DE3312329A1 - Waerme-erdspeicher - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Wärme-Erdspeicher

Die Erfindung betrifft einen Wärme-Erdspeicher, dessen Speichermedium aus gewachsenem Erdboden besteht und überwiegend eine Temperatur aufweist, die wesentlich über der Temperatur des umgebenden Erdreichs liegt, zum Einsatz bei solchen Gebäudeheizungen und Brauchwassererwärmungsanlagen, bei denen die Wärmequelle nur zeitweise mit längeren Unterbrechungen (bis zu mehreren Monaten) wirksam ist, insbesondere mit Solarkollektoren. Unter gewachsenem Erdboden wird Erdboden verstanden, der beim Bau des Wärme-Erdspeichers nicht bewegt worden ist.

Der Wärme-Erdspeicher soll die Wärmeenergie bei einem Temperaturniveau zur Verfügung stellen, das zur direkten Beheizung von Gebäuden ohne Zwischenschaltung einer Wärmepumpe ganzjährig ausreichend ist. Er soll überschüssig erzeugte Wärmeenergie aufnehmen und diese während der Unterbrechungen der Energieerzeugung wieder abgeben können, wobei diese beiden Vorgänge mit den jeweils erforderlichen Leistungen durchführbar sein müssen.

Es ist bekannt, daß man für Wärme-Erdspeicher, deren Temperaturniveau dauernd oder mindestens überwiegend über dem des umgebenden Erdreichs liegt, als Speichermedium gewachsenen Erdboden verwenden" kann (Deutsche Patentanmeldung 29 10 77*0·

Es ist weiterhin bekannt, daß man die notwendigen Wärmetauscherelemente im Speicherbereich durch Eintreiben von Mantelrohren in den gewachsenen Erdboden erzeugen kann, in die Rohre eingelegt werden, die von einem Wärmeträgermedium durchströmt werden, wobei mittels einer

Füllmasse Tür den Wärmeaustausch zwischen Mantelrohr und den innen liegenden Rohren gesorgt wird (Deutsche Patentanmeldung 30 16 456).

Außerdem ist theoretisch evident, daß eine Aufteilung des Wärme-Erdspeichers in Schalen, deren Temperaturen von Schale zu Schale nach außen abnehmen, sowohl die Wärmeverluste des Wärme-Erdspeichers nach außen vermindert, als auch die bei Lade- und Entladevorgängen des Wärme-Erdspeichers auftretenden Tomperaturgefalle zu verkleinern gestattet (Verringerung irreversibler, also Entropie-erhöhender Wärmetransporte).

O Die bisherigen Entwicklungen und Erfindungen haben je-

§ doch noch nicht dazu geführt, daß nur zeitweise wirken-

_w den Wärmequellen, wie z.B. Solarkollektoren, ein Spei-

X 15 cherkonzept an die Seite gestellt werden kann, das wirt- ^ schaftlichen Anforderungen standhält. Das gilt für jeden

^m bisher vorgeschlagenen Wärmespeicher, der zum Einsatz

bei Gebäudeheizungen bestimmt ist, bei denen die Wärmequelle nur zeitweise mit längeren Unterbrechungen (bis 2© zu mehreren Monaten) wirkt, gleichgültig welches Speichermedium benutzt wird: Wasser, Füllboden, Latentwärmeträger oder anderes, aber auch für Wärmespeicher mit dem preiswertesten Speichermedium, nämlich mit gewachsenem Erdboden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Niedertemperaturbedarf von Gebäuden allein durch Solarenergie (oder durch andere, nur zeitweise wirkende Wärmequellen) wirtschaftlich lohnend zu befriedigen. Das l'roblem liegt im wesentlichen darin, einen Wärmespeicher mit folgenden Eigenschaften zu finden:

- Speichertemperatur ganzjährig mindestens k^°C (Das vergleichsweise hohe Temperaturniveau erübrigt den Einsatz einer Wärmepumpe, die entgegen der Aufgaben-

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stellung Fremdenergie benötigen würde).

- Speicherkapazität (verfügbare Wärmemenge über k5 C) etwa 2/3 des jährlichen Energiebedarfs

- jährlicher Energieverlust deutlich kleiner als die Speicherkapazität

- Speichermedium ist gewachsener Erdboden (aus wirtschaftlichen Gründen)

- im wesentlichen ein Lade- und Entladevorgang pro Jahr

- die maximale Ladeleistung entspricht der maximalen

Leistung des Solarkollektors (bzw. einer anderen Wärmequelle)

- die maximale Entladeleistung entspricht der maximal erforderlichen Heizleistung (einschließlich weiterer Verbraucher)

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wärme-Erdspeicher so angelegt wird, daß der umgebende gewachsene Erdboden austrocknet und als Wärmeisolation des Wärme-Erdspeichers dient.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht darin, daß erstmalig ein Wärmespeicher so kostengünstig hergestellt werden kann, daß die wirtschaftlich sinnvolle Beheizung von Gebäuden ausschließlich durch Solarenergie ermöglicht wird. Gewachsener Erdboden ist die denkbar preiswerteste Wärmeisolation, da nur in diesem Falle erhebliche Erdbewegungen beim Bau des Wärme-Erdspeichers vermieden werden.

Bei diesem Wärme-Erdspeicher wird die erstmalig eingespeicherte Wärmeenergie dazu verwendet, die im Speicherbereich und anschließend auch die in der wärmeisolierenden Erdschicht befindliche natürliche Bodenfeuchte in die weitere Umgebung zu vertreiben. Dabei spielen Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge des Wassers im Erd-

boden eine wesentliche Rolle, Die Temperatur wird sich erst dann merklich erhöhen, wenn in dem jeweiligen Bereich die Feuchte fast vollkommen vertrieben ist« Das Vertreiben der Feuchte bewirkt ein Absinken der Wärmeleitfähigkeit des gewachsenen Erdbodens um einen Faktor z.B. 3· Dadurch vermindert sich die zur ausreichenden Wärmeisolation erforderliche Dicke der Erdschicht von z.B. 15 Metern um den genannten Faktor 3 auf z.B. 5 Meter, Die beispielsweise genannten Zahlen sind stark von der vorliegenden Bodenart abhängig. Es ist erforderlich, einen genügenden Abstand zum Grundwasserspiegel e inzuha11 en,

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärme-Erdspeichers ergeben sich aus den 15 Ansprüchen 2 bis 5.

Q Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung (Anspruch 6)

O werden in den Speicherbereich Wärmetauscherelemente ein-

{= gebracht, die folgendermaßen hergestellt sind: erzeugen

N von langgestreckten Hohlräumen von etwa kreisförmigem

Querschnitt mit einem Erdverdrängungshammer, einlegen von Rohren für hin- und rückströmendes Wärmeträgermedium, verfüllen der Hohlräume mit gut wärmeleitendem Material.

Durch diese Ausbildung der Erfindung wird erreicht, daß in der Umgebung des ffohrlochs eine verdichtete Zone entstehty die die Wärme erheblich besser leitet als der natürliche Erdboden. Deswegen ist die Erdverdrängungsbohrung den konventionellen Bohrungen mit Erdaushub überlegen. Im Unterschied zur Deutschen Patentanmeldung War. 30 16 456 wird nicht mit Mantelrohren gerammt, da sie erhebliche Kosten verursachen und bei größeren Tiefen unpraktikabel sind.

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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung (Anspruch 7) können die Wärmetauscherelemente eine gewinkelte oder gekrümmte Form haben. Eine gewinkelte Form kann durch mehrmaliges Ansetzen des Erdverdrängungshammers erreicht werden. Eine gekrümmte Form ist nach einer leichten Veränderung üblicher Erdverdrängungshämmer erreichbar.

Durch diese weitere Ausbildung der Erfindung wird die Einteilung des Wärme-Erdspeichervolumens in verschiedene Teilbereiche ermöglicht, wobei die Temperatur außen liegender Teilbereiche niedriger ist»als die Temperatur der weiter innen liegenden Teilbereiche (siehe das in der Zeichnung dargestellte Beispiel).

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung (Anspruch 9) gehören die Wärmetauscherelemente verschiedenen Gruppen an, mit den im Anspruch genannten Eigenschaften.

Durch diese weitere Ausbildung der Erfindung wird erreicht, daß der Wärmeenergieverlust des Speichers wesentlich reduziert wird, daß Heizenergie jeweils aus dem Teilbereich entnommen werden kann, der zu dem Zeitpunkt eine hierfür noch gerade ausreichende Temperatur aufweist und daß Wärmeenergie in den Teilbereich eingespeist werden kann, dessen Temperatur gerade unter der Temperatur der (z.B. im Solarkollektor) erzeugten Wärmeenergie liegt. Diese Maßnahmen stellen einen besonders ökonomisehen Umgang mit der zur Verfügung stehenden Energie dar.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung (Anspruch 10) ist dem Speicher als Ganzem ein Pufferspeicher zugeordnet mit weiteren, im Anspruch genannten kennzeichnenden Merkmalen.

^₀ Durch diese weitere Ausbildung der Erfindung wird erreicht, daß ein stoßweise auftretendes Energieangebot

(ζ.B* aus dem Solarkollektor bei klarem Himmel und hohem Sonnenstand) ebenso wie eine stoßweise Energieanforderung ('z.B. Brauchwassererwärmung) zunächst von dem Pufferspeicher aufgefangen und zeitlich ausgeglichen an den Wärme-Erdspeicher weitergegeben wird, wodurch ein durchschnittlich kleinerer Temperaturabfall an den Wärmeaustauscher-θlementen auftritt. Außerdem wird erreicht, daß ein im Winter auftretendes Energieangebot direkt über den Pufferspeicher als Kurzzeitspeicher ohne Einschaltung des ¥ärme—Erdspeichers genutzt werden kann.

Aus den Ansprüchen 11 bis 18 ergeben sich weitere zweck- _ mäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärme-Erdspeichers.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung (Anspruch J5 15 19) ist/sind der/die Pufferbehälter oder ein zusätzli- - eher Ausgleichsbehälter in der Lage, das Wärmeträgerme-

dium aus dem Solarkollektor aufzunehmen, solange dieser wegen mangelnder Einstrahlung keine Leistung erbringen kann und deswegen entleert werden soll.

Durch diese weitere Ausbildung der Erfindung wird erreicht, daß der Solarkollektor ohne Frostschutzmittel und ohne Wärmetauscher im Pufferbehälter betrieben werden kann und daß die nächtliche Abkühlung des Wärmeträgermediums im Solarkollektor vermieden wird.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärme-Erdspeichers ergeben sich aus den Ansprüchen 20 bis 22.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen Wärme-Erdspeicher in Ver-

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bindung mit einem Solarkollektor K auf dem Dach und mit einer Fußbodenheizung F für einen Einfamilienhaus-Neubau, der ausschließlich mit Solarenergie und ohne weitere alternative Einrichtungen wie z.B. Wärmepumpe, beheizt wird.

Die Wärmetauscherelemente gehören zwei Gruppen an: die strahlenförmig angeordneten Wärmetauscherelemente durchsetzen den inneren Teilbereich I des Wärme-Erdspeichers mit der höheren Temperatur, während die umhüllenden, abgeknickten Wärmetauscherelemente den äußeren Teilbereich A durchsetzen. Die Erdverdrängungsbohrungen werden von der Baugrube aus, die anschließend den Installations schacht aufnehmen soll, vorgenommen. Für die Wärmetauscherelemente im äußeren Teilbereich wird der Erdverdrängungshammer ein zweites Mal von einem später zuzuschüttenden Ringgraben aus angesetzt. Alle Rohre der Wärmetauscherelemente werden einzeln bis in den Installationsschacht geführt, wodurch ein Reparaturversuch oder Stilllegen bei Undichtigkeiten einzelner Rohre ermöglicht wird. Sie münden alle in eines von vier Sammelrohren die im Innern des Installationsschachtes horizontal ringförmig herumgeführt sind. Der Pufferspeicher P arbeitet mit Temperaturschichtung, die durch eingebaute Lochbleche stabilisiert wird. Als Füllung dient Kesselspeisewasser.

Vier Umwälzpumpen besorgen den Austausch des Wassers im Pufferspeicher

- mit den Wärmetauscherelementen des inneren Teilbereichs des Wärme-Erdspeichers

- mit den Wärmetauscherelementen des äußeren Teilbereiche des Wärme-Erdspelchers

- mit dem Dachkollektor und
mit der Fußbodenheizung

Ein Mikrocomputer empfängt Temperaturmeßwerte aus den verschiedenen Abteilungen des Pufferbehälters, aus den T5 Teilbereichen des Wärme-Erdspeichers vom Rücklauf der Fußbodenheizung, vom Rücklauf des Solarkollektors, von

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einem Strahlungsabsorber, von der Außenluft und Raumluft und steuert damit die vier Umwälzpumpen und die Ventile, die die Kreisläufe mit den günstigsten Abteilungen des Pufferbehälters verbinden. Wenn die Temperatur am Rücklauf des Solarkollektors niedriger ist, als die Temperatur des Wärme-Erdspeichers im äußeren Bereich, wird der Wasserkreislauf durch den Solarkollektor stillgelegt und mit einer fünften Pumpe entleert. Die wasserdichte Abdeckung W ermöglicht die Austrocknung des Speicherbe-1o. reichs und insbesondere der 5 m starken Wärmeisolierschicht aus gewachsenem Erdboden um den Wärme-Erdspeicher herum.

- Leerseite -

Claims (1)

1. Anmelders Dr. Georg Schultze, Solartechnik Erikaweg 5, 2111 Handeloh

   Bezeichnung? Wärme-Erdspeicher

   PATENTANSPRÜCHE

   Π »1 Wärme-Erdspeicher, dessen Speichermedium aus gewachsenem Erdboden besteht und überwiegend eine Temperatur aufweist, die wesentlich über der Temperatur des umgebenden Erdreichs liegt, zum Einsatz bei solchen Gebäudeheizungen und Brauchwas-10 sererwärmungsanlagen, bei denen die Wärmequelle nur zeitweise mit längeren Unterbrechungen (bis zu mehreren Monaten) wirksam ist, insbesondere mit Solar-

   ) kollektoren, dadurch gekennzeichnet ,

   } daß der Wärme-Erdspeicher so angelegt wird, daß der

   ^s 15 umgebende gewachs ene Erdboden austrocknet

   \ und als Wärmeisolation des Wärme-Erdspeichers dient.

   2. Wärme-Erdspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Austrocknung im Bereich der Wärmeisolation durch zugeführte Wärme in Verbindung mit einer wasserdichten Abdeckung des gesamten Speicherareals einschließlich einer zusätzlichen Randzone erreicht wird.

   3» WäOTie-Erdspeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Abdeckung durch Bauwerke, die anderen Zwecken dienen oder durch eine nur zu diesem Zweck eingebrachte Schicht erfolgt, die in jeder zweckmäßigen Tiefe unter der Erdoberfläche angeordnet werden kann, z.B. um darüber Pflanzenwuchs zu ermöglichen.

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   4. Wärme-Erdepeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die wasserdichte Abdeckung durch ein Drainage- und Wasserabflußsystem so entwässert wird, daß das gesammelte Wasser genügend weit vom Speicherbereich fortgeführt wird.

   5. Wärme-Erdspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmeisolation teilweise durch andere Dämmaterialien erfolgt.

   6. Wärme-Erdspeicher nach Anspruch 1, dadurch

   gekennzeichnet, daß der Speicherbereich durchsetzt ist mit Wärmetauscherelemente^ die folgendermaßen hergestellt sind: erzeugen von langgestreckten Hohlräumen von etwa kreisförmigem Querschnitt mit einem Erdverdrängungshammer, einlegen von· Rohren für hin- und rücketrömendes Wärmeträgermedium, verfüllen der Hohlräume mit gut wärmeleitendem Material.

   7. Wärme-Erdspeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Rohre für das Wärraeträgermedium am unteren Ende Y-förmig ausgebildet' sind, wobei der nach unten weisende und abgeschlossene Zweig als Schmutzfang dient.

   8. Wärme-Erdspeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmetauscherelemente teilweise eine gewinkelte und/oder gekrümmte Form haben.

   9. Wärme-Erdspeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmetauscherelemente verschiedenen Gruppen zugehörig sind, wobei - jede Gruppe zu einem bestimmten Teilbereich des Wärme-Erdspeichers gehört,

   - sich die Teilbereiche im allgemeinen durch die Temperatur unterscheiden.

   - die Teilbereiche mit niedriger Temperatur sich weiter außen befinden,

   - die Wärmetauscherelemente jeder Gruppe in Bezug auf die Durchströmung parallel geschaltet sind, - di© Durchströmung jeder Gruppe einzeln durch eine Umwälzpumpe erzeugt werden kann,

   10. Wärme-Erdspeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß dem Wärme-Erdspei» eher als Ganzem ein Pufferspeicher zugeordnet ist, der o ein Wärmetragermedium enthält, das er mit den Wärmetauscherelementen des Wärme-Erdspeichers, mit dem Energieerzeuger, z.B. Solarkollektor, und dem Energieverbraucher, ζ,B. Gebäudeheizung, austauschen kann.

   11. Wärme-Erdspeicher nach Anspruch 6, dadurch

   § 15 gekennzeichnet, daß jeder Gruppe ein ge- ^ sonderter Pufferspeicher zugeordnet ist, der vorzugs-

   weise im zugehörigen Teilbereich des Wärme-Erdspeichers

   Co liegt und Wärmekontakt mit diesem Teilbereich hat und

   JE der ein Wärraeträgermedium enthält, das er mit den Wär-

   ^j 2o metauscherelementen des zugehörigen Teilbereichs des Wärme-Eirdspeichers, mit dem Energieerzeuger, z.B. Solarkollektor, und dem Energieverbraucher, i.a. Gebäudeheizung, austauschen kann.

   12«, Wärme-Erdspeicher nach Anspruch 1o oder 11, dadurch g e k &■ η η zeichnet , daß nicht das Wärmeträgermedium selbst, sondern durch Zwischenschalten von Wärmetauschern nur die Wärmeenergie ausgetauscht wird, wodurch in den verschiedenen Kreisläufen verschiedene Drucke und/ oder verschiedene chemische Zusammensetzungen des Wärmeträgermediums, z.B. Frostschutzmittelzusatz, ermöglicht werden.

   13. Wärme-Erdspeicher nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß ein Pufferspeicher aus einem vorzugsweise stehenden Behälter besteht, in den

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   mehrere horizontale Lochbleche übereinander eingebaut sind, die eine bestehende Temperaturschichtung stabilisieren und daß der Behälter mehrere Rohrstutzen in verschiedene Höhen besitzt, vorzugsweise einen zwischen je zwei Lochblechen sowie oberhalb des obersten und untersten Lochbleches, für den Zu- und Abfluß des Wärmeträgermediums, um dadurch eine Temperaturschichtung in dem Pufferspeicher erzeugen und aufrechterhalten zu können,

   ■fif, ¥ärme-Erdspeicher nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferspeicher in einem vorzugsweise zylindrischen Schacht aufgestellt ist, der allseitigen äußeren Zugang zum Behälter und Einstieg in den Behälter ermöglicht.

   15. Värme-Erdspeicher nach Anspruch 14, dadurch

   gekennzeichnet, daß der Schacht als Ausgangspunkt der Wärmetauscherelemente dient.

   16. Värme-Erdspeicher nach Anspruch "\h, dadurch gekennzeichnet , daß der Schacht alle Installationen wie Pumpen und Ventile und insbesondere die Sammelleitungen für die einzelnen Gruppen von Wärmetauscherelementen in Form von Ringleitungen enthält.

   17· Wärme-Erdspeicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Brauchwassererwärmung in einem Wärmetauscherrohr erfolgt, das den Pufferbehälter in Durchströmrichtung hauptsächlich steigend durchläuft und mit eigenen Rohrdurchführungen durch die Pufferbehälterwand versehen ist.

   18. Wärme-Erdspeicher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Brauchwassererwärmung in einem Wärmetauscherrohr erfolgt, das in Durchströmrichtung die Pufferbehälter in der Reihenfolge steigender Temperatur und jeden Pufferbehälter im wesentli-

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   - 5 chen steigend durchläuft.

   19» Wärme-Erdspeicher nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß entweder der/die Pufferbehälter oder ein zusätzlicher Ausgleichsbehälter in der Lage sind, das Wärmeträgermedium aus dem Solarkollektor aufzunehmen; solange dieser wegen mangelnder Einstrahlung keine Leistung erbringen kann und deswegen entleert werden soll.

   20_β Wärme-Erdspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 19» dadurch gekennzeichnet , daß er unterhalb eines die Wärmequelle bildenden Solarkollektors angeordnet ist, wobei der Solarkollektor teilweise die Funktion

   ι der wasserdichten Abdeckung nach Anspruch 1 übernimmt und

   jj wobei die rückwärtige Wärmeisolation des Solarkollektors

   ] 15 zugleich eine Wärmeisolation des Wärme-Erdspeichers nach Z oben darstellt.

   21. Wärme-Erdspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß er unterhalb eines Gebäudes (Neubau) angeordnet ist, wobei die Fundamentierung des Gebäudes wegen zu erwartender Temperaturbewegungen der Erde verstärkt ausgelegt sein muß.

   22. Wärme-Erdspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet , daß die (teilweise) Beheizung von Gebäuden, eingebauten Schwimmbädern oder Außenschwimmbädern durch direkten Wärmekontakt mit dem Wärme-Erdspeicher geschieht.