CH715338A2 - Erdwärmeabsorber sowie Verfahren zur Herstellung desselben. - Google Patents

Abstract

Der erfindungsgemässe Erdwärmeabsorber enthält zumindest ein Modul (1), der als eine vorgefertigte und anschlussfertige Einheit ausgeführt ist. Der Modul (1) weist vorzugsweise einen zylinderförmigen Grundkörper (11) auf, der so ausgeführt ist, dass er mit Wasser gefüllt werden kann. Im zylinderförmigen Grundkörper (11) ist ein fluidbeaufschlagbarer Wärmeaustauscher (20) angeordnet. Ein Schlauch bildet den Grundkörper dieses Wärmeaustauschers (20), der zu einer Wendel (21) geformt ist. Die aussen liegenden Flächen der Wendel (21) liegen an der Innenfläche (6) des zylinderförmigen Grundkörpers (11) des Moduls (1) an. Der Modul weist Wasseranschlüsse (4, 5) auf. Der Wärmeaustauscher weist auch L-förmige Anschlussvorrichtungen (23, 24) für ein Fluid auf, deren Teile durch die Wände des Moduls (1) hindurchgehen.

Description

[0001] Die vorliegenden Erfindung betrifft einen Erdwärmeabsorber sowie Verfahren zur Herstellung desselben.

[0002] 1. Im Stand der Technik werden die folgenden Einrichtungen und Methoden zur Gewinnung von Energie aus oberflächennahem Erdreich angewendet.

1.1 Flächenkollektoren:

[0003] Es handelt sich um die Gewinnung von Energie, die durch Einstrahlung der Sonne erneuert wird, wozu Rohregister-Absorber benutzt werden, die in 1,0 m bis 1,2 m Tiefe im Erdreich verlegt sind. Dabei ist eine flächenspezifische Entzugsleistung von 25 und 35 W/qm erzielbar.

1.2 Erdreich-Volumen-Kollektoren:

[0004] Es handelt sich um die Gewinnung von Energie, de durch Einstrahlung der Sonne erneuert wird. Die Erdreich-Volumen-Kollektoren nutzen die Wärme-Speicherkapazität entsprechend grosser Erdreichvolumina bzw. entsprechend grosser Erdreichmassen ab etwa 1,5 m Tiefe bei einer flächenspezifischen Entzugsleistung von etwa 140 W/qm.

1.3 Erdenergiesonden:

[0005] Die Energiegewinnung erfolgt durch Einbringung von Rohrsonden in Bohrungen mit der Tiefe bis zu 150 m, und zwar unter Erzielung einer Entzugsleistung, je nach Bodenbeschaffenheit von 35 bis 50 W je Bohrmeter mit einer Temperatur im Bereich von +5 bis +7 °C. Gewonnen wird die Energie dabei überwiegend aus dem Wärmereservoir tiefer liegende Erdreich-Formationen. Sie wird nur zu einem geringen Teil aus der Einstrahlung der Sonne und nur zu einem unbedeutend geringem Anteil aus dem «heissen» Erdinneren erneuert.

Unterscheidungsmerkmale der Energiegewinnung aus dem Erdreich:

[0006] Während die unter 1.1 und 1.2 genannten Systeme im Jahreszyklus durch Energie von der Sonne, in unseren Breiten mit einer etwa 1000 kWh pro Quadratmeter im Jahr, regeneriert werden, kann die unter 1.3 genannte Erdenergiesonde weit überwiegend die entzogen Energie nur aus der Tiefe schöpfen. Die nicht selten vorgetragene Erklärung, die entzogene Energie würde aus dem heissen Erdinneren nachgeliefert und entstünde auch teilweise neu durch natürlichen radioaktiven Zerfall der Isotope Kalium, Thorium und Uran, ist unzutreffend, wenn nicht sogar ein bewusster «Bluff». Das «heisse Erdinnere» liefert nur einen Wärmezustrom von 0,07 W/qm, bedeutungslos selbst im Vergleich mit der Wärmeabgabe des menschlichen Körpers, die pro Quadrat-Meter Hautoberfläche (die beträgt etwa 1,73 qm) im Ruhezustand bereits etwa 100 W abgibt, d.h. flächenspezifisch mehr als das 800fache des Wärmestromes aus der Grundfläche durch das heisse Erdinnere.

[0007] Tatsächlich schöpft die Erdenergiesonde aus einem grossen Wärmereservoir, das durch Wärmegewinnung langsam abgekühlt wird, je nach Sondenlänge und örtlichen Verhältnissen. Gemessen wurden Abkühlungen von 4 K in 16 Jahren. Die typische Abkühlung liegt bei 0,14 K pro Jahr bzw. 7 K in 50 Jahren. Einen anschaulichen Nachweis dafür, dass die Theorie von der Wärmezufuhr aus dem Erdinneren unzutreffend ist, liefert die Tiefsee, wo die Wassertemperatur mit zunehmender Tiefe nicht ansteigt, wie zu erwarten wäre, sondern absinkt, von +5 °C in etwa 1.000 m Tiefe auf nahe 0 °C in 10.000 m Tiefe, da wo das Wasser nach der genannten Theorie sehr heiss sein sollte. Aus diesem Grunde empfehlen seriöse Berater eine regelmässige Regeneration der Erdenergiesonde durch Umkehrbetrieb, wozu sich der Kühlbetrieb unter Nutzung des Fussbodenflächenheizsystems anbietet. Möglich ist auch die Einleitung von Wärme aus Solarkollektoren. Dieses Verfahren ruft jedoch immer einen zusätzliche Aufwand an elektrischer Energie hervor.

2. Wärmegewinnung aus oberflächennahem Erdreich entsprechend der unter 1.2 genannten Methode:

[0008] 2.1 Stand der Technik ist dabei die Anordnung von Erdabsorberplatten vertikal im Erdreich mit einer Erdreichüberdeckung von ca. 1,2 m. Die dabei erzielbare grundflächenspezifische Entzugsleistung beträgt etwa 140 W/qm bei etwa 160 W/qm, bezogen auf die Absorberfläche. Genannt werden von den Anbietern Fluidtemperaturen, die nach einer Stunde Betriebszeit im Mittelwert 5,5 K unter der jeweiligen Erdreichtemperatur liegen. Ausgehend von der tiefsten Temperatur in genannter Tiefe von +6 °C im Februar entspräche das einer mittleren Fluidtemperatur von +0,5 °C.

[0009] Erdabsorberplatten haben mit ca. 18l/kW den geringsten Bedarf an Kälteträgerfluid, der noch in vertretbaren Grenzen liegt. Plattenförmige Erdabsorber müssen zur «Erfassung» der beidseitig anliegenden Erdreichmasse und wegen der Entlüftungsmöglichkeit senkrecht im Erdreich angeordnet sein. Die Plattenelemente müssen auf der Baustelle unter «Tiefbaubedingungen» durch «Fusionsschweissung» zu Kollektoreinheiten verbunden werden, was bei niedrigen Aussentemperaturen unzulässig ist. Behindernd ist ferner, dass die Schweissverbindungen erst 30 Minuten nach Ausführung mechanisch belastbar sind. Die Gewährleistung der Hersteller von 10 Jahren ist gemessen an der Lebenserwartung eines Gebäudes unzureichend.

[0010] 2.2 Erdenergiekörbe sind im Erdreich vertikal angeordnet. Die Erdüberdeckung liegt bei 1,5 m. Sie sind in einem Raster von 4 m angeordnet, wobei die Höhe 2 m beträgt. Der Aussendurchmesser liegt bei 0,5 m. Der Erdenergiekorb besteht beispielsweise aus einem wendeiförmig, zylindrisch angeordnetem Rohr aus PE mit den Dimensionen 25 × 2,5 mm. Die Wendel weist eine gestreckte Rohrlänge von 55 m auf. Der Bedarf an Kälteträgerfluid liegt relativ hoch, und zwar bei ca. 35 I/kW. Gemessen wurden Entzugsleistungen von 500 W/Korb. Bei dem geforderten Verlegeraster von 4 m ergibt sich eine Flächenspezifische Entzugsleistung von ca. 40 W/qm bei einer Fluidtemperatur von –3 °C/0 °C. Demzufolge ist für Erdenergiekörbe keine grosse Marktchance zu erwarten.

[0011] 2.3 Koaxial-Erdsonden: Bei Koaxialerdenergiesonden handelt es sich um «Rohr in Rohr-Sonden», die zur Anordnung in senkrechten Erdbohrungen von bis zu 60 Meter Tiefe bestimmt sind. Diese Sonden bestehen aus einem PE-Rohr mit einem Aussendurchmesser von 140 mm. Solche Sonden haben eine Länge bis zu 60 m. Diese Sonden werden mantelseitig von oben nach unten vom Wärmeträgerfluid durchströmt. Das Fluid wird über ein in der Sonde konzentrisch angeordnetes Rohr nach oben zurückgeführt, was einen gewissen thermischem Kurzschluss unvermeidbar macht, zumal die Sondenmodule bis zu 60 m lang in Serien geschaltet sind. Die Sonden sind erhältlich mit der Länge von 15 m oder 30 m. Diese Längen machen den vollständigen Zusammenbau der Sonden in senkrechter Position auf der Baustelle erforderlich, wobei entsprechende Hebezeuge bereitzustellen sind. Das Verschweissen kann und darf nur durch geschulte, zertifizierte Fachkräfte ausgeführt werden.

[0012] Die Füllung der Sonden beträgt nach Herstellerangabe 13,5 l/m. Aus dieser Füllmenge errechnet sich ein Bedarf an Wärmeträgerfluid von 193I/kW. Die Kosten für die vorgesehenen «Bio-Wärmeträgerflüssigkeit» dürften sich im Bereich von 1,20 €/l entsprechend 232.– €/kW Entzugsleistung bewegen. Die erzielbare Wärmeentzugsleistung liegt etwa um Faktor 1,5 bis 1,7 über der einer Erdenergiesonde. Die leistungsbezogenen Erstellungskosten dürften unter denen für die Erstellung von Erdsonden liegen. Anzunehmen ist auch, dass bei ausreichendem Abstand der Sonden die Regeneration im Jahreszyklus von oben her erfolgen kann. Die beim genannten Volumen erzielbare Wärmespeicherfähigkeit beträgt entsprechend dem genannten Fluidinhalt 0,016 W/m K. Die erzielbare Entzugsleitung von 70 W/m liegt etwa um Faktor 1,5 über der einer Erdsonde.

[0013] Ein wichtiges Kriterium dürfte der Abstand der Sonden zueinander sein, und zwar unter Berücksichtigung des Umstandes, dass die gewonnene Energie von oben im Laufe des Jahres zu regenerieren ist. Dies dürfte einen Mindestabstand von ca. 2,5 m bei einer 30m-Sonde erfordern. Die Vorteile der GeoCox-Sonden sind nicht erkennbar. Der geologische Gutachter Lichtenberger, s. Hompage Lichtenberger, bestätigt nur 50 bis 60 W/m, wobei 70 W/m (= 160 W/qm) erzielbar sein dürfte. Wohlmöglich resultiert ein gewisser Verlust aus dem inneren thermischen Kurzschluss infolge der vom Hersteller genannten möglichen Reihenschaltung der Sonden von bis zu 60 m.

3. Volumenkollektor

[0014] Das unter 2. Beschriebene Prinzip des «Volumenkollektors» gewinnt in jedem Falle an wirtschaftlicher Bedeutung. Infolge abnehmendem spezifischem Wärmebedarf neu errichteter Gebäude, die der Wärmeschutzverordnung entsprechend einem spezifischen Wärmebedarf von 40 W/qm gedämmt sein müssen, was zu einem Bedarf an Entzugsfläche im Verhältnis von 1: 4 gegenüber der Gebäudenutzfläche führt. Bei Niedrigenergiehäusern genügt bereits ein Verhältnis von 1: 8. Eine derart geringe Entzugsfläche ist bei vielen Bauvorhaben verfügbar und ermöglicht es, bisherige Lösungen der Erdwärmegewinnung kostengünstiger zu ersetzen. Das genannte Prinzip kommt auch zum Einsatz in den nicht seltenen Fällen, in denen Erdenergiesonden nicht ausführbar sind bzw. nicht genehmigt werden. Beim genannten Prinzip werden grossflächige Erdabsorber erforderlich sein, was beim Stand der Technik hinsichtlich der erforderlichen Füllmenge an kostenaufwendigem Kälteträgerfluid (volkstümlich «Sole») am wirtschaftlichsten durch plattenförmigen Absorber erzielt werden kann. Der plattenförmige Absorber begnügt sich im Gegensatz zur Koaxialsonde mit einer Fluidmenge von ca. 18 l/kW statt 193 I/kW. Schon alleine wegen der geringeren erforderlichen Füllmenge an Wärmeträgerfluid dürfte der Einsatz von plattenförmigen Wärmeaustauschern derzeit bessere Marktschanzen erzielen.

[0015] Bei allen Einrichtungen und Methoden des Standes der Technik ist die Wärmeentzugsleistung verhältnismässig niedrig, sie weisen ungenügende Wirtschaftlichkeit auf und die gewonnene Energie wird auf einem niedrigen und demzufolge wenig effizienten Temperaturniveau für die Wärmepumpe bereitgestellt.

[0016] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, diese sowie noch weitere Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.

[0017] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss so gelöst, wie dies im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definiert ist.

[0018] Die genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren gelöst, welches im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 13 definiert ist.

[0019] Nachstehend werden Ausführungsformen des vorliegenden Erdwärmeabsorbers anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: <tb>Fig. 1<SEP>in einer Seitenansicht und schematisch den vorliegenden Erdwärmeabsorber, <tb>Fig. 2<SEP>in einer Axialansicht eine der Endpartien des Erdwärmeabsorbers nach Fig. 1 , <tb>Fig. 3<SEP>in einer Draufsicht die in Fig. 2 abgebildete Endpartie des Erdwärmeabsorbers, und <tb>Fig. 4<SEP>in einer Seitenansicht eine weitere Ausführung des Erdwärmeabsorbers.

[0020] Der Erdwärmeabsorber enthält zumindest einen Modul 1, welcher als eine vorgefertigte und anschlussfertige Einheit ausgeführt ist. Der Modul 1 weist einen zylinderförmigen Grundkörper 11 auf, der so ausgeführt ist, dass er mit Wasser gefüllt werden kann. Der Modul 1 umfasst ferner einen fluidbeaufschlagbaren Wärmeaustauscher 20, der im zylinderförmigen Grundkörper 11 des Moduls 1 untergebracht ist. Der Grundkörper 11 des Moduls 1 ist mit Abschlussmitteln 2 und 3 versehen, von welchen je eines einer der Endpartien 12 bzw. 13 des zylinderförmigen Grundkörpers 11 des Moduls 1 wasserdicht zugeordnet ist. Der Grundkörper 11 des Moduls 1 ist ferner mit Anschlussstutzen 4, 5 versehen, von welchen sich je einer in einem der Endbereiche 12 bzw. 13 des zylinderförmigen Grundkörpers 11 des Moduls 1 befindet. Die Anschlussstutzen 4 und 5 stehen von der Oberseite des zylinderförmigen Grundkörpers 11 des Moduls 1 ab. An diese Anschlussstutzen 4 und 5 sind Abschnitte einer Wasserversorgungsleitung 7 anschliessbar.

[0021] Das jeweilige Abschlussmittel 2 bzw. 3 ist plattenähnlich ausgeführt, wobei je eines dieser Abschlussmittel 2 bzw. 3 einer der Endpartien 12 bzw. 13 des zylinderförmigen Grundkörpers 11 des Moduls 1 wasserdicht zugeordnet ist. Das jeweilige Abschlussmittel 2 bzw. 3 ist im dargestellten Fall als ein Deckel ausgeführt, der eine der Endpartien 12 bzw. 13 des zylinderförmigen Grundkörpers 11 des Moduls 1 übergreift. Das Abschlussmittel 2 bzw. 3 hat einen plattenähnlichen Grundkörper 48 mit einer kreisförmig verlaufenden Umlaufskante. An diese Kante schliesst sich ein ringförmiger Kragen 49 an. Zweckmässigerweise ist der Randbereich der Endpartie 13 bzw. 14 des zylinderförmigen Grundkörpers 11 des Moduls 1 mit einem Aussengewinde versehen. Die Innenfläche des ringförmigem Kragens 49 ist mit einem entsprechenden Gegengewinde versehen. So kann der Deckel 2 bzw. 3 auf eine der Endpartien 12 bzw. 13 des zylinderförmigen Grundkörpers 11 des Moduls 1 aufgeschraubt werden.

[0022] Der Wärmeaustauscher 20 umfasst eine Wendel 21, welche zweckmässigerweise aus einem Schlauch, z.B. aus einem Kunststoffschlauch ist. Die aussen liegenden Flächen der Windungen 22 der Wendel 21 liegen an der Innenfläche 6 des zylinderförmigen Grundkörpers 11 des Moduls 1 an. Der Wärmeaustauscher 20 umfasst ferner Anschlussvorrichtungen 23 und 24, mit deren Hilfe die Wendel 21 über Fluidleitungen 25 und 26 (Fig. 2 und 3 ) an eine Wärmepumpe (nicht dargestellt) anschliessbar ist. Ein Teil der jeweiligen Anschlussvorrichtung 23 bzw. 24 geht durch eines der Abschlussmittel 2 bzw. 3 am Grundkörper 11 des Moduls 1 wasserdicht hindurch.

[0023] Die jeweilige Anschlussvorrichtung 23 bzw. 24 ist als ein Rohr-Formstück ausgeführt. Dieses Rohrstück hat einen etwa L-förmigen Grundkörper. Das freie Ende eines der Schenkel 27 der L-förmigen Anschlussvorrichtung 23 bzw. 24 ist an eines der Enden der Wendel 21 fluidmässig angeschlossen. Der andere Schenkel 28 der L-förmigen Anschlussvorrichtung 23 bzw. 24 geht durch einen der Abschlussmittel 2 bzw. 3 des Modulgrundkörpers 11 flüssigkeitsdicht hindurch. Das freie Ende der zweiten Schenkel 28 der L förmigen Anschlussvorrichtung 23 bzw. 24 ist an das Ende eines der Abschnitte der Fluidleitungen 25 und 26 anschliessbar. 23 bzw. 24 kann auch bogenförmig sein.

[0024] Der Wärmeaustauscher 20 umfasst auch ein Umgehungsstück 30. Der Hauptteil 31 dieses Umgehungsstücks 30 ist als ein Rohrabschnitt ausgeführt. Dieser Rohrabschnitt 31 verläuft praktisch parallel zur Längsachse A der Wendel 21. Im dargestellten Fall verläuft der Rohrabschnitt 31 des Umgehungsstückes 30 ausserhalb des Modulgrundkörpers 11. Das Umgehungsstück 30 umfasst ferner ein praktisch U-förmiges Kniestück 32, welches ebenfalls als ein Rohrstück ausgeführt ist. Das freie Ende eines der U-Schenkel 33 des Kniestücks 32 ist an die freie Endpartie des zweiten Schenkels 28 der ersten Anschlussvorrichtung 23 fluidmässig angeschlossen. Das freie Ende des zweiten U-Schenkels 34 des Kniestücks 32 ist an die erste Endpartie 35 des Rohrabschnittes 31 des Umgehungsstücks 30 fluidmässig angeschlossen. Dieses freie Ende des zweiten U-Schenkels 34 des Kniestücks 32 ist mit der ersten Endpartie 35 des Umgehungsstücks 30 zweckmässigerweise einstückig. Die andere Endpartien 36 des Umgehungsrohrstücks 30 liegt neben der zweiten Anschlussvorrichtung 24. Einer der Abschnitte 26 der Fluidleitung 25 ist an diese zweite Endpartien 36 des Umgehungsrohrstücks 30 angeschlossen.

[0025] Der zylinderförmige Grundkörper 11 des Moduls 1 kann eine beträchtliche Länge aufweisen. Dieser zylinderförmige Grundkörper 11 kann beispielweise 3m bzw. 6m lang sein. Beispielweise aus transporttechnischen Gründen kann es zweckmässig sein, dass der zylinderförmige Grundkörpers 11 des Moduls 1 aus zumindest zwei Abschnitten 8 und 9 besteht. Diese Abschnitte 8 und 9 sind mit Hilfe einer Muffe 10 miteinander verbunden. Eine solche Verbindungsstelle ist in Fig.  1 etwa in der Mitte der Länge des zylinderförmigen Grundkörpers 11 des Moduls 1 dargestellt. Die stumpf aneinander an-stossenden Endpartien 14 und 15 der Grundkörperabschnitte 8 und 9 sind mit Aussengewinde versehen. Die Innenfläche der Muffe 10 weist ein entsprechendes Innengewinde auf. Mittels der Gewindemuffe 10 können die Grundkörperabschnitte 8 und 9 miteinander verbunden sein. Die Länge der Wendel 21 muss in einem solchen Fall ebenfalls zweitgeteilt werden. Diese zwei Teile der Wendel 21 sind mit Hilfe einer weiteren Muffe 19 miteinander verbunden.

[0026] Es ist zumindest eine Platte 40 vorgesehen, welche zur Führung und Stabilisierung der Module 1 im Erdreich 18 (Fig.  2 und  3 ). bestimmt ist. Diese Führungsplatte 40 weist einen Grundkörper 41 auf. Im Grundkörper 41 der Führungsplatte 40 ist eine Öffnung 42 ausgeführt ist. Der Durchmesser dieser Hauptöffnung 42 ist so bemessen, dass der zylinderförmige Grundkörper 11 des Moduls 1 durch diese Öffnung 42 hindurchgeht. Die unten liegenden Eckpartien der Führungsplatte 40 weisen Abschrägungen 43 und 44 auf, welche von der Hauptöffnung 42 weg zusammenlaufen. Diese untere Partie der Führungsplatte 40 ist daher im Wesentlichen keilförmig. Der Grundkörper 41 der Führungsplatte 40 weist zusätzliche Öffnungen 45 und 46 auf, durch welche die Wasserleitung 7 und das Umgehungsrohrstück 30 hindurchgehen.

[0027] Der zylinderförmige Grundkörper 11 des Moduls 1 und der Wärmeaustauscher 20 sind zweckmässigerweise aus Kunststoff. Das Wasser im Modul 1 kann einen Zusatz enthalten, der zur Senkung des Gefrierpunktes von Wasser dient. Dieser Zusatz kann ein Frostschutzmittel bzw. ein Salz sein.

[0028] Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit des vorliegenden Erdwärmeaustauschers. Die Module 1 des Erdwärmeaustauschers werden zu einer Reihe hintereinander angeordnet und dieser linienförmige Satz aus Modulen 1 wird im Erdreich 18 schräg abwärts angeordnet. Die einzelnen Module 1 werden über ihre Anschlussvorrichtungen 23 und 24 in Serie geschaltet. Das Umgehungsrohrstück 30 führt vom zutiefst liegenden Modul 1 entlang dieser Reihe aus Modulen 1 schräg aufwärts.

[0029] In Fig. 3 ist noch eine weitere Möglichkeit für den Anschluss von mehreren Modulen 1 angedeutet. Aus Fig. 3 ist es unter anderem ersichtlich, dass die Fluidleitungen 25 und 26 beim teilweise abgebildeten Modul 1 nicht enden, sondern dass diese Fluidleitungen 25 und 26 nach links weiterführen. An diese Fortsetzungen der Fluidleitungen 25 und 26 können weitere Module 1 angeschlossen werden, die dann zum in Fig. 3 teilweise abgebildeten Modul 1 parallel liegen. Entsprechendes gilt auch für die Wasserleitungen 7.

[0030] Der Erdwärmeabsorbers wird in der Weise hergestellt, dass ein Schlauch, zweckmässigerweise ein Kunststoffschlauch, auf eine zylinderförmige Lehre aufgewickelt und dann so behandelt wird, dass er die Form einer Wendel dauerhaft behält. Der Durchmesser der zylinderförmigen Lehre ist so bemessen, dass der äussere Durchmesser der Wendel 21 nach der erwähnten Behandlung dem Durchmesse der Innenfläche 6 des zylinderförmigen Grundkörpers 11 des Moduls 1 entspricht. Die Wendel 21 wird gestreckt, damit ihr äusserer Durchmesser kleiner wird als der innere Durchmesser des zylinderförmigen Grundkörpers 11 des Moduls 1.

[0031] Die Wendel 21 wird in diesem gestreckten Zustand in den zylinderförmigen Grundkörper 11 des Moduls 1 eingeführt, wonach die Wendel von der Streckungskraft befreit wird. Jetzt liegen die äusseren Flächen der Windungen 22 der Wendel 21 an der Innenfläche 6 des zylinderförmigen Grundkörpers 11 des Moduls 1 an. Hiernach können die Abschlussmittel 2 und 3 dem Grundkörper 11 des Moduls 1 zugeordnet werden, und zwar unter der Durchführung der zweiten Schenkel 28 der Anschlussvorrichtungen 23 und 24 durch die Abschlussmittel 2 und 3. Dabei gehen die Anschlussvorrichtungen 23 und 24 des Wärmeaustauschers durch die Abschlussmittel 2 und 3 wasserdicht hindurch. Hiernach können die Abschnitte der Wasserleitung 7 und der Fluidleitungen 25 und 26 an den Modul 1 angeschlossen werden.

[0032] Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: <tb>Fig. 1<SEP>den länglichen Erdwärmeabsorber in einer Seitenansicht, <tb>Fig. 2<SEP>vergrössert einen Ausschnitt aus dem mittleren Bereich des länglichen Erdwärmeabsorbers, und <tb>Fig. 3<SEP>den Erdwärmeabsorber in einer axialen Ansicht.

[0033] Der in Fig. 1 dargestellte Absorber umfasst zumindest einen Modul 1, welcher einen rohrförmigen Grundkörper 11 aufweist. Die Enden dieses Grundkörpers 11 sind mit Hilfe von Deckeln 2 wasserdicht verschlossen. Dieser Grundkörper 11 ist zweckmässigerweise aus einem Kunststoff angefertigt, was auch für die Deckel 2 und 3 zutreffen kann. Im Bereich der Endpartien des Rohres 11 sind Anschlüsse 4 und 5 angebracht, welche vom Rohr 11 abstehen. Zweckmässigerweise stehen diese Stutzen 4 und 5 von einer bestimmten Stelle am Umfang des Rohres 11 ab. Im dargestellten Fall stehen die Stutzen 4 und 5 von der Oberseite des Rohres 11 ab, was das Befüllen des Absorbergrundkörpers 11 mit Wasser erleichtert. Die abstehenden Enden der Stutzen 4 und 5 lassen sich mittels Stopfen (nicht dargestellt) verschliessen. Der längliche Erdwärmeabsorber kann sich während seinem Betrieb in einer horizontalen Lage befinden, wie dies in den Zeichnungen dargestellt ist. Der Erdwärmeabsorber kann sich während seinem Betrieb jedoch auch in einer vertikalen Lage befinden.

[0034] Im Inneren des Absorbergrundkörpers 11 befindet sich eine Rohrvorrichtung 20. Diese Rohrvorrichtung 20 umfasst eine Wendel 21, welche sich praktisch über die ganze Länge des Absorbergrundkörpers 11 streckt. Diese Wendel 21 ist ebenfalls aus einem Kunststoff angefertigt. Im Bereich einer der Endpartien des Absorbergrundkörpers 11 weist die Wendel 21 einen Stutzen 22 auf, durch welchen ein Fluid in die Wendel 21 eingeführt oder aus dieser ausgeführt werden kann. An das gegenüberliegende Ende der Wendel 21 schliesst sich einerends ein Durchgangsrohr 23 an, welches durch die Wendel 21 hindurchgeht. Das andere Ende dieses Durchgangsrohres 23 trägt einen zweiten Stutzen 24, welcher etwa neben dem ersten Stutzen 22 liegt. Durch diesen Stutzen 24 kann das Fluid in die Wendel 21 eingeführt oder aus dieser ausgeführt werden. Die Stutzen 22 und 24 liegen im Bereich des rechts dargestellten Rohrdeckels 5. Die Fluidstutzen 22 und 24 gehen wasserdicht durch diesen zweiten Rohrdeckel 5 hindurch. Die ausserhalb des Rohres 1 liegenden Teile der Stutzen 22 und 24 sind an eine Wärmepumpe (nicht dargestellt) in einer an sich bekannten Weise anschliessbar.

[0035] In der Darstellung gemäss Fig. 1 ist der Absorber im Erdreich 10 versenkt, und zwar zum Beispiel etwa 1,5 m unter der Erdreichoberfläche. Diesem Bereich des Erdreiches 10 entnimmt der Absorber die Energie, d.h. Wärme. Die Wendel 21 steht mit dem Absorbergrundkörper 11 in einem innigen Wärmekontakt. Dieser Kontakt wird normalerweise durch das sich im Absorbergrundkörper 11 befindliche Wasser hergestellt. Fig. 2 zeigt den Fall, in dem die Temperatur im Bereich des Erdwärmeabsorbers unter Null Celsius fiel. Aus Fig. 2 ist es auch ersichtlich, dass die Abschnitte der Wendel 21, welche der Innenfläche 6 des Absorbergrundkörpers 11 am nächsten liegen, an der Innenfläche des Absorbergrundkörpers 11 anliegen. Nachdem die Temperatur unter Null Celsius sank, bilden sich in den Bereichen, wo die Aussenflächen der genannten Abschnitte der Wendel 21 an der Innenfläche 6 des Absorbergrundkörpers 11 Brücken 15 aus Eis. Eis weist eine Wärmeleitfähigkeit auf, welche noch besser ist, als die Wärmeleitfähigkeit von Wasser.

[0036] Fig. 3 zeigt den Erdwärmeabsorber in einer axialen Sicht, wobei sich der Erdwärmeabsorber in einer horizontalen Lage befindet. An der Aussenseite des Erdwärmeabsorbers sind abwärts gerichtete Keile 16 und 17 angebracht. Je ein Satz solcher Keile 16 bzw. 17 ist zu einer der Seiten des Erdwärmeabsorbers angebracht und gegebenenfalls am Absorber an Ort und Stelle befestigt. Zweckmässig ist es, wenn diese Keile entlang dem gesamten Erdwärmeabsorber angebracht sind.

[0037] Entgegen der Lösung mit Plattenelementen, die unter Tiefbaubedingungen untereinander zu verbinden sind, werden die Module 1 als werkmässig bzw. industriell hergestellten und geprüften Einheiten angeliefert, und zwar in 6m Länge. Die Länge der Module 1 wird durch die Transportmöglichkeiten eingeschränkt.

[0038] Die Module 1 sind in einer für die Wärmegewinnung unübertreffbar effizient wirksamen und grossflächig zylindrischen Geometrie ausgeführt, die sich bei gleichgrosser Entzugsfläche gegenüber den Platten dadurch auszeichnen, dass die für den Wärmeentzug erfasste «Erdreichvolumen» bzw. dessen Masse in quadratischer Funktion mit dem Abstand zum Entzugskörper zunimmt. Die Wärme kann radial zufliessen. Die Wärmestromdichte nimmt proportional zum Radius des rohrförmigen Grundkörpers 11 ab. Dadurch wird der Wärmeleitwiderstand verringert, und zwar im Gegensatz zum plattenförmigen Absorber, bei dem die Wärmestromdichte bei zunehmendem Abstand konstant bleibt und sich nur in horizontaler Richtung auswirkt.

[0039] Die Dimensionierung des Erdwärmeabsorbers betrifft zunächst seinen zylindrischen Grundkörper 11 mit dem Durchmesser von 250 mm und die Kollektoraussenfläche von 0,785 qm/m. Diese ist flächenmässig identisch mit einem beidseitig wirkendem plattenförmigem Absorber von 392 mm Höhe. Ferner geht es um die Entzugsleistung: 125 W/m bzw. 159,8 W/qm, = 0,75 kW/Modul von 6 m Länge. Der Verlegeraster beträgt min. 0,85 und die flächenspezifische Entzugsleistung liegt bei 147 W/qm.

[0040] Die sich bei der grösseren zylindrischen Geometrie ergebende Diskrepanz zwischen Inhalt und Oberfläche wird beim Erdwärmeabsorber dadurch ausgeschaltet, dass der Modul 1 auf der Innenseite mit der Rohrwendel 21 versehen ist, die auf ihrer gesamten Länge an der Innenwand 6 anliegt. Für die Rohrwendel 21 ist ein PE-Rohr mit den Dimensionen 16 × 2 mm, mit einem zulässigen Biegeradius von 5 d = 80 mm bzw. einen Biegedurchmesser von 160 mm vorgesehen. Bei der Herstellung des Moduls 1 wird das Fluidrohr 20 auf einen Zylinder mit max. 200 mm Durchmesser aufgewickelt, woraus sich ein Aussendurchmesser der Rohrwendel 21 von 232 mm ergibt. Dieser Wicke 21 wird auseinander gezogen und dann wird sie in diesem gespannten Zustand in das zylindrische Rohr 11 mit den standardisierten Abmessungen 250 × 7,7 mm, di = 234,6 mm mit 2,6 mm Untermass eingeschoben. Nach der Wegnahme der Spannung von der Wendel 21 wirkt sich die dadurch frei werdende elastische Rückstellkraft der Rohrwendel 21 so aus, dass sich die Aussenbezirke der Wendel an die Innenseite 6 des Rohres 11 anlehnen. Dadurch wird das Rohr 11 stabilisiert, sodass dessen Wandstärke mit 7,7 mm für die Erdüberdeckung statisch ausreichend bemessen ist.

[0041] Der Modul 1 ist ferner so gestaltet, dass er nach der Verlegung im Erdreich, jedoch noch vor der Erdreichüberdeckung mit Wasser gefüllt wird, nämlich mit Wasser statt mit teurem Wärrneträgerfluid, was durch die besondere konstruktive Ausführung des Moduls 1 ermöglicht wird. Wasser erfüllt dabei im Vergleich zu sämtlichen anderen Flüssigkeiten optimal die gegebenen Anforderungen. Es hat die höchste spezifische Wärmekapazität, die höchste spezifische Wärmeleitfähigkeit, die bei Eisbildung um Faktor 3,88 ansteigt. Das Wasser hat den höchsten ruhenden Wärmeübergangskoeffizienten 350 bis 580 W/qm,K, ansteigend bei Strömung auf 2300 bis 4700 W/qm,K, die geringste thermische Ausdehnung und bei +4 °C das kleinste Volumen, die höchste spezifische Erstarrungswärme/Latentwärme von 93 W/kg (Quelle: www.schweizer-fn. de/stoff/wuebergang/php).

[0042] Das innen an der Zylinderwand 6 anliegende Fluidrohr 20 der Rohrwendel 21 bildet gegenüber dem Mantel zunächst einmal einen ca. 90 m langen linienförmigen thermischen Kontakt mit 20 Windungen/m. Zwischen dem Fluidrohr 20 und dem Rohrmantel 11 ergibt sich nach Wasserfüllung eine kurze, wirksame «thermische Brücke», ebenso wie ein grossflächiger Wärmeübergang mit hohem Wärmeübergangskoeffizienten gegenüber der Wasserfüllung mit einer Temperaturdifferenz von kleiner 0,5 Kelvin. Die herausragenden Eigenschaften von Wasser bilden beim Betrieb eine kurze, thermisch leitende Brücke zwischen der Zylinderinnenwand 11 und dem fluidführenden, linienförmig an der Zylinderinnenwand 6 anliegendem Rohr 20, und zwar mit ca. 50 mm Mittenabstand.

[0043] Unterschreitet die Fluidtemperatur in seltenen Fällen die Frostgrenze, wird zunächst einmal für mehrere Betriebsstunden durch die Eisbildung Latentwärme freigesetzt. Der wachsende Eisansatz 15 verstärkt den Wärmeübergang zwischen fluidführendem Rohr 20 und der Zylinderwand 6. Sobald der Eisansatz 15 etwa 15 mm überschreitet, bildet das Eis an Stelle von Wasser eine vollständige, kurze thermische Brücke zwischen Rohr 20 und Zylindermantel 11. Eis 15 verstärkt die kurze thermische Brücke infolge seiner um Faktor 3,88 höheren Wärmeleitfähigkeit gegenüber Wasser erheblich, so dass auch der Aussenmantel auf Temperaturen unter «Null» bzw. auf Fluidtemperatur abgekühlt wird.

[0044] Der grosse Vorteil der Wasserfüllung 26, nämlich 45 l/m entspr. 52 W/Kelvin, kommt im Normalbetrieb zu Stande. Grund dafür ist, das die Wärmepumpe ständig taktet, statistisch über 4.850 mal in der Heizperiode mit einer mittleren Laufzeit von jeweils 23 Minuten. Selbst im Januar liegt das Taktverhältnis noch bei 35% «ein», 65% «aus». Die Folge ist, dass die Wasserfüllung 26 jeweils die Wärme liefert, dabei geringfügig abkühlt, um sich «interaktiv» in den Schaltpausen mit Erdwärme wieder aufzuladen. Berechnungen ergeben dadurch für die Wärmepumpe mindestens eine um 4 K höhere Quellentemperatur, wodurch der Jahreswirkungsgrad (Arbeitszahl) um ca. 4,5 × 3,2% = 14,4% verbessert wird.

[0045] Der Modul 1 weist sämtliche Anschlüsse 4 und 5 an einer Seite auf. Das 16 mm Fluidrohr 23 wird durch den Zylinder 11 geführt und kommt als Wendel 21 zurück. Durch diese Anordnung ist es bei horizontaler paralleler Anordnung der Absorber 1 möglich, die Durchlaufrichtung zu wechseln, um so die umliegende Erdreichmasse gleichmässig zu belasten. Die genannte Gestaltung ermöglicht auch eine vertikale Anordnung der Module in entsprechenden Bohrlöchern, die wegen ihrem Durchmesser noch mit «Brunnenbohrgeräten» ausführbar sind. Bei der vertikalen Anordnung wird das Fluid von oben nach unten durch die Wendel 21 geleitet, so das die im Erdreich zwischen –1,5 m und –7,5 m von +6 °C auf +11 °C ansteigende Temperatur genutzt wird.

[0046] Die Oberfläche der 96 m langen Rohrwendel 21 beträgt 4,83 qm und ist damit grösser als die Aussenfläche des Moduls mit 4,71 qm. Die zu erwartende Temperaturdifferenz gegenüber der Wasserfüllung ist auf Grund der Fläche kleiner als 0,2 K. Der Fluidinhalt der Rohrwendel 21 mit di = 12mm beträgt bei genannter Länge 10,85 I. Dies entspricht 14,46 I/kW. Der Bedarf an Fluid liegt damit spezifisch noch ca. 20% unter der vergleichbaren Erdabsorber-Platte. Das umlaufende Fluidvolumen beträgt ca. 250 l/h und bewirkt einen Druckabfall von weniger als 2 mWS. Aufgrund der industriellen Herstellung mit kleinsten Toleranzen ist es möglich bis zu 5 Module 1 oder auch mehr in «Tichelmann-Schaltung» mit Fluid zu beaufschlagen, sodass der Aufwand für Fluidverteilerstationen entfällt oder wesentlich gesenkt wird.

[0047] Ein Vergleich der jeweiligen Entzugstemperatur infolge der unterschiedlichen Flächengeometrie bei der Überwindung einer Erdreichschicht entsprechend der halben Distanz der Wärmeübertragung einer Platte (350 mm 12 = 175 mm) aus der mit dem Kollektor thermisch verbundenen Erdreich-Entzugsmasse bei einer spezifischen Leistung von 100 W/m, bei einer Erdreich-Wärmeleitfähigkeit von 2,6 W/qm,K, unter Heranziehung der einschlägigen Berechnungsformeln: Flächenkollektor: Wärmeentzug von 100 W über die Fläche von 0,62 qm über die halbe Distanz = 0,175 m V = 0.175 m × 0,62 qm = 0,1085 cbm. Der Temperaturabfall: dt = 100 W × 0,175 m/(0,62 qm × 2,6 W/qm,K) = 10,85 K.

[0048] Der innovative Absorber: Das für den Wärmeentzug erfasste Erdreichvolumen entspricht einem zylindrischen Durchmesser von 0,371 m. Der Temperaturabfall errechnet sich dabei wie folgt: dt = 100 W × (In: da/di)/(2,6 W/qm,K × 2 × Pi), da/di = 0,371/0,250 = 1,484 ergibt In = 0,3947 (Logarithmus Naturalis) dt = 100 × 0,3947/(2,6 × 2 × Pi) = 2,416 K. Das Resultat: Der Temperaturgewinn beträgt: 10,85 K – 2,41 K = 8,43 K und entspricht nach Abzug der Übertragungsverluste in der Wasserfüllung des Moduls einer Effizienzerhöhung von ca. 8 K × 3,2%/K = 25,6%. Das bedeutet, dass die Arbeitszahlen dadurch wie folgt erhöht werden: Von 4,0 auf 4,96, von 4,5 auf 5,58 und von 5,0 auf 6,20. Hinzu kommt beim erfindungsgemässen Absorber der Temperaturgewinn der interaktiven Speicherung von ca. 3 K. Dies bedeutet, dass die Arbeitszahlen insgesamt wie folgt erhöht werden: Von 4,0 auf 5,08, von 4,5 auf 5,40 und von 5,0 auf 6,35. Realistisch dürfte die Arbeitszahl beim zweiten der zuletzt genannten Werte, bei 5,4 liegen, kann jedoch unter günstigen Umständen durchaus den Wert von 6,35 überschreiten. Geht man davon aus, das die Temperatur des Absorbers im Extremfall 0 °C an der Modul-Aussenfläche erreicht, wird sie bei der Lösung nach dem Stand der Technik unter gleichen Verhältnissen –11 °C erreichen.

[0049] Ein indirekter Nachweis dafür, dass beim Stand der Technik zeitweise derart tiefe Temperaturen zu erwarten sind, ist die Forderung des Systemanbieters, den Stockpunkt der Fluidfüllung auf –15 °C einzustellen. Bei Betrachtung der geometrischen Verhältnisse zwischen Platte und Zylinder in Bezug auf die jeweils von oben bzw. unten nachströmende Wärme ist anzunehmen, das die vorliegende Betrachtung auf der sicheren Seite liegt bzw. dass sie beim Stand der Technik noch um 1 bis 2 K tiefer absinken kann.

[0050] Die Wasserfüllung kann als interaktiver Speicher in Verbindung mit dem ständig taktendem Betrieb der Wärmepumpe genutzt werden, die entsprechend dem Taktverhältnis eine Anhebung der Wärmequellentemperatur und so eine Anhebung der Wärmepumpeneffizienz bewirkt. Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe steigt in dem Bereich um ca. +3,2% pro Kelvin. Das Taktverhältnis der Wärmepumpe, verursacht durch den «interaktiven Speicher», bewirkt eine Senkung der erforderlichen Temperaturdifferenz gegenüber dem Erdreich um beispielsweise ca. 25% von 5,0 K = 1,25 K.

[0051] Aufzeichnungen haben ergeben, dass bei richtiger Dimensionierung der für 1800 Betriebsstunden die Wärmepumpe während des Heizbetriebes 4800 mal taktet, entsprechend einer mittleren Laufzeit von 23 Minuten, bezogen auf die gesamte Heizperiode, entspricht dieses einem durchschnittlichen Taktbetrieb im Verhältnis von 15% ein und 85% aus. Der taktende Betrieb hat für die Wärmepumpe und deren Effizienz keine erkennbaren Nachteile. Dies im Gegensatz zur Brennstoffheizung, wo wegen Verpuffungsgefahr die im Brennraum erforderliche Luftspülung den Wirkungsgrad der Heizung negativ beeinflusst.

[0052] Das Taktverhältnis der Wärmepumpe liegt, erwiesenermassen selbst in der kältesten Jahreszeit bei Zugrundelegung und Einhaltung der in Deutschland vorgeschriebenen Dimensionierung (DIN ENV 12831, Normtemperaturen) bei etwa 35% «ein» und 75% «aus», was eine Temperaturdifferenz von 0,35 × 5,0 K = 1,75 K bzw. einen Temperaturgewinn von 3,25 K bewirkt. Die Verteilung der «Entzugsarbeit» (Wh) auf nahezu die dreifache Zeit bewirkt, dass die Modultemperatur bzw. deren Wasserfüllung sich immer im Plusbereich befindet bzw. dass eine tiefste Modultemperatur von 0 °C für die Wärmegewinnung ausreicht. Bei entsprechender Einstellung der Heizungsregelung auf einen Laufzeitintervall von 60 Min wird der Wasserspeicher des Moduls jeweils nur um etwa 2 K entladen und in der nachfolgenden Taktpause, selbst bei Höchstbelastung, beispielsweise im Januar, 110 Min lang passiv durch die umschliessenden Erdreichmassen wieder aufgeladen und steht danach wieder auf erhöhtem Temperaturniveau für die nächste Wärmeentnahme zur Verfügung.

[0053] Der Wärmeentzug aus dem Erdreich erfolgt durch den interaktiven Speicher fortlaufend, während der interaktive Speicher beim Einschalten der Wärmepumpe die gespeicherte Energie mit einer mittleren Temperaturdifferenz von etwa 0,2 K bereitstellt. Der erzielte Temperaturgewinn gegenüber der umgebenden Erdreichmasse beträgt etwa 5,0 K × 0,65 = 3,25 K. Bei dem bereits genannten über die Heizperiode zu erwartenden Taktverhältnis von unter 25% «ein», 75% «aus», beträgt der Temperaturgewinn ca. 6,0 × 0,75 = 3,75 K. Der erzielte Temperaturgewinn lässt eine jährliche Effizienzsteigerung der Wärmepumpe von etwa 3,75 × 3% = 11,25% erwarten und sorgt ausserdem dafür, dass der Gefrierpunkt der Wasserfüllung nicht unterschritten wird. Sollte es zu einer aussergewöhnlichen Wettersituation kommen, bei der die Fluidtemperatur die Nullgradgrenze längere Zeit unterschreitet, hat der Fluid-Wärmeaustauscher bereits bei einem «Eisansatz» von 10 mm eine «Eisspeicher-Reserve», d.h. eine Reserve an latenter Wärme von 640 W/m Kollektorlänge.

[0054] Dank der Wasserfüllung eignen sich die Module 1 zur Naturkühlung im Sommer ohne wesentlichen Mehraufwand. Die Wasserfüllung ermöglicht die alternative Ausführung der Module für die direkte Kältemittel-Verdampfung unter Verwendung von üblichem, mit Kunststoff ummanteltem Kupferrohr. Die Herstellung der Module 1 erfolgt kostengünstig aus extrudiertem, dauerbeständigem, thermoplastischem Kunststoff PE 80 bzw. PE 100.

[0055] Die Anpassung der Erdverlegung der Module an die jeweiligen genormten Klimazone in Deutschland kann durch eine Anpassung der Verlegetiefe erfolgen, etwa wie folgt: <tb>Klimazone 1<SEP>–10 °C bei –1,2 bis –1,5 m, <tb>Klimazone 2<SEP>–12 °C bei –1,5 bis –1,7 m, <tb>Klimazone 3<SEP>–14 °C bei –1,7 bis –1,9 m, <tb>Klimazone 4<SEP>–16 °C bei –1,9 bis –2,1 m.

[0056] Bei der Wahl der Verlegetiefe ist auch die jeweilige Leitfähigkeit des Untergrundes einzubeziehen, bzw. ist die Entzugsfläche dementsprechend anzupassen. Zur Ausführung einer Anlage gehört demzufolge immer eine entsprechend Fachplanung.

[0057] Zur Sicherstellung der richtigen Positionierung der Module 1 bei der Erdeinbringung werden plattenförmige Füsse 16 und 17 über die ganze Länge des Grundkörpers 11 des Absorbers verteilt angeordnet. Diese Füsse 16 und 17 sind nach unten keilförmig ausgebildet, um die Einbringung der Module 1 z.B. in schmalen, ausgebaggerten Gräben zu erleichtern, und um sicherzustellen, dass allseitig genügend Raum bleibt, um die Module nach der Verlegung mit gut wärmeleitendem Erdmaterial, z.B. mit Sand zu verfüllen und einzuschwämmen. Entsprechende Führungselemente sind auch zur vertikalen Einbringung vorgesehen, die z.B. durch Kabelbinder gesichert sind.

[0058] Die thermisch bedingte Volumenveränderung der Wasserfüllung im Temperaturbereich von 0 °C bzw. +4 °C bis ca. +15 °C kann über ein Expansionsgefäss im Heizungskreislauf erfolgen, zumal sich die Module 1 in der Ausdehnung kompensieren. Der Anschluss an das Heizungssystem, insbesondere bei Flächenheizsystemen, erfolgt derart, dass bei Kühlbedarf ein Teilstrom über die Module geleitet werden kann. Bei der alternativen Ausführung für «direkte Kältemittelverdampfung» wird der Zylinder mit dem fluidführenden «Kälte-Kupferrohr» ausgestattet, vorzugsweise ausgeführt als innen an der Zylinderwand anliegende Rohrwendel unter Verwendung von PE-ummanteltem Cu-Rohr. Unter besonders kritischen Bedingungen kann der Gefrierpunkt der Wasserfüllung beispielsweise durch Salz als kostengünstiges Frostschutzmittel abgesenkt werden, wobei eine Gefrierpunktabsenkung von 5 K genügen dürfte. Dies ist eine Massnahme, die bei der Erstausführung zu Messzwecken vorgesehen ist.

[0059] Es folgt der Vergleich mit dem Stand der Technik: Der plattenförmige Absorber weist auf einen Verlegeraster von 0,7 m, die Plattenlänge 1 m, die Höhe 0,35 m, die Plattenfläche mit Kontakt zum Erdreich: 0,62 qm, den Verlegeraster 0,7 m, erfasstes Erdreichvolumen 0,35 m × 0,62 qm = 0,217 cbm/m. Speicherkapazität: 0,6 kWh/cbm, K × 0,217 cbm/m = 0,130 kWh/K.m. Dies Entspricht bei Abkühlung um 5 K einer WP-Laufzeit von 6,5 h.

[0060] Kommt es in der erfassten Erdreichmasse zur Gefrierpunktunterschreitung, kommt der wassergefüllte Porenanteil im Erdreich, der etwa 40 Volumenprozent beträgt, durch Bildung von Latent-Eis zur Auswirkung. Bezogen auf das erfasste Erdreich ergibt sich dabei eine Masse an Porenwasserwasser von 0,217 cbm × 40% × 1000 l/cbm = 86,8 Liter. Diese Masse an Wasser liefert bei Gefrierpunktunterschreitung zusätzlich eine Latent-Wärme von 86,8 I × 0,093 kWh/1 = ca. 8.07 kWh und entspricht damit alleine einer Laufzeitreserve von ca. 8.07 kWh/100 W gleich 80,7 h. Legt man dabei ein Taktverhältnis von 35% zu Grunde, so entspricht das einer Betriebszeit von ca. 230 h, also von etwa 9,6 Tage.

[0061] Daraus ergibt sich ein Porenvolumen an Wasser von 0,3358 cbm × 40% = 0,134 cbm bzw. 134 Liter/m und liefert demzufolge eine Latent-Wärme bei Gefrierpunktunterschreitung von 120 I × 0,093 kW/1 = 12,46 kWh und damit eine WP-Laufzeit von 124,6 h und analog zu 1. eine Betriebszeit von 124,6/0,35% = 3.56 h bzw. von 14,8 Tage, d.h. 54% höhere Laufzeitreserve im Vergleich zum Stand der Technik bei gleichem Verlegeraster. Beim tatsächlich vorgesehen Verlegeraster von 0,75 m vergrössert sich die Speicherreserve auf 21,7 Tage und übertrifft damit den Stand der Technik um Faktor 2,26.

[0062] Der vorliegenden Erdwärmeabsorber übertrifft den Stand der Technik auch hinsichtlich der Schichtstärke, die im bekanntlich schlecht wärmleitenden Erdreich zu überwinden ist. Der Vergleich über die halbe Erdreich-Schichtstärke ergibt dabei folgendes: Stand der Technik, 0,175 m. Innovation bei 0,70 m. Verlegeraster: 0,112 m entspricht 64%, der Innovation bei 0,75 m. Verlegeraster: 0,125 m entspricht 71%. Hinzu ist beim Stand der Technik die senkrechte Anordnung der Absorber nachteilig in Bezug auf die von oben und unten nachströmende Erdwärme. Der innovative Absorber übertrifft den Flachabsorber (Stand der Technik) in der Speicherkapazität um Faktor 2,23. Die Summe der Effizienzverbesserung gegenüber dem Stand der Technik ist wie folgt: Infolge der genannten Effekte ist davon auszugehen das selbst nach Abzug von 1 K für die Übertragungsverluste innerhalb der Wasserfüllung des innovativen Moduls 1 eine Effizienzerhöhung im Bereich von bis zu 27% über die Heizperiode durch die innovative Lösung erzielbar ist.

[0063] Die Gewinnung der Erdwärme durch bohrtechnisch erstellte Erdenergiesonden hat Vorteile in Bezug auf den geringen Flächenbedarf und ist aus diesem Grunde trotzt hohem Investitionsaufwand weit verbreitet. Die Erdenergiesonden werden üblicherweise mit zwei parallel angeordneten, vorkonfektionierten, U-förmigen Rohsonden aus PE ausgeführt. Erzielt werden, je nach Erdreichformation, Leistungen zwischen 35 und 50 Watt je Bohrmeter. Zur Erzielung von 1 kW Entzugsleistung sind dementsprechend 20 bis 28 Bohrmeter erforderlich. Dies entspricht der Installation von 80 bis 112 m an PE-Rohr pro kW Entzugsleistung. Nachteilig bei Erdsonden ist der thermische Kurzschluss des ständig parallel im Gegenstrom zueinander verlaufendem Vor- und Rücklaufs. Nachteilig ist auch der hohe hydraulische Widerstand auf Grund der Rohrlängen bzw. bezüglich Einhaltung der Normbedingungen B0W35 mit nur 3 Kelvin Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf bzw. Dies verursacht Aufwand an Pumpleistung, der zu den Verlusten zählt. Das Schweizerische Bundesamt für Energie, BfE, nennt als Richtwert eine Pumpenleistung von 8 W/Sondenmeter. Der Nachteil der hohen Verlustleistung durch die Umwälzpumpe wird allerdings durch die relativ hohe Wärmequellentemperatur kompensiert. Erdsonden sind genehmigungspflichtig und in zahlreichen Regionen wird die Ausführung von Erdsonden nicht gestattet. Ausserdem besteht ein gewisses Haftungsrisiko für Folgeschäden.

[0064] Eine «Protekt-Schaltung» ist so ausgeführt, dass bei Unterschreitung einer bestimmten Wärmequellentemperatur ein Teil der entzogenen Leistung aus dem Heizungsrücklauf in die Wärmequellenanlage zurückgeführt wird und so einen Totalausfall verhindert. Dazu gibt es das folgende Rechenbeispiel: Heizleistung 9,0 kW, COP = 5, Qo = 9: 5 × 4 = 7,2 kW. Von Qo sollen 20% = 1,4 kW zurückgeführt werden. Demzufolge fällt die Heizleistung auf 7,8 kW. Die fehlende Leistung wird durch längere Laufzeit ausgeglichen. Danach hat die Wärmepumpe (vorübergehend) eine Leistungszahl von 7,8/1,8 = 4,33. RWE bezeichnet eine Wärmepumpenanlage mit einer Jahresarbeitszahl grösser 3,5 noch als nennenswert energieeffizient. Ein Kälteträger-Rohrregister ist auch eine mögliche Variante zur Ausführung des vorliegenden Absorbers im Fluidbetrieb.

[0065] Die Wärmepumpen-Heizung entlastet die Umwelt und ist in der Lage die Heizkosten gegenüber der Brennstoffheizung zu halbieren. Wärmepumpen sind im Prinzip Kältemaschine mit Nutzung der warmen statt der kalten Seite, sie gewinnen erneuerbare Energie aus oberflächennahem Erdreich oder aus der Aussenluft und machen sie unter Aufwendung elektrischer Energie für die Gebäudeheizung, die Warmwasserbereitung und ggf. die Poolheizung nutzbar. Wärmepumpen eignen sich im Umkehrbetrieb auch zur Raumkühlung.

[0066] Effektivität und Leistung der Wärmepumpen sind in hohem Masse abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmenutzung. Aus diesem Grunde ist die Wärmegewinnung aus dem Erdreich in Kombination mit der Fussboden-Flächenheizung für die Raumheizung am besten geeignet. Sie benötigt bei heutigen wärmegedämmten Gebäuden nur noch eine maximale Temperaturdifferenz von 35 K. Auf der kalten Seite ist aus diesem Grunde die Wärmegewinnung aus dem Erdreich am besten geeignet. Sie ermöglicht im Vergleich zur Wärmequelle Aussenluft eine weitgehend gleichbleibend hohe Temperatur und demzufolge auch eine gleichbleibend hohe Effizienz und Leistung.

[0067] Bei der Wärmequelle Erdreich kann der technische Aufwand zur Leistungsanpassung durch Veränderung der Kompressor-Drehzahl entfallen. Es entfällt auch das Problem die Lärmbelästigung. Der taktende Betrieb hat für die Wärmepumpe keine Nachteile im Gegensatz zur Brennstoffheizung. Selbst bei modernen Heizkesseln muss zur Vermeidung von «Verpuffungen» der Brennraum vor dem Einschalten mit Luft durchspült werden.

[0068] Die Möglichkeit, ein Wohnhaus mit einer Wärmepumpe unter Gewinnung erneuerbare Wärme aus oberflächennahem Erdreich zu beheizen, erkannte und realisierte Klemens Oskar Waterkotte bereits im Jahre 1968 für sein Eigenheim. Entgegen der Auffassung damaliger Fachkollegen war er bereits von der Tauglichkeit, vor allem von der Langzeitbeständigkeit der Rohre aus dem zu der Zeit noch neuartigen, wenig bekannten Kunststoff «Polyäthylen» (HD-PE) überzeugt und nutzte ausschliesslich daraus hergestellte Rohre sowohl für den Flächenkollektor im Erdreich als auch für die Fussboden-Flächenheizung im Haus. Inzwischen hat sich die Beständigkeit des Rohrmaterials bestätigt. Beide Installationen sind in ursprünglichem Zustand weiterhin seit nunmehr über 50 Jahre mängelfrei in Funktion.

[0069] Wärmepumpenanlagen mit Energiegewinnung aus oberflächennahem Erdreich werden wegen ihrer Umweltfreundlichkeit in Deutschland finanziell gefördert (BAFA-Förderung). Allein in Europa wurden nach genanntem Prinzip im Jahre 2016 über 100.000 Anlagen installiert. Begrenzt wird die Zahl der ausgeführten Anlagen weit überwiegend durch die fehlende Zugangsmöglichkeit zur Wärmequelle Erdreich. Insofern bildet die vorliegende Innovation einen Beitrag zur erhöhten Verbreitung dieser zukunftsweisenden Heizungstechnik.

[0070] Ein wesentliches Bauteil der Wärmepumpe ist der Kältekompressor. Nachfolgende Ausführungen beziehen sich überwiegend auf die gängige Lösung mit Antrieb des Kältekompressors durch einen kostengünstigen elektrischen Asynchronmotor ohne Drehzahlregelung. Wärmepumpen-Heizungsanlagen bestehen aus: Der Wärmepumpenzentrale, Der Wärmequellenanlage, Der Wärmenutzungsanlage zur Raumheizung und zur Warmwasserbereitung.

[0071] Die Leistungszahl der Wärmepumpe ist der Quotient aus der abgegebenen Leistung (kW) und der dafür aufgewendeten Leistung, (kW), Die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpenanlage ist der Quotient aus der jährlich nutzbaren Heizarbeit (kWh) und der dafür insgesamt (incl. Hilfsantriebe) aufgewendeten elektrischen Arbeit/Energie (kWh). Wirtschaftlich sinnvoll und eine Entlastung für die Umwelt ist eine Wärmepumpenanlage erst ab einer ausreichend hohen Jahresarbeitszahl. Laut «Deutscher Energieagentur (dena)» u. «RWE Essen» muss die Wärmepumpen-Jahresarbeitszahl > 3,0 sein, um eine Wärmepumpen-Anlage als energieeffizient zu bezeichnen. Und sie muss > 3,5 sein, um sie als nennenswert energieeffizient zu bezeichnen.

[0072] Wärmepumpenanlagen mit Aussenluft als Wärmequelle erreichen die genannten Vorgaben nicht in jedem Falle. Die von unabhängigen Instituten gemessenen Wärmepumpenanlagen mit der Wärmequelle Aussenluft erreichten weit überwiegend nur Jahresarbeitszahlen von 2,7 bis 2,9, mehr dazu unter: https:/AA/Pmonitorinq.ise.fraunhofer.de/Wärmepumpeneffizienz,endbericht sowie www.agenda-energie-lahr.de.

[0073] Die aus dem oberflächennahem Erdreich gewonnene Energie wird von oben nachgeliefert. In unseren Breiten erfolgt dies auf Grund der mittleren Jahrestemperatur von etwa +15 °C und durch eine Aussentemperatur, die in Deutschland im langjährigen Mittelwert selbst im kältesten Monat Januar noch +1,6 °C erreicht, sowie auf Grund der Globalstrahlung von 900 bis 1.200 kWh pro Quadratmeter Erdoberfläche und Jahr. Ab einer Erdreichtiefe von etwa 20 m herrscht eine nahezu konstante Temperatur, die der mittleren örtlichen Jahrestemperatur entspricht, und die in unseren Breiten etwa +15 °C beträgt. In etwa 2 Meter Tiefe erreicht die Temperatur im November einen Höchstwert von ca. +18 °C und im Februar einen Tiefstwert von ca. +7 °C.

[0074] Die verbreitete Vorstellung, dass die Wärmeenergie aus dem Erdinneren nachströmt, ist unzutreffend. Der Wärmestrom aus dem Erdinneren beträgt etwa 0,07 Watt pro Quadratmeter. Das entspricht etwa 0,6 kWh pro Quadratmeter und Jahr. Für die Übertragung von 1 kW Leistung aus dem warmen Erdinneren ist eine horizontale Fläche von 1000 W/0,07 W/qm = 14.285 qm erforderlich. Erdwärmesonden schöpfen demnach unterhalb von ca. 50 m die Energie aus einem begrenzten Reservoir. Aus diesem Grunde wird empfohlen, die «Erdenergiesonden» in der warmen Jahreszeit zu regenerieren, z.B. durch Solarthermie oder durch die Nutzung als Wärmesenke zum Kühlen. Das Regenerieren ist jedoch immer mit einem zusätzlichen Aufwand an elektrischer Energie verbunden. Langzeit-Temperaturerfassungen an Erdsonden-Anlagen bestätigen diesen Zusammenhang. Die Temperatur im Fluid-Kreislauf sinkt von Jahr zu Jahr um etwa 0,14 Kelvin = 7 Kelvin in 50 Jahren. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang auch, dass sich nahe beieinander liegende Erdsonden nicht unwesentlich gegenseitig beeinflussen. Objektive Informationen dazu findet man unter www.erdenerqieoptimierunq.ch.

[0075] Für die Wärmegewinnung aus oberflächennahem Erdreich gelten zur Leistungsangabe die Normbedingungen B0W35 mit folgender Bedeutung:

Wärmequellenseitig

[0076] Eintrittstemperatur an der Wärmepumpe 0 °C, Austrittstemperatur an der Wärmepumpe –3 °C.

Wärmenutzungsseitig

[0077] Eintrittstemperatur an der Wärmepumpe +30 °C, Austrittstemperatur an der Wärmepumpe +35 °C.

Kritische Anmerkung

[0078] «Der Buchstabe «B» in der Leistungsabgabe für Wärmepupe ist eine «Anglizisme» für «Brine», auf Deutsch «Sole». Unter «Brine» bzw. «Sole» versteht man in der Fachsprache eine Salzlösung, wie beispielsweise Natriumchlorid, Calciumchlorid oder Magnesiumchlorid. Bei sämtlichen auf dem Markt befindlichen Wärmepumpen würde die Verwendung von «Sole» zum Totalschaden führen. In der Praxis wird daher Wasser mit einem organischem Frostschutzmittel wie Äthylen-Glykol eingesetzt. Dies ist keine «Sole». Aus diesen Gründen ist Bezeichnung «Wärmeträger-Fluid» vorzuziehen.

[0079] Die Dimensionierung des Wärmeerzeugers und somit auch der Wärmepumpe erfolgt nach dem Leistungsbedarf entsprechend der DIN EN 12831 und den darin gebietsweise festgelegten niedrigsten Aussentemperatur. Siehe dazu auch www.bosy-online.de/klimazonen/026 anlagen heizlast.pdf. Die erforderlichen Parameter und Faktoren sind in nationalen Anhängern hinterlegt. Im Gegensatz zur vorherigen DIN 4108 bzw. DIN 4701 werden bei der Heizlastberechnung solare und interne Wärmegewinne nicht berücksichtigt, was beim heutigen Stand der Bauausführung zur erheblichen Überdimensionierung des Wärmeerzeugers führt. (Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Heizlast).

[0080] Die niedrigste Norm-Aussentemperatur ist definiert als die Temperatur, die 10mal in 20 Jahren gemessen wurde. Im Nordwesten ist dies mit –10 °C, bis auf –16 °C im Südosten. Heizbeginn ist in Deutschland ab +15 °C Aussentemperatur, in der Schweiz, in Österreich und Lichtenstein ab +12 °C. Die Begriffsfestlegungen entsprechend DIN EN 12831 sind folgende: «Heizwärmebedarf’ mit Dimension: kWh, und «Heizlast», mit Dimension: kW. Gemäss der neuen EnEV darf in Deutschland bei Neubauten eine Heizlast, oft bezeichnet als Wärmebedarf, von 40 - 45 W/qm nicht überschritten werden. Bei integrierter Brauchwarmwassererwärmung wird mit einem Leistungszuschlag von 0,2 kW/Person oder von 1 kW je Wohnung gerechnet.

[0081] Die Leistung der Wärmepumpe liegt bis zum Erreichen der niedrigsten Norm-Aussentemperatur aus mehreren Gründen weit über dem jeweiligem Bedarf, der jeweiligen «Heizlast». Die Differenz zwischen Leistung und Bedarf ist bei Heizbeginn und im oberen bis mittleren Bereich der Aussentemperatur naturgemäss am grössten und ergibt sich aus dem Verlauf der statistischen Klimadaten. Die Diskrepanz wird noch erhöht durch die leistungsmässige Temperaturabhängigkeit der Wärmepumpe. Für die Energiegewinnung aus oberflächennahem Erdreich gibt es neben den bohrtechnisch erstellten Erdenergiesonden mehrere Lösungen, die sich im Bedarf an horizontaler Entzugsfläche und in den Herstellkosten unterscheiden.

Die Innovationspreise

[0082] Deutscher Innovationspreis für Klima und Umwelt, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Innovationsprogramme Mittelstand (ZIM) Fördermittel, www.zimbmwi.de. Bundesagentur für hervorragende innovatorische Leistungen. (Hans Ulrich Karsch/Harry Steinhäuser/Pat. Nr. DE 10 2010 025 681 B3 erhielten den Bayrischen Innovationspreis.

[0083] Es gibt die folgenden Flächenkollektoren: Hakagerudur: 25er Rohr 160 W/qm, 32er Rohr 180 W/qm, und GeoCollect: Für Platten 161,3 W/qm. Die Angaben über die Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs sind in der Literatur nicht eindeutig und sie reichen bei feuchtem Erdreich bis 2,8 W/m, K. Die Wärmekapazität des Erdreich wird rätselhafterweise in der Literatur immer in Megajoule angegeben (soll wissenschaftlichen Eindruck machen -?). Beispielsweise feuchtes Erdreich: 2,25 MJ/cbm, = 537,75 kcal bzw. 6253.7 Vakuum Ultraschall Leckdetektor «eputes iris SDT SYNERGYS».www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt; wwwffg.at/aktuelles-forschungsprogramm; www.klimaforschung.gr.at/unserer-themenforschung/FTI-programm; Stadt der Zukunft.

[0084] Patentansprüche werden geltend für die Erfindung einer neuartigen Einrichtung und ein zugehöriges thermisches Verfahren zur Gewinnung erneuerbarer Energie aus oberflächennahem Erdreich als Wärmequelle für eine Wärmepumpenheizung.

[0085] Die als Erfindung geltend gemachte Einrichtung und das thermische Verfahren zeichnen sich aus durch Erzielung höchstmöglicher flächnespezifischer Wärmegewinnung aus oberflächennahem Erdreich durch Nutzung der optimalen, zylindrischen Absorbergeometrie unter Vermeidung der bei grossflächiger zylindrischer Absorbergeometrie beim Stand der Technik erforderlichen grossen Menge an Wärmeträgerfluid, hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit. (Wärmeträgerfluid ist eine organische Substanz die Äthylenglykol enthält, eine persistente, grundwassergefährdende organische Substanz). Die Innovation löst das biherige Problem, die durch die geometrische Gesetzmässigkeit hervorgerufen wird, den Anstieg des Innenvolumens zylindrischer Absorber in quadratischer Funktion zur Absorberfläche, Grund dafür das beim Stand der Technik ausschliesslich Erdabsorber mit der weniger effizienten, plattenförmigen Geometrie angeboten werden.

[0086] 1. Die Reduzierung der relativen Menge an Wärmeträgerfluid wird erfindungsgemäss erreicht durch Umgehung der geometrischen Gesetzmässigkeit, die hervorgerufen wird durch das Ansteigen des Innenvolumen in quadratischer Funktion zur Oberfläche, die es beim Stand der Technik wirtschaftlich wegen der hohen erforderlichen Menge an Kälteträgerfluid unmöglich macht, die Vorteile grossflächiger zylindrischer Ausführung als Erdabsorber zu nutzen.

[0087] 1. Die Überwindung dieser Diskrepanz wird erzielt durch die Gestaltung der erfinderischen Einrichtung und das damit verbundene innovative thermische Verfahren:

[0088] 4.1. Gestaltung: Der zylindrische Erdwärmeabsorber besteht aus gängigem Rohr, industriell hergestellt durch Extrusion aus dem Werkstoff HDPE, in transportfähigen Längen von 6 Meter, zunächst vorgesehen in der Dimension 315 × 7,5 mm.

[0089] 4.2 Im Inneren vorgen. Einrichtung wird auf ganzer Länge eine an der Innenwand fest anliegende Rohrwendel platziert, vorzugsweise der Dimension 25 × 2,5, ebenfalls aus HDPE.

[0090] 4.3 Die Länge der Wendel wird so gewählt, das deren Oberfläche der Oberfläche des umgebenden Absorberrohres entspricht. Beispiel: Rohrdurchmesser 300, Länge des Innenrohres 300/25 ergibt 12 m/m.

[0091] 4.4 Das Innenrohr dient der Beaufschlagung durch Wärmeträgerfluid, unterscheidet sich jedoch auf Grund seiner Dimension im flächenspezifischen Inhalt gegenüber dem äusseren, als Erdabsorber dienendem Rohr wie folgt: Innenvolumen des Erdabsorberrohres: 71 I bezogen auf ca. 1 qm Oberfläche. Innenvolumen der Rohes der Wendel: 4,0 I ebenfalls auf 1 qm Oberfläche. Demzufolge beansprucht das innere, mit Wärmeträgerfluid beaufschlagte Rohr bei gleichgrosser äusserer Fläche einen ca. 18-fach geringeren Fluidinhalt. Diese erfinderische Lösung reduziert demzufolge den leistungsspezifischen Bedarf an Kälteträgerfluid auf einen beim Stand der Technik unerreichbar geringe Menge.

[0092] 4.5 Das zugehörige thermische Verfahren ermöglicht es, bei dem innovativen zylindrischen Absorber die gewonnene Erdwärme unter Aufwendung einer geringen Temperaturdifferenz an die im Zylinder angeordnete, von Kälteträgerfluid durchströmte Rohrwendel zu übertragen. Das «thermische Verfahren» wird ermöglicht durch Füllung des Zylinders mit einem, die Wärme übertragendem Medium, mit Wasser, das sich dafür am besten eignet dank seiner dafür besonders geeigneten Eigenschaften.

Der Ablauf des thermischen Verfahrens

[0093] Die vom Erdabsorber gewonnene Erdenergie wird über die Innenfläche des Absorbers bereits teilweise auf die daran dicht anliegende, fluidführende Rohrwendel gleicher Oberfläche bzw. an das darin zirkulierende Kälteträgerfluid übertragen, unterstützt durch die Leitfähigkeit von Wasser im Kontaktbereich der Wendel zur Zylinderwand. Vollkommen ergänzt wird die Wärmeübertragung durch das thermische Verfahren mit Hilfe der Wasserfüllung des Zylinders, durch Nutzbarmachung der dafür herausragenden Eigenschaft von Wasser, gekennzeichnet durch: – Wärmeüberganskoeffizient ca. 400 W/qm,K, – Wärmekapazität «sensibel» 1,16 Wh/Liter,K, – Wärmekapazität «latent» 93 Wh/kg, – Ausdehnungskoeffizienten niedrig, neutral bei +4 °C.

[0094] Möglich ist erforderlichenfalls eine geringe Gefrierpunktsenkung der Wasserfüllung durch eine nicht grundwassergefährdende Masse an mineralischem Frostschutzmittel, durch Salz.

[0095] 4.6 Durch das thermische Verfahren ergeben sich weitere erfinderische Vorteile: – Die sensible Wärmekapazität der Wasserfüllung, des Moduls, ermöglicht die Wärmeentnahme durch die Wärmepumpe auf höherem Temperaturniveau, ausreichend für ein Laufintervall von über einer Stunde. – Infolge des nachgewiesenen Taktverhaltens von Wärmepumpenheizungen von jahresdurchschnittlich 23% ein/77% aus kann sich der Wasserinhalt in den Schaltpausen wieder auf Erdreichtemperatur aufladen und steht danach wieder auf hohem, effizienzerhöhendem Niveau für den nächsten Laufintervall der Wärmepumpe zur Verfügung. Dieser Betriebszustand ist während 75% der Heizperiode zu erwarten und bewirkt eine wesentliche Efizienzerhöhung des Heizbetriebes.

[0096] 4.7 In der kältesten Jahreszeit liegt das Taktverhalten nachweisbar bei durchschnittlich 40% ein/60% aus. Bei diesem Betriebsverhalten wird im Eintrittsbereich der fluidführenden Wendel «latente Wärme» (infolge Eisbildung) gewonnen. Während der Schaltpause ermöglicht die zylindrische Bauform des Absorbers einen vorteilhaften «thermischen Ausgleich» in dem durchgehenden Zylinder infolge horizontaler Zirkulation im Absorberrohr, bekannt als aus der heizungstechnik als «Imrohrzirkulation», wodurch der Wärmeentzug durch der Wärmeentzug aus dem Erdreich durch höhere Nutzung der Entzugsfläche effizienter wird. Dieser Betriebszustand ist während 25% der Heizperiode zu erwarten.

[0097] 4.8 Bei gelegentlich auftretenden Frostperioden ist die Einrichtung in der Lage vorübergehend grosse Mengen an latenter Wärme freizusetzen. Bei einem mittleren Eisansatz an der Rohrwendel von 10 mm wird eine latente Energie von ca. 74 kWh freigesetzt. Infolge der dadurch permanent anstehenden Absorbertemperatur von 0 °C wird die Wärmegewinnung aus dem Erdreich wesentlich erhöht. Dieser Betriebszustand ist während 5% der Heizperiode zu erwarten.

[0098] 4.9 Die Verlegung der Absorber ist vorgesehen in Gräben von 0,4 m Breite, in einer Tiefe von 1,70 Meter parallel zueinander in einem Raster von mindestens 1,8 m. Die Module sind auch für vertikale Anordnung geeignet, dabei erfolgt die Durchströmung vorteilhafter Weise von oben nach unten. Die Entzugsleistung der Module wurde ermittelt mit 2000 W bei 6 m Länge, entsprechend einer Heizleistung von 2500 W/Modul.

Herstellung

[0099] Das innen im Absorberrohr anzuordnende Wärmeaustauscherrohr wird bei der Herstellung zu einer Wendel geformt, entsprechend dem Innendurchmesser des Absorbers. Die Rohrwendel wird dann in den Zylinder gezogen, «langgezogen» und so «auseinander gedreht» das sie gleichmässig, auf der Zylinderläng verteilt, innen anliegt. Die Wendel wird jeweils an beiden Enden mit einem 90° Bogen bestückt der in Richtung Zylindermitte weist, ein weiterer 90° Bogen wird so angeordnet dass er in der Zylinderachse liegt, nach aussen zeigend und im jeweiligen abschliessenden Boden/Korbboden, abgedichtet durchgeführt wird. Möglicherweis ist es auch Zweckmässig die gesamte Einrichtung in Segmenten anzufertigen und aneinander zu fügen. Die Wandstärke des Zylinders ist gering zu halten wg. der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs HDPE.

Montageplatte

[0100] Die Montageplatte dient dazu den Zylinder bei Verlegung in Gräben von 0,4 m Breite optimal zu positionieren, so das der Zwischenraum mit gut wärmeleitendem Material eingespült werden kann. Die Platte hat oben links und rechts jeweils eine Ausbuchtung zur Fixierung/Einklemmung der zur Installationsseite rückführenden Fluidleitung und zur Fixierung/Einklemmung der Wasser-Füllleitung Es können mehrere Absorber in «Tichelmann-Schaltung» versorgt werden, so das die der Aufwand an Verteilern reduziert wird. Der Zylinder wird beidseitig auf der Oberseite mit Füll bzw. Entlüftungsanschlüssen zur seriellen Wasserfüllung vor der Erdüberdeckung versehen, die zu einem Ausdehnungsgefäss (aus HDPE) in einen frostfreien Raum führen. Die Entzugsleistung des Zylinders kann bei schlecht wärmeleitendem Erdreich erforderlichenfalls erhöht werden. Die Erhöhung erfolgt, wie erwähnt, durch geringfügige Gefrierpunktsenkung der Wasserfüllung durch Zugabe eines preisgünstigen Frostschutzmittels (Salz), was bei dem Werkstoff des Moduls möglich ist. Die Einfüllung ist auch nachträglich möglich über die serielle Füllleitung. Das durch die Rohrwendel zirkulierende Wärmeträger-Fluid, wird in der Wärmepumpe um 3 bis 4 K entwärmt/abgekühlt, das kann ggf. abweichend von den normierten Bedingungen B0/W35 mit der Bedeutung –3°/0 °C//+30°/+35 °C mit 4 Kelvin Spreizung erfolgen, mit dem Ziel, die zu den Verlusten zählende Hilfsenergie um ca. 30% zu senken und die Zuleitung im Querschnitt um ca. 20% zu reduzieren.

[0101] Die mit der Innovation erzielbaren höheren Wärmequellen-Temperaturen wirken sich im Jahresmittel leistungs- und effizienzerhöhend etwa wie folgt aus: Effizienzerhöhend um 3,2%/K, demzufolge um etwa 5 K × 3,2% = 16%, Leistungserhöhend um 3%/K demzufolge um etwa 5 K × 3% = 15%.

[0102] Die projektierte Wärmeentzugsleistung eines Absorbers je 1 m Länge mit einem zylindrischen Aussendurchmesser von 315 mm beträgt bei einer mittleren Temperaturdifferenz von 4 K gegenüber dem Erdreich bei durchschnittlichen Bodenverhältnissen 333,33 W/m. Bei einer Modullänge von 6 m und ergibt das eine Entzugsleistung von 2,0 kW und eine Heizleistung von ca. 2,5 kW. Bei Gebäuden die nach der deutschen Wärmeschutzverordnung gedämmt sind (max. 40 W/qm) kann mit der Entzugsfläche von einem Quadratmeter eine Wohnfläche von etwa 5 qm beheizt werden. Der zur Verlegung der Module erforderliche Aufwand an Erdaushub ist geringer im Vergleich zu sämtlichen in etwa vergleichbaren Lösungen nach dem Stand der Technik.

[0103] Der vorliegenden Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, die Wärmegewinnung aus einer tiefer liegenden Erdreichmasse zu verbessern. Dies wird dadurch erreicht, dass anstelle der bisher verwendeten plattenförmigen Absorber zylinderförmige Absorber benützt werden. Denn die Oberfläche der zylinderförmigen Absorber steigt mit dem Quadrat des Zylinderdurchmessers gegenüber den plattenförmigen Absorbern an.

Claims (14)

1. Erdwärmeabsorber, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Modul (1) vorgesehen ist, der als eine vorgefertigte und anschlussfertige Einheit ausgeführt ist.

2. Erdwärmeabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modul (1) einen zylinderförmigen Grundkörper (11) aufweist, dass dieser Grundkörper (11) so ausgeführt ist, dass er sich mit Wasser füllen lässt, und dass ein fluidbeaufschlagbarer Wärmeaustauscher (20) im Grundkörper (11) des Moduls (1) untergebracht ist.

3. Erdwärmeabsorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (11) des Moduls (1) flächenhafte Abschlussmittel (2, 3) aufweist, dass je eines dieser Abschlussmittel (2, 3) einer der Endpartien (12, 13) des zylinderförmigen Grundkörpers (11) des Moduls (1) wasserdicht zugeordnet ist, dass der Modul (1) ferner Anschlussstutzen (4, 5) für Flüssigkeitsleitungen aufweist, von welchen sich je einer im Endbereich (12, 13) des zylinderförmigen Grundkörpers (11) des Moduls (1) befindet, und dass diese Anschlussstutzen (4, 5) von der Oberseite des zylinderförmigen Grundkörpers (11) des Moduls (1) abstehen.

4. Erdwärmeabsorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (20) eine Wendel (21) umfasst, dass die aussen liegenden Flächen der Windungen (22) der Wendel (21) an der Innenfläche (6) des zylinderförmigen Grundkörpers (11) des Moduls (1) anliegen, dass der Wärmeaustauscher (20) femer Anschlussvorrichtungen (23, 24) aufweist, mit deren Hilfe die Wendel (21) an eine Wärmepumpe anschliessbar ist, und dass diese Anschlussvorrichtungen (23, 24) durch zumindest eines der Abschlussmittel (2;3) am Grundkörper (11) des Moduls (1) wasserdicht hindurchgehen.

5. Erdwärmeabsorber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlauch die Form der Wendel (21) hat, und dass dieser Schlauch aus einem Kunststoff ist.

6. Erdwärmeabsorber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Anschlussvorrichtung (23, 24) als ein Rohr-Formstück ausgeführt ist, dass dieses Rohrstück einen etwa L-förmigen Grundkörper aufweist, dass das freie Ende eines der Schenkel (27) der L-förmigen Anschlussvorrichtung (24) an eines der Enden der Wendel (21) fluidmässig angeschlossen ist, dass der andere Schenkel (28) der L-förmigen Anschlussvorrichtung (24) durch eines der Abschlussmittel (2) des Moduls (1) flüssigkeitsdicht hindurchgeht, und dass die freien Enden der anderen Schenkel (28) der L-förmigen Anschlussvorrichtungen (23, 24) an einen der Abschnitte von Fluidleitungen (25, 26) anschliessbar sind.

7. Erdwärmeabsorber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umgehungsstück (30) vorgesehen ist, dass dieses Umgehungsstück (30) praktisch parallel zur Längsachse A der Wendel (21) verläuft, dass eine der Endpartien (35) dieses Umgehungsstückes (30) an den zweiten Schenkel (28) der ersten Anschlussvorrichtungen (23) fluidmässig angeschlossen ist, und dass die andere Endpartie (36) des Umgehungsstückes (30) sich neben der zweiten Anschlussvorrichtung (24) befindet.

8. Erdwärmeabsorber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Umgehungsstück (30) ausserhalb des zylinderförmigen Grundkörpers (11) des Moduls (1) liegt, oder dass das Umgehungsstück (30) durch die Wendel (21) hindurchgeht.

9. Erdwärmeabsorber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Abschlussmittel (2, 3) als ein Deckel ausgeführt ist, der eine der Endpartien (12, 13) des zylinderförmigen Grundkörpers (11) des Moduls (1) übergreift.

10. Erdwärmeabsorber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderförmige Grundkörper (11) des Moduls (1) aus Abschnitten (8, 9) besteht, dass diese Abschnitte (8, 9) mit Hilfe einer Muffe (10) miteinander verbunden sind, dass die stumpf aneinander anstossenden Endpartien (14, 15) der Grundkörperabschnitte (8, 9) mit Aussengewinde versehen sind, dass die Innenfläche der Muffe (10) ein entsprechendes Innengewinde aufweist, so dass die Grundkörperabschnitte (8, 9) mittels der Gewindemuffe (10) miteinander verbunden werden können, dass die Wendel (21) ebenfalls weitgeteilt ist und dass diese zwei Teile der Wendel (21) mit Hilfe einer weiteren Muffe (19) miteinander verbunden sind.

11. Erdwärmeabsorber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Platte (40) vorgesehen ist, welche zur Führung des Moduls (1) im Erdreich (18) bestimmt ist, dass im Grundkörper (41) dieser Führungsplatte (40) eine Öffnung (42) ausgeführt ist, deren Durchmesser so bemessen ist, dass der zylinderförmige Grundkörper (11) des Moduls (1) durch diese Öffnung (42) hindurchgehen kann, dass die unten liegenden Eckpartien der Führungsplatte Abschrägungen (43, 44) aufweisen, sodass diese untere Partie der Führungsplatte (40) im Wesentlichen keilförmig ist, und dass der Grundkörper (41) der Führungsplatte (40) zusätzliche Öffnungen (45, 46) aufweist, durch welche Rohrleitungen (7, 30) hindurchgehen können.

12. Erdwärmeabsorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser im Modul (1) einen Zusatz enthält, der zur Senkung des Gefrierpunktes von Wasser dient, und dass dieser Zusatz ein Frostschutzmittel oder ein Salz sein kann.

13. Verfahren zur Herstellung des Erdwärmeabsorbers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch auf eine zylinderförmige Lehre aufgewickelt und so behandelt wird, dass er die Form einer Wendel (21) dauerhaft annimmt, dass der äussere Durchmesser der Wendel (21) dem inneren Durchmesse der Innenfläche (6) des zylinderförmigen Grundkörpers (11) des Moduls (1) entspricht, dass die Wendel (21) gestreckt wird, damit ihr äusserer Durchmesser kleiner wird als der innere Durchmesser des zylinderförmigen Grundkörpers (11) des Moduls (1), und dass die Wendel (21) in diesem gestreckten Zustand in den zylinderförmigen Grundkörper (11) des Moduls (1) eingeführt wird, wonach die Wendel von der Streckungskraft befreit wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussmittel (2, 3) den Endpartien (12, 13) des die Wendel (21) enthaltenden zylinderförmigen Grundkörpers (11) des Moduls (1) so zugeordnet werden, dass die Anschlussvorrichtungen (23, 24) durch die Abschlussmittel (2, 3) wasserdicht hindurchgehen können.