DE202013008074U1

DE202013008074U1 - Vorrichtung zur Gewinnung von Wärme aus dem Untergrund mittels erdverlegter Luft-Wärmetauscher aus Steinzeug

Info

Publication number: DE202013008074U1
Application number: DE202013008074U
Authority: DE
Original assignee: JENA GEOS INGENIEURBUERO GmbH; Jena-Geos-Ingenieurbuero GmbH; IAB Institut fuer Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH
Current assignee: BODE BAUTECHNIK BAUMASCHINEN GMBH, DE; JENA-GEOS-INGENIEURBUERO GMBH, DE; IAB Institut fuer Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH
Priority date: 2013-09-07
Filing date: 2013-09-07
Publication date: 2013-10-28
Anticipated expiration: 2023-09-08

Abstract

Vorrichtung zum Wärmeaustausch, bestehend aus Einzelelementen die aus Steinzeug hergestellt und miteinander kombinierbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschvorrichtung, im speziellen einen Luft-Erdwärmekollektor, die im oberflächennahen Erdreich verlegt und aus grabenlos verlegten Steinzeugrohren sowie sämtlichen erforderlichen Verbindungssegmenten zur Komplettierung des Gesamtsystems besteht und zur Klimatisierung von Gebäuden jeglicher Art genutzt werden kann.
Beschreibung
Ein optimaler Komfort in Wohn- und Arbeitsräumen sowie ideale Bedingungen auch für Mast- und Zuchtbetriebe werden unter anderem durch ein nahezu jahreszeitenunabhängiges, definiertes Raumklima geschaffen. Hierbei muss abhängig von den gesetzten Anforderungen die Raumtemperatur, die Luftfeuchtigkeit sowie die Frischluftversorgung geregelt werden. Es sind deshalb bereits verschiedenste Anordnungen entwickelt worden, um die Klimatisierung eines Gebäudes mit geringem Energieverbrauch zu realisieren.
Stand der Technik
Es sind Wärmeaustauschvorrichtungen bekannt, die von einem Medium zum Wärmeaustausch durchströmt werden. Diese sind im Untergrund angeordnet und an eine Wärmepumpe zur Raumheizung, Aufheizung des Gebrauchswassers oder zur Kühlung angeschlossen.
In DE 295 19 093 U1 ist ein Wärmetauschsystem beschrieben, welches unter anderem dadurch gekennzeichnet ist, dass eine im Kiesbett oder dergleichen waagerecht angeordnete Luftfördereinrichtung mit Luftschacht vorgesehen ist. Dabei soll die Luft durch Nutzung der Erdwärme und des Grundwassers konstant auf etwa 12°C temperiert werden. Hierbei werden mit Lufteinlassöffnungen versehene Drainagerohre und ein Ventilator verwendet. Weiter ist eine Grundwasserpumpe zur Förderung des Mediums im Kiesbett vorgesehen. Als oberer Abschluss dient eine Humusschicht mit Grasnarbe.
Nach DE 10 2009 013 523 A1 wird ein Erdwärmetauschersystem und Verfahren zur Herstellung desselben erwähnt, dass eine Ansaugvorrichtung, eine Verteilervorrichtung, eine Gesamtheit von Rohren, die zueinander parallel angeordnet sind, und eine Sammelvorrichtung umfasst. Weiter ist die Erfindung durch eine geneigte Verlegung der Rohre, also die Anordnung von Sammelvorrichtung und Verteilervorrichtung auf unterschiedlichem Höhenniveau, gekennzeichnet, um bei Taupunktunterschreitung das anfallende Kondensat ableiten zu können.
Die Erfindung in DE 298 12 747 U1 betrifft eine Anordnung zur Klimatisierung von Gebäuden unter Ausnutzung der thermischen Energie von natürlicher Bodenluft, indem eine Bodenluftentnahmeeinrichtung, die aus einer Kiesschicht besteht, unmittelbar unterhalb des Kellerbodens bzw. der Bodenplatte des Gebäudes installiert ist. Weiter ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass in einem Streifenfundament unterhalb eines Gebäudes zwischen der Bodenluftentnahmevorrichtung und einem oberen Luftspalt einer mehr als einschaligen Gebäudeaußenwand eine rings um das Gebäude verlaufende, quergelochte Steinlage eingebaut ist. Die so gewonnene Bodenluft kann direkt oder auch durch Mischung mit oberirdischer Umgebungsluft in das Gebäudeinnere eingespeist werden.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gespeicherte solare Energie im oberen Erdreich sowie den geothermischen Wärmefluss in einer Wärmetauschvorrichtung zu nutzen. Die Wärmeaustauschvorrichtung soll dementsprechend in Form verlegter und verbundener Rohrsegmente aus Steinzeug mit integrierten Verwirbelungselementen gehalten sein, die von einem nicht fluiden Wärmeträgermedium durchströmt wird und gleichzeitig als Kondenswassersammelbehälter dienen kann. Dabei sollen die Rohrsegmente grabenlos mittels Rohrvortrieb oder einem Horizontalbohrverfahren in den Untergrund verbracht werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bei der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschvorrichtung werden die gespeicherte solare Energie im oberen Erdreich sowie der geothermische Wärmefluss ausgenutzt. Die Wärmeaustauschvorrichtung wird dementsprechend in Form verlegter und verbundener Rohrsegmente aus Steinzeug mit integrierten Verwirbelungselementen gehalten, die vom Wärmeträgermedium durchströmt wird und gleichzeitig anfallendes Kondenswasser sammeln kann. Dabei sind die Rohrsegmente grabenlos mittels Rohrvortrieb oder einem Horizontalbohrverfahren in den Untergrund zu bringen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 erläutert.
Bei dieser energieeffizienten Technik zur Klimatisierung findet ein Werkstoff Verwendung, der auf Basis regionaler Rohstoffe hergestellt werden kann und energetisch betrachtet sowohl in der Herstellung als auch im Rückbau und der Entsorgung einen geringen Energiebedarf aufweist. Wie die kumulative Bilanz zeigt [1], beinhalten Steinzeugrohre einen niedrigeren Energiebedarf gegenüber Rohren aus PE-HD, PVE, Gusseisen sowie vor Korrosion geschützte oder bewehrte Betonrohre.
Ein vorteilhaftes Charakteristikum von Steinzeug ist die gute Wärmeleitfähigkeit von ca. 1,2 W/m·K, die im Vergleich zu Kunststoffen (im Mittel 0,2 W/m·K) wesentlich höher ist. Dadurch wird eine bessere Übertragung der thermischen Energie des Erdreichs auf das Wärmetauschmedium ermöglicht. Zusätzlich wird dieser Effekt durch die relativ raue Außenwand der Steinzeugrohre und somit der vergrößerten Wärmetauscheroberfläche erhöht.
Der zu erzielende Wärmeaustrag wird maßgeblich von den Strömungsbedingungen im Wärmetauschsystem beeinflusst. Durch die Einbringung von Verwirbelungselementen in die Rohrsegmente wird eine ausreichend turbulente Strömung bei vergleichend geringem Druckverlustanstieg erreicht und so der Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wärmetauschsystems zusätzlich erhöht.
Durch diese deutlich höhere Energieausbeute bei gleicher Rohrlänge kann eine energieeffiziente Klimatisierung oder Beheizung von Gebäuden erzielt oder die Länge der erdverlegten Rohre und damit die Investitionskosten reduziert werden.
Weiterhin vorteilhaft für die Verwendung von Rohrsegmenten aus Steinzeug ist die glasierte und somit glatte Innenfläche. Dadurch wird der Reibungsbeiwert reduziert und es entsteht weiterhin kein ionisches Ungleichgewicht wie es bei Rohren aus Kunststoff auftreten kann. An dieser reibungsarmen Innenwand wird ebenfalls das Anlagern von Keimen reduziert und bei normgerechter [2], [3], [4], [5], [6], [7] Installation das Eindringen von bakteriologischen Verschmutzungen durch die Luftdichtheit der Steinzeugrohre vermindert. Somit wird die Geruchsbildung oder sogar das Freisetzen von schädlichen Dämpfen oder Gasen unterbunden. Weiterhin wird durch die chemische Struktur von Steinzeug ein Eindringen von gesundheitsgefährdendem Radon unterbunden, wodurch ein Einsatz in Gebieten mit radonhaltigen Böden ermöglicht wird.
Wesentlich für die Wahl von Steinzeugrohren als Material für die Wärmeaustauschvorrichtung ist jedoch neben den guten thermischen Übertragungseigenschaften sowie der chemischen Beständigkeit die besonders hohe Robustheit. Diese hohe mechanische Belastbarkeit kann mit einer tieferen Einbaumöglichkeit verbunden werden, die einen höheren Energieaus- bzw. Energieeintrag der Tauscher durch Nutzung konstanterer Temperaturen des Bodens in tieferen Schichten gewährt. Des Weiteren sollen hohe Betriebszeiten durch die lange Lebensdauer der Rohre, z. T. über 100 Jahre, erzielt werden. Auch wenn bei Klimatisierungssystemen solche Standzeiten nicht zu erwarten sind, so kann aufgrund der langen Standzeiten von Steinzeugrohren die Gefahr von Schäden und somit Sanierungsarbeiten deutlich reduziert und der kontinuierliche Betrieb der geothermischen Anlage dennoch gewährleistet werden.
Quellen:

[1] Energieverbrauch und CO2-Emission bei der Herstellung und Entsorgung von Abwasserrohren aus verschiedenen Werkstoffen; R. Jeschar – Clausthal-Zellerfeld, E. Specht, A. Steinbrück – Magdeburg
[2] DIN Deutsches Institut für Normung e. V., DIN EN 1610 Verlegung und Prüfung von Abwasserleitungen und -kanälen, Oktober 2009
[3] DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., DWA-A 139 Einbau und Prüfung von Abwasserleitungen und -kanälen, Januar 2010
[3] DIN Deutsches Institut für Normung e. V., DIN EN 12889 Grabenlose Verlegung und Prüfung von Abwasserleitungen und -kanälen, März 2000
[4] DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., DWA-A 125 Rohrvortrieb und verwandte Verfahren, Mai 2009
[5] DIN Deutsches Institut für Normung e. V., DIN 18319 VOB Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen – Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV) – Rohrvortriebsarbeiten, September 2012
[6] DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., DWA-A 125 Grabenloser Rohrvortrieb, Dezember 2008
[7] DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., ATV-A 161 Statische Berechnung von Vortriebsrohren, Januar 1990

Bezugszeichenliste

1: Rohrsegement
2: Verbindungselement bzw. Formstück
3: Verwirbelungselement
4: Lufteintritt
5: Luftaustritt bzw. Gebäudezuführung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 29519093 U1 [0004]
DE 102009013523 A1 [0005]
DE 29812747 U1 [0006]

Claims

Vorrichtung zum Wärmeaustausch, bestehend aus Einzelelementen die aus Steinzeug hergestellt und miteinander kombinierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente zur Verwirbelung des Wärmetauschmediums integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System zum Entzug von Erdwärmeenergie oder/und zur Einleitung von Wärmeenergie in den Boden genutzt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbau grabenlos und im oberen Erdreich erfolgt und ohne Bettungs- und/oder Verfüllmaterial verlegt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente mit Verbindungselementen und/oder Formstücken in Abhängigkeit der Verlegetechnologie und Belastung kombiniert werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erwärmte bzw. gekühlte Wärmeträgermedium direkt, einer Wärmepumpe oder sonstigen klimatechnischen Vorrichtungen zur Wärmegewinnung, -rückgewinnung bzw. Kühlung zugeführt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sammelvorrichtung für Kondensat integrierbar ist.