WO2009062721A2 - Geothermiesystem - Google Patents

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WO2009062721A2
WO2009062721A2 PCT/EP2008/009614 EP2008009614W WO2009062721A2 WO 2009062721 A2 WO2009062721 A2 WO 2009062721A2 EP 2008009614 W EP2008009614 W EP 2008009614W WO 2009062721 A2 WO2009062721 A2 WO 2009062721A2
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heat exchange
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heat
geothermiesystem
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Definitions

  • the invention relates to a geothermal system in which the heat exchange takes place with the water of the public water supply network and takes the priority of the German patent application 10 2007 054 472.5-15 to complete.
  • geothermal energy has recently gained in importance. Particularly in the case of large public facilities and building complexes, the geothermal energy supply is becoming increasingly economically attractive due to rising energy costs.
  • DE 199 19 555 C1 discloses a method for developing geothermal energy in which a bore is introduced into the ground by means of a controlled vertical drilling device.
  • the drill head of the vertical drilling device on a temperature sensor, by means of which the temperature is detected in the surrounding soil.
  • the control of the drilling process then takes place as a function of the temperature in the soil.
  • a heat exchanger tube geothermal probe
  • the heat exchanger means absorbs geothermal heat, which can be supplied via a heat exchanger for further use.
  • heat exchangers are either large-area in an open design
  • horizontal bores can be made from a pit with an uncontrolled horizontal boring device.
  • the vertical bores must generally have a considerable depth in order to provide the necessary surface for the heat exchange available. This leads to high costs when installing such systems.
  • Geothermal probes lies in the lower heat yield, which is due to the lower temperatures in shallow earth layers. Nevertheless, in order to be able to obtain a sufficient amount of heat overall, a large number of geothermal probes running in the immediate vicinity of each other are regularly introduced, which in turn leads to high installation costs. The high
  • EP 1 003 968 describes a technology in which existing drinking water pipes are used as a heat reservoir. This makes it possible to deliver the cold generated by the heat pump to an already existing and in constant exchange medium without consuming area or deep holes must be created. However, this technology has not been successful so far. A similar system is described in DE 28 34 442 A1.
  • the present invention seeks to provide a method and an apparatus in which the heat exchange with the public water supply network is optimized or simplified and water pollution is avoided.
  • the invention is based on the idea of a geothermal system with a heat exchanger in the form of easily installable in the public utility power pipe sections or to provide a heat exchanger within pipe sections.
  • the pipe section can be designed so that it represents the heat exchanger itself.
  • the cross section of the drinking water pipe is not narrowed.
  • the pipe section may have a larger outer diameter than the drinking water pipe and then be connected via a sleeve with the drinking water pipe.
  • the heat exchanger can have heat exchanger lines arranged parallel to the direction of flow of the water and, in a simple embodiment, merely represent an inner tube within the drinking water pipe. It is also possible that the lines have one or more changes of direction, so that the heat exchange medium makes several changes of direction when flowing through the tubes and flows alternately upstream and downstream.
  • heat-conducting structures can be provided up to a lining of the wall of the supply line.
  • the heat exchanger may also be arranged spirally within the pipe section. Its course can additionally a swirling of the water for the better
  • Heat exchange effect as is the case for example in a deviating from the axis of the supply line axis of the spiral.
  • the next spiral section is not in the "shadow" of the previous section.
  • Heat exchangers can thus be used in a modular manner for installation in an existing or to be created public network.
  • the heat exchanger can be used as a separate unit in the supply line or be part of the supply line.
  • the supply line can be equipped with heat exchangers from the outset.
  • public line or "supply line” is not limited to use in public utility networks, but is only intended to reflect the character of the line, which transports a specific volume of water sufficient for the heat exchange.
  • House lying pipe section of the supply line to be replaced by a pipe section according to the invention with a heat exchanger can be replaced by a pipe section according to the invention with a heat exchanger.
  • a heat exchanger according to the invention can be installed from the outset in the public supply line, so that only a connection to the heat pump are made got to.
  • the prefabricated pipe section with integrated heat exchanger allows both quality control and reproducible performance as well as easy installation.
  • Heat exchanger and pipe can thus already be created or subsequently used in the original installation of the drinking water supply.
  • the heat exchanger can also be introduced via an existing access in the pipe. This can be done for example by a shaft in which the heat exchanger is lowered and then moved horizontally to the level of an existing or to be created connection for the heat pump. It then only requires a connection of the heat exchanger with the inlet and the outlet of the heat pump.
  • an existing pipe section can be removed and replaced by a pipe section with heat exchanger and provided connection for a line of a heat pump.
  • the line of the heat pump itself can be designed as a heat exchanger. On the way to the water pipe and on the way back to the heat exchanger, heat can be extracted from the soil, since according to the invention a closed circuit can be provided between the heat exchanger and the drinking water pipe.
  • the method according to the invention makes it possible to inexpensively incorporate a geothermal system into an existing pipeline or to take it into account in the new construction without the risk of contamination of the drinking water occurring during introduction or operation.
  • the heat exchanger has a separate media circuit for this purpose. Contact between the medium circuit and the supply water is thus avoided. The corresponding legal provisions for the drinking water unit can thus be met.
  • Heat capacity up Typically, the water has a temperature of 10 0 C with variations depending on the season.
  • a medium cycle which passes through the heat pump on the one hand and the drinking water on the other hand, transports the medium between the heat pump and drinking water pipe back and forth, for heating the medium by heat removal in the heat pump, for example, cooled to 3 ° C and in the
  • Drinking water is reheated to 9 ° C.
  • the medium cycle can be controlled or regulated so that the flow rate allows optimal heat removal and can also be adapted to the seasonal changing temperature conditions.
  • a controller can prevent the lowering of the DHW temperature below 0 ° C to avoid icing.
  • the transport medium can be cooled down well below 0 ° C, as this does not necessarily lead to a cooling of the drinking water below 0 ° C.
  • the supply line to the drinking water pipe and / or the discharge to the heat pump can be designed so that an additional heat exchange is achieved.
  • the flowing supply water as the heat exchange medium absorbs the heat supplied by the heat pump via the medium cycle to the heat exchanger and transports it away. On the way of the water, for example, until the next delivery point, the water releases the cold back to the soil or returns to its original temperature. Due to the volume of the supply water only a small decrease in temperature takes place, so that there is no risk of deterioration of the water supply due to ice formation.
  • the temperature reduction has the advantage that the number of bacteria in the water is reduced.
  • the supply line at least in one section (for example, a subsequently introduced pipe section) preferably consist of a material which has a high thermal conductivity.
  • a metallic material and in particular stainless steel is suitable;
  • An alternative would be a plastic and in particular a particle and / or fiber reinforced plastic (eg with metal and / or carbon particles or - fibers).
  • the supply line can be provided with ribs at least in one section on its outer and / or inner lateral surface. These increase the contact surface of the supply line with the ground and / or the drinking water, which in turn can improve the heat transfer.
  • the ribs may preferably be aligned radially with respect to a circular cross-section supply line.
  • the supply line to the / the relevant section (s) can be wrapped with a filling material, which ensures a backlash-free contact of the supply line with the surrounding soil.
  • the filler should have the highest possible thermal conductivity.
  • a filling material is, for example, from the prior art known thermal cement.
  • Subsequent enveloping of the supply line with the filling material may be advantageous, in particular, when a pipe section having the heat exchanger is subsequently introduced by means of a trenchless laying method (for example pipe bursting).
  • a corresponding embodiment of the supply line should in particular be provided only where the average temperature of the soil is above the mean temperature of the drinking water.
  • the drinking water pipe can be designed in sections outside the range of heat exchange with the heat exchange medium so that the heat released to the heat exchanger is absorbed as quickly as possible from the surrounding soil to heat again in the course to submit more geothermal systems. These sections can also be arranged in preferred areas, such as in non-built-up sections or in water-bearing layers.
  • Figure 1 is a schematic representation of a structure according to the invention with a arranged in the supply line heat exchanger.
  • Figure 2 is a simple, arranged in the supply line, linear heat exchanger.
  • FIG. 3 shows a heat exchanger of FIG. 1 with a plurality of linear elements
  • FIG. 4 shows another embodiment of a arranged in the supply line heat exchanger with a spiral structure.
  • Fig. 5 shows another embodiment of the heat exchanger of Fig. 3;
  • FIG. 6 shows a heat exchanger of Figure 3 with deviating from the axis of the water pipe course.
  • Fig. 7 is a designed for improved heat exchange with the soil
  • FIG. 8 shows the supply line of FIG. 7 with a jacket
  • FIG. 9 shows the supply line of FIG. 7 with a casing after introduction by means of pipe bursting
  • FIG. 10 shows a supply line designed for an improved heat exchange with the ground in a second embodiment in cross section.
  • a public water pipe 100 runs near a building 150.
  • a heat pump 140 is arranged, which has a loop 160, 170 with a cooling medium circuit.
  • the loop 160, 170 extends from the heat pump 140 through the house wall 180 and the adjacent soil 110 to the water pipe 100 and there flows into a heat exchanger 120, which is arranged in a modular pipe section 130.
  • the heat exchanger 120 is in physical contact with the water of the public water pipe 100, so that a transfer of the (lower) temperature of the heat pump medium to the wall of the heat exchanger 120 and finally to the flowing water is possible. That's why as a result, to a heating of the medium, which can be implemented in the heat pump in heating power.
  • a pipe section 130 can be introduced into a water pipe 100 in a simple manner in a modular manner and / or subsequently.
  • the heat exchanger can thus be used with an existing water line without or with minimal interference with the integrity of the line and without risk of contamination of the water.
  • the heat exchanger 220 is formed as a linear tube within a pipe section 230. This represents a simple, inexpensive construction.
  • the heat exchanger 320 of FIG. 2 is guided linearly but in a plurality of loops within the tube section 330. Im pictured
  • Cross-section A-A and B-B can be seen how the channels of the heat exchanger 320 are arranged on ribs 350, which additionally support the heat exchange.
  • the tube may be lined with heat conducting material. This in each case allows an increase in the heat exchange capacity on the same route section compared with the embodiment of FIG. 2.
  • the diameter of the pipe section with heat exchanger can then be dimensioned so that the flow cross section remains unchanged despite the heat exchanger used.
  • a heat exchanger 520 according to FIG. 5 can also be used, which for the purpose of better heat exchange
  • a spiral-shaped heat exchanger 620 is shown, which has an axis A, which deviates from the axis of the pipe section 630. This additionally allows a better utilization of the heat capacity of the water, since the temperature shadow of the preceding coil section does not or at least less affects the subsequent coil section. In addition, there is an advantageous turbulence of
  • the heat exchanger can already be provided during the production of the water pipe and be entrained in laying the water pipe 1 or subsequently introduced by replacing individual pipe segments as a module in an existing water pipe.
  • FIGS. 7 to 9 show a first embodiment of a pipe section 730 designed for good heat transfer from the soil 710 to the drinking water flowing in the supply pipe.
  • the circular cross-section pipe section is this provided on its outer surface with radially oriented ribs 731, which increase the contact surface of the pipe section 730 with the soil and thereby improve the heat transfer from the soil to the located within the pipe section drinking water.
  • the pipe section 730 is additionally coated with a thermo-concrete 790 as filler, which makes a direct contact of the pipe section 730 with the soil 710 and thereby further the heat transfer from the soil to the pipe section and consequently to the drinking water can improve.
  • FIG. 9 additionally shows shards 791 of a broken old pipe. These may be present, for example, when a new supply line (or a corresponding pipe section 730), which according to the invention has a heat exchanger, is exchanged by means of a trenchless laying method (for example pipe bursting).
  • a trenchless laying method for example pipe bursting.
  • FIG. 10 shows a tube section 830 in which, in addition to the ribs 831, corresponding ribs 832 are provided on the inner circumferential surface on the outer lateral surface. These are intended to increase the heat transfer from the soil to the soil by increasing the contact area of the pipe section with the drinking water Increase drinking water again.
  • the inside ribs 832 may not be provided in each portion of the supply line because they narrow the flow area of the supply line and may also complicate an inspection of the supply line, for example by self-propelled inspection devices.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Geothermiesystem zum Wärmetausch mit dem Wasser einer öffentlichen Versorgungsleitung, wobei der Wärmetauscher innerhalb der Versorgungsleitung angeordnet ist und als Rohrabschnitt modulartig eingesetzt wird.

Description

"Geothermiesystem"
Die Erfindung betrifft ein Geothermiesystem, bei dem der Wärmetausch mit dem Was- ser des öffentlichen Wasserversorgungsnetzes stattfindet und nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2007 054 472.5-15 in Anspruch.
Die Erschließung geothermaler Energie hat in jüngster Zeit an Bedeutung gewonnen. Insbesondere bei großen, öffentlichen Anlagen und Gebäudekomplexen wird die geo- thermale Energieversorgung aufgrund der steigenden Energiekosten zunehmend wirtschaftlich interessant.
Für die Nutzung der Erdwärme mit einer Wärmepumpe, die die beim Heizen mit einer Wärmepumpe erzeugte Kälte über einen Wärmetauscher abführt, werden heutzutage tiefe vertikale oder großflächige horizontale Bohrungen in das Erdreich eingebracht, in denen Erdwärmesonden verlegt werden.
Beispielsweise aus DE 199 19 555 C1 ist ein Verfahren zum Erschließen geothermaler Energie bekannt, bei dem mittels einer gesteuerten Vertikalbohrvorrichtung eine Boh- rung in das Erdreich eingebracht wird. Hierbei weist der Bohrkopf der Vertikalbohrvorrichtung einen Temperatursensor auf, mittels dessen die Temperatur im umgebenden Erdreich erfasst wird. Die Steuerung des Bohrverlaufs erfolgt dann in Abhängigkeit von der Temperatur im Erdreich. Anschließend wird ein Wärmetauscherrohr (Erdwärmesonde) in die Erdbohrung eingebracht, durch das ein Wärmetauschermittel geführt wird. Das Wärmetauschermittel nimmt Erdwärme auf, die über einen Wärmetauscher einer weiteren Nutzung zugeführt werden kann.
Bei Verfahren, bei denen im wesentlichen horizontale Bohrungen in das Erdreich eingebracht werden, werden entweder in offener Bauweise Wärmetauscher großflächig
BESTÄTIG1. IM« wo»«* verlegt oder ausgehend von der Erdoberfläche Bohrungen schräg in das Erdreich eingebracht und nach Erreichen einer vorbestimmten Tiefe die Bohrung in einer horizontalen Richtung weitergeführt. Alternativ können aus einer Grube heraus Horizontalbohrungen mit einer ungesteuerten Horizontalbohrvorrichtung ausgeführt werden.
Die Vertikalbohrungen müssen in der Regel eine nicht unerhebliche Tiefe aufweisen, um die notwendige Oberfläche für den Wärmetausch zur Verfügung zu stellen. Dies führt zu hohen Kosten bei der Installation solcher Systeme.
Ein wesentlicher Nachteil von horizontal verlaufenden, in geringen Tiefen verlegten
Erdwärmesonden liegt in der geringeren Wärmeausbeute, die auf die geringeren Temperaturen in oberflächennahen Erdschichten zurückzuführen ist. Um dennoch insgesamt eine ausreichende Wärmemenge gewinnen zu können, werden daher regelmäßig eine Vielzahl von in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander verlaufenden Erdwärme- sonden eingebracht, was wiederum zu hohen Installationskosten führt. Die hohen
Kosten stehen derzeit einer weiten Verbreitung der Geothermie, insbesondere im städtischen Bereich noch entgegen.
Demgegenüber ist in der EP 1 003 968 eine Technologie beschrieben, bei der beste- hende Trinkwasserleitungen als Wärmereservoir Verwendung finden. Dies erlaubt es, die von der Wärmepumpe erzeugte Kälte an ein ohnehin vorhandenes und im ständigen Austausch befindliches Medium abzugeben, ohne dass aufwendige Flächen- oder Tiefenbohrungen erstellt werden müssen. Diese Technologie hat sich jedoch bislang nicht durchsetzen können. Ein ähnliches System ist in der DE 28 34 442 A1 beschrie- ben.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei dem der Wärmetausch mit dem öffentlichen Wasserversorgungsnetz optimiert bzw. vereinfacht wird und eine Wasser- Verschmutzung vermieden wird.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Geothermiesystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein Geothermiesystem mit Wärmetauscher in Form von einfach in das öffentliche Versorgungsnetz verbaubaren Rohrabschnitten oder einen Wärmetauscher innerhalb von Rohrabschnitten bereitzustellen. Der Rohrabschnitt kann dabei so ausgebildet sein, dass er selber den Wärmetauscher darstellt.
Vorzugsweise wird der Querschnitt der Trinkwasserleitung nicht verengt. Der Rohrabschnitt kann dabei einen größeren Außendurchmesser als das Trinkwasserrohr auf- weisen und dann über eine Manschette mit der Trinkwasserleitung verbunden sein.
Der Wärmetauscher kann parallel zur Fliessrichtung des Wassers angeordnete Wärmetauscherleitungen aufweisen und in einer einfachen Ausgestaltung lediglich ein Innenrohr innerhalb des Trinkwasserrohrs darstellen. Dabei ist es auch möglich, dass die Leitungen einen oder mehrere Richtungswechsel aufweisen, so dass das Wärme- tauschmedium beim Durchfließen der Rohre mehrere Richtungswechsel vornimmt und wechselweise stromauf und stromab fließt. Zusätzlich können Wärme leitende Strukturen bis hin zu einer Auskleidung der Wandung der Versorgungsleitung vorgesehen sein.
Der Wärmetauscher kann innerhalb des Rohrabschnitts auch spiralförmig angeordnet sein. Sein Verlauf kann zusätzlich eine Verwirbelung des Wassers zum besseren
Wärmetausch bewirken, wie dies beispielsweise bei einer von der Achse der Versorgungsleitung abweichenden Achse der Spirale der Fall ist. Dabei liegt der jeweils nächste Spiralabschnitt nicht im „Schatten" des vorausgehenden Abschnitts.
Wärmetauscher können somit baukastenartig zum Einbau in ein bestehendes oder zu erstellendes öffentliches Leitungsnetz eingesetzt werden. Der Wärmetauscher kann als gesonderte Einheit in die Versorgungsleitung eingesetzt oder Bestandteil der Versorgungsleitung sein. So kann auch von vornherein die Versorgungsleitung mit Wärmetauschern ausgestattet sein.
Erfindungsgemäß ist der Begriff "öffentliche Leitung" oder "Versorgungsleitung" nicht auf den Einsatz in öffentlichen Versorgungsnetzen beschränkt, sondern soll nur den Charakter der Leitung widerspiegeln, die ein bestimmtes für den Wärmetausch ausreichendes Wasservolumen transportiert.
Bei Einbau einer Wärmepumpe, beispielsweise in ein Wohnhaus, kann der vor dem
Haus liegende Rohrabschnitt der Versorgungsleitung durch einen erfindungsgemäßen Rohrabschnitt mit Wärmetauscher ersetzt werden. Alternativ kann ein Wärmetauscher erfindungsgemäß von vornherein in die öffentliche Versorgungsleitung eingebaut werden, so dass lediglich ein Anschluss an die Wärmepumpe vorgenommen werden muss. Der vorgefertigte Rohrabschnitt mit integriertem Wärmetauscher erlaubt sowohl eine Qualitätskontrolle und reproduzierbare Leistung als auch einen einfachen Einbau.
Wärmetauscher und Leitung können somit bei der ursprünglichen Installation der Trinkwasserversorgung bereits angelegt oder nachträglich eingesetzt werden. Beim nachträglichen Einsetzen kann der Wärmetauscher auch über einen bestehenden Zugang in das Rohr eingebracht werden. Dies kann beispielsweise durch einen Schacht erfolgen, in den der Wärmetauscher herabgelassen und dann horizontal bis auf die Höhe eines vorhandenen oder zu erstellenden Anschlusses für die Wärme- pumpe verschoben wird. Es bedarf dann lediglich eines Verbindens des Wärmetauschers mit dem Zu- und dem Ablauf der Wärmepumpe.
Alternativ kann ein bestehender Rohrabschnitt entfernt und durch einen Rohrabschnitt mit Wärmetauscher und vorgesehenem Anschluss für eine Leitung einer Wärmepumpe ersetzt werden.
Auch die Leitung der Wärmepumpe selbst kann als Wärmetauscher ausgebildet sein. So lässt sich auf dem Weg zu dem Wasserrohr und auf dem Rückweg zum Wärmetauscher dem Erdreich zusätzlich Wärme entziehen, da erfindungsgemäß ein geschlosse- ner Kreislauf zwischen Wärmetauscher und Trinkwasserleitung vorgesehen sein kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, ein Geothermiesystem kostengünstig in eine bestehende Leitung einzubringen oder bei der Neuerstellung bereits zu berücksichtigen, ohne dass beim Einbringen oder im Betrieb die Gefahr der Verschmutzung des Trinkwassers besteht. Der Wärmetauscher besitzt hierzu einen getrennten Medienkreislauf. Ein Kontakt zwischen dem Medienkreislauf und dem Versorgungswasser wird so vermieden. Die entsprechenden gesetzlichen Bestimmungen zur Trinkwassereinheit können somit erfüllt werden.
Das durchfließende Wasser eines typischen Trinkwasserrohres weist eine erhebliche
Wärmekapazität auf. Typischerweise hat das Wasser eine Temperatur von 100C mit Abweichungen je nach Jahreszeit. Ein Medienkreislauf, der die Wärmepumpe einerseits und das Trinkwasser andererseits durchläuft, transportiert das Medium zwischen Wärmepumpe und Trinkwasserleitung hin und her, wobei zum Heizen das Medium durch Wärmeentnahme in der Wärmepumpe beispielsweise auf 3° C abgekühlt und im
Trinkwasser wieder auf 9° C erwärmt wird. Dabei kann der Medienkreislauf so gesteuert oder geregelt sein, das die Durchflussgeschwindigkeit eine optimale Wärmentnahme erlaubt und auch den jahreszeitlich wechselnden Temperaturgegebenheiten angepasst sein kann. Zusätzlich kann ein Regler die Absenkung der Trinkwassertemperatur unter 0° C verhindern, um eine Vereisung zu vermeiden. Dabei kann das Transportmedium durchaus unter 0° C heruntergekühlt werden, da dies nicht zwangsläufig zu einer Abkühlung des Trinkwassers unter 0° C führt.
Unabhängig davon kann die Zuleitung zum Trinkwasserrohr und/oder die Ableitung zur Wärmepumpe so ausgestaltet sein, dass ein zusätzlicher Wärmetausch erreicht wird.
Dies kann auch durch ein Zwischenschalten von Elementen mit zusätzlicher Oberfläche, bei ausreichenden Platzreserven auch durch herkömmliche horizontale oder vertikale Wärmetausche oder durch andere Maßnahmen der zusätzlichen Wärmegewinnung verwirklicht sein. Die vorstehenden Prinzipien lassen sich im Sommer auch zum Abkühlen des Mediums bzw. der Abnehmeranlage im Sinne einer Klimaanlage einsetzen.
Das fließende Versorgungswasser als Wärmetauschmedium nimmt die von der Wärmepumpe über den Medienkreislauf zugeführte Kälte an dem Wärmetauscher auf und transportiert diese ab. Auf dem weiteren Weg des Wassers, beispielsweise bis zur nächsten Abnahmestelle, gibt das Wasser die Kälte wieder an das Erdreich ab bzw. nimmt seine ursprüngliche Temperatur wieder an. Aufgrund des Volumens des Versorgungswassers findet nur eine geringe Temperaturabsenkung statt, so dass keine Gefahr der Beeinträchtigung der Wasserversorgung durch Eisbildung besteht. Die Temperaturabsenkung hat vielmehr den Vorteil, dass die Keimzahl im Wasser verringert wird.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Wärmeübergang von dem Erdreich auf die Versorgungsleitung dazu zu nutzen, die Temperatur des Trinkwassers und damit Leistung des Wärmetauschers zu erhöhen. Hierzu kann die Versorgungsleitung zumindest in einem Abschnitt (z.B. ein nachträglich eingebrachter Rohrabschnitt) vorzugsweise aus einem Werkstoff bestehen, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Hierfür eignet sich beispielsweise ein metallischer Werkstoff und insbesondere Edelstahl; eine Alternative wäre ein Kunststoff und insbesondere ein Partikel- und/oder Faserverstärkter Kunststoff (z.B. mit Metall- und/oder Kohlenstoffpartikeln bzw. - fasern). Hierdurch kann der Wärmeübergang von dem Erdreich auf das Trinkwasser verbessert werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, eine Versorgungsleitung einfach aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff vorzusehen, so dass auf die ansonsten übliche Verkleidung innen mit Beton und außen mit Bitumen verzichtet werden kann. Eine durch die beiden Verkleidungen bedingte Isolierung könnte dadurch verhindert werden.
Weiterhin bevorzugt kann die Versorgungsleitung zumindest in einem Abschnitt an ihrer äußeren und/oder inneren Mantelfläche mit Rippen versehen sein. Diese erhöhen die Kontaktfläche der Versorgungsleitung mit dem Erdreich und/oder dem Trinkwasser, wodurch wiederum der Wärmeübergang verbessert werden kann. Die Rippen können vorzugsweise radial bezüglich einer im Querschnitt kreisförmigen Versorgungsleitung ausgerichtet sein.
Weiterhin kann die Versorgungsleitung an dem/den relevanten Abschnitt(en) mit einem Füllmaterial umhüllt werden, das für einen möglichst spielfreien Kontakt der Versorgungsleitung mit dem umgebenden Erdreich sorgt. Zur weiteren Verbesserung des Wärmeübergangs sollte das Füllmaterial eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Als Füllmaterial eignet sich beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannter Thermo-Zement. Ein nachträgliches Umhüllen der Versorgungsleitung mit dem Füllmaterial kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn ein den Wärmetauscher aufweisender Rohrabschnitt nachträglich mittels grabenloser Verlegeverfahren (z.B. Rohrbersten) eingebracht wird. Durch das nachträgliche
Einpressen des Füllmaterials wird gleichzeitig das die Versorgungsleitung umgebende Erdreich selbst verpresst, wodurch auch dessen Wärmeleitfähigkeit verbessert wird.
Eine entsprechende Ausgestaltung der Versorgungsleitung sollte insbesondere lediglich dort vorgesehen sein, wo die mittlere Temperatur des Erdreichs über der mittleren Temperatur des Trinkwassers liegt.
Zur Verbesserung des Wärmetauschs des Trinkwassers mit dem Erdreich kann das Trinkwasserrohr auch in Abschnitten außerhalb des Bereichs des Wärmetauschs mit dem Wärmetauschmedium so ausgestaltet sein, dass die an den Wärmetauscher abgegebene Wärme möglichst schnell vom umgebenden Erdreich wieder aufgenommen wird, um im weiteren Verlauf erneut Wärme an weitere Geothermiesysteme abgeben zu können. Diese Abschnitte können auch in bevorzugten Bereichen angeordnet sein, wie beispielsweise in nicht bebauten Abschnitten oder in Wasser führenden Schichten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Aufbaus mit einem in der Versorgungsleitung angeordneten Wärmetauscher;
Fig. 2 ein einfacher, in der Versorgungsleitung angeordneter, linearer Wärmetauscher;
Fig. 3 ein Wärmetauscher der Figur 1 mit mehreren linearen Elementen;
Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel eines in der Versorgungsleitung angeordneten Wärmetauschers mit spiralförmigem Aufbau;
Fig. 5 eine andere Ausführungsform des Wärmetauschers der Figur 3;
Fig. 6 ein Wärmetauscher der Figur 3 mit von der Achse der Wasserleitung abweichendem Verlauf;
Fig. 7 eine für einen verbesserten Wärmetausch mit dem Erdreich ausgelegte
Versorgungsleitung in einer ersten Ausführungsform im Querschnitt;
Fig. 8 die Versorgungsleitung der Fig. 7 mit einer Umhüllung;
Fig. 9 die Versorgungsleitung der Fig. 7 mit einer Umhüllung nach dem Einbringen mittels Rohrberstens; und
Fig. 10 eine für einen verbesserten Wärmetausch mit dem Erdreich ausgelegte Versorgungsleitung in einer zweiten Ausführungsform im Querschnitt.
Eine öffentliche Wasserleitung 100 verläuft in der Nähe eines Gebäudes 150. Im Gebäude 150 ist eine Wärmepumpe 140 angeordnet, die eine Ringleitung 160, 170 mit einem Kühlmedienkreislauf aufweist. Die Ringleitung 160, 170 verläuft von der Wärmepumpe 140 durch die Hauswand 180 und das angrenzende Erdreich 110 zur Wasserleitung 100 und mündet dort in einen Wärmetauscher 120, der in einem modulartigen Rohrabschnitt 130 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 120 steht in körperlichem Kontakt mit dem Wasser der öffentlichen Wasserleitung 100, so dass eine Übertragung der (niedrigeren) Temperatur des Wärmepumpenmediums auf die Wandung des Wärmetauschers 120 und schließlich auf das fließende Wasser möglich ist. So kommt es im Ergebnis zu einer Erwärmung des Mediums, welche in der Wärmepumpe in Heizleistung umgesetzt werden kann.
Bei der beschriebenen Ausführungsform kann ein Rohrabschnitt 130 auf einfache Weise modulartig und /der nachträglich in eine Wasserleitung 100 eingebracht werden.
Ferner ist ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Wärmepumpenmedium und dem Trinkwasser ausgeschlossen.
Bei Verwendung eines über das Mannloch 2 einzubringenden Wärmetauschers findet außer dem Verbinden mit der Wärmepumpe überhaupt kein Eingriff in die Wasserleitung 1 statt.
Der Wärmetauscher kann so bei einer bestehenden Wasserleitung ohne oder mit minimalem Eingriff in die Integrität der Leitung und ohne Gefahr einer Verschmutzung des Wassers eingesetzt werden.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 220 als lineares Rohr innerhalb eines Rohrabschnitts 230 ausgebildet. Dies stellt eine einfache kostengünstige Konstruktion dar. In Fig. 3 ist der Wärmetauscher 320 der Fig. 2 linear aber in mehreren Schleifen innerhalb des Rohrabschnitts 330 geführt. Im abgebildeten
Querschnitt A-A und B-B lässt sich erkennen, wie die Kanäle des Wärmetauschers 320 auf Rippen 350 angeordnet sind, die den Wärmetausch zusätzlich unterstützen. Zusätzlich kann das Rohr mit Wärme leitendem Material ausgekleidet sein. Dies erlaubt jeweils eine Erhöhung Wärmetauschleistung auf demselben Streckenabschnitt gegenüber der Ausführungsform der Fig. 2.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform mit einem spiralförmigen Wärmetauscher 420 innerhalb eines Rohrabschnitts 430 dargestellt. Hierbei ist die mit dem Wasser pro Streckenabschnitt in Kontakt stehende Fläche noch weiter vergrößert.
Oftmals darf der Durchflussquerschnitt der Wasserversorgungsleitung nicht verkleinert werden. Hierzu kann dann der Durchmesser des Rohrabschnitts mit Wärmetauscher so dimensioniert sein, dass der Durchflussquerschnitt trotz des eingesetzten Wärmetauschers unverändert bleibt. Besonders in diesen Fällen kann auch ein Wärmetau- scher 520 gemäß Fig. 5 eingesetzt werden, der zwecks besseren Wärmetauschs einen
Abstand zur Wandung eines Rohrabschnitts 530 aufweist. In Fig. 6 ist ein spiralförmiger Wärmetauscher 620 dargestellt, der eine Achse A aufweist, welche von der Achse des Rohrabschnitts 630 abweicht. Dies erlaubt zusätzlich ein bessere Nutzung der Wärmekapazität des Wassers, da sich der Temperaturschatten des vorhergehenden Wendelabschnitts nicht oder zumindest weniger auf den fol- genden Wendelabschnitt auswirkt. Zusätzlich findet eine vorteilhafte Verwirbelung des
Wassers statt.
Der Wärmetauscher kann bereits bei der Herstellung der Wasserleitung vorgesehen und beim Verlegen der Wasserleitung 1 mitverlegt werden oder auch nachträglich durch Austausch einzelner Rohrsegmente als Modul in eine bestehende Wasserleitung eingebracht werden.
Die Fig. 7 bis 9 zeigen eine erste Ausführungsform eines Rohrabschnitts 730, das hinsichtlich eines guten Wärmeübergangs von dem Erdreich 710 auf das in dem Versorgungsrohr fließende Trinkwasser ausgelegt wurde. Der im Querschnitt kreisförmige Rohrabschnitt ist hierzu an seiner äußeren Mantelfläche mit radial ausgerichteten Rippen 731 versehen, die die Kontaktfläche des Rohrabschnitts 730 mit dem Erdreich erhöhen und dadurch den Wärmeübergang von dem Erdreich auf das sich innerhalb des Rohrabschnitts befindliche Trinkwasser verbessern können.
In den Fig. 8 und 9 ist der Rohrabschnitt 730 zusätzlich mit einem Thermo-Beton 790 als Füllstoff umhüllt, der einen direkten Kontakt des Rohrabschnitts 730 mit dem Erdreich 710 herstellt und hierdurch den Wärmeübergang von dem Erdreich auf den Rohrabschnitt und folglich auf das Trinkwasser weiter verbessern kann.
Die Fig. 9 zeigt zusätzlich noch Scherben 791 eines geborstenen Altrohrs. Diese können beispielsweise dann vorliegen, wenn eine neue Versorgungsleitung (bzw. ein entsprechender Rohrabschnitt 730), die erfindungsgemäß einen Wärmetauscher aufweist, mittels eines grabenlosen Verlegeverfahrens (z.B. Rohrbersten) ausgetauscht wird. Die Rippen 731 an der äußeren Mantelfläche des Rohrabschnitts
730 verbessern in diesem Fall nicht nur den Wärmeübergang von dem Erdreich auf das Trinkwasser, sondern sie schützen den Rohrabschnitt 730 zudem vor einer Beschädigung durch die oftmals scharfkantigen Scherben 791.
Die Fig. 10 zeigt eine Rohrabschnitt 830, bei der zusätzlich zu den Rippen 831 auf der äußeren Mantelfläche entsprechende Rippen 832 auf der inneren Mantelfläche vorgesehen sind. Diese sollen durch eine Erhöhung der Kotaktfläche des Rohrabschnitts mit dem Trinkwasser den Wärmeübergang von dem Erdreich auf das Trinkwasser nochmals erhöhen. Gegebenenfalls können die innenseitigen Rippen 832 jedoch nicht in jedem Abschnitt der Versorgungsleitung vorgesehen sein, weil sie die Durchflussfläche der Versorgungsleitung verengen und gegebenenfalls auch eine Inspektion der Versorgungsleitung beispielsweise durch selbstfahrende Inspektionsvorrichtungen erschweren können.

Claims

Patentansprüche:
1. Geothermiesystem zum Wärmetausch mit dem Wasser einer öffentlichen Versorgungsleitung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (120) modulartig innerhalb der Versorgungsleitung (100) angeordnet ist.
2. Geothermiesystem zum Wärmetausch nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (220) einen linearen Verlauf mit einem oder mehreren parallel verlaufenden Wärmetauschrohren aufweist.
3. Geothermiesystem mit einer Vorrichtung zum Wärmetausch nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (420) spiralförmig ausgebildet ist.
4. Geothermiesystem mit einer Vorrichtung zum Wärmetausch nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (520) von der Wandung der Versorgungsleitung (500) beabstandet ist.
5. Geothermiesystem mit einer Vorrichtung zum Wärmetausch nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (620) einer von der
Achse der Versorgungsleitung abweichende Achse (A) aufweist.
6. Geothermiesystem mit einer Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und die Ableitung (360, 370) des Wärmetauschers (320) nebeneinander angeordnet sind.
7. Geothermiesystem mit einer Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und/oder die Ableitung des Wärmetauschers zur Versorgungsleitung derart ausgebildet sind, dass ein zusätzlicher Wärmetausch auf dem Hin- und/oder dem Rückweg stattfindet.
8. Geothermiesystem mit einer Vorrichtung zum Wärmetausch nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und/oder Ableitung des Wärmetauschers zur Versorgungsleitung als horizontaler oder vertikaler im
Erdreich verlegter Wärmetauscher ausgebildet sind.
9. Geothermiesystem mit einer Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (320) auf Wärme leitenden Stützstrukturen (350) angeordnet ist oder zusätzliche Wärmeleitstrukturen aufweist.
10. Geothermiesystem mit einer Vorrichtung zum Wärmetausch mit dem Versorgungswasser und einem Medienkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienkreislauf eine Steuerung oder Regelung der Fliessgeschwindigkeit des Mediums aufweist.
11. Geothermiesystem mit einer Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschmedium unter 0° C flüssig ist.
12. Geothermiesystem mit einer Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung derart ausgebildet ist, dass ein verbesserter Wärmetausch mit dem Erdreich stattfindet.
13. Geothermiesystem gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Versorgungsleitung zumindest in einem Abschnitt aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.
14. Georthermiesystem gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung zumindest in einem Abschnitt an der inneren und/oder äußeren Mantelfläche mit Rippen versehen ist.
15. Georthermiesystem gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung mit einem Füllmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit umhüllt ist.
16. Wasserleitung mit einer oder mehreren Vorrichtung(en) zum Wärmetausch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Wärmetauscher in der zu verlegenden Wasserleitung (100) bereits vorgesehen ist/sind.
17. Verfahren zum Einbau eines Wärmetauschers in ein öffentliches Versorgungsnetz, dadurch gekennzeichnet, dass in eine bestehende Versorgungsleitung ein Rohrabschnitt (130) mit Wärmetauscher (120) modulartig eingesetzt wird.
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt (130) mit einem Füllmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit umhüllt wird.
19. Verfahren zum Einbau eines Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einen bestehenden Rohrabschnitt einer Versorgungsleitung ein Wärmetauscher (120) grabenlos von einem bestehenden Schacht aus horizontal in den Rohrabschnitt eingeführt und mit einer Zu- und Ableitung für das Wärmetauschmedium verbunden wird.
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