DE102007054472B4

DE102007054472B4 - Geothermiesystem

Info

Publication number: DE102007054472B4
Application number: DE102007054472A
Authority: DE
Inventors: Fanz-Josef Püttmann
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2027-11-14
Also published as: WO2009062721A2; GB2467280B; WO2009062721A3; US20100252228A1; DE102007054472A1; GB2467280A; GB201009543D0

Abstract

Geothermiesystem zum Wärmetausch mit dem Wasser einer öffentlichen Versorgungsleitung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauschermodul, das einen in einen Rohrabschnitt (130; 230; 330; 430; 530; 630) integrierten Wärmetauscher (120; 220; 320; 420; 520; 620) umfasst, in die Versorgungsleitung (100) eingesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Geothermiesystem, bei dem der Wärmetausch mit dem Wasser des öffentlichen Wasserversorgungsnetzes stattfindet.
Die Erschließung geothermaler Energie hat in jüngster Zeit an Bedeutung gewonnen. Insbesondere bei großen, öffentlichen Anlagen und Gebäudekomplexen wird die geothermale 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 Bohrung 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 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 Erdwärmesonden 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 bestehende 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 beschrieben.
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 Wasserverschmutzung 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 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 aufweisen 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 Wärmetauschmedium beim Durchfließen der Rohre mehrere Richtungswechsel vornimmt und wechselweise stromauf- und stromab fließt. Zusätzlich können Wärme leitende Struktu ren 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 werden somit baukastenartig zum Einbau in ein bestehendes oder zu erstellendes öffentliches Leitungsnetz eingesetzt. Der Wärmetauscher wird als gesonderte Einheit in die Versorgungsleitung eingesetzt
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.
Beim 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 Rohrabschnitt mit 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 Wärmepumpe verschoben wird. Es bedarf dann lediglich eines Verbindens des Wärmetauschers mit dem Zu- und dem Ablauf der Wärmepumpe. Dabei wird ein bestehender Rohrabschnitt entfernt und durch einen Rohrabschnitt mit Wärmetauscher und vorgesehenem Anschluss für eine Leitung einer Wärmepumpe ersetzt.
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 Wärmetau scher dem Erdreich zusätzlich Wärme entziehen, da erfindungsgemäß ein geschlossener 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 10°C 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 Wärmetauscher 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 Versor gungswassers 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.
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 wasserführenden Schichten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Aufbaus mit einem in der Versorgungsleitung angeordneten Wärmetauscher;
2 ein einfacher in der Versorgungsleitung angeordneter linearer Wärmetauscher;
3 ein Wärmetauscher der 1 mit mehreren linearen Elementen;
4 ein anderes Ausführungsbeispiel eines in der Versorgungsleitung angeordneten Wärmetauschers mit spiralförmigem Aufbau;
5 eine andere Ausführungsform des Wärmetauschers der 3 und
6 ein Wärmetauscher der 3 mit von der Achse der Wasserleitung abweichendem Verlauf.
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 Wär metauschers 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 nachträglich in eine Wasserleitung 100 eingebracht werden. Ferner ist ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Wärmepumpenmedium und dem Trinkwasser ausgeschlossen.
Bei Verwendung eines über ein Mannloch einzubringenden Wärmetauschers 120 findet außer dem Verbinden mit der Wärmepumpe 140 überhaupt kein Eingriff in die Wasserleitung 100 statt.
Der Wärmetauscher 140 kann so bei einer bestehenden Wasserleitung 100 ohne oder mit minimalem Eingriff in die Integrität der Wasserleitung 100 und ohne Gefahr einer Verschmutzung des Wassers eingesetzt werden.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 220 als lineares Rohr innerhalb eines Rohrabschnitts 230 ausgebildet. Dies stellt eine einfache kostengünstige Konstruktion dar. In 3 ist der Wärmetauscher 320 der 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 der Wärmetauschleistung auf demselben Streckenabschnitt gegenüber der Ausführungsform der 2.
In 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 Wärmetauscher 520 gemäß 5 eingesetzt werden, der zwecks besseren Wärmetauschs einen Abstand zur Wandung eines Rohrabschnitts 530 aufweist.
In 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 Temperaturschat ten des vorhergehenden Wendelabschnitts nicht oder zumindest weniger auf den folgenden Wendelabschnitt auswirkt. Zusätzlich findet eine vorteilhafte Verwirbelung des Wassers statt.
Der Wärmetauscher wird nachträglich durch Austausch einzelner Rohrsegmente als Modul in eine bestehende Wasserleitung eingebracht.

Claims

Geothermiesystem zum Wärmetausch mit dem Wasser einer öffentlichen Versorgungsleitung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauschermodul, das einen in einen Rohrabschnitt (130; 230; 330; 430; 530; 630) integrierten Wärmetauscher (120; 220; 320; 420; 520; 620) umfasst, in die Versorgungsleitung (100) eingesetzt ist.
Geothermiesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (220) einen linearen Verlauf mit einem oder mehreren parallel verlaufenden Wärmetauschrohren aufweist.
Geothermiesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (420; 520; 620) spiralförmig ausgebildet ist.
Geothermiesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (520; 620) von der Wandung des Rohrabschnitts (530; 630) beabstandet ist.
Geothermiesystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (620) eine von der Achse der Versorgungsleitung abweichende Achse (A) aufweist.
Geothermiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und die Ableitung (360, 370) des Wärmetauschers (320) nebeneinander angeordnet sind.
Geothermiesystem 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.
Geothermiesystem 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.
Geothermiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (320) auf Wärme leitenden Stützstrukturen (350) angeordnet ist oder zusätzliche Wärmeleitstrukturen aufweist.
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.
Geothermiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauschmedium unter 0°C flüssig ist.
Geothermiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung derart ausgebildet ist, dass ein verbesserter Wärmetausch mit dem Erdreich stattfindet.
Verfahren zum Einbau eines Wärmetauschers in ein öffentliches Versorgungsnetz, dadurch gekennzeichnet, dass in eine bestehende Versorgungsleitung ein Rohrabschnitt (130; 230; 330; 430; 530; 630) mit Wärmetauscher (120; 220; 320; 420; 520; 620) modulartig eingesetzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einen bestehenden Rohrabschnitt einer Versorgungsleitung ein Wärmetauscher (120; 220; 320; 420; 520; 620) grabenlos von einem bestehenden Schacht aus horizontal in den Rohrabschnitt eingeführt und mit einer Zu- und Ableitung für das Wärmetauschmedium verbunden wird.