DE102019111184A1

DE102019111184A1 - Kaltwärmenetz mit zwischengeschaltetem Latentwärmespeicher

Info

Publication number: DE102019111184A1
Application number: DE102019111184.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander von Rohr; Philipp Elsäßer
Original assignee: Caldoa GmbH
Current assignee: Caldoa GmbH
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-08-27
Anticipated expiration: 2039-05-01
Also published as: DE102019111184B4; DE102019111173A1

Abstract

Ein Kaltwärmenetz (1) zum Temperieren von zumindest einem Gebäude (2) weist einen ersten geschlossenen Kreislauf (3), um Wärme einer dem jeweiligen Gebäude (2) zugeordneten Wärmepumpe (4) zuzuführen oder von der Wärmepumpe (4) abzuführen, und einen zweiten Kreislauf (5) auf, welcher mittelbar thermische Energie einer gebäudefernen Wärmequelle (6), vorzugsweise einer Erdsonde, mit dem ersten geschlossenen Kreislauf (3) austauscht, wobei zwischen dem ersten geschlossenen Kreislauf (3) und dem zweiten Kreislauf (5) ein Latentwärmespeicher (7) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kaltwärmenetz zum Temperieren von zumindest einem Gebäude mit einem ersten geschlossenen Kreislauf, um Wärme einer dem jeweiligen Gebäude zugeordneten Wärmepumpe zuzuführen oder von der Wärmepumpe abzuführen, und einem zweiten Kreislauf, welcher mittelbar thermische Energie einer gebäudefernen Wärmequelle, vorzugsweise einer Erdsonde, mit dem ersten geschlossenen Kreislauf austauscht.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Heizanlagen mit Erdsonden bekannt. So offenbart beispielsweise die gattungsgemäße DE 19 727 493 C2 eine Heizungsvorrichtung mit einer Wärmepumpe, deren Kondensator von Wasser eines Heizungskreislaufes und deren Verdampfer von Wasser oder einer Solelösung einer Erdsonde beaufschlagt ist, wobei deren Vorlauf- und Rücklaufleitung derart in eine Erdbohrung einsetzbar sind, dass ein Zentralrohr mit relativ großer Innenquerschnittsfläche von mehreren konzentrisch um seinen Außenumfang herum symmetrisch angeordneten Rohren mit kleinerer Innenquerschnittsfläche angeordnet sind, die über einen Verteilerkopf am Fuße des Zentralrohres mit diesem verbunden sind, wobei das die Rücklaufleitung der Erdsonde bildende Zentralrohr mit einer Wärmedämmung versehen ist und die das Zentralrohr umgebenden Rohre die Vorlaufrohre bilden, welche zum Verdampfer der Wärmepumpe führen, wobei die Summe der Innenquerschnittsflächen der Vorlaufrohre etwa der Innenquerschnittsfläche des Zentralrohres entspricht.
Auch offenbart die gattungsgemäße DE 20 2005 014 597 U1 eine Kühl-/Heizanlage, mit einer Wärmepumpe, welche einen Verdampfer und einen Verflüssiger aufweist, wobei der Verdampfer an einen ersten Kreislauf und der Verflüssiger an einen zweiten Kreislauf angeschlossen ist, wobei in dem ersten Kreislauf mindestens eine Erdsonde, eine Quellenpumpe und ein erstes Umschaltventil angeordnet ist, in dem zweiten Kreislauf eine Kühl-/Heizfläche und eine Heizkreispumpe angeordnet ist, und der erste und zweite Kreislauf über einen Wärmetauscher derart miteinander verbunden sind, dass über die Kühl-/Heizfläche in den ersten Kreislauf aufgenommene Wärme über den Wärmetauscher an den ersten Kreislauf abgegeben werden kann und die Wärme über die mindestens eine Erdsonde abgegeben werden kann, wobei das erste Umschaltventil derart angeordnet ist, dass der erste Kreislauf zwischen dem Verdampfer und dem Wärmetauscher umgeschaltet werden kann, und die Heizkreispumpe in dem zweiten Kreislauf zwischen dem Wärmetauscher und dem Verflüssiger angeordnet ist.
Der Stand der Technik hat jedoch meistens den Nachteil, dass durch die direkte thermische Kopplung der Wärmepumpe und der Erdsonde an der Erdsonde Temperaturen unterhalb von 0°C auftreten, welche zu Einfrierungen und Beschädigungen an der Erdsonde führen.
Es ist also die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll ein Kaltwärmenetz bereitgestellt werden, welches die Erdsonde thermisch von der Wärmepumpe entkoppelt.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem ersten geschlossenen Kreislauf und dem zweiten Kreislauf ein Latentwärmespeicher angeordnet ist.
Dies hat den Vorteil, dass der erste Kreislauf und der zweite Kreislauf thermisch voneinander entkoppelt werden und so unabhängig von den Umgebungsbedingungen und Wärme- bzw. Kälteanforderungen optimiert betrieben werden können.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann der zweite Kreislauf die Wärmequelle in einem geschlossenen Kreislauf mit einem in oder an dem Latentwärmespeicher angeordneten Wärmeübertragungselement thermo-fluidisch verbinden. Dadurch wird es möglich, das Speichermedium (Wasser) in dem Eisspeicher im Wesentlichen ≥0°C zu halten, so dass keine Gefahr von Einfrierungen an der Erdsonde besteht, aber möglichst in der Nähe des Gefrierpunktes des jeweiligen Mediums und insbesondere dort möglichst konstant.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann der zweite Kreislauf die Wärmequelle unmittelbar in einem offenen Kreislauf an den Latentwärmespeicher anbinden. Dabei kann vorzugsweise in dem ersten Kreislauf ein erstes Wärmeträgerfluid strömen und in dem zweiten Kreislauf ein sich von dem ersten Wärmeträgerfluid unterscheidendes, zweites Wärmeträgerfluid strömen. Es ist von Vorteil, wenn das erste Wärmeträgerfluid eine Sole und/oder ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel, insbesondere Glykol, ist und das zweite Wärmeträgerfluid Wasser ist. Insbesondere kann der erste Kreislauf erfindungsgemäß durch ein Rohrleitungssystem mit doppelwandigen Rohren ausgestaltet sein und der zweite Kreislauf durch ein Rohrleitungssystem mit einwandigen Rohren ausgestaltet sein, was eine kostengünstige Sanierung beschädigter und/oder veralteter Erdsonden, dadurch ermöglicht, dass in dem zweiten Kreislauf unkritisches Medium, wie reines Wasser, verwendet werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Latentwärmespeicher als Eisspeicher ausgestaltet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Anordnung eines Kaltnahwärmenetzes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
2 eine schematische Anordnung eines Kaltnahwärmenetzes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können untereinander ausgetauscht werden.
1 zeigt eine schematische Anordnung eines Kaltnahwärmenetzes 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Kaltnahwärmenetz 1 als Beispiel eines erfindungsgemäßen Kaltwärmenetzes ist dabei eingerichtet, zumindest ein Gebäude 2 zu heizen bzw. zu kühlen. Ein erster geschlossener Kreislauf 3 des Kaltnahwärmenetzes 1 führt je nach Betriebsmodus einer dem Gebäude 2 zugeordneten Wärmepumpe 4 Wärme zu bzw. von der Wärmepumpe 4 ab. Des Weiteren weist das Kaltnahwärmenetz 1 einen zweiten Kreislauf 5 auf, welcher mittelbar thermische Energie einer Erdsonde 6 mit dem ersten geschlossenen Kreislauf 3 austauscht. Wie in 1 dargestellt, ist zwischen dem ersten Kreislauf 3 und dem zweiten Kreislauf 5 ein Eisspeicher 7 angeordnet. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird der erste Kreislauf 3 durch den Eisspeicher 7 thermisch von dem zweiten Kreislauf 5 entkoppelt. Hier ist die Erdsonde 6 ein Beispiel einer „gebäudefernen Wärmequelle“ und der Eisspeicher 7 ein Beispiel eines „Latentwärmespeichers“ .
Der erste Kreislauf 3 weist eine Gebäudezulaufleitung 8 und eine Gebäuderücklaufleitung 9 aus, in welchen ein erstes Wärmeträgerfluid zwischen der Wärmepumpe 4 und einem in dem Eisspeicher 7 angeordneten Entzugs-Wärmeübertragungselement 10 zirkuliert. Die Strömungsrichtungen des ersten Wärmeträgerfluids innerhalb der Gebäudezulaufleitung 8 bzw. der Gebäuderücklaufleitung 9 sind in 1 beispielhaft durch die Pfeile A bzw. B dargestellt.
In dem ersten Ausführungsbeispiel ist der zweite Kreislauf 5 als geschlossener Kreislauf ausgebildet, welcher die Erdsonde 6 thermo-fluidisch über eine Erdsondenzulaufleitung 11 und eine Erdsondenrücklaufleitung 12 mit einem in oder an dem Eisspeicher angeordneten Erdsonden-Wärmeübertragungselement 13 verbindet, so dass in dem zweiten Kreislauf 5 ein zweites Wärmeträgerfluid zwischen der Erdsonde 6 und dem Erdsonden-Wärmeübertragungselement 13 zirkulieren kann. Die Strömungsrichtungen des zweiten Wärmeträgerfluids innerhalb der Erdsondenzulaufleitung 11 bzw. der Erdsondenrücklaufleitung 12 sind in 1 beispielhaft durch die Pfeile C bzw. D dargestellt.
Des Weiteren unterscheiden sich in dem ersten Ausführungsbeispiel das erste Wärmeträgerfluid und das zweite Wärmeträgerfluid voneinander. Sowohl für das erste Wärmeträgerfluid wird ein Glykol-Wasser-Gemisch verwendet, für das zweite Wärmeträgerfluid wird Wasser verwendet. Aufgrund von gesetzlichen Bestimmungen zum Grundwasserschutz müssen beim unterirdischen Einsatz von Glykol-Wasser-Gemischen die Rohre doppelwandig ausgeführt sein oder zusätzlichen Maßnahmen gerecht werden, weshalb in dem ersten Ausführungsbeispiel die (horizontalen) Rohrleitungen des ersten Kreislaufs 3 doppelwandig sind und die Rohrleitungen des zweiten Kreislaufs 5 einwandig ausgestaltet sind.
Wenn nun in dem Gebäude 2 eine Wärmeanforderung vorliegt, entzieht der erste Kreislauf 3 dem Eisspeicher 7 durch Wärmeaustausch zwischen dem ersten Wärmeträgerfluid und einem in dem Eisspeicher 7 lagernden Speichermedium über das Entzugs-Wärmeübertragungselement 10 thermische Energie und führt diese der Wärmepumpe 4 zu, wo die thermische Energie zum Heizen des Gebäudes 2 verwendet wird. Als Speichermedium liegt in dem Eisspeicher 7 Wasser vor.
Die Erdsonde 6 wiederum entzieht dem Erdreich thermische Energie und erwärmt somit das zweite Wärmeträgerfluid, welches über die Erdsondenrücklaufleitung 12 zu dem Erdsonden-Wärmeübertragungselement 13 strömt und hier seine thermische Energie an den Eisspeicher 7 abgibt, bevor es über die Erdsondenzulaufleitung 11 wieder zurück zu der Erdsonde 6 strömt.
Durch die thermische Entkopplung des ersten Kreislaufs 3 und des zweiten Kreislaufs 5 kann in dem Eisspeicher 7 das Wasser um den Wärmetauscher 13 bei einer konstanten Temperatur von ≥ 0°C (Kristallationsphase) gehalten werden, d.h. möglichst nahe am Gefrierpunkt aber eisfrei. Dadurch wird sichergestellt, dass das zweite Wärmeträgerfluid in der Erdsondenzulaufleitung 11 immer flüssig mit einer Temperatur größer oder gleich 0°C strömt, so dass die Gefahr von Einfrierungen an der Erdsonde 6 und somit eine Beschädigung der Erdsonde 6 gemindert werden kann.
2 zeigt ein Kaltnahwärmenetz 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Funktionsweise und der Großteil der Komponenten unterscheidet sich dabei nicht von dem ersten Ausführungsbeispiel, weshalb der Fokus nachfolgend auf den Unterschieden zwischen den beiden Ausführungsbeispielen liegt.
In dem Kaltnahwärmenetz 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein zweiter Kreislauf 5 zwischen der Erdsonde 6 und dem Eisspeicher 7 als offener Kreislauf mit einer Erdsondenzulaufleitung 11 und einer Erdsondenrücklaufleitung 12 ausgebildet. D.h. flüssiges Wasser aus dem Eisspeicher 7 strömt durch die Erdsondenzulaufleitung 11 hin zu der Erdsonde 6, wo es thermische Energie des Erdreichs aufnimmt und danach durch die Erdsondenrücklaufleitung 12 zurückströmt. Im Eisspeicher 7 tauscht das Wasser nun nicht seine thermische Energie über ein Wärmeübertragungselement aus, sondern vermischt sich vielmehr mit dem im Eisspeicher 7 vorliegenden Wasser bzw. führt zum Abtauen des im Eisspeicher 7 vorliegenden Eis.
Der zweite Kreislauf 5 befindet sich in dem zweiten Ausführungsbeispiel unterhalb der Frostgrenze G, so dass der Einsatz von reinem Wasser als zweites Wärmeträgerfluid in dem zweiten Kreislauf 5 nicht zu Einfrierungen innerhalb der Erdsondenzulaufleitung 11 führt. Des Weiteren erlaubt der Einsatz von reinem Wasser als zweites Wärmeträgerfluid die Rohre der Erdsondenzulaufleitung 11 und der Erdsondenrücklaufleitung 12 einwandig auszuführen und durch dann erlaubte Verwendung von Wasser beschädigte (undichte) Erdsonden kostengünstig zu sanieren.
Um möglichen Wasserverlust auszugleichen, ist zusätzlich an dem Eisspeicher 7 ein Wasseranschluss 14 vorgesehen, so dass über eine beschädigte Erdsonde austretendes Wasser durch den Wasseranschluss 14 kompensiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Kaltnahwärmenetz
2: Gebäude
3: erster Kreislauf
4: Wärmepumpe
5: zweiter Kreislauf
6: Erdsonde
7: Eisspeicher
8: Gebäudezulaufleitung
9: Gebäuderücklaufleitung
10: Entzugs-Wärmeübertragungselement
11: Erdsondenzulaufleitung
12: Erdsondenrücklaufleitung
13: Erdsonden-Wärmeübertragungselement
14: Wasseranschluss
A, B: Strömungsrichtungen im ersten Kreislauf
C,: D Strömungsrichtungen im zweiten Kreislauf
G: Frostgrenze

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19727493 C2 [0002]
DE 202005014597 U1 [0003]

Claims

Kaltwärmenetz (1) zum Temperieren von zumindest einem Gebäude (2) mit einem ersten geschlossenen Kreislauf (3), um Wärme einer dem jeweiligen Gebäude (2) zugeordneten Wärmepumpe (4) zuzuführen oder von der Wärmepumpe (4) abzuführen, und einem zweiten Kreislauf (5), welcher mittelbar thermische Energie einer gebäudefernen Wärmequelle (6) mit dem ersten geschlossenen Kreislauf (3) austauscht, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten geschlossenen Kreislauf (3) und dem zweiten Kreislauf (5) ein Latentwärmespeicher (7) angeordnet ist.
Kaltwärmenetz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kreislauf (5) die Wärmequelle (6) in einem geschlossenen Kreislauf mit einem in oder an dem Latentwärmespeicher (7) angeordneten Wärmeübertragungselement (13) thermo-fluidisch verbindet.
Kaltwärmenetz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kreislauf (1) die Wärmequelle (6) unmittelbar in einem offenen Kreislauf an den Latentwärmespeicher (7) anbindet.
Kaltwärmenetz (1) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Kreislauf (3) ein erstes Wärmeträgerfluid strömt und in dem zweiten Kreislauf (5) ein sich von dem ersten Wärmeträgerfluid unterscheidendes, zweites Wärmeträgerfluid strömt.
Kaltwärmenetz (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmeträgerfluid eine Sole und/oder ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel ist und das zweite Wärmeträgerfluid Wasser ist.
Kaltwärmenetz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kreislauf (3) durch ein Rohrleitungssystem mit doppelwandigen Rohren ausgestaltet ist und der zweite Kreislauf (5) durch ein Rohrleitungssystem mit einwandigen Rohren ausgestaltet ist.
Kaltwärmenetz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (7) als Eisspeicher ausgestaltet ist.