DE2812827C2 - Wärmespeicher für die Speicherung von Wärme im Erdreich - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmespeicher für die Speicherung von Wärme im Erdreich, für Heizzwecke, mit Mittel zum Durchleiten als Wärmeträger dienender Fluide durch im Erdreich angeordneter Wärmespeichermedien, mit einer Wärmeisolation gegen vorzeitiges Entweichen von Wärme, mit festen Wärmespeichermedien verschiedener Wärmeleitung.

Es sind Wärmespeicher bekannt, die aus einem Wassertank von ca. 6 m³ Inhalt bestehen, der von einigen Tonnen halbgroßer Steine umgeben ist. Derartige bekannte Wärmespeicher können bei Heizung mittels Sonnenenergie für ca. vier sonnenlose Tage Heizenergie für ein Einfamilienhaus von ca. 140 m² Wohnfläche speichern.

Wünschenswert wäre jedoch ein Wärmespeicher, der im Stande wäre, Wärme für einen weit größeren Zeitraum zu speichern; dem stehen jedoch die für die Erstellung eines weit größeren Wärmespeichers erwachsenden weit höheren Kosten entgegen, sowie auch technische Schwierigkeiten, wie beispielsweise die Gefahr von auftretenden Schwund- und Dehnungsrissen, bei durch Temperaturschwankungen auftretenden Verformungen, wobei auch bei einem größeren Tank eine um so größere Leckgefahr zu erwarten ist.

Es ist auch ein als Erdspeicher gestalteter Wärmespeicher bekannt (sh. DE-GbM 76 04 366), bei dem zwei von Wasser als Wärmeträger durchflossene Rohrkreise verwendet werden, aus deren primären Rohrkreis die Wärme in das umgebende Erdreich übertritt, bzw. die Wärme von der Erde auf den sekundären Rohrkreis übertragen wird, wobei diese beiden Rohrkreise auf einem Träger angeordnet sind, welcher unter Bildung einer Platte in einer wärmeleitenden Masse eingebettet oder einbetoniert ist, und wobei dann diese Platte in einen auszuhebenden Schlitz ins Erdreich versenkt ist. Die hierbei ausschließlich aus Beton bestehende Platte vermag jedoch die Leitfähigkeit keineswegs im Vergleich mit Erdreich zu verbessern, da Beton die Wärme nicht besserr als normaler Baugrund aus Kies und Sand leitet, weil Beton ein Gemisch aus Kies, Sand und Zement ist und derart einen künstlichen Stein bildet. Es ist hierbei auch nachteilig, daß eine derartige große Betonplatte ein großes Gewicht von ca. 2 Tonnen aufweist, wodurch die Herstellung, der Transport und die mit Kran erfolgende Verlegung kostenaufwendig sind, wobei auch geringe Senkungen die Rohre beschädigen können. Derartige bekannte Gestaltungen haben sich daher als Wärmespeicher nicht durchgesetzt.

Es ist auch ein Wärmespeicher in Form eines im Erdreich angeordneten Tankes bekannt (sh. US-PS 40 10 731). Bei dieser bekannten Vorrichtung wird als Wärmeträger ein Fluidum in Form von Wasser verwendet, welches zwischen innerhalb dieses Tankes angeordneten, als Wärmespeichermedium dienenden Kies oder Schotter oder auch zu Klumpen zusammengebackenem feinem Material vorübergeleitet wird. Es ist bei dieser bekannten Vorrichtung auch nachteilig, daß der Tank sehr stark dimensioniert werden muß, da Füllmaterial im Gewicht von vielen Tonnen eingebracht wird, wobei auch das Einfüllen umständlich sein dürfte, und sehr sorgfältig von Hand vorgenommen werden muß. Die aus dieser bekannten Vorrichtung ersichtliche im Vergleich mit der anmeldungsgemäßen Anordnung andersartige Gestaltung ist somit kostenaufwendig und unpraktisch.

Es ist auch ein Wärmetauscher für eine Wärmepumpe bekannt (US-PS 4 042 012). Diese bekannte Vorrichtung ist jedoch mit der anmeldungsgemäßen Gestaltung nicht vergleichbar, da sie einen Wärmetauscher und keinen Wärmespeicher betrifft, wobei insbesondere darauf hingewiesen wird, daß gemäß dieser Entgegenhaltung keine Wärmeisolation vorgesehen ist, die auch nachteilig wäre, da ja Wärme gesammelt werden soll. Diese bekannte Vorrichtung weist eine durch den Wärmeaustauschbereich führende Rohrleitung für Kältemittel auf und eine in diesem Wärmeaustauschbereich verlegte unterirdische Wärmezuführleitung, eine diese umgebende Erdverfüllung und eine Vielzahl in der Erdverfüllung dispergierter, mit Wasser getränkter Teilchen, deren Aufnahmefähigkeit für Wasser einem Vielfachen ihres Eigengewichtes entspricht. Eine derartige bekannte Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß die Feuchtigkeit oder das Wasser, welches einen Wärmeaustauscher im Erdreich umgibt, kurze Zeit nach Inbetriebnahme der Wärmepumpe gefriert, wodurch das Erdreich um Bruchteile eines Millimeters bis 3 mm oder mehr weggedrückt wird und nicht mehr zurückgelangen kann. Dieser durch die Eisbildung verursachte Luftspalt verhindert jedoch eine gute Wärmeleitung, wobei dieses Phänomen auch durch die Verwendung von Teilchen aus einem hydrophilen Polymergel (wasseraufnehmendem Lehmgemisch) nicht gelöst werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bekannter Vorrichtungen zu vermeiden und einen wirtschaftlichen Wärmespeicher zu schaffen, der mit geringen Unterhaltskosten ohne der bei einem Heißwassertank oft zu befürchtenden Unfallgefahr wirtschaftlich und sicher betrieben werden kann.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen werden durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 9 gelöst.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 den Wärmespeicher in Draufsicht,

Fig. 2, 2A einen Schnitt nach der Linie I-I gemäß Fig. 1, wobei mit "A" eine zusätzliche Ausführungsvariante bezeichnet ist.

Aus Fig. 1 ist ein in Draufsicht oval gestalteter Wärmespeicher ersichtlich. Ein zum Durchleiten eines als Wärmeträger dienenden Fluidums verwendeter Rohrstrang 1 wird bei 2 ins Erdreich eingeführt und tritt aus diesem bei 3 wieder aus. Dieser Rohrstrang, der ein galvanisiertes Wasserrohr sein kann, ist in einem Graben 4 verlegt (Fig. 2). Dieser Rohrstrang ist zur Verbesserung des Wärmeübergangs auf das Erdreich 6 unmittelbar in Schwerschlacke 5 eingebettet. Das den Baugrund bildende und als wesentlichstes Wärmespeicherungsmedium dienende Erdreich 6 ist von einem Graben 7 umgeben, der zur Wärmeisolierrung mit leichter Schlacke angefüllt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist gegen unten zu keine Isolierung vorgesehen. Auf die Schicht 5 Schwerschlacke ist eine Schicht 9 Bollensteine mit einem Durchmesser von 5 bis 25 cm aufgebracht und mit feinem Kies abgedeckt, damit die oberhalb aufzubringende Aufschüttung nicht zwischen die Bollensteine eindringen kann. Diese Schicht 9 Bollensteine ist als Luftkanal ausgebildet, der als Wärmeträger dienende Warmluft führen kann, welche sowohl die als Wärmespeicherungsmedium dienenden Bollensteine, wie auch das als Hauptwärmespeicherungsmedium dienende Erdreich 6 erwärmt. Auch hier dient die Schicht 9 aus Bollensteinen gleichzeitig zum besseren Wärmeübergang auf das Erdreich 6.

In der Nähe von 2 ist ein Zufuhrkanal 10 für die Einspeisung von Warmluft angeordnet, welche in der Nähe von 3 die Schicht 9 der Bollensteine wieder verläßt. In der Schicht 9 der Bollensteine, in der Schicht 5 von Schwerschlacke und im Erdreich 6 sind Thermometer angeordnet.

Auf dem Boden des Grabens 7 ist ein Entwässerungsrohr 15 vorgesehen. Eine vorteilhafterweise aus Isolierbeton erstellte Betonplatte 16 bedeckt den Wärmespeicher und dient gleichzeitig als Fundament des zu beheizenden Gebäudes. Da der unter dem Gebäude befindliche Baugrund, der als Wärmespeicher ausgebildet ist, im Winter nicht gefrieren kann, ist es nicht erforderlich, daß die Fundamente des Gebäudes sich bis in eine frostfreie Tiefe erstrecken.

Bei der Herstellung des Wärmespeichers ist darauf zu achten, daß mit möglichst wenig Material und möglichst wenig Erdbewegung ein Höchstmaß an Speichervolumen erzielbar ist.

Zunächst wird ein Graben 4 ausgehoben und das Aushubmaterial gegen die Mitte hin abgeladen. Dann erfolgt das Einbringen der Schichten 5 an Schwerschlacke und des Rohrstranges 1, sowie auch der Thermometer 12, 13 und 14. Ist auch die Schicht 9 der Bollensteine eingebracht, so wird der Graben 7 ausgehoben und das Erdreich wiederum gegen die Mitte abgeladen und verfestigt. Dann wird zuvor das Entwässerungsrohr 15 verlegt und danach die leichte Schlacke 8 eingebracht und verfestigt. Zuletzt werden die Haus-Installationsleitungen, wie Elektrokabel, Wasserleitungsrohre, Abwasserrohre etc. verlegt und dann als Fundamentplatte die Betonplatte 16 darüber vergossen.

Die Fundamentplatte besteht vorzugsweise aus Isolierbeton, insbesondere aus solchem, der Polystyrolgranulat enthält. Ein solcher Beton reagiert langsamer auf Temperaturschwankungen und bildet gleichzeitig eine Dampfsperre. Das ursprüngliche Niveau des Erdbereiches ist mit 17 bezeichnet.

Die Wirkungsweise des Wärmespeichers ist folgende: Ist beispielsweise eine längere Heizperiode nur im Sommer vorgesehen, so kann ein nicht isoliertes Rohr in gewöhnlichem Erdreich dieses im Umkreis bis zu 2 m erwärmen, sofern das Rohr ständig eine Wärme von 70° in genügender Menge liefert. Man kann hier Erfahrenswerte vom Verlegen von Elektrokabeln heranziehen. Eine vorteilhafte Verlegungstiefe für den Rohrstrang 1 ist daher etwa 3 m, da über dem erwärmten Erdreich noch eine Schicht von 1 m verbleiben soll. Diese kann, falls das erwünscht ist desgleichen teilweise als Wärmespeicherungsmedium dienen und teils mittels Schlacke als Isolierschicht ausgebildet sein. Nach oben dringende Wärme ist in der Regel nicht verloren, da sie mit zur Erwärmung des Gebäudes dient. Der gegenseitige horizontale Abstand zwischen den Rohren des Rohrstranges 1 beträgt vorteilhafterweise 3 m, womit sich eine gewisse Überschneidung der Heizwirkung der Rohre ergibt.

Zur besseren Gestaltung des Wärmeüberganges von dem Wärmeträger leitenden Rohrstrang 1 auf das Erdreich 6 erfolgt eine Einbettung des Rohrstranges in ein Material besserer Wärmeleitfähigkeit, wobei Schwerschlacke (mit einem Raumgewicht von ca. 3,5) sehr wirtschaftlich ist. Dabei soll auf eine geeignete Kornabstufung geachtet werden, die ein kompaktes Verlegen ermöglicht.

Der Rohrstrang 1 wird in der Regel mit einer Flüssigkeit als Wärmeträger beschickt.

Die Schicht 9 aus Bollensteinen ist als Luftkanal ausgebildet, wobei dann Luft als Wärmeträger dient. Der Wärmeübergang von Luft auf Stein ist wohl sehr schlecht, was jedoch durch die große zur Verfügung stehende Oberfläche der Steine wettgemacht wird. Auch hier ist somit durch die große Kontaktfläche der Bollensteine mit dem Erdreich eine gute Wärmeübertrittsfähigkeit an das Erdreich gegeben.

Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Wärmespeichers ist die Möglichkeit, als Wärmeträger sowohl Luft wie auch Flüssigkeit für das Beschicken des Wärmespeichers mit Wärmeenergie verwenden zu können.

Als Beispiel für die Wärmespeicherungsfähigkeit hinsichtlich des Verhältnisses zu den Gestehungskosten wird angeführt, daß ein bekannter, aus einem Wassertank von 6 m³ bestehender Speicher, der von Steinen umgeben ist, ein Volumen von insgesamt etwa 10 m³ aufweist. Er vermag ein Haus von etwa 140m³ Wohnfläche über einen Zeitraum von vier Tagen zu heizen.

Der erfindungsgemäße Wärmespeicher kann bei weit geringeren Gestehungskosten für ein gleich großes Haus ein ca. 50mal größeres Volumen aufweisen, d. h. ein Volumen von ca. 500 m³ haben. Er vermag somit das gleiche Haus über einen um ein Vielfaches längeren Zeitraum zu heizen, natürlich nicht etwa 50mal 4 Tage. Er kann jedoch im Winter immer wieder eine neue Wärmeaufladung erhalten und dadurch in günstigen Fällen die ganze Heizperiode überbrücken.

Hinsichtlich der Korrosionsgefahr des Materials ist zu beachten, daß es in der Regel untersagt ist, Keller und Fundamente in einen Grundwasser führenden Baugrund einzubauen. Ebensowenig ist der Einbau des erfindungsgemäß gestalteten Wärmespeichers in einen solchen Baugrund gestattet. Das wäre auch sinnlos, wenn das Grundwasser die Wärme wieder abfühlen würde. Ist der Baugrund jedoch nicht wasserführend, so sind auch die verwendeten Materialien, wie Isolierschlacke und Schwerschlacke umweltfreundlich. Nach neuen Erkenntnissen werden derartige Materialien für den Straßenbau empfohlen, da sie als wiederverwendetes Material wirtschaftlich sind und zur Schonung von Kiesreserven dienen.

Um eine langdauernde Funktionsfähigkeit des Rohrstranges zu gewährleisten, lohnt es sich, ein zweckmäßiges Rohmaterial, wie z. B. verzinktes Stahlrohr oder geeignete Kunststoffrohre, zu verwenden. Hinsichtlich einer zu beachtenden Korrosion der verwendeten Isolierschlacke bestehen keine Bedenken, da Archäologen bei Ausgrabungen auch derartige Materialien freigelegt haben, die unverändert Jahrtausende überdauert hatten. Schwerschlacke, welche oft auch metallische Bestandteile aufweist, liegt ja hierbei in trockener Umgebung, so daß sie kaum korrodieren kann. Es ist auch möglich, die Schwerschlacke in einem Tumbler zu versiegeln.

Der erfindungsgemäße Wärmespeicher kann auch für die Verwendung von Luft als Wärmeträger, d. h. ohne Rohrstrang 1 und ohne Schwerschlacke vorgesehen werden.

Es ist auch möglich, als Wärmeträger bzw. als Wärmeübertragungsmedium Flüssigkeit zu verwenden und hierbei die Steine fortzulassen.

Auch kann ein (in Fig. 2A) zusätzlicher, in der Mitte des Wärmespeichers angeordneter Rohrstrang verwendet werden, der mit Schwerschlacke umhüllt ist, wobei dann das ganze mit einer wärmeisolierenden Schicht umgeben wird. Dieser zusätzliche Rohrstrang 1′ kann auf eine höhere Temperatur als der übrige Speicher aufgeheizt werden, wobei er dann z. B. als Wärmespeicher nur für direkten Haushalts-Wasserverbrauch verwendet werden kann. Da das Temperaturgefälle zum umgebenden Wärmespeicher in diesem Fall klein ist, kann mit einer über einen langen Zeitabschnitt zur Verfügung stehenden ausreichend großen Speicherungskapazität gerechnet werden (Fig. 2A, Mitte).

Werden etwas höhere Baukosten für den Wärmespeicher in Kauf genommen, so kann der Speicher auch nach unten mittels Isolierschlacke isoliert werden. Die nach unten gerichtete Wärmeabstrahlung ist jedoch weit geringer als man früher geneigt war anzunehmen, wie sich das nun bei Messungen an Schwimmbädern erwiesen hat.

Wird hingegen der ganze den Wärmespeicher bildende Baugrund aufgeschüttet, wie das z. B. bei Hanglagen vorkommen kann, so lohnt es sich oft gegen unten eine Wärmeisolierung anzuordnen, weil dann ja ohnehin ein Aushub entfällt.

Im Bereich von Stadtgebieten wird Isolierschlacke üblicherweise kostenlos auf den Bauplatz geliefert. Für außerhalb liegende Bauten wird in der Regel nur der zusätzliche Transport in Rechnung gestellt. In Ermangelung von Isolierschlacke oder Schwerschlacke kann auch geschäumtes Glasgranulat oder Magerbeton verwendet werden.

Claims (9)

1. Wärmespeicher für die Speicherung von Wärme im Erdreich für Heizzwecke, mit Mittel zum Durchleiten als Wärmeträger dienender Fluide durch im Erdreich angeordnete Wärmespeichermedien, mit einer Wärmeisolation gegen vorzeitiges Entweichen von Wärme, mit festen Wärmespeichermedien verschiedener Wärmeleitung, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von zwei Wärmespeichermedien die Wärmespeichermedien (5, 6) zum Zweck guter Wärmeübertragung derart angeordnet sind, daß in Richtung zum Erdreich hin das Wärmespeichermedium (5) besserer Wärmeleitung dem Wärmeträger am nächsten liegt, dabei die Wärmeübertragungsfläche vergrößert und das Erdreich (6) volumenmäßig den größten Anteil des Wärmespeichers bildet.

2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von mehreren Wärmespeichermedien (5, 6, 9) die Wärmespeichermedien zum Erdreich (6) in Reihe abnehmender Wärmeleitfähigkeit liegen, wobei als Wärmespeicherträger Wasser verwendet wird.

3. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Durchleiten des Wärmeträgers Rohre (1) sind, welche zur besseren Wärmeleitfähigkeit an das umgebende Erdreich (6), mit einem Material guter Wärmeleitfähigkeit und einem Raumgewicht von über 2000 kg/m³ umgeben sind, wobei das Material vorzugsweise aus Schwerschlacke (5) oder Schrott von über 3000 kg/m³ besteht.

4. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1) zum Durchleiten des Wärmeträgers mindestens 1,5 m unter der Erdoberfläche angeordnet sind und nur die Zufuhr- und Ableitungskanäle (10, 11) eine geringere Verlegungstiefe aufweisen.

5. Wärmespeicher nach Anspruch 1, bei Verwendung eines aus Warmluft bestehenden Wärmeträgers, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Mittel zum Durchleiten des Wärmeträgers aus kanalförmig angeordneten Schichten (9) von Steinen, insbesondere Steinen mit Durchmessern von 3 bis 25 cm bestehen.

6. Wärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als durch die Rohre (1) zirkulierender Wärmeträger Warmwasser dient.

7. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolation Abfallstoffe, insbesondere Schlacke enthält.

8. Wärmeträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er unter einem zu beheizenden Bauwerk angeordnet ist.

9. Wärmeträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in Draufsicht die Form einer ovalen oder runden Scheibe aufweist.