DE3632543A1 - System zur gewinnung und uebertragung von waermeenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Gewinnung und Übertragung von Wärmeenergie, insbesondere Erdwärmeenergie für Heizzwecke, beispielsweise von Krankenhäusern, Wohn- und Gesellschaftsbauten.

Systeme und Anordnungen zur Gewinnung und Übertragung von Wärmeenergie sind in vielfältigsten Formen bekannt geworden. Als Wärmeüberträger kommen in überwiegendem Maße starre oder flexible Rohrsysteme bzw. Schlauchsysteme aus unterschiedlichen Materialien in Erdkollektoren, Sonnenkollektoren oder in Fußbodenheizungen zur Anwendung.

Bekannt sind Systeme in Ein- oder Mehrkammerausführungen aus Metallen oder Kunststoffen, die konstruktiv die verschiedenartigsten Profile und Formen aufweisen. Es sind Absorber als Mattenausführung bekannt geworden, die aus mehreren biegsamen, aufrollbaren durch einen Steg verbundenen Schläuchen bestehen und an den Enden durch Sammelleitungen verbunden und durch Haltemittel in ihrer Lage fixiert sind und in Sonnenkollektoren zum Einsatz gelangen. Eine maschinelle Legung des Absorbers ist nicht möglich und die Anschlußtechnik kann erst nach Verlegung montiert werden.

Bei einem Erdwärmekollektor handelt es sich um ein System von Rohren und Schläuchen, die als Erdsonden ausgebildet und in allen möglichen Richtungen im Erdboden eingebracht sind. Durch direkten Kontakt der Rohre oder Schläuche mit dem Erdreich ist ein guter Wärmeübergang möglich. Der Erdwärmekollektor ist ein Wärmetauscher, der Energie aus dem Erdreich aufnehmen und andererseits auch Energie an das Erdreich wieder abgeben kann. Die dem Erdreich entzogene Energie kann unter anderem in Verbindung mit Wärmepumpen für Heizzwecke nutzbar gemacht werden.

In der Schweizer PS 6 44 682 ist ein Erdkollektor für Wärmepumpenanlagen beschrieben worden, dessen Kollektorrohre horizontal übereinander im Erdreich verlaufen. An den Enden verbinden senkrecht geführte Sammelrohre die Kollektorrohre untereinander und sorgen für die Zu- und Ableitung des Wärmemediums. Zum Errichten eines Erdkollektors dieser Bauart wird ein Graben von ca. 50 cm Breite und variabler Länge benötigt. Der Nachteil dieser Ausführung besteht vor allem darin, daß die Kollektorrohre parallel zur Hauptwärmeflußrichtung verlaufen und sich damit gegenseitig beeinflussen. Die Montage eines derartigen Kollektors erfolgt nach einer aufwendigen, komplizierten Technologie, da der größte Teil dieser Arbeit erst im Graben erfolgen kann. Für Anlagen mit großer Kapazität sind umfangreiche Erdbauarbeiten erforderlich.

Die DE-OS 30 37 755 A 1 beschreibt ein Herstellungsverfahren für Erdkollektoren zur Entnahme oder Einspeisung von Wärmeenergie, bei dem Rohre oder Schläuche horizontal, parallel nebeneinander im Erdboden verlegt werden. Die Rohre oder Schläuche werden aus zwei gegenüberliegenden Gräben von ca. 0,8 m Breite mit einem Horizontalbohrgerät o. ä. verlegt. In diesen Gräben verlaufen die Sammelleitungen. Nachteilig hierbei ist die komplizierte Technologie bei der Verlegung der Rohre oder Schläuche mit Hilfe der Horizontalbohrgeräte. Werden Anlagen mit großer Kapazität benötigt, ist der Bau von mehreren Kollektoren erforderlich. Die nach dem Bohrvorgang eingebrachten Rohre oder Schläuche haben, bedingt durch den größeren Querschnitt der Bohrung, nur ungenügenden Kontakt mit dem umgegebenden Erdreich. Die Folge sind eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und damit ein geringer Wirkungsgrad des Erdkollektors.

Da bei allen bekannten Erdkollektoren eine Entlüftung des Systems vor der Inbetriebnahme erforderlich ist, müssen sämtliche Rohre oder Schläuche mit Gefälle verlegt werden und die Möglichkeiten für eine Entlüftung vorhanden sein. Ziel der Erfindung ist es, ein System zur Gewinnung und Übertragung von Wärmeenergie zu schaffen, das einen guten Wirkungsgrad aufweist, mit geringem Materialeinsatz zu realisieren ist und daß ohne großen Montageaufwand mit einer relativ einfachen Technologie verlegt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Gewinnung und Übertragung von Wärmeenergie zu entwickeln, das eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt und eine gleichmäßige Wärmeübertragung gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere Schlauchbänder, vorzugsweise Plastschlauchbänder gleicher oder unterschiedlichster Länge, mit ihrer Breitseite zur Wärmehauptflußrichtung in beliebigem Abstand nebeneinander verlegt sind.

Nach einem weiteren Merkmal sind die Plastschlauchbänder ohne Gefälle in konstanter Tiefe den Bodenunebenheiten angepaßt im Erdboden verlegt, wobei die unmittelbar über dem Plastschlauchband aufgebrachte Erde eine geringere Dichte aufweist als die Dichte des übrigen, danebenliegenden Erdreiches.

Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß die Plastschlauchbänder in sich verfestigten Medien, z. B. Beton, verlegt sind und bis zur Verfestigung des Mediums unter Betriebsdruck gehalten werden. Die Plastschlauchbänder können in Längsrichtung konisch ausgeführt und ein- oder zweiseitig abgeflacht sein. wobei die Stege zwischen den Kanälen eine größere Wandstärke aufweisen und parallel verlaufen.

Ursächlich der Dehnbarkeit der Plastschlauchbänder weiten sich diese beim Durchströmen des Wärmeträgers infolge des dabei wirkenden Druckverlustes am Anfang dieser Plastschlauchbänder auf einen größeren Querschnitt auf als am Ende dieser Plastschlauchbänder. Dadurch ist die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers am Anfang der Schlauchbänder geringer als am Ende der Schlauchbänder. Durch die in Längsrichtung der dehnbaren Plastschlauchbänder steigende Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers, sinkende Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträger und verlegtem Medium sowie sinkende Oberflächengröße der Plastschlauchbänder wird über der gesamten Länge der dehnbaren Plastschlauchbänder ein gleichmäßiger Wärmeübergang erzielt.

Durch die Lage des Plastschlauchbandes befindet sich der größte Teil der Schlauchoberfläche in Hauptwärmeflußrichtung, wodurch ein guter Wärmeaustausch und somit guter Wirkungsgrad erreicht wird. Der Wärmefluß erfolgt bei Verlegung im Erdboden in Abhängigkeit von den Witterungsbedingungen entweder von der Erdoberfläche oder aus dem Erdinnern zum Plastschlauchband. Die kleine Schlauchbandoberfläche in seitlicher Richtung hat den Vorteil, daß sich die Plastschlauchbänder untereinander nur minimal beeinflussen. In dem Erdboden über dem Plastschlauchband mit geringerer Dichte kann sich das Sickerwasser wie in einer Mulde sammeln, wodurch ein besserer Wärmeübergang und somit eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades des Erdwärmekollektors erreicht wird.

Bei Einbettung in sich verfestigende Medien, wie z. B. Beton, ist während der Einbettung und Verfestigungszeit das Plastschlauchband unter betriebsähnlichen Bedingungen zu halten, d. h. durch die Durchströmung mit einer Flüssigkeit/Wärmeträger wird der Konus bildende Effekt erreicht und muß bis zum Abschluß der Abbindezeit der Einbettung beibehalten werden. Beim Einsatz eines erwärmten Wärmeträgers verkürzt sich z. B. die Abbindezeit von Beton.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel anhand eines Erdwärmekollektors näher erläutert werden.

Ein System von mehreren nebeneinander liegenden Plastschlauchbändern wird mit Hilfe eines für Meliorationsarbeiten vorgesehenen Gerätes "Meliomat" im Erdboden maschinell verlegt. Dabei wird das Plastschlauchband durch ein im Schwert befindliches Rohr kontinuierlich in der gewünschten Tiefe abgelegt, und der verdrängte Erdboden fällt hinter dem Schwert wieder zusammen, so daß keine weiteren aufwendigen Erdbauarbeiten erforderlich sind. Das Verlegen des Plastschlauchbandes wird durch die Verwendung des Meliomats technologisch besonders vereinfacht und daher sehr wirtschaftlich. Da das Plastschlauchband mit Hilfe eines im Schwert befindlichen Rohres in den Erdboden verlegt wird, entfallen nach dieser Verlegemethode umfangreiche Erdbauarbeiten, wie das Ausheben und wieder Zuschütten der Gräben. Diese sind nur notwendig für die Verlegung der Sammelleitungen. Das zur Anwendung kommende Plastschlauchband ist so ausgeführt, daß sein Gesamtquerschnitt in mehrere kleinere Querschnitte in Form von mehreren, vorzugsweise drei nebeneinander liegenden Kanälen, unterteilt ist. Dadurch ist die Verlegung des Plastschlauchbandes mit Gefälle zur Entlüftung des Systems nicht erforderlich. Bereits eine geringe Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums reicht aus, um die im Plastschlauchband befindliche Luft in das Entlüftungsgefäß zu transportieren. Das Plastschlauchband kann somit in konstanter Tiefe, d. h. den jeweiligen Bodenunebenheiten angepaßt, verlegt werden. Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Aufteilung des Gesamtquerschnittes in mehrere Einzelquerschnitte ergibt, ist die höhere Druckbeständigkeit dieser Konstruktion bei einer geringeren Wandstärke. Zur Erhöhung der Druckstabilität werden die Stege zwischen den einzelnen Kanälen so ausgeführt, daß die Wandungen in einem bestimmten Bereich parallel verlaufen. Durch die parallel verlaufenden Stege mit größerer Wandstärke als die übrige Wandstärke des Plastschlauchbandes zwischen den Kanälen erfolgt bei steigender Wärmeeinwirkung auf das Plastschlauchband eine Zwangshaltung des Plastschlauchbandes bezogen auf die schmale Seite des Plastschlauchbandes. Dadurch wird die Ausdehnung in der Breitseite bei Wärmeeinwirkung bevorzugt unterstützt. Da die Breitseite des Plastschlauchbandes in der Wärmehauptflußrichtung liegt, diese sich mit steigender Temperatur in ihrer Fläche bevorzugt zusätzlich zur normalen Wärmedehnung vergrößert, kann zusätzlich mehr Wärmeenergie aufgenommen werden. Einkanälige Plastschlauchbänder mit gleichem Gesamtquerschnitt machen eine wesentlich größere Wandstärke erforderlich. Daraus ergibt sich ein höherer Materialaufwand und ein schlechter Wirkungsgrad.

Die bei "starren" Erdwärmekollektoren auftretenden Probleme der Wärmeausdehnung sind bei der Verwendung von Plastschlauchbändern gegenstandslos. Es ist sogar möglich, Plastschlauchbänder unterschiedlicher Länge nebeneinander parallel zu verlegen. Die hieraus resultierende mögliche Vorkonfektionierung der Plastschlauchbänder und die einfache Anschlußtechnik als Schraubverbindung mittels Preßhülse und Hahnanschlußverschraubung sowie die Herstellung beliebiger Längen dieser Plastschlauchbänder in einem Stück führen zur starken Verringerung des Montageaufwandes.

Die im Erdboden verlegten Plastschlauchbänder sind an den Enden durch Sammelleitungen verbunden. Besondere Haltemittel zur Fixierung der Leitung sind nicht notwendig. Der durch die Dehnbarkeit der Plastschlauchbänder und gegebenfalls durch die konische Formgebung in Längsrichtung hervorgerufene gleichmäßige Wärmeübergang führt zur Erhöhung der energetischen Effektivität und somit zur Einsparung von Kosten für den Bau des Erdwärmekollektors. Dieser Effekt ist mit "starren" Erdwärmekollektoren, die beispielsweise aus Stahl gefertigt sind, nur bedingt, aber dann nur mit sehr erhöhtem Aufwand erzielbar.

Die dem Erdreich entzogene Energie kann unter anderem in Verbindung mit dazwischen geschalteten Wärmepumpen zur Heizung, beispielsweise eines Krankenhauses, nutzbar gemacht werden. Es besteht dazu außerdem die Möglichkeit, mit diesem Erdwärmekollektor Wärmeenergie, wie beispielsweise Umweltenergie oder Sekundärenergie, in das Erdreich einzuleiten und für eine spätere Nutzung zu speichern.

Durch den Einsatz des Plastschlauchbandes mit der geschilderten Verlegetechnologie im Erdreich besteht die Möglichkeit, erstmals Kleinwärmepumpen und Großwärmepumpenanlagen unter Nutzung der Energiequelle Erdreich als auch unter Nutzung von Umweltenergie wesentlich wirtschaftlicher zu errichten, als das bislang der Fall war.

Flächen mit diesen eingebauten Erdkollektoren sind nach deren Montage landwirtschaftlich wieder nutzbar.

Claims (4)

1. System zur Gewinnung und Übertragung von Wärmeenergie, insbesondere Erdwärmeenergie für Heizzwecke, beispielsweise von Krankenhäusern, Wohn- und Gesellschaftsbauten, bestehend aus einer Anordnung von Schlauchbändern, vorzugsweise Plastschlauchbändern mit mehreren in einer Ebene liegenden Kanälen, die stoffschlüssig miteinander verbunden und an den Enden durch Sammelleitungen verbunden sind, wobei die Plastschlauchbänderanordnung mit Wärmepumpen verbunden sein kann, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Plastschlauchbänder gleicher oder unterschiedlichster Länge mit ihrer Breitseite zur Wärmehauptflußrichtung in beliebigem Abstand nebeneinander verlegt sind.

2. System zur Gewinnung und Übertragung von Wärmeenergie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Plastschlauchbänder ohne Gefälle in konstanter Tiefe den Bodenunebenheiten angepaßt im Erdboden verlegt sind, wobei die unmittelbar über dem Plastschlauchband aufgebrachte Erde eine geringere Dichte aufweist als die Dichte des übrigen, danebenliegenden Erdreiches.

3. System zur Gewinnung und Übertragung von Wärmeenergie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Plastschlauchbänder in sich verfestigenden Medien, z. B. Beton, verlegt sind und bis zur Verfestigung des Mediums unter Betriebsdruck gehalten werden.

4. System zur Gewinnung und Übertragung von Wärmeenergie nach Anspruch 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß die Plastschlauchbänder in Längsrichtung konisch und ein- oder zweiseitig abgeflacht sind, wobei die Stege zwischen den Kanälen eine größere Wandstärke aufweisen und parallel verlaufen.