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Die Erfindung betrifft einen Energiepfahl zur Erdwärmenutzung, insbesondere für kombinierte Heiz- und Kühlanlagen, umfassend einen Betonpfahl und ein Kollektorrohr, wobei das Kollektorrohr einen ersten, von einem oberen Ende zu einem unteren Ende des Betonpfahls verlaufenden Abschnitt aufweist, dessen axiale Erstreckung geradlinig und achsparallel zu der Ausrichtung des Betonpfahls ausgerichtet ist.
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Im modernen Hochbau werden aus statischen Belangen bei einem schlecht tragenden Untergrund Bohrpfähle zur Bauwerksgründung eingesetzt Sofern in diese Bohrpfähle Kollektorleitungen zur oberflächennahen Erdwärmenutzung integriert sind, werden darunter Energiepfähle verstanden. Sie funktionieren prinzipiell wie Erdwärmesonden und können sowohl zum Heizen als auch zum Kuhlen eingesetzt werden, insbesondere in Verbindung mit einer Wärmepumpe. Der Begriff ”Wärme” wird somit als Bezeichnung für die zur Verfügung stehende Energiemenge beziehungsweise Arbeit verstanden und kann sich auf einem lahen Temperatur oder einem niedrigen Temperaturniveau befinden. Der Energiepfahl bildet einen ersten Wärmeübertrager, der mit einem in dem zu heizenden oder zu kühlenden Gebäude befindlichen zweiten Wärmeübertrager zusammenwirkt. Die Wärmemenge wird mittels eines Fluids zwischen den Wärmeübertragern transportiert.
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Der wesentliche Vorteil von Energiepfählen liegt darin, dass die Kosten für das Erstellen von Bohrpfählen aus statischen Gründen ohnehin aufzuwenden sind, so dass einerseits keine zusätzlichen Verlegungskosten für eine Erdwärmesonde anfallen und andererseits größere Teufen in einem Bereich von ca. 6 m bis 60 m für die Erdwärmenutzung mit einer entsprechenden höheren mittleren Jahresdurchschnittstemperatur zur Verfügung stehen.
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Ein Energiepfahl ist zum Beispiel aus der
DE 602 00 183 T2 bekannt geworden. Hierbei wird ein rohrförmiger Pfahl aus Beton als Fertigbauteil hergestellt und dessen zentrischer Hohlraum an dem unteren Ende des Pfahls mit einer Verschlussplatte dauerhaft verschlossen. Eine Zuleitung verläuft innerhalb des Pfahls bis in den Bereich der Verschlussplatte. In einem oberen Bereich ragt eine Ablaufleitung in den Hohlraum hinein. Während des Betriebes strömt ein Fluid aus der Zuleitung in den Hohlraum und steigt innerhalb des Pfahls auf, bis es über die Ablaufleitung abgezogen werden kann. in der Praxis hat es sich als nachteilig erwiesen, dass das Fluid ausschließlich innerhalb des Betonkörpers geführt wird. Einerseits muss der Pfahl nach statischen Vorgaben eine Mindestwindstärke aufweisen, die einer effektiven Wärmeleitung entgegensteht, andererseits wird der fertig konfektionierte Pfahl durch Rammen in das Erdreich eingebracht, wodurch es immer wieder zu Beschädigungen des Pfahls kommen kann. Da das Fluid nach Verlassen der Zu- oder Ablaufleitung ausschließlich von dem Fertigbetonkörper des Pfahls geführt ist, kommt es bei Beschädigungen des Pfahls immer wieder zu Verlusten des Fluids.
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Somit lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Energiepfahl bereitzustellen, der sowohl eine günstige Wärmeübertragung an den Untergrund als auch eine hohe betriebliche Verfügbarkelt gewährleistet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Energiepfahl gelöst, bei dem der erste Abschnitt des Kollektorrohres an dem unteren Ende in einen zweiten, zur Geländeoberkante verlaufender Abschnitt übergeht, der schraubenförmig um den ersten Abschnitt verläuft Aufgrund des schraubenförmigen Verlaufs des zweiten Abschnitts ergibt sich eine im Vergleich zu konventionellen Energiepfählen deutlich größere Fluidmenge, die zudem über eine verhältnismäßig große benetzte Oberfläche einen günstigen Wärmeübergang ermöglicht.
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Der Energiepfahl erstreckt sich dabei üblicherweise bis in eine Teufe von 6 m bis 60 m, wobei die Teufe nach statischer Vorgabe für die notwendige Standfestigkeit des darauf befindlichen Gebäudes bestimmt ist.
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Der schraubenförmige Verlauf des zweiten Abschnitts stellt eine Helix, Schraube, Schraubenlinie, zylindrische Spirale oder Wendel dar und bildet eine Kurve, die sich mit konstanter Steigung um den Mantel eines imaginären Zylinders windet Der zweite Abschnitt windet sich demzufolge auch, in radialer Richtung beabstandet, um den ersten Abschnitt des Kollektorrohres. Vorzugsweise sollte in axialer Richtung pro laufenden Meter des Energiepfahls der zweite Abschnitt in Umfangsrichtung des Bohrpfahls mindestens eine vollständige Windung vollziehen.
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Der betriebsbereite Energiepfahl wird vorzugsweise durch den zweiten Abschnitt mit dem Fluid beaufschlagt, dessen Temperatur sich beim Durchströmen des schraubenförmigen Verlaufs in Richtung des unteren Abschnitts des Energiepfahls an die Temperatur des anliegenden Untergrundes annähert. Nach Erreichen des unteren Abschnitts des Bohrpfahls steigt das Fluid im ersten Abschnitt wieder in Richtung der Geländeoberkante auf. Das Aufsteigen des auf ein höheres Temperaturniveau erwärmten Fluids wird durch dessen Dichteänderung unterstützt, so dass Pumpenergie eingespart werden kann. Der erste und zweite Abschnitt können seitlich oder in axialer Richtung des Bohrpfahles aus diesem austreten.
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Vorteilhafterweise sind der erste und zweite Abschnitt des Kollektorrohres in Ortbeton eingegossen, wobei der Ortbeton unmittelbar an der Oberfläche des ersten und zweiten Abschnitts anliegt.
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Es hat sich als besonders günstig herausgestellt, dass der erste und zweite Abschnitt des Kollektorrohres von einem Pfahlbewehrungskorb umgeben sind. Der Pfahlbewehrungskorb nimmt im eingebauten Zustand auftretende Zugspannungen auf und dient darüber hinaus als Montagehilfe des Kollektorrohres mit seinem ersten und zweiten Abschnitt Seide Abschnitte des Kollektorrohres können in diskreten Abständen zum Beispiel mittels Draht oder Kabelbinder an dem Pfahlbewehrungskorb befestigt sein. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste Abschnitt exzentrisch innerhalb des Pfahlbewehrungskorbes verläuft und sich an diesem oder an dem zweiten Abschnitt befestigen lässt.
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Bei der Erstellung des Energiepfahls wird zunächst ein Schutzrohr mit einem inneren Bauraum in den Untergrund eingebracht, konzentrisch in den inneren Bauraum der Pfahlbewehrungskorb mit dem darin angebrachten Kollektorrohr eingesetzt, Ortbeton in das Schutzrohr eingebracht und mit fortschreitendem Betonierungsfortschritt sukzessive das Schutzrohr nach oben herausgezogen. In betriebsbereitem Zustand liegt das Gebirge an dem mit Ortbeton gegossenen Betonpfahl an. Vorzugsweise ist der Pfahlbewährungskorb allseitig von Ortbeton umgossen.
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Der Pfahlbewehrungskorb sollte in eine durchmessergrößere Bohrung eingesetzt sein, so dass kein Rammen oder andere Verfahren notwendig sind, die Stauchkräf!e auf den Pfahlbewehrungskorb notwendig machen.
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Zweckmäßigerweise ist die durchmessergrößere Bohrung annähernd lotrecht ausgerichtet. Hierdurch resultiert neben statischen Vorgaben der Vorteil, dass der Energiepfahl senkrecht steht und ein Aufsteigen des erwärmten Fluids vorzugsweise durch den ersten, senkrecht stehenden Abschnitt besonders günstig unterstützt wird. Aufgrund der lotrechten Ausrichtung ist es möglich, in eine größere Teufe zu gelangen, so dass entsprechend der jeweiligen geothermischen Tiefenstufe eine höhere durchschnittliche Temperatur des Erdreiches erschlossen wird.
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Vorteilhafterweise erstreckt sich der Pfahlbewehrungskorb über die gesamte axiale Länge der Bohrung. Zur Maximierung der für den Wärmeübergang zur Verfügung stehenden Oberfläche sollte sich auch das Kollektorrohr mit seinem ersten und zweiten Abschnitt über die gesamte axiale Länge der Bohrung erstrecken.
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Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform ist das Kollektorrohr als integral, einstückige Leitung in dem Pfahlbewährungskorb verlegt Hierdurch lassen sich aufwendige Arbeiten an Verbindungsstücken einzelner Segmente vermeiden. Darüber hinaus stellen Verbindungsmuffen auch im laufenden Betrieb häufig eine Schwachstelle in Bezug auf deren Dichtigkeit dar.
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Vorzugsweise ist das Kollektorrohr ein PE-Rohr. Dieses kann einstückig von einer Rolle und ohne Installation von Muffen oder Passstücken entnommen werden, wodurch sich die Herstellungskosten des Energiepfahls erheblich senken lassen. Sofern ein besonders günstiger Wirkungsgrad angestrebt wird, kann das Kollektorrohr auch aus Edelstahl hergestellt sein.
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Die aus der großen axialen Länge des Pfahls und der darin schraubenförmigen Verlegung des zweiten Abschnitts des Kollektorrohres resultierende große Oberfläche führt zu dem synergistischen Effekt, dass das Kollektorrohr mit Wasser als Fluid beaufschlagt werden kann. Dieses vereinfacht das Genehmigungsverfahren für den Betrieb einer Anlage zur oberflächennahen Erdwärmenutzung erheblich. Darüber hinaus lässt sich aufgrund des Betriebs mit Wasser lediglich eine minimale Temperatur des Fluids von ca. 2°C realisieren, so dass ein Ausbilden eines Frostkörpers um den Energiepfahl ausbleibt.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Anordnung mehrerer Energiepfähle, bei denen der erste Abschnitt des Kollektorrohres nach einem Austritt aus dem jeweiligen Energiepfahl an eine zugehörige Versorgungsleitung angeschlossen ist, in der vor Erreichen einer Pumpe eine Temperaturmesseinrichtung oder ein Durchflussmengenzähler angeordnet ist. Die Temperaturmesseinrichtung oder der Durchflussmengenzähler liefern einen Messwert für das Umschalten auf einen anderen Energiepfahl.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Versorgungsleitungen in einem Sammelblock zusammengeführt, an welchen eine Hauptversorgungsleitung angreift. Die Hauptversorgungsleitung ist unter anderem an eine Pumpe angeschlossen und beschickt einen oder mehrere Hauswärmeübertrager.
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Vorzugsweise mündet die Hauptversorgungsleitung in einen Verteilerblock, von dem zum ersten Abschnitt eines jeweiligen Energiepfahls verlaufende Verbindungsleitungen abzweigen.
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Grundsätzlich sind zwar alle Energiepfähle mit dem Fluid gefüllt, einer oder wenige davon werden jedoch nur mit Druck beaufschlagt und für die Energieversorgung aktiviert. Die übrigen Energiepfähle regenerieren und bleiben mit dem darin befindlichen Fluid stehen. Mit fortschreitender Betriebszeit der aktivierten Energiepfähle nimmt jedoch der umliegende Untergrund annähernd die Temperatur des Fluids an, so dass sich zum Beispiel im winterlichen Heizmodus ein Kältemantel oder Kältehorizont um den jeweiligen aktivierten Energiepfahl ausbildet. Dieses macht sich anhand einer sich ändernden Vorlauftemperatur sowohl in der jeweiligen Versorgungsleitung als auch in der Hauptversorgungsleitung bemerkbar.
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Dabei kann die Temperaturmesseinrichtung in der Versorgungsleitung oder in der Hauptversorgungsleitung angeordnet sein, um ein Abweichen der tatsächlichen Temperatur von einer vorgebbaren Soll-Temperatur zu identifizieren und ein Umschalten auf einen anderen Energiepfahl auszulösen.
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Der Durchflussmengenzähler sollte in der Versorgungsleitung des daran angeschlossenen Energiepfahls angeordnet sein. Da die Menge des in dem Energiepfahl befindlichen Fluids bekannt ist, kann eine Umschaltung auf einen anderen Energiepfahl zum Beispiel nach Erreichen dieser individuell in dem jeweiligen Energiepfahl enthaltenden Fördermenge vorgenommen werden.
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Ein selektives Aktivieren der jeweiligen Verbindungsleitung soll durch Öffnen eines in dem Verteilerblock oder der jeweiligen Verbindungsleitung angeordneten Sperrventils in Abhängigkeit eines Messwertes der Temperaturmesseinrichtung oder des Durchflussmengenzählers erfolgen. Es wird somit von einem oder mehreren benutzten Energiepfahl/Energiepfählen auf einen oder mehrere regenerierte(n) Energiepfahl/Energiepfähle umgeschaltet, welche(r) eine maximale Wärmemenge bereitstellt/bereitstellen.
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Zum besseren Verständnis wird die Erfindung zum besseren Verständnis anhand von vier Figuren näher erläutert. Es zeigen die:
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1: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Energiepfahl;
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2: eine Draufsicht auf das obere Ende eines Betonpfahls;
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3: einen schematischen Schaltplan einer Anlage zur oberflächennahen Erdwärmenutzung gemäß einer ersten Ausführungsform und
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4: einen schematischen Schaltplan einer Anlage zur oberflächennahen Erdwärmenutzung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Die 1 zeigt einen Querschnitt eines Energiepfahls 1 in eingebautem Zustand. Der Energiepfahl 1 ist aus einem mit einem Pfahlbewehrungskorb 8 verstärkten Betonpfahl 2 gebildet und in eine Bohrung 9 eingebracht, so dass der Betonpfahl 2 nach unten und rings um seine Umfangsfläche mit Erdreich 22 kontaktiert. Die axiale Länge LB der Bohrung 9 entspricht ungefähr der Länge des Betonpfahls 2.
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Der Pfahlbewehrungskorb 8 ist in seiner Längsrichtung koaxial innerhalb des Betonpfahls 2 ausgerichtet. Innerhalb des Umfangs des Pfahlbewehrungskorbes 8 befindet sich ein integral einstückig verlaufendes Kollektorrohr 3, welches einen ersten, senkrecht stehenden Abschnitt 5 und einen schraubenförmig, gewendelten, zweiten Abschnitt 6 aufweist. Das Kollektorrohr 3 durchläuft den Betonpfahl 2 annähernd über seine gesamte axiale Länge und ist in betriebsbereitem Zustand vollständig mit einem Fluid 10, insbesondere Wasser, gefüllt.
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Der Betonpfahl 2 des Energiepfahls 1 ist innerhalb der Bohrung 9 bis zur Geländeoberkante GOK mit Ortbeton 7 ausgegossen, so dass in eingebautem Zustand das Kollektorrohr 3 und der Pfahlbewährungskorb 8 ortsfest zueinander angeordnet sind.
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Der zweite Abschnitt 6 tritt oberhalb der Geländeoberkante GOK in den Betonpfahl 1 ein und durchläuft diesen im Bereich der Bohrung 8 ausgehend von einem oberen Ende 4b mit schraubenförmigen Windungen bis zu einem unteren Ende 4a. Aufgrund der schraubenförmigen Windungen des zweiten Abschnitts 6 steht dem Fluid 10 ein großes Volumen bei einer ebenfalls großen Oberfläche des Kollektorrohres 3 zur Verfügung. Der zweite Abschnitt 6 des Kollektorrohres 3 liegt Punkt- oder linienartig an der Innenwandung des Pfahlbewehrungskorbes 8 an und ist an diesem befestigt.
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Der zweite Abschnitt 6 geht am dem unteren Ende 4a des Betonpfahls 2 durch Umbiegen des Kollektorrohres 6 in den ersten Abschnitt 5 über, welcher ansteigend und auf direktem Wege zurück zur Geländeoberkante GOK verläuft. An einem Austritt 11 des ersten Abschnittes 5 kann das Fluid 10 abgezogen werden.
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Der erste Abschnitt 5 ist ebenfalls an der Innenwandung des Pfahlbewehrungskorbes 8 und/oder an dem zweiten Abschnitt 6 angebunden. Hierdurch bleiben beide Abschnitt 5, 6 auch während des Einbringens von Ortbeton 7 an ihrer vorgesehenen Position.
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In der 2 ist der Energiepfahl 1 in einer Draufsicht des oberen Endes 4b des Betonpfahls 2 dargestellt. Hierbei wird besonders gut die konzentrische Anordnung des Betonpfahls 2 und des darin befindlichen Pfahlbewehrungskorbes 8 deutlich. Der Austritt 11 und der dazugehörige zweite Abschnitt 6 sind bezüglich des Pfahlbewehrungskorbes 8 exzentrisch angeordnet und liegen an diesem punktuell oder linienartig an.
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Die 3 zeigt eine Anordnung mehrerer Energiepfähle 1, die an eine Anlage zur oberflächennahen Erdwärmenutzung angeschlossen sind. Jeder der Energiepfähle 1 ist mit dem zugehörigen Austritt 11 an eine Versorgungsleitung 12a, 12b, 12c, 12d angeschlossen. Das Fluid 10 (siehe 1) der Versorgungsleitungen 12a, 12b, 12c, 12d wird in einem Sammelblock 16 zusammengeführt und von dort, bis zum Erreichen eines Verteilerblockes 18, in einer Hauptversorgungsleitung 17 durch ein nicht näher dargestelltes Gebäude geführt. Die dafür notwendige Pumpenergie wird von einer Pumpe 13 aufgebracht, die innerhalb der Hauptversorgungsleitung 17 angeordnet ist.
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Für die Übertragung des Fluid-Temperaturniveaus auf die Raumluft des Gebäudes durchströmt das Fluid aus der Hauptversorgungsleitung 17 mindestens einen Hauswärmeübertrager 21. In Strömungsrichtung hinter dem Hauswärmeübertrager 21 befindet sich der Verteilerbock 18, an welchem zu dem jeweiligen Energiepfahl 1 verlaufende Verbindungsleitungen 19a, 19b, 19c, 19d angeschlossen sind. Jede der Verbindungsleitungen 19a, 19b, 19c, 19d kann über ein Sperrventil 20 individuell drucklos gestellt werden, so dass das in dem zugehörigen Energiepfahl 1 befindliche Fluid in diesem verbleibt und der Energiepfahl 1 inaktiv geschaltet ist. Das Sperrventil 20 kann jeweils in der Verbindungsleitung 19a, 19b, 19c, 19d angeordnet oder in dem Verteilerblock 18 integriert sein.
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Ein wesentliches Merkmal dieser Anordnung betrifft die individuelle Ansteuerung eines jeden Energiepfahls 1 über das jeweilige Sperrventil 20 ausgehend von der Temperatur oder Menge des Fluids in der zugehörigen Versorgungsleitung 12. Die Temperatur kann in jeder Versorgungsleitung 12 mit einer Temperaturmesseinrichtung 14 oder alternativ die Fluidmenge mit einem Durchflussmengenzähler 15 erfasst werden.
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Die Temperaturmesseinrichtung 14 oder der Durchflussmengenzähler 15 sind über eine Steuerleitung 23 mit den Sperrventilen 20 verbunden. Sollte zum Beispiel im Heizmodus das Temperaturniveau innerhalb der Versorgungsleitung 12a unter ein vorgebbares Temperaturniveau sinken, wird die Verbindungsleitung 19a an dem entsprechenden Sperrventil 20 geschlossen, so dass der zugehörige Energiepfahl 1 regenerieren kann.
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Damit dem System weiterhin die erforderliche Wärmemenge bereitgestellt werden kann, wird dafür eine oder mehrere der möglicherweise bis dahin abgesperrten Verbindungsleitungen 19b, 19c, 19d geöffnet.
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Als Steuergröße für das Öffnen oder Schließen der Sperrventile 20 kann außer dem Temperaturniveau auch die Menge des geförderten Fluids herangezogen werden. So ist es möglich, den rechnerischen Inhalt eines Energiepfahls 1 zu fördern und mittels der in den Versorgungsleitungen 12a. 12b, 12c, 12d befindlichen Durchflussmengenzähler 15 zu identifizieren. Sofern die Fluidmenge des Energiepfahls 1 zum Beispiel über die Versorgungsleitung 12a bei drucklos geschalteten Verbindungsleitungen 19b, 19c, 19d gefördert wurde, kann anschließend auf die Verbindungsleitung 19b gewechselt und die Verbindungsleitung 19a zur Regeneration des zugehörigen Energiepfahls 1 geschlossen werden.
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Die 4 zeigt eine vereinfachte Anordnung, bei welcher anstelle der individuellen Temperatur oder Fördermenge des Fluids in der jeweiligen Versorgungsleitung 12a, 12b, 12c, 12d die Mischtemperatur des Fluids in der Hauptversorgungsleitung 17 mittels einer darin eingebauten Temperaturmesseinrichtung 14 erfasst ist Sobald die von der Temperaturmesseinrichtung 14 gemessene Temperatur von einer vorgebbaren Soll-Temperatur abweicht, wird von dem oder den bisher aktivierten Energiepfählen 1 auf die bisher Inaktiven Energiepfähle 1 umgeschaltet. Auch bei dieser Ausführungsform ist es möglich, einzelne Verbindungsleitungen 19a, 19b, 19c, 19d zu- oder abzuschalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiepfahl
- 2
- Betonpfahl
- 3
- Kollektorrohr
- 4a
- unteres Ende Betonpfahl
- 4b
- oberes Ende Betonpfahl
- 5
- erster Abschnitt
- 6
- zweiter Abschnitt
- 7
- Ortbeton
- 8
- Pfahlbewehrungskorb
- 9
- Bohrung
- 10
- Fluid, Wasser
- 11
- Austritt zweiter Abschnitt
- 12a–d
- Versorgungsleitung
- 13
- Pumpe
- 14
- Temperaturmesseinrichtung
- 15
- Durchflussmengenzähler
- 16
- Sammelblock
- 17
- Hauptversorgungsleitung
- 18
- Verteilerblock
- 19a–d
- Verbindungsleitung
- 20
- Sperrventil
- 21
- Hauswärmeübertrager
- 22
- Erdreich
- 23
- Steuerleitung
- GOK
- Geländeoberkante
- LB
- axiale Länge Bohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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