DE19708701C2 - Wärmeversorgungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeversorgungssystem, insbesondere für die Heizungsversorgung von Gebäuden, mit wenigstens einer, regenerierbaren Energiequelle, die ein Wärmeträgermedium erwärmt und einem Puffer­ speicher, der in Abhängigkeit einer bereitgestellten Wärmemenge aufgeladen und einer benötigten Wärmemenge entladen wird, wobei die Aufladung durch das Wärmeträgermedium erfolgt.

Wärmeversorgungssysteme der gattungsgemäßen Art sind bekannt. So sind beispielsweise solarthermische Wär­ meversorgungsanlagen bekannt, bei denen über Solar­ kollektoren ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, erwärmt wird, und dieses mittels der Sonnen­ energie erwärmte Wärmeträgermedium einen Pufferspei­ cher auflädt. Aus dem Pufferspeicher kann dann je nach Wärmebedarf über einen Wärmetauscher die be­ nötigte Wärmeenergie entnommen werden. Derartige Systeme werden beispielsweise für eine Brauchwasser­ erwärmung oder zur Unterstützung zum Betreiben von Heizungsanlagen eingesetzt. Bei den bekannten solar­ thermischen Anlagen ist nachteilig, daß die über die Sonnenenergie gewonnene und in dem Pufferspeicher ab­ gespeicherte Wärmeenergie nur sehr zeitnah zur Ver­ fügung steht. Beispielsweise kann eine in den Sommermonaten gewonnene Wärmemenge nicht so lange abgespei­ chert werden, daß diese in den Wintermonaten, bei­ spielsweise für eine Heizung, nutzbar ist.

Ferner sind sogenannte geothermische Wärmeversor­ gungsanlagen bekannt, bei denen in eine ausreichende tiefe, in die Erdoberfläche eingebrachte Bohrung re­ lativ kaltes Wässer eingeleitet wird und dieses kalte Wasser bis zum tiefsten Punkt der Bohrung geleitet, dort umgelenkt und wieder nach oben aus der Bohrung herausgeführt wird. Da bekanntermaßen die Temperatur der Erdkruste mit zunehmender Tiefe ansteigt, kann bei einer entsprechend tiefen Bohrung, die beispiels­ weise bis 3000 m reicht, eine Erwärmung des Wassers auf zirka 100°C erreicht werden, dieses erwärmte Wasser dient dann als Wärmeträgermedium zum Betreiben von Heizungsanlagen oder ähnlichem. Geothermische Wärmeversorgungsanlagen haben den Nachteil, daß diese nur sehr aufwendig und damit kostenintensiv herstell- und betreibbar sind.

Aus der US 3,931,851 ist ein Wärmeversorgungs­ system für Gebäude mit einem Aquifer-Speicher be­ kannt, der mittels einer solarthermischen Energie­ quelle aufladbar ist.

Aus der DE 44 17 138 A1 ist ein Wärmespeicher be­ kannt, der mit zwei Energiequellen aufladbar ist. Hierbei handelt es sich um einen konventionellen Wär­ mespeicher, der beispielsweise mit einer Gas- und/oder Öl-Energiequelle und einer solarthermischen Energiequelle betreibbar ist. Hierbei ist die solarthermische Energiequelle, insbesondere zur Energie­ einsparung in den Sommermonaten, der konventionellen Energiequelle parallelgeschaltet, um beispielsweise den Heiz- und/oder Wärmewasserbedarf eines Ein­ familienhauses zu decken.

Aus "Heizung und Lüftung", Heft 6/94, Seite 25 bis 27 ist bekannt, das Erdreich als saisonalen Energiespei­ cher auszunutzen. Hierbei wird ein Erdspeicher über eine Anzahl von Sonden erschlossen, über die wahlwei­ se dem Erdspeicher Wärme zugeführt oder diesem Wärme entnommen werden kann. Eine Aufladung des Erdspei­ chers ist mittels einer auf Gasbasis arbeitenden Energiequelle vorgesehen.

Schließlich ist aus der US 4,577,679 bekannt, für die Aufladung von Aquifer-Speichern, die in Wärmever­ sorgungssystemen als Pufferspeicher eingesetzt wer­ den, unterschiedliche Energiequellen parallel zu ver­ wenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärme­ versorgungssystem der gattungsgemäßen Art zu schaf­ fen, das mit großer Effektivität arbeitet und in der Lage ist, saisonale Unterschiede in der Wärmebereit­ stellung und Wärmeabnahme, insbesondere auch unter ökologischen Gesichtspunkten, auszugleichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels eines Wär­ meversorgungssystems mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß für die Erwärmung des Wärmeträgermediums wenigstens eine geothermische Energiequelle und eine solarthermische Energiequelle eingesetzt sind und ein Beladebrunnen des Aquifer- Speichers mit einer Tiefenbohrung der geothermischen Energiequelle kombiniert ist, ist ein Wärmeversor­ gungssystem geschaffen, das einen genügend großen, natürlich vorkommenden Speicher nutzt, dessen Er­ schließung mit dem Anlegen der geothermischen Ener­ giequelle gekoppelt werden kann. Hierdurch läßt sich eine Kostenoptimierung erreichen, da bevorzugterweise ein Beladebrunnen des Aquifer-Speichers gleichzeitig Teil einer Tiefenbohrung der geothermischen Energie­ quelle sein kann. Aufgrund seiner natürlichen Gege­ benheiten und seiner Größe ist ein Aquifer-Speicher geeignet, insbesondere die über die weitere Energie­ quelle bereitgestellte Wärmeenergie über einen rela­ tiv langen Zeitraum zu speichern. So kann beispiels­ weise in Zeiten geringer Wärmeabnahme, insbesondere in den Sommermonaten, eine Wärmeenergie gespeichert werden, die zur Abnahme in den Wintermonaten zur Ver­ fügung steht. Da die weitere Energiequelle eine so­ larthermische Energiequelle ist, kann mittels des er­ findungsgemäßen Wärmeversorgungssystems eine Wärme­ versorgung von Gebäuden, insbesondere von ganzen Ge­ bäudekomplexen, zu sehr großen Teilen ausschließlich auf der Basis regenerierbarer Energiequellen erfol­ gen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den im Anspruch 2 genannten Merk­ malen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die schematisch eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Wärmeversorgungssystems zeigt, näher erläutert.

In der Figur ist ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Wärmeversorgungssystem dargestellt. Das Wärmeversor­ gungssystem 10 umfaßt eine geothermische Energie­ quelle 12 sowie eine solarthermische Energiequelle 14. Ferner ist ein Pufferspeicher 16 sowie eine Schalt- und Verteilerstation 18 und ein mit Wärme­ energie zu versorgender Gebäudekomplex 20 darge­ stellt.

Anhand der in der Figur gezeigten schematischen Dar­ stellung soll lediglich der Grundaufbau und die all­ gemeine Wirkungsweise erläutert werden, ohne auf eine konkrete Dimensionierung, beispielsweise der geo­ thermischen Energiequelle und der solarthermischen Energiequelle zum Erzeugen einer bestimmten Wärme­ menge und ohne auf eine bestimmte Größe des Gebäude­ komplexes 20 mit einer bestimmten Abnahme an Wärme­ menge Bezug zu nehmen. Die konkrete Dimensionierung richtet sich nach den tatsächlichen Gegebenheiten, bei denen das Wärmeversorgungssystem 10 eingesetzt wird.

Die geothermische Energiequelle 12 besteht aus einer Tiefenbohrung 22, in die eine Tiefensonde 24 einge­ bracht ist. Die Tiefensonde 24 ist so ausgebildet, daß diese quasi von der Tiefenbohrung 22 unter Bei­ behaltung eines Zwischenraumes ummantelt wird. Die Tiefe der Tiefenbohrung 22 und somit der Tiefensonde 24 richtet sich nach den geothermischen Gegebenheiten, das heißt, dem Temperaturanstieg über die Tiefe. Die Tiefenbohrung 22 besitzt beispielsweise eine Tiefe von 3000 m in der Erdoberfläche 26. In die Tiefenbohrung 22 wird ein Wärmeträgermedium 28, übli­ cherweise Wasser, unter Druck eingebracht. An einem Grund 30 der Tiefenbohrung 22 dringt das Wärme­ trägermedium 28 in die nach unten offene Tiefensonde 24 ein und wird durch den anliegenden Druck nach oben ausgestoßen und über entsprechende Leitungswege der Schalt- und Verteilerstation 18 zugeführt. Entspre­ chend der Tiefe der Tiefenbohrung 22 und dem Tempera­ turanstieg wird das Wasser am Grund 30 üblicherweise auf zirka 100°C erwärmt und kühlt sich auf dem Weg nach oben auf eine Temperatur von größer gleich 30°C ab. Mit dieser Temperatur wird das Wärmeträgermedium 28 der Schalt- und Verteilerstation 18 zugeführt. Die Schalt- und Verteilerstation 18 besitzt selber - hier nicht detailliert dargestellt und erläutert - Einrich­ tungen zum Wärmetauschen, Mischen, Pumpen usw., für die Wärmeträgermedien.

Über die solarthermische Energiequelle 14 wird eben­ falls ein Wärmeträgermedium 28', beispielsweise Was­ ser, erwärmt und über einen entsprechenden Kreislauf der Schalt- und Verteilerstation 18 zugeführt. Ent­ sprechend den natürlichen Gegebenheiten, wie bei­ spielsweise Sonnenscheindauer, Sonnenstand usw., er­ folgt eine Erwärmung des Wärmeträgermediums 28' durch in ihrem Aufbau und ihrer Wirkungsweise allgemein bekannte Kollektoren 32.

An die Schalt- und Verteilerstation 18 ist der Gebäu­ dekomplex 20 durch einen Kreislauf, beispielsweise einen Heizwasserkreislauf 34, angekoppelt.

Ferner ist der Pufferspeicher 16, der als Aquifer- Speicher 36 ausgebildet ist, über einen Kreislauf 38 in die Schalt- und Verteilerstation 18 eingebunden. Der Kreislauf 38 besitzt einen Zulauf 40, der in ei­ nem Beladebrunnen 42 für den Aquifer-Speicher 36 mün­ det. Ferner führt ein Ablauf 44 von einem Entlade­ brunnen 46 des Aquifer-Speichers 36 zu der Schalt- und Verteilerstation 18.

Der Aufbau und die Wirkungsweise eines Aquifer-Spei­ chers 36 sind ebenfalls allgemein bekannt. Dieser be­ steht aus einer Erdschicht, die üblicherweise Sand-, Kies- und Wasserbestandteile aufweist und in bestimm­ ter Tiefe unter der Erdoberfläche 16 natürlich vor­ kommt. Die Tiefe der für die Ausbildung eines Aquifer-Speichers 36 geeigneten Erdschicht liegt bei­ spielsweise bei 700 bis 750 m. Der Beladebrunnen 42 und der Entladebrunnen 46 besitzen eine entsprechende Tiefe, so daß der Pufferspeicher 16 in den Kreislauf 38 eingebunden ist.

Das in der Figur gezeigte Wärmeversorgungssystem 10 zeigt folgende Funktion:

Über die geothermische Energiequelle 12 und die so­ larthermische Energiequelle 14 wird eine Wärmeenergie bereitgestellt, die von dem Gebäudekomplex 20 als Heizenergie abgegriffen wird. Die im einzelnen hier nicht näher zu betrachetende Verteilung und Mischung wird über die Schalt- und Verteilerstation 18 durch­ geführt.

Entsprechend des saisonalen Verlaufes wird zu unter­ schiedlichen Jahreszeiten eine unterschiedliche Wär­ memenge von dem Gebäudekomplex 20 benötigt. So ist üblicherweise in den Wintermonaten ein höherer Heiz­ energiebedarf notwendig als in den Sommermonaten. Da jedoch die geothermische Energiequelle 12 saisonunab­ hängig arbeitet und die solarthermische Energiequelle 14 gerade in den Sommermonaten eine größere Wärme­ energie bereitstellt als in den Wintermonaten, er­ folgt über den Aquifer-Speicher 36 eine Zwischenspei­ cherung. Dieser Aquifer-Speicher 36 besitzt ein re­ lativ großes Volumen, von beispielsweise mehreren 10000 m³, so daß ein relativ großes Volumen als Puf­ ferspeicher zur Verfügung steht.

Über die Schalt- und Verteilerstation 18 wird die über die geothermische Energiequelle 12 und die so­ larthermische Energiequelle 14 bereitgestellte Wärme­ energie, die nicht von dem Gebäudekomplex 20 benötigt wird, über den Kreislauf 38 und den Beladebrunnen 42 in den Aquifer-Speicher 36 eingeladen. Hierzu wird ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, in den Aquifer-Speicher 36 eingepumpt. Aufgrund dessen be­ kannten Aufbaus besitzt der Aquifer-Speicher 36 eine große Aufnahmekapazität für Wasser. Das über den Zulauf 40 bereitgestellte, in dem Aquifer-Speicher 36 abzuspeichernde Wasser besitzt eine relativ hohe Temperatur, so daß unter Beachtung natürlicher Verluste in dem Aquifer-Speicher 36 ein großes Wasser­ volumen mit relativ hoher Temperatur abgespeichert werden kann. Durch undurchlässige Deck- und Unter­ schichten kann dieses abgespeicherte Wasser lediglich seitlich entweichen, wo es durch den Beladebrunnen 42 und den Entladebrunnen 46 in seiner Ausbreitung begrenzt ist. Gegebenenfalls kann der Beladebrunnen 42 und der Entladebrunnen 46 unter Berücksichtigung einer natürlichen Fließrichtung des Wassers in dem Aquifer-Speicher 36 niedergebracht werden.

Steigt nunmehr in den Wintermonaten der Heizenergie­ bedarf des Gebäudekomplexes 20 an, kann über den Ent­ ladebrunnen 46 das in dem Aquifer-Speicher 36 ge­ speicherte, relativ warme Wasser entnommen und der Schalt- und Verteilerstation 18 zugeführt werden. Über entsprechende Wärmetausch-, Misch- und Pumpein­ richtungen wird hierdurch die Vorlauftemperatur des Heizwasserkreislaufes 34 für den Gebäudekomplex 20 geregelt. Zusätzlich steht in den Wintermonaten das von der geothermischen Energiequelle 12 gelieferte Potential und gegebenenfalls in geringem Umfange das von der solarthermischen Energiequelle 14 gelieferte Wärmepotential zur Verfügung. Insgesamt kann somit ein Wärmeversorgungssystem 10 geschaffen werden, das ausschließlich auf der Verwertung regenerierbarer Energieressourcen, beispielsweise der geothermischen und solarthermischen Energiequelle, basiert, wenn man beispielsweise von einem elektrischen Energiebedarf zum Betreiben vom Umwälzpumpen usw. absieht.

Insbesondere ist vorteilhaft, daß für das Anlegen der geothermischen Energiequelle 12 und den Beladebrunnen 42 des Aquifer-Speichers 36 lediglich eine Tiefen­ bohrung niedergebracht zu werden braucht, da diese im oberen Bereich gemeinsam genutzt werden kann. Hier­ durch ergeben sich gegenüber einem getrennten Anlegen der geothermischen Energiequelle 12 und des Belade­ brunnens 42 erhebliche Kostenvorteile.

Selbstveständlich ist es nach weiteren Ausführungs­ beispielen möglich, anstelle oder zusätzlich zu der solarthermischen Energiequelle 14 andere Energie­ quellen, beispielsweise auf Basis von Erdgas, Erdöl oder Kohle betriebene Energiequellen, zum Bereit­ stellen einer Wärmeenergie zu nutzen. Diese brauchen lediglich als Hilfsenergiequellen nur in Spitzenzei­ ten eines besonders großen Wärmebedarfs des Gebäude­ komplexes 20 betrieben zu werden, da die Grundlast des Wärmeenergiebedarfs des Gebäudekomplexes 20 über die geothermische Energiequelle 12 und den als Puf­ ferspeicher 16 wirkenden Aquifer-Speicher 36 abge­ deckt wird.

Nach einem weiteren - nicht dargestellten - Aus­ führungsbeispiel kann vorgesehen sein, daß der Puf­ ferspeicher 16 von dem unmittelbar die Tiefenbohrung 22 umgebenden Erdreich gebildet wird. Hierbei wird, ohne daß ein Beladebrunnen 40 und Entladebrunnen 44 vorgesehen ist, die den Aquifer-Speicher 36 bildende Schicht um die Tiefenbohrung 22 derart ausgenutzt, daß ein indirekter Wärmeaustausch zwischen dem Wärme­ trägermedium 28 und dem Aquifer-Speicher 36 über den Mantel der Tiefenbohrung 22 erfolgt. Zusätzlich wer­ den auch die weiteren Erdschichten in eine Tiefe, bis zu der ein Temperaturgradient zwischen dem Erdreich und dem Wärmeträgermedium 28 besteht, als Puffer­ speicher 16 ausgenutzt.

Diese Ausnutzung erfolgt derart, daß in die Tiefen­ bohrung 22 der geothermischen Energiequelle, insbe­ sondere in den Sommermonaten, in denen ein Wärmebe­ darf der Gebäude 20 gering ist, die geothermische Energiequelle 12 im Kreislauf gefahren wird, so daß das erwärmte Wärmeträgermedium 28 direkt wieder in die Tiefenbohrung 22 eingeleitet wird. Ferner wird das über die geothermische Energiequelle 12 erwärmte Wärmeträgermedium 28 durch das von der solarthermi­ schen Energiequelle 14 erwärmte Wärmeträgermedium 28' zusätzlich aufgeladen, so daß die geothermische Ener­ giequelle 12 mit einem bereits ein hohes Wärme­ potential besitzenden Wärmeträgermedium 28 gespeist wird. Hierdurch erfolgt insbesondere in den oberen Bereichen der Tiefenbohrung 22, beispielsweise bis in eine Tiefe von zirka 2000 m, eine Erwärmung des die Tiefenbohrung 22 umgebenden Erdreiches, da zwischen dem Wärmeträgermedium 28 und dem Erdreich ein positi­ ver Temperaturgradient besteht. Gleichzeitig erfolgt in der Erdschicht, die den Aquifer-Speicher 36 bil­ det, - sofern dieser vorgesehen ist- ein Wärmeaus­ tausch mit dem im Aquifer-Speicher 36 natürlich vor­ kommenden Wasserreservoir, so daß dieses auch erwärmt wird.

In Zeiten eines erhöhten Wärmebedarfs der Gebäude 20, also in den Wintermonaten, reduziert sich infolge der erhöhten Wärmeabnahme durch die Gebäude 20 die Vor­ lauftemperatur des Wärmeträgermediums 28 für die geo­ thermische Energiequelle 12. Hierdurch ergibt sich ein negativer Temperaturgradient zwischen dem in den Sommermonaten erwärmten Erdreich um die Tiefenbohrung 22 und dem Wärmeträgermedium 28, so daß dieses vor Erreichen seiner maximalen Tiefe durch das umgebende Erdreich "vorgewärmt" wird.

Aufgrund der erläuterten Ausführungsbeispiele ergibt sich eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten der Kombination einer geothermischen Energiequelle 12, einer weiteren Energiequelle, beispielsweise der solarthermischen Energiequelle 14, mit einem Puffer­ speicher, der gegebenenfalls von einem Aquifer-Spei­ cher 36 gebildet wird.

Claims (2)

1. Wärmeversorgungssystem, insbesondere für die Heizungsversorgung von Gebäuden mit wenigstens ei­ ner Energiequelle, die ein Wärmeträgermedium er­ wärmt und einen als Aquifer-Speicher ausgebildeten Pufferspeicher, der in Abhängigkeit einer bereitge­ stellten Wärmemenge aufgeladen und einer benötigten Wärmemenge entladen wird, und der Aquifer-Speicher in einen Kreislauf des Wärmeträgermediums eingebun­ den ist, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erwär­ mung des Wärmeträgermediums wenigstens eine geo­ thermische Energiequelle (12) und eine solarther­ mische Energiequelle (14) eingesetzt sind und ein Beladebrunnen (42) des Aquifer-Speichers (36) mit einer Tiefenbohrung (22) der geothermischen Ener­ giequelle (12) kombiniert ist.

2. Wärmeversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferspeicher (16) von dem die Tiefenbohrung (22) unmittelbar umgebenden Erd­ reich gebildet wird.