WO2015044142A1

WO2015044142A1 - Speichersonde mit vermischungskörpern

Info

Publication number: WO2015044142A1
Application number: PCT/EP2014/070261
Authority: WO
Inventors: Anton Ledwon
Original assignee: Dynamic Blue Holding Gmbh
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2015-04-02
Also published as: DE102014113750B4; KR20160060049A; CN105579786A; DE102014113750A1; CA2919746A1; CN105579786B; US10113773B2; ZA201601083B; CA2919746C; EP3049735A1; JP2016537598A; US20160195304A1; HK1221500A1; CL2016000598A1

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.