DE102009011092A1

DE102009011092A1 - Umweltwärme-Gewinnungssystem

Info

Publication number: DE102009011092A1
Application number: DE102009011092A
Authority: DE
Inventors: Hartwig Dr. Schwieger; Anette Schwieger
Original assignee: PIPER ERIK JOHN WILLIAM
Current assignee: PIPER ERIK JOHN WILLIAM
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2010-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Umweltwärme-Gewinnungssystem (UGS) zur Aufnahme und Nutzung von thermischer Energie aus der Umwelt mittels einer Wärmepumpe und einer zirkulierenden Soleflüssigkeit oder eines zirkulierenden Arbeits-/Kältemittels und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmegewinnungssonde (100) (kurz Sonde genannt) vorgesehen ist, die ein Außenrohr (1) aufweist, dessen eines Ende als geschlossene Sondenspitze (3) ausgebildet ist und in dem sich ein Innenrohr (4) befindet, das mit Abstand zum Außenrohr angeordnet ist und mit einem Ende mit Abstand zur Sondenspitze (3) endet, und dessen anderes Ende als Zulauf (10) ausgebildet ist, über den Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) oder direkt das Arbeits-/Kältemittel der Wärmepumpe über das Innenrohr (4) bis in die Sondenspitze (3) geführt wird, in der die Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) oder das Arbeits-/Kältemittel in den zwischen Innenraum und Außenraum gebildeten Ringspalt (9) umgelenkt wird, in dem die Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) oder das Arbeits-/Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus der Umgebung der Sonde (100) zurückfließt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Umweltwärme-Gewinnungssystem (nachfolgend UGS genannt) gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beim Einsatz moderner, meistens elektrisch betriebener Wärmepumpenanlagen werden heutzutage überwiegend oberflächennahe Erdkollektoren oder Luftkollektoren, vereinzelt auch Kollektoren zur Aufnahme von Wärme aus Gewässern oder Kollektoren bzw. Sonden in Tiefenbohrungen verwendet. Dabei wird die Umweltwärme aus dem Boden, der Luft oder dem Wasser unter Abkühlung der jeweiligen Umgebung, meistens mittels eines durch Rohrleitungen und den Kollektor umlaufenden Hilfskreislaufs, des sogenannten Solekreislaufs, aufgenommen und mittels der Wärmepumpe auf ein nutzungsgerechtes Niveau angehoben.
Für den privaten Wohnungsbereich sind heutzutage oberflächennahe Erdkollektorsysteme (sogenannte Flachkollektoren) oder Luftkollektorsysteme am weitesten verbreitet. Tiefenbohrungen bieten einen sehr guten Ertrag, benötigen aber hohe Installationskosten. Bei der Auswahl des Kollektors wird in der Regel abgewogen zwischen bautechnischem und finanziellem Aufwand und dem Ertrag der Wärmegewinnung.
Zwischen den Systemen „Flachkollektor” und „Luftkollektor” erzielt der Flachkollektor den höheren Ertrag im Jahresdurchschnitt, da er auch in kalten Wintern noch eine akzeptable Bodentemperatur von beispielsweise + 5°C nutzt, während ein Luftkollektor die Wärme dann aus einem Lufttemperaturniveau von oft erheblich unter 0°C aufnehmen muss. Unter –10°C sind die meisten Luft-Wärmepumpenanlagen nicht mehr wirtschaftlich.
Dagegen bietet der Luftkollektor an warmen Tagen in der Übergangs-Jahreszeit oder im Sommer zur Heißwassererwärmung Vorteile, immer dann, wenn der Boden kälter ist als die Luft.
Nachteil der effektiveren Erd-Flachkollektoren sind die erheblichen erforderlichen Baumaßnahmen im Außenbereich des Gebäudes; hier werden mehrere 100 m² Fläche beansprucht und durch das Einbringen von mehreren 100 Ifdm Rohrleitung (flexible Kunststoffleitung) in Mäanderform oder in spiralförmiger Anordnung in etwa 1 bis 2 m Tiefe durchpflügt. Es gibt auch flächig-mattenförmige Kollektorsysteme, die ähnliche Flächen beanspruchen. Solche großflächigen Erdbaumaßnahmen werden mit schwerem technischem Gerät durchgeführt und sind oft nur bei einer Neuanlage des Gartens vertretbar, sodass im Einzelfall doch auf die teurere Tiefenbohrung zurückgegriffen wird.
Die Größe der Flachkollektoren ist unter anderem durch die geringe Oberfläche der dünnen verwendeten Kunststoffrohre (typisch 15 bis 32 mm ∅) und die damit verbundene große erforderliche Länge bedingt. Ferner liegen die Kollektoren normalerweise in einer grundwasserfreien Tiefe, in der der Boden oft trocken ist, womit die Intensität der Wärmeaufnahme sinkt und die erforderliche Kollektorfläche steigt.
Elektrisch betriebene Wärmepumpen arbeiten in der Regel in einem weitgehend kontinuierlichen Dauerbetriebszustand, da eine stoßweise hohe Wärmeleistung mit einer schlechteren Wärmeübertragung im Kollektor und einer damit verbundenen schlechteren Effektivität der Anlage verbunden wäre. Neuartige, hocheffektive und zum Patent angemeldete Wärmepumpensysteme des Anmelders benötigen die Wärmeleistung aber gerade stoßweise, sodass ein besonders hoher Aufwand für ein Kollektorsystem zu treiben ist.
Das Wärmegewinnungssystem mit den erfindungsgemäßen Merkmalen soll die Vielzahl der spezifischen Nachteile der bekannten Systeme durch eine Kombination unterschiedlicher hoch-innovativer Einzellösungen zu einem effektiven Gesamtsystem gezielt eliminieren. Insbesondere sind dies die deutliche Minimierung der erforderlichen Kollektor-Rohrleitungslänge durch die Verwendung neuartiger koaxialer, intern isolierter Bodensonden im oberflächennahen Bodenbereich deutliche Minimierung des Bauaufwandes und des Maschineneinsatzes durch vorzugsweise einfaches „Einspülen” der Sonden in z. B. sandigen Böden, ohne großflächiges Aufgraben deutliche Minimierung der Sondenlänge und -Anzahl durch Erreichung oberflächennaher, gut wärmeleitender Grundwasserschichten bis z. B. 10 m Tiefe mit der Sonde und größere Sondendurchmesser vereinfachte Montage und Inbetriebnahme des Kollektor/Sondensystems durch neuartige Sammelverteiler-Organe und geringe Erdbaumaßnahmen Kombination eines Erd- und eines Luftkollektors und der individuellen Vorteile beider Systeme, insbesondere Minimierung der erforderlichen Sondenlänge und Luftkollektorfläche Kombination des Kollektorsystems mit einem Sole-Pufferspeicher zur Endkopplung des Kollektorsystems von einem stoßweise anfallenden Wärmebedarf einer beispielsweise diskontinuierlich arbeitenden Wärmepumpe Bereitstellung eines Systems mit insgesamt sehr geringem Flächenbedarf im Garten, geringem Bauaufwand und damit verbundenen geringen Kosten.
Das Wärmegewinnungssystem besteht erfindungsgemäß in der maximal ausgestalteten Version aus einer Anzahl von vorzugsweise zentral eingespülten Erdwärmesonden mit koaxialem, intern isoliertem Aufbau, einem montagefreundlichen Verteilungs- bzw. Anschlusssystem zur Zusammenführung der Einzelsonden, einem zusätzlichen Luftkollektor zur Aufnahme von Wärme aus der Luft, einem zusätzlichen Soleflüssigkeits-Pufferspeicher zur Abpufferung von Leistungsspitzen, einer zusätzlichen Umwälzpumpe und einer thermostatischen Steuerung des Systems.
Die Systemkomponenten sollen nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen Bilder 1–8 weiter erklärt werden:
Ausgestaltung und Funktionsweise der Einzelsonde
Die Erdwärmesonde 100 besteht aus einer weitgehend koaxialen, ineinander liegenden Anordnung zweier vorzugsweise elastischer Rohre. Die Haupt-Bauteile sind ein Außenrohr (1), ein Innenrohr (4) und ein Isolationselement oder Isolationsrohr (5). Ggf. kann auch ein gesondert ausgeführtes Endrohr (2) an der Sondenspitze (3) existieren.
Zwei erfindungsgemäße Bauformen zeigen Bild 1 und 2. Die Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) tritt am Zulauf (10) in das Innenrohr (4) ein und wird weitgehend koaxial zum Außenrohr (1) der Sonde in die am Ende geschlossene Sondenspitze (3) geleitet. Von hier aus wird sie im Ringspalt (9) zwischen dem Außenrohr, bzw. Endrohr (2) und dem Innenrohr (4) wieder zurückgeführt, wobei sie durch den Wärmeübergang im Außen- und Endrohr die Wärme des umgebenden Mediums aufnimmt. Die angewärmte Trägerflüssigkeit tritt am Rücklauf (11) der Sonde aus, von wo aus sie der Nutzung zugeführt wird. Die Sonde kann anstatt in das Erdreich auch in ein Gewässer eingeführt sein.
Um eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit an der außenliegenden Oberfläche des Ringspalts 9 zu realisieren, sind Zentrierelemente (13) vorgesehen, die mit Schlitzen, Öffnungen oder Bohrungen versehen sind um die Trägerflüssigkeit hindurch fließen zu lassen (Bild 3 u. 4). Diese Abstand – haltende Zentrierfunktion kann aber auch durch eine besondere Struktur oder Ausbildung der Oberfläche des Innen- oder Außenrohres realisiert sein, z. B. innen oder außen profilierte oder genoppte Rohre. Im einfachsten Falle kann ganz auf eine Zentrierung verzichtet werden.
Das Endrohr (2) der Sonde, eventuell auch die komplette Sonde kann aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff, vorzugsweise korrosionsbeständigem Metall (Edelstahl, Aluminium, Kupfer, ...) bestehen um einen guten Wärmeübergang zu erzielen. Der Durchmesser kann auch anders als hier dargestellt einen größeren Durchmesser aufweisen als das Außenrohr, um die Wärmeaufnahme weiter zu verbessern.
Die Wärmeaufnahme ist besonders effektiv, wenn das Endrohr sich direkt im Grundwasser befindet, welches permanent große Wärmemengen liefern kann. Alternativ genügt aber auch ein direktes Weiterführen des Außenrohres (1) bis zur Spitze der Sonde (100). Hier ist das Außenrohr verschlossen. Das (metallene) Endrohr (2) entfällt bei dieser Bauform gemäß der Alternativlösung in Bild 2.
Damit die angewärmte Flüssigkeit im Außenrohr (1) die Wärme nicht wieder an den kalten Zulauf im Innenrohr (4) abgibt (thermischer Kurzschluss), ist das Innenrohr (4) erfindungsgemäß zumindest teilweise, vorzugsweise in einem längeren, zulaufnahen Bereich in einer Bauform mit guter thermischer Isolation (5) ausgeführt. Diese Isolation kann folgendermaßen gestaltet sein:
durch Verwendung eines relativ dickwandigen Materials des Innenrohres (4) mit guten Wärme-Isolationseigenschaften
durch Umhüllung des Innenrohres (4) mit einem Material mit guten Isolationseigenschaften vorzugsweise jedoch durch einen mehrwandigen Aufbau mittels einem/mehrerer zusätzlicher Isolationsrohre (5) und oder einem/mehrerer isolierenden Spalte (7), der/die mit einem Isolierenden Material, vorzugsweise einem Gas befüllt ist/sind, wobei eine berührungsfreie Zentrierung zwischen den isolierten Rohren durch Distanzelemente oder -Ringe (6) sichergestellt wird.
Die verschiedenen Rohre (Schläuche) des Systems bestehen mit Ausnahme des Endrohres vorzugsweise aus langlebigen, flexiblen Kunststoffen wie PE, PU, PA ..., die das Führen der Sonde um Kurven ermöglichen. Der Außendurchmesser der Sonde ist vorzugsweise größer als der Durchmesser von konventionellen Kunststoffrohren für Flachkollektoren, die mit etwa 250 ... 800 laufenden Metern Länge pro Einfamilienhaus die Erdwärme aufnehmen. Durch den größeren Durchmesser, den damit verbundenen besseren Wärmeübergang und die effektivere Wärmeaufnahme im Grundwasserbereich wird eine deutliche Verminderung der erforderlichen Gesamtlänge aller Sonden auf nur noch 30 ... 250 Meter pro Gebäude erreicht.
Das System aus Innen- (4), Außen- (1) und Isolationsrohr (5), einschließlich der Distanzelemente kann zu einem, vorzugsweise im Stranggussverfahren hergestellten, Verbundprofil aus Kunststoff oder Metall zusammengefasst sein (Bild 5), wobei dünne Stege den Abstand der ineinander liegenden Rohrprofile zueinander herstellen.
Die einzelne Sonde (100) ist an Ihrem gesamten Außenumfang und auch im Zulauf/Rücklauf-Bereich vorzugsweise ohne größere Verdickungen oder stark aufbauende Verschraubungen oder Anschlüsse ausgeführt, damit sie zum Einbringen in das Erdreich in einem weiteren Rohr, dem Spülrohr (zeichnerisch nicht dargestellt) Platz findet. Erfindungsgemäß sollen die Einzelsonden mittels dieses Spülrohres und eines zusätzlich in das Spülrohr eingebrachten Druckwasserstromes in das Erdreich eingespült werden. Dies vorzugsweise im oberflächennahen Bereich und bei leichtem Boden erfindungsgemäß mit einer einfachen, im Gartenbrunnenbau üblichen Spülpumpe, ohne schweres Bohr- oder Spülgerät.
Beim Spülvorgang wird zunächst das Spülrohr mit oder ohne Sonde mittels Druckwasser in das Erdreich eingespült, dann wird die Sonde auf die gewünschte Länge/Tiefe eingeschoben. Anschließend wird das Spülrohr ggf. unter permanenter Spülung langsam wieder herausgezogen, wobei das Spülwasser die Sonde im Boden einbettet/einspült und fixiert, um einen guten Wärmeübergang zu realisieren. Andere aufwendigere oder ähnliche Spülverfahren sind, ähnlich wie im Brunnenbau bekannt, möglich.
Die Sonden werden vorzugsweise im Bereich des oberflächennahen Grundwassers bis ca. 20 m Tiefe eingesetzt, um den hohen Bohr- und/oder Spülaufwand von Tiefenbohrungen zu vermeiden, aber den guten Wärmetransport und -Übergang im Grundwasser zu nutzen.
Alternative Bauform und Ausführung der Sonden
Bei entsprechender Wahl von Rohrmaterialien kann auch der Kreislauf des Arbeitsmittels (Kältemittels) der Wärmepumpe direkt durch die koaxialen Erdsonden geführt werden. Ein Wärmetauscher zwischen dem Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe und dem Kreislauf der Trägerflüssigkeit (Wasser-Glykol) kann hierbei entfallen.
Der weitgehend koaxiale Aufbau der Sonde bietet thermodynamische, insbesondere isolatorische Vorteile. Alternative, ähnliche Bauformen sind aber denkbar, bei denen die Trägerflüssigkeit in mehreren Rohren oder in nicht exakt koaxialer Lage in die Sondenspitze und zurück geführt wird. Die Qualität des erfundenen koaxialen Systems können solche „Nachbaulösungen nicht erreichen.
Funktion und Ausbildung des Sondensystems mit einem Sammelverteiler:
Mehrere Einzelsonden werden erfindungsgemäß zu einem effektiven, ökonomischen und montagefreundlichen Gesamtsystem zusammengeführt, welches wenig bauliche Maßnahmen an der Erdoberfläche erfordert und vorzugsweise von einer Person mit einer entsprechenden Spülpumpe ohne schwere Hilfsmittel und Maschinen eingebaut und in Betrieb genommen werden kann.
Aufgrund der engeren Querschnitte zur Führung der Wärmeträgerflüssigkeit einer Einzelsonde gegenüber einem typischen konventionellen Flachkollektor-Rohrsystem, wird erfindungsgemäß eine Parallelschaltung einer Anzahl von Einzelsonden (100) bevorzugt. Hierzu wird mindestens ein Sammelverteiler (30) nach Bild 6a, 6b oder Bild 7 vorgesehen, der die Zuläufe und Rückläufe (10 und 11) mehrerer Sonden (100) thermisch isoliert sammelt bzw. vereinzelt, um sie von hier als zentralen Hauptzulauf (20) und -Rücklauf (21) an das Gebäude und/oder die Wärmepumpe oder in ein erfindungsgemäßes Luftkollektor-Pufferspeicher-System führen zu können.
Die Bauform nach Bild 6a, 6b besteht aus einer konzentrischen Anordnung zweier voneinander isolierter Hohlräume (22) und (23) mit Anschlüssen für den Hauptzulauf (20) und -Rücklauf (21). Der Sammelverteiler ist mit Sondenanschlüssen (14) oder Verschraubungen zur Montage und Abdichtung (Dichtungssystem Außen (15)) einer definierten Anzahl von Sonden ausgestattet. Weitere Abdichtungen, z. B. mittels O-Ringen (Dichtungssystem Innen (19)) befinden sich zwischen dem Innengehäuse und den eingeführten Sonden. Bei geringer erforderlicher Anzahl von Sonden werden Blindstopfen verwendet, die im Innen- und Außengehäuse dichten.
Die konzentrische Bauform des Sammelverteilers (30) wird bevorzugt, da sie eine sehr kompakte Anordnung und Zusammenführung der Einzelsonden ermöglicht, wobei nur geringe thermische Kurzschlüsse zwischen Vor- und Rücklauf erreichbar sind. Dies wird durch die kleinen Berührungsflächen zwischen Bereichen unterschiedlicher Temperatur und einen zusätzlichen Isolator (18) zwischen der Sammelkammer des Vorlaufs (22) und der des Rücklaufs (23) erreicht.
Die konzentrische Bauweise mit sternförmiger Anordnung der Einzelsonden gewährleistet auch eine gleichmäßige, strömungsdynamisch identische Führung der Trägerflüssigkeit in und aus jeder Einzelsonde. Dadurch wird sichergestellt, dass jede Sonde mit einem gleich großen Durchfluss beaufschlagt wird, der Gesamtstrom der Trägerflüssigkeit wird damit gleichmäßig auf alle Sonden aufgeteilt.
Alternativ sind auch lineare Bauformen nach Bild 7 als Sammelverteiler (30) für die koaxialen Bodensonden möglich, die im Einzelfall Vorzüge in der Montage bei unterschiedlichen räumlichen Gegebenheiten haben können. Die dargestellte lineare Bauform kann alternativ auch derart ausgeführt werden, dass die Sonden von zwei oder mehreren, z. B. gegenüberliegenden Seiten in das Gehäuse eines Sammelverteilers eingeführt werden.
Nicht dargestellt in den Bildern ist eine erfindungsgemäße Bauform von Sammelverteilern, die mit integrierten Absperrhähnen, beispielsweise durch konische, in die Sondenenden eindrehbare Verschlusselemente oder Kugelhahn-ähnliche Verschlüsse zum Absperren der Einzelsonden ausgestattet ist. Diese Absperr-Verschlüsse erleichtern die Entlüftung des Gesamtsystems, indem einzelne Sonden gezielt und der Reihe nach bespült werden können, bis keine Luftblasen mehr enthalten sind.
Innerhalb des Bodens werden die flexiblen Sonden großflächig, vorzugsweise sternförmig vom Sammelverteiler aus auseinander geführt. Richtung und Tiefe der Sondenführung kann der Bauart des Sammelverteilers und den räumlichen- und Bodengegebenheiten angepasst werden. Eine großflächige Zerstörung der Geländeoberfläche wie bei herkömmlichen Kollektorsystemen ist nicht erforderlich.
Nicht benutzte Anschlüsse am Sammelverteiler lassen sich durch ein einfaches Verschlusselement außer Betrieb setzen.
Die Sammelverteiler können wahlweise in den Bodenkörper oder in einen Schacht oder oberirdisch in einem Gehäuse oder in die nachfolgend dargestellte, erfindungsgemäße Luftkollektor- und/oder Pufferspeicher-Konstruktion eingebaut sein, wobei eine Schacht- oder oberirdische Anordnung im Sinne einer einfachen Inbetriebnahme, Entlüftung und Wartung bevorzugt wird.
Merkmale und Vorteile des koaxialen Erdwärme-Sondensystems mit Sammelverteiler
Die Kaltwasserströme werden großflächig im Boden verteilt, die kältesten Bereiche, also die Bereiche größter Wärmeaufnahme befinden sich dezentral an den Sondenspitzen, tief im Erdreich. Dadurch findet keine punktuelle Auskühlung (Vereisung) des Bodens wie im Bereich des Zulaufs herkömmlicher Systeme statt; somit auch keine Beeinträchtigung des Bewuchses
Die Strömungswiderstände des Gesamtsystems sind gering aufgrund der vielen parallel angeordneten Einzelsonden Dadurch ist eine nur geringe Leistung der Sole-Umwälzpumpe erforderlich.
Bei vertikal oder schräg verlegten Sonden ergibt sich eine Eigenzirkulation der Trägerflüssigkeit durch die Wärmeaufnahme im Außenrohr (Aufstieg), hierdurch wird die Umwälzpumpe unterstützt.
Es sind nur geringe erdbauliche Maßnahmen für das Einspülen der Einzelsonden erforderlich; der Garten bleibt weitgehend unversehrt; dies ist besonders wichtig bei Altbauten mit vorhandenen Gartenanlagen.
Sonden können in verschiedenen Richtungen horizontal, vertikal oder diagonal eingespült werden, dadurch ist eine sehr gute Verteilung in die Flä che und in die Tiefe möglich; einfache Anpassungen an die räumlichen Gegebenheiten sind möglich.
In vielen Fällen kann das Grundwasser erreicht werden, was mit den Flachkollektoren normalerweise nicht möglich ist; dadurch existiert eine sehr effektive Wärmeaufnahme; die Anzahl und Länge der Sonden wird damit weiter minimiert, der Raumbedarf im Garten ist gering
Eine weiter verbesserte Wärmeaufnahme, ist insbesondere bei Versionen mit Metallendrohr im Grundwasser gegeben, dadurch sind besonders wenige laufende Meter Sonden erforderlich.
Durch die parallele Anordnung von mehreren Sonden mit jeweils kleinen Einzelquerschnitten und die geringe erforderliche Länge aller Sonden ergibt sich eine geringere Füllmenge der Soleflüssigkeit (z. B. Glykol-Wassergemisch); hieraus resultiert ein Umweltvorteil bei möglicher Undichtigkeit und ein ökonomischer Vorteil.
Eine einfache Installation des Systems, insbesondere der Sonden ist durch das Einspülen, ohne schwere Erdbaumaschinen gegeben
Durch vorgefertigte, schnelle Verschraubungsmöglichkeit am Sammelverteiler kann eine schnelle, sichere Verrohrung erfolgen; lediglich der Sammelverteiler und die Zuleitungen werden verlegt.
Die thermische Leistungsfähigkeit des Kollektor-Systems ist leicht variierbar, auch durch später nachrüstbare Einzelsonden.
Mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen Absperrhähne lässt sich das System bedienerfreundlich und schnell entlüften.
Es ist möglich, verschiedene Sonden in verschiedenen Tiefen jahreszeitlich unterschiedlich über ein Ventil zu schalten, um hohe Vorlauftempera turen für die Wärmepumpe zu erreichen. Dieses Ventil kann in den Sammelverteiler integriert sein und manuell oder ferngesteuert zu betätigen sein.
Einzelsonden lassen sich leicht wieder aus dem Boden demontieren (herausziehen).
Alternativ kann ein Luftkollektorsystem über ein Umschaltventil vor allem im Frühjahr und Sommer als „Nachbrenner” fungieren.
Luftkollektor-Speicherstation
Erfindungsgemäß besteht das Umweltwärme-Gewinnungssystem, das schematisch im Bild 8 dargestellt ist, nicht nur aus einer Anzahl von koaxialen Sonden (48) und einem Sammelverteiler (30), sondern ist in seiner vollen Ausgestaltung durch eine vorzugsweise oberirdisch angeordnete Baugruppe ergänzt, in der mindestens ein zusätzlicher Luftkollektor (41) oder ein Sole-Pufferspeicher (43) angeordnet ist. Der Sinn des Luftkollektors (41) (Sole-Luft-Wärmetauscher) ist es, zu Zeiten in denen eine höhere Außenlufttemperatur herrscht, als die Bodentemperaturen, also vorzugsweise bei wärmerem Wetter während der Übergangsjahreszeit sowie im Sommer bei der Heißwassererwärmung mittels einer Wärmepumpe, einen zusätzlichen Wärme-Ertrag zu erreichen, um den Erdkollektor dementsprechend kleiner und damit preiswerter dimensionieren zu können.
Der erfindungsgemäße, zusätzliche Sole-Pufferspeicher (43) soll in Verbindung mit einer Umwälzpumpe (49) eine kontinuierliche, langandauernde Wärmeaufnahme aus einem Erdkollektorsystem und/oder einem Luftkollektor (41) gewährleisten, auch wenn die eigentliche Wärmepumpenanlage nicht aktiv ist. Im Speicher wird damit eine stoßweise hohe Wärmeleistung für die Wärmepumpe verfügbar gemacht, die ein normal dimensioniertes Kollektorsystem nicht abgeben könnte. Solch eine Eigenschaft ist bei herkömmlichen, elektrisch betriebenen Wärmepumpen, die vorrangig im Dauerbetrieb laufen, nicht erforderlich, bietet aber Vorteile bei neuartigen, vom gleichen Anmelder erfundenen und zum Patent angemeldeten Speicher-Wärmepumpen mit verbrennungsmotorischem oder Windkraft-betriebenem Antrieb.
Vorzugsweise in Verbindung mit einer temperaturgeführten Steuerung (53) eines oder mehrerer elektrisch oder direkt thermostatisch gesteuerten Ventile (46) oder Pumpen (49) und ggf. mit einem zusätzlichen Lüfter (42) soll das Luftkollektor-Speichersystem in Ergänzung zu einem herkömmlichen Erdkollektor oder insbesondere dem erfindungsgemäßen Sonden-System folgende Leistungen bzw. Funktionen erbringen:

– Den Soleflüssigkeits-Kreislauf nach dem höheren Temperaturniveau selektiert in die unterschiedlichen Kollektortypen (41, 48) ein- oder ausleiten.
– Die Wärmeleistung beider Kollektorsysteme addieren, solange ein Ertrag aus beiden erzielbar ist. Hierzu ist der Luftkollektor in der Regel im Vorlauf des Erdkollektors angeordnet, um eine erste Vorerwärmung der z. B. –10° kalten, von der Wärmepumpe kommenden Sole, zu erreichen.
– Die Wärmeleistung eines der beiden Kollektoren (41, 48) selektieren, solange nur ein Kollektor einen akzeptablen Ertrag gewährleistet.
– Eine sehr kleine und damit montagefreundliche und günstige Dimensionierung des Erdkollektors, auch auf begrenzten Gartenflächen ermöglichen.
– Die langfristige thermische Überlastung des Bodens, d. h. das Einfrieren des Bodens um den Kollektor herum verhindern, indem der Luftkollektor (41) zeitweise „Luftwärme” in den Boden einspeist, insbesondere zu Zeiten an denen diese nicht anderweitig von der Wärmepumpe genutzt wird.
– Einen vorzugsweise wärmeisolierten Soleflüssigkeits-Pufferspeicher (43) für eine stoßweise hohe Wärmeentnahme durch eine Wärmepumpe bereitstellen, wobei die Kollektoren mittels einer unabhängigen, von einer Steuerung (53) kontrollierten Umwälzpumpe (49) in einem günstigen Dauerbetriebszustand mit geringer Wärmeentzugsleistung aus dem Boden und der Luft verbleiben.

Die Baugruppen Luftkollektor (41), Sole-Pufferspeicher (43), Umwälzpumpe (49), thermostatische Steuerung mit Ventilen (46 und ggf. weitere Umwälzpumpen, sowie eine automatische Kollektor-Entlüftungseinrichtung sind erfindungsgemäß in einem fertig montierten Gehäuse (40) zusammengefasst, in welches vorzugsweise auch das erfindungsgemäße, vormontierte Sammelverteilersystem (30) der Sonden mit allen Anschluss-Montage- und Entlüftungsfunktionen integriert ist. Damit entsteht eine äußerst montagefreundliche, kompakte Wärmegewinnungsstation, die bereits alle erforderlichen Anschlüsse für eine nur noch geringe erforderliche Anzahl von (Erd-) Sonden, sowie alle Erfordernisse für die schnelle Inbetriebnahme (Befüllung, Entlüftung) bereithält.
Um die Gefahr eines Herausziehens aus ihrer Einbaulage im Laufe des Betriebs – auch über viele Jahre – zu vermeiden, sind die Sonden (48) am Sammelverteiler (47) mit einer Zugentlastung versehen.

Erdwärmesonde:

1: Außenrohr
2: Endrohr
3: Sondenspitze
4: Innenrohr
5: Isolationselement(-Rohr)
6: Distanzelement/-ring
7: Isolations-Ringspalt
8: Abdichtung
9: Ringspalt
10: Zulauf
11: Rücklauf
12: Dichtungselement
13: Zentrierelement

Sammelverteiler-System:

14: Sondenanschluss
15: Dichtungssystem Außen
16: Außengehäuse
17: Innengehäuse
18: Isolator
19: Dichtungssystem Innen
20: Hauptzulauf
21: Hauptrücklauf
22: Sammelkammer-Zulauf
23: Sammelkammer-Rücklauf
30: Sammelverteiler (komplette Baugruppe)

Luftkollektor-Speicherstation:

40: Gehäuse
41: Luftkollektor (Sole-Luft-Wärmetauscher)
42: Ventilator/Lüfter
43: Sole-Pufferspeicher
44: Wärmeisolation
45: Druckausgleichsgefäß
46: Ventil/Thermostat
47: Sammelverteiler
48: Sonden
49: Pumpe
50: Rohrleitungen
51: Zulauf von der Wärmepumpe
52: Rücklauf zur Wärmepumpe
53: Steuerung
54: Boden/Erdreich

Claims

Umweltwärme-Gewinnungssystem (UGS) zur Aufnahme und Nutzung von thermischer Energie aus der Umwelt mittels einer Wärmepumpe und einer zirkulierenden Soleflüssigkeit oder eines zirkulierenden Arbeits-/Kältemittels, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmegewinnungssonde (100) (kurz Sonde genannt) vorgesehen ist, die ein Außenrohr (1) aufweist, dessen eines Ende als geschlossene Sondenspitze (3) ausgebildet ist und in dem sich ein Innenrohr (4) befindet, das mit Abstand zum Außenrohr angeordnet ist und mit einem Ende mit Abstand zur Sondenspitze (3) endet und dessen anderes Ende als Zulauf (10) ausgebildet ist, über den Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) oder direkt das Arbeits-/Kältemittel der Wärmepumpe über das Innenrohr (4) bis in die Sondenspitze (3) geführt wird, in der die Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) oder das Arbeits-/Kältemittel in den zwischen Innenraum und Außenraum gebildeten Ringspalt (9) umgelenkt wird, in dem die Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) oder das Arbeits-/Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus der Umgebung der Sonde (100) zurückfließt.
UGS nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (4) zumindest in vorbestimmbaren Abschnitten (5) gegenüber der Wärmeträgerflüssigkeit oder dem Arbeits-/Kältemittel thermisch isoliert ist.
UGS nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolation durch eine vorbestimmbare Wandstärke oder wärmeisolierende Materialspezifikation des Innenrohres (4) erreicht wird.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation durch ein zusätzliches, um das Innenrohr (4) angeordnetes Isolationsrohr (5) mit zusätzlichen Isolationseigenschaften gebildet ist.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein das Innenrohr (4) mit Abstand umschließendes Isolationsrohr (5) vorgesehen ist, derart, das zwischen dem Innenrohr (4) und dem Isolationsrohr (5) wenigstens einen Ringspalt (9) gebildet ist, der vorzugsweise mit einer Zwischenfüllung aus isolierendem Material, vorzugsweise einem Dämmmaterial oder Gas ausgefüllt ist.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenspitze (3) oder ein am Ende des Außenrohres (1) angebrachtes Endrohr (2) der Sonde (100) und/oder ein Teil des Außenrohres (1) aus einem Material mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Metall, besteht zur Erhöhung der Wärmeaufnahme.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Innenrohr (4), Außenrohr (1) und Isolationsrohr (5) bestehende Sonde (100) ein Verbundprofil bildet, welches Kanäle und Hohlräume für den Fluss der Sole zur Sondenspitze (3) hin und zurück, sowie für die thermische Isolation aufweist.
UGS nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundprofil im Stranggußverfahren aus Metall und/oder Kunststoff hergestellt ist.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (100) eine schlanke, von der Anschlusssei te (Zulauf 10) zugängliche Bauform aufweist., die zum Einspülen der Sonde in den Boden ausgebildet ist.
UGS nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (100) mittels einer Spülpumpe in den Boden einspülbar ist.
UGS nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Spühlpumpe ein Spülrohr eingesetzt wird.
UGS-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt einer koaxialen Führung der Wärmeträgerflüssigkeit durch die Sonde (100) eine exzentrische oder asymmetrische Führung der Wärmeträgerflüssigkeit durch wenigstens ein, wenigstens teilweise isoliert angeordnetes Einzelrohr vorgesehen ist, wobei die Wärmeträgerflüssigkeit innerhalb der Sonde zu der Sondenspitze (3) hin und wieder zurück geleitet wird.
UGS nacheinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sammelverteiler (30), bestehend aus mindestens einem Außengehäuse (16), einem Innengehäuse (17), mehreren Sondenanschlüssen (14), einem Hauptzulauf (20), einem Hauptrücklauf (21) und Sammelkammern (22, 23) für die zufließende und rückfließende Sole vorgesehen ist, mittels dem mehrere Sonden zusammenführbar sind zur Bündelung ihrer Zulauf- und Rücklaufströme (10 und 11).
UGS nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (17) mit dem Außengehäuse (16) zu einem Bauteil vereint ist
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelverteiler (30) direkt im Boden oder in einem im Boden ausgebildeten Schacht oder oberhalb des Bodens oder in einem oberhalb des Bodens vorgesehenen Gehäuse angeordnet ist.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der Sammelverteiler (30) eine vorwiegend konzentrische oder linear bauende, einseitig oder mehrseitig mit Sonden bestückbare Bauform aufweist.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Isolation (18) zwischen den Bereichen unterschiedlicher Temperatur im Sammelverteiler (30) vorgesehen ist.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse oder Verschraubungen mit Dichtungselementen, als Sondenanschlüsse (14) für die Sonden (100, 48) am Sammelverteiler (30) vorgesehen sind, um ein schnelles Montieren und Eindichten der Sonden am Sammelverteiler (30) zu ermöglichen.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Blindstopfen zum Verschluss von nicht genutzten Sondenanschlüssen (14) vorgesehen sind.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzeln betätigbare Absperrhähne oder -elemente, wie Verschlusshähne oder Kugelhähne oder Schieber zum Absperren der einzelnen Sonden im Sammelverteiler (30) vorgesehen oder integriert sind.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein externes oder in den Sammelverteiler integriertes Ventil mit manueller oder elektrischer Betätigung zur Zuschaltung verschiedener oder unterschiedlich positionierter Sonden vorgesehen ist.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftkollektor (41) in Ergänzung zu einem Erdwärme-Kollektor- oder Sondensystem vorgesehen ist.
UGS nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkollektor (41) ein Sole-Luft-Wärmetauscher ist.
UGS nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkollektor (41) mit einem vorzugsweise elektrisch betriebenen Lüfter (42) ausgerüstet ist.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sole-Pufferspeicher (43) in Ergänzung zu einem Erdwärme-Kollektor- oder Sondensystem oder einem Luftkollektor (41) und in funktionalem Zusammenhang mit den Kollektoren/Sonden stehend vorgesehen ist.
UGS nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Sole-Pufferspeicher (43) eine wärmedämmende Isolation (44) aufweist.
UGS nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferspeicher (43) oder der Luftkollektor (41) oder das gesamte Wärmepumpensystem mit einer oder mehreren Sole-Umwälzpumpen (49) ausgerüstet ist, die einen Betrieb des Solekreislaufs unabhängig von der Wärmepumpenanlage oder ein individuelles Umwälzen von Sonden- und/oder Luftkollektoren ermöglichen, insbesondere soweit wie dies nicht von der Umwälzpumpe der Wärmepumpe möglich ist.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferspeicher (43) bzw. der Solekreislauf mit einem internen oder externen Druckausgleichsgefäß (45) ausgerüstet ist.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (46) oder ein Thermostat (46) oder eine oder mehrere getrennt schaltbare Pumpen (49) vorgesehen sind, die eine manuelle oder temperaturabhängige Zu- und Abschaltung des Sonden- (48) bzw. Erd-Kollektor-Kreislaufs und/oder des Luftkollektor-Kreislaufs ermöglichen.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (46) und/oder die Sole-Umwälzpumpe (49) von einer elektronischen Steuerung (53) gesteuert wird.
UGS nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, die Steuerung temperaturabhängig erfolgt.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftkollektor (41) und/oder ein Sole-Pufferspeicher (43) und/oder ein Druckausgleichgefäß (45) und/oder eine Sole-Umwälzpumpe (49) und/oder ein Sammelverteiler (47) und/oder eine temperaturgeführte oder thermostatische Steuerung (53, 46) und/oder eine automatische Entlüftungseinrichtung in einem Gehäuse (40), insbesondere zur Montage im Außenbereich untergebracht und zu einer kompakten Einheit integriert sind.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das UGS Hilfsmittel zur Befüllung, und/oder manueller oder automatischer Entlüftung integriert sind.
UGS nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse (40) eine zusätzliche, weitgehend vollständige Wärmepumpenanlage integriert ist.
UGS nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonden (100, 48) am Sammelverteiler (47) mit einer Zugentlastung versehen sind.