DE19860328A1 - Wärmeübertrager - Google Patents

Abstract

Offenbart sind ein Wärmeübertrager und ein mit einem derartigen Wärmeübertrager ausgeführtes Wärmepumpensystem, bei dem eine Erdwärmesonde eingesetzt wird, bei der Kohlendioxid als Wärmeträger verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur Aus­ nützung der Erdwärme gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 und ein mit einem derartigen Wärmeübertrager aus­ geführtes Wärmepumpensystem.

In jüngster Zeit treten Heizungen mit Wärmepumpen immer häufiger in Konkurrenz zu mit fossilen Brennstoffen betrie­ benen Heizanlagen. Durch diesen zunehmenden Einsatz regene­ rativer Energien, kann den Problemen der fossilen Energie­ versorgung entgegengewirkt werden. Die Ausnutzung der rege­ nerativen Energiequellen erfordert den Einsatz von Wärmen­ pumpen unterschiedlicher Bauweisen.

Das Prinzip der Wärmepumpen besteht darin, daß Wärme aus der Umgebung aufgenommen und auf ein höheres Tempera­ turniveau transformiert wird. Die Leistungszahl bzw. die Heizzahl einer Wärmepumpe hängt entscheidend von der Tempe­ raturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ab. Da die Temperatur der Wärmesenke meist vorgegeben ist, be­ stimmt die Qualität der Wärmequelle die Einsatzmöglichkei­ ten und die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe.

Da die Nutzung der Luft als Wärmequelle aufgrund erheb­ licher Nachteile, wie beispielsweise große Apparatevolumi­ na, akkustische Probleme, stark schwankende Außentemperatu­ ren und der ausgeprägten Divergenz zwischen Heizleistung der Wärmepumpe und Heizenergiebedarf des Gebäudes noch er­ hebliche Schwierigkeiten bereitet, sind bereits einige An­ wendungen bekannt, bei denen das Erdreich aufgrund seiner Temperaturkonstanz und hohen Wärmekapazität als Wärmequelle verwendet wird. Der Entzug der Wärme aus dem Erdreich er­ folgt mit Hilfe von Wärmeübertragern, wobei grundsätzlich zwei Systeme unterschieden werden.

Bei direkten Systemen werden die Wärmetauscher eines Verdampfers direkt im Erdreich verlegt und vom Kältemittel des Wärmepumpenkreislaufes durchströmt.

Bei indirekten Systemen erfolgt der Energietransport vom Boden zum Verdampfer der Wärmepumpe über einen Wärme­ träger, der in im Erdreich verlegten Rohren strömt. Diese Rohre sind thermodynamisch mit dem Verdampfer der Wärme­ pumpe gekoppelt, so daß dem Wärmeträger die zur Verdampfung des Kältemittels erforderliche Wärmemenge entziehbar ist.

Bei den Wärmeübertragern werden Erdkollektoren und Erd­ sonden unterschieden. Die Erdkollektoren werden großflächig in vergleichsweise geringer Tiefe (zwischen einem und zwei Metern) im Erdreich verlegt. Erdwärmesonden, auch Wärmerohr oder Heatpipe genannt, werden vertikal oder schräg in den Boden eingebracht und erfordern daher eine wesentlich ge­ ringere Grundfläche als Erdkollektoren. Derartige Erdwärme­ sonden sind beispielsweise in der DE 42 11 576 A1 beschrie­ ben. Bei dieser bekannten Lösung ist die Erdwärmesonde mit einem Kältemittel als Wärmeträger gefüllt, das im unteren Teil aufgrund der Erdwärme verdampft wird. Der Kältemit­ teldampf steigt auf und kondensiert im oberen, kalten Teil der Sonde. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme wird zum Verdampfen des Kältemittels des Wärmepumpenkreislaufes verwendet. Das kondensierte Kältemittel der Sonde fließt dann wieder in den unteren Teil und wird dort wiederum ver­ dampft - der innere Kreislauf der Erdwärmesonde ist ge­ schlossen.

Bei den bekannten Lösungen werden als Kältemittel für die Erdwärmesonde in der Regel FCKW, Ammoniak oder Kohlen­ wasserstoffe verwendet. Problematisch ist dabei allerdings, dass bei einem Bruch der Sonde eine Umweltgefährdung vor­ liegt.

Diese Umweltgefährdung läßt sich verringern, wenn als Wärmeträger Wasser oder Solesysteme (beispielsweise Wasser- Glykol-Gemisch) verwendet werden. Nachteilig bei diesen einphasigen Wärmeträgern ist, das eine Pumpe zum Umwälzen des Wärmeträgers erfoderlich ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager und ein mit einem derartigen Wärme­ übertrager ausgeführtes Wärmepumpensystem zu schaffen, die sich bei minimalem vorrichtungstechnischen Aufwand und ge­ ringer Umweltgefährdung durch eine hohe Effektivität aus­ zeichnen.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Wärmeübertragers durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Wärmepumpensystems durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 8 gelöst.

Erfindungsgemäß wird Kohlendioxid (CO₂) als Wärmeträger verwendet. Aufgrund der Umweltverträglichkeit von CO₂ ist auch bei einer Leckage des Wärmeübertragers keine Umweltge­ fährdung, beispielsweise eine Trinkwasserverschmutzung zu befürchten. CO₂ ist nicht brennbar, nicht giftig und weist ein gegenüber den herkömmlichen Kältemitteln vernachlässig­ bares Treibhauspotential auf.

Bei der Verwendung von CO₂ ist aufgrund des Phasenwech­ sels keine Pumpe zur Umwälzung erforderlich, so daß der energetische und vorrichtungstechnische Aufwand zur Auf­ rechterhaltung des Wärmeträgerkreislaufes minimal ist. Die erzielbaren Temperaturdifferenzen zwischen dem Boden und dem Wärmeübertrager sind deutlich größer als bei Solesyste­ men, so daß die Effektivität des Wärmeübertragers und des damit ausgeführten Wärmepumpensystems wesentlich erhöht werden kann. Aufgrund dieser höheren Effektivität kann die Austauschfläche des Wärmeübertragers verringert werden, so daß dieser beispielsweise mit einer geringeren Länge ausge­ führt werden kann. Dies führt dazu, daß die Investitionsko­ sten, die nicht unwesentlich vom Einbringen der Bohrungen zur Aufnahme der Wärmeübertrager bestimmt sind, abgesenkt werden können.

Das Kohlendioxid wird im Wärmerohr als Druckgas im Druckbereich von 10 bis 70 bar, vorzugsweise 40 bar aufge­ nommen.

Der Wärmeübertrager wird bei einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel als Rohr ausgeführt. Prinzipiell vorstellbar ist auch, daß der Wärmeübertrager in der eingangs beschrie­ benen Weise als Erdkollektor ausgebildet wird, wobei aller­ dings erheblich größere Bodenflächen als bei Wärmerohren zur Verfügung stehen müssen.

Zur Vergrößerung der Wärmeaustauschflächen kann das Rohr mit Rippen versehen werden, die vorzugsweise in Längs­ richtung des Rohrs verlaufen. Diese Rippen können je nach Anwendungsfall im Inneren oder an der Außenfläche des Roh­ res angeordnet werden.

Während bei den herkömmlichen Solesystemen Sondenlängen von 20 bis 150 Metern erforderlich waren, durfte beim Ein­ satz von CO₂ als Wärmeträger eine Rohrlänge im Bereich von 6 bis 18 Metern ausreichen, um die gleiche Leistung zu er­ zielen. Mitverantwortlich für die wesentlich höheren Effek­ tivität des CO₂ ist die hohe Dichte, die dieses Fluid in den angegebenen Druckbereichen aufweist.

Je nach Platzverhältnissen kann die Erdreichsonde senk­ recht oder schräg ins Erdreich eingesetzt werden.

Der erfindungsgemäße Warmeübertrager wird vorzugsweise bei Wärmepumpensystemen eingesetzt, bei denen ein Kältemit­ tel verdichtet, in einem Wärmetauscher kondensiert und an­ schließend entspannt wird. Das entspannte Kältemittel wird in einem Verdampfer verdampft, der thermodynamisch mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gekoppelt ist. Zur Erhö­ hung der Leistung können dem Verdampfer mehrere Wärmeüber­ trager zugeordnet werden.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Wärme­ pumpensystems;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Erdwärmesonde des Wärmepumpensystems aus Fig. 1 und

Fig. 3 ein Druck-Enthalpiediagramm für Kohlendioxid.

In Fig. 1 ist schematisch ein Wärmepumpensystem darge­ stellt, wie es beispielsweise für eine Heizanlage eines Wohnhauses eingesetzt werden kann. Bei einem derartigen Wärmepumpensystem wird ein Kältemittel über einen Verdich­ ter 2 isentrop verdichtet und einem Wärmetauscher 4 zuge­ führt. In diesem Wärmetauscher 4 wird das verdichtete Käl­ temittel kondensiert, wobei die Kondensationswärme im Wärme­ austausch mit der Umgebung zum Aufheizen eines Mediums oder der Umgebung ausgenützt wird. Das kondensierte Kältemittel wird in einer Drossel 6 oder einer Expansionsmaschine ent­ spannt und in einem Verdampfer 8 verdampft, so daß am Aus­ gang des Verdampfers 8 wiederum der Ausgangszustand des Kältemittels vorliegt. Die für die Verdampfung des Kälte­ mittels erforderliche Verdampfungswärme muß dem Verdampfer 8 extern zugeführt werden. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dies über eine Erdwärmesonde 10.

Derartige Erdwärmesonden 10 sind prinzipiell bereits aus dem Stand der Technik bekannt, so daß hinsichtlich der Funktion und des Aufbaus auf die vorhandenen Literatur, beispielsweise auf die eingangs genannte DE 42 11 576 und die darin zitierte Literatur verwiesen wird.

Fig. 2 zeigt eine schematisierte Schnittdarstellung durch die Erdwärmesonde aus Fig. 1. Eine derartige Sonde 10 hat ein als Druckbehälter ausgeführtes geschlossenes Rohr 12, das in eine Bohrung 14 im Erdreich 16 eingelassen ist. Die Länge des Rohres 12 beträgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen 6 und 20 - vorzugsweise 18 Me­ ter. Selbstverständlich sind auch andere Geometrien ein­ setzbar.

Im Inneren des Rohres ist ein Wärmeträger, im vorlie­ genden Fall CO₂ aufgenommen, das unter einem vergleichswei­ se hohen Druck von beispielsweise 40 bar steht. D. h., im Inneren des Rohres 12 befindet sich in Abhängigkeit von der Temperatur ein 2-Phasengemisch (Dampf/Flüssigkeit). Die Länge der Erdreichsonde richtet sich unter anderem nach der Wärmeaustauschfläche des Rohrs 12 und nach den klimatischen Bedingungen, in denen die Erdwärmesonde 10 eingesetzt wird.

Zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche ist das Rohr 12 mit Rippen oder Lamellen 18 versehen, die im inneren oder am Außenumfang des Rohres angeordnet sind. Das Rohr 12 wird aus Metall gefertigt, wobei besonderes Augenmerk auf eine gute Wärmeleitung und Korrosionsbeständigkeit des Ma­ terials gerichtet wird. Wesentlich ist, daß das Rohr 10 ei­ ne hinreichende Druckfestigkeit hat, so daß bei den zu er­ wartenden Drücken im Bereich von 40 bar keinerlei Leckage entsteht und somit die Füllung des Rohres auf lange Zeit gewährleistet ist. Unter Umständen kann man am Rohr 12 Ventile vorsehen, über die eine Nachfüllung des Wärmerohrs 12 möglich ist.

Aufgrund der Erdwärme wird das am Fuß des Rohrs 12 flüssige CO₂ durch Wärmeübergang mit dem Erdreich ver­ dampft. Der Dampf 20 steigt aufgrund seiner geringeren Dichte entlang den Innenwandungen des Rohrs 12 zum Kopf 22 des Rohres 12 auf. Dieser Kopf 22 ist thermodynamisch ge­ koppelt mit dem Verdampfer 8, so daß der Dampf 20 im Kopf­ bereich des Verdampfers 8 kondensiert und die Kondensationswärme zur Verdampfung des Kältemittels des Wärmepumpenkreislaufes ausgenutzt werden kann. Das CO₂-Kon­ densat 24 fließt oder tropft aufgrund seiner höheren Dichte im Rohr 10 nach unten und wird dort aufgrund der höheren Temperatur in 18 m Tiefe wieder in der vorbeschriebenen Weise verdampft - der Wärmeträgerkreislauf im Inneren der Erdwärmesonde ist geschlossen.

Eine derartige Strömungsführung in der Erdwärmesonde unter Ausnützung der unterschiedlichen Dichten von Konden­ sat und Dampf wird als Thermosyphoneffekt bezeichnet und hat den erheblichen Vorteil, daß keinerlei Pumpen oder ähn­ liches zur Umwälzung des Wärmeträgers erforderlich sind. Aufgrund der großen Dichte des CO₂ im genannten Druckbe­ reich (etwa 40 bar) ist die erzielbare Temperaturdifferenz zwischen dem Erdreich und der Erdwärmesonde 1 deutlich größer als bei Solesystemen, so daß der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers den bisherigen Lösungen überlegen ist. Dies ermöglicht es, das Rohr 12 mit einer geringeren Länge auszuführen, als es bei den bisher bekann­ ten Konstruktionen der Fall war.

Der Anbindungsbereich der Erdwärmesonde 10 an den Ver­ dampfer 8 wird so ausgestaltet, daß der Druckverlust für die Zweiphasenströmung im Inneren des Rohres 12 minimal ist, um den Prozeß des Kondensierens und Abfliessens nicht zu stören.

Zur Erhöhung der Verdampfungsleistung können dem Ver­ dampfer 8 mehrere Erdwärmesonden 10 zugeordnet werden. Der Verdampfer 8 und die Erdwärmesonden 10 werden vorzugsweise in einem Gebäude oder in einem Bereich angeordnet, in dem keine Wechselwirkung mit den kalten Oberflächenschichten des Erdreichs 16 stattfinden kann.

Fig. 3 zeigt ein log p-Enthalpie-Diagramm, in dem der vorbeschriebene Kreislauf eingezeichnet ist. Im Ausgangszu­ stand hat das Kondensat (1) ein Druck von etwa 40 bar. Durch den Wärmeaustausch mit dem Erdreich wird das Konden­ sat entlang einer Isobaren verdampft, wobei die Verdampfungswärme der Differenz h₂-h₁ entspricht. Der CO₂-Dampf (Zustand 2) wird dann wieder kondensiert, so daß der Ideal-Kreislauf praktisch durch die waagrechte im log p/h-Diagramm gekennzeichnet ist. Die Temperatur des Wärme­ trägers bleibt während der Verdampfung/Kondensation kon­ stant.

Die erfindungsgemäße Erdwärmesonde zeichnet sich durch eine hohe Effektivität und einen besonders einfachen Aufbau aus. Durch die Verwendung von CO₂ anstelle von herkömmli­ chen Kältemitteln, wie beispielsweise Ammoniak, Kohlenwas­ serstoff, Fluorkohlenwasserstoffen etc. ist eine Grundwas­ serverschmutzung oder eine sonstige Umweltgefährdung auf­ grund der Umweltverträglichkeit des CO₂ nicht zu erwarten.

Offenbart sind ein Wärmeübertrager und ein mit einem derartigen Wärmeübertrager ausgeführtes Wärmepumpensystem, bei dem eine Erdwärmesonde eingesetzt wird, bei der Kohlen­ dioxid als Wärmeträger verwendet wird.

Claims (9)

1. Wärmeübertrager zur Ausnutzung der Erdwärme, mit einem geschlossenen Aufnahmeraum (12) für einen Wärmeträger (20, 24), der durch die Erdwärme verdampfbar und durch Wärmeaustausch mit einer Wärmesenke kondensierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger (20, 24) Kohlendioxid ist.

2. Wärmeübertrager nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kohlendioxid einen Druck im Bereich von 10 bis 70 bar vorzugsweise 40 bar hat.

3. Wärmeübertrager nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeraum durch ein Rohr (12) gebildet ist, das zumindest abschnittsweise in Erdreich (16) eingesetzt ist.

4. Wärmeübertrager nach Patentanspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr (12) mit Rippen (18) oder sonstigen Einrichtungen zur Vergrößerung der Wärmeaus­ tauschfläche ausgebildet ist.

5. Wärmeübertrager nach Patentanspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rippen (18) in Rohrlängsrichtung ver­ laufen.

6. Wärmeübertragung nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (12) eine Länge im Bereich von 5 bis 25 Metern vorzugsweise 18 Metern hat.

7. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Patentan­ sprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (12) senkrecht oder schräg ins Erdreich eingetrieben ist.

8. Wärmepumpensystem mit einem im Kreislauf geführten Käl­ temittel, einem Verdichter (2) zur Verdichtung des gas­ förmigen Kältemittels, einem Wärmetauscher (4) zur Kon­ densation des Kältemittels, einer Drossel (6) oder ei­ ner Entspannungsmaschine zum Entspannen des Kältemit­ tels und einem Verdampfer (8) zum Verdampfen des ent­ spannten Kältemittels, gekennzeichnet durch einen Wär­ meübertrager (10) gemäß einem der vorhergehenden Pa­ tentansprüche, über den dem Verdampfer (8) die zur Ver­ dampfung des Kältemittels erforderliche Verdampfungs­ wärme zuführbar ist.

9. Wärmepumpensystem nach Patentanspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Wärmeübertrager (10) mit ei­ nem Verdampfer (8) thermodynamisch gekoppelt sind.