-
Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschersonde zur Bereitstellung von Erdwärme für einen Wärmepumpenkreislauf.
-
Vorrichtungen zur Gewinnung von Wärmeenergie aus dem Erdreich sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt.
-
Dabei werden in der Regel eine oder mehrere rohrförmige Sonden, häufig als Erdwärmesonden bezeichnet, vorzugsweise aus Edelstahl oder Kunststoff, horizontal oder vertikal in das Erdreich eingebracht.
-
Die verwendeten Sonden weisen von einem Wärmeträgermedium durchströmte, je nach Ausführung in der Regel axial zu dem Bohrloch angeordnete parallele Rohre, entweder mit einer U-förmigen Umkehrung am Bohrlochgrund oder ein Außen- und ein, in diesem vorzugsweise axial angeordnetes, Innenrohr auf.
-
In der zweiten Bauform wird während des Betriebes der Sonde über einen Rücklauf ein kaltes Wärmeträgermedium aus dem Wärmepumpenkreislauf in das Innenrohr eingebracht, welches durch das Innenrohr hindurch bis zum Fuß der Sonde und in dem sich zwischen Innen- und Außenrohr ausbildenden Ringraum wieder zurück zum Kopf der Sonde strömt.
-
Während des Rückstromens durch den Ringraum der Sonde nimmt das Wärmeträgermedium die, im Erdreich vorhandene, Wärmeenergie auf und führt diese über einen, innerhalb des Sondenkopfes angeordnete Entnahmestelle, dem Vorlauf des Kreislaufs der Wärmepumpe zu.
-
Durch die Wärmepumpe wird die in dem Wärmeträgermedium enthaltende Wärmeenergie, beispielsweise für einen zu versorgenden Haushalt, nutzbar gemacht.
-
Anschließend strömt das abgekühlte Wärmeträgermedium über den Rücklauf wieder zurück in die Sonde.
-
Eine derartige Erdwärmesonde ist beispielsweise aus Druckschrift
EP 2 246 647 A2 bekannt.
-
Die hierin offenbarte Sonde weist ein äußeres Wärmetauscherrohr und ein, in dessen Inneren koaxial angeordnetes Strömungsrohr zum Zuführen eines Wärmeträgers auf.
-
Der Wärmeträger durchströmt nach dem Zuführen den Ringraum zwischen Innen- und Wärmetauscherrohr und erwärmt sich währenddessen.
-
Der erwärmte Wärmeträger wird anschließend über den Sondenkopf abgenommen.
-
Um den Wirkungsgrad zu erhöhen ist das Innenrohr erfindungsgemäß gegenüber dem Wärmetauscherrohr mit einer Isolierung versehen, welche einen Übertritt der Wärmeenergie zwischen Ringraum und Wärmeträgermedium in das Innenrohr verhindern soll, um eine höhere Entnahmetemperatur zu erreichen.
-
Die Anwendung einer derartigen Erdwärmesonde und deren konstruktive Ausführung bedingen, dass der Wärmeträger während des Pumpenbetriebs innerhalb der Sonde einer permanenten Strömungsbewegung unterliegt.
-
Es sind nach dem Stand der Technik Ansätze zur Erhöhung des Wirkungsgrades einer derartigen Erdwärmesonde bekannt, die, wie bereits beschrieben, über aufwändige Isolierungsmaßnahmen im Inneren der Sonde oder über die Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche und somit die Ausbildung sehr langer Sonden zum Einbringen in große Tiefen des Erdreichs oder durch die Optimierung des Wärmeübergangs aus dem Erdreich in die Sonde erfolgen.
-
Die Vergrößerung der effektiven Oberfläche einer Erdwärmesonde ist einerseits mit einem erheblichen Herstellungsaufwand und andererseits mit einem erhöhten Aufwand zum Einbringen der Sonde in das Erdreich verbunden.
-
Einen entsprechenden Ansatz zur Optimierung der Wärmeübertragung aus dem Erdreich in die Sonde schlägt Druckschrift
DE 10 2008 049 731 A1 vor.
-
Hierbei wird das Außenrohr als Wellrohr ausgebildet und unter Vorspannung in das Erdreich eingebracht.
-
Durch die Vorspannung soll bewirkt werden, dass das Außenrohr auch bei Geometrieänderungen stets vollflächig an dem benachbarten Erdreich anliegt und so in jedem Fall ein optimaler Wärmeübergang vom Erdreich in das Außenrohr erfolgt. Als Material wird dabei regelmäßig kostenintensiver Edelstahl verwandt.
-
Eine derartige Erdwärmesonde weist unter mehreren Aspekten Nachteile auf.
-
Zum einen ist die Herstellung des Außenrohres als Wellrohr sehr aufwändig, zum anderen sind spezielle Vorrichtungen notwendig, um das Außenrohr unter der notwendigen Vorspannung in das Erdreich zu treiben.
-
Einen anderen Weg der Verbesserung einer Erdwärmesonde zeigt Druckschrift
DE 79 11 926 U1 auf. Hierbei wird ein Flüssigkeitsbehälter in das Erdreich eingebaut. Der Flüssigkeitsbehälter weist dabei erfindungsgemäß ein großes Volumen zur Aufnahme eines Wärmeträgermediums auf. Schnelle Wärmeentnahmen können so gut gepuffert werden.
-
Im Verhältnis zum Volumen steht jedoch lediglich eine geringe wirksame Oberfläche zur Wärmeübertragung aus dem Erdreich in das Wärmeträgermedium bereit. Bei einer dauerhaften hohen Wärmeentnahme treten die Vorteile der Pufferung zurück. Die Dauerleistung ist durch die geringe Oberfläche und die Einbaulage nahe der Erdoberfläche sehr begrenzt.
-
Darüber hinaus weist die hier beschriebene Erfindung prinzipbedingt den Nachteil auf, dass das eingebrachte Wärmeträgermedium über einen, am Fuß der Sonde angeordneten, Vorlauf abgegriffen und einem Wärmepumpenkreislauf zur Verfügung gestellt wird.
-
Das Ziel, an diesem Entnahmepunkt die höchste Temperatur aufgrund des dort vermeintlich größten Wärmeeintrags in das Wärmeträgermedium anzutreffen wird allenfalls dann erreicht, wenn das Wärmeträgermedium eine permanente Strömung in Richtung des Vorlaufs vollzieht. Dagegen würde sich beispielsweise eine mittel- oder längerfristige Speicherung des Wärmeträgermediums innerhalb des Flüssigkeitsbehälters negativ auf die Funktionsweise einer derartigen Erdwärmesonde auswirken, da sich das Wärmeträgermedium während der Speicherphase zunehmend in Richtung des Sondenkopfes erwärmen würde und der Bereich der größten Erwärmung am Kopf der Sonde vorzufinden wäre.
-
Es ist darüber hinaus aus dem Stand der Technik bekannt, Erdwärmesonden derart zu verwenden, dass diesen überschüssige Energie, beispielsweise durch einen Sonnenkollektor zur Verfügung gestellt, zugeführt wird, welche die Erdwärmesonden an das benachbarte Erdreich abgeben.
-
Die überschüssige Wärmeenergie kann somit, beispielsweise in Phasen starker Sonneneinstrahlung, im Erdreich zwischengespeichert und bei Bedarf über die Erdwärmesonde wieder aufgenommen und dem Wärmepumpenkreislauf zugeführt werden.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmetauschersonde bereit zu stellen, die bei baulich einfacher und kostengünstiger Ausführung eine Entnahme der im Erdreich vorhandenen Wärmeenergie mit hohem Wirkungsgrad, auch für Spitzenlasten, ermöglicht.
-
Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Eine erfindungsgemäße Wärmetauschersonde, weiterführend auch nur als Sonde beschrieben, wird in ein vorbereitetes Bohrloch im Erdreich eingebracht.
-
Das Bohrloch selbst wird im Vorfeld des Sondeneinsatzes an der gewünschten Position mittels üblicher Bohrtechnologie in das Erdreich eingebracht; dabei erfolgt das Einbringen des Bohrlochs wahlweise senkrecht oder waagerecht oder aber in einem definierten Winkel zur Oberfläche des Erdreichs.
-
Die Sonde weist erfindungsgemäß ein Außenrohr und ein, im Inneren des Außenrohres, axial angeordnetes Innenrohr auf, wobei das Innenrohr mit einem Einlass zum Zuführen eines Wärmeträgermediums in die Sonde hinein und das Außenrohr mit einem Auslass zur Entnahme eines Wärmeträgermediums aus der Sonde heraus versehen sind.
-
Außen- und Innenrohr stehen dabei in direkter hydraulischer Verbindung mit dem Hydraulikkreislauf einer Wärmepumpe.
-
Die Erfindung beschränkt sich diesbezüglich nicht einzig auf das Vorhandensein eines einzelnen Innenrohres, vielmehr ist es auch vorstellbar, insbesondere bei der Anwendung mehrerer Wärmepumpen, eine Mehrzahl von Innenrohren innerhalb des Außenrohres anzuordnen.
-
Der Durchmesser des Innenrohres ist kleiner als der Durchmesser des Außenrohres, wodurch ein Ringraum zwischen Innen- und Außenrohr ausgebildet wird.
-
Über einen Einlass wird das kalte Wärmeträgermedium aus dem Hydraulikkreislauf der Wärmepumpe, auch als Wärmepumpenkreislauf bezeichnet, im Bereich des Sondenfußes in den Ringraum eingebracht und in diesem durch den Eintrag von Wärmeenergie erwärmt.
-
Über den Auslass des Außenrohres wird das erwärmte Wärmeträgermedium aus der Sonde entnommen und dem Hydraulikkreislauf der Wärmepumpe zugeführt. Der Auslass ist erfindungsgemäß oberhalb des Einlasses, vorzugsweise im Bereich des Sondenkopfes, angeordnet.
-
Als Sondenvorlauf wird die Abführung des Wärmeträgermediums aus der Sonde und als Sondenvorlauf die Zuführung des Wärmeträgermediums in die Sonde bezeichnet.
-
Der Sondenfuß bezeichnet den Bereich der Sonde, welcher sich an der tiefsten Stelle in dem Bohrloch befindet. Als Sondenkopf wird der der Erdoberfläche zugewandte Bereich der Sonde bezeichnet.
-
Um den Eintrag der Wärmeenergie in das Wärmeträgermedium zu bewirken, steht die Außenseite des Außenrohres zumindest teilweise in einem wärmeübertragenden Kontakt zu dem, die Sonde umgebenden, Erdreich.
-
Der Ringraum der Wärmetauschersonde ist besonders vorteilhaft als Schichtspeicher ausgebildet, wobei in dem Schichtspeicher eine thermische Zonierung des Wärmeträgermediums bewirkt wird.
-
Die thermische Zonierung des Wärmeträgermediums ist dabei als besonderer Vorteil erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass während des Betriebs der Sonde im Bereich des Sondenkopfes die wärmste Zone vorliegt, während im Bereich des Sondenfußes die kälteste Zone vorliegt. Zwischen der wärmsten und der kältesten Zone liegen laminar die Übergangszonen. Die Entnahme des Wärmeträgermediums aus der wärmsten Zone ermöglicht einen Wärmepumpenbetrieb mit einer hohen Leistungszahl.
-
Die thermische Zonierung des Wärmeträgermediums in dem Ringraum der Sonde wird dabei erfindungsgemäß dadurch vorteilhaft begünstigt, dass das Wärmeträgermedium im Betrieb innerhalb des Ringraumes eine laminare Strömung vollzieht. Es bilden sich daher in dem Ringraum keine Verwirbelungen aus, welche die thermische Zonierung des Wärmeträgermediums negativ beeinflussen.
-
Um dies zu erreichen, kann auch der Einlass des Innenrohres vorzugsweise so ausgebildet werden, dass dieser strömungsberuhigend auf das, in die, Sonde, einströmende Wärmeträgermedium wirkt.
-
Die thermische Zonierung wird im Betrieb in der Weise ausgebildet, dass am Einlass das von der Wärmepumpe abgekühlte Wärmeträgermedium mit der geringsten Temperatur und damit mit einer hohen Dichte vorliegt. Das Volumen des Ringraumes ist Teil des hydraulischen Kreislaufs der Wärmepumpe, so dass hier das Wärmeträgermedium von unten nach oben langsam nachgeführt wird. Durch die Temperaturdifferenz zu dem umgebenden Erdreich stellt sich ein Wärmestrom ein, der das Wärmeträgermedium langsam erwärmt und dem Erdreich Wärme entzieht. In Richtung Sondenkopf erhöht sich die Temperatur des Wärmeträgermediums und der Wärmestrom aus dem Erdreich verringert sich aufgrund der geringeren Temperaturdifferenz. Damit bildet sich der sogenannte Kältemantel im Erdreich der thermischen Zonierung der Sonde folgend ebenfalls thermisch zoniert aus und unterstützt so die thermische Zonierung im Ringraum der Sonde, indem der Wärmestrom aus dem Erdreich von unten nach oben mit ansteigenden Temperaturniveau erfolgt.
-
Die erfindungsgemäße Speicherwirkung im Zusammenwirken mit der thermischen Zonierung des Speichervolumens in der Sonde führt vor allem im Teillastbetrieb der angeschlossenen Wärmepumpe zu einer erheblichen Steigerung des Wirkungsgrades der anhängigen Erfindung gegenüber herkömmlichen Systemen. Unter Teillastbereich der Wärmepumpe wird im vorliegenden Fall verstanden, dass ein unterbrochener Betrieb der Wärmepumpe und damit ein unterbrochener Abgriff des Wärmeträgermediums stattfindet, wie dies vor allem in der Übergangszeit der Fall ist.
-
Aufgrund der Wirkweise des Schichtspeichers wird im Teillastbetrieb, über den Auslass des Außenrohres, das Wärmeträgermedium stets im Zustand der maximalen Erwärmung abgegriffen und für den Wärmepumpenkreislauf verfügbar gemacht. Es stehen als besonderer Vorteil der Erfindung somit, gemittelt über die Zeit, höhere Vorlauftemperaturen für die Wärmepumpe zur Verfügung, als dies bei den bekannten Vorrichtungen der Fall ist.
-
Denn während der Betriebspause der Wärmepumpe wird der Wärmeentzug aus dem Erdreich in die Sonde fortgesetzt. Dem Wärmeträgermedium bleibt in diesem Fall ausreichend Zeit, sich wieder zu erwärmen.
-
Um eine besonders effektive Speicherung der Wärmeenergie in der Wärmetauschersonde zu erzielen, ist diese in ihrer geometrischen Ausbildung, das Volumen des Ringraums betreffend, so gestaltet, dass das Wärmeträgermedium vorzugsweise einen Zeitraum von mehr als einer Stunde zum Durchströmen des Ringraums vom Sondenfuß bis zum Sondenkopf benötigt. Dies bewirkt zum einen, dass bei Teillastbetrieb, ausgehend von den üblichen Schaltphasen, genügend Volumen des Wärmeträgermediums im vorerwärmten Zustand im Außenrohr gespeichert vorliegt, welches bis zur nächsten Betriebspause ausreicht. Das von der Wärmepumpe abgekühlte und über den Einlass in Sondenfußnähe in die Sonde eingeführte Wärmeträgermedium erreicht in dieser Zeit den Auslass nicht und senkt somit die Vorlauftemperatur nicht unmittelbar ab. Die Phase der Betriebspause steht dann wieder für eine Wärmeaufnahme aus dem Erdreich zur Verfügung.
-
Zum anderen wird durch die verhältnismäßig niedrige Strömgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums in dem Ringraum eine Störung der thermischen Zonierung weitestgehend vermieden.
-
Darüber hinaus führt die geringe Strömgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums in der Sonde besonders vorteilhaft zu einem außerordentlich geringen Druckverlust zwischen Auslass und Einlass, welcher durch Nachführen des Wärmeträgermediums kompensiert werden muss. Es muss weniger Arbeit für den Umwälzpumpenbetrieb verrichtet werden.
-
Eine erfindungsgemäße Wärmetauschersonde ermöglicht somit, insbesondere im Teillastbereich, einen energieeffizienten und somit kostensparenden Wärmepumpenbetrieb.
-
Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, welche entweder ein großes Speichervolumen und eine geringe wärmeübertragende Oberfläche oder umgekehrt ein geringes Speichervolumen und eine große wärmeübertragende Oberfläche aufweisen, wird, durch die geometrische Ausbildung der Sonde in Form eines langgezogenen Rohres mit dem darin vorhandenen Speichervolumen, ein besonders gutes Verhältnis von Speichervolumen zu wärmeübertragender Oberfläche erzielt. Zudem kann eine Erstellung ohne besondere Maßnahmen durch Einbringen in ein in üblicher Technologie eingebrachtes Bohrloch erfolgen.
-
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Innenrohr gegenüber dem, sich zwischen Innen- und Außenrohr ausbildenden Ringraum, zumindest abschnittsweise mit einer thermischen Isolierung versehen ist.
-
Die thermische Isolierung des Innenrohres verhindert besonders vorteilhaft, dass ein Wärmeübertrag aus dem Ringraum in das, durch das Innenrohr, strömende Wärmeträgermedium, beziehungsweise ein Kälteübertrag von dem, durch das Innenrohr, strömenden Wärmeträgermedium in den Ringraum der Sonde erfolgt.
-
Einer Störung der thermischen Zonierung innerhalb des Ringraumes durch das, in dem Innenrohr strömende, Wärmeträgermedium und damit eine Reduzierung der Temperatur im Bereich des Sondenkopfes wird somit ebenfalls besonders wirkungsvoll begegnet.
-
Die thermische Isolierung kann dabei erfindungsgemäß durch das Aufbringen eines geeigneten Isolationsmaterials auf die Außenseite des Innenrohres oder durch Vorsehen eines Luftmantels um das Innenrohr erreicht werden.
-
Darüber hinaus kann auch das Innenrohr selbst aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen.
-
Hierfür bietet sich insbesondere die Verwendung von Kunststoff als Material für das Innenrohr an.
-
In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung besteht das Außenrohr der Wärmetauschersonde aus Stahl.
-
Stahl weist eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, wird jedoch wegen der Korrosionseigenschaften nach dem Stand der Technik als nicht geeignet für Erdwärmetauscher bewertet.
-
Es wurde gefunden, dass auch bei einer Erdwärmesonde die bei Stahl sonst üblicherweise auftretende Korrosion, speziell im Inneren des Außenrohres dadurch wirksam vermieden wird, dass stets das gleiche Wärmeträgermedium in der Wärmetauschersonde und dem angeschlossenen Wärmepumpenkreislauf verbleibt und es somit zu keinem Eintrag von Sauerstoff in die Sonde kommt.
-
Es kann somit lediglich zu Beginn der Verwendung der Sonde zu einer Korrosionsbildung kommen, welche jedoch bei Verbleib des Wärmeträgermediums in der Sonde zum Stillstand kommt und somit speziell für die Innenseite des Außenrohrs der Sonde unproblematisch ist.
-
Die Gefahr einer Korrosion an der Außenseite des Außenrohres kann durch eine Verpressung des Außenrohres in dem umgebenden Erdreich wirkungsvoll reduziert werden.
-
Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, welche vorrangig Edelstahl zum Einbringen in das Erdreich vorsehen, können durch die Verwendung von Stahl als Material für das Außenrohr der Sonde insbesondere die Beschaffungskosten enorm verringert werden.
-
Stahl bietet darüber hinaus eine hohe Druckstabilität, wodurch dessen Verwendung als Material für das Außenrohr einer erfindungsgemäßen Sonde, dieser eine hohe Festigkeit gegenüber auftretenden Druckbelastungen, sowohl im Inneren der Sonde, als auch durch das angrenzende Erdreich, verleiht.
-
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von Stahl als Material für das Außenrohr beschränkt.
-
Vielmehr kann für die Herstellung des Außenrohres auch jedes andere Material zum Einsatz kommen, welches die notwendigen Wärmedurchgangseigenschaften und Festigkeiten aufweist.
-
An dieser Stelle sind beispielsweise andere Metalle oder auch Kunststoff-Metall Verbindungen oder entsprechende Legierungen denkbar.
-
Um einen weiterführenden Schutz der Außenseite des Außenrohres gegenüber Korrosion aus dem umgebenden Erdreich, insbesondere in den sich ausbildenden Hohlräumen zwischen dem Außenrohr und dem Erdreich, zu erhalten, sieht eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass zwischen das Erdreich und das Außenrohr der Sonde eine korrosionshemmende Verfüllmasse eingebracht wird.
-
Die korrosionshemmende Verfüllmasse führt wirkungsvoll zu einer luft- und flüssigkeitsdichten Abschirmung der Außenseite des Außenrohres gegenüber dem angrenzenden Erdreich.
-
Um trotz der luft- und flüssigkeitsdichten Abschirmung der Wärmetauschersonde einen optimalen Wärmeübergang aus dem Erdreich in das Wärmeträgermedium zu erreichen, weist die Verfüllmasse darüber hinaus erfindungsgemäß wärmeleitfähige Bestandteile auf.
-
Die wärmeleitfähigen Bestandteile liegen dabei beispielsweise als Partikel innerhalb der Verfüllmasse vor.
-
Ebenso wird durch die Verfüllmasse besonders vorteilhaft eine übermäßige Deformation oder Ausdehnung des Außenrohres der Sonde, hervorgerufen durch Innendruck und Temperatureinwirkungen, in dem Bohrloch verhindert.
-
Bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen Wärmeträgermedium handelt es sich nach einer bevorzugten Variante der Erfindung um herkömmliches Wasser.
-
Die Verwendung von Wasser ist besonders deshalb von Vorteil, da Wasser zum einen kostengünstig bereitgestellt werden kann, weil hierbei im Bezug auf die Umweltverträglichkeit keine besonderen Vorkehrungen hinsichtlich eines möglichen Eintrags des Wärmeträgermediums in das Erdreich getroffen werden müssen, wie dies bei anderen, unter Umständen umweltschädlichen Wärmeträgermedien der Fall ist und dass Wasser eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweist.
-
Der Flüssigkeitsspiegel des Wärmeträgermediums in dem Außenrohr der Sonde wird vorteilhaft soweit unter der Oberfläche des Erdreichs eingestellt, dass ein Frosteintrag in den oberflächennahen Bereich des Erdreichs keinen negativen Einfluss auf die thermische Zonierung innerhalb der Wärmetauschersonde hat.
-
Um die Fließfähigkeit des Wärmeträgermediums, insbesondere bei Temperaturen im Frostbereich, zu erhalten, sieht eine ebenso vorteilhafte Variante der Erfindung vor, dass dem Wärmeträgermedium ein Frostschutzmittel beigemischt ist.
-
Temperaturen im Frostbereich treten vorrangig während des Dauerbetriebs der Wärmetauschersonde innerhalb einer Heizperiode auf, wenn dem Erdreich stetig Wärme entzogen wird und aus einem Rücklauf einer angeschlossenen Wärmepumpe das stark abgekühlte Wärmeträgermedium durch das Innenrohr in den Bereich des Sondenfußes eingebracht wird.
-
Als Frostschutz kommen vorzugsweise Glykol oder Ethanol zum Einsatz, erfindungsgemäß können aber auch alle anderen bekannten Frostschutzmittel angewendet werden.
-
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, weist die Wärmetauschersonde eine Wärmerückführungseinheit auf.
-
Die Wärmerückführungseinheit ist vorteilhaft mit einer Wärmequelle verbunden, aus der überschüssige Wärmeenergie in das, im Außenrohr befindliche, Wärmeträgermedium abgeführt wird. Erfindungsgemäß werden als Wärmequellen alle Arten von wärmeemittierenden Einrichtungen, insbesondere aber Sonnenkollektoren oder Klimaanlagen, angesehen.
-
Die Rückführung der Wärmeenergie über die Wärmerückführungseinheit wird erfindungsgemäß zum einen dazu verwendet, überschüssige Energie der Wärmequelle in die Sonde zu überführen und sowohl in der Sonde, als auch in dem angrenzenden Erdreich zu speichern. Insbesondere in heizfreien Perioden kann somit durch die Sonde und das angrenzende Erdreich überschüssige Wärmeenergie in der Art eines Pufferspeichers langfristig gespeichert und in der Heizperiode wieder an den Wärmepumpenkreislauf abgegeben werden.
-
Zum Zweiten wird durch die Rückführung der Wärmeenergie die Effizienz der Wärmetauschersonde durch Erhöhung des von dort abnehmbaren Temperaturniveaus nochmals deutlich gesteigert.
-
Die Wärmerückführungseinheit ist erfindungsgemäß entweder unmittelbar hydraulisch oder über Wärmetauscher mit dem Wärmeträgermedium der Sonde verbunden.
-
Um die angeführte Effizienzsteigerung der Wärmetauschersonde zu erzielen, weist die Wärmerückführungseinheit in einer ebenso bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ein, in dem Außenrohr der Sonde angeordnetes Ablaufrohr auf.
-
Das Ablaufrohr ist weiterhin mit einem Wärmerückführungsauslass versehen, welcher besonders vorteilhaft im Bereich des Sondenfußes angeordnet ist.
-
Über den Wärmerückführungsauslass wird im Bereich des Sondenfußes und somit im Bereich des, aus dem Kreislauf der Wärmepumpe über das Innenrohr kalt einströmenden Wärmeträgermediums, kaltes Wärmeträgermedium entnommen und mittels einer Pumpe dem Kreislauf der Wärmequelle zugeführt.
-
Die Wärmequelle erwärmt den zugeführten Teil des Wärmeträgermediums, welcher anschließend über ein Zulaufrohr wieder der Wärmetauschersonde zugeführt wird.
-
Die Zuführung des erwärmten Wärmeträgermediums in die Sonde erfolgt besonders vorteilhaft über einen, dem Zulaufrohr zugeordneten und im Bereich des Sondenkopfes angeordneten Wärmerückführungseinlass. Damit erfolgt der Eintrag des erwärmten Wärmeträgermediums aus dem Kreislauf der Wärmequelle in die thermisch wärmste Zone der Sonde, in welcher der Auslass für den Wärmepumpenkreislauf angeordnet ist. Der thermischen Zonierung der Sonde folgend und diese aufrecht erhaltend, wird damit oben das warme Wärmeträgermedium aufgegeben und unten das kalte Wärmeträgermedium entnommen. Es erfolgt damit eine, dem Wärmepumpenbetrieb entgegengesetzte, Strömung des Wärmeträgermediums. Dabei wird das Temperaturniveau des Wärmeträgermediums im Ringraum, beginnend oben, erhöht. Die zuletzt von der Wärmerückführung eingebrachte Volumeneinheit wird zuerst von dem Sondenvorlauf entnommen.
-
Setzt dann der Betrieb der Wärmepumpe ein, wird aufgrund der Zonierung und der umgekehrten Strömungsrichtung zunächst auf den Teil des zuvor von der Wärmerückführungseinheit erwärmten Teils des Wärmeträgermediums zugegriffen.
-
Bei gleichzeitigem Betrieb von Wärmepumpe und Wärmerückführungseinheit wird das, von der Wärmerückführungseinheit in die Sonde eingeleitete, erwärmte Wärmeträgermedium unmittelbar mit hoher Temperatur wieder über den Auslass dem Kreislauf der Wärmepumpe zugeführt und ermöglicht eine hohe Leistungszahl. Zugleich wird von der Wärmerückführungseinheit am Sondenfuß das, von der Wärmepumpe abgekühlte, Wärmeträgermedium unmittelbar entnommen und erhöht beispielsweise den Wirkungsgrad eines Sonnenkollektors.
-
Das Ablaufrohr der Wärmerückführungseinheit ist in einer weiteren bevorzugten Variante ebenfalls mit einer thermischen Isolierung gegenüber dem Ringraum der Sonde versehen.
-
Durch die Isolierung des Ablaufrohres wird es besonders vorteilhaft bewirkt, dass es zu keinem wesentlichen Wärmeübertrag aus dem Wärmeträgermedium in dem Ringraum in das Wärmeträgermedium in dem Ablaufrohr und somit zu keiner Störung der thermischen Zonierung in dem Ringraum der Sonde kommt.
-
Um insbesondere in einer heizfreien Periode eine effektive Speicherung überschüssiger Wärmeenergie in einfacher Weise zu ermöglichen, sieht eine weitere bevorzugte Variante der Wärmetauschersonde vor, dass eine Wärmequelle über die Wärmerückführungseinheit und einen Wärmetauscher thermisch derart mit dem Sondenrücklauf und dem darin in Richtung des Einlasses der Sonde strömenden Wärmeträgermedium verbunden ist, dass die Wärmeenergie der Wärmequelle wirkungsvoll auf das Wärmeträgermedium des Wärmepumpenkreislaufs durch übertragen wird.
-
Als besonderen Vorteil sind hierbei zusätzliche, direkt in die Sonde einzubringende, Einrichtungen nicht notwendig.
-
Es wird hierdurch vorteilhaft erzielt, dass ein in der heizfreien Periode erwärmtes Wärmeträgermedium in dem Bereich des Sondenfußes in die Sonde eingebracht wird und dadurch eine Erwärmung des gesamten, in der Sonde gespeicherten Wärmeträgermediums, auch in dem Fußbereich der Sonde, bewirkt wird. Die überschüssige Wärmeenergie der Wärmequelle kann somit wirkungsvoll langfristig bis zum Beginn der Heizperiode in dem gesamten Volumen des Wärmeträgermediums und, durch Abgabe der Wärme über das Außenrohr an das Erdreich, auch in dem angrenzenden Erdreich selbst gespeichert werden.
-
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
-
1 Prinzipdarstellung Wärmetauschersonde mit Wärmepumpenkreislauf
-
2 Prinzipdarstellung Wärmetauschersonde mit Wärmerückführungseinheit näher erläutert.
-
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Wärmetauschersonde mit einem, an diese angeschlossenen, Hydraulikkreislauf einer Wärmepumpe 7.
-
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Sonde in ein Bohrloch im Erdreich (nicht dargestellt) eingebracht wird.
-
Die Sonde weist ein Außenrohr 1 mit einem Auslass 2, sowie ein Innenrohr 3 mit einem Einlass 4 auf.
-
Über den Einlass 4 strömt ein Wärmeträgermedium (nicht dargestellt), in dem Bereich des Sondenfußes, in den, sich zwischen Innenrohr 3 und Außenrohr 1 ausbildenden, Ringraum 5. Bei dem, in den Ringraum 5 einströmenden, Wärmeträgermedium, dem Sondenrücklauf 9, handelt es sich um das abgekühlte Wärmeträgermedium aus dem Rücklauf der Wärmepumpe 7.
-
Das in den Ringraum 5 einströmende Wärmeträgermedium nimmt erfindungsgemäß die, in dem das Außenrohr 1 umgebenden Erdreich vorhandene, Wärmeenergie auf und speichert diese.
-
Die Speicherung erfolgt dabei besonders vorteilhaft nach dem Prinzip eines Schichtspeichers, in welchem sich eine thermische Zonierung des Wärmeträgermediums einstellt.
-
Die thermische Zonierung bildet sich dabei derart aus, dass die Temperatur des Wärmeträgermediums vom Sondenfuß in Richtung des Sondenkopfes stetig zunimmt.
-
Um eine optimale thermische Zonierung des Wärmeträgermediums innerhalb des Ringraums 5 zu erzielen, führt das Wärmeträgermedium nach Verlassen des Einlasses 4 innerhalb des Ringraumes 5 eine laminare Strömung aus. Die bedeutet, dass sich innerhalb der Strömung des Wärmeträgermediums keine Wirbel ausbilden, welche die thermische Zonierung stören könnten. Zu diesem Zweck ist gleichermaßen insbesondere der Einlass 4 derart in seiner geometrischen Form ausgebildet, dass dieser strömungsberuhigend auf das Wärmeträgermedium einwirkt.
-
Die weitestgehend störungsfreie thermische Zonierung des Wärmeträgermediums bewirkt besonders vorteilhaft, dass sich in dem Wärmeträgermedium innerhalb des Ringraums 5 der Sonde im Bereich des Einlasses 4 stets eine Zone niedriger Temperatur und im Bereich des Auslasses 2 stets eine Zone hoher Temperatur ausbildet.
-
Hierdurch wird die Effektivität einer erfindungsgemäßen Wärmetauschersonde, insbesondere in einem Teillastbereich der angeschlossenen Wärmepumpe 7, beispielsweise während eines periodischen Heizvorgangs, gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen erheblich verbessert, da an dem Auslass 2 stets ein hohes Temperaturniveau vorliegt und somit hohe Vorlauftemperaturen für die Wärmepumpe 7 bereitgestellt werden können. Das erwärmte Wärmeträgermedium wird über den Auslass 2, unter Zuhilfenahme einer ersten Pumpe 10, aus dem Ringraum 5 der Sonde entnommen und dem Vorlauf 8 der Wärmepumpe 7 zugeführt. Die Wärmepumpe 7 stellt die, in dem Wärmeträgermedium gespeicherte, Wärmeenergie beispielsweise einem angeschlossenen Haushalt zur Verfügung, wobei von der Wärmepumpe 7 die Wärmeenergie auf bekannte Art und Weise aus dem Wärmeträgermedium entzogen wird.
-
Das abgekühlte Wärmeträgermedium strömt anschließend aus Wärmepumpe 7 über den Sondenrücklauf 9 zurück in das Innenrohr 3 der Wärmetauschersonde.
-
Um eine unerwünschte Wärmeübertragung von dem Ringraum 5 in das Innenrohr 3 der Sonde zu verhindern, weist das Innenrohr 3 an der, dem Ringraum 5 zugewandten, Seite eine thermische Isolierung 6 auf.
-
Die Isolierung 6 gewährleistet darüber hinaus besonders vorteilhaft, dass die am höchsten erwärmte Zone des Wärmeträgermediums im Bereich des Auslasses 2, durch das einströmende und abgekühlte Wärmeträgermedium nicht selbst abgekühlt und somit negativ beeinflusst wird.
-
Als Isolationsmaterial wird beispielsweise auf Kunststoff mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit zurückgegriffen.
-
Zum Erreichen einer optimalen Übertragung der Wärmeenergie aus dem Erdreich in das Wärmeträgermedium, sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, dass das Außenrohr 1 der Wärmetauschersonde aus Stahl gefertigt ist. Stahl besitzt zum einen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und ist darüber hinaus sehr druckstabil.
-
Auf das Außenrohr 1 der Sonde einwirkende Druckbelastungen, beispielsweise durch den Innendruck des Wärmeträgermediums oder das Erdreich, können somit durch das Außenrohr 1 wirkungsvoll aufgenommen werden, ohne dass eine Beschädigung des Außenrohres 1 eintritt.
-
Es hat sich gezeigt, dass die sonst üblicherweise bei der Verwendung von Stahl auftretende Korrosion speziell im Inneren der Sonde dadurch wirkungsvoll verhindert werden kann, dass über den gesamten Einsatzzeitraum der Sonde stets das gleiche Wärmeträgermedium in der Sonde und dem angeschlossenen Kreislauf der Wärmepumpe 7 verbleibt.
-
Dadurch kommt es zu keinem Eintrag von Sauerstoff in das Gesamtsystem aus Sonde und Wärmepumpe und somit auch zu keiner, beziehungsweise nur zu einer anfänglichen, jedoch nicht fortschreitenden, Korrosion.
-
Um darüber hinaus auch eventuell auftretende Korrosion an der Außenseite des Außenrohres 1, insbesondere in Hohlräumen zwischen dem Außenrohr 1 und dem Erdreich, wirkungsvoll zu verhindern, wird ein, sich zwischen dem Außenrohr 1 und dem Erdreich bildender, Zwischenraum (nicht dargestellt) in einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, mit einer korrosionshemmenden Verfüllmasse (nicht dargestellt) ausgefüllt.
-
Der Verfüllmasse sind weiterhin wärmeleitfähige Partikel beigemischt, durch welche die optimale Übertragung der Wärmeenergie aus dem Erdreich in das Wärmeträgermedium sichergestellt wird.
-
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine erfindungsgmäße Wärmetauschersonde derart dimensioniert, dass das Außenrohr 1 einen Durchmesser von circa 0,2 m aufweist. Bei einer vorgesehenen Höhe der Sonde von circa 40 m ergibt sich ein maximales Speichervolumen von circa 1260 Litern.
-
Die Mantelfläche beträgt somit ca. 25 m2, wodurch sich ein Oberflächen-Volumen-Verhältnis von 0,02 m2 pro Liter Wärmeträgermedium in der Sonde ergibt.
-
Die vorliegende 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Wärmetauschersonde mit einer angeschlossenen Wärmerückführungseinheit.
-
Die Wärmerückführungseinheit ist vorzugsweise mit einer Wärmequelle 15 verbunden und weist ein Ablaufrohr 11 und einen, diesem zugeordneten, Wärmerückführungsauslass 12 auf. Der Wärmerückführungsauslass 12 ist besonders vorteilhaft im Bereich des Sondenfußes, genauer gesagt in der thermischen Zone des Einlasses 4 des Innenrohres 3, angeordnet. Es wird hierdurch vorteilhaft bewirkt, dass über den Wärmerückführungsauslass 12 das Wärmeträgermedium stets mit der geringsten Temperatur aus dem Ringraum 5 der Sonde entnommen wird.
-
Die Ausbildung der thermischen Zonierung innerhalb des Ringraums wird durch den Wärmerückführungsauslass nicht negativ beeinflusst.
-
Unter Zuhilfenahme einer zweiten Pumpe 16 wird das, aus dem Bereich des Sondenfußes entnommene, Wärmeträgermedium der Wärmequelle 15 zugeführt und durch diese erwärmt.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kommt als Wärmequelle 15 ein Sonnenkollektor zum Einsatz, welcher das Wärmeträgermedium durch überschüssige Wärmeenergie erwärmt.
-
Nach dem das Wärmeträgermedium die überschüssige Wärmeenergie der Wärmequelle 15 aufgenommen hat, strömt es über ein Zulaufrohr 13 und den diesem zugeordneten Wärmerückführungseinlass 14 zurück in die Wärmetauschersonde.
-
Der Wärmerückführungseinlass 14 ist erfindungsgemäß besonders vorteilhaft im Bereich des Sondenkopfes, speziell in der sich ausbildenden thermischen Zone in Höhe des Auslasses 2 angeordnet.
-
Es wurde gefunden, dass mit einer derartigen Anordnung des Wärmerückführungseinlasses 14 die Effektivität der erfindungsgemäßen Sonde nochmals deutlich gesteigert werden kann, da durch die zusätzlich bewirkte Erwärmung des Wärmeträgermediums die Vorlauftemperaturen für die angeschlossene Wärmepumpe 7, insbesondere während des Teillastbetriebes, nochmals erhöht werden können und die thermische Zonierung innerhalb der Sonde unterstützt wird.
-
Wird durch die Wärmepumpe 7 kein Wärmeträgermedium aus der Sonde entnommen, so dient diese besonders vorteilhaft als Speicher.
-
Dabei wird erfindungsgemäß zum einen die, in dem Erdreich vorhandene, Wärmeenergie in dem Wärmeträgermedium gespeichert, zum anderen ist es ebenso vorteilhaft möglich, beispielsweise während einer heizfreien Periode, überschüssige Wärmeenergie aus dem Kreislauf der Wärmequelle 15, sowohl in dem Wärmeträgermedium selbst, als auch in dem angrenzenden Erdreich zu speichern und bei Bedarf dem Kreislauf der Wärmepumpe 7 zuzuführen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Außenrohr
- 2
- Auslass
- 3
- Innenrohr
- 4
- Einlass
- 5
- Ringraum
- 6
- Isolierung
- 7
- Wärmepumpe
- 8
- Sondenvorlauf
- 9
- Sondenrücklauf
- 10
- erste Pumpe
- 11
- Ablaufrohr
- 12
- Wärmerückführungsauslass
- 13
- Zulaufrohr
- 14
- Wärmerückführungseinlass
- 15
- Wärmequelle
- 16
- zweite Pumpe
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 2246647 A2 [0009]
- DE 102008049731 A1 [0017]
- DE 7911926 U1 [0022]
