"Geothermiesystem"

Die Erfindung betrifft ein Geothermiesystem, bei dem der Wärmetausch mit dem Was- ser des öffentlichen Wasserversorgungsnetzes stattfindet und nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2007 054 472.5-15 in Anspruch.

Die Erschließung geothermaler Energie hat in jüngster Zeit an Bedeutung gewonnen. Insbesondere bei großen, öffentlichen Anlagen und Gebäudekomplexen wird die geo- thermale Energieversorgung aufgrund der steigenden Energiekosten zunehmend wirtschaftlich interessant.

Für die Nutzung der Erdwärme mit einer Wärmepumpe, die die beim Heizen mit einer Wärmepumpe erzeugte Kälte über einen Wärmetauscher abführt, werden heutzutage tiefe vertikale oder großflächige horizontale Bohrungen in das Erdreich eingebracht, in denen Erdwärmesonden verlegt werden.

Beispielsweise aus DE 199 19 555 C1 ist ein Verfahren zum Erschließen geothermaler Energie bekannt, bei dem mittels einer gesteuerten Vertikalbohrvorrichtung eine Boh- rung in das Erdreich eingebracht wird. Hierbei weist der Bohrkopf der Vertikalbohrvorrichtung einen Temperatursensor auf, mittels dessen die Temperatur im umgebenden Erdreich erfasst wird. Die Steuerung des Bohrverlaufs erfolgt dann in Abhängigkeit von der Temperatur im Erdreich. Anschließend wird ein Wärmetauscherrohr (Erdwärmesonde) in die Erdbohrung eingebracht, durch das ein Wärmetauschermittel geführt wird. Das Wärmetauschermittel nimmt Erdwärme auf, die über einen Wärmetauscher einer weiteren Nutzung zugeführt werden kann.

Bei Verfahren, bei denen im wesentlichen horizontale Bohrungen in das Erdreich eingebracht werden, werden entweder in offener Bauweise Wärmetauscher großflächig

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verlegt oder ausgehend von der Erdoberfläche Bohrungen schräg in das Erdreich eingebracht und nach Erreichen einer vorbestimmten Tiefe die Bohrung in einer horizontalen Richtung weitergeführt. Alternativ können aus einer Grube heraus Horizontalbohrungen mit einer ungesteuerten Horizontalbohrvorrichtung ausgeführt werden.

Die Vertikalbohrungen müssen in der Regel eine nicht unerhebliche Tiefe aufweisen, um die notwendige Oberfläche für den Wärmetausch zur Verfügung zu stellen. Dies führt zu hohen Kosten bei der Installation solcher Systeme.

Ein wesentlicher Nachteil von horizontal verlaufenden, in geringen Tiefen verlegten

Erdwärmesonden liegt in der geringeren Wärmeausbeute, die auf die geringeren Temperaturen in oberflächennahen Erdschichten zurückzuführen ist. Um dennoch insgesamt eine ausreichende Wärmemenge gewinnen zu können, werden daher regelmäßig eine Vielzahl von in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander verlaufenden Erdwärme- sonden eingebracht, was wiederum zu hohen Installationskosten führt. Die hohen

Kosten stehen derzeit einer weiten Verbreitung der Geothermie, insbesondere im städtischen Bereich noch entgegen.

Demgegenüber ist in der EP 1 003 968 eine Technologie beschrieben, bei der beste- hende Trinkwasserleitungen als Wärmereservoir Verwendung finden. Dies erlaubt es, die von der Wärmepumpe erzeugte Kälte an ein ohnehin vorhandenes und im ständigen Austausch befindliches Medium abzugeben, ohne dass aufwendige Flächen- oder Tiefenbohrungen erstellt werden müssen. Diese Technologie hat sich jedoch bislang nicht durchsetzen können. Ein ähnliches System ist in der DE 28 34 442 A1 beschrie- ben.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei dem der Wärmetausch mit dem öffentlichen Wasserversorgungsnetz optimiert bzw. vereinfacht wird und eine Wasser- Verschmutzung vermieden wird.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Geothermiesystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein Geothermiesystem mit Wärmetauscher in Form von einfach in das öffentliche Versorgungsnetz verbaubaren Rohrabschnitten

oder einen Wärmetauscher innerhalb von Rohrabschnitten bereitzustellen. Der Rohrabschnitt kann dabei so ausgebildet sein, dass er selber den Wärmetauscher darstellt.

Vorzugsweise wird der Querschnitt der Trinkwasserleitung nicht verengt. Der Rohrabschnitt kann dabei einen größeren Außendurchmesser als das Trinkwasserrohr auf- weisen und dann über eine Manschette mit der Trinkwasserleitung verbunden sein.

Der Wärmetauscher kann parallel zur Fliessrichtung des Wassers angeordnete Wärmetauscherleitungen aufweisen und in einer einfachen Ausgestaltung lediglich ein Innenrohr innerhalb des Trinkwasserrohrs darstellen. Dabei ist es auch möglich, dass die Leitungen einen oder mehrere Richtungswechsel aufweisen, so dass das Wärme- tauschmedium beim Durchfließen der Rohre mehrere Richtungswechsel vornimmt und wechselweise stromauf und stromab fließt. Zusätzlich können Wärme leitende Strukturen bis hin zu einer Auskleidung der Wandung der Versorgungsleitung vorgesehen sein.

Der Wärmetauscher kann innerhalb des Rohrabschnitts auch spiralförmig angeordnet sein. Sein Verlauf kann zusätzlich eine Verwirbelung des Wassers zum besseren

Wärmetausch bewirken, wie dies beispielsweise bei einer von der Achse der Versorgungsleitung abweichenden Achse der Spirale der Fall ist. Dabei liegt der jeweils nächste Spiralabschnitt nicht im „Schatten" des vorausgehenden Abschnitts.

Wärmetauscher können somit baukastenartig zum Einbau in ein bestehendes oder zu erstellendes öffentliches Leitungsnetz eingesetzt werden. Der Wärmetauscher kann als gesonderte Einheit in die Versorgungsleitung eingesetzt oder Bestandteil der Versorgungsleitung sein. So kann auch von vornherein die Versorgungsleitung mit Wärmetauschern ausgestattet sein.

Erfindungsgemäß ist der Begriff "öffentliche Leitung" oder "Versorgungsleitung" nicht auf den Einsatz in öffentlichen Versorgungsnetzen beschränkt, sondern soll nur den Charakter der Leitung widerspiegeln, die ein bestimmtes für den Wärmetausch ausreichendes Wasservolumen transportiert.

Bei Einbau einer Wärmepumpe, beispielsweise in ein Wohnhaus, kann der vor dem

Haus liegende Rohrabschnitt der Versorgungsleitung durch einen erfindungsgemäßen Rohrabschnitt mit Wärmetauscher ersetzt werden. Alternativ kann ein Wärmetauscher erfindungsgemäß von vornherein in die öffentliche Versorgungsleitung eingebaut werden, so dass lediglich ein Anschluss an die Wärmepumpe vorgenommen werden

muss. Der vorgefertigte Rohrabschnitt mit integriertem Wärmetauscher erlaubt sowohl eine Qualitätskontrolle und reproduzierbare Leistung als auch einen einfachen Einbau.

Wärmetauscher und Leitung können somit bei der ursprünglichen Installation der Trinkwasserversorgung bereits angelegt oder nachträglich eingesetzt werden. Beim nachträglichen Einsetzen kann der Wärmetauscher auch über einen bestehenden Zugang in das Rohr eingebracht werden. Dies kann beispielsweise durch einen Schacht erfolgen, in den der Wärmetauscher herabgelassen und dann horizontal bis auf die Höhe eines vorhandenen oder zu erstellenden Anschlusses für die Wärme- pumpe verschoben wird. Es bedarf dann lediglich eines Verbindens des Wärmetauschers mit dem Zu- und dem Ablauf der Wärmepumpe.

Alternativ kann ein bestehender Rohrabschnitt entfernt und durch einen Rohrabschnitt mit Wärmetauscher und vorgesehenem Anschluss für eine Leitung einer Wärmepumpe ersetzt werden.

Auch die Leitung der Wärmepumpe selbst kann als Wärmetauscher ausgebildet sein. So lässt sich auf dem Weg zu dem Wasserrohr und auf dem Rückweg zum Wärmetauscher dem Erdreich zusätzlich Wärme entziehen, da erfindungsgemäß ein geschlosse- ner Kreislauf zwischen Wärmetauscher und Trinkwasserleitung vorgesehen sein kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, ein Geothermiesystem kostengünstig in eine bestehende Leitung einzubringen oder bei der Neuerstellung bereits zu berücksichtigen, ohne dass beim Einbringen oder im Betrieb die Gefahr der Verschmutzung des Trinkwassers besteht. Der Wärmetauscher besitzt hierzu einen getrennten Medienkreislauf. Ein Kontakt zwischen dem Medienkreislauf und dem Versorgungswasser wird so vermieden. Die entsprechenden gesetzlichen Bestimmungen zur Trinkwassereinheit können somit erfüllt werden.

Das durchfließende Wasser eines typischen Trinkwasserrohres weist eine erhebliche

Wärmekapazität auf. Typischerweise hat das Wasser eine Temperatur von 10 ⁰ C mit Abweichungen je nach Jahreszeit. Ein Medienkreislauf, der die Wärmepumpe einerseits und das Trinkwasser andererseits durchläuft, transportiert das Medium zwischen Wärmepumpe und Trinkwasserleitung hin und her, wobei zum Heizen das Medium durch Wärmeentnahme in der Wärmepumpe beispielsweise auf 3° C abgekühlt und im

Trinkwasser wieder auf 9° C erwärmt wird.

Dabei kann der Medienkreislauf so gesteuert oder geregelt sein, das die Durchflussgeschwindigkeit eine optimale Wärmentnahme erlaubt und auch den jahreszeitlich wechselnden Temperaturgegebenheiten angepasst sein kann. Zusätzlich kann ein Regler die Absenkung der Trinkwassertemperatur unter 0° C verhindern, um eine Vereisung zu vermeiden. Dabei kann das Transportmedium durchaus unter 0° C heruntergekühlt werden, da dies nicht zwangsläufig zu einer Abkühlung des Trinkwassers unter 0° C führt.

Unabhängig davon kann die Zuleitung zum Trinkwasserrohr und/oder die Ableitung zur Wärmepumpe so ausgestaltet sein, dass ein zusätzlicher Wärmetausch erreicht wird.

Dies kann auch durch ein Zwischenschalten von Elementen mit zusätzlicher Oberfläche, bei ausreichenden Platzreserven auch durch herkömmliche horizontale oder vertikale Wärmetausche oder durch andere Maßnahmen der zusätzlichen Wärmegewinnung verwirklicht sein. Die vorstehenden Prinzipien lassen sich im Sommer auch zum Abkühlen des Mediums bzw. der Abnehmeranlage im Sinne einer Klimaanlage einsetzen.

Das fließende Versorgungswasser als Wärmetauschmedium nimmt die von der Wärmepumpe über den Medienkreislauf zugeführte Kälte an dem Wärmetauscher auf und transportiert diese ab. Auf dem weiteren Weg des Wassers, beispielsweise bis zur nächsten Abnahmestelle, gibt das Wasser die Kälte wieder an das Erdreich ab bzw. nimmt seine ursprüngliche Temperatur wieder an. Aufgrund des Volumens des Versorgungswassers findet nur eine geringe Temperaturabsenkung statt, so dass keine Gefahr der Beeinträchtigung der Wasserversorgung durch Eisbildung besteht. Die Temperaturabsenkung hat vielmehr den Vorteil, dass die Keimzahl im Wasser verringert wird.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Wärmeübergang von dem Erdreich auf die Versorgungsleitung dazu zu nutzen, die Temperatur des Trinkwassers und damit Leistung des Wärmetauschers zu erhöhen. Hierzu kann die Versorgungsleitung zumindest in einem Abschnitt (z.B. ein nachträglich eingebrachter Rohrabschnitt) vorzugsweise aus einem Werkstoff bestehen, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Hierfür eignet sich beispielsweise ein metallischer Werkstoff und insbesondere Edelstahl; eine Alternative wäre ein Kunststoff und insbesondere ein Partikel- und/oder Faserverstärkter Kunststoff (z.B. mit Metall- und/oder Kohlenstoffpartikeln bzw. - fasern). Hierdurch kann der Wärmeübergang von dem Erdreich auf das Trinkwasser verbessert werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, eine Versorgungsleitung einfach aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff vorzusehen, so dass auf die

ansonsten übliche Verkleidung innen mit Beton und außen mit Bitumen verzichtet werden kann. Eine durch die beiden Verkleidungen bedingte Isolierung könnte dadurch verhindert werden.

Weiterhin bevorzugt kann die Versorgungsleitung zumindest in einem Abschnitt an ihrer äußeren und/oder inneren Mantelfläche mit Rippen versehen sein. Diese erhöhen die Kontaktfläche der Versorgungsleitung mit dem Erdreich und/oder dem Trinkwasser, wodurch wiederum der Wärmeübergang verbessert werden kann. Die Rippen können vorzugsweise radial bezüglich einer im Querschnitt kreisförmigen Versorgungsleitung ausgerichtet sein.

Weiterhin kann die Versorgungsleitung an dem/den relevanten Abschnitt(en) mit einem Füllmaterial umhüllt werden, das für einen möglichst spielfreien Kontakt der Versorgungsleitung mit dem umgebenden Erdreich sorgt. Zur weiteren Verbesserung des Wärmeübergangs sollte das Füllmaterial eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Als Füllmaterial eignet sich beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannter Thermo-Zement. Ein nachträgliches Umhüllen der Versorgungsleitung mit dem Füllmaterial kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn ein den Wärmetauscher aufweisender Rohrabschnitt nachträglich mittels grabenloser Verlegeverfahren (z.B. Rohrbersten) eingebracht wird. Durch das nachträgliche

Einpressen des Füllmaterials wird gleichzeitig das die Versorgungsleitung umgebende Erdreich selbst verpresst, wodurch auch dessen Wärmeleitfähigkeit verbessert wird.

Eine entsprechende Ausgestaltung der Versorgungsleitung sollte insbesondere lediglich dort vorgesehen sein, wo die mittlere Temperatur des Erdreichs über der mittleren Temperatur des Trinkwassers liegt.

Zur Verbesserung des Wärmetauschs des Trinkwassers mit dem Erdreich kann das Trinkwasserrohr auch in Abschnitten außerhalb des Bereichs des Wärmetauschs mit dem Wärmetauschmedium so ausgestaltet sein, dass die an den Wärmetauscher abgegebene Wärme möglichst schnell vom umgebenden Erdreich wieder aufgenommen wird, um im weiteren Verlauf erneut Wärme an weitere Geothermiesysteme abgeben zu können. Diese Abschnitte können auch in bevorzugten Bereichen angeordnet sein, wie beispielsweise in nicht bebauten Abschnitten oder in Wasser führenden Schichten.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Aufbaus mit einem in der Versorgungsleitung angeordneten Wärmetauscher;

Fig. 2 ein einfacher, in der Versorgungsleitung angeordneter, linearer Wärmetauscher;

Fig. 3 ein Wärmetauscher der Figur 1 mit mehreren linearen Elementen;

Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel eines in der Versorgungsleitung angeordneten Wärmetauschers mit spiralförmigem Aufbau;

Fig. 5 eine andere Ausführungsform des Wärmetauschers der Figur 3;

Fig. 6 ein Wärmetauscher der Figur 3 mit von der Achse der Wasserleitung abweichendem Verlauf;

Fig. 7 eine für einen verbesserten Wärmetausch mit dem Erdreich ausgelegte

Versorgungsleitung in einer ersten Ausführungsform im Querschnitt;

Fig. 8 die Versorgungsleitung der Fig. 7 mit einer Umhüllung;

Fig. 9 die Versorgungsleitung der Fig. 7 mit einer Umhüllung nach dem Einbringen mittels Rohrberstens; und

Fig. 10 eine für einen verbesserten Wärmetausch mit dem Erdreich ausgelegte Versorgungsleitung in einer zweiten Ausführungsform im Querschnitt.

Eine öffentliche Wasserleitung 100 verläuft in der Nähe eines Gebäudes 150. Im Gebäude 150 ist eine Wärmepumpe 140 angeordnet, die eine Ringleitung 160, 170 mit einem Kühlmedienkreislauf aufweist. Die Ringleitung 160, 170 verläuft von der Wärmepumpe 140 durch die Hauswand 180 und das angrenzende Erdreich 110 zur Wasserleitung 100 und mündet dort in einen Wärmetauscher 120, der in einem modulartigen Rohrabschnitt 130 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 120 steht in körperlichem Kontakt mit dem Wasser der öffentlichen Wasserleitung 100, so dass eine übertragung der (niedrigeren) Temperatur des Wärmepumpenmediums auf die Wandung des Wärmetauschers 120 und schließlich auf das fließende Wasser möglich ist. So kommt es

im Ergebnis zu einer Erwärmung des Mediums, welche in der Wärmepumpe in Heizleistung umgesetzt werden kann.

Bei der beschriebenen Ausführungsform kann ein Rohrabschnitt 130 auf einfache Weise modulartig und /der nachträglich in eine Wasserleitung 100 eingebracht werden.

Ferner ist ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Wärmepumpenmedium und dem Trinkwasser ausgeschlossen.

Bei Verwendung eines über das Mannloch 2 einzubringenden Wärmetauschers findet außer dem Verbinden mit der Wärmepumpe überhaupt kein Eingriff in die Wasserleitung 1 statt.

Der Wärmetauscher kann so bei einer bestehenden Wasserleitung ohne oder mit minimalem Eingriff in die Integrität der Leitung und ohne Gefahr einer Verschmutzung des Wassers eingesetzt werden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 220 als lineares Rohr innerhalb eines Rohrabschnitts 230 ausgebildet. Dies stellt eine einfache kostengünstige Konstruktion dar. In Fig. 3 ist der Wärmetauscher 320 der Fig. 2 linear aber in mehreren Schleifen innerhalb des Rohrabschnitts 330 geführt. Im abgebildeten

Querschnitt A-A und B-B lässt sich erkennen, wie die Kanäle des Wärmetauschers 320 auf Rippen 350 angeordnet sind, die den Wärmetausch zusätzlich unterstützen. Zusätzlich kann das Rohr mit Wärme leitendem Material ausgekleidet sein. Dies erlaubt jeweils eine Erhöhung Wärmetauschleistung auf demselben Streckenabschnitt gegenüber der Ausführungsform der Fig. 2.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform mit einem spiralförmigen Wärmetauscher 420 innerhalb eines Rohrabschnitts 430 dargestellt. Hierbei ist die mit dem Wasser pro Streckenabschnitt in Kontakt stehende Fläche noch weiter vergrößert.

Oftmals darf der Durchflussquerschnitt der Wasserversorgungsleitung nicht verkleinert werden. Hierzu kann dann der Durchmesser des Rohrabschnitts mit Wärmetauscher so dimensioniert sein, dass der Durchflussquerschnitt trotz des eingesetzten Wärmetauschers unverändert bleibt. Besonders in diesen Fällen kann auch ein Wärmetau- scher 520 gemäß Fig. 5 eingesetzt werden, der zwecks besseren Wärmetauschs einen

Abstand zur Wandung eines Rohrabschnitts 530 aufweist.

In Fig. 6 ist ein spiralförmiger Wärmetauscher 620 dargestellt, der eine Achse A aufweist, welche von der Achse des Rohrabschnitts 630 abweicht. Dies erlaubt zusätzlich ein bessere Nutzung der Wärmekapazität des Wassers, da sich der Temperaturschatten des vorhergehenden Wendelabschnitts nicht oder zumindest weniger auf den fol- genden Wendelabschnitt auswirkt. Zusätzlich findet eine vorteilhafte Verwirbelung des

Wassers statt.

Der Wärmetauscher kann bereits bei der Herstellung der Wasserleitung vorgesehen und beim Verlegen der Wasserleitung 1 mitverlegt werden oder auch nachträglich durch Austausch einzelner Rohrsegmente als Modul in eine bestehende Wasserleitung eingebracht werden.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen eine erste Ausführungsform eines Rohrabschnitts 730, das hinsichtlich eines guten Wärmeübergangs von dem Erdreich 710 auf das in dem Versorgungsrohr fließende Trinkwasser ausgelegt wurde. Der im Querschnitt kreisförmige Rohrabschnitt ist hierzu an seiner äußeren Mantelfläche mit radial ausgerichteten Rippen 731 versehen, die die Kontaktfläche des Rohrabschnitts 730 mit dem Erdreich erhöhen und dadurch den Wärmeübergang von dem Erdreich auf das sich innerhalb des Rohrabschnitts befindliche Trinkwasser verbessern können.

In den Fig. 8 und 9 ist der Rohrabschnitt 730 zusätzlich mit einem Thermo-Beton 790 als Füllstoff umhüllt, der einen direkten Kontakt des Rohrabschnitts 730 mit dem Erdreich 710 herstellt und hierdurch den Wärmeübergang von dem Erdreich auf den Rohrabschnitt und folglich auf das Trinkwasser weiter verbessern kann.

Die Fig. 9 zeigt zusätzlich noch Scherben 791 eines geborstenen Altrohrs. Diese können beispielsweise dann vorliegen, wenn eine neue Versorgungsleitung (bzw. ein entsprechender Rohrabschnitt 730), die erfindungsgemäß einen Wärmetauscher aufweist, mittels eines grabenlosen Verlegeverfahrens (z.B. Rohrbersten) ausgetauscht wird. Die Rippen 731 an der äußeren Mantelfläche des Rohrabschnitts

730 verbessern in diesem Fall nicht nur den Wärmeübergang von dem Erdreich auf das Trinkwasser, sondern sie schützen den Rohrabschnitt 730 zudem vor einer Beschädigung durch die oftmals scharfkantigen Scherben 791.

Die Fig. 10 zeigt eine Rohrabschnitt 830, bei der zusätzlich zu den Rippen 831 auf der äußeren Mantelfläche entsprechende Rippen 832 auf der inneren Mantelfläche vorgesehen sind. Diese sollen durch eine Erhöhung der Kotaktfläche des Rohrabschnitts mit dem Trinkwasser den Wärmeübergang von dem Erdreich auf das

Trinkwasser nochmals erhöhen. Gegebenenfalls können die innenseitigen Rippen 832 jedoch nicht in jedem Abschnitt der Versorgungsleitung vorgesehen sein, weil sie die Durchflussfläche der Versorgungsleitung verengen und gegebenenfalls auch eine Inspektion der Versorgungsleitung beispielsweise durch selbstfahrende Inspektionsvorrichtungen erschweren können.