DE3101537A1

DE3101537A1 - Unterirdischer waermespeicher und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3101537A1
Application number: DE19813101537
Authority: DE
Inventors: Jonathan 92260 Fontenay aux Roses Parkinson
Original assignee: Soletanche SA
Current assignee: Soletanche SA
Priority date: 1980-01-25
Filing date: 1981-01-20
Publication date: 1982-02-18
Also published as: HK83284A; JPS56149532A; SG55384G; GB2070762B; FR2474673B1; NL8100333A; GB2070762A; BE887206A; FR2474673A1

Description

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

Die Erfindung betrifft einen unterirdischen Wärmespeicher und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen unterirdischen Wärmespeicher zu schaffen, mittels welchem man beispielsweise Wärme von irgendeiner Wärmequelle wie einer die Sonnenenergie auffangenden Anlage, einer Wärmepumpe, einer Warmwasserquelle, einem elektrischen Energieerzeuger usw. speichern kann, wobei die gespeicherte Wärme anschließend zu verschiedenen Zwecken, beispielsweise zum Heizen von Wohungen oder anderen Bauwerken, verwendet werden soll. Ein derartiger Speicher kann in mehr oder weniger langen Zeiträumen beispielsweise täglich, saisonbedingt oder sonstwie ausgenutzt werden. Dabei soll ein derartiger Wärmespeicher bei einem gegebenen Volumen die größtmögliche Wärmekapazität zu möglichst geringen Kosten erhalten.

Um diese Aufgabe zu lösen, könnte man in Betracht ziehen, Wasser in flüssigem Zustande als Speichermaterial für die Wärme zu verwenden. Wie nachstehende Tabelle eindeutig zeigt, liegt die auf das Volumen bezogene Wärmekapazität des Wassers, welche gleich dem Produkt aus seiner Dichte und seiner spezifischen Wärme ist, beträchtlich höher als die auf das Volumen bezogene Wärmekapazität der meisten Peststoffe, einschließlich Felsgestein, trockenem Sand und selbst von mit Wasser gesättigtem Sand.

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Material:	Dichte	spez. Warme	Wärmekapazität
	(g/cm³)	(cal/g)	(cal/°C-cm³)
Eisen	7,6	0,1	0,76
Kreide	2,3	0,2	0,46
Granit	2,7	0,2	0,54
Sandstein	2,4	0,2	0,48
Petroleum	ο,δ	0,5	0,40
Blei	ii,3	0,03	0,34
Quarz	2,6	0,2	0,52
Sand, trocKen	1,7	0,2	0,34
Sand,	2,0	0,3	0,60
wassergesättigt

Wasser

1,0

Zu dem Vorteil einer hohen Wärmekapazität kommt bei Verwendung von Wasser der Vorteil sehr niedriger Kosten hinzu. Die Verwendung einer Wassermasse unter der Erde als Wärmespeicher ergibt jedoch gewisse Nachteile, und zwar liefert die eine derartige Wassermasse überdeckende Erdschicht keine ausreichende Festigkeit, um auf ihr Bauwerke errichten zu können, sodaß derartige Bauwerke eventuell nur dann möglich sind, wenn ein "Dach" über dem Wasserspeicher errichtet wird, welches eine ausreichende mechanische Festigkeit besitzt, dessen Herstellung jedoch kostenaufwendig ist. Andererseits ist es nicht möglich, eine flüssige Masse in einen leichten Boden direkt einzubringen, ohne daß die Wände der Grube einstürzen, sodaß unbedingt ausreichend feste Wände errichtet werden müssen, deren Bau ebenfalls kostenaufwendig ist.

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All" diese Nachteile lassen sich durch die Erfindung einwandfrei beheben.

Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung einen unterirdischen Wärmespeicher vor, welcher aus einer in die Erde verlegten Masse aus einem oder mehreren Materialien mit geeigneter spezifischer Wärme besteht, in welche zumindest ein Teil eines Energie-Transportkreislaufes eingebettet ist, und welcher im wesentlichen dadurch ■ gekennzeichnet ist, daß das Material zur Speicherung der Wärme oder das Speichermaterial im wesentlichen aus einem Bindemittel wie Zement, Ton und Wasser in einem zur rzielung einer geeigneten mechanischen Festigkeit des Materials entsprechenden Mischungsverhältnis besteht.

Die starre Masse, welche hauptsächlich den erfindungsgemäßen Wärmespeicher bildet, verbindet nachstehende wichtige Vorteile. Da sie starr ist, benötigt sie im Gegensatz zu einem Flüssigkeits-Wärmespeicher weder eine Tragkonstruktion noch einen Behälter und da ihr Wassergehalt sehr hoch sein kann, kann sie eine auf das Volumen bezogene Wärmekapazität bieten, welche sehr nahe der Zahl 1 liegt (in cal/°Ocnr), d.h. einen wesentlich höheren Wert als die bisher üblichen Feststoffe einschließlich Felsgestein, trockenem Sand und selbst mit Wasser gesättigtem Sand.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Herstellung eines unterirdischen Wärmespeichers der vorbeschriebenen Art, und zwar insbesondere in einem wasserführenden oder wasserreichen Gelände, in welchem eine Wasserschicht nahe der Bodenoberfläche vorhanden ist, jedoch auch und insbesondere in einem trockenen Gelände,

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in welchem eventuell nur eine sehr tiefliegende Wasserschicht vorhanden ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines unterirdischen Wärmespeichers, bei welchem aus dem Boden eine Grube ausgehoben wird, deren Rauminhalt zumindest gleich dem des herzustellenden Warmespeichers ist, diese Grube zumindest teilweise mit einem oder mehreren Materialien geeigneter spezifischer Wärme gefüllt wird und darin zumindest ein Teil eines Energie-Transportier eis lauf es eingesetzt wird, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß während des Aushebens der Grube dieselbe fortlaufend zumindest teilweise mit einer geeigneten Flüssigkeit wie Wasser oder Bohrschlairim gefüllt wird, daß in die die Grube füllende Flüssigkeit der entsprechende Teil des Energie-Transportkreislaufes eingebracht und darin fixiert wird, und daß der Flüssigkeit bestimmte Mengen eines Bindemittels wie Zement sowie eventuell weitere Additive zugesetzt werden, welche geeignet sind, das Bindemittel aushärten zu lassen und dadurch die Flüssigkeit zu einer Masse mit geeigneter Wärmekapazität erstarren zu lassen, welche zumindest teilweise die fertige Grube füllt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend im einzelnen anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert; es zeigt

Fig.l einen erfindungsgemäßen unterirdischen Wärmespeicher im Vertikalschnitt!

Fig.2 den Ausschnitt A aus Fig.l in vergrößertem Maßstabejund

Fig.3 eine Veriante der Fig.l, bei welcher der unterirdische Speicher als Fundament für ein Gebäude dient.

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Bei dem in Fig.l schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen unterirdischen Wärmespeichers wird davon ausgegangen, daß der Wärmespeicher in einem leichten oder sehr leichten Boden oder sogar eventuell in einem äußerst wenig kompakten Boden gebaut werden soll, der beispielsweise hauptsächlich aus Sand, Schlick, Torf oder Lehm besteht, wobei davon ausgegangen wird, daß der Wasserspiegel in diesem Boden in sehr geringer Tiefe liegt. Derartige Bedingungen können zweifelsohne als die ungünstigsten Baubedingungen für eine derartige unterirdische Konstruktion angesehen werden. Insbesondere ist das Ausheben einer Grube äußerst schwierig und kostenaufwendig, da die Wände der Grube entsprechend den Aushubarbeiten dazu neigen, einzustürzen.

Selbst in einem derart ungünstigen Gelände ermöglicht es die Erfindung, einen Wärmespeicher herzustellen, dessen Volumen mehrere 100 vor erreichen oder sogar übersteigen kann.

Bei einem Durchführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des schematisch in den Figuren 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Warmespeiehers wird von der Bodenoberfläche 1 aus eine Grube vorgegebener Form, beispielsweise eine rechteckige Grube mit parallelen Seitenwänden, unter Verwendung bekannter Arbeitsmaschinen wie beispielsweise Kranschauflern oder Schrappern ausgehoben. Nach Maßgabe des Aushebens der Grube 2 wird in dieselbe ein Bohrschlamm eingebracht, welcher im wesentlichen aus einem Bindemittel wie Zement, Ton wie Bentonit, Wasser und verschiedenen Additiven besteht, von denen eines geeignet ist, um das Abbinden des Bindemittels in zweckmäßiger Weise zu verzögern. Dabei ist der Gewichtsanteil des Wassers vorzugsweise

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weitgehend vorherrschend. Ein Bohrschlamm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besitzt beispielsweise nachstehende Zusammensetzung:

Wasser : 1000 1

Schlackenzement : 100 - 200 kg Bentonit : 35 kg

Abbindeverzögerer,

z.B. Lignosulfit : 1-51

Der derart zusammengesetzte Bohrschlamm wird entsprechend dem Ausheben der Grube kontinuierlich mittels einer Pumpe, welche eine der Geschwindigkeit des Aushebens angepaßte fortlaufende Zufuhr an Bohrschlamm ermöglicht, oder diskontinuierlich durch Einbringen fortlaufender Mengen vorzugsweise mit dem gleichen Volumen in die Grube eingebracht. Der Anteil des Abbindeverzogerers im Bohrschlamm muß naturgemäß derart gewählt werden, daß das Abbinden des Schlammes zu einer festen Masse nicht nur bis zum Abschluß der noch zu beschreibenden weiteren Arbeiten. Bei der Festlegung des Anteiles des Abbindeverzogerers muß außerdem berücksichtigt werden, daß eventuell die Arbeiten zum Ausheben der Grube beispielsweise während der Nacht unterbrochen werden. Während dieser Phase des Aushebens der Grube hat der Bohrschlamm, welcher die Grube zumindest teilweise füllt, in an sich bekannter Weise die Hauptaufgabe, einen Einbruch der Wände der Grube während des Aushebens zu verhindern. Diese Rolle ist insbesondere dann äußerst wichtig, wenn der ausgehobene Boden eine sehr geringe Haftfähigkeit besitzt und große Wassermengen nahe seiner Oberfläche vorhanden sind, wie dies eingangs bereits angedeutet wurde.

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Zur Herstellung des in den Figuren 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Wärmespeichers werden alsdann in den Bohrschlamm, welcher noch nicht erstarrt ist und zumindest teilweise die fertige Grube füllt, wärmeisolierende und/oder wasserundurchlässige Platten eingebracht. Bei einer in etwa rechteckigen Grube mit parallelen Seitenwänden zur Herstellung eines Warmespeiehers gleicher Form handelt es sich zunächst darum, durch an sich bekannte geeignete Mittel nahe den im wesentlichen senkrecht verlaufenden Seitenwänden der Grube 2 Platten wie die Platten 3a, Jb, ..., welche die Seitenwände eines Raumes oder Gehäuses bilden sollen, welches den Wärmespeicher vollkommen umschließen soll, einzubringen und zu fixieren. Bei einem Wärmespeicher großer Abmessungen wird jede Seitenwand vorzugsweise durch Aneinandersetzen mehrerer Platten wie der Platten 3a gebildet, wobei die Kanten dieser Platten glatt sein können oder auch derart ausgebildet sein können, daß die Platten ineinander geschoben werden können. Nach dem Einbringen und Fisieren dieser Seitenwände wird eine oder werden mehrere Platten 3d, welche den Boden des erwähnten Raumes oder Gehäuses bilden sollen, eingebracht und im wesentlichen wagerecht am Boden der Grube 2 fixiert. Die Bodenplatten 3d können naturgemäß auch vor den die Seitenwände bildenden Platten eingebracht werden. Bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsform kann jede der Platten 3a bis 3d die in vergrößertem Maßstäbe in Fig.2 dargestellte Ausbildung besitzen. Dabei besteht jede Platte, beispielsweise die Platte 3b, im wesentlichen aus einer Isoliertafel 4 aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Polystyrol oder Phenolschaum, welche zwischen zwei Ballasttafeln und mechanischen Schutztafeln 5a und 5b angeordnet

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Diese Tafeln 5a und 5b sind miteinander durch Versteifungsorgane 6 verbunden, welche durch die Isoliertafel 4 hindurchgehen. Diese Versteifungsorgane 6 können derart ausgebildet werden, daß ein eventuelles Ausbrechen der Isoliertafel 4 infolge des Gewichtes des Speichers oder des Erddruckes verhindert wird. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise bei einem durch Muttern 6a fixierten Versteifungsorgan Gegenmuttern 6b vorsehen. Andererseits ist die Fläche einer jeden Platte 3b, welche vom Speicher aus nach außen weist, d.h. zur Seitenwand der Grube 2, sowie eventuell auch ihre andere Seitenfläche durch Dichtungselemente wie wasserundurchlässige Filme oder Folien 7 abgedeckt, wobei beispielsweise einfache Kunststoff-Folien verwendet werden, welche auf der Betonplatte 5a auf irgendwie geeignete Weise befestigt beispielsweise aufgeklebt sind. Jede derart ausgebildete Platte setzt den Wärmeaustausch zwischen dem Wärmespeicher und dem Boden, in welchem er eingebettet ist, insbesondere dank der Isoliertafel 4 sehr stark herab. Die Folie 7 verhindert praktisch jegliche Wasserzirkulation zwischen dem Innenraum des Speichergehäuses und dem Boden, sodaß ebenfalls Wärmeverluste verhindert werden, welche sich aus einer derartigen Wasserzirkulation ergeben könnten. Schließlich verleihen die Betontafeln 5a und 5b einer jeden Platte wie beispielsweise der Platte 3b eine ausreichende Steifheit und mechanische Festigkeit. Durch außerordentliche Erhöhung des Gewichtes der entsprechenden Platte dienen die Betontafeln 5a und 5b gleichfalls als Ballast, welcher die in den noch nicht erstarrten Schlamm eingebrachten Platten festhält.

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Vor dem Aushärten des den durch die Platten 3a bis ]5d gebildeten Raumes anfüllenden BohrSchlammes werden die unteren Teile von zwei Energie-Transportkreisläufen eingebracht und dort eventuell mittels geeigneter Maßnahmen fixiert. Bei den beiden Energie-Transportkreisläufen handelt es sich einmal um einen Primärkreis, welcher in den unterirdischen Speicher Energie einbringen soll, wobei die Wärmemengen von einer Energiequelle herkommen, und um einen Sekundärkreis, welcher zumindest einen Teil der im Speicher gespeicherten Wärmemengen an die Verbraucherstellen übertragen soll, welche sich an der Bodenoberfläche 1 oder darüber befinden. Bei der in Fig.l dargestellten Ausführungsform besteht der Primärkreis im wesentlichen aus elektrischen Widerstandsdrähten B, welche jeweils von einer elektrisch isolierenden Hülle und eventuell zusätzlich von einem Schutzrohr 9 umgeben sind. Diese Rohre 9 werden an vorgegebenen Stellen in den Bohrschlamm eingebracht.

Der Sekundärkreis besteht ebenfalls aus Rohren 11, welche vorzugsweise aus Metall bestehen und beispielsweise wie die Rohre 9, jedoch in deren Zwischenräumen einmal vertikal und zum anderen horizontal angeordnet sind. Die Enden dieser verschiedenen Rohre 9 sind jeweils zu zweit untereinander verbunden, sodaß sie einen auf das Innere des erwähnten Raumes verteilten Wärmetauscher bildet. Eingang und Ausgang des derart ausgebildeten Wärmetauschers werden durch zwei beispielsweise senkrecht verlaufende Rohre 12a und 12b und durch weitere nicht dargestellte Rohre mit den Verbrauchsgeräten der Wärmeenergie, insbesondere einem Wärmetauscher, welcher die Ausnutzung der übertragenen Wärmemenge erlaubt, verbunden. Dieser Sekundärkreis ist naturgemäß dazu bestimmt, mit einem Wärmeträgermedium gefüllt zu werden, bei dem

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es sich um irgendein beKanntes geeignetes Medium handeln kann, wie beispielsweise Wasser, Luft usw.

Falls der Bohrschlamm den durch die Platten Ja. bis 3d gebildeten Raum noch nicht vollkommen gefüllt hat, wird noch eine weitere Menge an Bohrschlamm eingefüllt, um diesen Raum vollkommen zu füllen. Sobald der Bohrschlamm in der Grube 2, d.h. in dem durch die Platten 3a bis 3d gebildeten Raum vollkommen zu einer Masse 13 erstarrt ist und infolgedessen die Rohre 9 und 11 des Primärkreises und des Sekundärkreises vollkommen in dieser Masse eingebettet sind, wird der Raum durch eine Abdeckung oder Deckplatte geschlossen, welche insbesondere aus einer der Bodenplatte 3d entsprechende Platte Je bestehen kann. Naturgemäß werden in dieser Deckplatte Je wasserdichte Durchlässe für die elektrischen Kabel 10a und lOb, welche zum Anschluß des Primärkreises an eine außenliegende Stromquelle dienen, sowie für die Einlaß- und Auslaßleitungen 12a und 12b des Sekundärkreises ausgebildet. Eine Schicht aus Erde, Beton oder irgendeinem anderen Material T kann alsdann auf die Deckplatte Je des entstandenen Gehäuses aufgebracht werden, um das Gelände wieder einzuebnen.

Bei einem Wärmespeicher, welcher unter Verwendung eines Bohrschlammes hergestellt wird, der die eingangs als Beispiel genannte Zusammensetzung besitzt und insbesondere I50 kg Schlackenzement auf 1000 1 Wasser enthält, wurde festgestellt, daß die Festmasse des Speichermaterials eine Wärmekapazität von etwa 0,9Ö eal/°Ocnr besitzt, d.h. also einen Wert, welcher dem von Wasser mit 1 cal/°C^#cm sehr nahe kommt. Es wurde außerdem festgestellt, daß die Druckfestigkeit nach einer Aushärtezeit von

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einem Monat etwa 5 bar betrug, was weitgehend ausreicht, um eventuell Bauwerke insbesondere über der Schicht T unmittelbar über dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher zu errichten. Dieser Wärmetauscher kann insbesondere vorteilhaft ausgenutzt werden, um durch seinen Sekundärkreis des Energie-Transportes die Beheizung von Bauwerken sicherzustellen.

Fig.3 zeigt eine derartige Ausbildung, bei welcher die Heizkörper R eines Gebäudes 14 durch den Sekundärkreis ll-12a-12b eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers 13 gespeist werden. Der Wärmespeicher besitzt Seitenwände 3a und 3b, welche sich bis dicht an die Bodenoberfläche 1 erstrecken und als Fundamente für das Gebäude 14 dienen. Die Speichermasse 13 des Wärmespeichers mit der wagerechten wärmeisolierenden Wand 3e über ihr besitzt vom Boden oder von der Bodenplatte 3d ab eine Höhe h, welche beträchtlich geringer ist als die Höhe H dieser Seitenwände 3a und 3b. Dadurch begrenzt die wagerechte Wand J>e, d.h. also die Deckplatte über der Speichermasse 13* mit den oberen Teilen der Seitenwände 3a und 3b einen beträchtlichen Raum 15, welcher als Kellergeschoß für das Gebäude 14 dienen kann.

Wenn demgegenüber nicht beabsichtigt ist, direkt über dem erfindungsgemäßen Wärmespeicher ein Bauwerk zu errichten, braucht die diesen Wärmespeicher bildende starre Masse nur eine geringere Druckfestigkeit zu besitzen, sodaß ein geringerer Anteil an Zement im Bohrschlamm benötigt wird, und zwar beispielsweise lediglich 100 kg Schlackenzement oder sogar weniger für 1000 1 Wasser. Infolgedessen kann die Druckfestigkeit der starren Materialmasse des Wärmespeichers erfindungsgemäß bis auf etwa 0,1 bar

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gesenkt werden, was gerade ausreicht, um die Wärmetauscherkreise 9 und 11 sowie die Wände 3a, 3b, ..., 3d, 3e in der vorgesehenen Lage festzuhalten. Ein derartiges Material, was allgemein eher als pastenförmig denn als fest angesehen würde, unterscheidet sich jedoch von einer Flüssigkeit, da es ein bestimmtes Haftvermögen besitzt, d.h. daß es ohne bedeutende Deformierung Scherspannungen widerstehen kann, was bei rein viskosen Materialien, seien sie nun pastenförmig oder flüssig, keineswegs der Fall ist.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers sowie das vorstehend beschriebene Durchführungsbeispiel seines Herstellungsverfahrens können auf verschiedene Weise abgewandelt werden. So kann jede der den geschlossenen Raum oder das geschlossene Gehäuse bildenden Platten 3a bis 3e je nach Wunsch oder Bedarf ausgebildet werden. Jede derartige Platte kann einfach aus einer Tafel hergestellt werden, welche aus einem wärmeisolierenden Material besteht, und zwar beispielsweise aus Kunststoff, oder auch aus einer wasserundurchlässigen, jedoch relativ dünnen Tafel. Statt auf ihren beiden Seitenflächen durch Betontafeln gemäß Fig.2 belastet zu werden, könnte die Isoliertafel auch durch eine einzige Betontafel beschwert werden, welche an einer Seite der Tafel anliegt. Die Betontafeln selbst können armiert sein oder man kann an ihrer Stelle auch geeignete Stahlbleche verwenden. Die Seitenwände des geschlossenen Gehäuses können statt senkrecht zu verlaufen auch für bestimmte Einsätze schräg angeordnet werden. Bei einer Variante werden die Seitenwände des geschlossenen Gehäuses, statt in den Bohrschlamm vor seiner Erstarrung als vorgefertigte Platten eingebracht zu werden, in an sich bekannter Weise vor dem Ausheben

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der Grube gegossen. In diesem Fall erfolgt das Ausheben der Grube naturgemäß zwischen den vorher im Boden gegossenen Wänden, wobei darauf geachtet werden muß, daß diese nicht beschädigt werden und wobei ein Bohrschlamm verwendet wird, welcher beispielsweise die vorstehend angegebene Zusammensetzung besitzt. Die anderen Arbeitsgänge bleiben unverändert, d.h. die Bodenplatte 3d und die Rohre und 11 der Wärmetransportkreisläufe werden vor dem Abbinden des Bohrschlammes eingebracht und der umschlossene Raum wird nach Abbinden des Bohrschlammes durch Auflegen der Deckplatte j5e vervollständigt.

Die Herstellung eines geschlossenen Raumes oder Gehäuses um den erfindungsgemäßen Wärmespeicher bleibt den jeweiligen Bedürfnissen überlassen. So kann man insbesondere auf ein derartiges Gehäuse verzichten, wenn der Boden, aus welchem die Grube ausgehoben werden soll, derart beschaffen ist, daß der Wärmeaustausch zwischen den Wandungen der Grube einerseits und der Speichermasse des Wärmespeichers andererseits begrenzt ist, gleichgültig ob es sich urn Wärmeleitverluste handelt oder um Verluste infolge von Wasserzirkulation. Insbesondere ist es nicht unbedingt erforderlich, ein geschlossenes Gehäuse vorzusehen, wenn der erfindungsgemäße Wärmespeicher in einen trockenen Sandboden oder in einen praktisch undurchlässigen Tonboden eingebaut werden soll. Die Zusammensetzung des Bohrschlammes bleibt ebenfalls der Wahl des Konstrukteurs überlassen, da die vorstehend angegebenen Mischungsverhältnisse nur als Beispiele anzusehen sind. Bei dem als Bindemittel verwendeten Zement kann es sich auch um Portland-Zement handeln. Wenn sich auch der Schlackenzement insbesondere aufgrund seiner hohen mechanischen Festigkeit, da bei einem derartigen

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Zer.ent nur ein geringer Anteil in der Mischung enthalten zu sein braucht, und ebenfalls infolge seiner guten Widerstandsfähigkeit gegenüber der Einwirkung selenhaltigen Wassers gut eignet, kann er durch jeden anderen Zement ersetzt werden. Um allerdings eine gleiche mechanische Festigkeit beispielsweise mit Portland-Zement zu erhalten, wird wesentlich mehr von diesem Portland-Zement benötigt als von Schlackenzement. Der Zement kann auch insgesamt oder teilweise durch ein anderes geeignetes Bindemittel ersetzt werden, wie beispielsweise durch Plugasche, Puzzolanpulver, Kalk und so weiter. Auch das Betonit kann durch einen an Ort und Stelle vorhandenen Ton ersetzt werden, doch muß auch hier ein wesentlich größerer Anteil beigescmischt werden. Der Primärkreis kann statt elektrischer Widerstände einen Wärmetauscher mit einem Wärmeträgermedium enthalten, wie dies für den Sekundärkreis vorgesehen ist. Die verschiedenen Rohre des Primärkreises und des Sekundärkreises können ungleichmäßig in der Speichermasse verteilt werden. So können sie beispielsweise im Mittelbereich konzentriert angeordnet sein. Bei einer Variante ist jedes Rohr des Sekundärkreises mit einem Rohr des Primärkreises gekuppelt, indem beispielsweise beide Rohre zumindest über einen Teil ihrer Länge dicht nebeneinander verlaufen. Für bestimmte Anwendungen reicht es aus, einen einzigen Energie-Transportkreislauf vorzusehen, welcher während bestimmter Zeitperioden einmal als Primärkreis und ein andermal als Sekundärkreis verwendet werden.kann, indem in ihm beispielsweise ein an sich bekanntes System von Mehrwegventilen vorgesehen wird.

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Wärmespeichers werden das Bindemittel und eventuell

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/ die anderen Additive dem Bohrschlamm nicht vor den; Einbringen in die Grube während der Aushubarbeiten zugesetzt, sondern erst nach Fertigstellung der Grube. Dadurch entfällt naturgemäß die Verwendung eines Abbindeverzögerers. Der Zement und eventuell die anderen Additive können direkt in den Bohrschlamm eingebracht werden, welcher die fertige Grube füllt. Man kann auch einen geschlossenen Kreislauf verwenden, welcher außerhalb der Grube wenigstens eine Pumpe und einen Mischer aufweist, um aus der Grube den Bohrschlamm abzusaugen, mit dem Zement und den anderen Additiven au vermischen und dann als fertige Mischung in die Grube einzugeben. Die Anreicherung des Schlammes mit Zement im Mischer wird so lange fortgesetzt, bis die die Grube füllende Mischung den erforderlichen Zementanteil enthält. Außer der Einsparung des Abbindeverzögerers ergibt sich bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Einsparung an Zement. Tatsächlich wird im Falle des eingangs beschriebenen Verfahrens, bei welchem der Zement bereits in dem Bohrschlamm enthalten ist, welcher während des Aushebens der Grube eingefüllt wird, ein Teil der Mischung und infolgedessen ein Teil des darin enthaltenen Zementes unvermeidlich vom Aushub mitgenommen und geht infolgedessen verloren.

Je nach dem Volumen kann die zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Warmespeichers bestimmte Grube entweder insgesamt in einem einzigen Arbeitsgang ohne Pausen oder Verbindungen zwischen den einzelnen Teilen durchgeführt werden, oder auch in getrennten Teilen, wobei jedes Teil insbesondere mit den Energie-Transportkreisen und eventuell mit den Wandungen des geschlossenen Gehäuses ausgestattet wird und vor der Herstellung des anschließenden

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Teiles zum Erstarren gebracht wird. Bei einem sehr großen Wärmetauscher, zu dessen Herstellung beispielsweise der Bau von N nebeneinanderliegenden Teilen erforderlich wird, welche von 1 bis N gehen, werden vorzugsweise zunächst beispielsweise die geradzahligen Teile des Speichers hergestellt und nach ihrer vollständigen Herstellung die ungeradzahligen Teile.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die Anordnung der Rohre der Energie-Transportkreise innerhalb des erfindungsgemäßen Wärmespeiehers der Wahl des Konstrukteurs überlassen bleibt. Statt daher eine Art Netz mit parallelepipedischen Maschen entsprechend Fig.l zu bilden, können die Rohre des Primärtauschers und/oder des Sekundärtauschers auf beliebige Weise in der Speichermasse verteilt werden oder auch in Kreisen, in Spiralen, in Serpentinen oder dgl. angeordnet werden.

Naturgemäß kann der erfindungsgemäße unterirdische Wärmespeicher auch in einem sehr festen Boden angelegt werden, in welchem die Wände der Grube während des Aushebens nur wenig Gefahr laufen, einzustürzen. In diesem Fall ist die Verwendung von Bohrschlamm während des Aushebens der Grube unnütz. Es genügt dann, die fertige Grube mit einer flüssigen Mischung zu füllen, welche im wesentlichen aus einem Bindemittel wie Zement, aus Ton und Wasser zusammengesetzt ist. Wenn die entsprechenden Teile des oder der Energie-Transportkreise sowie eventuell die Seitenwände und die Bodenwand des Speichergehäuses in die fertige Grube eingebracht und in derselben fixiert sind, bevor diese mit der flüssigen Mischung gefüllt wurde, braucht dieser Mischung kein Abbindeverzögerer zugesetzt zu werden. Wenn allerdings in einem der-

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artigen relativ festen jedoch nicht undurchlässigen Gelände in geringer Tiefe eine Wasserschicht vorhanden ist, kann die Grube sich während des Aushebens mit Wasser füllen. In einem derartigen Fall braucht, wenn die entsprechenden Teile des oder der Energie-Transportkreise sowie eventuell die Seitenwände und die Bodenplatte des Gehäuses eingesetzt und fixiert sind, dem die fertige Grube füllenden Wasser nur noch ein Bindemittel wie Zement und Ton zugesetzt zu werden.

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Claims

Unterirdischer Wärmespeicher und Verfahren zu seiner Herstellung. Ansprüche:

1. Unterirdischer Wärmespeicher, bestehend aus einer in die Erde verlegten Masse aus einem oder mehreren Materialien mit geeigneter spezifischer Wärme, in welche zumindest ein Teil eines Energie-Transportkreislaufes eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (13) im wesentlichen aus einem Bindemittel wie Zement, Ton und Wasser in zur Erzielung einer geeigneten mechanischen Festigkeit des Materials entsprechendem Mischungsverhältnis besteht.

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2. Unterirdischer Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermaterial (13) im wesentlichen aus Zement, z.B. Schlackenzerrient, bentonit und Wasser besteht, wobei der Gewichtsanteil von Wasser weitgehend am größten ist.

3. Unterirdischer Wärmespeicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermaterial (13) eine Druckfestigkeit besitzt, welche zumindest gleich der ist, die zur Fixierung des Energie-Transport-Kreislaufes (9, H) sowie evtl. weizerer fester Organe .(3a-3e) des Speichers an den Stellen erforderlich ist, die für diese Teile innerhalb oder am Rande des Speichers vorgesehen sind, und das der Mindestwert der Druckfestigkeit 0,1 bar betragen kann.

4·. Unterirdischer Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermaterial (13) eine höhere spezifische Wärme besitzt als Erde und Fels, und daß dieser Wert vorzugsweise wenigstens 0,9 cal/°C*cnr beträgt.

5· Unterirdischer Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des Speiehermaterials (13) von der Erde, in die sie eingegraben ist, durch wärmeisolierende Wände (3a~3e) isoliert ist, welche vorzugsweise einen geschlossenen Raum um die Masse herum bilden.

6. Unterirdischer Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des Speichermaterials (13) von der Erde, in die sie eingegraben ist, durch wasserundurchlässige Wände (j5a-3e) isoliert ist, welche vorzugsweise einen geschlossenen Raum um die Masse herum bilden.

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7. Unterirdischer Wärmespeicher nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest gewisse Wände, insbesondere die Seitenwände des geschlossenen Raumes, in den Boden gegossen sind.

8. Unterirdischer Wärmespeicher nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest gewisse Wände jeweils aus einer Platte bestehen, die aus einer Tafel (4) mit geringer Wärmeleitfähigkeit und wenigstens einer Ballasttafel und/oder mechanisch schützenden Tafel (5a oder 5b)* z.B. aus Stahl, Beton oder Stahlbeton, zusammengefügt ist.

9· Unterirdischer Wärmespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tafel (4) mit geringer Wärmeleitfähigkeit zwischen zwei Ballasttafeln und/oder mechanisch schützenden Tafeln (5a und 5b) angeordnet ist.

10. Unterirdischer Wärmespeicher nach Anspruch b und 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte (3a-3c) auf wenigstens einer ihrer beiden Seitenflächen durch ein Dichtungselement wie einen wasserundurchlässigen Film oder eine derartige Folie abgedeckt ist.

11. Unterirdischer Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 10, welcher unter wenigstens einem Hochbau wie einem Gebäude eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher als Unterbau oder Fundament für den Hochbau (14) dient.

12. Unterirdischer Wärmespeicher nach Anspruch 11,, dadurch gekennzeichnet, daß er Seitenwände (3a, 3b) besitzt, welche sich bis nahe an die Bodenoberfläche (1) erstrecken und als Stützmauern

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für das Gebäude (14) dienen, und daß die Höhe (h) des Ganzen aus der Speichernlasse (13) und einer darüber liegenden, im wesentlichen wagerecht verlaufenden Wand (3e) vom Boden des Wärmespeichchers aus gemessen beträchtlich geringer ist als die Höhe (H) der Seitenwände (3a, 3k), sodaß die wagerechte Wand (3e) mit den darüber hinausragenden Teilen der Seitenwände das Kellergeschoß (15) des Gebäudes begrenzt.

13. Verfahren zur Herstellung eines unterirdischen Warmespei eher si nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem aus dem Boden eine Grube ausgehoben wird, deren Rauminhalt zumindest gleich dem des herzustellenden Wärmespeichers ist, diese Grube zumindest teilweise mit einem oder mehreren Materialien geeigneter spezifischer Wärme gefüllt wird und darin zumindest ein Teil eines Energie-Transportkreislaufes eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Aushebens der Grube (2) dieselbe fortlaufend zumindest teilweise mit einer geeigneten Flüssigkeit wie Wasser oder Bohrschlamm gefüllt wird, daß in die die Grube füllende Flüssigkeit der entsprechende Teil des Energie-Transportkreislaufes (9, 11) eingebracht und darin fixiert wird, und daß der Flüssigkeit bestimmte Mengen eines Bindemittels wie Zement sowie eventuell weitere Additive zugesetzt werden, welche geeignet sind, das Bindemittel aushärten zu lassen und dadurch die Flüssigkeit zu einer Masse (I3) mit geeigneter Wärmekapazität erstarren zu lassen, welche zumindest teilweise die fertige Grube (2) ausfüllt.

14. Verfahren nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel und die weiteren Additive dem Bohrschlamm vor dessen Verwendung zum Füllen der Grube (2) während des Aushebens zu-

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gesetzt werden und daß eines der Additive, z.B. Lignosulfit, derart ausgewählt wird, daß die Aushärtung des Bindemittels zumindest bis zur Fertigstellung der Grube (2) und dem Einbau des Energie-Transportkreislaufes (9, H) verzögerbar ist.

15. Verfahren nach Anspruch Ij5> dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel und eventuell die weiteren Additive der Flüssigkeit zugesetzt werden, wenn diese die fertige Grube (2) füllt.

16. Verfahren nach Anspruch I3 bis I5 zur Herstellung eines unterirdischen Wärmespeichers, der von einem wärmeisolierenden und/oder dichten Gehäuse umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Boden in an sich bekannter Weise im wesentlichen senkrechte Betonwände als Seitenwände des isolierenden Gehäuses gegossen werden, daß alsdann zwischen diesen gegossenen Wänden die Grube ausgehoben wird, daß vor dem Erstarren der die Grube füllenden Flüssigkeit in dieselbe eine wärmeisolierende und/oder dichte Platte eingebracht wird, welche sich auf den Grund der Grube legt und den Boden des geschlossenen Gehäuses bildet, und daß nach dem Einbau des Energie-Transportkreislaufes und dem Abbinden der Flüssigkeit das Gehäuse durch eine wärmeisolierende und/oder dichte Deckplatte vervollständigt wird.

17. Verfahren nach Anspruch I3 bis I5 zur Herstellung eines von einem wärmeisolierenden und/oder dichten Gehäuse umschlossenen unterirdischen Wärmespeichers, dadurch gekennzeichnet, daß wärmeisolierende und/oder wasserundurchlässige Platten (3a-3d) in die die fertige Grube (2) füllende Flüssigkeit vor dem Abbinden der Flüssigkeit eingebracht und am Boden bzw. an den Seiten der Grube fixiert werden, um mit einer gleichartigen Deckplatte (3e) das geschlossene Gehäuse zu bilden.

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