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Die Erfindung betrifft eine Geothermieanlage, welche wenigstens eine Kollektoreinrichtung zur Entnahme von Wärmeenergie aus einem Erdreich mit wenigstens einer Flüssigkeitsleitung und einer in der Flüssigkeitsleitung geführten Transportflüssigkeit sowie wenigstens eine Wärmepumpe zur Entnahme der Wärmeenergie aus der Transportflüssigkeit umfasst.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung einer Geothermieanlage, insbesondere zur Verlegung wenigstens einer Flüssigkeitsleitung für eine Geothermieanlage, welche einen Verlegepflug zur Schaffung eines temporären Hohlraums in einem Erdreich durch eine Verdrängung des Erdreichs sowie eine Rohreinlegeeinrichtung zum Einlegen der wenigstens einen Flüssigkeitsleitung in den Hohlraum umfasst.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Geothermieanlage, insbesondere zur Verlegung wenigstens einer Flüssigkeitsleitung für eine Geothermieanlage, wobei mittels eines Verlegepflugs ein temporärer Hohlraum in einem Erdreich durch eine Verdrängung des Erdreichs geschaffen wird und wobei mittels einer Rohreinlegeeinrichtung die Flüssigkeitsleitung in den Hohlraum eingelegt wird.
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Der Umbau der Volkswirtschaft auf die Verwendung von erneuerbaren Energien erfolgt momentan zum großen Teil hinsichtlich einer Erzeugung von Elektrizität, während der Heizungssektor noch in weiten Teilen auf der Verwendung von fossiler Energie, insbesondere Heizöl oder Heizgas, basiert.
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Aus dem Stand der Technik sind bodennahe Geothermieanlagen bekannt, bei denen Strom aus erneuerbaren Energiequellen unter Verwendung einer Wärmepumpe zur Erzeugung von Heizwärme eingesetzt wird. Hierdurch kann, abhängig von einem Verhältnis von erzeugter Wärmeleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung bzw. der Wärmezahl, das Drei- bis Sechsfache an Wärmeenergie im Vergleich zu der eingesetzten elektrischen Energie erzeugt werden.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Geothermieanlagen weisen häufig ein Register an Flüssigkeitsleitungen auf, welche über T-Stücke mit einem zentralen Leitungsstrang verbunden sind.
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Nachteilig bei aus dem Stand der Technik bekannten Geothermieanlagen sind deren schlechte Strömungseigenschaften in Bezug auf die die Flüssigkeitsleitungen durchströmenden Transportflüssigkeiten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Geothermieanlage zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere eine widerstandsarme Durchströmung mit einer Transportflüssigkeit ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Geothermieanlage mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung einer Geothermieanlage zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere die Ausbildung einer Geothermieanlage mit günstigen Strömungseigenschaften ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 8 genannten Merkmalen gelöst.
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Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Geothermieanlage zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere die Ausbildung einer Geothermieanlage mit günstigen Strömungseigenschaften ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den in Anspruch 10 genannten Merkmalen gelöst.
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Die erfindungsgemäße Geothermieanlage umfasst wenigstens eine Kollektoreinrichtung zur Entnahme von Wärmeenergie aus einem Erdreich mit wenigstens einer Flüssigkeitsleitung und einer in der Flüssigkeitsleitung geführten Transportflüssigkeit sowie wenigstens eine Wärmepumpe zur Entnahme der Wärmeenergie aus der Transportflüssigkeit. Erfindungsgemäß ist ein in dem Erdreich angeordneter Einbettungsbereich aus einem Einbettungsmaterial vorgesehen, in dem zwei oder mehr Flüssigkeitsleitungen vertikal übereinander liegend angeordnet sind, wobei der Einbettungsbereich und die Flüssigkeitsleitungen in einer im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Spirale angeordnet sind, und wobei eine Übergabeeinrichtung zur Übergabe der Transportflüssigkeit zwischen den einzelnen Flüssigkeitsleitungen vorgesehen ist.
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Die erfindungsgemäße Geothermieanlage weist, bedingt durch ihren spiralförmigen Aufbau aus bis zu der Übergabeeinrichtung durchgehenden Flüssigkeitsleitungen, gegenüber der Transportflüssigkeit einen vorteilhaft geringen Strömungswiderstand bei gleichzeitig geringem Fertigungsaufwand auf. Pumpen, welche zur Zirkulation der Transportflüssigkeit vorgesehen sein können, können hierdurch mit geringem Energieaufwand arbeiten.
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Die erfindungsgemäße Geothermieanlage hat den Vorteil, dass auf die Verwendung von T-Stücken, insbesondere reduzierten T-Stücken, verzichtet werden kann. Die im Stand der Technik verwendeten T-Stücke wirken als Strömungsbremsen, weil sie einen Umlauf der Transportflüssigkeit in einem rechten Winkel erzwingen. Ferner sind die im Stand der Technik üblicherweise verwendeten T-Stücke Fehlerquellen, da sie eine oder mehrere Dichtungen aufweisen, welche unter Umständen undicht werden können. Ferner sind die im Stand der Technik üblicherweise verwendeten T-Stücke ein bedeutender Kostenfaktor, wobei ein einzelnes T-Stück ähnlich hohe Kosten auslösen kann wie 80 m bis 100 m der verwendeten Flüssigkeitsleitungen.
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Mittels der erfindungsgemäßen Geothermieanlage können ferner erhebliche Kosteneinsparungen gegenüber herkömmlichen Geothermieanlagen erzielt werden. Somit ist die mittels der erfindungsgemäßen Geothermieanlage gewonnenen Wärmeenergie sehr günstig, insbesondere gegenüber Wärmeenergie, die aus fossilen Energieträgern gewonnen wurde. Beispielsweise kann es möglich sein, mit der erfindungsgemäßen Geothermieanlage einen Erzeugungspreis von 6 - 7 ct/KWh zu erreichen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Geothermieanlage kann vorsehen, dass genau zwei Flüssigkeitsleitungen vertikal übereinander liegend angeordnet sind. Hierbei ist eine der beiden Flüssigkeitsleitungen als vorlaufende Leitung bzw. Vorlauf für die Transportflüssigkeit eingerichtet und die andere der beiden Flüssigkeitsleitungen als rücklaufende Leitung bzw. Rücklauf für die Transportflüssigkeit eingerichtet. Durch die Verwendung von genau zwei Flüssigkeitsleitungen können unter Umständen Kosten eingespart werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die zwei oder mehr Flüssigkeitsleitungen einen Innendurchmesser von jeweils 100 mm bis 200 mm, vorzugsweise 130 mm bis 150 mm, besonders bevorzugt 140 mm, aufweisen. Ein derartiger Durchmesser hat den Vorteil, dass Flüssigkeitsleitungen in diesem Durchmesserbereich als kostengünstige Rollenware erwerbbar sind. Die Flüssigkeitsleitungen können beispielsweise aus Polyethylen bestehen, wobei auch andere Werkstoffe, insbesondere Kunststoffe, geeignet sein können.
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Bei einer hinreichend großen Dimensionierung hat die erfindungsgemäße Geothermieanlage den Vorteil, dass die wenigstens eine Wärmepumpe unter Umständen als Großwärmepumpe ausgebildet sein kann.
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Eine zentrale Großwärmepumpe hat den Vorteil, dass sie wirtschaftlicher betreibbar ist als mehrere kleine Wärmepumpen. Das die Flüssigkeitsleitungen umgebende Erdreich kann dann als Wärmespeicher dienen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Geothermieanlage kann vorgesehen sein, dass die Flüssigkeitsleitungen wenigstens annähernd vertikal übereinander liegend und wenigstens teilweise voneinander beabstandet angeordnet sind.
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Werden die Flüssigkeitsleitungen wenigstens annähernd vertikal übereinanderliegend und wenigstens teilweise voneinander beabstandet angeordnet, so ermöglicht eine beabstandete Anordnung, dass entlang einer Erstreckung des Einbettungsbereichs ein direktes Nebeneinanderlaufen einer vorlaufenden und einer rücklaufenden Flüssigkeitsleitung für die Transportflüssigkeit eine Abkühlung der rücklaufenden Transportflüssigkeit durch eine abgekühlte vorlaufende Transportflüssigkeit direkt am Beginn der Flüssigkeitsleitungen vermieden wird. Die beabstandete Anordnung der Flüssigkeitsleitungen dient somit der Isolation der Flüssigkeitsleitungen zueinander sowie der Schaffung eines als Wärmespeicher dienenden Bereichs durch das Einbettungsmaterial zwischen den Flüssigkeitsleitungen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die voneinander beabstandeten Flüssigkeitsleitungen unterschiedliche Strömungsrichtungen, insbesondere eine Vorlaufrichtung und eine Rücklaufrichtung, aufweisen. Eine Gruppierung der Flüssigkeitsleitungen in vorlaufende und rücklaufende Flüssigkeitsleitungen hat den Vorteil, dass, wenn vorlaufende Flüssigkeitsleitungen lediglich mit vorlaufenden Flüssigkeitsleitungen Kontakt haben, diese im Wesentlichen dieselbe Temperatur aufweisen und damit gewissermaßen ein Wärmekurzschluss vermieden wird. Gleiches gilt für die rücklaufenden Flüssigkeitsleitungen.
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Eine senkrecht übereinanderliegende Anordnung der mehreren Flüssigkeitsleitungen hat ferner den Vorteil, dass der Einbettungsbereich eine geringe horizontale Ausdehnung aufweisen kann, während dennoch ein großer Abstand zwischen den Flüssigkeitsleitungen erzielt werden kann. Wollte man einen Abstand zwischen den Flüssigkeitsleitungen in waagrechter Richtung zueinander realisieren, so müsste zur Schaffung eines entsprechend großen Einbettungsbereichs ein entsprechend breiter Graben ausgehoben werden, was mit einem erhöhten Aufwand verbunden wäre.
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Es kann vorgesehen sein, dass in dem oberen Paar von Flüssigkeitsleitungen die Transportflüssigkeit von der Wärmepumpe weg, hin zu der Übergabeeinrichtung strömt und dass in dem unteren Paar von Flüssigkeitsleitungen die Transportflüssigkeit zu der Wärmepumpe hin, weg von der Übergabeeinrichtung strömt. In anderen Worten: Es kann vorgesehen sein, dass das obere Paar von Flüssigkeitsleitungen vorlaufend und das untere Paar rücklaufend ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Geothermieanlage kann vorgesehen sein, dass vier Flüssigkeitsleitungen wenigstens annähernd senkrecht übereinander liegend angeordnet sind, wobei zwei Paare von Flüssigkeitsleitungen um wenigstens 0,5 m, vorzugsweise wenigstens 0,9 m, voneinander beabstandet sind und bei jedem Paar die Flüssigkeitsleitungen einen Abstand von höchstens 10 cm aufweisen.
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Die vorbeschriebenen Werte haben sich im Rahmen der Erfindung als besonders geeignet herausgestellt. Werden vier Flüssigkeitsleitungen zu je zwei Paaren gruppiert, wobei ein Paar von Flüssigkeitsleitungen vorlaufend und ein Paar von Flüssigkeitsleitungen rücklaufend sind, so kann ein vergrößerter Volumenstrom im Vergleich zur Verwendung einer einzelnen Flüssigkeitsleitung erzielt werden. Ferner lässt sich ein Paar von zwei Flüssigkeitsleitungen mit einem geringeren Querschnitt leichter verlegen als eine einzelne Flüssigkeitsleitung mit einem Querschnitt, welcher der Summe der Querschnitte der beiden Flüssigkeitsleitungen des Paares entspräche, da der größere Querschnitt eventuell nicht als Rollenware zu erwerben wäre.
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Die gewählten beschriebenen Abstände haben sich als besonders geeigneter Kompromiss zwischen einer technisch realisierbaren Verlegungstiefe von ca. 1 m bis 2 m und einer ausreichenden Separation der Paare von Flüssigkeitsleitungen untereinander und einem ausreichenden Abstand von der Oberfläche des Erdreichs herausgestellt. Weisen die Flüssigkeitsleitungen der Paare jeweils einen Abstand von höchstens 10 cm untereinander auf, so dient dies einer platzsparenden Anordnung in einer vertikalen Richtung.
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Es kann vorgesehen sein, dass das erste Paar von Flüssigkeitsleitungen jeweils einen Durchmesser von 140 mm aufweist und in 2 m Tiefe in dem Erdreich angeordnet ist, ein zweites Paar Flüssigkeitsleitungen in einem Abstand von 70 cm über dem ersten Paar von Flüssigkeitsleitungen angeordnet ist und einen Abstand von wenigstens 1 m zu einer Oberfläche des Erdreichs aufweist. Durch die Verwendung von vier Flüssigkeitsleitungen wird ein derart großer Durchflussquerschnitt erzielt, dass auf Pumpen geringerer Leistung zurückgegriffen werden kann, was beispielsweise einen Betrieb der Geothermieanlage günstiger macht. Ferner wird durch die Verwendung von vier Flüssigkeitsleitungen ein redundantes System realisiert werden. Ist beispielsweise eine vorlaufende Flüssigkeitsleitung undicht, so kann die andere vorlaufende Flüssigkeitsleitung dennoch weiter betrieben werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Geothermieanlage kann vorgesehen sein, dass die Übergabeeinrichtung als Schacht ausgebildet ist und die Flüssigkeitsleitungen an deren in der Spirale innenliegenden Enden miteinander verbindet.
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Eine Ausbildung der Übergabeeinrichtung als Schacht hat den Vorteil, dass hierdurch die Transportflüssigkeit bei ausreichend großer Dimensionierung des Schachts senkrecht von einer Flüssigkeitsleitung zu der anderen Flüssigkeitsleitung übergeben werden kann, ohne ein größeres Strömungshindernis darzustellen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Schacht einen Querschnitt von wenigstens dem Fünffachen, vorzugsweise wenigstens dem Zehnfachen, des aufsummierten Querschnitts aller Flüssigkeitsleitungen beträgt.
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Eine Anordnung der Übergabeeinrichtung an den in der Spirale innenliegenden Enden der Flüssigkeitsleitungen hat den Vorteil, dass an den außenliegenden Enden der Flüssigkeitsleitungen die Wärmepumpe und/oder weiterführende Leitungen angeordnet werden können. Werden derartige weiterführende Leitungen in der Spirale innenliegend angeordnet, so müssten diese die Spirale auf dem Weg zu einem außerhalb der Spirale liegenden Verbraucher kreuzen, was sich nachteilig auf eine Funktionsfähigkeit der Geothermieanlage auswirken könnte.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Geothermieanlage kann vorgesehen sein, dass die Transportflüssigkeit aus destilliertem Wasser besteht.
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Eine Verwendung von destilliertem Wasser hat den Vorteil, dass destilliertes Wasser stark unterkühlt werden kann und einen Gefrierpunkt von ca. -70 °C aufweist. Hierdurch kann auf die Verwendung von Frostschutzmitteln in der Transportflüssigkeit verzichtet werden, was einen Betrieb der erfindungsgemäßen Geothermieanlage in einem Wasserschutzgebiet erst ermöglichen kann. In Wasserschutzgebieten können aus dem Stand der Technik bekannte Frostschutzmittel, wie beispielsweise Alkohole oder Zuckerwasser, unter Umständen nicht verwendet werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Transportflüssigkeit aus normalem Wasser bzw. Leitungswasser und/oder aus Bioethanol besteht oder normales Wasser und/oder Bioethanol aufweist.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Transportflüssigkeit aus einem Gemisch aus Wasser und Bioethanol besteht oder ein Gemisch aus Wasser und Bioethanol aufweist. Die Verwendung eines Gemischs aus Wasser und Bioethanol hat den Vorteil, dass dieses umweltfreundlich und frostsicher ist. Ist der Volumenanteil an Bioethanol auf weniger al 40% begrenzt, ist das verwendete Gemisch ferner nicht entzündlich.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Geothermieanlage kann vorgesehen sein, dass die Spirale einen Durchmesser von 10 m bis 150 m. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass 1,5 bis 50, vorzugsweise 15 bis 20, besonders bevorzugt 17 Windungen, und/oder einen radialen Abstand von 1 m bis 4 m, vorzugsweise 1,5 m bis 2,5 m zwischen zwei Windungen aufweist.
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Die vorgenannten Werte haben sich im Rahmen der Erfindung als sehr vorteilhaft zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Geothermieanlage herausgestellt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Spirale mit einem Durchmesser von 25 m bis 40 m, vorzugsweise 30 m bis 36 m, startet und dann mit einem Windungsabstand von 1,5 m bis 2,5 m, vorzugsweise 2 m, fortgesetzt wird, so dass die erste Windung beispielsweise einen Durchmesser von 30 m, die zweite einen Durchmesser von 34 m und die dritte einen Durchmesser von 38 m usw. aufweist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass eine Konturlänge der Spirale vorzugsweise 1 km bis 10 km, vorzugsweise 3 km bis 4 km besonders bevorzugt 3,6 km, beträgt. Hierdurch kann ein sehr geringer Krümmungsradius erzielt werden, was die Strömungseigenschaft der Geothermieanlage weiter verbessert. Ferner kann vorgesehen sein, dass ein Außendurchmesser der Spirale 90 m bis 110 m beträgt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Geothermieanlage kann vorgesehen sein, dass das Einbettungsmaterial wenigstens zur Hälfte, vorzugsweise wenigstens annähernd vollständig, aus Sand ausgebildet ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Einbettungsmaterial wenigstens teilweise aus bei der Ausbildung des Einbettungsbereichs von dessen Seitenwandungen abgeschälten Erdreich ausgebildet wird.
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Von Vorteil ist es, wenn unter einer untersten Flüssigkeitsleitung das Einbettungsmaterial Sand aufweist, vorzugsweise aus Sand ausgebildet ist. Hierdurch kann eine besonders ebene und störungsfreie Auflage der Flüssigkeitsleitung und damit ein besonders geringer Strömungswiderstand realisiert werden. Dennoch kann teilweise Erdreich verwendet werden.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung einer Geothermieanlage mit den in Anspruch 8 genannten Merkmalen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Geothermieanlage, insbesondere zur Verlegung wenigstens einer Flüssigkeitsleitung für eine Geothermieanlage, umfasst einen Verlegepflug zur Schaffung eines temporären Hohlraums in einem Erdreich durch eine Verdrängung des Erdreichs sowie eine Rohreinlegeeinrichtung zum Einlegen der wenigstens einen Flüssigkeitsleitung in den Hohlraum. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Rohreinlegeeinrichtung dazu eingerichtet ist, mehrere Flüssigkeitsleitungen wenigstens annähernd vertikal übereinander und voneinander um einen Verlegeabstand beabstandet in den Hohlraum einzubringen. Ferner ist eine Einbettungseinrichtung vorgesehen, um in den Hohlraum ein Einbettungsmaterial zur Ausbildung eines Einbettungsbereichs für die Flüssigkeitsleitungen einzubringen, wobei die Einbettungseinrichtung eingerichtet ist, den wenigstens einen Zwischenraum zwischen den Flüssigkeitsleitungen mit dem Einbettungsmaterial zu verfüllen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass mittels ihr die Ausbildung der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Geothermieanlage auf besonders einfache Weise ermöglicht wird.
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Ein an sich aus dem Stand der Technik bekannter Verlegepflug wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung insofern an die Erfordernisse bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Geothermieanlage angepasst, dass die Rohreinlegerichtung zu einer senkrecht übereinander angeordneten Verlegung der Flüssigkeitsleitungen eingerichtet ist.
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Es kann hierzu ein Trichtereinlass vorgesehen sein, durch welchen man das Einbettungsmaterial, insbesondere einen Sand, in den Hohlraum einlassen kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Trichtereinlass zu einer Beschickung durch ein Transportmischfahrzeug eingerichtet ist. Hierzu kann vorgesehen sein, dass das Transportmischfahrzeug rückwärts einer Bewegung des Verlegepflugs und damit des Trichtereinlasses folgt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Einbettungseinrichtung einen Querschäler aufweist, welcher Erdreich an den Seiten des Hohlraums abnimmt bzw. abschält und bei einer Bewegung des Pflugs das abgeschälte Erdreich auf die unten liegenden Flüssigkeitsleitungen fallen lässt, woraufhin das Einbettungsmaterial wenigstens teilweise aus dem umgebenden Erdreich ausgebildet ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass eine Koppeleinrichtung zur Verbindung mit einer Zugmaschine, insbesondere einem Traktor vorgesehen ist, und/oder der Verlegepflug derart ausgebildet ist, dass bei einer Verdrängung des Erdreichs ein Seitenzug des Verlegepflugs eine Führung des Verlegepflugs auf einer gekrümmten, insbesondere spiralförmigen, Bahn begünstigt.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Verlegepflüge mittels starker Seilwinden zu bewegen. Hierdurch kann jedoch lediglich eine geradlinige Bewegung des Verlegepflugs auf die Seilwinde erzielt werden. Eine spiralförmige Bewegung des Verlegepflugs kann vorzugsweise mittels einer oder mehrerer lenkbaren Zugmaschinen, beispielsweise eines oder mehrerer Traktoren, erreicht werden. Dabei ist es von Vorteil, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verbindung mit einer derartig lenkbaren Zugmaschine eingerichtet ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit der Bodenbeschaffenheit der Verlegepflug mittels einer Seilwinde durch das Erdreich bewegt, vorzugsweise gezogen, wird. Hierbei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass die Seilwinde ein- oder mehrmals umgesetzt wird, um einen geeigneten Zugwinkel zu erreichen.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Verlegepflug derart ausgebildet ist, dass er einen kurvenförmigen Verlauf seiner Bewegung durch das Erdreich begünstigt. Hierzu kann insbesondere eine asymmetrische Ausbildung des Verlegepflugs vorgesehen sein. Vorzugsweise weist der Verlegepflug ein asymmetrisch ausgebildetes Schwert auf. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Schwert dazu eingerichtet ist, einen Seitendrift des Verlegepflugs zu erzielen, welcher diesen auf eine gekrümmte, insbesondere spiralförmige Bahn zwingt. Hierdurch muss die Bahnkorrektur von der bei einem symmetrischen Schwert geradlinigen Bewegung des Verlegepflugs auf eine gekrümmte Bahn nicht durch die lenkbare Zugmaschine selbst aufgebracht werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Geothermieanlage mit der in Anspruch 10 genannten Merkmalen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Geothermieanlage, insbesondere zur Verlegung wenigstens einer Flüssigkeitsleitung für eine Geothermieanlage, wird mittels eines Verlegepflugs ein temporärer Hohlraum in einem Erdreich durch eine Verdrängung des Erdreichs geschaffen wird, wobei mittels einer Rohreinlegeeinrichtung die Flüssigkeitsleitung in den Hohlraum eingelegt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mehrere Flüssigkeitsleitungen wenigstens annähernd vertikal bzw. senkrecht übereinander und voneinander um einen Verlegeabstand beabstandet in den Hohlraum eingelegt werden. Ferner ist vorgesehen, dass in den Hohlraum ein Einbettungsmaterial zur Ausbildung eines Einbettungsbereichs für die Flüssigkeitsleitungen eingebracht wird, und dass wenigstens ein Zwischenraum zwischen den Flüssigkeitsleitungen mit dem Einbettungsmaterial verfüllt wird. Ferner wird der Einbettungsbereich spiralförmig ausgebildet wird und die Flüssigkeitsleitungen spiralförmig eingebracht werden und spiralförmig verlaufen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass hierdurch eine besonders vorteilhaft strömungswiderstandsarme Geothermieanlage ausgebildet werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass die kalte Transportflüssigkeit, welche von der Wärmepumpe zurückkommt und unter Umständen Minusgrade aufweisen kann, in die oben angeordnete Flüssigkeitsleitung eingebracht wird. Im Bereich der oberen Flüssigkeitsleitung ist das Erdreich in den Wintermonaten kälter als im Bereich der unteren Flüssigkeitsleitung. In der Mitte der Spirale können die Flüssigkeitsleitungen mittels einer Übergabeeinrichtung, vorzugsweise mittels eines Schachts verbunden sein, bei dem die Transportflüssigkeit von der oberen Leitung auf die untere Leitung übergeben wird. Bei der Durchströmung der unteren Flüssigkeitsleitung zurück zu einer bereits beschriebenen Wärmepumpe wird die Transportflüssigkeit stärker erwärmt, da das Erdreich im Bereich der unteren Flüssigkeitsleitung wärmer ist als im Bereich der oberen Flüssigkeitsleitung.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Geothermieanlage in Form einer Agrothermieanlage ausgebildet ist. Das heißt, das Erdreich, in welchem die Geothermieanlage ausgebildet wird, befindet sich auf landwirtschaftlich genutzten Flächen. Dies hat den Vorteil, dass keine Straßenbeläge aufgegraben werden müssen. Eine derart ausgebildete Geothermieanlage kann auch als Agrothermieschnecke bezeichnet werden.
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Merkmale, die im Zusammenhang mit einem der Gegenstände der Erfindung, namentlich gegeben durch die erfindungsgemäße Geothermieanlage, die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren, beschrieben wurden, sind auch für die anderen Gegenstände der Erfindung vorteilhaft umsetzbar. Ebenso können Vorteile, die im Zusammenhang mit einem der Gegenstände der Erfindung genannt wurden, auch auf die anderen Gegenstände der Erfindung bezogen verstanden werden.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass Begriffe wie „umfassend“, „aufweisend“ oder „mit“ keine anderen Merkmale oder Schritte ausschließen. Ferner schließen Begriffe wie „ein“ oder „das“, die auf eine Einzahl von Schritten oder Merkmalen hinweisen, keine Mehrzahl von Merkmalen oder Schritten aus - und umgekehrt.
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In einer puristischen Ausführungsform der Erfindung kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die in der Erfindung mit den Begriffen „umfassend“, „aufweisend“ oder „mit“ eingeführten Merkmale abschließend aufgezählt sind. Dementsprechend kann eine oder können mehrere Aufzählungen von Merkmalen im Rahmen der Erfindung als abgeschlossen betrachtet werden, beispielsweise jeweils für jeden Anspruch betrachtet. Die Erfindung kann beispielsweise ausschließlich aus den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bestehen.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
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Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen einzelne Merkmale der vorliegenden Erfindung in Kombination miteinander dargestellt sind. Merkmale eines Ausführungsbeispiels sind auch losgelöst von den anderen Merkmalen des gleichen Ausführungsbeispiels umsetzbar und können dementsprechend von einem Fachmann ohne Weiteres zu weiteren sinnvollen Kombinationen und Unterkombinationen mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele verbunden werden.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geothermieanlage in einer Draufsicht;
- 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geothermieanlage
- 3 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 4 eine blockdiagrammmäßige Darstellung einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
- 5 eine großräumige Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geothermieanlage.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform einer Geothermieanlage 1 in einer Draufsicht.
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Die Geothermieanlage 1 weist wenigstens eine Kollektoreinrichtung 2 zur Entnahme von Wärmeenergie aus einem Erdreich 3 (siehe 2) mit wenigstens einer Flüssigkeitsleitung 4 und einer in der Flüssigkeitsleitung 4 geführten Transportflüssigkeit 5 (siehe 2) auf. In dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Transportflüssigkeit 5 aus destilliertem Wasser. Es ist jedoch auch möglich, statt destilliertem Wasser normales Wasser bzw. Leitungswasser und/oder Bioethanol bzw. gegebenenfalls ein Gemisch aus Wasser und Bioethanol zu verwenden.
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Ferner ist wenigstens eine Wärmepumpe 6 zur Entnahme der Wärmeenergie aus der Transportflüssigkeit 5 vorhanden. Ferner ist ein in dem Erdreich 3 angeordneter Einbettungsbereich 7 (siehe 2) aus einem Einbettungsmaterial 8 vorgesehen, in dem zwei oder mehr Flüssigkeitsleitungen 4 vertikal übereinanderliegend angeordnet sind, wobei der Einbettungsbereich 7 und die Flüssigkeitsleitungen 4 im Wesentlichen in einer im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Spirale angeordnet sind. Das Einbettungsmaterial 8 ist wenigstens zur Hälfte, vorzugsweise wenigstens annähernd vollständig aus Sand ausgebildet. Außerdem ist eine sehr schematisch dargestellte Übergabeeinrichtung 9 zur Übergabe der Transportflüssigkeit 5 zwischen den einzelnen Flüssigkeitsleitungen 4 vorhanden.
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Die Übergabeeinrichtung 9 ist vorzugsweise als Schacht ausgebildet und verbindet die Flüssigkeitsleitungen 4 an deren in der Spirale innenliegenden Enden miteinander.
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Ferner weist die in 1 dargestellte Ausführungsform der Geothermieanlage 1 eine Spiralform mit einem Durchmesser von 10 m bis 150 m auf. Ferner sind im vorliegenden Fall 17 Windungen mit einem radialen Abstand von 2 m zwischen den jeweiligen Windungen vorgesehen. Hierdurch deckt die Kollektoreinrichtung 2 eine Fläche von ca. 0,5 ha bis 5 ha ab.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine mögliche Ausführungsform an der Geothermieanlage 1.
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In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Flüssigkeitsleitungen 4 wenigstens annähernd vertikal übereinanderliegend und wenigstens teilweise voneinander beabstandet angeordnet.
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Der Querschnitt des Einbettungsbereichs 7 ist entlang einer Kontur des Einbettungsbereichs 7 wenigstens annähernd symmetrisch zu der in 2 dargestellten strichpunktierten Symmetrielinie bzw. Mittellinie.
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Insbesondere sind in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel vier Flüssigkeitsleitungen 4 wenigstens annähernd senkrecht übereinanderliegend angeordnet, wobei zwei Paare von Flüssigkeitsleitungen 4 um einen Verlegeabstand 14 von wenigstens 0,5 m, vorzugsweise wenigstens 0,9 m, voneinander beabstandet sind, wobei bei jedem Paar die Flüssigkeitsleitungen 4 einen Abstand von höchstens 10 cm aufweisen.
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Es ist jedoch auch möglich, dass genau zwei Flüssigkeitsleitungen 4 vertikal übereinander liegend angeordnet sind. Hierbei ist eine der beiden Flüssigkeitsleitungen 4 als vorlaufende Leitung bzw. Vorlauf für die Transportflüssigkeit 5 eingerichtet und die andere der beiden Flüssigkeitsleitungen 4 als rücklaufende Leitung bzw. Rücklauf für die Transportflüssigkeit 5 eingerichtet. Eine solche Lösung kann gegebenenfalls weniger Kosten als die dargestellte Lösung mit insgesamt vier Flüssigkeitsleitungen 4 erzeugen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform einer Vorrichtung 10 zur Herstellung der Geothermieanlage 1, insbesondere zur Verlegung der wenigstens einen Flüssigkeitsleitung 4 für die Geothermieanlage 1. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Verlegepflug 11 zur Schaffung eines temporären Hohlraums 12 in dem Erdreich 3 durch eine Verdrängung des Erdreichs 3 sowie eine Rohreinlegeeinrichtung 13 zum Einlegen der wenigstens einen Flüssigkeitsleitung 4 in den Hohlraum 12.
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In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rohreinlegeeinrichtung 13 dazu eingerichtet, mehrere Flüssigkeitsleitungen 4 wenigstens annähernd senkrecht übereinander und voneinander um den Verlegeabstand 14 beabstandet in den Hohlraum 12 einzubringen. Ferner ist eine Einbettungseinrichtung 15 vorgesehen, um in den Hohlraum 12 das Einbettungsmaterial 8 zur Ausbildung des Einbettungsbereichs 7 für die Flüssigkeitsleitungen 4 einzubringen. Hierbei ist die Einbettungseinrichtung 15 dazu eingerichtet, wenigstens einen Zwischenraum zwischen den Flüssigkeitsleitungen 4 mit dem Einbettungsmaterial 8 zu verfüllen.
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In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 10 vorzugsweise einen Querschäler 16 zum Abschälen des Erdreichs 3 an den Seitenwandungen des temporären Hohlraums 12 zur Gewinnung des Einbettungsmaterials 8 auf. Ferner weist in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Einbettungseinrichtung 15 vorzugsweise einen Trichtereinlass 17 zum Einbringen von Sand als Einbettungsmaterial 8 auf.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist ferner eine Koppeleinrichtung 18 zur Verbindung der Vorrichtung 10 mit einer, vorzugsweise lenkbaren, Zugmaschine 19, wie zum Beispiel ein Traktor, vorgesehen.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 zeigt ferner, dass der Verlegepflug 11 vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass bei einer Verdrängung des Erdreichs 3 ein Seitenzug des Verlegepflugs 11 eine Führung des Verlegepflugs 11 auf einer gekrümmten, insbesondere spiralförmigen Form begünstigt.
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Hierzu ist in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Verlegepflug 11 bzw. ein Schwert 11a des Verlegepflugs 11 durch einen lediglich einseitig angebrachten Bremsblock 11b asymmetrisch ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann das Schwert 11a auch einen sogenannten Seitengriff aufweisen.
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4 zeigt in einer blockdiagrammmäßigen Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung der Geothermieanlage 1.
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Das Verfahren zur Herstellung der Geothermieanlage 1 ist insbesondere auch als Verfahren zur Verlegung wenigstens einer Flüssigkeitsleitung 4 für eine Geothermieanlage 1 zu verstehen. Hierbei ist vorgesehen, dass in einem Verdrängungsblock 20 mittels des Verlegepflugs 11 der temporäre Hohlraum 12 in dem Erdreich 3 durch die Verdrängung des Erdreichs 3 geschaffen wird.
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In einem Einlegeblock 21 wird mittels der Rohreinlegeeinrichtung 13 die Flüssigkeitsleitung 4 in den Hohlraum 12 eingelegt. Im Rahmen des Einlegeblocks 21 ist vorgesehen, dass mehrere Flüssigkeitsleitungen 4 wenigstens annähernd senkrecht übereinander und voneinander um den Verlegeabstand 14 beabstandet in den Hohlraum 12 eingelegt werden.
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In einem Einbettungsblock 22 wird in den Hohlraum 12 das Einbettungsmaterial 8 zur Ausbildung des Einbettungsbereichs 7 für die Flüssigkeitsleitungen 4 eingebracht. Im Rahmen des Einbettungsblocks 22 wird wenigstens der Zwischenraum zwischen den Flüssigkeitsleitungen 4 mit dem Einbettungsmaterial 8 verfüllt. Im Rahmen der Blöcke 20, 21 und 22 ist vorgesehen, dass der Einbettungsbereich 7 spiralförmig ausgebildet wird und die Flüssigkeitsleitungen 4 spiralförmig in den Einbettungsbereich 7 eingebracht werden und spiralförmig verlaufen.
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5 zeigt eine großräumige Draufsicht auf eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geothermieanlage 1.
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Über mehrere landwirtschaftlich genutzte Flurstücke 30 hinweg sind mehrere, im vorliegenden Fall fünf, Kollektoreinrichtungen 2 angeordnet. In einer räumlichen Nähe zu den Kollektoreinrichtungen 2 befindet sich eine Windkraftanlage 31 sowie eine Mehrzahl von Verbraucherhaushalten 32, welche mit den Kollektoreinrichtungen 2 verbunden sind und vorzugsweise als Teil der Geothermieanlage 1 ausgebildet sind. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Nahwärmenetz zur Versorgung der Verbraucherhaushalte 32 vorgesehen sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Geothermieanlage 1 in der Nähe des wenigstens einen Verbraucherhaushalts 32 ausgebildet wird. Hierbei kann vorgesehen sein, dass jeder Verbraucherhaushalt 32 in einem Keller einen Anschluss mit einem Vorlauf und einem Rücklauf sowie einen Stromanschluss aufweist.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Geothermieanlage 1 in einer räumlichen Nähe, vorzugsweise weniger als 1.000 m entfernt, von der Windkraftanlage 31 ausgebildet wird.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der von der Windkraftanlage 31 erzeugte Strom mit einer Spannung von beispielsweise 400 V oder 20 kV mittels einer Stromleitung zu dem Stromanschluss in dem wenigstens einen Verbraucherhaushalt 32 geleitet wird. Vorzugsweise wird die Stromleitung direkt von der Windkraftanlage 31 zu dem wenigstens einen Verbraucherhaushalt 32 gelegt. Hierdurch entsteht ein Heizsystem, welches ausschließlich mit erneuerbarem und sehr günstigem Strom betreibbar ist.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Geothermieanlage
- 2
- Kollektoreinrichtung
- 3
- Erdreich
- 4
- Flüssigkeitsleitung
- 5
- Transportflüssigkeit
- 6
- Wärmepumpe
- 7
- Einbettungsbereich
- 8
- Einbettungsmaterial
- 9
- Übergabeeinrichtung
- 10
- Vorrichtung
- 11
- Verlegepflug
- 11a
- Schwert
- 11b
- Bremsblock
- 12
- Hohlraum
- 13
- Rohreinlegeeinrichtung
- 14
- Verlegeabstand
- 15
- Einbettungseinrichtung
- 16
- Querschäler
- 17
- Trichtereinlass
- 18
- Koppeleinrichtung
- 19
- Zugmaschine
- 20
- Verdrängungsblock
- 21
- Einlegeblock
- 22
- Einbettungsblock
- 30
- Flurstück
- 31
- Windkraftanlage
- 32
- Verbraucherhaushalt
