DE3420635A1

DE3420635A1 - Erdwaermeabsorber u.-speicher mit 'peripher-eislatentsystem' fuer niedrig-temperatur-heizung

Info

Publication number: DE3420635A1
Application number: DE3420635A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Ing. 7530 Pforzheim Erdmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-06-02
Filing date: 1984-06-02
Publication date: 1985-12-05

Description

Ausgehend von einem Erdwärmeabsorber und -speicher bekannter Bauweise, wie der Eis-Latentspeicher der Fa. Chemo, sollen die dort bekannten Mangel, Nachteile bzw. Leistungsschwächen vermieden werden. So ist jene Einrichtung nur in Verbindung mit einem Kollektor fahrbar, sofern die dort angegebenen 6 kW Leistung in der Eis-Latentphase möglich sein solU'Jenseits der Eis-Latentphase kann keine definitive Leistungsangabe gemacht werden. Das Gerät ist nicht zum Einbau unter Gebäuden geeignet noch vorgesehen. Das Wärmetauscher-Aggregat erfüllt das gesamte Behältervolumen· Eine Totalvereisung des Behälterinhalts ist zugelassen mit all ihren nachteiligen Folgen für die Behälterkonstruktion, die erheblichen Drücken ausgesetzt ist. Eine gezielte höhere Temperaturdifferenz an den mit dem Erdreich kontaktierten Behälterwänden ist nicht vorgesehen. Zur monovalenten Beheizung eines 140 qm Wohnhauses werden zwei solcher Geräte vorgeschlagen mit zusätzlich ca. 70 qm Kollektorfläche im oberirdischen Bereich. Damit ist die Anlage zu teuer und zu aufwendig. Wieviel Erdwärme wirklich absorbiert wird, in welcher Zeit, ist offen und fraglich »ob überhaupt in einer nennenswerten Leistung in der kritischen Phase der Heizperiode. Ein monovalenter Heizbetrieb wird damit zum Wagnis.

In Kenntnis obiger Tatsachen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit einem einzigen Gerät eines Erdwärmeabsorbers und -Speichers auszukommen für die o.g. Wohnhausgröße. Die Regeneration des Erdreichs soll darch.eine schonende Betriebsweise, die Eisbildung im Erdreich äußerst gering hält, ab Ende der Heizperiode beschleunigt erfolgen. Die Abwärme des Hauses aus Fundamenten und Wänden sowie Fußböden soll vom Erdwärmeabsorber und- -speicher einfangbar sein. Die jahreszeitliche Auskühlung des Erdreichs im Bereich des Aggregats soll umgangen werden. Der Behälter soll keinen Druck aus Eisbildung im Inneren erhalten. Die Wärmeströme aus dem Erdreich sollen optimal ins Innere abgeleitet werden. Vorzusehen ist eine große Speicherreserve an Energie, die schnell abrufbar sein muß. Es sollen die Erdschichten zur Wärmeabsorbtion erreichbar sein, die ganzjährig Temperaturen von konstant um die 7 bis 10° C aufweisen. Radial soll etwa ein Bereich von ca. 10 m um die Behälterwandung herum thermisch erfaßt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Behälter vorgesehen ist, der nach Form und Größe beste Eignung zur Aufgabenerfüllung mitbringt: Volumen ca. 7 bis 10 Kubikmeter groß, geformt als Zylinder mit Halbkugelboden, flacher Deckel, gelagert im Erdreich unter dem Gebäude .und zwar senkrecht mit der Zylinder-Achse in den Boden. Eine Luftschicht verbleibt zwischen Kellerboden und Erdboden darunter, als Schutz gegen Wärmeabv\änderung aus dem Fußboden in das Erdreich. Direkter Behälterzugang vom Gebäude-

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inneren über einen Schachtdeckel- Auskleidung der inneren Behälterwand mit einem Rohrnetz mit Solefüllung, wogegen der Behälter eine normale Wasserfüllung erhält- Durch diese Konstruktion kann eine kurzzeitige schnelle Eisbildung an den Rohrwandungen und der nahen Behälterwand erfolgen zwecks Erreichung eines rel- hohen Temperaturgefälles hin zum Erdreich, welches auch nach Abschalten der Wärmepumpe über einen Zeitraum von wenigen Stunden anhält und damit für einen angemessenen Wärmestrom aus dem Erdreich sorgt und das bei den weitaus besseren Wärmeleiteigenschaften von Eis gegenüber Wasser. :'!··'- ". .. . -

Eine Vereisung des gesamten Behälterinhalts ist nicht vorgesehen. Ein Kern im Inneren wird dauernd eisfrei gehalten. Ab einer gewissen Leistungsgrenze wird ein Luftwärmeabsorber zwecks weiterer Leistungssteigerung zuschaltbar eingerichtet, sofern ein zweiter '.Erdwärmeabsorber und -speicher nicht die bessere Investition ist.

Der Erdwärmeabsorber und -speicher soll so gefahren werden, daß in 24

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Stunden nach Möglichkeit die entnommene Energie nachlieferbar ist. Seine Gesamtkonzeption ist darauf angelegt im Einklang mit den bekannten Reserven des beanspruchten Erdreichs.an Wärme.

Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert: Es zeigt:

Figur 1 den Behälter im Querschnitt

Figur 2 _: den Behälter im Horizontalschnitt

(mit Blick zum Behältereinstieg)

Wie aus den Figuren ersichtlich, handelt es sich um eine relativ einfache Anlage, zur preiswerten Wärmegewinnung aus dem Erdreich, bei gleichzeitiger Einfangung eines Teils der häuslichen Abwärme in das Erdreich. Darüber hinaus ist die Gesamt-Konzeption weiter gefaßt: Luftwärmeabsorber jedweder Bauart mit gleicher Sole-Beschaffenheit wie das Durchflußsystem der v.g. Anlage, sind zur weiteren Wärmeleistungssteigerung, wie auch zur Regeneration einsetzbar.

Bei Heizwärmebedarf läßt die Pumpe 19 den Solekreislauf -14 über den Verdampfer 21 zirkulieren. Hierbei ist die Geschwindigkeit bedarfsgerecht einstellbar. Es kann mit niedriger Temperaturdifferenz gefahren werden bei entsprechend groß ausgelegten Verdampferflächen, was sich vorteilhaft auf die Leistungsziffer auswirkt. Die allmählich tiefer sinkenden Soletemperaturen führen zur Ver-

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eisung an den äußeren Rohrwandungen im inneren des Behälters. Das setzt durch die eingetretene Phasenumwandlung Erstarrungswärme frei. Bei weiterem Fortschreiten der Entwärmung berührt die Eisschicht die Behälterwandung 8, 10 wodurch eine bessere Wärmeleitfähigkeit zum Erdreich hergestellt wird, als sie Wasser eigen ist: = 0,56 und Eis = 2,2 W/mK nach Klaus Schimmelpfennig in 'Flächenwärmetauscher¹ auf Seite 81. Also ein fast 4 mal so großer Wärmeleitwert.

An der Außenwandung des Behälters kommt es ebenfalls zu Eisbildung und freiwerdender Erstarrungswärme- Nach Abschalten der Wärmepumpe bleibt die Eisschicht noch wenige Stunden erhalten , bis sie völlig abgetaut ist. Dieser segensreiche Umstand erhält also noch über diese Zeit eine erhebliche und überaus nützliche Temperaturdifferenz zum entfernteren Erdreich, wodurch ein kräftiger Wärmestrom in Richtung Behälter fließt. Natürlich auch aus dem inneren Flüssigkeitskern 22 des Behälters. Nach dieser Erholungsphase gleichen sich die Temperaturen wieder in etwa aus. Es dauert lange bis im angrenzenden Erdreich, in etwa 7 Metern Entfernung von der Behäl-

A₁ terwandung 8, meßbar eine nennenswerte Entwärmung sich einstellt, bei

ca. 100 kWh Verbrauch je Tag.

Die am Ende einer Heizperiode verbleibende Eisschichtdicke im Inneren des Behälters (Eismantel 20)^sowie die am äußeren Behälter im Erdreich, lassen Rückschlüsse über die Erdreichentwärmung zu. Daneben wird die entzogene Wärmemenge aus dem Erdreich gemessen.

Ab Mai vollzieht sich die Regenerierung des Erdreichs auf natürliche Weise-Dieser zeitlich sehr aufschlußreiche Vorgang ist einfach meßbar, an den wieder ansteigenden Temperaturen im Flüssifkern 22 des Behälters. Mit diesen Daten gewinnt man verläßliche Aussagen über die Ergiebigkeit des jeweils verschiedenen Erdreichs. Eine Abschätzung der Erdwärmekapazität je Bodenklasse ist rcl. genau möglich.

Der Wasserinhalt des Behälters bedarf u.U. einer Behandlung mit Schwimmbad Chemikalien zur Erhaltung sauberen Wassers, frei von Faulstoffen.

Die Kunststoffrohrleitung ist nahtlos aus einem Stück ausführbar.

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Claims

DIPL.-ING. HORST ERDMANN RINGSTR. 33 7530 ΡΓ ORZHE IM

Erdwärmeabsorber und -speicher mit 'peripher-Eisiatentsystem' fürNieder-Temperatur- Heizung

Patentansprüche:

Erdwärmeabsorber und -speicher in Behälterform mit integriertem Wärmetauscher für die Wärmeentnahme zur Betreibung eines Kältemittelverdampfers, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) unter dem Gebäude (2) im Erdreich (3) installiert ist, in welchem sich Wasser (4) befindet mit einem Luftraum (5) als Ausdehnungsreserve, wobei ein peripher angeordnetes, separates Durchflußsystem aus Rohren (6) quasi direkt mit dem Erdreich (3) kontaktiert ist,bei entsprechend geringem Wärmedurchlaßwiderstand der Behälterwandung (8) und Sole das Wärme-

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trägermedium ist. „

2. Erdwärmeabsorber und-speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter die Form eines Zylinders hat, der senkrecht im Erdreich (3) steht, wobei der Behälterboden (10) als Halbkugel ausgebildet ist,wogegen der Behälterdeckel (9) flach ausgeführt ist, versehen mit einer Einstiegsöffnung (11) durch welchen die Soleleitungen (15,16) geführt sind.

3. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälterboden (10) die ganzjährigen erdwarmen Bereiche von 7 bis 10° C konstanter Temperatur als Gründungssohle (12) hat. (Von der Erdoberfläche ca. 4 - 5 m tief.)

4. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffrohrleitungen mittels Haken (13) in ihrer Position gesichert sind^nd Anfang und Ende aus dem Behälter herausragen als Solevorlauf (15) und Solerücklauf (16) mit dem Verdampfer (21) verbunden sind.

5. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Solekreislauf (14) im Rohrleitungsnetz (6) geschwindigkeitsgeregelt ist und dadurch die Leistung steuerbar .eingerichtet ist.

6. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Luftwärmeabsorbers auf gleicher Solebasis über t

das Rohrleitungsnetz (6) eine Regeneratiop-von Erdreich (3) und I- lussig- '

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kern (22) gleichmäßig effektiv möglich ist.

7. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch 1, dadurch ^«-r^/r-=·. »^u-t, daß der Behälter (1) über die Öffnung (17) im Gebäude fuß bode« ,»_w<j.iM<jäjch ist.

8. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß bei bestehenden Gebäuden eine Unterbringung im ungcschüt?tcn Erdreich vorgesehen ist, wobei der Behälterdeckel (9) erddruckfesi und frostsicher ausgeführt ist, versehen mit einem Einstiegschacht.

9. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) in unterschiedlichen Werkstoffen ausführbar ist, wobei ein dem Erdwärmestrom angepaßter Wärmedurchlaßwiderstand vorgesehen ist, der diesen nicht nennenwert behindert.

'O. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrleitungsnetz (6) bei entsprechender Abkühlung der Sole

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im Kreislauf (14) relativ schnell einen Eismantel (20) im Bereich der Behälter-Innenwand (8) bildet und damit einen geringeren Wärmedurchlaßwiderstand 'verbunden mit einer langzeitig nachwirkehden Temperaturdifferenz.

11. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß im Eismantel (21) ständig ein Flüssigkeitskern (22) vorhanden ist, worüber die Ausdehnung in den Luftraum (5) erfolgt, je nach Eisbildung im Eismantel (21).

12. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erdwärmeabsorber und -speicher ein 'Peripher-Eislatentspeicher¹ ist, wodurch die Zonen der Wärmestromzu- und -abflüsse optimal nah beieinander angeordnet sind.

13. Erdwämreabsorber und -speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speicher-Regeneration mit einem Luftwärmeabsorber ohne Wärmepurrpenbetrieb möglich ist, allein durch Pumpenumwälzung iicr im Kreislauf Speicher-Absorber, wobei eine Umschaltung ub«-r rtr_Vr.c diesen Betrieb ermöglicht .neben dem Eismantel (2Oi-

14. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch '. ■*-*&<'-■net, daß ein Wärmezähler (18) die dem Erdrwc* · '? *"'-- ·~<~' registriert.

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15. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß durch die Anordnung eines peripheren Wärmetauschers, in Form des Rohrleitungsnetzes (6), Wärmeentzug oder -einspeicherung zu annähernd gleichen Teilen aus oder in zwei Speicher möglich ist, wobei der Flüssigkern (22) der eine Speicher ist und das Erdreich der andere.

16. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (19) durch Sensoren der Wärmepumpe gesteuert

" " ist. '

17. Erdwärmeabsorber und -speicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter i.d.R. mit dem Deckel (9) in der Ebene der Baugrubensohle höhenmäßig festgelegt ist, wobei ein Luftraum (23) zwischen UK. Betondecke (2) des Gebäudes und dem Deckel (9) des Behälters (1) zu berücksichtigen ist.

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