DE2913333A1

DE2913333A1 - Waermetauscherelement fuer waermepumpen

Info

Publication number: DE2913333A1
Application number: DE19792913333
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-04-03
Filing date: 1979-04-03
Publication date: 1980-10-16
Also published as: DE2913333C2

Description

R e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmetauscherelement für Wärmepumpen.
Vor dem Hintergrund zunehmender Verkappung fossiler Brennstoffe und der ungelösten Problematik nuklearer Energiegewinnung gewinnen Öberlegungungen zur @insparung wertvoller Primärenergie immer mehr an Bedeutung.
Dies betrifft vor allem den Verbrauch hochwertiger Primärenergie zum Zweck der Gebäudeheizung (in der Bundesrepublik zur Zcit ca. 40 t des Gesamtenergieverbrauschs). Der stets zunehmende Energiebedarf zwang Mittel und Woge zu finden, natürlichen Energieträstern, wie das Erdreich, Wasser oder die Luft, Wärme bzw. Energie zu entziehen. Die diesbezüglich angestellten Überlegungen führten zur Entwicklung der sogenannten Wärmepumpen.
Unter den konkurrierenden natirlicher. Energieträgern besitzt das Erdreich wesentliche Vorteile. Die Temperatur des Erdreiches ist vergleichsweise im Tages- und Jahresablauf wenig veränderlich und liegt hochjbezogen auf die Gebäudetemperaturen, insbesondere je tiefer man unter die Erdoberfleche geht.
Zur Ausnutzung der Erdwärme werden bei den herkömnlichen Wärmepumpensystemen Wärmetauscher-Rohrschlangen im Erdreich verlegt, und zwar einlagig in ca. 1 - 2 m Tiefe in Abstand von etwa o,5 bis 1,00 m auf einer Fläche, die etwa der drei-his fünf-fachen zu beheizenden Wohnfläche entspricht. Die Nachteile der bekannten Systeme sind offenkundig. Das Ausheben des Erdreichs, das Verlegen der Rohrschlangen und das Zuschütten der ausgehobenen Stellen ist selbst bei Neubauten unter günstigen Umständen mit großem Aufwand verbunden. Bei altem Baumbestand und angelegten G@rten ist dieses Verfahren meist unmöglich oder unzumutbar.
Weiterhin besteht Gefahr, daß beim Zuschütten der ausgehobenen Stellen und beim nachfolgenden Verfestigen des Erdreiches die Rohrschlangen beschädigt werden. Es entstehen Leckstellen, @aarisse, Knickstellen, die später nur mit erhehlichen Aufwand lokalisierbar und behebbar sind. Insbesondere können derartige Sch@den nicht durch einfaches Abklemmen der beschädigten Rohrabschnitte unwirksam gemacht werden.
je tiefer man in das Erdreich eindringt, desto höher ist die Erdtemperatur. Ferner wird mit zunehmender Tiefe die Temperaturänderungskurve immer flancher. Die Erdtemperatur bleibt unabhängig vom Jahreswecksel nahezu gleich. Um diese Vorteile ausnützen zu können, müßten die Rohrschlangen der bekannten Wärmepumpensysteme sehr tief unter der Erdoberfläche verlegt terden. er Feutechnische Aufwand is-t dann aber unvertretbar hoch.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe Zugrunde, Wärmetauscherelemente für Wärmepumpen zu schaffen, die ohne großen bautschnischen Aufwand relativ tief in das Erdreich eingebracht werden können und sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnet Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Die erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauscherelemente lassen sich unter Anwendung erprobter Techniken ohne großen Aufwand in das Erdreich treiben. Die Träger f'ir die vom Wärmetauschermedium durchströmten Rohre können in eine Tiefe bis zu etwa 30 m in das Erdreich getrieben werden. Die Einbringung der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente in das Erdreich ist kurzfristig durchführbar. Eine Beschädigung der Grundstücksoberfläche ist im wesentlichen vermieden. Fs können mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauscherelementen Tiefen erreich werden, in denen sich bereits das Grundwasser befindet. Das Grundwasser it ein unerschöpfliches Wärmerescrvoir, dessen Ausnutzung die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente in hervorragendem Maße erlauben. Die großflächige Ausgebildung des Trägers garantiert für einen wirkungsvollen Wärmeentzug. Der Wirkungsgrad wird dadurch gegenüber den bekannten Systemen erheblich erhöht.
Die Anordnung der Rohranschlüsse im Bereich der oberen Enden der Tr gen erlaubt eine einfache Lokalisierung von Leckschäden, Verstopfungen oder dergleichen und eine einfache Überbrückung schadhafter Wärmetauscherelemente.
Ferner ist die Demontage der erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauscherelemente denkbar einfach. Sie lassen sich durch ein Hebezeug in einfacher Weise wieder aus dem Erdreich herausziehen.
Verteilhafte Ausbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in den anliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt sind, naher erlutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Wärmetauscherelementes gemäß vorliegender Erfindung in perspektivischer Ansicht, Fig. 2 einen Schnitt längs Linie II - II in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt längs Linie III - III in Fig. 1, Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform eines Wärmetauscherelementes im Querschnitt, und Fig. 5 eine rasterförmige Anordnung von erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauscherelementen im @@dreich.
Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Wärmetauscherelement besteht aus einem Tafelprofil als Träger 12 und einem daran angeschweißten U-förmiger Rohr 1@, durch das ein Wärmetauschermedium hindurchgeleitet wird. Als Wärmetauschermedium dient vorzugsweise Wasser. Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Tafelprofil ist für den @au vor Spurdwänden allgemein bekannt.
Diese bestehen aus rostfreiem Stahl mit hoher mechanischer Festigkeit und ausreichend großem Wärmeleitvermögen. Wie insbesondere aus Fig. 3 erkennbar ist, sind die Rohrschenkel des U-förmig gebogenen Rohres 10 im Bereich der Innenecken des Tafelprofils angeschweißt. Auf diese Art und Weise können die Rohrschenkel mittels zweier sich er die gesamte Länge der Rohrschenkel erstreckender Schweißnähte an dem tafelprofil angeschweißt werden. @s entstehen somit zwei "Wärmebrücken", mit der Felge, dai ein verbesserter Wärmeaustausch zwischen dem Tafelprofil und den Wärmetauschermedium erhalten wird. das Rohr 10 besteht aus einem Material, das sich durch großes Wärmeleitvermögen und insbesondere auch Korrosionsbeständigeit auszeichnet.
Es ist jedoch auch denkbar, das Rohr 10 schlangenförmig zu biegen sowie an beiden Seiten des Trägers 12 ein oder mehrere Rohre anzubringen. Die Anschlssse des Rohres 10 sind im Bereich des oberen Endes des Trägers 12 angeordnet, so daß sie auch dann leicht zugänglich sind, wenn das Wärmetauscherelement in das Erdreich eingetracht werden ist.
In Fig. 2 ist eine @@eztelle Ausbildung einen @chnei@e 1@ dargestellt. Die Schneide 18 ist durch den unteren Rand des @rügers 12 und einen im spitzen Winkel an den unteren Rand des Trägers 12 angesetzten Streifen 20 gebildet. Es handelt sich hiertei um einen Streifen aus äußerst widerstandsfähigem Material. Die Schneide 19 lient zum leichteren @intreihen des Wärmetauscherelements in das Erdreich sowie insbesondere zum Schutz des Rohres 1@ beim @istreiben.
In Fig. 1 ist die Schneide 18 der besseren @tersicht wegen weggelassen.
In Fig. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform eines Wärmetauscherelementes dargestellt. Das Rohr 10 ist durch Zellen 16, 28 ersetzt. Durch diese Zellen wird das Wärmetauschermedium hindurchgeleitet. Die Zellen 26, 28 werden durch einfaches Öberdecken der Innenecken des als Tafelprofil ausgebildeten Trägers 12 mittels Flatten 22, 24 erhalten. Am unteren Ende des Trägers 12 sind die beiden zellen 26, 28 fluid-verbunden. Im Bereich des oberen Endes des Trägers 12 befinden sich Anschlüsse entsprechend den Anschlässen 14, 16 in Fig. 1. Die Platten 22, 24 sind am Träger 12 angeschweißt. Zur Erhöhung der Steifigkeit der Platten 22, 24 können innerhalb der Zellen Versteifungsstege oder dergleichen angeordnet sein.
In Fig. 5 ist schematisch eine Anordnung der beschriebenen Wärmetauscherelemente im Erdreich dargestellt. Die Wärmetauscherelemente sind dabei vorzugsweise versetzt zueinander angeordnet, so daß ein gleichmäßiger Wärmeentzug des Erdreichs erzielbar ist. Die strichpunktierte Linie 30 kennzeichnet die Strömungsrichtung des Wärmetauschermediums und die Fluiverbindung zwischen den einzelnen Wärmetauscherelementen.
In gestrichelten Linien ist die Übertrückung eines Wärmetauscherelementes, das z. B. defekt ist, dargestellt. Eine Überbrückung defekter Wärmetauscherelemente ist aufgrund der Anordnung der Anschlüsse 14 und 1@ im Bereich des oberen. Endes der Wärmetauscherelemente ohne besonderen Aufwand möglich. Die Länge der Wärmetauscherelemente kann abhängig vom jeweiligen Gel@nde und Zusammensetzung des Erdreiches bis zu 30 m betragen. Die beschriebenen Wärmetauscherelemente lassen sich durch Schlagen oder Rütteln relativ einfach in das erdreich treiben. Natürlich ist auch eine horizentale oder schräge Verlegung denkbar, falls das Erdreich nur eine solche zuläßt. An den Anschlüssen 14,1@ werden in der Regel im Erdreich in geringer Tiefe vorleute isolierte Rohre oder Schläuche angeschlossen, die mit einem im Gebäude befindlichen Teil einer Teizanlage verbunden sind. Die Rohre lo der einzelnen Wärmetauscherelerqente werden von eine Wärmetauschermedium durchströmt, dessen Temperatur unter der des rrcichs bzw. des Grundwassers liegt. Die großen Flächen der Tafelprofile gewährleisten eine gute Wsrmeaufnahme und Weitergabe an das Wärmetauschermedium, das vorzugsweise Wasser ist. Die Verwendung von Wasser al.s Wärmetauschermedium ist äußerst umweltfreundlich, da ein Austreten an Leckstellen keinerlei nachteilige Schaden im Erdreich hinterläßt.
Durch geeignete Wahl der Raster bzw. der Pnordnung der Wärmetauscherelemente im Erdreich sowie der Längen der Wärmetauscherelemente kann auch bei fehlendem Grundwasserkontakt selbst auf kleinen Flächen eine hohe Wärmemenge dem Erdreich entzogen werden. Da die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente vertikal im Erdreich verlegt werden, eignen sich diese insbesondere auch fiir kleinste Grundstücksflächen.
Zu Fig. 2 ist noch zu sagen, daß der untere etwa waagrecht verlaufende Teil des Rohres 10 unmittelbar hinter der Schneide 18, d.h. zwischen dem angesetzten Streifen 2G und dem unteren Rand des als Tafelprofile ausgebildeten Trägers 12 angeordnet ist. Dadurch erfährt die Schneide 18 eine zusätzliche Erhöhung der Festigkeit bzw. Steifigkeit. Der waagrechte Teil des Rohres 10 ist vorzugsweise sowohl am Träger 12 als auch an der dem Träger 12 zugekehrten Seite des Streifens 20 angeschweißt.
Diese Ausbildung hat schließlich noch den Vorteil, daß beim Herausziehen eines Wärmetauscherelements aus dem Erdreich, der Streiren 20 nicht al s das Herausziehen behindernder Widerhaken wirkt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 kann der die Zellen 26, 28 fluidverbindende Abschnitt ebenfalls innerhalb der Schneide 18 angeordnet sein. Vorzugsweise wird der durch den Streifen 20 und den unteren Rand des Tr-gers 12 eingeschlossene Zwickel durch ein Abdeckblech bzw. eine Abdeckplatte verschlossen, so daß eine waagrecht verlaufende Zelle entsteht.
Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und merkmale, nsbesondere räumliche Ausgestaltung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der technik neu sind.
L e e r s e i t e

Claims

Wärmetauscherelement für Wärmepumpen Patentansprüche 1. Wärmetauscherelement für Wärmepumpen, gekennzeichnet durch einen etwa vertikal in das Erdreich treibbaren, großflächigen, aus wärmeleitfähigem Material bestehenden Träger (12) für mindestend ein von einem t.^1armetauschermedium durchströmtes Rohr (lo) oder dergleichen, wobei das Rohr sich im wesentlichen über die gesamte Tiefe des Trägers erstreckt und die Rohranschlüsse (14, 16) sich jeweils am oberen Ende des Trägers befinden, wem dieser ins Erdreich getrieben ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (12) plattenförmig ausgebildet ist, und daß das Rohr (lo) an einer Flachseite des Trägers befestigt ist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (lo) U-förmig gebogen ist.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohranschlüsse (14,16) Schraubanschlüsse sind.
5. Wärmetauscher nach einem oder mehreren deer Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in eingetriebenen Zustand untere Ende des Trägers (12) mit einer Schneide (18) vorsehen ist.
6. Wärmetauscher nach Ansruch , dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide (18) zumindest an der Seite des Trägers (12), an der das Rohr (10) befestigt ist, soweit über die Trägeroberfläche vorsteht, wie das Rohr sich über die Trägeroberfläche erhebt.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide (18) ein durch den Träger (12) und einen ir. spitzen Winkel an diesen angesetzten Streifen (20) gebildeten Weil ist.
8. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide (18) bzw. der Streifen (20) aus einer. harten, widerstandsfähigen Material besteht.
9. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (lo) am Träger (12) durch mindestens eine sich her die sesamte Rohrlänge erstreckende Schweißnaht befestigt ist, wobei die Schweißnaht als Wärmebrücke dient.
10. Wlirmetauscherel ement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (12) als Tafeiprofil ausgebildet ist.
11. Wärmetauscherelement nach Anspruch lo, dadurch sekennzeichnet, daß das Rohr (lo) in den inneren Ecken des Tafelprofils an diesem befestigt ist, so daß eine größere Kontaktfläche und darit eine bessere Wärmeleitung zwischen Rohr und Träger erzielt werden.
12. Wärmetauscherelement nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (12) zylinderförmig ausgebildet ist, und mindestens zwei Uäförmig gebogene Rohreinheiten am Außenumfang des Trägerzylinders angeordnet sind.
13. Wärmetauscherelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei Rohreinheiten diese etwa diametral am Außenumfang des Trägerzylinders angeordnet sind.
14. Wärmetauscherelemente nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenecken des als Tafelprofil ausgebildeten Träger (12) jeweils durch eine Platte (22, 24) abgedeckt sind, so daß mindestens zwei Fellen (2, , 29) entstehen, durch de das Wärmetauschermedium hindurcheithan ist.
15. Wärmetauschelement nach eine-rt oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger und das Rohr oder dergleichen jeweils aus rostfreiem Stahl bestehen.
1 Wärmetauschelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Flachseite des Trägers mindestens ein von einem Wärmetauschermedium durchströmtes Rohr oder dergleichen angeordnet ist.
17. T @@ etauschelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 und 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (12) als U-Profil ausgebildet ist
18. Wärmetauscherelement nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 und 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (12) als I-Profil ausgebildet ist.