WO1981000444A1 - Underground tank used as a water supply tank for heat pumps - Google Patents

Underground tank used as a water supply tank for heat pumps Download PDF

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WO1981000444A1
WO1981000444A1 PCT/EP1980/000064 EP8000064W WO8100444A1 WO 1981000444 A1 WO1981000444 A1 WO 1981000444A1 EP 8000064 W EP8000064 W EP 8000064W WO 8100444 A1 WO8100444 A1 WO 8100444A1
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feed water
water tank
heat
fluid
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PCT/EP1980/000064
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L Reitmaier
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L Reitmaier
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/02—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps
    • F24D11/0214—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps water heating system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/0034—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using liquid heat storage material
    • F28D20/0043—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using liquid heat storage material specially adapted for long-term heat storage; Underground tanks; Floating reservoirs; Pools; Ponds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2270/00—Thermal insulation; Thermal decoupling
    • 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
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/40—Geothermal heat-pumps
    • 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
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a feed water tank designed as an underground tank for heat pumps of a heating system, in which the outside of the tank is provided with a layer of heat-insulating material, in particular a rigid foam.
  • the feed water of the heat pump is heated up via a heat exchanger or directly into a solar circuit.
  • the heated water can be fed directly to the heat pump.
  • excess heated water is led into a feed water tank, from which the heat pump can draw in if necessary.
  • the heat pump fluid is usually conducted in a closed circuit.
  • water means any pluid suitable as a heat carrier, ie water or refrigerant or other known pluids with additives.
  • the heat-insulating layer of the underground tank is surrounded by a fluid-flowable element and this element is encased by a jacket made of a mechanically resistant material with good thermal conductivity, the element through which the fluid flows between the return of the heat pump the feed water tank can be switched on in terms of flow.
  • the feed water tank can advantageously, as in conventional systems, also serve as a storage tank for feed fluid warmed up by other, in particular natural, heat sources.
  • This fluid can draw the heat pump as feed fluid from the feed water tank to bridge heating times in which the natural heat source, e.g. from a solar circuit, heat is not available or is not available in sufficient quantities.
  • the invention now provides that the return water of the heat pump is first brought into intimate heat transfer contact with the ground to absorb heat from the ground.
  • the return water is then returned to the feed water tank.
  • the arrangement is extremely space-saving and simple, can be prefabricated in the factory and installed in the ground without extensive earthwork.
  • the return fluid is in thermal contact with the ground via the mechanical protective jacket. As a good heat conductor, this ensures thermal contact between the element through which it flows and the ground. At the same time, it protects the feed water tank and the element through which the fluid flows both against mechanical influences and against the chemical and physical influences of the surrounding earth.
  • the load of the container is transferred to the supporting soil via the protective jacket.
  • Concrete has proven to be a very cheap and effective material for the protective jacket, with which the feed water container, the insulating layer thereon and the coil, preferably wound as a coil or hose, and embedded by the fluid, are embedded.
  • the concrete can additionally be roughened on its outside, at least in the outer area it can be porous or it can be provided with ribs in order to increase the heat transfer.
  • the concrete can also have admixtures that increase the thermal conductivity.
  • the flowed-through element can consist of metal or of another sufficiently thermally conductive material, such as plastic.
  • the element is preferably designed as a layer of tube or tube bundles, the tube windings being wound tightly onto the heat-insulating rigid foam. With a sufficient size of the feed water tank and with a sufficient winding length, it can be ensured that even very cold return water warms up to the average earth temperature in a frost-proof depth. In this way, geothermal energy can be introduced into the heat circuit of the heat pump in a simple but, above all, space-saving manner.
  • the fluid in the Feed water tank is preferably water provided with an antifreeze.
  • a plurality of hermetically sealed small containers in particular spherical, made of elastically stretchable material can be provided in the interior of this water filling, which contain a pressure-resistant liquid that is not protected against frost, such as water without anti-freeze.
  • frost such as water without anti-freeze.
  • the measures according to the invention are suitable for any type of feed water tank designed as an underground tank.
  • a container shape is preferred which offers a sufficiently large surface area for winding the flowable element.
  • Elongated cylindrical containers are preferred, since they also considerably facilitate the application of the rigid foam, but above all the winding up of the coils.
  • the coils can be wound onto the rigid foam by machine.
  • the elongated container can be installed horizontally in the ground. This arrangement has the advantage that, with sufficient length and sufficient capacity, the excavation pit need only have a limited depth. In many cases, however, the elongated container is preferably installed vertically. As a result, a much greater depth of the excavation pit is required, but the transverse dimensions of the excavation pit in the area of the earth's surface can be kept very small, so that this type of installation is particularly suitable for retrofitting the underground tank.
  • the elongated tank is arranged upright and installed, it preferably has at its lower end a base which projects downward from the tank bottom.
  • a base which projects downward from the tank bottom.
  • the standing installation unit can be designed to have a conically decreasing diameter, at least in the area of the base, so that the formwork-free installation of the excavation pit, even with a large installation depth, and easy installation of the installation unit.
  • the formation of the foot area also offers the possibility of between the foot and the actual container to arrange at least parts of the pipe windings exposed, since they can be accommodated in the space between the container and the foot with adequate protection.
  • the pipe coil is made of a resistant material and there is no fear that corrosion of the pipe coil can be expected from the groundwater or surrounding soil.
  • the coils can vary in shape and material in the various areas of the length of the structural unit.
  • Fig. 1 shows a portion of a hori zontally arranged feed water tank designed as an underground tank according to the invention with the associated facilities and
  • Fig. 2 shows a vertical section through a preferred embodiment of the underground tank.
  • Fig. 1, 1 indicates a solar circuit, which is representative of other natural heat sources via an inlet line 5 and a feed water line 4, directly or indirectly connected to the feed water inlet line 7 or the feed water return line 6 of a heat pump 2.
  • This can be driven by a motor 3.
  • a heat exchanger can be arranged between the circuit of the natural heat source and the circuit of the heat pump. Instead of water, any other fluid suitable for this purpose can be provided as a heat carrier.
  • the line connections can be switched by valves 8 and 9.
  • a riser 12 is connected to the feed line 7 of the heat pump 2, which is led through the cover 14 of the dome 13, which has thermal insulation 15, of an underground tank 10 installed sufficiently deeply sunk in the ground into the interior of the underground tank designed as a feed water container.
  • the heat pump can therefore Remove fluid directly from the line 4 connected to the solar system 1 or directly from the feed water tank 10 via the riser 12.
  • the line 4 can also be connected to the filling line 11 projecting into the feed water container, so that the fluid heated in the solar system 1 can be stored in the feed water container 10 and removed from the heat pump 2 via the riser 12 if necessary.
  • the feed water tank 10 can be made of metal or plastic. It preferably has a length that is large compared to its diameter. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, its axis is arranged horizontally. A sufficiently thick layer of, for example, 10 cm of a heat-insulating material, in particular hard foam, is provided on its outside, which can be foamed directly onto the feed water tank jacket. The thickness is such that the heat losses from the feed water tank are negligible.
  • a layer of elements through which a fluid can flow is arranged directly on the outside of the hard foam layer 16. It can be a ring jacket of small thickness. However, the layer preferably consists of tube or hose bundles 17 wound onto the hard foam layer 16. These can consist of metal or of a sufficiently thermally conductive plastic. The dimensions of the pipes or hoses and their winding density on the hard foam layer 16 are selected so that optimum heat absorption from the surrounding earth takes place through the heat transfer fluid flowing through the elements.
  • the flowable elements wound on the rigid foam 16 are connected on the one hand via line 19 to the valve 8, so that the return fluid from the line 6 of the heat pump 2 is introduced directly into the flowable elements 17 can be.
  • the other end of the flowable elements 17 is connected to the filling line 11 via a branch line 20, so that the return fluid can enter the feed water tank after the geothermal energy has been absorbed.
  • Practical tests have shown that even with long operating times of the heat pump 2 and greatly reduced temperature of the return fluid in the line 6 of the heat pump, the fluid heats up as it flows through the elements 17 to close to the mean ambient temperature of the ground. As a result, during the corresponding switching of the feed fluid circuit, geothermal heat is continuously fed into the feed water tank, from which the heat pump can take advantage of this heat.
  • An outer protective jacket 18 made of mechanically strong and sufficiently thermally conductive material is used for this purpose.
  • the jacket can be made of plastic, provided that appropriate measures, e.g. a certain porosity, sufficient thermal conductivity is ensured.
  • the jacket 18 preferably consists of a concrete. Fillers can be mixed with this to improve the thermal conductivity.
  • the concrete can also be porous to absorb a certain amount of moisture. To enlarge the outer peripheral surface, the outer surface can also be roughened or provided with ribs or the like.
  • the feed water tank described can be prefabricated in the form shown in the factory and easily installed as a unit sunk sufficiently deep into the ground, the construction pit required for this having only a relatively small surface area. Installation in a depth corresponding to the normal groundwater area can be particularly advantageous.
  • the feed water container can be filled with water provided with antifreeze and a plurality of small containers 25, in particular spherical, can be inserted into this filling. These small containers are filled with water without antifreeze and are hermetically and pressure-resistant and, if necessary, elastically expandable, so that the heat can be removed from the feed water container to below freezing point.
  • Fig. 2 shows a preferred embodiment of an underground tank in the form of a structural unit which can be prefabricated in the factory and lowered into an excavation pit.
  • the unit is labeled 101.
  • the elongated feed water tank 102 is arranged upright and installed in this embodiment. All the necessary connections, only one of which is shown, are routed into the interior of the container through the upper container lid. This may also include cables for monitoring devices.
  • only the filling line 111 is shown, which is connected to the return line 107 connected to the heat pump.
  • a foot section of a noticeable height is connected to the closed bottom of the feed water tank 102.
  • this can consist of a cylinder 104 welded to the bottom of the feed water container, which has a base plate 105 at its lower free end.
  • the feed water tank is continuously thermally insulated from the outside via a hard foam layer 103.
  • a pipe winding 108 with relatively narrow turns is wound onto this hard foam layer 103. All pipe turns are only indicated in section in the right half of the figure. These pipe turns are connected to the return line 7 of the heat pump at the upper end of the feed water tank.
  • the pipe windings continue in the area of the foot section in the form of a tight winding pack 109. This preferably takes up the entire free space between the bottom of the container and the stand plate 105. The lower end of these turns is led upward again with a few turns 110 of a high gradient and connected to the filling line 111 of the feed water tank.
  • the height 116 of the base 106 is dimensioned as a function of the installation depth 114 of the upper side of the installation unit 101 below the surface of the earth and as a function of the height 115 of the feed water tank itself, so that when installed in a construction pit, the foot area extends as far as possible into the usual one Groundwater sticks out. With 117 the soil layer supporting the structural unit is designated.
  • the pipe windings are embedded in a jacket 105 made of mechanically resistant material. If this coat is made of concrete, it can have a thickness of about 15 cm. With correspondingly favorable conditions and appropriate choice of material, the pipe windings 109 can be arranged exposed in the foot area so that they are in free contact with the groundwater. There is no fear of mechanical stress on the lines 109 in this area, since they are arranged in a protected manner in the annular space between the bottom of the container and the standing plate. For reasons of long operating times without maintenance, however, it is recommended to also embed the pipe windings 109 in a concrete jacket 125 or the like. If the stand extends into the groundwater, it can be advantageous to make it permeable to the groundwater. For this purpose, windows or channels 112 can be provided in the foot section, which are in flow connection with a central opening 113 of the foot. Instead of the pipes 109 in the foot section, other flowable elements or chamber sections can also be provided in the foot section.
  • the standing arrangement according to FIG. 2 offers the advantage of being large Installation depth with small surface dimensions of the excavation pit required for installation.
  • the embodiment is therefore particularly suitable for retrofitting, in which existing systems, such as gardens, crops or the like, are only slightly affected.
  • the foot section 106 is conically tapered downwards.
  • the entire structural unit including the feed water container 102 can also be designed to taper downward.
  • the arrangement described in FIG. 1 or 2 can optionally also be used for cooling rooms in summer.
  • the arrangement described consisting of the feed water tank and the pipe batches wound on it, can be connected directly to a heating system (not shown), which is supplied with heat in cold times via the heat pump, so that the usual heating system is removed from the rooms in hot times Absorb heat and release it to the surrounding earth via the fluid and the underground tank. This will significantly expand the benefits of the new underground tank.

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Description

Als Erdtank ausgebildeter Speisewasserbehälter für Wärmepumpen.
Die Erfindung betrifft einen als Erdtank ausgebildeten Speisewasserbehälter für Wärmepumpen eines Heizsystems, bei dem die Tankaußenseite mit einer Schicht aus wärmeisolierendem Material, insbesondere einem Hartschaum, versehen ist.
Es ist bekannt, bei Heizsystemen mit Wärmepumpe das Speisewasser der Wärmepumpe zur Aufwärmung über einen Wärmetauscher oder direkt in einen Solarkreis zu führen. Das aufgewärmte Wasser kann der Wärmepumpe direkt zugeführt werden. Zur Erhöhung der Wärmekapazität und Heisungsdauer wird jedoch überschüssiges aufgewärmtes Wasser in einen Speisewasserbehälter geleitet, aus dem die Wärmepumpe bei Bedarf ansaugen kann. Zur Einsparung von Wasser wird das Fluid der Wärmepumpe in der Regel in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Wenn nachfolgend von "Wasser" die Rede ist, so ist jedes als Wärmeträger geeignete Pluid gemeint, also mit Zusatzstoffen versetztes Wasser oder Kältemittel oder andere bekannte Pluids.
Es ist bekannt, das Speisefluid der Wärmepumpe über andere, insbesondere natürliche Wärmequellen, als die Sonneneinstrahlung anzuwärmen. So hat man bereits großflächige Rohrschlangen in genügender Tiefe im Erdreich verlegt, um so der Wärmepumpe die Erdwärme zuzuführen. Das Rücklauffluid der Wärmepumpe wird dem im Erdreich verlegten Rohrsystem zur Wiederaufwärmung zugeleitet. Es sind auch bereits Hybrid-Systeme bekannt, bei denen die Wärmepumpe Wärme aus verschiedenen natürlichen Wärmequellen und ggf. auch aus einer Zusatzheizung entnehmen kann, wobei eine automatische Einrichtung den Speisekreis von dem einen Wärmeträger auf den anderen umschaltet oder beide kombiniert. In der Erdwärme steht zwar eine unbegrenzte Wärmemenge zur Verfügung. Für die praktische Anwendung, insbesondere für private Heizzwecke, sind jedoch große freiliegende Flächen erforderlich, die zum Einlegen der RohrSysteme in den Erdboden benötigt werden. Zum nachträglichen Verlegen solcher Rohrschlangen müssen bestehende Gartenanlagen oder Kulturen vernichtet werden. Es kommt hinzu, daß bei einer großflächigen Anordnung trotz ausreichend tiefer Verlegung die Gefahr von Frostschäden in sehr harten Wintern besteht, wobei zu be achten ist, daß das Rücklaufwasser von der Wärmepumpe stark abgekühlt ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Speisewasserbehälter der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß diese ohne die bisherigen üblichen Nachteile die Möglichkeit biete der Wärmepumpe auf einfache und billige Weise über, lange Zeiten und ohne Notwendigkeit einer Wartung.Erdwärme zuzuführen
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die wärmeisolierende Schicht des Erdtanks von einem fluiddurch- strömbaren Element umgeben ist und dieses Element von einem Mantel aus einem mechanisch widerstandsfähigen Material mit gutem Wärmeleitvermögen eingehüllt ist, wobei das vom Fluid durchströmte Element zwischen den Rücklauf der Wärmepumpe un den Speisewasserbehälter strömungsmäßig einschaltbar ist.
Der Speisewasserbehälter kann vorteilhafterweise und wie in üblichen Systemen zugleich als Vorratsbehälter für durch andere, insbesondere natürliche Wärmequellen, aufgewärmtes Speisefluid dienen. Dieses Fluid kann die Wärmepumpe als Speisefluid aus dem Speisewasserbehälter abziehen, um Heizzeiten zu überbrücken, in denen die natürliche Wärmequelle, z.B. aus einem Solarkreis, Wärme nicht oder nicht in ausreichender Menge zur Verfügung stellt.
Die Erfindung sieht nun vor, daß das Rücklaufwasser der Wärme- pumpe zunächst in innigen Wärmeübergangskontakt mit dem Erdreich gebracht wird, um Wärme aus dem Erdboden aufzunehmen. Danach wird das Rücklaufwasser in den Speisewasserbehälter zurückgeleitet. Dabei ist die Anordnung außerordentlich raumsparend und einfach ausgebildet, läßt sich fabrikmäßig vorfertigen und ohne flächenmäßig ausgedehnte Erdarbeiten in den Boden einbauen. Der Wärmekontakt des Rücklauffluids mit dem Erdboden erfolgt über den mechanischen Schutzmantel. Dieser stellt als guter Wärmeleiter den Wärmekontakt zwischen dem durchströmten Element und dem Erdreich sicher. Gleichzeitig schützt er den Speisewasserbehälter und das von dem Fluid durchströmte Element sowohl gegen mechanische Einwirkungen als auch gegen die chemischen und physikalischen Einflüsse des umgebenden Erdreiches. Insbesondere wird über den Schutzmantel die Last des Behälters auf das stützende Erdreich übertragen. Als sehr billiges und wirksames Material für den Schutzmantel hat sich Beton erwiesen, mit dem der Speisewasserbehälter, die darauf befindliche Isolierschicht und das bevorzugt als Rohrschlange oder Schlauchschlange gewickelte, von dem Fluid durchströmte Element eingebettet sind. Der Beton kann auf seiner Außenseite zusätzlich aufgerauht, wenigstens im äußeren Bereich porös ausgebildet oder mit Rippen versehen sein, um den Wärmeübergang zu erhöhen. Auch kann der Beton die Wärmeleitfähigkeit erhöhende Beimischungen aufweisen.
Das durchströmte Element kann aus Metall oder aus einem anderen ausreichend wärmeleitfähigen Material, wie Kunststoff, bestehen. Bevorzugt ist das Element als eine Lage von Schlauch- oder Rohrbündeln ausgebildet, wobei die Rohrwindungen eng auf den wärmeisolierenden Hartschaum aufgewickelt sind. Bei ausreichender Größe des Speisewasserbehälters und bei ausreichender Wicklungslänge kann sichergestellt werden, daß auch sehr kaltes Rücklaufwasser sich auf die durchschnittliche Erdtemperatur in frostsicherer Tiefe aufwärmt. Auf diese Weise kann Erdwärme in den Wärmekreislauf der Wärmepumpe auf einfache, vor allem aber auf raumsparende Weise eingeführt werden. Das Fluid in dem Speisewasserbehälter ist vorzugsweise mit einem Frostschutzmittel versehenes Wasser. Bevorzugt kann im Inneren dieser Wasserfüllung eine Mehrzahl von hermetisch abgeschlossenen Kleinbehältern, insbesondere in Kugelform, aus elastisch dehnbarem Material vorgesehen sein, welche in sich druckfest eine nicht gegen Frost geschützte Flüssigkeit, wie ohne Frost schutzmittel versehenes Wasser, enthalten. Durch diese Ausbil dung kann der Wärmeentzug aus dem Speisewasser unter Ausnutzung auch der beim Gefrieren des in den Kleinbehältern vorgesehenen Wassers erfolgen und so eine bessere Effektivität der Anordnung erzielt werden.
Die Maßnahmen nach der Erfindung sind für jede Art von als Erdtank ausgebildetenSpeisewasserbehältemgeeignet. Bevorzugt ist eine Behälterform, die eine hinreichend große Oberfläche zum Aufwickeln des durchströmbaren Elementes bietet. Bevorzugt sind langgestreckte zylindrische Behälter, da diese zugleich das Aufbringen des Hartschaumes, vor allem aber das Aufwickeln der Rohrschlangen wesentlich erleichtern. Die Rohrschlangen: können dabei maschinell auf den Hartschäum aufgewickelt werden. Der langgestreckte Behälter kann horizontal in den Erdboden eingebaut werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß bei ausreichender Länge und ausreichendem Fassungsvermögen die Baugrube nur eine begrenzte Tiefe aufzuweisen braucht. In vielen Fällen wird jedoch bevorzugt ein senkrechter Einbau des langgestreckten Behälters vorgenommen. Hierdurch wird zwar eine wesentlich größere Tiefe der Baugrube erforderlich, wobei jedoch die Querabmessungen der Baugrube im Bereich der Erdoberfläche sehr klein gehalten werden können, so daß diese Einbau art sich besonders zum nachträglichen Einbau des Erdtanks eignet.
In beiden Fällen kann es besonders vorteilhaft sein, wenn man den Speisewasserbehälter oder wenigstens Teile davon bis in den normalen Grundwasserbereich versenkt einbaut.
Als äußerer mechanischer Schutzmantel können statt Beton auch andere wärmeleitende und mechanisch feste Materialien verwendet werden. Beton hat sich aus Gründen der Festigkeit, des Wärmeleitvermögens, aufgrund der Möglichkeit der Einbringung von Beimischungen, aus Kostengründen und aus Gründen der hohen Widerstandsfähigkeit gegen physikalische und chemische Einflüsse im Erdboden als besonders geeignet erwiesen.
Wenn in einer bevorzugten Ausführungsform der langgestreckte Tank aufrechtstehend angeordnet und eingebaut wird, weist er bevorzugt an seinem unteren Ende einen vom Tankboden nach unten ragenden Standfuß auf. Dies hat den Vorteil, daß die Last des Behälters und seiner Ladung wesentlich zuverlässiger und unter Entlastung der Hartschaumschicht, der Rohrschlangen und des Mantels unmittelbar auf den stützenden Boden abgesetzt werden kann. Hinzu kommt, daß dadurch die Einbautiefe vergrößert werden kann, da der Standfuß in größere Tiefen des Erdbodens reicht. Dies bietet den Vorteil, daß man die Lage von durchströmten Elementen auch über den größeren Teil der Höhe des Standfußes vorsehen kann. Der senkrechte Einbau ermöglicht eine Baugrube von geringen Querabmessungen. Ohne Veränderung der Abmessungen des eigentlichen Behälters kann die Länge der Baueinheit über den Standfuß so beeinflußt werden, daß wenigstens der Standfuß bis in Bereiche des normalen Grundwasserstandes ragt. Außerdem erhält man über den Standfuß noch eine Möglichkeit, die Gesamtlänge und Kontaktfläche der durchströmten Elemente mit dem Erdboden wesentlich zu vergrößern. Diese Einbauart bietet somit bei engem Raum ein besonders hohes Wärmeaufnahmevermögen.
Zur Erleichterung des Einbaues läßt sich die stehende Einbau- einheit wenigstens im Bereich des Standfußes nach unten im Durchmesser konisch abnehmend ausgestalten, um so die verschalungsfreie Einbringung der Baugrube auch bei großer Einbautiefe und das leichte Einbringen der Einbaueinheit zu ermöglichen. Die Ausbildung des Fußbereiches bietet weiterhin die Möglichkeit, zwischen dem Fuß und dem eigentlichen Behälter wenigstens Teile der Rohrwindungen freiliegend anzuordnen, da sie in dem Zwischenraum zwischen Behälter und Fuß hinreichend geschützt untergebracht werden können. Dies ist natürlich nur möglich, wenn die Rohrschlange aus einem widerstandsfähigen Material besteht und nicht zu befürchten ist, daß durch das Grundwasser oder umliegende Erdreich eine Korrosion der Rohrschlange zu erwarten ist. Dabei können die Rohrschlangen in den verschiedenen Bereichen der Länge der Baueinheit in Form und Material unterschiedlich sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Abschnitt eines als Erdtank ausgebildeten hori zontal angeordneten Speisewasserbehälters gemäß der Erfindung mit den zugehörigen Einrichtungen und
Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch eine bevorzugte Ausführung des Erdtankes.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Solarkreis angedeutet, der stellvertretend für andere natürliche Wärmequellen über eine Zulaufleitung 5 und eine Speisewasserleitung 4 direkt oder mittelbar mit der Speisewasserzulaufleitung 7 bzw. der Speisewasser- rücklaufleitung 6 einer Wärmepumpe 2 verbunden ist. Diese ist über einen Motor 3 antreibbar. Zwischen dem Kreislauf der natürlichen Wärmequelle und dem Kreislauf der Wärmepumpe kann ein Wärmetauscher angeordnet sein. Statt Wasser kann jedes andere für diese Zwecke als Wärmeträger geeignete Fluid vorgesehen sein. Die LeitungsVerbindungen können durch Ventile 8 und 9 umschaltbar sein. An die Speiseleitung 7 der Wärmepumpe 2 ist eine Steigleitung 12 angeschlossen, die durch den eine Wärmeisolierung 15 aufweisenden Deckel 14 des Domes 13 eines im Erdreich ausreichend tief versenkt eingebauten Erdtanks 10 bis in das Innere des als Speisewasserbehälter ausgebildeten Erdtanks geführt ist. Die Wärmepumpe kann somit ihr Speise- fluid direkt aus der mit dem Solarsystem 1 verbundenen Leitung 4 oder direkt über die Steigleitung 12 aus dem Speisewasserbehälter 10 entnehmen. Statt mit der Speiseleitung 7 kann die Leitung 4 auch mit der in den Speisewasserbehälter ragenden Fülleitung 11 verbunden werden, so daß das im Solarsystem 1 erwärmte Fluid in dem Speisewasserbehälter 10 gespeichert und von der Wärmepumpe 2 über die Steigleitung 12 bei Bedarf entnommen werden kann.
Der Speisewasserbehälter 10 kann aus Metall oder Kunststoff bestehen. Er weist bevorzugt eine gegenüber seinem Durchmesser große Länge auf. Er ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig.1 mit seiner Achse horizontal angeordnet. Auf seiner Außenseite ist eine ausreichend dicke Schicht von beispielsweise 10 cm aus einem wärmeisolierenden Material, insbesondere Hartschaum, vorgesehen, der auf den Speisewasserbehältermantel direkt aufgeschäumt werden kann. Die Dicke ist so bemessen, daß die Wärmeverluste aus dem Speisewasserbehälter vernachlässigbar klein sind.
Unmittelbar auf die Außenseite der Hartschaumschicht 16 ist eine Lage aus von einem Fluid durchströmbaren Elementen angeordnet. Es kann sich hierbei um einen Ringmantel geringer Dicke handeln. Bevorzugt besteht die Lage jedoch aus auf die Hartschaumschicht 16 aufgewickelten Rohr- oder Schlauchbündeln 17. Diese können aus Metall oder aus einem hinreichend wärmeleitfähigen Kunststoff bestehen. Die Abmessungen der Rohre oder Schläuche und ihre Wicklungsdichte auf der Hartschaumschicht 16 sind so gewählt, daß eine optimale Wärmeaufnahme aus dem umliegenden Erdreich durch das durch die Elemente strömende Wärmeträgerfluid erfolgt .
Die auf den Hartschaum 16 aufgewickelten durchstrδmbaren Elemente sind einerseits über Leitung 19 mit dem Ventil 8 verbunden, so daß das Rücklauffluid aus der Leitung 6 der Wärmepumpe 2 direkt in die durchströmbaren Elemente 17 eingeleitet werden kann. Das andere Ende der durchströmbaren Elemente 17 ist über Stichleitung 20 an die Fülleitung 11 angeschlossen, so daß das Rücklauffluid nach Aufnahme der Erdwärme in den Speisewassertank einlaufen kann. Praktische Versuche haben ergeben, daß auch bei langen BetriebsZeiten der Wärmepumpe 2 und stark abgesenkter Temperatur des Rücklauffluids in der Leitung 6 der Wärmepumpe das Fluid sich beim Durchströmen der Elemente 17 bis nahe an die mittlere Umgebungstemperatur des Erdreiches erwärmt. Dadurch erfolgt während der entsprechenden Schaltung des Speisefluidkreises eine ständige Zuführung von Erdwärme in den Speisewassertank, aus dem die Wärmepumpe diese Wärme nutzbringend entnehmen kann.
Wesentlich für einen störungsfreien Betrieb über jahrelange Nutzungszeiten ist, daß die vom Fluid durchströmbaren Elemente gegen jede mechanische, chemis.che oder physikalische Beeinflussung geschützt werden. Hierzu dient ein äußerer Schutzmantel 18 aus mechanisch festem und ausreichend wärmeleitfähigem Material. Der Mantel kann aus Kunststoff bestehen, sofern durch entsprechende Maßnahmen, z.B. eine gewisse Porosität, für ein ausreichendes Wärmeleitvermögen Sorge getragen ist. Bevorzugt besteht jedoch der Mantel 18 aus einem Beton. Diesem können Füllstoffe zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit zugemischt sein. Auch kann der Beton zur Aufnahme einer gewissen Feuchtigkeit porös ausgebildet sein. Auch kann zur Vergrößerung der äußeren Umfangsfläche die Außenfläche aufgerauht oder mit Rippen oder dgl. versehen sein.
Der beschriebene Speisewasserbehälter kann in der dargestellten Form fabrikmäßig vorgefertigt und leicht als Einheit ausreichend tief in das Erdreich versenkt eingebaut werden, wobei die dafür erforderliche Baugrube nur relativ geringe Flächenausdehnung aufweist. Ein Einbau bis in eine dem normalen Grundwasserbereich entsprechende Tiefe kann besonders vorteilhaft sein. Um auch die beim Gefrieren von Wasser freiwerdende Wärme über die Wärmepumpe nutzbar machen zu können, kann der Speisewasserbehälter mit einem mit Frostschutzmittel versehenen Wasser gefüllt sein und in diese Füllung eine Mehrzahl von kleinen Behältern 25, insbesondere in Kugelform, eingelegt sein. Diese Kleinbehälter sind mit Wasser ohne Frostschutzmittel gefüllt und hermetisch und druckfest und ggf. elastisch dehnbar ausgebildet, so daß der Wärmeentzug aus dem Speisewasserbehälter bis unter den Gefrierpunkt erfolgen kann.
Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Erdtanks in Form einer Baueinheit, die fabrikmäßig vorgefertigt und in eine Baugrube abgesenkt werden kann. Die Einheit ist mit 101 bezeichnet. Der langgestreckte Speisewasserbehälter 102 ist bei diesem Ausführungsbeispiel aufrechtstehend angeordnet und eingebaut. Durch den oberen Behälterdeckel sind alle erforderlichen Anschlüsse, von denen nur einer gezeigt ist, in das Innere des Behälters geführt. Hierzu gehören auch ggf. Leitungen für Überwachungsgeräte. In der Darstellung ist nur die Fülleitung 111 gezeigt, die mit der an die Wärmepumpe angeschlossenen Rücklaufleitung 107 verbunden ist. An den geschlossenen Boden des Speisewasserbehälters 102 ist ein Fußabschnitt von merklicher Höhe angeschlossen. Dieser kann im dargestellten Beispiel aus einem an den Boden des Speisewasserbehälters angeschweißten Zylinder 104 bestehen, der an seinem unteren freien Ende einen Standteller 105 aufweist. Der Speisewasserbehälter ist durchgehend über eine Hartschaumschicht 103 nach außen wärmeisoliert. Auf diese Hartschaumschicht 103 ist eine Rohrwicklung 108 mit relativ engen Windungen aufgewickelt. Alle Rohrwindungen sind nur in der rechten Hälfte der Figur im Schnitt angedeutet. Diese Rohrwindungen sind am oberen Ende des Speisewasserbehälters mit der Rücklaufleitung 7 der Wärmepumpe verbunden. Die Rohrwindungen setzen sich im Bereich des Fußabschnittes in Form einer dichten Windungspackung 109 fort. Diese nimmt bevorzugt den gesamten freibleibenden Raum zwischen dem Boden des Behälters und dern Standteller 105 ein. Das untere Ende dieser Windungen ist mit wenigen Windungen 110 großer Steigung wieder nach oben geführt und mit der Fülleitung 111 des Speisewasserbehälters verbunden.
Die Höhe 116 des Standfußes 106 ist in Abhängigkeit von der Einbautiefe 114 der Oberseite der Einbaueinheit 101 unter der Erdoberfläche und in Abhängigkeit von der Höhe 115 des eigent- lichen Speisewasserbehälters so bemessen, daß beim Einbau in eine Baugrube der Fußbereich nach Möglichkeit bis in das übliche Grundwasser ragt. Mit 117 ist die die Baueinheit abstützende Erdbodenschicht bezeichnet.
Wenigstens über die Höhe des Speisewasserbehälters sind die Rohrwindungen in einen Mantel 105 aus mechanisch widerstandsfähigem Material eingebettet. Wenn dieser Mantel aus Beton besteht, kann dieser eine Dicke von etwa 15.cm aufweisen. Bei entsprechend günstigen Verhältnissen und entsprechender Materialwahl können die Rohrwindungen 109 im Fußbereich freiliegend angeordnet sein, so daß sie in freiem Kontakt mit dem Grundwasser stehen. Eine mechanische Beanspruchung der Leitungen 109 in diesem Bereich ist nicht zu befürchten, da sie geschützt in dem Ringraüm zwischen dem Boden des Behälters und dem Standteller angeordnet sind. Aus Gründen langer Betriebs zeiten ohne Wartung ist es jedoch empfehlenswert, auch die Rohrwindungen 109 in einen Betonmantel 125 oder dgl. einzubetten. Wenn der Standfuß bis in das Grundwasser ragt,kann es vorteilhaft sein, diesen für das Grundwasser durchlässig zu gestalten. Zu diesem Zweck können in dem Fußabschnitt Fenster oder Kanäle 112 vorgesehen sein, die mit einer zentralen Öffnung 113 des Fußes in StrδmungsVerbindung stehen. Statt der Rohrleitungen 109 im Fußabschnitt können auch andere durchstrδmbare Elemente oder Kammerabschnitte im Fußabschnitt vorgesehen sein.
Die stehende Anordnung nach Fig. 2 bietet den Vorteil großer Einbautiefe bei geringen Flächenausdehnungen der zum Einbau erforderlichen Baugrube. Die Ausführungsform eignet sich daher ganz besonders für den nachträglichen Einbau, bei dem auf der Erdoberfläche bestehende Anlagen, wie Gartenanlagen, Kulturen oder dgl., nur wenig in Mitleidenschaft gezogen werden. Um das Einbauen weiter zu erleichtern, ist der Fußabschnitt 106 nach unten konisch verjüngend ausgebildet. Es kann auch die ganze Baueinheit einschl. des Speisewasserbehälters 102 sich nach unten verjüngend ausgebildet sein.
Die beschriebene Anordnung nach Fig. 1 oder 2 kann wahlweise auch zum Kühlen von Räumen im Sommer verwendet werden. Zu diesem Zweck kann die beschriebene Anordnung, bestehend aus Speisewasserbehälter und auf diesem aufgewickelten Rohr- schlargen, direkt an ein nicht dargestelltes, in kalten Zeiten über die Wärmepumpe mit Wärme versorgtes .Heizsystem angeschlossen werden, so daß das übliche Heizsystem in heißen Zeiten aus den Räumen Wärme aufnehmen und über das Fluid und den Erdtank an das umliegende Erdreich abgeben kann. Dadurch läßt sich der Nutzen des neuen Erdtanks wesentlich erweitern.

Claims

Ansprüche
1. Als Erdtank ausgebildeter Speisewasserbehälter für Wärmepumpen eines Heizsystems, insbesondere für Wohnzwecke, bei dem die Tankaußenseite mit einer Schicht aus einem wärmeisolierenden Material, insbesondere einem Hartschaum, ver sehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf die wärmeisolierende Schicht (16) des Erdtanks ein von einem Fluid durchströmbares Element (17) einer Wärmeaufnahme-Einrichtung aufgebracht und dieses von einem Mantel (18) aus einem mechanisch widerstandsfähigen Material mit gutem Wärmeleitvermögen eingehüllt ist, wobei das vom Fluid durchstrδmbare Element (17) strömungsmäßig zwischen Rücklauf (6,19) der Wärmepumpe (2) und dem Erdtank (10) einschaltbar ist.
2. Speisewasserbehälter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf die Schicht (16) eine oder mehrere von dem Fluid durchstrδmbare Lagen einer Rohr- oder Schlauchwindung (17) aufgewickelt sind.
3« Speisewasserbehälter nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das vom Fluid durchströmte Element (17) von einem Betonmantel (18) umschlossen ist.
4. Speisewasserbehälter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das von dem Fluid durchströmbare Element (17) wahlweise an den Wärmepumpenrücklauf (6,19) anschließbar ist.
5. Speisewasserbehälter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Füllraum des Behälters mit einem gegen Ge frieren geschützten Speisefluid und mehreren in diesem ein- gebetteten abgeschlossenen Kleinbehältern (25) gefüllt ist, in denen eine gefrierbare Flüssigkeit vorgesehen ist.
6. Speisewasserbehälter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der langgestreckte Tank (102) aufrechtstehend angeordnet und an seinem unteren Ende mit einem vom Tankboden nach unten ragenden Standfuß (106) versehen ist, wobei die Lage von durchströmbaren Elementen (108) vorzugsweise auch über den größeren Teil der Höhe (116) des Standfußes reicht.
7. Speisewasserbehälter nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Standfuß (106) für eine Durchströmung von Grundwasser oder dgl. durchbrochen (112,113) ausgebildet ist.
8. Speisewasserbehälter nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Rohrwindungen oder dgl. im Fußabschnitt von außen durch das Grundwasser frei anströmbar angeordnet sind.
9. Speisewasserbehälter nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Fußabschnitt einen Mantel aus mechanisch widerstandsfähigem Material aufweist, in dem Durchbrechungen oder Fenster (112,113) vorgesehen sind.
10. Speisewasserbehälter nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die durchströmbaren Elemente von dem Fußabschnitt (106) aus in dem Mantel (105) zum Deckenabschnitt (103) zurückgeführt und dort mit der Tankfüllleitung (111) verbunden sind.
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