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Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesondenanordnung und eine Anlage zum Austausch von Energie mit dem Erdboden.
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Die Nutzung regenerativer Energiequellen steht gegenwärtig im Fokus vielerlei Aktivitäten, die Energieversorgung sicherzustellen. Eine große Bedeutung kommt hierbei der Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle und Wärmespeicher zu.
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Mithilfe von Erdwärmesondenanordnungen ist es möglich, Wärmeenergie aus dem Erdreich zu entnehmen, aber auch Wärmeenergie dem Erdreich zuzuführen, um damit beispielsweise Gebäude zu kühlen und die im Erdreich zwischengespeicherte Wärmeenergie beispielsweise im Winter zu Heizzwecken wieder zu entnehmen.
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In diesem Zusammenhang ist es häufig der Fall, dass Erdwärmesondenanordnungen aus mehreren oder einer Vielzahl von Erdwärmesonden im Erdboden installiert werden.
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Soweit diese nahe zueinander angeordnet sind, kommt es zu einer gegenseitigen Beeinflussung, was einen hohen Aufwand zur Abstimmung der Wärmeentnahme und der Wärmezuführung nach sich zieht.
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Nachteilig ist hier insbesondere, dass bei solchen Erdwärmesondenanordnungen aus mehreren nahe zueinander angeordneten Erdwärmesonden ein ungleichmäßiger Wärmeentzug oder Wärmeeintrag in den Erdboden stattfindet und das demzufolge die einzelnen Erdwärmesonden einer solchen Erdwärmesondenanordnung thermisch abzugleichen sind.
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Hier setzt die Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, eine Erdwärmesondenanordnung anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
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Die Erfindung soll auch die Aufgabe lösen, eine Anlage zum Austausch von Energie mit dem Erdboden bereitzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Erdwärmesondenanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine Erdwärmesondenanordnung mit wenigstens zwei Erdwärmesonden, welche von Fluid durchströmt werden, wobei die Erdwärmesonden derart beabstandet im Erdboden angeordnet sind, dass diese einen kritischen Abstand unterschreiten, wodurch der Wärmeaustausch einer ersten Erdwärmesonde mit dem Erdboden den Wärmeaustausch einer zweiten Erdwärmesonde mit dem Erdboden beeinflusst, sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens einer Erdwärmesonde ein Element zur Einstellung des sie durchströmenden Fluids zugeordnet ist.
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Im Erfindungszusammenhang wird unter der Erdwärmesonde eine Anordnung verstanden, bei der in einem im Erdboden angeordneten Bohrloch bzw. Freiraum, das im Allgemeinen senkrecht in den Erdboden eingebracht ist, eine aus Rohren, insbesondere Kunststoffrohren bestehende Erdwärmesonde eingebaut ist.
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Dies kann eine Sonde sein, die zwei Rohre für den Vor- und Rücklauf des Fluids aufweist, wobei die beiden Rohre für Vor- und Rücklauf des Fluids an ihren Enden durch ein Verbindungsstück, einen sog. Sondenfuß verbunden sind.
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In einer anderen Ausführungsform kann eine sog. Coaxialsonde zum Einsatz kommen, bei dieser ist im Lumen eines äußeren Rohres ein inneres Rohr angeordnet, wobei das äußere Rohr den Vorlauf bildet und das innere Rohr den Rücklauf.
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Das äußere Rohr ist an seinem unteren Ende in geeigneter Art und Weise verschlossen, beispielsweise durch einen Blindstopfen.
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Eine weitere Erdwärmesonde ist in Form einer sog. Helixsonde bekannt, hierbei ist das Vorlaufrohr schraubenförmig aufgewickelt und in Form einer Spiralfeder im Erdreich angeordnet, das Rohr für den Rücklauf ist in etwa im Zentrum der schraubenförmigen Windungen nach oben geführt, das Rohr selbst ist im Allgemeinen einstückig hergestellt.
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Diese Erdwärmesonden sind geeignet, Wärme aus dem Erdreich zu entziehen und beispielsweise für Heizzwecke eines Gebäudes zur Verfügung zu stellen.
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Die Erdwärmesonden sind andererseits auch dafür ausgelegt, beispielsweise für Kühlzwecke des Gebäudes dem Gebäude entzogene Wärmeenergie an das Erdreich abzugeben.
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Besonders vorteilhaft lässt sich diese dem Gebäude entzogene und dem Erdreich zugeführte Wärmeenergie im Erdreich zwischenspeichern und steht dann beispielsweise im Winterhalbjahr für Heizzwecke zur Verfügung, in dem die Erdwärmesonde aus dem aufgeheizten Erdreich dann Wärmeenergie für Heizzwecke entziehen kann.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass Erdwärmesonden, die sehr nahe zueinander im Erdreich eingebaut sind, sich gegenseitig beeinflussen.
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Dieses Beeinflussen kann so aussehen, dass eine oder mehrere Erdwärmesonden überproportional viel Wärmeenergie dem Erdreich entziehen oder dem Erdreich zuführen, so dass lokal eine ungleichmäßige Wärmeverteilung im Erdboden auftritt.
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Andererseits ist es auch möglich, dass dadurch die Wärmeentzugsleistung oder die Wärmezuführleistung einer Erdwärmesonde im Vergleich zu anderen Sonden anders ist, was den Betrieb der gesamten Erdwärmesondenanordnung negativ beeinflusst.
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Schließlich kann auch eine unterschiedliche Wärmeverteilung im Erdboden vorherrschen, die dazu führt, dass verschiedene Sonden in jeweils angepasster Weise zu betreiben sind.
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Es hat sich in diesem Zusammenhang herausgestellt, dass der kritische Abstand der mindestens zwei Erdwärmesonden, die gemeinsam die Erdwärmesondenanordnung bilden, < 20 m beträgt.
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Ganz besonders stark findet die gegenseitige Beeinflussung statt, wenn der kritische Abstand von zwei Erdsonden 8 bis 15 m beträgt, da hier ganz erhebliche gegenseitige Beeinflussungen feststellbar sind.
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Der hydraulische Abgleich der Erdwärmesonden, die die Erdwärmesondenanordnung bilden, hinsichtlich einer Vergleichmäßigung von Wärmeaustausch mit dem Erdboden gelingt dadurch, dass ein Element zur Einstellung des die Erdwärmesonde durchströmenden Fluids wenigstens einer Erdwärmesonde zugeordnet ist.
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Das Element zur Einstellung des sie durchströmenden Fluids ist in besonders bevorzugter Weise ein Bauteil, mit dem der Volumenstrom des die Erdwärmesonde durchströmenden Fluids einstellbar ist.
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Durch die Einstellbarkeit des die Erdwärmesonden durchströmenden Fluidstroms kann die Wärmemenge, die mit dem Erdreich ausgetauscht wird, sehr genau vorgegeben werden.
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Besonders günstig in diesem Zusammenhang ist, wenn das Element zur Einstellung des die Erdwärmesonde durchströmenden Fluids eine Drossel ist, insbesondere eine thermostatische Drossel.
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Eine Drossel ist besonders gut dazu geeignet, den Volumenstrom des die Erdwärmesonde durchströmenden Fluids einzustellen.
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Bei einer thermostatischen Drossel ist es möglich, dass der Volumenstrom des die Erdwärmesonde durchströmenden Fluids in Abhängigkeit von der Temperatur des Fluids entsprechend eingestellt wird.
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Es ist dadurch in besonders vorteilhafter Weise möglich, die Erdwärmesonden einer Erdwärmesondenanlage so zu betreiben, dass diese alle gleiche Rücklauftemperatur des sie durchströmenden Fluids aufweisen, so dass der Betrieb einer nachgeschalteten Wärmepumpe besonders günstig gestaltet werden kann.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Element zur Einstellung des die Erdwärmesonde durchströmenden Fluids eine Pumpe ist.
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Mithilfe einer Pumpe kann sehr genau der Volumenstrom des die Erdwärmesonde durchströmenden Fluids eingestellt werden.
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Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, dass die Pumpe hinsichtlich des zu fördernden Volumenstroms von außen ansteuerbar ist, so dass beispielsweise das Signal eines Temperatursensors, der im Rücklauf der Erdwärmesonde angeordnet ist und die Temperatur des Fluids ermittelt, zum Betrieb der Pumpe heranziehbar ist.
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Als besonders vorteilhaft hat sich im Rahmen der vorstehenden Erfindung herausgestellt, wenn vorgesehen ist, dass eine Signalverbindung zur Aufnahme eines Temperaturwertes des Fluids, das die Erdwärmesonde – insbesondere im Rücklauf – durchströmt, zu einem Rechner besteht, und von diesem Rechner zu dem Element zur Einstellung des die Erdwärmesonde durchströmenden Fluids.
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Hierdurch kann in sehr einfacher Weise die Temperatur des die Erdwärmesonde im Rücklauf durchströmenden Fluids aufgenommen werden, und aus diesem Signal mithilfe von Rechneroperationen im Rechner dann ein Signal generiert werden, mit dem das Element zur Einstellung des die Erdwärmesonde durchströmenden Fluids versorgt wird.
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Es ist damit im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einfacher Weise möglich, den Wärmeentzug bzw. die Wärmezufuhr bei einer Erdwärmesondenanordnung, die aus wenigstens zwei Erdwärmesonden besteht, die einen kritischen Abstand zueinander unterschreiten, in hohem Maße zu vergleichmäßigen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass Signalverbindungen vorgesehen sind, die Kennwerte des Betriebs der wenigstens zwei Erdwärmesonden und/oder der Wärmepumpe an einen Rechner zu übermitteln.
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Es ist damit möglich, dass in Abhängigkeit beispielsweise zum Betrieb der Wärmepumpe dann die Erdwärmesonden entsprechend betrieben werden.
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Für den Fall, dass beispielsweise von der Wärmepumpe an den Verbraucher sehr große Wärmemengen zu liefern sind, kann mithilfe des Rechners und der dazu eingerichteten Signalverbindungen der Betrieb der Erdwärmesonden in einfacher Art und Weise so verändert werden, dass ein gesteigerter Wärmeentzug aus dem Erdreich stattfindet.
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Umgekehrt können die Erdwärmepumpen hinsichtlich ihrer Wärmeentzugsleistung in leichter Art und Weise heruntergeregelt werden, wenn der Verbraucher von der Wärmepumpe nur wenig Wärmeenergie anfordert.
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Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass der Rechner aus den Kennwerten des Betriebs der wenigstens zwei Erdwärmesonden und/oder der Wärmepumpe ein Signal zur Einstellung des die wenigstens eine Erdwärmesonde durchströmenden Fluids generiert und dieses an das Element zur Einstellung ausgibt.
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Auf diese Weise kann eine sehr ökonomische Betriebsweise der Erdwärmesondenanordnung erzielt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mehrere Erdwärmesonden zur einer Gruppe zusammengefasst sind, bei denen die Einstellung des sie durchströmenden Fluids gleich ist.
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So kann beispielsweise in einer idealisierten Matrixanordnung von Erdwärmesonden, wie beispielsweise von 9 Sonden in einer 3×3 Anordnung vorgesehen sein, dass die 8 Erdwärmesonden, die den Rand der 3×3 Matrix bilden, in gleicher Weise betrieben werden, während die in der Mitte angeordnete neunte Erdwärmesonde, die ja erheblich durch den Betrieb der acht sie umgebenden Erdwärmesonden beeinflusst wird, mit anderen Parametern arbeitet.
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Hierbei sind also mehrere Erdwärmesonden zu einer Gruppe zusammengefasst, denen ein gemeinsames Element zur Einstellung des sie durchströmenden Fluids zugeordnet ist.
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Die Erfindung löst schließlich die Aufgabe, eine Anlage zum Austausch von Energie mit dem Erdboden bereitzustellen, durch Anspruch 10.
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Es ist vorgesehen, dass eine Anlage zum Austausch von Energie mit dem Erdboden eine erfindungsgemäße Erdwärmesondenanordnung wie vorstehend beschrieben aufweist.
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Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügte 1 näher erläutert.
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Hierzu zeigt:
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1 einen schematischen Querschnitt durch eine Erdwärmesonden-Anordnung gemäß vorliegender Erfindung.
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In 1 ist eine Erdwärmesonden-Anordnung 1 gemäß vorliegender Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt.
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Im Erdboden 2 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Erdwärmesonden 3 im Wesentlichen senkrecht eingebaut, wobei die Erdwärmesonden zueinander einen Abstand A aufweisen. Der Abstand A, den die Erdwärmesonden zueinander aufweisen, ist kleiner als der kritische Abstand. Der Abstand A ist im vorliegenden Falle etwa 10 m.
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Die Erdwärmesonden 3 sind aus zwei Rohren aufgebaut, einem Rohr 5 für den Vorlauf und einem Rohr 6 für den Rücklauf des Fluids, welches Wärmeenergie mit dem Erdboden 2 austauscht.
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Die Rohre 5 und 6 für Vorlauf und Rücklauf sind am unteren Ende der Erdwärmesonde 3 durch einen hier nicht weiter gezeigten Sondenfuß im Sinne eines Verbindungselements miteinander verbunden, um den Fluidstrom in der Erdwärmesonde 3 aus dem Vorlauf 5 in den Rücklauf 6 einzuspeisen.
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Am oberen Ende der Erdwärmesonden 3 sind in etwa an der Stelle, an der die Erdwärmesonden 3 aus dem Erdboden 2 herausragen, Elemente 4 angeordnet, wobei im vorliegenden Beispiel jede Erdwärmesonde 3 ein zugeordnetes Element 4 aufweist.
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Das Element 4 ist eine Drossel.
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Die Erdwärmesonden 3 sind über Rohrleitungen mit einer Wärmepumpe 9 fluidtechnisch verbunden.
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Es ist weiterhin gezeigt, dass ein Rechner 10 vorgesehen ist, der mittels Signalverbindungen 7, beispielsweise in Form von Kabeln, mit den Elementen 4 verbunden ist.
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An den Elementen 4 sind Fühler, insbesondere Thermofühler angebracht, die bevorzugt die Temperatur des Fluids im Rücklauf 6 der Erdwärmesonden 3 messen und über die Signalverbindung 7 an den Rechner 10 weiterleiten.
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Die im Rechner 10 ermittelten Werte, wie die Elemente 4 einzustellen sind, werden dann über die Signalverbindung 7 an das Element 4, die Drossel, ausgegeben, die dann den Fluidstrom der jeweiligen Erdwärmesonde 3 einstellt.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass über die Signalverbindung 7 weitere Kennwerte der Erdwärmesonde 3, wie beispielsweise der Volumenstrom, mittels entsprechender Fühler abgegriffen und dem Rechner 10 zugeleitet werden.
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Die Wärmepumpe ist mit einem Verbraucher 11 hier in Form eines Hauses mit einer Übergabestation, beispielsweise einem Heizkessel oder Ähnlichem, und einer skizziert angedeuteten Heizung verbunden. In einer bevorzugten Ausführung kann auch hier eine Signalverbindung 7´ eingerichtet sein, die einen Informationsaustausch zwischen dem Rechner 10 und dem Verbraucher 11 gestattet.
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Hierzu können beispielsweise Daten über den Energieverbrauch, die Temperaturdifferenz zwischen Innenraum und Außenwelt, die jeweilige Temperatur in den einzelnen Räumen des Hauses und Ähnliches zwischen Verbraucher 11 und Rechner 10 mittels der Signalverbindung 7´ ausgetauscht werden, um den Betrieb insbesondere der Wärmepumpe 9 an den aktuell notwendigen Wärmeverbrauch des Verbrauchers 11 anzupassen. Ebenso kann ein Betrieb stattfinden, bei dem der Verbraucher 11 Wärmeenergie an die Wärmepumpe 9 abgibt, um das Haus zu kühlen. Diese Wärmeenergie wird dann mit Hilfe der Erdwärmesonden 3 an das Erdreich 2 abgegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erdwärmesondenanordnung
- 2
- Erdboden
- 3
- Erdwärmesonde
- 4
- Element
- 5
- Vorlauf
- 6
- Rücklauf
- 7, 7´
- Signalverbindung
- 8
- Fühler
- 9
- Wärmepumpe
- 10
- Rechner
- 11
- Verbraucher
- A
- Abstand
