DE3148862A1 - Method and device for supplying earth or water heat to the condenser of a heat pump - Google Patents

Method and device for supplying earth or water heat to the condenser of a heat pump

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Abstract

For utilising earth heat in association with heat pumps, pipe coils of relatively great extent are laid in the earth. In the event of a leak, so that refrigerating medium or cooling brine can escape into the earth, searching for the leak is extremely difficult. Practically the entire area of ground taken up with the pipes has to be dug up. According to the present invention, firstly the spatial extent required is significantly reduced and moreover a safe barrier is installed between the pipe bearing the cooling medium and the surrounding earth. This takes place by means of a water-filled container to be buried in the earth. Into this container, the installation parts, e.g. pipes, which are surrounded with a thermal insulation layer and conduct the refrigerating medium, are introduced. In the bottom region of the container, the pipes are equipped with freezing elements, e.g. freezing fingers, which penetrate the thermal insulation layer and project into the water, with which the container is filled. Pieces of ice, which melt when the evaporator circuit is switched off or switched over and rise to the surface of the water in the container, are formed around the freezing elements. Advantageously, the entire installation is operated with two containers which are arranged at a sufficient distance in the earth and which are alternately connected to or separated from the heat pump circuit. <IMAGE>

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Zuführung von Erd- oder Method and device for feeding earth or

Wasserwärme an den Kondensator einer Wärmepumpe" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuführung von Erd- oder Wasserwärme an den Kondensator einer Wärme pumpe und die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Water heat to the condenser of a heat pump "The invention relates to a method for supplying geothermal or water heat to the condenser with heat pump and the device for performing this method.

Im Erdboden bzw. im Grundwasser sind praktisch unerschöpfliche Energiemengen in Form von Wärme gespeichert.There are practically inexhaustible amounts of energy in the ground or in the groundwater stored in the form of heat.

Mittels Wärmepumpe besteht die Möglichkeit, diese Energiequellen nutzbar zu machen. Dabei wird der Verdampfer einer Wärmepumpe mit der im Erdboden usw. gespeicherten Wärme in Kontakt gebracht. Das im Verdampfer enthaltene Kältemittel weist eine tiefere Temperatur als das umgebende Medium auf. Es erärtitsich also und nimmt Energie auf, die über einen Kondensator wieder abgegeben werden kann.It is possible to use these energy sources by means of a heat pump close. The evaporator of a heat pump is stored with the one in the ground, etc. Brought into contact with heat. The refrigerant contained in the evaporator has a lower level Temperature than the surrounding medium. So it arises and absorbs energy which can be released again via a capacitor.

Es ist nun bekannt, Erdwärme unter Einsatz von Rohrschlangen- oder Plattenverdampfern zu gewinnen, durch welche das Kältemittel oder eine Kühlsohle fließen. Es kann auch dem Wasser Wärme durch einen Verdampfer entzogen werden, durch den das Wasser gepumpt wurde, wobei der Wärmeentzug aus dem Wasser stattfindet.It is now known to use geothermal energy using coiled tubes or Obtain plate evaporators, through which the refrigerant or a cooling base flow. It can also extract heat from the water through an evaporator will, through which the water was pumped, with the extraction of heat from the water taking place.

Beim Einsatz der genannten Rohr- oder Plattenverdampfer sind große Erdreichflächen erforderlich. Treten im Verdampfer Undichtigkeiten auf, zum Beispiel durch Korrosion, gelangt durch die im Erdreich bzw. Grundwasser verlegten Leitungen Kältemittel mit öl oder Kühl sohle in das Erdreich und in das Grundwasser. Die Leckstelle ist schwierig zu finden. Hierzu müßten die gesamten Rohrleitungen oder Platten freigelegt werden. Zum Wärmeentzug aus Grundwasser sind Brunnen erforderlich. Dabei wird bekannterweise Grundwasser mittels einer Pumpe aus einem ersten Brunnen entnommen, durch einen Verdampfer zum Wärmeentzug geleitet und einem zweiten Brunnen wieder zugeführt.When using the mentioned tube or plate evaporators are large Ground areas required. If there are leaks in the evaporator, for example by corrosion, gets through the pipes laid in the ground or groundwater Refrigerant with oil or cooling sole in the ground and in the groundwater. The leak is difficult to find. To do this, the entire pipelines or plates would have to be exposed will. Wells are required to extract heat from groundwater. It is known that Groundwater taken from a first well by means of a pump, through a Evaporator routed to extract heat and fed back to a second well.

Dabei muß der Wärmeentzug in einem Temperaturbereich über dem Gefrierpunkt erfolgen, um ein Zufrieren des Verdampfers zu vermeiden. Im übrigen darf nach entsprechenden Auflagen der staatlichen Alter für Wasserwirtschaft das Grundwasser nicht bis zum Nullpunkt herunter gekühlt Werden. Es ist hier gefordert, daß die Temperatur des abgekühlten Wassers am Ausgang des Wärmeentzuges immer noch mindestens +40C betragen muß. Auch besteht in Zusammenhang mit etwaigen Undichtigkeiten im Kühlsystem derselbe Nachteil wie bei den beschriebenen Rohr- und Plattenverdampfern. Auch hier kann Kältemittel mit öl oder Kühlsohle direkt ins Grundwasser gelangen. Durch die Beschränkung des Abkühlbereiches des Wassers kann hier nur eine verhältnismäßig geringe Wärmemenge von Wasser auf das Kühlmittel übertragen werden. Die Nutzungsmöglichkeiten sind also beschränkt.The heat extraction must be in a temperature range above freezing point to prevent the evaporator from freezing up. Otherwise, according to the relevant Conditions of the state age for water management do not use the groundwater until Be cooled down to the zero point. It is required here that the temperature of the cooled water at the exit of the heat extraction is still at least + 40C got to. The same also applies to any leaks in the cooling system Disadvantage as with the tube and plate evaporators described. Here, too, can Refrigerant can get directly into the groundwater with oil or cooling soles. By the restriction the cooling area of the water can only hold a relatively small amount of heat here transferred from water to the coolant. The possible uses are so limited.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren und Vorrichtungen derqestalt zu verbessern, daß insbesondere der Kältemittelkreislauf nicht mehr unmittelbar über die Rohr- oder Plattenverdampfer mit dem umgebenden Erdreich bzw dem Grundwasser kontaktiert. Des weiteren sollte wieder der zusätzliche Energieverbrauch vermieden werden, der durch die Pumpen bei Brunnenbetrieb gegeben ist. Schließlich soll die Gefahr des Zufrierens und damit Platzens von Verdampferrohren ausgeschlossen werden Es soll die Möglichkeit eröffnet werden, auch in Bereichen unter dem Gefrierpunkt zu fahren, um die Wärmeausbeute zu verbessern.The invention is based on the object of the known methods and to improve devices in such a way that, in particular, the refrigerant circuit no longer immediately via the tube or plate evaporator with contacted the surrounding soil or the groundwater. Furthermore should be again the additional energy consumption caused by the pumps when operating wells can be avoided given is. Ultimately, there should be the risk of the evaporator tubes freezing and thus bursting to be excluded The possibility should be opened up, also in areas drive below freezing point in order to improve the heat recovery.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Zuführung von Erd- oder Wasserwärme an den Kondensator einer Wärmepumpe, bei welchem der kältemittelführende Verdampfer von Wasser umgeben ist dergestalt, daß durch den Verdampfer das Wasser abgekühlt und Eiskörper unter Wärmeabgabe an den Verdampfer gebildet werden, wobei nach Erreichen einer maximalen Größe der gebildeten Eiskörper der Verdampfer abgeschaltet wird und diese sich vom Verdampfer lösen und nach oben steigen, wonach durch Einschalten des Verdampfers ein neuer Gefriervorgang eingeleitet wird.The invention solves this problem with a method of feeding of geothermal or water heat to the condenser of a heat pump, in which the refrigerant-carrying The evaporator is surrounded by water in such a way that the water flows through the evaporator cooled and ice bodies are formed with heat dissipation to the evaporator, wherein the evaporator is switched off after the ice bodies formed have reached a maximum size and these will detach from the evaporator and rise to the top, after which by switching on the evaporator starts a new freezing process.

Der das kältemittelführende Verdampfer kann dabei in einen Wasserbehälter eingebracht sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, den Verdampfer einfach in eine natürliche Wasseransammlung zum Beispiel einen Teich einzubringen. Dann entfällt allerdings der u.a. angestrebte Vorteil des unmittelbaren Kontaktes von Kältemittel und umgebendem Medium.The evaporator carrying the refrigerant can be placed in a water tank be brought in. But it can also be provided to simply convert the evaporator into one Bringing in natural water accumulation, for example, in a pond. Then not applicable however, the advantage of the direct contact with refrigerant, which is sought after, among other things and surrounding medium.

Vorzugsweise werden zwei Verdampfer parallelgeschaltet und abwechselnd betrieben. Es kann aber auch beim Abschalten des Verdampfers heißer Kältemitteldampf zum Ablösen der Eiskörper durch den Verdampfer geführt werden.Two evaporators are preferably connected in parallel and alternately operated. However, hot refrigerant vapor can also occur when the evaporator is switched off be passed through the evaporator to remove the ice.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht vor, daß der kältemittelführende Verdampfer als im wesentlichen waagerecht ausgerichtetes, wärmeisoliertes Verdampferrohr mit im Abstand angeordneten nach oben gerichteten unisolierten Gefrierelementen ausgebildet ist.The device for performing the method provides that the Refrigerant-carrying evaporator as essentially horizontally aligned, heat-insulated Evaporator tube with spaced upward facing uninsulated freezing elements is trained.

Anstelle eines Verdampferrohres kann auch eine rerÆ dampferplatte treten.Instead of an evaporator tube, an evaporator plate can also be used step.

Wiederum vorzugsweise ist der Verdampfer im Bodenbereich eines mit Wasser gefüllten Behälters mit gut wärmeleitenden Außenwandungen angeordnet.Again, the evaporator is preferably one with in the bottom area Water-filled container arranged with good heat-conducting outer walls.

Der Behälter sollte eine schlanke Form mit möglichst großer Oberfläche besitzen. Bei dem Verfahren mit parallelgeschalteten Verdampfern sind diese in zwei im Abstand voneinander angeordneten Behältern vorgesehen.The container should have a slim shape with the largest possible surface area own. In the case of the method with evaporators connected in parallel, these are in two spaced apart containers provided.

Zumindest bei den bevorzugten Ausführungsformen von Verfahren und Vorrichtung kommt der Verdampfer nicht direkt mit dem umgebenden wärmeabgebenden Medium in Berührung.At least in the preferred embodiments of methods and The device does not come directly from the evaporator with the surrounding heat emitting device Medium in contact.

Es ist in einem abgeschlossenen Behälter angeordnet. Bei evtl. Lecks können diese erstens einfach und schnell geortet werden, zweitens gelangt weder Kältemittel mit öl noch Kühlsohle ins Erdreich und ins Grundwasser. Darüber hinaus kann dem Wasser im Behälter auch im Bereich unterhalb des Gefrierpunktes Wärme entzogen werden, ohne daß damit ein schädlicher und unzulässiger Einfluß auf Erdreich undGrundwasser genommen wird. Die Eiskörper lösen sich bei jeweiliger Ab- und Umschaltung des Verdampferkreislaufes von den an den Verdampferrohren vorgesehenen Gefrierelementen, schwimmen zur Wasseroberfläche und schmelzen dort. Die hierzu notwendige Energie wird dem den Behälter umgebenden Erdreich bzw. Grundwasser entnommen.It is arranged in a closed container. In the event of leaks Firstly, they can be located quickly and easily, secondly, neither gets Refrigerant with oil or cooling base in the ground and in the groundwater. Furthermore can extract heat from the water in the container even in the area below freezing point without a harmful and impermissible influence on the soil and groundwater is taken. The ice bodies dissolve when the evaporator circuit is switched off and on from the freezing elements provided on the evaporator tubes, swim to the surface of the water and melt there. The energy required for this is supplied to the one surrounding the container Soil or groundwater taken.

Weitere Merkmale der Erfindung und Einzelheiten der durch dieselbe erzielten Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer in der beigefügten Zeichnung rein schematisch und beispielsweise dargestellten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.Further features of the invention and details of the same The advantages achieved result from the following description of one in the accompanying drawing purely schematically and as an example embodiment shown of the subject matter of the invention.

Fig. 1 zeigt die Vorrichtung in schaubildlicher Darstellung, in Fig. 2 ist eine Einzelheit in vergrößertem Maßstab wiedergegeben. Fig. 1 shows the device in a diagrammatic representation, in Fig. 2 shows a detail on an enlarged scale.

Eine Wärmepumpe 1, zum Beispiel in einem Einfamilienhaus, steht mit kältemittelführenden Verdampfern 2 und 3 in zwei Behaltern 4 und 5 über Rohrleitungen 6 und 7 in Verbindung Die Verdampfer 2 und 3 sind im Bodenbereich der Behälter 4 und 5 vorgesehen Letztere sind mit Wasser gefüllt. Die Rohre der Verdampfer 2 und 3 sind zumindest im Bereich, in welchem sie von Wasser in den Behältern 4 und 5 umgeben sind e mit einer wärmeisolierenden Schicht 8 umgeben. Nach oben wird diese wärmeisolierende Schicht 8 von unisolierten Gefrierfingern 9 durchragt.A heat pump 1, for example in a family house, is available with refrigerant-carrying evaporators 2 and 3 in two containers 4 and 5 via pipes 6 and 7 in connection The evaporators 2 and 3 are in the bottom area of the container 4 and 5 provided the latter are filled with water. The tubes of the evaporator 2 and 3 are at least in the area in which they are of water in the containers 4 and 5 e are surrounded by a heat-insulating layer 8. Up is this heat-insulating layer 8 protruding from uninsulated freezer fingers 9.

Die Behälter bestehen aus gut wärmeleitendem Werkstoff, vorzugsweise korrosionsfreiem Stahl und können an sich beliebige Formgebung aufweisen, sie können zum Beispiel rechteckig oder auch oval sein. Um für den Wärme- bzw.The containers are made of a material that conducts heat well, preferably corrosion-free steel and can have any shape, they can for example, be rectangular or oval. In order for the heat or

Kälteübergang jedoch eine möglichst große Fläche zur Verfügung zu haben, werden die Behälter von schlanker Form mit großen Seitenflächen sein. An ihrer Oberseite weisen sie einen mit einer Platte 11 abgeschlossenen Einstieg auf.However, as large an area as possible is available for cold transition the containers will be slender in shape with large side surfaces. At on their upper side they have an entrance that is closed off with a plate 11.

Die Bauhöhe der Behälter und die Eingrabtiefe ist so auszulegen, daß an ihren großen Seitenflächen in eingegrabenem Zustand die Bodenwärme etwa zwischen 8 bis 10°C liegt. Der Abstand bei der Anordnung zweier Behälter muß zwischen diesen so groß sein, daß sie sich nicht beim Entzug der Bodenwärme gegenseitig beeinflussen.The overall height of the container and the burial depth must be designed in such a way that that on their large side surfaces when buried in the ground, the heat from the ground is roughly between 8 to 10 ° C. The distance when arranging two containers must be between them be so large that they do not influence each other when the heat is extracted from the ground.

Vorteilhafterweise erfolgt die Anordnung der Behälter in einem Kiesbett, dem das gesammelte Dachwasser des zu bedienenden Gebäudes zugeführt werden kann, wie in Fig. 1 angedeutet.The containers are advantageously arranged in a gravel bed, to which the collected roof water of the building to be served can be fed, as indicated in FIG. 1.

Wird die Anlage, wie dargestellt, mit zwei Behältern 4 und 5 gefahren, läuft die Wärmepumpe zunächst mit dem Verdampfer 2, bis sich im Behälter 4 dort Kleineiskörper gebildet haben. Dann wird auf den Verdampfer 3 im Behälter 5 umgeschaltet. Die Eiskörper 10 im ersten Behälter 4 lösen sich von den Gefrierfingern 9 und schwimmen zur Wasseroberfläche, wo sie bei der herrschenden Wassertemperatur wieder schmelzen. Haben sich im Behälter 5 an den Gefrierfingern 9 des dortigen Verdampfers 3 die Eiskörper 10 gebildet, wird wieder zurückgeschaltet. So ist ein kontinuierlicher Betrieb der Wärmepumpe mit den beiden Behältern möglich.If the system is operated with two containers 4 and 5, as shown, the heat pump first runs with the evaporator 2 until it is in the container 4 there Have formed small ice bodies. Then a switch is made to the evaporator 3 in the container 5. The ice bodies 10 in the first container 4 detach from the freezer fingers 9 and float to the surface of the water, where they melt again at the prevailing water temperature. Have in the container 5 on the freezer fingers 9 of the evaporator 3 there Ice body 10 is formed, is switched back again. So is a continuous The heat pump can be operated with the two tanks.

Das Verfahren könnte auch mit einem Behälter und zwei Verdampfern gefahren werden. Schließlich ist auch der Einsatz nur eines Verdampfers denkbar, der dann mittels Heißgas abzutauen wäre.The procedure could also use a container and two vaporizers be driven. Finally, the use of just one evaporator is also conceivable, which would then have to be defrosted using hot gas.

Da die Erdreichtemperaturen unabhängig von der Jahreszeit im wesentlichen in den vorgesehenen Arbeitsbereichen weitgehend konstant um 8 bis 10°C liegen, kann im Sommer die Anlage auch zur Klimatisierung der angeschlossenen Räume verwendet werden, in dem das Kältemittel durch einen Bypaß geleitet wird.Because the soil temperatures are essentially independent of the season be largely constant around 8 to 10 ° C in the intended work areas in summer the system is also used to air-condition the connected rooms by passing the refrigerant through a bypass.

Claims (9)

" Verfahren und Vorrichtung zur Zuführung von Erd- oder Wasserwärme an den Kondensator einer Wärmepumpe Patentansprüche 1.) Verfahren zur Zuführung von Erd- oder Wasserwäran den Kondensator einer Wärmepumpe, bei dem der kältemittelführende Verdampfer von Wasser umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Verdampfer das Wasser abgekühlt und Eiskörper unter Wärmeabgabe an den Verdampfer gebildet werden, wobei nach Erreichen einer maximalen Größe der gebildeten Eiskörper der Verdampfer abgeschaltet wird und diese sich vom Verdampfer lösen und nach oben steigen, wonach durch Einschalten des Verdampfers ein neuer Gefriervorgang eingeleitet wird."Method and device for supplying geothermal or water heat to the condenser of a heat pump Patent claims 1.) Method of supply from geothermal or water heat to the condenser of a heat pump, in which the refrigerant-carrying Evaporator is surrounded by water, characterized in that by the evaporator the water is cooled and ice bodies are formed, giving off heat to the evaporator after reaching a maximum size of the ice bodies formed The evaporator is switched off and they detach from the evaporator and rise to the top, after which a new freezing process is initiated by switching on the evaporator. 2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kältemittelführende Verdampfer in einen Wasserbehälter eingebracht wird. 2.) The method according to claim 1, characterized in that the refrigerant-carrying Evaporator is placed in a water tank. 3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kältemittelführende Verdampfer in eine natürliche Wasseransammlung eingebracht wird. 3.) The method according to claim 1, characterized in that the refrigerant-carrying Vaporizer in one natural water retention is introduced. 4.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Verdampfer parallelgeschaltet werden und abwechselnd betrieben werden. 4.) Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that that two evaporators are connected in parallel and operated alternately. 5.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abschalten des Verdampfers zum Ablösen der Eiskörper heißer Kühlmitteldampf durch-den Verdampfer geführt wird. 5.) Method according to claim 1 to 4, characterized in that When the evaporator is switched off, hot coolant vapor is released to detach the ice body is passed through the evaporator. 6.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der kältemittelführende Verdampfer als im wesentlichen waagerecht ausgerichtetes, wärmeisoliertes Verdampferrohr oder eine Platte mit im Abstand angeordneten nach oben gerichteten unisolierten Gefrierelementen ausgebildet ist. 6.) Device for performing the method according to the claims 1 to 5, characterized in that the refrigerant-carrying evaporator as essentially horizontally aligned, thermally insulated evaporator tube or a plate with im Formed spaced upwardly directed uninsulated freezer elements is. 7.) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer im Bodenbereich eines mit Wasser gefüllten Behälters mit gut wärmeleitenden Außenwandungen angeordnet ist. 7.) Device according to claim 6, characterized in that the Evaporator in the bottom area of a container filled with water with good heat conducting Outer walls is arranged. 8.) Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter eine schlanke Form mit großer Oberfläche besitzt. 8.) Apparatus according to claim 6 and 7, characterized in that the container has a slim shape with a large surface area. 9.) Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im Abstand voneinander angeordnete Behälter vorgesehen sind. 9.) Device according to claim 6 to 8, characterized in that two spaced apart containers are provided.
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