DE3312329A1 - Ground heat store - Google Patents
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Abstract
Description
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Wärme-ErdspeicherHeat underground storage
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.The invention relates to a heat underground storage, the Storage medium consists of natural soil and predominantly has a temperature that is significantly above the temperature of the surrounding soil, for Use in such building heating systems and domestic water heating systems, where the heat source is only temporarily is effective with longer interruptions (up to several months), especially with solar collectors. Grown soil is understood to mean soil that was not moved during the construction of the heat storage tank.
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.The thermal underground storage is to provide the thermal energy at a temperature level that is used for direct Heating buildings without the interposition of a heat pump is sufficient all year round. He should be excess absorb generated thermal energy and release it again during the interruptions in energy generation can, whereby these two processes must be feasible with the required performance.
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·It is known that one for heat underground storage, their temperature level is permanently or at least predominantly above that of the surrounding soil, as a storage medium use natural soil "(German patent application 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 einerIt is also known to have the necessary heat exchanger elements generate in the storage area by driving jacket pipes into the ground can be inserted into the pipes by a heat transfer medium be flowed through, by means of a
Füllmasse Tür den Wärmeaustausch zwischen Mantelrohr und den innen liegenden Rohren gesorgt wird (Deutsche Patentanmeldung 30 16 456).Filling compound, the heat exchange between the jacket tube and door the internal pipes is taken care of (German patent application 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).In addition, it is theoretically evident that a subdivision of the heat storage underground in shells, the temperatures of Remove shell to shell towards the outside, both reducing the heat loss of the heat storage system to the outside, as well as to reduce the temperature drop that occurs during charging and discharging of the heat storage tank allowed (reduction of irreversible, i.e. entropy-increasing heat transports).
O Die bisherigen Entwicklungen und Erfindungen haben je-O The developments and inventions to date have
§ doch noch nicht dazu geführt, daß nur zeitweise wirken-§ has not yet led to a temporary effect-
w den Wärmequellen, wie z.B. Solarkollektoren, ein Spei- w the heat sources, such as solar collectors, a storage
X 15 cherkonzept an die Seite gestellt werden kann, das wirt- ^ schaftlichen Anforderungen standhält. Das gilt für jedenX 15 cherkonzept can be placed side by side, withstands economic ^-scientific requirements. That goes for everyone
m bisher vorgeschlagenen Wärmespeicher, der zum Einsatz m previously proposed heat storage, which is used
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.is intended for building heating systems where the heat source only works temporarily with longer interruptions (up to 2 © for several months), regardless of the storage medium is used: water, filling base, latent heat transfer medium or other, but also for heat storage with the cheapest storage medium, namely with natural soil.
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:The invention is based on the object of the low temperature requirement of buildings solely through solar energy (or through other, only intermittent heat sources) economically worthwhile to satisfy. The problem lies essentially in finding a heat storage device with the following properties:
- Speichertemperatur ganzjährig mindestens k^°C (Das vergleichsweise hohe Temperaturniveau erübrigt den Einsatz einer Wärmepumpe, die entgegen der Aufgaben-- Storage tank temperature year-round at least k ^ ° C (The comparatively high temperature level makes the use of a heat pump unnecessary, which contrary to the task
JJ \ LO LZ) YY \ LO LZ)
stellung Fremdenergie benötigen würde).position would require external energy).
- Speicherkapazität (verfügbare Wärmemenge über k5 C) etwa 2/3 des jährlichen Energiebedarfs- Storage capacity (available amount of heat above k5 C) about 2/3 of the annual energy requirement
- jährlicher Energieverlust deutlich kleiner als die Speicherkapazität- Annual energy loss is significantly smaller than the storage capacity
- Speichermedium ist gewachsener Erdboden (aus wirtschaftlichen Gründen)- Storage medium is grown soil (for economic reasons)
- im wesentlichen ein Lade- und Entladevorgang pro Jahr- essentially one loading and unloading process per year
- die maximale Ladeleistung entspricht der maximalen- the maximum charging power corresponds to the maximum
Leistung des Solarkollektors (bzw. einer anderen Wärmequelle) Output of the solar collector (or another heat source)
- die maximale Entladeleistung entspricht der maximal erforderlichen Heizleistung (einschließlich weiterer Verbraucher)- the maximum discharge power corresponds to the maximum required heating power (including additional Consumer)
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.This object is achieved according to the invention in that the heat-underground storage is created in such a way that the surrounding grown soil dries out and acts as thermal insulation the heat storage tank is used.
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.The advantage that can be achieved with the invention is that, for the first time, a heat accumulator is produced in such a cost-effective manner It can be that the economically sensible heating of buildings exclusively by solar energy is made possible. Grown soil is the cheapest possible thermal insulation, because only in this case significant earth movements during the construction of the heat storage tank can be avoided.
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-In this geothermal heat storage system, the thermal energy stored for the first time is used in the storage area and then also the natural soil moisture in the heat-insulating soil layer in to drive away the wider area. Evaporation and condensation processes of the water in the earth
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,Soil plays an essential role, the temperature will increase only increase noticeably when the moisture in the respective area has been almost completely expelled «That Driving away the moisture causes a decrease in thermal conductivity of the grown soil by a factor e.g. 3 Thermal insulation required thickness of the earth layer of e.g. 15 meters by the mentioned factor 3 to e.g. 5 meters, The figures mentioned for example are strong depending on the type of soil. It is necessary to have a sufficient distance to the water table to include,
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärme-Erdspeichers ergeben sich aus den 15 Ansprüchen 2 bis 5.Appropriate refinements and developments of the invention Heat geothermal storage results from the 15 claims 2 to 5.
Q Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung (Anspruch 6)Q According to a further embodiment of the invention (claim 6)
O werden in den Speicherbereich Wärmetauscherelemente ein-O heat exchanger elements are installed in the storage area
{= gebracht, die folgendermaßen hergestellt sind: erzeugen{= brought, which are produced as follows: generate
N von langgestreckten Hohlräumen von etwa kreisförmigemN of elongated cavities of approximately circular
Querschnitt mit einem Erdverdrängungshammer, einlegen von Rohren für hin- und rückströmendes Wärmeträgermedium, verfüllen der Hohlräume mit gut wärmeleitendem Material.Cross-section with an earth displacement hammer, inserting Pipes for the heat transfer medium flowing back and forth, filling the cavities with material that conducts heat well.
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.This embodiment of the invention ensures that a compacted zone is created in the vicinity of the feed hole which conducts the heat considerably better than the natural soil. That is why the displacement well is superior to conventional boreholes with excavated earth. In contrast to the German patent application War. 30 16 456 is not rammed with casing pipes because they are costly and impractical at greater depths.
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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.According to a further embodiment of the invention (claim 7) the heat exchanger elements can have an angled or curved shape. An angled shape can be created by multiple Attachment of the displacement hammer can be achieved. A curved shape can be achieved after a slight change in conventional displacement hammers.
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).This further embodiment of the invention divides the heat-geothermal storage volume into different Partial areas enabled, whereby the temperature of the external sub-areas is lower than the temperature of the Sub-areas further inside (see the example shown in the drawing).
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung (Anspruch 9) gehören die Wärmetauscherelemente verschiedenen Gruppen an, mit den im Anspruch genannten Eigenschaften.According to a further embodiment of the invention (claim 9), the heat exchanger elements belong to different groups on, with the properties mentioned in the claim.
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.This further embodiment of the invention ensures that the thermal energy loss of the memory is substantial is reduced so that heating energy can be taken from the partial area at the time has a temperature just sufficient for this and that thermal energy is fed into the sub-area whose temperature is just below the temperature of the thermal energy generated (e.g. in the solar collector) lies. These measures represent a particularly economical way of handling the available energy.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung (Anspruch 10) ist dem Speicher als Ganzem ein Pufferspeicher zugeordnet mit weiteren, im Anspruch genannten kennzeichnenden Merkmalen.According to a further embodiment of the invention (claim 10), a buffer memory is assigned to the memory as a whole with further characterizing features mentioned in the claim.
^0 Durch diese weitere Ausbildung der Erfindung wird erreicht, daß ein stoßweise auftretendes Energieangebot^ 0 Through this further development of the invention it is achieved that an intermittently occurring energy supply
(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.(ζ.B * from the solar collector when the sky is clear and high Position of the sun) as well as an intermittent energy demand ('e.g. domestic water heating) initially collected by the buffer storage tank and balanced over time to the heat storage tank is passed on, whereby an average smaller temperature drop on the heat exchanger θlementen occurs. In addition, it is achieved that an energy supply occurring in winter directly via the buffer storage can be used as short-term storage without switching on the ¥ poor earth storage.
Aus den Ansprüchen 11 bis 18 ergeben sich weitere zweck- _ mäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärme-Erdspeichers.From the claims 11 to 18 result further functional _ moderate refinements and developments of the invention Heat geothermal storage.
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-According to a further embodiment of the invention (claim J5 15 19) is / are the buffer tank (s) or an additional - rather equalizing tank able to store the heat transfer medium
dium aus dem Solarkollektor aufzunehmen, solange dieser wegen mangelnder Einstrahlung keine Leistung erbringen kann und deswegen entleert werden soll.take up dium from the solar collector as long as this cannot perform due to insufficient irradiation and should therefore be emptied.
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.This further embodiment of the invention ensures that the solar collector without antifreeze and can be operated without a heat exchanger in the buffer tank can and that the night-time cooling of the heat transfer medium in the solar collector is avoided.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärme-Erdspeichers ergeben sich aus den Ansprüchen 20 bis 22.Appropriate refinements and developments of the invention Ground heat storage system result from claims 20 to 22.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen Wärme-Erdspeicher in Ver-An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below. The drawing shows an underground heat storage system in
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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.connection with a solar collector K on the roof and with underfloor heating F for a new single-family house, which works exclusively with solar energy and without any other alternative equipment such as a heat pump, is heated.
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.The heat exchanger elements belong to two groups: the enforce radially arranged heat exchanger elements the inner part I of the heat storage tank with the higher temperature, while the enveloping, kinked Heat exchanger elements pass through the outer sub-area A. The displacement wells will be made from the excavation, which is then to accommodate the installation shaft. For the heat exchanger elements the earth displacement hammer is in the outer section a second time from a ring trench to be filled in later. All tubes of the heat exchanger elements are led individually into the installation shaft, which means that a repair attempt or shutdown in the event of leaks in individual pipes. They all flow into one of four manifolds are led around horizontally in a ring inside the installation shaft. The buffer memory P works with Temperature stratification, which is stabilized by built-in perforated sheets. Boiler feed water is used as filling.
Vier Umwälzpumpen besorgen den Austausch des Wassers im PufferspeicherFour circulation pumps take care of the exchange of the water in the buffer tank
- mit den Wärmetauscherelementen des inneren Teilbereichs des Wärme-Erdspeichers- With the heat exchanger elements of the inner sub-area of the heat storage tank
- mit den Wärmetauscherelementen des äußeren Teilbereiche des Wärme-Erdspelchers- With the heat exchanger elements of the outer sub-areas of the heat-Erdspelchers
- mit dem Dachkollektor und
mit der Fußbodenheizung- with the roof collector and
with the underfloor heating
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, vonA microcomputer receives temperature readings from the various compartments of the buffer tank, from the T5 partial areas of the heat storage tank from the return of the Underfloor heating, from the return of the solar collector, from
DD Q CO ODD Q CO O
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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.a radiation absorber, from the outside air and room air and thus controls the four circulation pumps and the valves, which connect the circuits with the most favorable sections of the buffer tank. When the temperature on the return of the solar collector is lower than the temperature of the heat storage in the outer area, the The water cycle through the solar collector is shut down and emptied with a fifth pump. The waterproof cover W allows the storage tank to dry out. rich and especially the 5 m thick thermal insulation layer from the ground around the heat storage tank.
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Claims (1)
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