DE102010032851A1

DE102010032851A1 - Verfahren und Anordnung zum Betrieb eines Erdwärmesondenfeldes

Info

Publication number: DE102010032851A1
Application number: DE102010032851A
Authority: DE
Inventors: Rolf Wagner
Original assignee: BLZ GEOTECHNIK GmbH
Current assignee: BLZ GEOTECHNIK GmbH
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betrieb eines Erdwärmesondenfeldes zur Gewinnung von Wärme und der Speicherung von Kälte in einem zusammenhängenden Erdwärmesondenfeld, das aus mehreren Erdwärmesonden gebildet wird. Dies wird dadurch erreicht, dass erfindungsgemäß für die Verbesserung der Gewinnung von Wärme und der Regeneration die inneren Zentrumssonden tiefer in das Erdreich gebaut werden als die Randsonden. Für die Speicherung von Kälte wird erfindungsgemäß ein Kältevorrat für die Klimatisierung im Sommerhalbjahr durch den Wärmeentzug aus dem Erdreich während des Winterhalbjahrs bis zur Vereisung des Erdreiches im Einzugsgebiet des Sondenfeldes angelegt. Dabei werden die Speicherung von Kälte und die Regeneration im Sondenfeld erfindungsgemäß durch den Wärmeentzug mit einer gesteuerten Wärmeentnahme und Wärmezufuhr zwischen den Randsonden und den Zentrumssonden für eine Maximierung des Kältevorrates durch Vereisung im Sondenfeld vorgenommen. Zur Realisierung ist erfindungsgemäß eine Anordnung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betrieb eines Erdwärmesondenfeldes zur Gewinnung von Wärme und der Speicherung von Kälte, wobei in einem zusammenhängenden Sondenfeld Erdwärmesonden angeordnet sind.
Stand der Technik
Für die Gewinnung von Erdwärme aus dem oberflächennahen Erdreich werden Erdwärmesonden mit Zirkulation und/oder mit Phasenwechsel genutzt. Für die Bereitstellung größerer Wärmemengen sind mehrere Erdwärmesonden erforderlich. Bei den Erdwärmesonden mit Zirkulationspumpen wird ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch über ein Leitungssystem, das in die Bohrung eingebaut ist, umgepumpt und mit dem Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch die Wärme nach oben transportiert. Bei den Erdwärmesonden mit Phasenwechsel befindet sich in dem Bohrloch ein mit Kältemittel gefülltes Rohr, in dem der Transport der Wärme über den Kältemitteldampf erfolgt. Der unter Einfluss der Erdwärme entstandene Dampf gibt an der Oberfläche seine Kondensationswärme an einen Wärmepumpenkreislauf ab. Für die Übertragung großer Wärmemengen werden mehrere Sonden gemeinsam eingesetzt, um die erforderliche Energie aus dem Erdreich zu gewinnen. Bei großen Sondenanzahlen spricht man auch von Sondenfeldern. Die Sonden werden dicht nebeneinander auf einer Fläche angeordnet, so dass sie Wärme aus dem gleichen Erdreich entziehen. Für die Gewinnung von Energie und die Speicherung von Wärme im Erdreich sind Sondenfelder hergestellt worden, die aus mehreren Hundert Stück bestehen. Durch diese große Anzahl entstehen Anordnungen, bei denen es Randsonden an der Peripherie des Sondenfeldes und Zentrumssonden gibt. Die bisher hergestellten Sondenfelder haben innerhalb eines Feldes immer Sonden gleicher Länge eingesetzt.
Diese Anordnungen weisen aufgrund des notwendigerweise geringen Abstandes der Sonden untereinander eine Beeinflussung beim Wärmeentzug aus dem Erdreich untereinander auf, so dass die Peripheriesonden geringer und die Zentrumssonden stärker abkühlen. Durch diese Situation ergeben sich für die inneren Zentrumssonden deutlich geringere Temperaturen und damit ungünstige thermodynamische Bedingungen für die Energiegewinnung aus der Wärmequelle Erdreich. Die Zentrumssonden können somit nicht optimal genutzt werden und regenerieren sich schlechter.
Neben einer Gewinnung von Erdwärme aus Sondenfeldern wird auch die Speicherung von Wärme in Sondenfeldern betrieben. Durch die hohe Mobilität des Grundwassers ist die Speicherung besonders an geologische Strukturen gebunden, die eine geringe Durchlässigkeit besitzen, so dass das natürlich fliesende Grundwasser die eingespeicherte Wärme nicht oder nur geringfügig aus dem Sondenfeld heraustransportieren kann (s. Bauer, D. u. a.; Untersuchungen zur Grundwasserbeeinflussung von Erdsondenspeichern; Geothermiekongress 2008; Karlsruhe).
Für die Speicherung von Energie werden auch Eisspeicher eingesetzt (s. http://www.esb-waerme.de/fileadmin/user_upload/pdf/Microsoft_PowerPoint_-Vortrag_3_isocal.pdf). Diese Speicher bestehen aus geschlossenen Behältern oder Zisternen, die neben anderen Energiequellen in den Hydraulikkreis für die Heizung und Kohlung eingeordnet werden.
Charakteristik der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Erdwärmesondenfeld herzustellen und zu betreiben, in dem die Beeinflussung durch den Wärmeentzug in radialer und auch axial in Richtung der Tiefe bezüglich der thermodynamischen und geologischen Bedingungen berücksichtigt und in dem die Energie verlustarm gespeichert wird und/oder Energie im Erdreich mit Sondenfeldern so zu speichern, dass der natürliche Grundwasserstrom die gespeicherte Energie nicht aus dem erschlossenen Sondenfeld heraus transportiert.
Dies wird dadurch erreicht, dass erfindungsgemäß für die Verbesserung der Regeneration die inneren Zentrumssonden tiefer in das Erdreich gebaut werden als die Randsonden. Mit dieser Anordnung wird der untere Teil mehrerer Zentrumssonden oder einer Zentrumssonde, wenn er über die Tiefe der Randsonden hinaus tiefer in das Erdreich ragt, im unteren Abschnitt selbst zur Peripherie des Sondenfeldes. Die außenliegenden Sonden oder Sondenabschnitte werden von der umgebenden regenerativen Erdwärme direkt ohne einen Einfluss umliegenden Sonden erreicht. Dadurch werden die Temperaturen im Umfeld dieser Sonden weniger abgesenkt. Außerdem wird von den tieferen Sonden ein Energiereservoir erschlossen, das durch den geothermischen Gradienten eine höhere Temperatur besitzt. Mit dem Einsatz von längeren Zentrumssonden erschließt man eine größere Wärmemenge im Erdreich, die zur Versorgung der inneren Sonden mit Wärme aus der Wärmequelle Erdreich beiträgt. Die innenliegenden längeren Sonden verringern damit eine extreme Auskühlung des Erdreichs im Zentrum des Sondenfeldes. Zusätzlich besteht die Aufgabe, das Sondenfeld, dass während der Betriebsphase des Wärmeentzugs besonders im Zentrum stark ausgekühlt wurde, während der unterschiedlich langen Ruhephasen ohne Einsatz von Fremdenergie in seinem Temperaturniveau schnell zu erhöhen, also energetisch zu regenerieren. Dies wird dadurch erreicht, dass das Sondenfeld im Zentrum zumindest teilweise mit tieferreichenden Phasenwechselsonden ausgebaut wird. Die Phasenwechselsonden im Zentrum des Sondenfeldes werden im oberen Teil von dem kälteren, stark vom Wärmeentzug des Sondenfeldes beeinflussten Erdreich und im unteren Teil vom deutlich wärmeren Erdreich umgeben. Unter diesen Bedingungen wird dann in der Ruhephase der Prozess der Eigenzirkulation durch die Temperaturdifferenz zwischen dem unteren und dem oberen Bereich der Phasenwechselsonde angeregt. Das Kältemittel verdampft im unteren „warmen” Teil und kondensiert im oberen stark ausgekühlten Teil der Phasenwechselsonde. Mit der Verdampfung des Kältemittels in der Phasenwechselsonde in dem unteren warmen Teil wird somit die Wärme aus dem Erdreich entzogen und in den oberen kalten Teil, ohne zusätzliche Fremdenergie, transportiert. Oben wird die Wärme durch Kondensation an das Erdreich übertragen. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Temperaturen im Zentrum des Sondenfeldes schneller regeneriert werden. Entgegen der sonst nur konduktiv wirkenden Wärmeströmung durch das Erdreich wird mit den Phasenwechselsonden die Regeneration aktiv durch den Thermosiphonprozess gesteuert unterstützt. Für die Wärmegewinnung werden die Sonden im Sondenfeld so angeordnet und betrieben, dass in den Ruhephasen die Zentrumssonden effektiver regeneriert und in den Betriebsphasen geringer abgekühlt werden. Dadurch verbessern sich die thermodynamischen Bedingungen für die Energiegewinnung aus dem gesamten Erdwärmesondenfeld und seine Effizienz wird erhöht.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Kältevorrat für die Klimatisierung im Sommerhalbjahr gespeichert, der durch den Wärmeentzug aus dem Erdreich während des Winterhalbjahrs im Einzugsgebiet des Sondenfeldes angelegt wird. Die immobile Speicherung von Kälte in einem Erdwärmesondenfeld erfolgt dabei durch Anordnung von Erdwärmesonden so, dass sie ein Volumen des Erdreiches zur Energiegewinnung mit einer möglichst kleinen Oberfläche nutzen und damit eine geringe Oberfläche zum Wärmetausch anbieten und dass sie das Wasser im Erdreich vereisen. Bei der Entnahme von Wärme aus einem wassergesättigten Erdreich wird die Vereisung zur Immobilisierung der Speicherung genutzt, so dass ein Eisspeicher im natürlichen Umfeld der Erdwärmesonden erzeugt wird. Es erfolgt eine gesteuerte Abkühlung anfangs um die einzelnen Sonden im Grundwasseranstrom und weiter dann im gesamten Randbereich des Sondenfeldes. Für die Speicherung von Kälte wird das wassergesättigte Erdreich dabei unter die Gefriertemperatur des Wassers abgekühlt, so dass sich nach und nach ein Erdreich-Eiskörper rings um das Sondenfeld bildet, der den natürlichen Grundwasserstrom innerhalb des Sondenfeldes verhindert und ihn um das Sondenfeld herum ableitet. Die Abkühlung des Sondenfeldes erfolgt gesteuert. Nach der Vereisung des Randbereiches mit den dicht nebeneinander angeordneten Erdwärmesonden wird anschließend auch im Inneren des Sondenfeldes Wärme entzogen, so dass ein kompakter Erdreich-Eiskörper entsteht, in dem die gespeicherte Kälte in einer großen Menge festgelegt ist und nicht durch die Grundwasserströmung abtransportiert wird. Der Wärmeentzug wird so gesteuert, dass die äußere Vereisung während der Kältespeicherung erhalten bleibt. In dem Sondenfeld werden die latente Vereisungswärme des Wassers und die Abkühlung des Erdreichs als Kälte gespeichert. Die Kälte wird dann bedarfsgerecht über Zirkulationserdwärmesonden zur Kühlung auszirkuliert und dem Verbraucher bereitgestellt. Die Erdwärmesondenfelder werden dabei so dimensioniert, dass sie sowohl die Grundlast für die Wärme, als auch die Grundlast für die Kälte liefern. Überwiegt der Wärmebedarf in der saisonalen Bilanz den Kältebedarf, dann sind außerhalb des Vereisungsmantels vorgelagerte Erdwärmesonden anzuordnen, die nur für den Wärmeentzug oberhalb der Vereisungstemperatur betrieben werden. Die Abdeckung des Kältebedarfes hat bei der Dimensionierung Priorität. Während des Gefrierprozesses wird der Eigenzirkulationsprozess in den längeren Phasenwechselsonden im Zentrum durch ein Absperrventil oder zumindest durch eine Apparatur mit einem hohen Strömungswiderstand unterbrochen. Die Kältegewinnung beginnt im Innern des Sondenfeldes und in der vom Grundwasserstrom abgewandten Seite, so dass die gespeicherte Energie weitgehend unbeeinflusst von den natürlichen hydrogeologischen Strömungsbedingungen des Grundwassers in einem großen Umfang einer Nutzung zugeführt wird. Um die solaren Einflüsse und die Volumenänderungen durch den Frost-Tau-Wechsel zu reduzieren, erhalten die Abschnitte der Erdwärmesonden kurz unter der Geländeoberkante eine Isolation. Die im Inneren des Sondenfeldes angeordneten Erdwärmesonden werden in größeren Abständen angeordnet, so dass sie die erforderliche Wärme bis zur Vereisung des Gefrierkörpers entnehmen und mit der Kälteentnahme den Gefrierkörper vollständig auftauen, um die Kristallisationswärme des Grundwassers und die Kälte aus dem abgekühlten Erdreich zu entnehmen. Nach dem Auftauprozess wird weiter Kälte entnommen bis das Erdreich für den Klimatisierungsprozess keinen Nutzen mehr liefert und für einen optimalen Wärmeentzug wieder regeneriert ist. Die Zirkulationssonden zur Kälteentnahme im Randbereich werden in einem größeren Abstand als die Sonden zur Wärmeentnahme für die Vereisung angeordnet.
Vorteile der Erfindung
Mit den längeren Sonden im Zentrum eines Sondenfeldes erreicht man ein günstigeres Betriebsverhalten des Erdwärmesondenfeldes für die Wärmegewinnung und bei der Verwendung von Phasenwechselsonden eine vorteilhafte fremdenergiefreie Regeneration des Sondenfeldes. Weiterhin benötigt man für das Sondenfeld weniger Platz an der Oberfläche, ohne die bereitgestellte Wärmemenge dabei einzuschränken. Die geringere Flächenausdehnung führt durch kurze Entfernungen zu geringeren Aufwendungen beim Bau und Betrieb der Leitungssysteme. Die höhere Temperatur im Erdwärmesondenfeld verbessert gleichzeitig die Effizienz der Wärmepumpenanlagen für die regenerative Wärmegewinnung. Mit der Unterbrechung des Eigenzirkulationsprozesses in den Phasenwechselsonden wird die Regeneration des Erdwärmesondenfeldes bedarfsrecht und gezielt gesteuert.
Eine Speicherung von Energie im Erdreich ist nur effizient, wenn die Speicherverluste gering sind. In Sondenfeldern, die aus Erdwärmesonden bestehen, hat die Speicherung von Kälte durch Vereisung des Wassers die Vorteile, dass die Energie in einem immobilen Kältespeicher festgelegt ist, dass die Kristallisationswärme des Wassers eine hohe Energiedichte hat und weniger Raum zur Speicherung benötigt wird, dass die Temperaturdifferenz zwischen Speicher und dem natürlichen Erdreich geringer als bei Wärmespeichern mit hohen Speichertemperaturen ist, dass die Energiebilanz bei einer Aufgabenstellung von Heizen und Kühlen hocheffizient ist, dass eine große Kältemenge durch den gesteuerten Gefrierprozess gespeichert, dass die Anordnung des Erdwärmesondenspeichers geologisch unabhängig am Verbraucherstandort errichtet wird, dass die Kältefahnen durch den verhinderten Wärmetransport über den Grundwasserstrom deutlich reduziert sind und dass die Anwendung der Speicherung nicht an geringdurchlässige Böden gebunden ist. Gegenüber herkömmlichen Speichern, die eine bauliche Begrenzung durch eine Behälterwand nutzen, wird mit vereisten Erdwärmesondenspeichern die Begrenzung durch die Vereisung selbst geschaffen, so dass der zusätzliche Bauaufwand entfällt.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen zu den Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1: Schema für ein Erdwärmesondenfeld mit verlängerten Zentralsonden (Seitenansicht)
2: Schema für ein Erdwärmesondenfeld zur Kältespeicherung (Seitenansicht)
3: Schema für ein Erdwärmesondenfeld zur Kältespeicherung (Draufsicht)
Das Erdwärmesondenfeld besteht aus mehreren zusammenliegenden Erdwärmesonden, die gemeinsam zur Gewinnung und zur Speicherung von Wärme betrieben werden. Um eine möglichst große Wärmemenge aus dem Erdreich zu gewinnen oder in das Erdreich einzuspeichern werden die Sonden gleichzeitig betrieben und beeinflussen sich gegenseitig. Das Erdwärmesondenfeld (1) mit mehreren Erdwärmesonden besteht aus den Randsonden 1 und den Zentrumssonden 2. Bei dem Wärmeentzug aus dem Erdreich werden die Zentrumssonden 2 bei gleichmäßiger Entnahme stärker abgekühlt als die Randsonden 1. Die Zentrumssonden 2 werden gegenüber den Randsonden 1 temperaturabhängig gesteuert geringer belastet, so dass eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung im Erdwärmesondenfeld entsteht. Damit erhält man für die Wärmegewinnung günstigere Entnahmetemperaturen, so dass die Effektivität für die Nutzung des Erdwärmesondenfeldes verbessert wird. Die stärkere Beanspruchung der Zentrumssonden 2 im zentralen Auskühlungsbereich 5 wird durch eine Verlängerung ausgeglichen. Die Zentrumssonden 2 werden über den zentralen Auskühlungsbereich 5 hinaus verlängert, so dass sie von Randsonden 1 in unbeeinflusste Tiefen vordringen und dort Wärme mit einer höheren Temperatur gewinnen.
Ein Erdwärmesondenfeld (2 und 3) besteht aus wesentlich größeren Anzahlen von Erdwärmesonden, so dass in dem zentralen Auskühlungsbereich 5 eine Vielzahl von Zentralsonden 13 angeordnet wird. Diese Zentralsonden 13 und die Zentrumssonde 2 haben untereinander einen größeren Abstand als die Randsonden 1 untereinander. So gibt es Zentralsonden 13, die weitere Zentralsonden 13 im Inneren des Sondenfeldes neben sich haben und Zentralsonden 13, die als Nachbarsonden Zentrumssonden 2 oder Randsonden 1 aufweisen. In solchen großen Sondenfeldern werden die weiter innen liegenden Sonden jeweils länger als die äußeren Sonden eingebaut. Darüber hinaus sind vor den Randsonden 1 in dem anströmenden Grundwasserstrom 6 (2) vorgelagerte Wärmeentzugssonden 14 angeordnet. Mit dieser Anordnung erhält man bei richtiger Dimensionierung eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung im Erdwärmesondenfeld und verbessert damit die Effizienz des Erdwärmesondenfeldes. In den längeren Zentralsonden 13 sind Absperrventile angeordnet mit denen die Temperatur im zentralen Auskühlungsbereich 5 des Erdwärmesondenfeldes geregelt wird.
Auch für die Regeneration werden die längeren Zentrumssonden 2 vorteilhaft eingesetzt. Sie transportieren auch in der Regenerationsphase Wärme aus den tieferen Schichten in dem zentralen Auskühlungsbereich 5 des Erdwärmesondenfeldes. Die Ausführung der Zentrumssonden 2 als Phasenwechselsonde fördert den Prozess der Regeneration ohne zusätzlichen Einsatz von Fremdenergie. Phasenwechselsonden sind mit einem verdampfbaren Arbeitsmittel gefüllt und arbeiten nach dem Thermosiphonprinzip. Das Arbeitsmittel wird in dem unteren wärmeren Teil einer Zentrums- oder Zentralsonde verdampft und entzieht dem Erdreich die Verdampfungswärme. Im oberen kälteren Teil der Zentrums- oder Zentralsonde 2 bzw. 13 wird der Dampf an dem ausgekühlten Erdreich kondensiert und gibt dort die Kondensationswärme an das Erdreich ab. Dieser Prozess läuft während der Betriebsruhe ab, bis sich der Temperaturunterschied entlang der Sonde ausgeglichen hat und optimiert damit die Regeneration im oberen Bereich des Erdwärmesondenfeldes.
Die Kältemittel Ammoniak, Propan und Kohlendioxid eignen sich gut als Arbeitsmittel in Phasenwechselsonden. Die Beobachtungsbohrungen auf CO₂-Speichern, die vollständig mit dem Arbeitsmittel CO₂ gefüllt sind, werden vorteilhaft von einem Sondenfeld mit flacheren Bohrungen eingebunden, das mit der tiefen zentralen Phasenwechselsonde wesentlich besser regeneriert wird. Für die Wärmegewinnung in dem System werden damit Energiequellen für die Wärmeversorgung der Tagesanlagen der CO₂-Speicher erschlossen.
Erdwärmesondenfelder werden im saisonalen Wechsel betrieben. Im Winterhalbjahr wird Wärme entzogen und das Erdreich abgekühlt und im Sommerhalbjahr wird das Erdreich im Erdwärmesondenfeld thermisch regeneriert. Erdwärmesondenfelder werden während des Betriebes zur Wärmeentnahme abgekühlt und in den restlichen Zeiten regeneriert. Diese Regeneration wird durch die Zuführung von Wärme über die Erdwärmesonden unterstützt. Die Bilanz der entnommenen Wärme, zu der aus dem natürlichen Energievorrat des Erdreiches und der von außen zugeführten Wärme, wird ausgeglichen gestaltet, so dass eine langfristige Nutzung über die Lebensdauer des Erdwärmesondenfeldes gewährleistet wird. Durch die Nutzung sowohl zur Wärmeentnahme als auch zur Kühlung wird die Speicherfähigkeit des Erdreiches und des Grundwassers genutzt. Für die Verringerung der Speicherverluste werden in dem Erdwärmesondenfeld die Randsonden 1 in einem wesentlich geringeren Abstand angeordnet (3), so dass sie bei dem Wärmeentzug aus dem Erdreich den Bereich um die Randsonde 1 und auch die Zwischenräume zwischen den Randsonden 1 vereisen. Für diesen Prozess ist es erforderlich, dass die Randsonden 1 bis zum Eintritt der Vereisung ausschließlich oder zumindest verstärkt genutzt werden. Nach dem die Randbereiche vereist sind, ist die Grundwasserströmung 6 durch das Erdwärmesondenfeld nicht möglich und die gespeicherte Energie kann nicht abtransportiert werden, so dass die Speicherverluste reduziert werden. Diese gesteuerte Vereisung des Sondenfeldes wird angewandt, um einen möglichst großen Eiskörper als Kältespeicher anzulegen. Ebenso reduzieren sich mit diesem Verfahren die extrem langen Wärme- bzw. Kältefahnen, die durch ein unbegrenztes, frei durchströmbares Erdwärmesondenfeld entstehen. Die Zentralsonden 13 werden mit einem größeren Abstand untereinander angeordnet und entziehen dem Innenbereich die Wärme, bis auch diese wasserführenden Bereiche vereist sind. Im Randbereich werden alle Erdwärmesonden zum Wärmeentzug und zum Aufbau des Eismantels eingesetzt. Zum Auszirkulieren der Kälte wird nur ein Teil – in der Regel nur jede dritte Sonde – genutzt. Die Erdwärmesonden 1, 2, 3 werden im oberen stark von der Umgebungswärme beeinflussten Erdreich mit der Isolierung 15 versehen, um den Aufbau des Eismantels zu beschleunigen und die Bodenhebungen durch den Frost-Tau-Wechsel zu verringern. Die als Phasenwechselsonden im Inneren des Erdwärmesondenfeldes betriebenen Zentrumssonden 2 und Zentralsonden 13 werden an dem unteren Niveau der Erdwärmesonden geringer Tiefe im Erdwärmesondenfeld mit einem Absperrventil 7 (oder mit einer Strömungswiderstandsapparatur) ausgerüstet, das während der aktiven Vereisung geschlossen wird (2). Damit wird die ungewünschte Regeneration in dieser Betriebsphase unterbrochen. Der zur Vereisung ausgewählte Teil des Erdwärmesondenfeldes innerhalb der Randsonden 1 wird so ausgelegt, dass er in der Lage ist, die Klimakälte im saisonalen Wechsel bereitzustellen. Bei einem Mehrbedarf an Wärme werden im Umfeld um den Gefrierkörper weitere vorgelagerte Erdwärmesonden 14 (3) angeordnet. Ebenso werden in den als Phasenwechselsonden betriebenen Sonden 2, 13 im Inneren des Erdwärmesondenfeldes die Absperrventile 7 geöffnet oder die hohen Strömungswiderstände beseitigt, so dass aus der größeren Tiefe ebenfalls Wärme dem Erdwärmesondenfeld zugeführt werden kann. Der Prozess des Vereisens und des Wiederauftauens wird durch Temperatursensoren am Rand und auch im Innern des Erdwärmesondenfeldes erfasst und auf der Grundlage dieser Messwerte überwacht und gesteuert. Der Vereisungsprozess wird beginnend von außen nach innen und Auftauprozess in umgekehrter Richtung gesteuert ausgeführt. Die Steuerung wird auf die Gesamteffizienz der bedarfsgerechten Wärme- und Kälteversorgung optimiert. Zur Steuerung des Prozesses werden sowohl der Wärmeentzug über Wärmepumpen, als auch die Kältegewinnung durch Auszirkulieren bedarfsgerecht an ausgewählten Sondengruppen vorgenommen, so dass die Speicherung und der Wärmeentzug für das System bezüglich der Energieeffizienz optimiert werden. Die Randsonden bilden dabei eine eigenständig steuerbare Sondengruppe, so dass der zügige Aufbau und die Aufrechterhaltung des Eismantels während der Kältespeicherung gesteuert betrieben werden kann. In Abhängigkeit von den geologischen Bedingungen, den Sondenkonfigurationen und dem Bedarf der Verbraucher werden die Regime für die Wärmebereitstellung und die Kühlung konzipiert.
Im Grundwasserstrom 6 sind die Temperaturmessketten 10 im Anstrom und 11 im Abstrom sowie und im Inneren des Erdwärmesondenfeldes die Temperaturmesskette 12 angeordnet, so dass damit der optimale Betrieb des Erdwärmesondenfeldes steuerbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Randsonde
2: Zentrumssonde
3: Geländeoberkante
4: Erdwärmestrom
5: zentraler Auskühlungsbereich
6: Grundwasserstrom
7: Absperrventil
8: Sonde im Grundwasseranstrom (Randsonde)
9: Sonde im Grundwasserabstrom (Randsonde)
10: Temperaturmesskette im Grundwasseranstrom
11: Temperaturmesskette im Grundwasserabstrom
12: Temperaturmesskette im Inneren des Erdwärmesondenfeldes
13: Zentralsonde
14: vorgelagerte Erdwärmesonde
15: Isolation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bauer, D. u. a.; Untersuchungen zur Grundwasserbeeinflussung von Erdsondenspeichern; Geothermiekongress 2008; Karlsruhe [0004]
http://www.esb-waerme.de/fileadmin/user_upload/pdf/Microsoft_PowerPoint_-Vortrag_3_isocal.pdf [0005]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Erdwärmesondenfeldes zur Gewinnung von Wärme und zur Speicherung von Kälte in einem zusammenhängenden aus mehreren Erdwärmesonden gebildeten Sondenfeld, gekennzeichnet dadurch, dass der Wärmeentzug und die Speicherung von Wärme innerhalb des Sondenfeldes unterschiedlich zwischen als Randsonden und als Zentrumssonden ausgebildeten Erdwärmesonden temperaturabhängig gesteuert werden.
Verfahren nach dem Patentanspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass nach dem Wärmeentzug aus dem Erdwärmesondenfeld die Regeneration der stark ausgekühlten Innenbereiche des Erdwärmesondenfeldes durch einen gesteuerten Betrieb der Zentrumssonden bewirkt wird.
Verfahren nach dem Patentanspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass der Wärmeentzug im Randbereich des Erdwärmesondenfeldes mit einer Maximierung für den Kältespeicher von außen nach innen und die Ausspeicherung der Kälte aus dem Sondenfeld von innen nach außen gesteuert wird.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, dass der Wärmeentzug im Erdwärmesondenfeld und die Ausspeicherung der Kälte aus dem Erdwärmesondenfeld temperaturabhängig gesteuert werden.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 3 bis 4 gekennzeichnet dadurch, dass der Wärmeentzug im Randbereich des Erdwärmesondenfeldes auf der Seite des Grundwasseranstroms, die Ausspeicherung der Kälte im Inneren des Sondenfeldes beginnt und anschließend auf der Seite des Grundwasserabstroms gesteuert wird.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 3 bis 5 gekennzeichnet dadurch, dass der Wärmeentzug im grundwasseranströmenden Randbereich des Erdwärmesondenfeldes solange betrieben wird, bis eine zusammenhängende Vereisung erfolgt, danach weiter den gesamten Randbereich vereist, bis eine geschlossener Eismantel aufgebaut ist und anschließend die Innenbereiche abgekühlt und vereist werden.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 3 bis 5 gekennzeichnet dadurch, dass die Kältegewinnung im Innenbereich durch Auftauen des Eises und Erwärmen des Erdreiches erfolgt und weiter in dem Grundwasserstrom abgewandten Randbereich des Erdwärmesondenfeldes unter Aufrechterhaltung der Eisbarriere solange betrieben wird, bis die gesamte zusammenhängende Vereisung aufgetaut und anschließend durch den Eintrag von Wärme vollständig regeneriert wird.
Anordnung zum Betrieb eines Erdwärmesondenfeldes zur Gewinnung von Wärme und der Speicherung von Kälte in dem zusammenhängenden aus mehreren Erdwärmesonden gebildeten Erdwärmesondenfeld gekennzeichnet dadurch, dass die gegenseitigen Abstände von Randsonden untereinander geringer als die gegenseitigen Abstände von Zentrumssonden untereinander und dass die Längen der Randsonden kürzer als die Längen der Zentrumssonden ausgebildet angeordnet sind.
Anordnung nach dem Patentanspruch 8 gekennzeichnet dadurch, dass die Zentrumssonden umso länger und tiefer ins Erdreich eingebaut sind, je näher sie im Zentrum stehen.
Anordnung nach dem Patentanspruch 8 gekennzeichnet dadurch, dass die Randsonden in einem geringeren Abstand angeordnet sind, so dass zwischen den Randsonden eine vereiste Wand im Erdreich ausgebildet wird.
Anordnung nach den Patentansprüchen 8 bis 10 gekennzeichnet dadurch, dass Temperaturmessstellen im Randbereich und im Zentrum des Erdwärmesondenfeldes angeordnet sind.
Anordnung nach den Patentansprüchen 8 bis 11 gekennzeichnet dadurch, dass Phasenwechselsonden und Zirkulationssonden in dem Erdwärmesondenfeld in Kombination oder wechselweise angeordnet sind, wobei die Phasenwechselsonden im Zentrum vorrangig als Regenerationssonde und im Randbereich als Vereisungssonde zum Wärmeentzug und die Zirkulationssonden vorrangig zur Ausspeicherung der Kälte angeordnet sind.
Anordnung nach den Patentansprüchen 8 bis 12 gekennzeichnet dadurch, dass länger und tiefer eingebaute Phasenwechselsonden mit einem steuerbaren Absperrventil oder mit steuerbaren Apparaturen mit einem hohen Strömungswiderstand in der Tiefe der Unterkante des Erdwärmesondenspeichers für die Kältespeicherung ausgestattet sind.
Anordnung nach den Patentansprüchen 8 bis 13 gekennzeichnet dadurch, dass die Erdwärmesonden im oberen von den solaren Einflüssen betroffenen Abschnitten isoliert ausgebildet angeordnet sind.
Anordnung nach den Patentansprüchen 8 bis 14 gekennzeichnet dadurch, dass vor den Randsonden des Erdwärmesondenspeichers zur Kältespeicherung weitere Erdwärmesonden als vorgelagerte Wärmeentzugssonden angeordnet sind.