DE3019533A1

DE3019533A1 - Verfahren zur versorgung von anlagen, insbesondere waermepumpen mit von stoffen, insbesondere mineralien und fe-verbindungen, befreitem grundwasser

Info

Publication number: DE3019533A1
Application number: DE19803019533
Authority: DE
Inventors: Klemens 4690 Herne Waterkotte
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-05-22
Filing date: 1980-05-22
Publication date: 1981-11-26

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß
dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie auf eine Anlaae gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6.
Die Erfindung läßt sich auf alle Anlagen anwenden, die Gruhd#'asser annehmen und es wieder z.B. in Vorfluter, insbesondere aber in das Grundwasser abgeben Insbesondere ist das bei Wärmepumpen der Fall, welche dem Grundwasser Wärme entziehen und deswegen in zunehmendem Maße zur Heizversorgung von Wohngebäuden, zur Warmwasserlieferung für Fußbodenheizungen, Schwimmbecken und dergleichen herangezoqen werden. Bekanntlich hebt die Wärmepumpe die die im Grundwasser gespeicherte Energie auf ein für die Nutzung in Wc*ingebäuden höheres Energieniveau.
Grundwasser hat den Vorteil, daß es über das gesamte Jahr eine annähernd konstante Temperatur aufweist, die etwa im Bereich von 20 bis 12 C liegt. Allerdings sind im Grundwasser je nach geographischer Lage und anfallenden geologischen Formationen erhebliche Mengen an Mineralien gebunden, die bei der Förderung durch die Leitungen und durch die Wärmepumpe aufgrund der mechanischen Bewegung und Zutritt von Luftsauerstoff als Oxide ausfallen und Leitungen sowie insbesondere die Wärmetauscher der Wärmepumpe verschmutzen können.
Dies führt in manchen Fällen bereits nach kurzer Zeit zu einem erheblichen Leistungsabfall und längerfristig schließlich zum Ausfall der gesamten Anlage. Als in diesem Sinne besonders aggressives Medium ist vor allem das im Grundwasser enthaltene Eisen anzusehen, welches als Roteisen (Fe304) ausfällt.
Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, ist bereits versucht worden, in der Nähe des sogenannten Positivbrunnens, aus dem das Grundwasser für die Wärmepumpe gefördert wird, einen weiteren Brunnen einzubringen, durch den Luft und damit Sauerstoff in die Grundwasserschicht eingeleitet wird. Infolge dieser Luftzuleitung bildet sich im Erdreich um den Brunnen ein Katalysatorbett aus, durch welches die Mineralien, und zwar insbesondere das Eisen, aus dem Grundwasser ausgefällt werden.
Aufgrund des Katalysatorbetts um den zusätzlich eingebrachten Brunnen, ist das in den eigentlichen Förderbrunnen, nämlich den Positivbrunnen, strömende Wasser frei von Mineralien, so daß die gefährlichen Verschmutzungen in den Leitungen und der Wärmepumpe wesentlich reduziert sind. Allerdings ist mit der Einbrinaung eines zusätzlichen Brunnens ein erheblicher Mehraufwand verbunden, wobei gleichzeitig die Einbringung des Zusatzbrunnens unter Beachtung der geologischen Verhältnisse vorzunehmen ist, das heißt der zusätzliche Brunnen muß so angeordnet werden, daß er stromaufwärts der rundwasserströmuna liegt.
Es ist daneben aber bereits versucht worden, in den neben dem Positivbrunnen ohnehin zu bohrenden Negativbrunnen, der das bei Wärmepumpenanlagen erwärmte Grundwasser aufnimmt, Luit eintnjleiten und damit eine Ausfällung der Mineralien im Bereich des Negativbrunnens zu bewirken. Dies setzt aber voraus, daß der Negativbrunnen, in den das Wasser aus der Wärmepumpe rückgeführt wird, gegenüber dem Positivbrunnen stromaufwärts der Grundwasserströmung angeordnet ist. Erst dadurch wird gewährleistet, daß das zum Positivbrunnen strömende Grundwasser von den schädlichen Mineralien befreit ist. Zwangsläufig wird durch diese Lösung außer dem der Wirkungsgrad bzw. der Ausnutzungsgrad der Wärmepumpe wesentlich herabgesetzt, weil das in den Negativbrunnen eingeleitete Abwasser aus der Wärmepumpe durch den Positivbrunnen zurückgefördert wird, wobei das in den Negativbrunnen eingeführte Abwasser eine niedrigere Temperatur von z.B. 50 C qeqenüber der höheren Temperatur von 10 - 11. C des Grundwassers besitzt und dadurch das nutzbare Wärmegefälle gesenkt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, lediglich mit dem Positivbrunnen unter Aufrechterhaltung des nutzbaren Wärmeaefälles schadstoffreies Grundwasser, also insbesondere von Eisen-und Manganverbindungen befreites Grundwasser zu gewinnen, wobei die Bewinnunq weitgehend dem Betrieb der Anlage bzw. der Wärmepumpe angepaßt werden kann.
Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Schritte gelöst. Vorrichtungsmäßig besteht die Lösunq in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 6.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das aus dem Positivbrunnen geförderte Wasser mit Sauerstoff angereichert und nach Anreicherung wieder in die Grundwasserschicht um den Positivbrunnen zurückgeführt. Dadurch wird das Erdreich um den Positivbrunnen als Katalysatorbett verwendet ausgenutzt, wodurch ein zusätzlicher Brunnen neben dem Positiv- und dem Negativbrunnen nicht mehr erforderlich ist. Da das zurückgeführte Wasser nicht durch die Wärmepumpe gelaufen ist, wird das Grundwasser mit gleichbleibender Temperatur gefördert.
Das erfindungsgemäße Verfahren spart den mit einem Zusatzbrunnen verbundenen Aufwand und sichert ein optimales Wärmegefälle in der Wärmepumpe; Verschmutzungen durch im Grundwasser gebundene Mineralien werden weitgehend vermieden. Das neue Verfahren beruht zunächst darauf, daß man W§rmenumpen nicht kontinuierlich zu betreiben braucht.
Dadurch kann man während der Stillstandzeit gefördertes Grundwasser einer Anreicherung unterziehen und in den Positivbrunnen zurückführen.Dieses Prinzip läßt sich aber auch auf Wärmepumpen anwenden, die kontinuerlich betrieben werden, indem man durch Abzweigung eines Teilstroms und Rückführung nach Anreicherung mit Sauerstoff das Verfahren verwirklicht. Vorteilhaft ist auch, daß großteils die ohnehin erforderlichen Lei-tunqen zur Wärmepumpe auch zur Leitung des Grundwassers zur Wasserstoffanreicherung herangezogen werden können, wobei die verwendeten Ventile zweckmäßigerweise druckabhängig qesteuert sind. Beispielsweise bewirkt der Druckabfall der Wärmepumpe ein Schließen des Ventils an der Abzweigleitung zur Sauerstoffanreicherungseinrichtung, so daß der Anreichungskreis geschlossen ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, in welcher schematisch eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist, welche einfach aufgebaut ist und die in einer Wärmepumpe ohnehin erforderlichen Bauelemente weitgehend ausnutzt.
Der Positivbrunnen 1 ist bis zu einer grundwassertraqenden oder grundwasserführenden Schicht eingebracht und besteht im wesentlichen aus einem Glattrohr 2 mit einem Innendurchmesser von beispielsweise 100mm und einem am unteren Ende des Glattrohrs angeordneten Filterrohr 3, das zum Auffangen von gröberen Verschmutzungen dient. Überlicherweise ist das Glattrohr 2 mit einem aufgeschütteten Kiesmantel 4 umgeben. Das Grundwasser wird über eine Pumpe 5 über die Zuführleitung 6 zur Wärmepumpe 7 gefördert, welche sich üblicherweise aus einem Verdampfer, einem kompressor und einem Verflüssiger zusammensetzt und welche zur Nutzung der im Grundwasser gespeicherten Energie dient. Von der Wärmepumpe wird die Wärmeenergie dann zu nicht dargestellten Verbrauchern geführt, wie etwa Fubodenheizunq, Badewasser und dergleichen. Das in der Wärmepumpe behandelte Grundwasser, welches nunmetir gegenüber der ursprünglichen Zuführtemperatur von etwa 10 bis 110 C eine Temperatur von etwa + 50C besitzt, wird über die Rückführleitung 8 dem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Negativbrunnen 9 zugeführt, von wo das Ablaufwasser-wieder in das Grundwasser gelangt.
Um eine Verschmutzung der Wä#rmepumpenanlage, insbesondere der Wärmepumpe und der darin befindlichen Tauscherelemente, durch im Grundwasser gebundene Wisen- und Manqanverbindungen zu verhindern, welche bei Beaufschlagung mit Luftsauerstoff und infolge mechanischer Bewegung in den Leitungen und in der Wärmepumpe ausfällen, ist eine Sauerstoffanreicherungseinrichtung 10 vorgesehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel zweigt von der Zuführleitung 6 zur Wärmepumpe 7 eine Abzweigleitung 11 ab, in welcher ein Sperr-oder Ventil 12 angeordnet ist. Die Abzweigleitung führt zu einem Behälter mit einer darin angeordneten Sprüheinrichtung, etwa einer Brause 13.
Das durch den Sprühvorgang mit Sauerstoff angereicherte Wasser wird im Behälter 14 aufgefangen, wobei sicherheitshalber ein Überlauf 15 vorgesehen ist. In der in die Zuführleitung 6 zur Wärmepumpe 7 mündenden Rückführleitung 16 der Anreicherungsvorrichtung ist eine Rückschlaqklappe 17 geschaltet. Schließlich ist der Wärmepumpe 7 ein Ventil 18 und eine weitere Pumpe 19 vorgeschaltet.
Die dargestellte Anlage geht davon aus, daß die Wärmepumpe nicht ständig über den ganzen Tag, sondern nur zu etwa 80 % betrieben werden muß. Die verbleibenden Stillstandszeiten werden zur Anreicherung des zwischenzeitlich geförderten Wassers ausgenutzt.
Befindet sich die Wärmepumpe 7 außer Betrieb, etwa wenn das Sperrventil 18 die Zuführleitung 6 sperrt, so wird das durch die Pumpe 5 geförderte Wasser über die Abzweigleitung 11 der Sauerstoffanreicherungseinrichtung 10 zugeführt.
Dabei ist das Ventil 12 geöffnet, wobei dies automatisch in Abhängigkeit von der Schließung des Sperrventils 18, etwa durch den Druckabfall in der Wärmepumpe geregelt, erfolgen kann. In der Sauerstoffanreicherungseinrichtung 10 wird das geförderte Grundwasser zerstäubt oder versprüht, so daß es mit Sauerstoff angereichert wird. Hierzu kann beispielsweise eine Brause vorgesehen sein. Das mit Sauerstoff angereicherte Wasser wird im Behälter aufgesammelt, gegebenenfalls überschüssiges Wasser durch einen Überlauf 15 abgeführt. Das mit Sauerstoff angreicherte Wasser wird schließlich durch die Pumpe 17 über die Rückführleitung 16 und die Zuführleitung 6 in den Positivbrunnen l und damit in die Grundwasserschicht geleitet. Aufgrund des mit Sauerstoff angereicherten Wassers wirkt das Erdreich um den Positivbrunnen 1 herum (strichliert ist der Senkungstrich ter angedeutet) als Katalysatorbett, wobei in diesem Bereich die Mineralien und zwar insbesondere das Roteisen genannte Fe3O4 ausgefällt wird. Wird dic Wärmepumpe wieder in Betrieb gesetzt, so wird das Ventil 12 qeschlossen, was wiederum druckabhängig erfolgen kann, so daß das von den Mineralien beireite Grundwasser über die Zuführleitung 6 zur Wärmepumpe gefördert: werden kann. Das Grundwasscz ist nunmehr aufgrund des Katalysatorbettes von den mineralischen Schadstoffen gesäubert, so daß eine Mineral ansammlung in den Bauelementen der Anlage, insbesondere der Wärmepumpe, zuverlässig verhindert ist.
Für den Fall, daß ein Wärmepumpenbetrieb über derl ganzen Tag erforderlich ist, kann über das Ventil 12 ein bestimmter Teilbetrag abqeleitet werden, der nach Sauerstoffanreicherung durch eine separate Leitung dem Positivbrunnen angeführt wird.
Während des Betriebs der Wärmepumpe kann somit das für die Katalysatorwirkung im Bereich der Grundwasserschicht am Positivbrunnen erforderliche mit Sauerstoff angereicherte Wasser geliefert werden.
Mit Einschalten der Wärmepumpe wird auch die Brunnenpumpe eingeschaltet. Das geförderte Wasser gelangt über Leitung, Rückschlagklappe und Ventil zur Wärmepumpe und von dort über die Leitung zum Schluckbrunnen. er Abzweig wird die Rückschlagklappe entgegen der Stromrichtung beaufschlaat und somit zugedrückt. Ein Teil der beförderten Wassermenqe wird über Ventil, Leitung und Sprühvorrichtuna dem Behälter zuqeleitet. Die dem Behälter zugeleitete Wassermenge soll in Grenzen gehalten werden, so daß die Wärmepumpe ausreichend versorgt wird. Die Einregulierung dieser Wassermenge erfolgt über das Ventil.
Die erfindunqsgemäße Anlage erlaubt eine weitqehende Ausnutzung der für den WNrmenumpenbetrieb ohnehin erforderlichen Bauelemente, etwa Leitungen, so daß auch bestehende Anlaaen ohne besonderen Aufwand umgerüstet werden können. Die Grundwasserströmunq vom Positivbrunnen 1 zum Negativbrunnen 9 ist durch einen Pfeil in der Grundwasserschicht angedeutet.

Claims

Verfahren zur Versorgung von Anlaqen, insbesondere Wärmepumpen mit von Stoffen, insbesondere Mineralien und Fe-Verbindungen, befreitem Grundwasser" Patentansprüche 1. Verfahren zur Versorgung von Anlagen, insbesondere Wärmepumpen mit von Stoffen, insbesondere Mineralien und Fe-Verbindungen, befreiter Grundwasser, bei dem dem Grundwasser zur Ausfällung von Schadstoffen Sauerstoff zugeführt, das Grundwasser aus einem Positivbrunnen gepumpt, gefilterte zur Enerqieausntltzung der Wärmepumpe zugeführt und durch einen Negativbrunnen dem Erdreich rückgefühct wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e daß aus dem Positivbrunnen gepumptes Wasser mit Sauerstoff angereichert und durch den Positivbrunnen der Grundasserschicht rückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß ein Teilbetrag des gepumpten Grundwassers mit Sauerstoff angereicllert und durch den Positivbrunnen rückgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h cj e -k e n n z e i c h n e t , daß während der Stillstandszeit der Wärmepumpe gepumptes Grundwasser mit Sauerstoff angereichert und durch den Positivbrunnen rückgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, å a d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t , daß die Wasseranreicherung über den Druckabfall an der Wärmepumpe gesteuert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis A, d a d u r c h g e k-e n n z e i c h n e t , daß das Grundwasser zur Sauerstoffunreicherung versprüht wird.
6. Anlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Zuführleitung vom Positivbrunnen zur Wärmepumpe und einer Rück für leitung zum Negativbrunnen, sowie einer Pumpe zum Fördern des Grundwassers aus dem Positivbrunnen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine mit dem Positivbrunnen (1) leitungsverbundene Sauerstoffanreicherungseinrichtung (10) für das gepumpte Grundwasser vorgesehen ist.
7. Anlage nach Anspruch 6, d a d u r c h q e -k e lu n z e i c h n e t , daß die Anreicherungseinrichtung (10) in einer Abzweigleitung (11) der Zuführleitung (6) zur Wärmepumpe (7) angeordnet ist.
8. Anlage nach Anspruch 7, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß in der Abzweigleitung (all) ein Ventil (12) angeordnet ist.
9. Anlage nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Rückführleitung (16) von der Anreicherungseinrichtung (10) in die Zuführleitung (6) ur Wärmepumpe (7) mündet.
10. Anlage nach Anspruch 9, d a d u r c h a e -k e n n z e i c h n e t , daß der Anreicherungseinrichtung (10) eine in der Rückführleitung (16) angeordnete Riickschlagklappe (17) nachgeschaltet ist.
11. Anlaqe nach einem der Ansprüche 6 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wärmepumpe t7) eine RUckschlagklappe (19) vorqeschaltet ist, welche hinter der Einmündung der Rückführleitung (16) der Anreicherungseinrichtung (10) in die Zuführleitung (6) zur Wärmepumpe angeordnet ist.
12. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis ll, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß vor der Wärmepumpe (7) ein Ventil (18) angeordnet ist.
13. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Anreicherungseinrichtung (10) als Sprüheinrichtung ausgebildet ist.
14. Anlage nach Anspruch 13, d a d u r c h g e -k e n n z e 1 c h n e t , daß das angereicherte Wasser in einem Behälter (14) aufgefangen wird, welcher einen Überlauf (l5) aufweist.