DE102007037475B4

DE102007037475B4 - Verfahren und Anordnung zum Betrieb einer Erdwärmeanlage

Info

Publication number: DE102007037475B4
Application number: DE102007037475A
Authority: DE
Inventors: Rolf Wagner
Original assignee: BLZ GEOTECHNIK GmbH
Current assignee: BLZ GEOTECHNIK GmbH
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-08-09
Also published as: DE102007037475A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage und einer Zirkulations- oder Verdampfungserdwärmesonde und/oder einem Zirkulations- oder Direktverdampfungskollektor aufweisenden Erdwärmeanlage, wobei über einen Sonden- oder Kollektorkreislauf die gewonnene Erdwärme einem Wärmeübertrager Verdampfer der Wärmepumpenanlage zugeführt wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Erdwärme, die im Wärmeübertrager Verdampfer dem Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch entzogen wird, außerhalb und teilweise parallel zu der Betriebszeit der Wärmepumpenanlage gesteuert gespeichert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung einer Erdwärmeanlage.
Stand der Technik
Die Gewinnung von Erdwärme erfolgt mit Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren, die ihre Energie direkt an den Wärmeübertrager der Wärmepumpe abgeben. Bei den U-Rohr-Zirkulationssonden oder den Zirkulationskollektoren wird das mit Frostschutzmittel stabilisierte Wasser während der Phase der Wärmegewinnung im Kreislauf durch die Rohrleitungen der Erdwärmesonde oder der Erdwärmekollektoren gepumpt, erwärmt sich auf diesem Weg und wird an dem Wärmeübertrager abgekühlt. In der Ruhephase der Wärmepumpe wird auch die Zirkulationspumpe ausgeschaltet, so dass aus der Erdwärmeanlage keine Energie geliefert wird.
Auch bei Verdampfersonden oder den Direktverdampferkollektoren wird der Wärmetransport aus dem Erdreich in der Ruhephase unterbrochen. In einer Kondensator/Verdampfereinheit wird das in der Verdampfersonde verdampfte Kältemittel nur während der Betriebsphase der Wärmepumpen kondensiert ( DE 20 2004 018 559 U1 ) und damit einer Nutzung zugeführt. Ebenfalls wird eine parallele Nutzung von Solarkollektoren mit Erdwärmetauschern zur Verbesserung der Effizienz der Wärmepumpe eingesetzt, wobei die Verbraucher entweder direkt von den Solarkollektoren oder von der Wärmepumpe versorgt werden ( DE 20 2004 007 094 U1 ).
Charakteristik der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Anordnung mit einer Erdwärmeanlage zu entwickeln, die den Wärmetransport aus dem Erdreich auch außerhalb der Betriebszeit übernimmt.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Erdwärme, die im Wärmeübertrager Verdampfer dem Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch entzogen wird, außerhalb und teilweise parallel zu der Betriebszeit der Wärmepumpenanlage gesteuert gespeichert wird. Zur Realisierung ist erfindungsgemäß im Sonden- oder Kollektorkreislauf vor dem Wärmeübertrager Verdampfer ein Speicher eingebunden. Der Speicher wird als Schichtenspeicher ausgeführt. In dem Speicher wird die in den Perioden während die Wärmepumpe außer Betrieb ist aus dem Erdreich gewonnene Energie gespeichert. Die gespeicherte Energie mit einer höheren Temperatur als die Temperatur, sich die im laufenden Betrieb ohne Speicher einstellen würde, wird an die Wärmepumpe übergeben.
Vorteile der Erfindung
Die Gewinnung der Erdwärme erfolgt mit Anlagen für die Heizung von Wohnungen, die pro Jahr zu ca. 1.800 Stunden in Betrieb und zu ca. 6.900 Stunden in Ruhe sind. In der Betriebsphase wird das Erdreich stark abgekühlt, so dass die Wärmepumpe bei geringen Temperaturen das Kältemittel verdampfen muss. Dafür wird ein erhöhter Fremdenergieaufwand benötigt. Mit einer längeren Betriebszeit der Erdwärmesonde wird eine Speicherung von Energie Übertage zu günstigen Bedingungen für die Wärmepumpe geschaffen. In einem Schichtspeicher kann Wasser auf die Erdreichtemperatur erwärmt werden und ermöglicht der Wärmepumpe eine hohe Verdampfungstemperatur. Diese hohe Verdampfungstemperatur kann dann der Wärmepumpe konstant zur Verfügung gestellt werden, bis der erwärmte Teil des Speichers ausgenutzt ist. Die Wärmepumpe unterbricht dann ihren Betrieb. Der nun ausgekühlte Speicher wird während der Ruhephase der Erdwärmesonde wieder aufgeheizt.
Mit der Speicherung auf der kalten Seite der Wärmepumpe wird die Speicherung auf der warmen Seite reduziert. Mit der Erfindung entsteht der Vorteil, dass die Leistungszahl der Erdwärmeanlage verbessert wird, ohne die Regeneration der Erdwärmesonde zu beeinflussen. Es werden Voraussetzungen geschaffen, die sonst nur die Wärmequelle Grundwasser zur Verfügung stellt, wobei mit der vorgeschlagenen Lösung der hohe energetische Aufwand für das Heben und Verpressen des Wassers entfällt. Einen besonderen Vorteil hat diese Lösung im Zusammenhang mit Verdampfersonden oder Direktverdampferkollektoren. Hier erfolgt der Wärmetransport aus der Erde ohne eine Zirkulationspumpe, das heißt, ohne zusätzliche Fremdenergie, solange bis die Temperatur zwischen Erdreich und Speicher ausgeglichen ist.
Der kontinuierliche Wärmeentzug aus dem Erdreich über einen längeren Zeitraum sichert vorteilhafte Entzugsbedingungen.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Zirkulationserdwärmesonde mit Speicher
2: eine schematische Darstellung einer Verdampfererdwärmesonde mit Speicher
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Zur Nutzung der Erdwärme ist die Zirkulationserdwärmesonde 1 über den Speicher 5 mit der Wärmepumpe 12 verbunden (1). Die Wärmepumpe 12 versorgt den Heizkreis 11. Die Wärmepumpe 12 besteht aus den Komponenten Verdichter 8, der von dem Motor 7 angetrieben wird, dem Wärmeübertrager Verdampfer 6, dem Wärmeübertrager Kondensator 10 und dem Expansionsventil 9. Die Zirkulationserdwärmesonde 1 weist das U-Rohr 18 auf, in dem Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch zum Energiegewinn aus dem Erdreich 2 mit Hilfe der Zirkulationspumpe 4 gepumpt wird. Dem Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch wird am Wärmeübertrager Verdampfer 6 die Energie entzogen. Das abgekühlte Gemisch wird über das Dreiwegeventil 13 durch das U-Rohr 18 der Zirkulationserdwärmesonde 1 gepumpt und dort vom Erdreich 2 erwärmt. Das erwärmte Gemisch wird dem Speicher 5 zugeführt und dort geschichtet gelagert. Das erwärmte Gemisch wird dem Speicher 5 solange zugeführt, bis das gesamte Volumen des Speichers 5 mit warmem Gemisch gefüllt ist. Bei Bedarf an Wärme im Heizkreis 11 wird dem Wärmeübertrager Verdampfer 6 das warme Gemisch aus dem Speicher 5 zugeführt. Dabei wird das Dreiwegeventil 13 zur Zirkulationserdwärmesonde 1 hin abgesperrt. Nach Verbrauch des warmen Gemisches aus dem Speicher 5 wird die Heizphase beendet. Das Dreiwegeventil 13 öffnet den Umlauf über die Zirkulationserdwärmesonde 1. Mit der Zirkulationspumpe 4 wird das Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch durch die Erdwärmesonde 1 gepumpt und dabei erwärmt. Wenn keine Wärmeabnahme durch die Wärmepumpe 12 erfolgt, erreicht man schneller eine höhere Temperatur des Gemisches im Speicher 5, die dann bei aufgeladenem Speicher 5 zum Energiegewinn bei hohen Verdampfungstemperaturen zur Verfügung steht und damit eine höhere Leistungszahl der Wärmepumpe 12 liefert.
In der 2 ist die Verdampfererdwärmesonde 14 mit dem Speicher 5 dargestellt. Der Speicher 5 weist den Kondensator 17 der Sonde 14 und das Leitrohr 16 zur Verbesserung der Schichtung auf. Durch die Kondensation des Kältemitteldampfes aus der Ver dampfersonde 15 wird die Wärme auf das Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch im Speicher 5 übertragen. Die Kondensation und damit der Wärmetransport aus der Verdampfersonde 14 erfolgt solange, bis die Temperatur im Speicher 5 und Erdreich 2 sich ausgeglichen hat. Mit dem Leitrohr 16 wird die Schichtung im Speicher 5 erzeugt, so dass bereits bei teilweise aufgeladenem Speicher 5 ein Gemisch mit höheren Temperaturen zur Verfügung steht. Mit der Zirkulationspumpe 4, die nur einen vernachlässigbaren hydraulischen Widerstand überwinden muss, wird das Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch dem Wärmeübertrager Verdampfer 6 der Wärmepumpe zugeführt und dort abgekühlt. Das kalte Gemisch wird in dem Speicher 5 eingeleitet und sorgt für die Kondensation am Kondensator 17 der Sonde 14 und damit für den erneuten Wärmetransport aus der Verdampfererdwärmesonde 14. Die Zirkulationspumpe 4 wird nur während der Betriebsphase der Wärmepumpe 12 betrieben. Der Speicher 5 ist so dimensioniert, dass das Volumen im erwärmten Zustand ausreicht, um die Betriebsphasen der Wärmepumpe 12 in den Hauptbelastungszeiten im Winter abzusichern. Auch bei dieser Anordnung kann auf der warmen Seite der Wärmepumpe 12 der Speicher im Heizkreis 11 reduziert werden, da die Taktung der Wärmepumpe durch den Speicher 5 auf der kalten Seite bestimmt wird. Die Betriebsphasen der Wärmepumpe werden nach dem Bedarf im Heizkreis 11 und dem Zustand des Speichers 5, der mit Temperaturfühlern beobachtet wird, bestimmt.
Anstelle der Erdwärmesonden können auch Erdwärmekollektoren in denen die Sole zirkuliert oder Direktverdampferkollektoren an den Speicher 5 angebunden werden.
Für die Speicherung der Erdwärme ist anstelle des Flüssigkeitsspeichers auch ein Latentspeicher einsetzbar, der den Phasenwechsel geringfügig unter der Erdtemperatur vollzieht.

1: Zirkulationserdwärmesonde
2: Erdreich
3: Geländeoberkante
4: Zirkulationspumpe
5: Speicher
6: Wärmeübertrager Verdampfer
7: Motor
8: Verdichter
9: Expansionsventil
10: Wärmeübertrager Kondensator
11: Heizkreis
12: Wärmepumpe
13: Dreiwegeventil
14: Verdampfererdwärmesonde
15: Verdampfungsrohr
16: Leitrohr
17: Kondensator der Sonde
18: U-Rohr

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage und einer Zirkulations- oder Verdampfungserdwärmesonde und/oder einem Zirkulations- oder Direktverdampfungskollektor aufweisenden Erdwärmeanlage, wobei über einen Sonden- oder Kollektorkreislauf die gewonnene Erdwärme einem Wärmeübertrager Verdampfer der Wärmepumpenanlage zugeführt wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Erdwärme, die im Wärmeübertrager Verdampfer dem Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch entzogen wird, außerhalb und teilweise parallel zu der Betriebszeit der Wärmepumpenanlage gesteuert gespeichert wird.
Verfahren und Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Erdwärme im Speicher geschichtet gespeichert wird.
Verfahren und Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Erdwärme in einem Latentspeicher gespeichert wird.
Anordnung zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage und einer Zirkulations- oder Verdampfererdwärmesonde und/oder einem Zirkulations- oder Direktverdampfungskollektor aufweisenden Erdwärmeanlage, wobei der Sondenkreislauf in einem Wärmeübertrager Verdampfer der Wärmepumpenanlage eingebunden ist, gekennzeichnet dadurch, dass im Sondenkreislauf vor dem Wärmeübertrager Verdampfer ein Speicher eingebunden ist.
Anordnung und Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass Speicher im Bereich der Einbindung der Zirkulationserdwärmesonde ein Rohr zur Verbindung der beiden Schenkel des U-Rohrs und ein Dreiwegeventil aufweist.