DE2928893C2

DE2928893C2 - Senkrecht verlegter Erdkollektor für eine Wärmepumpenanlage

Info

Publication number: DE2928893C2
Application number: DE2928893A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. 7951 Erlenmoos Gerbert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-17
Filing date: 1979-07-17
Publication date: 1984-06-14
Also published as: ATA372780A; DE2928893A1; AT378260B; CH644682A5

Description

Die Erfindung betrifft einen Erdkollektor für eine Wärmcpunipcnanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Wärmepumpenanlagen dieser An dient der im Erdreich verlegte Erdkollektor da/u, die im Erdreich enthaltene Wärmeenergie mittels Wärmeübertragung auf das in den Rohren des Erdkollektors strömende Wärmeübertragungsmedium, beispielsweise Wasser, das mit Frostschutzmittel versetzt ist, zu übertragen, wobei dann diese der Wärmepumpe zugeführte Primärenergie durch in der Wärmepumpe mittels Verdichterarbeit erfolgende Zufuhr von Sekundärenergie auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und in dieser Form dem gewünschten Verbraucher, beispielsweise den Radialoren oder der Fußbodenheizung der Heizanlage eines Hauses, zugeführt wird.

Bei einem bekannten Erdkollektor der gattungsgemäßen Art (US-PS 41 06 555) ist der gravierende Nachteil gegeben, daß schon nach relativ kurzer Betriebszeit des in der Erde verlegten Erdkollektors Korrosionsprobleme auftreten, da die Kollektorrohre aus Metall, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Stahl oder dgl., bestehen, das naturgemäß im Erdreich schon nach kurzer Zeit korrodiert oder aber, um derartiges zu vermeiden, einer aufwendigen und letztlich unerwünscht teuren Oberflächenbehandlung bedarf.

Hinzu kommt außerdem, daß der bekannte Erdkollektor weder einen problemlosen Transport ermöglicht noch leicht und schnell verlegt werden kann, weil nämlieh das den Erdkollektor eigentlich bildende, aus metallener Trägerplatte und hieran befestigter Rohrschlange bestehende Gesamielement zwar als vorgefertigtes Element bezeichnet werden kann, jedoch tatsächlich noch nicht vollständig die zahlreichen Vorteile einer Vorfertigung zu nutzen erlaubt. Dies beruht z. B. darauf, daß das bekannte vorgefertigte, in der erwähnten Weise wenigstens aus Trägerplatte und Rohrschlange bestehende Element aufgrund des vorgesehenen Materials (Metall) derart starr und aufgrund der zwangsläufig erforderlichen Abmessungen derart sperrig ist, daß der Transport eines solchen Elementes besondere Vorkehrungen und Aufmerksamkeit erfordert, um ein derartiges Kollektorclement nicht schon beim Transport zu beschädigen. Auch erweist sich das geforderte leichte, schnelle Verlegen des bekannten Erdkollektors dann als unpraktikabel, ja sogar als unmöglich, wenn sich vor Ort ergibt, daß beispielsweise ein längerer oder kürzerer Erdkollektor gewünscht oder erforderlich ist, da in solch einem Fall weder die metallene Trägerplatte noch die hieran befestigten, das Wärmeübertragungsmedium führenden Rohre verlängert bzw. verkürzt werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, der Erdkollektor der gattungsgemäßen Art zur Beseitigung der geschilderten Nachteile derart auszugestalten, daß er nicht nur einen problemlosen Transport sowie ein leichtes, schnelles Verlegen in Anpassung an örtliche Gegebenheiten und Erfordernisse ermöglicht, sondern auch mit Sicherheit das Auftreten jeglicher Korrosionsprobleme verhindert.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen enthalten. Bei dem erfindungsgemäßen Erdkollektor gelangt als Material für die einzelnen Rohre anstelle eines korrosionsanfälligen Metalls ein biegsamer Kunststoff zur Anwendung, und es sind anstelle einer metallenen Trägerplaue speziell ausgebildete Distanzhalter für die Rohre, nämlich Tragleisten mit Federklammcrn. vorgesehen, wobei letztere die Rohre mit Drcipunktberührung umgreifen Aufgrund einer derartigen Ausbildung sind nicht nur jegliche Korrosionsprobleme — auch über eine längere Betriebszeit hinweg — beseitigt, sondern es sind auch aulicr der Fertigung sowohl der

Transport sowie das Verlegen außerordentlich erleichtert, da das vorgefertigte Gitterelement gleichsam in Form einer Kabelrolle aufgerollt, d. h. also außerordentlich platzsparend zur gewünschten Baustelle transportiert, erst dort vor Ort ausgerollt und auch erst vor Ort auf die gewünschte Länge abgeschnitten werden kann. Dies beinhaltet den entscheidenden Vorteil, daß der erfindungsgemäße Erdkollektor endlos vorgefertigt werden kann und nicht — wie beim bekannten Erdkollektor der Fall — in einer bestimmter. Normgröße bzw. Nornilänge gefertigt werden muß.

Von besonderer Bedeutung ist weiterhin, daß die Federklammern, welche die das Wärmeübertragungsmedium führenden Rohre in der gewünschten Position halten, mit den Tragleisten einstückig verbunden sind, d. h. also ebenfalls aus biegsamem bzw. elastischem Kunststoff bestehen, und die Rohre mit Dreipunktberührung umgreifen. Dadurch können die gesamten Distanzhalter (Tragleisten einschließlich Federklammen) nicht nur ebenfalls vorgefertigt und bei Wunsch auch vormontiert werden, sondern es beeinträchtigen die Federklammern aufgrund ihrer Dreipunktbcrührung mit den Rohren auch nicht de! en jeweiligen Wärmedehnungsausgleich.

Die platzsparende Ausbildung bzw. Anordnung des Erdkollektors gemäß der Erfindung wird noch weiter dadurch verstärkt, daß der Abstand zwischen den einzelnen übereinander parallel in vertikalem Abstand verlaufenden Rohren außerordentlich gering ist und maximal etwa das 7fache des Rohraußendurchniessers beträgt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem Rohre des Erdkollektors einen Außendurchmesser von 20 mm besitzen, ist hierbei der vertikale Abstand zwischen den Rohren des Gitterelememes zu 80 mm, entsprechend dem Vierfachen des Rohraußendutehmessers, gewählt.

Bevorzugt ist der Erdkollektor in dem ihn aufnehmenden Erdgraben genau vertikal angeordnet, jedoch kann es auch in Abhängigkeil von den jeweils vor Ort gegebenen unterschiedlichen Bedingungen sowie unter Berücksichtigung einschlägiger Vorschriften zweckmäßig sein, den Erdkollektor leicht geneigt, d. h. in einem Winkel von 10 bis 25° zur Vertikalen, anzuordnen. Dies empfiehlt sich immer dann, wenn der für den Erdkollektor auszuhebende Graben aus Sicherheitsgründen entweder abgestützt oder aber mit einer schräg verlaufenden beidseitigen Böschung versehen werden muß, wobei dann der Graben aus Gründen der Einfachheit mit in einem Winkel von bis zu 25° zur Vertikalen geneigten Wänden versehen und der Erdkollektor an eine dieser Grabenwände angelehnt, d. h. also ebenfalls in einem entsprechenden Winkel geneigt angeordnet wird. In diesem Fall werden die vorzugsweise an ihrem unteren Ende mit einer Spitze versehenen Distanzhal.er ins Erdreich geschlagen, um so den Erdkollektor standortmäßigzu fixieren.

Wenn der Erdkolleklor aus einem einzigen vorgefertigten Giltelelement mit gruppenweise zusammengefaßten Vorlauf- und Rücklaufrohren besteht, reicht es vollständig aus, den zu seiner Aufnahme dienenden Graben mit einer Breite von lediglich etwa 50 cm zu versehen. Es ist jedoch auch möglich, den Erdkollektor aus zwei gleich ausgebildeten, in horizontalem Abstand zueinander angeordneten Gitterelementen bestehen zu lassen, wobei es dann von Vorteil ist, wenn der horizontale Abstand zwischen den beiden Gitterelementen wenigstens etwa dem 50fachen Rohraußendurchmesser entspricht, so daB also beispielsweise bei einem Rohraußi-ndurchmesscr von 20 mm die Breite des Grabens etwa 1 m beträgt und die beiden Gitierelemente jeweils an eine Wand des Grabens angelehnt und die Distanzhallerenden in die Erde getrieben werden.

Aus Gründen einer optimalen energietechnischen Ausnutzung der Erdwärme empfiehlt es sich, die das wärmere Medium führende Gruppe der Vorlaufrohre, die am einen Ende des Erdkollektors über ein gemeinsames Umlenkverteilerrohr mit der Gruppe der Rücklaufrohre verbunden ist, unterhalb der Rücklaufrohrgruppe verlaufen zu lassen, wobei selbstverständlich je nach den bei der betreffenden Jahreszeit gegebenen Verhältnissen, d. h. den hierbei grundsätzlich unterschiedlichen Wärmegradientverläufen im Erdreich, auch eine Umschaltung derart möglich ist, daß die obere Rohrgruppe des Gitterelementes das Vorlaufmedium führt und dementsprechend das Rücklaufmedium die untere Rohrgruppe durchströmt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dies zeigt in

Fig. 1 schematisch den aufrechtstehend in einem Erdgraben angeordneten Erdkollektor in perspektivischer Darstellung und

Fi g. 2 im Schnitt gemäß Linie H-II nach Fig. 1;

F i g. 3 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel in Form eines aus s.wei Gitterelementen bestehenden Erdkollektors iiii Querschnitt und

Fig.4 in Draufsicht:

F i g. 5 schemalisch den Erdkollektor in Seitenansicht;

F i g. b in perspektivisch auseinandergezogener Darstellung die gesondert ausgebildeten Distanzhalter für die Rohre:

F i g. 7 im Längsschnitt einen ein Rohr mit Dreipunktberiihrung umgreifenden Distanzhalter und

Fig.8 ein abgewandeltes Ausführur.gsbeispiel der J5 Distanzhalter in Form einer einstückig, fortlaufend mit den Federklammern hergestellten Tragleiste mit einer unteren Befestigungsspitze.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, gelangi der dargestellte

Erdkollektor 1 in Verbindung mit einer Wärmepumpe 2 zur Anwendung, die in einem Haus 3 installiert ist und in der üblichen Weise dazu dient, die vom Erdkollektor 1 aufgefangene, als Primärencrgie dienende Erdwärme mittels Zufuhr von Sekundärenergie auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen, .im damit dann beispiels-

4") weise die Heizungsanlage 4 des Hauses 3 zu beschicken.

Wie insbesondere aus Fi g. 1, 2 und 5 ersichtlich, besteht der Erdkollektor 1 aus einem vorgefertigten Gitterelement. das beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus vierzehn übereinander parallel in geringem vertikaw lern Abstand verlaufenden biegsamen Kunststoffrohren 5 zusammengesetzt ist. wobei der vertikale Abstand zwischen den einzelnen Rohren 5 10 cm bei einem Rohraußendurchmesser von 2 cm beträgt.

Die beim dargestellten Ausführiingsbeispiel vorgese-5s hcnen vierzehn Rohre 5 des Erdkollektors 1, die sämtlich ein geeignetes Wärmeiibertragungsmedium, wie beispielsweise Wasser mit Frostschutzmittel, führen, sind zu einer Vorlauf- sowie Rücklaufgruppe zusammengefaßt, und zwar derart, daß die Gruppe der das Wärmeübertragungsmedium in Richtung des Pfeils a gemäß F i g. 1 führenden Vorlaufrohre 5a unterhalb der Gruppe der das Wärmeiibertragungsmedium in Richtung des Plcils b gemäß F i g. 1 führenden Rücklaufrohre 5b verlauf i.

in Die ein/einen Rohre 5 des Erdkollektors 1 sind untereinander in ihrem vertikalen /Vbstnnd durch Distanzhalter 6 gehalten, die ihrerseits in regelmäßigem horizontalem Abstand zueinander, beispielsweise in einem Ab-

stand von 2 m, angeordnet sind und mil einer verlängerten Spitze 18 fest ins Erdreich geschlagen werden können.

Um die erforderliche Verbindung zwischen den Vorlaufrohren 5a und den Riicklaufrohren 56 zu erreichen, sind sämtliche Rohre 5 des Erdkollektors 1 mit ihrem einen Ende gemeinsam an ein entsprechend groß dimensioniertes Umlenkverteilerrohr 7 angeschlossen, das in der üblichen Weise nicht näher dargestellte Stutzen zur Verbindung mit den entsprechenden Enden der Rohre 5 aufweist. Demgegenüber sind die anderen Enden der Rohre 5 an jeweils ein entsprechend groß dimensioniertes Verteilerrohr 8 bzw. 9 angeschlossen, und zwar derart, daß die Enden der Vorlaufrohre 5a in das Vorlaufveileilerrohr 8. die Enden der Rücklaufrohre 5b dagegen in das Rücklaufverteilerrohr 9 münden. Wie aus F i g. 1 und 5 ersichtlich, sind sowohl das Umlenkverteilerrohr 7 als auch die Vorlauf- und Rücklaufverteilerrohre 8,9 oberseitig mit einem Entlüftungsrohr 10 versehen.

Von wesentlicher Bedeutung ist, daß der Erdkolleklor 1 weitgehend aufrechtstehend angeordnet ist. Zu diesem Zweck ist der Erdkollektor 1 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 mittig in einem Graben 11 entsprechender Tiefe angeordnet, und zwar genau vertikalstehend, wobei es jedoch selbstverständlich auch möglich ist, den Erdkollektor 1 gegen eine der Wände 12 des Grabens 11 zu lehnen, bevor der Graben 11 zugeschüttet wird. Da in diesem Fall die Grabenwände 12 aus Sicherheitsgründen mit einer Böschungsneigung von etwa 10 bis 25° zur Vertikalen versehen wurden, ist dann demgemäß auch der Erdkollektor 1 mit einem entsprechenden Neigungswinkel in der Erde verlegt. Wie schon dargelegt, reicht es bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 vollständig aus den Graben 11 mit einer mittleren Breite von etwa 50 cm zu versehen, wenn der Außendurchmesser der Rohre 5 2 cm beträgt.

Demgegenüber besteht bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 und 4 der Erdkollektor aus zwei gleich ausgebildeten, in horizontalem Abstand zueinander angeordneten Gitterelementen 1', die derart angeordnet sind, daß sie entsprechend dem Böschungswinkel der Seitenwändc 12'des Grabens 11' in einem Winkel λ von 10 bis 25° zur Vertikalen geneigt und jeweils an die Grabenseitenwände 12' angelehnt sind. Die mittlere Breite c des Grabens 11' beträgt hierbei ca. 1 m bei einem Außendurchmesser der einzelnen Rohre 5 der Gitterelemente Γ von 2 cm, was mit anderen Worten bedeutet, daß die Breite c des G rabens 1Γ dem 50fachen Rohraußendurchmesser entspricht.

Wie aus F i g. 6 und 7 ersichtlich, weisen die einzelnen Distanzhalter 6 für die Rohre 5 des Erdkollektors 1 bzw. Γ Federklammern 13 auf, die aus biegsamem Kunststoff geformt und einstückig mit entsprechenden Tragleisten 14 ausgebildet sind, an denen sie oberseitig mittels eines außermittig angeordneten Fußes 15 vorgesehen sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 6 weisen die einzelnen, die Federklammern 13 tragenden Tragleisten 14 eine solche Länge auf. daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Federklammern 13 bei aneinander- m> gereihten Tragleisten 14 dem Abstand zwischen zwei Längsachsen benachbarter Erdkollektorrohre 5 entspricht. Die beiden Schenkel jeder Federklammer sind in der aus Fig. 6 und 7 ersichtlichen Weise derart geformt, daß sie jeweils ein Rohr 5 unter Dreipunktbe- b5 rührung umgreifen, wobei, wie aus F i g. 7 ersichtlich, die drei Berührungspunkte d c und / einerseits an der gemeinsamen inneren Verbindungsstelle der beiden Fcderklammcrschenkel und andererseits jeweils innenseitig an deren oberem freien Ende liegen.

Zur Versteifung der einzelnen biegsamen Tragleisten 14 der Distanzhalter 6 ist eine starre Stützschiene 16,

·> beispielsweise aus Metall oder aber aus entsprechendem starren Kunststoff, vorgesehen, die querschnittlich U-förmig mit zusätzlich nochmals abgebogenen Schenkeln 17 ausgebildet ist und demgemäß die einzelnen Tragleisten 14 dann, wenn diese in den Hohlquerschnitt

ι» der Stützschiene 16 eingeschoben sind, in ausreichender Weise versteift.

Bei dem abgewandelten Ausführungsbcispiel gemäß Fig.8 sind demgegenüber die einzelnen Fedcrklammcrn 13 der Distanzhalter 6 gemeinsam einstückig mit

1.5 einer fortlaufend hergestellten Tragleiste 14' ausgeformt, die dann als Einheit, ähnlich wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform, in den Hohlquerschniti der starren Stützschiene 16 eingeschoben ist.
Wie aus Fig. 8 ersichtlich, ist bei diesem Ausfülirungsbeispiel die Stützschiene an ihrem unteren Ende verlängert und mit einer Spitze 18 verschen, damit die Stützschiene 16 in die Erde gerammt und somit der betreffende Distanzhalter 6 im Erdboden lest verankert werden kann. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß der gesamte Erdkollektor 1 auch während der Montage und während des Z-ischüttens des Grabens 11 bzw. 11' fest steht.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Erdkollektor für eine Wärmepumpenanlage, der weitgehend aufrecht stehend mit übereinander paralle! in geringem vertikalem Abstand verlaufenden, ein Wärmeübertragungsmedium führenden Rohren angeordnet ist und aus wenigstens einem vorgefertigten Element in Form gruppenweise zusammengefaßter Vorlauf- und Rücklaufrohre besteht, die durch Distanzhalter im Abstand gehalten und mit ihrem einen Ende an ein jeweils zugeordnetes Vorlaufbzw. Rücklaufverteilerrohr sowie mit ihrem anderen Ende gsmeinsame an ein Umlenkverteilerrohr angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (5) aus biegsamem Kunststoff bestehen und gitterförmig zu den vorgefertigten Elementen (1, t') zusammengefaßt sind, daß die Distanzhalter (6) für die Rohre (5) aus in horizontalem Abstand zueinander angeordneten versteiften Tragleisten (14,14') mit hieran auf einer Breitseite in einem dem Abstand zwischen zwei Rohrlängsachsen entsprechenden Abstand vorgesehenen Federklammern (13) bestehen, die mit den Tragleisten (14, 14') einstückig verbunden und derart ausgebildet sind, daß sie die Rohre (5) mit Dreipunktberührung (d, e, f) umgreifen.

2. Erdkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der horizontale Abstand zwischen den Distanzhaltertragleisten (14,14') etwa 2 m beträgt

3. Erdkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Tragleisten (14, 14') einschließlich ihrer Fedcrklamniern (13) aus biegsamem Kunststoff bestehen und durch starre Stützschienen (16) versteift sind, die profilförmig ausgebildet sind und mit ihren Profilschenkeln die jeweilige Tragleiste (14,14') beidseits umgreifen.

4. Erdkollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschienen (16) mit einer verlängerten Spitze (18) zum Befestigen in der Erde versehen sind.

5. Erdkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Winkel von bis zu etwa 25° zur Vertikalen geneigt angeordnet ist.

6. Erdkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei gleich ausgebildeten, in horizontalem Abstand zueinander angeordneten Gitterelementen (1') besteht.

7. Erdkollektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere horizontale Abstand (c) zwischen den beiden Gitterelementen (V) wenigstens etwa dem 50fachen Rohraußendurchmesser entspricht.

8. Erdkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Abstand zwischen den Rohren (5) des Gitterclemcntes (1, V) etwa das 3- bis 7fache des Rohraußendurchmessers beträgt.

6H