DE3009990A1

DE3009990A1 - Verfahren und anordnung zur gewinnung von waerme, bspw. zu heizzwecken

Info

Publication number: DE3009990A1
Application number: DE19803009990
Authority: DE
Inventors: Antrag Auf Nichtnennung
Original assignee: IND PLANUNG KLAUS HERMANUSSEN
Current assignee: IND PLANUNG KLAUS HERMANUSSEN
Priority date: 1980-03-13
Filing date: 1980-03-13
Publication date: 1981-10-08

Description

Industrie planung Klaus Hermanussen & Partner GmbH,
Buchtstraße 6, 2000 Hamburg 76

Verfahren und Anordnung zur Gewinnung von Wärme, beispielsweise zu Heizzwecken

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung
zur Gewinnung von Wärme, beispielweise zu Heizzwecken,
mit Hilfe eines natürlichen Wärmespeichers, insbesondere eines Grundwasser- haltigen oder -führenden Erdbodenspeichers, dem die in ihm gespeicherte Wärme in einem Entladeprozeß mittels eines fließfähigen Mediums oder Fluids entnommen wird.

Stand der Technik

Es ist allgemein bekannt, daß die in natürlichen Wärme-Wasserspei ehern, insbesondere die im Boden und im Grundwasser enthaltene Wärmeenergie, durch Anwendung des Prinzips einer Wärmepumpe, d.h. durch Anhebung des Temperaturniveaus, für Heizzwecke nutzbar gemacht werden kann. Der praktischen Anwendung dieses Prinzips sind häufig dadurch Grenzen gesetzt, daß das im Boden vorhandene Grundwasser stagniert und die verfügbare Wärmemenge auf Werte begrenzt ist, die für eine erwünschte Heizleistung, z.B. gemessen an der Dauer einer Heizperiode, nicht ausreichen. Auch die genutzten Wärmemengen stehender Gewässer oder solcher, die eine geringe Strömung aufweisen, sind von naturgegebenen Faktoren abhängig.

Es 1st also bekannt, bestimmten in der Natur vorhandenen Wasserbereichen oder -gebieten Wärme zu entziehen. Dabei ist man von Wärmeinhalten abhängig, die - z.B. auf die Dauer

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einer Heizperiode bezogen - nicht mit der erforderlichen Genauigkeit absehbar und mehr oder weniger zufällig aufgrund naturgegebener Bedingungen, z.B. klimatischer und geologischer Verhältnisse, in den Wasserbereichen gespeichert sind. In der Regel ist die zur Verfügung stehende Wärmeenergie geringer als die, die im ganzen aufgrund der Wärmekapazität eines Wassergebietes gespeichert werden könnte. Es bleibt also offen₇ mit welchen Wärmeenergien bei einer Nutzung zu rechnen ist. Unter besonders ungünstigen natürlichen Bedingungen ist die in einem natürlichen Wärme-Wasserspeicher gespeicherte Wärmeenergie über eine Zeitperiode betrachtet so gering, daß diese Wärmeleistung für eine Nutzung unbefriedigend bleiben wird. Auch ist der Wärmeinhalt eines unbeeinflußten natürlichen Wärme-Wasserspeichers meist so klein, daß ein negatives Temperaturgefälle zwischen Wärmeabnahmestellen und einem Speicherwasserkörper nicht groß genug ist, um dem Speicher Wärme durch Wärmetausch ohne eine Wärmepumpe zu entziehen.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, Wärmemengen unter optimaler Ausnutzung vcn gegebenen Temperaturverhältnissen in natürlichen Wärme-Wasserspeichern, insbesondere in Grundwasser-Bodenspeichern, gezielt speichern und die gespeicherte Wärme für Heizzwecke entnehmen zu können.

Lösung und Vorteile

Diese. Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Entladeprozeß mit einem Aufladeprozeß kombiniert wird, in dem dem fließfähigen Medium oder Fluid außerhalb des natürlichen Wärmespeichers Wärme, insbesondere Sonnenwärme, in wiederholbaren Zyklen zugeführt und mittels des Fluids in den natürlichen Speicher eingebracht sowie in diesem gespeichert wird.

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Die Aufgabe wird weiterhin mit einer Anordnung zur Gewinnung von Wärme, beispielsweise zu Heizzwecken, mit Hilfe eines natürlichen Wärmespeichers, insbesondere eines Grundwasserhaltigen oder -führenden Erdbodenspeichers, mit jeweils mindestens einer Entnahme- oder Quellstation für ein Hutzungswärme beinhaltenes Fluid aus dem Wärmespeicher, einem Förderaggregat, einem Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme aus dem Fluid an einen Verbraucher, einer Rückleitungs- oder Senkstation für das Fluid zu dem Wärmespeicher und einem diese Elemente verbindenen Rohrleitungssystem dadurch gelöst, daß das Rohrleitungssystem mit mindestens einer Quellstation und mindestens einer Senkstation sowie dem Wärmespeicher einen Kreislauf für das Fluid aufbaut, wobei in dem Kreislauf zwischen Quell-und Se'-.kstation mindestens ein Wärmekollektor für Aufladebetrieb angeordnet ist, der von dem Wärmetauscher für Entladebetrieb getrennt geschaltet ist.

Mit der Erfindung erzielbare Vorteile liegen vor allem darin, daß durch eine Speicherung von Wärme, d.h. durch eine Anhebung der Temperaturen in natürlichen Speichersystemen, insbesondere in stagnierenden Gewässern, aber auch sogar in Gewässern mit einer geringen Strömung, insbesondere in Grundwasser-Bodengebieten, ein Höchstmaß an Wärmeenergie in einem natürlichen Wärmespeicher gespeichert und eine große Speicherleistung mit hohem Wirkungs- und liutzgrad in einfacher und wirtschaftlicher Weise erzielt werden kann. Der Wärmeinhalt eines dermaßen betriebenen natürlichen Wärmespeichers ist berechenbar und läßt sich hinsichtlich des Wärmebedarfes eines Verbrauchers einrichten.

Es wird nicht nur die ohnehin in einem natürlichen Wärmespeicher vorhandene Wärmemenge genutzt, sondern es wird vor allem einerseits die während warmer Jahreszeiten in der Luft zur Verfügung stehende Wärme und die Wärme-

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strahlung genutzt, und andererseits ist es sogar möglich, Abwärme aus dem Haushalt oder technischen Prozessen zu nutzen, indem Wärme solcher Wärmequellen in dem natürlichen Wärmespeicher ggf. zusätzlich gespeichert und die gesamte kombinatorisch gewonnene und gespeicherte Wärme im Bedarfsfall genutzt werden kann.

Die Erfindung ermöglicht, daß positive bzw. negative Temperaturgefälle zwischen dem Wärmekollektor bzw. dem Wärmetauscher und dem Wärmespeicherkörper für einen besonders günstigen Wärmetausch verwendet werden können.

Das Verfahren und die Anordnung nach der Erfindung ermöglichen es, daß man mit kostenlos zur Verfügung stehenden Wärmequellen arbeiten und auf an sich bekannte Mittel zurückgreifen kann, die einfach sind, die sich bewährt haben und zu einem problemlosen Aufbau beitragen.

Es ist möglich, daß - über längere Abschnitte des Jahres betrachtet - in Oberflächennähe eine geringe Anhebung der Bodentemperaturen im Bereich eines natürlichen Wärme-Grundwasser Speichers eintritt. Dieser Nebeneffekt ist geeignet, an solchen Oberflächen eine Verbesserung des Pflanzenwachstums zu bewirken.

Weiterbildungen der Erfindung

In besonders vorteilhafter Weise kann als Fluid in der Natur vorhandenes Wasser wie Grundwaaser oder Wasser stehender Gewässer verwendet werden, das seiner natürlichen Umgebung für den Aufladeprozeß an mindestens einer. Auflade-Quellstation entnommen, dem mittels eines Auflade-Wärmetauschers atmosphärische Wärme wie Sonnenstrahlung oder Umluft zugeführt und das anschließend in seine natürliche Umgebung an mindestens einer Auflade-Senkstation zurückgeleitet wird, während im Entladeprozeß das Wasser dem Speicher an mindestens einer Entlade-Quellstation entnommen, ihm in einem

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Entlade-Wärmetauscher die Wärme entzogen und es anschließend über mindestens eine Entlade-Senkstation in seine natürliche Umgebung zurückgeleitet wird. Solche Wärme-Wasserspeicher stehen in großer Zahl in der Natur zur Verfügung, so daß eine Verwendung dieser vorhandenen Grundwassergebiete besonders einfach, zweckmäßig und wirtschaftlich ist. Ein solcher Verfahrensablauf zeichnet sich durch einen in sich geschlossenen Prozeß· aus. Durch derart geschlossene Verfahren bzw. Systeme ist das in der Anordnung und dem Speicher befindliche Wasser unter Luftabschluß gehalten, und es wird das Prinzip kommunizierender Röhren ausgenutzt. Damit kann einerseits eine Oxydation der in dem Systemwasser befindlichen Stoffe bzw. deren Ausfällung vermieden und die Gefahr einer Verschmutzung und Verstopfung von Bauteilen der Anordnung eingeschränkt werden. Auch ist auf diese Weise ein Eindringen von Verunreinigungen oder Fremdstoffen in das Grundwasser weitgehend ausgeschlossen, so daß von dieser Seite her eine Beeinflussung des Bodenwasser-Gebietes vermieden werden kann. Andererseits kommt man mit geringen Wasser-Förderleistungen aus, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens vergrößert ist.

Besonders zweckmäßig ist es, die Auflade-Quell- und Senkstationen und die Entlade-Quell- und -Senkstationen für den Auflade- und den Entladeprozeß im ümkehrbetrieb zu schalten und zu verwenden. Im Bereich von Einleitstellen des warmen Fluids bildet sich gegenüber anderen Speicherbereichen während des Wärmeaufladens eine hohe Konzentration der Wärme, d.h. ein Temperaturfeld hoher Konzentration aus. Deshalb werden die Senkstationen für das Wärmeaufladen zweckmäßig als Quellstationen beim Wärmeentladen geschaltet, so daß unmittelbar Fluid mit der höchsten zur Verfugung stehenden Temperatur entnommen werden kann. Durch eine Betriebsumkehr des in sich geschlossenen Kreissystems bei einem Wechsel zwischen Auflade- und Entladeprozeß kann man

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weitere technische Vorteile nutzen. Die Umkehrung der Flußrichtung in dem geschlossenen System - insbesondere bei Verwendung von Wasser als Fluid für einen direkten Auflade- und Entladebetrieb - sorgt dafür, daß die darin befindlichen Bauteile, wie z.B. Rohre, Filter und Pumpen, freigespült werden. Verstopfungen innerhalb des Systems sowie den Förderstrom beeinträchtigende Ablagerungen können also weitgehend vermieden werden, wodurch ebenfalls die Förderenergien klein gehalten werden können. Die beschriebene Schaltungsart der Speicheranschlußstellen kann also für eine erhöhte Wirtschaftlichkeit, Betriebszuverlässigkeit und Lebensdauer aller für das Verfahren eingesetzten Bauteile sorgen.

Im Idealfall kann sich beim Wärraeaufladen eines im wesentlichen gleichmäßig ausgebildeten Speichers, z.B. bei Vorhandensein von stagnierendem Wasser, ein zu einer Wärme-Senkstation zentral-symmetrisches Temperaturfeld aufbauen, obwohl die Entwicklung im Temperaturaufbau in aller Regel ohne äußere Beeinflussung exzentrisch verlaufen wird. Derartige Temperaturentwicklungen können z.B. infolge unterschiedlicher Durchlässigkeiten von Bodenschichten oder durch geringe seitliche Verdriftung-eines Grundwasserkörpers auftreten. Um aber dennoch ein Wärmespeichergebiet mit im wesentlichen gleichmäßiger Temperaturstruktur zu erhalten, können die Fluiddurchsätze der als Speicheranschlüsse vorgesehenen Quell- und Senkstationen für Auflade- und Entladeprozeß in Abhängigkeit von den Wärme- und Strömungsverhältnissen im natürlichen Wärmespeicher durch Steuerung und/oder räumliche Anpassung ausgelegt werden.

Den Aufbau eines zu einer zentralen Auflade-Senkstation im wesentlichen konzentrischen Temperaturfeldes, kann man dadurch erreichen, daß im Aufladeprozeß das Fluid dem Wärmespeicher über die Auflade-Quellstationen in peripheren Bereichen entnommen und ihm im wesentlichen zentral über eine Auflade-Senkstation wieder zugeführt wird, während

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im Entladeprozeß das Fluid dem Wärmespeicher im wesentlichen zentral über die jetzt als Entlade-Quellstation geschaltete bzw. gesteuerte Auflade-Senkstation entnommen und nach Wärmeabgabe in gegenüber dem Aufladeprozeß entsprechend umgekehrter Weise im wesentlichen peripher in den Wärmespeicher zurückgeleitet wird, wobei im Zuge der Entladung das Temperaturfeld natürlich in entsprechender Weise im wesentlichen konzentrisch abgebaut werden kann. Dabei können die peripheren Anschlußstellen praktisch auf einem Kreis liegen. So weist das aus dem Zentrum des Speichers entnommene Wasser die höchste Temperatur auf. Der Wärmespeicher wird bei dieser Verfahrensweise besonders wirtschaftlich und wirksam betrieben.

In sehr vorteilhafter Weise kann ein zwischen mindestens zwei Auflade-Quellstationen oder zwei Entlade-Senkstationen entstehendes Temperaturgefälle im Wärmespeicher gemessen und der erhaltene Meßwert zur Steuerung des Wassermengendurchsatzes an diesen Stationen verwendet werden. So kann selbst eine etwaige Verdriftungstendenz des Speichermediums kompensiert werden, so daß man weiterhin das Verfahren mit besonders einfach angeordneten Speicheranschlußstellen in Form der Quell- und Senkstationen durchführen und überdies dennoch mit einer im wesentlichen zentralsymmetrischen Temperaturfeldstruktur· arbeiten kann. Dabei wird im wesentlichen eine Entwicklung des Temperaturfeldes an den peripheren Anschlußstellen durch einen Vergleich der Wassertemperaturen an diesen Stellen festgestellt, und es kann bei bezüglich einer zentralen Anschlußstelle exzentrischer Entwicklung im Temperaturaufbau durch entsprechendes Gegensteuern der Wassermengenbeaufschlagung für die peripheren Anschlußstellen ein Ausgleich zur Erzielung eines im wesentlichen konzentrischen Temperaturfelde:3 erreicht werden.

Grundsätzlich können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren natürliche Wärme-Speicher der verschiedensten Größen wärmebe-

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und -entladen werden. Es ist aber wirtschaftlich und besonders zweckmäßig, daß der Wärmeinhalt des Wärme-Speichers jeweils entprechend dem Wärmebedarf eines Verbrauchers und angepaßt an die klimatischen und geologischen Verhältnisse eines Betriebsortes, z.B. eines Grundstückes eines Wohnhauses, genutzt werden kann.

Bei der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Gewinnung von Wärme, wie sie erfindungsgemäß vorgeschlagen und bereits oben beschrieben ist, können zweckmäßig die Quellstationen und Senkstationen mit in ihrer Durchsatzmenge steuerbaren Förderaggregaten ausgerüstet sein. Auf diese Weise kann man den Auf- bzw. Abbau einer Speicher-Temperaturstruktur spezifisch beeinflussen, z.B. hinsichtlich einer Anpassung an einen gewünschten Bedarf und/oder an naturgegebene Bedingungen. Auch können die Förderaggregate in ihrer Förderrichtung umschaltbar sein. Eine Anordnung mit steuerbaren und/oder umschaltbaren Förderaggregaten ist nicht nur im Aufbau einfach, sondern auch im Betrieb wirtschaftlich und gut überschaubar.

Um einen besonders guten Wärmetauschgrad zu erhalten, kann der dem Aufladen dienende Wärmekollektor ein Luft-, Sonnen- und/oder Bodenkollektor sein. Die Anordnung kann auch derart ausgestattet sein, daß der die Wärmeentladung bewirkende Wärmetauscher eine Wärmepumpe zur konzentrierten Entnahme von Wärme aus dem natürlichen Wärmespeicher umfaßt. Obwohl es das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt, dem Wärmespeicher Temperatur zu entziehen, ohne daß eine Wärmepumpe eingesetzt werden muß, kann mit Hilfe einer Wärmepumpe der Nutzgrad des Verfahrens beim Wärmeentladen erhöht werden.

Als besonders zweckmäßige Anordnung ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß für den Aufladebetrieb die Quellstationen in Form von mindestens drei auf einem gemeinsamen Kreis liegenden Einzelstationen vorgesehen

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sind und sich im Mittelpunkt dieses Kreises die mit den Quellstationen durch das Rohrleitungssystem über den Wärmekollektor geschaltete Senkstation befindet, und daß im Entladeprozeß die Quellstation sich in der Mitte des Kreises mit den Senkstationen befindet und mit diesen durch das Rohrleitungssystem über den Wärmetauscher geschaltet ist. Dabei können vorzugsweise die peripheren Stationen in gleichen Abständen zueinander angeordnet sein. Auf diese Weise kann man die räumliche Anordnung der SpeicheranschlußstGllen einer im wesentlichen gleichmäßigen Struktureines Speicherkörpers anpassen.

Zweckmäßigerweise kann der Kreislauf Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtungen für Temperaturmessung und/oder Temperaturvergleich der Fluidtemperaturen, Speichertemperaturen und/oder für die Durchsatzbemessung umfassen. Mit diesen Mitteln ist es auf einfache Weise möglich, über eine Temperaturmessung die Entwicklung oder den Zustand eines Wärmeaufbaus in einem natürlichen Wärmespeicher zu verfolgen und entsprechend zur Ausbildung einer möglichst symmetrischen Temperaturstruktur in dem wirksamen Speicherkörper mittels einer Steuerungs- oder Regeleinrichtung den Wasserdurchsatz durch die betreffenden Stationen zu regulieren sowie Auskünfte über den jeweiligen Speicherzustand od.dgl. zu erteilen.

Um bei Verwendung herkömmlicher, voneinander getrennter Wärmekollektoren und -tauscher eine einfache Umschaltung vom Auflade- auf den Entladebetrieb und umgekehrt zu ermöglichen, können Wärmekollektor und Wärmetauscher parallel geschaltet sein.

Mit einer besonders zweckmäßig weitergebildeten erfindungsgemäßen Anordnung, bei der als Teil des natürlichen Wärmespeichers ein mit Wärme speicherndem Material mindestens teilweise verfüllter Bodenaushubraum vorgesehen ist, in

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das ein Fluid-Führungssystem eingebettet ist, das mit dem Rohrleitungssystem mit Quell- und Senkstationen sowie mit Wärmekollektor und -tauscher verbunden ist, kann auf besonders günstige und wirtschaftliche Weise ein indirekter Auflade- und Entladebetrieb erfolgen. Diese Anordnung kann besonders dann bautechnisch vorteilhaft verwendet werden, wenn ein einer Flachgründung dienendes Bodenersatzverfahren beim Bau von z.B. Hallen, Häusern und Straßen vorgenommen wird. Dabei wird für die Installation der Anordnung der Vorteil einer offenen Bauweise genutzt, indem im Tagebau nicht tragfähige Böden ausgeräumt und durch tragfähige mit eingebettetem Fluid-Führungssystem ersetzt werden. Letzteres kann zum Aufbau eines besonders großflächigen Boden-Wärmetauschsystems und damit zur Erzielung hoher Speichernutzungsgrade als Rohrschlangensystem, Plattenkörper mit ggf. gegenüber seiner geometrischen Abmessung vergrößerter Wärmeübertragungsfläche od.dgl. ausgebildet sein.

Für eine andere Form des indirekten Speicherbetriebs läßt sich eine besonders einfache und wirksame Anordnung dadurch vorsehen, daß diese ein in eine vorzugsweise tiefe Bohrung in dem natürlichen Wärmespeicher einsetzbares Fluid-Führungsteil umfaßt, das aus einem ggf. vorfertigbaren Baukörper mit mindestens zwei Fluid-Strömungskanälen besteht, die im Bodenbereich des Baukörpers miteinander verbunden sind und deren gegen den natürlichen Wärmespeicher gerichtete Kanalwandungen Wärmeübertrager vom Fluid zum Wärmespeicher im Auflade- und von Wärmespeicher zum Fluid im Entladebetrieb bilden, wobei die Kanäle mit dem Rohrleitungssystem verbindbar sind. Bei der Installation einer solchen Anordnung kommt man vorteilhaft mit nur einer Erdbohrung aus. Der Baukörper kann zweckmäßig einen zentralen Senkkanal und einen perlpheren Quellkanal mit ggf. vergrößerter Wärmeübertragungsfläche gegen den natürlichen Wärmespeicher umfassen. Eine vorzugsweise tiefe Bohrung oder/und eine'ggf. vergrößerte Wärmeübertragungsfläche gewährleisten einen be-

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sonders hohen Wärme- bzw. Energienutzungsgrad der Anordnung. In besonders günstiger Weise kann das Fluid-Führungsteil beim Auflade- und Entladebetrieb mit einem Förderaggregat mit nur einer Förderrichtung betrieben werden.

Eine weitere Anordnungsmöglichkeit kann sich hinsichtlich besonders einfacher Installation, bequemer Montagefähigkeit und kompakt bauenden Gesamtaufbaus dadurch auszeichnen, daß Rohrleitungssystem, Wärmekollektor, Wärmetauscher, Förderaggregate, Quell- und Senkkanäle und Anschlußstutzen für Verbraucherleitungen als vorgefertigte Bauteile ausgebildet sind. Auch kann es zweckmäßig sein, mindestens einige der vorgefertigten Bauteile zu Transport- und Betriebseinheiten zusammenzufassen. Auf diese Weise kann man klein bauende, für sich selbständige Anordnungen an gewünschten Einsatzorten wirtschaftlich ohne weiteren Aufwand und bautechnisch einfach installieren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Grundwasserspeicher-Querschnitt senkrecht zur Bodenoberfläche und durch das Speicherzentrum mit einem Schaltbild zum direkten Wärmeauf- bzw. Wärmeentladen,

Fig. 2 eine Anordnung von Speicheranschlußstellen in Draufsicht mit einem Temperaturfeld-Diagramm,

Fig. 3 eine Anordnungsvar&nte mit Schaltbild für einen indirekten Auf- und Entladebetrieb eines im Querschnitt dargestellten natürlichen Wärmespeichers und

Fig. 4 eine weitere Anordnung mit Schaltbild für einen indirekten Auf- und Entladebetrieb eines im Querschnitt, dargestellten natürlichen Wärmesneichers.

Aus Fig. 1 erkennt man eine bevorzugte Möglichkeit zum direkten Wärmeauf- und Wärmeentladen eines Grundwasserspeichers 1, der hier durch eine strichpunktierte Linie nach oben hin abgegrenzt gezeigt ist. Beim direkten Betrieb wird das den Speicherkörper durchsetzende Grundwasser als Fluid verwendet. ·Natürlich richten sich die Ausmaße eines solchen Speichers hinsichtlich Höhe (Tiefe) und seitlicher Erstreckung ganz nach den natürlichen Gegebenheiten. Der grundwasserhaltige Bodenschichten umfassende Speicher 1 weist von einer Bodenoberfläche 13 her geführte periphere Speicheranschlußstellen 11. mit Rohren 110 und eine zentrale Speicheranschlußstelle 12 mit einem Rohr -120 auf. Die Speicheranschlußstellen 11, 12 sind mit Förderaggregaten 5, z.B. in Form von Pumpen, mit zwei Förderrichtungen ausgerüstet und durch ein Rohrleitungssystem 2 verbunden, das eine Wärmeübertragungseinrichtung mit einem Wärmekollektor 3 für das Wärmeaufladen und mit einem Wärmetauscher 4, ggf..einer Wärmepumpe, mit den Anschlußstellen verbindet. Von dem Wärmetauscher 4 führen (durch Strichpunktierung angedeutete) Leitungen 41 zu einem ebenfalls nicht gezeigten Verbraucher.

Fig. 2 zeigt eine räumlich symmetrische Anordnung der Speicheranschlußstellen 11 und 12 an der Bodenoberfläche. Vier periphere Speicheranschlußstellen 11 liegen auf einem Kreis in im wesentlichen gleichem Abstand zueinander. Die zentrale Speicheranschlußstelle 12 befindet sich im Mittelpunkt des Kreises.Strichpunktierte, zu dem peripheren Kreismittelpunkt konzentrische Kreislinien bzw. Kreise 14 verdeutlichen schematisch eine Temperaturentwicklung innerhalb des Grundwasserspeichers 1. Eine Kreislinie 14 ist eine Isotherme; sie kennzeichnet also Bereiche gleicher Temperatur. Die räumliche Dichte der gezeichneten Kreise 4 repräsentiert die Größe eines entsprechenden Temperatürgradienten.

Dem Richtungsablauf eines Aufladezyklus des Grundwasser-Speichers 1 sind in Fig. 1 die Pfeile A zugeordnet. Während des Auflade- oder Beladeprozesses sind die peripheren Speicheranschlußstellen 11, die nicht näher gezeigte Brunnen umfassen,

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als Quellstation oder Hebebrunnen 11 geschaltet, die dem Speicher 1 Wasser entnehmen. Dieses in das Rohrleitungssystem hineingeführte Wasser wird über den Wärmekollektor 3 mittels Umluft- und/oder Strahlungswärme erwärmt. Das erwärmte Wasser wird durch die im Zentrum des Speichers 1 befindliche zentrale Anschlußstelle 12, die einen nicht näher dargestellten zentralen Brunnen umfaßt und als Senkbrunnen geschaltet ist, in den Boden bzw. in den Speicher eingeleitet. Der beschriebene Ablauf wiederholt sich. Im Grundwasserspeicher baut sich hierbei im Idealfall ein zentralsymmetrisches Temperaturfeld mit den Kreisen 14 auf. Eine Temperaturentwicklung kann durch Temperaturvergleich an den Anschlußstellen bzw. Hebebrunnen 11 kontrolliert werden. Wenn sich eine exzentrische Entwicklung im Temperaturaufbau ergibt, wie sie z.B. infolge unterschiedlicher Durchlässigkeiten von Bodenschichten oder geringer seitlicher Verdriftung des Grundwasserkörpers auftreten kann, kann durch entsprechendes Gegensteuern in der Wassermengenbeaufschlagung der Hebebrunnen 11 mit einer hier nicht dargestellten Steuerungs- oder Regeleinrichtung ein Ausgleich zu einer symmetrischen bzw. zu der konzentrischen Temperaturentwicklung erzielt werden.

Der prinzipielle Richtungsablauf eines Entladezyklus des GrundwasserSpeichers 1 ist in Fig. 1 mit den Pfeilen B verdeutlicht. Während des Entladeprozesses ist die zentrale Anschlußstelle 12 als Hebebrunnen geschaltet. Das aus dem Zentrum des Speichers entnommene Wasser weist die höchste Temperatur auf. Es wird der Wärmepumpe 4 zugeführt, gibt hier die verfügbare Wärmemenge ab und wird über die als Senkbrunnen betriebenen peripheren Anschlußstellen 11 in den Boden eingeleitet. Die Wärmemengenabgabe kann auch ohne Wärmepumpe erfolgen, wenn das Temperaturgefälle zwischen Wärmeabgabestelle und Speicherentnahmetemperatur groß genug ist. Der beschriebene Vorgang wird innerhalb des Entlade-

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Prozesses wiederholt. Im Speicher wird hierbei die räumliche Ausdehnung einer Speicher-Warmwasserlinse allmählich geringer; sie schrumpft in Richtung des Speicherzentrums. Auch bei dem Entladeprozeß kann einer gegebenenfalls vorhandenen Verdriftungstendenz des Speicherinhaltes durch Mengenregelung an den peripheren Anschlußstellen 11 entgegengewirkt werden.

Der Auflade- und Entladeprozeß laufen zueinander umgekehrt ab. Durch einen derartigen Umkehrbetrieb erreicht man neben einer an sich schon günstigen Verfahrensweise außerdem ein Freispülen der in der Vorrichtung bzw» in dem System befindlichen Bauteile, wie z.B. Filter, Pumpen und Rohre.

Es ist aus Fig. 1 und der entsprechenden Beschreibung ersichtlich, daß das Verfahren in sich geschlossen abläuft. Durch den in sich geschlossenen Prozeß arbeitet das Verfahren im wesentlichen nach dem Prinzip kommunizierender Röhren. Auf diese Weise können die Förderleistungen klein gehalten werden. Der in sich geschlossene Prozeß gewährleistet auch, daß das im System befindliche Wasser nicht mit Luft in Berührung kommt, so daß eine Oxydation bzw. ein Ausfällen von im Grundwasser enthaltenen Stoffen, die zu Verstopfungen führen könnten, vermieden wird.

Das anhand der Fig. 1 und 2 beispielhaft erläuterte Verfahren wird dazu verwendet, in warmen Jahreszeiten Wärme aus der Luft oder der Sonnenstrahlung unter optimalen Temperaturbedingungen im Boden zu speichern, um sie im Winter - ggf. mit Hilfe einer Wärmepumpe - für Heizzwecke von Ein- oder Mehrfamilienhäusern, Öffentlichen Gebäuden, Hallen od.dgl. zu nutzen. Dem Wärmekollektor 3 kann aber auch Abwärme aus technischen Prozessen zugeführt werden.

Die für Heizzwecke erforderliche Größe eines Grundwasser-Bodenspeichers kann entspechend dem Wärmebedarf eines

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Verbrauchers während einer Heizperiode und angepaßt an klimatische und geologische Verhältnisse des Betriebsortes bemessen werden. Das gleiche gilt für die Auslegung der Anlage, die gegenüber dem in der Zeichnung gezeigten Beispiel selbstverständlich auch, z.B. im Falle größerer Verbraucher, mit einer größeren Anzahl Anschlußstellen 11 und 12 sowie Wärmekollektoren 3 und Wärmetauschern 4 ausgebildet werden kann.

Das in Fig. 3 dargestellte Schaltbild umfaßt das außerhalb des Speichers 1 liegende Rohrleitungssystem 2 mit dem Wärmekollektor 3, mit dem zu diesem parallel geschalteten Wärmetauscher 4 und mit dem zwei Förderrichtungen aufweisenden Förderaggregat 5, ein in ein wärmespeicherndes Material 100 eingebettetes Fluid-Führungssystem 102 und dieses mit dem Rohrleitungssystem 2 verbindende Quell- und Senkstationen 11, 12. Ein Bodenaushubraum. 101 ist zum größten Teil mit dem Material 100 verfüllt. Der andere Teil des Bodenaushubraums 101 liegt zwischen der Bodenoberfläche 13 und einer das Material 100 nach oben abschließenden Wärmeisolierdecke 104 und kann z.B. als Kelleraum 103 eines Gebäudes dienen. Die beschriebene Anordnung wird zweckmäßig im Rahmen einer im Bodenersatzverfahren durchgeführten Flachgründung z.B. für ein Gebäude vorgesehen. Dabei wird nicht tragfähiger Boden 105 teilweise durch einen tragfähigen, zugleich das Material 100 bildenden Boden ersetzt. Das Fluid-Führungssystom 102 kann als Rohrschlangensystem und/oder als Plattenkörper (in Fig. 3 nicht dargestellt) mit ggf. gegenüber seiner geometrischen Abmessung vergrößerter Wärmeübertragung*;fläche od.dgl. ausgebildet sein. Im Aufladebetrieb wird von dem Wärmekollektor 3 gesammelte Umluft- und/oder Strahlungswärme im Bereich des äußeren Rohrleitungsystems 2 an ein wärmeleitfähiges Fluid übertragen. Das erwärmte Fluid wird durch das Fluid-Führungssystem 102 durch den Speicher 1 gefördert, wobei es seine Uärme indirekt über Wandungen 106 des Systems

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in den Speicher 1 abgibt. Das abgekühlte Fluid erreicht darauf in dem geschlossenen System wieder den Wärmekollektor '3. Der Vorgang wird während des Auf ladens zyklisch wiederholt. Im entsprechend zyklischen Entladebetrieb wird dem Speicher über das Fluid indirekt Wärme entzogen, wobei diese Wärme über den Wärmetauscher 4 und Verbraucherleitungen 41 einem Verbraucher zugeführt wird. Der Auflade- und der Entladeprozeß können mit dem Förderaggregat 5 jeweils in Richtung A oder B betrieben werden. Durch eine Richtungsumkehr während eines Prozesses erreicht man bei durch das Führungssystem 1Q2 zueinander im Abstand L angeordneten Quell- bzw. Senkstationen 11.-12. einen ausgewogenen Auf- bzw. Abbau des Wärmespeicherinhalts. Die Quell- und Senkstationen 11, 12 können, z.B. nach einer anderen (nicht dargestellten) Ausbildungsforp' auch peripher und zentral, (ähnlich wie in Fig. 1) angeordnet werden.

In Fig. 4 ist.eine Anordnung dargestellt, die ein in eine tiefe Bohrung 201 in dem natürlichen Wärmespeicher 1 eingesetztes Fluid-Führungsteil 202 umfaßt, das aus einem Baukörper mit einem zentralen Senkkanal 203 und einem peripheren C)uellkanal 204 besteht, die im Bodenbereich 205 des Baukörpers 202 miteinander verbunden sind und deren gegen den natürlichen Wärmespeicher 1 gerichtete Kanalwandungen 206 Wärmeübertrager vom Fluid zum Wärmespeicher 1 im Auflade- und vom Wärmespeicher 1. zum Fluid im Entladebetrieb bilden. Die Kanäle 203 und 204 sind mit dem Rohrleitungssystem 2 über die Senk-- und die Quellstation 12, 11 verbunden, die sich räumlich dicht nebeneinander befinden und gegeneinander gut wärmeisoliert sind. In dem Rohrleitungssystem 2 liegen ein Förderaggregat 50, das das Fluid in Richtung A fördert, der Wärmekollektor 3 und der zu diesem parallel geschaltete Wärmetauscher 4 mit den Verbraucherleitungen 41. Die Kanäle 203 und 204 sind an ihren gegeneinander gerichteten Flächen bez". Wan-

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düngen 207 gut wärmeisoliert. Als äußeres Teil des Baukörpers 202 ist ein Rohr dargestellt, das an seinem Bodenende innerhalb des Speichers mit einem Verschluß 208 verschlossen ist. Der zentrale Senkkanal 203 kann aus einem im Bodenbereich 205 über seinen Querschnitt geöffneten Schlauch bestehen. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, sind der periphere Quellkanal 204 mit einer Quellstation 11 und der Senkkanal 203 mit einer Senkstation 12 am oberen Ende des Baukörpers 202, d.h. im Bereich der Bodenoberfläche 13, verbunden. Auflade- und Entladebetrieb erfolgen jeweils zyklisch durch eine indirekte Wärmeabgabe bzw. -entnahme gegenüber dem Speicher 1. Bei beiden Prozessen wird die Anordnung nach Fig. 4 in der gleichen Richtung A betrieben. Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen sind der Wärmekollektor 3 während des Aufladens, der Wärmetauscher 4, z.B. in Form einer Wärmepumpe, während des Entladens der Wärmespeichers 1 geschaltet. Auch in diesem Ausführungsbeispiel bilden die Kanäle 203 und 204 zusammen mit dem Rohrleitungssystem ein geschlossenes System, so daß die Anordnung besonders wirtschaftlich betrieben werden kann. Es ist auch möglich, bei Wärmespeichern einer bestimmten Größe mehrere Fluid-Führungsteile 202 in Abständen nebeneinander in entsprechende Bohrungen 201 einzusetzen und sie in Serie oder parallel zu schalten.

Die für die verschiedenen Ausbildungsformen und -möglichkeiten der Erfindung benötigten Bauteile können zweckmäßigerweise aus vorgefertigten Elementen zusammengesetzt werden, wobei mehrere solcher Elemente oder sogar auch vollständige Anordnungen zu transportfähigen Einheiten zusammenfügbar sind, die dann an Ort und Stelle nur noch über die bereits an ihnen vorzusehende Anschlüsse endinstalliert zu werden brauchen.

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Claims

Industrie planung Klaus Herinanussen & Partner GmbH, Buchtstraße 6, 2000 Hamburg 76

Verfahren und Anordnung zur Gewinnung von Wärme, beispielsweise zu Heizzwecken

Patentansprüche:

/1.!Verfahren zur Gewinnung von Wärme, beispielsweise zu Heizzwecken, mit Hilfe eines natürlichen Wärmespeichers, insbesondere eines Grundwasser-haltigen oder -führenden Erdbodenspeichers, dem die in ihm gespeicherte Wärme in einem Entladeprozeß mittels eines fließfähigen Mediums oder Fluids entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladeprozeß mit einem ' Aufladeprozeß kombiniert wird, in dem dem fließfähigen Medium oder Fluid außerhalb des natürlichen Wärmespeichers Wärme, insbesondere Sonnenwärme, in wiederholbaren Zyklen zugeführt und mittels des Fluids in den natürlichen Speicher eingebracht sowie in diesem gespeichert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid in der Natur vorhandenes Wasser wie Grundwasser oder Wasser stehender Gewässer verwendet wird, das seiner natürlichen Umgebung für den Aufladeprozeß an mindestens einer Auflade-Quellstation entnommen, dem mittels eines Auflade-Wärmetauschers atmosphärische Wärme wie Sonnenstrahlung oder Umluft zugeführt und das anschließend in seine natürliche Umgebung an mindestens einer Auflade-Senkstation zurückgeleitet wird, während im Entladeprozeß das Wasser dem Speicher an mindestens einer Enlade-Quellstation entnommen, ihm in einem Entlade-Wärmetauscher die Wärme entzogen und es anschließend über mindestens eine Entlade-Senkstation in seine natürliche Umgebung zurückgeleitet wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflade- Quell- und -Senkstationen und die Entlade-Quell- und -Senkstationen für den Auflade- und den Entladeprozeß im Umkehrbetrieb geschaltet und verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Fluiddurchsätze der als Speicheranschlüsse vorgesehenen Quell- und Senkstationen für Auflade- und Entladeprozeß in Abhängigkeit von den Wärme- und Strömungsverhältnissen im natürlichen Wärmespeicher durch Steuerung und/oder räumliche Anpassung ausgelegt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Aufladeprozeß das Fluid dem Wärmespeicher über die Auflade-Quellstationen in peripheren Bereichen entnommen und ihm im wesentlichen zentral über eine Auflade-Senkstation wieder zugeführt wird, während im Entladeprozeß das Fluid dem Wärmespeicher im wesentlichen zentral über die jetzt als Entlade-Quellstation geschaltete bzw. gesteuerte Auflade-Senkstation entnommen und nach Wärmeabgabe in gegenüber dem Aufladeprozeß entsprechend umgekehrter Weise im wesentlichen peripher in den Wärmespeicher zurückgeleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 4 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen mindestens zwei Auflade-Quellstationen oder zwei Entlade-Senkstationen entstehendes Temperaturgefälle im Wärmespeicher gemessen und der erhaltene Meßwert zur Steuerung des Wassermengendurchsatzes an diesen Stationen verwendet wird.

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7. Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens zur Gewinnung von Wärme, beispielsweise zu Heizzwecken, mit Hilfe eines natürlichen Wärmespeichers, insbesondere eines Grundwasser-haltigen oder -führenden Erdbodenspeichers, mit jeweils mindestens einer Entnahme- oder Quellstation für ein Nutzungswärme beinhaltendes Fluid aus dem Wärmespeicher, einem Förderaggregat, einem Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme aus dem Fluid an einen Verbraucher, einer Rückleitungs- oder Senkstation für das Fluid zu dem Wärmespeicher und einem diese Elemente verbindenen Rohrleitungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrleitungssystem

(2) mit mindestens einer Quellstation (11) und mindestens einer Senkstation (12) sowie dem Wärmespeicher (1) einen Kreislauf für das Fluid aufbaut, wobei in dem Kreislauf zwischen Quell- und Senkstationen mindestens ein Wärmekollektor (3) für Aufladebetrieb angeordnet ist, der von dem Wärmetauscher (4) für Entladebetrieb getrennt geschaltet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellstationen (11) und Senkstationen (12) mit in ihrer Durchsatzmenge steuerbaren Förderaggregaten (5) ausgerüstet sind.
9. Anordnung anch Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderaggregate (5) in ihrer Förderrichtung umschaltbar sind.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für den Aufladebetrieb die Quellstationen (11) in Form von mindestens drei auf einem gemeinsamen Kreis liegenden Einzelstationen vorgesehen sind und sich im Mittelpunkt dieses Kreises die mit den Quellstationen durch das Rohr-

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leitungssystem (2) über den Wärmekollektor (3) geschaltete Senkstation (12) befindet, und daß im Entladeprozeß die Quellstation (12) sich in der Mitte des Kreises mit den Senkstationen (11) befindet und mit diesen durch das Rohrleitungssystem (2) über den Wärmetauscher (4) geschaltet ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die peripheren Stationen (11) in gleichen Abständen zueinander angeordnet sind.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, d a durch gekennzeichnet, daß der Wärmekollektor (3) ein Luft-, Sonnen- und/oder Bodenkollektor ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (4) eine Wärmepumpe umfaßt.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtungen für Temperaturmessung und/oder Temperaturvergleich der Fluidtemperaturen, Speichertemperaturen und/oder für die Durensatzbemessüng umfaßt.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch, gekennzeichnet, daß Wärme-

.. kollektor (3) und Wärmetauscher (4) parallel geschaltet sind.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, d a -* ■ durch gekennzeichnet, daß als Teil des natürlichen Wärmespeichers (1) ein mit wärmespeichern-

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dem Material (100) wenigstens teilweise verfüllter Bodenaushubraum (101) vorgesehen ist, in das ein Pluid-Führungssystem (102) eingebettet ist, das mit dem Rohrleitungssystem (2) mit Quell- und Senkstationen (11, 12) sowie mit Wärmekollektor (3) und -tauscher (4) verbunden ist.
17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid-Führungssystem (102) als Rohrschlangensystem, Plattenkörper mit ggf. gegenüber seiner geometrischen Abmessung vergrößerter Wärmeübertragungsfläche od.dgl. ausgebildet ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 oder 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein in eine vorzugsweise tiefe Bohrung (201) in dem natürlichen Wärmespeicher (1) einsetzbares Fluid-Führungsteil (202) umfaßt, das aus einem ggf. vorfertigbaren Baukörper mit mindestens zwei Fluid-Strömungskanälen (203, 204) besteht, die im Bodenbereich (205) des Baukörpers (202) miteinander verbunden sind und deren gegen den natürlichen Wärmespeicher (1) gerichtete Kanalwandungen (206) Wärmeübertrager vom Fluid zum Wärmespeicher im Auflade- und vom Wärmespeicher zum Fluid im Entladebetrieb bilden, wobei die Kanäle (203, 204) mit dem Rohrleitungssystem (2) verbindbar sind.
19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Baukörper (202) einen zentralen Senkkanal (203) und einen peripheren Quellkanal (204) mit ggf. vergrößerter Wärmeübertragungsfläche (206) gegen den natürlichen Wärmespeicher (1) umfaßt.
20. Anordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (203, 204) an ihren gegeneinander gerichteten Flächen bzw. Wandungen

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(207) wärmeisoliert sind.
21. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Rohrleitungssystem (2), Wärmekollektor (3), Wärmetauscher (4), Förderaggregat (5), Quell- un Senkkanäle (11 und 12) und Anschlußstutzen für Verbraucherleitungen (41) als vorgefertigte Bauteile ausgebildet sind.
22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennz e ichnet, daß mindestens einige der vorgefertigten Bauteile zu Transport- und Betriebseinheiten

■ zusammengefaßt sind.

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