, die verschlossene Erde unterirdisch mit
warmem Wasser versorgt. Dieser dadurch geschaffene Erdwärmespeicher
ist nach unten unendlich offen, und kann demnach unendlich viel
Wärmeenergie
aufnehmen, die dann insbesondere im Winter für die Gebäudeklimatisierung genutzt werden kann.
Das zusätzlich
versickerte Wasser verleiht dem entsprechenden Erdboden die erforderliche
optimale Wärmespeicher-
und Leitfähigkeit,
und somit den gewünschten
optimalen Wärmeaustausch
mit den darin verlegten Erdwärmetauschern
bei gleichzeitiger Regenerierung. Hinzu kommt, dass die Erdwärmetauscher
bekanntermaßen
auch zur Kühlung
von Gebäuden
herangezogen werden können, und
in diesem Fall dem Erdboden Kälte
entziehen und im Austausch dagegen zusätzliche Wärme diesem zuführen. Somit
kann das betreffende Erdreich je nach Bedarf und Jahreszeit als
Wärme und/oder
Kältespeicher
verwendet werden. Das erwärmte
Wasser steht nachhaltig zur Verfügung
und wird kontinuierlich versickert, sodass der Erdwärmespeicher
zusätzlich
immer kontinuierlich aufgeladen wird, und demnach die erforderliche
Wärmemenge
nach Bedarf ganzjährig zur
Verfügung
stellen kann.
Mit
diesem Verfahren werden somit optimale Bedingungen für die Wärmegewinnung
aus der Erdwärme
im Bereich oberflächennaher
Bodenschichten insbesondere unter überbauten städtischen
Flächen geschaffen,
was bisher in dieser fortgeschrittenen Form nicht erkannt wurde.
Alle bislang und künftig dafür geeigneten
Versickerungssysteme und Erdwärmetauschertechniken
können
weiterhin eingesetzt werden, und erfahren mit diesem erfinderischen
Verfahren, insbesondere was die nicht allzu tief gründenden
Systeme betrifft, eine nicht unerhebliche Leistungssteigerung. Auch
Erdwärmesonde
können
zumindest im oberen Sondenbereich, wo bisher die Wärmeentzugsleistung
relativ gering war, davon profitieren. Somit können nunmehr ganze Stadtgebiete im
Rahmen von vorerst Neubau-, Sanierungs- oder Restrukturierungsmaßnahmen
mit einer solchen Wärmegewinnungsverfahren
ausgestattet werden. Sicherlich wird es dann zu gegebener Zeit auch
die Möglichkeit
für eine
entsprechende Nachrüstung
in vorhandenen Strukturen geben.
Die
weitere Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens sieht in Anspruch
2 vor, dass das Wasser insbesondere unter Gebäuden, Straßen, und befestigten Freiflächen versickert
wird. Damit sind alle überbauten
und versiegelten Erdoberflächen städtischer,
gewerblicher, und industrieller Ansiedlungen gemeint. Zum Beispiel
ist gut vorstellbar, auch bei der Erneuerung von Straßendecken
den Straßenunterbau
mit diesem Verfahren nachzurüsten.
Gemäß Anspruch
3 wird das Wasser über entsprechenden
Erdwärmetauschereinrichtungen versickert.
Demnach ist davon auszugehen, dass, um den nahezu gesamten Erdraum
unter der versiegelten Oberfläche
mit Wasser optimal für
die Wärmege winnung
zu konditionieren, die Versickerung so nah wie möglich unter der versiegelten
Erdoberfläche beginnt,
und die entsprechenden Erdwärmetauschereinrichtungen
darunter verlegt sind. Somit ist gewährleistet, dass durch die kontinuierliche
Versickerung des warmen Wasser, dieses sich einerseits durch die
Kapillarwirkung nach allen Seiten im Erdreich ausdehnt, und andererseits
bei entsprechender Sättigung
aufgrund der Schwerkraft auch darin von oben nach unten bewegt,
und einen entsprechend großen
Erdraum einschließlich
der Erdwärmetauschereinrichtungen
befeuchtet und zugleich erwärmt. Die
Erdwärmetauschereinrichtung
kann nun bei Bedarf die Wärme
aus ihrer Erdumgebung mittels des in ihr zirkulierenden Kältemittels
entziehen, und einer Wärmepumpenanlage
zuführen.
Anspruch
4 beschreibt in diesem Zusammenhang die vorteilhafte Situation bei
gleichzeitigem Vorhandensein eines im Erdreich verlegten Abwasserkanalrohres.
Bekanntlich hat das darin fließende Abwasser
eine höhere
Temperatur als das den Kanal umgebende Erdreich. Demzufolge dient
das Kanalrohr als zusätzlicher
nachhaltiger Wärmespender
für die
Erdwärme.
Dieser Sachverhalt ist nicht unbedeutend, da gerade in städtischen
Strukturen, solche Kanäle
nahezu flächendeckend
vernetzt unter den Straßenzügen verlegt
sind, und ein riesiges horizontales und bislang kaum genutztes Erdwärmetauscher-Heizsystem
für die
Erdwärme
bedeuten. Diese Eigenschaft wird gemäß dem erfinderischen Verfahren
nun konsequent genutzt, indem das Wasser über dem Scheitel des Kanals
versickert wird, und dabei u.a. automatisch auch den Kanalaußenmantel
benetzt, und entsprechend seiner Sättigung an ihm entlang nach
unten fließt,
bis es früher
oder später
vom Erdreich aufgenommen wird. Das Wasser nimmt dabei die Wärme aus
dem Kanal auf, und gibt sie an die Erde ab, während die Temperatur des Abwassers
im Kanal entsprechend abkühlt.
Unter diesen Bedingungen ist es vorteilhaft, die Erdwärmetauschereinrichtung
unter dem Kanal zu positionieren, um dem unter dem Kanal abtropfenden,
noch relativ sehr warmen Wasser auf kürzestem Wege die benötigte Wärme zu entziehen.
Es sind aber auch andere Positionierungen möglich. Zum Beispiel können die
Erdwärmetauschereinrichtungen
bei der Erneuerung von Straßendecken
und deren Unterbau nur derart nachgerüstet werden, indem sie zwar
unter den Versickerungseinrichtungen, aber über dem Abwasserkanal verlegt werden.
Und dies macht auch Sinn, da die Wärme auch im Erdreich immer
nach oben zur Erdoberfläche steigt,
sich jedoch bei diesem Verfahren unter der versiegelten Oberfläche dann
aufstaut, und dort von der Erdwärmetauschereinrichtung
aufgenommen werden kann.
Gemäß Anspruch
5 ist das Wasser Oberflächenwasser,
also Wasser, dass in den wärmeren Jahreszeiten
bei entsprechenden Regenereignissen in relativ großen Mengen
warm zur Verfügung
steht. Dieses Wasser muss nur mit den bekannten Einrichtungen gefasst,
gesammelt, gefiltert und der Versickerung zugeführt werden. In kälteren Jahreszeiten muss
von diesem Wasser nicht Gebrauch gemacht werden, da noch anderes,
unter diesen Umständen besser
geeignetes Wasser zur Verfügung
steht. Außerdem
wird der betreffende Erdraum für
diese Zeit schon ausreichend konditioniert sein, und genügend Wärmekapazität gespeichert
haben.
Gemäß Anspruch
6 wird warmes Abwasser verwendet, dass aus häuslichen, gewerblichen, und/oder
industriellen Prozessen stammt, und ganzjährig zumeist aus dezentralen
Quellen aus nächster Nähe zur Verfügung steht.
Theoretisch kann jeder Nutzer einer solchen Wärmegewinnungsanlage in einer
Stadt sein selbst produziertes Abwasser dafür verwenden, wenn es vorher
z.B. in einer häuslichen Kleinkläranlage
gereinigt wurde.
Gemäß Anspruch
7 wird empfohlen, das Wasser vor der Versickerung in einem entsprechend isolierten
Behälter
zu puffern, weil die zuvor genannten Wässer nur diskontinuierlich
zur Verfügung
stehen, und eine kontinuierliche Versickerung in zumeist kleineren
Mengen über
das ganze Jahr gefordert wird. Gemäß Anspruch 8 ist es vorteilhaft,
wenn dieser Pufferbehälter
in einer modernen Abwasser- und/oder Regenwasseraufbereitungs- und
Bewirtschaftungsanlage systematisch eingebunden ist. Solche Anlagen
werden vermehrt auf dem Markt angeboten, und dienen der dezentralen
Wiederverwendung von Wasser jeglicher Art vor Ort, um sowohl die Wasserverschwendung
zu reduzieren und entsprechende Gebühren einzusparen, als auch
die Wasserverwendung umweltgerechter zu gestalten.
Das
gewählte
Ausführungsbeispiel
beschreibt die Anwendung des beanspruchten Verfahrens mit den dafür erforderlichen
Einrichtungen unter der versiegelten Erdoberfläche einer Straße 2 mit zwei
gegenüberliegenden
Gehwegen 1, und mit einem darunter im Erdreich 5 verlegten
Abwasserkanalrohr 6. Straßen, Gehwege und Abwasserkanalrohre
sind örtliche
Bauten, wie sie in allen städtischen Infrastrukturen
und ähnlichen
Siedlungsformen nahezu flächendeckend
vernetzt anzutreffen sind. Das Verfahren kann natürlich auch
unter anderen versiegelten bzw. überbauten
Flächen,
z.B. auch unter Gebäuden
angewendet werden. Damit ist an sich schon die erste Voraussetzung
für einen
perfekten Erdwärmespeicher 5 gegeben,
wofür jedoch
dann noch erforderlich ist, dass dort befindliche, zumeist bislang trockene
Erdreich 5 entsprechend besser für die Wärmespeicherung und Leitung
aufzubereiten. Das geschieht gemäß dem beanspruchten
Verfahren dadurch, dass aufgewärmtes
Wasser W über
eine Wasserleitung 3 in das oberflächennahe Erdreich 5 unter der
Straße 2 und
den Gehwegen 1 eingeleitet, und gezielt und weitestgehend
kontrolliert über
die angeschlossenen Versickerungseinrichtungen 4 zusätzlich versickert
wird. Das aufgewärmte
Wasser W kann aus den unterschiedlichsten Quellen stammen. Vorzugweise
wird es in der warmen Jahreszeit Oberflächenwasser sein, dass von den
von der Sonne aufgeheizten versiegelten Flächen in einer Stadt, wie Hausdächer und
Straßen,
Gehwegen und Plätzen, entsprechend
den Regenereignissen diskontinuierlich abfließt, und vor der Einleitung
in die kommunale Kanalisation abgefangen und einem Pufferbehälter zugeleitet
wird (hier nicht gezeigt). Genauso gut kann es auch entsprechend
gereinigtes Abwasser aus häuslichen,
gewerblichen oder industriellen Prozessen sein, das dann auch in
der kalten Jahreszeit in entsprechend warmer Form zur Verfügung steht. Selbstverständlich kann
es auch überschüssiges erwärmtes Wasser
aus anderen regenerativen Wärmerückgewinnungsanlagen,
z.B. Sonnenkollektoranlagen sein, die das Erdreich 5 als
kostenlosen Wärmespeicher
nutzen wollen. Bekanntlich brauchen die meisten regenerativen Energiequellen
einen Speicher, um erst damit eine kontinuierliche Energiebereitstellung über einen
längeren
Zeitraum gewährleisten
zu können.
Vorzugsweise fließt
das Wasser W drucklos, d.h. nur unter hydrostatischem Druck im Gefälle in das
Erdreich 5 ein. Dieser Druck kann über eine eingerichtete Wassersäule (nicht
gezeigt) bestimmt und nach Bedarf geregelt werden. Selbstverständlich sind
hierbei auch Druckleitungen denkbar, wofür jedoch dann zusätzlich eine
Pumpe benötigt wird.
Der Pufferbehälter
(hier nicht gezeigt) ist sehr wichtig, um das diskontinuierlich
anfallende Wasser W erst mal aufzufangen, zu sammeln, und dann kontinuierlich
in einer entsprechenden Menge weiterzuleiten. Die Wasserleitung 3 und
die Versickerungseinrichtungen 4 liegen vorzugsweise so
nah wie möglich unter
der Straßendecke,
um weitestgehend das gesamte Erdreich 5 unter der versiegelten
Erdoberfläche
für die
Wärmegewinnung
entsprechend optimal konditionieren zu können. Die Versickerungseinrichtungen 4 bestehen
bei dieser Anlage aus fünf
entsprechend perforierten Rohren, die in gleichmäßigen Abständen horizontal und parallel
nebeneinander verlegt sind. Über
die Perforierungen im gesamten Rohrmantel wird das Wasser W gleichmäßig und kontinuierlich
in einer bestimmten Bodenschicht verteilt und entsprechend versickert.
Es können
selbstverständlich
auch andere geeignete Konstruktionen für die Wassereinleitung und
Versickerung zur Anwendung kommen. Hierfür gibt es schon die verschiedensten
Produkte und Systeme auf dem Markt. Das Wasser W wird entsprechend
seiner Sättigung der
Schwerkraft folgen und vorrangig nach unten sickern, jedoch wird
es sich auch durch die Kapillarwirkung nach allen Richtungen mehr
oder weniger ausbreiten, und so letztendlich das ganze Erdreich 5 oberhalb
und unterhalb der Versickerungseinrichtungen 4 befeuchten.
Selbstverständlich
müssen
die Leitungen in der frostfreien Zone liegen, und dürfen keine
anderen Ver- und Entsorgungseinrichtungen behindern. Darunter liegt
das Abwasserkanalrohr 6, das nun mit dem Wasser W von oben
an seinem kompletten Außenmantel
benetzt wird. Das Wasser W wird auch hier neben der Kapillarwirkung
entsprechend seiner Sättigung
vorrangig daran nach unten fließen,
bis es wieder gänzlich
vom anliegenden Erdreich 5 aufgenommen worden ist. Das
Abwasserkanalrohr 6 hat bekanntlich eine höhere Temperatur
als das Erdreich 5, sodass ein Wärmeaustausch zwischen dem Abwasserkanalrohr 6 und
dem Wasser W und dem Erdreich 5 derart stattfindet, dass
ersteres sich abkühlt
und die beiden letzteren sich erwärmen. Da das warme Abwasser 7 im
Abwasserkanalrohr 6 immer wieder nachfließt, wird
das Abwasserkanalrohr 6 letztendlich jedoch kaum nennenswert
abkühlen,
und Wärme
nachhaltig in das gesamte Erdreich 5 abstrahlen, und dient
somit als ständiger
zusätzlicher
Heizkörper
für die
Erdwärme.
Und unter dem Abwasserkanalrohr 6 befindet sich in diesem
Fall bevorzugt die Erdwärmetauschereinrichtung 8 für die Wärmegewinnung.
Gewählt
wurden im Erdreich 5 verlegte Kollektorrohre aus Kunststoff,
in denen unter Druck ein Kühlmedium
zirkuliert, und die über
einen Vorlaufanschluss VL und einen Rücklaufanschluss RL mit einer
Wärmepumpe
(nicht gezeigt) in Verbindung steht. Die in diesem Beispiel gewählte Ausführungsform
entspricht weitestgehend konventionellen Erdwärmekollektoranlagen. Es können selbstverständlich für dieses
Verfahren auch Varianten davon und andere geeignete Erdwärmetauschereinrichtungen
verwendet werden, worauf hier im Einzelnen nicht näher eingegangen
werden braucht. Das von oben nach unten sickernde und das Erdreich 5 befeuchtende
und das Abwasserkanalrohr 6 benetzende Wasser W wird auch
diese Erdwärmetauschereinrichtung 8 passieren,
und dann in tiefere Bodenschichten weiterwandern. Hierbei wird dem
Wasser W bzw. dem Erdreich bzw. Erdwärmespeicher 5 die Wärme entzogen
und über
das Kühlmedium
an die Wärmepumpe
weitergeleitet. Bekanntlich gibt es auch Ausführungen, die unter der Erdwärmetauschereinrichtung 8 eine
Art Sperrschicht, z.B. in Form eines Geotextils vorsieht, um das
Wasser W in der näheren
Umgebung der Kollektorrohre nicht so schnell versickern zu lassen.
Damit soll ein effektiverer Wärmetausch
ermöglicht
werden.