NL2014782B1 - Inrichting voor het opvangen van geothermische warmte. - Google Patents

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.

Description

Inrichting voor het opvangen van geothermische warmte

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.

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.

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.

Het is nu het doel van de uitvinding om bovengenoemde nadelen te verminderen of zelfs te voorkomen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Het gasvormige derde medium heeft bij voorkeur een relatief laag vochtgehalte, om zodoende te voorkomen dat condensvorming in de warmtewisselaar optreedt.

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.

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.

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.

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.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is in de behuizing een rondlopend kanaal aangebracht, waarin het derde medium recirculeert.

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.

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.

In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding steken de verdamper en het buizenstelsel in het kanaal.

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.

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.

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.

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.

In weer een voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is het ondergrondse deel van het buizenstelsel in hoofdzaak horizontaal geplaatst.

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.

In wederom een voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is het derde medium lucht.

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.

Deze en andere aspecten van de uitvinding zullen worden toegelicht aan de hand van de bijgaande figuur.

Figuur 1 toont een stroomschema van een inrichting volgens de uitvinding.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (6)

1. 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 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.

2. Inrichting volgens conclusie 1, waarbij in de behuizing een rondlopend kanaal is aangebracht, waarin het derde medium recirculeert.

3. Inrichting volgens conclusie 2, waarbij de verdamper en het buizenstelsel in het kanaal steken.

4. Inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, waarbij de inrichting ventilatiemiddelen omvat, 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.

5. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het ondergrondse deel van het buizenstelsel in hoofdzaak horizontaal is geplaatst.

6. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het derde medium lucht is.