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Die
Erfindung richtet sich auf eine thermische Energieübertragungseinrichtung
umfassend eine thermische oberirdische Energieübertragungseinheit, insbesondere
eine luftgekoppelte Energieübertragungseinheit,
vorzugsweise eine Luftabsorptionseinheit, und eine unterirdische
thermische Energieübertragungseinheit,
insbesondere eine erdgekoppelte Energieübertragungseinheit, vorzugsweise eine
Erdreichkollektoreinheit, die zur Umwälzung eines Wärmeträgermediums,
insbesondere einer Solemasse, leitungsmäßig miteinander und mit einem Wärmeerzeuger,
insbesondere einer Wärmepumpe, verbunden
sind, wobei die Vorlaufseite des Wärmeerzeugers leitungsmäßig mit
der Eingangsseite der oberirdischen thermischen Energieübertragungseinheit,
die Ausgangsseite der oberirdischen thermischen Energieübertragungseinheit
leitungsmäßig mit der
Eingangsseite der unterirdischen thermischen Energieübertragungseinheit
und die Ausgangsseite der unterirdischen thermischen Energieübertragungseinheit
leitungsmäßig mit
der Rücklaufseite des
Wärmeerzeugers
verbunden ist.
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Weiterhin
richtet sich die Erfindung auf ein Heizungssystem umfassend einen
gebäudeseitigen Heizungswasserkreislauf
mit zugeordneter Wärmepumpe,
die mit einem Kreislauf eines Wärmeträgermediums
verbunden ist, wobei eine thermische Energieübertragungseinrichtung eine
oberirdische Energieübertragungseinheit,
insbesondere eine luftgekoppelte Energieübertragungseinheit, vorzugsweise eine
Luftabsorptionseinheit, und eine unterirdische thermische Energieübertragungseinheit,
insbesondere eine erdgekoppelte Energieübertragungseinheit, vorzugsweise
eine Erdreichkollektoreinheit, die zur Umwälzung des Wärmeträgermediums, insbesondere einer
Solemasse, leitungsmäßig miteinander
und mit einem Wärmeerzeuger,
insbesondere der Wärmepumpe,
verbunden sind, umfasst, wobei die Vorlaufseite des Wärmeerzeugers
leitungsmäßig mit
der Eingangsseite der oberirdischen thermischen Energieübertragungseinheit,
die Ausgangsseite der oberirdischen thermischen Energieübertragungseinheit
leitungsmäßig mit
der Eingangsseite der unterirdischen thermischen Energieübertragungseinheit, die
Ausgangsseite der oberirdischen thermischen Energieübertragungseinheit
leitungsmäßig mit
der Eingangsseite der unterirdischen thermischen Energieübertragungseinheit
und die Ausgangsseite der unterirdischen thermischen Energieübertragungseinheit
leitungsmäßig mit
der Rücklaufseite
des Wärmeerzeugers
verbunden ist.
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Angesichts
steigender Öl-
und Gaspreise sind Heizungssysteme, die mit Hilfe von Wärmepumpen
die notwendige Heizenergie bereitstellen eine Alternative. Im Rahmen
dieser Heizsysteme wird der weitaus größte Teil mit Sole-Wärmepumpen
betrieben, wobei als Wärmequelle
die Erdwärme
genutzt wird. Diese Systeme haben sich als besonders betriebssicher
und wirtschaftlich erwiesen. Bei diesen Systemen werden Sonden in
den Erdboden eingelassen. Oftmals ist das Erschließen der
Wärmequelle für Erdwärmenutzung
aber nicht möglich,
wenn beispielsweise die Bohrungen zu teuer sind, das Grundstück zu klein
ist, im Wasserschutzgebiet Verbote bestehen etc.
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Es
sind daher auch bereits Systeme entwickelt worden, bei denen luftgekoppelte
Wärmeenergieabsorber,
ggf. in Kombination mit einem erdgekoppelten Absorberelement Verwendung
finden.
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Eine
solche, gattungsgemäße thermische Energieübertragungseinrichtung
und ein solches Heizsystem sind aus dem Deutschen Gebrauchsmuster
DE 298 18 885 U1 bekannt.
Dort ist der Rücklauf
einer Wärmepumpe
mit einem stromaufwärts
davor angeordneten erdgekoppelten Absorberelement versehen und der
Vorlauf einer Wärmepumpe
mit stromabwärts
der Wärmepumpe
angeordnetem luftgekoppeltem Absorberelement versehen, wobei die Ausgangsseite
des luftgekoppelten Absorberelementes mit der Eingangsseite des
erdgekoppelten Absorberelementes verbunden ist. Das luftgekoppelte
Absorberelement ist als Betonteil mit darin eingelassenen Rohrleitungen
ausgebildet. Derartige Betonteile sind massiv und benötigen einen
nicht unerheblichen Aufstellplatz. Auch ist es nicht möglich, mit
Hilfe eines Betonteiles filigrane Elemente zu schaffen, die flexibel
an die jeweilige Grundstücksgegebenheit
anpassbar aufgestellt werden können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu
schaffen, mit der eine gattungsgemäße thermische Energieübertragungseinrichtung
bereitgestellt wird, deren luftgekoppelte Energieübertragungseinheit
flexibel und variabel aufstellbar ist.
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Bei
einer thermischen Energieübertragungseinrichtung
der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die oberirdische und/oder die unterirdische thermische Energieübertragungseinheit
zumindest im wesentlichen aus mehreren übereinander angeordneten, korbgeflechtartig wechselseitig
an einem Stützelement
vorbeigeführten
Rohrleitungen oder Schläuchen
besteht.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Ausbildung
der oberirdischen, luftgekoppelten Energieübertragungseinheit lässt sich
diese als filigraner, flexibel zu formender und aufzustellender
und nur wenig Stellfläche
beanspruchender Energiezaun ausbilden. Ein solcher Energiezaun kann
gerade, in Bögen und
Krümmungen
oder aber auch kreisförmig
oder als Spirale ausgebildet und aufgestellt werden.
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Aber
auch die unterirdische, erdgekoppelte Energieübertragungseinheit kann auf
diese Weise ausgebildet sein, da sich der luftgekoppelte Teil eines Energiezaunes
in den Boden fortsetzen kann und somit ein ggf. einheitliches Bauteil
dann sowohl einen luftgekoppelten als auch einen erdgekoppelten
Bereich aufweist.
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Die
Erfindung sieht daher in vorteilhafter Ausgestaltung vor, dass die
oberirdische und/oder unterirdische Energieübertragungseinrichtung die Form
einer aus Schläuchen,
insbesondere aus PE-Schläuchen,
geflochtenen Zaunwand ausbildet.
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Eine
fertigungstechnisch besonders gut herzustellende Ausführungsform
der thermischen Energieübertragungseinrichtung
lässt sich
dadurch erzielen, dass die thermischen Energieübertragungseinheiten, insbesondere
die luftgekoppelte Energieübertragungseinheit,
zwei stirnseitige Verteilerrohre aufweist, zwischen denen sich die
korbgeflechtartig und parallel angeordneten Rohrleitungen in leitungsmäßiger Verbindung
zu den Verteilerrohren erstrecken. Hierdurch lassen sich einzelne vorgefertigte
Elemente herstellen, die dann vor Ort mit Rück- und Vorlauf der Wärmepumpe
bzw. dem erdgekoppelten Absorberelement verbunden werden.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung sieht die Erfindung weiterhin vor, dass
die thermischen Energieübertragungseinheiten,
insbesondere die luftgekoppelte Energieübertragungseinheit, segmentartig
aus mehreren jeweils zwei Verteilerrohre mit dazwischen angeordnete
Rohrleitungen aufweisenden Absorberelementen aufgebaut ist.
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Eine
weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich
dadurch aus, dass die unterirdische thermische Energieübertragungseinheit
im wesentlichen oder annähernd
senkrecht zur oberirdischen thermischen Energieübertragungseinheit angeordnet
ist. Hier kann dann die erdgekoppelte Absorbereinheit günstig in
waagerechter Lage in einer Bodenfläche angeordnet sein.
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Alternativ
sieht die Erfindung vor, dass die oberirdische und die unterirdische
thermische Energieübertragungseinheit
senkrecht angeordnet und parallel zueinander ausgerichtet sind.
Bei dieser Ausführungsform
lässt sich
dann weiterhin eine besonders günstige
Ausgestaltung der Erfindung dadurch realisieren, dass die unterirdische,
erdgekoppelte thermische Energieübertragungseinheit
von einer ins Erdreich verlängerten
senkrechten Fläche
der oberirdischen, luftgekoppelten thermischen Energieübertragungseinheit
gebildet ist.
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Weiterhin
sieht die Erfindung vor, dass die oberirdische, thermische Energieübertragungseinheit
und/oder die unterirdische thermische Energieübertragungseinheit jeweils
parallel geschaltete Kreisläufe
des Wärmeträgermediums
zum Wärmeerzeuger
hin und von diesem fort aufweisen.
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Auch
ist es erfindungsgemäß möglich, dass der
oder die Kreisläufe
von oberirdischer und unterirdischer Übertragungseinheit insgesamt
jeweils zu einem Kreislauf zum Wärmeerzeuger
hin und von diesem fort in Reihe geschaltet sind, was die Erfindung ebenfalls
vorsieht.
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Zur
Lösung
der obenstehenden Aufgabe sieht die Erfindung weiterhin ein Heizungssystem
der eingangs bezeichneten Art vor, bei welchem die oberirdische
und/oder die unterirdische thermische Energieübertragungseinheit zumindest
im wesentlichen aus mehreren übereinander
angeordneten, korbgeflechtartig wechselseitig an einem Stützelement
vorbeigeführten
Rohrleitungen oder Schläuchen
besteht.
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In
Weiterbildung sieht die Erfindung schließlich ein Heizungssystem vor,
das eine thermische Energieübertragungseinrichtung
nach einem der Ansprüche
2 bis 10 umfasst.
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Die
vorstehend beschriebene thermische Energieübertragungseinrichtung, die
allgemein mit dem Begriff Wärmequellensenke
umschrieben werden kann, bzw. das vorstehend beschriebene Heizungssystem,
nutzt die in der Luft und im Erdreich gespeicherte Solarenergie
in besonders vorteilhafter Weise. In warmen Zeiten tritt das Wärmeträgermedium
bzw. der Solemassestrom aus der luftgekoppelten Energieübertragungseinheit,
dem Luftabsorber, ins Erdreich in die erdgekoppelte Energieübertragungseinheit,
den Erdreichkollektor, ein. Die Temperatur des Wärmeträgermediums wird dadurch gedämpft, ggf.
wird, falls das Wärmeträgermedium
wärmer
ist als das den Erdkollektor umschließende Erdreich, an das Erdreich
Energie abgegeben und dort als gespeicherte Energie eingelagert.
Andererseits wird in kalten Jahreszeiten das Wärmeträgermedium aus dem Luftabsorber,
falls die Temperatur in diesem Bereich niedriger als die Temperatur
im Erdreich ist, in dem Erdkollektor nacherwärmt. Auf diese Weise gewinnt
man die in warmen Jahreszeiten ins Erdreich eingelagerte Energie
in kalten Jahreszeiten aus dem Erdreich teilweise zurück. Ist
die in warmen Zeiten eingelagerte zusätzliche Energie verbraucht,
arbeitet der Erdreichteil des erfindungsgemäßen Heizsystems bzw. der erfindungsgemäßen thermischen
Energieübertragungseinrichtung
wie ein üblicher
Erdreichabsorber. Kurzzeitig können
mit dem erfindungsgemäßen System
jedoch erheblich höhere Leistungen
und Energiemengen dem Erdreich entnommen werden, da dem Erdreichabsorber
in der nächsten
Warmphase, z.B. durch Luft, Regen, Nebel oder aber auch andere Medien,
wie insbesondere Sonnenschein, über
den luftgekoppelten Teil wieder die notwendige Energie nachgeführt, dass
heißt
der Erdreichabsorber nach- bzw. aufgeladen und regeneriert wird.
Zum Betrieb des erfindungsgemäßen Energieabsorbers,
dass heißt
der erfindungsgemäßen thermischen
Energieübertragungseinrichtung sowie
des erfindungsgemäßen Heizungssystems, sind
keine besonderen, zusätzlichen
Regelorgane erforderlich. Durch die Kombination von luftgekoppelter
mit erdgekoppelter Energieübertragungseinheit lässt sich
die für
die erdgekoppelte Energieübertragungseinheit
benötigte
Fläche,
die üblicherweise
dieselbe Größe aufweist,
wie die zu heizende Wohn-/Nutzfläche
eines an die Wärmepumpe
angeschlossenen Gebäudes
deutlich, dass heißt
um mindestens ca. 50 % in der Größe, dass
heißt
der flächenmäßigen Ausdehnung,
verringern. Aufgrund der erfindungsgemäßen Kombination wird die Jahresdurchschnittstemperatur
des Wärmeträgermediums bzw.
der Sole erhöht,
obwohl in kalten Jahreszeiten die luftgekoppelte Energieübertragungseinheit
dem Boden über
die erdgekoppelte Energieübertragungseinheit
Wärme bzw.
Energie entzieht. Insgesamt hat aber die Kombination einen besseren
Jahresleistungswirkungsgrad.
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Das
erfindungsgemäße Heizungssystem bzw.
die erfindungsgemäße thermische
Energieübertragungseinrichtung
kann als Wärmequelle
für eine bivalente
oder monoenergetische Wärmepumpenanlage
verwendet werden. Bei einer monoenergetischen Betriebsweise ist
es von Vorteil, wenn ein Teil der luftgekoppelten Energieübertragungseinheit
in den Boden eingelassen ist sowie die Anschlussleitungen ins Erdreich
verlängert
sind, so dass auf diese Weise die erdgekoppelte Energieübertagungseinheit geschaffen
wird, welche dann eine Puffermöglichkeit für die Nacht
und insbesondere die kalten Tage ausbildet. An Sonnentagen wird
der Erdboden durch den Solargewinn der luftgekoppelten Energieübertragungseinheit
dann wieder „aufgeladen". Dies funktioniert
auch bei Minusgraden in der kalten Jahreszeit. Durch die Erfindung
kann der Anteil der mittels Wärmepumpe
erzeugten Heizungsenergie an der Jahresheizarbeit deutlich erhöht werden.
In Verbindung mit einem, gegenüber
rein erdgekoppeltem Betrieb und auf ca. 70 % reduzierten Erdreichkollektor
kann einen Heizungsanlage monovalent betrieben werden und ist dann
auch für
eine aktive Kühlung
im Sommer geeignet.
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Die
luftgekoppelte Energieübertragungseinheit
in Verbindung mit einer ausreichenden Puffermöglichkeit, z.B. durch einen
Erdwärmekollektor oder
eine Regenwasserzisterne, ist in dieser Gesamtheit eine vollwertige
und wirtschaftliche Alternative zu Erdwärmesondenanlagen. Mit Hilfe
dieser Kombination lassen sich die Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpen
steigern. Auch kann die luftgekoppelte Energieübertragungseinheit bei Heizungsmodernisierungen
oder auch der Modernisierung von Wärmepumpenheizungen als Alternative
zu Luft-Wasser-Wärmepumpen
vorgesehen werden. Es ergeben sich höhere Jahresarbeitszahlen, ein
geringer Platzbedarf und keine störenden Geräuschemissionen.
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Die
insbesondere korbgeflechtartig ausgebildete luftgekoppelte Energieübertragungseinheit
lässt sich
in Form eines Zaunes oder einer Spirale oder eines Kreises platzsparend
aufstellen und auch kostengünstig
fertigen. Insbesondere gilt dies für segmentartig hergestellte
Absorberelemente.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert.
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Diese
zeigt in
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1 in
schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Heizungssystem und eine
erfindungsgemäße thermische
Energieübertragungseinrichtung
und in
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2a bis 2c Anordnungsbeispiele
einer thermischen Energieübertragungseinheit.
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In 1 ist
eine insgesamt mit 1 bezeichnete thermische Energieübertragungseinrichtung
dargestellt, die eine oberirdische, luftgekoppelte Energieübertragungseinheit 2 sowie
eine unterirdische, erdgekoppelte thermische Energieübertragungseinheit 3 umfasst.
Weiterhin weist die thermische Energieübertragungseinrichtung 1 einen
Wärmeerzeuger
in Form einer Wärmepumpe 4 auf
mit deren Hilfe ein Wärmeträgermedium,
im vorliegenden Fall ein Solemassestrom, durch die beiden Energieübertragungseinheiten 2, 3 gepumpt
wird. Die Vorlaufseite 5 des Wärmeerzeugers bzw. der Wärmepumpe 4 ist
leitungsmäßig mit
der Eingangsseite 6 der oberirdischen, luftgekoppelten
Energieübertragungseinheit 2 verbunden.
Die Ausgangsseite 7 der oberirdischen, luftgekoppelten
thermischen Energieübertragungseinheit 2 ist
leitungsmäßig mit
der Eingangsseite 8 der unterirdischen, erdgekoppelten
thermischen Energieübertragungseinheit 3 und
die Ausgangsseite 9 der unterirdischen, erdgekoppelten
thermischen Energieübertragungseinheit 3 ist
leitungsmäßig mit
der Rücklaufseite 10 des
Wärmeerzeugers
bzw. der Wärmepumpe 4 verbunden.
In dem Ausführungsbeispiel
ist nicht nur der sich an die Ausgangsseite 7 des luftgekoppelten
Energieübertragungsmediums 2 anschließende Teil
des Rücklaufes
des Wärmeträgermediums
zur Wärmepumpe 4 in
Form einer erdgekoppelten Energieübertragungseinheit 3 ausgebildet, sondern
auch die zur luftgekoppelten Eingangsseite 6 führende Vorlaufseite 5 als
erdgekoppeltes Energieübertragungselement 5a ausgebildet.
Die oberirdische, luftgekoppelte Energieübertragungseinheit 2 ist
in Form eines Energiezaunes ausgestaltet und besteht aus mehreren übereinander
angeordneten und korbgeflechtartig wechselseitig an Stützelementen 11a bis 11e bei
der Ausführungsform
nach 2a, 11a bis 11k bei der Ausführungsform
gemäß 2b und 11a bis 11i bei
der Ausführungsform
gemäß 2c vorbeigeführten Rohrleitungen
oder Schläuchen 12, 13.
Die Schläuche
bestehen vorzugsweise aus Polyethylen (PE). Die Schläuche sind
jeweils zwischen zwei Verteilerrohren 14, 15 angeordnet
und mit jeweils einem Ende mit diesen leitungsmäßig verbunden, wobei die Verteilerrohre 14, 15 die
Eingangsseite 6 oder die Ausgangsseite 7 einer
luftgekoppelten Energieübertragungseinheit 2 ausbilden.
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Wie
den 2a bis 2c zu
entnehmen ist, kann die luftgekoppelte Energieübertragungseinheit 2 in
Form eines längsgestreckten
Zaunes (2a), in einer spiralförmigen Anordnung
(2b) oder aber auch in einer kreisförmigen Anordnung (2c)
ausgebildet bzw. aufgestellt und angeordnet sein. Die luftgekoppelte
Energieübertragungseinheit 2 kann
aus mehreren stirnseitige Verteilerrohre 14, 15 mit
dazwischen angeordneten Rohrleitungen 13, 14 aufweisenden
einzelnen Absorberelementen segmentartig aufgebaut sein. Dabei stehen
die einzelnen Segmente dann vorzugsweise in Reihe geschaltet miteinander
in Verbindung.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist der Bereich der erdgekoppelten Energieübertragungseinheiten 3, 5a im
wesentlichen waagerecht zu der senkrecht aufgestellten luftgekoppelten
Energieübertagungseinheit 2 angeordnet.
Es ist aber auch möglich,
dass der erdgekoppelte Bereich quasi als Verlängerung der luftgekoppelten
Energieübertragungseinheit 2 und
dann ggf. auch einheitlich mit dieser als ein Bauteil ausgeführt im Boden
angeordnet und somit in senkrechter Verlängerung des luftgekoppelten
Teiles angeordnet ist. Es können
aber auch einzelne der vorzugsweise segmentartigen, Absorberelemente
parallel zueinander angeordnet sein und sich beispielsweise eines als
luftgekoppelte Energieübertragungseinheit
oberhalb des Erdreiches und eine als erdgekoppelte Energieübertragungseinheit
im Erdreich befinden. Die thermischen Energieübertagungseinheiten 2, 3 können neben
der dargestellten Reihenschaltung in einem Wärmekreislauf auch jeweils parallel
geschaltete Kreisläufe
des Wärmeträgermediums
aufweisen.
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Die
Energieübertragungseinrichtung 1 ist Bestandteil
eines insgesamt mit 16 bezeichneten Heizungssystems, dem
innerhalb eines Gebäudes 17 ein
Heizungswasserkreislauf 18 zugeordnet ist, der ebenfalls
mit der Wärmepumpe 4 in
Wirkverbindung steht.
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Die
erdgekoppelte Energieübertragungseinheit 2 und
die erdgekoppelte Energieübertragungseinheit 3 sind
im Ausführungsbeispiel
in Reihe geschaltet. Die von der Wärmepumpe 4 abgekühlte Sole
bzw. das Wärmeträgermedium
fließt
zunächst durch
die luftgekoppelte Energieübertragungseinheit 2 und
dann durch die erdgekoppelte Energieübertragungseinheit 3.
An milden und sonnigen Tagen erwärmt
sich die Sole in der luftgekoppelten Energieübertragungseinheit 2 relativ
stark und gibt einen Teil ihrer Wärme dann an die erdgekoppelte
Energieübertragungseinheit 3 ab.
Dadurch wird erreicht, dass das Erdreich regeneriert und zusätzlich ein
Wärmevorrat
für die
Nacht bzw. kühlere
Tage angelegt wird. An kalten Tagen ohne Sonnenschein bzw. kalten Nächten wird
in der luftgekoppelten Energieübertragungseinheit 2 nur
wenig Wärme
aufgenommen, da die Außentemperatur
nahe der Soletemperatur liegt bzw. die gleiche Temperatur aufweist.
Die erdgekoppelte Energieübertragungseinheit 3 übernimmt dann die
volle Energieversorgung der Wärmepumpe 4. Auch
an sehr kalten Tagen mit viel Sonnenschein (meteorologische Hochdrucklagen)
wird von der luftgekoppelten Energieübertragungseinheit 2 ein
erheblicher Anteil an der von der Wärmepumpe 4 benötigten Kälteleistung
erbracht und das Erdreich thermisch regeneriert.