DE102007044557A1

DE102007044557A1 - Erdwärmespeicher mit Dampfsperre, Reservoiren und Befeuchtung für eine Hausenergiezentrale

Info

Publication number: DE102007044557A1
Application number: DE102007044557A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Oesterwitz; Bernhard Schmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-03-12
Also published as: ES2361580T3; HU0800548D0; HUP0800548A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Erdwärmespeicher für eine Hausenergienutzung, der aus einer fluidhaltigen Wärmespeichermasse ausgebildet ist, der mindestens ein erstes Teilsystem zum Eintrag und in definierter Entfernung mindestens ein zweites Teilsystem zur Entnahme von Wärmeenergie enthält, wobei die Systeme mit ihrem jeweiligen die Wärme eintragenden und entnehmenden Teilsystemen in einem den Erdwärmespeicher beschreibenden, zumindest teilweise gasdicht ausgeführten Speicherraum angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine obere und eine umlaufende seitliche Abdichtung (60O, 60S) des Speicherraumes (40) des Erdwärmespeichers (80) erfolgt, wobei zumindest im Bereich unter der oberen Abdichtung (60O) ein Befeuchtungssystem (70) angeordnet ist, welches das Wärmespeichervermögen der Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers (80) durch Zufuhr eines Fluids in einem für den Betrieb der Hausenergienutzung optimalen Bereich zu ermöglichen, bestimmt ist. Ein zugehöriges Verfahren stellt sicher, dass das Wärmespeichervermögen der Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers (80) gesteuert und geregelt wird, indem dem Erdwärmespeicher (80) über ein Befeuchtungssystem (70) Fluid zugeführt wird, um die Hausenergiezentrale in Abhängigkeit, der auf den Erdwärmespeicher (80) wirkenden physikalischen Randbedingungen in einem für den Betrieb optimalen Bereich zu halten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Erdwärmespeicher und eine Verfahren für das Energiemanagement zur Speicherung von Wärme mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 und 20 genannten Merkmalen.
Im Zuge der Bemühungen um eine bessere Ausnutzung der Energiequellen und zum Erschließen von bisher nicht oder nur mit geringem Wirkungsgrad nutzbaren Energiequellen steht u. a. die Nutzung der Sonne als kostenlos zur Verfügung stehende Energiequelle immer mehr im Mittelpunkt. Die Strahlungsenergie wird mit thermischen Sonnenkollektoren aufgefangen, direkt genutzt, in Wärme speichernden Anlagen abgeladen. Mit dieser Energie werden beispielsweise flüssige Medien, im technologisch einfachsten Fall Wasser erwärmt. Die Betriebskosten eines Sonnenkollektors liegen niedrig.
Die Schwierigkeiten liegen darin, dass die Menge der einfallenden Sonnenenergie im täglichen und im jahreszeitlichen Rhythmus stark schwankt und sich im Grunde nie mit dem jeweiligen Bedarf deckt. Damit benötigt man entsprechende Wärmespeicher. Bekannt sind Wärmespeicher auf chemischer Grundlage, Wärmespeicher, in denen Energie in Form von Heißwasser gespeichert wird, und auch Wärmespeicher, bei denen einfaches Erdreich als Speichermedium betrachtet wird. Feuchtes Erdreich bietet sich als Speichermedium an, da es praktisch kostenlos zur Verfügung steht. Die kaloriemetrische Wärmekapazität bei etwa 20 Vol.% Wasseranteil entspricht etwa dem 0,3-fachen der Wärmekapazität reinen Wassers.
Solche für das Beheizen von Häusern bestimmte Erdwärmespeicher werden im Garten oder einfach in der Umgebung des zu beheizenden Hauses angelegt. Aus vielen Gründen, unter anderem wegen schlechter Isolation und wegen einem geringen Wirkungsgrad beim Übergang der Wärme in den Speicher und aus dem Speicher, verlangen die bekannten Erdwärmespeicher ein hohes Volumen. Entsprechend muss viel Erdreich zum Absenken und Einbauen der verschiedenen Isolationen ausgehoben werden. Dies verlangt seinerseits hohe Kosten. Es kommt hinzu, dass die Fläche des ein Haus umgebenden verfügbaren Erdreichs bzw. das zu einem Haus gehörende Grundstück begrenzt ist. Mit bekannten Erdwärmespeichern ist eine Speicherung der Sonnenenergie vom Zeitpunkt des größten Wärmeeinfalls im Sommer bis zum Zeitpunkt des höchsten Verbrauchs im Winter nur mit hohen Kosten oder überhaupt nicht möglich.
Das Gebrauchsmuster DE 76 04 366 beschreibt einen Wärmespeicher mit Verwendung von Erdreich als Speichermedium, mit Einrichtungen zum Einleiten von Wärmeenergie von einem Energieempfänger in das Erdreich und mit Einrichtungen zum Ableiten der gespeicherten Wärmeenergie zu einem Energieverbraucher der sich dadurch auszeichnet, dass ein an den Energieempfänger angeschlossener primärer Rohrkreis in Form von Schleifen durch das Erdreich geführt ist und ein an den Energieverbraucher angeschlossener sekundärer Rohrkreis in Form von Schleifen in geringem Abstand zu den Schleifen des primären Rohrkreises ebenfalls durch das Erdreich durchgeführt ist, wobei ein Mantel aus wärmeisolierendem Material die Schleifen mit Abstand von oben und den Seiten umschließt.
Weitere Druckschriften beschäftigen sich mit der Möglichkeit Wärme im Erdreich zu speichern. So beschreibt die DE 103 43 544 , dass Erdwärme grundsätzlich an jedem Standort genutzt werden kann. In den oberen Schichten bis ca. 20 m hat die Sonnenstrahlung einen Einfluss auf die Bodentemperatur. In einigen Regionen der Erde können sich die ersten Meter durch Sonneneinstrahlung sogar bis auf 50°C erhitzen oder umgekehrt im Winter bis zum Gefrierpunkt oder darunter abkühlen. Daraus entsteht ein nur von der Jahreszeit abhängiger Temperaturverlauf. Die im Boden gespeicherte Sonnenenergie kann beispielsweise durch den Einsatz von horizontalen Erdkollektoren in Verbindung mit Wärmepumpen zur Gebäudebeiheizung verwendet werden. Diese Energie wird allgemein als oberflächennahe Erdwärme bezeichnet.
Die Kombination von Sonnenkollektoren auf dem Dach mit Anlagen zur Nutzung von oberflächennaher Erdwärme durch Erdkollektoren oder Erdwärmesonden und Wärmepumpen ist bekannt. Es ist möglich, die im Sommer gewonnene Wärme aus Sonnenkollektoren über Wärmetauscher im Erdreich bei geringer Tiefe zu speichern und einen Teil dieser Energie ab dem Herbst wieder zum heizen zu nutzen. Eine Stromerzeugung ist bei diesen Konzepten nicht vorgesehen.
Außer der oberflächennahen Erdwärme gibt es die Wärme im tiefen Untergrund. Sie stammt aus drei verschiedenen Quellen. Sie ist gespeicherte Energie, deren Ursprung in der während der Erdentstehung frei gewordenen Gravitationsenergie liegt. Sie ist ein Rest von einer Urwärme vor der Erdentstehung. Sie entsteht aus dem Zerfall radioaktiver Isotope in der Erdkruste. Diese Wärme ist aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Gesteine in der Erde gespeichert.
Ferner können unterirdische Wasserströme, warm- oder heißwasserführende Aquifere und durch Vulkanismus erhitze Böden werden ebenfalls direkt zum Heizen und zur Stromproduktion genutzt werden. Die geologischen und technischen Grundlagen dazu sind in der allgemeinen Literatur ausführlich beschrieben.
Schließlich beschreibt auch die DE 35 45 622 einen Wärmespeicher mit hier bereits relativ niedriger Grundfläche zur Langzeitspeicherung, um fühlbare Wärme wirtschaftlich zur Verfügung zu stellen. Hier ist ein Speicherraum mit einer Speichermasse in Form von Erdreich und/oder Flüssigkeit bzw. Dampf vorgesehen, wobei eine vakuumdichte Schicht aus Kunststoff oder Blech an einer äußeren Beton-Stahlbetonwand abgestützt angeordnet ist. Der aus mindestens einem Plattenbauteil aufgebaute Speicherstandboden aus Stahlbeton, Beton und/oder Eisenmetall weist zwecks Isolation Hohlbauteile auf, wobei die Speichermasse durch mindestens eine horizontale Wärmedämmplatten in eine Mehrzahl von Speicherabteilen unterschiedlichen Temperatur bzw. Wärmegehaltes aufgeteilt ist.
Weitere Informationen zum Wärmehaushalt des Bodens sind beispielsweise auf der Internet-Seite www.hypersoil.uni-muenster.de beschrieben. Hieraus ist bekannt, dass Wärme im Boden über drei Mechanismen transportiert wird.

Wärmestrahlung: Der Wärmetransport erfolgt über die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, spielt vor allen Dingen beim Energieaustausch zwischen Atmosphäre und Bodenoberfläche eine Rolle.
Wärmeleitung: Sie beruht auf der Übertragung kinetischer Energie beim Zusammenstoß von Molekülen und ist der wichtigste Mechanismus zum Wärmetransport in humiden Böden.
Wärmeströmung (Konvektion): Wärmeenergien werden durch Wasserdampftransport und Wasserfluss (Grundwasser) verlagert.

Für alle beschriebenen, nicht hermetischen Konzepte stellt sich das Problem, dass durch die ständige Zuführung von Wärmeenergie eine Austrocknung der Erdwärmespeicher erfolgt. Diese Trocknungserscheinungen, insbesondere an der Erdoberfläche der Erdwärmespeicher führen zu erheblichen Wärmeverlusten. Ein kg Wasser entzieht der Umgebung allein zur Verdampfung ca. 0,628 kWh Wärmeenergie. Im Ergebnis kommt es zu Leistungseinbrüchen, der an die Erdwärmespeicher angeschlossenen Anlagen.
Die selbsttätige Regeneration der bekannten Erdwärmespeicher dauert lange, da Erdwärmespeicher relativ träge sind. Bekannt ist, beispielsweise mehrere Erdwärmespeicher anzulegen, denen ständig Wärme zugeführt wird, wobei stets durch eine angeschlossene Anlage nur aus einem Erdwärmespeicher Wärme entzogen wird. Somit ist eine gewisse Kontinuität der Wärmeentnahme durch Wechsel der angelegten Erdwärmespeicher gewährleistet. Dieser Aufbau ist jedoch sehr aufwändig und beispielsweise zur Wärme-Energieversorgung von Einfamilienhäusern auch zu teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde für beispielsweise eine Hausenergiezentrale, einen kostengünstigen und leicht zu errichtenden Erdwärmespeicher anzubieten, welcher je nach den im und außerhalb des Erdwärmespeichers herrschenden Bedingungen ein optimalere Speicherung von Wärmeenergie im Erdwärmespeicher ermöglicht.
Die Aufgabe ist in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Schutzanspruchs 1 durch einen Erdwärmespeicher gelöst, der unter einer Glocke, beziehungsweise einer Glocke nachempfunden, zumindest eine obere und seitliche Abdichtung des Speicherraumes aufweist, wobei zumindest im Bereich unter der oberen Abdichtung ein Befeuchtungssystem angeordnet ist, welches das Wärmespeichervermögen der Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers durch Zufuhr eines Fluids in einem für den Betrieb der Hausenergienutzung optimalen Bereich zu halten bestimmt ist.
Von der Erdoberfläche verdunsten täglich 1–5 mm Niederschlag je nach Sonneneinstrahlung, Lufttemperatur, -druck und Windverhältnissen. Berechnet auf einen m² Erdoberfläche werden damit 0,628–3,14 kWh Verdampfungswärme in die Atmosphäre abgegeben.
Ein erstes System zum Eintrag der Wärmeenergie in den Erdboden bewirkt, bei entsprechendem Vorhandensein eines Fluids den gleichen Effekt.
Im Unterschied zu seitlich und nach oben offenen Systemen kann Wasser beziehungsweise Wasserdampf mit erhöhter Temperatur und damit meist geringerer Dichte nicht zur Erdoberfläche aufsteigen und entweichen.
Das sich mit der Energiezufuhr im Erdreich einstellende Wasserdampfgleichgewicht bleibt in einer Art Blase unter der Glocke gefangen. Die gespeicherte Wärme wird nicht für Evaporations-/Transpirationsvorgänge umgesetzt, der Wärmetransport zur Oberfläche wird erheblich verlangsamt. Gleichwohl führt ein erhöhter Wasserdampfdruck dauerhaft zu einem Konzen trationsrückgang, des in der organisch-/mineralischen Bodenphase adsorbierten Fluids (relative Trocknung).
Zur Überwindung der Bodenträgheit sind unter der oberen Abdichtung Befeuchtungssysteme vorsehbar, welche das Wärmespeichervermögen des Glockeninhalts bei Bedarf durch Zufuhr von Fluid in einen für den Betrieb der Hausenergiezentrale optimalen Bereich zu führen vermögen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung, weist die glockenförmige Abdichtung und das gegebenenfalls in Abhängigkeit von der Entnahmeleistung und Ebenenstärke/-anzahl ausgelegten Befeuchtungssystem über dem beziehungsweise um das als Erdwärmespeicher vorgesehene Bodenvolumen herum einen gemeinsamen, schichtenartigen Aufbau auf.
Der schichtenartige Aufbau kann in vielfältigen Varianten erfolgen, die von den jeweiligen Randbedingungen abhängen. Insbesondere hängt der schichtenartige Aufbau von dem jeweiligen Eigenschaften des Bodens im Erdwärmespeicher ab.
Als obere und seitliche Abdichtung muss mindestens eine Schicht als Dampfsperrschicht oder in den meisten Fallen eine Dampfsperrschicht und eine nach innen zum Erdwärmespeicher gerichtete zusätzliche Dehnschicht als Funktionsschicht angeordnet sein.
Der schichtenartige Aufbau umfasst in einer bevorzugten Ausgestaltung, die vielfältig einsetzbar ist, im oberen Bereich beispielsweise eine erste, oberen/äußere und eine dritte, untere/innere, den Erdwärmespeicher nach oben begrenzende Funktionsschicht.
Der schichtenartige Aufbau ist in dieser Ausgestaltung im seitlich, umlaufenden Bereich des Erdwärmespeichers ebenfalls mit einer ersten, seitlichen und einer dritten, seitlichen den Erdwärmespeicher abgrenzenden Funktionsschicht ausgebildet.
Dies Funktionsschichten können als Schutzschicht und/oder Dämmschicht und/oder Dehnschicht und/oder Dränageschicht ausgebildet sein.
Die zwischen der ersten und dritten Schicht als Dampfsperre ausgebildete zweite Schicht verhindert den unkontrollierten Feuchte-/Niederschlagsein- und Feuchte-/Dampfaustrag.
Unterhalb der Dampfsperre als zweite Schicht ist regelmäßig das Befeuchtungssystem, vorzugsweise ebenfalls schichtenartig ausgeführt, angeordnet.
Vielfältige Varianten des Schichtenaufbau sind möglich. Die zweite Schicht als Dampfsperre und das Befeuchtungssystem sind dabei stets anzuordnen.
Die erste und dritte Funktionsschicht im oberen Bereich – oben und unten – beziehungsweise die erste und dritte Funktionsschicht im seitlichen Bereich – innen und außen – können jeweils entweder beide angeordnet werden oder jeweils nur eine der beiden Funktionsschichten wird angeordnet, wobei wie oben beschrieben in den meisten Fällen für die obere Abdichtung immer eine untere und für die seitlich, umlaufende Abdichtung eine innere Dehnschicht als Funktionsschicht ausgeführt wird.
Dabei können die angeordneten Funktionsschichten mit einer vorbestimmten Funktion sowohl als Dehnschicht als auch als Schutzschicht und/oder Dämmschicht und/oder Dränageschicht ausgebildet sein
Als Dampfsperre kommen in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung dampfdichte Folien, beispielsweise einfache Teichfolien oder Streifenfundamente mit aufliegenden Bodenplatten aus wasserundurchlässigem Beton oder dergleichen zum Einsatz.
Mit wasserundurchlässigem Beton als Material errichtete Bodenplatten – obere Abdichtung – über entsprechend eingebauten Streifenfundamenten – seitliche Abdichtung – als Dampfsperre bedürfen keines oberen beziehungsweise äußeren Schutzes oder einer Drainage zur unterirdischen Ableitung der Staunässe.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können angeordnete Befeuchtungsauslässe im Befeuchtungssystem bei zunehmender Trockenheit oder bei Kühlungsoptionen die Herstellung des wünschenswerten Fluidhaushalts ermöglichen.
Die erste Funktionsschicht im oberen Bereich beziehungsweise im seitlichen Bereich die äußere Funktionsschicht wird bei mineralisch dichten Abdeckungen des Erdwärmespeichers ebenfalls als verzichtbar erachtet.
Dem Speichervolumen zuzuführendes Fluid entnimmt das Befeuchtungssystem einem Reservoir. Von Schwebstoffen gereinigtes Regenwasser oder entkalktes, gefiltertes Grundwasser genügen zumeist, die ausschließlich unter der Dampfsperre befindlichen Wasserauslässe der Befeuchtungsleitungen nicht zu verstopfen. Die Drainageleitungen werden möglichst gleichmäßig über dem Speichenvolumen des Erdwärmespeichers verlegt und bevorzugt aus perforiertem Leitungsmaterial mit Blindstopfen an den Enden ausgeführt.
Aus der Bodenbeschaffenheit und dem gewünschten Arbeitsbereich bestimmt sich der wahlweise per Hand oder über eine automatische Dosiereinrichtung bestimmte, zuzuführende Fluidbedarf. Die Zuleitung zum Verteilsystem ist mit Rückschlagventil und Zähleinrichtung sowie mit einer Armatur, vorzugsweise einem Schrägsitzventil, zum manuellen Öffnen und Schließen des Verteilsystems versehen.
Im Erdwärmespeicher ist zur Ermittlung der Temperatur und der absoluten und/oder relativen Feuchte des optimalen Bereiches des Wärmespeichervermögen der fluidhaltigen Wärmespeichermasse, des Erdwärmespeichers zumindest ein Feuchtesensor und zumindest ein Temperatursensor angeordnet, so dass die Speicherkapazität des Fluids im Boden das Befeuchtungs-/Rückbefeuchtungssystem im gewünschten Betriebsbereich steuer- und regelbar und somit optimierbar ist. Die Überwachung kann im einfachsten Fall durch automatische Differenzregelung erfolgen.
Eine Kragenlinie, die dem Ende der seitlichen Umfassung nach unten entspricht, grenzt den Erdwärmespeicher nach unten ab. Die Abdeckung grenzt den Erdwärmespeicher nach oben ab.
Ein im Erdwärmespeicher liegendes Teilsystem des ersten Systems zum Eintrag der Wärmeenergie sind beispielsweise mäanderförmige Erdregister, mehrschichtige teil- oder vollflächig durchflossene Polymerplatten oder dergleichen.
Beim Einsatz von Erdregistern erfolgt eine Verlegung der Erdregister, des im Erdwärmespeicher liegenden Teilssystems des zweiten Systems zur Entnahme und des im Erdwärmespeicher liegenden Teilsystems des ersten Systems zum Eintrag von Wärmeenergie in der fluidhaltigen Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers horizontal und vorzugsweise schichtenartig in einem vorgebbaren, von den jeweiligen Einsatzbestimmungen abhängigen Abstand.
Die Abstände/Stärken der zwischen Be- und Entladeebenen liegenden Sohlen des Erdwärmespeichers ergeben sich insbesondere aus der Bodenzusammensetzung.
Als Faustregel gilt das beispielsweise Erdregister in wenig saugenden Böden (Kiessand) mit einem Abstand 80 cm und in stark saugenden Böden (Löß/Lehm) mit einem Höhenunterschied im Abstand von 25 cm zu belegen sind.
Die Anordnung erfolgt vorzugsweise horizontal in wechselnder Strömungsrichtung der Erdregister.
Über einer Wärmeeintrags- befindet sich eine Wärmentzugsebene usw.. Als oberste Ebene wird in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung eine Wärmentzugsebene angeordnet.
Die als günstig erachtete Dichtedifferenz erwärmter zu kühler Dampf-/Feuchtekonzentration beschleunigt durch den entsprechenden Auftrieb in die oberen Ebenen und den Energietransfer innerhalb des Erdwärmespeichers und somit die Kondensation/Adsorption des in das Substrat am Entzugspunkt beziehungsweise der Entzugsebene eingedampften, aufgestiegenen Wassers. Aus diesem Grund wird eine Wärmentzugsebene des zweiten Systems im Erdwärmespeicher als oberste Ebene angeordnet.
Das im Erdwärmespeicher liegende Teilsystem des ersten Systems der Hausenergiezentrale zum Eintrag der Wärmeenergie kann auch ein Systemstrahlungselement nach der EP 1 523 223 sein.
Beim Einsatz von Erdsonden erfolgt eine Anordnung der Erdsonden des im Erdwärmespeicher liegenden, ersten Teilsystems des zum Eintrag von Wärmeenergie in die fluidhaltige Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers vertikal, vorzugsweise bei Einsatz von mehreren Erdsonden vertikal in einem vorgebbaren Abstand.
Beim Einsatz mindestens eines oder mehrerer Systemstrahlungselemente, als das im Erdwärmespeicher liegende Teilssystem des ersten Systems zum Eintrag von Wärmeenergie in die fluidhaltige Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers, erfolgt eine Anordnung des Systemstrahlungselementes horizontal und/oder vertikal in einem vorgebbaren Abstand.
Schließlich wird in bevorzugter Ausgestaltung des Verfahren ein Vorlauf des Teilsystems zum Eintrag der Wärmeenergie und ein Rücklauf des Teilsystems zur Entnahme von Wärmeenergie durch einen/mehrere in/neben/über/entfernt der fluidhaltigen Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers angeordneten Kontaktbehälter oder eine Kontaktstrecke mit einem ebenfalls Wärmenergie befördernden/speichernden Fluid geführt.
Eine Glättung der Kennlinien durch schwankenden Wärmeintrag des ersten Systems bzw. den schwankenden Wärmeentzug des zweiten Systems der Hausenergiezentrale wird erreicht.
Den Energieeintrag begünstigend als auch die Entzugsleistung erhöhend, wirkt sich hier die Nutzung der spezifischen Wärmekapazität/Wärmeleitfähigkeit Fluids, vorzugsweise des Wassers, aus.
Der Vorlauf des ersten Teilsystems zum Eintrag der Wärmeenergie und der Rücklauf des zweiten Teilsystems zur Entnahme von Wärmeenergie werden im einfachsten Fall durch einen mit gegenläufigen Strömungsrichtungen in den wassergefüllten Tank eingebauten Registern ausgeführt.
Handelsüblich sind beispielsweise bis 10.000 Liter fassende, aus Beton oder im Spritzgussverfahren hergestellte, durch Registereinbau oder den Anschluss mittels Plattenwärmeübertragersystemen ergänzte Tanks oder Erdtanks.
Beispielhaft sind hohe Energieeinträge aus thermischen Solarkollektoren über die Leitungen des ersten Teilsystems vielfach effektiver in dem Kontaktbehälter als im Erdwärmespeicher abgeladen.
Aus Kontaktbehälter können dort gespeicherte Energieüberschüsse nachts in das Erdreich des Erdwärmespeicher entladen beziehungsweise umgeladen werden.
Neben dem kontinuierlichen Eintrag kommt der Pufferung auch für die Bereitstellung der Wärmeenergie Bedeutung zu. Bedarfsgerecht Heizenergie zu liefern stellt Wärmepumpenproduzenten z. B. vor Probleme, wenn keine große Temperaturspreizung im Erdwärmespeicher besteht. Zumeist entstehen dann schlechtere Arbeitszahlen.
Mit Kontaktbehälter sind die Wirkungsgrade wesentlich höher, da die Temperaturen im Erdwärmespeicher insgesamt höher sind und eine große Temperaturspreizung vorliegt. Ein Wärmepumpensystem ist mit Kontaktbehälter somit wesentlich effektiver betreibbar.
Bevorzugt ist, dass vorgebbare Abstände zwischen den im Erdwärmespeicher horizontal, schichtenartig verlegten Erdregistern und/oder vertikal angeordneten Erdsonden und/oder anderen Energiequellen bei Integration eines Kontaktbehälters oder einer Kontaktstrecke in den Erdwärmespeichern größer festgelegt und die Speicher selbst räumlich kleiner ausgeführt werden können.
Das erste System mit seinem ersten außerhalb des Erdwärmespeicher liegenden Teilsystems zum Eintrag von Wärmeenergie in den Erdwärmespeicher ist eine thermische Solaranlage und/oder ein Kühlabsorber einer Photovoltaik-Anlage und/oder ein System auf Basis auskoppelbarer Prozesswärme anderer Systeme und/oder eine konventionelle Wärmeerzeugeranlage.
Das zweite Teilsystem zur Entnahme von Wärmeenergie ergänzt sich außerhalb des Erdwärmespeichers als Wärmepumpenanlage oder als konventionelles System zur Entnahme der Wärmeenergie mit Pumpengruppe, dem zugehörigen Wärmetauscher oder dergleichen.
Durch ein zugehöriges Verfahren wird das Wärmespeichervermögen der Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers überwacht, gesteuert und geregelt. Optimiert wird das System indem dem Erdwärmespeicher über das Befeuchtungssystem Fluid zugeführt wird, und somit die Hausenergiezentrale, in Abhängigkeit der auf den Erdwärmespeicher wirkenden physikalischen Randbedingungen in einem für den Betrieb günstigen Bereich gehalten wird.
Wärmeinträge des jeweiligen Teilsystems, des mindestens einen ersten Systems in den und/oder Wärmeentzüge des jeweiligen Teilsystems, des mindesten einen zweiten Systems aus dem Erdwärmespeicher ändern dessen Temperatur und damit temperaturabhängige Vorgänge und generelle Fluidverluste in dem nach unten offenen Erdwärmespeicher ändern zudem absolute und/oder relative Feuchte.
Bei Verlassen der vorgebbaren optimalen Werte einer Feuchte und/oder Temperatur oder einem vorgebbaren Wertebereich wird eine Befeuchtung des Erdwärmespeichers und damit die optimale Zuführung des fehlenden Flüssigkeitsanteils mittels Zuführung von Fluid vorgenommen oder eingestellt.
In Abhängigkeit der Eigenschaften der Wärmespeichermasse wird der mögliche Wärmeintrag des mindestens einen ersten Systems in den und/oder der mögliche Wärmeentzug des mindestens einen zweiten Systems aus dem Erdwärmespeicher beherrschbar.
Die sich mit der Temperatur ändernde absolute Wärmespeicherkapazität ist beim Verlassen vorgebbarer, günstiger Werte oder eines vorgebbaren Wertebereiches durch Befeuchtung optimierbar und damit eingeschlossen ist auch die Nutzung zur Kühlung anhängender Systeme leicht realisierbar.
Die Zuführung einer flüssigen, wässrigen Phase wirkt der Aufheizung/Austrocknung des Erdwärmespeichers entgegen.
Es lassen sich hiernach einer von der Speichermasse ermittelten Temperaturkennlinie optimale Dampfkonzentrationen sogenannte Kondensationswärmevorräte einstellen. Ist der in der Speichermasse angestrebte Sollwert hergestellt wird die Befeuchtung unterbrochen.
Unter der Glocke gefangener Wasserdampf beziehungsweise die darin gespeicherte Wärme gelangt nicht oder nur über Umwege – beispielsweise Dampfverlust im seitlichen Bereich unterhalb der seitlichen Abdichtung – an die Erdoberfläche.
Die Verzögerung des Wärmetransfers mittels Dampfsperre durch die Abdichtung im oberen und seitlichen Bereich reicht aus, die Anforderungen an den Erdwärmespeicher zu erfüllen.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine beispielhafte Hausenergiezentrale mit Erdwärmespeicher;
1A eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung – vertikal geschnitten – eines ersten Ausführungsbeispiels einer Schichtenfolge einer oberen Abdeckung des Erdwärmespeichers;
2 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung – vertikal geschnitten – eines zweiten Ausführungsbeispiels der Schichtenfolge der oberen Abdeckung des Erdwärmespeichers;
3 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung – vertikal geschnitten – eines dritten Ausführungsbeispiels der Schichtenfolge der oberen Abdeckung des Erdwärmespeichers;
4 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung – vertikal geschnitten – eines vierten Ausführungsbeispiels der Schichtenfolge der oberen Abdeckung des Erdwärmespeichers;
5A, 5B eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung – vertikal 5A und horizontal 5B geschnitten – eines fünften Ausführungsbeispiels der Schichtenfolge der seitlichen Abdeckung des Erdwärmespeichers;
6 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung – vertikal geschnitten – eines sechsten Ausführungsbeispiels der Schichtenfolge der oberen und seitlichen Abdeckung des Erdwärmespeichers;
Die 1 zeigt eine Hausenergiezentrale mit einer herausgezogenen Vergrößerung 1A eines beispielhaften schichtenartigen Aufbaus in einem ersten Ausführungsbeispiel im oberen Bereich 60O.
Die Darstellung 1 weist ein erstes System 10 zum Eintrag von Wärmeenergie auf. Ein zweites System 20 dient zur Entnahme von Wärmeenergie, wobei die Systeme 10, 20 mit ihrem jeweiligen die Wärme eintragenden und entnehmenden Teilsystemen in einen Erdwärmespeicher 80 integriert sind.
Der Erdwärmespeicher 80 kann unterhalb eines Hauses, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel auch im Erdkörper neben einem Haus oder auch als Hochbeet teils über/außerhalb des Erdkörpers angelegt werden. Im Zwischenraum der Beladeebene zur Entzugsebene ist genau die Menge Erdreich vorgesehen, die für den abgestimmten Wärmeübergang die optimale Speicherkapazität besitzt.
Als erstes System mit seinem zum Eintrag von Wärmeenergie ist in der 1 beispielhaft eine thermische Solaranlage 10 mit Vorlaufleitung 10VL und Rücklaufleitung 10RL dargestellt.
Als zweites System zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Erdwärmespeicher 80 ist hier beispielhaft eine Wärmepumpenanlage 20 mit einer Vorlauf-Soleleitung 20VL und einer Rücklauf-Soleleitung 20RL dargestellt. Die Solar-/Soleleitungen 10VL, 10RL und 20VL, 20RL sind separat ausgeführte Systeme.
Über entsprechende Wärmetauscher nach dem Prinzip der bekannten Wärmepumpensysteme wird in der Wärmepumpenanlage 20 (nicht näher dargestellt) die entnommene Wärmenergie für einen Wärmeabnehmer, beispielsweise Heizung, optional Brauchwasser, nutzbar, wobei die 1 prinzipiell einen Wärmestrang 30 mit Vorlauf/Rücklauf 30VL/30RL zeigt, der zu nicht näher dargestellten Wärmeabnehmern führt.
Der Erdwärmespeicher 80 ist beispielsweise aus natürlichen und/oder speziell für den Erdwärmespeicher 80 vorbereiteten, mit Zuschlagsstoffen (Salz, Lehm) versehenen Böden ausgeführt. Um ein möglichst gutes Wärmespeichervermögen der Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers 80 zu ermöglichen, ist der Erdwärmespeicher 80 im oberen und im seitlichen Bereich mit einer Abdichtung 60 versehen.
Die Abdichtung 60 umfasst eine obere Abdichtung 60O und eine seitliche Abdichtung 60S, wobei im Bereich der oberen Abdichtung 60O ein Befeuchtungssystem 70 angeordnet ist.
Die Abdichtung 60 und das Befeuchtungssystem 70 weisen im oberen Bereich 60O des als Speicherraum 40 ausgebildeten Erdwärmespeichers 80 einen gemeinsamen schichtenartigen Aufbau auf.
Grundsätzlich besteht die Abdichtung 60O, 60S mindestens aus der Dampfsperre 60B und dem zugehörige Befeuchtungssystem 70. Zumeist wird zusätzlich oben oder unten beziehungsweise seitlich innen oder außen zumindest eine weitere Funktionsschicht angeordnet, die wie vorne beschrieben verschiedene Funktionen übernehmen kann.
Nachfolgend wird eine in der Praxis mögliche Ausführung beschrieben, die jedoch die Erfindung hinsichtlich der Anordnung der Anzahl und des beschriebenen Schichtenaufbaus Dampfsperrschicht beziehungsweise der anordbaren Funktionsschichten nicht einschränkt.
Eine erste, obere und eine dritte, untere, die obere Abdichtung 60O darstellende Funktionsschicht 60A, 60C ist in einer herausgezogenen, vergrößerten Darstellung der 1A sichtbar gemacht.
Zwischen der ersten, oberen und dritten, unteren Funktionsschicht 60A, 60C liegt als eine zweite Schicht eine Dampfsperre 60C, wobei immer unter dieser Dampfsperre 60C das Befeuchtungssystem 70 ausgebildet ist.
In der 1A sind unterhalb des Befeuchtungssystems 70 symbolisch Wassertropfen als Fluid dargestellt, die zeigen, dass das Befeuchtungssystem 70 in einer Art Drainagesystem ausgebildet ist.
Die Abdichtung 60 im seitlichen Bereich 60S des als Speicherraum 40 ausgebildeten Erdwärmespeichers 80 weist ebenfalls vorzugsweise den schichtenartigen Aufbau auf, der aus einer ersten, äußeren einer dritten, inneren Abdichtung 60A, 60C außen begrenzenden, Funktionsschicht ausgebildet ist.
Die Dampfsperre 60C ist eine dampf- und flüssigkeitsundurchlässige Schicht. Die jeweils erste und dritte Schutzschicht 60A, 60C als erste – obere/äußere – bzw. dritte – untere/innere – Schicht im oberen Bereich 60O sowie im seitlichen Bereich 60S der Abdichtung 60 ist beispielsweise als eine unverwitterbare Filzmatte als Schutz oder als eine Schutzdämmung und gleichzeitig eine Dehnfunktion übernehmenden Dämmplatten ausgebildet. Die Dämmplatten können die Ausdehnung des Erdwärmespeichers 80 bei thermischer Expansion des Volumens des Erdwärmespeicher 80 aufnehmen
Die Funktionsschichten dienen der Begrenzung des Erdwärmespeichers 80 und stellen sicher das die Dampfsperre 60B hinsichtlich der Dampfdichtheit des Erdwärmespeichers 80 vor Zerstörungen bewahrt wird.
Die Funktionsschichten können zur Dämmung und Gewährleistung der Dehnung sowohl oben und/oder unten – obere Abdichtung 60O – als auch außen und/oder innen seitliche Abdichtung 60S angebracht sein.
Bei Betonbauteilen zur Abdichtung oder ähnlich starren Dampfhauben ist die Funktionsschicht zur Aufnahme von Dehnungen im Erdwärmespeicher 80 immer innen anzubringen und eine obere beziehungsweise äußere Funktionsschicht 60A ist verzichtbar.
Die jeweilige erste und dritte Schutzschicht 60A, 60C dient dem Schutz der Folie gegenüber dem beidseitig anliegenden Erdreich, unter der Dampfsperre dem Drainagesystems 70.
Selbstverständlich ist grundsätzlich eine nur auf einer Seite ausgeführte begrenzende Schutzschicht 60A oder 60C denkbar, wobei prinzipielle sogar bereits das Auslegen einer Folie als Dampfsperre 60C ohne Funktionsschicht 60A, 60C ausreichend sein kann.
Erfindungsgemäß ist zur Ermittlung der Temperatur T und der absoluten oder relativen Feuchte ρ, φ in der fluidhaltigen Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers 80 zumindest ein Temperaturensensor 90 und zumindest ein Feuchtesensor 100 angeordnet, so dass die Speicherkapazität im Erdreich durch das Befeuchtungssystem 70 im gewünschten Betriebsbereich steuer- und regelbar und somit optimierbar ist.
Wie in der 1 gezeigt, ist das im Erdwärmespeicher 80 liegende Teilsystem zum Eintrag der Wärmeenergie ein Erdregister und das im Erdwärmespeicher 80 liegende Teilsystem zur Entnahme von Wärmeenergie ebenfalls ein Erdregister.
Der Eintrag der Wärmeenergie erfolgt über die thermische Solaranlage 10 über den Vorlauf 10VL in den Erdwärmespeicher 80, wobei zunächst davon ausgegangen wird, dass ein Kontaktraum/Kontaktbehälter 50 nicht angeordnet ist.
Über die in einem bestimmten Abstand A im Erdwärmespeicher 80 beispielsweise verlegten Registerleistungen wird über den Vorlauf 10VL der thermischen Solaranlage 10 Wärmeenergie im Erdwärmespeicher 80 gespeichert und nach Abgabe der Wärmeenergie über den Rücklauf 10RL das abgekühlte Trägermedium der Wärme der thermischen Solaranlage, insbesondere dem dargestellten Kollektor, zur erneuten Erwärmung zugeführt.
Dieser Wärmeeintrag erfolgt selbstverständlich nur dann, wenn über die Quelle, hier Sonnenenergie, ein entsprechender Wärmeeintrag zur Verfügung steht.
Aus der beispielhaft dargestellte Wärmepumpenanlage 20 wird über den Vorlauf 20VL kalte Sole der Wärmepumpenanlage 20 ebenfalls schichtenartig in einem bestimmten Abstand A durch den Erdwärmespeicher 80 geführt.
Eine bestimmte Wärmemenge wird dem Erdwärmespeicher 80 entzogen, über den Vor- und Rücklauf 20VL, 20RL sowie nach dem Verdichter-/Entspannerprinzip an den als Verbraucher gekennzeichneten Wärmestrang 30VL/30RL abgeführt.
Zur Entnahme von Wärmeenergie kann das zweite System 20 nicht nur als horizontal verlegte, schichtenartige Erdregister, sondern auch als vertikal angeordnete Erdsonde oder mehrerer vertikal angeordneter Erdsonden ausgeführt werden. Hier erfolgt dann eine vertikale Anordnung von mehreren Erdsonden im Erdwärmespeicher 80, wobei hier ebenfalls ein gewisser Abstand (nicht näher dargestellt) vorgebbar ist.
Der Einsatz eines Systemstrahlungselementes zur Zuführung von Wärme in den Erdwärmespeicher 80 ist in Kombination oder alleine mit Erdsonden und/oder Erdregistern wie beschrieben (nicht dargestellt) ebenfalls denkbar.
In Abhängigkeit der Eigenschaften des Erdreiches sind für derartige Anlagen, bei denen die Wärmemenge durch das zweite System 20 mittels Erdsonden oder Erdkollektoren dem Erdreich des Erdwärmespeichers 80 entzogen wird, folgende Leistungen zu erwarten. In Abhängigkeit des Wassergehaltes im Erdreich wird bei Erdsonden eine maximale Entzugsleistung von circa 100–150 W/m (Sondenlänge) erreicht. Bei sehr trockenen Böden sinkt die Entzugsleistung auf maximal circa 50 W/m.
Für herkömmliche Erdkollektoren gelten Entzugsleistungen von circa 40–65 W/m² bei feuchtem bis lehmig/sandigem Erdreich. Bei ungünstigen Verhältnissen, beispielsweise bei steinig-trockenem Erdreich, sinkt die maximale Entzugsleistung auf circa 20–32 W/m².
Aus diesen Daten wird deutlich, dass sowohl beim Einsatz von Erdsonden in vertikaler Anordnung in einem vorgebbaren Abstand als auch beim Einsatz von Erdkollektoren in horizontaler schichtenartiger Anordnung in einem vorgebbaren Abstand die Entzugsleistung bei trockenem Boden bzw. Erdreich wesentlich absinkt. Wünschenswert ist also die Fähigkeit, die Wärme im Erdreich durch Optimierung des Verhältnisses von festen und in Form von Wasser in flüssigem Zustand vorliegenden Bestandteilen zu optimieren, dabei soll sowohl Wasser als auch Dampf als Speichermedium in dem aus Erdreich ausgebildeten Erdwärmespeicher 80 dienen.
Die spezifische Entzugsleistung beispielsweise von freiliegenden Erdwärmeregistern und dergleichen Erdwärmesonden hängt im Wesentlichen von dem Wasseranteil (Fluid) des Erdwärmespeichers ab, wobei wie zuvor beschrieben [Werte gelten für Erdwärmeregister] Kies, Sand in trockenem Zustand, <20 W/m und Kies, Sand wasserführend, 55–65 W/m spezifische Entzugsleistung erbringt.
In Abhängigkeit der jeweils im Erdwärmespeicher 80 erzeugten, örtlich differierenden Temperaturen kommt es zu einer Dampfdruckerhöhung/-senkung im Erdwärmespeicher 80 und damit zu den gewünschten Phasenumwandlungen, so dass Teile der Flüssigkeit verdampfen/kondensieren/adsorbieren.
Die Dimensionen der Hausenergiezentrale sind so bemessen, dass erreichbare Be- und Entladezyklen optimal genutzt werden. Bestimmend hierfür ist das Verhalten des im Boden vorhandenen Wassers. Bei der Beladung erfolgt im Bereich der Übergänge aus verschiedensten Solar- oder Prozesswärmequellen die Erhöhung der Dampfkonzentration. Das Wasser im Kontakt oder mittelbarer Nähe nimmt die zum temperaturbedingten Dampfkonzentrationsausgleich erforderliche Verdampfungswärme aus der jeweiligen Beladungsebene auf.
Damit diese latente Verdampfungswärme innerhalb des Erdwärmespeichers 80 für Speicherzwecke nicht verloren geht und nicht in die Atmosphäre aufsteigt, wird die zuvor beschriebene Abdichtung 60 als obere Abdichtung und die seitliche Abdichtung 60S wie beschrieben ausgeführt.
Die latente Verdampfungswärme wird neben der im flüssigen Zustand im Wasser/Gestein gespeicherten sensiblen Wärme wie unter einer Glocke innerhalb der Dampfsperre 60C im Erdwärmespeicher 80 zurückgehalten.
Die Abkühlung oder Entnahme von Wärmeenergie durch das im Erdwärmespeicher 80 verlaufende zweite System 20 bewirkt eine Kondensation des Dampfes bis hin zur Gefrierung der wässrigen Phase.
Wie in der Atmosphäre kommt es in aufliegenden, kühleren Schichten zur Kondensation/Adsorption des zuvor verdampften, aufgestiegenen Wassers. An den spiralförmigen Erdwärmesonden bzw. Erdwärmeregistern fallen die Wassertropfen aus und sickern dann unter der Glocke durch das Erdreich des Erdwärmespeichers 80 nach unten in Richtung der einzelnen Be- und Entladeebenen.
Erhöhte Temperaturen als auch erhöhte Dampfkonzentrationen behindern gleichzeitig die Kapillarwirkung an den Phasengrenzen der Feststoffbestandteile, so dass die Oberflächenspannung der Bodenbestandteile steigt.
Durch den Verlust von Flüssigkeit, die nach der Kondensation des Wassers durch die einzelnen Beladeebenen in den Erdkörper darunter versickert/verdampft, fällt entsprechend der Feuchtigkeitsgehalt des Erdwärmespeichers 80 im Bereich der Beladeebenen, der durch das Befeuchtungssystem 70 wieder in einen optimalen Bereich zurückgeführt wird.
Der Verlust des Wassers, kann zudem, durch die ständige Zuführung von Wärmeenergie hervorgerufen, wie bereits beschrieben bis hin zur Austrocknung des Erdwärmespeichers 80 führen. Durch die Befeuchtung wird die Regeneration des Erdwärmespeichers 80 bewirkt.
Für das Befeuchtungssystem 70 kommt bei Unterschreitung eines definierten, kritischen Feuchtegehaltes und/oder Überschreitung einer definierten kritischen Temperatur im Erdwärmespeicher 80 die Zuführung von Wasser aus einem Brauch-/Regenwasserreservoir (nicht dargestellt) zur Anwendung. Bemessen auf die Speicherfläche werden beispielsweise bis 2,5 l/m² der Speicheroberfläche des Erdwärmespeichers 80 und Tag in das Speichermedium verteilt.
Beachtlich hierbei ist, dass 1 l Fluid, insbesondere Wasser, circa 0,628 kWh an Verdampfungswärme aufnimmt und demnach relativ geringe Mengen für eine optimale Dosierung bereitgestellt werden müssen.
Das vorhandene gekoppelte System aus Abdichtung 60 und Befeuchtungssystem 70 dient also zum Einen zur Rückhaltung, der über das erste System (thermische Solaranlage) 10 zugeführten Wärmeenergie innerhalb des Erdwärmespeichers 80 und zum Anderen zur Optimierung des Wassergehaltes (Feuchte) innerhalb des Erdwärmespeichers 80. Eine Art Nasskies ähnlich der Aquifer-Speicher darf bei der Befeuchtung im Erdwärmespeicher 80 jedoch nicht entstehen. Dies ist durch die Temperatur- und Feuchtemessung 90, 100 gewährleistet.
Das Befeuchtungssystem 70 kann dabei auch zur erstmaligen Befeuchtung des als Erdwärmespeicher 80 errichteten Speicherkörpers verwendet werden. Später dient das Befeuchtungssystem 70 stets nur noch der Wiederherstellung/Kühlung des ursprünglich in einen optimalen Bereich geführten Erdwärmespeichers 80.
Die Leistungsfähigkeit des Speichers wie auch der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe hängt ganz erheblich von günstigen Arbeitsbereichen ab, die eine geringe Schwankungsbreite haben sollen. Allein die Schwankungen der Wärmeversorgung zwischen Tag und Nacht machen bei Tageslichtanlagen einen Leistungsverlust von ca. 30% berechnet auf den saisonalen Ertrag aus.
Erforderlich ist somit, dass der Wärmeeintrag bzw. Wärmeentzug mit einer möglichst geringen Schwankungsbreite innerhalb der optimalen Temperaturen und des günstigen Wassergehaltes im Erdwärmespeicher 80 erfolgt. Ungünstig ist eine starke Entnahme von Wärme durch das zweite System 20 ohne gleichzeitige Zuführung von Wärme durch das erste System 10 beziehungsweise eine ständige Zuführung von Wärme durch das erste System 10 ohne entsprechende Abnahme von Wärme durch das zweite System 20.
Da sowohl der Anfall von Wärmeenergie über das erste System 10 beziehungsweise die notwendige Abnahme von Wärme durch das zweite System 20 nicht immer korrespondiert, kann die Leistungsfähigkeit des Erdwärmespeichers 80 und somit der Wirkungsgrad der Wärmepumpe und somit ebenfalls der gesamten Hausenergiezentrale dadurch verbessert beziehungsweise der Wirkungsgrad erhöht werden, indem im Erdwärmespeicher 80 ein Kontaktraum 50 beziehungsweise, wie in der 1 dargestellt, ein Kontaktbehälter 50 angeordnet wird. Dieser Kontaktbehälter 50 ist ebenfalls mit einem Fluid, vorzugsweise Wasser, befüllt, welches eine hohe spezifische Speicherkapazität aufweist, wobei die Leitungen zur Wärmezuführung beziehungsweise Wärmeabführung des jeweiligen Teilsystems des ersten und zweiten Systems 10, 20 durch den Kontaktbehälter 50 geführt werden.
Diese Maßnahme führt dazu, dass Energie im Vorlauf 10VL aus dem ersten System 10 zum Wärmeintrag wegen des mehrfach besseren Übergangs zunächst im Puffer 50 verbleibt.
Hierdurch wird folglich auch ein äquivalent höheres Energieniveau in der Sole des Wärmepumpenssystems des Rücklaufes 20RL des zweiten Systems 20 zur Entnahme von Wärmenergie erreicht.
Der Kontaktbehälter 50 weist einen bestimmten vorgebbaren korrigierbaren Füllstand 50A auf, wobei das jeweilige Volumen des Kontaktbehälters 50 die zwischenspeicherbare Wärmemenge bestimmt.
Wie dargestellt ist der Vorlauf 10VL der thermischen Solaranlage 10 über den Kontaktbehälter 50 geführt, in dem zunächst die entsprechende Wärme an das Wasser im Kontaktbehälter 50 abgegeben wird, wonach der Vorlauf 10VL schichtenartig – von oben nach unten – durch den Erdwärmespeicher 80 geführt wird, wo die Restwärme, des in der thermischen Solaranlage 10 sich im Kreislauf befindenden über den Rücklauf 10RL zurückgeführten Mediums abgegeben wird.
Zuerst ist der Vorlauf 20VL des zweiten Systems 20 schichtenartig in einer Art Erdregister – von unten nach oben – durch den Erdwärmespeicher 80 geführt, um die so gegebenenfalls unter 0°C abgekühlte Sole aus der Wärmepumpe 20 vorzuwärmen. Der Rücklauf 20RL der Wärmepumpenanlage 20 wird nach dem Entzug der Wärme aus dem Erdwärmespeicher 80 oben in den Kontaktbehälter 50 geführt.
Das günstigste Soletemperaturniveau ist durch Temperaturbegrenzung einzustellen. Die Wärme ist im Kontaktbehälter 50 effektiver als im Erdwärmespeicher 80 selbst aufnehmbar. Die Wärmepumpe 20 gibt dann entsprechend der Funktion die Wärme, die sich durch die Temperaturdifferenz ΔT der Sole anleitet, an den Wärmestrang 30VL/RL, umgesetzt in das dort angeforderte Temperaturniveau, ab.
Vorzugsweise werden der Vorlauf 10VL des Teilsystems innerhalb des Erdwärmespeichers beziehungsweise des Kontraktraumes 50 zum Eintrag der Wärmeenergie und der Rücklauf 20RL des Teilsystems zur Entnahme der Wärmeenergie gegenläufig aneinander vorbeigeführt. Gleichläufige Leitungsführung ist selbstverständlich ebenfalls denkbar. Droht die Kontaktflüssigkeit im Kontaktbehälter 50 ohne Nachladung von Wärme aus dem ersten System 10 bei dauernder Sole-Rücklauftemperatur 20RL unter 0°C einzufrieren wird der Kontaktbehälter 50 entleert.
Durch den Kontaktbehälter 50 werden Zeiten statistisch höherer Wärmeanforderung denen niedrigerer Wärmeanforderung ins Verhältnis gebracht. Eine ungünstige Temperaturspreizung im Erdwärmespeicher 80 wird vermieden.
Die Systeme 10 und 29 zum Wärmeeintrag und zum Wärmeentzug in beziehungsweise aus dem Erdspeicher 80 können entsprechend geringer bemessen, die Trägheit des Bodens bei der Beladung beziehungsweise Entladung der Wärmeenergie können somit überwunden werden.
Schließlich zeigt 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel. Oberhalb des Speicherraumes 40 ist beispielsweise bereits ein Baukörper angeordnet, der als erste, obere Funktionsschicht 60A bereits den oberen Schutz der Dampfsperre 60B übernehmen kann.
Die Funktion der oberen begrenzenden Funktionsschicht 60A kann also von einem Bauteil des Baukörpers bereits erfüllt sein. Konventionell errichtete Bodenplatten mit darunter befindlichen, kapillarbrechenden Splitt-, Schotter-, Recyclingschichten erfordern jedoch insgesamt den folgenden schematisch, dargestellten Aufbau der oberen Abdichtung 60O.
Die erste, obere Funktionsschicht 60A als Schutzschicht der Dampfsperre 60B bildet die Platte des Baukörpers. Danach schließt sich die Dampfsperre als zweite Schicht 60B an, die von einer Funktionsschicht 60C, vorzugsweise eine Filzmatte oder dergleichen, unterfüttert ist. Unterhalb beziehungsweise in die Filzmatte 60C hinein wird das Befeuchtungssystem 70 angeordnet.
Das Befeuchtungssystem 70 ist wiederum von unten mit einer Funktionsschicht 60C, vorzugsweise einer Filzmatte, zum Schutz des Befeuchtungssystems 70, zum Speicherraum 40 des Erdwärmespeicher 80 hin, begrenzt.
Gemäß 3, die einem dritten Ausführungsbeispiel entspricht, entfällt in Erdwärmespeichern 80, bei denen im Speicherraum sandige Böden zum Einsatz kommen die dritte, untere Funktionsschicht 60C. Die Drainageleitungen des Befeuchtungssystems 70 im Erdwärmespeicher 80 können gemäß 3 direkt in das Erdreich des Speicherraums 40 verlegt werden.
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, welches den Schichtenaufbau insbesondere in Freiflächen darstellt. Die hier dargestellte obere Abdichtung 60O für den Aufbau des Erdwärmespeichers 80 in Freiflächen, also nicht unterhalb eines Baukörpers, weist folgende Schichten auf.
Als erste Schicht 110 wird Erdreich 110 aufgebracht, wobei darunter zunächst als erste, obere Funktionsschicht 60A eine Filzmatte und unterhalb dieser Filzmatte die Folie als zweite Schicht 60B angeordnet wird. Als Schutz der Dampfsperre 60B gegenüber dem Befeuchtungssystem 70 wird wiederum eine dritte Funktionsschicht 60B oberhalb des Befeuchtungssystems 70 verlegt. Das Befeuchtungssystem 70 wiederum erhält als Schutz wiederum nochmals eine Funktionsschicht, die der dritten Funktionsschicht 60C entspricht und wiederum eine Filzmatte ist.
Die unterhalb der Dampfsperre 60B angeordnete Filzmatte 60C kann vorzugsweise auch um Schutz- und Dämmeigenschaften sowie Dehnungseigenschaften zu verwirklichen eine Dämmplatte sein, so dass dann Schutz und Dämmung gegen Wärmeverluste des Erdwärmespeichers abgesichert beziehungsweise verhindert und Dehnung des Erdwärmespeichers 80 aufgenommen werden kann.
Geringe Einbautiefen/Hochbeete sowie unerwünscht Wärme leitende Decklagen erfordern die in der 4 über dem Befeuchtungssystems 70 zur Dampfsperre 60B ausgebildete untere Funktionsschicht als Schutzschicht 60C ebenfalls als Dämmplatte auszuführen.
Die 5A und 5B zeigen eine vergrößerte, schematische Schnittdarstellung in einer vertikal geschnittenen seitlichen Abdeckung (5A) und in einer horizontal geschnittenen seitlichen Abdeckung (5B) in der jeweils gleichen Schichtenfolge. Als erste, äußere Funktionsschicht 60A wird im seitlichen Bereich eine Schutzschicht, beispielsweise wiederum eine Filzmatte, für die Folie 60B als zweite Schicht angeordnet.
Im inneren, seitlichen Bereich des Erdwärmespeichers 80 wird als dritte, innere Funktionsschicht 60C vorzugsweise eine Dämmplatte angebracht, die sowohl eine Schutzfunktion, als auch eine Dämmfunktion und eine Dehnfunktion zum Ausgleich von Dehnungen des Erdwärmespeichers 80 ermöglicht.
5B zeigt diese gleiche Ausführung in der horizontal geschnittenen Darstellung.
In der Darstellung 6 wird in einem sechsten Ausführungsbeispiel eine Variante vorgestellt, bei der insbesondere der Übergang zwischen der oberen Abdichtung 60O und der seitlichen Abdeckung 60S von Interesse ist. Die obere Abdichtung 60O liegt beispielsweise wiederum unter einer ersten Funktionsschicht 60A als Bodenplatte, die bereits den oberen Schutz der zweiten Schicht 60B, der Folie, übernimmt.
Unterhalb der Folie 60B ist als dritte Funktionsschicht innerhalb der oberen Abdichtung 60O eine Filzmatte 60C angeordnet.
Zur seitlichen Abdichtung 60S hin wird die Folie 60B neben dem Seitenstreifenfundament, welches als erste, äußere Funktionsschicht seitlichen Bereich des Erdwärmespeichers 80 ausgebildet ist, in den seitlichen Abdichtungsbereich 60S herumgezogen.
Hier im seitlichen Bereich 60S wird als dritte, innere Funktionsschicht eine Dämmplatte 60C ausgeführt, die im Bereich der oberen Abdichtung 60O an der Filzmatte 60C anliegt. Die zweite Schicht 60B als Dampfsperre, beispielsweise die Folie, endet jedoch nach Umlegen in den seitlichen Bereich hinein, wie dargestellt.
Die seitliche Abdichtung 60S als Dampfsperre wird im sechsten Ausführungsbeispiel somit nur durch das aus vorzugsweise wasserundurchlässigem Beton ausgeführte Seitenstreifenfundament als erste, äußere Funktionsschicht 60A und als die dritte, innere Funktionsschicht angeordnete Dämmschicht 60C, die selbst ebenfalls möglichst wasserundurchlässig ausgeführt ist, realisiert. Eine weiter im Bereich der seitlichen Abdichtung 60S heruntergezogene Dampfsperre 60B kann hier entfallen.

10: System zum Wärmeeintrag [thermische Solaranlage/Kühlabsorber Photovoltaik o. ä.]
10VL: Vorlauf Wärmeeintragssystem [thermische Solaranlage]
10RL: Rücklauf Wärmeeintragssystem [thermische Solaranlage]
20: System zur Wärmeentnahme [Wärmepumpenanlage]
20VL: Vorlauf Wärmeentnahmesystem [Sole – WP]
20RL: Rücklauf Wärmeentnahmesystem [Sole – WP]
30VL/RL: Wärmestrang (Heizung, optional Brauchwasser)
40: Speicherraum
40A: Zwischenraum Be-/Entladeebenen
50: Kontaktbehälter/Kontaktstrecke
50A: Füllstand Kontaktbehälter
60: Abdichtung
60O: obere Abdichtung
60S: seitliche Abdichtung
60A: erste Funktionsschicht [obere Funktionsschicht oder seitliche, äußere Funktionsschicht]
60B: zweite Schicht [Folie oder Beton als Dampfsperre]
60C: dritte Funktionsschicht [untere Funktionsschicht oder seitliche, innere Funktionsschicht]
70: Befeuchtungssystem
80: Erdwärmespeicher
90: Temperatursensor
100: Feuchtesensor
110: Erdreich außerhalb Erdwärmespeicher
A: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 7604366 U [0005]
- DE 10343544 [0006]
- DE 3545622 [0010]
- EP 1523223 [0047]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- www.hypersoil.uni-muenster.de [0011]

Claims

Erdwärmespeicher für eine Hausenergienutzung, der aus einer fluidhaltigen Wärmespeichermasse ausgebildet ist, der mindestens ein erstes Teilsystem zum Eintrag und in definierter Entfernung mindestens ein zweites Teilsystem zur Entnahme von Wärmeenergie enthält, wobei die Systeme mit ihrem jeweiligen die Wärme eintragenden und entnehmenden Teilsystemen in einem den Erdwärmespeicher beschreibenden, zumindest teilweise gasdicht ausgeführten Speicherraum angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine obere und eine umlaufende seitliche Abdichtung (60O, 60S) des Speicherraumes (40) des Erdwärmespeichers (80) erfolgt, wobei zumindest im Bereich unter der oberen Abdichtung (60O) ein Befeuchtungssystem (70) angeordnet ist, welches das Wärmespeichervermögen der Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers (80) durch Zufuhr eines Fluids in einem für den Betrieb der Hausenergienutzung optimalen Bereich zu ermöglichen, bestimmt ist.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere und die umlaufende seitliche Abdichtung (60O, 60S) als Mindestanforderung eine Dampfsperre (60B) ist, die • aus einer Wasser und dampfdichten Folie oder • einem wasserundurchlässigen Beton oder • aus Betonplatten mit verklebten oder verschweißten wasserdichten und dampfdichten Kunststoff-/Dämmtafeln oder dergleichen ausgebildet ist.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfsperre (60B) • als obere Abdichtung (60O) eine erste, obere und/oder dritte, untere Funktionsschicht (60A, 60C) und • als seitliche Abdichtung (60S) eine erste, äußere und/oder dritte, innere Funktionsschicht (60A, 60C zuordenbar ist.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige erste und/oder dritte Funktionsschicht (60A, 60C) als Schutzschicht und/oder Dämmschicht und/oder Dehnschicht und/oder Dränageschicht ausgebildet ist.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung (60) im oberen Bereich (60O), des als Speicherraum (40) ausgebildeten Erdwärmespeichers (80) einen gemeinsamen, schichtenartigen Aufbau aufweist, der aus der ersten, oberen und der dritten, unteren, die zweite, mittlere Dampfsperrschicht (60B) und das Befeuchtungssystem (70) jeweils begrenzende Funktionsschicht (60A, 60C) ausgebildet ist.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung (60) im umlaufenden, seitlichen Bereich (60S), des als Speicherraum (40) ausgebildeten Erdwärmespeichers (80) einen gemeinsamen schichtenartigen Aufbau aufweist, der aus einer ersten, äußeren und einer dritten, inneren, die zweite, mittlere Dampfsperrschicht (60B) begrenzenden Funktionsschicht (60A, 60C) ausgebildet ist.
Erdwärmespeicher nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder dritte Funktionsschicht als Schutz- und/oder Dehnungs- und/oder Dämmungs- und/oder Drainageschicht (60A, 60C) unverwitterbare Filzmatten oder dauerelastische Dämmplatten oder dergleichen verwendet werden.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtungssystem (70) im Erdwärmespeicher (80) als schichtenartige Leitungsanordnung als eine Art Drainage ausgeführt ist.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Temperatur (T) und der absoluten und/oder relativen Feuchte (ρ, φ) des optimalen Bereiches des Wärmespeichervermögen der fluidhaltigen Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers (80) zumindest ein Temperatursensor (90) und zumindest ein Feuchtesensor (100) angeordnet ist, so dass die Konzentration des Fluids im Boden durch das Befeuchtungssystem (70) im gewünschten Betriebsbereich steuer- und regelbar und somit optimierbar ist.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Erdwärmespeicher (80) liegende Teilssystem des ersten und zweiten Systems (10, 20) zum Eintrag beziehungsweise zur Entnahme der Wärmeenergie, ein Erdregister oder eine Erdsonde oder eine Kombination von Erdregister und Erdsonde ist, wobei ein Vorlauf (10VL), als Teilsystem des ersten Systems (10) zum Eintrag der Wärmeenergie und ein Rücklauf (20RL), als Teilsystem des zweiten Systems (20) zur Entnahme von Wärmeenergie (20) durch die Wärmespeichermasse des fluidhaltigen Erdwärmespeichers (80) geführt ist.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste System (10) mit seinem im Erdwärmespeicher (80) liegenden Teilsystem zum Eintrag von Wärmeenergie in den Erdwärmespeicher (80) ein Systemstrahlungselement nach EP 1 523 223 ist.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz von Erdregistern eine Verlegung der Erdregister, des im Erdwärmespeicher (80) liegenden Teilssystems des ersten und zweiten Systems (10, 20) zum Eintrag bzw. zur Entnahme von Wärmeenergie in beziehungsweise aus der fluidhaltigen Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers (80) horizontal, schichtenartig in einem je nach Ausführung und Bodenbeschaffenheit vorgebbaren Abstand (A) erfolgt.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz von Erdsonden eine Anordnung der Erdsonden des im Erdwärmespeicher (80) liegenden Teilssystems des ersten und zweiten Systems (10, 20) zum Eintrag bzw. zur Entnahme von Wärmeenergie in beziehungsweise aus der fluidhaltigen Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers (80), vertikal in einem je nach Ausführung und Bodenbeschaffenheit vorgebbaren Abstand erfolgt.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz mindestens eines Systemstrahlungselementes, als das im Erdwärmespeicher (80) liegenden Teilssystems des ersten System (10) zum Eintrag von Wärmeener gie in die fluidhaltige Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers (80) in einer Anordnung horizontal oder vertikal in einem vorgebbaren Abstand (A) erfolgt.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste System (10) mit seinem außerhalb des Erdwärmespeichers (80) liegenden Teilsystem des ersten Systems (10) zum Eintrag von Wärmeenergie in den Erdwärmespeicher (80) eine thermische Solaranlage oder ein Photovoltaik-Kühlabsorber ein System auf Basis auskoppelbarer Prozesswärme anderer Systeme und/oder eine konventionelle Wärmeerzeugeranlage oder eine Energieversorgung für das Systemstrahlungselement ist.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite System (20) mit seinem außerhalb des Erdwärmespeichers (80) liegenden Teilsystem des zweiten Systems (20) zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Erdwärmespeicher (80) eine Wärmepumpenanlage oder ein anderes konventionelles System ist.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorlauf (10VL), als Teilsystem des ersten Systems (10) zum Eintrag der Wärmeenergie (10) und ein Rücklauf (20RL), als Teilsystem des zweiten Systems (20) zur Entnahme von Wärmeenergie durch einen in, neben oder außerhalb der fluidhaltigen Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers (80) angeordneten Kontaktbehälter oder eine Kontaktstrecke (50) mit einem effektiver Wärmenergie speichernden Fluidinhalt geführt ist, wodurch eine Glättung der Kennlinien des Gesamt-Wärmespeicherverhaltens, des schwankenden Wärmeintrag vom ersten System (10) bzw. des schwankenden Wärmeentzug vom zweiten Systems (20) der Hausenergiezentrale erreicht wird.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Abstände (A) zwischen den im Erdwärmespeichers (80) horizontal, schichtenartig verlegten Erdregistern oder vertikal angeordneten Erdsonden bei Integration eines Kontaktbehälters oder einer Kontaktstrecke (50) nach Anspruch 16 in den Erdwärmespeichers (80) größer festlegbar und/oder Leitungssysteme im Speicherraum kürzer/Wärmetauscherflächen kleiner zu bemessen sind.
Erdwärmespeicher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Rücklauftemperatur des Transportmediums (Sole) bei Verwendung einer Wärmepumpe als Teilsystem des zweiten Systems (20) durch Einfügen einer optionalen Kurzschlussvorrichtung um den Registerweg der Leitung Rücklauf (20RL) im Kontaktbehälter begrenzbar ist.
Verfahren zum Steuern und Regeln eines Erdwärmespeichers für eine Hausenergiezentrale, der aus einer fluidhaltigen Wärmespeichermasse ausgebildet wird und in den über mindestens ein erstes System Wärme eingetragen und über mindestens ein zweites System Wärme entzogen wird, wobei jeweils im Erdwärmespeicher liegende Teilsysteme in einem teilweise abgedichteten Speicherraum des Erdwärmespeicher angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichervermögen der Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers (80) gesteuert und geregelt wird, indem dem Erdwärmespeicher (80) über ein Befeuchtungssystem (70) Fluid zugeführt wird, um die Hausenergiezentrale in Abhängigkeit, der auf den Erdwärmespeicher (80) wirkenden physikalischen Randbedingungen in einem für den Betrieb der optimalen Bereich zu halten.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass im Erdwärmespeichers (80) eine absolute und/oder relative Feuchte (ρ, φ) und eine Temperatur (T) der Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers (80) gemessen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Abhängigkeit eines Wärmeintrages des mindestens einen ersten Systems (10) und/oder in Abhängigkeit eines Wärmeentzugs des mindesten einen zweiten Systems (20) in bzw. aus den/m Erdwärmespeicher (80), die absolute und/oder relative Feuchte (ρ, φ) und die Temperatur (T) im Erdwärmespeicher (80) ändert, wobei bei Verlassen der vorgebbaren optimalen Werte oder einem vorgebbaren Wertebereich eine Befeuchtung unter Zuführung des Fluids vorgenommen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Abhängigkeit der Eigenschaften der Wärmespeichermasse der mögliche Wärmeeintrag des mindestens einen ersten Systems (10) und/oder der mögliche Wärmeentzug des mindesten einen zweiten Systems (20) in den Erdwärmespeicher (80) und damit die absolute und/oder relative Feuchte (ρ, φ) und die Temperatur (T) im Erdwärmespeicher (80) ändert und bei Verlassen der vorgebbaren optimalen Werte oder einem vorgebbaren Wertebereich eine Befeuchtung unter Zuführung des Fluids vorgenommen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Abhängigkeit eines Wärmeintrages aus einem geothermischen Reservoir oder aus einer auf dem Erdwärmespeicher (80) wirkenden Wärmestrahlung und/oder einer Wärmeleitung und in Abhängigkeit eines Wärmeintrages des jeweiligen Teilsystems, des mindestens einen ersten Systems (10) und/oder in Abhängigkeit eines Wärmeentzugs des mindesten einen zweiten Systems (20) in den Erdwärmespeicher (80) die absolute und/oder relative Feuchte (ρ, φ) und die Temperatur (T) im Erdwärmespeicher (80) ändert und bei Verlassen der vorgebbaren optimalen Werte oder einem vorgebbaren Wertebereich ein Befeuchtung unter Zuführung des Fluids vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorlauf (10VL), als Teilsystem des ersten Systems (10) zum Eintrag der Wärmeenergie (10) und ein Rücklauf (20RL), als Teilsystems des zweiten Systems (20) zur Entnahme von Wärmeenergie durch einen in der fluidhaltigen Wärmespeichermasse des Erdwärmespeichers (80) angeordneten Kontaktbehälter oder eine Kontaktstrecke (50) mit einem ebenfalls Wärmenergie speichernden Fluid geführt wird, wodurch eine Glättung des Gesamt-Wärmespeicherverhaltens durch den schwankenden Wärmeintrag des ersten Systems (10) beziehungsweise den schwankenden Wärmeentzug des zweiten Systems (20) der Hausenergiezentrale erreicht wird.