DE2605953B2

DE2605953B2 -

Info

Publication number: DE2605953B2
Application number: DE2605953A
Authority: DE
Inventors: Artus 5060 Bergisch Gladbach Feist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-02-14
Filing date: 1976-02-14
Publication date: 1978-09-28
Also published as: DE2605953C3; DE2605953A1; IT1080738B

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Gattung.

Im Zuge der Bemühungen um eine bessere Ausnutzung der Energiequellen und zum Erschließen von bisher nicht oder nur mit geringem Wirkungsgrad nutzbaren Energiequellen ist man erneut auf die von der Sonne abgegebene Strahlungsenergie gestoßen. Diese wird mit Sonnenkollektoren aufgefangen. Mit dieser Energie wird ein flüssiges Medium, im technologisch einfachsten Fall Wasser, aufgeheizt. Die Betriebskosten eines Sonnenkollektors liegen niedrig. Die Schwierigkeiten liegen jedoch darin, daß die Menge der einfallenden Sonnenenergie im täglichen und im jahreszeitlichen Rhythmus stark schwankt und sich nie mit dem jeweiligen Bedarf deckt. Damit benötigt man 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 verwendet wird. Erdreich bietet sich als Speichermedium an, da es praktisch kostenlos zur Verfügung steht und seine Wärmekapazität bei etwa dem l,8fachen der Wärmekapazität von Wasser liegt.

Solche für das Beheizen von Häusern bestimmte Erd-Wärmespeicher werden im Garten oder einfach in der Umgebung des zu beheizenden Hauses angelegt. Aus vielen Gründen, unter anderem wegen schlechter Isolation und wegen eines geringen Wirkungsgrades beim Übergang der Wärme in den Speicher und aus dem Speicher, verlangen die bekannten Erd-Wärmespeicher ein hohes Volumen. Entsprechend muß viel Erdreich zum Absenken und Einbauen der verschiedenen Installationen ausgehoben werden. Dies verlangt seinerseits hohe Kosten. Es kommt hinzu, daß die Fläche des ein Haus umgebenden verfügbaren Erdreiches bzw. das zu einem Haus gehörende Grundstück begrenzt ist. Mit den bekannten Erd-Wärmespeichern ist somit 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. Damit muß auf eine Beheizung eines Hauses mit Sonnenenergie vollständig verzichtet werden, oder diese kann nur als Zusatz zu einer Beheizung mit anderen Energien, wie Kohle, Gas usw., verwendet werden.

Bekannt ist ein Wärmespeicher der eingangs genannten Gattung (DE-OS 24 00 460). Dieser bekannte Wärmespeicher besteht aus Erdreich, durch das zum Beispiel mit Rohren ausgekleidete Kanäle führen. Durch diese Kanäle strömt das wärmeübertragende Medium sowohl zum Einleiten als auch zum Ableiten der Wärmeenergie. Die Wärmeenergie kann somit nur zeitlich nacheinander in den Wärmespeicher eingeleitet und diesem entnommen werden. Die Wärmeeinleitung und die Wärmeentnahme sind somit miteinander verknüpft. Eine Ventile und dergleichen enthaltende Steuerung muß vorgesehen werden, um das wärme-

übertragende Medium zur Wärmeeinleitung von der Wärmequelle in das Erdreich und zur Wärmeabgabe vom Erdreich zum Energieverbraucher, und jeweils zurück, zu führen. Ein weiterer entscheidender Mangel des bekannten Wärmespeichers liegt jedoch darin, daß das zum Wärmespeicher zugehörige Erdreich nicht von dem es umgebenden Erdreich abgetrennt ist. Die Wärmeenergie, die in das zum Wärmespeicher gehörende Erdreich eingeleitet wird, strömt daher ständig in die Umgebung ab. Die an einem Tag oder in einer Woche infolge der Wärmeabströmung auftretenden Verluste mögen wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Erde gering sein. Wenn jedoch im Sommer Wärmeenergie aus Sonnenkoliektoren zum Beheizen von Räumen im Winter gespeichert wird, muß mit Zeiträumen in der Größenordnung von Monaten gerechnet werden. Die während solcher Zeiträume auftretenden Wärmeenergieverluste können beträchtliche absolute Werte erreichen. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Erdreich im Wärmespeicher auf im Vergleich mit seiner Umgebung hohe Temperaturen aufgeheizt wird und die Wärmeabwanderung infolge der hohen Ternperaturdifferenz groß ist.

Hiervon ausgehend stellt sich für die Erfindung die Aufgabe, einen Wärmespeicher zu schaffen, der sich mit geringen Kosten errichten und geringem Steuerungsaufwand betreiben läßt und der die Speicherung von Energie mit hohem Wirkungsgrad bzw. geringen Verlusten über mehrere Monate zuläßt. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich nach der Erfindung mit den im Kennzeichen des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen. Durch die Anordnung von getrennten Wärmeaustauschrohren für die Energieeinleitung von der Wärmequelle und die Energieableitung zum Energieverbraucher werden zwei getrennte Kreise, ein primärer und ein sekundärer Rohrkreis, geschaffen. Ohne jegliche Steuerung kann daher Wärmeenergie über den primären Rohrkreis eingeleitet und völlig unabhängig davon über den sekundären Rohrkreis entnommen und dem Energieverbraucher zugeführt werden. Zu Beginn einer Speicherperiode wird zuerst das die Schleifen des primären Rohrkeises einschließende Erdreich erwärmt. Die in diesen Erdreichbereichen gespeicherte Wärmeenergie kann sofort entnommen werden, da sich die Schleifen des sekundären Rohrkreises erfindungsgemäß in geringem Abstand von den Schleifen des primären Rohrkreises befinden. Der aus wärmeisolierendem Material bestehende Mantel grenzt das zum Wärmespeicher gehörende Erdreich von der Umgebung ab und verhindert ein Abströmen der Wärmeenergie in die Umgebung. Damit wird diese auch über Perioden in der Größenordnung von mehreren Monaten praktisch verlustfrei zurückgehalten.

Über den primären, zum Beispiel von Wasser durchflossenen Rohrkreis wird die zum Beispiel mit einem Sonnenkollektor aufgefangene Strahlungsenergie der Sonne bei einer Temperatur irgendwo im Bereich von 50° bis zum Siedepunkt des Wassers in das; Erdreich eingeleitet. Entlang den durch dieses durchgeführten Schleifen tritt die Wärme in das Erdreich über und heizt dieses auf. Die Aufheizung erfolgt innerhalb des durch den Mantel umschlossenen Bereiches. Dieser Bereich hat ein Volumen in der Größenordnung von wenigen bis zahlreichen Kubikmetern. Das Volumen hängt von der Größe des Energieverbrauchers oder des tn zu beheizenden Hauses im jahreszeitlichen Bedarf, von der Größe der Energieempfänger oder der Sonnenkollektoren und von der örtlichen Zusammensetzung und Formation des Erdreiches ab. Im idealfall wird das Erdreich bis auf die höchste Temperatur des primären Rohrkreises aufgeheizt. Die dabei gespeicherte Energie wird von dem sekundären Rohrkreis bei Bedarf abgenommen. Beide Rohrkreise weisen Hähne oder Ventile auf und werden je nach Sonneneinfall und Wärmeverbrauch geöffnet oder geschlossen. Am Ende einer Heizperiode in den späten Wintermonaten ist die Temperatur in dem vom Mantel umgebenen Erdreich stark abgesunken. Bei einer nur gering über der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur läßt sich Energie über eine Wärmepumpe entnehmen.

Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Erd-Wärmespeichers liegt hoch. Beim Übergang der Wärme vom primären Rohrkreis auf die Erde und von dieser auf den sekundären Rohrkreis treten keine Verluste auf. Die gespeicherte Energie wird durch den aus wärmeisolierendem Material bestehenden Mantel gehalten. Er verhindert ein Abströmen der Wärme nach oben und nach den Seiten. Nach unten ist er offen. Da die Wärme auch im Erdreich nach oben steigt und es in dem vom Mantel umschlossenen Raum daher oben wärmer als unten ist, strömt nach unten keine oder nur wenig Wärme ab.

Zum Einbau des erfindungsgemäßen Erd-Wärmespeichers bzw. der ihn bildenden Teile in das Erdreich muß nur wenig Erde ausgehoben werden. Das auszuhebende Erdvolumen beschränkt sich auf den zur Aufnahme der Schleifen des primären und des sekundären Rohrkreises und des Mantels erforderlichen Raum. Das den eigentlichen Wärmespeicher bildende und das größte Volumen aufweisende Erdreich verbleibt an seinem ursprünglichen Ort und wird weder ausgehoben noch in irgendeiner Weise behandelt. Die Kosten zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Erd-Wärmespeichers sind daher insbesondere im Vergleich zu den Herstellungskosten bekannter Erd-Wärmespeicher äußerst niedrig.

Die Wärmeaustauschrohre bestehen aus Rohren oder einem Schlauch aus Metall oder Kunststoff. Die Schleifen beider Kreise werden zweckmäßig auf einem Träger angeordnet. Ein Träger besteht vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff in Form einer Matte, eines Gewebes oder Geflechts. Es kann sich um einen Maschendraht, eine Baustahlmatte, eine Putzträgerplatte oder dergleichen handeln.

Die Schleifen beider Wärmeaustauschrohre bzw. des primären und des sekundären Rohrkreises können auf getrennten oder gemeinsam auf einem Träger angeordnet sein. Die Schleife des primären Rohrkreises wird von oben nach unten geführt. Ihr oberes Ende entspricht dem Vor- und ihr unteres Ende dem Rücklauf einer Heizung. Die Schleife des sekundären Rohrkreises wird von unten nach oben geführt. Damit wird das von dem Mantel umschlossene Erdreich oben am stärksten erwärmt. Entsprechend ist das Erdreich unten am kältesten. Dies begrenzt den Wärmeabfluß nach unten durch das offene Ende des Mantels. Damit werden auch hierdurch Verluste durch Wärmeabwanderung herabgesetzt. Infolge der Führung der Schleife des sekundären Rohrkreises von unten nach oben erreicht das durch diesen durchgeführte Medium, zum Beispiel Wasser, bei seinem Austritt die höchste Temperatur.

Die Träger mit den Schleifen eines oder beider Rohrkreise sind in einer zweckmäßigen Ausgestaltung unter Bildung einer Platte in eine wärmeleitende feste Masse eingebettet oder einbetonniert. Damit erhalten die Träger und die Schleifen einen mechanischen Halt und werden vor Beschädigung geschützt. Gleichzeitig

werden Lufttaschen zwischen den Schleifen und dem Erdreich verhindert und damit der Wärmeübergang verbessert. Schließlich lassen sich solche Träger und Schleifen enthaltende Platten einfach transportieren und in das Erdreich absenken. Eine solche Platte ist zum Beispiel 10 cm dick.

Vorzugsweise werden mehrere Platten unter gegenseitigem Abstand unter einem gemeinsamen Mantel aus dem wärmeisolierenden Material angeordnet. Als ungefährer Anhalt sei gesagt, daß zum Beispiel vier Platten nebeneinander auf einer Länge von etwa 10 bis 15 m angeordnet werden.

Die Montage des erfindungsgemäßen Wärmespeichers läßt sich in einer zweckmäßigen Ausgestaltung einfach durchführen, wenn die Platte oder die Platten in aus dem Erdreich ausgehobene Schlitze eingesetzt bzw. in diese abgesenkt werden. Diese Schlitze haben eine Breite von etwa 20 bis 30 cm und können mit Spezialbaggern ausgehoben werden.

Die Platte oder die Platten und damit die Oberkanten der Schlitze liegen in einer weiteren Ausgestaltung in einem Abstand in der Größenordnung von 20 bis 100 cm, vorzugsweise 30 bis 40 cm, unter der Erdoberfläche. Die Platten bzw. die Schlitze haben eine Länge bzw. Tiefe in der Größenordnung von wenigen Metern. Vor dem Ausheben der Schlitze und dem Absenken der Platten wird man somit Erdreich und Mutterboden in einer Tiefe von 20 bis 100 cm abheben, dann die Schlitze ausschachten, die Platten absenken, die Decke des aus dem wärmeisolierenden Material bestehenden Mantels ausbilden und die Grube dann mit dem vorher abgehobenen Mutterboden ausfüllen.

Zum Einbau des Mantels werden ebenso wie für den Einbau oder das Absenken der Platten Schlitze ausgehoben. Der Mantel wird als geschlossenes Ganzes abgesenkt, oder die Schlitze werden mit einem wärmeisolierenden Material ausgefüllt. Hierzu eignen sich unter anderem geschäumte Kunststoffe, Mineralfasern, geblähtes Perlit, Bims usw. Die Decke des Mantels wird stärker als seine Seitenwände ausgebildet. Dies w ergibt sich wegen des Dranges der Wärme, nach oben stärker als nach den Seiten abzuströmen.

Nach unten steht der Mantel über die Unterkanten der Platten über. Damit wird das Abströmen nach unten und nach unten seitlich verhindert. Nach unten ist der Mantel offen.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht des Wärmespeichers im Schnitt,

F i g. 2 eine Ansicht von oben entlang der Linie 2-2 in F i g. 1 und

Fig.3 eine Seitenansicht auf eine Platte entlang der Linie 3-3 in F i g. 1.

Die Figuren zeigen das Erdreich punktiert. Unterhalb von dessen Oberfläche 12 liegt der Mantel mit seiner Decke 14 und seinen Seitenwänden 16. Im gezeigter Beispiel umschließt er vier Platten 18. Im gezeigter Beispiel enthält jede Platte 18 einen im einzelnen nichl erkennbaren Träger, auf dessen in Fig.3 hinter liegender Seite das Wärmeaustauschrohr 20 des primären Rohrkreises und auf dessen vorderer Seite das Wärmeaustauschrohr 22 des sekundären Rohrkreises angeordnet sind. Diese verlaufen in Schleifen entlang dem Träger. F i g. 3 zeigt, daß das Eintrittsende oder dei Vorlauf des den primären Rohrkreis bildenden Wärmeaustauschrohres 20 oben und dessen Austrittsende odei Rücklauf unten liegt. Bei dem den sekundären Rohrkreii bildenden Wärmeaustauschrohr 22 liegt das Eintrittsen de oder der Vorlauf unten, und das Austrittsende odei der Vorlauf liegt oben.

Zum Bau des erfindungsgemäßen Erd-Wärmespei chers wird Erdreich bis zur Tiefe der Unterseite dei Decke 14 des Mantels abgehoben. Dann werder Schlitze für die Seitenwände 16 des Mantels und di< Platten 18 ausgehoben. Darauf werden die Platten U abgesenkt. Ebenso werden die Seitenwände 16 de: Mantels abgesenkt oder die Schlitze mit isolierenden Material gefüllt. Anschließend wird etwas Erdreicl aufgefüllt und dann die Decke 14 des Mantel: ausgebildet Als letztes wird Erdreich oder Mutterbodei bis zur ursprünglichen Oberfläche 12 aufgefüllt. Dii beiden Wärmeaustauschrohre 20 und 22 jeder Platti werden angeschlossen. Der erfindungsgemäße Erd Wärmespeicher ist betriebsbereit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmespeicher mit Verwendung von Erdreich als Speichermedium mit Einrichtungen zum Einleiten von Wärmeenergie von einer Wärmequelle in das Erdreich und mit Einrichtungen zum Ableiten der gespeicherten Wärmeenergie zu einem Energieverbraucher, wobei zum Einleiten und zum Ableiten der Wärmeenergie ein durch das Erdreich geführtes Wärmetauschrohr vorgesehen ist, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß sowohl für die Wärmequelle als auch für den Energieverbraucher je ein eigenes Wärmetauschrohr (20 und 22) vorgesehen ist, das in Form von Schleifen durch das Erdreich geführt ist, wobei die Schleifen der beiden Wärmetauschrohre '5 (20, 22) in geringem Abstand voneinander liegen, und daß ein Mantel (14, 16) aus wärmeisolierendem Material die Schleifen mit Abstand von oben und den Seiten umschließt.

2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifen beider Wärmeaustauschrohre (20, 22) auf einem Träger angeordnet sind.

3. Wärmespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Metall oder Kunststoff in Form von Matten, Gewebe oder Geflecht besteht.

4. Wärmespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Maschendraht, eine Baustahlplatte oder eine Putzträgerplatte ist. ^o

5. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifen beider Wärmeaustauschrohre (20, 22) auf getrennten Trägern angeordnet sind.

6. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifen beider Wärmeaustauschrohre (20, 22) auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind.

7. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 2 bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger mit den Schleifen in eine gut wärmeleitende feste Masse unter Bildung einer Platte (18) eingebettet ist.

8. Wärmespeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Platten (18) unter gegenseitigem Abstand unter einem gemeinsamen Mantel (14,16) aus dem wärmeisolierenden Material angeordnet sind.

9. Wärmespeicher nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (18) oder die Platten (18) in aus dem Erdreich ausgehobene Schlitze eingesetzt sind.

10. Wärmespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberkante der Schlitze und damit der Platte (18) oder der Platten (18) in einem Abstand in der Größenordnung von 20 bis 100 cm, vorzugsweise 30 bis 40 cm, unter der Erdoberfläche (12) liegt, und die Schlitze und damit die Platte (18) oder die Platten (18) eine Tiefe bzw. Länge in der Größenordnung von wenigen Metern haben.

11. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei bis fünf Platten (18) unter einem Mantel angeordnet sind.

12. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (16) des Mantels in aus dem Erdreich ausgehobene ^br> Schlitze abgesetzt oder eingefüllt sind, die Decke (14) des Mantels auf dessen Seitenwänden und das die Platte (18) oder die Platten (18) abdeckende Erdreich aufgesetzt oder aufgefüllt und selbst mit weiterem Erdreich abgedeckt ist.

13. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (16) des Mantels nach unten über die Platte (18) oder die Platten (18) überstehen.