DE19860328B4

DE19860328B4 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE19860328B4
Application number: DE19860328A
Authority: DE
Inventors: Horst Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Kruse
Original assignee: FKW HANNOVER FORSCHUNGSZENTRUM; Fkw Hannover Forschungszentrum fur Kaltetechnik und Warmepumpen GmbH
Current assignee: FKW HANNOVER - FORSCHUNGSZENTRUM FAR KAELTETEC, DE
Priority date: 1998-12-24
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: DE19860328A1

Abstract

Wärmeübertrager zur Ausnutzung der Erdwärme, mit einem geschlossenen Aufnahmeraum (12) für einen Wärmeträger (20, 24), der durch die Erdwärme verdampfbar und durch Wärmeaustausch mit einer Wärmesenke kondensierbar ist, wobei der Wärmeträger (20, 24) Kohlendioxid ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid einen Druck im Bereich von 10 bis 70 bar vorzugsweise 40 bar hat und dass der Aufnahmeraum durch ein Rohr (12) gebildet ist, das zumindest abschnittsweise in Erdreich (16) eingesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur Ausnützung der Erdwärme gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein mit einem derartigen Wärmeübertrager ausgeführtes Wärmepumpensystem.
In jüngster Zeit treten Heizungen mit Wärmepumpen immer häufiger in Konkurrenz zu mit fossilen Brennstoffen betriebenen Heizanlagen. Durch diesen zunehmenden Einsatz regenerativer Energien, kann den Problemen der fossilen Energieversorgung entgegengewirkt werden. Die Ausnutzung der regenerativen Energiequellen erfordert den Einsatz von Wärmenpumpen unterschiedlicher Bauweisen.
Das Prinzip der Wärmepumpen besteht darin, daß Wärme aus der Umgebung aufgenommen und auf ein höheres Temperaturniveau transformiert wird. Die Leistungszahl bzw. die Heizzahl einer Wärmepumpe hängt entscheidend von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ab. Da die Temperatur der Wärmesenke meist vorgegeben ist, bestimmt die Qualität der Wärmequelle die Einsatzmöglichkeiten und die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe.
Da die Nutzung der Luft als Wärmequelle aufgrund erheblicher Nachteile, wie beispielsweise große Apparatevolumina, akkustische Probleme, stark schwankende Außentemperaturen und der ausgeprägten Divergenz zwischen Heizleistung der Wärmepumpe und Heizenergiebedarf des Gebäudes noch erhebliche Schwierigkeiten bereitet, sind bereits einige Anwendungen bekannt, bei denen das Erdreich aufgrund seiner Temperaturkonstanz und hohen Wärmekapazität als Wärmequelle verwendet wird. Der Entzug der Wärme aus dem Erdreich er folgt mit Hilfe von Wärmeübertragern, wobei grundsätzlich zwei Systeme unterschieden werden.
Bei direkten Systemen werden die Wärmetauscher eines Verdampfers direkt im Erdreich verlegt und vom Kältemittel des Wärmepumpenkreislaufes durchströmt.
Bei indirekten Systemen erfolgt der Energietransport vom Boden zum Verdampfer der Wärmepumpe über einen Wärmeträger, der in im Erdreich verlegten Rohren strömt. Diese Rohre sind thermodynamisch mit dem Verdampfer der Wärmepumpe gekoppelt, so daß dem Wärmeträger die zur Verdampfung des Kältemittels erforderliche Wärmemenge entziehbar ist.
Bei den Wärmeübertragern werden Erdkollektoren und Erdsonden unterschieden. Die Erdkollektoren werden großflächig in vergleichsweise geringer Tiefe (zwischen einem und zwei Metern) im Erdreich verlegt. Erdwärmesonden, auch Wärmerohr oder Heatpipe genannt, werden vertikal oder schräg in den Boden eingebracht und erfordern daher eine wesentlich geringere Grundfläche als Erdkollektoren. Derartige Erdwärmesonden sind beispielsweise in der DE 42 11 576 A1 beschrieben. Bei dieser bekannten Lösung ist die Erdwärmesonde mit einem Kältemittel als Wärmeträger gefüllt, das im unteren Teil aufgrund der Erdwärme verdampft wird. Der Kältemitteldampf steigt auf und kondensiert im oberen, kalten Teil der Sonde. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme wird zum Verdampfen des Kältemittels des Wärmepumpenkreislaufes verwendet. Das kondensierte Kältemittel der Sonde fließt dann wieder in den unteren Teil und wird dort wiederum verdampft – der innere Kreislauf der Erdwärmesonde ist geschlossen.
Bei den bekannten Lösungen werden als Kältemittel für die Erdwärmesonde in der Regel FCKW, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe verwendet. Problematisch ist dabei allerdings, das bei einem Bruch der Sonde eine Umweltgefährdung vorliegt.
Diese Umweltgefährdung läßt sich verringern, wenn als Wärmeträger Wasser oder Solesysteme (beispielsweise Wasser-Glykol-Gemisch) verwendet werden. Nachteilig bei diesen einphasigen Wärmeträgern ist, das eine Pumpe zum Umwälzen des Wärmeträgers erfoderlich ist.
In der Offenlegungsschrift DE 40 35 870 A1 werden geothermische Quellen als Wärmequellen für einen Wärmetauscher beschrieben. Die entnommene thermische Energie wird über einen geschlossenen Kreislauf mit einem Steigrohr und einem mit einer Wärmedämmung versehenen Fallrohr zu einem weiteren Wärmetauscher übertragen und kann zum Antrieb einer Arbeitsturbine mit elektrischem Generator verwendet. Als Arbeitsmedium kann Kohlendioxid verwendet werden.
Das Dokument US 5 339 893 bezieht sich auf einen Thermosyphon zum Erzeugen von gefrorenem Boden, bei dem der Aufnahmeraum rohrförmig ausgebildet ist. Als Arbeitsfluid kann unter anderem Kohlendioxid verwendet werden.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager und ein mit einem derartigen Wärmeübertrager ausgeführtes Wärmepumpensystem zu schaffen, die sich bei minimalem vorrichtungstechnischen Aufwand und geringer Umweltgefährdung durch eine hohe Effektivität auszeichnen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Wärmeübertragers durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Wärmepumpensystems durch die Merkmale des Patentanspruchs 6 gelöst.
Erfindungsgemäß wird Kohlendioxid (CO₂) als Wärmeträger verwendet. Aufgrund der Umweltverträglichkeit von CO₂ ist auch bei einer Leckage des Wärmeübertragers keine Umweltgefährdung, beispielsweise eine Trinkwasserverschmutzung zu befürchten. CO₂ ist nicht brennbar, nicht giftig und weist ein gegenüber den herkömmlichen Kältemitteln vernachlässigbares Treibhauspotential auf.
Bei der Verwendung von CO₂ ist aufgrund des Phasenwechsels keine Pumpe zur Umwälzung erforderlich, so daß der energetische und vorrichtungstechnische Aufwand zur Aufrechterhaltung des Wärmeträgerkreislaufes minimal ist. Die erzielbaren Temperaturdifferenzen zwischen dem Boden und dem Wärmeübertrager sind deutlich größer als bei Solesystemen, so daß die Effektivität des Wärmeübertragers und des damit ausgeführten Wärmepumpensystems wesentlich erhöht werden kann. Aufgrund dieser höheren Effektivität kann die Austauschfläche des Wärmeübertragers verringert werden, so daß dieser beispielsweise mit einer geringeren Länge ausgeführt werden kann. Dies führt dazu, daß die Investitionskosten, die nicht unwesentlich vom Einbringen der Bohrungen zur Aufnahme der Wärmeübertrager bestimmt sind, abgesenkt werden können.
Das Kohlendioxid wird im Wärmerohr als Druckgas im Druckbereich von 10 bis 70 bar, vorzugsweise 40 bar aufgenommen.
Der Wärmeübertrager wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Rohr ausgeführt. Prinzipiell vorstellbar ist auch, daß der Wärmeübertrager in der eingangs beschriebenen Weise als Erdkollektor ausgebildet wird, wobei allerdings erheblich größere Bodenflächen als bei Wärmerohren zur Verfügung stehen müssen.
Zur Vergrößerung der Wärmeaustauschflächen kann das Rohr mit Rippen versehen werden, die vorzugsweise in Längsrichtung des Rohrs verlaufen. Diese Rippen können je nach Anwendungsfall im Inneren oder an der Außenfläche des Rohres angeordnet werden.
Während bei den herkömmlichen Solesystemen Sondenlängen von 20 bis 150 Metern erforderlich waren, durfte beim Einsatz von CO₂ als Wärmeträger eine Rohrlänge im Bereich von 6 bis 18 Metern ausreichen, um die gleiche Leistung zu erzielen. Mitverantwortlich für die wesentlich höheren Effektivität des CO₂ ist die hohe Dichte, die dieses Fluid in den angegebenen Druckbereichen aufweist.
Je nach Platzverhältnissen kann die Erdreichsonde senkrecht oder schräg ins Erdreich eingesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager wird vorzugsweise bei Wärmepumpensystemen eingesetzt, bei denen ein Kältemittel verdichtet, in einem Wärmetauscher kondensiert und anschließend entspannt wird. Das entspannte Kältemittel wird in einem Verdampfer verdampft, der thermodynamisch mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gekoppelt ist. Zur Erhöhung der Leistung können dem Verdampfer mehrere Wärmeübertrager zugeordnet werden.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems;
2 eine Prinzipdarstellung einer Erdwärmesonde des Wärmepumpensystems aus 1 und
3 ein Druck-Enthalpiediagramm für Kohlendioxid.
In 1 ist schematisch ein Wärmepumpensystem dargestellt, wie es beispielsweise für eine Heizanlage eines Wohnhauses eingesetzt werden kann. Bei einem derartigen Wärmepumpensystem wird ein Kältemittel über einen Verdichter 2 isentrop verdichtet und einem Wärmetauscher 4 zugeführt. In diesem Wärmetauscher 4 wird das verdichtete Kältemittel kondensiert wobei die Kondensationswärme im Wärmeaustausch mit der Umgebung zum Aufheizen eines Mediums oder der Umgebung ausgenützt wird. Das kondensierte Kältemittel wird in einer Drossel 6 oder einer Expansionsmaschine entspannt und in einem Verdampfer 8 verdampft, so daß am Ausgang des Verdampfers 8 wiederum der Ausgangszustand des Kältemittels vorliegt. Die für die Verdampfung des Kälte mittels erforderliche Verdampfungswärme muß dem Verdampfer 8 extern zugeführt werden. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dies über eine Erdwärmesonde 10.
Derartige Erdwärmesonden 10 sind prinzipiell bereits aus dem Stand der Technik bekannt, so daß hinsichtlich der Funktion und des Aufbaus auf die vorhandenen Literatur, beispielsweise auf die eingangs genannte DE 42 11 576 und die darin zitierte Literatur verwiesen wird.
2 zeigt eine schematisierte Schnittdarstellung durch die Erdwärmesonde aus 1. Eine derartige Sonde 10 hat ein als Druckbehälter ausgeführtes geschlossenes Rohr 12, das in eine Bohrung 14 im Erdreich 16 eingelassen ist. Die Länge des Rohres 12 beträgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen 6 und 20 – vorzugsweise 18 Meter. Selbstverständlich sind auch andere Geometrien einsetzbar.
Im Inneren des Rohres ist ein Wärmeträger, im vorliegenden Fall CO₂ aufgenommen, das unter einem vergleichsweise hohen Druck von beispielsweise 40 bar steht. D.h., im Inneren des Rohres 12 befindet sich in Abhängigkeit von der Temperatur ein 2-Phasengemisch (Dampf/Flüssigkeit). Die Länge der Erdreichsonde richtet sich unter anderem nach der Wärmeaustauschfläche des Rohrs 12 und nach den klimatischen Bedingungen, in denen die Erdwärmesonde 10 eingesetzt wird.
Zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche ist das Rohr 12 mit Rippen oder Lamellen 18 versehen, die im inneren oder am Außenumfang des Rohres angeordnet sind. Das Rohr 12 wird aus Metall gefertigt, wobei besonderes Augenmerk auf eine gute Wärmeleitung und Korrosionsbeständigkeit des Materials gerichtet wird. Wesentlich ist, daß das Rohr 10 eine hinreichende Druckfestigkeit hat, so daß bei den zu erwartenden Drücken im Bereich von 40 bar keinerlei Leckage entsteht und somit die Füllung des Rohres auf lange Zeit gewährleistet ist. Unter Umständen kann man am Rohr 12 Ventile vorsehen, über die eine Nachfüllung des Wärmerohrs 12 möglich ist.
Aufgrund der Erdwärme wird das am Fuß des Rohrs 12 flüssige CO₂ durch Wärmeübergang mit dem Erdreich verdampft. Der Dampf 20 steigt aufgrund seiner geringeren Dichte entlang den Innenwandungen des Rohrs 12 zum Kopf 22 des Rohres 12 auf. Dieser Kopf 22 ist thermodynamisch gekoppelt mit dem Verdampfer 8, so daß der Dampf 20 im Kopfbereich des Verdampfers 8 kondensiert und die Kondensationswärme zur Verdampfung des Kältemittels des Wärmepumpenkreislaufes ausgenutzt werden kann. Das CO₂-Kondensat 24 fließt oder tropft aufgrund seiner höheren Dichte im Rohr 10 nach unten und wird dort aufgrund der höheren Temperatur in 18 m Tiefe wieder in der vorbeschriebenen Weise verdampft – der Wärmeträgerkreislauf im Inneren der Erdwärmesonde ist geschlossen.
Eine derartige Strömungsführung in der Erdwärmesonde unter Ausnützung der unterschiedlichen Dichten von Kondensat und Dampf wird als Thermosyphoneffekt bezeichnet und hat den erheblichen Vorteil, daß keinerlei Pumpen oder ähnliches zur Umwälzung des Wärmeträgers erforderlich sind. Aufgrund der großen Dichte des CO₂ im genannten Druckbereich (etwa 40 bar) ist die erzielbare Temperaturdifferenz zwischen dem Erdreich und der Erdwärmesonde 1 deutlich größer als bei Solesystemen, so daß der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers den bisherigen Lösungen überlegen ist. Dies ermöglicht es, das Rohr 12 mit einer geringeren Länge auszuführen, als es bei den bisher bekannten Konstruktionen der Fall war.
Der Anbindungsbereich der Erdwärmesonde 10 an den Verdampfer 8 wird so ausgestaltet, daß der Druckverlust für die Zweiphasenströmung im Inneren des Rohres 12 minimal ist, um den Prozeß des Kondensierens und Abfliessens nicht zu stören.
Zur Erhöhung der Verdampfungsleistung können dem Verdampfer 8 mehrere Erdwärmesonden 10 zugeordnet werden. Der Verdampfer 8 und die Erdwärmesonden 10 werden vorzugsweise in einem Gebäude oder in einem Bereich angeordnet, in dem keine Wechselwirkung mit den kalten Oberflächenschichten des Erdreichs 16 stattfinden kann.
3 zeigt ein log p-Enthalpie-Diagramm, in dem der vorbeschriebene Kreislauf eingezeichnet ist. Im Ausgangszustand hat das Kondensat (1) ein Druck von etwa 40 bar. Durch den Wärmeaustausch mit dem Erdreich wird das Kondensat entlang einer Isobaren verdampft, wobei die Verdampfungswärme der Differenz h₂–h₁ entspricht. Der CO₂-Dampf (Zustand 2) wird dann wieder kondensiert, so daß der Ideal-Kreislauf praktisch durch die waagrechte im log p/h-Diagramm gekennzeichnet ist. Die Temperatur des Wärmeträgers bleibt während der Verdampfung/Kondensation konstant.
Die erfindungsgemäße Erdwärmesonde zeichnet sich durch eine hohe Effektivität und einen besonders einfachen Aufbau aus. Durch die Verwendung von CO₂ anstelle von herkömmlichen Kältemitteln, wie beispielsweise Ammoniak, Kohlenwasserstoff, Fluorkohlenwasserstoffen etc. ist eine Grundwasserverschmutzung oder eine sonstige Umweltgefährdung aufgrund der Umweltverträglichkeit des CO₂ nicht zu erwarten.
Offenbart sind ein Wärmeübertrager und ein mit einem derartigen Wärmeübertrager ausgeführtes Wärmepumpensystem, bei dem eine Erdwärmesonde eingesetzt wird, bei der Kohlendioxid als Wärmeträger verwendet wird.

Claims

Wärmeübertrager zur Ausnutzung der Erdwärme, mit einem geschlossenen Aufnahmeraum (12) für einen Wärmeträger (20, 24), der durch die Erdwärme verdampfbar und durch Wärmeaustausch mit einer Wärmesenke kondensierbar ist, wobei der Wärmeträger (20, 24) Kohlendioxid ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid einen Druck im Bereich von 10 bis 70 bar vorzugsweise 40 bar hat und dass der Aufnahmeraum durch ein Rohr (12) gebildet ist, das zumindest abschnittsweise in Erdreich (16) eingesetzt ist.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (12) mit Rippen (18) oder sonstigen Einrichtungen zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche ausgebildet ist.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (18) in Rohrlängsrichtung verlaufen.
Wärmeübertragung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (12) eine Länge im Bereich von 5 bis 25 Metern vorzugsweise 18 Metern hat.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (12) senkrecht oder schräg ins Erdreich eingetrieben ist.
Wärmepumpensystem mit einem im Kreislauf geführten Kältemittel, einem Verdichter (2) zur Verdichtung des gasförmigen Kältemittels, einem Wärmetauscher (4) zur Kondensation des Kältemittels, einer Drossel (6) oder einer Entspannungsmaschine zum Entspannen des Kältemittels und einem Verdampfer (8) zum Verdampfen des entspannten Kältemittels, gekennzeichnet durch einen Wärmeübertrager (10) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, über den dem Verdampfer (8) die zur Verdampfung des Kältemittels erforderliche Verdampfungswärme zuführbar ist.
Wärmepumpensystem nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmeübertrager (10) mit einem Verdampfer (8) thermodynamisch gekoppelt sind.