Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage für die Erzeugung eines zu- oder abführenden Wärmeflusses in einem Körper niedriger thermischer Leitfähigkeit kleiner 20 W/mK endlicher oder quasi unendlicher Grosse mittels mindestens einer Wärmetransportschicht, um dem Körper Wärme in einer oder mehreren im wesentli¬ chen parallelen Ebenen zuzuführen oder zu entziehen und an ein respektive von einem Wärmetransportmedium zu übertragen.

Die Zufuhr oder Entnahme der Wärme erfolgt in Abweichung von der im Körper niedriger Leitfähigkeit erzeugten WärmeStrömung, mehr oder weniger quer dazu, weshalb die erfindungsgemässe Wärmetransportschicht nachstehend auch Wärmeweiche genannt wird.

Die Frage der Wärmezufuhr bzw. des Wärmeentzugs stellt sich in erster Linie bei der Wärmegewinnung aus atmo¬ sphärischen (Solar- und Globalstrahlung, Latentwärme, Luft-, Meteorwasser- und Abwasserwärme usw.) und ter¬ restrischen (Erd-, Grund- und Quellwasserwärme) Quellen - eine zeitgemässe Forderung zur Gewinnung sich im Tages- oder Jahreszyklus erneuernder Energien.

Die teils patentrechtlich geschützten Ideen und Verfah¬ ren zu dieser Energiegewinnungsart haben in den letzten Jahren gewaltig zugenommen. Rein terrestrische Wärme-

gewinnung in der Tiefe ist nur durch Bohrloch mit quasi punktförmigem Wärmeentzug am Tiefstpunkt technisch reali¬ sierbar. Soll sowohl terrestrische wie atmosphärische Wärme gewonnen werden, so ist letzteres nur in unmittel- barer Oberflächennähe möglich. Dabei wird zwangsläufig die pflanzenbauliche Nutzung beeinträchtigt.

Zahlreiche Anordnungen versuchen daher unter bivalenter Nutzung sich anbietender Verkehrsflächen oder speziel- 1er Sportanlageflächen atmosphärische und terrestrische Energie zu gewinnen, wobei gleichzeitig das Speicher¬ vermögen in mehr oder weniger grossem Ausmasse zur Spei¬ cherung der Tageswärme und Entzug während der Nacht ge¬ nutzt wird. Zur Aufladung des Speichers oder zur Eis- freihaltung der Oberfläche wird zudem Wärme in solchen meist auf ganz spezifische Anwendungen ausgerichteten Systemen, die durch zahlreiche Patente geschützt wurden, zugeführt.

Unter anderem ist eine Anordnung zum Beheizen und/oder Kühlen einer Solarstrahlung ausgesetzten, bituminösen Materialschicht, insbesondere der Deckschicht einer Strassenbefestigung, bekannt geworden, welche eine Viel¬ zahl von längs der zu beheizenden und/oder kühlenden Materialschiσht vorgesehenen Wärmeaustauscheinheiten aufweist. Diese Einheiten umfassen zwei Fluid-Durch- laufSysteme. Das erste System steht in wärmeübertra¬ gender Beziehung zu der zu beheizenden und/oder kühlen¬ den Materialschicht und das zweite in wärmeübertragen- der Beziehung zu einem Wärmespeicher.

Der Wärmespeicher stellt dabei gleichzeitig den Unter¬ bau der Strasse dar und kann ganz oder teilweise aus dem beim Bau der Strasse ausgehobenen Erdreich bestehen,

Durch die Fluid-DurchlaufSysteme zirkuliert ein Wärme¬ übertragungsmedium, um Wärme von der Materialschicht in den Wärmespeicher und umgekehrt zu transportieren, je nachdem, ob die Materialschicht, z.B. im Sommer ge¬ kühlt oder im Winter beheizt werden soll. Die beiden Fluid-Durchlau Systeme liegen in Vertikalebenen. (DE-OS 34 07 927)

Eirfe weitere Arbeit, welche einen Massivabsorber als neuartiges Heizungssystem für den Betonfertigteilbau behandelt, ist im SIA-Bulletin "Industrielles Bauen",

4/82, eingehend gewürdigt. Dabei wird mittels Absorber, welche grossflächige Wärmetauscher sind, der Umwelt Energie in Form von Wärme entzogen. Diese Wärmeenergie wird mit Hilfe einer Wärmepumpe von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau ge¬ bracht, so dass die resultierende Wärmeenergie für Heizzwecke verwendbar wird. In dieser Arbeit ist auch der zeitliche Verlauf der Temperaturen an den Oberflä¬ chen und in verschiedenen Schichten einer besonnten, 30 cm dicken Stahlbetonwand aufgezeichnet sowie die

Phasenverschiebung der Temperaturkurve im flüssigkeits- beschickten Absorberkreis. Auch die Leistungsziffer der Wärmepumpe in Abhängigkeit der Aussenlufttemperatur, mit der Heizungstemperatur als Scharparameter, ist dar- gestellt.

In der CH-PS 661 340 werden nebst einem grossflächigen Rohrkreis auf einer Wärmespeiche.rsσhicht weiter metal-

lische Kontaktlamellen zur Wärmeverteilung empfohlen, die heute grossteils in der Fussbodenheizungstechnik verwendet werden.

All den Systemen gemeinsam ist ein Wärmeentzug durch

Wärmetauscherrohre, deren Oberfläche in gewissen Fällen durch herkömmliche Rippen oder Lamellen zur Leistungs¬ erhöhung vergrössert wurden. Der quasi lineare Entzug, d.h. ein nur bedingt flächendeckendes, röhrenförmiges Entzugssystem, erzeugt in einem Körper niedriger ther¬ mischer Leitfähigkeit nahezu zylindrische Isothermen,

2 deren Leitungsleistungsfähigkeit in W/m Δ K, bei wei¬ tem nicht einem echt flächigen Entzug mit nahezu paral¬ lelen Isothermen entspricht.

Zudem stellen die in der CH-PS-661 340 vorgeschlagenen Lamellen thermische Kurzschlusselemente dar, da sie Wärme vom Rohrende weg zum Rohreingang zurückleiten.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlage zu schaffen, die einen Wärmefluss zu- oder abführender Art in einem thermischen Monoblock oder Speicher erzeugt, wobei die im Block erzeugten Isother¬ men nahezu parallel zueinander verlaufen und die Wärme- leitung vorzugsweise quer zum erzeugten Wärmestrom im Speicherblock resp. im Körper mit schwach thermi¬ scher Leitfähigkeit erfolgt.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch eine Anlage, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, ins¬ besondere nach Anspruch 1, gelöst.

Voraussetzung zur Wärmeleitung in einer anderen als der ursprünglichen Richtung im Körper niedriger Leit-

fähigkeit ist eine gegenüber dem Körper 20 bis 1000- fach grössere spezifische Wärmeleitfähigkeit einer als Wärmeweiche wirkenden Schicht bei einem Mindest¬ querschnitt in Relation zum wärmeleitenden Querschnitt des Körpers zur Erhaltung einer adäquaten Wärmeleit¬ leistung der proportional zum Verhältnis der spezifi¬ schen Wärmeleitfähigkeit λ W/mK des Körpers zu hoch- leitfähiger Wärmeweichenschicht zu bemessen ist.

Der Wärmetransport zum oder die Wegführung von der Anlage erfolgt entweder mit einem flüssigen Wärme¬ transportmedium, das sekundärseitig einer Umform- oder Verbrauchsstelle zugeführt wird, oder durch Elektro- transport als Joulesche Wärme zur Wärmezufuhr oder mit Hilfe des Pelletier-Effekts zum Wärmeentzug.

Die hochwärmeleitende, mit dem Körper niedriger Leit¬ fähigkeit wärmeleitend verbundene Schicht kann aus Kupfer, Aluminium, Silber oder Gold und ihren Legie- rungen bestehen und kann durch Einbau von Halbzeug, wie Bleche oder Rohre, durch Eingiessen der vorerwähn¬ ten Metalle im Verbundguss oder durch Aufbau eines Sinterkδrpers, in dem die hochleitende Schicht durch Sinterung in situ erzeugt wird, gebildet werden. Der Körper niedriger Leitfähigkeit endlicher oder quasi unendlicher Grosse mit Wärmetransportkapazitäten zwi¬

2 sscehheenn 2200 uunndd 220000 WW,/m im wärmeleitenden Teil kann ein- gesetzt werden zur

- Gewinnung und Speicherung atmosphärischer und ter¬ restrischer Wärme, - Temperaturregelung der umgebenden Raumatmosphäre,

- thermischen Prozesssteuerung in nichtmetallischen dickwandigen Behältern der chemischen und biochemi¬ schen Verfahrenstechnik,

- gezielten Erwärmung oder Abkühlung im Innern von me- chanischen Komponenten unter Vermeidung örtlicher

Uebertemperaturen sowie

- kühlenden oder erwärmenden Temperaturerhaltung elektronischer Geräte.

Die flächige Beeinflussung der Wärmeströmung durch die Wärmeleitschicht der Wärmeweiche ermöglicht die Ueber- tragung maximaler spezifischer Wärmeleistungen bei ge¬ gebenem Δ. K. Darin unterscheidet sich die Erfindung grundsätzlich von dem direkten Einbau eines mit einer Wärmetransportflüssigkeit durchströmten Wärmetauschers, bei dem die Beeinflussung des Wärmeflusses bestenfalls quasi linear durch Wärmetauseherröhre, vielfach aber nur quasi punktförmig durch kugelige Gefässe erfolgt.

Die vorliegende Erfindung sichert den maximalen Wärme-

2 fluss in W/m K in einem thermischen Block beliebi¬ ger endlicher oder quasi unendlicher Abmessung durch optimale Gestaltung des bei Einspeisung oder Entzug von Wärme entstehenden Wärmeflusses. Bei den im Zuge der Entwicklung sich aufdrängenden Anwendungen zur Gewinnung atmosphärischer und erdgespeicherter Energie wie auch bei den Grossanlagen der chemisch/biologischen Verfah¬ renstechnik und dem Maschinenbau steht der Wärmetrans¬ port über eine Transportflüssigkeit, bei der in Sonder- fällen auch die Verdampfungswärme direkt genutzt werden kann, im Vordergrund. Bei feinwerktechnischen oder elektronischen Anlagen kommt die elektrische Wärmeein-

speisung als Joulesche Wärme oder der Entzug über ein Pelletier-Element in Frage.

Werden die zum Vor- und Rücklauf des Wärmetransport- mediums eingebauten, mit der als Weiche wirkenden Wärme¬ leitfläche leitend verbundenen Wärmetauscherrohrregi¬ ster parallel geführt, so kühlt bzw. erwärmt sich das Wärmetransportmedium während des Vorlaufs durch den thermischen Block bis zum Rücklauf derart, dass im thermischen Block ein über die ganze Breite gleich¬ förmiges Temperaturgefälle entsprechender Richtung zwi¬ schen Vor- und Rücklauf entsteht. Die hochleitfähige Einspeisungs- oder Entzugsschicht sollte in diesem Falle möglichst voll flächendeckend sein. Werden die Wärme- tauscherrohre dagegen in der Wärmeweichenfläche haar¬ nadelartig mit Vor- und Rücklauf an der gleichen Seite oder maanderförmig, mit Vor- und Rücklauf von einem Ein- speisungspunkt aus verlegt, so entsteht durch die Tem¬ peraturveränderung des Wärmetransportmediums im Durch- lauf ein Wärmefeld, das sich vom Feld der nebenan lie¬ genden Schlaufe temperaturmässig derart unterscheidet, dass die als Wärmeweiche wirkende Schicht höherer Leit¬ fähigkeit an der Grenze zum nächsten Wärmefeld in ge¬ eigneter Weise zu unterbrechen ist. Sonst entsteht eine Wärmebrücke und damit ein thermischer Kurzschluss, der die Entzugsleistung des Systems entscheidend verringert.

Wird ein thermischer Rlock bivalent zur Speicher— aufladung oder Entladung oder alternativ zum Angebot von Oberflächenwärme oder dessen Entzug (atmosphäri¬ scher Kollektor) betrieben, so ist ein Kompromiss in der geometrischen Lage der hochwärmeleitenden Wärme-

weichenschicht zwischen den Optima für den Kollektor oder den Speicher zu finden. Je nach örtlichen Bedin¬ gungen können auch mehrere Wärmeweiσhen in der jeweils für die verschiedenen Aufgaben optimalen Lage eingebaut werden.

Die Wärmeweiche verbindet den Wärmeström im thermischen

Speicherblock mit dem Wärmetauscher. Damit die gesamte ihr zugeleitete Wärmemenge von ihr abgeleitet wird, muss die Wärmeleitka ^c pazität = Qww • λww mindestens dem einzufang ³ enden Wärmestrom im Block Qt.,h M..b. l, ^• λt.,h M,„b, .l, entsprechen, wenn nicht höhere Temperaturabweichungen und damit ein verschlechterter Wirkungsgrad des Ent¬ zugssystems in Kauf genommen werden soll. Der so be- stimmte Schichtquerschnitt müsste nur im Anschluss an den Wärmetauscher vorhanden sein und könnte lateral von ihm weg bis zur .Mitte des Zwischenraums zwischen dem nächsten Wärmetauscherrohr auf Null auslaufen, doch ist eine solche Ausführungsform der Wärmeweiche technisch schwierig und kostenmässig in der Regel zu aufwendig.

Praktische Anwendung findet die Wärmeweiche vorab in der atmosphärisch/terrestrischen Energiegewinnung über Speicherkollektoren. Die optimale kollektorseitige Ent- zugsmenge ist durch die lokalen Klimaverhältnisse ge-

2 geben. S e liegt zwischen 30 und 150 W/m und schwankt je nach Witterung in sehr breiten Grenzen. Massgeblich ist daher bei dem in der Regel bivalenten Betrieb das Abgabevermögen des Untergrundspeichers. Es ist im Dauer- betrieb gegeben durch die zwischen λ 4 W/mK als maxi¬ male Leitfähigkeit des sehr kompakten Fels und λ 0,3 W/mK als Leitfähigkeit des trockenen Erdreichs und nur

geringen Schwankungen unterworfen. Bei zu hohem Lei¬ stungsentzug aus dem Untergrund, d.h. zu hohem Δ K zwi¬ schen der Wärmetransportflüssigkeit und dem Untergrund, besteht durch vermehrten oberflächlichen Wärmeentzug Vereisungsgefahr, der durch Verringerung des Wärmeent¬ zugs pro Fläche oder Erhöhung der Ueberdeckung (Wärme¬ weiche in grösserer Tiefe, ev. mehrere Wärmeweichen zum der Jahreszeit angepassten Entzug) begegnet werden kann. Bei im Winterhalbjahr nicht genutzten Flächen, wie Frei- platzen etc., kann der Wärmeentzug von der Oberfläche und damit die Vereisung durch eine Isolierdecke verhin¬ dert oder in Sonderfällen als Eisfläche genutzt werden.

Eine weitere wichtige Anwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung findet sich ganz allgemein in der Speiche¬ rung und Rückgewinnung von Energie in Form von Wärme, indem bei einem W rmeuberschuss ein thermischer Speicher¬ block sehr effizient erwärmt werden kann und bei Wärme¬ bedarf die Wärme wieder entzogen werden kann. Zum einen lassen sich kleinste Temperaturunterschiede zur Speiche¬ rung oder Rückgewinnung ausnützen, und zudem ist die durch Einschluss von latentwärmenutzenden besonderen Speicherkörpern zusätzlich steigerbare Speichermenge beachtlich, da sie sehr wirkungsvoll genutzt werden kann.

Im Falle von mobilen thermischen Speicherblocks, z.B. auf Eisenbahnwagen angeordnet, ist auch eine örtliche Ver¬ schiebung von Wärme möglich.

Ganz allgemein aber wird mittels der erfindungsgemässen Vorrichtung, d.h. der Wärmeweiche, die Zu- respektive

Abfuhr von Wärme an schlecht wärmeleitende Medien er¬ möglicht, was mit den herkömmlichen Verfahren und Ein¬ richtungen nur in entweder unökonomischer- Form oder aber bei extrem günstigen Verhältnissen möglich war.

Die Erfindung wird anschliessend anhand von Beispielen und grundsätzlichen Ueberlegungen unter Be.zug auf Fi¬ guren weiter erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Wärmeweiche mit den Alternativen a) Wärmeübertragung über Wärmetauscher auf Wärmetransportflüssigkeit, b) elektrischer Wärmetransport,

Fig. 2 den Vertikalschnitt eines nach

Fig. 2a unmittelbar auf Felsboden als Tages- oder JahresSpeicher,

Fig. 2b auf einem künstlichen Tagesspeicher über Erd- oder Sedimentboden als JahresSpeicher aufgebauten Massivabsorber-Wärmetauschers,

Fig. 3 Rohranordnungen in Aufsicht

Fig. 3a parallel geführte Leitungen glei- ' eher Strömungsrichtung, Fig. 3b Haarnadelrohre, Fig. 3c Mäanderröhre,

Fig. 4a-d Vertikalschnitte durch Ausführungsvarian- ten der Wärmeentzugs- und WärmetauscherSchicht,

Fig. 5 Phasenverschiebung des Aussenluft-Temperatur- verlaufs im Absorberkreislauf,

Fig. 6 Phasenverschiebung des Temperaturverlaufs in der Tiefe eines Massivabsorberspeichers,

Fig. 7 schematische Darstellung der Betriebszustände a-e der Wärmeentzugsanlage,

Fig. 8 Jahreszyklus des atmosphärischen Energieange¬ bots,

Fig. 9 Temperaturverlaufskurven in Funktion der Tiefe unter der Erdoberfläche, in verschiedenen Jahreszeiten.

In Fig. la schematisch dargestellt ist eine erfindungs- gemässe Anlage, welche im wesentlichen eine gut wärme¬ leitende Wärmeentzugs- oder Zufuhrschicht 20 umfasst, welche in einem Körper niedriger thermischer Leitfähig¬ keit 5, mit diesem thermisch verbunden, angeordnet ist. Die Schicht 20 ist thermisch z.R. mit einer Rohr¬ leitung 6a gekoppelt, in welcher ein Wärmetransport¬ medium von/zu einer Wärmepumpe 3a (nicht gezeigt) und damit verbunden von/zu einem Wärmeerzeuger 4a respek¬ tive Wärmeverbraucher 4a fliesst.

Analog zeigt Fig. lb die Schicht 20, an welche, an den Enden einer Randkante 6b, eine Stromspannung angelegt worden ist, z.B. durch eine Stromquelle 4b.

Die durch die Stromspannung entlang der Randkante der Schicht 20 erzeugte Wärme wird mittels dieser Schicht

dem Monoblock zugeführt. Analog kann Wärme durch An- schliessen eines Peiletier-Elementes (nicht gezeigt) mit elektrischem Stromfluss aus dem. Körper niedriger Leitfähigkeit abgeführt werden.

Fig. 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Massiv- absorberspeichers im Vertikalschnitt in den Varianten a, auf Fels als Felsspeicher 15 (λ = 1,75 - 4,65 W/mK) , oder b, auf Erdreich oder Sediment 16 (λ < 0,8 W/mK) aufgebaut.

Der freigelegte Fels wird mit einem Glattstrich 17 aus dichtem Zement (λ > 1,16 - 1,4 W/mK) zur Ausbildung einer geeigneten Rohrverlegefläche 20 versehen. Erd- reich oder Sediment wird durch Einstampfen von Geröll und Abdecken mit Magerbeton 18 (λ~ 0,8 W/mK) verfestigt und zu einer eventuellen zweiten Rohrverlegefläche 20 ausgebildet. Der Tagesspeicher 19 mit einer Wärmeleit¬ fähigkeit λ = 1,16 - 1,4 W/mK ist eine armierte Massiv- betonplatte aus hochverdichtetem Beton in einer dem Tagesspeicherbedarf entsprechenden, mindestens aber 15 cm betragenden Dicke.

Die Wärmeentzugs- und Wärmetauscherschicht mit einer gegenüber dem Massivabsorberspeicherblock mindestens lOOfachen Wärmeleitfähigkeit wird aus Wärmetransport- flüssigkeitsleitungen 6 und daran wärmeleitend ange¬ schlossenen, die Entzugsebene möglichst voll abdeckende Wärmeleitschicht 22, beide bevorzugt aus Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit λ -, 400 W/mK, gebildet.

Auf diese Weise entsteht ein Gebilde, welches man als Wärmeweiche bezeichnen kann. Die von aussen kommende Wärme gelangt durch das Material des Speichers 19 in die wärmeleitende WerkstoffSchicht, deren λ ~ 200 - 400 W/mK beträgt. Die Schicht, z.B. in Form zusammen¬ hängender Bleche 22, ist sehr dünn, z.B. 0,1 - 1 mm. Sie ermöglicht die Abführung der ankommenden Wärmemen¬ gen in geringen Querschnitten, welche den Verhältnissen von λ des Speichers und λ des Metalls, vorzugsweise Cu, Rechnung tragen, in irgendeiner Richtung. Diese Wärme wird dem wärmeaufnehmenden Wasser durch Zwangskonvek- tion übertragen. Auf diese Weise ist eine elegante Mög¬ lichkeit der WärmeUmleitung in eine beliebige Richtung ermöglicht.

Die Wärmeleitschicht ist an den unterliegenden wie den darüber aufgebrachten Beton porenfrei und wärmeleitend anzuschliessen. Der Entzug der Wärme und die Uebertra- gung aus dem Transportmedium kann in einer Ebene alter- nativ für atmosphärische oder terrestrische Wärme ge¬ mäss Fig. 2a oder in zwei Ebenen gemäss Fig. 2b zur ge¬ trennten Erfassung absorbierter oder gespeicherter Wärme erfolgen.

Die oberflächlich absorbierende Deckschicht 21 mit einer Leitfähigkeit λ~ 1,2 W/mK ist gemeinsam mit den als Koffer dienenden, unterliegenden Schichten den Anfor¬ derungen des Primärgebrauchs, wie Verkehrsfläche usw., entsprechend zu gestalten. Ihre Dicke ist so ausrei- chend zu bemessen, dass die Oberflächentemperaturdif- ferenzen, d.h. die Temperaturdifferenz auf der Ober¬ fläche, über Rohren oder Wärmeweiche unmerkbar (z.B.

< 2 K) sind. Die Absorberfläche selbst kann durch Schwär¬ zung, Anstrich, Einbringen dunkler Zuschlagsstoffe, 'wie auch eventuell durch Abdeckung 24 mit Bitumen oder dunk¬ len Natursteinen, die SolarStrahlung besser absorbierend gestaltet werden.

Der Massivspeicherblock ist durch eine seitliche Wärme¬ dämmung 23 (λ < 0,6 W/mK) aus Blähton oder anderem wit¬ terungsbeständigen Isoliermaterial gegen Wärmeverlust nach aussen oder Wärmeentzug aus nebenstehenden Gebäu¬ den in -angemessener Tiefe zu isolieren, damit der Wärme¬ strom im wesentlichen nur rechtwinklig zur Absorber¬ oberfläche fliesst.

Wenn dem Speicher wegen zu geringer Aussentemperatur über die Absorberfläche Wärme entzogen wird, kann die¬ ser unerwünschte Wärmestrom durch eine, eventuell auto¬ matisch temperatur- oder strahlungsintensitätgesteuert, abrollbare Isolierdecke 25 (λ < 0,1 W/mK) vermindert werden.

Fig. 3a, b und c zeigen im Grundriss drei verschiedene Ausführungsformen des eine quasi zweidimensionale Ent¬ zugsschicht im Massivabsorberspeicher 5 bildenden Wärme- tauschers. Die Rohrdimensionierung richtet sich nach dem zeitlichen Durchflussmengenbedarf, wobei die Quer¬ schnitte zur Vermeidung zu hoher Pumpenenergieverluste und Strömungsgeschwindigkeiten > 1 m/s reichlich zu be¬ messen sind.

Um den Kondensat- und Meteorwasserabfluss an der Ober¬ fläche der Deckschicht 21 bzw. deren eventueller Ab-

deckung 24 zur optimalen Nutzung von Latent- und Kon- vektionswärme zu sichern, muss die Oberfläche möglichst wasserabstossend und ausreichend geneigt sein.

Fig. 3a zeigt einen Wärmetauscher mit parallel gleich¬ richtiger Strömung, d.h. Vorlaufanspeisung 26 von einer Seite und Rücklaufabnähme 27 von der entgegengesetzten Seite. Durch Vor- und Rücklaufführung nach Tichelmann oder beidseitige Anschlussblöcke grossen Querschnitts zum Druckausgleich muss eine gleichmässige Durchströ¬ mung der Register gesichert werden. In der Entzugsebene entsteht ein gleichmässiger Temperaturanstieg zur Aus¬ trittseite hin. Die Wärmeentzugsbleche 22 können daher vollständig flächendeckend sein.

In dem in Fig. 3b gezeigten, gleiche Durchströmungs¬ längen aufweisenden und damit ohne Sonderaufwand glei¬ che Durchflussmengen sichernden Haarnadelregister ent¬ stehen dagegen um den vorlaufenden und um den rückfüh- renden Haarnadelschenkel Felder unterschiedlicher Tem¬ peratur. Die Wärmeleitschicht 22 muss daher mittig zwi¬ schen den Rohren um 5 - 10 mm getrennt 28 sein. Eine Verdoppelung der Blechfeldbreite durch wechselseitigen Anschluss von Haarnadelpaarungen ist möglich.

Die mäanderförmige Verlegung gemäss Fig. 3c erleich¬ tert die Deckung komplexer Flächen. Die Felder unter¬ schiedlicher Temperatur werden aber viel komplexer, die unumgänglichen Trennbereiche 28 der Bleche zur Vermei- düng der gegenseitigen Beeinflussung der einzelnen Temperaturfelder schwieriger.

Beim quasi dreidimensionalen Wärmeentzug aus dem räum¬ lich praktisch unbegrenzten Felsspeicher 15 sind diese Temperaturfeider gegenüber dem atmosphärischen Wärme¬ entzug von untergeordneter Bedeutung.

In Fig. 4a-d werden vier Ausführungsvarianten der Wärme¬ tauscher im Schnitt gezeigt. Am kostengünstigsten und anpassungsfähigsten sind in der Regel die unter Verwen¬ dung von handelsüblichen Kupferrohren und -Blechen er- stellbaren Varianten nach Fig. 4a und b. Der RohrZwi¬ schenraum bzw. die Wirkbreite der wärmeaufnehmenden und den Wärmetauscherrohren 6a zuführenden Bleche 22 be¬ stimmt die zum Wärmetransport erforderliche Dicke der

1 16 Bleche 22, nämlich Wirkbreite x ' _ (Leitfähigkeit λ = 1,16 der Deckplatte 21/Blech-22-Leitfähigkeit λ =

400) , d.h.

für die extremen Rohrzwischenräume 1000 mm oder 200 mm bzw. Rohrachshalbabstände 500 mm 100 mm abzüglich Rohrwirkbereich 40 mm 30 mm

= Blechwirkbreite 460 mm 70 mm wird die Blechdicke ungefähr > 1,2 mm > 0,2 mm

Die wärmeleitende Verbindung mit den als Rohre 6 ausge- bildeten Flüssigkeitsleitungen kann durch gute Umhül¬ lung mit entsprechend längs- oder quer-gesickten Blech¬ bahnen in Form "durchgehender" Wärmeleitschic ten 22 in einer Dicke von 0,15 - 0,4 mm gesichert werden. Glatte Bleche können auch durch Schweissung oder Lötung vor allem als Vorfabrikate stoffbindend mit den Rohren 6a verbunden werden. RohrZwischenraum und Blechdicke sind für die verschiedenen Anwendungsfälle entsprechend

den örtlichen Material- und Erstellungskosten zu opti¬ mieren, wobei kleine RohrZwischenräume vor allem für parallele, einrichtige Rohrregister geeignet sind.

Fig. 4c zeigt im Innern durch Stege oder Abstandhalter versteifte, ein erwünschtes Strömungsbild ergebende flache Rechteckkästen 29, deren Festigkeit erst durch den abgebundenen Beton gesichert ist.

In Fig. 4d werden doppelschichtige, verschweisste Bleche, die streifenweise nicht miteinander verschweisste und anschliessend rohrartig zu ausreichenden Durchfluss¬ querschnitten 30 aufgeweitet wurden, sog. Rollbond- Elemente, gezeigt. In diesen Wärmetauschern sind Lei- tungsrohre 6a und Bleche 22 kombiniert. Sie eignen sich vornehmlich für einrichtig durchströmte Parallelregi¬ ster nach Fig. 3a.

Die an der Absorberfläche einströmende Wärme ist von Solarstrahlung und bezüglich der Globalstrahlung und der Latentwärme sowie der Konvektionswarme von der Ober¬ flächentemperatur abhängig. Sie wird mengenmässig weit¬ gehend vom Lokalklima und der Unterkühlungsleistung des Kollektors bestimmt.

Obwohl Tagesspitzen- sowie Tages- und Wochenmittelwerte der Solar- und Globalstrahlung über den Jahreslauf für eine grosse Zahl von geographischen Standorten, wie z.B. im Heft "Klimadaten für die Energietechnik Juli 1981 bis Juni 1985" der SMA festgehalten, bekannt sind, er¬ lauben sie doch nur eine Vorausbestimmung der sinn¬ vollen Entzugsleistung einer Anlage. So dürfte in kli-

matisch günstiger Lage (gesicherte Maisreifung zur

Kolbenreife) eine Entzugsleistung aufgrund der erwähn-

_2 ten Daten von 100 W angemessen sein. Das zeitlich in rascher Folge und grössenmässig in einem weiten Be¬ reich schwankende, vom lokalen Standort wesentlich ab¬ hängige Angebot von Latentwärme bei Taubedingungen, von konvektiv übertragener Meteorwasser- und Luftwärme ver- unmöglicht die Abschätzung des gesamten atmosphärischen Energieangebots.

Der Tageszyklus des Aussenwärmeangebots wird durch die inhärente Trägheit des Absorberkreises gemäss Fig. 5 und in weit grösserem Masse durch die Aufladegeschwin¬ digkeit des Massivspeichers nach Fig. 6 zeitlich ver- schoben. Die optimale Verschiebung des Entzugsmaximums um 10 bis 12 Stunden auf das Aussenluftminimum hin ist bei beschränktem Wärmeentzug mit FelsSpeicher 15 an sich möglich, mit künstlichem Tagesspeicher 19 durch ausrei¬ chende Speicherkapazität zu sichern. Die Bivalenz der Anlage kommt in den fünf Betriebszuständen gemäss Fig. 7a-e zum Ausdruck. Nach Fig. 7a wird keine Wärme ent¬ zogen. Die Anlage 1 ist ausser Betrieb. Die gesamte ab¬ sorbierte atmosphärische Energie strömt in den Fels¬ speicher 15 nach Fig. 2a oder in den TagesSpeicher 19 und in geringerem Masse ins Erdreich oder Sediment 16 (Fig. 2b) . Steht die Entzugsanlage im Betrieb, so kann entweder gemäss Fig. 7b nur ein Teil der absorbierten Energie oder nach Fig. 7c die gesamte Energie, entzogen werden, wobei im Fall b) der Ueberschuss in den Spei- eher geht.

Voller Entzug bei ungenügender Absorption und teilwei¬ ser Speicherentleerung wird in Fig. 7d gezeigt. Ist im

Jahreszyklus gemäss Fig. 8 das atmosphärische Energie¬ angebot unverwertbar gering geworden, dann kann nur noch die terrestrische Wärme nach Fig. 7e genutzt werden. Der Wärmeverlust durch die Absorberfläche ist durch eine Isolierdecke 25 zu vermindern. Bei ^• Vorhandensein weite¬ rer Entzugsflächen unterhalb des Tagesspeichers gemäss Fig. 2b wird die Wärme- dort entzogen.

Eine Vorausbestimmung der dem Felsspeicher 15 öder dem Sediment 16 pro Fläche entziehbaren terrestrischen Wärme aufgrund von Wärmeleitfähigkeit und Wärmeinhalt setzt Homogenität und Isotropie der Speichermasse voraus. Sie ist nur in Sonderfällen gegeben; in der Regel ist Fels überfaltet, anisotrop, eventuell von Wasseradern durch- zogen und von unterschiedlicher Dichte, Erdreich und Sediment wasserhaltig und ohne aufwendige Bodenproben hinsichtlich der wärmephysikalischen Eigenschaften kaum beurteilbar. Es kann ja praktisch nur der ohnehin zum Entzug atmosphärischer Energie vorhandene Wärmetauscher maximal genutzt werden. Die für den Modellfall gewählte

Entzugsleistung von 100 Wm -2 dürfte auch bei hartem Fels hoher Wärmeleitf higkeit und grossem Wärmeinhalt aus¬ reichen.

Massivabsorber-Wärmetauscher 5 können in Form von Kanal¬ boden- oder Tragdeckenelementen auch zum Wärmeentzug aus Fliesswässern, bevorzugt warmen Abwässern, benützt werden. Die fabrikmässige Fertigung ganzer hoch belast¬ barer, z.B. vorgespannter Betonelemente ermöglicht den Einbau von speziellen Wärmetauscher-Entzugsschichten mit Leitungssystemen 6a geringerer, erst durch den Ab¬ bindevorgang des umgebenden Betons ausreichend erhöhter

Gestaltfestigkeit. In den fertigen Elementen sind die Wärmetauscher samt Vor- und Rücklaufanschlussverteil- kasten besonders gut geschützt und der wärmeleitende Verbund mit dem Beton gesichert.

Wo ausreichende Freiflächen ohne pflanzliche Intensiv¬ nutzung zur Verfügung stehen, kann der Einbau einer Ent-

2 zugsschicht beschränkter Leistung (30 - 80 W/m ) ins

Erdreich geringer Wärmeleitfähigkeit (λ = 0,3 - 0,7) wirtschaftlich sein.

Die in einer Tiefe von 20 - 50 cm freigelegte Entzugs¬ fläche kann beispielsweise mit Standard-Kupferblechen für den Hochbau (2 x 1 m, 0,55 mm dick) , die mittig in der Längsrichtung zum Aufklemmen auf die Rohrregister gesickt sind, als Wärmeweiche belegt werden. Die Ent¬ zugsschicht wird anschliessend mit dem Aushub einge¬ deckt, humusiert und bepflanzt.

Aus diesen Zusammenhängen ergeben sich für das Erstel¬ len einer beschriebenen Heizanlage, was den Entzugs¬ teil betrifft, folgende qualitativen Erkenntnisse:

1. Die Temperaturwellen und damit die Temperaturschwan- kungen in einer Tiefe x als Abstand von der freien

Absorberoberfläche aus gemessen, sind durch die Um¬ hüllenden gemäss Fig. 9 gegeben.

2. Für die Ausnützung der täglichen Periodizität (Tages- zyklus) der von der freien Absorberoberfläche auf¬ genommenen Energie muss das Flüssigkeitsleitungs- system, wie z.B. die Fig. 5 und 6 erkennen lassen,

in Tiefen von Dezimeterwerten verlegt werden. Zu de¬ ren Festlegung ist die gewünschte Phasenverschiebung (Fig. 5) zu berücksichtigen, welche sowohl von der Frequenz der Anregungstemperaturschwingung als auch von der Temperaturleitzahl des Absorberspeichermate¬ rials abhängt. Ist η die Schwingungszahl, t die Zeit, x die Tiefe und a die Temperaturleitzahl, so wird diese Phasenverschiebung durch die Beziehung

charakterisiert. Die Phasenverschiebung wächst mit zunehmender Tiefe x, zunehmender Sσhwingungszahl η und abnehmender Wärmeleitzahl λ des Absorberspeicher- materials.

Die benötigte jeweilig zu entnehmende Wärmeenergie wird dann, bei gewählter Einbautiefe x, insbesondere eine Frage der Dimensionierung der freien Absorber¬ oberfläche und des Flüssigkeitsleitungssystems so¬ wie deren Bauart und Beschaffenheit.

Eine weitere Randbedingung ist dann bei der Wahl der Einbautiefe x zu berücksichtigen, wenn die Tempera¬ turgrenzen in dieser Tiefe x vorgegeben werden. Die Umhüllenden der täglichen Temperaturwellen - analog zu den jährlichen gemäss Fig. 9 - ergeben dann den Einbaubereich, in welchem diese Grenzwerte zu er¬ warten sind. Auf der Ordinatenachse für die Tempera¬ tur in °C sind für die Daten 31.1., 30.4., 31.7. und

31.10. die Temperaturkurven in Abhängigkeit des Ab- standes von der Erdoberfläche angegeben.

3. Für die optimale Ausnützung des Jahreszyklus der von der freien Absorberoberfläche aufgenommenen Energie gelten für die Wahl der Ξinbautiefe x analoge Ueber- legungen, wie sie unter Punkt 2 formuliert sind.

Dass dabei der Frage des Speichervermögens der Ener- gie eine weit grössere Bedeutung zukommt, liegt auf der Hand.

Bei der Wahl der Einbautiefe x ist hier aber, im Ge¬ gensatz zum Punkt 2, der bauliche Aufwand zu berück- sichtigen und gegebenenfalls das gewachsene Erdreich.

4. Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, dass es aus rein technischer Sicht erstrebenswert wäre, minde¬ stens eine der Zahl der Periodizitäten bezüglich Energieaufnahme aus der freien Atmosphäre entspre¬ chende Anzahl von Flüssigkeitsleitungssystemen in unterschiedlichen Erdtiefen vorzusehen. Diese Zahl wäre zwei, je eine für den Tages- und den Jahres¬ zyklus. Ob es zukünftig sinnvoll sein wird, durch Eingriffe diese beiden Zyklen durch weitere zu er¬ gänzen, bleibe dahingestellt.

Die das ganze Problem wesentlich beeinflussenden Fakto¬ ren, die zur gewählten Lösung führen, sind nicht die technischen, konstanten Faktoren, sondern die rein wirt¬ schaftlichen, wie Materialkosten, Löhne, Bauvorschrif¬ ten, Umwelt u.dgl. Da diese sich ständig ändern, wird

auch eine Optimalisierung stets andere Ausführungen er¬ geben.

Alle in der Beschreibung und/oder den Figuren darge¬ stellten Einzelteile und Einzelmerkmale sowie deren Permutationen, Kombinationen und Variationen sind er¬ finderisch, und zwar für n Einzelteile und Einzelmerk¬ male mit den Werten n = 1 bis n →- ∞.