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Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Die Nutzung von fossilen Energien
gewinnt in der Bundesrepublik Deutschland immer mehr an Bedeutung,
da der Treibhauseffekt der Atmosphäre im wesentlichen auf das
Verbrennen fossiler Primärenergieträger (Kohle,
Erdöl,
Erdgas) zurückzuführen ist.
Durch den verstärkten
Einsatz regenerativer und geothermischer Energien kann eine Verminderung der
Kohlendioxidemission in die Atmosphäre erreicht werden.
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Die Bundesrepublik Deutschland verwendet für Gebäudeheizungen
etwa ein Drittel ihrer gesamten Endenergie in einem Temperaturbereich
unter 100°C.
In diesem Temperaturbereich ist die Arbeitsfähigkeit der Wärme, der
so genannte Exergiegehalt gering. Das führt dazu, dass herkömmliche
Verbrennungsheizungen auf Erdgas- bzw. Erdölbasis eine erhebliche Entwertung
der als Exergie gespeicherten chemischen Brennstoffenergie durch
Verbrennung und anschließenden
Wärmeübergang
auf die genannten tieferen Temperaturen vornehmen, was zu exergetischen
Primärenergie-Nutzungsgraden
von nur ca. 6 % führt.
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Kesselsysteme, beispielsweise im
Betrieb mit Heizöl
oder Erdgas sind praktisch am Ende ihrer technischen Entwicklung
angekommen. Derartige Systeme erreichen einen Nutzungsgrad, der
geringfügig
unter dem physikalischen Maximum liegt.
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Wärmepumpen
als thermodynamische Heizung können
exergetische Primärenergienutzungsgrade
von etwa dem vierfachen erreichen, da sie Wärme aus der Umgebung aufnehmen
und diese auf die für
die Beheizung erforderliche Temperatur pumpen. Als Energieträger kommen
dabei beispielsweise die Energie der Umgebungsluft, der Oberflächengewässer oder
Oberflächen
naher Bodenschichten in Frage. Geothermische Energie zur Beheizung
von Gebäuden
kann durch Nutzung warmer hydrothermaler Tiefengewässer direkt
verwendet werden, bei der Anwendung von Erdsonden bis ca. 100 m
Tiefe jedoch nur indirekt mit Wärmepumpenanlagen,
die Erdwärme
im Temperaturbereich von 8°C
bis 12°C auf
ein für
die Gebäudebeheizung
nutzbares Temperaturniveau (35°C
oder höher)
anheben.
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Etwa zwei Drittel aller in Deutschland
im Jahr 2001 installierten Wärmepumpen
nutzen Erdwärme als
Wärmequelle,
wobei bei 46 % der Anlagen vertikale Erdsonden zur Nutzung der Erdwärme verwendet
wurden.
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Als Wärmeträger für diese Erdwärmetauscher
werden gegenwärtig
häufig
einphasige Arbeitsstoffe, wie Wasser-Glykol oder Wasser-Salzmischungen verwendet,
die durch die Sonden zum Verdampfer der Wärmepumpe gepumpt werden (Solesonden).
Nachteilig bei derartigen Sonden ist, dass diese Solen in die Wassergefährdungsklasse
1 eingestuft sind, was eine wasserrechtliche Genehmigung erforderlich
macht. Des weiteren ist bei diesen Anlagen eine Pumpe zum Umwälzen der
einphasigen Flüssigkeit
erforderlich, wodurch der Energiebedarf und der vorrichtungstechnische
Aufwand der Anlage erheblich erhöht
ist. Eine derartige Solesonde ist beispielsweise aus www.hakagerodur.ch
bekannt.
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Aus der
DE 42 115 76 A1 sind auch
zweiphasige Systeme bekannt, bei denen ein Wärmeträger verwendet wird der in einer
Heizzone verdampft und in einer Kühlzone kondensiert wird. Derartige
zweiphasige Systeme weisen eine höhere energetische Effizienz
auf, da keine Umwälzpumpe
benötigt
wird. Bei der Wärmeübertragung
vom Wärmeträger der Erdwärmesonde
auf das Kältemittel
einer Wärmepumpe
haben die einphasigen Wärmeträger des
weiteren den Nachteil, dass in Folge der nicht kongruenten Temperaturverläufe des
Wärmeträgers und
des Kältemittels
im Kältemittelverdampfer
der Wärmepumpen
Wärmetauscherverluste
entstehen, da das Kältemittel
bei im wesentlichen konstanter Temperatur verdampft und der Wärmeträger von
der Eintrittstemperatur auf die Austrittstemperatur abgekühlt wird.
Dieser Nachteil besteht bei zweiphasigen Wärmeträgern nicht.
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In der
DE 298 24 676 U1 der Anmelderin
wird eine Erdwärmesonde
beschrieben, bei der als Wärmeträger CO
2 verwendet wird. Der wesentliche Vorteil
dieses Wärmeträgers liegt
in der guten Umweltverträglichkeit,
so dass bei einer Leckage des Erdwärmerohres keine Umweltgefährdung zu
befürchten ist.
Des weiteren weist CO
2 gegenüber den
herkömmlichen
Kältemitteln
ein vernachlässigbares Treibhauspotential
auf.
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sEin Nachteil aller bestehenden Lösungen mit
vertikal ins Erdreich eingebrachten Wärmerohren besteht darin, dass
ein erheblicher Aufwand erforderlich ist, um die zur Aufnahme der
Wärmerohre
vorgesehenen Bohrungen, die eine Tiefe bis zu 200 m haben können, ins
Erdreich einzubringen und dann die Wärmerohre in diese Aufnahmebohrungen
einzusetzen. Da die Wärmerohre
bei zweiphasigen Systemen erheblichen Drücken (bis 60 bar) ausgesetzt
sind, müssen
druckfeste Rohre eingesetzt werden. Die Verwendung von herkömmlichen
starren Stahlrohren ist vergleichsweise kompliziert und teuer, da
das Wärmerohr
an der Baustelle aus mehreren Einzelrohren zusammengeschweißt und einer
Qualitätskontrolle
unterzogen werden muss.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine Erdwärmesonde
mit einem zweiphasigen Wärmeträger zu schaffen,
bei der der Aufwand zur Installation im Erdreich gegenüber herkömmlichen
Lösungen
verringert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Erdwärmesonde
mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Wärmerohr
einer Erdwärmesonde
zumindest abschnittsweise aus einem flexiblen, wickelbaren Rohrmaterial
hergestellt, das in der erforderlichen Gesamtlänge (beispielsweise 70 m) aufgewickelt
zur Baustelle gebracht und dort direkt vom Wickel in die Bohrung
eingebracht wird. Durch diese Maßnahme lässt sich die Handhabung des
Wärmerohres
gegenüber
den bekannten Lösungen
ganz erheblich verringern. Die die erforderliche Druckfestigkeit
aufweisenden Rohrmaterialien sind am freien Markt erhältlich,
so dass keine Sonderanfertigungen erforderlich sind, wodurch der
Preis der Erdwärmesonde
gegenüber
herkömmlichen
Lösungen
weiter verringert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird es besonders bevorzugt,
wenn das flexible, wickelbare Rohrmaterial Stahl ist, der entweder
korrosionsfest ausgebildet wird oder mit einer korrosionsfesten
Ummantelung versehen ist.
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Zur Erhöhung der Berstsicherheit kann
das Rohrmaterial mit einem die Festigkeit erhöhenden Schutzmantel versehen
sein.
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Als Material für das Wärmerohr kommen aus der chemischen
Technik bekannte Metallschläuche oder
Wellrohre in Frage, wie sie beispielsweise als Kompensatoren zum
Ausgleich von Längenänderungen
von Rohrleitungen eingesetzt werden. Die Wellen können in
Umfangsrichtung (parallel gewellt) oder wendelförmig (spiralgewellt) angeordnet
sein.
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Das Wärmerohr selbst kann erfindungsgemäß als einfaches
Rohr mit einem die Rohröffnung fußseitig
abschließenden
Fußteil,
als U-Rohr oder als Koaxialrohr ausgebildet sein. Bei letzterem
sind zwei Rohre koaxial ineinander gesteckt, wobei das Innenrohr
einen Strömungsraum
für den
aufsteigenden Dampf und der Ringraum zwischen Innenrohr und Außenrohr
eine Oberfläche
für den
abströmenden Kondensatfilm
bildet.
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Das U-förmige Wärmerohr kann einstückig aus
einem Rohrmaterial oder durch zwei getrennt voneinander ausgebildete
Parallelrohre gebildet werden, die mittels eines geeigneten Fußteils miteinander
verbunden sind.
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Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Darstellung mehrerer Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Erdwärmesonde
und
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2 eine
vergrößerte Darstellung
einer Erdwärmesonde
aus 1.
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In 1 sind
vier Ausführungsbeispiele
eines Wärmerohres 2 einer
Erdwärmesonde 1 dargestellt,
das in Vertikalrichtung in eine ins Erdreich eingebrachte Bohrung 4 eingesetzt
wird. Die Länge
des Wärmerohres 2 kann
beispielsweise etwa 70 – 90
m betragen und als Wärmeträger wird
vorzugsweise CO2 eingesetzt. Bei diesem
Wärmeträger können Betriebsdrücke von
bis zu 50 bar erreicht werden, so dass die Druckfestigkeit des Wärmerohres 2 ein
wesentliches Auslegungskriterium ist. Eine weitere wesentliche Anforderung
besteht darin, das Wärmerohr 2 mit
einer hinreichenden Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem
Erdreich auszubilden. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Wärmerohr 2 aus
Stahl hergestellt.
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Das in 1a)
dargestellte Wärmerohr 2 ist als
Einzelrohr ausgebildet, das durch ein so genanntes Wellrohr gebildet
ist. Derartige Wellrohre werden – wie eingangs erwähnt – im Anlagenbau
beispielsweise als Kompensatoren verwendet. Bei diesen Wellrohren
ist die Außenumfangswandung
wellenförmig
(parallel gewendelt oder spiralgewendelt) ausgeführt, so dass das Rohr in Axialrichtung
eine gewisse Flexibilität
aufweist, die ein Aufwickeln des Rohres ermöglicht. Durch diese flexible
Ausgestaltung des Wärmerohres 2 kann
dieses auf einer Trommel aufgerollt zur Baustelle gebracht und dort
direkt von der Trommel in die Bohrung 4 eingebracht- werden.
Gegenüber
den herkömmlicher
Weise verwendeten starren Stahlrohren hat diese Vorgehensweise den Vorteil,
dass das kostenintensive Schweißen
und die Röntgenprüfung an
der Baustelle entfallen, so dass die Erdwärmesonde wesentlich schneller
und mit geringerem Aufwand in das Erdreich eingebracht werden kann.
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2 zeigt
eine vergrößerte Prinzipdarstellung
einer Erdwärmesonde 1 gemäß 1a). Das aufgewickelt angelieferte
Wärmerohr 2 mit
einer Vielzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Wellen 6 (parallel
gewendelt oder spiralgewendelt) wird in die Bohrung 4 direkt
vom Wickel eingelassen, wobei das fußseitige Ende mit einem Fußteil 8 verschlossen
ist. Das Wärmerohr 2 wird
vorzugsweise mit einer Vergussmasse 10 oder dergleichen
in der Bohrung 4 lagefixiert. Bei einer Bohrungstiefe im
Bereich von 70 – 100
m herrscht fußseitig
eine Temperatur von 10°C bis
13°C. Diese
Temperatur reicht aus, um das im Wärmerohr 2 mit einem
Druck von bis zu 50 bar aufgenommene CO2 zu
verdampfen, so dass der Dampf 12 in Pfeilrichtung etwa
im Mittelbereich des Wärmerohres 2 nach
oben strömt.
Diese Heizzone mit einer konstanten Erdtemperatur erstreckt sich über einen vergleichsweise
großen
Axialbereich des Wärmerohres 2.
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An diese Heizzone schließt sich
eine sogenannte neutrale Zone an, die üblicherweise in den oberen
Schichten des Erdreiches liegt. In dieser neutralen Zone ist der
Wärmeaustausch
zwischen dem Erdreich und dem Wärmeträger gering.
Diese neutrale Zone und eine im folgenden noch näher beschriebene Kühlzone müssen nicht
zwangsweise an dem in 2 dargestellten
Wärmerohr 2 ausgebildet
sein, sondern können
auch getrennt von diesem ausgeführt
werden. Die neutrale Zone geht zur Erdoberfläche hin in die Kühlzone über, in
der die Kondensation des CO2 durch Wärmeabgabe
an ein anderes Medium erfolgt. Dieses andere Medium kann bei indirekter Kühlung eine
frostsichere Lösung
(Glykol und Wasser, Salzlösung
und Wasser) oder bei direkter Kühlung
ein Kältemittel
einer Wärmepumpe
sein, deren Verdampfer 16 thermodynamisch an die Kühlzone gekoppelt
ist. In diesem Verdampfer 16 wird das Kältemittel durch die frei werdende
Kondensationsenthalpie des CO2 verdampft,
wobei beide Wärmeträger (Kältemittel
des Wärmepumpenkreislaufes,
CO2 der Erdwärmesonde) im wesentlichen bei
konstant bleibender Temperatur kondensieren bzw. verdampfen. Das
Kondensat 14 strömt
als Film an der gewellten Innenumfangswandung des Wärmerohres 2 nach unten
und gelangt von der Kühlzone
zur neutralen Zone und dann in die Heizzone, in der das Kondensat 14 dann
wieder auf die Verdampfungstemperatur aufgeheizt und verdampft wird.
Anstelle des vorbeschriebenen Wärmeaustausches über einen
Zwischenwärmetauscher 16 mit
einem Kältemittel
einer Wärmepumpe
ist es prinzipiell auch möglich,
die Erdwärmesonde
ohne Zwischenwärmeaustauscher
direkt an den Kältemittelkreislauf
anzuschließen.
Dabei müssen
jedoch geeignete Maßnahmen
getroffen werden, die eine Verschmutzung des Wärmeträgers ausschließen. So
wäre beispielsweise
ein ölfreier
Betrieb des Kältemittelkreislaufes
zu bevorzugen.
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Die neutrale Zone und die Kühlzone können – wie in 2 dargestellt – direkt
am Wärmerohr 2 ausgeführt sein.
Für den
Fall, dass die Wärmepumpe an
einem anderen Ort als die Erdwärmesonde 1 angeordnet
ist, wird die Kühlzone
nicht in das Wärmerohr 2 integriert
sondern getrennt davon ausgeführt, wobei
die neutrale Zone überirdisch
als Verbindung zwischen Heiz- und Kühlzone ausgeführt sein
kann. In diesem Fall können
die neutrale Zone und die Kühlzone
aus einem anderen geeigneten druckfesten Material hergestellt sein.
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Die Länge, der Durchmesser und die
Wandstärke
des Wärmerohres 2 hängen sehr
stark von der Art des verwendeten Wärmeträgers ab. Neben dem bevorzugten
Wärmeträger CO2 können
auch alle anderen geeigneten Arbeitsstoffe wie beispielsweise Ammoniak
oder Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden.
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Zur Erhöhung der Druckfestigkeit und
als Schutz gegen mechanische Beschädigung des Wärmerohres 2 kann
dieses mit einem Verstärkungs- oder
Schutzmantel versehen werden.
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Ein wesentliches Auslegungskriterium
bei derartigen Erdwärmesonden
ist die so genannte Flutgrenze. Diese Flutgrenze ist erreicht, wenn
der aufströmende
Dampf 12 aufgrund der Schubspannungen in der Phasengrenze
zwischen dem Flüssigkeitsfilm 14 und
dem Dampf 12 das Abströmen
der Flüssigkeit
aus der Kühlzone
verhindert, so dass Flüssigkeit
in der Kühlzone
angestaut wird. Zur Vermeidung dieses Flutens sind die Entzugsleistung,
die Länge und
der Durchmesser des Wärmerohres
in Abhängigkeit
vom verwendeten Wärmeträger so aufeinander
abzustimmen, dass die maximal mögliche
Gasgeschwindigkeit (Flutpunkt) nicht erreicht wird. Vorversuche
zeigten, dass die Wellstruktur des Wärmerohres 2 diese
Flutgrenze nicht oder nur geringfügig gegenüber einem glatten Rohr absenkt. Überraschender
Weise zeigte es sich, dass die wellenförmige Struktur der Umfangswandung
des Wärmerohres 2 den
Aufbau des Kondensatfilmes nur in vernachlässigbarem Umfang stört und somit
keinen nachteiligen Einfluss auf den Wärmeaustausch hat. Besonders gute
Ergebnisse wurden mit Wellrohren erzielt, bei denen die Wellen nicht
in Umfangsrichtung (quer zur Längsachse
des Wärmerohres 2)
sondern wendelförmig
verlaufen. Diese spiralförmige
Wendelform begünstigt
möglicherweise
das Strömen
des Kondensats von der Kühlzone
hin zur Heizzone und in der Heizzone. Es zeigte sich, dass eine
Strähnenbildung
im Kondensationsfilm bei der spiralförmigen Wellung im vorgesehenen
Betriebsbereich verhindert werden kann.
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In 1b)
ist ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem anstelle eines einzigen Wärmerohres 2 ein U-förmiges Wärmerohr in die Bohrung 4 eingesetzt
wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
hat das Wärmerohr 2 zwei
Parallelrohre 17, 18, die fußseitig durch ein Fußteil 20 miteinander
verbunden sind. Die beiden Parallelrohre 17, 18 sind
in der vorbeschriebenen Weise ebenfalls wieder als Wellrohr ausgeführt. Dieser
U-förmige
Aufbau ermöglicht
es, bei gleicher oder besserer Entzugsleistung geringere Rohrquerschnitte
einzusetzen.
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Bei dem in 1c) dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Wärmerohr 2 ebenfalls
U-förmig ausgeführt, wobei
diese Konstruktion einstückig
aus einem einzigen Wellrohr ausgeführt ist, das unter Berücksichtigung
des zulässigen
Biegeradius fußseitig gebogen
ist. Ein derartiges Wärmerohr
kann auch als Pumpensonde mit einer Wärmabfuhr nach unten hin zum
Fuß betrieben
werden, wobei im Sommerbetrieb Wärme
ans Erdreich abgegeben wird.
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Bei dem in 1b) dargestellten Ausführungsbeispiel
werden die jeweils auf einer Trommel angelieferten Wellrohre 17,18 vor
dem Einsetzen in die Bohrung mit dem Fußteil 20 versehen
und anschließend
gleichzeitig in die Bohrung abgesenkt. Bei dem in 1c) dargestellten Ausführungsbeispiel
wird das im aufgewickelten Zustand angelieferte Wellrohr abgewickelt,
mittig gebogen und in die Bohrung eingesetzt. Es ist auch möglich, das
U-Rohr vorgefertigt und zweistrangig aufgewickelt zur Bohrstelle
zu liefern.
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1d)
zeigt schließlich
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem das Wärmerohr 2 durch
zwei koaxial angeordnete Rohre 22, 24 ausgebildet
ist. Diese sind jeweils wieder als Wellrohr ausgeführt. Fußseitig ist
auf das außen
liegende Rohr 22 mit größerem Durchmesser
ein Fußteil 20 aufgesetzt,
der fußseitige
Endabschnitt des Innenrohres 24 bleibt offen. Bei dieser
Konstruktion strömt
der Dampf 12 durch das Innenrohr 24 nach oben
hin zur Kühlzone,
während der
Kondensatfilm 14 sich im Ringraum zwischen dem äußeren Rohr 22 und
dem inneren Rohr 24 ausbildet und nach unten von der Kühlzone zur
Heizzone strömt.
Eine derartige Variante hat eine höhere Flutgrenze als die vorbeschriebenen
Ausführungsbeispiele,
da der direkte Kontakt zwischen Dampf und Kondensatfilm weitestgehend
verhindert ist.
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Das Innenrohr
24 kann im
Prinzip aus allen flexiblen Rohrmaterialien (Metalle, Kunststoffe)
mit glatten oder gewellten Außenumfangswandungen ausgebildet
werden. Die erforderliche Druckfestigkeit muss nur vom Außenrohr
22 aufgebracht
werden. Das Innenrohr
24 kann mit einem geschlossenen Rohrmantel
oder als perforiertes Rohr gemäß dem deutschen
Gebrauchsmuster
DE 202 10 841.4 ausgeführt sein.
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In dem Fall, in dem die Möglichkeit
besteht, dass der wärmeträger mit Öl in Berührung kommt,
ist innerhalb des flexiblen Wärmerohres 2 ein Ölabscheider
oder geeignete Vorrichtungen zur Ölrückführung vorzusehen.
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Es ist auch vorstellbar, die erfindungsgemäße Erdwärmesonde
mit umlaufenden Wärmeträgern in
einem Pumpenumlaufsystem zu verwenden, so dass einphasige oder zweiphasige
Zustände
im Wärmeträger erzeugt
werden. In einem solchen Fall ist auch eine Umkehrung der Transportrichtung
der Wärme
denkbar, so dass beispielsweise im Sommerbetrieb Wärme ins
Erdreich zurückgespeist
werden kann. Eine Kombination zwischen Wärmerohrbetrieb und einem Umlaufbetrieb
ist bei geeigneter Ausführung
der oberirdischen Anlage möglich.
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Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen
ist das Wärmerohr 2 aus
einem oder mehreren Wellrohren ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch keineswegs
auf derartige Wellrohre beschränkt.
So lassen sich beispielsweise auch nahtlose, glatte Rohre vom Wickel
beziehen und können
somit bei der erfindungsgemäßen Erdwärmesonde 1 eingesetzt
werden. Unter Umständen
kann es ausreichend sein, flexible Rohre aus Kunststoff zu verwenden,
die mit einer Stahlarmierung versehen sind.
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Offenbart ist eine Erdwärmesonde,
bei der zumindest der eine Heizzone eines Wärmerohres ausbildende Teil
aus einem flexiblen, wickelbaren Rohr ausgeführt ist.
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- 1
- Erdwärmesonde
- 2
- Wärmerohr
- 4
- Bohrung
- 6
- Welle
- 8
- Fuß
- 10
- Vergussmasse
- 12
- Dampf
- 14
- Kondensat
- 16
- Zwischenverdampfer
- 17
- Parallelrohr
- 18
- Parallelrohr
- 20
- Fußteil
- 22
- Innenrohr
- 24
- Aussenrohr