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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Energieerzeugung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine dazugehörige Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
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Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden zur Energieerzeugung insbesondere aus Erdwärme eingesetzt.
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In Mitteleuropa ist der Bereich des Erdreiches bis zu einer Tiefe von ca. 20 m unter der Geländeoberkante gewöhnlich durch saisonale Temperatureinflüsse von der Bodenoberfläche geprägt, insbesondere durch die Wirkung von Umweltwärme, die z. B. durch solare Strahlung oder versickernde Niederschläge an das Erdreich abgegeben wird. An dieser saisonal thermisch beeinflussten Bodenzone schließt sich eine neutrale Zone an, in der konstante Erdreichtemperaturen vorliegen. In dem Bereich unterhalb der neutralen Zone in Richtung Erdinneres steigt die Temperatur stetig an, wie z. B. in Mitteleuropa um ca. 2–3 K/100 m.
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Bei der geothermischen Energieerzeugung werden die verwendeten Erdreichwärmeübertrager zur Aufnahme der Abwärme des Erdreiches in horizontale Erdreichwärmeübertrager und vertikale Erdreichwärmeübertrager unterschieden, wobei die horizontalen Erdreichwärmeübertrager in der saisonal thermisch beeinflussten Bodenzone oberhalb der neutralen Zone und die vertikalen Erdreichwärmeübertrager im Untergrundbereiches unterhalb der Neutralen Zone eingesetzt werden.
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Der wirtschaftliche und nachhaltige Betrieb geothermischer Anlagen mit vertikalen Erdreichwärmeübertragern ist neben der Betriebsweise, Konfiguration und Anordnung der Wärmeübertrager maßgeblich von der thermischen Ergiebigkeit des umgebenden Erdreiches abhängig, wobei die thermischen Ergiebigkeit insbesondere durch das Wärmespeichervermögen, die Wärmeleitfähigkeit und die Temperatur des Erdreiches beeinflusst wird.
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Für den Heizbetrieb, der zumeist durch eine erdgekoppelte Wärmepumpe unterstützt wird, sind nachhaltig hohe Temperaturniveaus im Untergrund günstiger und für den Kühlbetrieb, welcher vorzugsweise als Freikühlungsbetrieb aber wahlweise auch im aktiven Kühlbetrieb erfolgt, werden nachhaltig niedrigere Temperaturniveaus angestrebt.
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Die Verbesserung der Leistungsfähigkeit geothermischer Anlagen für diese Betriebszustände lässt sich durch die Optimierung der Untergrundtemperaturniveaus mittels aktiver Maßnahmen der Temperaturstabilisierung als erzwungener Wärmeeintrag oder erzwungener Wärmeentzug für die jeweilige Betriebsart erreichen. Eine solche thermische Regeneration der saisonal thermisch beeinflussten Bodenzone wird durch die Nutzung von Überschusswärme, z. B. durch die Einkopplung von Wärme in einen vertikalen Wärmeübertrager erreicht. Die thermische Regeneration des Untergrundbereiches unterhalb der Neutralen Zone erfolgt zur Verbesserung des Kühlbetriebs gewöhnlich durch eine Wärmeauskopplung an die Luft, z. B. Freikühler, Turmkühler oder Tischkühler, oder an ein Kühlwasser.
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So ist aus der
DE 100 22 544 A1 eine Kombination einer geothermischen Anlage mit einer Solaranlage bekannt, bei der im Sommer eine überschüssige Wärmemenge aus der Solaranlage zur Regenerierung der Erdschichten in die Erdwärmesonden oder andere Erdkollektoren abgeführt wird.
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Von Nachteil ist aber, dass diese Regenerierung der Erdschichten von der Solaranlage und damit von der Sonneneinstrahlung bzw. überhaupt von der Installierbarkeit abhängig ist, was außerdem mit zusätzlichen Investitionskosten und einer Regelung verbunden ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Energieerzeugung sowie eine dazugehörige Vorrichtung zu entwickeln, welches eine thermische Regenerierung der Erdschichten im Einflussbereich von Erdreichwärmeübertragern unabhängig von einer Solaranlage im Falle eines vorgesehenen Heizbetriebes bzw. unabhängig von einer aktiven Wärmeauskopplung im Falle eines vorgesehenen Kühlbetriebs ermöglicht sowie effektiv und sehr kostengünstig ist.
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Diese Aufgabe wird verfahrensseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und vorrichtungsseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3 sowie 5 bis 10.
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Das neue Verfahren zur Energieerzeugung sowie die dazugehörige Vorrichtung beseitigen die genannten Nachteile des Standes der Technik.
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Vorteilhaft bei der Anwendung des neuen Verfahrens zur Energieerzeugung, bei dem aus Erdwärme eine Abwärme gewonnen wird, ist es, dass Tiefenwärme und Oberflächenwärme miteinander kombiniert werden, so dass im Sommer eine Wärmemenge von der Oberflächenwärme an die Tiefenwärme und im Winter eine Wärmemenge von der Tiefenwärme an die Oberflächenwärme übertragen wird.
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Das planmäßige gesteuerte thermische Be- und Entladen des Untergrundbereiches unterhalb der Neutralen Zone gegen die saisonal thermisch beeinflusste Bodenzone oberhalb der neutralen Zone wird mittels gesteuerter oder geregelter Umwälzung des Wärmeträgerfluids realisiert. Dabei wird wahlweise saisonal in der warmen Jahreszeit Wärme aus dem Bereich oberhalb der neutralen Zone in den Bereich unterhalb der neutralen Zone zum Zwecke der nachhaltigen Temperaturerhöhung eingetragen oder in der kalten Jahreszeit aus dem Bereich unterhalb der neutralen Zone Wärme in den Bereich oberhalb der neutralen Zone zum Zwecke der nachhaltigen Temperaturabsenkung mittels eines Zirkulationskreislaufes verlagert.
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Vorteilhaft bei der Anwendung der neuen Vorrichtung zur Energieerzeugung, bestehend aus mindestens einem Verbraucherkreislauf, wobei der Verbraucherkreislauf eine Förderpumpe, einen Verbraucher und mindestens einem Erdreichwärmeübertrager aufweist, ist es, dass als Erdreichwärmeübertrager im Verbraucherkreislauf ein vertikaler Erdreichwärmeübertrager und ein weiterer Wärmeübertrager, insbesondere ein horizontaler Erdreichwärmeübertrager, strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet sind, wobei der vertikale Erdreichwärmeübertrager und der horizontale Erdreichwärmeübertrager über einen Zirkulationskreislauf strömungstechnisch miteinander verbunden sind. Durch den Zirkulationskreislauf erfolgt ein planmäßiger, geregelter, saisonaler thermischer Wärmemengenausgleich zwischen einer Bodenzone oberhalb und unterhalb der neutralen Zone mittels der erzwungenen Umwälzung des Wärmeträgerkreislaufes. Damit wird eine signifikante Leistungssteigerung der Geothermieanlage erreicht. Diese Leistungssteigerung wird umso deutlicher ausgeprägt, je geringer der laterale Wärmetransport mit dem Grundwasser am Standort ist, und liegt zwischen 10 bis 30%.
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Das neue Verfahren zur Energieerzeugung sowie die dazugehörige Vorrichtung sollen anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
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Dazu zeigen:
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1: Schematische Darstellung der Vorrichtung zur Energieerzeugung in einem ersten Ausführungsbeispiel und
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2: Schematische Darstellung der Vorrichtung zur Energieerzeugung in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Die neue Vorrichtung zur Energieerzeugung besteht in einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 1 im Wesentlichen aus einem Verbraucherkreislauf 1 und einem Zirkulationskreislauf 2, wobei der Verbraucherkreislauf 1 und der Zirkulationskreislauf 2 über vier Dreiwegeventile 3 miteinander gekoppelt sind.
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In dem Verbraucherkreislauf 1 ist eine Förderpumpe 6 und ein Verbraucher 5 angeordnet, wobei je nach Betriebsart der Verbraucher 5 dem Wärmeträgerfluid des Verbraucherkreislaufes 1 eine Wärmemenge entzieht oder um eine Wärmemenge erwärmt.
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Im Zirkulationskreislauf 2 sind neben den beiden Dreiwegeventilen 3 eine Förderpumpe 6, ein vertikaler Erdreichwärmeübertrager 7 und ein horizontaler Erdreichwärmeübertrager 8 angeordnet.
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Gemäß der 2 ist in einem zweiten Ausführungsbeispiel der neue Vorrichtung zur Energieerzeugung der vertikale Erdreichwärmeübertrager 7 und der horizontale Erdreichwärmeübertrager 8 in den zwei getrennten Verbraucherkreisläufen 1 mit jeweils einen Verbraucher 5 strömungstechnisch verbunden.
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Die Wirkungsweise der neuen Vorrichtung zur Energieerzeugung soll nun am ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 1 erläutert werden, wobei je nach Betriebsart in Heizbetrieb und Kühlbetrieb sowie in Sommerbetrieb und Winterbetrieb unterschieden wird.
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Im Heizbetrieb wird am Verbraucher 5 eine Wärmemenge abgenommen, wobei gleichzeitig dem Wärmeträgerfluid des Verbraucherkreislaufes 1 diese Wärmemenge entzogen wird. Liegt zusätzlich der Sommerbetrieb vor, so wird über die Dreiwegeventile 3 eine Wärmemenge durch den horizontalen Erdreichwärmeübertrager 8 dem Erdreich der saisonal thermisch beeinflussten Bodenzone entzogen. Diese gewonnene Wärmemenge wird im horizontalen Erdreichwärmeübertrager 8 auf das Wärmeträgerfluid des Verbraucherkreislaufes 1 übertragen und durch die Förderpumpe 4 über das Dreiwegeventil 3 zum Verbraucher 5 gefördert. Im Verbraucher 5 wird dem Wärmeträgerfluid des Verbraucherkreislaufes 1 diese Wärmemenge entzogen. Anschließend gelangt das nun abgekühlte Wärmeträgerfluid über das Dreiwegeventil 3 wieder in den horizontaler Erdreichwärmeübertrager 8 und der Kreislauf beginnt vom neuen.
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Wird keine Wärmemenge oder nur eine Teilwärmemenge über den Verbraucher 5 abgeführt, so wird durch das Verstellen der Dreiwegeventile 3 diese überschüssige Wärmemenge über das Dreiwegeventil 3 und die Förderpumpe 6 in den vertikalen Erdreichwärmeübertrager 7 gefördert. Im vertikalen Erdreichwärmeübertrager 7 gibt das Wärmeträgerfluid diese überschüssige Wärmemenge an das Erdreich des Untergrundbereiches unterhalb der Neutralen Zone ab. Anschließend gelangt das Wärmeträgerfluid über das Dreiwegeventil 3 wieder in den horizontalen Erdreichwärmeübertrager 8 und der Kreislauf beginnt von neuen.
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Liegt neben dem Heizbetrieb auch der Winterbetrieb vor, so wird bei vollständiger oder teilweise Abnahme der bereitgestellten Wärmemenge durch den Verbraucher 5 die Wärmemenge über den vertikalen Erdreichwärmeübertrager 7 dem Erdreich des Untergrundbereiches unterhalb der Neutralen Zone entzogen und auf das Wärmeträgerfluid des Verbraucherkreislauf 1 übertragen. Durch die Förderpumpe 4 wird das erwärmte Wärmeträgerfluid über das Dreiwegeventil 3 zum Verbraucher 5 gefördert, wobei das Wärmeträgerfluid im Verbraucher 5 die aufgenommene Wärmemenge abgibt. Anschließend gelangt das nun abgekühlte Wärmeträgerfluid über das Dreiwegeventil 3 wieder in den vertikalen Erdreichwärmeübertrager 7 und der Kreislauf beginnt vom neuen.
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Wird im Winterbetrieb keine Wärmemenge oder nur eine Teilwärmemenge über den Verbraucher 5 abgeführt, so wird durch das Verstellen der Dreiwegeventile 3 diese überschüssige Wärmemenge über die Förderpumpe 6 und das Dreiwegeventil 3 in den horizontalen Erdreichwärmeübertrager 8 gefördert. Im horizontalen Erdreichwärmeübertrager 8 gibt das Wärmeträgerfluid diese überschüssige Wärmemenge an das Erdreich der saisonal thermisch beeinflussten Bodenzone ab. Anschließend gelangt das Wärmeträgerfluid über das Dreiwegeventil 3 wieder in den vertikalen Erdreichwärmeübertrager 7 und der Kreislauf beginnt von neuen.
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Im Kühlbetrieb wird am Verbraucher 5 eine Wärmemenge durch das Wärmeträgerfluid des Verbraucherkreislaufes 1 aufgenommen. Liegt zusätzlich der Sommerbetrieb vor, so wird der Verbraucherkreislauf 1 derart angesteuert, dass diese aufgenommene Wärmemenge über den vertikalen Erdreichwärmeübertrager 7 an das Erdreich des Untergrundbereiches unterhalb der Neutralen Zone abgegeben wird.
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Wird im Verbraucher 5 durch das Wärmeträgerfluid des Verbraucherkreislaufes keine Wärmemenge oder nur eine Teilwärmemenge aufgenommen, so wird die restliche Wärmemenge durch das Verstellen der Dreiwegeventile 3 über den horizontalen Erdreichwärmeübertrager 8 aus dem Erdreich der saisonal thermisch beeinflussten Bodenzone entnommen.
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Liegt neben dem Kühlbetrieb auch der Winterbetrieb vor, so wird der Verbraucherkreislauf 1 derart angesteuert, dass die durch das Wärmeträgerfluid des Verbraucherkreislaufes 1 aufgenommene Wärmemenge über den horizontalen Erdreichwärmeübertrager 8 an das Erdreich der saisonal thermisch beeinflussten Bodenzone abgegeben wird. Wird im Verbraucher 5 durch das Wärmeträgerfluid des Verbraucherkreislaufes keine Wärmemenge oder nur eine Teilwärmemenge aufgenommen, so wird die restliche Wärmemenge durch das Verstellen der Dreiwegeventile 3 über den vertikalen Erdreichwärmeübertrager 7 aus dem Erdreich des Untergrundbereiches unterhalb der Neutralen Zone entnommen.
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Alternativ ist es denkbar, den vertikalen Erdreichwärmeübertrager 7 als Erdwärmesonde, Energiepfähle, geothermisch aktivierter Bauteile oder mittels eines Förderbrunnen und eines Injektionsbrunnen auszuführen. Ebenso ist es denkbar, den horizontalen Erdreichwärmeübertrager 8 als horizontalen Erdreichkollektor auszuführen.
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Dabei ist es denkbar, die Kreisläufe jeweils mit einer Vorlauftemperaturmessung, Rücklauftemperaturmessung und Durchflussmessung auszustatten sowie die Förderpumpe 4, die Förderpumpe 6 und die Dreiwegeventile 3 regelbar auszuführen und über eine geeignete Regelung anzusteuern.
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Dabei ist es auch denkbar, zur laufenden Erfassung des Temperaturprofils des Erdreiches, über die Länge des vertikalen Erdreichwärmeübertragers 7 und/oder des horizontalen Erdreichwärmeübertragers 8 mehrere Temperatursensor anzuordnen und diese mit einer geeigneten Mess-, Steuerungs- bzw. Regelungstechnik zur Auswertung der gemessen Sensorsignale zu verbinden und in die Ansteuerung der neuen Vorrichtung einfließen zu lassen.
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Insbesondere ist es dann denkbar, die Regelung computergesteuert mit nach energetischen Gesichtpunkten festgelegten Regelregimes auszuführen. So könnte z. B. ein integriertes Wärmemengenmanagement die Förderpumpe 4, die Förderpumpe 6 und die Dreiwegeventile 3 dann ansteuern, wenn der zu erwartende energetische Nutzen, wie die Anhebung oder Reduzierung der Erdreichtemperaturen, den energetischen Aufwand in Form des Strombedarf der Förderpumpen 4, 6 und der MSR-Technik übersteigt oder die Umweltbedingungen keine weitere bestimmungsgemäße Leistungsverbesserung der neuen Vorrichtung erwarten lassen.
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Hierbei ist auch denkbar, die computergesteuerte Regelung, insbesondere das integrierte Wärmemengenmanagement internetfähig bzw. fernwirkfähig auszuführen. Zu dem können in der computergesteuerten Regelung Ergebnisse einer numerischen Thermosimulation der Erdbereiche und/oder spezifische Nutzerverhalten programmtechnisch berücksichtigt werden, so dass ein langjähriges Monitoring, z. B. der Wärmemengen, Betriebszustände oder der gemessenen Temperaturen realisierbar ist.
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Denkbar ist es, den Verbraucherkreislauf 1 über den Verbraucher 5 wärmetechnisch mit einem Wärmepumpenkreislauf zu verbinden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbraucherkreislauf
- 2
- Zirkulationskreislauf
- 3
- Dreiwegeventil
- 4
- Förderpumpe
- 5
- Verbraucher
- 6
- Förderpumpe
- 7
- vertikaler Erdreichwärmeübertrager
- 8
- horizontaler Erdreichwärmeübertrager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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