DE102008037316A1

DE102008037316A1 - System to recover heat from deep probes, at the earth's crust, uses a latent storage material around the probe to increase the heat collection

Info

Publication number: DE102008037316A1
Application number: DE102008037316A
Authority: DE
Inventors: Volker Fischer
Original assignee: Fischer Volker Dr Ing
Current assignee: Fischer Volker Dr Ing
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2028-08-05
Also published as: DE102008037316B4

Abstract

The system to acquire energy from the heat of the earth's crust, has a fluid recalculated through a deep probe to be heated. At the deep high temperature zone the probe is shrouded by a latent heat storage material in a carrier substance.

Description

Zur Nutzung des Temperaturpotentials des Erdreiches werden die verschiedensten Vorrichtungen und Verfahren benutzt. Einen breiten Überblick über allgemeine physikalische und spezielle thermodynamische Grundlagen sowie über angewandte Verfahren und Vorrichtungen zur Ausnutzung des Temperaturpotentials gibt die VDI Richtlinie 4640 „Thermische Nutzung des Untergrundes" [1]to Use of the temperature potential of the soil are the most diverse Devices and methods used. A broad overview of general physical and special thermodynamic principles as well as applied methods and devices for utilization the temperature potential is given by the VDI guideline 4640 "Thermal Use of the subsoil "[1]

Eines der Verfahren zur thermischen Nutzung des Untergrundes ist durch die Verwendung von Erdwärmesonden charakterisiert. Dabei werden Sonden z. B. in Form von Koaxial- oder U-Sonden in vorher eingebrachten Bohrlöchern verbaut. Dieses Verfahren wird vorrangig dann verwendet, wenn die zur Verfügung stehende Fläche gering ist, erdbewegende Tätigkeiten innerhalb von geplanten Baumaßnahmen nicht vorgesehen sind und somit eine vertikale Nutzung des Erdreiches aus wirtschaftlichen Gründen geboten ist.One the method for the thermal utilization of the substrate is by characterized the use of geothermal probes. there be probes z. In the form of coaxial or U probes in advance installed boreholes installed. This procedure will Priority then used when available Area is low, earth moving activities within planned construction measures are not provided and thus a vertical use of the soil for economic reasons is required.

Im Gegensatz dazu erfolgt eine horizontal orientierte Nutzung des Untergrundes oftmals über Erdkollektoren. Rohrleitungen oder Kanäle in verschiedensten Dimensionen und Gestaltungsarten werden dabei üblicherweise einzeln oder in einem optimierten Abstand voneinander horizontal in einer Tiefe verlegt, die ein durch klimatische Schwankungen weitestgehend ungestörtes Temperaturniveau versprechen.in the In contrast, there is a horizontally oriented use of the substrate often via ground collectors. Pipelines or ducts in various dimensions and design types are usually individually or at an optimized distance from each other horizontally laid at a depth that is largely due to climatic variations undisturbed temperature level promise.

In beiden kurz beschriebenen Systemen mit den wärmeübertragenden Systemen Erdwärmesonde und Erdwärmekollektor fließt während der Nutzung ein Fluid, das positive oder negative Wärme an das Erdreich überträgt (unter Umständen auch mit dabei ablaufenden Phasenwechselvorgängen innerhalb des Fluids) und dadurch eine Enthalpiedifferenz zwischen Ein- und Austritt aufweist. Diese Differenz ermöglicht Energieumwandlungs- bzw. Energieübertragungsvorgänge in sich anschließenden, erwünschten Prozessen oder das so konditionierte Fluid wird direkt genutzt. Typische Prozesse sind z. B. die Beheizung und/oder die sommerliche Klimatisierung von Gebäuden.In both briefly described systems with the heat-transmitting Systems geothermal probe and geothermal collector flows while using a fluid, the positive or negative Transfers heat to the ground (under Circumstances also with running phase change processes within the fluid) and thereby an enthalpy difference between In and out has. This difference allows Energy conversion or energy transfer processes in subsequent, desired processes or the conditioned fluid is used directly. Typical processes are z. As the heating and / or summer air conditioning of buildings.

Die übertragbare Arbeit und Leistung vom Fluid innerhalb der beschriebenen Systeme an das Erdreich hängen wesentlich ab

• vom Temperaturniveau und anderen thermodynamischen Eigenschaften des strömenden Fluids
• von der Gestaltung des wärmeübertragenden Systems
• vom Temperaturniveau des umgebenden Untergrundes und seiner thermodynamischen Eigenschaften.

The transferable work and performance of the fluid within the systems described to the soil depend significantly

• the temperature level and other thermodynamic properties of the flowing fluid
• the design of the heat transfer system
• the temperature level of the surrounding subsurface and its thermodynamic properties.

Die dabei stattfindenden Prozesse lassen sich mit mathematischen Gleichungen erfassen und bewerten.The thereby occurring processes can be with mathematical equations record and evaluate.

Eine einwandfreie Einbringung und Verbauung der wärmeübertragenden Systeme im Erdreich ist wichtig zur Erreichung der optimalen Leistungsfähigkeit. Verwendetes Verfüllmaterial muss unter anderem auch eine sehr gute stoffschlüssige Verbindung zum umgebenden Erdreich herstellen, um die gewünschten Energieaustauschvorgänge zu fördern. Gutes Verfüllmaterial sichert weiterhin eine Abdichtung nach oben zur Verhinderung des Eindringens von Schadstoffen und dichtet eventuell durchbrochene Grundwasserleiter ab.A perfect introduction and obstruction of the heat-transferring Soil systems are important for achieving optimal performance. Used backfill material must include a very good cohesive connection to the surrounding soil establish the desired energy exchange processes to promote. Good backfill material continues to secure a seal to the top to prevent the ingress of pollutants and seals off any broken aquifers.

Es gibt ein Vielzahl von Abhandlungen, Untersuchungen und Patentschriften, die konstruktive Verbesserungen der Gestaltung der wärmeübertragenden Systeme oder Verbesserungen der thermodynamischen Eigenschaften des strömenden Fluids bzw. des umgebenden Erdreiches vorschlagen, um die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems zu steigern.It gives a variety of treatises, examinations and patents, the constructive improvements of the design of the heat-transferring Systems or improvements of thermodynamic properties propose the flowing fluid or the surrounding soil, to increase the performance of the overall system.

In der Lehre EP 1 065 451 B1 wird zum Beispiel vorgeschlagen, ein graphithaltiges Verfüllmaterial für Erdwärmesondenspeicher zu verwenden. Dadurch könne die Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials der Erdwärmesonden wesentlich gesteigert und damit die Gesamteffizienz des Systems verbessert werden. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit wird als entscheidend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Speichersystems angesehen. Ein weiterer Effekt der Beimischung von Graphit in verschiedenen Strukturen zum Verfüllmaterial sei die Verbesserung der rheologischen Eigenschaften dieses Materials.During the apprenticeship EP 1 065 451 B1 For example, it is proposed to use a graphitic backfill material for geothermal heat storage. This could significantly increase the thermal conductivity of the backfill material of the geothermal probes and thus improve the overall efficiency of the system. High thermal conductivity is considered critical to the performance of the entire storage system. Another effect of the addition of graphite in various structures to the backfill material is the improvement of the rheological properties of this material.

Die Wärmeleitfähigkeit λ beschreibt vollkommen die stationäre Fähigkeit eines Stoffes oder Stoffgemisches, Energie durch Wärmeleitung zu transportieren. Stationär bedeutet dabei, die treibenden Temperaturrandbedingungen sind nahezu zeitlich konstant.The Thermal conductivity λ describes completely the stationary capability of a substance or mixture of substances, To transport energy by heat conduction. Stationary means that the driving temperature boundary conditions are almost constant over time.

Nur unvollkommen wird durch diesen Ausdruck aber die Fähigkeit zur instationären Wärmeleitung charakterisiert, d. h. bei zeitlich veränderlichen Temperaturrandbedingungen. Dieser Prozess kann vollständig bei zusätzlicher Kenntnis der Stoffeigenschaften Dichte ρ und spezifische Wärmekapazität c charakterisiert werden.However, this expression only imperfectly characterizes the ability to transient heat conduction, ie, temporally variable temperature boundary conditions. This process can be fully characterized by additional knowledge of the material properties density ρ and specific heat capacity c become.

Für das Maß der Geschwindigkeit der Temperaturänderung in einem Material unter der Voraussetzung von temperaturunabhängigen Stoffwerten gilt dann der Temperaturleitkoeffizient

Der in die Oberfläche eines Körpers eindringende Wärmestrom ist unter der gleichen Voraussetzung proportional dem Wärmeeindringkoeffizient b = √λ·ρ·c.For the measure of the rate of change in temperature in a material on the assumption of temperature-independent material values, the temperature coefficient of conductivity then applies

The heat flow entering the surface of a body is, under the same condition, proportional to the heat penetration coefficient b = √ λ · ρ · c ,

Die spezifische Wärmekapazität ist eine Stoffeigenschaft. Es gilt für Feststoffe und Flüssigkeiten

Sie ist im Bereich von Phasenwechselvorgängen besonders groß. Die dabei fließenden Energien werden bei Umstrukturierungen in der Atom- bzw. Molekülstruktur benötigt bzw. frei. Der Wechsel eines Aggregatzustandes eines Stoffes oder Stoffgemisches ist zum Beispiel solch ein Phasenwechselvorgang. Dieser ist u. a. auch dadurch gekennzeichnet, dass er bei nahezu konstanter Temperatur abläuft. Diese Phasenwechselvorgänge werden gerne für die Speicherung von Wärmeenergien genutzt. Da nur geringe Temperaturänderungen zu verzeichnen sind, werden die dabei verwendeten Substanzen als latentspeichernde Materialien bezeichnet. Häufig genutzte Stoffe sind auf Grund Ihrer guten Verarbeitungsmöglichkeiten und weitestgehend ungefährlichen Eigenschaften Paraffine. Eine andere oftmals verwendete Stoffgruppe sind Salzhydrate. Ein weiterer entscheidender Vorteil der beiden angeführten Stoffe liegt in der Variabilität des Temperaturbereiches der Phasenumwandlung festflüssig. Dieser kann in der Herstellung auf den spezifischen Anwendungsfall angepasst werden. Beim Einsatz von latentspeichernden Materialien ist es oft notwendig, diese mit Trägerstoffen anzuwenden oder in einer anderen aufbereiteten, geeigneten Art und Form zu verwenden. Ziel einer solchen Aufbereitung kann es zum Beispiel sein, bei der Umwandlung in die flüssige Phase ein Austreten der latentspeichernden Materialien zu verhindern (z. B. Makroverkapselung mit Metallfolien o. ä.; poröse Materialien als Trägersubstanz, die durch Kapillarwirkung ein Austreten der flüssigen Phase verhindern). Auch weitere Funktionen können durch Trägersubstanzen oder andere umhüllende Stoffe erfüllt werden. Diese Funktionen können verbesserten Brandschutzeigenschaften dienen, Stoffeigenschaften in eine gewünschte Richtung verändern (z. B. Phasenwechselmaterialien in Verbindung mit Graphit oder Metallschäumen zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit) oder einfach nur den Umgang mit den latentspeichernden Substanzen vereinfachen (z. B. durch eine sogenannte Mikroverkapselung).The specific heat capacity is a substance property. It applies to solids and liquids

It is particularly large in the field of phase change operations. The thereby flowing energies are needed or released during restructuring in the atomic or molecular structure. The change of an aggregate state of a substance or substance mixture is, for example, such a phase change process. This is also characterized by the fact that it runs at a nearly constant temperature. These phase changes are often used for the storage of thermal energy. Since only small changes in temperature are recorded, the substances used are referred to as latent-storing materials. Frequently used substances are paraffins because of their good processing possibilities and largely harmless properties. Another often used group of substances are salt hydrates. Another decisive advantage of the two listed substances is the liquid nature of the temperature range of the phase transformation. This can be adapted in the production to the specific application. When using latent-storing materials, it is often necessary to use them with carriers or to use them in any other suitable form and form. The aim of such treatment may be, for example, to prevent the latent-storing materials from exiting during the conversion into the liquid phase (for example macroencapsulation with metal foils or the like, porous materials as carrier substance which cause the liquid phase to escape by capillary action prevent). Other functions can be fulfilled by carriers or other enveloping substances. These functions can serve improved fire protection properties, change material properties in a desired direction (eg phase change materials in conjunction with graphite or metal foams to increase the thermal conductivity) or simply simplify the handling of the latent storage substances (eg by so-called microencapsulation) ,

Ein guter Überblick über Definitionen, Begriffe, Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten von Phasenwechselmaterialien ist in [2] zu finden.One good overview of definitions, terms, properties and uses of phase change materials can be found in [2].

Alle wesentlichen Vorgänge rund um die Beheizung, Warmwasserbereitung und Klimatisierung von/in Gebäuden sind hinsichtlich der Leistungsanforderungen und damit der Temperaturverhältnisse an genutzten Erdwärmesystemen instationäre Vorgänge. Aus der Nutzung der Gebäude ergeben sich vorrangig wiederkehrende Leistungsanforderungen mit einer Periodendauer von 24 h. Weiterhin denkbar sind Erdwärmesysteme zur Versorgung von instationären Prozessen außerhalb des Themenkreises Gebäudekonditionierung in Industrie, Landwirtschaft und Handwerk.All essential processes around the heating, water heating and air conditioning of / in buildings are in terms of Performance requirements and thus the temperature conditions on used geothermal systems transient processes. The use of the buildings gives priority to recurring Performance requirements with a period of 24 h. Farther conceivable are geothermal systems for the supply of transient Processes outside the topic of building conditioning in industry, agriculture and crafts.

Wird eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Systemen zur energetischen Nutzung des Untergrundes angestrebt, ist eine gezielte Veränderung der Größen Dichte und/oder spezifische Wärmekapazität der beteiligten Stoffe oder Stoffgemische neben der optimierten Wärmeleitfähigkeit anzustreben.Becomes an improvement in the performance of systems for energetic use of the underground is targeted Change in the sizes density and / or specific heat capacity of the substances involved or mixtures of substances in addition to the optimized thermal conductivity desirable.

Aus der oben angegebenen Gleichung für den Wärmeeindringkoeffizient b ist ersichtlich, dass alle bestimmenden Stoffwerte im beeinflussbaren Bereich des Erdreiches möglichst groß zu wählen sind, da die Effektivität der Systeme an dem an das Erdreich übertragenen = eingedrungenen positiven oder negativen Wärmestrom gemessen werden. Die Auswirkung auf das instationäre Temperaturfeld kann dabei aus der angegebenen Beziehung für den Temperaturleitkoeffizienten a abgeleitet werden.Out the above equation for the heat penetration coefficient b it can be seen that all determinant material values can be influenced Area of the soil as large as possible to choose are because the effectiveness of the systems transferred to the soil = penetrated positive or negative heat flow measured become. The effect on the transient temperature field can from the given relationship for the temperature coefficient a be derived.

Aufgabe der Erfindung ist es, die instationäre Leistungsfähigkeit von Systemen zur Nutzung des Temperaturpotentials des Erdreiches zu verbessern. Das wird dadurch erreicht, dass latentspeichernde Stoffe in dem Bereich des Gesamtsystems Fluid/wärmeübertragendes System/Erdreich eingebracht werden, der beim bestimmungsgemäßen Gebrauch ein zeitlich instationäres Temperaturfeld aufweist. Des Weiteren muss der Phasenwechselbereich der latentspeichernden Stoffe auf den erwarteten Schwankungsbereich des instationären Temperaturfeldes abgestimmt sein. Nur unter diesen zwei Voraussetzungen können latentspeichernde Stoffe die Effizienz von Systemen zur energetischen Nutzung des Untergrundes steigern.The object of the invention is to improve the transient performance of systems for utilizing the temperature potential of the soil. This is achieved by introducing latent-storing substances in the area of the overall system fluid / heat-transferring system / soil, which is used during the Proper use has a temporally unsteady temperature field. Furthermore, the phase change region of the latent-storing substances must be matched to the expected fluctuation range of the transient temperature field. Only under these two conditions can latent-storing substances increase the efficiency of systems for energetic use of the subsurface.

Es kann vorteilhaft und möglich sein, dass dabei das wärmeübertragende System selbst wenigstens zum Teil latentspeicherndes Material in geeigneter Art und Weise, auch mit Trägersubstanzen, enthält. Ein Grund dafür kann die räumliche Ausdehnung des wärmeübertragenden Systems sein. Werden beispielhaft Betonkanäle als Erdkollektoren zur Konditionierung von Luft verwendet, dann kann die Dicke des Betonelementes schon einen wesentlichen Teil des Bereiches des instationären Temperaturfeldes ausmachen. Durch Beimischung von latentspeichernden Materialien zum Beton kann dann eine Leistungssteigerung erreicht werden.It can be advantageous and possible that while the heat-transmitting System itself at least partially latent-storing material in suitable manner, including with carrier substances contains. One reason for this is the spatial extent be the heat transfer system. Be exemplary Concrete channels as ground collectors for the conditioning of Air used, then the thickness of the concrete element can already essential part of the range of the transient temperature field turn off. By admixture of latent-storing materials to the concrete then an increase in performance can be achieved.

In der Schrift DE 30 32 748 A1 wird ein Latentspeicher für Wärmepumpenanlagen, ausgebildet als ein im Erdreich eingebetteter, wassergefüllter Behälter, der von einer Wärmetransportflüssigkeit durchströmt ist, derart optimiert, dass der Behälter als Rohr ausgeführt ist. Bei diesem Vorschlag werden die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegenden Überlegungen zur Begrenzung des Einsatzbereiches der latentspeichernden Stoffe auf den Bereich mit einem instationären Temperaturfeld sowie die notwendige Abstimmung des Phasenumwandlungsgebietes auf den vorgesehen Einsatzfall ausgeblendet.In Scripture DE 30 32 748 A1 is a latent storage for heat pump systems, designed as a buried in the ground, water-filled container, which is traversed by a heat transfer fluid, optimized so that the container is designed as a tube. In this proposal, the considerations underlying the present invention to limit the range of use of latent-storing substances on the area with a transient temperature field and the necessary vote of the phase transformation area to the intended application be hidden.

BeispieleExamples

Ein Gebäude wird mit Hilfe von Erdwärmesonden gekühlt. Verwendet werden beispielhaft Koaxialsonden. In der Nutzungszeit des Gebäudes von 7 bis 19 Uhr fallen in Folge von inneren und äußeren zeitveränderlichen Lasten instationäre Kühllasten an. Diese werden mit Klimatisierungssystemen teilweise oder vollständig unter Verwendung eines Fluids abgeführt. Dieses Fluid mit einer höheren Temperatur (zum Beispiel Rücklauftemperatur aus einem Kühlungsprozess) als das umgebende Erdreich wird durch Erdwärmesonden geleitet. Dabei findet infolge von Wärmeübertragungsvorgängen mit dem umgebenden Erdreich ein Temperaturausgleichsprozess statt – das Fluid wird gekühlt. Von 19 bis 7 Uhr sei eine Kühlung des Gebäudes nicht notwendig. Die Erdwärmesonden werden dann nicht durchströmt.One Building is cooled with the help of geothermal probes. Coaxial probes are used by way of example. In the usage time of the building from 7 to 19 o'clock fall in consequence of inner and external time-varying loads transient cooling loads. These are provided with air conditioning systems partially or completely using a fluid dissipated. This fluid with a higher temperature (for example, return temperature from a cooling process) as the surrounding soil is passed through geothermal probes. It takes place as a result of heat transfer processes with the surrounding soil a temperature compensation process instead of - Fluid is cooled. From 19 to 7 clock is a cooling the building is not necessary. The geothermal probes are then not flowed through.

Dieser Vorgang soll mit einer Simulationsrechnung näherungsweise nachgebildet werden.This Process should approximate with a simulation calculation be reproduced.

Dabei wird das eindimensionale, instationäre Temperaturfeld um einen Zylinder, der eine Koaxial-Erdwärmesonde approximiert, berechnet. Für das Erdreich werden mittlere Stoffwerte verwendet:

The one-dimensional, transient temperature field around a cylinder, which approximates a coaxial geothermal probe, is calculated. Medium values are used for the soil:

Die gleichen Stoffwerte soll das Verfüllmaterial um die eingebrachte Sonde aufweisen. Die Temperatur des ungestörten Erdreiches wird in 3 m Entfernung mit t_E,3m = 10°C angesetzt. Der Durchmesser der Sonde sei 0,06 m. Die Temperatur des Fluids beträgt 18°C. Ausgehend von einer konstanten Anfangstemperaturverteilung wird eine Periode von 30 Tagen berechnet (Rechnung 2). 2 zeigt die Temperaturverteilung t_E als Funktion der Zeit mit dem Parameter Abstand vom Mittelpunkt Sonde. 1 gibt im Vergleich dazu die Temperaturverteilung von t_E für den Fall einer durchgängigen Betriebszeit bei ansonsten gleichen Parametern wieder (Rechnung 1).The same material values should have the filling material around the introduced probe. The temperature of the undisturbed soil is set at 3 m distance with t _{E, 3m} = 10 ° C. The diameter of the probe is 0.06 m. The temperature of the fluid is 18 ° C. Starting from a constant initial temperature distribution, a period of 30 days is calculated (Invoice 2). 2 shows the temperature distribution t _E as a function of time with the parameter distance from the center probe. 1 In comparison, the temperature distribution of t _E for the case of a continuous operating time with otherwise identical parameters (calculation 1).

Diese und weitere Rechnungen mit gleichem Szenario und variierten Stoffwerten für das Erdreich zeigen, dass bei üblichen thermodynamischen Eigenschaften des Untergrundes nur im Durchmesser von ca. 50 bis 70 cm um die Erdwärmesonde im Verlauf einer Periode von 24 h erwähnenswerte Temperaturschwankungen auftreten. Außerhalb dieses Durchmessers ist das Temperaturfeld weitestgehend unbeeinflusst durch die zeitveränderliche Nutzung. Es nimmt bis zum ungestörten Temperaturniveau des umgebenden Erdreiches, lokal nahezu zeitlich unveränderlich, kontinuierlich ab. Der Wärmefluss zum imaginären, konstanten Temperaturpotential des Erdreiches ist dabei nur eine Funktion der Wärmeleitfähigkeit. Innerhalb des oben genannten Durchmesserbereiches findet außerhalb der Nutzung eine „Erholung" des umgebenden Erdreiches oder anderer verwendeter Stoffe und Stoffgemische des Energieübertragungssystems statt. Das sind Speicher- oder Entspeichervorgänge, die neben der Wärmeleitfähigkeit durch den Wärmeeindringkoeffizienten und den Temperaturleitkoeffizienten bewertet werden können. Diese Vorgänge sorgen dafür, dass bei einem erneuten temporären Durchströmen der Erdwärmesonde eine größere Leistung zur Verfügung steht als im Dauerbetrieb.These and further calculations with the same scenario and varied material values for the soil show that at usual thermodynamic Properties of the substrate only in the diameter of approx. 50 to 70 cm around the geothermal probe during a period of 24 h remarkable temperature fluctuations occur. Outside This diameter is the temperature field largely unaffected through the time-varying use. It takes up the undisturbed Temperature level of the surrounding soil, locally almost temporally immutable, continuous. The heat flow to the imaginary, constant temperature potential of the soil is only a function of the thermal conductivity. Within the above diameter range takes place outside use a "rest" of the surrounding soil or other substances used and mixtures of substances of the energy transfer system instead of. These are memory or memory processes that in addition to the thermal conductivity by the heat penetration coefficient and the Temperaturleitkoeffizienten can be evaluated. These processes ensure that when a renewed temporary flow through the geothermal probe a greater power is available as in continuous operation.

Dadurch ist es auch zu erklären, dass die erzielbare Kühlarbeit nur um ca. 25% unter der Kühlarbeit des Dauerbetriebes liegt, obwohl die Betriebszeit um 50% geringer ist. Diese 25% stellen den theoretischen Grenzwert einer Optimierung durch veränderte Stoffwerte in diesem Bereich dar.It is therefore also to be explained that the achievable cooling work is only about 25% lower than the cooling work of the continuous operation, although the operating time is 50% lower. These 25% represent the theoretical Limit value of an optimization by changed material values in this area.

In Rechnung 3 soll nun die Auswirkung einer Anordnung von latentspeichernden Materialien im Bereich des instationären Temperaturfeldes demonstriert werden. Verwendet wird ein Material, dass Stoffwerte für c = f(t) für die Vorgänge Schmelzen und Erstarren entsprechend 4 aufweist. Die Hysterese zwischen den dort ablesbaren Kurven beträgt 1 K. Der Temperaturbereich, in dem der Phasenwechsel stattfindet, ist auf das erwartete Temperaturfeld (vgl. 2) abgestimmt. Die Schmelz- bzw. Erstarrungsenthalpie hat einen Betrag von 125 kJ/kg. Entsprechend den Erläuterungen zu den Stoffeigenschaften Wärmeeindringkoeffizient b und Temperaturleitkoeffizient a ist zu erwarten, dass sich der Bereich des instationären Temperaturfeldes um die Sonde und der Temperaturgradient an vergleichbaren Orten während der Betriebszeit der Kühlung verkleinern wird. Damit kann die Aussage getroffen werden, dass eine Anordnung der Stoffe in dem Bereich des Bohrloches (Rechnung 1 bis 3 → r_Bohrloch = 0,1 m) optimal ist. Angenommen wird für die Rechnung 3 eine Beimischung von 30% des beschriebenen latentspeichernden Stoffes zum Verfüllmaterial. Weitere Stoffwerte des Materials sind:

In Invoice 3, the effect of an arrangement of latent-storing materials in the region of the transient temperature field will now be demonstrated. A material is used that corresponds to material values for c = f (t) for the melting and solidification processes 4 having. The hysteresis between the readable curves is 1 K. The temperature range in which the phase change takes place is on the expected temperature field (see. 2 ) Voted. The melting or solidification enthalpy has an amount of 125 kJ / kg. According to the explanations on the material properties heat penetration coefficient b and temperature coefficient a, it is to be expected that the area of the transient temperature field around the probe and the temperature gradient at comparable locations will decrease during the operating time of the cooling. Thus, the statement can be made that an arrangement of the materials in the area of the borehole (bill 1 to 3 → r _borehole = 0.1 m) is optimal. For the calculation 3, an admixture of 30% of the described latent-storing substance to the filling material is assumed. Further material values of the material are:

Für die Wärmeleitfähigkeit wird mit einem Wert von 1,75 W/(m·K) gerechnet, dass heißt, es wird von keiner Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem restlichen Verfüllmaterial ausgegangen. Dies kann beispielhaft durch ein geeignetes Trägermaterial erreicht werden (z. B. Graphit).For the thermal conductivity is given a value of 1.75 W / (m · K), that is, it is by none Deterioration of the thermal conductivity the remaining backfill material. This can be exemplary be achieved by a suitable carrier material (z. Graphite).

Die beschriebene Konfiguration des wärmeübertragenden Systems Erdwärmesonde zusammen mit latentspeichernden Materialien als Beimischung zum Verfüllmaterial ist in 7 dargestellt. Bezugszeichen A stellt das wärmeübertragende System, in diesem Fall die Koaxialsonde dar. 7 Bezugszeichen B repräsentiert das Fluid, Bezugszeichen C das Verfüllmaterial mit latentspeichernden Materialien und Bezugszeichen D das umgebende Erdreich.The described configuration of the heat transfer system geothermal probe together with latent-storing materials as admixture to the backfill material is in 7 shown. Reference A represents the heat transferring system, in this case the coaxial probe. 7 Reference symbol B represents the fluid, reference symbol C the backfill material with latent-storing materials and reference symbol D the surrounding soil.

Die Ergebnisse der Simulationsrechnung zeigt 3. Die Annahmen zum Temperaturfeld wurden bestätigt. Die eingespeicherte Wärmeenergie beträgt 84% der übertragenen Energie im Vergleich zu Rechnung 1. Das entspricht einer Steigerung der Kühlarbeit gegenüber Rechnung 2 von 12%.The results of the simulation calculation shows 3 , The assumptions about the temperature field were confirmed. The heat energy stored is 84% of the energy transferred compared to the first invoice. This corresponds to an increase of 12% in the cooling work compared to the second invoice.

Die Zusammenfassung der Ergebnisse von weiteren Parameterrechnungen ist in Tabelle 1 aufgeführt. Die positive Auswirkung einer Verkleinerung der Hysterese zwischen den Kurven c = f(t) für die Vorgänge Schmelzen und Erstarren ist deutlich erkennbar.The Summary of the results of further parameter calculations is listed in Table 1. The positive impact of a Reduction of the hysteresis between the curves c = f (t) for the processes of melting and solidification are clearly visible.

Gleichartige Anwendungen sind natürlich bei Erdkollektoren, zum Beispiel auch bei solchen zur Konditionierung von Zuluft, vorteilhaft, die dann Verbesserungen im instationären Verhalten in der gleichen Größenordnung aufweisen.similar Applications are of course with ground collectors, for example also in those for the conditioning of supply air, advantageous, the then improvements in transient behavior in the same Have magnitude.

Tabelle 2 zeigt Ergebnisse von ebenen, eindimensionalen, instationären Berechnungen, die die Verhältnisse in einem luftführenden Erdkanal abschätzen sollen (Rechnung 4). Dabei sind latentspeichernde Stoffe als Beimischung im Betonmaterial des Kanals vorhanden. Deren Stoffdaten c = f(t) sind analog zum vorangegangenen Beispiel in 5 zu sehen. Die Schmelz- bzw. Erstarrungsenthalpie beträgt 130 kJ/(kg·K). 6 gibt die vorgegebenen Temperaturen für das Fluid Außenluft wieder. Die Wanddicke des Kanals beträgt 15 cm. Der Kollektor wird von 7 bis 19 Uhr durchströmt, außerhalb dieser Zeit nicht. 9 stellt vereinfachend diese Konfiguration dar. Bezugszeichen D in 9 repräsentiert das umgebende Erdreich, Bezugszeichen B das strömende Fluid Luft und Bezugszeichen G das wärmeübertragende System mit latentspeichernden Materialien, in diesem Beispiel ein Betonkanal mit entsprechenden Beimischungen.Table 2 shows results of planar, one-dimensional, transient calculations, which are to estimate the conditions in an air-conducting earth channel (Invoice 4). In this case, latent-storing substances are present as an admixture in the concrete material of the channel. Their material data c = f (t) are analogous to the previous example in FIG 5 to see. The melting or solidification enthalpy is 130 kJ / (kg · K). 6 returns the given temperatures for the fluid outside air. The wall thickness of the channel is 15 cm. The collector is passed through from 7 to 19 o'clock, not outside this time. 9 represents simplifying this configuration. Reference D in 9 For example, the surrounding soil, B represents the flowing fluid air, and G the heat transferring system with latent-storing materials, in this example a concrete channel with corresponding admixtures.

Im Ergebnis der Beispielrechnungen ist festzustellen, dass eine signifikante Effizienzsteigerung von Systemen zur energetischen Nutzung des Untergrundes möglich ist, wenn latentspeichernde Stoffe im Bereich des sich einstellenden intstationären Temperaturfeldes angeordnet werden. Die vereinfachenden, aber dennoch aufschlussreichen Simulationsrechnungen lassen die Aussage zu, dass diese Steigerungen im Bereich von ca. 10% bis 20% liegen werden. Insbesondere beim instationären Betrieb von Erdwärmesonden wird damit (in Abhängigkeit des Anwendungsfalls) nahezu die Ausbeute entsprechend einem Dauerbetrieb erreicht. Damit können Speicher in Gebäuden, auch mit latentspeichernden Stoffen, weitestgehend entfallen. Daraus können sich im Falle von PCM-Speichern Vorteile bezüglich Brandschutzforderungen ergeben. Des Weiteren gibt es Einsparungen bei den Investitions- und Betriebskosten (zum Beispiel geringere Aufwendungen für einen Pumpenbetrieb) und es treten keine Speicherverluste auf. Notwendige Leistung und Arbeit kann zum Zeitpunkt des Bedarfs abgefordert werden.in the Result of the example calculations is to find that a significant Increasing the efficiency of systems for energetic use of the substrate is possible if latent storage substances in the range of arranged adjusting intstationary temperature field become. The simplistic but nevertheless insightful simulation calculations allow the statement that these increases in the range of approx. 10% to 20% will be. Especially when transient Operation of geothermal probes is so (depending the use case) almost the yield corresponding to a continuous operation reached. This can be used in buildings, too with latent-storing substances, largely eliminated. from that In the case of PCM memories, advantages may arise with regard to Fire protection requirements result. There are also savings in investment and operating costs (for example, lower Expenses for a pump operation) and there are none Memory losses on. Necessary performance and work can be done at the time of Demand to be requested.

Den beschriebenen Beispielrechnungen liegt die vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung in Form von Beimischungen der latentspeichernden Stoffe zum Verfüllmaterial bei der Verwendung von Erdsonden bzw. zum Material des wärmeübertragenden Systems (hier Betonmischung bei luftführenden Erdkollektoren) zu Grunde.The example calculations described is the preferred embodiment the invention in the form of admixtures of latent-storing substances to the backfill material when using probes or to the material of the heat transfer system (here Concrete mixture in air-conducting earth collectors) based.

Für den Erfolg der Erfindung ist im allgemeinen nur die Anordnung der latentspeichernden Materialien im Bereich des sich zeitlich ändernden Temperaturfeldes mit einem darauf abgestimmten Phasenwechselbereich wichtig.For the success of the invention is generally only the arrangement of latent storage materials in the range of time-varying Temperature field with a matched phase change range important.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung kann zum Beispiel die vollständige Umkleidung von Sonden mit entsprechenden Materialien sein (8 – Bezugszeichen F). Mit Metallfolien umhülltes latentspeicherndes Material kann dabei eine Ausführungsform sein.Another possible embodiment may be, for example, the complete cladding of probes with appropriate materials ( 8th - reference F). In this case, latent-storing material enveloped with metal foils can be an embodiment.

In diesem Fall enthält das Verfüllmaterial (8 – Bezugszeichen E) zwischen Sonde und umgebenden Erdreich kein weiteres latentspeicherndes Material, da davon ausgegangen wird, dass das instationäre Temperaturfeld sich im wesentlichen auf den Bereich der Umkleidung erstreckt. Hysterese zwischen Schmelz- und Erstarrungskurve = 1 K Nr. Stoffdaten Erdreich Stoffdaten Verfüllung Verfüllung mit/ohne latentspeichernden Stoffen (30% Vol.-Anteil) 12 h/24 h Betrieb Kühlarbeit 1 λ = 1,75 W/(m·K) c = 2000 J/(kg·K) ρ = 1000 kg/m³ λ = 1,75 W/(m·K) c = 2000 J/(kg·K) ρ = 1000 kg/m³ ohne 24 h 100% 2 wie Nr. 1 wie Nr. 1 ohne 12 h 75% von Nr. 1 3 wie Nr. 1 wie Nr. 1 mit –λ_PCM = 1,75 W/(m·K) 12 h 84% von Nr. 1 4 wie Nr. 1 λ = 1 W/(m·K) sonst wie Nr. 1 ohne 24 h 100% 5 wie Nr. 1 wie Nr. 4 ohne 12 h 71% von Nr. 4 6 wie Nr. 1 wie Nr. 4 mit –λ_PCM = 2 W/(m·K) 12 h 90% von Nr. 4 7 λ = 1 W/(m·K) sonst wie Nr. 1 wie Nr. 4 ohne 24 h 100% 8 wie Nr. 7 wie Nr. 4 ohne 12 h 77% von Nr. 7 9 wie Nr. 7 wie Nr. 4 mit –λ_PCM = 2 W/(m·K) 12 h 91% von Nr. 7 Hysterese = 0,5 K Nr. Stoffdaten Erdreich Stoffdaten Verfüllung Verfüllung mit/ohne latentspeichernden Stoffen (30% Vol. Anteil) 12 h/24 h Betrieb Kühlarbeit 10 wie Nr. 1 wie Nr. 1 mit –λ_PCM = 1,75 W/(m·K) 12 h 85% von Nr. 1 11 wie Nr. 1 wie Nr. 4 mit –λ_PCM = 2 W/(m·K) 12 h 92% von Nr. 4 12 wie Nr. 7 wie Nr. 4 mit –λ_PCM = 2 W/(m·K) 12 h 94% von Nr. 7 Hysterese = 0,1 K Nr. Stoffdaten Erdreich Stoffdaten Verfüllung Verfüllung mit/ohne latentspeichernden Stoffen (30% Vol.-Anteil) 12 h/24 h Betrieb Kühlarbeit 13 wie Nr. 1 wie Nr. 1 mit –λ_PCM = 1,75 W/(m·K) 12 h 87% von Nr. 1 14 wie Nr. 1 wie Nr. 4 mit –λ_PCM = 2 W/(m·K) 12 h 95% von Nr. 4 15 wie Nr. 7 wie Nr. 4 mit –λ_PCM = 2 W/(m·K) 12 h 95,5% von Nr. 7 Tabelle 1 – Zusammenfassung von Parameterrechnungen zur Konfiguration Erdsonde entsprechend Rechnung 1 bis 3 Hysterese zwischen Schmelz- und Erstarrungskurve = 1 K Nr. Stoffdaten Erdreich Stoffdaten Betonkanal Wanddicke d = 0,015 m Beton mit/ohne latentspeichernden Stoffen (30% Vol.-Anteil) 12 h/24 h Betrieb Kühlarbeit 1 λ = 1,75 W/(m·K) c = 2000 J/(kg·K) ρ = 1000 kg/m³ λ = 1,4 W/(m·K) c = 2000 J/(kg·K) ρ = 1000 kg/m³ ohne 12 h 100% 2 wie Nr. 1 wie Nr. 1 mit –λ_PCM = 1,4 W/(m·K) 12 h 113% von Nr. 1 3 wie Nr. 1 wie Nr. 1 mit –λ_PCM = 2 W/(m·K) 12 h 115% von Nr. 1 Hysterese = 0,5 K Nr. Stoffdaten Erdreich Stoffdaten Verfüllung Verfüllung mit/ohne latentspeichernden Stoffen (30%) 12 h/24 h Betrieb Kühlarbeit 4 wie Nr. 1 wie Nr. 1 mit –λ_PCM = 1,4 W/(m·K) 12 h 115% von Nr. 1 5 wie Nr. 1 wie Nr. 1 mit –λ_PCM = 2 W/(m·K) 12 h 118% von Nr. 1 Hysterese = 0,1 K Nr. Stoffdaten Erdreich Stoffdaten Verfüllung Verfüllung mit/ohne latentspeichernden Stoffen (30%) 12 h/24 h Betrieb Kühlarbeit 6 wie Nr. 1 wie Nr. 1 mit –λ_PCM = 1,4 W/(m·K) 12 h 117% von Nr. 1 7 wie Nr. 1 wie Nr. 1 mit –λ_PCM = 2 W/(m·K) 12 h 121% von Nr. 1 Tabelle 2 – Zusammenfassung von Parameterrechnungen zur Konfiguration Erdkollektor entsprechend Rechnung 4 In this case, the filling material ( 8th - E) between the probe and the surrounding soil no further latent-storing material, since it is assumed that the transient temperature field extends substantially to the region of the casing. Hysteresis between melting and solidification curve = 1 K No. Material data Soil Substance data backfilling Backfilling with / without latent storage substances (30% by volume) 12 h / 24 h operation cooling work 1 λ = 1.75 W / (m · K) c = 2000 J / (kg · K) ρ = 1000 kg / m ³ λ = 1.75 W / (m · K) c = 2000 J / (kg · K) ρ = 1000 kg / m ³ without 24 hours 100% 2 like No. 1 like No. 1 without 12 h 75% of # 1 3 like No. 1 like No. 1 with -λ _PCM = 1.75 W / (m · K) 12 h 84% of No. 1 4 like No. 1 λ = 1 W / (m · K) otherwise as no. 1 without 24 hours 100% 5 like No. 1 like No. 4 without 12 h 71% of No. 4 6 like No. 1 like No. 4 with -λ _PCM = 2 W / (m · K) 12 h 90% of No. 4 7 λ = 1 W / (m · K) otherwise as no. 1 like No. 4 without 24 hours 100% 8th like No. 7 like No. 4 without 12 h 77% of No. 7 9 like No. 7 like No. 4 with -λ _PCM = 2 W / (m · K) 12 h 91% of # 7 Hysteresis = 0.5K No. Material data Soil Substance data backfilling Backfilling with / without latent storage substances (30% by volume) 12 h / 24 h operation cooling work 10 like No. 1 like No. 1 with -λ _PCM = 1.75 W / (m · K) 12 h 85% of No. 1 11 like No. 1 like No. 4 with -λ _PCM = 2 W / (m · K) 12 h 92% of No. 4 12 like No. 7 like No. 4 with -λ _PCM = 2 W / (m · K) 12 h 94% of No. 7 Hysteresis = 0.1K No. Material data Soil Substance data backfilling Backfilling with / without latent storage substances (30% by volume) 12 h / 24 h operation cooling work 13 like No. 1 like No. 1 with -λ _PCM = 1.75 W / (m · K) 12 h 87% of # 1 14 like No. 1 like No. 4 with -λ _PCM = 2 W / (m · K) 12 h 95% of No. 4 15 like No. 7 like No. 4 with -λ _PCM = 2 W / (m · K) 12 h 95.5% of No. 7 Table 1 - Summary of Parameter Calculations for Configuring Earth Probe according to Invoice 1 to 3 Hysteresis between melting and solidification curve = 1 K No. Material data Soil Material data concrete channel wall thickness d = 0.015 m Concrete with / without latent storage substances (30% by volume) 12 h / 24 h operation cooling work 1 λ = 1.75 W / (m · K) c = 2000 J / (kg · K) ρ = 1000 kg / m ³ λ = 1.4 W / (m · K) c = 2000 J / (kg · K) ρ = 1000 kg / m ³ without 12 h 100% 2 like No. 1 like No. 1 with -λ _PCM = 1.4 W / (m · K) 12 h 113% of # 1 3 like No. 1 like No. 1 with -λ _PCM = 2 W / (m · K) 12 h 115% of No. 1 Hysteresis = 0.5K No. Material data Soil Substance data backfilling Backfilling with / without latent storage substances (30%) 12 h / 24 h operation cooling work 4 like No. 1 like No. 1 with -λ _PCM = 1.4 W / (m · K) 12 h 115% of No. 1 5 like No. 1 like No. 1 with -λ _PCM = 2 W / (m · K) 12 h 118% of No. 1 Hysteresis = 0.1K No. Material data Soil Substance data backfilling Backfilling with / without latent storage substances (30%) 12 h / 24 h operation cooling work 6 like No. 1 like No. 1 with -λ _PCM = 1.4 W / (m · K) 12 h 117% of # 1 7 like No. 1 like No. 1 with -λ _PCM = 2 W / (m · K) 12 h 121% of No. 1 Table 2 - Summary of parameter calculations for the configuration of the earth collector according to Invoice 4

Formelzeichen und IndizesSymbols and indices

Deutsches Alphabet Formelzeichen Bedeutung a Temperaturleitkoeffizient b Wärmeeindringkoeffizient c massespezifische Wärmekapazität h massespezifische Enthalpie r Radius t Temperatur in °C T absolute Temperatur in K Griechisches Alphabet Formelzeichen Bedeutung λ Wärmeleitkoeffizient in W/(mK) ρ Dichte in kg/m³ Tiefgestellte Indizes Index Bedeutung fest für die feste Phase flüssig für die flüssige Phase p bei konstantem Druck E Erdreich L Luft PCM Phase Change Materials (Phasenwechselmaterialien) V bei konstantem Volumen German alphabet symbols importance a Temperaturleitkoeffizient b heat penetration coefficient c mass-specific heat capacity H mass-specific enthalpy r radius t Temperature in ° C T absolute temperature in K Greek alphabet symbols importance λ Thermal conductivity coefficient in W / (mK) ρ Density in kg / m ³ Subscripts index importance firmly for the solid phase liquid for the liquid phase p at constant pressure e soil L air PCM Phase Change Materials V at constant volume

AA: wärmeübertragendes System Koaxialsondeheat-transfer System coaxial probe
BB: Fluidfluid
CC: Verfüllmaterial mit latentspeichernden Stoffen als Beimischungbackfill with latent storage substances as admixture
DD: umgebendes Erdreichsurrounding soil
Ee: Verfüllmaterialbackfill
FF: latentspeichernde Stoffe als vollständige Ummantelunglatentspeichernde Fabrics as a complete sheath
GG: wärmeübertragendes System Erdkollektor mit integrierten latentspeichernden Materialienheat-transfer System earth collector with integrated latent storage materials

Zitierte NichtpatentliteraturQuoted non-patent literature

[1] Association of German Engineers; VDI Guideline 4640: "Thermal Use of the Underground" - Part 1 to Part 4; Beuth Verlag GmbH; 2000-2004
[2] Quality Community PCM e. V; Quality and test specifications for phase change materials; Version 06.12.2006; http://www.pcm-ral.de/pcm/ral-guete.htm

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list The documents listed by the applicant have been automated generated and is solely for better information recorded by the reader. The list is not part of the German Patent or utility model application. The DPMA takes over no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- EP 1065451 B1 [0009]
- DE 3032748 A1 [0020]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- Association of German Engineers; VDI Guideline 4640: "Thermal Use of the Substrate" - Part 1 to Part 4; Beuth Verlag GmbH; 2000-2004 [0039]
- Quality Association PCM e. V; Quality and test specifications for phase change materials; Version 06.12.2006; http://www.pcm-ral.de/pcm/ral-guete.htm [0039]

Claims

Method for increasing the transient performance of systems for energetic use of the substrate, characterized in that in the region of the transient temperature field of the system fluid / heat-transferring system / soil latent-storing materials are arranged with tuned to the time-varying temperature field phase change region.

Method according to claim 1, characterized that the latent-storing materials within a vehicle are arranged.

Device for carrying out one of the methods according to claim 1 or 2, characterized in that a geothermal probe (A) as a heat-transmitting system in which a Fluid (B) flows, is used, the backfill material (C) for closing the gap between geothermal probe and borehole edge latent-storing substances are added.

Device for carrying out one of the methods according to claim 1 or 2, characterized in that a geothermal probe (A) as a heat-transmitting system in which a Fluid (B) is used, that of the latent-storing Material (E) is completely enveloped.

Device for carrying out one of the methods according to claim 1 or 2, characterized in that the heat-transmitting System itself contains latent storage materials.

Device according to claim 5, characterized that as heat-transmitting system of earth collectors be used in channel or pipe form.