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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung für
die Beurteilung des thermischen Zustandes des Erdreichs im Gebiet
eines Erdreichwärmeüberträgers.
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Das
Erdreich bietet eine nahezu unerschöpfliche Wärmequelle
oder -senke. Jedoch können sich lokal im Gebiet eines Erdreichwärmeüberträgers
die thermischen Zustandsgrößen in Bereichen bewegen, in
denen geothermische Anlagen nicht mehr arbeitsfähig sind
bzw. nur noch unwirtschaftlich betrieben werden können.
Um das rechtzeitig zu erkennen und steuern zu können, sind
Informationen über die Änderung des Zustandes über
den Zeitraum der Nutzung der Wärmequelle notwendig.
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Aus
der
DE 41 19 954 A1 ist
eine Auswertesteuereinheit für eine Heizungsanlage bekannt,
bei der leistungsausgaberelevante Größen wie die
Vorlauftemperatur, die Rücklauftemperatur und der Volumenstrom/Massenstrom
des Wärmeüberträgers gemessen werden
zur Ermittlung eines Wirkungsgrades der Heizungsanlage. Bei dieser
Kenngrößenbestimmung fließen jedoch nur
den Wärmeüberträgen unmittelbar betreffende
Größen, nämlich beispielsweise der Massenstrom,
ein.
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Nachteilig
ist, dass nicht alle wesentlichen Größen bei der
Kenngrößenbestimmung berücksichtigt werden.
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Weiterhin
ist aus der
DE
10 2004 011 537 B4 eine Auswerteeinheit für eine
Wärmepumpe einer Heizungsanlage mit einer Meßeinrichtung
zur Ermittlung der ausgangsseitig der Kältemaschine vorliegenden
leistungsausgaberelevanten Größen bekannt.
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Nach
einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die
Kältemaschine als eine Wärmepumpe ausgebildet,
die einen Bestandteil einer Heizungsanlage bildet. Neben leistungsausgaberelevanten
Größen der Vorlauftemperatur, der Rücklauftemperatur und
des Volumenstromes werden auch leistungseingaberelevante Verbrauchsgrößen,
wie zum Beispiel die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe,
gemessen und in der Recheneinrichtung weiterverarbeitet. Vorteilhaft
ermöglicht die Auswerteeinheit die Berechnung und Anzeige
einer Leistungszahl ε, die die Effizienz der Wärmepumpe
wiedergibt. Weiterhin kann die Arbeitszahl εa bezogen auf
einen Tag oder eines Jahres oder eines frei bestimmbaren Zeitraumes
berechnet und dargestellt werden. Bei Einsatz einer elektrischen
Wärmepumpe kann der aktuelle Energieverbrauch (elektrische Wirkleistung),
die aktuelle Temperaturwärme, die Nutzwärmemenge
etc. angezeigt werden.
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Die
Auswerteeinheit weist einen Mikrocontroller auf, der über
einen Speicher und ein Kenngrößenprogramm verfügt,
so daß alle relevanten Kennwerte ermittelt, abgespeichert,
weiterverarbeitet, mit abgespeicherten Kennwerten verglichen und
dann angezeigt sowie in eine vorhandene Heizungsanlage integriert
werden können, in der beispielsweise eine Wärmepumpe
installiert ist. Es brauchen lediglich Meßwertaufnehmer
an den entsprechenden Verbindungsleitungen des Wärmeträgers
bzw. des Energieträgers (elektrischer Strom) eingerichtet
werden, die über entsprechende Meßleitungen an
die Auswerteeinheit gekoppelt sind.
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In
den vorgenannten Lösungen werden Meßanordnungen
zur Erfassung von Wärmeströmen an Heizgeräten
oder Kältemaschinen verwendet. Die erfaßten Daten
werden allerdings nur zur Berechnung eines momentanen Betriebszustandes
oder Wirkungsgrades verwendet und auf einem Display angezeigt.
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Weiterhin
bekannt ist aus der
DE
10 2005 038 512 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Betriebsführung
einer temperierten Raumlüftung, insbesondere Wohnungs-,
Büro- oder Gebäudelüftung, bei dem in
einem geschlossenen Strömungskreislauf ein Trägermedium
gefördert und mittels Erdwärme temperiert wird, geförderte
Außenluft mit dem Trägermedium in Wärmeaustausch
gelangt und als Zuluft in mindestens einen Raum eingebracht wird. Es
ist vorgesehen, dass innerhalb mindestens eines vorbestimmten Zeitraumes – unabhängig
oder abweichend von wählbaren Einstellungen eines Betreibers
der Raumlüftung – die durch das Trägermedium in
das Erdreich eingebrachte Wärmeenergie ebenso groß oder
etwa ebenso groß ist wie die dem Erdreich durch das Trägermedium
entnommene Erdwärmeenergie.
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Um
nun eine ausgeglichene Energiebilanz herbeizuführen, ist
es erforderlich, eine entsprechend große Wärmemenge
in das Erdreich zurückzuleiten, was insbesondere im Sommer
gelingt, da dann hohe Außenlufttemperaturen zur Verfügung stehen,
so daß durch Wärmeaustausch mit dem Trägermedium
Wärmeenergie in den Erdkollektor zurückgespeist
werden kann. Ein vorbestimmter Zeitbereich, beispielsweise der Monat
August, dient demgemäß dazu, die Energiebilanz
auszugleichen. In diesem Zeitbereich werden demgemäß vorgegebene
und/oder vom Betreiber der Raumlüftung gewählte
Einstellungen automatisch derart abgeändert, um einen Energieausgleich
herbeizuführen oder anzustreben.
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Die
Lösung nutzt den Ansatz der künstlichen Regeneration
einer Erdreichwärmequelle. Die Meßeinrichtung
gewährleistet, daß so viel Energie zurückgespeist
wird, wie entnommen wurde. Dabei wird aber nicht die natürliche
Regeneration der Erdwärmequelle berücksichtigt
sowie eine Prognose des Verbrauchsprozesses für die nächste
Entnahmeperiode bestimmt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens zu schaffen, mit deren Hilfe der thermische Zustand
des Erdreiches im Gebiet eines Erdreichwärmeüberträgers
beurteilt werden kann und die zurückzuspeisende Wärmemenge
und der bzw. die Rückspeisezeitpunkte unter Berücksichtigung
der natürlichen Regeneration und der Prognose des Verbrauchsprozesses
in der nächsten Entnahmeperiode bestimmt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 und einer Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 4 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den untergeordneten Ansprüchen
beschrieben.
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Da
direkte Messungen nicht möglich sind, werden zugängliche
Meßwerte erfaßt und in einem mathematischen Modell
verarbeitet, welches eine Beurteilung des thermischen Zustandes
des Erdreichs im Gebiet eines Erdreichwärmeüberträgers geothermischer
Anlagen zuläßt.
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Die
Meßwerterfassung erfolgt zum einen während der
Wärmeübertragung und zum anderen während
der Ruhephasen der geothermischen Anlagen.
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Während
der Wärmeübertragung werden die Parameter Temperatur
bei Eintritt und bei Austritt in die bzw. aus der Wärmepumpe,
die Durchflußmenge, Temperatur Vorlauf und Rücklauf
beim Verbraucher, die Durchflußmenge Verbraucher sowie
die Außentemperatur mittels Meßwertaufnehmer ermittelt
und einem Steuer- und Datenerfassungsgerät zugeführt.
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Während
der Ruhephasen wird die Bestimmung der Erdreichtemperatur vorgenommen.
Dabei schaltet die Solepumpe der Wärmepumpe, ohne das der
Kompressor sowie die Sekundärpumpe läuft, ein und
läuft für eine vorbestimmte Zeitdauer. Zum Ende der
Laufzeit wird die gemessene Soletemperatur der Erdreichtemperatur
gleichgesetzt und gespeichert.
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Diese
Meßwerterfassung wird vorzugsweise vor Beginn der Heizzeit
am Morgen durchgeführt, da zu dieser Zeit das Erdreich
noch unbeansprucht ist (kein Wärmeentzug bzw. eingeschwungene
Erdreichtemperaturen über Nacht), wobei die Aktualisierung
der Erdreichtemperatur tagtäglich erfolgen sollte. Für
den Zyklus zur Bestimmung der Erdreichtemperatur ist es notwendig,
in die Steuerung der Wärmepumpe einzugreifen; die Solepumpe
schaltet ein, während der Verdichter ausgeschaltet bleibt.
Die Meßwerte werden in einem Langzeitspeicher abgespeichert
und können bei Bedarf ausgelesen und ausgewertet werden.
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Anhand
eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher
beschrieben werden.
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Die 1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau der Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Oberflächennahe
geothermische Anlagen tauschen mit dem Erdboden über einen
Erdkollektor 1, der als Flächenkollektor ausgebildet
ist, Wärme aus. Eine Wärmepumpe 2 hebt
im Fall „Heizen” das Temperaturniveau entsprechend
der Erfordernisse des Verbrauchers 3 an. Die dem Erdreich 10 entzogene
Wärme wird aus der Umwelt wieder zugeführt. Bei
zyklischem Heizbedarf wird sich im Erdreich 10 um den Flächenkollektor
ein schwingendes Temperaturfeld ausbilden. Dessen Eigenschaften
hängen von den geometrischen und geologischen Verhältnissen
des Systems Erdboden- Kollektor ab.
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Sinkt
das Temperaturniveau des Erdreichs 10 in der Umgebung des
Erdkollektors 1 durch intensiven Entzug ab, arbeitet die
Wärmepumpe 2 unwirtschaftlich oder erreicht nicht
mehr die geplante Wärmeleistung.
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Abhilfe
schafft das erfindungsgemäße Verfahren zur Beurteilung
des Beladungszustandes (thermischer Zustand) des Erdreichs 10.
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Mit
einem Steuerungs- und Datenerfassungsgerät 4 wird
der Wärmeaustausch zwischen dem Erdkollektor 1 und
der Wärmepumpe 2 mittels Durchfluß- und
Temperatur-Meßeinrichtungen 5 und 6 erfaßt.
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Das
Steuerungs- und Datenerfassungsgerät 4 veranlaßt
weiterhin in Phasen, in denen keine Wärmeentnahme stattfindet,
Temperaturmessungen in der Kollektorebene. Gemeinsam mit der Aufzeichnung
der Außentemperatur an der Meßstelle 7 sowie der
Durchfluß-Meßstelle 8 und der Temperatur-Meßstelle 9 auf
der Abgabeseite der Wärmepumpe 2 entstehen Zeitreihen,
die in einem mathematischen Modell zur dynamischen Beschreibung
des Temperaturfeldes im Erdreich 10 genutzt werden. Es
werden Kenngrößen gebildet, die den thermischen
Zustand des Erdreichs 10 in der Umgebung des Erdkollektors 1 im
Modell 11 beschreiben.
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Die
Messung der Wärmeströme an der Abgabeseite der
Wärmepumpe 2 und der elektrischen Arbeit von Wärmepumpe
und Umwälzpumpen schafft die Voraussetzung zur Bewertung
der energetischen Effizienz der Anlage.
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Der
berechnete thermische Zustand des Erdreichs 10 basiert
auf dem registrierten Wärmeaustausch und berücksichtigt
die natürliche Regeneration. Wenn im Laufe der Nutzung
prognostiziert wird, daß die Wärmeentnahme die
Wärmeaufnahme aus der Umwelt übersteigt, kann
mit der gesteuerten Zuführung von Wärme aus anderen
Quellen die Regeneration der Wärmequelle unterstützt
werden.
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Die
Steuerung des Zeitpunktes und der Menge der Wärmezufuhr
erfolgt über das Steuerungs- und Datenerfassungsgerät 4.
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Mit
Hilfe des Modells 11 werden optimaler Zeitpunkt und Menge
der zuzuführenden Wärme bestimmt.
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Bei
längerem Betrieb kann das Modell 11 nach den Regeln
der sequentiellen Statistik ständig verbessert und das
Gesamtsystem optimiert werden.
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Erfordert
der Verbraucher eine Kühlung, so kann der Erdboden als
Wärmesenke genutzt werden. Das beschriebene Verfahren mit
Mess- und Informationsverarbeitungstechnik kann auch in diesem Fall zur
optimalen Betriebsweise des Gesamtsystems angewendet werden.
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Das
Verfahren ist für Wärmespeicher, die zyklisch
betrieben werden, einsetzbar. Dabei muß der Wärmetauscher
nicht notwendigerweise in den Erdboden eingebracht werden.
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- 1
- Erdkollektor
- 2
- Wärmepumpe
- 3
- Verbraucher
- 4
- Steuerungs-
und Datenerfassungsgerät
- 5
- Durchfluß-Meßeinrichtung
- 6
- Temperatur-Meßeinrichtung
- 7
- Meßstelle
Außentemperatur
- 8
- Durchfluß-Meßstelle
Abgabeseite Wärmepumpe
- 9
- Temperatur-Meßstelle
Abgabeseite Wärmepumpe
- 10
- Erdreich
- 11
- Modell
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4119954
A1 [0003]
- - DE 102004011537 B4 [0005]
- - DE 102005038512 A1 [0009]