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Die Erfindung betrifft einen Geothermieverteiler, gebildet aus einem Sammelkörper mit zumindest zwei Anschlussstutzen und mindestens einer Anschlussöffnung, wobei die Anschlussstutzen entlang einer Längsachse des Sammelkörpers angeordnet sind.
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Geothermieverteiler werden in Zusammenhang mit Geothermie- oder Erdsonden eingesetzt. Erdsonden dienen in der Regel dazu, umgebendem Erdreich, in welchem die Erdsonde im Betriebszustand angeordnet ist, Wärme zu entziehen, sie können aber in heißen Gegenden oder im Sommer auch zur Abkühlung eines eingeleiteten Fluids dienen.
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Erdsonden können koaxial oder U-förmig aufgebaut sein. U-förmige Erdsonden weisen ein Einströmrohr auf, das in das Erdreich hinabführt und an einem unteren Ende in einem Verbindungsbereich fluidleitend mit einem Ausströmrohr verbunden ist. Das Wärmeübertragungsfluid strömt also das Einströmrohr hinab, geht in dem Verbindungsbereich in das Ausströmrohr über und strömt in diesem wieder hinauf. In koaxialen Erdsonden ist das Einströmrohr ein Außenrohr und das Ausströmrohr ein innerhalb des Außenrohres angeordnetes Innenrohr. Außerhalb des Innenrohres und innerhalb des Außenrohres ist ein Ringbereich, der einen Wärmeübertragungsbereich ausbildet. Die Anordnung des Außenrohres zum Innenrohr ist dabei koaxial. Der Verbindungsbereich ist bei einer koaxialen Erdsonde durch eine Öffnung des Innenrohres gebildet, so dass in dem Außenrohr bzw. im Ringbereich befindliches Wärmeübertragungsfluid hier in das Innenrohr fließen kann. Ein solches System ist in
DE 20 2008 002 048 beschrieben.
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Beim Durchlaufen der Erdsonde findet eine Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Erdreich statt. Die Wärmeübertragung erfolgt im Wesentlichen durch Konvektion. Ob Wärme abgegeben oder aufgenommen wird hängt davon ab, ob die Erdsonde für einen Kälteprozess oder einem Wärmeprozess verwendet wird. Dazu werden gattungsgemäße Erdsonden bis zu 100 m tief im Erdreich angeordnet, in Einzelfällen werden auch größere Tiefen realisiert.
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Üblicherweise werden mehrere Erdsonden in einem Erdsondenwärmekreislauf gemeinsam verwendet. Ein solcher Erdsondenwärmekreislauf weist meist eine Pumpe und einen Wärmetauscher auf. Mittels der Pumpe wird Wärmeübertragungsfluid zur Zirkulation innerhalb des Erdsondenwärmekreislaufes gebracht. Die Erdsonden können dabei parallel oder in Reihe oder in Kombinationen daraus geschaltet sein. Im Wärmetauscher wird die gewonnene Temperaturdifferenz zwischen dem zu- und dem abgeleiteten Wärmeübertragungsfluid an einen zweiten Fluidkreislauf übertragen.
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Bei Erdsonden von weniger als 100 m Länge bzw. Tiefe beträgt der Temperaturunterschied zwischen dem eingeleiteten Wärmeübertragungsfluid und dem abgeleiteten Wärmeübertragungsfluid in der Regel wenige Grad. Üblich sind Einleitwerte zwischen –2°C und 1°C und Ausleitwerte zwischen 2°C und 5°C. Die Temperaturdifferenz ist verhältnismäßig gering und das aus den Erdsonden austretende Wärmeübertragungsfluid noch nicht zum Heizen von z. B. Wohnräumen geeignet. Die Wärmeleistung kann jedoch mit Hilfe einer Wärmepumpe nutzbar gemacht werden.
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Üblicherweise kommen in einem Erdsondenwärmekreislauf mehrere Erdsonden zum Einsatz, da der nutzbare Temperaturunterschied einer Erdsonde in der Regel nicht ausreicht, um ein Wärmemittel in einem zweiten Fluidkreislauf in der Wärmepume zu verdampfen. Insbesondere bei Erdsonden mit einer Länge von unter 70 m ist der erzielbare Temperaturgradient häufig unzureichend. Weiterhin ist in einigen Regionen die zulässige Bohrtiefe begrenzt, um beispielsweise das Grundwasser zu schützen.
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Der Geothermieverteiler weist einen Sammelkörper, üblicherweise einen rohrförmigen Abschnitt, mit entsprechend der Anzahl der Erdsonden ausgebildeten Anschlussstutzen auf. Üblicherweise weist der Geothermieverteiler bzw. der Sammelkörper nur eine weitere Öffnung, die Anschlussöffnung auf.
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Geothermieverteiler werden im Fluidkreislauf mit mehreren Erdsonden an zwei Orten eingesetzt. Zum einen ist eine Anordnung im Vorlauf der Erdsonden notwendig, um das in die Erdsonden zu leitende Fluid auf diese zu verteilen. Ein Fluidstrom gelangt also durch die Anschlussöffnung in den Geothermieverteiler und über die Anschlussstutzen wieder hinaus zu den einzelnen Erdsonden. Zum anderen werden Geothermieverteiler als Fluidsammel- oder Mischorgane im Rücklauf eingesetzt. In diesem Fall dienen die Anschlussstutzen dem Zulauf des Fluids aus den Erdsonden in den Sammelkörper und die Anschlussöffnung dient zur Weiterleitung an die nachgeordneten Geräte. Die Anschlussstutzen münden entlang einer Längsachse in den Sammelkörper und sind in einem rechten Winkel zur Längsachse angeordnet. Die Anschlussöffnung ist meist endseitig angeordnet, so dass das eingeleitete Fluid entlang der Längsachse aus dem Sammelkörper hinaus oder in diesen hinein geleitet wird.
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Es hat sich gezeigt, dass sich beim Einströmen des Fluids ein Gegendruck oder Widerstand im Geothermieverteiler aufbaut, der Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit der Erdsonden hat. Ein Einleiten der Fluide im Rücklaufaus den einzelnen Erdsonden ist mit gleichmäßigem Druck nicht möglich. Dieser technische Fehler wird mit Hilfe von Regelventilen zur Durchflussmengeneinstellungen und Absperrorgane künstlich reguliert. Derartige Drossel- oder Regelventile sind beispielsweise unter der Bezeichnung „Tacosetter” im Handel erhältlich. Diese auch als Strangregulierungsventile bezeichneten Regelventile müssen von Hand oder über einen Rechner (Notebook) eingestellt werden, wobei in der Regel jeder Anschlussstutzen ein eigenes Regelventil aufweist. Je nach Position des Anschlussstutzens in Bezug auf die Anschlussöffnung sind unterschiedliche Einstellwerte notwendig, was den Einstellvorgang zusätzlich erschwert. Beispielsweise muss der am weitesten entfernte Anschlussstutzen sehr stark einreguliert werden, während der Anschlussstutzen, der in unmittelbarer Nähe zur Anschlussöffnung angeordnet ist, nahezu kaum reguliert werden muss. Die durch den Geothermieverteiler auftretenden Druckverluste führen also zum einen aufgrund der zusätzlichen Regulierungsventile und der damit zusammenhängenden Einstellmaßnahmen zu erhöhten Kosten, weiterhin entsteht aber auch ein erhöhter Energieaufwand für die Wärmepumpe.
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Hier setzt nun die Erfindung ein. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, den Wirkungsgrad von koaxialen Erdsonden und somit die Effizienz von koaxialen Erdsondenwärmekreisläufen zu verbessern. Hierzu sollen die Nachteile bekannter Geothermieverteiler vermieden werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen gattungsgemäßen Geothermieverteiler, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anschlusstutzen unter einem Winkel kleiner 90° in Bezug auf die Längsachse des Sammelkörpers in diesen münden.
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Der Erfinder hat erkannt, dass die Erzeugung des Gegendrucks in den Geothermieverteiler nach dem Stand der Technik im Wesentlichen durch die ungünstigen Strömungsverhältnisse innerhalb des Sammelkörpers verursacht wird. Dadurch, dass innerhalb des Sammelkörpers eine Grundströmung entlang der Längsachse in Richtung der Anschlussöffnung bzw. bei der Verwendung im Vorlauf in Richtung der Anschlussstutzen gegeben ist, erzeugen die um 90° zur Längsachse angeordneten Anschlussstutzen starke Verwirbelungen. Es ist relativ schwierig, in den entlang der Längsachse und durch die Anschlussöffnung fließenden Fluidstrom einen kleineren Fluidstrom rechtwinklig einzuspeisen.
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Der Erfinder hat erkannt, dass es strömungstechnisch deutlich günstiger ist, wenn die Anschlussstutzen in Fließrichtung der Hauptströmung innerhalb des Sammelkörpers schräg angeordnet sind, so dass über die Anschlussstutzen zufließende oder abfließende Fluide einfacher aus der Hauptströmung abgezweigt oder dieser zugeführt werden können.
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Die Anschlussöffnung befindet sich üblicherweise am Ende des rohrförmigen Sammelkörpers, also koaxial zu diesem. Das andere Ende des Sammelkörpers ist in der Regel verschlossen, kann aber erfindungsgemäß ein Entlüftungsventil aufweisen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante sind die Anschlussstutzen nicht auf einer Linie entlang der Längsachse, sondern über den Außenumfang des Sammelkörpers verteilt angeordnet. Dies führt bei einem Zufluss des Fluids über die Anschlussstutzen zu einer drallartigen Strömung bzw. zu in- oder gegen den Uhrzeigersinn gerichteten Turbulenzen. Hierdurch wird eine Art Sogwirkung erzeugt, die den Strömungswiderstand innerhalb des Geothermieverteilers weiterhin vermindert. Hinzu kommt, dass eine bessere Durchmischung der einzelnen Fluidströme erzeugt wird. Die positiven Effekte werden weiterhin verbessert, wenn die Längsachsen der Anschlussstutzen nicht parallel zur Längsachse des Sammelkörpers, sondern schräg dazu verlaufen. Dadurch wird das Fluid bereits in oder ggfs. gegen den Uhrzeigersinn gerichtet eingeleitet.
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Weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass auch die Außenabmessungen des Geothermieverteilers geringer sind und somit ein kleinerer Schacht zu dessen Unterbringung ausreicht.
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Vorteilhafterweise können die üblicherweise notwendigen Regulierventile weitgehend oder sogar vollständig entfallen. Aufgrund der günstigen Strömungsverhältnisse können beispielsweise bei der Nutzung des Geothermieverteilers im Rückfluss die Einzelfluidströme problemlos in den Sammelkörper eingeleitet werden, ohne dass sich diesen ein behindernder Gegendruck entgegensetzt.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist der erfindungsgemäße Geothermieverteiler modular aufgebaut. Je nach Anzahl von Erdsonden kann der Sammelkörper durch Ineinanderstecken und beispielsweise über einen Bajonettverschluss fixierbare Einzelelemente gebildet werden. Die Einzelelemente weisen jeweils einen oder mehrere Anschlussstutzen auf. Die Verbindung der Einzelelemente kann anstelle des Bajonettverschlusses auch durch andere Verbindungsmöglichkeiten erfolgen, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben. Der erfindungsgemäße Geothermieverteiler ist vorzugsweise aus einem Kunststoff gefertigt, denkbar sind aber auch sämtliche andere geeignete Materialien.
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Durch die verbesserten Strömungsgegebenheiten innerhalb des Sammelkörpers wird der Energiebedarf des Gesamtsystems reduziert, da beispielsweise die Pumpen mit geringem Druck arbeiten können.
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Durch die Einsparung der Regulierventile ist weiterhin der Wartungsaufwand dadurch reduziert, dass diese nicht, wie sonst üblich, in regelmäßigen Abständen überprüft oder nachgestellt werden müssen.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sich der Sammelkörper dann, wenn er im Rücklauf zwischen den Erdsonden und der Wärmepumpe angeordnet ist, in Richtung der Wärmepumpe verjüngt.
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Der Winkel, unter dem die Anschlussstutzen in Bezug auf die Längsachse des Sammelkörpers an diesen anschließen, beträgt vorzugsweise etwa 30 bis 50°, je nach Gegebenheiten vor Ort und Strömungsgeschwindigkeiten kann dieser aber auch andere Werte aufweisen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in der nun folgenden Figurenbeschreibung beschrieben. In dieser zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Erdsondenwärmekreislaufes mit mehreren Erdsonden, die in Reihe geschaltet sind,
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2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Geothermieverteilers in Seitensicht,
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2 eine schematische Darstellung eines modularen erfindungsgemäßen Geothermieverteilers in Seitensicht.
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1 zeigt in der Draufsicht eine schematische Darstellung dreier Erdsonden 20a, 20b, 20c mit entsprechenden Leitungen, die zur Realisierung eines Erdsondenwärmekreislaufes 26 parallel zueinander geschaltet sind. Dargestellt ist ein geschlossener Erdsondenwärmekreislauf 26, in dem das Wärmeübertragungsfluid zunächst mit einer Pumpe 48 auf ein höheres Druckniveau gebracht wird. Alsdann wird das Wärmeübertragungsfluid im Vorlauf einem ersten Geothermieverteiler 30 über dessen Anschlussöffnung 32 zugeführt, der dann das Wärmeübertragungsfluid über Anschlussstutzen 34 auf die Erdsonden 20a, 20b, 20c aufteilt. Das Wärmeübertragungsfluid wird dabei jeweils in einen Ringraum 64 der Erdsonden 20a, 20b, 20c geleitet. Hierin strömt das Wärmeübertragungsfluid jeweils bis zum Ende des Ringraums 64, tritt dort in das Innenrohr 66 ein, strömt wieder hinauf und gelangt Leitungen zu Anschlussstutzen 34 eines zweiten Geothermieverteilers 30. Dieser befindet sich also im Rücklauf der Erdsonden 20a, 20b, 20c. Im zweiten Geothermieverteiler 32 werden die Fluidströme vereint und über die Anschlussöffnung 32 an einen Wärmetauscher 36 geleitet. Die gewonnene Wärme wird an einen zweiten Fluidkreislauf 38 übertragen. Eine nicht gezeigte Wärmepumpe kann sowohl im Erdsondenwärmekreislauf 26 als auch im zweiten Fluidkreislauf 38 vorgesehen sein. Der gezeigte Aufbau ist lediglich exemplarisch zu verstehen, in der Realität können weitere Komponenten hinzukommen oder auch gezeigte Komponenten entfallen. 1 dient lediglich einer groben Veranschaulichung des Prinzips der Erdwärmenutzung über mehrere parallel geschaltete Erdsonden 20a, 20b, 20c.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Geothermieverteilers 30 in Seitensicht. Dieser weist drei Anschlussstutzen 34 auf, die in Richtung der Anschlussöffnung 32 schräg bzw. unter einem Winkel α von weniger 90° an einen Sammelkörper 40 anschließen. Weiterhin sind die Anschlussstutzen 34 über den Außenumfang des Sammelkörpers 40 verteilt, also bezogen auf einen Querschnitt des Sammelkörpers versetzt zueinander angeordnet. Hierdurch wird erreicht, dass die Fluide nicht in nur einer Ebene in den Sammelkörper 40 einströmen, sozusagen von mehreren Richtungen, wodurch ein Drall- bzw. eine turbulente Strömung erzeugt wird. Diese wird dadurch verstärkt, dass die Längsachsen der Anschlussstutzen 34 im gezeigten Ausführungsbeispiel nicht in der gleichen Ebene ie die Längsachse X-X des Samelkörpers 40 verlaufen, sondern schräg dazu. Das Fluid wird somit zwar in Strömungsrichtung im Sammelkörper 40 eingeleitet, aber derart, dass es in eine Kreisbewegung versetzt wird. Der Sammelkörper 40 verjüngt sich in Richtung der Anschlussöffnung 32.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Geothermieverteilers 30, der im gezeigten Ausführungsbeispiel modular aufgebaut ist. Zwei Einzelelemente 42 weisen jeweils zwei Anschlussstutzen 34 auf und sind entlang der Längsachse X-X über Verbindungselemente 68 miteinander verbindbar. Die Verbindung kann dabei durch Verkleben, Verschweißen oder beispielsweise über einen Bajonettverschluss erfolgen.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch noch weitere Ausführungsmöglichkeiten, die im Sinne der Erfindung liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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