DE3022624A1

DE3022624A1 - Waermetauscher zur uebertragung von waermeenergie aus einem umgebungsmedium mittels einer waermepumpenanlage an ein heizsystem

Info

Publication number: DE3022624A1
Application number: DE19803022624
Authority: DE
Inventors: Reinhard Ing.(grad.) 7056 Weinstadt Grab
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-06-16
Filing date: 1980-06-16
Publication date: 1981-12-24

Description

Betr.: Patentanmeldung mit Gebrauchsmuster-Hilfsanmeldung

Beschreibung

betreffend

Wärmetauscher sur Übertragung von Wärmeenergie aus einem UmgebungsmediuBi mittels einer W&rmepuiapenanlage an ein Heissystem_#oe |

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher iur Speicherung und Entnahme von Wärmeenergie niedrigen Niveaus aus einem Umgebungsmedium· Diese Wärmeenergie kann mittels einer Wärmepumpenanlage auf einem höheren Niveau an ein Heizsystem übertragen werden.

Die Funktion des Wäriaeenergietransportes im Wärmetauscher vird durch eine in einer Rohrleitung strömenden Wärmeübertragungsflüssigkeit wahrgenommen, die im Wärmeaustausch mit dem Kältemittel der Wärmepumpe steht.

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Bekanntlich gestaltet sich, die Funktion einer Wärmepumpe wie folgt ί

Ein im Kreislauf geführtes Kältemittel verdampft im Verdampfer unter Zuführung von Wärmeenergie auf einem Niveau von beispielsweise +10⁰C, um danach durch einen Kompressor verdichtet und damit erhitzt zu werden. Die hierbei entstandene Wärmeenergie auf höherem Niveau wird an ein Heizsystem übertragen, wobei das Heizmittel eine Temperatur von beispielsweise +5O⁰C annimmt. Die nachfolgende Entspannung des Kältemittels läßt dieses beispielsweise auf +5°C abkühlen, wodurch es in der Lage 1st, neuerlich von der Wärmeübertragungsflüssigkeit mit einer Temperatur von beispielsweise +10 C Wärmeenergie zu übernehmen«

Auf diese Weise 1st es möglich, einem Umgebungsmedium, beispielsweise Erde, Luft oder Wasser, Wärmeenergie zu entziehen und beispielsweise heißes Wasser zu erzeugen.

Elektrische Energie wird hierbei nur zur Verdichtung des Kältemittels und Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels verbraucht, sie ist im Vergleich zum Energiegewinn verhältnismäßig gering.

Bei bisher verwendeten Wärmetauschern, die nur auf der Nutzung beispielsweise der Erdwärme beruhen, ist eine vergleichsweise große Erdoberfläche notwendig, um den Wärmebedarf einer Wohneinheit decken zu können« Beispielsweise wird zur Beheizung, von 130 m Wohnfläche bei einer Außentemperatur von -16°C der Wärmeenergiebedarf von 12 kW angenommen« Bei einer erfahrungsgemäßen Leistung des Erdreiches von 30 W pro m wäre somit im Verhältnis zur Wohnfläche die. vergleichsweise große Erdoberfläche von Ι4ΌΟ m erforderlich.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß bei alleiniger Nutzung der Erdwärme die Temperatur im unmittelbaren Bereich der verlegten Rohre ungünstigenfalls bis unter den Gefrierpunkt von Wasser sinkt und somit ein gefrieren des Erdreiches bewirkt wird. Bekanntlich dehnen sich beim Gefriervorgang die feuchten Erdpartikel aus) infolge der damit entstandenen Verdichtung de· Erdmaterials um die Rohre ist zunächst die Wärmeleitung in diesem Bereich wesentlich verbessert* Eine Regeneration beim

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Vlederauftauen dee Erdreiches nach der Heisperiode beispielsweise Infolge Wärmeenergiefluß vom umgebenden wärmeren Erdreich zum kälteren Wärmetauscher, macht jedoch diesen Ausdehnungsvorgang nicht wieder rückgängig, so daß bei neuerlichem Wärmebedarf der zuerst vorhandene Kontakt zwischen Rohrleitung und Erdreich nicht mehr vorhanden und somit die Wärmeleitung entsprechend vermindert ist, es sei denn, das sich im Erdreich befindliche Wasser würde die Rohrleitung direkt umspülen.

Das Zuführen von Niederschlagswasser, wie es bei einigen bestehenden derartigen Anlagen praktiziert wird, stellt zwar den Wärmekontakt zwischen Rohrleitung und Erdreich wieder her, führt aber nicht zu einer Einschlämmung des Erdreiches um die Rohrleitung, da die Fließgeschwindigkeit des zugeführten Wassers zu gering ist. Sehr zum Nachteil derartiger Anlagen stellt sich heraus, daß in Kälteperioden mit Außentemperaturen von beispielsweise -15°C nicht mit Niederschlagswasser gerechnet werden kann.

Zur Umgehung der Gefahr des Ausfrierens des Erdreiches, sowie zur Beschleunigung der Regeneration wird in schon bestehenden derartigen Heizungsanlagen der Kreislauf der Wärmeübertragungsflüssigkeit von einem entsprechend ausgebildeten Wärmeenergiesammeidach über das Erdreich geführt] ein weiterer Vorteil hierbei ist die mögliche wesentliche Verkleinerung der erforderlichen Erdoberfläche· Als Nachteil erweist sich jedoch dabei der vergleichsweise hohe Kostenfaktor der notwendigen entsprechend gestalteten Daohflache.

Weitere ausgeführte im Erdreich verlegte Wärmetauscher beruhen darauf, daß stark hohlraumbildendes Material mit hohlraumausfüllendem Wasser oder auch nur Wasser das Bett bilden, in dem die Rohrleitung mit zirkulierender Wärmeübertragungsflüssigkeit verlegt ist, ggf. ebenfalls unter Elnbezug der Zirkulation über ein Wärmeenergiesammeidach· Bezeichnende Vorteile derartiger Wärmetauscher sind das Erreichen einer vergleichsweise hohen Wärmespeicherkapazität,

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sowie gleichbleibend gute Wärmeleitfähigkeit vom die Rohrleitung umgebenden Medium nur Rohrleitung in und nach den Aggregatzuständen fest und flüssig·

Ein Nachteil besteht in der gebundenen äußeren Form, in der solch ein Wärmetauscher beispielsweise im Erdreich verlegt wird. Denn zur Wasserhaltung ist es erforderlich, diesen Wärmetauscher mit einer wasserundurchlässigen Umhüllung zu versehen, beispielsweise einer Folie oder einem Behälter, womit sich beispielsweise ein rechteckiger Grundriß ergibt. Weiterhin birgt dia mögliche Beschädigung dieser Umhüllung infolge beispielsweise Durchdringung von Wurzeln die Gefahr des Wasserauslaufens in sich, demzufolge sich die wärmespezifischen Werte des Wärmetauschers bedeutend verschlechtern.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art auszubilden, bei dem die Vorteile der bisher angewandten Wärmetauscher erhalten bleiben, beispielsweise vergleichsweise hohe Wärmespeicherkapazität und gleichbleibend gute Wärmeleitfähigkeit vom die Rohrleitung umgebenden Material zur Rohrleitung. Ebenso soll das günstige Verhältnis zwischen Wärmeauetauschlei B tung und Größe des Wärmetauschers nicht geschmälert werden.
Neu zu schaffende Vorteile sind

1. die Möglichkeit der Veränderung der geometrischen Form des Wärmetauscherbettes in Anpassung an die Grundstücksform beispielsweise bei Verlegung im Erdreich,

2. der Ausschluß von Veränderungen der wärmespezifischen Werte infolge Veränderung des die Rohrleitung umgebenden Mediums, beispielsweise Auslaufen der Speichermasse Wasser«

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In der Literatur "Wärmepumpen - Theorie und Praxis", verfaßt von Dr.rer.nat. Hans Ludwig von Cube und Prof.Dr.Ing. Frits Steimle, erschienen im VDI-Verlag GmbH, vird im Abschnitt 4.1.2.1. Seite 6O eine Möglichkeit beschrieben, Rohre in einer Bentonitlösung eu verlegen, um somit einen außerordentlich wirksamen Wärmetauscher eu erhalten.

Bei Anwendung der reinen Bentonit-Suspension bei Verlegung der Rohrleitung beispielsweise im Erdreich zeigt sich jedoch der Nachteil, daß nach Auffüllung beispielsweise ddr zuerst gezogenen Gräben mit Erdmaterial die Erdoberfläche nur gering belastbar ist» Denn die Bentonit-Suspension nimmt nur bis eu einem bestimmten Grad Fremdmaterial auf, wenn vorher keine gründliche Durohmischung mit diesem stattgefunden hat.

Deshalb wird die gestellte Aufgabe beim eingangs genannten Wärmetauscher dadurch gelöst, daß die Rohrleitung in ein Bett aus hohlraumbildendem Material beispielsweise feinkörnigem Kies verlegt wird, wobei die Hohlräume des Materials vollständig durch eine Bentonit-Suspension ausgefüllt sind« Dadurch ergibt sich der sehr gute Wärmeübergang zwischen dem die Rohrleitung umgebenden Material und der Rohrleitung. Durch Verlegen des Bettes beispielsweise in eine ausgehobene Erdgrube ergibt sich weiterhinein guter Wärmeübergang «wischen umliegendem Erdreich und Wärmetauscher..

Zur Herstellung der Bentonit-Suspension wird, vergleichsweise wenig Bentonit benötigt, wodurch sich die Kosten dafür noch in wirtschaftlichen Grenzen halten.

In ihren Funktion im Wärmetauscher wird bei bestimmten Temperaturverhältnissen die Bentonit-Suspension gefrieren und auch wieder auftauen, weshalb dieser Wärmetauscher nachfolgend als "Bentonit-Latentspeicher"bezeichnet wird.

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Die spezifischen Vorteile des Bentonit-Latentspeichere gestalten sich vie folgt :

1. Durch den sehr hohen Wassergehalt der Bentonit-Suspenaion, er beträgt etva 95%» und die vollständige Hohlraumfüllung von beispielsweise Kies ergibt sich eine vergleichsweise hohe Wärmespeicherkapazität des Bentonit-Latentspeichers, ihr Wert ergibt sich aus den Faktoren von Wasser sowie von Kies.

Gleichseitig besteht die vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit wie zuvor genannt·

2. Infolge der geleeartigen Konsistenz der Bentonit-Suspension wird die Volumenvergrößerung beim Gefriervorgang durch Regeneration beim Auftauen wieder rückgängig gemacht, so daß Wärmespeicherkapazität und Wärmeleitfähigkeit gem. 1. erhalten bleibt.

3« Die stützende Eigenschaft der Bentonit-Suspension sowie ihre Viskosität bewirken, daß sie selbst sich beispielsweise bei Verlegen des Bentonit-Latentspeichers im Erdreich in demselben nicht verflüchtigt, selbst bei Fehlen einer wasserundurchlässigen Umhüllung.

h. Die waeserabhaltende Eigenschaft der Bentonit-Suspension verhindert die weitere Aufnahme von Wasser, dessen Zufluß beispielsweise durch Diffusion oder Niederschlag erfolgen kann. Die Gefahr der Auswaschung der Bentonit-Suspension mit Folge der Verschlechterung der wärmespezifischen Werte des Wärmetauschers ist somit nicht gegeben.

Wie bisher üblicherweise angewandte Erdreich-Latentspeicher erfüllt der Bentonit-Latentspeicher verschiedene Funktionen t Als Wärmetauscher überträgt er aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit aus dem Umgebungemedium, beispielsweise dem umgebenden gewachsenen Erdreich, die Wärmeenergie an das Wärmeübertragungsmittel, das sie seinerseits wie schon erläutert an das Heizsystem weitergibt.

In gleicher Funktion und auf gleiche Weise Überträgt es die durch direkte Sonneneinstrahlung aufgenommene Wärmeenergie.

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Benutzt als Wärmespeicher ist er aufgrund der hohen Wärme-Speicherkapazität in der Lage, Wärmeenergie zu speichern, die beispielsweise durch Zirkulation der Wärmeübertragungsflüssigkeit über ein Wärmeenergiesammeidach in Stillstandszeiten der Wärmepumpenanlage eingetragen wird, um sie bei deren Betrieb auf di© schon erläuterte Weise gomäß Bedarf wieder abzugeben.

Der technische Aufwand zur Erstellung des Bentonit-Latentspoichers ist verhältnismäßig gering, da zur Abgrenzung ge~ gen das gewachsene Erdreich auf eine Feuchtigkeitsisolierung verzichtet werden kann.

Zur Verhinderung des Ausfrierens durch Umwelteinfluß, beispielsweise Absinken der Außentemperatur unter *Ο C, wird der Bentonit-Latentspeicher in frostfreier Tiefe verlegt.

Bei einer Anwendungsform des Bentonit-Latentspelchers beginnt der Arbeitsgang mit dem Aushub einer Grube im gewachsenen Erdreich (1);, deren Grundriß durch die nicht bebaute Grundetückβfläche In ihrer Form bestimmt wird« Die Ausmaße des zu schaffenden Wärmetauschers werden durch die Erfordernisse- von Wärmeauetauechleistung und Värmespeicherkapazität in Verbindung mit dem umliegenden Erdreich und ggf. eines Wärmeenergiesammeldaches bestimmt« Die Grundfläche sowie die seitliche Umfassung des später eingebrachten Speichermaterials wird von einer geringen Schicht feinkörnigen Erdreiches (3), falls nicht schon natürlich vorgegeben» bedeckt, die von der Bentonit-Suspension infolge ihrer Konsistenz nicht durchdrungen werden kann. Die Auffüllung der geschaffenen Grube erfolgt schichtweise durch Einbringen des Kies-Bentonit-Gemisches (4) und Verlegen der Rohrleitung (5) nach den Erfordernissen eines herkömmlich zu verlegenden Erdkollektorβ.

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ORlGfNAt-INSPECTED

Der fertig verlegte Bentonit-Latentspeiclier wird zweckmässigerweise mit einem obenauf verlegten Entwässerungssystem (8,9) versehen, durch, das anfallendes Niederschlagswasser ins umliegende Erdreich abgeleitet werden kann. -Die abschließende Bedeckung bildet eine dickere Schicht Erdboden (2), dessen Oberfläche beispielsweise durch Bepflanzung als Garten genutzt werden kann.

Infolge der Gründungssicherheit des beispielsweise Kiesbettes kann der Bentonit-Latentspeicher auch unter beispielsweise Hofeinfahrton verlegt werden, wodurch das Grundstück zwangsfreier genutzt werden kann, beispielsweise durch freiere Bepflanzung mit tiefwurzelnden Gewächsen, die nicht unmittelbar in das aufgefüllte Erdreich (2) erfolgen sollte, wie dies über im Erdreich verlegten Rohren ohnehin unzweckmäßig wäre.

In dieser Form wird der Bentonit-Latentspeicher vorzugsweise dann angewandt, wenn eine Verlegung bei noch nicht erfolgter Kultivierung der Erdoberfläche, beispielsweise Anlage eines Gartens, in Betracht kommt.

Bei nachträglich erforderlich werdender Verlegung, beispiels weise bei Umrüstung einer schon bestehenden Heizungsanlage auf Wärmepumpenbetrieb, wo es nicht zweckmäßig ist, einen bestehenden Garten durch Ausheben einer größeren Erdgrube zu zerstören, kommt eine ebenfalls vorteilhafte Form des Bentonit-Latentspeichers zur Anwendung :

Im gewachsenen Erdreich (1) wird unter Zuhilfenahme maschineller Einrichtungen ein Loch ausgehoben oder gebohrt« Äussere Abmessungen und ggf· Anzahl der Löcher, sowie deren Abstand untereinander, werden durch die Erfordernisse der wärmespezifischen Werte gem. vorgenannter Anwendungsform bestimmt.

Zur Verhinderung des Einsturzes des die Lochwandung bildenden Erdreiches wird das Verfahren des schon bekannten Schlitzwandbaus angewandt, wo eine schon während des Aushubes eingebrachte Bentonit-Suspension die stützende Funktion übernimmt*

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Das Erdreich, wird eine bestimmte Eindringtiefe der Bentonitsuspension (13) aufweisen} zur Feststellung des Stillstandes des Eindringene, der infolge der Konsistenz der Bentoniteuspension nach einer gewissen Zeit erfolgen wird, wird in das fertig ausgehobene Loch so lange von der Bentonit-Suspension nachgegossen, bis der Flüssigkeitsspiegel nicht mehr weiter absinkt.

In dieses mit Bentonit-Suspension gefüllte Erdloch wird die spiralförmig gewundene Rohrleitung (12) eingebracht, das Einbringen des Bentonit-Kies-Gemisches (4) erfolgt nach dem bekannten schwedischen Kontraktor-Verfahren.

Die überfließende zuvor im Erdloch befindlich gewesene Bentonit-Suspension wird abgepumpt und einer neuen Verwendung zugeführt.

Die Verbindung mehrerer so geschaffener Wärmetauscher untereinander durch die fortlaufende Rohrleitung (15) sowie die Zuführung der Rohrleitung zur Värmepumpenanlage erfolgt wiederum unterhalb der Frostgrenze in im Erdreich gezogene Gräben.

Die Verbindungsgräben und die Erdlöcher werden mit Erdreich wieder zugefüllt, so daß hier ebenfalls wieder eine bodenwirtschaftliche Nutzung erfolgen kann.

Fig. I zeigt das Schnittbild eines flächig verlegten Bentonit-Latentspeichers.

Fig.II zeigt den in ein Erdloch eingebrachten Bentonit-Latentspeicher.

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Legende zu Fig, I und II

1 Gewachsenes Erdreich

2 Aufgefülltes Erdreich

3 Feinkörniges Erdreich

k Kies mit hohlraumfüllender Bentonit-Suspension 5 Rohrleitung

6) Zirkulationsrohrleitung zur Heizungsanlage, die das

7) Wärmeenergiesamineldach beinhaltet

8 Entwässerungsrohre

9 Grober Klee

Direkte Sonneneinstrahlung Wärmeenergiezufuhr vom Wärmeenergiesammeldach Spiralförmig gewundene Rohrleitung Eindringtiefe der Bentonitsuspension Zulauf der Wärmeübertragungsflüssigkeit von der Heizungsanlage oder dem benachbarten Bentonit-Iatentspeicher Weiterführung der Wärmeübertragungsflüssigkeit zur Heizungsanlage oder einem benachbarten weiteren Bentonit-Latentspeicher

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Claims

Ansprüche

Wärmetauschen Kur Entnahme von Wärmeenergie aus einem Umgebungsmedium durch ein Wärmepumpensystem_y mit einen sich durch das Umgebungemedium erstreckenden Rohrleitung, durchströmt von eines Wärmeübertragungsflüssigkeit, die mit dem eu verdampfenden Kältemittel der Wärmepumpe im Wärmeaustausch steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (5) in ein Bett, aus Kies mit hohlraumfüllender Bentonit-Suspension (k). verlegt wird, das seinerseits in Wärmekontakt mit dem Umgebungsmedium (1) steht.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (4), in der die Rohrleitung (5) verlegt ist, von einer Schicht aus feinkörnigem Erdmaterial (3) seitlich und nach unten begrenzt wird»

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ORIGINAL INSPECTED

3· Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Schicht (k)_t in der die Rohrleitung (5) verlegt ist, ein Entwässerungssystem (8,9) angeordnet ist.

k_m Wärmetauscher naah einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Kies-Bentonit-Bett (4) in gleichzeitigem Wärmekontakt zu ewei oder mehreren Umgebungsmedien steht.

5. Wärmetauscher nach Anspruch k_t dadurch gekennzeichnet, daß eine spiralförmig gewundene Rohrleitung (12) in ein ausgehobenes Erdloch verlegt wird.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Erdloch vor Einbringen der
Rohrleitung (12) mit einer Bentonitsuspension gefüllt ist, deren Überfluß im Laufe der Fertigstellung des
Wärmetauschere abgepumpt wird«

7. Wärmetauscher nach den Ansprüchen k und 5»dadurch
gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere
Bentonit-Latentspeicher zur Anwendung kommen.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Überdeckung des Wärmetauschers durch eine dickere Schicht Erdboden (2); erfolgt, die bodenwirtsohaftlich genutzt werden kann.

big. (grad.) Reinhard Grab

Bau- und Heizungstechnik

Ziegeleistraße 3
7056 Weinstadt-Beutelsbach

Tel. 07151/68147

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