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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verlegung von Erdwärmegewinnungsrohrsystemen
für Wärmepumpen sowie ein System von Erdwärmegewinnungsrohren
für den Betrieb von Wärmepumpen. In den genannten
Wärmepumpen wird ein flüssiges Kältemittel
in einem Erdwärmewärmetauscher von dem durch die
Erdwärme aufgeheizten Medium erwärmt, wobei es
unter Wärmezufuhr in die gasförmige Phase übergeht.
Anschließend wird es in einem elektrometrisch angetriebenen
Verdichter komprimiert und in einem Heizkreislaufwärmetauscher
unter Wärmeentzug kondensiert und in einer Drossel entspannt.
Der Energieaufwand für den Elektromotor ist gering.
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Im
Zuge der zunehmenden Nutzung von regenerativer Energie, die im Hinblick
auf die begrenzten Vorräte von fossilen Brennstoffen zunehmende Bedeutung
erlangt, ist es auch erforderlich, wirtschaftliche Nutzungsmöglichkeiten
für die Ausschöpfung der Erdwärme (Geothermie)
bereitzustellen.
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Die
Erdwärme wird hierbei von einem flüssigen Medium
aufgenommen, das in Rohrschleifen im Erdreich umgewälzt
wird und nach der Erwärmung einer Wärmepumpe im
Bereich von Verbrauchern, insbesondere von zu heizenden Wohn- oder
Gewerbegebäuden, zugeführt wird. Hierbei ist grundsätzlich auch
eine Umkehrbarkeit des Wärmeflusses zum Zwecke der Kühlung
der Wohn- oder Gewerbegebäude mittels der Wärmepumpe
möglich, wobei Hauswärme an das Erdreich abgegeben
wird.
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Aus
der
DE 10 2005
059 0042 A1 ist es bekannt, Energie aus erdverlegten Leitungen
und Abwasserkanälen zurückzugewinnen, indem Abluft
aus diesen Kanälen abgesaugt und einer Wärmepumpe in
einem Gebäude zugeführt wird. Die spezifische Wärme
der Abluft ist gering. Im übrigen schwankt das Temperaturniveau
der Abluft stark mit der Umgebungstemperatur an der Oberfläche.
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Aus
der
DE 33 48 006 C2 ist
die Wärmerückgewinnung aus Abwasser bekannt, wobei
Abwasser und Klärwasser im Gegenstrom in einem zweigeteilten
Abwasserkanal geführt werden, in welchem eine Klärwassersammelleitung
im Abwasserkanal entlang des Kanalbodens verlegt ist. Hierbei sind
an die Klärwassersammelleitung Wärmepumpenkreisläufe
für den Betrieb von Heizungskreisen angeschlossen, wobei
die Stichleitungen von und zu den Wärmepumpen innerhalb
von größeren Abwasserstichleitungen der Gebäude
verlaufen, in denen die Heizungskreise installiert sind, die mit
den Wärmepumpen ausgestattet sind. Die Leitungsführungen
sind kompliziert und bedingen ein spezielles Kanalisationssystem
mit zweigeteilten Abwasserkanälen für Abwasser
einerseits und Klärwasser andererseits.
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Bei
einer Installation einzelner mit Erdwärme betriebener Wärmepumpenanlagen
in einzelnen Gebäuden werden in der Regel die Rohrschleifen
(Sonden) in Gebäudenähe in vertikale Tiefenbohrungen eingebracht,
die in Tiefen von 40 bis 100 Meter reichen. Die Herstellung derartiger
Tiefenbohrungen ist teuer und aufwendig.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und ein System zur Erdwärmegewinnung und Abwasserenergierückgewinnung vorzuschlagen,
daß deutlich kostengünstiger ist, als die zuvor
beschriebenen Verfahren und Systeme.
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Die
Lösung besteht in einem Verfahren zur Verlegung von Rohrsystemen
für Wärmepumpen zur Erdwärmegewinnung,
das sich dadurch auszeichnet, daß bei der Herstellung oder
Erneuerung von Abwasserkanalisationssystemen in den für
die Abwasserbauwerke oder Abwasserkanalisationsrohre erstellten
Gruben, Gräben oder Stollen entlang der Abwasserbauwerke
oder Abwasserkanalisationsrohre verlaufende Rohrschleifen mit Verbraucheranschlußstellen
verbaut werden. Vor zugsweise sind diese Rohrschleifen im wesentlichen
horizontal eingebaut, wobei regelmäßige Abweichungen
vom geraden Verlauf zur Erzeugung turbulenter Strömung
vorgesehen sein können, die zu verbessertem Wärmeübergang führt.
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Hiermit
ist es möglich, auf die Herstellung der genannten Tiefenbohrungen
völlig zu verzichten und insbesondere bei der Erschließung
von Neubaugebieten oder bei der Sanierung von älteren Kanalisationssystemen
ohne wesentlichen Mehraufwand sämtliche Maßnahmen
zur Verlegung der Rohrschleifen für das Medium zur Erdwärmegewinnung bzw.
zur Abwasserenergierückgewinnung für eine Vielzahl
von Verbrauchern gleichzeitig zu erstellen. Hierbei ist zumindest
eine Heizwärmegrundversorgung der Verbraucher durch die
Erdwärme sicherzustellen, während für
die Abdeckung von Heizwärmebedarfsspitzen konventionelle
Heizungsanlagen von geringer Kapazität vorgehalten werden
können (bivalente Anlagen).
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Da
Kanalisationssysteme auf eine Lebensdauer in der Größenordnung
von 100 Jahren ausgelegt sind und viele städtische Neubaugebiete
erstmals zu Beginn des 20. Jahrhunderts mit Kanalisationssystemen
ausgestattet worden sind, sind die Gelegenheiten das erfindungsgemäße
Verfahren bei der derzeit fälligen Sanierung dieser Kanalisationssysteme
zur Anwendung zur bringen und erfindungsgemäße
Systeme zu installieren, derzeit außerordentlich zahlreich.
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Neben
der reinen Gewinnung von Erdwärme ist bei Anwendung geeigneter
Verlegetechniken, das heißt insbesondere der Wahrung eines
nicht zu großen Abstandes der Leitungsschleifen zu den
Kanalisationsrohren, auch eine Energierückgewinnung aus der
Abwasserwärme der Haushalte und gegebenenfalls aus den
Regenkanaleinträgen möglich, da sowohl Abwasser
als auch Regenwasser ständig Wärme einleiten.
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In
einer ersten Ausgestaltung ist es möglich, vorzusehen,
daß horizontale Rohrschleifen jeweils für einzelne
Verbraucher in untereinander zumindest partieller Überdeckung
in Längserstreckung verlegt werden. Hierbei sind ausreichende
Abstände zwischen den sich überdeckenden Schleifen
einzuhalten, um ausreichend viel Erdwärme je Schleife abziehen
zu können. Die Überdeckung von zwei oder mehr
Schlei fen bedingt also relativ große Gruben- oder Grabentiefen.
Die Länge der einzelnen Schleifen wird dabei nach dem vorausberechneten
Heizenergiebedarf des entsprechenden Verbrauchers, das heißt
des entsprechenden Gebäudes ausgelegt.
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Nach
einer ersten günstigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die
horizontalen Rohrschleifen gemeinsam mit den Abwasserbauwerken oder
Abwasserkanalrohren in einer Gruben- oder Grabenauffüllung
bzw. Stollenverfüllung aus Verfüllmaterial mit gegenüber
dem Gruben-, Graben- oder Stollenaushub höherer Wärmeleitfähigkeit
verbaut werden. Hierbei kommt insbesondere die Verwendung von Sanden
mit kleiner Korngröße oder mit von hydraulischen
Bindemitteln durchmischten Sanden in Betracht, die eine erhöhte
Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die horizontalen
Rohrschleifen gemeinsam mit den Abwasserbauwerken oder Abwasserkanalrohren
in offenen Gruben oder Gräben oder in unterirdisch erzeugten
Stollen verlegt und gemeinsam mit diesen mit einem Dämmer
verfüllt werden, das heißt mit einer Verfüllung
mit aushärtbarem hydraulischen Bindemittel, durch welche
die Wärmeleitfähigkeit im Bereich der Rohrschleifen
verbessert wird. Das verwendete Dämmermaterial kann insbesondere
hierbei auch eine verbesserte Wärmeleitung von den Kanalisationsrohren
zu den Rohrschleifen hin sicherstellen.
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Schließlich
ist es möglich, Abwasserkanalrohre zu verwenden, in deren
Wandungen Leerrohre eingezogen sind, und die Rohrschleifen im wesentlichen
durch in diese Leerrohre eingeschobenen oder eingezogenen Leitungsrohre
zu bilden.
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Die
Leitungsrohre sind dann zur Verbesserung der Wärmeleitung
ebenfalls innerhalb der Leerrohre mit einem gebundenen Füller
oder Dämmer dicht zu vergießen, so daß die
Wärmeleitung vom Erdreich über das Kanalisationsrohr
zu den Schleifenrohren hin verbessert wird.
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Die
Rohre der Leitungsschleifen können aus Metall oder aus
Kunststoff, z. B. Polyethylen, bestehen. Dies schließt
insbesondere auch die Vorlauf- und Rücklaufanschlüsse
zu den Verbrauchern ein, das heißt den einzelnen Gebäuden
ein. Die Le bensdauer der Leitungsschleifen ist bevorzugt ebenso
wie die der Kanalisationssysteme selber auszulegen. Bei der Auswahl
des Materials sind neben einer guten Wärmeleitfähigkeit
die Kosten für Beschaffung und Verlegung zu berücksichtigen.
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Beim
Entzug der Erdwärme durch die mediumdurchströmten
Rohrsysteme wird durch die unmittelbare Nähe der Kanalisationsrohre
aus dem Abwasser neue Wärme in das Erdreich eingetragen.
So bewirkt das Kanalisationssystem einen ausgleichenden positiven
Energieeintrag im Hinblick auf die abgezogene Erdwärme.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden nachstehend beschrieben.
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1 zeigt
einen Teil eines Straßenzuges mit einem erfindungsgemäßen
Erdwärmegewinnungsrohrsystem in Draufsicht,
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2 zeigt
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Erdwärmegewinnungssystem in einer ersten Ausführungsform,
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3 zeigt
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Erdwärmegewinnungssystem in einer zweiten Ausführungsform,
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4 zeigt
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Erdwärmegewinnungssystem in einer dritten Ausführungsform.
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In 1 ist
ein Teil eines Straßenzuges mit einem Abschnitt eines Abwasserkanalisationssystems 11 und
jeweils vier Verbraucherstellen 21 bis 24, 25 bis 28 auf
jeder Seite des Abwasserkanalisationssystems erkennbar.
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Das
Kanalisationssystem 11 besteht aus einem Kanalrohrstrang 12,
in dessen Verlauf zwei Schächte 13, 14 mit
einem Austritt zur darüberliegenden Straßenoberfläche
angeordnet sind.
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Der
Rohrstrang 12 und die Schächte 13, 14 sind
in einem Graben 15 eingebaut, der nach dem Einbau des Rohrstrangs
mit Aushub oder Fremdmaterial verfüllt worden ist. Im Bereich
der Schächte 13, 14 weist der Graben 15 Erweiterungen 16, 17 auf.
Innerhalb des Grabens 15 ist eine vollständige
Rohrschleife 18 erkennbar, die mit einer Vorlaufleitung 19 und
einer Rücklaufleitung 20 an einen der Verbraucher 26 angeschlossen
ist. Die Verbraucher 21 bis 28 stellen Gebäude
dar, wobei im Verbraucher 26 eine Wärmepumpeanlage
zur Erdwärmerückgewinnung installiert ist.
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Die
Länge der Rohrschleife 18 reicht im vorliegenden
Fall über die Grundstücksbreite mehrerer der einzelnen
Verbraucher, so daß bei Anschluß von einer Mehrzahl
von Verbrauchern sich zumindest teilweise in der Längserstreckung überdeckende
Rohrschleifen vorzusehen sind. Die Länge der Rohrschleife 18 ist
auf den berechneten Wärmebedarf des Verbrauchers 26 ausgelegt.
Es ist erkennbar, daß die Rohrschleife 18 in etwa
gleichmäßigem Abstand zum Rohrstrang 12 und
zu den Schächten 13, 14 des Kanalisationssystems 11 verlegt
ist. Teile weiterer Rohrschleifen, die sich mit der Rohrschleife 18 jedoch
in Längserstreckung nicht überdecken, sind in
der Zeichnung erkennbar.
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In 2 ist
in einem Vertikalschnitt durch einen Graben 15 ein Teil
des Rohrstranges 12 sowie Teile zweier Rohrschleifen 18, 18' im
Bereich eines Verbrauchers 26, das heißt eines
Gebäudes erkennbar. Der Graben 15 ist nach Einbau
des Rohrstranges 12 und der Rohrschleifen 18, 18' sowie
der entsprechenden Vorlauf- und Rücklaufleitungen 19, 20 zum
Teil mit einer Anfüllung 29 aufgeschüttet,
die gegenüber dem ursprünglichen Aushub verbesserte Wärmeleiteigenschaften
aufweisen kann. Der noch offene Teilquerschnitt 30 des
Grabens 15 kann anschließend mit dem ursprünglichen
Aushubmaterial des Grabens verfüllt werden. Die Anfüllung
ist bis zur Planumoberfläche 31 aufzubringen und
zu verdichten, auf die beispielsweise ein Straßenbelag
aufgebracht werden kann.
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In 3 ist
ein Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße
Anordnung in einer zweiten Ausführungsform gezeigt, wobei
ein Teil eines Rohrstranges 12 in einem zuvor unterirdisch
vorgetriebenem Stollen 15' verläuft, dessen Stollensohle 32 befestigt
ist. Der Stollen 15' ist mit einer Verfüllung 29' aufgefüllt, in
der eine erste Rohrschleife 18 oberhalb des Rohrstranges 12 erkennbar
ist, die über Vorlauf- und Rück laufleitungen 19, 20 mit
einem Verbraucher 26 verbunden ist. Unterhalb des Rohrstranges 12 ist eine
zweite Rohrschleife 18' in gleichem Abstand zum Rohrstrang 12 erkennbar,
die mit einem weiteren Verbraucher bedarfsweise verbunden werden kann.
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In 4 ist
im Querschnitt ein Abschnitt eines Rohrstranges 12 dargestellt,
in dessen Wandung umfangsverteilt vier Leerrohraussparungen 33 vorgesehen
sind, in die Rohre 18 einer erfindungsgemäßen
Rohrschleife nach Verlegung des Rohrstranges 12 in einem
Graben gemäß 2 oder einem
im Vortriebsverfahren erzeugten Stollen gemäß 3 eingebaut
sind. Die Anschlüsse für Vorlauf- und Rücklaufleitung
sind hier nicht dargestellt. Im Ringspalt 34 zwischen der
Leerrohraussparung 33 und dem Rohr 18 ist ein
Vergießmittel aus hydraulischem Bindemittel eingepreßt
und ausgehärtet.
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Der
Rohrstrang 12 kann aus Rohrabschnitten aus Steinzeug oder
aus Beton in Längsrichtung zusammengesetzt sein oder mittels
entsprechender Verschalung nahtlos aus Ortbeton hergestellt werden.
Das gleiche gilt für die genannten Abwasserbauwerke, die
aus Stahlbeton jeglicher Art erstellt werden können.
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- 11
- Kanalisationssystem
- 12
- Rohrstrang
- 13
- Schacht
- 14
- Schacht
- 15
- Graben,
Stollen
- 16
- Erweiterung
- 17
- Erweiterung
- 18
- Rohrschleife
- 19
- Vorlaufleitung
- 20
- Rücklaufleitung
- 21
- Verbraucher
- 22
- Verbraucher
- 23
- Verbraucher
- 24
- Verbraucher
- 25
- Verbraucher
- 26
- Verbraucher
- 27
- Verbraucher
- 28
- Verbraucher
- 29
- Auffüllung,
Verfüllung
- 30
- Grabenquerschnitt
- 31
- Oberfläche,
Planum
- 32
- Stollensohle
- 33
- Leerrohr
- 34
- Ringspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1020050590042
A1 [0004]
- - DE 3348006 C2 [0005]