-
Die
Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zum Einbringen
einer Erdwärmesonde gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 6.
-
Die
Nutzung von fossilen Energien gewinnt in der Bundesrepublik Deutschland
immer mehr an Bedeutung, da der Treibhauseffekt der Atmosphäre im
wesentlichen auf das Verbrennen fossiler Primärenergieträger
(Kohle, Erdöl, Erdgas) zurückzuführen ist.
Durch den verstärkten Einsatz regenerativer und geothermischer
Energien kann eine Verminderung der Kohlendioxidemission in die
Atmosphäre erreicht werden.
-
Die
Bundesrepublik Deutschland verwendet für Gebäudeheizungen
etwa ein Drittel ihrer gesamten Endenergie in einem Temperaturbereich
unter 100°C. In diesem Temperaturbereich ist die Arbeitsfähigkeit
der Wärme, der so genannte Exergiegehalt gering. Das führt
dazu, dass herkömmliche Verbrennungsheizungen auf Erdgas-
bzw. Erdölbasis eine erhebliche Entwertung der als Exergie
gespeicherten chemischen Brennstoffenergie durch Verbrennung und
anschließenden Wärmeübergang auf die
genannten tieferen Temperaturen vornehmen, was zu exergetischen
Primärenergie-Nutzungsgraden von nur ca. 6% führt.
-
Kesselsysteme,
beispielsweise im Betrieb mit Heizöl oder Erdgas sind praktisch
am Ende ihrer technischen Entwicklung angekommen. Derartige Systeme
erreichen einen Nutzungsgrad, der geringfügig unter dem
physikalischen Maximum liegt.
-
Wärmepumpen
als thermodynamische Heizung können exergetische Primärenergienutzungsgrade
von etwa dem vierfachen erreichen, da sie Wärme aus der
Umgebung aufnehmen und diese auf die für die Beheizung
erforderliche Temperatur pumpen. Als Energieträger kommen
dabei beispielsweise die Energie der Umgebungsluft, der Oberflächengewässer
oder Oberflächen naher Bodenschichten in Frage. Geothermische
Energie zur Beheizung von Gebäuden kann durch Nutzung warmer
hydrothermaler Tiefengewässer direkt verwendet werden,
bei der Anwendung von Erdsonden bis ca. 100 m Tiefe jedoch nur indirekt
mit Wärmepumpenanlagen, die Erdwärme im Temperaturbereich
von 8°C bis 12°C auf ein für die Gebäudebeheizung
nutzbares Temperaturniveau (35°C oder höher) anheben.
-
Etwa
die Hälfte aller in Deutschland im Jahr 2007 installierten
Wärmepumpen nutzen Erdwärme als Wärmequelle.
-
Als
Wärmeträger für diese Erdwärmetauscher
werden gegenwärtig häufig einphasige Arbeitsstoffe,
wie Wasser-Glykol oder Wasser-Salzmischungen verwendet, die durch
die Sonden zum Verdampfer der Wärmepumpe gepumpt werden
(Solesonden). Nachteilig bei derartigen Sonden ist, dass die Flüssigkeiten
dieser Solen in die Wassergefährdungsklasse 1 eingestuft
sind, was eine wasserrechtliche Genehmigung erforderlich macht.
Des weiteren ist bei diesen Anlagen eine Pumpe zum Umwälzen der
einphasigen Flüssigkeit erforderlich, wodurch der Energiebedarf
und der vorrichtungstechnische Aufwand der Anlage erheblich erhöht
ist. Eine derartige Solesonde ist beispielsweise aus www.hakagerodur.ch bekannt.
-
Aus
der
DE 42 115 76 A1 sind
auch zweiphasige Systeme bekannt, bei denen ein Wärmeträger verwendet
wird, der in einer Heizzone verdampft und in einer Kühlzone
kondensiert wird. Derartige zweiphasige Systeme weisen eine höhere
energetische Effizienz auf, da keine Umwälzpumpe benötigt
wird. Bei der Wärmeübertragung vom Wärmeträger
der Erdwärmesonde auf das Kältemittel einer Wärmepumpe
haben die einphasigen Wärmeträger des weiteren
den Nachteil, dass in Folge der nicht kongruenten Temperaturverläufe
des Wärmeträgers und des Kältemittels
im Kältemittelverdampfer der Wärmepumpen Wärmetauscherverluste
entstehen, da das Kältemittel bei im wesentlichen konstanter
Temperatur verdampft und der Wärmeträger von der
Eintrittstemperatur auf die Austrittstemperatur abgekühlt wird.
Dieser Nachteil besteht bei zweiphasigen Wärmeträgern
nicht.
-
In
der
DE 298 24 676
U1 der Anmelderin wird eine Erdwärmesonde beschrieben,
bei der als Wärmeträger CO
2 verwendet
wird. Der wesentliche Vorteil dieses Wärmeträgers
liegt in der guten Umweltverträglichkeit, so dass bei einer
Leckage des Erdwärmerohres keine Grundwassergefährdung
zu befürchten ist. Des weiteren weist CO
2 gegenüber
den herkömmlichen Kältemitteln ein eintausendstel
kleineres, vernachlässigbares Treibhauspotential je kg auf.
-
Ein
Nachteil aller bestehenden Lösungen mit vertikal ins Erdreich
eingebrachten Wärmerohren besteht darin, dass ein erheblicher
Aufwand erforderlich ist, um die zur Aufnahme der Wärmerohre
vorgesehenen Bohrungen, die eine Tiefe bis zu 300 m haben können,
ins Erdreich einzubringen und dann die Wärmerohre in diese
Aufnahmebohrungen einzusetzen. Da die Wärmerohre bei zweiphasigen
Systemen erheb lichen Drücken (bis 60 bar) ausgesetzt sind,
müssen druckfeste Rohre eingesetzt werden. Die Verwendung
von herkömmlichen starren Stahlrohren ist vergleichsweise
kompliziert und teuer, da das Wärmerohr an der Baustelle
aus mehreren Einzelrohren zusammengeschweißt und einer
Qualitätskontrolle unterzogen werden muss.
-
In
dem deutschen Patent
DE 103
27 602 ist eine verbesserte Erdwärmesonde erläutert,
bei der ein gewelltes Wärmerohr in das Erdreich eingebracht wird
und CO
2 als Wärmeträger
verwendet wird.
-
Diese
Erdwärmesonde ist den eingangs beschriebenen Lösungen
sowohl hinsichtlich des vorrichtungstechnischen Aufwandes als auch
hinsichtlich des thermodynamischen Wirkungsgrades überlegen,
so dass großes Interesse an dieser Technologie besteht.
-
Der
Vorteil eines derartigen Wellrohrs besteht darin, dass dieses durch
seine größere Oberfläche außen
im Kontakt mit der Erde eine Rippenwirkung bewirkt, was zu einer
um etwa 25% größeren Austauschfläche
als bei einem herkömmlichen Glattrohr bei gleichem Innendurchmesser
führt. Mit anderen Worten gesagt, die Wärmeaustauschfläche
ist durch die Wellrohrprofilierung um ca. 25% größer
als bei einem Glattrohr mit gleichbleibenden Innen- und Außendurchmesser.
-
Beim
Einbau ist besonders darauf zu achten, dass das Erdreich vollflächig
am Außenumfang des Wärmerohrs anliegt, um eine
optimale Wärmeaustauschfläche zu erhalten. Mit
den bekannten Lösungen ist dies nicht immer möglich.
-
Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Erdwärmesonde
und ein Verfahren zum Einbringen einer Erdwärmesonde zu schaffen,
die zum Einen ein einfaches Einbringen in das Erdreich ermöglichen
und zum Anderen einen verbesserten Wirkungsgrad der Erdwärmesonde
gewährleisten.
-
Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der Erdwärmesonde durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die
Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 6 gelöst.
-
Erfindungsgemäß hat
die Erdwärmesonde ein als Wellrohr ausgeführtes
Wärmerohr, das mit einer vorbestimmten Vorspannung ins
Erdreich eingesetzt wird. Nach Verfestigung des das Wellrohr umgebenden
Materials ist dieses Wellrohr dann sozusagen eingespannt, so dass
auch bei Geometrieänderungen aufgrund von Temperaturunterschieden
und dergleichen eine flächige Anlage der Außenumfangswandung
an das benachbarte Material gewährleistet ist und somit
eine optimierte Wärmeaustauschfläche vorliegt.
Bei den herkömmlichen Lösungen konnte diese flächige
Anlage bei den unvermeidlichen Geometrieänderungen des
Wärmerohrs während des Betriebes nicht sichergestellt
werden.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Erdwärmesonde wird
es bevorzugt, wenn das Wärmerohr mittels einer Verfüllmasse
im Erdreich fixiert ist.
-
Das
Wärmerohr ist vorzugsweise wendelförmig ausgeführt,
wobei das Verhältnis vom Außendurchmesser zum
Innendurchmesser größer 1.1 ist. Die Wandstärke
des Wärmerohrs wird vorzugsweise so ausgelegt, dass das
Verhältnis vom Außendurchmesser zu Wandstärke
zwischen 50 und 100 ist.
-
Gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren wird das Wellrohr
zunächst in eine Bohrung eingesetzt und eine Verfüllmasse
eingefüllt. Vor dem Aushärten dieser Verfüllmasse
wird das Wärmerohr mit der Vorspannung beaufschlagt, so
dass nach dem Aushärten der Verfüllmasse das Wellrohr
mit dieser Vorspannung aufgenommen ist und somit eine flächige
Anlage der Verfüllmasse auch bei Geometrieänderungen
des Wellrohrs aufgrund von Temperaturunterschieden oder dergleichen
gewährleistet ist. Die Vorspannung des Wellrohrs erfolgt
beispielsweise durch Beaufschlagung mit einem Innendruck. Dieser Innendruck
kann beispielsweise durch Wasser aufgebracht werden.
-
Erfindungsgemäß wird
es bevorzugt, wenn mit der Vorspannung des Wellrohrs eine Verlängerung
der Axiallänge einhergeht. Diese Längenveränderung
wird durch das Abflachen der innenliegenden Wellenbereiche verursacht.
-
Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
-
Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
Darstellung mehrerer Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen
Erdwärmesonde,
-
2 eine
vergrößerte Darstellung einer Erdwärmesonde
aus 1 und
-
3 eine
Prinzipdarstellung eines Wellrohrs der Erdwärmesonde
-
In 1 sind
vier Ausführungsbeispiele eines Wärmerohres 2 einer
Erdwärmesonde 1 dargestellt, das in Vertikalrichtung
in eine ins Erdreich eingebrachte Bohrung 4 eingesetzt
wird. Die Länge des Wärmerohres 2 kann
beispielsweise etwa 70–90 m betragen und als Wärmeträger
wird vorzugsweise CO2 eingesetzt. Bei diesem
Wärmeträger können Betriebsdrücke
von bis zu 50 bar erreicht werden, so dass die Druckfestigkeit des
Wärmerohres 2 ein wesentliches Auslegungskriterium
ist. Eine weitere wesentliche Anforderung besteht darin, das Wärmerohr 2 mit
einer hinreichenden Korrosionsbeständigkeit gegenüber
dem Erdreich auszubilden. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird das Wärmerohr 2 aus Edelstahl hergestellt.
-
Das
in 1a) dargestellte Wärmerohr 2 ist als
Einzelrohr ausgebildet, das durch ein so genanntes Wellrohr gebildet
ist. Derartige Wellrohre werden – wie eingangs erwähnt – im
Anlagenbau beispielsweise als Kompensatoren verwendet. Bei diesen Wellrohren
ist die Außenumfangswandung wellenförmig (parallel
gewellt oder wendelgewellt) ausgeführt, so dass das Rohr
in Axialrichtung eine gewisse Flexibilität aufweist, die
ein Aufwickeln des Rohres ermöglicht. Durch diese flexible
Ausgestaltung des Wärmerohres 2 kann dieses auf
einer Trommel aufgerollt zur Baustelle gebracht und dort direkt
von der Trommel in die Bohrung 4 eingebracht werden. Gegenüber
den herkömmlicher Weise verwendeten starren Stahlrohren
hat diese Vorgehensweise den Vorteil, dass das kostenintensive Schweißen
und die Röntgenprüfung an der Baustelle entfallen,
so dass die Erdwärmesonde wesentlich schneller und mit
geringerem Aufwand in das Erdreich eingebracht werden kann.
-
2 zeigt
eine vergrößerte Prinzipdarstellung einer Erdwärmesonde 1 gemäß 1a). Das aufgewickelt angelieferte Wärmerohr 2 mit
einer Vielzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Wellen 6 (parallel
gewellt oder wendelgewellt) wird in die Bohrung 4 direkt
vom Wickel eingelassen, wobei das fußseitige Ende mit einem
Fußteil 8 verschlossen ist. Das Wärmerohr 2 wird
vorzugsweise mit einer Verfüllmasse 10 oder dergleichen
in der Bohrung 4 lagefixiert. Bei einer Bohrungstiefe im
Bereich von 70–100 m herrscht fußseitig eine Temperatur
von 10°C bis 13°C. Diese Temperatur reicht aus,
um das im Wärmerohr 2 mit einem Druck von bis
zu 50 bar aufgenommene CO2 zu verdampfen,
so dass der Dampf 12 in Pfeilrichtung etwa im Mittelbereich
des Wärmerohres 2 nach oben strömt. Diese
Heizzone mit einer konstanten Erdtemperatur erstreckt sich über
einen vergleichsweise großen Axialbereich des Wärmerohres 2.
-
An
diese Heizzone schließt sich eine sogenannte neutrale Zone
an, die üblicherweise in den oberen Schichten des Erdreiches
liegt. In dieser neutralen Zone ist der Wärmeaustausch
zwischen dem Erdreich und dem Wärmeträger gering.
Diese neutrale Zone und eine im folgenden noch näher beschriebene
Kühlzone müssen nicht zwangsweise an dem in 2 dargestellten
Wärmerohr 2 ausgebildet sein, sondern können
auch getrennt von diesem ausgeführt werden. Die neutrale
Zone geht zur Erdoberfläche hin in die Kühlzone über,
in der die Kondensation des CO2 durch Wärmeabgabe
an ein anderes Medium erfolgt. Dieses andere Medium kann bei indirekter Kühlung
eine frostsichere Lösung (Glykol und Wasser, Salzlösung
und Wasser) oder bei direkter Kühlung ein Kältemittel
einer Wärmepumpe sein, deren Verdampfer 16 thermodynamisch
an die Kühlzone gekoppelt ist. In diesem Verdampfer 16 wird
das Kältemittel durch die frei werdende Kondensationsenthalpie
des CO2 verdampft, wobei beide Wärmeträger
(Kältemittel des Wärmepumpenkreislaufes, CO2 der Erdwärmesonde) im wesentlichen
bei konstant bleibender Temperatur kondensieren bzw. verdampfen.
Das Kondensat 14 strömt als Film an der gewellten
Innenumfangswandung des Wärmerohres 2 nach unten
und gelangt von der Kühlzone zur neutralen Zone und dann
in die Heizzone, in der das Kondensat 14 dann wieder auf
die Verdampfungstemperatur aufgeheizt und verdampft wird. Anstelle
des vorbeschriebenen Wärmeaustausches über einen
Zwischenwärmetauscher 16 mit einem Kältemittel
einer Wärmepumpe ist es prinzipiell auch möglich,
die Erdwärmesonde ohne Zwischenwärmeaustauscher
direkt an den Kältemittelkreislauf anzuschließen.
Dabei müssen jedoch geeignete Maßnahmen getroffen werden,
die eine Verschmutzung des Wärmeträgers ausschließen.
So wäre beispielsweise ein ölfreier Betrieb des
Kältemittelkreislaufes zu bevorzugen.
-
Die
neutrale Zone und die Kühlzone können – wie
in 2 dargestellt – direkt am Wärmerohr 2 ausgeführt
sein. Für den Fall, dass die Wärmepumpe an einem
anderen Ort als die Erdwärmesonde 1 angeordnet
ist, wird die Kühlzone nicht in das Wärmerohr 2 integriert
sondern getrennt davon ausgeführt, wobei die neutrale Zone
oberirdisch als Verbindung zwischen Heiz- und Kühlzone
ausgeführt sein kann. In diesem Fall können die
neutrale Zone und die Kühlzone aus einem anderen geeigneten
druckfesten Material hergestellt sein.
-
Die
Länge, der Durchmesser und die Wandstärke des
Wärmerohres 2 hängen sehr stark von der Art
des verwendeten Wärmeträgers ab. Neben dem bevorzugten
Wärmeträger CO2 können
auch alle anderen geeigneten Arbeitsstoffe wie beispielsweise Ammoniak
oder Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden.
-
Zur
Erhöhung der Druckfestigkeit und als Schutz gegen mechanische
Beschädigung des Wärmerohres 2 kann dieses
mit einem Verstärkungs- oder Schutzmantel versehen werden.
-
Ein
wesentliches Auslegungskriterium bei derartigen Erdwärmesonden
ist die so genannte Flutgrenze. Diese Flutgrenze ist erreicht, wenn
der aufströmende Dampf 12 aufgrund der Schubspannungen
in der Phasengrenze zwischen dem Flüssigkeitsfilm 14 und
dem Dampf 12 das Abströmen der Flüssigkeit
aus der Kühlzone verhindert, so dass Flüssigkeit
in der Kühlzone angestaut wird. Zur Vermeidung dieses Flutens
sind die Entzugsleistung, die Länge und der Durchmesser
des Wärmerohres in Abhängigkeit vom verwendeten
Wärmeträger so aufeinander abzustimmen, dass die
maximal mögliche Gasgeschwindigkeit (Flutpunkt) nicht erreicht
wird. Vorversuche zeigten, dass die Wellstruktur des Wärmerohres 2 diese
Flutgrenze nicht oder nur geringfügig gegenüber
einem glatten Rohr absenkt. Überraschender Weise zeigte
es sich, dass die wellenförmige Struktur der Umfangswandung
des Wärmerohres 2 den Aufbau des Kondensatfilmes
nur in vernachlässigbarem Umfang stört und somit
keinen nachteiligen Einfluss auf den Wärmeaustausch hat.
Besonders gute Ergebnisse wurden mit Wellrohren erzielt, bei denen
die Wellen nicht in Umfangsrichtung (quer zur Längsachse
des Wärmerohres 2) sondern wendelförmig
verlaufen. Diese wendelförmige Wellenform begünstigt
möglicherweise das Strömen des Kondensats von
der Kühlzone hin zur Heizzone und in der Heizzone. Es zeigte
sich, dass eine Strähnenbildung im Kondensationsfilm bei
der spiralförmigen Wellung im vorgesehenen Betriebsbereich
verhindert werden kann.
-
In 1b) ist ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem anstelle eines einzigen Wärmerohres 2 ein
U-förmiges Wärmerohr in die Bohrung 4 eingesetzt
wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat das Wärmerohr 2 zwei
Parallelrohre 17, 18, die fußseitig durch
ein Fußteil 20 miteinander verbunden sind. Die beiden
Parallelrohre 17, 18 sind in der vorbeschriebenen
Weise ebenfalls wieder als Wellrohr ausgeführt. Dieser
U-förmige Aufbau ermöglicht es, bei gleicher oder
besserer Entzugsleistung geringere Rohrquerschnitte einzusetzen.
-
Bei
dem in 1c) dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Wärmerohr 2 ebenfalls U-förmig ausgeführt,
wobei diese Konstruktion einstückig aus einem einzigen
Wellrohr ausgeführt ist, das unter Berücksichtigung
des zulässigen Biegeradius fußseitig gebogen ist.
Ein derartiges Wärmerohr kann auch als Pumpensonde mit
einer Wärmeabfuhr nach unten hin zum Fuß betrieben
werden, wobei im Sommerbetrieb Wärme ans Erdreich abgegeben
wird.
-
Bei
dem in 1b) dargestellten Ausführungsbeispiel
werden die jeweils auf einer Trommel angelieferten Wellrohre 17, 18 vor
dem Einsetzen in die Bohrung mit dem Fußteil 20 versehen
und anschließend gleichzeitig in die Bohrung abgesenkt. Bei
dem in 1c) dargestellten Ausführungsbeispiel
wird das im aufgewickelten Zustand angelieferte Wellrohr abgewickelt,
mittig gebogen und in die Bohrung eingesetzt. Es ist auch möglich,
das U-Rohr vorgefertigt und zweistrangig aufgewickelt zur Bohrstelle
zu liefern.
-
1d) zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel,
bei dem das Wärmerohr 2 durch zwei koaxial angeordnete
Rohre 22, 24 ausgebildet ist. Diese sind jeweils
wieder als Wellrohr ausgeführt. Fußseitig ist
auf das außen liegende Rohr 22 mit größerem Durchmesser
ein Fußteil 20 aufgesetzt, der fußseitige
Endabschnitt des Innenrohres 24 bleibt offen. Bei dieser
Konstruktion strömt der Dampf 12 durch das Innenrohr 24 nach
oben hin zur Kühlzone, während der Kondensatfilm 14 sich
im Ringraum zwischen dem äußeren Rohr 22 und
dem inneren Rohr 24 ausbildet und nach unten von der Kühlzone
zur Heizzone strömt. Eine derartige Variante hat eine höhere
Flutgrenze als die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele,
da der direkte Kontakt zwischen Dampf und Kondensatfilm weitestgehend
verhindert ist.
-
Das
Innenrohr
24 kann im Prinzip aus allen flexiblen Rohrmaterialien
(Metalle, Kunststoffe) mit glatten oder gewellten Außenumfangswandungen ausgebildet
werden. Die erforderliche Druckfestigkeit muss nur vom Außenrohr
22 aufgebracht
werden. Das Innenrohr
24 kann mit einem geschlossenen Rohrmantel
oder als perforiertes Rohr gemäß dem deutschen
Gebrauchsmuster
DE
202 10 841.4 ausgeführt sein.
-
3 zeigt
eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Wärmerohrs 2, das vorzugsweise als Wellrohr mit
gewendelter Wandung ausgeführt ist. Bei Vorversuchen zeigte
es sich, dass die Wärmeaustauschfläche optimal
ist, wenn das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser
da zum Innendurchmesser di mehr
als 1.1 beträgt. Das Verhältnis des Außendurchmessers
da zur Wandstärke s sollte größer
10 gewählt werden.
-
Erfindungsgemäß wird
zunächst in das Erdreich eine Bohrung eingebracht und anschließend das
Wärmerohr 2 eingesetzt. Der Ringraum zwischen
der Innenumfangswandung der Bohrung und der Außenumfangswandung
des Wärmerohrs 2 wird dann mittels der Verfüllmasse 10 ausgefüllt.
Diese kann beispielsweise mit Zement gebunden sein, derartige Verfüllmassen
sind beispielsweise auch im Tunnelbau eingesetzt. Diese beim Aushärten
quellende Verfüllmasse wird im Hinblick auf die Druckfestigkeit
und die Wärmeleitfähigkeit optimiert, so dass die
Wärmeübertragung vom Wärmerohr zum Erdreich
entsprechend der Thermodynamik der Erdwärmesonde optimiert
ist.
-
Erfindungsgemäß wird
jedoch das Wärmerohr 3 nicht einfach in die Bohrung
eingelegt, sondern vor, während oder nach dem Einfüllen
der Verfüllmasse 10 mit einer Vorspannung beaufschlagt.
Diese Spannungsbeaufschlagung kann beispielsweise mittels eines
Innendrucks erfolgen. Dabei kann über eine Pumpe Wasser
in das Wärmerohr 2 gepumpt werden, bis sich im
Inneren ein Druck von beispielsweise 50 bar einstellt. Durch diese
Druckbeaufschlagung des Innenrohrs und aufgrund der Tatsache, dass
die Verfüllmasse 10 entweder noch nicht eingefüllt
ist oder noch nicht ausgehärtet ist, verformt sich das
Wärmerohr 2, wobei insbesondere die den Innendurchmesser
di bestimmenden Wellen abgeflacht werden,
so dass sich die Axiallänge L' gegenüber der ursprünglichen
Länge L (links in 3) erhöht.
Bei einer Gesamtlänge des Wärmerohrs (2)
von beispielsweise 200 m kann die Längenänderung
bis zu 3 m betragen. Durch diese Abflachung der innenliegenden Wellen
wird der Durchmesser di etwas größer – das
Wärmerohr 2 wird somit mit einer Vorspannung beaufschlagt.
Diese Vorspannung wird aufrechterhalten, bis die Verfüllmasse 10 ausgehärtet ist,
so dass das Wärmerohr 2 in dem in 3 rechts dargestellten
Zustand eingespannt ist. Durch diese Einspannung ist eine flächige
Anlage der Verfüllmasse 10 an der Außenumfangswandung
des Wärmerohrs 2 gewährleistet. Auch
während des Betriebs auftretende Termperaturänderungen
werden diese flächige Anlage nur unwesentlich beeinträchtigen. Aufgrund
der verbesserten Anlage wird die Wärmeaustauschfläche
gegenüber den herkömmlichen Lösungen
verbessert, so dass der thermodynamische Wirkungsgrad der Erdwärmesonde
wesentlich besser als bei herkömmlichen Lösungen
ist.
-
Bei
der Auslegung des Verfahrens ist darauf zu achten, dass der Zeitpunkt
der Spannungsbeaufschlagung des Wärmerohrs 2 und
des Aushärtens der Verfüllmasse 10 so
abgestimmt wird, dass nach dem Aushärten noch eine hinreichende
Vorspannung des Wärmerohrs 2 vorliegt.
-
Wie
bereits erwähnt, wird ein wendelförmig gewelltes
Wärmerohr 2 bevorzugt. Diese Konstruktion zeigt
folgende Vorteile:
- a) Durch eine Wendelwellung
findet bei Eintritt der Flüssigkeit durch das Rohr von
oben gleichzeitig eine Umfangsverteilung des Filmes statt, da dieser
durch die Wendelwirkung entlang dem Umfang geführt wird.
Entgegen einer Parallelwellung fließt hierbei der Film
nicht über die inneren Wellkuppen nach unten, sondern entlang
der Schraubenwellung. Hierdurch kann eine bessere Bedeckung gegenüber
dem Glattrohr durch den Film erfolgen, während beim Glattrohr
in Folge der Axialströmung des Filmes an der Wand dieser
nach einigen Durchmesserlängen in Strähnen aufreißt und
schließlich nur einen mittleren Bedeckungsgrad des Rohres
von ca. 33% der inneren Glattrohroberfläche erreicht. Durch
die geführte Strömung entlang der Wellung ist
es möglich, durch geeignete Profiloptimierung einen höheren
Bedeckungsgrad bei dem Wellrohr gegenüber dem Glattrohr
zu erreichen.
- b) Da die Filmgeschwindigkeit nicht wie beim Glattrohr axial-vertikal
nach unten gerichtet, sondern geneigt in Umfangrichtung verläuft,
verkleinert sich die Filmgeschwindigkeit und damit die Reynolds-Zahl,
so dass mit einem späteren Übergang von Laminar-
zu turbulenter Strömung gerechnet werden kann.
- c) Da die Strömung in der Wendelwellung schraubenlinig
verläuft, befindet sie sich vorwiegend hinter der Wellung
auf der von der Gasströmung abgewandten Seite, der sogenannten
Lee-Seite, dadurch ist die Filmströmung vor der axialen
Scherwirkung der Gasströmung stärker geschützt
als beim Glattrohr, wodurch bei geeigneter geometrischer Optimierung
eine Erhöhung der sogenannten Flutgeschwindigkeit folgen
kann.
Die Flutgeschwindigkeit ist eine der Betriebsgrenzen
für ein solches Wärmerohr, die dadurch entsteht,
dass durch eine axiale Scherwirkung der Gasströmung, die
nach oben gerichtet ist, am herunter fließenden Film auf
der Wand, die Scherwirkung dazu führen kann, dass der Film
nicht mehr weiter nach unten fließt. Wenn dessen Geschwindigkeit
in Folge dieser Scherwirkung der Gasströmung zu Null wird,
dann ist die sogenannte Flutgrenze des Rohres erreicht, d. h., das
Rohr fällt in seinem unteren Bereich trocken und kann dort keine
Wärme mehr durch Verdampfung übertragen. Eine
Wendelwellung wird im Gegensatz zu einer Parallelwellung diesen
Schutz des Flüssigkeitsfilmes vor der Gasströmung
bewirken und eine Mitnahme des Filmes durch die Gasströmung
nach oben erschweren.
-
In
dem Fall, in dem die Möglichkeit besteht, dass der Wärmeträger
mit Öl in Berührung kommt, ist innerhalb des flexiblen
Wärmerohres 2 ein Ölabscheider oder geeignete
Vorrichtungen zur Ölrückführung vorzusehen.
-
Es
ist auch vorstellbar, die erfindungsgemäße Erdwärmesonde
mit umlaufenden Wärmeträgern in einem Pumpenumlaufsystem
zu verwenden, so dass einphasige oder zweiphasige Zustände
im Wärmeträger erzeugt werden. In einem solchen
Fall ist auch eine Umkehrung der Transportrichtung der Wärme
denkbar, so dass beispielsweise im Sommerbetrieb Wärme
ins Erdreich zurückgespeist werden kann. Eine Kombination
zwischen Wärmerohrbetrieb und einem Umlaufbetrieb ist bei
geeigneter Ausführung der oberirdischen Anlage möglich.
-
Offenbart
sind eine Erdwärmesonde und ein Verfahren zum Einbringen
einer derartigen Erdwärmesonde. Diese hat ein Wärmerohr,
das mit einer Vorspannung ins Erdreich eingebracht ist.
-
- 1
- Erdwärmesonde
- 2
- Wärmerohr
- 4
- Bohrung
- 6
- Welle
- 8
- Fuß
- 10
- Verfüllmasse
- 12
- Dampf
- 14
- Kondensat
- 16
- Zwischenverdampfer
- 17
- Parallelrohr
- 18
- Parallelrohr
- 20
- Fußteil
- 22
- Innenrohr
- 24
- Außenrohr
-
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 4211576
A1 [0008]
- - DE 29824676 U1 [0009]
- - DE 10327602 [0011]
- - DE 20210841 U [0039]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - www.hakagerodur.ch [0007]