DE20120401U1 - Anlage zur Gewinnung von Heizungsenergie aus Erdwärme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Gewinnung von Heizungsenergie aus Erdwärme mit einer Wärmepumpe, mindestens einer Tiefensonde und einem zur Übertragung der von einem Kältemittel geförderten Erdwärme besonders geeigneten Sondenkopf auf ein Hochdruckkältemittel.

Heizungsanlagen mit Wärmepumpen sind seit vielen Jahren bekannt und haben aufgrund ihrer wirtschaftlichen Energiegewinnung einen hohen Stellenwert erlangt. Die der Wärmepumpe zugeführte Energie kann dabei sowohl der Umgebungsluft, als auch dem Grundwasser oder dem Erdreich entnommen werden. Die Entnahme von Erdwärme hat sich für Wärmepumpenanlagen, welche nicht nur zur Brauchwassererwärmung, sondern speziell auch in der kälteren Jahreszeit für die Heizung eines Objektes herangezogen werden, als besonders wirtschaftlich herausgestellt, da die zur Verfügung stehende Umweltergie keinen bzw. keinen großen Schwankungen unterworfen ist, so wie dies etwa bei der Umgebungsluft der Fall ist.

Um dem Erdreich Wärme zu entziehen werden Erdsonden senkrecht oder leicht schräg in das Erdreich eingebracht. Bekannte Erdsonden bestehen aus einem Doppelrohrsystem, bei dem durch das Innenrohr ein Wärmeträger - etwa ein Wasser-Glykol-Gemisch - nach unten strömt und in dem Ringspalt zwischen dem Innenrohr und dem unten verschlossenen Außenrohr wieder aufwärts steigt, wobei das Gemisch durch die Erdwärme aufgewärmt wird. Die Vor-

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und Rückläufe meist mehrerer Erdsonden sind über einen Verteiler mit dem Verdampfer der Wärmepumpe verbunden, sodaß ein geschlossener Kreislauf gebildet wird.

Diese bekannte Vorrichtung weist jedoch mehrere Nachteile auf. Einerseits ist für die Umwälzung des Wärmeträgermediums eine Pumpe notwendig, zweitens ist der Wirkungsgrad dieser Erdsonde systembedingt nicht optimal, da das Doppelrohrsystem unvermeidbar einem Wärmenebenschluß auf kurzem Weg vom Ringspalt zum Innenrohr aufweist, drittens ist das Doppelrohr relativ aufwendig in seiner Herstellung und damit teuer, viertens ist das eingesetzte Gemisch nicht für Anlagen in Wasserschon- oder -Schutzgebieten zulässig und fünftens haben solche Wärmeträgermedien den Nachteil, dass sie nach einiger Zeit zu Korrosionsproblemen führen.

Um diese Probleme zu vermeiden wurden Systeme wie in der DE-OS 42 11 576 entwickelt, bei welchen die Erdsonde aus einem einzigen, nach unten geschlossenen Rohr besteht, in welchem sich ein Kältemittel befindet, welches im unteren Teil des Rohres durch die eindringende Erdwärme verdampft wird, im dampfförmigen Zustand im Rohr nach oben steigt, am oberen Ende des Wärmerohres unter Abgabe von Wärmeenergie an einen Verdampfer wieder kondensiert und als Flüssigkeit wieder nach unten fließt. Die unterschiedlichen Aggregatzustände zwischen aufsteigendem und abfließendem Kältemittel bedingen einen vernachlässigbaren thermischen Rückschluß im Sondenrohr. In Verbindung mit dem ohnehin hohen Wirkungsgrad der Phasenwechsel beim Wärmeaustausch ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad des gesamten Systems. Da der Transport des Kältemittels im Rohr durch Aufsteigen von Dampf und abfließen von Flüssigkeit selbsttätig erfolgt, ist der Einsatz einer Umwälzpumpe nicht mehr erforderlich. Außerdem ist die Erdsonde sehr einfach gestaltet und somit preiswert in der Herstellung.

Um dem Problem der Umweltgefährdung bei einem Bruch der Sonde zu begegnen und damit den Einsatz solcher Erdwärmeanlagen auch in Gebieten mit Grundwasservorkommen zu ermöglichen, wird in solchen Erdsonden bevorzugt- wie in der US 5,327,734 oder in der DE 198 60 328 beschrieben - CO₂ als Kältemittel eingesetzt. CO₂ ist ein Hochdruckkältemittel, dessen kritische Daten ca. 31° C bei 74 bar sind; bei 20° C ist der Druck ca. 57 bar. CO₂ gilt als Sicherheits-Kältemittel, da es ungiftig und unbrennbar ist.

Die bekannten Vorrichtungen lösen zwar die oben beschriebenen Probleme, sind jedoch in der praktischen Anwendung noch mit Mängeln behaftet. So kann das in der DE 198 60 328 beschriebene Sondenrohr nur für Längen bis etwa 25 Meter eingesetzt werden. Zudem ist es hier erforderlich, die stangenförmigen Rohrteile an der Einbaustelle miteinander durch löten 5 oder schweißen zu verbinden, oder die Einbringung eines im Stück gefertigten Rohres mittels eines Kranes durchzuführen. Zweiteres erfordert die ungehinderte Zufahrt eines entsprechenden Baufahrzeuges und ist daher für die nachträgliche Umstellung eines Heizungssystems auf Erdwärme im verbauten Gebiet schwer anwendbar.

Die Gesamtkosten der Anlage und damit die Frage ihrer Effizienz wird maßgeblich von der Zahl der benötigten Erdsonden bestimmt, welche für den Wärmebedarf des entsprechenden Objektes erforderlich sind. Pro Erdsonde wird ein Sondenkopf benötigt. Die Zahl der benötigten Erdsonden samt Sondenköpfen richtet sich nach dem Wärmebedarf des zu heizenden Objektes, wobei man von einer Wärmeentzugsleistung von ca. 50 W/m Sondenlänge ausgeht. Wenn es gelingt, entsprechend lange Erdsonden in das Erdreich zu bringen, reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Sonden und damit auch der Sondenköpfe. Damit kann auch das Problem des Platzbedarfes für solche Heizungsanlagen gelöst werden, welches speziell bei geringem Raumangebot Bedeutung hat.

Ein Sondenkopf wie er etwa in der US 5,327,734 geoffenbart wird, besteht aus einem geschlossenen Behälter in dem das Trägermedium aus der Erdsonde zirkuliert und durch welches in einem wendelförmigen Rohr das Kältemittel einer Wärmepumpe hindurchfließt und sich dabei erwärmt. Da der geschlossene Behälter unter Druck betrieben wird, sind entsprechend der Druckkesselverordnung jährliche Überprüfungen des Sondenkopfes erforderlich.

Um diese durch die Überprüfung anfallenden Betriebskosten zu sparen, wurde vorgeschlagen, die Erdsonde als allseits geschlossenes Rohr gleichbleibenden Durchmessers zu gestalten, welches in seinem obersten Abschnitt von einem wendelförmigen Verdampferrohr, durch welches das Kältemittel einer Wärmepumpe fließt, eng anliegend umfaßt wird, wie in der DE-OS 42 11 576 geoffenbart.

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Diese Ausführungsvariante weist jedoch einen unbefriedigenden Wirkungsgrad auf, da die Berührungsflächen beider Rohre sehr gering sind. Auch konstruktive Verbesserungen am Verdampferrohr lösen dieses Problem nur unzureichend.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Anlage zur Gewinnung von Heizungsenergie aus Erdwärme zu schaffen, welche bei geringstem Platzbedarf, geringen Herstellungskosten und geringen Betriebskosten durch Vermeidung einer Überprüfung nach der Druckkesselverordnung, die Nachteile der bekannten Anlagen vermeidet und welche sowohl für den Einbau in verbautem Gelände als auch in einem Grundwasserschutzgebiet geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen oder zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Anlage wird in den Figuren näher beschrieben:

Darin zeigt Fig. 1 einen Betonschacht mit einem Schachtring 9, in welchem vier Sondenköpfe 5, 6, 7 und 8 untergebracht sind. Im Schachtdeckel befindet sich das strichlicht angedeutete Einstiegsloch. Von den Sondenköpfen 5, 6, 7 und 8 führen Sondenrohre 1, 2, 3 und 4 über ein Bohrloch 10 in das Erdreich.

Fig. 2 zeigt ein Sondenrohr 1 mit dem Sondenkopf 5, welcher aus einem wendelförmig gebogenen Doppelrohr 13 besteht, einen Verdichter 14 und ein Expansionsventil 15 für das Kältemittel einer Wärmepumpe, sowie eine Wärmeabgabeeinheit 16. Das nach dem Expansionsventil 15 wieder entspannte Kältemittel wird über einen Verteiler 23 der tiefsten Stelle des Hohlraumes zwischen dem inneren Rohr 24 und dem äußeren Rohr 26 des Doppelrohres 13 zugeführt, um es an seiner höchsten Stelle wieder zu verlassen und über einen Sammler 12 wieder dem Verdichter 14 zugeführt zu werden.

Fig. 3 zeigt die Abbildung nach Fig. 2, wobei der Sondenkopf 5 von einem allseits geschlossenen Behälter 17 eingeschlossen ist, in welchem eine Latentspeichermasse 18 den Hohlraum ausfüllt. Zwischen der höchsten Stelle 19 des Sondenrohres 1 und dem Doppelrohr 13 befindet sich ein Verbindungsrohr 20, welches über die Anschlußstelle 21 den CO2 Dampf

an das Doppelrohr 13 weitergibt und an der Anschlußstelle 22 das CO2 Kondensat wieder aufnimmt.

Der wichtigste Konstruktionsteil einer Heizenergieanlage mit Wärmepumpe 11 und Sondenrohren 1, 2, 3, 4 sind die Sondenköpfe 5, 6, 7, 8 mit dem Kondensator/Verdampfer. Diese Technologie ist prinzipiell von Kältekaskasden bekannt, jedoch kommt im vorliegenden Anwendungsfall erschwerend dazu, dass der Druckabfall sondenseitig minimiert werden und die Kondensatableitung in der Weise erfolgen muß, dass die Sondenrohre 1, 2, 3, 4 gleichmäßig und vor allem vollflächig beaufschlagt werden, ohne den Dampfstrom zu behindern. Die Kondensation erfolgt daher idealerweise von oben nach unten. Zu dicke Kondensatfilme sollten im Hinblick auf einen guten Wärmeübergang vermieden werden. Das entspricht auch der Forderung nach kleinen Temperaturdifferenzen zwischen dem Sondenmedium und dem Kältemittel der Wärmepumpe 11. Erfindungsgemäß besteht daher der Sondenkopf 6, 7, 8, 9 aus einem wendelförmig gebogenen Doppelrohr 13, wobei das innere Rohr 24 denselben Innendurchmesser wie das Sondenrohr 1,2, 3,4 aufweist.

Das Sondenrohr 1, 2, 3, 4 ist in seinem oberen Bereich an seiner höchsten Stelle dicht mit der höchsten Stelle des inneren Rohres 24 des Doppelrohres 13 und an einer weiteren Stelle mit der tiefsten Stelle des inneren Rohres 24 des Doppelrohres 13 verbunden. Dadurch wird gewährleistet, dass das aufsteigende dampfförmige CO2 an der höchsten Stelle des inneren Rohres 24 eindringt und das Kondensat das innere Rohr 24 an seiner tiefsten Stelle verläßt um wieder entlang der Innenwand des Sondenrohres 1 abwärts zu rinnen.

Zwischen dem inneren Rohr 24 und dem äußeren Rohr 26 des Doppelrohres 13 ist ein Abstandhalter 25, insbesondere in der Form eines umlaufenden Drahtes vorgesehen. Der Hohlraum zwischen dem inneren Rohr 24 und dem äußeren Rohr 26 wird vom Kältemittel einer Wärmepumpe 11 durchflossen, wobei dessen Fließrichtung entgegengesetzt zum CO2 Strom verläuft.

Theoretisch kann die Verdampfungstemperatur des CO2 abhängig von seinem Sättigungsdruck und abhängig von der Umgebungstemperatur in einem großen Bereich angewendet werden. In der praktischen Anwendung hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, die Verdampfungstemperatur des CO2 in einem Bereich zwischen -15° C und +25° C, insbesondere zwischen -5° C und +15° C liegt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage ist zwischen der höchsten Stelle 19 des Sondenrohres 1 und der höchsten Stelle 21 des inneren Rohres 24 ein Verbindungsrohr 2.0 und eine Verbindung zwischen dem Verbindungsrohr 20 und der tiefsten Stelle 22 des inneren Rohres 24 des Doppelrohres 13 vorgesehen. Durch dieses zusätzliche Verbindungsrohr 20 wird es möglich, den Sondenkopf 5 als geschlossenen Behälter 17 mit drei Anschlüssen vorzufertigen und an der Einbaustelle zu montieren.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Hohlraum dieses Behälters 17 mit einer Latentspeichermassel 8 gefüllt. Dadurch wird es möglich, die kontinuierliche Wärmezufuhr aus dem Bohrloch 10 bei abgeschalteter Wärmeabgabe in der Latentspeichermasse 18 zwischen zu speichern und bei einer neuerlichen Wärmeanforderung an das Heizsystem weiterzugeben. Durch diese Maßnahme kann die Effizienz der Gesamtanlage weiter erhöht werden.

Durch den erfindungsgemäßen Sondenkopf 5 kann zwar der Wirkungsgrad des Verdampfers wesentlich verbessert werden, die bestmögliche Lösung der gestellten Aufgabe wird allerdings erst in Verbindung mit einer wesentlichen Vergrößerung der Sondenlänge erreicht, da dadurch eine erheblich größere Wärmeausbeute pro Sondenrohr 1, 2, 3, 4 erzielt wird, wodurch die Anzahl der Sondenrohre, der Sondenköpfe und letztendlich der Betonschächte erheblich reduziert wird.

Tiefensonden mit CO2 als Kältemittel haben den Vorteil, dass sie nach heutigem Wissensstand bis etwa 200 m nach dem Naturumlaufprinzip möglich sind. Um Sondenlängen von bis zu 100 Meter und mehr zu erreichen, sind Erdsonden aus Stangenmaterial zwar theoretisch denkbar, doch stößt man hier in der praktischen Anwendung auf erhebliche Schwierigkeiten, welche nur durch sehr aufwendige und daher unwirtschaftliche Einbringungstechniken umgangen werden können. Zusätzlich tritt an den Verbindungsstellen vermehrt ein Korrosionsproblem auf.

Erfindungsgemäß besteht daher das Sondenrohr 1, 2, 3, 4 aus einem kunststoffbeschichteten Kupferrohr, welches als Rollenware im Handel ist und erst bei der Erdmontage gerade ausgerichtet wird. Diese Rollenware ist im Vergleich zur Stangenware erheblich billiger und kann in ihrer Länge je nach Bedarf hergestellt werden.

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Die geradlinige Ausrichtung bei der Erdmontage kann händisch erfolgen. Unabhängig von der gewünschten Länge kann dieses Sondenrohr ohne Kran und ohne besondere Zufahrtsmöglichkeit zur Einbaustelle problemlos auch nachträglich in bebautem Gebiet eingebracht werden.
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Ein weiterer Vorteil, der sich besonders auf die Herstellungskosten auswirkt, besteht darin, dass herkömmliche Bohrtechniken eingesetzt werden können.

Auch wird es durch die Verwendung der Rollenware möglich, solche Wärmegewinnungsanlagen auch in einem Wasserschutzgebiet zu errichten, in welchem normale Bohrmethoden, bei denen eine Verschmutzung des Grundwassers durch Schmiermittel zu befürchten wäre, nicht angewendet werden dürfen. Durch Preßsysteme ist hier die Einbringung bis zu einer Länge von etwa 50 m möglich.

Durch den Einsatz von Sondenrohren 1, 2, 3, 4 mit bis zu 100 m Länge oder auch darüber wird die Anzahl der erforderlichen Sondenrohre zur Gewinnung der nötigen Wärmeausbeute möglichst gering gehalten, sodass der gesamte Platzbedarf der Anlage so klein gehalten werden kann, dass sie auch bei kleinstem Raumangebot möglich wird.

Claims (7)

1. Anlage zur Gewinnung von Heizungsenergie aus Erdwärme mit mindestens einem Sondenrohr (1, 2, 3, 4), das als unten geschlossenes Rohr ausgeführt ist, und das mit einem Kältemittel beaufschlagt ist, sowie mit einem Sondenkopf (5, 6, 7, 8), der am oberen Ende des Sondenrohrs (1, 2, 3, 4) vorgesehen ist, der einen als wendelförmig gebogenes Rohr ausgebildeten Kondensator/Verdampfer aufweist, der mit dem Sondenrohr (1, 2, 3, 4) verbunden ist, um die aus dem Erdreich gewonnene Energie an eine Wärmepumpe abzugeben, die diese an einen Wärmeverbraucher weiterleitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator/Verdampfer als Doppelrohr (13) ausgebildet ist, das im Sondenkopf angeordnet ist, wobei ein inneres Rohr (24) des Doppelrohrs (13) an seiner tiefsten Stelle (22) mit dem Sondenrohr (1, 2, 3, 4) und an seiner höchsten Stelle 21 mit dem Sondenrohr (1, 2, 3, 4) verbunden ist, und dass zwischen dem inneren Rohr (24) und einem äußeren Rohr (26) des Doppelrohrs (13) ein Abstandhalter (25) vorzugsweise in der Form eines umlaufenden Drahtes vorgesehen ist, wobei der Hohlraum zwischen dem inneren Rohr (24) und dem äußeren Rohr (26) des Doppelrohrs (13) zur Aufnahme eines Kältemediums der Wärmepumpe bestimmt ist.

2. Anlage zur Gewinnung von Heizungsenergie aus Erdwärme mit mindestens einem Sondenrohr (1, 2, 3, 4), das als unten geschlossenes Rohr ausgeführt ist, und das mit einem Kältemittel beaufschlagt ist, sowie mit einem Sondenkopf (5, 6, 7, 8), der am oberen Ende des Sondenrohrs (1, 2, 3, 4) vorgesehen ist, der einen als wendelförmig gebogenes Rohr ausgebildeten Kondensator/Verdampfer aufweist, der mit dem Sondenrohr (1, 2, 3, 4) verbunden ist, um die aus dem Erdreich gewonnene Energie an eine Wärmepumpe abzugeben, die diese an einen Wärmeverbraucher weiterleitet, dadurch gekennzeichnet dass der Kondensator/Verdampfer als Doppelrohr (13) ausgebildet ist, das im Sondenkopf (5, 6, 7, 8) angeordnet ist, wobei ein inneres Rohr (24) des Doppelrohrs (13) an seiner tiefsten Stelle (22) mit einem Verbindungsrohr (20) und an seiner höchsten Stelle (21) mit dem Verbindungsrohr (20) verbunden ist, dass das Verbindungsrohr (20) mit der höchsten Stelle (19) des Sondenrohrs (1, 2, 3, 4) verbunden ist und dass zwischen dem inneren Rohr (24) und einem äußeren Rohr (26) des Doppelrohrs (13) ein Abstandhalter (25) vorzugsweise in der Form eines umlaufenden Drahtes vorgesehen ist, wobei der Hohlraum zwischen dem inneren Rohr (24) und dem äußeren Rohr (26) des Doppelrohrs (13) zur Aufnahme eines Kältemediums der Wärmepumpe bestimmt ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass das Verbindungsrohr (20) und das Doppelrohr (13), sowie die Zulaufleitung und die Ablaufleitung für das Kältemittel der Wärmepumpe (11) in einem allseits geschlossenen Behälter (17) untergebracht sind.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass der allseits geschlossene Behälter (17) mit einer Latentspeichermasse (18) gefüllt ist.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass die Sondenrohre (1, 2, 3, 4) aus einem kunststoffbeschichteten Kupferrohr besteht, welche als Rollenware im Handel ist und erst bei der Erdmontage gerade ausgerichtet wird.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass die Sondenrohre (1, 2, 3, 4) eine Länge bis 200 m, bevorzugt bis 120 m aufweist.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet dass als Kältemittel im Sondenrohr (1, 2, 3, 4) unter Hochdruck stehendes CO₂ mit einer zwischen -15°C und +25°C, insbesondere zwischen -5°C und +15°C, liegenden Verdampfungstemperatur verwendet wird.