DE102022210763A1

DE102022210763A1 - Textiler Erdwärmetauscher sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung eines textilen Erdwärmetauschers

Info

Publication number: DE102022210763A1
Application number: DE102022210763.2A
Authority: DE
Inventors: Klaus Richter
Original assignee: ITP GmbH Gesellschaft fuer Intelligente Textile Produkte
Current assignee: Richter and Partner Design Werbung Marketing Gmb De
Priority date: 2022-10-12
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2024-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen textilen Erdwärmetauscher (30) umfassend ein von einer flexiblen Beschichtung (20) fluiddicht umschlossenes dreidimensionales flächiges Abstandsgewirk (10), wobei das Abstandsgewirk (10) zur Aufnahme eines Wärmetauschfluids eingerichtet ist und wobei in die flexible Beschichtung (20) mindestens zwei zur hydraulischen Verbindung des Abstandsgewirks (10) mit je einem Fluidkanals eingerichtete Anschlusselemente (40) fluiddicht eingearbeitet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Erdwärmetauschers und eine Verwendung eines textilen Erdwärmetauschers.

Description

Die Erfindung betrifft einen textilen Erdwärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen textilen Erdwärmetauschers sowie dessen Verwendung zum Wärmetausch.
Die Verwendung des Erdreichs als Reservoir zur Speicherung wie auch zur Entnahme von Wärme ist im Zusammenhang mit Erdwärmepumpen bekannt, die zur Gebäudeheizung und/oder -kühlung eingesetzt werden. Der Wärmeaustausch zwischen einer Erdwärmepumpe und dem Erdreich wird über ein Wärmetauschfluid vollzogen, das die Erdwärmepumpe und einen in das Erdreich eingebrachten Erdwärmetauscher durchströmt.
Für eine Verwendung als Wärmetauschfluid eignet sich Wasser, dem als Frostschutzmittel Glykol beigefügt oder das durch Zugabe von Salzen (beispielsweise Kaliumkarbonat oder Kalziumchlorid) in Sole umgewandelt wird, um den Bereich der Arbeitstemperatur zu erweitern und/oder die spezifische Wärmekapazität zu erhöhen.
Erdwärmetauscher können als Erdwärmekollektoren oberflächennah in frostgeschützter Tiefe, typischerweise 1 Meter bis 1,50 Meter unter der Erdoberfläche, flächig verlegt werden. Hierzu werden Kunststoff- oder Metallrohre für eine möglichst gleichmäßige Überdeckung einer Grundstücksfläche, beispielsweise mäander- oder spiralförmig, verlegt. Für die Gebäudeklimatisierung verwendete Erdwärmekollektoren erfordern eine beträchtliche Grundstücksfläche von etwa doppelter Größe der Wohnfläche, die nicht oder nur eingeschränkt durch Bebauung oder Bepflanzung genutzt werden kann. Einem breiten Einsatz von Erdwärmekollektoren insbesondere im Gebäudebestand steht daher die Begrenzung verfügbarer Flächen in urbanen und intensiv besiedelten Regionen entgegen.
Alternativ können Erdwärmetauscher als Erdsonden verlegt werden, die bis in eine Tiefe von einigen hundert Metern reichen. Erdsonden beanspruchen nur eine geringe Grundstücksfläche, sind aber in der Herstellung aufwändig und teuer und können, beispielsweise auf Grund geologischer Bedingungen oder einer beschränkten Zugänglichkeit für die erforderlichen Spezialmaschinen, nicht überall eingebaut werden.
Sowohl Erdwärmekollektoren als auch Erdwärmesonden unterliegen dem Risiko einer Beschädigung, die durch Erdbewegungen, beispielsweise durch Bodensenkungen, Setzung von Gebäuden, Unterspülungen oder auch durch temperaturbedingte Bodenbewegungen ausgelöst werden können. Infolge solcher Beschädigungen kann giftiges oder umweltschädliches Wärmetauschfluid austreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Erdwärmetauscher anzugeben, der leicht und kostengünstig herstellbar ist, nur eine geringe Grundstücksfläche beansprucht und eine hohe Sicherheit gegenüber Beschädigungen aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen textilen Erdwärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Erdwärmetauschers anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Verwendung eines verbesserten Erdwärmetauschers für den Wärmetausch zwischen einem Wärmetauschfluid und umgebendem Erdreich anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen textilen Erdwärmetauscher.
Erfindungsgemäß umfasst ein textiler Erdwärmetauscher ein dreidimensionales Abstandsgewirk, das zur Aufnahme eines Wärmetauschfluids eingerichtet und von einer flexiblen Beschichtung fluiddicht umschlossen ist. Die flexible Beschichtung ist so ausgestaltet, dass sie für den dauerhaften Verbleib im Erdreich eingerichtet ist. Beispielhaft ist die flexible Beschichtung aus einem verrottungs- und zersetzungsresistenten Kunststoff, beispielsweise aus einem Silikon und/oder aus Polyurethan (PU) und/oder einem Polyethylen (PE) und/oder aus Polyvinylchlorid (PVC) hergestellt. Unter einem dauerhaften Verbleib im Erdreich soll eine Standzeit von mindesten zehn Jahren verstanden werden.
In die flexible Beschichtung sind mindestens zwei Anschlusselemente fluiddicht eingearbeitet, die zur hydraulischen Verbindung des Abstandsgewirks mit je einem Fluidkanal eingerichtet sind, beispielsweise zur Verbindung mit einem Rohr oder einem Schlauch.
Abstandsgewirke sind aus textilen Warenflächen gebildete doppelflächige Textilien. Die Warenflächen werden über Polfäden in einem vorgesehenen Abstand gehalten. Über Bemessung, Dichte, Verlegung und das Material der Polfäden kann die Elastizität, die Formstabilität und die Druckfestigkeit des Abstandsgewirks entsprechend den mechanischen Belastungen beim Verlegen im Erdreich gestaltet werden.
Ferner kann über die Ausgestaltung der Polfäden der Wandabstand zwischen den Warenflächen stark variiert werden, wobei jedoch dieser Abstand stets kleiner als die zweidimensionale Ausdehnung der einander gegenüberliegenden Warenflächen ist. Abstandsgewirke sind daher als im Wesentlichen flächig ausgedehnte Textilien mit einer dreidimensionalen Struktur anzusehen.
Der nur von den Polfäden durchzogene, im Übrigen aber freie Zwischenraum zwischen den Warenflächen ermöglicht die Strömung eines Wärmetauschfluids, wobei beim Umströmen eines jeden Polfadens ein Mikrowirbel ausgebildet wird. Das Abstandsgewirk mit vielen Hundert, typischerweise Tausenden von Polfäden pro Quadratzentimeter Warenfläche erzeugt durch die Gesamtheit der Mikrowirbel eine besonders gute Verteilung des Wärmetauschfluids zwischen den Warenflächen. Dadurch wird eine Wärmediffusion zwischen den Warenflächen und dem durchströmendem Wärmetauschfluid ermöglicht, die gegenüber einem von Röhren oder Schläuchen durchzogenen, konvektorartig aufgebauten Erdwärmekollektor deutlich verbessert ist.
Die Beschichtung grenzt dieses vom Wärmetauschfluid durchströmbare Volumen fluiddicht von der Umgebung ab. Das Abstandsgewirk ist ausreichend flexibel und elastisch, um einer Beanspruchung beim Verlegen und/oder durch Erdbewegungen standzuhalten. Zugleich weist das beschichtete Abstandsgewirk eine ausreichende Formstabilität auf, um eine Kompression, beispielsweise durch Bodendruck, oder ein Abknicken, beispielsweise beim Verlegen, zu verhindern. Dadurch wird auch das Risiko von Beschädigungen und Leckagen in Folge von Setzungen oder Belastungen nach dem Verlegen verringert.
Gegenüber herkömmlichen, durch mäander- oder spiralförmige Rohre verlegten Erdwärmekollektoren weist der erfindungsgemäße Erdwärmetauscher neben der verbesserten Wärmediffusion auf Grund der flächigen Ausdehnung des Abstandsgewirks, die für den Wärmeaustausch in die Tiefe des Erdreichs eingebracht werden kann, zudem den Vorteil einer erheblich größeren spezifischen (das heißt: auf die Länge in Durchleitungsrichtung des Wärmetauschfluids bezogenen) Oberfläche auf. Der erfindungsgemäße Erdwärmetauscher ermöglicht daher den Austausch derselben Wärmemenge auf einer gegenüber einem herkömmlichen Erdwärmekollektor erheblich reduzierten Grundstücksfläche. Beispielhaft kann der Erdwärmetauscher so dimensioniert werden, dass die erforderliche Grundstücksfläche um den Faktor 10 bis 50 gegenüber einem herkömmlichen Erdwärmekollektor verringert wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der erfindungsgemäße Erdwärmetauscher gegenüber herkömmlichen Rohr- oder Schlauchsystemen für Erdwärmekollektoren oder Erdwärmesonden ein größeres Volumen des Wärmetauschfluids aufnehmen kann. Dadurch kann das Wärmespeichervermögen von Anlagen zur Gebäudeklimatisierung vergrößert werden, so dass Schwankungen der Außentemperatur besser ausgeglichen werden können.
Bei einer Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Anschlusselementen für eine Zuführung des Wärmetauschfluids und/oder eine Mehrzahl von weiteren Anschlusselementen für eine Abführung des Wärmetauschfluids eingerichtet. Indem das Wärmetauschfluid über eine Mehrzahl von Anschlusselementen zu- oder abgeführt und zwischen den Zu- und den Abflüssen mittels der Polfäden verwirbelt werden kann, ermöglicht ein derart ausgebildeter textiler Erdwärmetauscher eine besonders gleichmäßige Wärmeverteilung entlang der Warenflächen und der die Warenflächen umgebenden flexiblen Beschichtung. Insbesondere wird dadurch vermieden, dass Bereiche der Warenflächen nicht oder nur wenig umströmt werden. Somit wird ein bezogen auf die Größe der Warenflächen und bezogen auf den Volumenstrom des Wärmetauschfluids besonders effizienter Wärmetausch ermöglicht.
Bei einer Ausführungsform ist das Abstandsgewirk eines Erdwärmetauschers mindestens teilweise aus Kunststofffasern aus einem gegenüber dem Wärmetauschfluid resistenten Kunststoff ausgebildet. Kunststofffasern können leicht in Abstandsgewirke verarbeitet werden. Insbesondere kann die Flexibilität und Druckfestigkeit von Abstandsgewirken aus Kunststofffasern durch deren Veredelung gut gesteuert werden, so dass für lange Standzeiten im Erdreich gut angepasste Erdwärmetauscher hergestellt werden können.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Polyamid und/oder Polyester und/oder Polyestersulfon für die Herstellung des Abstandsgewirks herausgestellt. Diese Kunststoffe sind kostengünstig verfügbar und leicht zu verarbeiten. Die Verwendung von Aramid ermöglicht besonders stabile und robuste Abstandsgewirke, die für einen dauerhaften Einsatz im Erdreich gut geeignet sind.
In einer Ausführungsform ist die flexible Beschichtung mindestens teilweise aus einem gegenüber dem Wärmetauschfluid resistenten flexiblen Kunststoff ausgebildet. Kunststoffe sind kostengünstig verfügbar. Ebenfalls bekannt und leicht verfügbar sind Technologien zum Aufbringen von Beschichtungen aus Kunststoffen auf textile Oberflächen.
Bevorzugt ist die flexible Beschichtung mindestens teilweise aus Polyurethan (PU) und/oder Polyethylen (PE) und/oder Polyvinylchlorid (PVC) hergestellt, denen zur Verbesserung der Flexibilität Weichmacher zugesetzt wurden. Diese Kunststoffe und Verarbeitungstechnologien dafür sind weit verbreitet und besonders kostengünstig verfügbar.
Besonders bevorzugt ist die flexible Beschichtung aus einem Silikon hergestellt, das besonders gut verarbeitbar ist und eine hohe Flexibilität und Festigkeit aufweist. Silikone können über eine Vielzahl von Prozessen, inklusive Spritzgießen, Sprayen und Rakeln verarbeitet werden. Zudem hat sich Silikon als beständig gegenüber Glykol und gegenüber vielen als Wärmetauschfluid verwendeten Solen herausgestellt. Eine aus Silikon hergestellte Beschichtung beeinträchtigt zudem die Flexibilität des umhüllten Abstandsgewirks nicht nennenswert.
Da der erfindungsgemäße Erdwärmetauscher keiner nennenswerten Belastung durch ultraviolette (UV) Strahlen ausgesetzt ist, ist auch eine besondere Widerstandsfähigkeit gegen ein Aushärten oder sonstige, durch UV-Strahlen bewirkte Degradation nicht erforderlich.
Auch Ausführungsformen mit mindestens teilweise textilen Beschichtungen sind möglich. Textile Beschichtungen weisen eine hohe Flexibilität und zugleich eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Penetrationen auf. Dadurch wird das Risiko einer Beschädigung eines Erdwärmetauschers durch spitze oder scharfkantige Gegenstände oder Steine im Boden verringert.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind in die flexible Beschichtung oberflächenvergrößernde Strukturelemente eingebracht oder auf dieser angeordnet. Solche oberflächenvergrößernden Strukturelemente können beispielsweise durch senkrecht auf der Oberfläche der Beschichtung vorspringende Rippen oder Lamellen ausgebildet werden.
Indem die für den Wärmeaustausch verfügbare Oberfläche derart zusätzlich vergrößert wird, kann die Größe eines solchen Erdwärmetauschers entsprechend verringert werden. Dementsprechend kann auch der Bedarf an Grundstücksfläche für das Einbringen ins Erdreich verringert werden.
Lamellen oder Rippen weisen als oberflächenvergrößernde Strukturelemente den Vorteil auf, dass sie die Festigkeit in der zu ihrer Ausrichtung parallelen Richtung verbessern, während die Biegsamkeit und Flexibilität quer zur Ausrichtung der Lamellen oder Rippen erhalten bleibt. Indem ein Erdwärmetauscher beispielsweise mit Lamellen an seiner Oberfläche versehen wird, die in der Einbaulage parallel zur Gravitationsrichtung verlaufen, kann eine hohe Festigkeit gegen Erddruck und Bodenlasten erzielt werden, während eine gute Flexibilität zur Ausbildung von Mäandern, das heißt: Auffaltungen in einer Richtung parallel zur Erdoberfläche, erhalten bleibt.
Bei einer Ausführungsform umfassen die mindestens zwei Anschlusselemente (von denen mindestens eines als Zulauf und mindestens ein weiteres als Ablauf für das Wärmetauschfluid vorgesehen sind) jeweils einen Stutzen und ein Schlosselement.
Der Stutzen ist zur hydraulischen Verbindung je eines Fluidkanals (beispielsweise eines Rohres oder eines Schlauches) zur Führung des Wärmetauschfluids mit dem Abstandsgewirk eingerichtet. Mit anderen Worten: über die Stutzen steht das Innere des textilen Wärmetauschers in hydraulischer Verbindung mit dem zu- und abgeführten Wärmetauschfluid. Der Stutzen ist so dimensioniert, dass der erforderliche Volumenstrom des zu- und abfließenden Wärmetauschfluids gewährleistet ist.
Das Schlosselement ist zur mechanischen Arretierung des jeweils demselben Anschlusselement zugeordneten Stutzens an dem Erdwärmetauscher eingerichtet und weist eine ausreichende Steifigkeit auf, um die Funktionsfähigkeit des Erdwärmetauschers über die gewünschte Betriebsdauer hinweg zu gewährleisten.
Ein Vorteil eines derart zweiteilig aufgebauten Anschlusselementes besteht darin, dass die Montage einer sowohl fluiddichten (mittels des Stutzens) als auch mechanisch stabilen (mittels des Schlosselements) Verbindung zu einem Fluidkanal besonders leicht möglich ist.
Zusätzlich oder alternativ können Anschlusselemente beispielsweise als Flansche oder Ventile ausgebildet und sowohl während des Beschichtungsvorgangs des Abstandsgewirks als auch anschließend hergestellt werden.
Bei einer Ausführungsform umfasst das von der Beschichtung umhüllte Abstandsgewirk zwei Warenflächen, die mittels Polfäden in einem Wandabstand von zwischen 10 Millimetern bis 20 Millimetern beabstandet sind. Es hat sich herausgestellt, dass Abstandsgewirke mit einem derartigen Wandabstand eine gute Festigkeit gegenüber Erddruck und Bodenlasten sowie gegenüber Beanspruchungen beim Einbringen in das Erdreich und zugleich eine ausreichende Flexibilität aufweisen, die das Einbringen und die Ausbildung von Biegungen erleichtert und die Gefahr von Schäden durch Bodenbewegungen vermindert.
Bei einer Ausführungsform ist ein Erdwärmetauscher

- in einer Längsrichtung zwischen 1 Meter und 1,5 Meter, bevorzugt 1,4 Meter und
- in einer dazu senkrechten Querrichtung zwischen 0,5 Meter und 1 Meter, bevorzugt 0,765 Meter erstreckt und
- weist eine zur Längsrichtung und Querrichtung senkrecht erstreckte Höhe von zwischen 10 Millimetern und 20 Millimetern auf.

Bei dieser Ausführungsform sind Anschlusselemente derart angeordnet, dass das Wärmetauschfluid den Erdwärmetauscher im Wesentlichen in Längsrichtung durchströmen kann.
Ein Erdwärmetauscher in dieser geometrischen Ausführung lässt sich besonders leicht herstellen, transportieren und in das Erdreich einbringen und weist ein hohes Wärmetauschvermögen auf.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erdwärmetauschers. Dabei werden für die mindestens zwei Anschlusselemente jeweils ein zur Fluidführung eingerichtetes Anschluss-Verbindungselement und ein baulich davon getrenntes Anschluss-Arretierungselement bereitgestellt, welches zur mechanischen Befestigung des zugeordneten Anschluss-Verbindungselements eingerichtet ist. Das Anschluss-Verbindungselement kann als Stutzen und das Anschluss-Arretierungselement kann als Schloss ausgebildet sein.
Bei dem Verfahren wird ein Abstandsgewirk textil gewirkt und es werden daran die Anschluss-Verbindungselemente angeordnet.
Das Abstandsgewirk und die daran angeordneten Anschluss-Verbindungselemente werden mindestens teilweise mit einer flexiblen Beschichtung derart umschlossen, dass das Abstandsgewirk ein bis auf die Fluidführung entlang der Anschluss-Verbindungselemente fluiddicht abgeschlossenes Volumen bildet.
Eine Beschichtung kann beispielsweise durch Auftragen eines Silikons oder eines anderen Kunststoffs aufgebracht werden. Silikone und Beschichtungsmaterialien aus Kunststoff können über eine Vielzahl von Prozessen, inklusive Spritzgießen, Sprayen oder Rakeln aufgebracht und verarbeitet werden. Beschichtungsmaterialien können auch als Folien über thermische Verfahren oder durch Verkleben aufgebracht werden.
Jedes der mit der Beschichtung mindestens teilweise fluiddicht verbundenen Anschluss-Verbindungselemente wird mit je einem Anschluss-Arretierungselement mechanisch arretiert, wobei das Anschluss-Arretierungselement mit mindestens einer äußeren Fläche der Beschichtung mindestens teilweise stoff- und/oder kraftschlüssig verbunden, beispielsweise verklebt wird.
Ein mit diesem Verfahren hergestellter Erdwärmetauscher weist eine besonders zuverlässige Dichtigkeit der Anschlusselemente und eine besonders hohe Robustheit dieser Anschlusselemente gegenüber mechanischen Belastungen auf, wie sie beim Verbinden mit zu- oder abführenden Rohrleitungen oder Schläuchen auftreten. Dadurch ist ein besonders zuverlässiger und langlebiger Betrieb solcher Erdwärmetauscher möglich.
Zusätzlich oder alternativ können Anschlusselemente eines Erdwärmetauschers beispielsweise als Flansche oder Ventile ausgebildet und sowohl während des Beschichtungsvorgangs des Abstandsgewirks als auch anschließend hergestellt werden. Wenn die Beschichtung als Kunststoffbeschichtung aufgetragen wird, ist es auch möglich, Beschichtungsmaterial aufzuschmelzen und eine stoffschlüssige Verbindung mit den Anschlusselementen auszubilden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines textilen Erdwärmetauschers zum Wärmeaustausch zwischen einem Wärmetauschfluid und umgebendem Erdreich.
Bei einer solchen Verwendung wird ein textiler Erdwärmetauschers gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vollständig in das Erdreich eingebracht. Bevorzugt wird der Erdwärmetauscher in einer frostsicheren Tiefe eingebaut, besonders bevorzugt in einer Tiefe von zwischen 1 Meter und 1,5 Meter unter der Oberfläche des gewachsenen Bodens. Zur Vermeidung von Beschädigungen werden spitze oder scharfkantige Steine oder andere Gegenstände sowie Objekte mit rauer oder besonders harter Oberfläche aus dem Einbaubereich entfernt. Es ist auch möglich, einen textilen Erdwärmetauscher zusätzlich mit einem Schutztextil zu umhüllen, das stichfest ist und einen geringen Wärmediffusionswiderstand aufweist.
Ein Wärmetauschfluid wird über mindestens ein Anschlusselement des Erdwärmetauschers zugeführt und über mindestens ein weiteres Anschlusselement abgeführt.
Die Vorteile einer solchen Verwendung entsprechen den Vorteilen eines textilen Erdwärmetauschers gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Insbesondere wird ein besonders Platz (das heißt: Grundstücksfläche) sparender, gegenüber Erd- und Bodenbewegungen robuster und sicherer Betrieb einer Anlage zur Gebäudeklimatisierung ermöglicht.
In einer Ausführungsform einer solchen Verwendung werden mehrere Erdwärmetauscher mäanderartig angeordnet und über Fluidkanäle, beispielsweise Rohre und/oder Schläuche, zur Leitung des Wärmetauschfluids in Reihe geschaltet. Unter einer mäanderartigen Anordnung ist hierbei die Auffaltung entlang der Fließrichtung des Wärmetauschfluids zu verstehen.
Bevorzugt werden die Erdwärmetauscher stehend, das heißt: mit der größten Ausdehnung parallel zur Gravitationsrichtung, im Erdreich eingebaut, um den Flächenbedarf an Grundstücksfläche zu minimieren. Es ist aber auch ein liegender Einbau möglich, bei dem die größte Ausdehnung senkrecht zur Gravitationsrichtung (das heißt. parallel zur Erdoberfläche) angeordnet wird. Dadurch kann die erforderliche Schachttiefe verringert werden.
Eine mäanderartige Anordnung ist auf Grund der Flexibilität der textilen Erdwärmetauscher besonders leicht möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

1 schematisch ein Abstandsgewirk aus dem Stand der Technik,
2 schematisch ein beschichtetes Abstandsgewirk,
3 schematisch einen flexiblen Erdwärmetauscher mit Anschlusselementen,
4 schematisch mäanderartig im Erdreich eingebrachte Erdwärmetauscher sowie
5A, 5B schematisch ein zerlegtes beziehungsweise montiertes zweiteiliges Anschlusselement

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Abstandsgewirk 10, bei dem eine obere kettengewirkte Warenfläche 11 und eine untere kettengewirkte Warenfläche 12 mittels abstandshaltender, als Polfäden 13 bezeichneter Verbindungsfäden miteinander verbunden und in einem vorgesehenen Wandabstand 14 auf Distanz gehalten werden.
Die Polfäden 13 sind meist kreuzförmig zwischen den Warenflächen 11, 12 in einem Kreuzungswinkel von etwa 45 Grad gelegt und üblicherweise als Monofil ausgebildet, wobei meist Polyester als Grundstoff eingesetzt wird. Durch eine nach dem Verlegen vorgenommene Veredelung, beispielsweise mittels thermischer Behandlung, wird eine dauerhafte Biegeelastizität erzielt.
Aus dem Stand der Technik bekannte Abstandsgewirke 10 weisen eine hohe Verschiebefestigkeit der Warenflächen 11, 12 und eine hohe Festigkeit gegen Druckbelastung auf und sind ähnlich gut elastisch zusammendrückbar wie Schaumstoffe. Sie können über einen großen Bereich von Abständen 14, der von etwa 1,5 Millimeter bis zu 65 Millimeter reicht, hergestellt werden.
2 zeigt schematisch ein Abstandgewirk 10 mit einer Beschichtung 20, welches das Abstandsgewirk 10, das heißt: die Wandflächen 11, 12 und den dazwischen liegenden, durch den Wandabstand 14 gebildeten inneren Raum mit den Polfäden 13 umschließt. Die Beschichtung 20 ist aus einem flexiblen, flüssigkeitsdichten Material ausgebildet. Dadurch kann der Raum zwischen den Wandflächen 11, 12 ein Fluid aufnehmen.
Durch die Flexibilität des Beschichtungsmaterials bleibt die Flexibilität des Abstandsgewirks 10 auch nach dem Beschichtungsvorgang erhalten. Die biegeelastischen Polfäden 13 bewirken eine hohe Formstabilität und verhindern, dass ein eingebrachtes Fluid durch einen äußeren Druck auf die Wandflächen 11, 12 aus dem beschichteten Abstandsgewirk 10 ausgepresst wird. Durch das von der Beschichtung 20 umhüllte Abstandsgewirk 10 wird somit ein flexibler, hinsichtlich des Wandabstands 14 aber dennoch weitgehend formstabiler, flüssigkeitsdichter Behälter für ein Fluid gebildet.
Aus einem derartigen Behälter kann, wie in 3 schematisch dargestellt ist, ein flexibler Erdwärmetauscher 30 ausgebildet werden, indem in die umhüllende Beschichtung 20 mindestens ein erstes und ein zweites Anschlusselement 40 eingebracht werden, von denen mindestens eines als Zulauf und ein anderes als Ablauf für ein Fluid eingerichtet werden können.
Indem ein Fluid durch einen solchen Erdwärmetauscher 30 hindurchgeleitet wird, kann es Wärme an dessen Umgebung abgeben (sofern das Fluid in den Zulauf mit einer höheren als der Umgebungstemperatur eingeleitet wird) oder Wärme von dessen Umgebung aufnehmen (sofern das Fluid in den Zulauf mit einer niedrigeren als der Umgebungstemperatur eingeleitete wird).
Vorliegend sind zwei Paare von Anschlusselementen 40 an den in einer Längsrichtung 31 gegenüberliegenden Längsenden angeordnet, wobei die Anschlusselemente 40 jeweils eines Paares an dem jeweiligen Längsende in einer Querrichtung 32 gleich beabstandet sind. Beispielhaft können die am links dargestellten Längsende angeordneten Anschlusselemente 40 als Zufluss und die gegenüberliegend, also am rechts dargestellten Längsende angeordneten Anschlusselemente als Abfluss für das Fluid eingerichtet sein.
Wie bereits dargelegt, ist die Beschichtung 20 flexibel und darüber hinaus für das dauerhafte Einbringen in das Erdreich eingerichtet. Bevorzugt ist die Beschichtung 20 resistent gegen Feuchtigkeit und ausreichend fest, um einer Abschürfung beim Einbringen in das Erdreich oder einer Penetration durch spitze Gegenstände im Boden zu widerstehen.
Dagegen ist eine besondere Widerstandsfähigkeit gegenüber ultravioletter (UV) Strahlung nicht erforderlich.
Ferner sind sowohl die Beschichtung 20 als auch das von dem Fluid umspülte Abstandsgewirk resistent insbesondere gegen glykol- und/oder salzhaltige Fluide, die typischerweise eingesetzt werden, um die Wärmetransportfähigkeit zu verbessern und/oder den Arbeitstemperaturbereich, insbesondere den Frostschutz eines Fluids in Wärmetauschern zu verbessern.
Es hat sich herausgestellt, dass als Material für die Beschichtung 20 Silikon vorteilhaft verwendbar ist.
Für die Herstellung des Abstandsgewirks 10 haben sich Kunststoffe, insbesondere Polyestersulfon (PES) und Polyethylen (PE) als vorteilhaft verwendbar herausgestellt, die kostengünstig verfügbar und leicht verarbeitbar sind. Durch Verwendung von Hochtechnologie-Kunststoffen, beispielsweise von Polyamid (PA) und Kunststoffen auf Basis von Aramiden, kann zusätzlich die Festigkeit des Abstandsgewirks 10 erhöht werden.
Auch die Verwendung einer textilen, aus Aramid hergestellten Beschichtung 20 hat sich als besonders widerstandsfähig gegen eine Penetration durch spitze Gegenstände herausgestellt.
Zur Verbesserung des Wärmeaustauschs mit der Umgebung kann in oder auf die Beschichtung 20 eine die Oberfläche vergrößernde Struktur, beispielsweise in der Art von Lamellen, eingearbeitet oder aufgebracht sein.
Gegenüber bekannten starren Wärmetauschern in der Art von Konvektoren weist der vorgeschlagene flexible Erdwärmetauscher 30 den Vorteil auf, dass er gegenüber Erdbewegungen, die unvermeidbar beispielsweise durch Temperaturunterschiede, Frost, Bodensetzungen oder Bodenausspülungen ausgelöst werden, nachgibt. Ferner lässt er sich aufgrund seiner Flexibilität und seines geringen Gewichts besonders leicht in das Erdreich einbringen.
Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Rohrleitungen zum Wärmeaustausch zwischen einem Fluid und dem Erdreich weist der vorgeschlagene flexible Erdwärmetauscher 30 einer bezogen auf die Längsrichtung 31 erheblich vergrößerten Oberfläche auf.
Eine Rohrleitung mit dem Durchmesser D und einer Länge L weist eine auf die Länge bezogene spezifische Oberfläche von $\frac{π \cdot D \cdot L}{L} = π D$
auf. Ein
Erdwärmetauscher 30 mit rechteeckigen Wandflächen, die näherungsweise den Warenflächen 11, 12 des eingeschlossenen Abstandsgewirks 10 entsprechen, weist unter Vernachlässigung der parallel zum Wandabstand 14 in der Höhe H ausgerichteten Seitenflächen eine auf die Länge L (das heißt: auf die Erstreckung in der Längsrichtung 31) bezogene Oberfläche von $\frac{2 \cdot (B + H) \cdot L}{L} \approx 2 B$
auf, wobei B die Erstreckung in der Querrichtung 32 ist.
Da die Erstreckung B in der Querrichtung 32 um ein Vielfaches, beispielsweise um ein 10-faches bis 100-faches größer als ein typischerweise verwendeter Durchmesser einer Rohrleitung gestaltet werden kann, wird derselbe Wärmeaustausch bei einer erheblich kürzeren Ausdehnung in der Längsrichtung 31, verglichen mit einer vorbekannten Rohrleitung, erzielt.
Mit anderen Worten: indem der Wärmeaustausch nicht nur (im Wesentlichen) entlang der Längsrichtung 31 (bei einem Rohres entlang dessen Länge L), sondern zusätzlich entlang der Querrichtung 32, das heißt: in der Tiefe des Erdreichs, vollzogen wird, ist eine besonders platzsparende Anordnung derartiger Erdwärmetauscher 30 möglich, mit der insbesondere Grundstücksfläche eingespart werden kann.
Als besonders vorteilhaft haben sich Erdwärmetauscher 30 herausgestellt, bei denen das Abstandsgewirk 10 einen Wandabstand 14 von etwa 10 Millimetern aufweist. Dadurch sind zum einen eine ausreichende Flexibilität und ein ausreichender Volumenstrom des Fluids durch den Innenraum des Abstandsgewirks 10 möglich. Zum anderen weist ein solches Abstandsgewirk 10 eine ausreichende Steifigkeit und Druckbeständigkeit, und somit eine ausreichende Formstabilität auf.
Für die Bemessung der Grundfläche eines erfindungsgemäßen Erdwärmetauschers 30 hat sich eine Länge (das heißt: eine Erstreckung in Längsrichtung 31) von etwa 1400 Millimetern und eine Breite (das heißt: eine Erstreckung in Querrichtung 32) von etwa 765 Millimetern als vorteilhaft herausgestellt. Derart bemessene Erdwärmetauscher 30 ermöglichen, wenn sie wie in 3 dargestellt mit vier, paarweise gegenüberliegend angeordneten Anschlusselementen 40 versehen sind, einen ausreichend hohen Volumenstrom des Fluids, sind gut transportierbar und können leicht in das Erdreich eingebracht werden.
Es sind jedoch für einen Erdwärmetauscher 30 auch andere Bemessungen und/oder andere, von einer rechteckigen Form abweichende Grundflächen möglich.
Bevorzugt werden derartige Erdwärmetauscher 30 längs stehend (das heißt: mit der Längsrichtung 31 parallel zur Richtung der Gravitationskraft weisend) in das Erdreich eingebaut, wie in 4 schematisch dargestellt. Die Erdwärmetauscher 30 sind über ihre Anschlusselemente 40 miteinander verbunden und derart in Reihe geschaltet, dass sie nacheinander entlang ihrer Querrichtung 32 von dem Wärmetauschfluid durchströmt werden. Bevorzugt sind je zwei in Strömungsrichtung nacheinander angeordnete Erdwärmetauscher 30 über je eine Mehrzahl von Anschlusselementen 40 miteinander verbunden, um den Strömungswiderstand zu verringern und/oder eine gleichmäßigere Verteilung der Wärme über die Warenflächen 11, 12 zu erreichen.
Die Reihenschaltung der Erdwärmetauscher 30 wird über einen Zufluss Z von einem nicht näher dargestellten Aggregat zur Gebäudeklimatisierung gespeist. Über einen Abfluss A strömt das Wärmetauschfluid zu diesem Aggregat zurück. In der mäanderartigen Reihenschaltung können einige der Erdwärmetauscher 30 auch entlang der Strömungsrichtung des Wärmetauschfluids, die vorliegend mit der Querrichtung 32 übereinstimmt, gekrümmt oder gebogen sein.
Entlang der Richtung der Gravitationskraft sind die Erdwärmetauscher 30 mit einem Tiefenabstand T, der den Abstand der oberen Querkante von der Oberfläche des gewachsenen Bodens bemisst, eingebaut. Bevorzugt ist der Tiefenabstand T so bemessen, dass die Erdwärmetauscher 30 frostfrei gegründet sind.
Die Mäander der Reihenschaltung der Erdwärmetauscher 30 sind in einem Mäanderabstand B aufgefaltet. Bevorzugt ist der Mäanderabstand B mindestens 50 Zentimeter groß, damit das zwischen den einander gegenüberliegenden Erdwärmetauschern 30 liegende Erdreich eine ausreichend große Wärmekapazität aufweist.
Dadurch ist eine besonders platzsparende (bezüglich der für den Wärmeaustausch vorzusehenden Grundstücksfläche) Bauweise möglich.
Alternativ zur längs stehenden Einbaulage können Erdwärmetauscher 30 auch quer stehend (das heißt: mit der Querrichtung 32 parallel zur Richtung der Gravitationskraft weisend) in das Erdreich eingebaut werden. Bei dieser Bauweise kann der Aufwand für die Ausschachtung und den Einbau verringert werden, allerdings wird Grundstücksfläche in größerem Umfang benötigt.
Aus dem Stand der Technik bekannte Schlauchsysteme für den Wärmetausch im Erdreich haben einen Durchmesser von beispielsweise 32 Millimeter und weisen somit eine spezifische (auf die Länge bezogene) Wärmetausch-Oberfläche von etwa $0,1 \frac{m^{2}}{m}$
auf. Ein wie vorgeschlagen dimensionierter, längs stehend eingebauter Erdwärmetauscher 30 weist eine spezifische Wärmetausch-Oberfläche von etwa $2,8 \frac{m^{2}}{m}$
auf. Für einen Anwendungsfall, bei dem etwa 35 Prozent der Länge eines herkömmlichen Schlauchsystems durch längs stehend eingebaute Erdwärmetauscher 30 ersetzt werden, könnte somit, bei gleichem Verbrauch an Grundstücksfläche, die für den Wärmeaustausch verfügbare Oberfläche um etwa 900 Prozent (das heißt: auf etwa das 10fache) vergrößert werden.
Alternativ kann die verbrauchte Grundstücksfläche dadurch verringert werden, dass Erdwärmetauscher 30 mit einer im Vergleich zu herkömmlichen Schlauchsystemen erheblich verkürzten Gesamtlänge eingesetzt werden.
Die 5A und 5B zeigen ein Anschlusselement 40 im Detail, das für den Anschluss einer nicht näher dargestellten Rohrleitung vorgesehen ist, über welche das Fluid dem Erdwärmetauscher 30 zugeführt wird.
Wie in 5A dargestellt, ist das Anschlusselement 40 zweiteilig aufgebaut und umfasst einen Stutzen 41, welcher zur Durchleitung des Fluids vorgesehen ist, und ein Schlosselement 45, welches zur Befestigung des Stutzens 41 an dem Erdwärmetauscher 30 vorgesehen ist.
Der Stutzen 41 weist einen rohrförmigen, innen hohlen Hals 43 auf.
Über den Durchmesser des Halses 43 ragt an einem vorderen, der Rohrleitung zugewandten Ende ein Kragen 44 hinaus, der zum vorderen Ende hin kegelförmig verjüngt ist. Dadurch kann beispielsweise ein flexibler Verbindungsschlauch zur Verbindung mit einer Rohrleitung besonders leicht über den Kragen 44 gezogen werden. Der dem Hals 43 zugewandte Vorsprung des Kragens 44 verhindert ein Abrutschen des Verbindungsschlauchs. Zusätzlich kann ein solcher Verbindungsschlauch durch eine Schlauchklemme im Bereich des Halses 43 arretiert werden. Selbstverständlich können zur Verbindung des rohrförmigen Halses 43 mit einer Rohrleitung zur Förderung des Fluids auch andere, aus dem Stand der Technik bekannte Rohrleitungsverbinder eingesetzt werden.
An seinem dem Kragen 44 gegenüberliegendem Ende ist dem Hals 43 eine Spange 42 angesetzt, die zwei einander parallel gegenüberliegende plane Wangen aufweist. Die Wangen der Spange 42 sind etwa im Wandabstand 14 beabstandet, so dass die Spange 42 über das Abstandsgewirk 10 geklemmt und an der Innenseite der Beschichtung 20 mit dieser verbunden, beispielsweise mit Silikon oder Klebstoff stoffschlüssig verbunden werden können. Dadurch wird eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Hals 43 und dem Inneren des Abstandsgewirks 10 hergestellt, das von der Beschichtung 20 fluiddicht umhüllt ist.
Das Schlosselement 45 ist schuhartig geformt und weist zwei einander parallel gegenüberliegende plane Schlosswangen 48 auf, die an einer Längskante 49 über eine zu den Schlosswangen 48 senkrechte Stirnplatte 46 miteinander verbunden sind. In die Stirnplatte 46 ist eine Schlossöffnung 47 eingearbeitet, die in Richtung der Längskante 49 nebeneinander eine aufgeweitete Teilöffnung 47a und eine verjüngte Teilöffnung 47b aufweist.
Die Schlosswangen 48 sind so beabstandet und bemessen, dass sie über die von der Beschichtung 20 umhüllte Spange 42 des Stutzens 41 und teilweise (mit ihrem der Stirnplatte 46 gegenüberliegenden Enden) auch über die von der Beschichtung 20 umhüllten Warenflächen 11, 12 geschoben und auf diese Weise auf den gegenüberliegenden beschichteten Außenflächen des Erdwärmetauschers 30 festgeklemmt werden können, wie in 4B dargestellt.
Die aufgeweitete Teilöffnung 47a ist so bemessen, dass das mit dem Kragen 44 besetzte Ende des Halses 43 hindurchgeführt werden kann. Die verjüngte Teilöffnung 47b ist gegenüber dem Vorsprung des Kragens 44 verengt, aber mindestens so weit wie der Hals 43.
Nach der (beispielsweise stoffschlüssigen) Befestigung des Stutzens 41 am beschichteten Abstandsgewirk 10 kann somit das Schlosselement 45 über den Kragen 44 und den Hals 43 gezogen werden, indem diese durch die aufgeweitete Teilöffnung 47a geführt werden. Anschließend wird das Schlosselement 45 entlang seiner Längskante 49 so versetzt, dass der Hals 43 in der verjüngten Teilöffnung 47b aufgenommen wird. In dieser, in 4B dargestellten Position ist der Stutzen 41 gegenüber dem Schlosselement 45 arretiert, das heißt: gegen eine Bewegung in Längsrichtung des Halses gesichert.
Zur Befestigung auf dem Erdwärmetauscher 30 werden die Innenseiten der Schlosswangen 48 in der arretierten Position des Schlosselements 45 mit den Außenflächen der Beschichtung 20 verbunden, beispielsweise stoffschlüssig mittels Kleben.
Vorteilhaft können der Stutzen 41 und/oder das Schlosselement 45 aus einem besonders leichten und thermisch gut verformbaren Kunststoff, beispielsweise aus Polyamid 11 (PA 11), gefertigt werden. Durch thermische Verformung kann eine Befestigung eines Stutzens 41 an dem Abstandsgewirk 10 und/oder des Schlosselements 45 an der Außenfläche der Beschichtung 20 alternativ zum Klemmen oder Verkleben erfolgen.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: Abstandsgewirk
11, 12: obere, untere Warenfläche
13: Polfaden
14: Wandabstand
20: Beschichtung
30: Erdwärmetauscher
31: Längsrichtung
32: Querrichtung
40: Anschlusselement
41: Stutzen, Anschluss-Verbindungselement
42: Spange
43: Hals
44: Kragen
45: Schlosselement, Anschluss-Arretierungselement
46: Stirnplatte
47: Schlossöffnung
47a, b: aufgeweitete, verjüngte Teilöffnung
48: Schlosswange
49: Längskante
A: Abfluss
B: Mäanderabstand
T: Tiefenabstand
Z: Zufluss

Claims

Textiler Erdwärmetauscher (30) umfassend ein von einer flexiblen, für den dauerhaften Verbleib im Erdreich eingerichteten Beschichtung (20) fluiddicht umschlossenes dreidimensionales flächiges Abstandsgewirk (10), wobei das Abstandsgewirk (10) zur Aufnahme eines Wärmetauschfluids eingerichtet ist und wobei in die flexible Beschichtung (20) mindestens zwei zur hydraulischen Verbindung des Abstandsgewirks (10) mit je einem Fluidkanals eingerichtete Anschlusselemente (40) fluiddicht eingearbeitet sind.
Textiler Erdwärmetauscher (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Anschlusselementen (40) für eine Zuführung des Wärmetauschfluids und/oder eine Mehrzahl von weiteren Anschlusselementen (40) für eine Abführung des Wärmetauschfluids eingerichtet ist.
Textiler Erdwärmetauscher (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandsgewirk (10) mindestens teilweise aus gegen das Wärmetauschfluid resistenten Kunststofffasern, bevorzugt aus einem Aramid und/oder einem Polyamid und/oder einem Polyester und/oder einem Polyestersulfon (PES), textil gewirkt ist.
Textiler Erdwärmetauscher (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Beschichtung (20) mindestens teilweise aus einem gegen das Wärmetauschfluid resistenten flexiblen Kunststoff, bevorzugt aus Silikon und/oder aus Polyurethan (PU) und/oder aus Polyethylen (PE) und/oder aus Polyvinylchlorid (PVC), hergestellt ist.
Textiler Erdwärmetauscher (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der oder auf der flexiblen Beschichtung (20) oberflächenvergrößernde Strukturelemente angeordnet sind.
Textiler Erdwärmetauscher (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Anschlusselemente (40) je einen zur hydraulischen Verbindung je eines Fluidkanals zur Führung eines Wärmetauschfluids mit dem Abstandsgewirk (10) eingerichteten Stutzen (41) sowie je ein Schlosselement (45) umfassen, welches zur mechanischen Arretierung des Stutzens (41) an dem Erdwärmetauscher (30) eingerichtet ist.
Textiler Erdwärmetauscher (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandsgewirk (10) in einem Wandabstand (14) von zwischen 10 Millimetern bis 20 Millimetern angeordnete, mittels Polfäden (13) beabstandete Warenflächen (11, 12) umfasst.
Textiler Erdwärmetauscher (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erdwärmetauscher (30) in einer Längsrichtung (31) zwischen 1 Meter und 1,5 Meter, bevorzugt 1,4 Meter erstreckt ist und in einer dazu senkrechten Querrichtung (32) zwischen 0,5 Meter und 1 Meter, bevorzugt 0,765 Meter, erstreckt ist und eine zur Längsrichtung (31) und Querrichtung (32) senkrechte Höhe von etwa 10 Millimetern aufweist, wobei die Anschlusselemente (40) derart angeordnet sind, dass das Wärmetauschfluid den Erdwärmetauscher (30) im Wesentlichen in Längsrichtung (31) durchströmt.
Verfahren zur Herstellung eines Erdwärmetauschers (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - für die mindestens zwei Anschlusselemente (40) je ein zur Fluidführung eingerichtetes Anschluss-Verbindungselement (41) und ein zu dessen mechanischer Befestigung an dem Erdwärmetauscher (30) eingerichtetes, baulich getrenntes Anschluss-Arretierungselement (45) bereitgestellt werden, - ein Abstandsgewirk (10) textil gewirkt wird, - daran die Anschluss-Verbindungselemente (41) angeordnet werden, - das Abstandsgewirk (10) und die daran angeordneten Anschluss-Verbindungselemente (41) mindestens teilweise mit einer flexiblen Beschichtung (20) derart umschlossen werden, dass das Abstandsgewirk (10) ein bis auf die Fluidführung entlang der Anschluss-Verbindungselemente (41) fluiddicht abgeschlossenes Volumen bildet, - jedes der mit der Beschichtung (20) mindestens teilweise fluiddicht verbundenen Anschluss-Verbindungselemente (41) mit je einem Anschluss-Arretierungselement (45) mechanisch arretiert wird, wobei das Anschluss-Arretierungselement (45) mit mindestens einer äußeren Fläche der Beschichtung (20) mindestens teilweise stoff- und/oder kraftschlüssig verbunden wird.
Verwendung eines textilen Erdwärmetauschers (30) zum Wärmeaustausch zwischen einem Wärmetauschfluid und umgebendem Erdreich, wobei mindestens ein Erdwärmetauscher (30), vorzugsweise mehrere mäanderartig angeordnete und über Fluidkanäle zur Leitung des Wärmetauschfluids in Reihe geschaltete Erdwärmetauscher (30) vollständig in das Erdreich eingebracht wird oder werden und ein Wärmetauschfluid über mindestens ein Anschlusselement (40) zugeführt und über mindestens ein weiteres Anschlusselement (40) abgeführt wird.