EP3049735A1 - Speichersonde mit vermischungskörpern - Google Patents

Speichersonde mit vermischungskörpern

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Publication number
EP3049735A1
EP3049735A1 EP14776618.2A EP14776618A EP3049735A1 EP 3049735 A1 EP3049735 A1 EP 3049735A1 EP 14776618 A EP14776618 A EP 14776618A EP 3049735 A1 EP3049735 A1 EP 3049735A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
transfer fluid
heat transfer
probe
mixing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14776618.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anton Ledwon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dynamic Blue Holding GmbH
Original Assignee
Dynamic Blue Holding GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dynamic Blue Holding GmbH filed Critical Dynamic Blue Holding GmbH
Publication of EP3049735A1 publication Critical patent/EP3049735A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T10/10—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
    • F24T10/13—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes
    • F24T10/17—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes using tubes closed at one end, i.e. return-type tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T10/10—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T2010/50—Component parts, details or accessories
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10—Geothermal energy

Definitions

  • the invention relates to a storage probe, also known as geothermal probe, which is provided for exchanging heat between a heat transfer fluid and the soil surrounding the storage probe, in which the storage probe is arranged in the operating state.
  • the invention relates to a large-volume coaxial storage probe, with a discharge pipe arranged in an inflow pipe.
  • Memory probes can be coaxial or U-shaped.
  • U-shaped memory probes have an inflow pipe which leads down into the ground and is connected at a lower end in a connection region in a fluid-conducting manner to an outflow pipe.
  • the heat transfer fluid also called heat transfer fluid
  • the inflow tube is a probe outer tube and the outflow tube is a probe inner tube located within the probe outer tube. Outside the probe inner tube and inside the probe outer tube, an annular space, also called a heat transfer space, forming a heat transfer area is provided.
  • the arrangement of the probe outer tube to the probe inner tube is coaxial.
  • the connection region is formed in the case of a coaxial storage probe through an opening of the probe inner tube, so that the heat transfer fluid located in the probe outer tube or in the annular space can flow here into the probe inner tube.
  • the heat transfer fluid is introduced at an inlet into the storage probe.
  • pressurized heat transfer fluid is typically forced to pass the entire length of a storage probe twice, once down the inflow tube and once in the inflow direction Inlet direction up the exhaust pipe.
  • the amount of heat transfer fluid passed through the storage probe per time is referred to as the volume flow.
  • the heat transfer fluid is discharged upwards again through the probe inner tube / outflow tube and can be removed at a drain.
  • the probe inner tube may also be connected to the inlet and the probe outer tube also to the drain.
  • the temperature difference between the heat transfer fluid flowing into and out of the storage probe is referred to below as the temperature gradient.
  • the soil as a heat reservoir is a heat flow or heat output, short heat taken.
  • the temperature gradient between the heat transfer fluid introduced and the heat transfer fluid removed is typically a few degrees. Typical values are between -2 ° C and 1 ° C and conductance values between 2 ° C and 5 ° C.
  • the temperature gradient is relatively low and the temperature of the exiting from the memory probes heat transfer fluid does not yet meet a heat demand as it is required, for example, for heating of living spaces.
  • the heat output can be made available by means of a heat pump, wherein the efficiency of a heat pump indicates how effectively a supplied by the heat transfer fluid heat output is converted into a heat request for heating.
  • a supplied heat output at a low temperature level is used to evaporate a heat medium, which is located in a second fluid circuit, in an evaporator.
  • the evaporator is in this case Component in which the heat obtained from the storage probes is supplied to the heat pump at a low temperature level.
  • the heat transfer fluid derived from the storage probes flows through the heat exchanger and transfers its heat to the second fluid circuit.
  • the heating means is fed to a pump which compresses the now gaseous heating means and thus brings it to a higher pressure level. This heats the gaseous heat and just this heat can be used to heat a living room. In the delivery of its heat to the living room cools and condenses the heat.
  • the heat transfer fluid in the storage probes may be eliminated if the heating medium itself circulates through the storage probes.
  • the invention is not limited to memory probe heat circuits with two separate circuits. Usually, a plurality of storage probes are used in a storage probe heat circuit, since the usable temperature difference of a storage probe is usually not sufficient to evaporate the heat medium in the second fluid circuit.
  • the temperature of the soil is constantly about 10 ° C over the year, and increases by about 1 ° C per further 30 meters.
  • the achievable discharge value is often insufficient because the heat exchange is not effective enough.
  • the heat transfer fluid can keep a once reached temperature lossless as long as possible, especially when multiple memory probes are connected in series.
  • especially large-volume storage probes offer. With a larger meter volume, a larger amount of heat is needed to reach a higher temperature. However, once it has reached a temperature it offers the advantage of a longer temperature stability for the same reason.
  • Large-volume storage probes are characterized by the fact that an inner diameter of the inflow pipe delimited by an inflow pipe inner surface and an outer diameter of the outflow pipe delimited by the outflow pipe surface are such that a meter volume> 10 l results in the annulus and the heat transfer fluid, without further intervention within the annular space in the Essentially laminar flows. Whether a flow is laminar depends on the geometry of the flow path, the viscosity of the heat transfer fluid, and the flow rate. This results in the so-called Reynolds number, which is a measure of when turbulence occurs in a flow. In general, the higher the flow velocity, the sooner the critical Reynolds number is exceeded. A low flow rate ensures a (nearly) laminar flow.
  • the heat transfer fluid has more time to absorb the heat at the inlet tube inner surface.
  • a laminar flow can be regarded as disadvantageous, since unequal tempered layers form within an (approximately) laminar flow.
  • the non-tempered layers are vertical and thus parallel to the Einströmrohrinnen design, wherein in the vicinity of the Einströmrohrinnensynthesis warmer layers are present, which act as insulators of the inner layers.
  • the object of the invention is to improve the heat exchange between the heat transfer fluid and the heat reservoir in storage probes, and thus the efficiency of Speichersondenzieklä13n.
  • the object of the invention enables the effective use of memory probes in regions where laws limit the allowable drilling depth.
  • a storage probe according to the invention is surrounded by soil in the operating state and serves to exchange heat between the soil and a heat transfer fluid located within the storage probe.
  • the storage probe comprises an inflow pipe through which the heat transfer fluid is introduced into the storage probe, and thus into the soil, and an exhaust pipe, through which the heat transfer fluid is discharged again.
  • the heat transfer fluid is introduced via an inlet into the inflow pipe and the direction from the inlet in the direction of the earth's interior is referred to as inflow direction (flow direction).
  • the outflow pipe is arranged within the inflow pipe, so that an annular space, into which the heat transfer fluid flows, is formed between an inflow pipe inner surface and an outflow pipe outside surface.
  • the heat exchange takes place in a storage probe according to the invention in the inflow pipe.
  • the invention relates to large-volume storage probes, in which the diameter defined by the inflow pipe inner surface is so large that, as a rule, a laminar flow prevails.
  • the defined by the Auströmrohrau touch inside diameter of the discharge pipe is chosen so that there is usually a meter volume of more than 8 I in the annulus.
  • the diameter defined by the inlet tube inner surface is greater than 120 mm and the meter volume of the annular space is greater than 12 l. It has been found that it is precisely a repetitive alternation of near laminar flow and mixing of the heat transfer fluid that causes effective heat exchange.
  • the heat transfer fluid flows laminar into the inflow pipe.
  • the storage probe further comprises at least two mixing bodies spaced along a longitudinal axis of the discharge pipe within the annulus.
  • the distance between the mixing bodies is chosen so that the heat transfer fluid, after it has passed a mixing body calmed down again and again sets laminar flow before it hits the next mixing body.
  • the distance between the mixing bodies 1 to 2.5 m, preferably between 1.5 m and 2 m, it should be noted that these values are to be regarded as an order of magnitude and to determine the ideal distances, the flow rate, the inner diameter of the inflow pipe, the outer diameter of the exhaust pipe and the viscosity of the heat transfer fluid must be taken into account.
  • a mixing body has at least two partial annular discs with an outer edge, an inner edge and two free ends each, which delimit a partial annular surface.
  • the partial annular discs can be connected in any way with the exhaust pipe, for example, welded or glued.
  • the components of the mixing body can be made of the same material, preferably of thermoplastic material, such as the outflow tube, which ensures easy connection of the partial annular discs to the outflow tube.
  • the inner edge abuts against the discharge pipe outside surface.
  • the mixing bodies can be arranged variably in the annular space in order to be able to coordinate the distances between the mixing bodies to the respective specific task of the storage probe.
  • the mixing body can comprise a sleeve, via which the partial ring disks are arranged on the outflow pipe outside surface.
  • the sleeve For locking the sleeve then serve, for example, holes with internal thread, which are formed along the longitudinal axis of the discharge pipe in the Ausströmrohrau L.
  • a grub screw can then be used to fix the mixing body.
  • the outer edge of a partial ring disc is spaced from the inlet tube inner surface and forms with this an annular gap through which a part of the heat transfer fluid can flow.
  • this annular gap is 1-12 mm, in particular 4-8 mm.
  • Each one of the free ends of a partial annular discs is arranged spaced from one of the free ends of an adjacent partial annular disc.
  • adjacent partial annular discs are arranged differently obliquely to an orthogonal plane of the longitudinal axis of the exhaust pipe.
  • Substantially spaced means that an opening is formed between each one of the free ends of two adjacent partial ring disks, through which a flow path with a vertical component leads along the longitudinal axis of the exhaust pipe.
  • a portion of the flow path of different sizes leads, with a vertical component, directly along the discharge pipe outer surface.
  • the partial annular surfaces are configured as half-annular surfaces, so that in each case the free ends of a partial annular disc enclose an angle of 180 ° with one another. Conceivable, however, are other variants of a circle segment section. If the angle enclosed by the free ends of a partial ring disk is less than 180 °, the proportion of the flow path increases with a vertical component that leads directly along the discharge pipe outer surface.
  • the oblique part annular discs cause a further flow path with a rotational component over the partial annular surfaces and around the exhaust pipe around.
  • flows the heat transfer fluid depending on the arrangement of Operaringusionn clockwise or counterclockwise around the exhaust pipe.
  • the partial ring disks of the various mixing bodies are each arranged such that the direction of the rotational component of the flow of adjacent mixing bodies differs.
  • the mixing is produced precisely in the region of the inlet tube inner surface and in the region of the discharge tube outer surface, that is to say precisely in the regions which in the laminar flow represent the layers with the greatest temperature difference.
  • the inner layers hardly absorb any heat. Therefore, mixing of the heat transfer fluid eliminates this stratification.
  • the boundary layer between the flows is broken up. This rupture and the resulting mixing results in an overall effective heat exchange between the soil and the heat transfer fluid.
  • the special arrangement of the mixing body the necessary length of a memory probe, which is required so that the memory probe reaches a sufficiently large temperature gradient or conductivity, can be reduced.
  • the storage probe can thus also be used in regions in which the drilling depth is geologically or legally limited. Efficient heat exchange is achieved by switching between near laminar flow and mixing of the heat transfer fluid reached.
  • the storage probes according to the invention are also suitable for cooling due to their efficient heat exchange with the soil.
  • a circulation pump at relatively short intervals, even promotes the heat transfer fluid in a connection heat circuit with at least one storage probes or set in motion when no request for heat from a subsequent heat pump in a customer cycle.
  • the circulating pump operates according to the invention independently. This ensures that even at standstill of the consumer heat circulation, a circulation and thus a mixing of the heat transfer fluid within the storage probe. This in turn leads to increased heating of the heat transfer fluid, which significantly increases the efficiency of the heat pump. In principle, therefore, even if it is not needed, the heat transfer fluid is already preheated inside the storage probe before it reaches the heat pump. In particular, this also reduces the time it takes for the heat pump to provide a heat request.
  • FIG. 2 shows a cross section through an inflow pipe in a region in which a mixing body is arranged
  • Fig. 1 shows schematically a portion of an exhaust pipe 18 to which a mixing body 20 is arranged.
  • this consists of five partial annular discs 22, each with a partial annular surface 21, which is bounded by an outer edge 25, an inner edge 23 and two free ends 26.
  • the partial annular discs 22 are arranged at different obliquely to an orthogonal plane of a longitudinal axis x-x of the exhaust pipe 18, wherein each one of the free ends 26 spaced from one of the free ends 26 of the adjacent partial annular disk 22 is arranged.
  • the two free ends 26 of adjacent partial ring disks 22 form an opening 24 which extends in a vertical direction along the longitudinal axis x-x of the exhaust pipe 18.
  • the free ends 26 of adjacent partial annular discs 22 are arranged substantially at a distance from one another and touch each other only in the area of their outer edge 25.
  • the oblique arrangement of the partial annular discs 22 resembles the appearance of the mixing body 20 of a helix extending in a plan view in the direction of the longitudinal axis xx, clockwise to the exhaust pipe 18 winds.
  • FIG. 2 shows a simplified cross-section through an inflow pipe 12 of a storage probe 10 according to the invention in a region in which a mixing body 20 in the annular space 15 between an inlet pipe inner surface 16 and a Ausströmrohrauz Chemistry 19 is arranged.
  • the mixing body 20 shown in FIG. 2 corresponds to the mixing body 20 known from FIG. 1 in a schematic representation.
  • an annular gap 28 is formed between the outer edges 25 of the partial ring disks 22 and the inlet pipe inner surface 16.
  • the heat transfer fluid substantially flows along three different flow paths.
  • the heat transfer fluid flows (approximately) laminar in the annulus 15 toward the mixing body 20.
  • the direction of the laminar flowing heat transfer fluid is represented by large open arrows.
  • the direction of the arrows corresponds to the inflow direction of the heat transfer fluid. If the laminar-flowing heat transfer fluid meets the partial ring surface 21 of the first partial ring disk 22 in the inflow direction, it is guided in a rotational movement clockwise around the outlet pipe 18 via the further partial ring surfaces 21.
  • This first flow path is shown as a dashed spiral with arrows around the exhaust pipe 18.
  • FIG. 1 By already in Fig. 1 shown openings 24 between two part discs 22 results in a second flow path with a vertical component, with a part directly along the Ausströmrohrau present Structure 19 leads.
  • This second flow path is represented by a small open arrow in the opening 24.
  • the representation of the small open arrow has been omitted in one of the openings 24a, instead a small turbulence 29 is shown, which illustrates the mixing of the heat transfer fluid at this point.
  • the annular gap 28 between the outer edges 25 of the pitch discs 22 and the Einströmrohrinnen Chemistry 16 represents a third flow path. This is indicated by narrow long arrows. Also in this area, the mixing of the heat transfer fluid by small turbulence 29 is partially shown.
  • the heat transfer fluid flows into the outflow pipe 18.
  • the flow direction within the outflow pipe 18 is represented by a black arrow. He is opposite to the direction of inflow directed.
  • FIG. 3 likewise shows a cross section through an inflow pipe 12.
  • three mixing bodies 20 I, 20 II, 20 III are arranged within the annular space 15.
  • the representation of the mixing body 20 I-III in the annulus 15 corresponds to that of FIG. 2 known representation. It should be clarified that the distance between the individual mixing bodies 20 I, 20 II, 20 III is selected such that always a substantially laminar flowing heat transfer fluid, indicated by large open arrows, on the partial annular surface 21 of the first partial annular disc 22 of the respective mixing body 20 I, 20 II, 20 III meets.
  • the first mixing body 20 I causes a rotational movement of the heat transfer fluid around the discharge pipe 18 in the counterclockwise direction, the mixing body 20 II a clockwise, and the mixing body 20 III leads the heat transfer fluid again counterclockwise around the discharge pipe 18th Due to the plurality of mixing bodies 20 I-III, there is a repetitive change between laminar flow and mixing of the heat transfer fluid.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Speichersonde (10) zum Austausch von Wärme zwischen einem die Speichersonde (10) umgebenen Erdreich, in welchem die Speichersonde (10) im Betriebszustand angeordnet ist, und einem Wärmeübertragungsfluid. Die Speichersonde (10) umfasst ein Einströmrohr (12) mit einer Einströmrohrinnenfläche(16) und ein darin angeordnetes Ausströmrohr (18)mit einer Ausströmrohraußenfläche (19), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Einströmrohrinnenfläche (16) und der Ausströmrohraußenfläche (19) ein Ringraum (15) ausgebildet ist, in den das Wärmeübertragungsfluid laminar einströmt. In dem Ringraum (15) sind mit einem Abstand zueinander mindestens zwei Vermischungskörper (20) angeordnet. Durch die Vermischungskörper (20) erfolgt ein mehrfacher Wechsel zwischen laminarer Strömung des Wärmeübertragungsfluids und Vermischung.

Description

Titel: Speichersonde mit Vermischungskörpern Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Speichersonde, teilweise auch Erdsonde genannt, welche zum Austausch von Wärme zwischen einem Wärmeübertragungsfluid und dem die Speichersonde umgebenen Erdreich, in welchem die Speichersonde im Betriebszustand angeordnet ist, vorgesehen ist. Die Erfindung bezieht sich dabei auf eine großvolumige koaxiale Speichersonde, mit einem in einem Einströmrohr angeordneten Ausströmrohr.
Speichersonden können koaxial oder U-förmig aufgebaut sein. U-förmige Speichersonden weisen ein Einströmrohr auf, das in das Erdreich hinabführt und an einem unteren Ende in einem Verbindungsbereich fluidleitend mit einem Ausströmrohr verbunden ist. Das Wärmeübertragungsfluid, auch Wärmeübertragungsflüssigkeit genannt, strömt also das Einströmrohr hinab, geht in dem Verbindungsbereich in das Ausströmrohr über und strömt in diesem wieder hinauf. In koaxialen Speichersonden ist das Einströmrohr ein Sondenaußenrohr und das Ausströmrohr ein innerhalb des Sondenaußenrohres angeordnetes Sondeninnenrohr. Außerhalb des Sondeninnenrohrs und innerhalb des Sondenaußenrohres ist ein Ringraum, auch Wärmeübertragungsraum genannt, der einen Wärmeübertragungsbereich ausbildet. Die Anordnung des Sondenaußenrohres zum Sondeninnenrohr ist dabei koaxial. Der Verbindungsbereich ist bei einer koaxialen Speichersonde durch eine Öffnung des Sondeninnenrohres gebildet, so dass das in dem Sondenaußenrohr beziehungsweise im Ringraum befindliche Wärmeübertragungsfluid hier in das Sondeninnenrohr fließen kann.
Beim Durchlaufen der Speichersonde findet eine Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Erdreich statt. Die Wärmeübertragung erfolgt im Wesentlichen durch Konvektion. Ob Wärme abgegeben oder aufgenommen wird hängt davon ab, ob die Speichersonde für einen Kälteprozess oder einem Wärmeprozess verwendet wird. Dazu werden gattungsgemäße Speichersonden bis zu 100 m tief im Erdreich angeordnet, in Einzelfällen werden auch größere Tiefen realisiert. Das Wärmeübertragungsfluid wird an einem Zulauf in die Speichersonde eingeleitet Wird an dem Zulauf Wärmeübertragungsfluid in die Speichersonde eingeleitet, so wird in der Regel durch Druckbeaufschlagung das Wärmeübertragungsfluid gezwungen, die gesamte Länge einer Speichersonde zweimal zu durchlaufen, einmal in Einströmrichtung das Einströmrohr hinunter und einmal entgegen die Einströmrichtung das Ausströmrohr hinauf. Die Menge an durch die Speichersonde geleitetem Wärmeübertragungsfluid pro Zeit wird als Volumenstrom bezeichnet. In dem unteren Ende der Speichersonde wird das Wärmeübertragungsfluid durch das Sondeninnenrohr/Ausströmrohr wieder nach oben abgeleitet und kann an einem Ablauf entnommen werden. Das Sondeninnenrohr kann auch mit dem Zulauf und das Sondenaußenrohr auch mit dem Ablauf verbunden sein.
Der Temperaturunterschied zwischen dem in die Speichersonde einströmenden und ausströmenden Wärmeübertragungsfluid wird im Folgenden als Temperaturgradient bezeichnet. Dem Erdreich als Wärmereservoir wird ein Wärmestrom oder eine Wärmeleistung, kurz Wärme entnommen.
Bei Speichersonden von weniger als 100 m Länge bzw. Tiefe beträgt der Temperaturgradient zwischen dem eingeleiteten Wärmeübertragungsfluid und dem abgeleiteten Wärmeübertragungsfluid in der Regel wenige Grad . Üblich sind Einleitwerte zwischen -2 °C und 1 °C und Ausleitwerte zwischen 2 °C und 5 °C. Der Temperaturgradient ist verhältnismäßig gering und die Temperatur des aus den Speichersonden austretenden Wärmeübertragungsfluid entspricht noch nicht einer Wärmeanforderung wie sie zum Beispiel zum Heizen von Wohnräumen gefordert ist. Die Wärmeleistung kann jedoch mit Hilfe einer Wärmepumpe nutzbar gemacht werden, wobei der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe angibt wie effektiv eine durch das Wärmeübertragungsfluid zugeführte Wärmeleistung in eine Wärmeanforderung zum Heizen umgesetzt wird . In einer Wärmepumpe wird eine zugeführte Wärmeleistung auf einem niedrigen Temperaturniveau genutzt, um ein Wärmemittel, das in einem zweiten Fluidkreislauf befindlich ist, in einem Verdampfer zu verdampfen. Der Verdampfer ist in diesem Fall ein Bauteil, in dem die aus den Speichersonden gewonnene Wärme auf einem niedrigem Temperaturniveau der Wärmepumpe zugeführt wird. Dazu durchströmt die aus den Speichersonden abgeleitete Wärmeübertragungsflüssigkeit den Wärmetauscher und gibt ihre Wärme an den zweiten Fluidkreislauf ab. Alsdann wird das Wärmemittel einer Pumpe zugeführt, welche das nun gasförmige Wärmemittel komprimiert und es somit auf ein höheres Druckniveau bringt. Dabei erwärmt sich das gasförmige Wärmemittel und eben diese Wärme kann zur Aufheizung eines Wohnraumes genutzt werden. Bei der Abgabe seiner Wärme an den Wohnraum erkaltet und kondensiert das Wärmemittel. In einer Drossel wird der Druck wieder auf das niedrigere Druckniveau entspannt. Es wird nun wieder dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt und es wird somit ein Wärmepumpenkreislauf bereitgestellt. Es gibt jedoch noch andere Arten von Wärmepumpen, die nicht wie oben beschrieben funktionieren. Diese sind dem Fachmann wohlbekannt. Auf das Wärmeübertragungsfluid in den Speichersonden kann verzichtet werden, wenn das Wärmemittel selbst durch die Speichersonden zirkuliert. Die Erfindung ist nicht auf Speichersondenwärmekreisläufe mit zwei getrennten Kreisläufen begrenzt. Üblicherweise kommen in einem Speichersondenwärmekreislauf mehrere Speichersonden zum Einsatz, da der nutzbare Temperaturunterschied einer Speichersonde in der Regel nicht ausreicht, um das Wärmemittel in dem zweiten Fluidkreislauf zu verdampfen. Auch wenn sich Speichersonden zur Aufnahme von Wärme aus dem Erdreich gut eignen, um in den Prozess einer Wärmepumpe eingebunden zu werden, so besteht dennoch der Wunsch, den erzielbaren Temperaturgradienten, durch den erzielbaren Ausleitwert des Wärmeübertragungsfluid, bei gängigen Speichersonden zu erhöhen. Allgemein lässt sich sagen, dass ein höherer Ausleitwert des Wärmeübertragungsfluid zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt, da dann die Wärmepumpe eine geringere Temperaturdifferenz zwischen Ausleitwert, also der Temperatur des Wärmeübertragungsfluids und der Wärmeanforderung zu bewältigen hat.
Die Temperatur des Erdreichs liegt zum Beispiel in Deutschland ab einer Tiefe von 15 Metern konstant über das Jahr bei etwa 10 °C, und sie steigt pro weitere 30 Meter jeweils um etwa 1 °C an. Insbesondere bei Speichersonden mit einer Länge von unter 70 m ist der erzielbare Ausleitwert häufig unzureichend, da der Wärmeaustausch nicht effektiv genug verläuft. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn das Wärmeübertragungsfluid eine einmal erreichte Temperatur möglichst lange verlustfrei halten kann, insbesondere wenn mehrere Speichersonden in Reihe geschaltet sind . Dazu bieten sich vor allem großvolumige Speichersonden an. Bei einem größeren Metervolumen ist eine größere Wärmemenge nötig um einen höhere Temperatur zu erreichen. Hat es jedoch einmal eine Temperatur erreicht bietet es aus dem gleichen Grund den Vorteil einer längeren Temperaturstabilität.
Großvolumige Speichersonden zeichnen sich dadurch aus, dass ein durch eine Einströmrohrinnenfläche begrenzter Innendurchmesser des Einströmrohrs und ein durch die Ausströmrohraußenfläche begrenzter Außendurchmesser des Ausströmrohrs so gewählt sind, dass sich im Ringraum ein Metervolumen > 10 I ergibt und das Wärmeübertragungsfluid, ohne weiteres Zutun innerhalb des Ringraums im Wesentlichen laminar strömt. Ob eine Strömung laminar strömt hängt von der Geometrie des Strömungspfads, der Viskosität des Wärmeübertragungsfluids und von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Daraus ergibt sich die sogenannte Reynolds-Zahl, die ein Maß dafür ist, ab wann Turbulenzen in einer Strömung auftreten. Generell gilt, je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto eher wird die kritische Reynolds-Zahl überschritten. Eine geringe Strömungsgeschwindigkeit gewährleistet eine (annähernd) laminare Strömung. Zusätzlich hat das Wärmeübertragungsfluid durch die geringe Strömungsgeschwindigkeit mehr Zeit die Wärme an der Einströmrohrinnenfläche aufzunehmen. Eine laminare Strömung kann jedoch als nachteilig angesehen werden, da sich innerhalb einer (annähernd) laminaren Strömung ungleich temperierte Schichten ausbilden. Die ungleich temperierten Schichten verlaufen vertikal und damit parallel zu der Einströmrohrinnenfläche, wobei in der Nähe der Einströmrohrinnenfläche wärmere Schichten vorliegen, welche als Isolatoren der inneren Schichten wirken.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Wärmereservoir in Speichersonden, und somit die Effizienz von Speichersondenwärmekreisläufen, zu verbessern. Weiterhin soll die Erfindung den effektiven Gebrauch von Speichersonden in Regionen ermöglichen, in denen Gesetze die zulässige Bohrtiefe begrenzen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Speichersonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Zusätzlich wird ein Speichersondenwärmekreislauf sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Speichersondenwärmekreislaufs beansprucht. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Eine erfindungsgemäße Speichersonde ist im Betriebszustand von Erdreich umgeben und dient dem Austausch von Wärme zwischen dem Erdreich und einem sich innerhalb der Speichersonde befindlichen Wärmeübertragungsfluid . Die Speichersonde umfasst ein Einströmrohr, über das das Wärmeübertragungsfluid in die Speichersonde, und damit in das Erdreich eingeleitet wird, und ein Ausströmrohr, durch das das Wärmeübertragungsfluid wieder ausgeleitet wird . Üblicherweise wird das Wärmeübertragungsfluid über einen Zulauf in das Einströmrohr eingeleitet und die Richtung von dem Zulauf in Richtung des Erdinneren wird als Einströmrichtung (Fließrichtung) bezeichnet. Erfindungsgemäß ist das Ausströmrohr innerhalb des Einströmrohr angeordnet, so dass sich zwischen einer Einströmrohrinnenfläche und einer Ausströmrohraußenfläche ein Ringraum ausbildet, in den das Wärmeübertragungsfluid einströmt. Der Wärmeaustausch erfolgt in einer erfindungsgemäßen Speichersonde in dem Einströmrohr. Die Erfindung betrifft großvolumige Speichersonden, bei denen der durch die Einströmrohrinnenfläche definierte Durchmesser derart groß ist, dass in der Regel eine laminare Strömung vorherrscht. Der durch die Auströmrohraußenfläche definierte Außendurchmesser des Ausströmrohrs ist so gewählt, dass sich in der Regel im Ringraum ein Metervolumen von mehr als 8 I ergibt. Bevorzugt ist der durch die Einströmrohrinnenfläche definierte Durchmesser größer als 120 mm und das Metervolumen des Ringraums ist größer als 12 I . Es hat sich herausgestellt, dass gerade ein sich wiederholender Wechsel von fast laminarer Strömung und der Vermischung des Wärmeübertragungsfluids einen effektiven Wärmeaustausch bewirkt. In einer erfindungsgemäßen Speichersonde strömt das Wärmeübertragungsfluid laminar in das Einströmrohr ein. Die Speichersonde umfasst weiter mindestens zwei Vermischungskörper, die entlang einer Längsachse des Ausströmrohrs beabstandet voneinander innerhalb des Ringraums angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Vermischungskörpern ist dabei so gewählt, dass sich das Wärmeübertragungsfluid, nachdem es einen Vermischungskörper passiert hat wieder beruhigt und sich erneut laminare Strömung einstellt, bevor es auf den nächsten Vermischungskörper trifft. Typischerweise beträgt der Abstand zwischen den Vermischungskörpern 1 bis 2,5 m, bevorzugt zwischen 1,5 m und 2 m, wobei zu beachten ist, dass diese Werte als Größenordnung anzusehen sind und zur Ermittlung der idealen Abstände die Strömungsgeschwindigkeit, der Innendurchmesser des Einströmrohrs, der Außendurchmesser des Ausströmrohrs und die Viskosität des Wärmeübertragungsfluids berücksichtigt werden muss. Wobei an dieser Stelle angemerkt sei, dass es in der Praxis keine rein laminare, also wirbelfreie Strömung gibt, weshalb im Folgenden von fast laminarer Strömung, oder im Wesentlichen laminarer Strömung die Rede ist. Für den wesentlichen Aspekt der Erfindung ist es auch nicht nötig, dass sich die Strömung zwischen den Vermischungskörpern wieder vollständig beruhigt, es genügt, dass sie sich beruhigt und wieder fast laminar wird.
Ein Vermischungskörper weist wenigstens zwei Teilringscheiben mit einem Außenrand, einem Innenrand und je zwei freien Enden, die eine Teilringfläche begrenzen auf. Die Teilringscheiben können in beliebiger Art und Weise mit dem Ausströmrohr verbunden werden, beispielsweise verschweißt oder verklebt. Die Komponenten des Vermischungskörpers können entsprechend, aus dem gleichen Material, vorzugsweise aus thermoplastischem Kunststoff, wie das Ausströmrohr sein, wodurch eine leichte Verbindung der Teilringscheiben mit dem Ausströmrohr gewährleistet ist. Erfindungsgemäß liegt der Innenrand an der Ausströmrohraußenfläche an. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Vermischungskörper variabel in dem Ringraum anordbar um die Abstände der Vermischungskörper auf die jeweilige spezielle Aufgabe der Speichersonde abstimmen zu können. Unterscheidet sich beispielweise das Wärmeübertragungsfluid von Speichersonden, so kann sich auch der ideale Abstand der Vermischungskörper unterscheiden. Der Vermischungskörper kann beispielsweise eine Manschette umfassen, über die die Teilringscheiben an der Ausströmrohraußenfläche angeordnet sind. Zur Arretierung der Manschette dienen dann beispielsweise Bohrungen mit Innengewinde, die entlang der Längsachse des Ausströmrohrs in der Ausströmrohraußenfläche ausgebildet sind. Eine Madenschraube kann dann zur Fixierung des Vermischungskörpers eingesetzt werden. Sind die Abstände der Vermischungskörper einmal festgelegt, so können diese beispielsweise auch mit dem Ausströmrohr verschweißt werden.
Erfindungsgemäß ist der Außenrand einer Teilringscheibe von der Einströmrohrinnenfläche beabstandet und bildet mit dieser einen Ringspalt aus, durch den ein Teil des Wärmeübertragungsfluids strömen kann. Typischerweise beträgt dieser Ringspalt 1-12 mm, insbesondere 4-8 mm.
Je eins der freien Enden einer Teilringscheiben ist beabstandet zu einem der freien Enden einer benachbarten Teilringscheibe angeordnet. Zusätzlich sind benachbarte Teilringscheiben unterschiedlich schräg zu einer Orthogonalebene der Längsachse des Ausströmrohrs angeordnet. Im Wesentlichen beabstandet bedeutet, dass sich zwischen je einem der freien Ende zweier benachbarter Teilringscheiben eine Öffnung ausbildet, durch die ein Strömungspfad mit einer vertikalen Komponente entlang der Längsachse des Ausströmrohrs führt. Je nach Ausgestaltung und Anordnung der Teilringscheiben führt dabei ein unterschiedlich großer Anteil des Strömungspfades mit einer vertikalen Komponente direkt entlang der Ausströmrohraußenfläche. Beispielsweise sind die Teilringflächen als Halbringflächen ausgestaltet, so dass jeweils die freien Enden einer Teilringscheibe einen Winkel von 180° miteinander einschließen. Denkbar sind aber auch andere Varianten eines Kreissegmentabschnitts. Beträgt der Winkel, der von den freien Enden einer Teilringscheibe eingeschlossen wird weniger als 180° so vergrößert sich der Anteil des Strömungspfades mit einer vertikalen Komponente, der direkt entlang der Ausströmrohraußenfläche führt.
Die schräg stehenden Teilringscheiben bewirken einen weiteren Strömungspfad mit einer rotatorischen Komponente über die Teilringflächen und um das Ausströmrohr herum. In einer Draufsicht, in Einströmrichtung auf den Vermischungskörper, fließt das Wärmeübertragungsfluid, je nach Anordnung der Teilringscheiben im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn um das Ausströmrohr. Bevorzugt sind die Teilringscheiben der verschiedenen Vermischungskörper jeweils so angeordnet, dass sich die Richtung der rotatorischen Komponente der Strömung benachbarter Vermischungskörper unterscheidet.
Die oben beschriebenen Strömungspfade kreuzen sich untereinander und bewirken eine Vermischung, auch Verwirbelung genannt, des Wärmeübertragungsfluids. Diese Vermischung wird durch einen Drall, den das Wärmeübertragungsfluid durch die rotatorische Bewegung erfährt zusätzlich begünstigt. Insgesamt kann man die Strömung in diesem Bereich auch als turbulent oder turbulentartig beschreiben, wobei diese Bezeichnung lediglich dazu dienen soll, zu verdeutlichen, dass das sich die Schichten unterschiedlicher Wärme des Wärmeübertragungsfluids in dem Bereich stark vermischen.
Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung wird die Vermischung gerade im Bereich der Einströmrohrinnenfläche und im Bereich der Ausströmrohraußenfläche hervorgerufen, also gerade in den Bereichen, die bei der laminaren Strömung die Schichten mit der größten Temperaturdifferenz darstellen. Bei den hier bevorzugten großvolumigen Speichersonden besteht bei rein laminarer Strömung die Gefahr, dass die inneren Schichten kaum Wärme aufnehmen. Daher wird durch das Vermischen des Wärmeübertragungsfluids diese Schichtenbildung aufgehoben.
Die Grenzschicht zwischen den Strömungen wird aufgebrochen. Durch dieses Aufbrechen und der sich ergebenden Vermischung erfolgt insgesamt ein effektiver Wärmeaustausch zwischen dem Erdreich und dem Wärmeübertragungsfluid. Durch die spezielle Anordnung der Vermischungskörper kann die notwendige Länge einer Speichersonde, die erforderlich ist damit die Speichersonde einen ausreichend großen Temperaturgradienten beziehungsweise Ausleitwert erreicht, reduziert werden. Die Speichersonde kann somit auch in Regionen eingesetzt werden, in denen die Bohrtiefe geologisch oder gesetzlich begrenzt ist. Der effiziente Wärmeaustausch wird durch den Wechsel zwischen fast laminarer Strömung und Vermischung des Wärmeübertragungsfluids erreicht. Insbesondere eigenen sich die erfindungsgemäßen Speichersonden aufgrund ihres effizienten Wärmeaustauschs mit dem Erdreich auch zum Kühlen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass in einem Speichersondenwärmekreislauf eine Umwälzpumpe in relativ kurzen Zeitabständen, auch dann das Wärmeübertragungsfluid in einem Anschlusswärmekreislauf mit mindestens einer Speichersonden fördert beziehungsweise in Bewegung versetzt, wenn von einer sich in einem Abnehmerkreislauf anschließenden Wärmepumpe keine Wärmeanforderung erfolgt. Im Gegensatz zu üblichen Vorrichtungen, bei denen die Umwälzpumpe nur dann fördert, wenn eine Wärmeanforderung vom Abnehmer bzw. von der Wärmepumpe erfolgt, arbeitet erfindungsgemäß die Umwälzpumpe unabhängig davon. Hierdurch wird erreicht, dass auch im Stillstand des Abnehmerwärmekreislaufes eine Zirkulation und damit eine Vermischung des Wärmeübertragungsfluids innerhalb der Speichersonde erfolgt. Dies wiederum führt zu einer erhöhten Erwärmung des Wärmeübertragungsfluid, was den Wirkungsgrad der Wärmepumpe deutlich erhöht. Im Prinzip wird also das Wärmeübertragungsfluid auch dann, wenn es nicht benötigt wird, innerhalb der Speichersonde bereits vorgewärmt, bevor es die Wärmepumpe erreicht. Insbesondere wird dadurch auch die Zeit verringert, die benötigt wird, bis die Wärmepumpe eine Wärmeanforderung bereitstellt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines derartigen Speichersondenwärmekreislaufs zeichnet sich dadurch aus, dass das Wärmeübertragungsfluid durch die Umwälzpumpe in kurzen Zeitabständen innerhalb der Speichersonde oder, je nach Ausgestaltung, innerhalb der Speichersonden, zirkuliert, so dass stets eine Vermischung des Wärmeübtertragungsfluids erzeugt wird. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels, das im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird . In dieser Zeichnung zeigen schematisch : Fig. 1 : eine perspektivische Darstellung eines Vermischungskörpers an einem Ausströmrohr;
Fig. 2 : einen Querschnitt durch ein Einströmrohr in einem Bereich in dem ein Vermischungskörper angeordnet ist;
Fig. 3 : einen Querschnitt durch ein Einströmrohr, in einem Bereich, in dem drei Vermischungskörper angeordnet sind. In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Abschnitt eines Ausströmrohrs 18 an dem ein Vermischungskörper 20 angeordnet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht dieser aus fünf Teilringscheiben 22 mit je einer Teilringfläche 21, die durch einen Außenrand 25, einen Innenrand 23 und je zwei freien Enden 26 begrenzt wird. Die Teilringscheiben 22 sind unterschiedlich schräg zu einer Orthogonalebene einer Längsachse x-x des Ausströmrohrs 18 angeordnet, wobei jeweils eins der freien Enden 26 beabstandet zu einem der freien Enden 26 der benachbarten Teilringscheibe 22 angeordnet ist. Dadurch bilden die beiden freien Enden 26 benachbarter Teilringscheiben 22 eine Öffnung 24 aus, die sich in einer vertikalen Richtung entlang der Längsachse x-x des Ausströmrohrs 18 erstreckt. Die freien Enden 26 von benachbarten Teilringscheiben 22 sind im Wesentlichen beabstandet zueinander angeordnet und berühren sich hier nur im Bereich ihres Außenrandes 25. Durch die schräge Anordnung der Teilringscheiben 22 ähnelt das Erscheinungsbild des Vermischungskörpers 20 einer Helix, die sich in einer Draufsicht in Richtung der Längsachse x-x, im Uhrzeigersinn um das Ausströmrohr 18 windet.
Fig. 2 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch ein Einströmrohr 12 einer erfindungsgemäßen Speichersonde 10 in einem Bereich, in dem ein Vermischungskörper 20 im Ringraum 15 zwischen einer Einströmrohrinnenfläche 16 und einer Ausströmrohraußenfläche 19 angeordnet ist. Der in Fig. 2 dargestellte Vermischungskörper 20 entspricht dem aus Fig. 1 bekannten Vermischungskörper 20 in einer schematischen Darstellung. In dem Querschnitt ist erkennbar, dass sich zwischen den Außenrändern 25 der Teilringscheiben 22 und der Einströmrohrinnenfläche 16 ein Ringspalt 28 ausbildet.
In dem Bereich des Ringraums 15, in dem der Vermischungskörper 20 angeordnet ist, strömt das Wärmeübertragungsfluid im Wesentlichen entlang dreier verschiedener Strömungspfade. Zuvor strömt das Wärmeübertragungsfluid (annähernd) laminar in dem Ringraum 15 auf den Vermischungskörper 20 zu. Die Richtung des laminar strömenden Wärmeübertragungsfluid ist durch große offene Pfeile dargestellt. Die Richtung der Pfeile entspricht der Einströmrichtung des Wärmeübertragungsfluids. Trifft das laminar strömende Wärmeübertragungsfluid in Einströmrichtung auf die Teilringfäche 21 der ersten Teilringscheibe 22, so wird es über die weiteren Teilringflächen 21, in einer rotatorischen Bewegung im Uhrzeigersinn um das Ausströmrohr 18 geleitet. Dieser erste Strömungspfad ist als gestrichelte Spirale mit Pfeilen um das Ausströmrohr 18 dargestellt.
Durch die bereits in Fig . 1 gezeigten Öffnungen 24 zwischen zwei Teilscheiben 22 ergibt sich ein zweiter Strömungspfad mit einer vertikalen Komponente, wobei ein Teil direkt entlang der Ausströmrohraußenfläche 19 führt. Dieser zweite Strömungspfad ist jeweils durch einen kleinen offenen Pfeil in der Öffnung 24 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in einer der Öffnungen 24a auf die Darstellung des kleinen offenen Pfeils verzichtet, statt dessen ist eine kleine Turbulenz 29 gezeigt, die die Vermischung des Wärmeübertragungsfluids an dieser Stelle verdeutlicht. Der Ringspalt 28 zwischen den Außenrändern 25 der Teilkreisscheiben 22 und der Einströmrohrinnenfläche 16 stellt einen dritten Strömungspfad dar. Dieser ist durch schmale lange Pfeile angedeutet. Auch in diesem Bereich ist teilweise die Vermischung des Wärmeübertragungsfluids durch kleine Turbulenzen 29 dargestellt. In einem, hier nicht gezeigten, Verbindungsbereich im unteren Ende des Einströmrohrs 12 fließt das Wärmeübertragungsfluid in das Ausströmrohr 18. Die Fließrichtung innerhalb des Ausströmrohrs 18 ist durch einen schwarzen Pfeil dargestellt. Er ist entgegengesetzt zur Einströmrichtung gerichtet.
Fig. 3 zeigt ebenfalls einen Querschnitt durch ein Einströmrohr 12. In dem gezeigten Bereich sind drei Vermischungskörper 20 I, 20 II, 20 III innerhalb des Ringraums 15 angeordnet. Die Darstellung der Vermischungskörper 20 I-III in dem Ringraum 15 entspricht der aus Fig . 2 bekannten Darstellung. Es soll verdeutlicht werden, dass der Abstand zwischen den einzelnen Vermischungskörpern 20 I, 20 II, 20 III derart gewählt ist, dass stets ein im Wesentlichen laminar strömendes Wärmeübertragungsfluid, angedeutet durch große offene Pfeile, auf die Teilringfläche 21 der ersten Teilringscheibe 22 des jeweiligen Vermischungskörper 20 I, 20 II, 20 III trifft. Weiter sei noch angemerkt, dass der erste Vermischungskörper 20 I eine rotatorische Bewegung des Wärmeübertragungsfluids um das Ausströmrohr 18 gegen den Uhrzeigersinn hervorruft, der Vermischungskörper 20 II eine mit dem Uhrzeigersinn, und der Vermischungskörper 20 III führt das Wärmeübertragungsfluid wieder gegen den Uhrzeigersinn um das Ausströmrohr 18. Aufgrund der mehreren Vermischungskörper 20 I-III erfolgt ein sich wiederholender Wechsel zwischen laminarer Strömung und Vermischung des Wärmeübertragungsfluids.

Claims

Patentansprüche
1. Speichersonde (10) zum Austausch von Wärme zwischen einem die Speichersonde (10) umgebenen Erdreich, in welchem die Speichersonde (10) im Betriebszustand angeordnet ist, und einem Wärmeübertragungsfluid, umfassend
1.1 ein Einströmrohr (12) mit einer Einströmrohrinnenfläche (16),
1.2 ein darin angeordnetes Ausströmrohr (18) mit einer Ausströmrohraußenfläche (19), wobei zwischen der Einströmrohrinnenfläche (16) und der Ausströmrohraußenfläche (19) ein Ringraum (15) ausgebildet ist, in dem das Wärmeübertragungsfluid laminar einströmt, und
1.3 mindestens zwei im Ringraum (15) entlang einer Längsachse (x- x) des Ausströmrohrs (18) beabstandet zueinander angeordnete Vermischungskörper (20),
1.3.1 die wenigstens eine erste und eine zweite Teilringscheibe (22) mit je einer Teilringfläche (21) aufweisen, die durch einen Innenrand (23), der an der Ausströmrohraußenfläche (19) anliegt, einen Außenrand (25) und zwei freien Enden (26) begrenzt ist, wobei
1.3.1.1 die Teilringscheiben (22) unterschiedlich schräg zu einer Orthogonalebene der Längsachse (x-x) des Ausströmrohrs (18) angeordnet sind, so dass ein erster Strömungspfad mit einer rotatorischen Komponente über die Teilringflächen (21) um das Ausströmrohr (18) führt,
1.3.1.2 je eines der freien Enden (26) der ersten Teilringscheibe (22) und eines der freien Enden (26) der zweiten Teilringscheibe (22) im Wesentlichen beabstandet voneinander angeordnet sind und so eine Öffnung (24) ausbilden, durch die ein zweiter Strömungspfad mit einer Komponente parallel zur Längsachse (x-x) des Ausströmrohrs (18) führt, und
1.3.1.3 der Außenrand (25) der Teilringscheiben (22) mit der Einströmrohrinnenfläche (16) einen Ringspalt (28) ausbildet, durch den ein dritter Strömungspfad mit einer Komponente entlang der Einströmrohrinnenfläche (16) führt,
1.3.1.4 der erste Strömungspfad den zweiten und den dritten Strömungspfad kreuzt, und zu einem Vermischen des Wärmeübertragungsfluids führt, wobei der Abstand zwischen den Vermischungskörpern (20) derart gewählt ist, dass das Wärmeübertragungsfluid nach dem Vermischen durch einen der Vermischungskörper (20) wieder fast laminar zum nächsten Vermischungskörper (20) strömt, also ein Wechsel zwischen Vermischung und fast laminarer Strömung des Wärmeübertragungsfluids in der Speichersonde (10) stattfindet.
Speichersonde (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metervolumen des Ringraums (15) größer als 8 I ist.
Speichersonde (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischungskörper (20) verschiebbar in einer Richtung entlang der Längsachse (x-x) in dem Ringraum (15) angeordnet sind.
Speichersonde (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischungskörper (20) je eine Manschette mit Bohrungen umfassen, die über Madenschrauben an unterschiedlichen Positionen an dem Ausströmrohr (18) anordbar ist.
Speichersonde (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilringscheiben (22) benachbarter Vermischungskörper (20) derart unterschiedlich in einer Orthogonalebene der Längsachse (x-x) angeordnet sind, dass sich die Richtung der rotatorischen Komponente des ersten Strömungspfads der benachbarten Vermischungskörper (20) unterscheidet.
6. Speichersonde (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden (26) einer Teilringscheibe (22) einen Winkel von 100° bis 220°, vorzugsweise eine Winkel von 180° miteinander einschließen.
7. Speichersonde (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Außenrand (25) der Teilringscheiben (22) und der Einströmrohrinnenfläche (16) in einer Orthogonalebene, in radialer Richtung zur Längsachse (x-x) 1 mm bis 2,5 mm, bevorzugt 1,5 mm bis 2 mm beträgt.
8. Speichersondenwärmekreislauf, umfassend
einen Anschlusswärmekreislauf mit mindestens einer Speichersonde (10) gemäß einem der Ansprüche 1-7,
- einen Abnehmerwärmekreislauf mit einer Wärmepumpe zur Befriedigung einer Wärmeanforderung, und
- einen Wärmetauscher, zur Übertragung von Wärme zwischen dem Anschlusswärmekreislauf und dem Abnehmerwärmekreislauf,
- und eine Umwälzpumpe zur Erzeugung einer Zirkulation des Wärmeübertragungsfluids innerhalb der Speichersonde (10), die das Wärmeübertragungsfluid unabhängig von einer Wärmeanforderung des Abnehmerwärmekreislaufs in kurzen Zeitabständen zirkulieren lässt.
9. Verfahren zum Betrieb eines Speichersondenwärmekreislaufs mit einer Speichersonde (10) gemäß einem der Ansprüche 1-7, einer Umwälzpumpe zur Erzeugung einer Zirkulation des Wärmeübertragungsfluids innerhalb der Speichersonde (10), und einem Abnehmerwärmekreislauf mit einer Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe, das Wärmeübertragungsfluid unabhängig von einer Wärmeanforderung des Abnehmerwärmekreislaufs in kurzen Zeitabständen zirkulieren lässt.
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