NL2014782B1

NL2014782B1 - A device for collecting geothermal heat.

Info

Publication number: NL2014782B1
Application number: NL2014782A
Authority: NL
Inventors: Joosten Rob
Original assignee: Jenkies B V
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2017-01-26
Also published as: WO2016182433A1; NL2014782A

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het opvangen van geothermische warmte, omvattend: - een in hoofdzaak ondergronds aangebracht buizenstelsel, waardoor een eerste medium stroomt; - een warmtepomp, omvattend een circuit met in de stromingsrichting van het circuit achtereenvolgens aangebracht een compressor, een condensor, een restrictie en een verdamper, waarbij door het circuit een tweede medium stroomt; en - een warmtewisselaar, waarin het buizenstelstel en de verdamper van de warmtepomp in warmtewisselend contact met elkaar zijn waarbij de warmtewisselaar een gesloten behuizing omvat met hierin een derde gasvormig medium; waarbij het warmtewisselend contact tussen het buizenstelsel en de warmtepomp in hoofdzaak via het derde medium verloopt; en waarbij het eerste medium een vloeistof en bij voorkeur water is.The invention relates to a device for collecting geothermal heat, comprising: - a tube system arranged substantially underground, through which a first medium flows; - a heat pump, comprising a circuit with a compressor, a condenser, a restriction and an evaporator arranged successively in the direction of flow of the circuit, a second medium flowing through the circuit; and - a heat exchanger, in which the tube system and the evaporator of the heat pump are in heat-exchanging contact with each other, the heat exchanger comprising a closed housing with a third gaseous medium therein; wherein the heat-exchanging contact between the tubing and the heat pump runs substantially via the third medium; and wherein the first medium is a liquid and preferably water.

Description

Inrichting voor het opvangen van geothermische warmteDevice for collecting geothermal heat

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het opvangen van geothermische warmte, omvattend: - een in hoofdzaak ondergronds aangebracht buizenstelsel, waardoor een eerste medium stroomt; - een warmtepomp, omvattend een circuit met in de stromingsrichting van het circuit achtereenvolgens aangebracht een compressor, een condensor, een restrictie en een verdamper, waarbij door het circuit een tweede medium stroomt; en - een warmtewisselaar, waarin het buizenstelstel en de verdamper van de warmtepomp in warmtewisselend contact met elkaar zijn.The invention relates to a device for collecting geothermal heat, comprising: - a tube system arranged substantially underground, through which a first medium flows; - a heat pump, comprising a circuit with a compressor, a condenser, a restriction and an evaporator arranged successively in the direction of flow of the circuit, a second medium flowing through the circuit; and - a heat exchanger, in which the tube system and the evaporator of the heat pump are in heat-exchanging contact with each other.

Dergelijke inrichtingen zijn op zich bekend. Door het buizenstelsel van de inrichting, welk bij voorkeur gemaakt is van flexibele slangen, ook wel bekend onder de naam captatienet, stroomt een eerste medium. Geothermische warmte, waaronder zowel wordt verstaan de warmte die ondergronds aanwezig is, bijvoorbeeld afkomstig uit de aardbodem zelf, maar ook verwarming van de grond of het captatienetdoor de zon, wordt aan het captatienet en het hierin stromende medium overgedragen. Dit medium wordt hierdoor opgewarmd. Het opgewarmde water wordt door een warmtewisselaar geleid, waarbij deze stroom langs de verdamper wordt geleid zodat het eerste medium in warmtewisselend contact komt met een tweede medium dat door de verdamper van een warmtepomp stroomt. Tijdens dit contact koelt het eerste medium af, waar tegelijkertijd het tweede medium opwarmt. Het opgewarmde tweede medium kan vervolgens in de warmtepomp gebruikt worden, bijvoorbeeld bij het verwarmen van woningen.Such devices are known per se. A first medium flows through the tubing of the device, which is preferably made of flexible hoses, also known as the capture network. Geothermal heat, which is understood to mean both the heat present underground, for example from the earth itself, but also heating of the soil or the capture network by the sun, is transferred to the capture network and the medium flowing in there. This medium is hereby heated. The heated water is passed through a heat exchanger, this stream being passed along the evaporator so that the first medium comes into heat-exchanging contact with a second medium that flows through the evaporator of a heat pump. During this contact, the first medium cools down, where the second medium heats up at the same time. The heated second medium can then be used in the heat pump, for example when heating homes.

Het tweede medium wordt hierbij bij een temperatuur van meestal minder dan 0 graden Celsius de warmtewisselaar in gebracht. Om bevriezing van het medium in het captatienet door het warmtewisselend contact met dit tweede medium te voorkomen, wordt een eerste medium gebruikt dat naast water bestaat uit een anti-vriesmiddel, zoals bijvoorbeeld glycol. Door defecten aan het captatienet kunnen openingen in de slangen van het captatienet ontstaan, waardoor het eerste medium in de grond lekt. Toevoeging van een dergelijk anti-vriesmiddel heeft in een dergelijke situatie als nadeel dat glycol een verontreiniging van de grond oplevert, hetgeen onwenselijk is. Om een dergelijk defect te verhelpen zal men bovendien het captatienet meestal op moeten graven, hetgeen kostbaar en onwenselijk is.The second medium is introduced into the heat exchanger at a temperature of usually less than 0 degrees Celsius. In order to prevent freezing of the medium in the capture network by heat-exchanging contact with this second medium, a first medium is used which, in addition to water, consists of an anti-freeze, such as, for example, glycol. Defects in the capture network may result in openings in the hoses of the capture network, causing the first medium to leak into the ground. The addition of such an anti-freeze in such a situation has the disadvantage that glycol causes a contamination of the soil, which is undesirable. In order to remedy such a defect, it is moreover necessary to dig up the capture network, which is expensive and undesirable.

Het is nu het doel van de uitvinding om bovengenoemde nadelen te verminderen of zelfs te voorkomen.It is now the object of the invention to reduce or even prevent the abovementioned disadvantages.

Dit doel wordt bereikt door middel van een inrichting volgens de aanhef, met het kenmerk dat: - de warmtewisselaar een gesloten behuizing omvat met hierin een derde gasvormig medium; - het warmtewisselend contact tussen het buizenstelsel en de warmtepomp in hoofdzaak via het derde medium verloopt; en - dat het eerste medium een vloeistof en bij voorkeur water is.This object is achieved by means of a device according to the preamble, characterized in that: - the heat exchanger comprises a closed housing with a third gaseous medium therein; - the heat-exchanging contact between the pipe system and the heat pump runs mainly via the third medium; and - that the first medium is a liquid and preferably water.

Bij de inrichting volgens de uitvinding wordt tussen het eerste medium en het tweede medium een derde medium geplaatst, waarbij het warmtewisselend contact tussen het eerste en tweede medium in hoofdzaak verloopt via het derde medium. Bij voorkeur is er hierbij geen direct warmtewisselend contact meer tussen het eerste medium en het tweede medium. Door het derde medium wordt een buffer gecreëerd rondom het eerste medium, waardoor het risico op bevriezing van het eerste medium in het captatienet wordt verminderd.In the device according to the invention, a third medium is placed between the first medium and the second medium, the heat-exchanging contact between the first and second medium extending substantially via the third medium. Preferably, there is no longer any direct heat exchanging contact between the first medium and the second medium. A buffer is created by the third medium around the first medium, thereby reducing the risk of freezing the first medium in the capture network.

Hierdoor is het niet langer noodzakelijk om anti-vriesmiddelen toe te voegen aan het eerste medium. Hierdoor is een vrijere keuze mogelijk in de samenstelling van het eerste medium. Bij voorkeur wordt een samenstelling van het eerste medium gekozen welke volgens milieuvoorschriften vrij te lozen is in de grond, zodat men eventueel bij het optreden van een lekkage in het captatienet het niet langer strikt noodzakelijk is om acuut op te treden. Water heeft hierbij de voorkeur, omdat water goedkoop en vrij voor handen is, waardoor het captatienet bovendien kostenefficiënt en makkelijk bij te vullen is.As a result, it is no longer necessary to add antifreeze agents to the first medium. This allows a freer choice in the composition of the first medium. Preferably, a composition of the first medium is chosen which, according to environmental regulations, can be freely discharged into the soil, so that if any leakage occurs in the capture network it is no longer strictly necessary to act acutely. Water is preferred here, because water is cheap and available, which also makes the capture network cost-efficient and easy to top up.

De gesloten behuizing zorgt er hierbij voor dat het derde medium de behuizing niet kan verlaten, en dat anderzijds geen componenten de behuizing binnen kunnen dringen. Een dergelijke behuizing vergroot daarmee de efficiency van de overdracht van het eerste medium op het tweede medium. Om deze afsluiting verder te vergroten is het mogelijk om een isolatielaag aan de buitenwand van de behuizing aan te brengen, bij voorkeur rondom deze behuizing en/of aan de buitenzijde.The closed housing ensures that the third medium cannot leave the housing, and on the other hand that no components can penetrate the housing. Such a housing thus increases the efficiency of the transfer from the first medium to the second medium. To further increase this seal, it is possible to provide an insulating layer on the outer wall of the housing, preferably around this housing and / or on the outside.

Het buizenstelsel bestaat bij voorkeur uit slangen, omdat deze door de flexibiliteit gemakkelijk in de vorm van een captatienet zijn aan te brengen. De slangen kunnen bijvoorbeeld in rechte parallelle lijnen zijn aangebracht, waarbij de einden krom zijn om de parallelle lijnen met elkaar te verbinden. Voor het opvangen van de stralingswarmte van de aarde is het voordelig wanneer de slangen zwart van kleur zijn.The tubing preferably consists of hoses, because of the flexibility they can easily be arranged in the form of a net. The hoses can for instance be arranged in straight parallel lines, the ends being curved to connect the parallel lines to each other. To collect the radiant heat from the earth, it is advantageous if the hoses are black in color.

Hoewel het buizenstelsel in hoofdzaak ondergronds is geplaatst, is het mogelijk dat delen van het buizenstelsel, zoals bijvoorbeeld het deel dat leidt naar of uitmondt in de warmtewisselaar, bovengronds zijn aangebracht.Although the pipe system is placed substantially underground, it is possible that parts of the pipe system, such as for example the part that leads to or ends in the heat exchanger, are arranged above ground.

Het gasvormige derde medium heeft bij voorkeur een relatief laag vochtgehalte, om zodoende te voorkomen dat condensvorming in de warmtewisselaar optreedt.The gaseous third medium preferably has a relatively low moisture content, so as to prevent condensation from forming in the heat exchanger.

Het gasvormige derde medium kan voor het verhogen van de warmteoverdracht bijvoorbeeld onder een hoge druk aanwezig zijn om zodoende de overdracht van warmte tussen het eerste en het tweede medium verder te vergroten.For increasing the heat transfer, the gaseous third medium can for instance be present under a high pressure in order to further increase the transfer of heat between the first and the second medium.

Het is mogelijk dat in de warmtewisselaar meer dan één verdamper is aangebracht, om zodoende meerdere warmtepompen op één captatienet aan te sluiten. Hierdoor is het niet noodzakelijk om voor elke woning waarin een warmtepomp is aangebracht een apart captatienet aan te leggen, hetgeen kostenbesparend is.It is possible that more than one evaporator is installed in the heat exchanger, in order to connect several heat pumps to one capture network. As a result, it is not necessary to install a separate grid system for each home in which a heat pump is installed, which saves costs.

Warmtepompen zoals gebruikt in de inrichting zijn op zich algemeen bekend en omvatten een circuit met in de stromingsrichting van het circuit achtereenvolgens aangebracht een compressor, een condensor, een restrictie en een verdamper, waarbij de restrictie eventueel een drukventiel of een turbine kan zijn.Heat pumps as used in the device are generally known per se and comprise a circuit with a compressor, a condenser, a restriction and an evaporator arranged successively in the direction of flow of the circuit, the restriction possibly being a pressure valve or a turbine.

De inrichting kan eventueel ook gebruikt worden voor koeling, bijvoorbeeld door de inrichting in te richten als een doubletsysteem, waarbij achter het captatienet een koudebron wordt geschakeld, en waarbij afhankelijk van het seizoen de stromingsrichting in het captatienet en de koudebron wordt omgedraaid.The device can optionally also be used for cooling, for instance by designing the device as a doublet system, wherein a cold source is switched behind the capture network, and wherein the flow direction in the capture network and the cold source is reversed depending on the season.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is in de behuizing een rondlopend kanaal aangebracht, waarin het derde medium recirculeert.In a preferred embodiment of the device according to the invention, a circulating channel is arranged in the housing, into which the third medium recirculates.

In de behuizing is bij voorkeur een kanaal aangebracht, waardoor het derde medium tussen het eerste en het tweede medium stroomt. Op deze wijze wordt de stroming van het derde medium vereenvoudigd.A channel is preferably arranged in the housing, through which the third medium flows between the first and the second medium. In this way the flow of the third medium is simplified.

Indien de behuizing van de warmtewisselaar bijvoorbeeld balkvormig is, dan kan het kanaal voor een eenvoudige constructie bijvoorbeeld worden opgespannen door de plaatsing van een balkvormig binnendeel binnen de behuizing, waarvan de zijden evenwijdig lopen aan de zijden van de behuizing en waarvan één zijde zich uitstrekt over de volledige dimensie van de behuizing. Bij voorkeur is het binnendeel hierbij geheel gecentreerd in de behuizing aangebracht.For example, if the heat exchanger housing is beam-shaped, for simple construction the channel can be clamped by placing a beam-shaped inner part within the housing, the sides of which are parallel to the sides of the housing and one side of which extends over the full dimension of the housing. The inner part is herein preferably arranged entirely centered in the housing.

In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding steken de verdamper en het buizenstelsel in het kanaal.In a further preferred embodiment of the device according to the invention, the evaporator and the tube system protrude into the channel.

Door de verdamper en het buizenstelsel in het kanaal te steken, dat wil zeggen ten minste een gedeelte van de verdamper en het buizenstelsel, wordt bereikt dat de overdracht van warmte tussen respectievelijk het eerste en derde medium en het derde en tweede medium verder wordt verhoogd. Hierbij strekken de verdamper en het buizenstelsel zich in het kanaal uit, bij voorkeur over de breedte van het in de behuizing gevormde kanaal voor het verhogen van het overdrachtsoppervlak.By inserting the evaporator and the tube system into the channel, i.e. at least a portion of the evaporator and the tube system, it is achieved that the transfer of heat between the first and third medium and the third and second medium respectively is increased. Here, the evaporator and the tubing extend into the channel, preferably across the width of the channel formed in the housing for increasing the transfer surface.

In nog een voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding omvat de inrichting ventilatiemiddelen, aangebracht binnen de behuizing, voor het genereren van gedwongen convectie in het derde medium binnen de behuizing, welke convectie gericht is van het buizenstelsel naar de verdamper.In yet another preferred embodiment of the device according to the invention, the device comprises ventilation means, arranged inside the housing, for generating forced convection in the third medium within the housing, which convection is directed from the tubing to the evaporator.

Hoewel het in principe mogelijk is dat de warmteoverdracht tussen het eerste en tweede medium via het derde medium door andere middelen, zoals bijvoorbeeld vrije convectie, plaatsvindt, verdient het de voorkeur om ventilatiemiddelen, zoals een ventilator, op te nemen om gedwongen convectie in de behuizing op te wekken. Hierdoor wordt de warmteoverdracht versneld.Although it is possible in principle for the heat transfer between the first and second medium to take place via the third medium by other means, such as, for example, free convection, it is preferable to include ventilation means, such as a fan, for forced convection in the housing to generate. This speeds up the heat transfer.

Indien de behuizing voorzien is van een kanaal, dan zijn de ventilatiemiddelen bij voorkeur aan ten minste één van de wanden bevestigd om de bevestiging te vereenvoudigen. Bij voorkeur zijn de ventilatiemiddelen aansluitend op alle wanden van het kanaal bevestigd, om zodoende de door de ventilator opgewekte convectie te maximaliseren.If the housing is provided with a channel, the ventilation means are preferably mounted on at least one of the walls to simplify the fixing. The ventilation means are preferably fixedly connected to all walls of the channel, so as to maximize the convection generated by the fan.

In weer een voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is het ondergrondse deel van het buizenstelsel in hoofdzaak horizontaal geplaatst.In yet another preferred embodiment of the device according to the invention, the underground part of the tube system is placed substantially horizontally.

Het in hoofdzaak horizontaal plaatsen van het ondergrondse deel van het buizenstelsel heeft als voordeel dat het buizenstelsel relatief eenvoudig aan te leggen is, omdat het op een beperkte diepte is aangelegd. Bij voorkeur is het hierbij meer dan 20 centimeter onder de vorstgrens aangelegd om een adequate vorstbescherming te verkrijgen. Bij voorkeur is het buizenstelsel bij voorkeur tussen ongeveer 100 en 200 centimeter onder het oppervlak aangebracht, zodat enerzijds de toegankelijkheid van het buizenstelsel gewaarborgd is en zodat anderzijds het captatienet voldoende invloed blijft houden van de zon.Placing the underground part of the tube system substantially horizontally has the advantage that the tube system can be laid relatively easily, because it is laid at a limited depth. Preferably, it is hereby installed more than 20 centimeters below the frost limit in order to obtain adequate frost protection. The tube system is preferably arranged between approximately 100 and 200 centimeters below the surface, so that on the one hand the accessibility of the tube system is guaranteed and so that on the other hand the capture network keeps sufficient influence of the sun.

In wederom een voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is het derde medium lucht.In another preferred embodiment of the device according to the invention, the third medium is air.

Lucht is een medium dat vrij voor handen is en daarom geschikt is voor de toepassing in de inrichting volgens de uitvinding. Hoewel de warmteoverdrachtscoëfficiënt van lucht relatief beperkt is, zal de afgesloten behuizing eraan bijdragen dat een goede warmteoverdracht gewaarborgd is, eventueel ondersteunt door ventilatiemiddelen, een drukverhoging of een isolatielaag aan de buitenwand van de behuizing.Air is a medium that is freely available and therefore suitable for use in the device according to the invention. Although the heat transfer coefficient of air is relatively limited, the sealed housing will help ensure that a good heat transfer is guaranteed, possibly supported by ventilation means, a pressure increase or an insulating layer on the outer wall of the housing.

Deze en andere aspecten van de uitvinding zullen worden toegelicht aan de hand van de bijgaande figuur.These and other aspects of the invention will be explained with reference to the accompanying figure.

Figuur 1 toont een stroomschema van een inrichting volgens de uitvinding.Figure 1 shows a flow chart of a device according to the invention.

In figuur 1 is een stroomschema getoond van een inrichting 1 volgens de uitvinding. De inrichting 1 omvat een captatienet 2 dat ondergronds op een diepte D van 1 meter onder het oppervlak 3 is aangebracht. Het captatienet 2 omvat een rondlopend uit slangen bestaand buizenstelsel 4, met een ingang 5 en een uitgang 6. Aan de ingang 5 wordt relatief koud water toegevoerd. Door verwarming van dit water is de temperatuur van dit water aan de uitgang 6 verhoogd. Vanaf daar stroomt het water in stromingsrichting A richting een warmtewisselaar 7.Figure 1 shows a flow chart of a device 1 according to the invention. The device 1 comprises a capture network 2 which is arranged underground at a depth D of 1 meter below the surface 3. The capture network 2 comprises a tubular system 4 consisting of hoses, with an inlet 5 and an outlet 6. Relatively cold water is supplied to the inlet 5. By heating this water, the temperature of this water at the outlet 6 is increased. From there, the water flows in the direction of flow A towards a heat exchanger 7.

De warmtewisselaar 7 omvat een gesloten behuizing 8, met in de behuizing aangebracht een binnendeel 9, waardoor in de behuizing een rondlopend kanaal 10 wordt gevormd. In het rondlopend kanaal 10 is een ventilator 11 aangebracht voor het opwekken van gedwongen convectie B binnen het kanaal 10.The heat exchanger 7 comprises a closed housing 8, with an inner part 9 arranged in the housing, as a result of which a circulating channel 10 is formed in the housing. A fan 11 is provided in the circulating channel 10 for generating forced convection B within the channel 10.

Het water met een verhoogde temperatuur afkomstig van captatienet 2 stroomt bij de ingang 12 door middel van een in de behuizing 8 stekend deel 13 de behuizing 8 in richting de uitgang 14. Door de gedwongen convectie B draagt het water hierbij zijn warmte over aan de lucht die in de behuizing 8 recirculeert. Bij de uitgang 14 is de temperatuur van het water aldus verlaagd ten opzichte van de temperatuur aan de ingang 12, waarna het weer terug stroomt in stromingsrichting C richting de ingang 5 van het captatienet 2.The water with an elevated temperature originating from capture network 2 flows at the entrance 12 by means of a part 13 protruding into the housing 8 into the housing 8 towards the exit 14. The forced heat convection B here transfers the heat to the air which recirculates in the housing 8. At the outlet 14, the temperature of the water is thus lowered in relation to the temperature at the inlet 12, after which it flows back again in flow direction C towards the inlet 5 of the capture network 2.

De opgewarmde lucht binnen de behuizing 8 stroomt door de gedwongen convectie richting een binnen het kanaal gestoken verdamper 15 van een warmtepomp 16. De warmtepomp 16 omvat naast de verdamper 15 in stromingsrichting E van de warmtepomp 16 gezien een compressor 17, een condensor 18 en een restrictie 19, in dit geval uitgevoerd als drukventiel.The heated air inside the housing 8 flows through the forced convection towards an evaporator 15 of a heat pump 16 inserted inside the channel. The heat pump 16 comprises, in addition to the evaporator 15 in the flow direction E of the heat pump 16, a compressor 17, a condenser 18 and a restriction 19, in this case designed as a pressure valve.

In de warmtepomp 16 stroomt een medium dat door het contact met de verwarmde lucht in de behuizing 8 wordt verwarmd. Hierna wordt de verwarmde lucht vanaf de warme zijde 20 van de verdamper 15 naar de compressor 17 gebracht waar de stroom door kookpuntsverlaging verdampt. Vervolgens gaat de stroom naar de condensor 18, waar deze stroom gebruikt wordt voor bijvoorbeeld het opwarmen van een ander medium 21, zoals warm water gebruikt in een huishouden. Vanaf de condensor 18 stroomt het medium door de restrictie 19, waar de druk wordt verlaagd, weer terug naar de koude zijde 22 van de verdamper 15.A medium flows into the heat pump 16 which is heated by the contact with the heated air in the housing 8. After this, the heated air is brought from the hot side 20 of the evaporator 15 to the compressor 17 where the stream evaporates due to a boiling point reduction. The current then flows to the condenser 18, where this current is used for, for example, heating another medium 21, such as hot water used in a household. From the condenser 18, the medium flows through the restriction 19, where the pressure is lowered, back to the cold side 22 of the evaporator 15.

Claims

An apparatus for collecting geothermal heat, comprising: - a tube system arranged substantially underground, through which a first medium flows; - a heat pump, comprising a circuit with a compressor, a condenser, a restriction and an evaporator arranged successively in the direction of flow of the circuit, a second medium flowing through the circuit; and - a heat exchanger, in which the tube system and the evaporator of the heat pump are in heat-exchanging contact with each other, characterized in that - the heat exchanger comprises a closed housing with a third gaseous medium therein; - the heat-exchanging contact between the pipe system and the heat pump runs mainly via the third medium; and - that the first medium is a liquid and preferably water.

Device as claimed in claim 1, wherein a circulating channel is arranged in the housing, in which the third medium recirculates.

Device as claimed in claim 2, wherein the evaporator and the tube system protrude into the channel.

Device as claimed in claim 1, 2 or 3, wherein the device comprises ventilation means, arranged inside the housing, for generating forced convection in the third medium within the housing, which convection is directed from the tube system to the evaporator.

Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the underground part of the tube system is placed substantially horizontally.

Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the third medium is air.