DE3003007C2

DE3003007C2 - Verfahren zum Speichern von Niedertemperaturwärme im Erdreich

Info

Publication number: DE3003007C2
Application number: DE3003007A
Authority: DE
Inventors: Franz Karl 8500 Nürnberg Krieb
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-01-29
Filing date: 1980-01-29
Publication date: 1983-10-27
Also published as: DE3003007A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Speichern von Niedertemperaturwärme im Erdbereich, bei dem Wärme über mindestens eine in einem geschlossenen Kreislauf fließende Trägerflüssigkeit dem Erdreich in einer Tiefbohrung zugeführt und die im Erdreich gespeicherte Wärme bei der Entnahme über die Trägerflüssigkeit dem Erdreich wieder entzogen wird.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegrif ts von Anspruch 3.

Nach einem bekannten Verfahren werden vertikale Bohrungen in das Erdreich eingebracht und diese von einem geschlossenen Flüssigkeitskreislauf durchströmt Der obere Teil der Bohrung ist dabei mit Isoliermaterial versehen, um eine Ableitung von Speicherwärme über die Erdoberfläche, hervorgerufen durch die in tieferen Schichten entstehende Temperaturschwankung, zu vermeiden. Die dem Erdreich zugeführte Wärme wird bei Bedarf über den Flüssigkeitskreislauf unmittelbar auf Radiatoren übertragen, welche Wärme in den zu beheizenden Raum abstrahlen (DE-OS 27 48 727).

Mit einem derartigen Verfahren lassen sich zwar größere Wärmemengen für den Heizbedarf von Einfamilienhäusern speichern, jedoch reicht die Speicherwärme nicht für die Beheizung von Mehrfamilien- und insbesondere Hochhäusern, da hier das Verhältnis von zur Verfügung stehender Grundfläche und Wärmebedarf nicht mehr relevant ist

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, IJmgebungswärme wie z. B. Sonnenenergie in ausreichendem Maß für die Beheizung großer Wohneinheiten, welche auf kleinen Grundflächen errichtet sind, zu speichern.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zum Speichern von Wärme die Wärme zunächst von der Trägerflüssigkeit auf ein Speichermedium übertragen und dann von dem Speichermedium in das umgebende Erdreich geleitet wird, und daß bei der Entnahme von Wärme aus dem Erdreich Wärme zunächst an das Speichermedium und anschließend von dem Speichermedium an die Trägerflüssigkeit abgegeben wird, wobei das Spexhermedium bei der Wärmeaufnahme vom festen in den flüssigen und bei der Wärmeabgabe vom flüssigen in den festen Zustand übergeht und die Erstarrungstemperatur der Trägerflüssigkeit unterhalb der des Speichermediums liegt

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung isi darin zu sehen, daß als Speichermedium Wasser verwendet wird.

Durch die Verwendung von Wasser als Speichermedium mit seiner großen Latentwärme beim Phasenwechsel wird das zur Speicherung notwendige Erdvolumen drastisch reduziert.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 3 gelöst.

Durch die spezielle konstruktive Ausbildung des Speicherbehälters wird erst der Phasenübergang von flüssig zu fest ermöglicht, der bei Wasser bekanntlich mit einer Volumenzunahme einhergeht, wobei sich der erfindungsgemäße Speicherbehälter auf Grund seiner Oberflächengestaltung und der Art der Einbettung in das umgebende Erdreich frei verformen kann.

Die Entnahme der Wärme soll durch Anschluß von Wärmeübertragungsleitungen z. B. an die Kaltseite eines Wärmepumpenprozesses durchgeführt werden.

Bei direkter Versorgung des Vorlaufs von Heizanlagen mit Wärme ist ein sehr hohes Speichervolumen erforderlich. Bei Wärmezufuhr an die Kaltseite eines Wärmepumpenprozesses soll dagegen der erheblich höhere Anteil der Niedertemperaturwärme, die im

Erdreich gespeichert werden kann, und zusätzlich die Latentwärme des Speichermediums nutzbar gemacht werden.

Durch diese Kombination wird das erforderliche Speichervolumen und die dafür notwendige Grundfläehe beträchtlich reduziert, und die Beheizung von großen Gebäuden mit kleiner Grundfläche wie z. B. Hochhäusern möglich gemacht

Weitere vorteilhafte Ausbildungen können den nachfolgenden Unteransprüchen 4 bis 6 entnommen to werden.

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

F i g. 1 einen Längsschnitt gemäß der Linie I-I von Fig.3 durch einen Speicherbehälter mit U-förmiger Wärmeübertragungsleitung,

F i g. 2 einen Längsschnitt gemäß der Linie U-II von F i g. 1 mit Zufuhr einer Trägerflüssigkeit und einem im Speichermedium versenkten Sumpfbehältc/,

Fig.3 einen Querschnitt längs der Linie HI-III von F i g. 1 durch den Speicherbehälter mit gewellter Mantelfläche und Hinterfüllung mit lockerem Baumaterial,

Fig.4 eine schematische Darstellung mit Wärmeübertragungsleitungen,

F i g. 5 einen Längsschnitt gemäß der Linie V-V nach F i g. 7 durch den Speicherbehälter mit mehreren parallel geschalteten Wärmeübertragungsleitungen,

Fig.6 einen Längsschnitt gemäß der Linie VI-VI nach F i g. 5 durch den Speicherbehälter,

Fig.7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII nach F i g. 5 mit einem Verteiler,

Fig.8 einen Längsschnitt gemäß der Linie VIII-VIII nach Fig. 10 durch den Speicherbehälter mit drei wendeiförmigen Wärmeübertragungsleitungen,

Fig.9 einen Längsschnitt gemäß der Linie IX-IX nach Fig.8 mit einem Sumpfbehälter und einem Mittelrohr,

F i g. 10 einen Querschnitt gemäß der Linie X-X nach F i g. 8 durch den Speicherbehälter mit dem umgebenden Erdreich.

Ein Speicherbehälter 1 mit gewellter Mantelfläche ist in einer Tiefbohrung im Erdreich 7 angeordnet Der mit einem Deckel 4 und einem Behälterboden 13 geschlossene Raum des Speicherbehälters 1 ist bis zu einer Tiefe Fz. B. mit Wasser als Speichermedium 3 gefüllt.

Eine Wärmeübertragungsleitung 2a ist für eine Trägerflüssigkeil 5a ohne nennenswerte Verunreinigungen vorgesehen.

Eine Wärmeübertragungsleitung 2b, z. B. ein Schlauch, ist für eine Trägerflüssigkeit 5b mit Verunreinigungen wie z. B. Grundwasser vorgesehen und an ihrer tiefsten Stelle an einen Sumpfbehälter 6b angeschlossen.

Bei Wärmezufuhr werden die Wärmeübertragungsleitungen 2a, 2b an je eine Wärmequelle angeschlossen. In so gebildeten geschlossenen Kreisläufen werden die Trägerflüssigkeiten 5a, 5b umgewälzt. Dadurch wird die Wärme zunächst von der Trägerflüssigkeit 5a, 5b auf das Speichermedium 3 übertragen.

Durch die wärmeleitenden Wände des Speicherbehäl- ^Μ ters 1 und des Behälterbodens 13 wird die Wärme in das umgebende Erdreich 7 geleitet, sobald die Temperatur des Speichermediums 3 höher liegt als die des Erdreichs 7. Auf diese Weise wird das durch die große Tiefe T erreichbare entsprechend große Volumen des Erdreichs 7 zur Speicherung von Wärme mit herangezogen. Bei der Entnahme der Wärme wird der Prozeß umgekehrt.

Die Wärmeübertragungsleitungen 2a, 2b werden

35 durch Umsteuern der Ventile z. B. an die Kaltseite eines Wärmepumpenprozesses angeschlossen.

Durch den Betrieb der Wärmepumpe und Umwälzen der Trägerflüssigkeit 5a, 56 wird im so gebildeten geschlossenen Kreislauf dem Speichermedium 3 Wärme entnommen.

Sobald die Temperatur des Speichermediums 3 niedriger ist als die des umgebenden Erdreichs 7 wird Wärme vom Erdreich 7 über die wärmeleitenden Wände des Speicherbehälters 1 und des Behälterbodens 13 zum Speichermedium 3 abgegeben. Falls die Entnahme der Wärme fortgesetzt wird bis zur Erstarrungstemperatur des Speichermediums 3 wird dessen Latentwärme auch nutzbar gemacht Dazu ist die Verwendung von Trägerflüssigkeit 5a notwendig, deren Erstarrungstemperatur unterhalb der des Speichermediums 3 liegt

Bei der Abgabe der Latentwärme des Speichermediums 3 wird diese vom flüssigen in den festen Zustand übergehen und dabei sein Volumen vergrößern. Dadurch wird ein Druck auf die Innenfläche des Speicherbehälters I entstehen. Um das Zerstören des Speicherbehälters 1 durch Platzen zu vermeiden, ist dessen Mantelfläche in Umfangsricbtung gewellt ausgeführt Die Wellen der Mantelfläche verkleinern sich unter Druck von innen und vergrößern so den Querschnitt des Speicherbehälters 1. Da die Verformung des Speicherbehälters 1 im elastischen Bereich des verwendeten Materials bleibt, kann der Übergang des Speichermediums 3 vom flüssigen in den festen und vom festen in den flüssigen Zustand beliebig wiederholt werden.

Zur Vergrößerung der aktiven Fläche der Wärmeübertragungsleitung 2a sind Rippen U an deren Außenfläche angebracht Der Speicherbehälter 1 mit Behälterboden 13 ist bis über den Spiegel Z des Speichermediums 3 wasserdicht ausgeführt und sorgt dafür, daß selbst bei Austritt von Trägerflüssigkeit 5a, 5b aus den Wärmeübertragungsleitungen 2a bis 2g die Umwelt, insbesondere das Grundwasser gegen Verunreinigungen geschützt wird.

Falls eine Bepflanzung der Erdoberfläche O über dem Speicherbehälter 1 erfolgt, liegt die Oberkante des Deckels 4 auf einer Tiefe Vunterhalb der Erdoberfläche O.

Durch Veränderung der Tiefe F, bis zu der Speichermedium 3 eingefüllt wird, ist es möglich, die oberen Schichten des Erdreichs vor unerwünschter Abkühlung zu schützen. Damit soll die Abkühlung der Wurzeln der über dem Speicherbehälter 3 befindlichen Pflanzen vermieden werden.

Der Raum zwischen der gewellten Mantelfläche des Speicherbehälters 1 und der Tiefbohrung im Erdreich 7 ist mit lockerem Baumaterial 8 aufgefüllt

Gemäß F i g. 5 bis 7 wird die Wärme über mehrere parallel geschaltete Wärmeübertragungsleitungen 2c zugeführt, die an ihren beiden Enden an je einem Verteiler 10 angeschlossen sind.

Gemäß Fig.8 bis 10 sind drei wendeiförmige Wärmeübertragungsleitungen 2e, 2f, 2g an einem Mittelrohr 12 befestigt und zusammen mit diesem zwecks Wartung herausziehbar.

Ein ebenfalls am Mittelrohr 12 befestigter Sumpfbehälter 6a ist an der tiefsten Stelle der Wärmeübertragungsleitung 2g angeordnet.

Die wendeiförmigen Wärmeübertragungsleitungen 2e, 2/sind zweigängig mit Steigung S gewickelt.

In diesem Beispiel sind der Deckel 4 und die

Erdoberfläche O auf gleicher Höhe.

Mit einer Wärmedämmplatte 9 soll die Einflußnahme auf die Umgebung vermindert werden.

Die voneinander getrennten Wärmeübertragungsleitungen 2e bis 2g bieten die Möglichkeit, Trägerflüssigkeiten 5a, 5b unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und unterschiedlichen Reinheitsgrades zu verwenden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Verfahren zum Speichern von Niedertemperaturwärmt, im Erdreich, bei dem Wärme Ober mindestens eine in einem geschlossenen Kreislauf fließende Trägerflüssigkeit dem Erdreich in einer Tiefbohrung zugeführt und die im.Erdreich gespeicherte Wärme bei der Entnahme über die Trägerflüssigkeit dem Erdreich wieder entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Speiehern von Wärme die Wärme zunächst von der Trägerflüssigkeit (5a, 5b) auf ein Speichermedium (3) übertragen und dann von dem Speichermedium (3) in das umgebende Erdreich (7) geleitet wird, und daß bei der Entnahme von Wärme aus dem Erdreich (7) Wärme zunächst an das Speichermedium (3) und anschließend von dem Speichermedium (3) an die Trägerflüssigkeit (5a, 5b) abgegeben wird, wobei das Speichermedium (3) bei der Wärmeaufnahme vom festen in den flüssigen und bei der Wärmeaufnahme vom flüssigen in den festen Zustand übergeht und die Erstarrungstemperatur der Trägerflüssigkeit (5a, 5b) unterhalb der des Speichermediums (3) liegt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermedium (3) Wasser verwendet wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem in einer Tiefbohrung angeordneten, geschlossenen zylindrischen Raum, der einen Zu- und einen Abfluß an seinem oberen Ende für die Trägerflüssigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet daß der Raum als ein mit einem Speichermedium (3) gefüllter Speicherbehälter (1) ausgebildet ist, dessen Mantelfläche in Umfangsrichtung gewellt ausgeführt ist, wobei der zwischen der gewellten Mantelfläche und der Tiefbohrung verbleibende Raum mit lockerem Baumaterial (8) ausgefüllt ist, und daß der Zu- und der Abfluß mit mindestens einer in das Speichermedium (3) eintauchenden und über annähernd die Länge des Speicherbehälters (1) verlaufenden U-förmigen Wärmeübertragungsleitung (2a, 2c) verbunden sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (1) mehrere voneinander getrennte Wärmeübertragungsleitungen (2a, 2b bzw. 2e bis Ig) für verschiedene Trägerflüssigkeiten aufweist
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsleitungen (2e bis 2g) wendelförmig um ein längs der Achse des Speicherbehälters (1) angeordnetes Mittelrohr (12) befestigt sind, wobei das Mittelrohr (12) mit den Wärmeübertragungsleitungen (2e bis 2g) zur Wartung aus dem Speicherbehälter (1) herausziehbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Wärmeübertragungsleitungen (2b bzw. 2g) an ihrer tiefsten Stelle im Speicherbehälter (1) einen Sumpfbehälter (6a bzw. 6b) zum Abscheiden von Verunreinigungen aufweist.