DE102008017675A1

DE102008017675A1 - Kombination von Solarthermie mit der Nutzung von Erdwärme

Info

Publication number: DE102008017675A1
Application number: DE102008017675A
Authority: DE
Inventors: Stephan Heckert
Original assignee: Individual
Current assignee: Heckert Stephan 10178 Berlin De
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Um Erdwärme mit Hilfe von Wärmepumpen im Winter gewinnen zu können, ist es erforderlich, die Erdsonden bzw. das sie umgebende Grundwasser im Winter eisfrei zu halten. Dazu wird zeitweilige Überschusswärme eines solarthermischen Systems zur Vorwärmung der Erdsonden und ihrer Umgebung in diese eingespeist.

Description

Solarthermische Kollektoren liefern auch im Winter, je nach Sonneneinstrahlung, sehr unterschiedliche Energiemengen, die bei Installation in Ein- und Zweifamilienhäusern vornehmlich zur Erwärmung von Brauchwasser verwendet werden. Ist der Brauchwasser-Speicher bis zur vorgesehenen Grenztemperatur aufgeheizt, besteht das Problem, die Restwärme abzuleiten, bzw. sinnvoll einzusetzen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Überschusswärme bei einer Kombination mit Erdwärme-Sonden in diese eingespeist werden, um das daraus mit Hilfe von Wärmepumpen gewonnenen Temperaturgefälle später besser zu nutzen und um dem Fall der Vereisung des Grundwassers beim Entzug von Wärme vorab entgegen zu wirken. Denn bei Vereisung der Sonden sind diese nicht mehr in der Lage, dem Boden weitere Wärme zu entziehen, auch wenn das Transformationsniveau der Wärmepumpe dies erlauben würde und die übertragenden Medien vor Einfrieren geschützt sind.
Zwar ist die Einleitung von solarthermischer Energie in Erdsonden durch DE 10 2004 052 638 bekannt. Jedoch soll dort damit Überschussenergie der solarthermischen Module im Sommer genutzt werden, um diese bis zum Winter im Boden einzuspeichern – was sich als technisch grenzwertig und faktisch sinnlos erwiesen hat. Auch wurden mit DE 102 02 261 Erdsonden als Wärmesenke vorgeschlagen, d. h. die Ableitung von Wärme im Haus in die Erde, wie dies z. B. vielfach bei der Betonkernkühlung vorgesehen wird.
Vorliegende Lösung jedoch, die eine etwas höhere Dimensionierung der Solarthermie-Module voraussetzt, nutzt speziell im Winter den bivalenten Einsatz von Solarthermie und Erdwärme optimal und nutzt nur die Energiespitzen des solarthermischen Systems zur Vorwärmung, so dass sich ein Optimum zwischen Kollektorgröße, Erdwärme-Sonden und Energieeinsatz für die Wärmepumpe ergibt.
Die Komponenten und der Ablauf des zugehörigen Verfahrens werden anhand der anliegenden Zeichnung 1 näher beschrieben:
Der Vorlauf des Übertragungsmediums 1 (kalt) wird vom Speicher 2, (auf die Flussrichtung begrenzt durch die Schwerkraftbremse 3) mittels der Pumpe 4 dem Solarthermie-Modul 5 zugeführt. Das Medium heizt sich dort beim Durchlauf durch die Kollektorzellen auf und gelangt als Warmwasser-Zulauf 9 wieder in den Speicher 2. Je nach Anforderung der Verbraucher, geregelt durch die Steuerung 12, wird das darin vorliegende Wärmepotenzial mit Hilfe der Wärmepumpe 10 auf das für die Verbraucher erforderliche Temperaturniveau angehoben.
Sinkt die Temperatur der Solarzellen unter die Temperatur des Speichers 2, schaltet die Steuerung 13 die Pumpe 14 zu. Dadurch erwärmt das Übertragungsmedium der Solaranlage 5 ausschließlich den Wärmetauscher 6. Hierbei wird die Entladung des Speichers 2 durch die Schwerkraftbremse 3 verhindert.
Die Schwerkraftbremse 19 unterbindet das ungewollte Aufheizen des Wärmetauschers 6 beim direkten Erwärmen des Speichers 2 durch die Solaranlage.
Der Temperaturfühler 15 und die Steuerung 13 haben hierbei benfalls die Aufgabe, eine unzulässige Erwärmung des Sole-Vorlaufs über 26 Grad C durch Abschalten der Pumpe 14 zu ermöglichen.
Ist der Speicher 6 in den Sommermonaten nicht mehr aufnahmefähig, könnte ein Überhitzen der Solaranlage die Folge sein. Daher wird die Temperatur des Speichers 2 durch den Fühler 18 und die Steuerung 13 zusätzlich überwacht. Bei Überschreitung der Grenztemperatur des Speichers 6 werden deshab die Pumpen 8 und 14 durch die Steuerung 13 zugeschaltet. Dabei wird die Pumpe 8 unabhängig an der Wärmepumpe 10 angesteuert. Die Überschüssige Wärmeenergie aus der Solaranlage wird nun über den Wärmetauscher 6 an den Rücklauf der Erdsonde abgegeben. Dies leitet die Wärme ins Erdreich ab und erwärmt die Umgebung der Sonden.
Es ist somit zusätzlich möglich, Solarwärme niedrigen Temperaturniveaus, die zur Erwärmung des Brauchwassers nicht genutzt wird und oberhalb des aktuellen Temperaturniveaus des Grundwassers um die Erdsonden liegt, zu deren Erwärmung zu nutzen, zudem auch Temperaturen, die unterhalb des Wärmeniveaus des Grundwassers, jedoch erheblich über dem Gefrierpunkt liegen, in zusätzlichen isolierten Wasserspeichern zur Vorwärmung des Wassers um die Erdsonden einzusetzen, wenn dessen Wärmepotenzial erschöpft ist und Vereisung droht, andererseits jedoch keine Überschusswärme aus den solarthermischen Modulen abzweigbar ist.
Weiter ist es möglich und nahe liegend, auf diese Weise auch Überschusswärme zu speichern, deren Einspeisung um die Erdsonden deshalb nicht sinnvoll wäre, weil ihr Temperaturniveau hoch ist und die Mischung mit dem Grundwasser nur zu erhöhten Entropie-Verlusten führen würde – die später durch die Wärmepumpe mit zusätzlichem Energieaufwand zu reversieren wäre.
In einer erweiterten Ausführung ist hier auch die Speicherung mit anderen Methoden und Medien sinnvoll, wie die in Salzgemischen oder mit Trocknung (und zur Rückgewinnung der Warme Wieder-Befeuchtung) von Aerogelen – derartige Verfahren sind vielfach dokumentiert und dem Fachmann bekannt. Diese Methoden sind aber unter dingungen, bei denen unmittelbar Nutzwärme aus den Speichern bezogen werden soll, weniger effektiv. Sie sind dagegen um so effizienter, je geringer das damit zu erzielende Temperaturniveau ist und eignen sich daher besonders zur Vorheizung des die Sonden umgebenden Grundwassers.

1: Vorlauf kalt
2: Speicher
3: Schwerkraftbremse
4: Pumpe Kaltwasser Vorlauf
5: Solarthermie-Zelle
6: Wärmetauscher extern
8: Warmwasser-Vorlauf von Erdsonde
9: Warmwasser-Vorlauf vom Solarmodul
10: Wärmepumpe
11: Pumpe für Warmwasser von der Wärmepumpe in den Speicher
12: Temperaturssensor für Speichermedium
13: Steuerung für Wärmetauscher
14: Pumpe zwischen ext. Wärmetauscher und Solarzellen-Vorlauf
15: Temperatur-Sensor am Erdsonden-Rücklauf
16: Temperatur-Sensor am Speicher-Einlauf
17: Temperatur-Sensor am Solarmodul-Zulauf
18: Temperatur-Sensor am Solarmodul-Ablauf
19: Schwerkraftbremse
20: Temperatur-Sensor an der Kaltwasser-Entnahme des Speichers
21: Kaltwasser-Vorlauf der Erdsonden
22: Warmwasser-Rücklauf der Erdsonden

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 102004052638 [0003]
- DE 10202261 [0003]

Claims

Verfahren zur verbesserten Nutzung von solarthermischer Energie in Verbindung mit Erdwärme-Sonden, dadurch gekennzeichnet, dass überschüssige solarthermische Energie im Winter zur Vorwärmung der Sonden und des sie umgebenden Erdreichs oder Grundwassers in diese eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwasser der Solarthermie-Module nach Überschreiten der thermischen Speicherkapazität des Brauchwasserspeichers in den Erdwärme-Kreislauf eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung in den Rücklauf der Erdwärme-Sonden erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher, isolierter Wasserspeicher jenes solar beheizte Wassers aufnimmt, dessen Temperatur zu dieser Zeit noch unter der Umgebungstemperatur des Grundwassers, aber weit oberhalb des Gefrierpunktes liegt, um dies später zur Vorheizung einzusetzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass überschüssige solarthermische Energie in anderen Wärmespeicher-Systemen, wie Salzmischungen oder zur Trocknung von Aerogelen eingesetzt wird, aus denen im Bedarfsfalle Niedertemperaturwärme zur Vorheizung des Grundwassers um die Erdsonden bezogen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Gesamtsystems stets mit der Priorität des Erhalts einer Entnahmefähigkeit von Restenergie aus dem Grundwasser um die Erdsonden erfolgt.