DE2731178A1

DE2731178A1 - Erdwaermespeicher

Info

Publication number: DE2731178A1
Application number: DE19772731178
Authority: DE
Inventors: Guenter Prof Dr Ing Schoell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-09
Filing date: 1977-07-09
Publication date: 1979-01-25

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. GERD COMMENTZ

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KLII'PENECKSTRASSE 4 · TELEFON (0711) 465644

8. Juli 1977 C/F

Sch 172 P

Professor Dr.-Ing. Günter Scholl
Hauffstr. 14, 7441 Wolfschlugen

Erdwärmespeicher

Die Ausnützung der Wärmekapazität des Erdbodens zur Speicherung von Wärme ist schon mehrfach vorgeschlagen worden. Es besteht hier die Möglichkeit, die im Sommer aus Kraftwerken anfallende Wärme ebenso wie in der Zukunft auch die aus der Sonnenenergie gewinnbare Wärme, für die Deckung des Heizwärme- und Brauchwarmwasser-Bedarfs von Wohn- und Arbeitsräumen zu speichern und damit nutzbar zu machen.

Zum Aufbau solcher Speicher wurde schon vorgeschlagen, warmes Wasser durch Bohrlöcher in tief unter der Erdoberfläche liegende poröse Gesteins- oder Kiesschichten einzuleiten, wobei das Wasser an diese Schichten seine Wärme abgeben kann. Durch an anderen, entfernten Stellen angeordnete Brunnenschächte sollte dann das durch seine Wärmeabgabe abgekühlte Wasser wieder hochgepumpt werden, so daß es an der Erdoberfläche wieder erwärmt im Kreislauf erneut verwendet werden kann.

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COMMERZBANK STUTTGART (BLZ 60040071) 7751027 · POSTSCHECKAMT STUTTGART 25780-700 · TFLEFONISCHE AUSKÜNFTE SIND UNVERBINDLICH

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Bei der Wiedergewinnung der Wärme sollte kaltes Wasser in umgekehrter Richtung strömend, sich in der Gesteinsschicht erwärmen, um unmittelbar oder mittelbar zur Beheizung von Häusern angewendet zu werden.

Über diese Art der Wärmespeicherung sind bereits eine Reihe von Studien durchgeführt worden. Diese haben aber gezeigt, daß das Verfahren, wenn überhaupt, nur dann wirtschaftlich und nur dort anwendbar ist, wo für den Prozess besonders günstige Untergrund-Voraussetzungen gegeben sind. Aber auch hier stehen der Verwirklichung große Schwierigkeiten, hervorgerufen durch ungewisse Wärmeverluste, unkontrollierbare Strömungsverlaufe des Wassers und unbekannte Grundwasser-Bewegungen entgegen.

Nach anderen Vorschlägen soll die Zu- und Abführung der Wärme in das Erdreich mittels in diesem eingebetteter Rohre erfolgen, die vom Wärmeträger, meist Wasser, durchströmt werden. Durch die Anwendung von Kunststoff-Rohren oder Schläuchen, die gegenüber Metallrohren den Vorzug hoher Korrosionsfestigkeit besitzen, sowie durch die Umschliessung der als Wärmespeicher dienenden Erdmasse mit wärmedämmenden Schaumstoffwänden, ist diese Art der Wärmespeicherung ohne besondere Risiken, sowohl für große Speicher zur Versorgung ganzer Städte, wie auch für kleine Anlagen, für ein oder mehrere Häuser realisierbar und in einzelnen Fällen versuchsweise auch schon verwirklicht worden.

Einer breiteren Anwendung der vorbeschriebenen, mit Rohren durchzogenen Erdwärmespeicher stehen lediglich deren hohe Baukosten entgegen. Dies beruht darauf, daß bei gleichem

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Arbeitstemperaturgefälle in 1 m Erde nur etwa ein Drittel der Wärmemenge wie im gleichen Volumen Wasser gespeichert werden kann. Hinzu kommt noch, daß durch die geringe Wärmeleitfähigkeit des Erdreiches, zur Zu- und Abführung dieser Wärme, über in das Erdreich eingebettete Rohre, diese Rohre eine relativ große Wärmeübertragungsfläche besitzen müssen, also in das Erdreich eine größe Zahl von Kunststoffrohren eingebettet werden muß.

Gegenstand der Erfindung ist ein Erdwärmespeicher mit besonders großer Wärmespeicherfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit.

Erreicht wLrd dies erfindungsgemäß dadurch:

daß das zur Wärmespeicherung benutzte Erdreich von dem umgebenden unverändert vorhandenen Erdreich durch eine wasser-, gas- und dampf dichte Schale, Hülle oder Viand getrennt ist und diese Schale, Hülle oder Wand das Erdreich auch nach oben zum Luftraum hin dicht umschließt;

daß das mit einer wasser-, gas- und dampfdichten Schale, Hülle oder Wandung umschlossene, der Wärmespeicherung dienende Erdreich mittels einem drainageähnlichen Rohrsystem vollständig, mit einer später im Erdreich ruhenden Wassermenge gesättigt ist; daß die die wassergesättigte Erdmasse umschliessende dichte Schale, Hülle oder Wandung zum Luftraum hin, und außerdem soweit erforderlich, nach den Seiten und der Grundfläche hin, mit einer Wärmedämmung versehen ist;

daß die wassergesättigte Erdmasse zur Zu- und Abführung der Wärme, in an sich bekannter Weise, von zahlreichen Rohren, die

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vorzugsweise alle in einer Richtung verlaufen und an ihren beiden Enden in größere Sammelrohre einmünden, versehen ist;

daß die wassergesättigte, von zahlreichen Rohren durchzogene Erdmasse in Richtung der im Erdreich eingebetteten Rohre in Teilabschnitte - genannt Sektionen - unterteilt ist und die in jeder Sektion befindlichen Rohre jeweils am Anfang und Ende der Rohre in zwei größere Sammelrohre einmünden;

daß die Sektionen des wassergesättigten ErdwärmeSpeichers mit Wärme unterschiedlicher Temperatur gefüllt und entladen werden;

daß beim Be- und Entladen des wassergesättigten Erdwärmespeichers die einzelnen Sektionen jeweils für sich alleine oder in Parallel- oder in Hintereinanderschaltung betrieben werden;

daß der Bau des wassergesättigten Erdwärmespeichers in trockenen normalen Erdreich, nach Ausheben einer abgeböschten Baugrube im Erdumschichtungsverfahren erfolgt, wobei die Rohre lagenweise in Richtung des natürlichen Böschungswinkels eingebettet und die dichte Schale schrittweise in Bahnen verlegt wird;

daß nach Fertigstellung des Speichers im trockenen Zustand, das von der wasser-, gas- und dampfdichten Schale eingeschlossene Erdreich über ein drainageähnliches Rohrsystem mit Wasser vollständig gesättigt wird und schließlich

daß die Wärmedämmung des Speichers auf dessen Oberfläche, also zum Luftraum hin, durch unmittelbar auf diese aufgelegte Sonnenkollektoren erhöht und damit verbessert ist.

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Durch die Wassersättigung des Erdreiches erhöht sich dessen Wärmespeicherfähigkeit, gegenüber normalem trockenen Erdreich um 60% bis 100%, während gleichzeitig seine Wärmeleitfähigkeit um 200% bis 300 % zunimmt.

Die Erfindung werde anhand der Abbildungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt nach der Linie A-B der Fig. 3 durch einen Großwärmespeicher gemäß der Erfindung.

In Fig. 2 ist ein Schnitt nach der Linie C-D der Fig. 3 dargestellt.

Die Fig. 3 zeigt den Speicher im Grundriss.

Nach Fig. 1 und 2 ist die als Speichermasse dienende, wassergesättigte Erde 1 von der wasser-, dampf- und gasdichten Umhüllung 2 gegenüber dem umgebenden Erdreich 3 getrennt.

Die Umhüllung ist zum Luftraum hin, gegebenenfalls auch seitlich und nach unten mit der Wärmedämmung 4 versehen. Von den Sammelrohren 5 und 6 ausgehend, ist das wassergesättigte Erdreich von zahlreichen, der Wärmezu- und -abführung dienenden Rohre 7 durchzogen. Mittels dem drainageartigen Rohrsystem wird die in der Umhüllung 2 befindliche Erde mit Wasser gesättigt und die Wassersättigung aufrecht erhalten.

Aus Fig. 3 ist die Aufteilung des Speichers in einzelne Sektionen, hier beispielsweise in drei Sektionen, dargestellt, Jede Sektion besteht aus zwei Sammelrohren, die mittlere aus den Sammelrohren 5 und 6 und den sie verbindenden zahlreichen, den Erdwärmespeicher durchziehenden Rohren 7.

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Aus der Fig. 3 sind noch die beiden äußeren Sektionen die in der Zeichnung obere, bestehend aus den Sammelrohren 9 und 10, sowie die in der Zeichnung untere Sektion mit den Sammelrohren 11 und 12 ersichtlich. Durch die Aufteilung des Speichers in z.B. drei Sektionen kann dieser auch mit drei verschiedenen Temperaturen, z.B. 55 , 70 und 85 C betrieben, das heißt, be- und entladen werden. Die Beladung kann dann mittels der Pumpen 13 und 14 und der Rohrleitungen 15 und 16 die über in der Zeichnung nicht dargestellte Absperrventile mit allen Sammelrohren verbunden sind, erfolgen. Ebenso ist die Entladung des Speichers mittels der Pumpen 17 und 18 sowie der Rohrleitungen 19 und 20, die gleichfalls über in der Zeichnung nicht dargestellte Absperrventile mit allen Sammelrohren verbunden sind, unabhängig von der Ladung ständig oder zeitlich unterbrochen möglich.

Durch die die Sammelrohre verbindenden Rohrleitungen 21 sowie den Rohrleitungen 22, die natürlich sämtlich über in der Zeichnung nicht dargestellte Absperrventile im Gesamtrohrsystem ihre Funktion erfüllen, lassen sich auch einzelne Sektionen in Hintereinanderschaltung betreiben.

Aus dem Schnitt nach Fig. 2 ist auch der Aufbau des Speichers zu entnehmen. Nachdem zu Beginn der Bauarbeiten eine Baugrube mit etwa natürlichen Böschungswinkeln ausgehoben worden und mit einer wasser-, gas- und dampfdichten Auskleidung 2 sowie gegebenenfalls mit einer Wärmedämmung 4 versehen ist, erfolgt der weitere Baufortschritt im Erdumschichtungsverfahren. Diese Arbeiten geschehen in der Weise, daß auf der in Richtung

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des Baufortschreitens legenden Böschungsseite, zum Beispiel durch einen Eimerketten-Bagger 23, schichtweise die Erde abgetragen wird. Diese Erde wird mittels einem Transportband, welches in einem fahrbaren Gitterträger 24 läuft, auf der gegenüberliegenden Böschungsseite wieder aufgeschüttet, wobei gleichzeitig schichtweise die Rohre 7 eingebettet werden. In der offenen, wandernden Baugrube ist es nunmehr leicht möglich, die wasser-, gas- und dampfdichte Umhüllung 2, die beispielsweise aus einer dickeren Kunststoff-Folie aber auch aus Beton bestehen kann, sowie gegebenenfalls auch eine Wärmedänunschicht 4 fortlaufend zu verlegen.

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Claims

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Professor Dr.-Ing. Günter Scholl
Hauffstr. 14, 7441 Wolfschlugen

Erdwärmespeicher

Ansprüche:

1,) Erdwärmespeicher, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Wärmespeicherung benutzte Erdreich (1) von dem umgebenden unverändert vorhandenen Erdreich (3) durch eine wasser-, gas- und dampfdichte Schale, Hülle (2) oder Wand getrennt ist und diese Schale, Hülle (2) oder Wand das Erdreich (1) auch nach oben zum Luftraum hin dicht umschließt.

2. Erdwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einer wasser-, gas- und dampfdichten Schale, Hülle (2) oder Wandung umschlossene, der Wärmespeicherung dienende Erdreich (1) mittels einem drainageähnlichen Rohrsystem (8) vollständig mit einer später im Erdreich (1) ruhenden Wassermenge gesättigt ist.

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< OM. .1 itZUANK STUTTGART (BLZ 60040071)7751027 · POSTSCHECKAMT STUTTGART 25780-700 ■ TELEFONISCHE AUSKÜNFTE SIND UNVERBINDLICH

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3. Erdwärmespeicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die v;assergesattigte Erdmasse (1) umschließende dichte Schale, Hülle (2) oder Wandung zum Luftraum hin und außerdem, soweit erforderlich, nach den Sei teil und der Grundfläche hin mit einer Wärmedämmung (4) versehen ist.

4. Erdwärmespeicher nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wassergesättigte Erdmasse (1) zur Zu- und Abführung der Wä me, in an sich bekannter Weise von zahlreichen Rohren (7), die vorzugsweise alle in einer Richtung verlaufen und an ihren beiden Enden in größere Sammelrohre und 6, 9 und 10, 11 und 12 einmünden, versehen ist.

5. Erdwärmespeicher nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wassergesättigte, von zahlreichen Rohren durchzogene Erdmasse (1) in Richtung der im Erdreich eingebetteten Rohre (7) in Teilabschnitte - genannt Sektionen - unterteilt ist und die in jeder Sektion befindlichen Rohre jeweils am Anfang und Ende der Rohre in zwei größere Sammelrohre (5 und 6, 9 und 10, 11 und 12) einmünden.

6. Erdwärmespeicher nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektionen des wassergesättigten Erdwärmespeichers mit Wärme unterschiedlicher Temperatur gefüllc und entladen werden.

7. Erdwärmespeicher nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Be- und Entladen des wassergesättigten

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Erdwärmespeichers die einzelnen Sektionen jeweils für sich alleine oder in Parallel- oder in Hintereinanderschaltung betrieben werden.

8. Erdwärmespeieher nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bau des wassergesättigten Erdwärmespeichers im trockenen normalen Erdreich, nach Ausheben einer abgeböschten Baugrube im Erdumschichtungsverfahren erfolgt, wobei die Rohre (7) lagenweise in Richtung des natürlichen Böschungswinkels eingebettet und die dichte Schale oder Hülle (2) schrittweise in Bahnen verlegt wird.

9. Erdwärmespeicher nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach Fertigstellung des Speichers im trockenen Zustand das von der wasser-, gas- und dampfdichten Schale oder Hülle (2) umschlossene Erdreich (1) über ein drainageähnliches Rohrsystem (8) mit Wasser vollständig gesättigt wird.

. Erdwärmespeicher nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmung (4) des Speichers auf dessen Oberfläche, also zum Luftraum hin, durch unmittelbar auf diese aufgelegte Sonnenkollektoren erhöht und damit verbessert ist.

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