DE19516644B4

DE19516644B4 - Anlage zum Austausch von Energie zwischen Erdreich und einem Energietauscher

Info

Publication number: DE19516644B4
Application number: DE19516644A
Authority: DE
Inventors: Hans Hildebrand
Original assignee: Geohil AG
Current assignee: Geohil AG
Priority date: 1994-05-06
Filing date: 1995-05-05
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2015-05-06
Also published as: DE19516644A1; CH689064A5

Abstract

Anlage zum Austausch von Energie zwischen Erdreich und einem Energietauscher (4), der über eine Vorlaufleitung (26a) und eine Rücklaufleitung (26b) mit einem Erdwärmetauscher (25) verbunden ist, der in einem Bohrloch (32) eine mit einem wärmeisolierenden Vorlaufrohr (27) verbundene Pumpe (28) aufweist, wobei das Vorlaufrohr (27) und die Pumpe (28) im Bohrloch (32) von einem Trennrohr (34,34a) umgeben sind, an das sich radial nach aussen ein Rücklaufbereich (38) anschliesst, der mit der Rücklaufleitung (26b) in Verbindung stehende Rücklaufrohre (40) und eine poröse Füllung (39) enthält, wobei die Rücklaufrohre (40) am Grund (30) des Bohrloches (32) münden und über seitliche Eintrittsöffnungen (50,50a) im Trennrohr (34,34a) mit dem Innern des Trennrohres in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzkappe (43,43a) die endseitige Verbindung von Trennrohr (34,34a) und Rücklaufrohren (40) abschliesst und mindestens den Eintrittsöffnungen aufweisenden Bereich des Trennrohres (34,34a) umgibt, wobei die Seitenwand (46,46a) der Schutzkappe (43,43a) mit der Aussenwand des Trennrohres...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage gemäss Oberbegriff des Anspruches 1.

Anlagen der eingangs genannten Art sind mehrfach bekannt, so beispielsweise aus der EP 0 386 176 B1 . Ein solches offenes, das heisst druckloses System, bei dem also die Vorlaufleitung und die Rücklaufleitung eines Erdwärmetauschers kein geschlossenes Rohrleitungssystem bilden, hat sich sehr gut bewährt. Bei lockeren geologischen Schichten oder verschmutztem Wasser besteht die Gefahr, dass sich der Rücklaufbereich und insbesondere auch der Bereich der Eintrittsöffnungen in das Trennrohr zusetzen, so dass eine Zirkulation des Rücklaufwassers mit dem Vorlauf nicht mehr möglich oder zumindest erschwert ist.

Die US 4 452 303 beschreibt ein System, bei dem Zuleitung und Ableitung des Wärmetauschers als geschlossenes System ausgeführt sind. Bei diesem werden die unteren Rohrmündungen von einer Kappe umgeben, deren Boden mit Abstand von den Ausläufen angeordnet ist, um eine Kammer zu bilden. Zu- und Ableitung kommunizieren so ausschliesslich über die unteren Ausläufe und der durch die Kappe gebildeten Kammer miteinander. Dies ergibt die Nachteil, dass einerseits der Durchflussquerschnitt begrenzt und damit die Kommunikation erschwert ist, was höhere Fliessgeschwindigkeiten zur Folge hat. Andererseits werden Bodenablagerungen mitgerissen, was eine Verunreinigung des Systems zur Folge hat, wodurch nicht nur der Durchfluss weiter erschwert wird, sondern auch Störungen des Systems eintreten können. Ausserdem ist bei diesem System eine Kommunikation mit der Umgebung grundsätzlich ausgeschlossen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage der eingangs genannten Art weiter zu verbessern, so dass der Wasserkreislauf gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Dadurch, dass eine Schutzkappe die endseitige Verbindung von Trennrohr und Rücklaufrohren abschliesst und die Schutzkappe mindestens den Eintrittsöffnungen aufweisenden Bereich des Trennrohres umgibt, wobei die Seitenwand der Schutzkappe mit der Aussenwand des Trennrohres eine Kammer bildet, in die die Rücklaufrohre münden. Die Schutzkappe schliesst dabei das untere Ende des Trennrohrs ab und die Kommunikation findet ausschliesslich über seitliche Öffnungen in den Rücklaufrohren und dem Trennrohr statt. Dies ermöglicht eine verbesserte Kommunikation und geringere Fliessgeschwindigkeiten.

Die Schutzkappe verhindert somit wirksam, dass Sedimente oder sonstige Verunreinigungen in den Bereich der Durchtrittsöffnungen des Rücklaufrohres und in die Eintrittsöffnungen des Trennrohres gelangen und dadurch die Strömung erschweren oder gar verhindern können. Somit wird auch bei ungünstigen geologischen Verhältnissen und/oder bei einem mit Schwemmstoffen verunreinigten Grundwasser der Wasserkreislauf dennoch sichergestellt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlage sind in den Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben.

Grundsätzlich ist es möglich, dass die Kammer das Trennrohr nicht vollständig umgibt, vorteilhafter ist jedoch eine Ausgestaltung nach Anspruch 2.

Um ein weiteres Eindringen von Verunreinigungen in die Kammer zumindest zu erschweren, ist eine Weiterbildung der Anlage nach Anspruch 3 von Vorteil. Das Filter verhindert so das Eindringen von Verunreinigungen in die Kammer und stellt trotzdem eine Kommunikation des Kammerinnenraumes mit der Umgebung sicher, um das offene System zu gewährleisten.

Grundsätzlich ist es möglich, dass die den Vorlauf speisende Pumpe im Bereich der Schutzkappe angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung nach Anspruch 4, wobei die Schutzkappe den Kommunikationsbereich zwischen dem Rücklaufbereich und dem Inneren des Trennrohres sichert und damit die Funktionsfähigkeit der Anlage verbessert.

Insbesondere bei grossen Tiefen des Erdwärmetauschers entfaltet die Ausgestaltung nach Anspruch 5 grosse Vorteile, da durch die Vielzahl der Rücklaufrohre dennoch ein guter Wärmeaustausch zwischen der Umgebung und dem Rücklaufwasser in den Rücklaufrohren gegeben ist. Dieser Wärmeaustausch kann durch eine Weiterbildung nach Anspruch 6 verbessert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rücklaufrohre gemäss Anspruch 7 einen kleinen Durchmesser haben und kleine Wandstärken, so dass möglichst viel Rücklaufwasser wenigstens in indirekte Berührung mit der Umgebung kommt.

Grundsätzlich ist es möglich, dass die Rücklaufrohre im Bereich der Schutzkappe frei münden. Der Flüssigkeitsaustausch wird jedoch durch eine Ausgestaltung nach Anspruch 8 verbessert.

Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben, dabei zeigen:
1 eine Anlage in schematischer Darstellung, im Vertikalschnitt;
2 die Anlage der 1, wobei das Vorlaufrohr und die Pumpe im Abstand vom Boden des Bohrloches angeordnet sind; und
3 den Schutzkappenbereich der Anlage der 2 in grösserem Massstab.
Die 1 zeigt eine Anlage zur Nutzung der Erdwärme, beispielsweise zur Beheizung eines Hauses 2. Hierzu enthält das Haus einen Energietauscher, der als Wärmepumpe 4 ausgebildet ist, die in einem Medienkreislauf 6 einen Verdampfer 8, einen Verdichter 10, einen Verflüssiger 12 und ein Dros selventil 14 enthält. Solche Wärmepumpen 4 sind bekannt.
An dem Verflüssiger 12 sind in bekannter Weise eine Heizungsanlage 16 mit einem Heizungsvorlauf 18, der eine Umwälzpumpe 20 enthält, und mit einem Wärmeverbraucher 22 angeschlossen. Von letzterem stellt ein Heizungsrücklauf 24 die Verbindung zum Verflüssiger 12 wieder her.
Der Verdampfer 8 ist über eine Vorlaufleitung 26a und eine Rücklaufleitung 26b mit einem Erdwärmetauscher 25 verbunden, der ein wärmeisolierendes Vorlaufrohr 27 und eine Pumpe 28 enthält, welche am Grund 30 eines Bohrloches 32 oder wie im Beispiel der 2 und 3 mit Abstand vom Grund angeordnet ist. Das Vorlaufrohr 27 und die Pumpe 28 sind von einem Trennrohr 34 umgeben, an das sich radial nach aussen bis zur Bohrlochwandung 36 ein Rücklaufbereich 38 anschliesst, in dem eine poröse Füllung 39 aus Kies angeordnet ist. In diesem Rücklaufbereich 38 sind überdies mehrere im Umfang verteilte Rücklaufrohre 40 angeordnet, die in einer gemeinsamen Rücklaufleitung 26b zusammengefasst sind, welche am Verdampfer 8 angeschlossen ist.
Der am Grund 30 des Bohrloches 32 angeordnete Endbereich des Trennrohres 34, in dem die Pumpe 28 angeordnet ist, ist von einer Schutzkappe 43 umgeben. Letztere weist einen das Trennrohr 34 nach unten abschliessenden Bodenteil 44 auf, an den sich seitlich eine ringförmige Seitenwand 46 anschliesst, die mit dem Trennrohr eine ringförmige Kammer 48 bildet. Die Seitenwand 46 reicht mindestens über den Bereich des Trennrohres 34, der mit Eintrittsöffnungen 50 versehen ist. In der ringförmigen Kammer 48 endigen auch die Rücklaufrohre 40, die dort mit seitlichen Durchtrittsöffnungen 52 versehen sind, durch die das Rücklaufwasser austreten und über Eintrittsöffnung 50 in den Bereich des Trennrohres 34 eintreten und dort von der Pumpe 28 in das Vorlaufrohr 27 gepumpt werden kann.
Die Kammer 48 ist am oberen Rand mit einem Filter 54 abgedeckt, so dass aus der Wandung 36 des Bohrloches 32 und/oder aus der porösen Füllung 39 keine Verunreinigungen in die ringförmige Kammer 48 eintreten können.
Die 2 und 3 zeigen die Anlage gemäss 1, wobei jedoch das Vorlaufrohr 27 und die Pumpe 28 nicht bis an den Grund 30 des Bohrloches 32 reichen, sondern mit Abstand davon angeordnet sind. Unterhalb der Pumpe 28 geht das Trennrohr 34 in einen Abschnitt 34a mit kleinerem Innenquerschnitt über, wobei das Trennrohr in diesem Abschnitt überdies wärmeisolierend ausgebildet ist. Die übrige Ausgestaltung des Endbereiches des Trennrohres 34a entspricht jener der 1, so dass gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und für das Ausführungsbeispiel der 2 und 3 den Zusatz a tragen.
Während die Ausgestaltung nach der 1 für Bohrtiefen bis 250 m bis 350 m besonders geeignet ist, ermöglicht die Ausbildung nach den 2 und 3 wesentlich grössere Bohrtiefen von 500 m bis 800 m und tiefer. Grundsätzlich hängt die untere Grenze der Bohrtiefe nur vom Bohrgerät ab. Die Pumpe wird bei solch tiefgehenden Erdwärmetauschern zweckmässigerweise in einer Tiefe von 250 m bis 350 m angeordnet. Durch den kleinen Innenquerschnitt des verlängerten vorzugsweise wärmeisolierenden Trennrohres entsteht ein starker thermischer Auftrieb des erwärmten Vorlaufwassers, wodurch die Funktionsfähigkeit und der Wirkungsgrad der Anlage wesentlich verbessert wird.
Die Rücklaufrohre bestehen vorzugsweise aus hochwärmeleitendem Material, wie beispielsweise Kupfer. Sie weisen einen kleinen Querschnitt, von beispielsweise 9 mm auf und haben nur eine relativ geringe Wandstärke von beispielsweise 1 mm. Die Anordnung ist vorzugsweise so getroffen, dass der Umfang des Trennrohres relativ dicht mit Rücklaufrohren belegt ist. Das Trennrohr ist vorzugsweise wärmeisolierend ausgebildet und besteht aus vorzugsweise relativ dickwandigem Kunststoff. Eingebrachte Hohlräume im Kunststoff verbessern die wärmeisolierenden Eigenschaften.

2: Haus
4: Wärmepumpe
6: Medienkreislauf
8: Verdampfer
10: Verdichter
12: Verflüssiger
14: Drosselventil
16: Heizungsanlage
18: Heizungsvorlauf
20: Umwälzpumpe
22: Wärmeverbraucher
24: Heizungsrücklauf
25: Erdwärmetauscher
26a: Vorlaufleitung
26b: Rücklaufleitung
27: Vorlaufrohr
28: Pumpe
30: Grund
32: Bohrloch
34: Trennrohr
34a: Trennrohr
36: Bohrlochwandung
38: Rücklaufbereich
39: poröse Füllung
40: Rücklaufrohr
43: Schutzkappe
43a: Schutzkappe
44: Boden
44a: Boden
46: Seitenwand
46a: Seitenwand
48: Kammer
48a: Kammer
50: Eintrittsöffnung
50a: Eintrittsöffnung
52: Durchtrittsöffnung
52a: Durchtrittsöffnung
54: Filter
54a: Filter

Claims

Anlage zum Austausch von Energie zwischen Erdreich und einem Energietauscher (4), der über eine Vorlaufleitung (26a) und eine Rücklaufleitung (26b) mit einem Erdwärmetauscher (25) verbunden ist, der in einem Bohrloch (32) eine mit einem wärmeisolierenden Vorlaufrohr (27) verbundene Pumpe (28) aufweist, wobei das Vorlaufrohr (27) und die Pumpe (28) im Bohrloch (32) von einem Trennrohr (34,34a) umgeben sind, an das sich radial nach aussen ein Rücklaufbereich (38) anschliesst, der mit der Rücklaufleitung (26b) in Verbindung stehende Rücklaufrohre (40) und eine poröse Füllung (39) enthält, wobei die Rücklaufrohre (40) am Grund (30) des Bohrloches (32) münden und über seitliche Eintrittsöffnungen (50,50a) im Trennrohr (34,34a) mit dem Innern des Trennrohres in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzkappe (43,43a) die endseitige Verbindung von Trennrohr (34,34a) und Rücklaufrohren (40) abschliesst und mindestens den Eintrittsöffnungen aufweisenden Bereich des Trennrohres (34,34a) umgibt, wobei die Seitenwand (46,46a) der Schutzkappe (43,43a) mit der Aussenwand des Trennrohres (34,34a) eine Kammer (48,48a) bildet, in die die Rücklaufrohre (40) münden.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (48,48a) als das Trennrohr (34,34a) umgebende Ringkammer ausgebildet ist.
Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (48,48a) nach oben mit einem Filter (54,54a), vorzugsweise einem Siebfilter, gegen Eindringen von Umgebungsmaterial abgeschlossen ist.
Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (28) mit Abstand vom Ende des Trennrohres (34a) angeordnet ist, wobei das Trennrohr (34a) im Bereich unterhalb der Pumpe (28) einen kleineren Innenquerschnitt aufweist und wärmeisolierend ausgebildet ist.
Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang des Trennrohres (34,34a) im Bereich der Schutzkappe (43,43a) mindestens grösstenteils von Rücklaufrohren (40) umgeben ist.
Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufrohre (40) aus gut wärmeleitendem Material, vorzugsweise Kupfer, bestehen.
Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufrohre (40) einen kleinen Durchmesser von beispielsweise 9 mm und eine kleine Wandstärke von beispielsweise 1 mm aufweisen.
Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufrohre (40) im Bereich der Schutzkappe (43,43a) eine mit Durchtrittsöffnungen (52) versehene Wandung aufweisen.