WO2014000852A1

WO2014000852A1 - Wärmemanagementsystem

Info

Publication number: WO2014000852A1
Application number: PCT/EP2013/001625
Authority: WO
Inventors: Albert Vögerl
Original assignee: Voegerl Albert
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2013-06-04
Publication date: 2014-01-03
Also published as: DE202012006244U8; DE202012006244U1

Abstract

Ein Wärmemanagementsystem (1 ) umfasst einen mit einem ersten Wärme- Kreislauf (5) für ein Wärmeträgermedium, und mindestens einen mit Flüssigkeit (14) gefüllten Hohlpfahl (2), der in die Erde eingelassen ist. Der Hohlpfahl (2) weist dabei eine im Vergleich zur Breite (D) wesentlich größere Länge (L) auf, und ist Hohlpfahl (2) mit seiner Längsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Erdoberfläche (10) ausgerichtet. Des Weiteren umfasst das Wärmemanagementsystem (1 ) einen ersten Wärmeübertrager (4), der in dem Hohlpfahl (2) angeordnet ist und der an den ersten Wärme-Kreislauf (5) angeschlossen ist. Der erste Wärmeübertrager (4) ist zur Wärmeübertragung zwischen der Flüssigkeit (14) und dem ersten Wärme-Kreislauf (5) von dem Wärmeträgermedium durchströmbar.

Description

Beschreibung

Wärmemanagementsystem

Die Erfindung betrifft ein Wärmemanagementsystem. Ein solches Wärmemanagementsystem wird genutzt, um beispielsweise im industriellen Bereich eine Maschine, eine Gebäudekühlung und/oder eine Gebäudeheizung auf eine benötigte Temperatur zu temperieren.

Zur Versorgung von Kühlkreisläufen für Maschinen werden herkömmlicherweise Kältemaschinen eingesetzt, die das in dem Kühlkreislauf strömende Wärmeträgermedium (meist Wasser) auf eine gewünschte Temperatur abkühlen. Ein Nachteil der Kältemaschinen ist deren hoher Energieverbrauch.

Als energiesparende Alternative werden bisher Kühlkreisläufe auch in Kühltürmen über Fluid-Luft-Wärmeübertrager oder in direktem Kontakt des Fluids mit der Luft abgekühlt. Hierbei ist ein limitierender Faktor für die erreichbare Kühlkreistemperatur die Umgebungstemperatur, die häufig einer hohen Jahres- und/oder tageszeitlichen Schwankungen unterliegt.

Niedrige und vergleichsweise konstante Temperaturen stehen dagegen im Erdboden zur Verfügung. Beispielsweise kann durch eine Erdwärmesonde oder einen Flachkollektor Wärme an den Erdboden abgegeben werden. Allerdings ist der Wirkungsgrad von Erdwärmesonden und Flachkollektoren begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes und einfach aufgebautes Wärmemanagementsystem anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Ein erfindungsgemäßes Wärmemanagementsystem umfasst einen ersten Wärme-Kreislauf für ein Wärmeträgermedium, einen an den ersten Wärme-Kreislauf angeschlossenen ersten Wärmeübertrager und einen Hohlpfahl. Der Hohlpfahl weist eine im Vergleich zu seiner Breite wesentlich größere Länge auf. Der Hohlpfahl ist in die Erde eingelassen und dabei mit seiner Längserstreckung im Wesentlichen, das heißt exakt oder zumindest näherungsweise, senkrecht zur Erdoberfläche ausgerichtet. Des Weiteren ist der Hohlpfahl mit Flüssigkeit gefüllt. Der erste Wärmeübertrager ist in dem Hohlpfahl angeordnet und dabei vorzugsweise vollständig von der Flüssigkeit umgeben. Der erste Wärmeübertrager dient dabei zur Wärmeübertragung zwischen der Flüssigkeit in dem Hohlpfahl und dem im ersten Wärme-Kreislauf strömenden Wärmeträgermedium. Der erste Wärmeübertrager ist hierzu von dem Wärmeträgermedium durchströmbar.

Die Flüssigkeit, mit der der Hohlpfahl gefüllt ist, ermöglicht vorteilhafterweise durch wärmeinduzierte Umströmung des Wärmeübertragers eine besonders effektive Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeträgermedium und der Flüssigkeit, sowie ferner auch zwischen der Flüssigkeit und dem umgebenden Erdboden. Zusätzlich stellt sich durch die ausgeprägte Längserstreckung und die senkrechte Einbaulage im Betrieb des Hohlpfahls eine vorteilhafte Temperaturschichtung innerhalb der Flüssigkeit ein. Infolge der Schichtung stellen sich innerhalb der Flüssigkeit an den Längsenden des Hohlpfahls, also im Bereich eines unteren und eines oberen Endes, stark verschiedene Temperaturniveaus ein. Ein vorteilhafter Effekt der Schichtung besteht dabei darin, dass die Tief- und Hoch- Temperaturniveaus am unteren bzw. oberen Ende des Hohlpfahls - bis zu einer energetischen Erschöpfung des Hohlpfahls - auch bei Wärmeeintrag in den Hohlpfahl weitgehend konstant bleiben, da innerhalb des Hohlpfahls ein nahezu vermischungsfreier Austausch von erwärmten Flüssigkeitsvolumina mit kalter Flüssigkeit stattfindet. Gleiches gilt für eine Wärmeentnahme aus dem Hohlpfahl.

Die stabile Temperaturschichtung in dem Hohlpfahl ermöglicht es außerdem, den Hohlpfahl sowohl als Wärmesenke für Kühlzwecke als auch als Wärmequelle zum Heizen zu nutzen. Bei Bedarf kann der Hohlpfahl auch gleichzeitig zum Kühlen und Heizen eingesetzt werden. Die Temperaturschichtung und die damit einhergehende hohe Temperaturkonstanz werden in bevorzugter Ausführung der Erfindung dadurch unterstützt, dass der Hohlpfahl mit einer Länge von mindestens 5 Metern, insbesondere einer Länge zwischen 20 bis 40 Metern ausgebildet ist. Infolge dieser großen Länge und entsprechenden Einbautiefe stellt sich die Temperaturschichtung bereits von Haus aus durch Wärmeaustausch der Flüssigkeit im Hohlpfahl mit dem umgebenden Erdboden ein, der zu einer Angleichung der örtlichen Flüssigkeitstemperatur an das natürliche Temperaturprofil des Erdbodens führt. Für Kühlzwecke wird hierbei ausgenützt, dass ab etwa einer Tiefe von 10 Metern der Erdboden regelmäßig eine zumindest näherungsweise konstante und somit jahreszeitenunabhängige Temperatur aufweist, die in gemäßigten Klimazonen typischerweise etwa 8° C beträgt. Der Wärmeaustausch mit dem umgebenden Erdboden erweitert die durch die Flüssigkeit gegebene Wärmespeicherkapazität des Hohlpfahls und ermöglicht nach extensivem Wärmeeintrag oder Wärmeentzug eine schnelle energetische Regenerierung des Hohlpfahls.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Wärme-Kreislauf und dem daran angeschlossenen Wärmeübertrager um ein geschlossenes System, an das beispielsweise eine einem Verbraucher zugeordnete Wärmequelle oder Wärmesenke, insbesondere eine zu kühlende oder zu temperierende Maschine, anschließbar ist.

Der Hohlpfahl weist vorzugsweise eine Breite zwischen 0,2 und 4 Metern auf. Grundsätzlich ist das Profil des Hohlpfahls im Rahmen der Erfindung beliebig wählbar. Aufgrund einfacher Herstellbarkeit, hoher Stabilität und einfacher Montierbarkeit in einem Bohrloch ist der Hohlpfahl allerdings zweckmäßigerweise kreiszylindrisch ausgebildet. Die durchschnittliche Breite richtet sich dabei insbesondere nach dem in dem Hohlpfahl benötigten Energieumsatz. Somit kann die Breite bei geringem Energieumsatz vergleichsweise klein gehalten werden. Eine zweckmäßige durchschnittliche Breite des Hohlpfahls liegt beispielsweise bei etwa 2m. Um, je nach Länge und Durchmesser des Hohlpfahls, eine ausreichende Stabilität des Hohlpfahls gegen Bersten oder Quetschen zu gewährleisten, ist der Hohlpfahl mit einer Wandstärke zwischen 2 bis 30 Zentimetern ausgeführt. Insbesondere weist der Hohlpfahl eine Wandstärke von etwa 7,5 Zentimetern auf.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Hohlpfahl aus Beton hergestellt. Insbesondere ist der Hohlpfahl dabei in einem Schleudergussverfahren als Spannbetonbauteil gefertigt, wodurch sich eine besonders hohe Festigkeit des Hohlpfahls bei vergleichsweise kostengünstiger Herstellung ergibt. Zudem kann bei dieser Herstellung die Wandstärke möglichst gering gehalten werden.

In alternativer Ausgestaltung ist der Hohlpfahl aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl, gefertigt. Stahl bietet den Vorteil einer guten Wärmeleitung und somit einem hohen Wärmeaustausch mit dem umgebenden Erdboden.

Der Hohlpfahl kann im Rahmen der Erfindung aus mehreren Teilstücken zusammengesetzt sein, was beispielsweise bei großen Längen im Hinblick auf die Handhabbarkeit und die Herstellung vorteilhaft sein kann. Vorteilhafterweise ist der Hohlpfahl jedoch einstückig hergestellt, so dass sich über die gesamte Länge eine hohe Stabilität und eine hohe Dichtheit ergeben, die nicht durch Verbindungsstellen beeinträchtigt werden.

Um einen Austritt der Flüssigkeit zu verhindern, ist der Hohlpfahl an dem unteren Ende flüssigkeitsdicht verschlossen. Beispielsweise ist an dem Hohlpfahl eine Bodenplatte einstückig angeformt.

Zweckmäßigerweise ist der Hohlpfahl in dem Bohrloch mit einem Füllmittel ver- presst, um den Hohlpfahl in dem Bohrloch zu stabilisieren. Zudem ergibt sich dadurch insbesondere eine gute wärmeübertragungstechnische Anbindung zu dem umgebenden Erdboden. Bei dem Füllmittel handelt es sich hierbei beispielsweise um Bentonit. Zweckmäßigerweise sind, um beispielsweise vergleichsweise große Energielasten mittels des Wärmemanagementsystems beherrschen zu können, mehrere Hohlpfähle im Erdboden eingesetzt, in denen jeweils ein erster Wärmeübertrager angeordnet ist. Die Hohlpfähle sind dabei vergleichbar einem Erdwärmesondenfeld über eine zur Verfügung stehende Fläche verteilt in die Erde eingesetzt.

Bei dem ersten Wärme-Kreislauf kann es sich im Rahmen der Erfindung um einen Kühlkreislauf handeln. In diesem Fall ist der erste Wärmeübertrager zweckmäßigerweise am unteren Ende in dem Hohlpfahl angeordnet, so dass aufgrund der Temperaturschichtung der Flüssigkeit vorteilhafterweise stets die niedrigste Flüssigkeitstemperatur an dem ersten Wärmeübertrager ansteht. Der erste Wärmeübertrager dient hierbei dazu, Wärme an die Flüssigkeit abzugeben und somit das Wärmeträgermedium abzukühlen.

Alternativ kann es sich bei dem ersten Wärme-Kreislauf auch um einen Heizkreislauf handeln. Der erste Wärmeübertrager ist in diesem Fall an dem oberen Ende in dem Hohlpfahl angeordnet, wo sich aufgrund der Temperaturschichtung regelmäßig die höchste Flüssigkeitstemperatur bildet, so dass eine Wärmeaufnahme durch den ersten Wärmeübertrager in diesem Bereich besonders effizient ist.

Wiederum alternativ kann es sich bei dem ersten Wärme-Kreislauf auch um einen (Zwischen-)Speicherkreislauf handeln. In diesem Fall ist der erste Wärmeübertrager zweckmäßigerweise zwischen dem unteren und dem oberen Ende (und mit Abstand zu diesen Enden) in dem Hohlpfahl angeordnet. Der Speicherkreislauf ist beispielsweise an eine Solarthermieanlage angeschlossen und dient dabei dazu, Restwärme, die von einem Speichersystem der Solarthermieanlage nicht mehr aufgenommen werden kann, über den dritten Wärmeübertrager in die Flüssigkeit des Hohlpfahls abzugeben, so dass diese von der Flüssigkeit und dem umgebenden Erdboden zwischengespeichert wird. Die auf diese Weise zwischengespeicherte Restwärme kann im Bedarfsfall über den oder einen weiteren Wärmeübertrager wieder aus der Flüssigkeit (und gegebenenfalls aus dem umgebenden Erdboden) entzogen und zum Heizen eingesetzt werden. Im Rahmen der Erfindung kann ein und der derselbe Hohlpfahl mehrere Wärmeübertrager unterschiedlicher Wärme-Kreisläufe der vorstehend beschriebenen Art aufweisen, so dass der Hohlpfahl gleichzeitig als Wärmesenke und -quelle für mehrere der Funktionen Kühlen, Heizen und/oder Wärmespeichern dienen kann.

In bevorzugter Ausgestaltung umfasst der Hohlpfahl insbesondere als ersten Wärme-Kreislauf, dem der erste Wärmeübertrager zugeordnet ist, einen Kühlkreislauf der vorstehend beschriebenen Art, als zweiten Wärme-Kreislauf, an dem ein zweiter Wärmeübertrager angeschlossen ist, einen Heizkreislauf der vorstehend beschriebenen Art sowie optional als dritten Wärme-Kreislauf, an dem ein dritter Wärmeübertrager angeschlossen ist, einen Speicherkreislauf der vorstehend beschriebenen Art. Zweckmäßigerweise ist der dritte Wärmeübertrager - sofern vorhanden - in Längsrichtung des Hohlpfahls zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeübertrager in dem Hohlpfahl angeordnet.

In bevorzugter Ausführung handelt es sich bei dem oder jedem Wärmeübertrager um einen Rohrwärmeübertrager, der wendeiförmig in dem Hohlpfahl angeordnet ist. Ein solcher Rohrwärmeübertrager stellt einen besonders einfachen Aufbau dar. Das Rohr des Rohrwärmeübertragers kann dabei auch gleichzeitig eine Zuleitung oder Rückleitung zu bzw. von dem Wärmeübertrager bilden. Im Rahmen der Erfindung kann der oder jeder Wärmeübertrager grundsätzlich auch in einer anderen Bauform realisiert sein, beispielsweise mit lamellenförmiger Gestaltung.

In fertigungstechnisch einfacher und besonders kostengünstiger Ausführung ist der erste Wärmeübertrager - oder im Fall mehrerer jeder der Wärmeübertrager - aus Kunststoff gebildet. Um die Effizienz des Rohrwärmeübertragers weiter zu steigern, kann es sich bei dem Kunststoff auch um einen wärmeleitfähig gefüllten Kunststoff handeln. In einer alternativen Ausführung ist der oder jeder Wärmeübertrager aus Metall, insbesondere Edelstahl, gebildet.

Die Zu- und/oder Ableitung (auch als Vorlauf und Rücklauf bezeichnet), die den Wärmeübertrager innerhalb des Hohlpfahls mit dem außerhalb des Hohlpfahls angeordneten Teil des zugehörigen Wärme-Kreislaufs verbinden, sind vorzugs- weise wärmeisoliert, so dass der jeweilige Wärme-Kreislauf nahezu ausschließlich über den jeweiligen Wärmeübertrager (und am Ort dieses Wärmeübertragers) in thermischem Kontakt mit der Flüssigkeit im Hohlpfahl steht.

Zweckmäßigerweise ist der oder jeder Wärmeübertrager an einem Gestell befestigt, das reversibel in den Hohlpfahl einsetzbar ist. Das Gestell ermöglicht dabei, dass der Wärmeübertrager während der Montage einfach in den Hohlpfahl eingesetzt werden kann. Zudem ist der oder jeder Wärmeübertrager an dem Gestell in seiner Position in dem Hohlpfahl fixiert. Für den Fall, dass der oder jeder Wärmeübertrager als Rohrwärmeübertrager ausgebildet ist, stabilisiert das Gestell vorteilhafterweise dessen wendeiförmige Wicklung. Zusätzlich oder optional sind an dem Gestell seitlich Rollen angeordnet, mittels derer das Gestell gegen die Innenwand des Hohlpfahls abgestützt ist und die ein einfaches Einsetzen und Entnehmen des Gestells in den bzw. aus dem Hohlpfahl ermöglichen.

Zweckmäßigerweise weist der Hohlpfahl eine Revisionsöffnung auf, um beispielsweise zu Wartungszwecken oder zur Reparatur den oder jeden Wärmetauscher und gegebenenfalls das Gestell aus dem Hohlpfahl entnehmen zu können. In besonderes einfacher Gestaltung ist die Revisionsöffnung an dem oberen Ende des Hohlpfahls angeordnet, so dass das gegebenenfalls vorhandene Gestell aus dem Hohlpfahl nach oben herausgezogen werden kann. Alternativ kann der Hohlpfahl auch eine seitliche Revisionsöffnung aufweisen, durch die das Gestell beispielsweise segmentweise entnommen werden kann.

In besonders einfacher und zweckmäßiger Ausführung handelt es sich bei der Flüssigkeit, mit der der Hohlpfahl gefüllt ist, um Wasser.„Wasser" umfasst im Sinn der Erfindung dabei nicht nur Frischwasser (Trinkwasser), sondern insbesondere auch Brauchwasser oder Salzwasser. Letzteres ist besonders in Gebieten mit niedriger Verfügbarkeit von Frischwasser besonders vorteilhaft. Im Rahmen der Erfindung ist es allerdings auch denkbar, dass der Hohlpfahl mit einem speziellen Wärmeträgerfluid, beispielsweise einer Wasser-Glycol-Mischung oder dergleichen, gefüllt ist. In vorteilhafter Ausgestaltung ist in dem Hohlpfahl ein Ansaugrohr zur Löschwasserentnahme angeordnet. Als Löschwasser dient in diesem Fall das Wasser, mit dem der Hohlpfahl gefüllt ist. Dadurch ist ohne signifikanten Mehraufwand und besonders kostengünstig auch eine Löschwasserversorgung sichergestellt.

In einer weiteren und vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der Hohlpfahl als Gründungspfahl für ein Bauwerk - insbesondere ein Gebäude wie beispielsweise eine Maschinenhalle - eingesetzt. Dadurch ist mit der Integration des Wärmemanagementsystems in die Gebäudegründung eine besonders hohe Effizienz, vor allem hinsichtlich der Nutzung der zur Verfügung stehenden Fläche, erreicht. Zudem ist bei einer Pfahlgründung die Installation des erfindungsgemäßen Wärmemanagementsystems besonders kostengünstig realisierbar.

Zur Überwachung der Temperaturen der Flüssigkeit in dem Hohlpfahl einerseits und dem Erdboden andererseits, sind zweckmäßigerweise Temperatursensoren innerhalb des Hohlpfahls und/oder an dessen Außenwand angeordnet. Vorzugsweise sind mehrere dieser Temperatursensoren entlang der Längserstreckung des Hohlpfahls verteilt und auf eine Regel- und Steuereinheit des Wärmemanagementsystems aufgeschaltet. Dadurch kann beispielsweise bei mehreren Hohlpfählen eine Überhitzung der Flüssigkeit eines Hohlpfahls erkannt werden und die Kühlleistung auf den oder die anderen Hohlpfähle umverteilt werden. Somit ist eine Regelung der Temperaturen in dem Hohlpfahl und dem umgebenden Erdboden möglich.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der Hohlpfahl gegenüber dem Erdboden thermisch isoliert ausgeführt. Durch die Isolation ist ein Wärmeaustausch mit dem umgebenden Erdboden verhindert. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Wärmemanagementsystem in einer Klimazone oder einem Gebiet eingesetzt ist, dessen Erdboden-Temperaturen der beabsichtigten und vorteilhaften Temperaturschichtung in dem Hohlpfahl entgegenwirken.

Eine solche thermische Isolierung des Hohlpfahls ist in einfacher Ausführung der Erfindung auf die Außenseite oder die Innenseite des Hohlpfahls - beispielsweise durch Ummantelung oder Auskleidung mit Styropor oder ähnlichem Isolationsmaterial - aufgebracht. Alternativ ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, den Hohlpfahl aus einem Beton mit besonders hoher thermischer Isolation herzustellen. Beispielsweise kann in den Beton thermisch isolierendes Granulat eingemischt sein.

Die Isolierung des Hohlpfahls ist in einer alternativen Ausführung der Erfindung lediglich in einem Teilbereich der Längserstreckung an dem Hohlpfahl angebracht oder in diesen eingearbeitet. Dadurch kann das Wärmemanagementsystem hinsichtlich eines primären Einsatzzwecks - Kühlen, Heizen oder Zwischenspeichern von Wärme - angepasst werden. Beispielsweise kann der Hohlpfahl für den Fall, dass dieser hauptsächlich zum Kühlen eingesetzt ist, im Bereich seines oberen Endes thermisch isoliert sein, so dass insbesondere in Gebieten, die im Bereich des oberen Endes des Hohlpfahls regelmäßig hohe Erdboden-Temperaturen - beispielsweise 20 Grad und höher - aufweisen, eine zusätzliche Erwärmung der Flüssigkeit durch Wärmeaustausch mit dem Erdboden unterbunden ist. Im Bereich des unteren Endes ist die Wärmeabfuhr aus der Flüssigkeit in den umgebenden Erdboden allerdings möglich. Für den Fall, dass das Wärmemanagementsystem hauptsächlich zum Heizen und/oder Zwischenspeichern von Wärme eingesetzt ist, kann beispielsweise der untere Bereich des Hohlpfahls isoliert sein, so dass aufgrund der niedrigen Erdboden-Temperaturen im Bereich des unteren Endes der Flüssigkeit nicht zusätzlich Wärme entzogen wird.

Der Hohlpfahl ist vorzugsweise vollständig und mit Abstand zur Erdoberfläche im Erdboden versenkt, so dass die Sonneneinstrahlung keine oder nur vernachlässigbaren Einfluss auf die Temperaturen innerhalb des Hohlpfahls hat. Im Rahmen der Erfindung ist es aber ebenfalls vorstellbar, dass der Hohlpfahl mit der Erdoberfläche abschließt oder sogar teilweise aus der Erde ragt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Wärmemanagementsystem eines

Industriebetriebs mit einem Hohlpfahl und einem darin angeordneten Wärmeübertrager in einem bestimmungsgemäßen Installationszustand,

Fig. 2 in schematischer Darstellung den Hohlpfahl mit dem Wärmeübertrager,

Fig. 3 in Darstellung gemäß Fig. 2 den Hohlpfahl mit dem Wärmeübertrager, der an einem Gestell fixiert ist,

Fig. 4 in Darstellung gemäß Fig. 2 den Hohlpfahl mit zwei darin angeordneten Wärmeübertragern,

Fig. 5 in Darstellung gemäß Fig. 2 den Hohlpfahl mit drei darin angeordneten Wärmeübertragern,

Fig. 6 in Darstellung gemäß Fig. 2 den Hohlpfahl mit drei an dem Gestell gemäß Fig. 3 fixierten Wärmeübertragern,

Fig. 7 in Darstellung gemäß Fig. 2 den Hohlpfahl mit zwei darin angeordneten Wärmeübertragern sowie mit einer thermischen Isolierschicht, und

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel des Wärmemanagementsystems als Pfahlgründung.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt ein Wärmemanagementsystem 1 , das einen Hohlpfahl 2, eine Steuereinheit 3 und einen in dem Hohlpfahl 2 angeordneten ersten Wärmeübertrager 4 umfasst. Weiterhin umfasst das Wärmemanagementsystem 1 einen ersten Wärme-Kreislauf, der mit dem Wärmeübertrager 4 verbunden ist. Der erste Wärme- Kreislauf dient hier beispielhaft zur Kühlung einer Maschine 6, die in einem Gebäude eines Industriebetriebs 7 aufgestellt ist, und wird deshalb nachfolgend als Kühlkreislauf 5 bezeichnet.

Wie in Fig. 2 näher dargestellt ist, handelt es sich bei dem Hohlpfahl 2 um ein kreiszylindrisches Spannbetonrohr mit einer Länge L, einer Breite (die aufgrund des rotationssymmetrischen Aufbaus des Hohlpfahls 2 einem Durchmesser D entspricht) und einer (Rohrwandungs-)Dicke S. Die Länge L ist dabei um ein Vielfaches größer als der Durchmesser D. Beispielsweise hat der Hohlpfahl eine Länge L von 20m bei einem Durchmesser D von 2m. Die Dicke S beträgt dabei beispielsweise 7,5cm.

Der Hohlpfahl 2 ist in ein Bohrloch im Erdboden eingelassen und in diesem Bohrloch mit einem Füllmittel, hier Bentonit 8 verpresst. Der Hohlpfahl 2 ist dabei mit einem oberen Ende 9 etwa 1 m unterhalb der Erdoberfläche 10 angeordnet. An einem unteren Ende 11 ist der Hohlpfahl 2 flüssigkeitsdicht mit einer Bodenplatte

12 verschlossen. Das obere Ende 6 ist mit einem abnehmbaren Revisionsdeckel

13 verschlossen. Der Hohlpfahl 2 ist mit Wasser 14 gefüllt. Das Wasser 14 dient als Wärmequelle und Wärmesenke sowie zur Vermittlung eines effektiven Wärmeaustausches mit dem Erdboden.

Zur Kühlung der Maschine 6 strömt in dem Kühlkreislauf 5 und dem Wärmeübertrager 4 ein Wärmeträgermedium. Bei dem Wärmeübertrager 4 handelt es sich um ein (Kunststoff-)Rohr, das wendeiförmig in dem Hohlpfahl 2 gewickelt ist. Zwei Rohre, die einen Vorlauf 18 und einen Rücklauf 20 des Kühlkreislaufs 5 darstellen, sind durch den Revisionsdeckel 13 aus dem Hohlpfahl 2 herausgeführt.

Um eine besonders gute Kühlung des Wärmeträgermediums zu erreichen, ist der Wärmeübertrager 4 im Bereich des unteren Endes 11 in dem Hohlpfahl 2 angeordnet. In dem Hohlpfahl 2 stellt sich eine Temperaturschichtung des Wassers 14 ein, wodurch an dem unteren Ende 1 stets die geringste Wassertemperatur, insbesondere eine konstante, jahreszeitenunabhängige Temperatur von ca. 8°C herrscht. Die höchste Temperatur, die gewisse zeitliche Schwankungen in Abhängigkeit der Jahreszeit und der eingebrachten Wärme aufweist, stellt sich dagegen an dem oberen Ende 9 ein.

Der Wärmeübertrager 4 und dessen wendeiförmige Wicklungen sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 beispielsweise an der Innenwand des Hohlpfahls 2 befestigt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, wie in Fig. 3 dargestellt, der Wärmeübertrager 4 abweichend hiervon an einem Gestell 22 befestigt. Das Gestell 22 ist durch ein zentrales Vertikalrohr 23 gebildet, das über Querarme 24, an deren Enden Rollen 26 angeordnet sind, an der Innenwand der Hohlpfahls 2 abgestützt ist. Durch das Gestell 22, insbesondere infolge der Rollen 26, kann der Wärmeübertrager 4 einfach in den Hohlpfahl 2 eingesetzt sowie zu Reparaturzwecken und gegebenenfalls nötiger Nachrüstung aus dem Hohlpfahl 2 entnommen werden.

Weiterhin ist in dem Hohlpfahl 2 ein Löschwasseransaugrohr 28 angeordnet, das bis zu dem unteren Ende 11 des Hohlpfahls 2 reicht. Dadurch dient der Hohlpfahl 2 zusätzlich als Löschwasserreservoir. Das Löschwasseransaugrohr 28 ist zweckmäßigerweise an dem Gestell 22 befestigt.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wärmemanagementsystems 1 dargestellt, bei dem ein zweiter Wärmeübertrager 30 in dem Hohlpfahl 2 angeordnet ist. Der zweite Wärmeübertrager 30 ist an einem zweiten (Wärme-)Kreislauf angeschlossen, der als Heizkreislauf 32 betrieben wird. Der Wärmeübertrager 30 ist hierfür im Bereich des oberen Endes 9 angeordnet, so dass dieser stets im Bereich der höchsten Wassertemperaturen liegt.

Gemäß einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel des Wärmemanagementsystems 1 , dargestellt in Fig. 5, ist ein dritter Wärmeübertrager 34 in dem Hohlpfahl 2 angeordnet. Der Wärmeübertrager 34 ist an einen dritten Kreislauf angeschlossen, der als sogenannter (Zwischen-)Speicherkreislauf 36 betrieben wird. Der Wärmeübertrager 34 dient dazu, Restwärme, die beispielsweise von einer Solarthermieanlage stammt, in das Wasser 14 des Hohlpfahls 2 zu übertragen, so dass die Restwärme in dem Hohlpfahl 2 und dem den Hohlpfahl 2 umgebenden Erdboden zwischengespeichert wird. Der Wärmeübertrager 34 ist dabei zwischen dem Wärmeübertrager 4 und dem Wärmeübertrager 30 angeordnet. Die Wärmeübertrager 30 und 34 sind mit einem Abstand von beispielsweise etwa 1 m in dem Hohlpfahl 2 angeordnet. Zwischen den Wärmeübertragern 4 und 34 ist der Abstand deutlich größer. Dadurch wird erreicht, dass ein gegebenenfalls vorhandener Wärmeeintrag durch den Speicherkreislauf 36 die niedrigen Wassertemperaturen im Bereich des unteren Endes 11 nicht oder zumindest nur vernachlässigbar beeinflusst.

In Fig. 6 sind gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel des Wärmemanagementsystems 1 die Wärmeübertrager 4, 30 und 34 zur vereinfachten Installation und Wartung an dem Gestell 22 befestigt. Zusätzlich zu dem Gestell 22 ist in dem Hohlpfahl 2 das Löschwasseransaugrohr 28 angeordnet. Das Löschwasseransaugrohr 28 ist, vergleichbar zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, an dem Gestell 22 befestigt und reicht bis zu dem unteren Ende 11 des Hohlpfahls 2.

Das entnehmbare Gestell 22 ermöglicht hierbei insbesondere, einen bestehenden Hohlpfahl zu einem späteren Zeitpunkt mit weiteren Wärmeübertragern nachzu- rüsten.

In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel des Wärmemanagementsystems 1 gemäß Fig. 7 ist der Hohlpfahl 2 gegenüber dem Erdboden mittels einer Isolationsschicht 37 thermisch isoliert. Die Isolationsschicht 37 ist dabei über etwa ein Drittel der Länge L im oberen Bereich des Hohlpfahls 2 auf dessen Außenseite aufgebracht.

In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wärmemanagementsystems 1 dargestellt, wobei mehrere Hohlpfähle 2 (in Fig. 8 nur zwei sichtbar) zur Pfahlgründung des Industriebetriebs 7 als sogenannte Gründungspfähle eingesetzt sind. Die Hohlpfähle 2 sind dabei unterhalb des Gebäudes des Industriebetriebs 7 in den Erdboden eingelassen. Der Industriebetrieb 7 ist mit einem Fundament 38 auf die Hohlpfähle 2 aufgesetzt. Um den Kühlkreislauf 5 aus den Hohlpfählen 2 zu der Maschine 6 führen zu können, ist zwischen den Hohlpfählen 2 ein Versorgungsgang 40 angeordnet. Der Versorgungsgang 40 dient in Verbindung mit einem zu jedem Hohlpfahl 2 führenden Revisionsgang 42 zur Führung des Kühl- kreislaufs 5 einerseits und zu Wartungs- und Reparaturzwecken andererseits. Die jeweiligen Hohlpfähle 2 weisen somit eine seitliche Revisionsöffnung auf.

Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.

Bezugszeichenliste

1 Wärmemanagementsystem

2 Hohlpfahl

3 Steuereinheit

4 erster Wärmeübertrager

5 Kühlkreislauf

6 Maschine

7 Industriebetrieb

8 Bentonit

9 oberes Ende

10 Erdoberfläche

11 unteres Ende

12 Bodenplatte

13 Revisionsdeckel

14 Wasser

18 Vorlauf

20 Rücklauf

22 Gestell

23 Vertikalrohr

24 Querarm

26 Rolle

28 Löschwasseransaugrohr

30 zweiter Wärmeübertrager

32 Heizkreislauf

34 dritter Wärmeübertrager

36 Speicherkreislauf

37 Isolationsschicht

38 Fundament

40 Versorgungsgang

42 Revisionsgang

L Länge

D Durchmesser

S (Rohrwandungs-)Dicke

Claims

Schutzansprüche

1. Wärmemanagementsystem (1 ),

mit einem ersten Wärme-Kreislauf (5) für ein Wärmeträgermedium, mit mindestens einem mit Flüssigkeit (14) gefüllten Hohlpfahl (2), der in den Erdboden eingelassen ist, wobei der Hohlpfahl (2) eine im Vergleich zu seiner Breite (D) wesentlich größere Länge (L) aufweist, und wobei der Hohlpfahl (2) mit seiner Längsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Erdoberfläche (10) ausgerichtet ist,

mit einem ersten Wärmeübertrager

(4), der in dem Hohlpfahl (2) angeordnet ist, der an den ersten Wärme-Kreislauf (5) angeschlossen ist und der zur Wärmeübertragung zwischen der Flüssigkeit (14) und dem ersten Wärme-Kreislauf (5) von dem Wärmeträgermedium durchströmbar ist.

Wärmemanagementsystem (1 ) nach Anspruch 1 ,

wobei der Hohlpfahl (2) eine Länge (L) von mindestens 5 Metern aufweist.

Wärmemanagementsystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,

wobei der Hohlpfahl (2) eine Breite (D) zwischen 0,2 und 4 Metern aufweist.

Wärmemanagementsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Hohlpfahl (2) eine Wandstärke (S) zwischen 2 und 30 Zentimetern aufweist.

5. Wärmemanagementsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

wobei der Hohlpfahl (2) aus Beton geformt ist.

6. Wärmemanagementsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Hohlpfahl (2) aus Stahl geformt ist.

7. Wärmemanagementsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

wobei der Hohlpfahl (2) einteilig ausgeführt ist.

8. Wärmemanagementsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

wobei der Hohlpfahl (2) an einem unteren Ende (11 ) dicht verschlossen ist.

9. Wärmemanagementsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

wobei der Hohlpfahl (2) in ein Bohrloch eingesetzt und in diesem mit einem Füllmittel (8) verpresst ist.

10. Wärmemanagementsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

wobei der erste Wärme-Kreislauf als Kühlkreislauf (5) ausgebildet ist und wobei der erste Wärmeübertrager (4) an dem unteren Ende (11 ) in dem Hohlpfahl (2) angeordnet ist.

11. Wärmemanagementsystem (1 ) nach Anspruch 10,

wobei ein zweiter Wärme-Kreislauf (32) mit einem zweiten Wärmeübertrager (30) verbunden ist, wobei der zweite Wärme-Kreislauf als Heizkreislauf (32) ausgebildet ist, und wobei der zweite Wärmeübertrager (30) an einem oberen Ende (9) in dem Hohlpfahl (2) angeordnet ist.

12. Wärmemanagementsystem (1 ) nach Anspruch 10 oder 11 ,

wobei ein dritter Wärme-Kreislauf (36) mit einem dritten Wärmeübertrager (34) verbunden ist, wobei der dritte Wärme-Kreislauf als Speicherkreislauf (36) ausgebildet ist, und wobei der dritte Wärmeübertrager (34) zwischen dem unteren Ende (11 ) und dem oberen Ende (9) in dem Hohlpfahl (2) angeordnet ist.

13. Wärmemanagementsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der oder jeder Wärmeübertrager (4,30,34) als Rohrwärmeübertrager ausgebildet und wendeiförmig in dem Hohlpfahl (2) angeordnet ist.

14. Wärmemanagementsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13,

wobei der oder jeder Wärmeübertrager (4,30,34) an einem Gestell (22) befestigt ist, das reversibel in den Hohlpfahl (2) einsetzbar ist.

15. Wärmemanagementsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 14,

wobei die Flüssigkeit in dem Hohlpfahl (2) Wasser (14) ist.

16. Wärmemanagementsystem (1 ) nach Anspruch 15,

wobei in dem Hohlpfahl (2) ein Ansaugrohr (28) zur Löschwasserentnahme angeordnet ist.

17. Wärmemanagementsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16,

wobei der Hohlpfahl (2) als Gründungspfahl für ein Bauwerk eingesetzt ist.

18. Wärmemanagementsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 17,

wobei an dem Hohlpfahl (2) innenseitig und außenseitig Temperatursensoren angeordnet sind.

19. Wärmemanagementsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 18,

wobei der Hohlpfahl (2) gegenüber dem Erdboden thermisch isoliert ist.

20. Wärmemanagementsystem (1 ) nach Anspruch 19,

wobei der Hohlpfahl (2) nur in einem Teilbereich seiner Längserstreckung thermisch isoliert ist.