DE102010029422A1

DE102010029422A1 - Anordnung und Verfahren zur Gewinnung oberflächennaher Wärme aus dem Boden

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Publication number: DE102010029422A1
Application number: DE102010029422A
Authority: DE
Inventors: Jens 15370 Kluge
Original assignee: Doppelacker 15370 GmbH; Technische Universitaet Dresden; Doppelacker GmbH
Current assignee: Doppelacker 15370 GmbH; Technische Universitaet Dresden; Doppelacker GmbH
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2011-08-25

Abstract

Es wird eine großflächige Anordnung zur Gewinnung thermischer Energie (Wärme) aus dem Boden in einer Tiefe von ca. 0,5 m bis ca. 3,0 m mittels mindestens einer flächigen Lage von in Gruppen angeordneten Wärmetauscherrohren, die parallel zueinander angeordnet sind und in denen ein Wärmeträgermedium strömt, vorgestellt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Gewinnung oberflächennaher Wärme aus dem Boden mittels der genannten Anordnung offenbart.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine großflächige Anordnung zur Gewinnung thermischer Energie (Wärme) aus dem Boden in einer Tiefe von ca. 0,5 m bis ca. 3,0 m mittels mindestens einer flächigen Lage von in Gruppen angeordneten Wärmetauscherrohren, die parallel zueinander angeordnet sind und in denen ein Wärmeträgermedium strömt. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Nutzung der großflächigen Anordnung bei der Ertragsverbesserung von Raumkulturen vorgestellt.
Als Boden wird im Allgemeinen „die von bodenbildenden Prozessen geprägte Grenzzone zwischen der Lithosphäre (Gesteinsschicht) und der Biosphäre mit der Atmosphäre oder Hydrosphäre bezeichnet. Dieser Bereich (die Pedospähre) besteht aus der mineralischen Bodensubstanz (ca. 47%), der organischen Bodensubstanz (ca. 3%), dem Bodenwasser (ca. 25%) und der Bodenluft (ca. 25%).” (Wikipedia 2010). Der Begriff „Erdreich” wird im Folgenden synonym zu dem Begriff „Boden” verwendet.
Es ist eine Reihe von Lösungen aus dem Stand der Technik bekannt, in denen Wärme aus dem Erdreich zurückgewonnen wird. Dies geschieht meist in relativ kleinen Anlagen für Einfamilienhäuser oder kleinere Wohnanlagen.
So wird in der DE 28 41 225 A1 ein System beschrieben, bei dem Wärmetauscherrohre senkrecht in den Boden eingelassen werden. Das Erdreich wird über die Wärmetauscherrohre mit Wärme beladen bzw. die Wärme wird über die Wärmetauscherrohre aus dem Boden zurückgewonnen.
In der DE 43 41 858 C2 wird ein Wärmespeicher aus Erdreich beschrieben, der in seinen, mit dem weiteren umgebenden Erdreich in Kontakt stehenden Flächen, isoliert ist. Be- und Entladung mit Wärmeenergie erfolgen ebenfalls über eine Wärmetauscheranordnung.
In der DE 29 82 4479 U1 wird eine Wärmespeicherkonstruktion offengelegt, bei der die Wärmetauscherrohre von einem gut wärmeleitenden Material umgeben sind, dass seinerseits in Erdreich eingebettet ist. Durch diese Maßnahme sollen die Aufnahme und Abgabe der Wärme aus dem Speicher aufgrund verbesserten Wärmeüberganges beschleunigt werden.
All diesen Lösungen ist gemein, dass es sich um relativ kleinteilige Anlagen handelt. Darüber hinaus muss das Erdreich stets erst mit Wärme beladen werden, um eine spätere Wärmerückgewinnung zu ermöglichen. Hinzu kommt, dass für die Mehrzahl der Anlagen aufwändige Isolationen gegenüber dem Erdreich außerhalb des Speicherbereichs vorgesehen sind. Zudem müssen bei der Errichtung dieser Anlagen erhebliche Erdmengen bewegt werden, um die Isolation und/oder die komplexen Wärmetauscherstrukturen einbauen zu können.
Auf offenen Flächen, wie Äckern, Brachflächen, Halden, Wassereinzugsflächen und ähnlichen Arealen wird ständig thermische Energie durch Regen oder solare Erwärmung eingetragen. Auch wenn die Bodenerwärmung nur geringfügig ist, kann die thermische Energie aus solchen Gebieten genutzt werden. Besonders im Winter liegt die Temperatur im Boden unterhalb der Frostgrenze, die in etwa in einer Tiefe von ca. 80 cm verläuft, über der der Umgebung. Es ist also vorteilhaft, diese Wärme aus dem Boden zu gewinnen und zu nutzen. Aufgrund der relativ geringen Temperatur des Erdreichs und der relativ geringen Wärmeleitung von Erdreich, die eine Wiedererwärmung von Bodenbereichen, denen bereits die thermische Energie entzogen wurde, verzögert, ist es notwendig, große Wärmetauscherflächen vorzusehen. Diese sind oberflächennah anzuordnen, um die eingetragene Energie auch nutzen zu können.
Das Niedrigtemperaturangebot des Bodens eignet sich gleichermaßen zum Kühlen und Wärmen. Die Nutzung dieses Angebots in kritischen Vegetationsphasen von Raumkulturen, insbesondere Obstkulturen, wie etwa der häufige Blütenfrost im Frühjahr und der Hitzestress im Spätsommer, findet mangels einer wirtschaftlichen Technologie der Erdwärmeerschließung großer Flächen praktisch nicht statt. Dies zeitigt einesteils einen verringerten Fruchtansatz und anderenteils mit dem hitzebedingten Aussetzen des Stoffwechsels eine verminderte Fruchtausbildung. Letzterem wird im Stand der Technik mit Kühlung durch Wasser (Verdunstungskühlung) entgegengewirkt. Dies führt allerdings zu erheblichem Ressourcenverbrauch und somit erhöhten Betriebskosten. Die Klimatisierung des Wurzelraumes, um bspw. optimale Bedingungen für das Wurzelwachstum und deren Mykorrhizierung zu schaffen, blieb bislang mangels technischer Lösungen aus.
Es stellt sich somit die Aufgabe, thermische Energie aus einem großflächigen Areal zu gewinnen. Derartige großflächige Areale weisen vorteilhaft eine Fläche von größer als 5.000 m² auf. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die thermische Energie für die Ertragsverbesserung von Raumkulturen zu nutzen und ein entsprechendes Verfahren zu offenbaren, wobei nicht nur die Gewinnung von Wärmeenergie sondern auch die Nutzung von Kühlleistung aus dem Boden erfolgen soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung nach Anspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zur Gewinnung oberflächennaher Wärme wird im Anspruch 5 offenbart. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen dargestellt.
Zur Gewinnung der oberflächennahen thermischen Energie kommt eine Anordnung zum Einsatz, bei der in einer Tiefe zwischen etwa 0,5 m bis 3,0 m eine oder mehrere flächige Lagen von Gruppen paralleler, axial beabstandeter Wärmetauscherrohre angeordnet sind. Die Gruppen paralleler, axial beabstandeter Wärmetauscherrohre weisen jeweils mindestens ein Wärmetauscherrohr auf. Wenn eine Gruppe mehr als ein Wärmetauscherrohr aufweist, so verlaufen diese Wärmetauscherrohre im Wesentlichen parallel und einander über weite Strecken an ihren Außenwandungen berührend. Axiale Abstände bestehen lediglich zwischen verschiedenen Gruppen von Wärmetauscherrohren. In diesen Wärmetauscherrohren zirkuliert ein Wärmeträgermedium.
Vorteilhaft können die Winkel, die die Längsachsen der Gruppen von Wärmetauscherrohren einer flächigen Lage zu denen einer anderen in der Projektion auf die Erdoberfläche bilden, jeden Wert annehmen. Insbesondere können die Gruppen von Wärmetauscherrohren verschiedener flächiger Lagen annähernd parallel oder annähernd senkrecht zueinander angeordnet sein.
Die flächigen Lagen der Gruppen von Wärmetauscherrohren folgen vorteilhaft dem Geländeprofil, um eine annähernd konstante Umgebungstemperatur im Boden auszunutzen.
Wenn die Gruppen von Wärmetauscherrohren verschiedener flächiger Lagen annähernd parallel zueinander angeordnet sind, können die Wärmetauscherrohre vertikal übereinander angeordnet sein. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, die Gruppen von Wärmetauscherrohren einer flächigen Lage versetzt zu denen einer anderen flächigen Lage anzuordnen. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Wärmetauscherrohre einer flächigen Lage an der Hälfte des Abstandes der Wärmetauscherrohre einer darüber oder darunter liegenden flächigen Lage anzuordnen (bezogen auf eine Projektion der flächigen Lagen auf die Erdoberfläche). Auf diese Weise wird die Wärme dem umgebenden Boden besonders umfassend entzogen, da die Gruppen von Wärmetauscherrohren zueinander mit maximalem Abstand angeordnet sind.
Die Wärmetauscherrohre können auf unterschiedliche Weise miteinander verschaltet sein. So werden mehrere parallele Rohre verschiedener Gruppen einer flächigen Lage vorteilhaft über Sammelleitungen zusammengefasst, wobei eine Sammelleitung das kühle Wärmeträgermedium auf einer Seite des thermisch abzuerntenden Areals einer Reihe von Wärmetauscherrohren zuführt, während auf der anderen Seite des Areals eine zweite Sammelleitung das erwärmte Wärmeträgermedium abführt. Auf diese Weise lassen sich Felder aus Teilvorrichtungen bilden, die jeweils gemeinsame Sammelleitungen aufweisen. Die Sammelleitungen werden vorteilhaft in Sammelkanälen verlegt, die an zwei gegenüberliegenden Rändern eines mit Wärmetauscherrohren versehenen Teilfeldes verlaufen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Wärmetauscherrohre unterschiedlicher flächiger Lagen miteinander zusammengeschaltet. Im Sommer nimmt die Bodentemperatur mit wachsender Tiefe ab. Das Wärmeträgermedium strömt dann vorteilhaft von der tiefsten flächigen Lage, und damit aus der kühlsten Bodenschicht mit zunehmender Erwärmung in höher gelegene Bodenschichten, die ihrerseits wärmer sind. Auf diese Weise kann eine Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträgermedium und Boden aufrechterhalten werden, wodurch ein steter Wärmeübergang vom Boden auf das Wärmeträgermedium gefördert wird. Im Winter ist das Temperaturprofil des Bodens umgekehrt, so dass es vorteilhaft ist, das Wärmeträgermedium entgegengesetzt, nun von der höchsten flächigen Lage in die tiefer liegenden flächigen Lagen, bis hin zur tiefsten flächigen Lage, strömen zu lassen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, die Sammelleitungen von zwei übereinander liegenden flächigen Lagen zusammenzufassen. Dadurch wird das Wärmeträgermedium einer unteren flächigen Lage in die darüber liegende flächige Lage weitergeleitet. Auch auf diese Weise kann eine Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträgermedium und Boden aufrechterhalten werden, wodurch ein steter Wärmeübergang vom Boden auf das Wärmeträgermedium gefördert wird.
Vorteilhaft existiert eine Mehrzahl von Teilfeldern, in denen Wärmetauscherrohre und Sammelleitungen in einer oder mehreren flächigen Lagen verlegt sind. Die Teilfelder werden untereinander verschaltet, so dass sie einzeln oder gruppenweise betrieben oder abgeschaltet werden können. Auch die flächigen Lagen eines Teilfeldes können einzeln betrieben oder abgeschaltet werden. Vorteilhaft erfolgt die Steuerung, welche Teilfelder betrieben bzw. abgeschaltet werden, mit Unterstützung von Sensoren, die in den Boden eingebracht werden und Informationen über die Temperaturverteilung im Boden liefern.
Vorteilhaft wird ein Teilfeld nach Entnahme der thermischen Energie nicht weiter genutzt, bis die ursprüngliche Bodentemperatur wieder erreicht ist. Die entsprechende Wärme wird in die Erdoberfläche durch Regen oder Sonneneinstrahlung eingetragen und aufgrund der bekannten Wärmeleitungsprozesse oder mit dem Versickern von Oberflächenwasser im Boden zu der Anordnung transportiert.
Wenn die Gruppen von Wärmetauscherrohren mit den zugehörigen Sammelleitungen in den Boden eingebaut sind, kann die ursprüngliche Bodennutzung, z. B. für landwirtschaftliche Zwecke, wieder aufgenommen werden. Es ist jede Nutzung, die die Wärmetauscherrohre nicht beschädigt, denkbar.
Vorteilhaft wird die gewonnene thermische Energie in unmittelbarer Nähe der Anordnung genutzt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die gewonnene Wärme zur Frostfreihaltung von benachbarten Verkehrsflächen, wie Straßen, Kreuzungen, Start- und Landebahnen etc. verwendet.
Ebenfalls vorteilhaft erfolgt die Nutzung der thermischen Energie, indem das Wärmeträgermedium einer Wärmepumpe zugeleitet wird, die die thermische Energie aus dem Wärmeträgermedium entnimmt.
In einer alternativen, gleichfalls bevorzugten Ausführungsform wird das Erdreich mit Wärme beladen, indem durch die Wärmetauscherrohre ein Wärmeträgermedium geleitet wird, dass eine höhere Eingangstemperatur als der umgebende Boden hat. Auf diese Weise kann das Wärmeträgermedium gekühlt und eine entsprechende Kühlleistung nutzbar gemacht werden.
Letztendlich wird die Nutzung des Bodens für Kühlung oder Erwärmung dadurch bestimmt, ob die Temperatur des Bodens unter oder über der des Wärmeträgermediums liegt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Wärmeträgermedium zur Kühlung von Industrie- oder sonstigen Gebäuden verwendet, indem das Wärmeträgermedium Wärme in dem Gebäude aufnimmt und seine Wärme in der Anordnung an den Boden abgibt. Diese Vorgehensweise ist auch zur Kühlung von technischen Prozessen möglich. Ggf. erfolgt ein Zwischenaustausch der transportierten Wärme, um getrennte geschlossene Kreise zirkulierender Wärmeträgermedien zu erreichen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kühlleistung des Bodens dazu genutzt, Lagerflächen für landwirtschaftliche Güter großflächig zu kühlen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die flächigen Lagen in Ebenen, unabhängig vom Geländeprofil, angeordnet. Wenn das eintretende Wärmeträgermedium kälter als der umgebende Boden ist, werden diese Ebenen von flächigen Lagen vorteilhaft leicht ansteigend geneigt ausgeführt, um den Auftriebseffekt des sich erwärmenden Wärmeträgermediums auszunutzen. Ist das eintretende Wärmeträgermedium wärmer als der umgebende Boden, ist es vorteilhaft, wenn die Ebenen von flächigen Lagen leicht abfallend in Strömungsrichtung angeordnet sind, so dass das sich abkühlende Wärmeträgermedium absinkt. Mittels dieser Maßnahmen kann Energie zur Umwälzung des Wärmeträgermediums in der Anordnung gespart werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist jede Gruppe von Wärmetauscherrohren zwei Wärmetauscherrohre auf. Die beiden Wärmetauscherrohre sind jeweils an unterschiedliche Sammelleitungen angeschlossen. So wird es möglich, dass in einem der Wärmetauscherrohre jeder Gruppe erwärmtes Wärmeträgermedium zum Antransport von Wärme bewegt wird, während in dem anderen Wärmetauscherrohr Wärme abtransportiert wird. Auf diese Weise kann das Erdreich unabhängig gleichzeitig mit Wärme beladen und Wärme entnommen werden. Zeitliche Abweichungen von Wärmeangebot und Wärmebedarf können so durch Pufferung überbrückt werden.
In einer weiteren bevorzugten Anordnung weist jede Gruppe von Wärmetauscherrohren zwei Wärmetauscherrohre auf. Die beiden Wärmetauscherrohre sind an einem Ende miteinander verbunden und am anderen an zwei Sammelleitungen angeschlossen, die gemeinsam in einem Sammelkanal angeordnet sind. Dies ist vorteilhaft, wenn aufgrund der Nutzungsanforderungen kein Sammelkanal angelegt werden kann.
Vorteilhaft weist die Anordnung Überwachungseinrichtungen zur Erkennung von Leckagen auf.
Aus dem Stand der Technik sind z. B. Überwachungsdrähte in den Rohrwandungen, die bei Beschädigung ein Signal unterbrechen oder Druckverlustmessungen detektieren, bekannt. Die Wärmetauscherrohre sind vorteilhaft in der Nähe des Anschlusses an die Sammelleitung mit Absperrvorrichtungen versehen, damit einzelne Wärmetauscherrohre im Falle einer Beschädigung außer Betrieb genommen werden können, während der Rest weiterbetrieben wird. Ebenso können die Teilfelder durch Absperrvorrichtungen an den Sammelleitungen zu- oder abgeschaltet werden.
Vorteilhaft wird nach dem Erkennen und Lokalisieren eines Lecks an der Leckagestelle eine Bohrung oder eine Grabung niedergebracht, um das Leck zu erreichen. Je nach den Gegebenheiten kann dieses Leck nun geschlossen werden oder das Wärmetauscherrohr links und rechts des Lecks abgeschnürt werden.
In einem Verfahren zum Betrieb der Anordnung wird ein Wärmeträgermedium durch die Rohrleitungen geleitet. Es weist eine Temperatur auf, die geringer ist, als die des umgebenden Erdbodens. Das Wärmeträgermedium nimmt so auf seinem Weg durch die Rohrleitungen thermische Energie aus dem Boden auf.
In einer bevorzugten Verfahrensweise werden ein oder mehrere Teilfelder so lange betrieben, bis die gewünschte Menge an thermischer Energie von diesen nicht mehr geliefert wird. Nun werden diese Teilfelder außer Betrieb genommen und andere Teilfelder, die noch thermische Energie enthalten, in Betrieb genommen. Dem Boden der ersten Teilfelder wird nun aus der Umgebung wieder Wärme zugeführt, die in einer späteren Phase entnommen werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Verfahrensweise wird der Boden eines Feldes oder Teilfeldes mit thermischer Energie beladen, die z. B. aus dem Überschuss an thermischer Energie eines Kraftwerks oder eines Industrieunternehmens stammt. Diese thermische Energie kann später wieder aus dem Feld oder einem Teilfeld entnommen werden.
Vorteilhaft wird eine Anordnung der oben beschriebenen Art in der Nähe großer Verkehrsflächen angeordnet. Die aus dem Boden entnommene Wärme kann dann z. B. zur Frostfreihaltung der Verkehrsflächen eingesetzt werden. Derartiges ist für Straßen, Kreuzungen und insbesondere Start- und Landebahnen für Flugzeuge vorteilhaft und trägt zur Verbesserung des Umweltschutzes bei, da weniger Enteisungsmittel eingesetzt werden müssen.
Die Anordnung von Wärmetauscherrohren erfolgt vorteilhafter unter einer Raumkultur. Unter Raumkulturen werden Obst-, Wein- und Hopfenkulturen verstanden. Die Anordnung kann nun mit Wärmeträgermedium beaufschlagt werden, das die Temperatur des Bodens erhöht oder reduziert. Dabei werden vorteilhaft Wärmetauscherrohre sowohl in einer oder mehreren ersten Lagen bodennah, in der Nähe des Wurzelwerks aber auch in größerer Tiefe in einer oder in mehreren Lagen (bevorzugt ca. 2 m Tiefe, jedoch mindestens 0,5 m vertikalem Abstand zur ersten Lage) unterhalb des Wurzelwerks angeordnet.
Zu Beginn der Vegetationsperiode kommt es häufig vor, dass die Pflanzen bereits durch einige warme Tage zum Blütenaustrieb animiert werden. Es treten jedoch gelegentlich noch Nachtfröste auf, die einen Teil der Blüten vernichten. In einem bevorzugten Verfahren wird die Temperatur des Bodens zu Beginn der Vegetationsperiode gesenkt, um die Pflanze so lange vom Blütenaustrieb abzuhalten, bis die Gefahr von Nachtfrösten mit hoher Wahrscheinlichkeit vorüber ist. Dies geschieht bevorzugt, indem in die Wärmetauscherrohre in der Nähe des Wurzelwerkes ein Wärmeträgermedium eingeleitet wird, dessen Temperatur unter der des Bodens liegt. Durch diese Verfahrensweise wird ein Großteil der Blüten erhalten und die entsprechenden Früchte können zur Reifung gelangen. In einer weiteren bevorzugten Verfahrensweise wird in Wärmetauscher, die im Kronenbereich der Raumkultur angeordnet sind, ein Wärmeträgermedium eingeleitet, dessen Temperatur unter der der umgebenden Luft liegt. So wird die Lufttemperatur im Kronenbereich gesenkt und der Blütenaustrieb verzögert. Das Wärmeträgermedium wird in die Wärmetauscherrohre in größerer Tiefe zurückgeleitet, wo es die Wärme die es im Kronenbereich aufgenommen hat abgibt und zurückgekühlt wird. Anschließend wird es in den Kronenbereich zurück geleitet, so dass es somit zwischen den Wärmetauschern im Kronenbereich und den Wärmetauscherrohren in größerer Tiefe zirkuliert.
In der Zeit der höchsten Sommertemperaturen leiden die Pflanzen häufig an Hitzestress. Dies führt unter anderem zu einer verringerten Fruchtausbildung. In einer bevorzugten Verfahrensweise wird der Boden unterhalb der Pflanzen in Oberflächennähe gekühlt. Der dadurch unter den Kronen der Pflanzen entstehende gekühlte Raum sorgt für ein vermindertes Stressaufkommen der Pflanzen. In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Verfahrensweise erfolgt die Kühlung des Kronenraumes, indem im Kronenraum eine Wärmetauscheranordnung existiert, die ihr erwärmtes Wärmeträgermedium mit einer Wärmetauscheranordnung unterhalb der Pflanzen im Boden austauscht. Die Wärmetauscheranordnung zur Kühlung des Kronenraumes wird bevorzugt zwischen dem Boden und der maximalen Wuchshöhe der Pflanzen, besonders bevorzugt zwischen dem Boden und dem oberen Drittel der durchschnittlichen Pflanzenhöhe angeordnet. Für Raumkulturen, die keine Kronen ausbilden wird das Verfahren sinngemäß übertragen, indem entsprechende Wärmetauscherrohre zwischen der Bodenoberfläche und bevorzugt etwa dem oberen Drittel der durchschnittlichem Pflanzenhöhe angeordnet werden. In einer bevorzugten Verfahrensweise wird die Höhe der Wärmetauscheranordnung im Kronenbereich dem Wachstum der Pflanzen angepasst und die Wärmetauscheranordnung so angehoben, dass sie weiterhin im Kronenraum der Pflanzen angeordnet ist.
In einer weiteren bevorzugten Verfahrensweise wird der Boden unterhalb der Raumkulturen erwärmt. Dies erfolgt bevorzugt gegen Ende der Vegetationsperiode, wenn bereits mit gelegentlich auftretenden Bodenfrösten zu rechnen ist. So kann die Vegetationsperiode ausgedehnt werden. Dies ist insbesondere für Kulturen vorteilhaft, die sehr wärmebedürftig sind, jedoch erst spät im Jahr geerntet werden. So wird die volle Fruchtausbildung gefördert. Beispielhaft sei hier Wein genannt.
In einer weiteren bevorzugten Verfahrensweise erfolgt ein Wärmeeintrag in der Nähe der Wurzeln der Pflanzen. Im Wurzelbereich leben Mykorrhizapilze in Symbiose mit der Pflanze. Als Mykorrhiza (vom altgriechischen μυκη
(mykes) = Pilz und ρτζα (rhiza) = Wurzel; Mehrzahl Mykorrhizae oder Mykorrhizen) bezeichnet man eine Form der Symbiose von Pilzen und Pflanzen, bei der ein Pilz mit dem Feinwurzelsystem einer Pflanze in Kontakt steht.
Die Mykorrhizapilze liefern der Pflanze Nährsalze und Wasser und erhalten ihrerseits einen Teil der durch die Photosynthese der (grünen) Pflanzen erzeugten Assimilate. Der Anteil der Primärproduktion, der an den Pilz weitergegeben wird, kann bis zu 25% betragen. Im Gegensatz zu anderen Bodenpilzen fehlen vielen Mykorrhizapilzen Enzyme, welche nötig wären, um komplexe Kohlenhydrate abzubauen. Darum sind diese auf die Versorgung durch die Pflanze angewiesen. Die Mykorrhizapilze verfügen über ein im Vergleich zur Pflanze erheblich größeres Vermögen, Mineralstoffe und Wasser aus dem Boden zu lösen. Häufig wird die Wasser-, Stickstoff- und Phosphat-Versorgung der „infizierten” Pflanzen verbessert, weiterhin bietet die Mykorrhizierung einen gewissen Schutz vor Wurzelpathogenen und erhöht allgemein die Trockenresistenz der Pflanzen, was vor allem an extremen Standorten von Vorteil sein kann. Durch die Erwärmung des Bodens im Wurzelbereich wird die Bildung dieser Mykorrhitapilze gefördert, was die Versorgung der Pflanze mit Nährstoffen nach oben dargestelltem Mechanismus verbessert.
Zur Realisierung der aufgezeigten Verfahrensweisen ist die Anordnung von Wärmetauscherrohren in einer bevorzugten Ausführungsform an eine Wärmepumpe und/oder eine Heizanlage und/oder einen Wärmespeicher angeschlossen.
Ausführungsbeispiel
In einem Obstbaubetrieb werden Wärmetauscheranordnungen in bestehende Spaliere von Steinobstkulturen eingebracht. Es werden die obengenannten Verfahrensweisen realisiert und ein positiver Effekt für die Steinobstkulturen (Beispiel: Süßkirschen) und deren Erträge erzielt.
Die Baumobstkulturen sind in Einzelreihen gepflanzt, da eine vollflächige Kultur aus phytosanitäteren und qualitätssichernden Gründen ausscheidet. Die Folge ist, dass ca. 4.500 bis 6.600 m² der Nutzfläche bzw. 12.000 bis 20.000 m³ von Gehölzen seitlich begrenzten Luftraums je ha in den Obstanlagen brachliegen. Eine zweiseitige Temperaturregelung (Erwärmung und Kühlung) würde, bei einem mittleren Kronenvolumen von 5.500 bis 7.500 m³/ha, mehrfachen Nutzen bringen, so die Abwehr von Spätfrösten und die Klimatisierung in den Hitzeperioden.
Die technologisch notwendigen Arbeitsgassen sind voll belichtet, tragen wesentlich zum Energiegewinn der Anlagen bei und gestatten eine energetische Sekundärnutzung der Flächen in Phasen des Überschusses. Begünstigt wird der Energiegewinn durch die Brechung der Luftgeschwindigkeit und die Erhöhung der Lufttemperatur in den bodennahen Schichten.
Die Wärmetauscheranordnungen sind mit Wärmetauscherrohrleitungen im Kronenbereich der Bäume und mit Wärmetauscheranordnungen unterhalb von Lagerflächen verbunden, so dass die erdgekoppelte Kühlung von Lagerflächen erfolgt.
Es werden zwei Anordnungen ausgeführt. Die erste und zugleich maßgebliche, enthält eine zweifach tiefengestaffelte Montage von Erdkollektoren – im Spalier in ca. 2 m, im Wurzelbereich in ca. 1,30 m Tiefe –, die einesteils untereinander und anderenteils mit einer Rohrkonstruktion im Bereich oberhalb des Laubraumes.(Kronenraum) verbunden sind. Der Wurzelraum und der Kronenraum sind separat regelbar.
Die zweite Anordnung erfolgt großflächig in 2 m Tiefe und erlaubt sowohl passive als auch aktive Kühlung. Diese Anordnung liegt unmittelbar an der Lagerkapazität an. Es werden nunmehr die folgenden Betriebsweisen realisiert:

1. die bodenthermisch indizierte Verzögerung des Vegetationsbeginns durch Kühlung des Kronenraumes, wobei kühles Wärmeträgermedium aus der Wärmetauscheranordnung in ca. 2 m Tiefe in den Kronenraum geführt wird und dort die Temperatur niedrig hält, so dass der Blütenaustrieb verzögert wird. Eine Steuerung der vegetativen Entwicklung der Gehölze erfolgt durch die optimierte Zufuhr von Wärme, die mittels Wärmepumpeneinsatz aus dem Wärmeträgermedium unterhalb der Lagerfläche gewonnen wird. Gleichzeitig erfolgt so die Kühlung der Lagerfläche. Die Verschiebung des Erntezeitraumes der Süßkirschkulturen erfolgt durch das gezielte zeitliche Ausdehnen der Kühlung des Kronenbereichs, so dass die Reife der Kirschen später eintritt.
2. die Steuerung der mikrobiellen Stoffumwandlungsprozesse und der Nährstoffverfügbarkeit im oberflächennahen Wurzelbereich erfolgt durch die Kühlung des Wurzelraumes, indem erwärmtes Wärmeträgermedium in die Wärmetauscheranordnung im Wurzelraum geleitet wird,
3. die bodenthermische Steuerung des Wurzelwachstums und Förderung der Mykorrhizierung in Interesse der Verbesserung der Baumgesundheit und der Fruchtqualität erfolgt nach dem gleichen Verfahren wie unter 2.
4. die Maßnahmen der Düngung und Bewässerung werden mit denen der energetischen Nutzung des Wurzelraumes und des Kronenvolumens vernetzt
5. die erdgekoppelte Kühlung des Kronenvolumens zwecks Verminderung des spätsommerlichen Hitzestresses und damit der Erhaltung der die Fruchtqualität bestimmenden Stoffwechselprozesse in den Gehölzen erfolgt, indem aus den Wärmeträgerrohren im Kronenbereich das erwärmte Wärmeträgermedium in die Wärmetauscheranordnung in ca. 2 m Tiefe geleitet wird, wo es sich abkühlt und anschließend in den Kronenraum zurückgeleitet wird.

Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird ein zusätzlicher Ernteertrag von 20% bis 25% erreicht.
Erläuterungen zu den Figuren
Die Figuren stellen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung dar, ohne die Erfindung auf diese Ausführungsformen zu beschränken.
1 zeigt den Verlauf der Wärmetauscherrohre im Boden, wobei die tiefer im Boden befindliche flächige Lage der Wärmetauscherrohre (2) gestrichelt dargestellt ist. Die Längsachsen dieser Wärmetauscherrohre bilden zu denen der darüber liegenden flächigen Lage von Wärmetauscherrohren (1) einen rechten Winkel.
2 entspricht der Darstellung von 1 wobei die obere flächige Lage von Wärmetauscherrohren (3) aus Gruppen besteht, die jeweils zwei Wärmetauscherrohre aufweisen.
3 bis 6 zeigen mögliche Anordnungen von Wärmetauscherrohren in einem Schnitt durch den Boden (23), wobei die Schnittebene senkrecht zu den Längsachsen der Wärmetauscherrohre verläuft.
7 zeigt die prinzipielle Gestaltung eines Wärmetauscherfeldes. Das kühle Wärmeträgermedium strömt über die Sammelleitung (33) zu den einzelnen Wärmetauscherrohren (30). Nach der Durchströmung der Wärmetauscherrohre (30) wird das nun erwärmte Wärmeträgermedium über die zweite Sammelleitung (31) abgeführt. Die Absperreinrichtungen (32) sollen die Möglichkeit andeuten, beim Auftreten eines Lecks einzelne Wärmetauscherrohre außer Betrieb zu nehmen. Die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades des Wärmetauscherfeldes kann durch wechselseitige Belegung der Sammelleitungen (31, 33) mit Vor- bzw. Rücklauf erfolgen.
8 entspricht weitgehend 7, wobei beide Sammelleitungen auf einer Seite der Wärmetauscherrohre angeordnet sind. Die Wärmetauscherrohre (41) gehören zu einer Gruppe und sind miteinander an der, den Sammelleitungen gegenüber liegenden Seite verbunden.
9 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung, die dazu geeignet ist, die Vegetation von Raumkulturen zu beeinflussen. Die tatsächlichen einzelnen Verschaltungen und rohrtechnischen Ausgestaltungen sind nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu wahren. Sie sind jedoch Teil des allgemeinen Fachwissens. Die Wärmeenergie wird zwischen den Wärmetauschern (23) oberhalb der Oberfläche des Bodens, den Wärmetauscherrohren (1) in der Nähe des Wurzelwerks, den Wärmetauscherrohren (2) in größerer Tiefe und den Wärmetauscherrohren (1) unter der Lagerfläche geeignet verschoben. Zur Temperaturerhöhung oder -erniedrigung sind die Wärmepumpe und die Heizeinrichtung vorgesehen. So wird in Zeiten von Hitzestress kühles Wärmeträgermedium aus den Wärmetauscherrohren (2) in größerer Tiefe in die Wärmetauscherrohre (23) über dem Boden geleitet. Dort nimmt das Wärmeträgermedium Wärme auf und kühlt so den Kronenbereich der Raumkulturen. Durch die Rückzirkulation in die Wärmetauscherrohre (1) wird die Wärme im Boden gespeichert. Durch geeignete Umschaltung kann das erwärmte Wärmeträgermedium aus den Wärmetauschern (23) oberhalb der Oberfläche des Bodens auch zu den Wärmetauscherrohren (19) in der Nähe des Wurzelwerks geleitet werden, wo es durch Temperaturerhöhung das Wurzelwachstum und die Mykorrhizierung fördert. Gegen Ende der Vegetationsperiode wird die im Boden gespeicherte Wärme vom Wärmeträgermedium wieder aufgenommen und in die Wärmetauscherrohre (19) in der Nähe des Wurzelwerks oder in die Wärmetauscher (23) oberhalb der Oberfläche des Bodens geleitet um die Vegetationsperiode auszudehnen oder frühen Frösten entgegenzuwirken. Sollte die im Boden gespeicherte Wärmeenergie nicht ausreichen, kann sie durch zusätzliche Wärme aus der Nutzung der Heizeinrichtung oder der Wärmepumpe erhöht werden. Die bei der Wärmepumpennutzung anfallende Kühlleistung wird vorteilhaft zur Kühlung der Lagerfläche (62) eingesetzt, indem sie mittels des Wärmeträgermediums in die Wärmetauscherrohre (1) unter der Lagerfläche (62) transportiert wird.
10 zeigt eine ähnliche Anordnung wie 9. Hier sind die Wärmetauscher (23) oberhalb der Oberfläche des Bodens unterhalb der Kronenbereiche der Raumkulturen angeordnet. Diese Anordnung gestattet es, die Kronenbereiche vorteilhaft zu erwärmen und so die Vegetationsperiode zu verlängern und eventuell drohenden Frostschäden entgegenzuwirken.
Bezugszeichenliste

1: Wärmetauscherrohre einer flächigen Lage
2: Wärmetauscherrohre einer Lage die tiefer als die Lage 1 liegt
3: Wärmetauscherrohre von Gruppen, die jeweils zwei Wärmetauscherrohre aufweisen
20: Bodenoberfläche
21: Wärmetauscherrohre verschiedener flächiger Lagen
22: Wärmetauscherrohre verschiedener flächiger Lagen, mit Gruppen, die jeweils zwei Wärmetauscherrohre aufweisen
23: Wärmetauscher im Kronenbereich einer Raumkultur
23: Boden
30: Wärmetauscherrohr
31: Sammelleitung
32: Absperrelement
33: Sammelleitung
41: Wärmetauscherrohre von Gruppen, die jeweils zwei Wärmetauscherrohre aufweisen, die an einem Ende miteinander verbunden sind
50: Raumkultur
51: Pflanze in der Raumkultur
52: Kronenbereich einer Pflanze
53: Wurzelbereich einer Pflanze
60: Wärmepumpenanordnung
61: Heizeinrichtung
62: Lagerfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2841225 A1 [0004]
DE 4341858 C2 [0005]
DE 29824479 U1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Wikipedia 2010 [0002]

Claims

Anordnung zur Beeinflussung der Vegetation von Raumkulturen mittels großflächiger Anordnungen von Wärmetauscherrohren im Boden, wobei unter den Raumkulturen in einer Tiefe zwischen 0,5 m und 3,0 m mindestens eine flächige Lage von Gruppen von Wärmetauscherrohren angeordnet ist und jede Gruppen von Wärmetauscherrohren mindestens ein Wärmetauscherrohr aufweist und die Gruppen von Wärmetauscherrohren im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und in den Wärmetauscherrohren ein Wärmeträgermedium strömt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste flächige Lage von Gruppen von Wärmetauscherrohren in der Nähe des Wurzelwerks der Raumkulturen und mindestens eine zweite flächige Lage von Gruppen von Wärmetauscherrohren in größerer Tiefe, mit einem vertikalen Abstand von mindestens 0,5 m zur ersten flächigen Lage angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von Wärmetauscherrohren mit einer Wärmepumpenanlage und/oder einer Heizeinrichtung und/oder einem Wärmespeicher verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mit einer Anordnung von Wärmetauschern verbunden ist, die über der Oberfläche des Bodens und unterhalb der durchschnittlichen Wuchshöhe der Pflanzen der Raumkultur angeordnet ist.
Verfahren zur Beeinflussung der Vegetation von Raumkulturen dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eine Gruppe von Wärmetauscherrohren nach Anspruch 1 ein Wärmeträgermedium geleitet wird, dessen Temperatur höher oder niedriger als die des umgebenden Bodens ist.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Vegetationsperiode in eine erste flächige Lage von Gruppen von Wärmetauscherrohren nach Anspruch 2 ein Wärmeträgermedium geleitet wird, dessen Temperatur unter der des Bodens liegt.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beginn der Vegetationsperiode in eine erste flächige Lage von Gruppen von Wärmetauscherrohren nach Anspruch 2 ein Wärmeträgermedium geleitet wird, dessen Temperatur über der des umgebenden Bodens liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass gegen Ende der Vegetationsperiode in eine erste flächige Lage von Gruppen von Wärmetauscherrohren nach Anspruch 2 ein Wärmeträgermedium geleitet wird, dessen Temperatur über der des umgebenden Bodens liegt.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Vegetationsperiode in die Anordnung nach Anspruch 4 in die Wärmetauscher über der Oberfläche des Bodens ein Wärmeträgermedium geleitet wird, dessen Temperatur unter der, der umgebenden Luft liegt und das zwischen der zweiten flächigen Lage von Gruppen von Wärmetauscherrohren nach Anspruch 2 und den Wärmetauschern über der Oberfläche des Bodens zirkuliert.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass zu Zeiten, in denen die Pflanzen unter Hitzestress leiden, in die Anordnung nach Anspruch 4 in die Wärmetauscher über der Oberfläche des Bodens ein Wärmeträgermedium geleitet wird, dessen Temperatur unter der der umgebenden Luft liegt und das zwischen der zweiten flächigen Lage von Gruppen von Wärmetauscherrohren nach Anspruch 2 und den Wärmetauschern über der Oberfläche des Bodens zirkuliert.