DE102015002744B4

DE102015002744B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Aufkonzentration und Nutzung von Erdwärme in einem Grundwasserkreislauf

Info

Publication number: DE102015002744B4
Application number: DE102015002744.1A
Authority: DE
Inventors: Bruno Bernhardt; Jürgen Stamm; Marc Sick
Original assignee: IEG Industrie Engineering GmbH
Current assignee: IEG Industrie Engineering GmbH
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2019-05-09
Anticipated expiration: 2035-03-06
Also published as: DE102015002744A1

Abstract

Vorrichtung zur Aufkonzentration und Nutzung von Erdwärme in einem Grundwasserkreislauf, die Vorrichtung zumindest einen Grundwasser-Zirkulationsbrunnen (30) und eine außerhalb des Brunnens angebrachte Wärmepumpenanlage (18) mit einem Verdampfer und einem Verflüssiger umfasst, wobei der Grundwasser-Zirkulationsbrunnen (30) aufweist:
- einen Brunnenschacht oder einer Brunnenbohrung mit einem oberen Filterbereich (21) und einen unteren Filterbereich (22), dadurch gekennzeichnet, dass
- einen Vorlaufbehälter (25), der mit einem oberen Abschnitt des unteren Filterbereichs (22) in fluider Verbindung steht,
- ein Ansaugrohr (10), das sich von dem Vorlaufbehälter (25) zu einer Umwälzpumpe (15) erstreckt, von der sich ein Druckrohr zu dem Verdampfer der Wärmepumpenanlage (18) erstreckt,
- einen Rücklauf (11) von dem Verdampfer der Wärmepumpenanlage (18) in einen mit dem oberen Abschnitt des oberen Filterbereichs (21) in fluider Verbindung stehenden Behälter mit Überlauf (17),
- ein zweites Ansaugrohr (20), das mit einem unteren Abschnitt des unteren Filterbereichs (22) in fluider Verbindung steht und sich zu einer zweiten Umwälzpumpe (16) erstreckt, von der sich ein zweites Druckrohr zu dem Verflüssiger der Wärmepumpenanlage (18) erstreckt,
- einen Verflüssiger-Rücklauf (13) von dem Verflüssiger der Wärmepumpenanlage (18) in einen Verflüssiger-Rücklaufbehälter (24), der unter dem Behälter mit Überlauf (17) mit einem unteren Abschnitt des oberen Filterbereichs (21) in fluider Verbindung steht,
wobei um den Brunnenschacht oder die Brunnenbohrung zwischen dem oberen Filterbereich (21) und dem unteren Filterbereich (22) eine mehrschichtige Grundwasser-Kreislaufströmung (33) mit einem Energiespeichervolumen (27) ausbildbar ist, und dass
die Vorrichtung eine Wärmetauscheranlage (19) aufweist,
- zu der sich ein mittels Ventil (14) absperrbarer Abzweig des Druckrohrs nach der Umwälzpumpe (15) und
- von der sich ein Rücklauf (12) in den Verflüssiger-Rücklaufbehälter (24) erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufkonzentration und Nutzung von Erdwärme in einem Grundwasserkreislauf sowie die Verwendung der Vorrichtung als Energiespeicher für Heiz- oder Kühlzwecke.
Da Grundwasser im Vergleich zu Luft und Erde die effektivste Wärmequelle für eine Wärmepumpe darstellt, sind aus dem Stand der Technik Grundwasserwärmepumpen bekannt, bei denen Grundwasser aus einem Entnahmebrunnen entnommen, durch einen Wärmetauscher geleitet und in einen Schluckbrunnen zurückgeführt wird. Einige Systeme führen das Grundwasser direkt durch den Verdampferwärmetauscher der Wärmepumpe, während andere das Grundwasser durch einen externen Wärmetauscher leiten, von dem die Energie an den Verdampferwärmetauscher übertragen wird. Ob ein externer Wärmetauscher verwendet wird, hängt beispielsweise von der Qualität des Grundwassers ab. So führt beispielsweise eisen- und manganhaltiges Wasser zu Verockerung bzw. Oxidierung, wodurch eine häufigere Wartung erforderlich wird, die an einem externen Wärmetauscher einfacher durchzuführen ist. Wenn Grundwasserströmung vorliegt, sollte der Schluckbrunnen stromabwärts angeordnet sein, um zu vermeiden, dass das in den Schluckbrunnen eingebrachte abgekühlte Wasser die Temperatur des Grundwassers am Entnahmebrunnen senkt. Stehendes Grundwasser hingegen ist für herkömmliche Grundwasserwärmepumpenanlagen ungünstig, da es bei Wärmepumpenbetrieb ausgekühlt würde, sodass langfristig die nutzbare Energie abnimmt.
DE 79 01 640 U1 offenbart eine Verdampfervorrichtung für Wärmepumpen, in der der Austausch zwischen warmem, aus dem Erdreich herausgepumpten Wasser und einem Kältemittel erfolgt. Diese Vorrichtung besteht aus einem Verdampferrohr, an dessen unteren Ende sich eine Pumpe befindet, einem Saugrohr, das an das untere als Ansaugstutzen ausgebildete Ende der Pumpe angeschlossen ist, und Leitungen, die sich am oberen Ende des Verdampferrohrs befinden und zum Anschluss des Verdampferrohrs an den Kompressor und zur Rückführung des abgekühlten Wassers vorgesehen sind.
Ein Grundwasserbehandlungssystem mit unterirdischen Einlass-, Behandlungs- und Auslassabschnitten ist aus US 2003/0189010 A1 bekannt. Der Einlassabschnitt ist dazu ausgebildet, Grundwasser aus einer grundwasserführenden Schicht zu sammeln. Der Behandlungsabschnitt umfasst ein austauschbares Behandlungsmedium und ist dazu ausgebildet, das Grundwasser aus dem Einlassabschnitt aufzunehmen und das Grundwasser dem Behandlungsmedium auszusetzen. Der Auslassabschnitt ist dazu ausgebildet, das Grundwasser aus dem Behandlungsabschnitt aufzunehmen und das Grundwasser in die grundwasserführende Schicht auszugeben.
DE 42 18 255 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausspülen von im Erdreich vorhandenen Verunreinigungen. Dazu wird in dem verunreinigten Erdreich ein dynamischer Spülflüssigkeitsberg geschaffen, mit dessen Flüssigkeit eine Kreislaufströmung im Erdreich über einen eingebrachten Brunnenschacht erzeugt wird. Der Strömungsweg der Kreislaufströmung wird über eine Reinigungsvorrichtung geführt.
DE 42 04 991 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Beeinflussung von im Erdreich befindlichen Flüssigkeiten, wobei einem Flüssigkeitskreislauf, der mittels einer in einem Schacht angeordneten Pumpe erzwungen wird, ein Teilstrom zu einer außerhalb des Erdreiches befindlichen Behandlungs- oder Verwertungsvorrichtung entzogen wird. Zur Vermeidung einer Absenkung des Flüssigkeitsspiegels wird dieser Teilstrom durch einen rückgeleiteten oder zusätzlichen Flüssiganteil ersetzt, der in den Flüssigkeitskreislauf eingebracht wird.
Aus WO 2009/039839 A1 ist eine Vorrichtung zur Nutzung von Erdwärme in einem Grundwasserkreislauf bekannt, die einen Grundwasser-Zirkulationsbrunnen (nachfolgend abgekürzt mit GZB) und eine außerhalb des Brunnens angebrachte Wärmepumpenanlage umfasst. Der GZB weist einen durch ein Hauptrohr mit Durchtrittsöffnungen oberhalb und unterhalb eines Querverschlusses gebildeten Brunnenschacht oder eine Brunnenbohrung mit einem oberen Filterbereich und einen unteren Filterbereich auf. Ein Förderrohr erstreckt sich aus dem unteren Innenraum über eine Umwälzpumpe zu der Wärmepumpe oder dem Wärmetauscher, und ein Rücklauf erstreckt sich von der Wärmepumpe oder dem Wärmetauscher in den oberen Innenraum.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hinsichtlich Effektivität verbesserte Grundwasserwärmepumpenvorrichtung zu schaffen, die auch zum Einsatz in Gebieten mit stehendem Grundwasser geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die weitere Aufgabe, ein entsprechendes Verfahren zur Aufkonzentration und Nutzung von Erdwärme in einem Grundwasserkreislauf zu schaffen, wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7 gelöst.
Weiterbildungen/bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Anspruch 10 offenbart die ganzjährige Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Energiespeicher für Heiz- oder Kühlzwecke.
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufkonzentration und Nutzung von Erdwärme in einem Grundwasserkreislauf weist zumindest einen Grundwasser-Zirkulationsbrunnen und eine außerhalb des Brunnens angebrachte Wärmepumpenanlage mit einem Verdampfer und einem Verflüssiger auf. Der Grundwasser-Zirkulationsbrunnen wird durch einen Brunnenschacht oder eine Brunnenbohrung bzw. ein Brunnenrohr mit einem oberen Filterbereich und einem unteren Filterbereich gebildet, wobei ein Vorlaufbehälter innerhalb des Brunnenschachts/-rohrs vorgesehen ist, der mit einem oberen Abschnitt des unteren Filterbereichs in fluider Verbindung steht. Von dem Vorlaufbehälter erstreckt sich ein Ansaugrohr zu einer Umwälzpumpe, von der sich ein Druckrohr zu dem Verdampfer der Wärmepumpenanlage erstreckt, während ein Rücklauf von dem Verdampfer der Wärmepumpenanlage in einen Behälter mit Überlauf mündet, der ebenfalls im Inneren des Brunnenschachts/-rohrs angeordnet ist. Dieser Behälter steht mit dem oberen Abschnitt des oberen Filterbereichs in fluider Verbindung. Ein zweites Ansaugrohr, das bis unter den Vorlaufbehälter reicht und mit einem unteren Abschnitt des unteren Filterbereichs in fluider Verbindung steht, erstreckt sich zu einer zweiten Umwälzpumpe, von der sich ein zweites Druckrohr zu dem Verflüssiger der Wärmepumpenanlage erstreckt. Von dem Verflüssiger der Wärmepumpenanlage wiederum verläuft ein Verflüssiger-Rücklauf in einen Verflüssiger-Rücklaufbehälter, der unter dem Behälter mit Überlauf mit einem unteren Abschnitt des oberen Filterbereichs in fluider Verbindung steht. Durch diesen Aufbau kann um den Brunnenschacht oder die Brunnenbohrung zwischen dem oberen Filterbereich und dem unteren Filterbereich eine mehr-schichtige Grundwasser-Kreislaufströmung mit einem definierten Energiespeichervolumen ausgebildet werden. Weiter weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Wärmetauscheranlage, beispielsweise eine Wärmeabgabeanlage, zur zeitlich intermittierenden Entnahme eines Teils des Kreislaufvolumens zu Heiz- oder Kühlzwecken auf. Zu dieser Wärmetauscheranlage verläuft ein mittels Ventil absperrbarer Abzweig des Druckrohrs nach der Umwälzpumpe. Von der Wärmetauscheranlage erstreckt sich ein Rücklauf in den Verflüssiger-Rücklaufbehälter.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Anordnung geschaffen, die für ein ständiges Kreislaufvolumen von Grundwasser im Bodenkorngerüst sorgt. Das Grundwasser-Kreislaufvolumen dient als aufheizbarer Energiespeicher, dem zeitlich begrenzt derart geringe Grundwassermengen für Heiz- oder Kühlzwecke entnommen und wieder dem Kreislauf zugeführt werden, dass das gesamte Kreislaufvolumen stets gleichgroß bleibt und eine Mindesttemperatur eingehalten werden kann. Dies wird erreicht, indem das Kreislaufvolumen über eine dreidimensionale vertikale Grundwasser-Zirkulationsströmung im Bodenkorngerüst um die Brunnenbohrung respektive den Brunnenschacht mit einem oberen und unteren Filterbereich für den Brunnenab- und -zulauf durch das Pumpensystem mit stetigen Saugspannungspotentialen am Brunnenansaugfilter und im Bereich des gesamten Kreislaufvolumens erzeugt wird. Dabei wird der Brunnenab- und -zulauf über die außerhalb des Brunnens angebrachte Wärmepumpenanlage geführt und die entzogene Wärme im 24-Stunden-Betrieb auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt und dem Kreislaufvolumen wieder zugeführt, bis ein Teil des Kreislaufvolumens für Heiz- oder Kühlzwecke zeitlich intermittierend entnommen und dem Grundwasser-Zirkulationsbrunnen nach der Energieübertragung wieder zugeführt werden kann, ohne dass eine wesentliche Abkühlung des Kreislaufvolumens erfolgt. So kann das Kreislaufvolumen ganzjährig als Energiespeicher für Heiz- oder Kühlzwecke verwendet werden.
Um Energieverluste zu vermeiden, wenn die beiden Umwälzpumpen mit unterschiedlicher Hubleistung arbeiten, steht der Verdampfer-Rücklauf-Behälter über den Überlauf mit dem zweiten Ansaugrohr innerhalb des Brunnenschachts oder Brunnenrohrs in fluider Verbindung, der/das somit keine Trennplatte zwischen oberem und unterem Filterbereich aufweist. Ein Teilstrom des Verdampfer-Rücklaufs kann somit im Inneren des Brunnens direkt zu dem zweiten Ansaugrohr gelangen. Entsprechend weniger wird dann aus der Zirkulationsströmung um den/das Brunnenschacht/-rohr angesaugt.
Der Grundwasser-Zirkulationsbrunnen einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann als Brunnenrohr oder als länglicher Brunnenschacht mit ein- oder zweiseitiger Brunnenumlaufströmung als Grundströmung mit parallel verlaufenden Strömungs- oder Saugspannungslinien geschaffen werden.
Für die Ausbildung der Zirkulationsströmungslinien im laminaren Fluss sind Umwälzpumpen bevorzugt, die im Ansaug- und Druckstrom annährend frequenzfrei (pulsationsfrei) sind. Die dadurch ermöglichten konstanten Saugspannungspotentiale sorgen für konstante Stromlinien der mehrschichtigen Grundwasser-Kreislaufströmung.
Um das ständige Grundwasser-Kreislaufvolumen im Bodenkorngerüst, das als aufheizbarer Energiespeicher dient, bei Vorliegen einer Grundströmung vor Abdriftung zu schützen, kann die Vorrichtung außerhalb dieses Kreislaufs einen oberstromigen Entnahmebrunnen und einen unterstromigen Schluckbrunnen aufweisen, die bevorzugt ebenfalls als Grundwasser-Zirkulationsbrunnen ausgebildet sind.
Ein bevorzugtes Kreislauffluid bzw. Kältemittel der Wärmepumpenanlage ist CO₂, sodass der Wärmetauscher direkt mit dem Grundwasserkreislauf in Kontakt kommen darf. In Abhängigkeit einer gewünschten/geforderten Temperaturerhöhung des Kältemittels im Verdichter, können mit CO₂ als Kältemittel relativ hohe Verdichterdrücke erforderlich sein. Aus diesem Grund und weil bislang der Wärmetauscher in Kältekreisläufen mit CO₂ als Kältemittel durch das im Verdichter eingesetzte Schmiermittel verschmutzt wird, wenn nicht für eine aufwändige Abtrennung des Schmiermittels aus dem Kältemittel gesorgt wird, wurde in diesem Bereich bislang kein CO₂ sondern üblicherweise Alkohole als Kältemittel eingesetzt. In einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird als Verdichter der Wärmepumpenanlage ein schmiermittelfrei betreibbarer faltbarer Ringzylinder eingesetzt, der dauerhaft Verdichtungsdrücke bis zu 100 bar bereitstellen kann und kein Schmiermittel für den Betrieb benötigt. Ein solcher faltbarer Ringzylinder ist in dem Patent des Anmelders DE 10 2013 008 027 B3 offenbart, auf deren Inhalt hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
Die Durchführung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Aufkonzentration und Nutzung von Erdwärme in einem Grundwasserkreislauf verwendet eine erfindungsgemäße Vorrichtung wie vorstehend beschrieben. Das Verfahren umfasst die Ausbildung und kontinuierliche Erwärmung einer mehrschichtigen Grundwasser-Kreislaufströmung mit einem Energiespeichervolumen um den Brunnenschacht /die Brunnenbohrung des Grundwasser-Zirkulationsbrunnens zwischen dem oberen Filterbereich und dem unteren Filterbereich durch die folgenden Schritte:

a) Ansaugen eines ersten Grundwasser-Teilvolumenstroms einer ersten Temperatur durch den oberen Abschnitt des unteren Filterbereichs aus einer mittleren Schicht der mehrschichtigen Grundwasser-Kreislaufströmung in den Vorlaufbehälter und durch das Ansaugrohr mittels der Umwälzpumpe zu dem Verdampfer der Wärmepumpenanlage,
b) Rückführen des abgekühlten ersten Grundwasser-Teilvolumenstroms mit einer zweiten Temperatur, die kleiner als die erste Temperatur ist, von dem Verdampfer der Wärmepumpenanlage über den Verdampfer-Rücklauf in den Behälter mit Überlauf und zumindest teilweise durch den oberen Abschnitt des oberen Filterbereichs in eine äußere Schicht der mehrschichtigen Grundwasser-Kreislaufströmung,
c) Erwärmen des zumindest teilweise zurückgeführten Grundwasser-Teilvolumenstroms in der äußere Schicht der mehrschichtigen Grundwasser-Kreislaufströmung durch Wärmeübertragung aus der Umgebung von der zweiten Temperatur, die kleiner als die Temperatur des umgebenden Grundwassers außerhalb der Grundwasser-Kreislaufströmung ist, auf eine dritte Temperatur,
d) Ansaugen eines zweiten Grundwasser-Teilvolumenstroms mit der dritten Temperatur durch den unteren Abschnitt des unteren Filterbereichs aus der äußeren Schicht der mehrschichtigen Grundwasser-Kreislaufströmung durch das zweite Ansaugrohr mittels der zweiten Umwälzpumpe zu dem Verflüssiger der Wärmepumpenanlage,
e) Rückführen des zweiten Grundwasser-Teilvolumenstroms mit einer vierten Temperatur, die größer ist als die dritte Temperatur, von dem Verflüssiger der Wärmepumpenanlage über den Verflüssiger-Rücklauf in den Verflüssiger-Rücklaufbehälter und durch den unteren Abschnitt des oberen Filterbereichs in die mittlere Schicht der mehrschichtigen Grundwasser-Kreislaufströmung,

Bei unterschiedlichen Hubleistungen der beiden Förderpumpen kann in Schritt b) ein Teil des abgekühlten ersten Grundwasser-Teilvolumenstroms aus dem Behälter mit Überlauf über den Überlauf durch das Innere des Brunnenrohrs oder Brunnenschachts ohne Passage der Grundwasser-Kreislaufströmung um das Brunnenrohr oder den Brunnenschacht zu dem zweiten Ansaugrohr rückgeführt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann die mehrschichtige Grundwasser-Kreislaufströmung mit dem Energiespeichervolumen um den Brunnenschacht oder die Brunnenbohrung des Grundwasser-Zirkulationsbrunnens bei Vorliegen einer Grundströmung durch einen oberstromigen Grundwasser-Zirkulationsentnahmebrunnen außerhalb des Kreislaufes und unterstromigen Grundwasser-Zirkulationsschluckbrunnen außerhalb des Kreislaufes vor Abfluss geschützt werden. Zusätzlich kann dabei eine Wärmeübertragung von dem oberstromigen Entnahme-Grundwasser-Zirkulationsbrunnen zu dem Energiespeichervolumen des Grundwasser-Zirkulationsbrunnens erfolgen.
Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:

1 Stromlinien-Isochoren einer dreidimensionalen vertikalen Zirkulationsströmung in einem isotropen und zwei anisotropen Bodenkorngerüsten mit dem daraus berechenbare Energiespeichervolumen,
2 Stromlinienbilder im vertikal ebenen Symmetrieschnitt oben mit und unten ohne Grundströmung,
3 ein Stromlinienbild im vertikal ebenen Symmetrieschnitt bei Vorliegen einer Grundströmung mit oberstromigem Entnahmebrunnen und unterstromigem Schluckbrunnen zur Erzeugung eines Stromlinienbildes im Energiespeicher des mittigen Grundwasser-Zirkulationsbrunnens ohne Grundströmung,
4 eine Draufsicht auf ein Grundwasser-Zirkulationsbrunnenrohr mit Saugspannungspotential-Stromlinienverlauf und horizontaler Wirkfläche,
5 eine Draufsicht auf einen länglichen Grundwasser-Zirkulationsbrunnenschacht mit Saugspannungspotential-Stromlinienverlauf und horizontaler Wirkfläche,
6 eine Längsschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung aus Grundwasser-Zirkulationsbrunnen, Wärmepumpenanlage und Wärmeabgabeanlage mit angedeuteten Strömungswegen,
7 eine Längsschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung aus Grundwasser-Zirkulationsbrunnen als einseitiger Schachtwand-Brunnen, Wärmepumpenanlage und Wärmeabgabeanlage mit angedeuteten Strömungswegen,
8 eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage mit Grundwasser-Teilströmen und Temperaturen,
9 eine Längsschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Stromlinienbild der mehrschichtigen Grundwasser-Kreislaufströmung mit Energiespeicher-Einträgen und -Überträgen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Aufkonzentration von Erdwärme im Grundwasser mit einer Wärmepumpenanlage und einem Grundwasser-Kreislaufvolumen durch einen rohr- oder schachtförmigen Grundwasser-Zirkulationsbrunnen, der einen oberen und unteren Filterbereich aufweist, die durch einen Vollrohr- bzw. einen Vollwandabschnitt voneinander beabstandet sind. Zwei Umwälzpumpen wirken innerhalb oder außerhalb des Brunnens mit annähernd frequenzfreien Saug- und Druckstrom zur Bildung eines temperaturgeschichteten Kreislaufvolumens des Grundwasser-Zirkulationsbrunnens.
1 verdeutlicht mit Stromlinien-Isochoren einer dreidimensionalen vertikalen Fluid-Zirkulationsströmung jeweils das Energiespeichervolumen 27 im Rechts- oder Linkskreislauf, das ausschließlich über Saugspannungspotentiale 26 im Grundwasser-Zirkulationsbrunnen 30 entstehen kann und sich für die jeweiligen Fälle Isotropie, Anisotropiefaktor 5 und Anisotropiefaktor 10 verschiedener Bodenkorngerüste berechnen lässt. Hierunter ist die hydraulische Durchlässigkeit zu verstehen, wobei üblicherweise im Bodenkorngerüst die Durchlässigkeit in horizontaler Richtung aufgrund wirksamerer Porenkanälen größer als in vertikaler Richtung ist. Das Verhältnis der Durchlässigkeit in horizontaler zu vertikaler Richtung wird als Anisotropiefaktor bezeichnet, der für Sande beispielsweise zwischen 2 und 10 liegen kann.
Bei dem temperaturgeschichteten Kreislaufvolumen des Grundwasser-Zirkulationsbrunnens kann über die stetig erneuernde Außenkreislaufgrenzfläche die Erdwärme in das Kreislaufvolumen in Temperatur-Schichten einfließen und das Kreislaufwasser über die außerhalb des Kreislaufsystems befindliche Wärmepumpeanlage auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt werden, sodass das aufgeheizte Kreislaufvolumen im jährlichen täglichen 24-Stunden-Betrieb einen derart großen energiereichen Energiespeicher ergibt, dass in Heizperioden eine Teilstromentnahme aus dem inneren Kreislaufvolumen für Heizzwecke eine äußerst wirtschaftliche Wärmebilanz ergibt.
2 zeigt Stromlinienbilder eines Grundwasser-Zirkulationsbrunnens 30 mit Energiespeichervolumen 27, das sich für einen Anisotropiefaktor von 6 ergibt, im vertikal ebenen Symmetrieschnitt. Während das untere Bild eine unbeeinflusste Kreislaufströmung 33 bei stehendem Grundwasser verdeutlicht, d. h., ohne Vorliegen einer Grundströmung, zeigt das obere Stromlinienbild eine verzerrte Kreislaufströmung des Energiespeichervolumens 27, die bei vorliegender Grundströmung mit Zustrom 31 und Abstrom 35 entsteht. Die gestrichelte Linie S verdeutlicht die Lage des Staupunkts der Grundströmung beim Auftreffen auf die Kreislaufströmung 33, wo der Betrag der Geschwindigkeiten der gegeneinander gerichteten Strömungen 31,33 gleich groß ist.
Um eine derartige Abdriftung in einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Erwärmung von Grundwasser in einem Grundwasser-Zirkulationsbrunnen über einen Pumpenkreislauf unter Bildung eines definierten Energiespeichers, mit diskontinuierlicher Teilstromentnahme für Heiz- und Kühlzwecke, zu vermeiden, werden ein oberstromiger Entnahme- und unterstromiger Schluckbrunnen 28,29 eingesetzt, wie in 3 skizziert. Dort sind Stromlinienbilder der Vorrichtung im vertikal ebenen Symmetrieschnitt mit Zu- und Abstrom 31,35 der Grundströmung gezeigt, wobei die Anordnung des oberstromigen Entnahme- und unterstromigen Schluckbrunnens 28,29 ein ungestörtes Stromlinienbild der Kreislaufströmung 33 des Grundwasser-Zirkulationsbrunnens entsprechend dem Stromlinienbild ohne Grundströmung erzeugt, sodass das Energiespeichervolumen 27 gegen Abströmung bzw. Abfluss geschützt ist. Um dies zu erreichen, sollte die Entnahmemenge am Entnahmebrunnen 28, der wie der Schluckbrunnen 29 im vorliegenden Beispiel ebenfalls als Grundwasser-Zirkulationsbrunnen 27 ausgebildet ist, der Zustrom-Menge 31 entsprechen. Ferner sollen die Durchmesser der Kreislaufströmungen 32,34, die an dem Entnahme- und dem Schluckbrunnen 28,29 ausgebildet werden, dem Durchmesser der Kreislaufströmung 33 des Grundwasser-Zirkulationsbrunnen 30 der Vorrichtung zur Ausbildung des Energiespeichervolumens 27 entsprechen.
Bei größerem Energiebedarf für das Energiespeichervolumen 27 der Kreislaufströmung 33 kann aus der Entnahmemenge, die dem oberstromigen Grundwasser-Zirkulationsbrunnen-Kreislauf 32 entnommen wird und der Menge der Zulauf-Grundströmung entspricht, Energie über die Wärmepumpen entnommen werden und in das Kreislauf-Energiespeicher-Volumen 27 eingeleitet werden, ehe die aus dem Zulauf der Grundströmung entnommene Grundwassermenge wieder in den unterstromigen Schluckbrunnen eingeleitet wird. So kann der Kreislauf-Energiespeicher gegen Abdriftung durch Grundströmung geschützt und die im Grundwasserzustrom enthaltene Energie genutzt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein ständiges Kreislaufvolumen von Grundwasser im Bodenkorngerüst als aufheizbarer Energiespeicher geschaffen, der vor Abdriftung geschützt werden kann und dem zeitlich begrenzt derart geringe Grundwassermengen für Heiz- oder Kühlzwecke entnommen und wieder dem Kreislauf zugeführt werden, dass das Kreislaufvolumen stets gleichgroß ist und eine Mindesttemperatur eingehalten werden kann.
Die wird erreicht, indem ein Kreislaufvolumen über eine dreidimensionale vertikale Grundwasser-Zirkulationsströmung im Bodenkorngerüst um eine Brunnenbohrung (vgl. 4) oder einen Brunnenschacht (vgl. 5) mit einem oberen und unteren Filterbereich für den Brunnenab- und -zulauf durch Pumpensysteme mit stetigen Saugspannungspotentialen am Brunnenansaugfilter und im Bereich des gesamten Kreislaufvolumens erzeugt wird. Dabei wird der Brunnenab- und -zulauf über eine außerhalb des Brunnens angebrachte Wärmepumpenanlage geführt und die entzogene Wärme im 24-Stunden-Betrieb auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt und dem Kreislaufvolumen wieder zugeführt, bis ein Teil des Kreislaufvolumens für Heiz- oder Kühlzwecke zeitlich intermittierend entnommen und dem Grundwasser-Zirkulationsbrunnen nach der Energieabgabe wieder zugeführt werden kann, sodass keine wesentliche Abkühlung des erwärmten Kreislaufvolumens erfolgt und das Kreislaufvolumen ganzjährig als Energiespeicher für Heiz- oder Kühlzwecke verwendet werden kann.
4 zeigt in der Draufsicht die horizontale Wirkfläche 36 eines Grundwasser-Zirkulationsbrunnens 30 mit Brunnenrohr, das aus oberen und unteren Filterabschnitten 21,22 sowie Vollrohrabschnitt 23 besteht. Die dargestellten Saugspannungspotential-Linien 26 stellen den Stromlinienverlauf des Brunnenablaufs aus umlaufenden oberen Filterabschnitten 21 dar.
5 zeigt in der Draufsicht die horizontale Wirkfläche 36 eines Grundwasser-Zirkulationsbrunnens 30 mit länglichem Brunnenschacht, der aus oberen und unteren Filterabschnitten 21,22 sowie Vollwandabschnitt 23 besteht. Durch den länglichen Brunnenschacht lassen sich parallele Stromlinienverläufe bzw. Saugspannungspotential-Linien 26 erzeugen, die im dargestellten Beispiel einseitig sind, entsprechend der Anordnung der oberen und unteren Filterabschnitten 21,22 (siehe 7). Anders als in 5 dargestellt kommen auch Grundwasser-Zirkulationsbrunnen in Betracht, bei denen der längliche Brunnenschacht zur Ausbildung einer zweiseitigen Brunnenumlaufströmung als Grundströmung mit parallel verlaufenden Strömungs- oder Saugspannungslinien ausgebildet ist.
Die durch den Grundwasser-Zirkulationsbrunnen mit länglichem Schacht erzeugten parallelen Saugspannungspotential-Linien 26, ähnlich einer Grabenanströmung, haben die geringsten Dispergierverluste. Ein parallel gegenüberliegender Brunnenschacht mit Berührung der Saugspannungspotential-Linien 26 beider Brunnenschächte kann sehr effektiv eine berechenbare rechteckige Kreislauffläche ohne bedeutende Energieverluste erzeugen.
In 6 ist ein Grundwasser-Zirkulationsbrunnen 30 dargestellt, der als Rohr- oder Schacht-Brunnen mit oberer und unterer Brunnen-Filterfläche 21,22 ausgebildet sein kann. Das Energiespeichervolumen 27 wird durch die Kreislaufströmung - hier durch eine Saugspannungspotential-Linie 26 nur angedeutet - erzeugt. Zur Vollendung eines Kreislaufs passiert ein erster Grundwasser-Teilstrom Q₁, angesaugt von der Umwälzpumpe 15 in dem Ansaugrohr 10, den unteren Filterbereich 22 in einem oberen Abschnitt und gelangt in den Verdampfer-Vorlaufbehälter 25 und von dort über besagtes Ansaugrohr 10 in den Verdampfer V der Wärmepumpenanlage 18 (vgl. 8). Der dort abgekühlte Grundwasser-Teilstrom Q₁* gelangt über den Rücklauf 11 in den Behälter mit dem Überlauf 17 und tritt dort durch den oberen Bereich des oberen Filterabschnitts 21 aus dem Brunnenrohr/Brunnenschacht in eine äußere Schicht der Kreislaufströmung durch das , Bodenkorngerüst um das Brunnenrohr/den Brunnenschacht über. Nach erfolgter Passage durch das Bodenkorngerüst wird ein zweiter Grundwasser-Teilstrom Q₂, dessen Temperatur höher ist als die des abgekühlten ersten Grundwasserteilvolumenstroms Q₁* mittels der zweiten Umwälzpumpe 16 in das zweite Ansaugrohr 20 gefördert.
Falls sich die Förderleistungen der Umwälzpumpen 15,16 unterscheiden, wenn etwa ein Teilstrom zur Wärmetauscheranlage 19 abgezweigt wird, sorgt der Überlauf 17 für einen Ausgleich der Ansaugvolumina der beiden Pumpen 15,16 und der Rücklaufvolumina durch die verschiedenen Rückläufe 11,12, um in der Kreislaufströmung 33 ein durchgehendes Saugspannungspotential 26 zu erzeugen. Somit wird durch die zweite Umwälzpumpe 16 ein Grundwasser-Teilstrom Q₂ angesaugt, der nicht nur aus der äußeren Schicht der Kreislaufströmung stammt und durch den unteren Bereich des unteren Filterabschnitts 22 zum zweiten Ansaugrohr gezogen wird, sondern auch Grundwasser umfasst, das über den Überlauf 17 des Verdampfer-Rücklaufbehälters durch das Brunneninnere zum Ansaugrohr 20 gelangt (gestrichelt dargestellte Pfeile).
Eine Aufhöhung oder Absenkung am Schluck- und Entnahmebrunnen in Betriebswasserspiegelhöhen sind immer Darcy-Druckhöhen und sind physikalisch nicht geeignet, verlustlose Energiespeicher zu erzeugen. Bei der Erzeugung einer Saugspannungspotentialen sind nicht nur die Fließlinien danach ausgerichtet, auch der Betriebswasserspiegel entfällt und es entstehen im oberen Kreislaufbereich keine zusätzlichen Überspülungen, die im unteren Ansaugbereich nicht erfasst werden können, dazu wird der Wirkdurchmesser des Kreislaufs unter Saugspannungspotentiale 26 wesentlich vergrößert.
Ein das zweite Ansaugrohr 20 nach der Pumpe 16 fortsetzendes Druckrohr führt (in 6 nicht dargestellt) zum Verflüssiger K der Wärmepumpenanlage 18 (vgl. 8). Von dort wird dann der erwärmte Grundwasser-Teilstrom Q₂* über den Verflüssiger-Rücklauf 13 in den Verflüssiger-Rücklaufbehälter 24 rückgeführt. Mit „*“ soll angezeigt werden, dass der jeweilige Grundwasser-Teilstrom eine andere Temperatur aufweist. Von dem Verflüssiger-Rücklaufbehälter 24 gelangt der Grundwasserteilstrom Q₂* durch den unteren Bereich des oberen Filterabschnitts 21 in eine mittlere Schicht der Kreislaufströmung, die dann wieder durch den oberen Bereich des unteren Filterabschnitts 22 in den Verdampfervorlaufbehälter 25 gezogen wird, und von dort erneut in den Verdampfer V der Wärmepumpenanlage 18.
Von dem Ansaugrohr 10 verläuft nach der Umwälzpumpe 15 ein Abzweig, der durch ein Ventil 14 (Magnetventil) geöffnet werden kann, zu einer Wärmetauscheranlage 19, sodass zeitlich intermittierend ein Teilstrom aus dem oben beschriebenen Kreislauf entnommen und durch die Wärmetauscheranlage 19 geführt werden kann, etwa um dort Wärme zu Heizzwecken abzugeben. Von der Wärmetauscheranlage 19 führt ein Rücklauf 12 in den Verflüssiger-Rücklaufbehälter 24, um so den entnommenen Teilstrom dem Kreislauf wieder zuzuführen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren, anhand 6 in Verbindung mit 8, erläutert, umfasst demnach, dass ein Grundwasser-Teilstrom Q₁ mit der Temperatur T₁₀ aus der Kreislaufströmung (angedeutet durch eine Saugspannungspotential-Linie 26) des Zirkulationsbrunnens 30 von der Umwälzpumpe 15 durch den unteren Filterabschnitt 22 aus dem Vorlaufbehälter 25 über das Ansaugrohr 10 angesaugt wird, dem Verdampfer V der Wärmepumpenanlage 18 zugeführt und ein abgekühlter Grundwasser-Teilstrom Q₁* mit der Temperatur T₁₁ über den Verdampfer-Rücklauf 11 durch den oberen Filterabschnitt 21 in die äußerste obere Phasengrenzschicht des Energiespeichervolumens 27 zurückgeführt wird, so dass dieser Grundwasser-Teilstrom Q₁* mit T₁₁ aus dem Verdampfer-Rücklauf 11 durch Energie-Übergang im obersten Kreislaufbereich E₂ und Temperatur T₁₂ des Grundwassers in der Umgebung (vgl. 9), nach einem Umlauf in der äußersten Schicht der Kreislaufströmung 33 auf T₄ erwärmt wird und als erwärmter Grundwasser-Teilstrom Q₂ dem Ansaugrohr 20, das über die Pumpe 16 und das zugehörige Druckrohr zum Verflüssiger K der Wärmepumpenanlage 18 führt, zu Verfügung steht.
Über das Ansaugrohr 20 wird ein Grundwasser-Teilstrom Q₂ mit der Temperatur T₄ aus der Kreislaufströmung 33 des Zirkulationsbrunnens 30 durch die Umwälzpumpe 16 über den unteren Filterabschnitt 22 aus dem unteren Brunnenraum angesaugt und dem Verflüssiger K der Wärmepumpenanlage 18 zugeführt. Der dort erwärmte Grundwasser-Teilstrom Q₂* mit der Temperatur T₅ wird dann über den Verflüssiger-Rücklauf 13 in den Verflüssiger-Rücklaufbehälter 24 und von dort über den oberen Brunnenfilterabschnitt 21 in die mittlere Energiephasengrenzschicht des Energiespeichervolumens 27 einführt. Bei Öffnen des (Magnet-) Ventils 14 wird ein Teilstrom von Q₁, der aus dem Verdampfer-Vorlaufbehälter 25 durch die Umwälzpumpe 15 gefördert wird, entnommen und durch die Wärmeabgabe- bzw. Wärmetauscheranlage 19 geführt und über den Rücklauf 12 der Wärmeabgabeanlage 19 in den Verflüssiger-Rücklaufbehälter 24 zurückfließen gelassen. Ein Teilstrom des Verdampfer-Rücklaufs 11 kann durch Überlauf 17 vom Verdampfer in das Ansaugrohr 20 des Verflüssiger-Vorlaufs einfließen.
Der in 7 gezeigte Grundwasser-Zirkulationsbrunnen 30 ist als einseitiger Schachtwand-Brunnen ausgeführt, um (horizontal) parallel verlaufende Stromlinienverläufe 26 wie in 5 gezeigt zu erzielen. Ansonsten entsprechen die Komponenten den in Zusammenhang mit 6 beschriebenen Funktionsgruppen. Zusätzlich ist in 7 das zur Wärmepumpenanlage 18 führende Druckrohr, das das Ansaugrohr 20 nach der Pumpe 16 fortsetzt, und der von dort in den Verflüssiger-Rücklaufbehälter 24 mündende Rücklauf 13 gestrichelt eingezeichnet. Mit der in 7 gezeigten Ausführungsform, mit der parallel verlaufende Saugspannungspotentiale/ Stromlinienverläufe 26 nach 5, ähnlich einer Grabenanströmung, als Energiespeichervolumen 27 erzeugbar sind, können die geringsten Dispergierverluste und damit geringsten Energieverluste erzielt werden, vor allem wenn zwei gegeneinander parallel ausgerichtete Schachtbrunnen 30, beispielsweise unter rechteckigen Gebäudekomplexen eingesetzt werden. Ein parallel gegenüberliegender Brunnenschacht mit Berührung der Saugspannungspotentiale 26 beider Brunnenschächte kann sehr effektiv eine berechenbare rechteckige Kreislauffläche ohne bedeutende Energieverluste erzeugen.
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform kann nicht nur Wärme, sondern auch Süß- und Salzwasser als Grundwasser im Korngerüst effektiv getrennt und abgepumpt werden.
In beiden Ausführungsformen, Brunnenrohr und Brunnenschacht, sorgen die annähernd frequenzfrei arbeitenden Umwälzpumpen 15, 16 dafür, dass Dispergierungen unter den Stromlinien 26 im Energiespeichervolumen 27 weitestgehend vermieden werden. Die konstanten Stromlinien 26 des Kreislaufes 33, die für die Temperaturschichtung zwischen der äußeren und der mittleren Schicht sorgen, können durch konstante Saugspannungspotentiale der Pumpen im Grundwasser-Zirkulationsbrunnen 30 erzeugt werden. Liegen hingegen frequentierende Saug- und Druckströmungen vor, bedeuten die Dispergierungen der Stromlinien eine Aufweitung des Energiespeichers 27 um ca. 10% und verhindert die Entwicklung einer durchgehenden Saugspannung-Potentialen 26 im KreislaufVolumen des Grundwasser-Zirkulationsbrunnens, was Energieverlust des Energiespeichers 27 bedeutet.
Aus 8, die die Wärmepumpenanlage 18 zeigt, und 9, in der die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der mehrschichtigen Kreislaufströmung 33 im Bodenkorngerüst gezeigt ist, ist klar ersichtlich, dass die Kreislauf-Grundwasser-Teilströme Q₁ und Q₂ des Grundwasser-Zirkulationsbrunnens 30 mit Umwälzpumpe 15 über den Verdampfer V und mit Umwälzpumpe 16 über den Verflüssiger K der Wärmepumpenanlage 18 geführt werden, um die ungestörten Saugspannungspotential-Linien 26 der einzelnen Wärmestrom-Schichten zu erzeugen und im Umlauf erhalten zu können. Die in 8 skizzierte Wärmepumpenanlage 18 zeigt beispielhaft Grundwasser-Temperaturen während eines Umlaufs und die Temperatur-Entwicklungen im Kreislauffluid bzw. Kältemittel in Verdichter P, Verflüssiger K, Drosselventil D und Verdampfer V. Wenn als Kreislauffluid gemäß einer bevorzugten Ausführungsform CO₂ eingesetzt wird, kann als Verdichter vorzugsweise ein schmiermittelfrei betreibbarer faltbarer Ringzylinder eingesetzt werden, wie in DE 10 2013 008 027 B3 beschrieben ist, auf deren Inhalt hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
Im dargestellten Beispiel hat das Kältemittel nach Verdichter P, vor Verflüssiger K eine Temperatur T₁= 20°C. Ausgehend von der Temperatur Tg = 10°C vor dem Verdichter P sind hierfür ca. 10 bar Verdichterleistung erforderlich. Die mittlere Temperatur T₂ des Kältemittels im Verflüssiger K beträgt 16°C, nach dem Verflüssiger K hat das Kältemittel T₃= 12°C, wenn der Grundwasserteilstrom Q₂ in den Verflüssiger K mit T₄ = 10°C eintritt und als Q₂* mit T₅ = 12°C verlässt. Weiter im Kältemittelkreislauf sinkt die Temperatur des Kältemittels bei Durchtritt durch das Drosselventil D von T₆= 12°C auf T₇= 6°C, mit welcher Temperatur das Kältemittel in den Verdampfer V gelangt. Die mittlere Temperatur T₈ im Verdampfer V liegt im vorliegenden Beispiel, in dem das Grundwasser Q₁ mit T₁₀= 12°C in den Verdampfer V eintritt, bei 8°C, und die Austrittstemperatur T₉ nach Verdampfer und vor Verdichter bei 10°C, während das Grundwasser Q₁* mit der Temperatur T₁₁= 8°C rückgeführt wird. Die Aufheizung des Grundwassers erfolgt vorzugsweise über kleine Temperaturschritte (ΔT≈ 2°C bis ca. 30°C± 5°C). Die Grundwassertemperatur außerhalb des GZB-Kreislaufs T₁₂ (vgl. 9) liegt im vorliegenden Beispiel bei 10°C.
In 9 sind zusätzlich verschiedene Energie-Einträge und -Übergänge angedeutet, die zur Erwärmung des Energie-Speicher-Volumens 27 führen. E₁ bezeichnet den Energie-Eintrag über die Oberfläche Gok (Gelände-Oberkante). So können z. B. über eine Fläche von 2700 m² E₁=16000 kW/Tag erzielt werden. Der Energie-Übergang E₂ erfolgt im obersten Kreislaufbereich durch Grenzflächenverschiebung und sorgt für die Grundwasser-Erwärmung im Umlauf der unter der Kapillarschicht befindlichen Kreislaufströmung 33 in der äußeren, kariert markierten Schicht von 8 auf 10°C. Die Kapillarschicht oberhalb des frei beweglichen Grundwassers umfasst den Kapillarsaum, in dem alle Porenräume mit Haftwasser (entgegen der Schwerkraft gehaltenes, gebundenes Wasser) gefüllt sind, und darüber eine offene Kapillarzone, in der die Poren Wasser und Luft enthalten. Die Grenzflächenverschiebung im obersten Kreislaufbereich entsteht, wenn die Kapillarschicht, in der die noch enthaltenen Luftblasen einen Isolator und damit eine große Störgröße für die Energieübertragung darstellen, durch das Saugpotential der Kreislaufströmung 33, die dort bis zu der Kapillarschicht reicht, zerstört wird, d. h. das Haftwasser und die Luftporen abgesaugt werden, wodurch eine effektive Energieübertragung erst ermöglicht wird. Im vorliegenden Beispiel beträgt E₂ 1200 kW/Tag. Der Energie-Übergang ohne Grenzflächenverschiebung E₃ beträgt dann 12 kW/Tag. Den geringsten Einfluss in den vorliegenden Brunnentiefen (100-300m) hat der Erdwärmefluss E₄ von 0,0015 kW/m²Tag, der in Wirkfläche des Grundwasserzirkulationsbrunnens 30 ca. 4 kW/Tag ausmacht.
Für den Wärmekreislauf ist wichtig, dass T₁₁, die Temperatur des Grundwasser-Teilvolumenstroms Q₁* aus dem Rücklauf 11 des Verdampfers V, mindestens 2°C unter T₁₂, der Grundwasser-Temperatur außerhalb des Grundwasser-Zirkulationsbrunnen-Kreislaufs 33, liegt. Ferner ist wichtig, dass der Grundwasser-Teilvolumenstroms Q₁* aus dem Rücklauf 11 des Verdampfers V mit T₁₁ immer in die äußere Phasengrenzschicht (in 9 kariert) des Energiespeichervolumens 27 eingeleitet wird, um nach einem Umlauf im Temperaturausgleich mit T₁₂ als Grundwasser-Teilvolumenstrom Q₂ mit T₄ in den Verflüssiger K der Wärmepumpenanlage 18 eingeleitet werden zu können.
Die dabei ständig ansteigenden Temperaturen von Q₁ und Q₂, unter Wärmeverlust von T₁₂ auf T₁₁, der ausnahmslos über E₂ (Energie-Übergang im obersten Kreislaufbereich durch Grenzflächenverschiebung und Grundwasser-Erwärmung) ausgeglichen wird, kann das Grundwasser im Energiespeichervolumen 27, beispielsweise mit CO₂ als Kältemittel, bis 30°C ± 5°C angehoben werden, um Teilstromentnahmen über das Magnetventil 14 durchführen zu können.
Ist entsprechend 3 vorgesehen, den Grundwasser-Zirkulationsbrunnen 30 bei Vorliegen einer Grundströmung 31 vor Abfluss durch einen oberstromigen Entnahme- und eine unterstromigen Schluckbrunnen 28,29 zu schützen, so kann mit der über die äußere Grenzfläche der Kreislaufströmung 33 des Grundwasser-Zirkulationsbrunnens 30 eingetragene Erdwärme auch Wärme aus dem oberstromigen Entnahmebrunnen entzogen und dem Energiespeichervolumen 27 des Grundwasser-Zirkulationsbrunnens 30 zur Aufheizung zugeführt werden.
Bezugszeichenliste

10	Ansaugrohr (Vorlauf Verdampfer)	30	Grundwasser-Zirkulationsbrunnen
11	Rücklauf (Verdampfer)	31	Grundströmung (Zustrom)
12	Rücklauf (Wärmeabgabeanlage)	32	Kreislaufströmung (Entnahmebr.)
13	Rücklauf (Verflüssiger)	33	Kreislaufströmung (GZB)
14	Magnetventil (Teilstromentnahme)	34	Kreislaufströmung (Schluckbr.)
15	Umwälzpumpe zu Verdampfer	35	Grundströmung (Abstrom)
16	Umwälzpumpe zu Verflüssiger	36	horizontale Wirkfläche
17	Überlauf vom Verdampfer	S	Staupunkt
18	Wärmepumpenanlage	Q₁, Q₁*	Grundwasser- Teilvolumenstrom durch Verdampfer (mit T₁₀, T₁₁)
19	Wärmeabgabeanlage	Q₂, Q₂*	Grundwasser-Teilvolumenstrom durch Verflüssiger (mit T₄, T₅)
20	Ansaugrohr (Vorlauf Verflüssiger)	T₁, T₂, T₃	Temperatur Kältemittel vor, mittlerer, nach Verflüssiger
21	oberer Filterbereich	T₄, T₅	Temperatur Grundwasser vor, nach Verflüssiger
22	unterer Filterbereich	T₆, T₇	Temperatur Kältemittel vor, nach Drosselventil
23	Vollrohr/-wandabschnitt	T₈, T₉	Temperatur Kältemittel mittlerer, nach Verdampfer
24	Rücklaufbehälter (Verflüssiger)	T₁₀, T₁₁	Temperatur Grundwasser vor, nach Verdampfer
25	Vorlaufbehälter (Verdampfer)	T₁₂	Temperatur Grundwasser außerhalb Kreislaufströmung
26	Saugspannungspotentiallinie	Gok	Oberfläche
27	Energiespeicher - Volumen	E₁	Energie-Eintrag über Erdoberfläche
28	Entnahmebrunnen	E₂, E₃	Energie-Übergänge
29	Schluckbrunnen	E₁₂	Energie-Übergang durch Erdwärmefluss
P	Verdichter	K	Verflüssiger
D	Drosselventil	V	Verdampfer

Claims

Vorrichtung zur Aufkonzentration und Nutzung von Erdwärme in einem Grundwasserkreislauf, die Vorrichtung zumindest einen Grundwasser-Zirkulationsbrunnen (30) und eine außerhalb des Brunnens angebrachte Wärmepumpenanlage (18) mit einem Verdampfer und einem Verflüssiger umfasst, wobei der Grundwasser-Zirkulationsbrunnen (30) aufweist: - einen Brunnenschacht oder einer Brunnenbohrung mit einem oberen Filterbereich (21) und einen unteren Filterbereich (22), dadurch gekennzeichnet, dass - einen Vorlaufbehälter (25), der mit einem oberen Abschnitt des unteren Filterbereichs (22) in fluider Verbindung steht, - ein Ansaugrohr (10), das sich von dem Vorlaufbehälter (25) zu einer Umwälzpumpe (15) erstreckt, von der sich ein Druckrohr zu dem Verdampfer der Wärmepumpenanlage (18) erstreckt, - einen Rücklauf (11) von dem Verdampfer der Wärmepumpenanlage (18) in einen mit dem oberen Abschnitt des oberen Filterbereichs (21) in fluider Verbindung stehenden Behälter mit Überlauf (17), - ein zweites Ansaugrohr (20), das mit einem unteren Abschnitt des unteren Filterbereichs (22) in fluider Verbindung steht und sich zu einer zweiten Umwälzpumpe (16) erstreckt, von der sich ein zweites Druckrohr zu dem Verflüssiger der Wärmepumpenanlage (18) erstreckt, - einen Verflüssiger-Rücklauf (13) von dem Verflüssiger der Wärmepumpenanlage (18) in einen Verflüssiger-Rücklaufbehälter (24), der unter dem Behälter mit Überlauf (17) mit einem unteren Abschnitt des oberen Filterbereichs (21) in fluider Verbindung steht, wobei um den Brunnenschacht oder die Brunnenbohrung zwischen dem oberen Filterbereich (21) und dem unteren Filterbereich (22) eine mehrschichtige Grundwasser-Kreislaufströmung (33) mit einem Energiespeichervolumen (27) ausbildbar ist, und dass die Vorrichtung eine Wärmetauscheranlage (19) aufweist, - zu der sich ein mittels Ventil (14) absperrbarer Abzweig des Druckrohrs nach der Umwälzpumpe (15) und - von der sich ein Rücklauf (12) in den Verflüssiger-Rücklaufbehälter (24) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter mit Überlauf (17) mit dem zweiten Ansaugrohr (20) innerhalb des Brunnenschachts oder Brunnenrohrs (30) in fluider Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwasser-Zirkulationsbrunnen (30) als länglicher Brunnenschacht mit ein- oder zweiseitiger Brunnenumlaufströmung als Grundströmung mit parallel verlaufenden Strömungs- der Saugspannungslinien (26) geschaffen wird.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpen (15,16) im Ansaug- und Druckstrom annährend frequenzfrei (pulsationsfrei) sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung außerhalb des Kreislaufs (33) einen oberstromigen Entnahmebrunnen (28) und einen unterstromigen Schluckbrunnen (29) aufweist, die als Grundwasser-Zirkulationsbrunnen (30) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenanlage (18) CO₂ als Kreislauffluid umfasst und ein Verdichter der Wärmepumpenanlage (18) ein schmiermittelfrei betreibbarer faltbarer Ringzylinder ist.
Verfahren zur Aufkonzentration und Nutzung von Erdwärme in einem Grundwasserkreislauf unter Verwendung einer Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrschichtige Grundwasser-Kreislaufströmung (33) mit einem Energiespeichervolumen (27) um den Brunnenschacht oder die Brunnenbohrung des Grundwasser-Zirkulationsbrunnens (30) zwischen dem oberen Filterbereich (21) und dem unteren Filterbereich (22) ausgebildet und kontinuierlich erwärmt wird durch die Schritte: a) Ansaugen eines ersten Grundwasser-Teilvolumenstroms (Q₁) einer ersten Temperatur (T₁₀) durch den oberen Abschnitt des unteren Filterbereichs (22) aus einer mittleren Schicht der mehrschichtigen Grundwasser-Kreislaufströmung (33) in den Vorlaufbehälter (25) durch das Ansaugrohr (10) mittels der Umwälzpumpe (15) zu dem Verdampfer der Wärmepumpenanlage (18), b) Rückführen des abgekühlten ersten Grundwasser-Teilvolumenstroms (Q₁*) einer zweiten Temperatur (T₁₁), die kleiner als die erste Temperatur (T₁₀) ist, von dem Verdampfer der Wärmepumpenanlage (18) über den Rücklauf (11) in den Behälter mit Überlauf (17) und zumindest teilweise durch den oberen Abschnitt des oberen Filterbereichs (21) in eine äußere Schicht der mehrschichtigen Grundwasser-Kreislaufströmung (33), c) Erwärmen des zumindest teilweise zurückgeführten Grundwasser-Teilvolumenstroms in der äußere Schicht der mehrschichtigen Grundwasser-Kreislaufströmung (33) durch Wärmeübertragung (E₂) aus der Umgebung von der zweiten Temperatur (T₁₁), die kleiner als die Temperatur (T₁₂) des umgebenden Grundwassers außerhalb der Grundwasser-Kreislaufströmung (33) ist, auf eine dritte Temperatur (T₄), d) Ansaugen eines zweiten Grundwasser-Teilvolumenstroms (Q₂) mit der dritten Temperatur (T₄) durch den unteren Abschnitt des unteren Filterbereichs (22) aus der äußeren Schicht der mehrschichtigen Grundwasser-Kreislaufströmung (33) durch das zweite Ansaugrohr (20) mittels der zweiten Umwälzpumpe (16) zu dem Verflüssiger der Wärmepumpenanlage (18), e) Rückführen des zweiten Grundwasser-Teilvolumenstroms (Q₂) mit einer vierten Temperatur (T₅), die größer ist als die dritte Temperatur (T₄), von dem Verflüssiger der Wärmepumpenanlage (18) über den Rücklauf (13) in den Verflüssiger-Rücklaufbehälter (24) durch den unteren Abschnitt des oberen Filterbereichs (21) in die mittlere Schicht der mehrschichtigen Grundwasser-Kreislaufströmung (33), dabei zeitlich intermittierend Entnehmen eines Teils des ersten Grundwasser-Teilvolumenstroms (Q₁) zu Heiz- oder Kühlzwecken durch Öffnen des Ventils (14) in dem zu der Wärmetauscheranlage (19) führenden Abzweig aus dem Ansaugrohr (10) nach der Umwälzpumpe (15) und Rückführung über den Rücklauf (12) in den Verflüssiger-Rücklaufbehälter (24).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei in b) ein Teil des abgekühlten ersten Grundwasservolumenstroms (Q₁*) aus dem Behälter mit Überlauf (17) über den Überlauf (17) durch das Innere des Brunnenrohrs oder Brunnenschachts ohne Passage der Grundwasser-Kreislaufströmung (33) zu dem zweiten Ansaugrohr (20) rückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die mehrschichtige Grundwasser-Kreislaufströmung (33) mit dem Energiespeichervolumen (27) um den Brunnenschacht oder die Brunnenbohrung des Grundwasser-Zirkulationsbrunnens (30) durch einen außerhalb des Kreislaufes (33) oberstromig angeordneten Entnahme-Grundwasser-Zirkulationsbrunnen (28) und außerhalb des Kreislaufes (33) unterstromig angeordneten Grundwasser-Zirkulationsschluckbrunnen (29) vor Abfluss geschützt wird, und wobei eine Wärmeübertragung von dem oberstromigen Entnahme-Grundwasser-Zirkulationsbrunnen (28) zu dem Energiespeichervolumen (27) des Grundwasser-Zirkulationsbrunnens (30) erfolgt.
Verwendung des Kreislaufvolumens (27) der Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6 ganzjährig als Energiespeicher für Heiz- oder Kühlzwecke.