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Die
Erfindung betrifft einen Erdwärmespeicher
für das
Energiemanagement zur Speicherung von Wärme mit den im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
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Im
Zuge der Bemühungen
um eine bessere Ausnutzung der Energiequellen und zum Erschließen von
bisher nicht oder nur mit geringem Wirkungsgrad nutzbaren Energiequellen
steht u. a. die Nutzung der Sonne als kostenlos zur Verfügung stehende
Energiequelle immer mehr im Mittelpunkt. Die Strahlungsenergie wird
mit thermischen Sonnenkollektoren aufgefangen, direkt genutzt, in
Wärme speichernden
Anlagen abgeladen. Mit dieser Energie werden beispielsweise flüssige Medien,
im technologisch einfachsten Fall Wasser erwärmt. Die Betriebskosten eines
Sonnenkollektors liegen niedrig.
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Die
Schwierigkeiten liegen darin, dass die Menge der einfallenden Sonnenenergie
im täglichen und
im jahreszeitlichen Rhythmus stark schwankt und sich im Grunde nie
mit dem jeweiligen Bedarf deckt. Damit benötigt man entsprechende Wärmespeicher.
Bekannt sind Wärmespeicher
auf chemischer Grundlage, Wärmespeicher,
in denen Energie in Form von Heißwasser gespeichert wird, und
auch Wärmespeicher,
bei denen einfaches Erdreich als Speichermedium betrachtet wird.
Feuchtes Erdreich bietet sich als Speichermedium an, da es praktisch kostenlos
zur Verfügung
steht. Die kaloriemetrische Wärmekapazität bei etwa
20 Vol.% Wasseranteil entspricht etwa dem 0,3-fachen der Wärmekapazität reinen
Wassers.
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Solche
für das
Beheizen von Häusern
bestimmte Erdwärmespeicher
werden im Garten oder einfach in der Umgebung des zu beheizenden
Hauses angelegt. Aus vielen Gründen,
unter anderem wegen schlechter Isolation und wegen einem geringen
Wirkungsgrad beim Übergang
der Wärme
in den Speicher und aus dem Speicher, verlangen die bekannten Erdwärmespeicher
ein hohes Volumen. Entsprechend muss viel Erdreich zum Absenken
und Einbauen der verschiedenen Isolationen ausgehoben werden. Dies
verlangt seinerseits hohe Kosten. Es kommt hinzu, dass die Fläche des
ein Haus umgebenden verfügbaren
Erdreichs bzw. das zu einem Haus gehörende Grundstück begrenzt
ist. Mit bekannten Erdwärmespeichern
ist eine Speicherung der Sonnenenergie vom Zeitpunkt des größten Wärmeeinfalls
im Sommer bis zum Zeitpunkt des höchsten Verbrauchs im Winter
nur mit hohen Kosten oder überhaupt
nicht möglich.
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Das
Gebrauchsmuster
DE 76 04 366 beschreibt
einen Wärmespeicher
mit Verwendung von Erdreich als Speichermedium, mit Einrichtungen
zum Einleiten von Wärmeenergie
von einem Energieempfänger
in das Erdreich und mit Einrichtungen zum Ableiten der gespeicherten
Wärmeenergie
zu einem Energieverbraucher der sich dadurch auszeichnet, dass ein
an den Energieempfänger
angeschlossener primärer
Rohrkreis in Form von Schleifen durch das Erdreich geführt ist
und ein an den Energieverbraucher angeschlossener sekundärer Rohrkreis
in Form von Schleifen in geringem Abstand zu den Schleifen des primären Rohrkreises
ebenfalls durch das Erdreich durchgeführt ist, wobei ein Mantel aus
wärmeisolierendem
Material die Schleifen mit Abstand von oben und den Seiten umschließt.
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Weitere
Druckschriften beschäftigen
sich mit der Möglichkeit
Wärme im
Erdreich zu speichern. So beschreibt die
DE 103 43 544 , dass Erdwärme grundsätzlich an
jedem Standort genutzt werden kann. In den oberen Schichten bis
ca. 20 m hat die Sonnenstrahlung einen Einfluss auf die Bodentemperatur.
In einigen Regionen der Erde können
sich die ersten Meter durch Sonneneinstrahlung sogar bis auf 50°C erhitzen
oder umgekehrt im Winter bis zum Gefrierpunkt oder darunter abkühlen. Daraus
entsteht ein nur von der Jahreszeit abhängiger Temperaturverlauf. Die
im Boden gespeicherte Sonnenenergie kann beispielsweise durch den
Einsatz von horizontalen Erdkollektoren in Verbindung mit Wärmepumpen
zur Gebäudebeiheizung
verwendet werden. Diese Energie wird allgemein als oberflächennahe Erdwärme bezeichnet.
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Die
Kombination von Sonnenkollektoren auf dem Dach mit Anlagen zur Nutzung
von oberflächennaher
Erdwärme
durch Erdkollektoren oder Erdwärmesonden
und Wärmepumpen
ist bekannt. Es ist möglich,
die im Sommer gewonnene Wärme
aus Sonnenkollektoren über
Wärmetauscher
im Erdreich bei geringer Tiefe zu speichern und einen Teil dieser Energie
ab dem Herbst wieder zum heizen zu nutzen. Eine Stromerzeugung ist
bei diesen Konzepten nicht vorgesehen.
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Außer der
oberflächennahen
Erdwärme
gibt es die Wärme
im tiefen Untergrund. Sie stammt aus drei verschiedenen Quellen.
Sie ist gespeicherte Energie, deren Ursprung in der während der
Erdentstehung frei gewordenen Gravitationsenergie liegt. Sie ist
ein Rest von einer Urwärme
vor der Erdentstehung. Sie entsteht aus dem Zerfall radioaktiver
Isotope in der Erdkruste. Diese Wärme ist aufgrund der geringen
Wärmeleitfähigkeit
der Gesteine in der Erde gespeichert.
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Ferner
können
unterirdische Wasserströme, warm-
oder heißwasserführende Aquifere
und durch Vulkanismus erhitze Böden
werden ebenfalls direkt zum Heizen und zur Stromproduktion genutzt
werden. Die geologischen und technischen Grundlagen dazu sind in
der allgemeinen Literatur ausführlich
beschrieben.
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Schließlich beschreibt
auch die
DE 35 45 622 einen
Wärmespeicher
mit hier bereits relativ niedriger Grundfläche zur Langzeitspeicherung,
um fühlbare
Wärme wirtschaftlich
zur Verfügung
zu stellen. Hier ist ein Speicherraum mit einer Speichermasse in
Form von Erdreich und/oder Flüssigkeit
bzw. Dampf vorgesehen, wobei eine vakuumdichte Schicht aus Kunststoff
oder Blech an einer äußeren Beton-Stahlbetonwand
abgestützt
angeordnet ist. Der aus mindestens einem Plattenbauteil aufgebaute Speicherstandboden
aus Stahlbeton, Beton und/oder Eisenmetall weist zwecks Isolation
Hohlbauteile auf, wobei die Speichermasse durch mindestens eine
horizontale Wärmedämmplatten
in eine Mehrzahl von Speicherabteilen unterschiedlichen Temperatur
bzw. Wärmegehaltes
aufgeteilt ist.
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Weitere
Informationen zum Wärmehaushalt des
Bodens sind beispielsweise auf der Internet-Seite www.hypersoil.uni-muenster.de beschrieben.
Hieraus ist bekannt, dass Wärme
im Boden über
drei Mechanismen transportiert wird.
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Wärmestrahlung:
Der Wärmetransport
erfolgt über
die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, spielt vor allen Dingen
beim Energieaustausch zwischen Atmosphäre und Bodenoberfläche eine Rolle.
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Wärmeleitung:
Sie beruht auf der Übertragung
kinetischer Energie beim Zusammenstoß von Molekülen und ist der wichtigste
Mechanismus zum Wärmetransport
in humiden Böden.
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Wärmeströmung (Konvektion):
Wärmeenergien
werden durch Wasserdampftransport und Wasserfluss (Grundwasser)
verlagert.
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Für alle beschriebenen,
nicht hermetischen Konzepte stellt sich das Problem, dass durch
die ständige
Zuführung
von Wärmeenergie
eine Austrocknung der Erdwärmespeicher
erfolgt. Diese Trocknungserscheinungen, insbesondere an der Erdoberfläche der
Erdwärmespeicher
führen
zu erheblichen Wärmeverlusten.
Ein kg Wasser entzieht der Umgebung allein zur Verdampfung ca. 0,628 kWh
Wärmeenergie.
Im Ergebnis kommt es zu Leistungseinbrüchen, der an die Erdwärmespeicher
angeschlossenen Anlagen.
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Die
selbsttätige
Regeneration der bekannten Erdwärmespeicher
dauert lange, da Erdwärmespeicher
relativ träge
sind. Bekannt ist, beispielsweise mehrere Erdwärmespeicher anzulegen, denen
ständig
Wärme zugeführt wird,
wobei stets durch eine angeschlossene Anlage nur aus einem Erdwärmespeicher
Wärme entzogen
wird. Somit ist eine gewisse Kontinuität der Wärmeentnahme durch Wechsel der angelegten
Erdwärmespeicher
gewährleistet.
Dieser Aufbau ist jedoch sehr aufwändig und beispielsweise zur
Wärme-Energieversorgung
von Einfamilienhäusern
auch zu teuer.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde für beispielsweise eine Hausenergiezentrale,
einen kostengünstigen
und leicht zu errichtenden Erdwärmespeicher
anzubieten, welcher je nach den im und außerhalb des Erdwärmespeichers
herrschenden Bedingungen ein optimalere Speicherung von Wärmeenergie
im Erdwärmespeicher
ermöglicht.
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Die
Aufgabe ist in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Schutzanspruchs 1 durch einen Erdwärmespeicher gelöst, der
unter einer Glocke, beziehungsweise einer Glocke nachempfunden,
zumindest eine obere und seitliche Abdichtung des Speicherraumes
aufweist, wobei zumindest im Bereich unter der oberen Abdichtung
ein Befeuchtungssystem angeordnet ist, welches das Wärmespeichervermögen der
Wärmespeichermasse des
Erdwärmespeichers
durch Zufuhr eines Fluids in einem für den Betrieb der Hausenergienutzung
optimalen Bereich zu halten bestimmt ist.
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Von
der Erdoberfläche
verdunsten täglich 1-5mm
Niederschlag je nach Sonneneinstrahlung, Lufttemperatur, -druck
und Windverhältnissen.
Berechnet auf einen m2 Erdoberfläche werden
damit 0,628-3,14 kWh Verdampfungswärme in die Atmosphäre abgegeben.
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Ein
erstes System zum Eintrag der Wärmeenergie
in den Erdboden bewirkt, bei entsprechendem Vorhandensein eines
Fluids den gleichen Effekt.
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Im
Unterschied zu seitlich und nach oben offenen Systemen kann Wasser
beziehungsweise Wasserdampf mit erhöhter Temperatur und damit meist
geringerer Dichte nicht zur Erdoberfläche aufsteigen und entweichen.
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Das
sich mit der Energiezufuhr im Erdreich einstellende Wasserdampfgleichgewicht
bleibt in einer Art Blase unter der Glocke gefangen. Die gespeicherte
Wärme wird
nicht für
Evaporations-/Transpirationsvorgänge
umgesetzt, der Wärmetransport
zur Oberfläche
wird erheblich verlangsamt. Gleichwohl führt ein erhöhter Wasserdampfdruck dauerhaft
zu einem Konzen trationsrückgang,
des in der organisch-/mineralischen Bodenphase adsorbierten Fluids
(relative Trocknung).
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Zur Überwindung
der Bodenträgheit
sind unter der oberen Abdichtung Befeuchtungssysteme vorsehbar,
welche das Wärmespeichervermögen des
Glockeninhalts bei Bedarf durch Zufuhr von Fluid in einen für den Betrieb
der Hausenergiezentrale optimalen Bereich zu führen vermögen.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung, weist die glockenförmige Abdichtung
und das gegebenenfalls in Abhängigkeit
von der Entnahmeleistung und Ebenenstärke/-anzahl ausgelegten Befeuchtungssystem über dem
beziehungsweise um das als Erdwärmespeicher
vorgesehene Bodenvolumen herum einen gemeinsamen, schichtenartigen
Aufbau auf.
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Der
schichtenartige Aufbau kann in vielfältigen Varianten erfolgen,
die von den jeweiligen Randbedingungen abhängen. Insbesondere hängt der schichtenartige
Aufbau von dem jeweiligen Eigenschaften des Bodens im Erdwärmespeicher
ab.
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Als
obere und seitliche Abdichtung muss mindestens eine Schicht als
Dampfsperrschicht oder in den meisten Fällen eine Dampfsperrschicht
und eine nach innen zum Erdwärmespeicher
gerichtete zusätzliche
Dehnschicht als Funktionsschicht angeordnet sein.
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Der
schichtenartige Aufbau umfasst in einer bevorzugten Ausgestaltung,
die vielfältig
einsetzbar ist, im oberen Bereich beispielsweise eine erste, oberen/äußere und
eine dritte, untere/innere, den Erdwärmespeicher nach oben begrenzende
Funktionsschicht.
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Der
schichtenartige Aufbau ist in dieser Ausgestaltung im seitlich,
umlaufenden Bereich des Erdwärmespeichers
ebenfalls mit einer ersten, seitlichen und einer dritten, seitlichen
den Erdwärmespeicher abgrenzenden
Funktionsschicht ausgebildet.
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Dies
Funktionsschichten können
als Schutzschicht und/oder Dämmschicht
und/oder Dehnschicht und/oder Dränageschicht
ausgebildet sein.
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Die
zwischen der ersten und dritten Schicht als Dampfsperre ausgebildete
zweite Schicht verhindert den unkontrollierten Feuchte-/Niederschlagsein- und
Feuchte-/Dampfaustrag.
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Unterhalb
der Dampfsperre als zweite Schicht ist regelmäßig das Befeuchtungssystem,
vorzugsweise ebenfalls schichtenartig ausgeführt, angeordnet.
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Vielfältige Varianten
des Schichtenaufbau sind möglich.
Die zweite Schicht als Dampfsperre und das Befeuchtungssystem sind
dabei stets anzuordnen.
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Die
erste und dritte Funktionsschicht im oberen Bereich – oben und
unten – beziehungsweise
die erste und dritte Funktionsschicht im seitlichen Bereich – innen
und außen – können jeweils
entweder beide angeordnet werden oder jeweils nur eine der beiden
Funktionsschichten wird angeordnet, wobei wie oben beschrieben in
den meisten Fällen
für die obere
Abdichtung immer eine untere und für die seitlich, umlaufende
Abdichtung eine innere Dehnschicht als Funktionsschicht ausgeführt wird.
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Dabei
können
die angeordneten Funktionsschichten mit einer vorbestimmten Funktionen
sowohl als Dehnschicht als auch als Schutzschicht und/oder Dämmschicht
und/oder Dränageschicht ausgebildet
sein Als Dampfsperre kommen in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung
dampfdichte Folien, beispielsweise einfache Teichfolien oder Streifenfundamente
mit aufliegenden Bodenplatten aus wasserundurchlässigem Beton oder dergleichen
zum Einsatz.
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Mit
wasserundurchlässigem
Beton als Material errichtete Bodenplatten – obere Abdichtung – über entsprechend
eingebauten Streifenfundamenten – seitliche Abdichtung – als teilweise
Dampfsperre/Schutzschicht bedürfen
keines oberen beziehungsweise äußeren Schutzes
oder einer Drainage zur unterirdischen Ableitung der Staunässe.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können angeordnete Befeuchtungsauslässe im Befeuchtungssystem
bei zunehmender Trockenheit oder bei Kühlungsoptionen die Herstellung
des wünschenswerten
Fluidhaushalts ermöglichen.
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Die
erste Funktionsschicht im oberen Bereich beziehungsweise im seitlichen
Bereich die äußere Funktionsschicht
wird bei mineralisch dichten Abdeckungen des Erdwärmespeichers
ebenfalls als verzichtbar erachtet.
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Dem
Speichervolumen zuzuführendes
Fluid entnimmt das Befeuchtungssystem einem Reservoir. Von Schwebstoffen
gereinigtes Regenwasser oder entkalktes, gefiltertes Grundwasser
genügen
zumeist, die ausschließlich
unter der Dampfsperre befindlichen Wasserauslässe der Befeuchtungsleitungen
nicht zu verstopfen. Die Drainageleitungen werden möglichst
gleichmäßig über dem
Speichervolumen des Erdwärmespeichers
verlegt und bevorzugt aus perforiertem Leitungsmaterial mit Blindstopfen an
den Enden ausgeführt.
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Aus
der Bodenbeschaffenheit und dem gewünschten Arbeitsbereich bestimmt
sich der wahlweise per Hand oder über eine automatische Dosiereinrichtung
bestimmte, zuzuführende
Fluidbedarf. Die Zuleitung zum Verteilsystem ist mit Rückschlagventil
und Zähleinrichtung
sowie mit einer Armatur, vorzugsweise einem Schrägsitzventil, zum manuellen Öffnen und
Schließen
des Verteilsystems versehen.
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Im
Erdwärmespeicher
ist zur Ermittlung der Temperatur und der absoluten und/oder relativen Feuchte
des optimalen Bereiches des Wärmespeichervermögen der
fluidhaltigen Wärmespeichermasse,
des Erdwärmespeichers
zumindest ein Feuchtesensor und zumindest ein Temperatursensor angeordnet,
so dass die Speicherkapazität
des Fluids im Boden das Befeuchtungs-/Rückbefeuchtungssystem im gewünschten
Betriebsbereich steuer- und regelbar und somit optimierbar ist.
Die Überwachung
kann im einfachsten Fall durch automatische Differenzregelung erfolgen.
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Eine
Kragenlinie, die dem Ende der seitlichen Umfassung nach unten entspricht,
grenzt den Erdwärmespeicher
nach unten ab. Die Abdeckung grenzt den Erdwärmespeicher nach oben ab.
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Ein
im Erdwärmespeicher
liegendes Teilsystem des ersten Systems zum Eintrag der Wärmeenergie
sind beispielsweise mäanderförmige Erdregister,
mehrschichtige teil- oder vollflächig
durchflossene Polymerplatten oder dergleichen.
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Beim
Einsatz von Erdregistern erfolgt eine Verlegung der Erdregister,
des im Erdwärmespeicher liegenden
Teilssystems des zweiten Systems zur Entnahme und des im Erdwärmespeicher
liegenden Teilsystems des ersten Systems zum Eintrag von Wärmeenergie
in der fluidhaltigen Wärmespeichermasse
des Erdwärmespeichers
horizontal und vorzugsweise schichtenartig in einem vorgebbaren,
von den jeweiligen Einsatzbestimmungen abhängigen Abstand.
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Die
Abstände/Stärken der
zwischen Be- und Entladeebenen liegenden Sohlen des Erdwärmespeichers
ergeben sich insbesondere aus der Bodenzusammensetzung.
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Als
Faustregel gilt das beispielsweise Erdregister in wenig saugenden
Böden (Kiessand)
mit einem Abstand 80 cm und in stark saugenden Böden (Löß/Lehm)
mit einem Höhenunterschied
im Abstand von 25 cm zu belegen sind.
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Die
Anordnung erfolgt vorzugsweise horizontal in wechselnder Strömungsrichtung
der Erdregister.
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Über einer
Wärmeeintrags-
befindet sich eine Wärmentzugsebene
usw.. Als oberste Ebene wird in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung
eine Wärmentzugsebene
angeordnet.
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Die
als günstig
erachtete Dichtedifferenz erwärmter
zu kühler
Dampf-/Feuchtekonzentration beschleunigt durch den entsprechenden
Auftrieb in die oberen Ebenen und den Energietransfer innerhalb des
Erdwärmespeichers
und somit die Kondensation/Adsorption des in das Substrat am Entzugspunkt beziehungsweise
der Entzugsebene eingedampften, aufgestiegenen Wassers. Aus diesem
Grund wird eine Wärmentzugsebene
des zweiten Systems im Erdwärmespeicher
als oberste Ebene angeordnet.
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Das
im Erdwärmespeicher
liegende Teilsystem des ersten Systems der Hausenergiezentrale zum
Eintrag der Wärmeenergie
kann auch ein Systemstrahlungselement nach der
EP 1 523 223 sein.
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Beim
Einsatz von Erdsonden erfolgt eine Anordnung der Erdsonden des im
Erdwärmespeicher liegenden,
ersten Teilsystems des zum Eintrag von Wärmeenergie in die fluidhaltige
Wärmespeichermasse
des Erdwärmespeichers
vertikal, vorzugsweise bei Einsatz von mehreren Erdsonden vertikal
in einem vorgebbaren Abstand.
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Beim
Einsatz mindestens eines oder mehrerer Systemstrahlungselemente,
als das im Erdwärmespeicher
liegende Teilssystem des ersten Systems zum Eintrag von Wärmeenergie
in die fluidhaltige Wärmespeichermasse
des Erdwärmespeichers, erfolgt
eine Anordnung des Systemstrahlungselementes horizontal und/oder
vertikal in einem vorgebbaren Abstand.
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Schließlich wird
in bevorzugter Ausgestaltung des Verfahren ein Vorlauf des Teilsystems
zum Eintrag der Wärmeenergie
und ein Rücklauf
des Teilsystems zur Entnahme von Wärmeenergie durch einen/mehrere
in/neben/über/entfernt
der fluidhaltigen Wärmespeichermasse
des Erdwärmespeichers
angeordneten Kontaktbehälter
oder eine Kontaktstrecke mit einem ebenfalls Wärmenergie befördernden/speichernden
Fluid geführt.
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Eine
Glättung
der Kennlinien durch schwankenden Wärmeintrag des ersten Systems
bzw. den schwankenden Wärmeentzug
des zweiten Systems der Hausenergiezentrale wird erreicht.
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Den
Energieeintrag begünstigend
als auch die Entzugsleistung erhöhend,
wirkt sich hier die Nutzung der spezifischen Wärmekapazität/Wärmeleitfähigkeit Fluids, vorzugsweise
des Wassers, aus.
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Der
Vorlauf des ersten Teilsystems zum Eintrag der Wärmeenergie und der Rücklauf des
zweiten Teilsystems zur Entnahme von Wärmeenergie werden im einfachsten
Fall durch einen mit gegenläufigen
Strömungsrichtungen,
in den wassergefüllten Tank
eingebauten Registern ausgeführt.
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Handelsüblich sind
beispielsweise bis 10.000 Liter fassende, aus Beton oder im Spritzgussverfahren
hergestellte, durch Registereinbau oder den Anschluss mittels Plattenwärmeübertragersystemen
ergänzte
Tanks oder Erdtanks.
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Beispielhaft
sind hohe Energieeinträge
aus thermischen Solarkollektoren über die Leitungen des ersten
Teilsystems vielfach effektiver in dem Kontaktbehälter als
im Erdwärmespeicher
abgeladen.
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Aus
Kontaktbehälter
können
dort gespeicherte Energieüberschüsse nachts
in das Erdreich des Erdwärmespeicher
entladen beziehungsweise umgeladen werden.
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Neben
dem kontinuierlichen Eintrag kommt der Pufferung auch für die Bereitstellung
der Wärmeenergie
Bedeutung zu. Bedarfsgerecht Heizenergie zu liefern stellt Wärmepumpenproduzenten
z.B. vor Probleme, wenn keine große Temperaturspreizung im Erdwärmespeicher
besteht. Zumeist entstehen dann schlechtere Arbeitszahlen.
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Mit
Kontaktbehälter
sind die Wirkungsgrade wesentlich höher, da die Temperaturen im
Erdwärmespeicher
insgesamt höher
sind und eine große Temperaturspreizung
vorliegt. Ein Wärmepumpensystem
ist mit Kontaktbehälter
somit wesentlich effektiver betreibbar.
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Bevorzugt
ist, dass vorgebbare Abstände zwischen
den im Erdwärmespeicher
horizontal, schichtenartig verlegten Erdregistern und/oder vertikal
angeordneten Erdsonden und/oder anderen Energiequellen bei Integration
eines Kontaktbehälters oder
einer Kontaktstrecke in den Erdwärmespeichern größer festgelegt
und die Speicher selbst räumlich kleiner
ausgeführt
werden können.
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Das
erste System mit seinem ersten außerhalb des Erdwärmespeicher
liegenden Teilsystems zum Eintrag von Wärmeenergie in den Erdwärmespeicher
ist eine thermische Solaranlage und/oder ein Kühlabsorber einer Photovoltaik-Anlage
und/oder ein System auf Basis auskoppelbarer Prozesswärme anderer
Systeme und/oder eine konventionelle Wärmeerzeugeranlage.
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Das
zweite Teilsystem zur Entnahme von Wärmeenergie ergänzt sich
außerhalb
des Erdwärmespeichers
als Wärmepumpenanlage
oder als konventionelles System zur Entnahme der Wärmeenergie
mit Pumpengruppe, dem zugehörigen
Wärmetauscher
oder dergleichen.
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Durch
ein zugehöriges
Verfahren wird das Wärmespeichervermögen der
Wärmespeichermasse des
Erdwärmespeichers überwacht,
gesteuert und geregelt. Optimiert wird das System indem dem Erdwärmespeicher über das
Befeuchtungssystem Fluid zugeführt
wird, und somit die Hausenergiezentrale, in Abhängigkeit der auf den Erdwärmespeicher
wirkenden physikalischen Randbedingungen in einem für den Betrieb
günstigen
Bereich gehalten wird.
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Wärmeinträge des jeweiligen
Teilsystems, des mindestens einen ersten Systems in den und/oder
Wärmeentzüge des jeweiligen
Teilsystems, des mindesten einen zweiten Systems aus dem Erdwärmespeicher ändern dessen
Temperatur und damit temperaturabhängige Vorgänge und generelle Fluidverluste
in dem nach unten offenen Erdwärmespeicher ändern zudem
absolute und/oder relative Feuchte.
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Bei
Verlassen der vorgebbaren optimalen Werte einer Feuchte und/oder
Temperatur oder einem vorgebbaren Wertebereich wird eine Befeuchtung
des Erdwärmespeichers
und damit die optimale Zuführung
des fehlenden Flüssigkeitsanteils
mittels Zuführung
von Fluid vorgenommen oder eingestellt.
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In
Abhängigkeit
der Eigenschaften der Wärmespeichermasse
wird der mögliche
Wärmeintrag des
mindestens einen ersten Systems in den und/oder der mögliche Wärmeentzug
des mindestens einen zweiten Systems aus dem Erdwärmespeicher
beherrschbar.
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Die
sich mit der Temperatur ändernde
absolute Wärmespeicherkapazität ist beim
Verlassen vorgebbarer, günstiger
Werte oder eines vorgebbaren Wertebereiches durch Befeuchtung optimierbar
und damit eingeschlossen ist auch die Nutzung zur Kühlung anhängender
Systeme leicht realisierbar.
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Die
Zuführung
einer flüssigen,
wässrigen Phase
wirkt der Aufheizung/Austrocknung des Erdwärmespeichers entgegen.
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Es
lassen sich hiernach einer von der Speichermasse ermittelten Temperaturkennlinie
optimale Dampfkonzentrationen sogenannte Kondensationswärmevorräte einstellen.
Ist der in der Speichermasse angestrebte Sollwert hergestellt wird
die Befeuchtung unterbrochen.
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Unter
der Glocke gefangener Wasserdampf beziehungsweise die darin gespeicherte
Wärme gelangt
nicht oder nur über
Umwege – beispielsweise Dampfverlust
im seitlichen Bereich unterhalb der seitlichen Abdichtung – an die
Erdoberfläche.
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Die
Verzögerung
des Wärmetransfers
mittels Dampfsperre durch die Abdichtung im oberen und seitlichen
Bereich reicht aus, die Anforderungen an den Erdwärmespeicher
zu erfüllen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Figuren
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine beispielhafte Hausenergiezentrale
mit Erdwärmespeicher;
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1A eine
vergrößerte schematische Schnittdarstellung – vertikal
geschnitten – eines
ersten Ausführungsbeispiels
einer Schichtenfolge einer oberen Abdeckung des Erdwärmespeichers;
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2 eine
vergrößerte schematische Schnittdarstellung – vertikal
geschnitten – eines
zweiten Ausführungsbeispiels
der Schichtenfolge der oberen Abdeckung des Erdwärmespeichers;
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3 eine
vergrößerte schematische Schnittdarstellung – vertikal
geschnitten – eines
dritten Ausführungsbeispiels
der Schichtenfolge der oberen Abdeckung des Erdwärmespeichers;
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4 eine
vergrößerte schematische Schnittdarstellung – vertikal
geschnitten – eines
vierten Ausführungsbeispiels
der Schichtenfolge der oberen Abdeckung des Erdwärmespeichers;
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5A, 5B eine
vergrößerte schematische
Schnittdarstellung – vertikal
5A und horizontal 5B geschnitten – eines fünften Ausführungsbeispiels der Schichtenfolge
der seitlichen Abdeckung des Erdwärmespeichers;
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6 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung – vertikal
geschnitten – eines sechsten
Ausführungsbeispiels
der Schichtenfolge der oberen und seitlichen Abdeckung des Erdwärmespeichers;
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Die 1 zeigt eine Hausenergiezentrale mit einer
herausgezogenen Vergrößerung 1A eines
beispielhaften schichtenartigen Aufbaus in einem ersten Ausführungsbeispiel
im oberen Bereich 60O.
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Die
Darstellung 1 weist ein erstes System 10 zum
Eintrag von Wärmeenergie
auf. Ein zweites System 20 dient zur Entnahme von Wärmeenergie,
wobei die Systeme 10, 20 mit ihrem jeweiligen die
Wärme eintragenden
und entnehmenden Teilsystemen in einem Erdwärmespeicher 80 integriert
sind.
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Der
Erdwärmespeicher 80 kann
unterhalb eines Hauses, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel
auch im Erdkörper
neben einem Haus oder auch als Hochbeet teils über/außerhalb des Erdkörpers angelegt
werden. Im Zwischenraum der Beladeebene zur Entzugsebene ist genau
die Menge Erdreich vorgesehen, die für den abgestimmten Wärmeübergang
die optimale Speicherkapazität
besitzt.
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Als
erstes System mit seinem zum Eintrag von Wärmeenergie ist in der 1 beispielhaft eine thermische Solaranlage 10 mit
Vorlaufleitung 10VL und Rücklaufleitung 10RL dargestellt.
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Als
zweites System zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Erdwärmespeicher 80 ist
hier beispielhaft eine Wärmepumpenanlage 20 mit
einer Vorlauf-Soleleitung 20VL und einer Rücklauf-Soleleitung 20RL dargestellt.
Die Solar-/Soleleitungen 10VL, 10RL und 20VL, 20RL sind
separat ausgeführte
Systeme.
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Über entsprechende
Wärmetauscher
nach dem Prinzip der bekannten Wärmepumpensysteme wird
in der Wärmepumpenanlage 20 (nicht
näher dargestellt)
die entnommene Wärmenergie
für einen Wärmeabnehmer,
beispielsweise Heizung, optional Brauchwasser, nutzbar, wobei die 1 prinzipiell einen Wärmestrang 30 mit Vorlauf/Rücklauf 30VL/30RL zeigt,
der zu nicht näher
dargestellten Wärmeabnehmern
führt.
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Der
Erdwärmespeicher 80 ist
beispielsweise aus natürlichen
und/oder speziell für
den Erdwärmespeicher 80 vorbereiteten,
mit Zuschlagsstoffen (Salz, Lehm) versehenen Böden ausgeführt. Um ein möglichst
gutes Wärmespeichervermögen der
Wärmespeichermasse
des Erdwärmespeichers 80 zu
ermöglichen,
ist der Erdwärmespeicher 80 im
oberen und im seitlichen Bereich mit einer Abdichtung 60 versehen.
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Die
Abdichtung 60 umfasst eine obere Abdichtung 60O und
eine seitliche Abdichtung 60S, wobei im Bereich der oberen
Abdichtung 60O ein Befeuchtungssystem 70 angeordnet
ist.
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Die
Abdichtung 60 und das Befeuchtungssystem 70 weisen
im oberen Bereich 60O des als Speicherraum 40 ausgebildeten
Erdwärmespeichers 80 einen
gemeinsamen schichtenartigen Aufbau auf.
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Grundsätzlich besteht
die Abdichtung 60O, 60S mindestens aus der Dampfsperre 60B und
dem zugehörige
Befeuchtungssystem 70. Zumeist wird zusätzlich oben oder unten beziehungsweise
seitlich innen oder außen
zumindest eine weitere Funktionsschicht angeordnet, die wie vorne
beschrieben verschiedene Funktionen übernehmen kann.
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Nachfolgend
wird eine in der Praxis mögliche Ausführung beschrieben,
die jedoch die Erfindung hinsichtlich der Anordnung der Anzahl und
des beschriebenen Schichtenaufbaus Dampfsperrschicht beziehungsweise
der anordbaren Funktionsschichten nicht einschränkt.
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Eine
erste, obere und eine dritte, untere, die obere Abdichtung 60O darstellende
Funktionsschicht 60A, 60C ist in einer herausgezogenen,
vergrößerten Darstellung
der 1A sichtbar gemacht.
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Zwischen
der ersten, oberen und dritten, unteren Funktionsschicht 60A, 60C liegt
als eine zweite Schicht eine Dampfsperre 60C, wobei immer
unter dieser Dampfsperre 60C das Befeuchtungssystem 70 ausgebildet
ist.
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In
der 1A sind unterhalb des Befeuchtungssystems 70 symbolisch
Wassertropfen als Fluid dargestellt, die zeigen, dass das Befeuchtungssystem 70 in
einer Art Drainagesystem ausgebildet ist.
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Die
Abdichtung 60 im seitlichen Bereich 60S des als
Speicherraum 40 ausgebildeten Erdwärmespeichers 80 weist
ebenfalls vorzugsweise den schichtenartigen Aufbau auf, der aus
einer ersten, äußeren einer
dritten, inneren Abdichtung 60A, 60C außen begrenzenden,
Funktionsschicht ausgebildet ist.
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Die
Dampfsperre 60C ist eine dampf- und flüssigkeitsundurchlässige Schicht.
Die jeweils erste und dritte Schutzschicht 60A, 60C als
erste – obere/äußere – bzw. dritte – untere/innere
- Schicht im oberen Bereich 60O sowie im seitlichen Bereich 60S der
Abdichtung 60 ist beispielsweise als eine unverwitterbare
Filzmatte als Schutz oder als eine Schutzdämmung und gleichzeitig eine
Dehnfunktion übernehmenden
Dämmplatten
ausgebildet. Die Dämmplatten
können
die Ausdehnung des Erdwärmespeichers 80 bei
thermischer Expansion des Volumens des Erdwärmespeicher 80 aufnehmen
Die Funktionsschichten dienen der Begrenzung des Erdwärmespeichers 80 und
stellen sicher das die Dampfsperre 60B hinsichtlich der
Dampfdichtheit des Erdwärmespeichers 80 vor
Zerstörungen
bewahrt wird.
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Die
Funktionsschichten können
zur Dämmung
und Gewährleistung
der Dehnung sowohl oben und/oder unten – obere Abdichtung 60O – als auch außen und/oder
innen seitliche Abdichtung 60S angebracht sein.
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Bei
Betonbauteilen zur Abdichtung oder ähnlich starren Dampfhauben
ist die Funktionsschicht zur Aufnahme von Dehnungen im Erdwärmespeicher 80 immer
innen anzubringen und eine obere beziehungsweise äußere Funktionsschicht 60A ist
verzichtbar.
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Die
jeweilige erste und dritte Schutzschicht 60A, 60C dient
dem Schutz der Folie gegenüber
dem beidseitig anliegenden Erdreich, unter der Dampfsperre dem Drainagesystems 70.
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Selbstverständlich ist
grundsätzlich
eine nur auf einer Seite ausgeführte
begrenzende Schutzschicht 60A oder 60C denkbar,
wobei prinzipielle sogar bereits das Auslegen einer Folie als Dampfsperre 60C ohne
Funktionsschicht 60A, 60C ausreichend sein kann.
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Erfindungsgemäß ist zur
Ermittlung der Temperatur T und der absoluten oder relativen Feuchte
p, φ in
der fluidhaltigen Wärmespeichermasse
des Erdwärmespeichers 80 zumindest
ein Temperaturensensor 90 und zumindest ein Feuchtesensor 100 angeordnet,
so dass die Speicherkapazität
im Erdreich durch das Befeuchtungssystem 70 im gewünschten Betriebsbereich
steuer- und regelbar und somit optimierbar ist.
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Wie
in der 1 gezeigt, ist das im Erdwärmespeicher 80 liegende
Teilsystem zum Eintrag der Wärmeenergie
ein Erdregister und das im Erdwärmespeicher 80 liegende
Teilsystem zur Entnahme von Wärmeenergie
ebenfalls ein Erdregister.
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Der
Eintrag der Wärmeenergie
erfolgt über die
thermische Solaranlage 10 über den Vorlauf 10VL in
den Erdwärmespeicher 80,
wobei zunächst davon
ausgegangen wird, dass ein Kontaktraum/Kontaktbehälter 50 nicht
angeordnet ist.
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Über die
in einem bestimmten Abstand A im Erdwärmespeicher 80 beispielsweise
verlegten Registerleistungen wird über den Vorlauf 10VL der
thermischen Solaranlage 10 Wärmeenergie im Erdwärmespeicher 80 gespeichert
und nach Abgabe der Wärmeenergie über den
Rücklauf 10RL das
abgekühlte
Trägermedium
der Wärme
der thermischen Solaranlage, insbesondere dem dargestellten Kollektor,
zur erneuten Erwärmung
zugeführt.
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Dieser
Wärmeeintrag
erfolgt selbstverständlich
nur dann, wenn über
die Quelle, hier Sonnenenergie, ein entsprechender Wärmeeintrag
zur Verfügung
steht.
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Aus
der beispielhaft dargestellte Wärmepumpenanlage 20 wird über den
Vorlauf 20VL kalte Sole der Wärmepumpenanlage 20 ebenfalls
schichtenartig in einem bestimmten Abstand A durch den Erdwärmespeicher 80 geführt.
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Eine
bestimmte Wärmemenge
wird dem Erdwärmespeicher 80 entzogen, über den
Vor- und Rücklauf 20VL, 20RL sowie
nach dem Verdichter-/Entspannerprinzip an den als Verbraucher gekennzeichneten
Wärmestrang 30VL/30RL abgeführt.
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Zur
Entnahme von Wärmeenergie
kann das zweite System 20 nicht nur als horizontal verlegte, schichtenartige
Erdregister, sondern auch als vertikal angeordnete Erdsonde oder
mehrerer vertikal angeordneter Erdsonden ausgeführt werden. Hier erfolgt dann
eine vertikale Anordnung von mehreren Erdsonden im Erdwärmespeicher 80,
wobei hier ebenfalls ein gewisser Abstand (nicht näher dargestellt) vorgebbar
ist.
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Der
Einsatz eines Systemstrahlungselementes zur Zuführung von Wärme in den Erdwärmespeicher 80 ist
in Kombination oder alleine mit Erdsonden und/oder Erdregistern
wie beschrieben (nicht dargestellt) ebenfalls denkbar.
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In
Abhängigkeit
der Eigenschaften des Erdreiches sind für derartige Anlagen, bei denen
die Wärmemenge
durch das zweite System 20 mittels Erdsonden oder Erdkollektoren
dem Erdreich des Erdwärmespeichers 80 entzogen
wird, folgende Leistungen zu erwarten. In Abhängigkeit des Wassergehaltes
im Erdreich wird bei Erdsonden eine maximale Entzugsleistung von
circa 100–150
W/m (Sondenlänge)
erreicht. Bei sehr trockenen Böden
sinkt die Entzugsleistung auf maximal circa 50 W/m.
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Für herkömmliche
Erdkollektoren gelten Entzugsleistungen von circa 40–65 W/m2 bei feuchtem bis lehmig/sandigem Erdreich.
Bei ungünstigen
Verhältnissen,
beispielsweise bei steinig-trockenem Erdreich, sinkt die maximale
Entzugsleistung auf circa 20–32
W/m2.
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Aus
diesen Daten wird deutlich, dass sowohl beim Einsatz von Erdsonden
in vertikaler Anordnung in einem vorgebbaren Abstand als auch beim
Einsatz von Erdkollektoren in horizontaler schichtenartiger Anordnung
in einem vorgebbaren Abstand die Entzugsleistung bei trockenem Boden
bzw. Erdreich wesentlich absinkt. Wünschenswert ist also die Fähigkeit,
die Wärme
im Erdreich durch Optimierung des Verhältnisses von festen und in
Form von Wasser in flüssigem
Zustand vorliegenden Bestandteilen zu optimieren, dabei soll sowohl
Wasser als auch Dampf als Speichermedium in dem aus Erdreich ausgebildeten
Erdwärmespeicher 80 dienen.
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Die
spezifische Entzugsleistung beispielsweise von freiliegenden Erdwärmeregistern
und dergleichen Erdwärmesonden
hängt im
Wesentlichen von dem Wasseranteil (Fluid) des Erdwärmespeichers
ab, wobei wie zuvor beschrieben [Werte gelten für Erdwärmeregister] Kies, Sand in
trockenem Zustand, < 20
W/m und Kies, Sand wasserführend, 55–65 W/m
spezifische Entzugsleistung erbringt.
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In
Abhängigkeit
der jeweils im Erdwärmespeicher 80 erzeugten, örtlich differierenden
Temperaturen kommt es zu einer Dampfdruckerhöhung/-senkung im Erdwärmespeicher 80 und
damit zu den gewünschten
Phasenumwandlungen, so dass Teile der Flüssigkeit verdampfen/kondensieren/adsorbieren.
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Die
Dimensionen der Hausenergiezentrale sind so bemessen, dass erreichbare
Be- und Entladezyklen optimal genutzt werden. Bestimmend hierfür ist das
Verhalten des im Boden vorhandenen Wassers. Bei der Beladung erfolgt
im Bereich der Übergänge aus
verschiedensten Solar- oder Prozesswärmequellen die Erhöhung der
Dampfkonzentration. Das Wasser im Kontakt oder mittelbarer Nähe nimmt
die zum temperaturbedingten Dampfkonzentrationsausgleich erforderliche
Verdampfungswärme aus
der jeweiligen Beladungsebene auf.
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Damit
diese latente Verdampfungswärme
innerhalb des Erdwärmespeichers 80 für Speicherzwecke
nicht verloren geht und nicht in die Atmosphäre aufsteigt, wird die zuvor
beschriebene Abdichtung 60 als obere Abdichtung und die
seitliche Abdichtung 60S wie beschrieben ausgeführt.
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Die
latente Verdampfungswärme
wird neben der im flüssigen
Zustand im Wasser/Gestein gespeicherten sensiblen Wärme wie
unter einer Glocke innerhalb der Dampfsperre 60B im Erdwärmespeicher 80 zurückgehalten.
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Die
Abkühlung
oder Entnahme von Wärmeenergie
durch das im Erdwärmespeicher 80 verlaufende
zweite System 20 bewirkt eine Kondensation des Dampfes
bis hin zur Gefrierung der wässrigen
Phase.
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Wie
in der Atmosphäre
kommt es in aufliegenden, kühleren
Schichten zur Kondensation/Adsorption des zuvor verdampften, aufgestiegenen Wassers.
An den spiralförmigen
Erdwärmesonden bzw.
Erdwärmeregistern
fallen die Wassertropfen aus und sickern dann unter der Glocke durch
das Erdreich des Erdwärmespeichers 80 nach
unten in Richtung der einzelnen Be- und Entladeebenen.
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Erhöhte Temperaturen
als auch erhöhte Dampfkonzentrationen
behindern gleichzeitig die Kapillarwirkung an den Phasengrenzen
der Feststoffbestandteile, so dass die Oberflächenspannung der Bodenbestandteile
steigt.
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Durch
den Verlust von Flüssigkeit,
die nach der Kondensation des Wassers durch die einzelnen Beladeebenen
in den Erdkörper
darunter versickert/verdampft, fällt
entsprechend der Feuchtigkeitsgehalt des Erdwärmespeichers 80 im
Bereich der Beladeebenen, der durch das Befeuchtungssystem 70 wieder
in einen optimalen Bereich zurückgeführt wird.
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Der
Verlust des Wassers, kann zudem, durch die ständige Zuführung von Wärmeenergie hervorgerufen, wie
bereits beschrieben bis hin zur Austrocknung des Erdwärmespeichers 80 führen. Durch
die Befeuchtung wird die Regeneration des Erdwärmespeichers 80 bewirkt.
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Für das Befeuchtungssystem 70 kommt
bei Unterschreitung eines definierten, kritischen Feuchtegehaltes
und/oder Überschreitung
einer definierten kritischen Temperatur im Erdwärmespeicher 80 die Zuführung von
Wasser aus einem Brauch-/Regenwasserreservoir (nicht dargestellt)
zur Anwendung. Bemessen auf die Speicherfläche werden beispielsweise bis
2,5 l/m2 der Speicheroberfläche des
Erdwärmespeichers 80 und
Tag in das Speichermedium verteilt.
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Beachtlich
hierbei ist, dass 1 l Fluid, insbesondere Wasser, circa 0,628 kWh
an Verdampfungswärme
aufnimmt und demnach relativ geringe Mengen für eine optimale Dosierung bereitgestellt
werden müssen.
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Das
vorhandene gekoppelte System aus Abdichtung 60 und Befeuchtungssystem 70 dient
also zum Einen zur Rückhaltung,
der über
das erste System (thermische Solaranlage) 10 zugeführten Wärmeenergie
innerhalb des Erdwärmespeichers 80 und zum
Anderen zur Optimierung des Wassergehaltes (Feuchte) innerhalb des
Erdwärmespeichers 80. Eine
Art Nasskies ähnlich
der Aquifer-Speicher darf bei der Befeuchtung im Erdwärmespeicher 80 jedoch nicht
entstehen. Dies ist durch die Temperatur- und Feuchtemessung 90, 100 gewährleistet.
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Das
Befeuchtungssystem 70 kann dabei auch zur erstmaligen Befeuchtung
des als Erdwärmespeicher 80 errichteten
Speicherkörpers
verwendet werden. Später
dient das Befeuchtungssystem 70 stets nur noch der Wiederherstellung/Kühlung des ursprünglich in
einen optimalen Bereich geführten Erdwärmespeichers 80.
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Die
Leistungsfähigkeit
des Speichers wie auch der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe hängt ganz erheblich von günstigen
Arbeitsbereichen ab, die eine geringe Schwankungsbreite haben sollen. Allein
die Schwankungen der Wärmeversorgung
zwischen Tag und Nacht machen bei Tageslichtanlagen einen Leistungsverlust
von ca. 30 % berechnet auf den saisonalen Ertrag aus.
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Erforderlich
ist somit, dass der Wärmeeintrag
bzw. Wärmeentzug
mit einer möglichst
geringen Schwankungsbreite innerhalb der optimalen Temperaturen
und des günstigen
Wassergehaltes im Erdwärmespeicher 80 erfolgt.
Ungünstig
ist eine starke Entnahme von Wärme
durch das zweite System 20 ohne gleichzeitige Zuführung von
Wärme durch
das erste System 10 beziehungsweise eine ständige Zuführung von
Wärme durch
das erste System 10 ohne entsprechende Abnahme von Wärme durch
das zweite System 20.
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Da
sowohl der Anfall von Wärmeenergie über das
erste System 10 beziehungsweise die notwendige Abnahme
von Wärme
durch das zweite System 20 nicht immer korrespondiert,
kann die Leistungsfähigkeit
des Erdwärmespeichers 80 und
somit der Wirkungsgrad der Wärmepumpe
und somit ebenfalls der gesamten Hausenergiezentrale dadurch verbessert
beziehungsweise der Wirkungsgrad erhöht werden, indem im Erdwärmespeicher 80 ein
Kontaktraum 50 beziehungsweise, wie in der 1 dargestellt,
ein Kontaktbehälter 50 angeordnet
wird. Dieser Kontaktbehälter 50 ist
ebenfalls mit einem Fluid, vorzugsweise Wasser, befüllt, welches
eine hohe spezifische Speicherkapazität aufweist, wobei die Leitungen
zur Wärmezuführung beziehungsweise
Wärmeabführung des
jeweiligen Teilsystems des ersten und zweiten Systems 10, 20 durch
den Kontaktbehälter 50 geführt werden.
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Diese
Maßnahme
führt dazu,
dass Energie im Vorlauf 10VL aus dem ersten System 10 zum Wärmeintrag
wegen des mehrfach besseren Übergangs
zunächst
im Puffer 50 verbleibt.
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Hierdurch
wird folglich auch ein äquivalent höheres Energieniveau
in der Sole des Wärmepumpenssystems
des Rücklaufes 20RL des
zweiten Systems 20 zur Entnahme von Wärmenergie erreicht.
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Der
Kontaktbehälter 50 weist
einen bestimmten vorgebbaren korrigierbaren Füllstand 50A auf, wobei
das jeweilige Volumen des Kontaktbehälters 50 die zwischenspeicherbare
Wärmemenge
bestimmt.
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Wie
dargestellt ist der Vorlauf 10VL der thermischen Solaranlage 10 über den
Kontaktbehälter 50 geführt, in
dem zunächst
die entsprechende Wärme an
das Wasser im Kontaktbehälter 50 abgegeben wird,
wonach der Vorlauf 10VL schichtenartig – von oben nach unten – durch
den Erdwärmespeicher 80 geführt wird,
wo die Restwärme,
des in der thermischen Solaranlage 10 sich im Kreislauf
befindenden über
den Rücklauf 10RL zurückgeführten Mediums abgegeben
wird.
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Zuerst
ist der Vorlauf 20VL des zweiten Systems 20 schichtenartig
in einer Art Erdregister – von unten
nach oben – durch
den Erdwärmespeicher 80 geführt, um
die so gegebenenfalls unter 0°C
abgekühlte
Sole aus der Wärmepumpe 20 vorzuwärmen. Der
Rücklauf 20RL der
Wärmepumpenanlage 20 wird
nach dem Entzug der Wärme
aus dem Erdwärmespeicher 80 oben
in den Kontaktbehälter 50 geführt.
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Das
günstigste
Soletemperaturniveau ist durch Temperaturbegrenzung einzustellen.
Die Wärme
ist im Kontaktbehälter 50 effektiver
als im Erdwärmespeicher 80 selbst
aufnehmbar. Die Wärmepumpe 20 gibt
dann entsprechend der Funktion die Wärme, die sich durch die Temperaturdifferenz ΔT der Sole
ableitet, an den Wärmestrang 30VL/RL,
umgesetzt in das dort angeforderte Temperaturniveau, ab.
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Vorzugsweise
werden der Vorlauf 10VL des Teilsystems innerhalb des Erdwärmespeichers
beziehungsweise des Kontraktraumes 50 zum Eintrag der Wärmeenergie
und der Rücklauf 20RL des
Teilsystems zur Entnahme der Wärmeenergie
gegenläufig
aneinander vorbeigeführt.
Gleichläufige
Leitungsführung
ist selbstverständlich
ebenfalls denkbar. Droht die Kontaktflüssigkeit im Kontaktbehälter 50 ohne
Nachladung von Wärme
aus dem ersten System 10 bei dauernder Sole-Rücklauftemperatur 20RL unter
0°C einzufrieren
wird der Kontaktbehälter 50 entleert.
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Durch
den Kontaktbehälter 50 werden
Zeiten statistisch höherer
Wärmeanforderung
denen niedrigerer Wärmeanforderung
ins Verhältnis
gebracht. Eine ungünstige
Temperaturspreizung im Erdwärmespeicher 80 wird
vermieden.
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Die
Systeme 10 und 29 zum Wärmeeintrag und zum Wärmeentzug
in beziehungsweise aus dem Erdspeicher 80 können entsprechend
geringer bemessen, die Trägheit
des Bodens bei der Beladung beziehungsweise Entladung der Wärmeenergie
können
somit überwunden
werden.
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Schließlich zeigt 2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel.
Oberhalb des Speicherraumes 40 ist beispielsweise bereits
ein Baukörper
angeordnet, der als erste, obere Funktionsschicht 60A bereits
den oberen Schutz der Dampfsperre 60B übernehmen kann.
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Die
Funktion der oberen begrenzenden Funktionsschicht 60A kann
also von einem Bauteil des Baukörpers
bereits erfüllt
sein. Konventionell errichtete Bodenplatten mit darunter befindlichen,
kapillarbrechenden Splitt-, Schotter-, Recyclingschichten erfordern
jedoch insgesamt den folgenden schematisch, dargestellten Aufbau
der oberen Abdichtung 60O.
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Die
erste, obere Funktionsschicht 60A als Schutzschicht der
Dampfsperre 60B bildet die Platte des Baukörpers. Danach
schließt
sich die Dampfsperre als zweite Schicht 60B an, die von
einer Funktionsschicht 60C, vorzugsweise eine Filzmatte
oder dergleichen, unterfüttert
ist. Unterhalb beziehungsweise in die Filzmatte 60C hinein
wird das Befeuchtungssystem 70 angeordnet.
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Das
Befeuchtungssystem 70 ist wiederum von unten mit einer
Funktionsschicht 60C, vorzugsweise einer Filzmatte, zum
Schutz des Befeuchtungssystems 70, zum Speicherraum 40 des
Erdwärmespeicher 80 hin,
begrenzt.
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Gemäß 3,
die einem dritten Ausführungsbeispiel
entspricht, entfällt
in Erdwärmespeichern 80,
bei denen im Speicherraum sandige Böden zum Einsatz kommen die
dritte, untere Funktionsschicht 60C. Die Drainageleitungen
des Befeuchtungssystems 70 im Erdwärmespeicher 80 können gemäß 3 direkt
in das Erdreich des Speicherraums 40 verlegt werden.
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4 zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel, welches
den Schichtenaufbau insbesondere in Freiflächen darstellt. Die hier dargestellte
obere Abdichtung 60O für
den Aufbau des Erdwärmespeichers 80 in
Freiflächen,
also nicht unterhalb eines Baukörpers, weist
folgende Schichten auf.
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Als
erste Schicht 110 wird Erdreich 110 aufgebracht,
wobei darunter zunächst
als erste, obere Funktionsschicht 60A eine Filzmatte und
unterhalb dieser Filzmatte die Folie als zweite Schicht 60B angeordnet
wird. Als Schutz der Dampfsperre 60B gegenüber dem
Befeuchtungssystem 70 wird wiederum eine dritte Funktionsschicht 60B oberhalb
des Befeuchtungssystems 70 verlegt. Das Befeuchtungssystem 70 wiederum
erhält
als Schutz wiederum nochmals eine Funktionsschicht, die der dritten Funktionsschicht 60C entspricht
und wiederum eine Filzmatte ist.
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Die
unterhalb der Dampfsperre 60B angeordnete Filzmatte 60C kann
vorzugsweise auch um Schutz- und Dämmeigenschaften sowie Dehnungseigenschaften
zu verwirklichen eine Dämmplatte sein,
so dass dann Schutz und Dämmung
gegen Wärmeverluste
des Erdwärmespeichers
abgesichert beziehungsweise verhindert und Dehnung des Erdwärmespeichers 80 aufgenommen
werden kann.
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Geringe
Einbautiefen/Hochbeete sowie unerwünscht Wärme leitende Decklagen erfordern
die in der 4 über dem Befeuchtungssystems 70 zur Dampfsperre 60B ausgebildete
untere Funktionsschicht als Schutzschicht 60C ebenfalls
als Dämmplatte
auszuführen.
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Die 5A und 5B zeigen
eine vergrößerte, schematische
Schnittdarstellung in einer vertikal geschnittenen seitlichen Abdeckung
(5A) und in einer horizontal geschnittenen seitlichen
Abdeckung (5B) in der jeweils gleichen
Schichtenfolge. Als erste, äußere Funktionsschicht 60A wird
im seitlichen Bereich eine Schutzschicht, beispielsweise wiederum
eine Filzmatte, für
die Folie 60B als zweite Schicht angeordnet.
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Im
inneren, seitlichen Bereich des Erdwärmespeichers 80 wird
als dritte, innere Funktionsschicht 60C vorzugsweise eine
Dämmplatte
angebracht, die sowohl eine Schutzfunktion, als auch eine Dämmfunktion
und eine Dehnfunktion zum Ausgleich von Dehnungen des Erdwärmespeichers 80 ermöglicht.
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5B zeigt
diese gleiche Ausführung
in der horizontal geschnittenen Darstellung.
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In
der Darstellung 6 wird in einem sechsten
Ausführungsbeispiel
eine Variante vorgestellt, bei der insbesondere der Übergang
zwischen der oberen Abdichtung 60O und der seitlichen Abdeckung 60S von
Interesse ist. Die obere Abdichtung 60O liegt beispielsweise
wiederum unter einer ersten Funktionsschicht 60A als Bodenplatte,
die bereits den oberen Schutz der zweiten Schicht 60B,
der Folie, übernimmt.
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Unterhalb
der Folie 60B ist als dritte Funktionsschicht innerhalb
der oberen Abdichtung 60O eine Filzmatte 60C angeordnet.
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Zur
seitlichen Abdichtung 60S hin wird die Folie 60B neben
dem Seitenstreifenfundament, welches als erste, äußere Funktionsschicht seitlichen Bereich
des Erdwärmespeichers 80 ausgebildet
ist, in den seitlichen Abdichtungsbereich 60S herumgezogen.
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Hier
im seitlichen Bereich 60S wird als dritte, innere Funktionsschicht
eine Dämmplatte 60C ausgeführt, die
im Bereich der oberen Abdichtung 60O an der Filzmatte 60C anliegt.
Die zweite Schicht 60B als Dampfsperre, beispielsweise
die Folie, endet jedoch nach Umlegen in den seitlichen Bereich hinein, wie
dargestellt.
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Die
seitliche Abdichtung 60S als Dampfsperre wird im sechsten
Ausführungsbeispiel
somit nur durch das aus vorzugsweise wasserundurchlässigem Beton
ausgeführte
Seitenstreifenfundament als erste, äußere Funktionsschicht 60A und
als die dritte, innere Funktionsschicht angeordnete Dämmschicht 60C,
die selbst ebenfalls möglichst
wasserundurchlässig
ausgeführt
ist, realisiert. Eine weiter im Bereich der seitlichen Abdichtung 60S heruntergezogene Dampfsperre 60B kann
hier entfallen.
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- 10
- System
zum Wärmeeintrag
[thermische
Solaranlage/Kühlabsorber Photovoltaik
o.ä.]
- 10VL
- Vorlauf
Wärmeeintragssystem
[thermische Solaranlage]
- 10RL
- Rücklauf Wärmeeintragssystem
[thermische Solaranlage]
- 20
- System
zur Wärmeentnahme
[Wärmepumpenanlage]
- 20VL
- Vorlauf
Wärmeentnahmesystem
[Sole – WP]
- 20RL
- Rücklauf Wärmeentnahmesystem
[Sole – WP]
- 30VL/RL
- Wärmestrang
(Heizung, optional Brauchwasser)
- 40
- Speicherraum
- 40A
- Zwischenraum
Be-/Entladeebenen
- 50
- Kontaktbehälter/Kontaktstrecke
- 50A
- Füllstand
Kontaktbehälter
- 60
- Abdichtung
- 60O
- obere
Abdichtung
- 60S
- seitliche
Abdichtung
- 60A
- erste
Funktionsschicht [obere Funktionsschicht oder seitliche, äußere Funktionsschicht]
- 60B
- zweite
Schicht [Folie oder Beton als Dampfsperre]
- 60C
- dritte
Funktionsschicht [untere Funktionsschicht oder seitliche, innere
Funktionsschicht]
- 70
- Befeuchtungssystem
- 80
- Erdwärmespeicher
- 90
- Temperatursensor
- 100
- Feuchtesensor
- 110
- Erdreich
außerhalb
Erdwärmespeicher
- A
- Abstand