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Die Erfindung betrifft einen Erdwärmetauscher mit einem spiralförmig um die Außenseite eines Trägerrohrs (Medienrohr) gewickelten Fluidrohr, das einen Vorlaufanschluss und einen Rücklaufanschluss aufweisen kann und das mit dem Trägerrohr verbunden sein kann.
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Derartige Erdwärmetauscher sind bekannt und sind für übliche Verlegetiefen, also insbesondere für die Verlegung im frostsicheren Bereich, ausgebildet. Beispielsweise werden herkömmliche Erdwärmesonden in vertikale Tiefenbohrungen eingebracht und benötigen dementsprechend tiefe Bohrlöcher, was hohe Kosten durch die Bohrung selbst und durch in der Regel aufwändiges Abdichten und/oder Verpressen der Bohrstelle nach sich zieht. Ein solcher Erdwärmetauscher für den vertikalen Einbau ist aus der
DE 10 2013 006 416 B4 bekannt.
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Aus der
DE 10 2006 008 379 B4 ist es weiter bekannt, an einem als Beton-Fertigteilerohr ausgebildetes Abwasserrohr für den horizontalen Einbau ein Kollektorrohr vorzusehen, dass das Abwasserrohr ganz oder teilweise umschlingt. Das Kollektorrohr kann dann mit einem Wärmetauscher verbunden werden, um dem Abwasser Wärme zu entziehen. Um das Kollektorrohr zu schützen, soll dieses nach außen mit einer Beschichtung versehen sein, die bündig zum Außenumfang der Steckmuffe des Abwasserrohres aufgefüttert ist. Hierdurch wird ein Wärmeübergang zwischen dem Kollektorrohr und dem das Abwasserrohr umgebenden Erdreich weitgehend unterbunden.
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Weiter ist auch aus der
DE 10 2007 061 177 A1 die Nutzung von Abwärme eines als Wickelrohr aus Kunststoff hergestellten Kanalrohres bekannt. Auf der Außenseite des Kanalrohres ist u.a. aus Stabilitätsgründen eine Profilverstärkung erforderlich, die als ein Rohrabschnitt ausgebildet sein kann, um gleichzeitig einen Wärmetauscher zu bilden. Dies ermöglicht es, Wärme aus dem das Kanalrohr umgebenden Erdreich dem Wärmetauscher zuzuführen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Erdwärmetauscher bereitzustellen, der langfristig für den gleichmäßigen Entzug von Wärme aus dem Erdreich besonders gut geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird im Wesentlichen mit einem Erdwärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, den Erdwärmetauscher mit einem Fluidrohr, das mit dem im eingebauten Zustand umgebenden Erdreich in Wärmeaustausch steht, zu versehen, das auf einem besonders langzeitstabilen Träger vorgesehen ist. Dieser Träger sichert die strukturelle Stabilität des Erdwärmetauschers auch bei hohen mechanischen und/oder thermischen Belastungen. Nach der Erfindung ist als Träger ein Trägerrohr vorgesehen, das als ein längsextrudiertes Vollwandrohr aus Polyethylen ausgebildet ist. Längsextrudierte Vollwandrohre aus Polyethylen können ohne die bei Wickelrohren erforderliche Profilverstärkung einfacher und kostengünstiger hergestellt werden. Das Trägerrohr weist dabei nach 50 Jahren eine Zeitstand-Innendruckfestigkeit (MRS) von mindestens 8,0 N/mm2 (PE 80) bzw. 10,0 N/mm2 (PE 100) bei 20°C auf. Vorzugsweise weist das Trägerrohr nach 50 Jahren eine Zeitstand-Innendruckfestigkeit (MRS) von mindestens 10,0 N/mm2 bei 20°C auf. Nach einer Ausführungsform kann das Trägerrohr eine Zeitstand-Innendruckfestigkeit (MRS) nach 50 Jahren zwischen 8,0 N/mm2 und 10,0 N/mm2 bei zumindest 40°C, beispielsweise bei 50°C, insbesondere bei 60°C, aufweisen. Unter einem Trägerrohr wird ein druckfestes, durchströmbares Rohr nach DIN 8074/75 verstanden.
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Der Nachweis der Langzeitfestigkeit kann z. B. nach dem in ISO 9080 oder DIN 16887 festgelegten Verfahren geführt werden. Die so ermittelten Zeitstand-Innendruckkurven dürfen in keinem Punkt die jeweiligen in DIN 8074/8075 vorgegebenen Referenzkennlinien unterschreiten. Zudem existieren Polyethylene, die besonders hohen Anforderungen an die Spannungsrissbeständigkeit genügen, nämlich als PE 100-RC (Polyethylene of Raised Crack Resistance) bezeichnete Polyethylene, die die im DVGW-Merkblatt GW 323 geforderten Mindestanforderung von Standzeiten im FNCT-Test erfüllen (3300 h). Weiter werden als PE 100-RT (Polyethylene of Raised Temperature Resistance) Polyethylene bezeichnet, die einen Einsatz auch bei erhöhten Betriebstemperaturen ermöglichen (PE 100-RT). Als PE 100-RT-RC werden PE 100 Formmassen bezeichnet, die sowohl besonders temperaturbeständig sind, als auch eine besonders gute Spannungsrissbeständigkeit aufweisen.
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Für den erfindungsgemäßen Einsatz als Trägerrohr wird die Verwendung von PE 100, PE 100-RT, PE 100-RC und/oder PE 100-RT-RC bevorzugt.
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Alternativ zu der Verwendung von Polyethylen kann das Trägerrohr des Erdwärmetauschers aus anderen geeigneten Polyolefinen, wie Polypropylen bestehen, die mittels handelsüblicher und DVS-konformer Schweißverfahren, wie dem Heizelementmuffenschweißen und dem Heizelementstumpfschweißen, homogen, zug- und druckfest sowie dicht verbunden werden können.
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Das Trägerrohr hat vorzugsweise eine SDR-Zahl zwischen 7,4 und 33, vorzugsweise 17. Die SDR-Zahl (Standard Dimension Ratio) ist eine dimensionslose Kenngröße für Rohre, die das Verhältnis von Außendurchmesser zu Wanddicke angibt. Das Trägerrohr kann beispielsweise einen Außendurchmesser von 180 mm bis 450 mm aufweisen.
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Nach der Erfindung weist der kombinierte Erdwärmetauscher zusätzlich zu einem horizontal in den Boden einsetzbaren Trägerrohr ein Fluidrohr mit einem Vorlaufanschluss und einem Rücklaufanschluss auf, durch das ein Fluid, beispielsweise Wasser oder Sole, z.B. ein Glykol-Wasser-Gemisch, geleitet werden kann, welches mit dem umgebenden Erdreich und dem Inhalt des Trägerrohrs in einen Wärmeaustausch eintreten kann. Das in dem Fluidrohr zirkulierende Wärmetauschermedium kann über ein ebenfalls dichtgeschweißtes Verbindungsrohr bzw. Leitungssystem einer Wärmepumpe zugeführt werden, um der Energiegewinnung zum Beispiel zum Beheizen oder dem Energieabtransport zum Beispiel zum Kühlen zu dienen. Um beispielsweise den Inhalt des Trägerrohres zu kühlen, kann das Wärmetauschermedium im Fluidrohr Energie aus dem Inhalt des Trägerrohres aufnehmen und entsprechenden Verbrauchern zuführen. Die Energie kann dabei sowohl durch Wärmeaustausch mit dem Trägerrohr als auch durch Wärmeaustausch mit dem das Trägerrohr umgebenden Erdreich erfolgen. Der Inhalt des Trägerrohres kann nicht nur abgekühlt, sondern in bei Bedarf auch erwärmt werden.
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Das auf dem Trägerrohr fixierte Fluidrohr kann entlang der Außenwandung des Trägerrohres verlaufen. Das Fluidrohr ist also beispielsweise um das Trägerrohr gewickelt. Dabei kann das Fluidrohr direkt mit dem Trägerrohr in Kontakt stehen, beispielsweise indem das Fluidrohr in rillenartige Vertiefungen auf der Außenmantelfläche des Trägerrohrs eingelegt und fixiert ist. Das Trägerrohr und das Fluidrohr bestehen in diesem Fall vorzugsweise aus demselben Werkstoff und sind miteinander schweißbar. Alternativ ist es aber auch möglich, das Fluidrohr in einem Abstand von der Außenmantelfläche des Trägerrohrs anzuordnen. Dies kann erfolgen, indem das Fluidrohr mittels Stegen oder Rippen, die auf der Außenmantelfläche des Trägerrohrs vorgesehen sind, in einem definierten Abstand zum Trägerrohr gehalten werden. Vorzugsweise umschlingt das Fluidrohr mit einer Vielzahl von Windungen das Trägerrohr im Wesentlichen von einem Rohrende zum anderen.
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Gemäß der Erfindung verlaufen Vor- und Rücklauf des Fluidrohres außerhalb des Trägerrohres. Es ist insbesondere vorgesehen, dass Vor- und Rücklaufanschlüsse auf der Außenseite des Trägerrohres oder von diesem beabstandet angeordnet werden.
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Das Fluidrohr kann aus Polyethylen oder Polypropylen bestehen., Aufgrund der mechanischen und thermischen Anforderungen kann auch das Fluidrohr vorzugsweise in PE 100, PE 100-RT, PE 100-RC und/oder PE 100-RT-RC ausgeführt sein, welches für eine hohe Temperaturbeständigkeit und/oder eine besonders gute Druckfestigkeit, Spannungsrissbeständigkeit und Zähigkeit modifiziert ist. Das Fluidrohr kann eine SDR-Zahl zwischen 7,4 und 17, vorzugsweise 11, aufweisen. Der Außendurchmesser des Fluidrohrs kann zwischen 20 mm und 100 mm, vorzugsweise bei 32 mm, liegen. Unter einem Fluidrohr wird dabei ein um das Trägerrohr fixiertes druckfestes, durchströmbares Rohr nach DIN 8074/75 verstanden.
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Nach einem Aspekt der Erfindung ist das Trägerrohr innen frei von Querschnittsverjüngungen und Einbauten. Dies ermöglicht es, Fluide möglichst ungehindert durch das Trägerrohr zu leiten. Zudem erleichtert dies das Einführen von Kabeln in das Trägerrohr. Der erfindungsgemäße Erdwärmetauscher eignet sich somit auch für die Verwendung als thermisch aktiviertes Hüllrohr für die Verlegung von Hochspannungsleitungstrassen.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Fluidrohr innen Querschnittsverjüngungen und/oder Einbauten aufweisen, die in dem durch das Fluidrohr strömenden Medium Verwirbelungen und damit einen besseren Wärmeaustausch erzeugen.
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Weiter ist es auch möglich, das Trägerrohr lediglich mit einem Inhalt, vorzugsweise einer Flüssigkeit, zu befüllen, welche als thermischer Puffer dient und so den thermischen Wirkungsgrad verbessert. Insbesondere kann dieses Volumen auch zur Speicherung von Medien verwendet werden (Stauraum).
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Weiter kann die Wandung des Trägerrohres gelocht ausgebildet sein, zum Beispiel als Rigole im Rahmen eines sogenannten „Schwammstadt-Konzeptes“. Durch eine gelochte Trägerwand kann dabei Feuchtigkeit (Regenwasser), in das umliegende Erdreich sickern und somit anfeuchten wodurch der außenliegende Wärmetauscher, in Form der Fluidrohre, mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten kann.
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Der Erdwärmetauscher nach der Erfindung hat beispielsweise eine Länge zwischen 1 m und 12 m, vorzugsweise 6 m. Hierbei kann sich das Fluidrohr über die gesamte Länge oder nur über einen Teilabschnitt der Gesamtlänge des Trägerrohrs erstrecken. Das Trägerrohr kann dabei durch mehrere druckdicht miteinander verschweißte Trägerrohr-Abschnitte gebildet sein. Mehrere Erdwärmetauscher gemäß der Erfindung können zu einem dichten Rohrleitungssystem verbunden werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Erdwärmtauschers. Hierbei wird das Fluidrohr erwärmt und auf das Trägerrohr, insbesondere in deren Ausnehmungen, aufgewickelt und auf das Trägerrohr geschweißt. Wenn das Trägerrohr und das Fluidrohr aus dem gleichen Werkstoff bestehen, kann das Fluidrohr erwärmt und ohne Ausnehmungen auf das Trägerrohr aufgewickelt werden. Bei geeigneter Prozessführung ist das Trägerrohr mit dem Fluidrohr homogen miteinander schweißbar. Alternativ ist auch möglich, ein Fluidrohr aus dem gleichen oder einem anderen Material aufzuwickeln und mittels Verbindungselementen fest mit dem Trägerrohr zu verbinden. Bevorzugt wird eine homogen geschweißte Ausführung.
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Nach der Erfindung ist das Verhältnis der Wanddicke des Trägerrohrs zur Wanddicke des Fluidrohrs in Abhängigkeit der Materialien vorzugsweise so gewählt, dass bei Verwendung des Erdwärmetauschers in einem Wärmekollektorsystem bei üblichen Umgebungstemperaturen des Medienrohres im Erdreich und in Abhängigkeit des im Trägerrohr befindlichen Mediums und dessen Temperatur die Option besteht, entweder einen höheren Anteil des Wärmeentzugs aus dem umliegenden Erdreich oder aus dem im Trägerrohr befindlichen Medium zu gewinnen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen schematisch:
- 1 in Längsschnitt einen Teil eines Erdwärmetauschers nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 in Seitenansicht mehrere Erdwärmetauscher nach 1 ;
- 3 in vergrößerter Schnittansicht ein Detail des Erdwärmetauschers nach 1 ;
- 4a einen Querschnitt durch den Erdwärmetauscher nach 1 mit einem Kabel im Trägerrohr; und
- 4b einen Querschnitt durch den Erdwärmetauscher nach 1 mit einem Fluid im Trägerrohr.
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1 zeigt eine schematische geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Erdwärmetauschers 1. Der Erdwärmetauscher 1 umfasst ein Trägerrohr 2, welcher als kreiszylindrisches Kunststoffrohr ausgebildet ist. In den 1 und 2 ist der Erdwärmetauscher 1 in seiner horizontalen Einbauposition dargestellt, wobei ein den Erdwärmetauscher umgebendes Erdreich aus Übersichtsgründen nicht gezeigt ist. In dem dargestellten Beispiel verläuft vom Rohranfang bis zum Rohrende ein Fluidrohr 3 schraubenförmig um das Trägerrohr 2. Das Fluidrohr 3 und das Trägerrohr 2 bestehen beide aus Kunststoff, beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen, und sind miteinander verbunden.
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Das Fluidrohr 3 weist mindestens einen Vorlaufanschluss 4 und mindestens einen Rücklaufanschluss 5 auf, über die das Fluidrohr 3 an eine nicht dargestellte Wärmepumpe anschließbar ist. Durch den Anschluss von Vorlauf 4 und Rücklauf 5 an eine Wärmepumpe kann ein thermischer Heizkreis gebildet werden, der mindestens druckklassengerecht ausgeführt werden kann. Über den Vorlaufanschluss 4, welcher an der Oberseite des Trägerrohres 2 angeordnet ist, kann ein Fluid die Windungen des Fluidrohres 3 durchlaufen und dabei thermische Energie aufnehmen oder abgeben.
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Der Erdwärmetauscher 1 weist am Rohrende und Rohranfang der Trägerrohre 2 jeweils eine Verbindungsmöglichkeit 6, beispielsweise eine Muffe, auf, sodass mehrere Erdwärmetauscher druckdicht miteinander verbunden werden können. Das Ausführungsbeispiel der 2 stellt den Verbund mehrerer Erdwärmetauscher 1 hintereinander dar. Alternativ zu dieser Darstellung kann jeder einzelne Erdwärmetauscher 1 aus mehreren miteinander verbundenen Trägerrohr-Abschnitten bestehen und/oder mehrere Erdwärmetauscher können ein gemeinsames, d.h. durchgehendes, Fluidrohr aufweisen.
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Das Innere des Trägerrohres 2 kann bei diesem Ausführungsbeispiel mit einem Inhalt gefüllt werden und so als thermisches Puffervolumen dienen. So kann das Innere des Trägerrohres 2 zur Speicherung von Regenwasser verwendet werden.
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Die Verlegung des Erdwärmetauschers 1 erfolgt wie bei einem konventionellen Kunststoffrohr vorzugsweise gemäß DIN EN 1610 und DWA-A139.
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Bezugnehmend auf 3 wird ein Beispiel einer Fixierung des Fluidrohrs 3 auf dem Trägerrohr 2 für eine Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Bei dieser Ausführungsform ist das Trägerrohr 2 mit axial verlaufenden und voneinander beabstandete Rippen 7 versehen, die an der Außenseite des Trägerrohrs 2 angebracht sind. Diese Rippen 7 sind mit nach radial außen gerichteten Ausnehmungen versehen, in die das Fluidrohr 3 eingelegt ist. Die Rippen 7 können beispielsweise angeschweißt oder in anderer geeigneter Weise an dem Trägerrohr 2 befestigt werden. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen der Rippen 7 weniger als 5 cm, besonders bevorzugt weniger als 2 cm von der Wand des Trägerrohrs 2 beabstandet. Die Windungen des Fluidrohrs 3 werden durch die Ausnehmungen in axialer Richtung des Erdwärmetauschers 1 formschlüssig fixiert. Vorzugsweise sind die Windungen derart ausgeführt, dass sich das Fluidrohr 3 in die Ausnehmungen presst.
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Eine nicht dargestellte alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Ausnehmungen statt in Rippen 7 direkt in der Außenfläche des Trägerrohrs 2 eingebracht sind. Die Ausnehmungen können schraubenförmig um das Trägerrohr 2 verlaufen.
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Der dargestellte Erdwärmetauscher 1 kann sowohl genutzt werden, um dem Inhalt des Trägerrohrs 2 durch die Wärmetauschfunktion des außenliegenden Fluidrohrs 3 Wärme zu entziehen oder an den Inhalt des Trägerrohrs 2 Wärme abzugeben. Bei dem Inhalt kann es sich dabei um einen Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln, die in der Lage sind Wärme abzugeben oder Wärme aufzunehmen. Beispielsweise kann das Trägerrohr 2 als Hüllrohr für Starkstromkabel 8 einer Hochspannungstrasse ausgebildet sein, wie dies in 4a gezeigt ist, oder als Kanalrohr für Abwasser 9 ausgebildet sein, wie dies in 4b gezeigt ist. Das Starkstromkabel 8 kann wie dargestellt von einem zusätzlichen Rohr ummantelt sein.
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In dem Fluidrohr 3 sowie den Vor- und Rücklaufleitungen 4, 5 kann zum Wärmetransport ein Wärmeträgermedium zirkulieren, beispielsweise Wasser oder ein Glykol-Wasser-Gemisch. Hierzu kann eine Pumpe (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
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In den in den Figuren dargestellten Beispielen ist das Trägerrohr 2 jeweils ein längsextrudiertes Vollwandrohr aus Polyethylen, das nach 50 Jahren eine Zeitstand-Innendruckfestigkeit (MRS) von mindestens 8,0 N/mm2, beispielsweise 10,0 N/mm2, bei 20°C, vorzugsweise bei bis zu 60°C, aufweist. Auch das Fluidrohr besteht aus Polyethylen ist, das nach 50 Jahren eine Zeitstand-Innendruckfestigkeit (MRS) von mindestens 8,0 N/mm2, beispielsweise 10,0 N/mm2, bei 20°C, vorzugsweise bei bis zu 60°C, aufweist. Beispielsweise bestehen beide Rohre aus PE 100, PE 100-RT, PE 100-RC oder PE 100-RT-RC. Abweichend hiervon können die beiden Rohre 2, 3 auch aus einem unterschiedlichen Polyethylen bestehen, wobei die Rohre 2, 3 möglichst gut miteinander verschweißbar sein sollen.
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Mit dem dargestellten Aufbau ist es möglich, dass ein Teil des Wärmeentzugs aus dem Erdreich erfolgt und ein weiterer Teil des Wärmeentzugs aus den in dem Trägerrohr 2 transportierten Medien, wie Abwasser 9 und Luft, bzw. von einem dort verlaufenden Starkstromkabel 8 erfolgt. Je nach Medium und dessen Temperatur besteht dabei die Möglichkeit einen höheren Anteil aus dem Erdreich oder aus dem Trägerrohr (Medium) zu gewinnen.
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Damit ist mit dem erfindungsgemäßen Erdwärmetauscher 1 neben hervorragender mechanischer und thermischer Langzeitstabilität ein besonders gleichmäßiger Wärmeaustausch möglich, bei dem Medium (Abwasser, Luft, Wasser oder einem Starkstromkabel einer Hochspannungstrasse) kontinuierlich Wärme entzogen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erdwärmetauscher
- 2
- Trägerrohr
- 3
- Fluidrohr
- 4
- Vorlaufanschluss
- 5
- Rücklaufanschluss
- 6
- Verbindung
- 7
- Rippe
- 8
- Kabel
- 9
- Wasser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013006416 B4 [0002]
- DE 102006008379 B4 [0003]
- DE 102007061177 A1 [0004]
