DE19963473A1

DE19963473A1 - Anordnung zur Temperierung von Flüssigkeitskreisläufen

Info

Publication number: DE19963473A1
Application number: DE19963473A
Authority: DE
Inventors: Rainer Pietsch; Jochen Henke
Original assignee: GERODUR MPM KUNSTSTOFFVERARBEI
Current assignee: GERODUR MPM KUNSTSTOFFVERARBEI
Priority date: 1999-12-29
Filing date: 1999-12-29
Publication date: 2001-07-05
Anticipated expiration: 2019-12-30
Also published as: DE19963473B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Temperierung von Flüssigkeitskreisläufen, insbesondere von Niedertemperatur-Kühlkreisläufen, enthaltend eine Einrichtung zur Bevorratung einer Kühlflüssigkeit, die über Rohrleitungen mit die zu kühlenden Einrichtungen (Verbraucher) einerseits und mit wenigstens einem Wärmetauscher andererseits, einen Flüssigkeitskreislauf bildend, verbunden ist, sowie Pumpen zur Umwälzung der Kühlflüssigkeit. DOLLAR A Durch die Erfindung soll eine Anordnung zur Temperierung von Flüssigkeitskreisläufen, insbesondere von Niedertemperatur-Kühlkreisläufen mit einfachem Aufbau geschaffen werden, die auf Dauer kostengünstig und wartungsarm betrieben werden kann und bei welcher der Energieeinsatz erheblich verringert wird. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher in Form einer Erdsondenanlage (1) mit einer Mehrzahl von im Abstand zueinander angeordneten und parallelgeschalteten Erdsonden (2) ausgebildet ist, wobei die Erdsonden (2) unmittelbar mit dem umgebenden Erdreich (3) bzw. Gestein (4) in Verbindung stehen und daß die Erdsondenanlage über einen Kühlflüssigkeitsspeicher mit dem Verbraucher (9) gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Temperierung von Flüssigkeitskreisläufen, insbesondere von Niedertemperatur- Kühlkreisläufen, enthaltend eine Einrichtung zur Bevorratung einer Kühlflüssigkeit, die über Rohrleitungen mit den zu küh lenden Einrichtungen (Verbraucher) einerseits und mit wenig stens einem Wärmetauscher andererseits, einen Flüssigkeits kreislauf bildend, verbunden ist, sowie Pumpen zur Umwälzung der Kühlflüssigkeit.

In der Industrie werden eine Vielzahl von Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren eingesetzt, bei denen eine Kühlung der Maschinen selbst oder zumindest der Produkte während des Her stellungsprozesses erforderlich ist. Als Kühlmedium wird häu fig Wasser oder auch Sole o. dgl. verwendet. Dieses Kühlmedium soll dem Produktionsprozeß die Prozeßwärme entziehen und er wärmt sich daher mehr oder weniger. Dabei wird also Wärmeener gie auf das Kühlmedium übertragen, die dann mit geeigneten Mitteln entweder an die Umgebung abgegeben werden muß, oder mittels Wärmetauscher zu Nutzenergie umgewandelt werden kann.

Im ersteren Fall finden Kühltürme (Nutzung der Verdunstungs kälte), Freikühler mit und ohne Elektrolüfter (Konvektions kühlung), oder auch Kältemaschinen Anwendung. Im zweiten Fall werden in Abhängigkeit von den vorhandenen Temperaturdifferen zen entweder einfache Wärmetauscher oder auch Wärmepumpen verwendet. In jedem Fall wird zum Betrieb der Kühleinrichtun gen Elektroenergie benötigt, um die Pumpen, die Lüfter oder auch die Kompressoren der Kühlmaschinen bzw. der Wärmepumpen zu betreiben. Je nach der erforderlichen Kühlleistung kann der Bedarf an Elektroenergie sehr erheblich sein. Bei hohen Kühl mitteltemperaturen ist es relativ einfach, durch geeignete Wärmekopplung Nutzenergie zu erhalten. Sind die Kühlmittel temperaturen jedoch niedrig, beispielsweise unter 30°C, so läßt sich Nutzenergie nur mit Hilfe von Wärmepumpen gewinnen, was aber unwirtschaftlich und kostenintensiv ist. Wärmepumpen sind bekanntlich energetisch relativ ungünstig und erfordern im Verhältnis zur rückgewonnenen Wärmeenergie vergleichsweise hohen Energieeinsatz.

Das ganz allgemeine Ziel ist jedoch, den Energieeinsatz deut lich zu reduzieren und damit den Schadstoffausstoß, ganz be sonders die CO₂-Emission und folglich die Umweltbelastung erheblich zu vermindern.

Beispielsweise wird in der kunststoffverarbeitenden Industrie der größte Teil der eingesetzten Elektroenergie in Wärme umge wandelt. Der Anteil dieser Wärme, der nicht durch Strahlung und Konvektion an die Umgebung abgegeben wird, muß durch ge zielte Kühlung (im Durchschnitt 50%) abgeführt werden. Dies ist notwendig, da ansonsten an Maschinen und Anlagen Schäden auftreten würden, die deren Zerstörung zur Folge hätten. Das hieße, daß technologische Prozesse nicht durchführbar wären.

Deshalb werden zur Kühlung der Produktionsanlagen und der hergestellten Erzeugnisse Medien eingesetzt, die in der Regel mit Hilfe von Elektroenergie rückgekühlt werden. Das bedeutet, daß Energie aufgewendet wird, um Energie aus dem Fertigungs prozess zu ziehen. Da die Kühlmedien beispielsweise in der kunststoffverarbeitenden Industrie meistens ein Temperaturni veau von <= 30°C aufweisen, wird dieses Potenzial gegenwärtig bedingt durch das geringe Arbeitsvermögen unzureichend ge nutzt.

Zur Verringerung des Energieeinsatzes bei der Kühlung und somit zur Verringerung der Umweltbelastung mit CO₂ wurde ver sucht, beispielsweise die Kühlkreisläufe nach Kaltwassertempe raturen aufzuteilen, oder eine Winterentlastung von Kälte maschinen durch den Einsatz von Freikühlern zu erreichen. Auch wurde versucht, das Grundwasser oder Uferfiltrat zur Kühlung heranzuziehen, was jedoch nicht an jedem Standort verfügbar ist und zum anderen besondere Sicherheitsvorkehrungen erfor derlich macht, um eine Verschmutzung des Grundwassers, auch jede zufällige, mit Sicherheit zu verhindern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Temperierung von Flüssigkeitskreisläufen, insbesondere von Niedertemperatur-Kühlkreisläufen mit einfachem Aufbau zu schaffen, die auf Dauer kostengünstig und wartungsarm betrie ben werden kann und bei welcher der Energieeinsatz erheblich verringert wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher in Form einer Erdsondenanlage mit einer Mehrzahl von im Abstand zueinander angeordneten und parallel oder in Reihe geschalteten Erdsonden ausgebildet ist, wobei die Erdsonden über Wärmebrücken unmittelbar mit dem umgebenden Erdreich bzw. Gestein in Verbindung stehen und daß die Erdson denanlage über einen Kühlflüssigkeitsspeicher mit dem Ver braucher gekoppelt ist.

Der besondere Vorteil einer solchen Lösung ist neben dem ein fachen Aufbau, der höheren Verfügbarkeit und der langen Le bensdauer besonders in den niedrigen Betriebskosten zu sehen. Durch den einfachen Aufbau steigt auch die Wartungsfreundlich keit, bzw. die Wartungskosten können reduziert werden. Aus dem erheblich reduzierten Energieverbrauch im Vergleich zu einer konventionellen Kühlanlage, der bis zu ca. 80% betragen kann, resultiert eine sehr gute Umweltverträglichkeit, so daß Pri märenergieträger geschont werden.

Bevorzugt sind die Erdsonden bis in den untiefen Bereich ein gebracht und stehen mit dem umgebenden Erdreich oder Gestein in direkten Wärmekontakt. Die im Einzelfall zu realisierende Tiefe der Erdsonden bestimmt sich aus den geologischen Bedin gungen und aus der erforderlichen Kühlleistung.

In einer Fortführung der Erfindung sind die Erdsonden in Boh rungen angeordnet, wobei der Zwischenraum zwischen dem Außen mantel der Erdsonde und dem umgebenden Felsen mit einer gut wärmeleitenden Füllmasse ausgefüllt ist. Auf diese Weise wird ein besonders guter Wärmekontakt erreicht. Bevorzugt ist die Wärmeleitfähigkeit der Füllmasse etwa an die Wärmeleitfähig keit des umgebenden Felsens angepaßt, was am besten durch die Verwendung von dünnflüssigem Beton erreicht wird, der gleich zeitig das Bohrloch stabilisiert.

Besonders kostengünstig können die Erdsonden aus Kunststoff rohren hergestellt werden. Derartige Erdsonden sind äußerst langlebig und besitzen eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit. Übliche Kunststoffrohre können beispielsweise eine Wärmeleit fähigkeit aufweisen, die der von Granit weitgehend entspricht.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Materi al der Kunststoffrohre zur Vergrößerung der Wärmeleitfähigkeit Zuschlagstoffe enthalten. Damit läßt sich auf einfache Weise eine Anpassung an besondere geologische Bedingungen erreichen, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Wärmeleit fähigkeit des umgebenen Erdreiches besonders gut ist.

Um einen besonders einfachen und kostengünstigen Einbau der Erdsonden zu ermöglichen, bestehen diese aus einer vormontier ten U-rohrförmigen oder doppel U-rohrförmigen Anordnung, wobei die einzelnen Rohre in Abständen durch Abstandshalter mitein ander verbunden sind.

In einer Variante können die Erdsonden auch aus mehreren koa xial ineinander angeordneten Kunststoffrohren bestehen, wobei die zu kühlende Kühlflüssigkeit im äußeren Ring abwärts und im inneren Rohr aufwärts geführt wird.

Eine weitere Fortführung der Erfindung ist dadurch gekenn zeichnet, daß der Flüssigkeitsspeicher aus wenigstens einem Kaltwasser- und wenigstens einem Warmwassertank besteht und daß der Kaltwasser- und der Warmwassertank unterirdisch oder überflur angeordnet sind.

Bevorzugt bestehen die Tanks aus PE und sind somit besonders langlebig und kostengünstig, wobei der Kaltwasser- und der Warmwassertank direkt in das Erdreich versenkbar sind und in unmittelbarem Kontakt mit diesem stehen.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind der Erd sondenanlage Freikühler zugeordnet, die bevorzugt temperatur gesteuert der Erdsondenanlage zuschaltbar sind.

Weiterhin kann eine Zusatzkühlung mit einer Kältemaschine geringerer Leistung vorgesehen werden, mit deren Hilfe bei hohen sommerlichen Temperaturen die Kühlleistung der Erdson denanlage und des Freikühlers ergänzt werden kann.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekenn zeichnet, daß ein vom Verbraucher mit Warmwasser gespeister Warmwassertank vorgesehen ist, der mit der Erdsondenanlage und dem parallelgeschalteten Freikühler verbunden ist, daß das von der Erdsondenanlage und/oder dem Freikühler erzeugte Kalt wasser über Kaltwasserleitungen in einen Zwischenspeicher geleitet wird, der über eine Rohrleitung mit der Kältemaschine verbunden ist, daß die Kältemaschine mit einem Kaltwassertank verbunden ist, der über eine weitere Rohrleitung mit dem Ver braucher verbunden ist.

Der Kaltwassertank ist zusätzlich mit einer Kaltwasserein speisung versehen, mit deren Hilfe Wasserverluste im Kühl kreislauf ausgeglichen werden können.

Um sicherzustellen, daß jeweils nur eine minimale elektrische Leistung installiert wird, sind der Erdsondenanlage, dem Frei kühler und der Kältemaschine jeweils eine separate Kühlmittel pumpe zugeordnet. Damit können die Pumpen exakt für die jewei lig benötigte Pumpleistung des jeweiligen Kühlkreislaufes ausgelegt werden.

Weiterhin sind mehrere Sensoren, speziell Temperaturfühler vorgesehen, die jeweils im Zulauf des Warmwassertanks und des Kaltwassertanks angeordnet sind, die mit einer zentralen Steuereinheit verbunden sind und mit denen die Pumpen der jeweiligen Kühlkreisläufe bedarfsweise zugeschaltet werden können.

Es ist zweckmäßig, sämtliche Rohrleitungen als Kunststoff rohrleitungen auszubilden, wodurch diese äußerst wartungsarm sind. Bei Verwendung von Metallrohren können sämtliche ober irdisch geführten Rohrleitungen, insbesondere wenn diese eine große Länge aufweisen, mit einer Wärmeisolierung versehen werden, um Temperatureinflüsse der Umgebung auszuschließen.

Zur weiteren Reduzierung des Energieverbrauches sollte die Kühlleistung der Erdsondenanlage ca. 80% der durchschnittlich benötigten Gesamtkühlleistung betragen, wobei die Vorlauf temperatur zwischen <= 14°C und die Rücklauftemperatur < 30°C speziell für Verarbeitungsprozesse der Kunststoffindustrie betragen sollte.

Mit einer entsprechenden Steuerung kann eine optimale Anpas sung der Kaltwassertemperatur an die jeweils geforderten tech nologischen Bedingungen gewährleistet werden.

Einer unzulässigen bleibenden Erwärmung des Erdreiches kann vorgebeugt werden, wenn die Erdsondenanlage mit der leerlau fenden Freikühleranlage gekoppelt ist. Sinkt die Außentempera tur unter die erforderliche Rücklauftemperatur des Kühlmedi ums, kann der Freikühler automatisch die Wärmeabfuhr zumindest teilweise übernehmen. Dabei kommt es zur Entlastung des für die Kühlung genutzten Erdreiches oder des Gesteins.

Mit einer computergestützten Simulation wurde festgestellt, daß nach einer ca. 10jährigen Nutzungsdauer die langsame Er wärmung des Umfeldes der Erdsondenanlage bei entsprechender Fahrweise zum Stillstand kommt.

Da in der Regel die installierten Produktionskapazitäten ohne hin nicht ständig zu 100% genutzt werden, ist die bereits genannte Kombination der Erdsondenanlage mit einer kleinen Kältemaschine zweckmäßig, um Spitzenbelastungen auszugleichen. Wobei gleichzeitig die Aufwendungen für das Sondenfeld redu ziert werden können.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Erd sondenanlage über einen Wärmetauscher an den Flüssigkeits kreislauf angekoppelt. Das bietet den besonderen Vorteil, daß bei einer Verschmutzung des Flüssigkeitskreislaufes, z. B. mit Öl, keinerlei Schadstoffe in das Erdreich gelangen können.

Grundsätzlich ist ein derartiger Kühlkreislauf für Kühlzwecke beliebiger Produktionsprozesse im Niedertemperaturbereich geeignet, wo eine Ernergierückgewinnung infolge des geringen Arbeitsvermögens unwirtschaftlich ist. Es sind jedoch auch völlig andere Anwendungsfälle denkbar. So ist z. B. die Tempe rierung von Fahrbahnen, wie Brückenfahrbahnen oder Tiefgara geneinfahrten mit vergleichsweise geringem technischem Aufwand denkbar.

Die Erfindung soll nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Beispiel für eine besonders einfache Variante eines erfindungsgemäßen Niedrigtemperatur-Kühlkreis laufes mit einer Erdsondenanlage, bei der die Erdson den durch das Erdreich und durch eine grundwasserfüh rende Gesteinsschicht reichen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlkreislaufes nach Fig. 1, der mit einer Freikühl anlage ergänzt ist;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlkreislaufes nach Fig. 2, der noch mit einer Kälte maschine ergänzt ist, die der Leistungsspitzenabdek kung dient;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlkreislaufes entspechend Fig. 3, bei dem die An kopplung der Erdsondenanlage über einen Wärmetauscher erfolgt; und

Fig. 5 ein schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlkreislaufes nach Fig. 2, bei dem eine Wärmepumpe zum Betrieb einer Heizungsanlage vorgesehen ist.

Aus Fig. 1 ist der schematische Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Temperierung eines Niedrigtemperatur-Kühlkreis laufes ersichtlich. Das Kernstück der Anordnung ist eine Erd sondenanlage 1, bestehend aus einer Vielzahl von parallel oder in Reihe geschalteten Erdsonden 2, die in das Erdreich 3 bzw. das Gestein 4 eingebracht sind. Die Tiefe, bis zu der die Erdsonden reichen und deren Anzahl bestimmt sich aus der zu installierenden Kühlleistung. Wobei zusätzlich die geologi schen und hydrogeologischen Bedingungen zu berücksichtigen sind. Wenn sich die Erdsonden 2 beispielsweise durch Grundwasser 5 erstrecken, so kann erheblich mehr Wärme in kurzer Zeit abgeführt werden, als über trockenes Gestein 4. Die im vorgesehenen Einsatzgebiet herrschenden geologischen und hydrogeologischen Bedingungen müssen auf jeden Fall zu nächst erkundet werden, bevor die Erdsondenanlage 1 dimensio niert werden kann.

Die Erdsondenanlage 1 ist weiterhin über eine Kaltwasserlei tung 6 mit einem Kaltwassertank 7 verbunden, der seinerseits über eine weitere Kaltwasserleitung 8 (Vorlauf) mit dem Ver braucher 9 verbunden ist. Unter Verbraucher 9 ist bei spielsweise ein beliebiger Herstellungsprozeß zu verstehen, bei dem die entstehende Prozeßwärme über einen Niedrigtempera tur-Kühlkreislauf abgeführt werden soll.

Das durch die Prozeßwärme erwärmte Wasser wird dann über eine Warmwasserleitung 10 (Rücklauf) zunächst in einen Warmwasser tank 11 geleitet und von dort über eine weitere Warmwasserlei tung 12 mittels einer Pumpe 13 in die Erdsondenanlage 1 ge drückt. Die Zuführung des Kaltwasseres zum Verbraucher erfolgt über eine mit der Kaltwasserleitung 8 verbundenen Pumpe 13'.

Ein derartiger Niedrigtemperatur-Kühlkreislauf kann äußerst kostengünstig betrieben werden und erfordert nur einen sehr geringen Wartungsaufwand, beispielsweise zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit der Erdsondenanlage 1.

Die Erdsonden 2 können kostengünstig aus Kunststoffrohren hergestellt werden, wobei eine vormontierte U-rohrförmige, doppel-U-rohrförmige oder auch eine koaxiale Anordnung ein fach in ein Bohrloch eingeschoben werden kann. Um einen guten wärmekontakt insbesondere zum umgebenden Gestein 3 herzustel len, wird der Raum zwischen der Bohrlochwandung und der Erd sonde 2 mit einer dünnflüssigen betonartigen Masse verfüllt. Technologisch kann das derart erfolgen, daß die Erdsonde 2 bei der koaxialen Anordnung mit einem diese umgebenden Zusatzrohr in das Bohrloch eingebracht wird und durch das Zusatzrohr der dünnflüssige Beton eingefüllt wird und gleichzeitig das Zu satzrohr aus dem Bohrloch gezogen wird.

Im Falle der Verwendung der doppel-U-Rohr-Anordnung sind die vier Rohre in Abständen mit Abstandshaltern/Verbindungselemen ten (nicht dargestellt) versehen, wobei jeweils mittig eine Bohrung zur Aufnahme eines zentralen Zusatzrohres vorgesehen ist. Dieses zentrale Zusatzrohr dient zur Zuführung der dünn flüssigen betonartigen Masse und wird ebenfalls während des Verfüllens aus dem Bohrloch gezogen.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung zur Temperierung eines Niedrig temperatur-Kühlkreislaufes, der um einen Freikühler 14 ergänzt ist. Der Freikühler 14 ist über Rohrleitungen 15 an den Warm wassertank 11 angeschlossen, wobei das zu kühlende Wasser mit einer Pumpe 16 durch den Freikühler 14 und von diesem über eine Rohrleitung 15' in den Kaltwassertank 7 gepumpt wird.

Durch den Einsatz dieses zusätzlichen Freikühlers 14 ist es möglich, die Erdsondenanlage 1 ab Außentemperaturen, die unter der Rücklauftemperatur liegen, zu entlasten, bzw. ab einer bestimmten Temperaturdifferenz zur geforderten Kaltwasser temperatur gänzlich abzuschalten.

Zum Ausgleich von Spitzenbelastungen kann entsprechend Fig. 3 eine Kältemaschine 17 geringer Leistung vorgesehen werden. Der grundsätzliche Aufbau des Niedrigtemperatur-Kühlkreislaufes entspricht dem nach Fig. 2, wobei hier noch zusätzlich ein Zwischenspeicher 18 vorgesehen ist, der über die Kaltwasser leitung 15' des Freikühlers 14 und die Kaltwasserleitung 6 der Erdsondenanlage 1 gespeist wird. Ausgangsseitig ist der Zwi schenspeicher 18 über eine Rohrleitung 19 und eine Pumpe 20 mit der Kältemaschine 17 gekoppelt. Das durch die Kältemaschi ne 17 im Bedarfsfall zusätzlich gekühlte Kühlwasser wird über eine Rohrleitung 21 in den Kaltwassertank 7 und von dort zum Verbraucher geleitet.

Wird die zusätzliche Kühlleistung der Kältemaschine 17 nicht benötigt, so kann das Wasser aus dem Zwischenspeicher 18 über die hydraulische Ausgleichsleitung 22 direkt in den Kaltwas sertank 7 geleitet werden. Zum Ausgleich von Kühlwasserverlu sten ist weiterhin noch eine Wassereinspeisung 23 vorgesehen. Durch clen Einsatz der Kältemaschine 17 ist es möglich, die Erdsondenanlage 1 für ca. 80% der durchschnittlich benötigten Kühlleistung auszulegen.

Aus Fig. 4 geht ein Kühlkreislauf entsprechend Fig. 3 hervor, bei dem die Erdsondenanlage 1 über einen Wärmetauscher 25 angekoppelt ist. Da hier kein zusätzlicher Tank zum Volumen ausgleich vorgesehen ist, wird ein besonderes Ausdehnungsgefäß 26 benötigt. Der Anschluß des Wärmetauschers 25 an die Erdson denanlage 1 erfolgt primärseitig durch Einschaltung in die Kaltwasserleitung 6 und die Warmwasserleitung 12 und sekundär seitig durch Verbindung mit dem Zwischenspeicher 18 und dem Warmwassertank 11. Zusätzlich muß hier noch eine weitere Pumpe 24 auf der Primärseite des Wärmetauschers 25 vorgesehen wer den. Durch die Verwendung des Wärmetauschers 25 wird eine besonders hohe Betriebssicherheit und ein sehr guter Umwelt schutz erreicht. Das ist insbesondere dann wichtig, wenn die Gefahr besteht, daß der Kühlkreislauf z. B. mit Öl kontaminiert werden kann. Es versteht sich, daß der Wärmetauscher 25 selbstverständlich auch an anderer Stelle angeordnet werden kann. So ist es beispielsweise auch möglich, diesen in die Warmwasserleitung 10 und die Kaltwasserleitung 8 zwischen zuschalten.

Fig. 5 zeigt eine Ergänzung der Kühlanlage, bei der die Erd sondenanlage 1 zusätzlich mit einer Wärmepumpe 27 ausgestattet ist. Die Wärmepumpe 27 ist durch Dreiwegeventile 28, 29 an die Kaltwasserleitung 6 und die Warmwasserleitung 12 angeschlos sen. Um den erforderlichen Wasserkreislauf auf der Sekundär seite zu erreichen, ist eine weitere Pumpe 30 vorgesehen. Weiterhin ist noch ein Druckausgleichsgefäß 31 an die Zulei tung 32 angeschlossen, um die nötige Betriebssicherheit auch bei zufälligen Druckstößen zu gewährleisten. Die Wärmepumpe 27 kann mit einem Heizkreislauf verbunden werden, so daß während der Zeiten, in denen die Erdsondenanlage 1 nicht benötigt wird, bzw. abgeschaltet ist, eine Umschaltung auf Heizen er folgen kann. Das hat den besonderen Vorteil, daß im Winter die dem Gestein zugeführte Wärmeenergie wieder rückgewonnen werden kann. Das bedeutet aber auch, daß dadurch eine übermäßigen Erwärmung des Gesteines verhindert werden kann.

Die Leistung einer erfindungsgemäßen Erdsondenanlage wird im wesentlichen vom Energietransport im Erdreich oder im Gestein bestimmt. Dieser Energietransport wird beeinflußt von der Grundwassermächtigkeit, der Grundwasserfließgeschwindigkeit und insbesondere von der Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gesteins. Die Fließgeschwindigkeit von Grundwasser liegt in der Regel zwischen wenigen Metern im Jahr und 0,1 m/sek. Aus dieser Tatsache ergibt sich, daß der für die Erdsondenher stellung verwendete Werkstoff bezüglich der Wärmeleitfähigkeit in der Regel nicht leistungsbestimmend für die Erdsondenanlage ist.

Sämtliche Tanks 7, 11 und der Zwischenspeicher 18 können aus handelsüblichem PE hergestellt werden, was beispielsweise durch Blasen besonders kostengünstig erfolgen kann. Selbstver ständlich können die Tanks auch aus anderen Materialien, wie z. B. PVC durch Kunststoffschweißen oder auch aus Edelstahl gefertigt werden.

Für die Sicherheit der Gesamtanlage ist es wichtig, daß bei der Verwendung mehrerer Tanks 7, 11, 18 diese über hydrau lische Ausgleichsleitungen 22 miteinander verbunden sind.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, anstelle mehrere Tanks mit unterschiedlicher Funktion einen einzigen Tank zu verwenden, der funktionell aufgeteilt ist. So könnten der Kaltwassertank 7 und der Warmwassertank 11 zu einem einzigen Tank zusammenge faßt werden, indem das kalte und das warme Wasser vertikal geschichtet eingebracht werden oder bei dem eine horizontale Teilung durch eine Schottwand erfolgt. In letzterem Fall ist die Schottwand im Bodenbereich des Tanks mit einer Öffnung zwecks des erforderlichen hydraulischen Ausgleichs versehen.

Darüberhinaus besteht die Möglichkeit, die Gesamtanlage als geschlossenes System aufzubauen, d. h. die Tanks sind voll ständig geschlossen, wodurch eine zufällige Verunreinigung des Wassers und eine Luftsauerstoffanreicherung verhindert werden kann.

In jedem Fall ist es sinnvoll, die Speiseleitungen, also die Leitungen, mit denen der jeweilige Tank gefüllt wird, so lang auszulegen, daß diese in jedem Fall vollständig in das Wasser eintaucht. Damit wird eine sonst erfolgende Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff verhindert.

Um die Energieeinsparung durch einen erfindungsgemäßen Kühl kreislauf zu verdeutlichen, wurde eine herkömmliche 200 kw Kühlanlage mit einer erfindungsgemäßen Kühlanlage verglichen. Weitere Randbedingungen sind ein Strompreis von 11 Pf./kwh und eine Wärmeleistung der doppel-U-rohrförmigen Erdsonde von 35 W/m.

Das Ergebnis zeigt nachfolgende Tabelle:

Bezugszeichenliste

1

Erdsondenanlage

2

Erdsonde

3

Erdreich

4

Gestein

5

Grundwasser

6

Kaltwasserleitung

7

Kaltwassertank

8

Kaltwasserleitung

9

Verbraucher

10

Warmwasserleitung

11

Warmwassertank

12

Warmwasserleitung

13

Pumpe

13

' Pumpe

14

Freikühler

15

Rohrleitung

16

Pumpe

17

Kältemaschine

18

Zwischenspeicher

19

Rohrleitung

20

Pumpe

21

Rohrleitung

22

hydraulischer Druckausgleich

23

Wassereinspeisung

24

Pumpe

25

Wärmetauscher

26

Ausdehnungsgefäß

27

Wärmepumpe

28

Dreiwegeventil

29

Dreiwegeventil

30

Pumpe

31

Druckausgleichsgefäß

32

Zuleitung

Claims

1. Anordnung zur Temperierung von Flüssigkeitskreisläufen, insbesondere von Niedrigtemperatur-Kühlkreisläufen, ent haltend eine Einrichtung zur Bevorratung einer Kühlflüs sigkeit, die über Rohrleitungen mit den zu kühlenden Ein richtungen (Verbraucher) einerseits und mit wenigstens einem Wärmetauscher andererseits, einen Flüssigkeitskreis lauf bildend, verbunden ist, sowie Pumpen zur Umwälzung der Kühlflüssigkeit, dadurch gekenn zeichnet, daß der Wärmetauscher in Form einer Erd sondenanlage (1) mit einer Mehrzahl von im Abstand zuein ander angeordneten und parallel- bzw. in Reihe geschalte ten Erdsonden (2) ausgebildet ist, wobei die Erdsonden (2) unmittelbar mit dem umgebenden Erdreich (3) bzw. Gestein (4) in Verbindung stehen und daß die Erdsondenanlage über einen Kühlflüssigkeitsspeicher mit dem Verbraucher (9) gekoppelt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Erdsonden (2) bis in den untiefen Bereich reichen und mit dem umgebenden Erdreich (3) oder Gestein (4) in direkten Wärmekontakt stehen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Erdsonden (2) in Erdbohrungen angeordnet sind, wobei der Zwischenraum zwischen dem Au ßenmantel der Erdsonde (2) und dem umgebenden Gestein (4) mit einer gut wärmeleitenden Füllmasse ausgefüllt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit der Füllmasse etwa der Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gesteins (4) angepaßt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Füllmasse ein dünnflüssiges be tonartiges Material ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüchen 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Erdsonden (2) aus Kunststoffrohren bestehen.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Material der Kunststoffrohre Zu schlagstoffe zur Vergrößerung der Wärmeleitfähigkeit ent hält.

8. Anordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Erdsondenanlage (1) aus einer vormontierten u-rohrförmigen oder einer doppel u- rohrförmigen Anordnung besteht, wobei die einzelnen Rohre in Abständen durch Abstandshalter miteinander verbunden sind.

9. Anordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Erdsonden (2) aus mehre ren koaxial zueinander angeordneten Kunststoffrohren be stehen, wobei die zu kühlende Kühlflüssigkeit im äußeren Ring abwärts und im inneren Rohr aufwärts geführt wird.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsspeicher aus wenigstens einem Kaltwasser- und wenigstens einem Warmwassertank (7, 11) besteht und daß der Kaltwasser- und der Warmwassertank (7, 11) unterirdisch sowie überflur angeordnet sind.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Tanks (7; 11) aus PE bestehen.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß der Kalt wasser- und der Warmwassertank (7, 11) direkt im Erdreich (3) versenkt sind und in unmittelbarem Kontakt mit diesem stehen.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß der Erdsonden anlage Freikühler (14) zugeordnet sind.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Freikühler (14) temperaturgesteu ert der Erdsondenanlage (1) zuschaltbar sind.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß zur Zusatzküh lung eine Kältemaschine (17) geringerer Leistung vorgese hen ist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß ein vom ver braucher (9) mit Warmwasser gespeister Warmwassertank (11) vorgesehen ist, der mit der Erdsondenanlage (1) und dem parallelgeschalteten Freikühler (14) verbunden ist, daß das von der Erdsondenanlage und/oder dem Freikühler er zeugte Kaltwasser über Kaltwasserleitungen (6, 15') in einen Zwischenspeicher (18) geleitet wird, der über eine Rohrleitung (19) mit der Kältemaschine (17) verbunden ist, daß die Kältemaschine (17) mit dem Kaltwassertank (7) verbunden ist, der über eine weitere Rohrleitung (8) mit dem Verbraucher (9) verbunden ist.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß der Kaltwas sertank (7) mit einer Kaltwassereinspeisung (23) versehen ist.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, da durch gekennzeichnet, daß der Erdsonden anlage (1), dem Freikühler (14) und der Kältemaschine (17) jeweils eine Kühlmittelpumpe (13, 16, 19) zugeordnet ist.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, da durch gekennzeichnet, daß im Zulauf des Warmwassertanks (11) und des Kaltwassertanks (7) jeweils ein Temperaturfühler angeordnet ist, der mit einer zen tralen Steuereinheit verbunden ist.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, da durch gekennzeichnet, daß die Kühllei stung der Erdsondenanlage (1) ca. 80% der benötigten Gesamtkühlleistung beträgt.

21. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, da durch gekennzeichnet, daß die Vorlauf temperatur (Kaltwassertemperatur) zwischen <= 14 liegt.

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, da durch gekennzeichnet, daß die Rücklauf temperatur (Warmwassertemperatur) < 30°C beträgt.

23. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, da durch gekennzeichnet, daß die Erdsonden anlage (1) über einen Wärmetauscher (25) an den Flüssig keitskreislauf angekoppelt ist.

24. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, da durch gekennzeichnet, daß die Erdson denanlage (1), die in den Sommermonaten primär der Kühlung dient, während der Heizperiode über eine Wärmepumpenanlage (27) die Geothermie für Heizzwecke nutzt.