DE2850865A1

DE2850865A1 - Anordnung von waermetauschrohren fuer den primaerkreislauf einer waermepumpe

Info

Publication number: DE2850865A1
Application number: DE19782850865
Authority: DE
Inventors: Otto Lehmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-11-24
Filing date: 1978-11-24
Publication date: 1980-06-04

Description

Otto Lehmann, Dransfeider Str. 40, 2800 Bremen 1

Anordnung von Wärmetausehrohren für den Primärkreislauf einer Wärmepumpe

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von im Erdreich anzuordnenden, miteinander verbundenen Wärmetauschrohren für den Primärkreislauf einer Wärmepumpe zur Versorgung einer Heizanlage mit Erdwärme.

Das Grundwasser und das Erdreich stellen bekanntlich als Solarspeicher riesige Wärmereservoirs dar, denen mittels einer Wärmepumpe Wärmeenergie zum Heizen von Ein-, Zweioder Mehrfamilienhäusern, Schwimmhallen, öffentlichen Gebäuden o.dgl. entzogen werden kann, und zwar insbesondere zur Versorgung von Fußbodenheizungen.

Diese Möglichkeit einer Wärmeversorgung aus der Umwelt also aus dem Grundwasser oder aus dem Erdreich - beruht

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auf dem Umstand, daß die Grundwassertemperatur in unseren Breiten unabhängig von der Jahreszeit im wesentlichen konstant ist und etwa 8 bis 12° C beträgt. Entsprechende Temperaturen weist auch das Erdreich bereits in einer Tiefe von etwa 1,5m auf.

Zur Versorgung einer sog. Wasser-Wasser-Wärmepumpe, d.h. also einer Wärmepumpe, die ihre Wärmezufuhr aus der Umgebung aus dem Grundwasser bezieht, ist eine Anordnung bekannt geworden, bei welcher der Wärmepumpe Wasser aus einem Spendebrunnen entsprechender Tiefe mittels einer Pumpe zugeführt wird, wobei die Wärmepumpe dem ihr zugeführten, verhältnismäßig warmen Grundwasser in einem Verdampfer Wärme entzieht, bei dem es sich um einen Wärmeaustauscher handelt. Die aus dem Grundwasser im Verdampfer auf ein sog. Kältemittel übertragene Wärme bewirkt eine Verdampfung des in einem geschlossenen (Sekundär-)Kreis umlaufenden Kältemittels, wobei der Kältemitteldampf anschließend verdichtet und in dieser Form einem ebenfalls letztlich einen Wärmeaustauscher darstellenden Verflüssiger zugeführt wird, in dem das Kältemittel Wärme an das in einem Kreislauf umlaufende Heizwasser abgibt und sich dabei verflüssigt, woraufhin es nach einer Expansion wiederum dem dem Verdampfer zugeordneten Abschnitt des Sekundärkreises zugeführt wird u.s.f..

Das im Verdampfer abgekühlte Grundwasser wird von der Wärmepumpe sodann in einen sog. Schluckbrunnen geleitet, der in hinreichend großer Entfernung vom Spendebrunnen, im allgemeinen mindestens im Abstand von 15 m zu diesem, angeordnet werden kann, und das in der Wärmepumpe abgekühlte Grundwasser des "Primärkreises" (bei dem es sich an sich im engeren Sinne nicht, um einen Kreis, zumindest nicht um einen geschlossenen Kreis handelt) wird sodann wieder in das Erdreich zurückgeleitet.

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Es hat sich nun aber gezeigt, daß das Grundwasser als Wärmequelle wegen der in ihm vorhandenen Mineralien etc. für die Versorgung einer Wärmepumpe sehr häufig nicht sonderlich geeignet ist und im Verlaufe des Betriebes zu beachtlichen Problemen führen kann.

Weiterhin haben sich beim Betrieb der schon aufgrund gesetzlicher Vorschriften erforderlichen Schluckbrunnen ganz erhebliche Schwierigkeiten gezeigt, da diese Schluckbrunnen sich je nach Bodenbeschaffenheit verhältnismäßig schnell zusetzen können und häufig nicht einmal eine Heizperiode störungsfrei überstehen. Dieses ist aber insbesondere dann außerordentlich nachteilig, wenn derartige Betriebsstörungen in die Heizperiode hineinfallen. Es kommt hinzu, daß eine entsprechende Reparatur bzw. die Erstellung eines neuen Schluckbrunnens verhältnismäßig aufwendig ist, wobei diese Maßnahmen im übrigen aber auch schon deswegen nicht befriedigen, weil von vornherein feststeht, daß sie die vorhandenen Schwierigkeiten nur vorübergehend lösen.

Aus diesen Gründen hat es sich als erheblich zweckmäßig erwiesen, auch den Primärkreislauf als tatsächlichen Kreis, d.h. also als geschlossenes System auszubilden, und dabei bei einer sog. Erdreich-Wasser-Wärmepumpe das Erdreich als Wärmelieferanten zu benutzen.

Bei einem derartigen bekannten Heizsystem wird der an die Wärmepumpe angeschlossene, geschlossene Primärkreislauf mit einer Sole gefüllt, die mittels einer Umwälzpumpe umgewälzt wird, wobei die Wärmetauschrohre in horizontaler Anordnung etwa 1,4 bis 1,8 m unter dem Erdreichniveau verlegt werden.

Mit einer derartigen bekannten Anordnung sind zwar befriedigende Ergebnisse zu erzielen, und zwar Jahresleistungs-

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zahlen von bis zu 3,6, doch ist eine derartige Anordnung an bestimmte Voraussetzungen geknüpft.

Die zur Verfügung stehende unbebaute Verlegefläche für die Anordnung der horizontalen Wärmetauschrohre muß nämlich etwa mindestens die zwei- bis dreifache Größe der zu beheizenden Wohnfläche aufweisen, d.h. also beispielsweise, daß bei einer zu beheizenden Wohnfläche von 160 qm mindestens 320 bis 480 qm unbebautes Grundstück zur Verlegung der Wärmetauschrohre zur Verfügung stehen müssen, und beispielsweise bei einer zu beheizenden Wohnfläche von 250 qm und ungünstigen Verhältnissen müssen bereits mindestens 750 qm unbebautes Grundstück zur Verfügung stehen. Diese Voraussetzungen sind aber häufig nicht gegeben.

Es kommt hinzu, daß sich eine aufgrund der oben beschriebenen Nachteile erforderlich werdende Umrüstung einer derartigen Heizanlage mit Wärmepumpe, bei der die Wärme in einem offenen Primärkreis dem Grundwasser entzogen wird, auf eine wie vorstehend beschriebene Anlage, bei der die Wärme dem Erdreich in einem geschlossenen Primärkreislauf entzogen wird, im allgemeinen nicht durchführen läßt bzw. höchst unerwünscht ist, da selbst in Fällen, in denen ein hinreichend großes Grundstück zur Verfügung steht, bei der Verlegung der Wärmetauschrohranordnung die gesamte Gartenanlage zerstört werden würde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,, die oben erörterten und weitere Nachteile von Wärmepumpen-Heizanlagen zu vermeiden, und eine Wärmetauschrohranordnung der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, die bei gleicher Wärmeleistung einen erheblich geringeren Bedarf an Verlegefläche hat und sich demgemäß auch eignet, um derartige Anlagen mit Schluckbrunnen bei Versagen des Schluckbrunnens auf eine Anlage mit geschlossenem Primär-

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kreislauf umzurüsten, bei welcher die Wärme nicht mehr dem Grundwasser, sondern dem Erdreich entzogen wird.

Als Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Wärmetauschrohre im wesentlichen vertikal angeordnet sind.

Die Wärmetauschrohre sind bevorzugt jeweils als Doppelrohre ausgebildet, wobei jeweils die Außenwandung des konzentrisch zum Außenrohr angeordneten Innenrohresmit Abstand zur Innenwandung des Außenrohres verläuft, um auf diese Weise innerhalb eines Wärmetausehröhres jeweils zwei Strömungspfade zu schaffen, nämlich einen inneren Strömungspfad, in dem die von der Wärmepumpe kommende, abgekühlte Sole nach unten strömt, sowie einen äußeren Strömungspfad nämlich im Zwischenraum zwischen dem Außen- und dem Innenrohr -, in dem die Sole nach oben strömt und sich dabei im Erdreich wieder erwärmt.

Um eine solche Strömung zu verwirklichen, sind die Außenrohre bevorzugt jeweils an ihrem unteren Endabschnitt geschlossen ausgebildet, und das zugehörige Innenrohr ist an seinem unteren Ende offen, welches mit Abstand zum Ende des Außenrohres endet.

Um dem Innenrohr im Außenrohr einen definierten, konzentrischen Sitz zu geben, können jeweils zwischen dem Außenrohr und dem zugehörigen Innenrohr Distanzmittel angeordnet sein.

Das ebenfalls offen ausgebildete, obere Ende der Innenrohre ist vorzugsweise jeweils mit einem im wesentlichen horizontal verlaufenden Rohrabschnitt verbunden, der als Vorlaufsammler fungiert und demgemäß mit dem Verdampfer der Wärmepumpe zu verwenden ist.

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Die Außenrohre der Wärmeaustauschrohre sind vorzugsweise jeweils an ihrem oberen Endabschnitt mit einem als Rücklaufsammler fungierenden, im wesentlichen horizontal verlaufenden Rohrabschnitt verbunden, der demgemäß ebenfalls mit dem einen Wärmetauscher darstellenden Verdampfer der Wärmepumpe zu verbinden ist.

Die Wärmetauschrohre bestehen vorzugsweise aus PVC und besitzen vorzugsweise eine Länge von etwa bis zu 5 m, wobei die Außenrohre bevorzugt einen Nenndurchmesser von etwa 50 mm und die Innenrohre bevorzugt etwa einen Nenndurchmesser von 30 mm bei jeweiliger Wandstärke von etwa 2 bis 3 mm aufweisen können, und zwar vorzugsweise bei einem gegenseitigen Abstand der Wärmetauschrohre von etwa 1m.

Die Wärmetauschrohranordnung kann je nach Wunsch in Einzelelementen, Baugruppen oder als Ganzes von der Fertigungsstelle zum Einsatzort verbracht werden, um nach einer Versenkung im Erdreich sodann über den Vorlaufsammler und den Rücklaufsammler mit dem Verdampfer der Wärmepumpe verbunden zu werden.

Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine Zeichnung weiter erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung von im Erdreich anzuordnenden Wärmetauschrohren für den Primärkreislauf einer Erdreich-Wasser-Wärmepumpe; und

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 mit strichpunktierten Linien eingerahmten Abschnittes II in einem schematisierten, seitlichen Schnitt.

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Die Zeichnung zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer Anordnung von im Erdreich 1 anzuordnenden Wärmetauschrohren 2 für den geschlossenen Primärkreislauf einer Erdreich-Wasser-Wärmepumpe 3, welche die Fußbodenheizung eines schematisch mit strichpunktierten Linien angedeuteten Einfamilienhauses 4 mit Erdwärme versorgt.

Die Wärmepumpe 3 ist in Fig. 1 lediglich schematisch als Kasten dargestellt, da sie nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. Es sei lediglich darauf hingewiesen, daß die Wärmepumpe 3 einen Verdampfer, einen Verdichter und einen Verflüssiger für in einem Sekundärkreis umlaufendes Kältemittel aufweist, wobei ein Teil des Sekundärkreises im Verdampfer mit einem Teil des Primärkreises einen Wärmeaustauscher bildet, und wobei ein anderer Teil des Sekundärkreises im Verflüssiger mit dem das Heizwasser führenden Kreis einen weiteren Wärmetauscher bildet.

Die im Primärkreis vorhandene, im Verdampfer der Wärmepumpe 3 abgekühlte Sole gelangt über eine in Fig. 1 lediglich als Strich dargestellte Leitung 7 in ein nachstehend als Vorlaufsammler 8 bezeichnetes Rohr, welches einen Teil der erfindungsgemäßen Wärmetauschanordnung darstellt. Das Rohr 8 ist in einer Tiefe t von 1,5m horizontal unter der Erdoberfläche 9 verlegt und beschickt die Wärmetauschrohre 2 mit in der Wärmepumpe 3 abgekühlter Sole, um diese im Erdreich 1 wiederum zu erwärmen und letztlich über eine Leitung 11 im erwärmten Zustand dem Verdampfer der Wärmepumpe 3 wieder zuzuführen.

Die Wärmetauschrohre 2 sind vertikal angeordnet und jeweils als Doppelrohre ausgebildet, wobei jeweils die Außenwandung eines konzentrisch zur Innenwandung eines Außenrohres angeordneten Innenrohres 13 mit einem radialen Abstand s zur Innenwandung des Außenrohres 12 angeordnet ist.

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Wie bei deitu im Schnitt dargestellten linken Wärmetauschrohr 2 in Fig. 1 erkennbar ist, sind die Außenrohre 12 jeweils an ihrem unteren Endabschnitt mit einem Deckel 14 dichtend verschlossen, während das zugehörige Innenrohr 13 an seinem unteren Endabschnitt offen ausgebildet ist und mit einem Abstand e zum Ende 14 des Außenrohres 12 endigt.

Das ebenfalls offen ausgebildete obere Ende der Innenrohre 13 mündet in den bereits erwähnten Vorlaufsammler

Um jeweils die konzentrische Anordnung des Innenrohres im Außenrohr 12 sicherzustellen und dem Innenrohr 13 zugleich den erforderlichen Halt zu geben, sind zwischen der Innenwand des Außenrohres 12 und der Außenwand des Innenrohres 13 geeignete Distanzmittel 16 angeordnet, die beispielsweise radiale Stege aufweisen können, um eine Durchströmung der sich zwischen dem Außen- und dem Innenrohr erwärmenden Strömung zu gewährleisten.

Sämtliche Rohre bestehen aus PVC und besitzen eine Wandstärke von 2,4 mm. Die Außenrohre 12 besitzen einen Nenndurchmesser von 50 mm, während die Innenrohre 13 einen Durchmesser von 32 mm aufweisen, und zwar bei einer Gesamtlänge der Wärmetauschrohre 2 von etwa 5 m.

Aufgrund dieser Dimensionierung ergibt sich wegen der Kontinuitätsgesetze in dem Strömungspfad zwischen den Außenrohren 12 und den innenrohren 13 eine erheblich langsamere Strömung als in den Innenrohren 13, so daß genügend Zeit für die Erwärmung der Sole vorhanden ist, wobei der Wärmeaustausch zwischen der im Innenrohr 13 nach unten strömenden Sole und der zwischen dem Außenrohr 12 und dem Innenrohr jeweils nach oben strömenden, sich erwärmenden Sole nicht sonderlich groß und im übrigen weitgehend

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unschädlich ist, da die in den Innenrohren 13 nach unten strömende Sole ohnehin erwärmt werden soll.

Die Außenrohre 12 der Wärmetauschrohre 2 sind jeweils an ihrem oberen Endabschnitt mit einem horizontal verlaufenden Rohrabschnitt 17 verbunden, wobei an der Verbindungsstelle jeweils ein aus PVC-Formstücken bestehender Kopf 18 angeordnet ist. Die rechtwinklig zu den Wärmetauschrohren 2 verlaufenden Rohrabschnitte 17, die wie die Außenrohre der Wärmetauschrohre 2 einen Nenndurchmesser von 50 mm aufweisen und ebenfalls aus PVC bestehen, gehen jeweils in einen ebenso ausgebildeten, horizontal verlaufenden Rohrabschnitt 19 über, der einen Teil des RücklaufSammlers bildet und im verlegten Zustand mit der Rücklaufleitung verbunden ist.

Am Rande sei noch darauf hingewiesen, daß das im Verflüssiger der Wärmepumpe 3 erwärmte Heizwasser von der Wärmepumpe 3 über eine Heizungs-Vorlaufleitung 20 des Heizwasserkreises zu einem Heizungsverteiler 21 gelangt, und daß das aus der Heizung bzw. dem Heizungssystem zurückkommende Wasser über eine Heizungs-Rücklaufleitung 22 zur Wärmepumpe 3 zurückgeleitet wird.

Es ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Anordnung von Wärmetauschrohren 2 verglichen mit der bekannten Anordnung, bei welcher die Wärmetauschrohre horizontal im Erdreich verlegt sind, einen erheblich geringeren Flächenbedarf besitzen, wobei eine verhältnismäßig tiefe Vertikalerstreckung in das Erdreich deswegen positiv ist, weil mit wachsender Tiefe die Erdtemperatur ansteigt, wobei allerdings ersichtlich auch geringere Längen für die Wärmetauschrohre 2 möglich sind, wenn diese Maßnahme durch eine entsprechend größere Anzahl ausgeglichen wird.

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Aufgrund dieses und weiterer erheblicher Vorteile läßt sich die erfindungsgemäße Anordnung auch ohne nennenswerte Schwierigkeiten dort einsetzen, wo eine entsprechende Anordnung mit Wärmegewinnung aus dem Grundwasser, also einer Anordnung mit Schluckbrunnen, wegen der mit diesem ständig auftretenden Schwierigkeiten durch eine neue Anordnung mit geschlossenem Primärkreislauf und Wärmegewinnung aus dem Erdreich ersetzt werden soll, ohne daß der in derartigen Fällen in aller Regel bereits angelegte Garten in größerem Umfange Zerstörungen erfährt.

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Claims

Ansprüche

M J Anordnung von im Erdreich anzuordnenden, miteinander verbundenen Wärmetauschrohren für den Primärkreislauf einer Wärmepumpe zur Versorgung einer Heizanlage mit Erdwärme, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschrohre (2)"im wesentlichen vertikal angeordnet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschrohre (2) jeweils als konzentrische Doppelrohre ausgebildet sind, wobei jeweils die Außenwandüng des Innenrohres (13) mit Abstand (s) zur Innenwandung des Außenrohres (12) angeordnet ist.
3* Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenrohre (12) jeweils an ihrem unteren Endabschnitt geschlossen ausgebildet sind; und daß das zugehörige Innenrohre (13) an seinem unteren Endabschnitt offen ausgebildet ist und mit Abstand (i) zum Ende (14) des Außenrohres (12) endigt.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich-

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net, daß jeweils zwischen dem Außenrohr (12) und dem zugehörigen Innenrohr (13) mindestens ein Distanzmittel (16) angeordnet ist.
5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das offen ausgebildete, obere Ende der Innenrohre (13) jeweils in einen im wesentlichen horizontal verlaufenden Rohrabschnitt mündet.
6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche

2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenrohre (12) jeweils an ihrem oberen Endabschnitt mit einem im wesentlichen, horizontal verlaufenden Rohrabschnitt (17) verbunden sind.
7. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschrohre (2) aus Kunststoff bestehen.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschrohre (2) aus PVC bestehen.
9. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschrohre (2) eine Länge von etwa 5 m aufweisen.
10. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenrohre

(12) etwa einen Durchmesser von 50 mm aufweisen.
11. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrohre (13) und die ggf. vorhandenen Verbindungsrohre (17) einen Nenndurchmesser von etwa 30 mm aufweisen.

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12. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand (a) der Wärmetauschrohre (2) etwa 1 m beträgt.

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