DE3906135A1 - Waermegewinnungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmegewinnungsanlage, welche im we­ sentlichen für die Gewinnung von Wärmeenergie niedriger Tempera­ tur ausgelegt ist. Derartige Wärmeenergie steht praktisch kosten­ los als geothermische Wärme, als Abwärme der industriellen Pro­ zeßtechnik und in Kraftwerken, in der Kanalisation oder z.B. in den Zulauf- und Ablaufleitungen und Becken von Kläranlagen zur Verfügung, so daß in der Regel für eine Nutzung lediglich die Installationskosten und relativ geringe Betriebskosten anfallen.

Die genannten Energiequellen werden bislang nur in geringem Um­ fang genutzt, lediglich der Gewinnung geothermischer Wärmeener­ gie wurde in letzter Zeit etwas größere Aufmerksamkeit gewidmet.

Zum Zwecke der Nutzung geothermischer Energie für den Bereich der Hausheizung ist neben den reinen Wärmepumpenanlagen mit im oberflächennahen Erdboden verlegten Wärmetauschern vor allem das sogenannte GEOHILL-Verfahren bekannt geworden. Hier wird ei­ ne vertikal stehende Bohrung in den Untergrund abgeteuft, welche mit Durchmessern um 300 mm bis in Tiefen von etwa 400 m vorge­ trieben wird. Die Bohrung wird zum Zwecke der Zirkulation erwärm­ ten Tiefenwassers mit einem Casing aus Kunststoffrohr versehen, in welches ein spezielles Förderrohr eingelassen wird. Die ver­ bleibenden Freiräume werden mit Kies verfüllt, um den Umlauf des Wassers zu gewährleisten. Für das Umpumpen des Wassers ist eine in der Tiefe installierte Druckpumpe erforderlich. Die mittels der Anlage gewonnene Wärmeenergie wird einer Wärmepumpe zuge­ führt, um das angebotene Temperaturniveau auf die für die Haus­ heizung benötigte Temperaturhöhe zu transformieren.

Das beschriebene Verfahren hat mehrere Nachteile, welche im we­ sentlichen in zwei Gruppen zusammengefaßt werden können. Davon berührt die erste Gruppe Kosten-, und die zweite Gruppe Umwelt­ gesichtspunkte. So sind einmal bei der Installation der Anlage aufgrund des relativ großen Bohrdurchmessers, aufgrund der er­ forderlichen Verrohrung, Kiesverfüllung und des Pumpen- und Ka­ beleinbaus erhöhte Kosten zu verzeichnen. Dazu kommen die laufen­ den Betriebskosten der Pumpe aufgrund des Stromverbrauchs, sowie unter Umständen erhebliche Kosten, falls die Pumpe einmal defekt werden sollte. Ein Risiko liegt ferner in der Möglichkeit des Ausfällens gelöster Salze aus dem Umlaufwasser des nicht völlig geschlossenen Grundwasserkreislaufs aufgrund der Abkühlung im obertägigen Wärmetauscher, was zu weiteren Folgekosten führen könnte.

Unter Umweltgesichtspunkten ist zu bemängeln, daß bereits beim Abteufen des Bohrlochs und dem Durchfahren verschiedener Grund­ wasserhorizonte die natürliche gegenseitige Abdichtung durch wasserstauende Schichten zerstört und durch das Einfüllen von Kies weiter verschlechtert wird. Das Abpumpen von relativ reinem Tiefenwasser nach obertage führt aufgrund des nicht geschlossenen Systems zu einem unkontrollierten Wasserkreislauf, wobei die Ein­ dringung verunreinigter Oberflächenwässer in tiefere Grundwasser­ stockwerke nicht sicher ausgeschlossen werden kann.

Im übrigen ist der Einsatz der beschriebenen Technologie auf ei­ nen kleinen und speziellen Bereich der Erdwärmenutzung beschränkt und auf andere Bedarfsfälle nicht übertragbar.

Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung einer Wärmegewinnungs­ anlage, welche die Auskopplung von Energie aus einer Wärme tra­ genden Masse, den Transport und die Einkopplung dieser Energie an den Wärmeverbraucher zu reduzierten Kosten und möglichst ohne Um­ weltbeeinträchtigungen erlauben, und gleichzeitig eine größere Anwendungsbandbreite gewährleisten sollte.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß als zen­ trale Einheit der Wärmegewinnungsanlage zum Zwecke des Wärme­ transports ein flexibles Wärmerohr (Heatpipe) mit einer Wärmeiso­ lierung herangezogen wird, wobei diese vorzugsweise aus einem zweiten flexiblen Wellrohr größeren Durchmessers gebildet ist, welches koaxial über das Wärmerohr gestülpt ist. Der gebildete Ringraum ist entweder mit Abstandshaltern oder thermisch isolie­ renden Füllstoffen wie z.B. Pulver, Schaum, Fasern oder derglei­ chen, mit Infrarot auslöschenden Substanzen oder Infrarot reflek­ tierenden Folien nebst Spacern versehen, und entweder zusätzlich oder ohne derartige Füllstoffe auf einen niedrigen Restgasdruck evakuiert.

Der gesamte Strang des Wärmerohres wird im wesentlichen aus drei Abschnitten gebildet, wobei die thermisch isolierte Strecke den mittleren Abschnitt bildet, während der erste Abschnitt dem Ent­ zug der Wärmeenergie aus einer Wärme tragenden Masse, und der dritte Abschnitt der Auskoppelung an den Wärmeverbraucher dient. Dabei ist vorzugsweise zwischen dem mittleren und dem dritten Ab­ schnitt eine lösbare Schnittstelle mittels einer vakuumdichten Verbindung angeordnet, um eine Inspektion des Stranges zu erlau­ ben. In diesem Bereich sind ferner die Pumpanschlüsse für das Evakuieren, und die Anschlüsse für die erforderlichen Druck- und Temperatursensoren angebracht.

Der erste Abschnitt zur Einkopplung der Wärmeenergie aus der Wär­ me tragenden Masse ist wahlweise aus Glatt- oder Wellrohr gefer­ tigt. Dieser Abschnitt arbeitet als Verdampfer des Wärmerohres und ist an der Innenwand mit feinem Maschendraht oder einer in der Wirkungsweise entsprechenden Kapillarstruktur ausgerüstet. Bei einem schwerkraftunterstützen Betrieb des Wärmerohres ist der erste Abschnitt an der räumlich tiefsten Stelle der Anlage ange­ ordnet, so daß er gleichzeitig den Sumpf mit dem Vorrat des Ar­ beitsmediums bildet. Um eine möglichst effiziente Einkopplung der Wärmeenergie von der Wärme tragenden Masse auf das Wärmerohr zu bewirken, ist für diesen Abschnitt eine bestimmte Mindestlänge und eine gute thermische Ankopplung erforderlich. Die thermische Ankopplung ist dadurch realisiert, daß der Abschnitt aus dünnn­ wandigem Metall gefertigt ist und ohne Isolation direkt vorzugs­ weise in ein flüssiges oder pastöses Medium eingetaucht wird, bzw. z.B. durch Eingiessen, Einzementieren, eine Schüttung oder dergleichen mit der Wärme tragenden Masse thermisch verbunden ist.

Zur Vermeidung von Temperaturverlusten zwischen der Wärme tragen­ den Masse und der Verdampfersektion des Wärmerohrs, sollte der spezifische Wärmestrom pro Wandflächeneinheit auf bestimmte Maxi­ malwerte begrenzt werden. Vor allem im Niedertemperaturbereich ist es daher erforderlich, eine relativ große Verdampferfläche vorzusehen, was je nach lichter Weite des Wärmerohres und ent­ sprechend der einzukoppelnden Wärmemenge zu Längen z.B. zwischen 5 und 50 m führen kann. Um eine sichere Benetzung einer derart langen Kapillarstruktur mit dem Arbeitsmedium sicherzustellen, wird nach der Erfindung der Verdampferabschnitt auch in solchen Einbausituationen entweder horizontal oder mit einer Neigung von vorzugsweise kleiner als 40° angeordnet, in denen ansonsten eine mehr oder weniger vertikale Führung des Wärme transportierenden Abschnitts erforderlich ist, wie z.B. bei geothermischen Anlagen.

Das Arbeitsmedium selbst ist eine Flüssigkeit mit einer angepass­ ten Siedetemperatur zwischen etwa -50 und +100°C, wie z.B. Was­ ser, Ammoniak, Methanol oder Ethanol. Günstig ist eine Siedetem­ peratur des Arbeitsmediums zwischen etwa +20 und +60°C. In die­ sem Bereich liegen die Siedepunkte der Fluor- und Chlorfluorkoh­ lenwasserstoffe, welche heute aus Umweltgesichtspunkten nicht mehr verwendet werden sollten.

Der beschriebene Verdampferabschnitt ist mit dem Transportab­ schnitt vakuumdicht verbunden. In dem Transportabschnitt des Wär­ merohres ist keine Kapillarstruktur vorhanden, wenn von der Aus­ koppelstelle am Wärmeverbraucher in Richtung zum Verdampferab­ schnitt ein entsprechendes räumliches Gefälle besteht. Zur Ver­ meidung von Wärmeverlusten ist der Transportabschnitt wie weiter oben beschrieben thermisch isoliert. Im Betriebszustand des Wär­ merohres bewegt sich in seinem Innern ein ständiger Dampfstrom in Richtung zur Auskopplungsstelle am Wärmeverbraucher, während an seinen Wänden der Rückstrom des Kondensats erfolgt.

Der dritte Abschnitt des Wärmerohres arbeitet als Kondensator und dient der Auskopplung der herantransportierten Wärmeenergie an den Wärmeverbraucher. Dieser Abschnitt ist gleichzeitig Teil der dritten Sektion der Wärmegewinnungsanlage. Der Kondensator ist mindestens mit einem Wärmetauscher verbunden, um die durch die Kondensation des Arbeitsmediums freiwerdende Wärmeenergie entneh­ men zu können. Diese Wärmeenergie wird direkt einem Heizkreislauf z.B. für eine Gebäudeheizung zugeführt, wenn die ausgekoppelte Temperatur den z.B. für eine Niedertemperatur-Fußbodenheizung er­ forderlichen Mindestwert (etwa 30-40°C) erreicht. Bei niedrige­ ren Auskoppeltemperaturen ist innerhalb der Anlage ein Transfor­ mationsglied (vorzugsweise eine entweder mit elektrischem Strom, Gas, oder Brennstoff betriebene Wärmepumpe) zwischengeschaltet, um die am Kondensator zur Verfügung stehende Temperatur auf das erforderliche Niveau anzuheben.

Weitere vorteilhafte Ergänzungen im Auskoppelbereich der erfin­ dungsgemäßen Wärmegewinnungsanlage sind ein Wärmespeicher, in welchen z.B. nachts unter Nutzung verbilligten Nachtstroms die von der Wärmepumpe abgegebene Wärmeenergie eingespeist wird, so wie eine entsprechende Zeitschaltung in der elektrischen Steue­ rung. Nach der Erfindung ist ferner eine Überwachungseinrichtung eingebaut, um den Zustand des Wärmerohres permanent mittels Tem­ peratur- und Druckaufnehmern zu kontrollieren, und im Falle ei­ nes Lecks des Wärmerohres ein Alarmsignal auszulösen.

Eine Sonderform der erfindungsgemäßen Wärmegewinnungsanlage be­ trifft die Rückleitung des Kondensats bei schwerkraftunterstütz­ ten Bauausführungen. Zwecks Erhöhung der Wärmetransportleistung und Verminderung des Tröpfchenmitrisses im lichten Raum des Wär­ merohres wird das Kondensat nach der Erfindung innerhalb minde­ stens eines separaten Rohres zum Verdampferabschnitt zurückge­ führt. Besonders vorteilhaft ist dabei die Anordnung der Rücklei­ tung im Ringraum zwischen den beiden Wellrohren.

Die Installation der erfindungsgemäßen Wärmegewinnungsanlage zum Entzug von Wärme aus Abwasser jeglicher Art, wie es z.B. aus dem Haushalt oder aus der industriellen Prozeßtechnik kommt, ist pro­ blemlos und zu relativ geringen Kosten zu realisieren. Es genügt zum Beispiel, den Verdampferabschnitt des Wärmerohres direkt in eine Kanalisation oder das Becken einer Kläranlage zu verlegen, wobei aufgrund der Arbeitsweise des Wärmerohres eine strikte Trennung der Medien gewährleistet ist. In derartigen Fällen ist es günstig, wenn die Entnahmestelle der Wärmeenergie nicht weit von der Wärmequelle entfernt und auf einem etwas höheren Niveau liegt, um durch eine kurze Leitungslänge und den Verzicht auf die Kapillarstruktur im Transportabschnitt zu niedrigen Anschaffungs­ kosten zu kommen.

Die erfindungsgemäße Wärmegewinnungsanlage zum Entzug geothermi­ scher Wärmeenergie erfordert naturgemäß einen etwas größeren In­ stallationsaufwand. Hier ist zunächst eine Bohrung zu erstellen, welche jedoch im Durchmesser kleiner ausgelegt sein kann als bei anderen Systemen. Diese Bohrung wird vorteilhaft in einen unter­ irdischen Wasserleiter (Aquifer) abgelenkt, und zwar vorzugsweise derart, daß die Bohrungsachse in der Horizontalebene quer zu ei­ ner bekannten Grundwasserströmungsrichtung, bzw. quer zu einem Gefälle des Aquifers verläuft. Durch diese Anordnung wird eine hohe Energieeinkopplung aus der mitgeführten sensiblen Wärme des Grundwassers auf den Verdampferabschnitt des Wärmerohres erzielt. Nach dem Einbringen des Wärmerohres in die Bohrung werden die verbliebenen Freiräume sorgfältig verfüllt, um entweder bei troc­ kenen Bohrungen die erforderliche thermische Ankopplung herzu­ stellen, oder bei grundwasserführenden Bohrungen die durchteuften Schichten gegeneinander abzudichten. Eine derartige technische Lösung ist auch nach Umweltgesichtspunkten akzeptabel. Aus dieser Sicht ist ebenfalls die gute obertägige Überwachungsmöglichkeit des Wärmerohres durch Druck- und Temperaturmessungen ein Plus­ punkt.

In kostenmäßiger Hinsicht ist ein wesentlicher Vorteil, daß das Wärmerohr der Anlage keinerlei Hilfsenergie benötigt, ferner daß keine beweglichen Teile vorhanden sind und das Wärmerohr prak­ tisch keiner Abnutzung unterliegt. Bei der üblichen Verwendung von nichtrostenden Edelstahllegierungen als Werkstoff für das endlos gefertigte Wellrohr und die weiteren Komponenten der Anla­ ge ist von einer sehr langen Lebensdauer auszugehen.

Somit wird mit der Erfindung eine in preislicher Hinsicht konkur­ rentfähige und gleichzeitig umweltschonende Möglichkeit der Wär­ meenergiebeschaffung zur Verfügung gestellt.

Claims (18)

1. Wärmegewinnungsanlage zur Entziehung von sensibler oder laten­ ter Wärmeenergie aus einer Wärme tragenden Masse, wenigstens be­ stehend aus drei Sektionen, wobei die erste Sektion der Entzie­ hung der Wärmeenergie aus der Wärme tragenden Masse, die zweite Sektion dem Transport der Wärmeenergie, und die dritte Sektion der Auskoppelung an den Wärmeverbraucher dient, wobei mindestens die zweite Sektion zum Transport der Wärmeenergie aus einem fle­ xiblen Wärmerohr (Heatpipe) in Form eines Wellrohrs besteht, da­ durch gekennzeichnet, daß die wesentliche Länge der Wärme trans­ portierenden Sektion thermisch isoliert ist.

2. Wärmegewinnungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch isolierte Strecke im wesentlichen durch zwei sich konzentrisch zueinander befindliche Wellrohre gebildet ist, wobei das innere Wellrohr als Wärmerohr arbeitet, während der zwischen den beiden Wellrohren gebildete Ringraum der thermischen Isolation dient.

3. Wärmegewinnungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den zwischen den beiden Wellrohren gebildeten Ringraum entweder Abstandshalter, thermisch isolierende Füllstoffe (Pul­ ver, Schaum, Fasern, oder dergleichen), Infrarot auslöschende Substanzen oder Infrarot reflektierende Folien eingebracht sind.

4. Wärmegewinnungsanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zwischen beiden Wellrohren gebildete Ringraum evakuiert ist.

5. Wärmegewinnungsanlage nach einem oder mehreren der vorgenann­ ten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der Auskoppelungs­ stelle am Wärmeverbraucher in Richtung zur Einkoppelungsstelle der Wärmeenergie von der Wärme tragenden Masse ein räumliches Ge­ fälle besteht.

6. Wärmegewinnungsanlage nach einem oder mehreren der vorgenann­ ten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückleitung des Kondensats zur Verdampfersektion des Wärmerohrs mittels minde­ stens einem separaten Rohr mit im Verhältnis zum Wärmerohr klei­ neren Durchmesser erfolgt, wobei dieses Rohr entweder direkt in­ nerhalb des Wärmerohres oder innerhalb des Ringraums zwischen den beiden Wellrohren angeordnet ist.

7. Wärmegewinnungsanlage nach einem oder mehreren der vorgenann­ ten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektion zum Trans­ port der Wärmeenergie ganz oder teilweise im Boden verlegt ist.

8. Wärmegewinnungsanlage nach einem oder mehreren der vorgenann­ ten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektion zum Trans­ port der Wärmenergie im wesentlichen vertikal in den Untergrund eingebracht ist, vorzugsweise um dem Transport geothermischer Wärmeenergie zu dienen.

9. Wärmegewinnungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die unterirdische Sektion zur Einkoppelung geothermischer Wärmeenergie mindestens mit einem Teilstück von der Vertilalen mit mehr als 40°, vorzugsweise mehr als 60° weg abgelenkt ist.

10. Wärmegewinnungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der in Richtung zur Horizontalen hin abgelenkte Teilbe­ reich tiefenmäßig innerhalb einer unterirdisch wasserleitenden Schicht (Aquifer) angeordnet ist.

11. Wärmegewinnungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die vom Rohrstrang der unterirdischen Sektion zur Ein­ koppelung geothermischer Wärmeenergie gebildete Achse in der Ho­ rizontalebene quer zu einer im Aquifer herrschenden Grundwasser­ strömung, bzw. quer zu einem Gefälle des Aquifers angeordnet ist.

12. Wärmegewinnungsanlage nach einem oder mehreren der vorgenann­ ten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Über­ gangs zwischen der Sektion zum Transport auf die Sektion zur Aus­ koppelung der Wärmeenergie auf den Wärmeverbraucher Anschlüsse sowohl an das Wärmerohr als auch an den zwischen den Wellrohren gebildeten Ringraum vorhanden sind, welche sowohl der Erstbepum­ pung und Erstbefüllung, als auch der Nachevakuierung, der Reini­ gung und Inspektion, und dem Anschluß von Sensoren zur Druck- und Temperaturüberwachung dienen.

13. Wärmegewinnungsanlage nach einem oder mehreren der vorgenann­ ten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektion zur Ein­ koppelung von Wärmeenergie aus einer Wärme tragenden Masse in den Becken, bzw. Zu- oder Ablaufleitungen eines Klärwerks verlegt ist.

14. Wärmegewinnungsanlage nach einem oder mehreren der vorgenann­ ten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektion zur Ein­ koppelung von Wärmeenergie aus einer Wärme tragenden Masse in der Rohrleitung einer Kanalisation verlegt ist.

15. Wärmegewinnungsanlage nach einem oder mehreren der vorgenann­ ten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnene Wärme­ energie einem Heizkreislauf oder einem Wärmespeicher zugeführt wird, vorzugsweise zum Zwecke der Gebäudeheizung.

16. Wärmegewinnungsanlage nach einem oder mehreren der vorgenann­ ten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelung der Wärmeenergie auf den Wärmeverbraucher über ein Transformations­ glied, wie zum Beispiel eine Wärmepumpe, erfolgt.

17. Wärmegewinnungsanlage nach einem oder mehreren der vorgenann­ ten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Transformations­ glied (Wärmepumpe) mittels einer Zeitschaltung ausschließlich mit verbilligtem Nachtstrom versorgbar ist.

18. Wärmegewinnungsanlage nach einem oder mehreren der vorgenann­ ten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an das Wärmerohr eine Druck- und Temperaturüberwachung so angeschlossen ist, daß bei Auftreten eines Lecks ein Alarmsignal ausgelöst wird.