DE3149636A1

DE3149636A1 - Heat exchanger, in particular for heat pumps

Info

Publication number: DE3149636A1
Application number: DE19813149636
Authority: DE
Inventors: Otto 8802 Lehrberg Schöppler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-12-15
Filing date: 1981-12-15
Publication date: 1983-07-21

Abstract

Heat exchanger for absorbing heat from the groundwater, in particular for heat pumps, with pipes flowed through by liquid, the pipes being bent to form a coil with spaced turns and a return line guided internally, and the coil being built freely into a groundwater-bearing layer.

Description

"Wärmetauscher, insbesondere für Wärmepumpen" "Heat exchangers, especially for heat pumps"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher zur Wärmeaufnahme aus dem Grundwasser, insbesondere für Wärmepumpen, mit von Flüssigkeit durchströmten Rohrleitungen.The invention relates to a heat exchanger for absorbing heat from the groundwater, especially for heat pumps, with liquid flowing through it Pipelines.

Wärmepumpen benötigen bekanntlich einen Wärmetauscher, der insbesondere für bivalente Heizungsanlagen - mit der Umgebungsluftarbeiten kann, als auch - bei monovalenten Anlagen zwingend - in den Boden in frostfreier Tiefe eingebaut sein kann. Derartige Wärmepumpen arbeiten nämlich mit einigermaßen sinnvollen Wirkungsgraden nur bei Temperaturen des Umgebungsmediums oberhalb etwa 40 Celsius.As is well known, heat pumps require a heat exchanger, in particular for bivalent heating systems - can work with the ambient air, as well as - at monovalent systems mandatory - be built into the ground at a frost-free depth can. Such heat pumps work with reasonably reasonable degrees of efficiency only at temperatures of the surrounding medium above about 40 Celsius.

Die gebräuchlichste Art des Aufbaus derartiger Erd-Wärmetauscher besteht in der Verlegung von Rohrschlangen im Boden zur Gewinnung der Erdwärme. Die Nachteile dieser Anordnungen sind umfangreiche Grabarbeiten, so daß sie in enggebauten Siedlungen nicht anwendbar sind. Darüber hinaus ist auch keine nachhaltige Wärmegewinnung möglich, da die Rohrschlangen sinnvollerweise gar nicht in ausreichenden Tiefen verlegt werden können. Darüber hinaus sind auch bereits sogenannte Wärmetauscher-Bomben bekanntgeworden, d. h. rohrförmige, auf der Unterseite geschlossene Bauteile, die zwischen einem zentralen, im Bereich des unteren Endes offenen Zuführrohr und dem Außenmantel von der pIlüssigkeit nach oben durchströmt erden0 Diese haben aber eine zu geringe BerUhrungsfläche mit der Umgebung, so daß mit ihnen nur eine sehr geringe Wärmegewinnung möglich ist. Darüber hinaus ist es auch bereits vorgeschlagen worden (deutsche Offenlegungsschrift 3 018 337), derartige Wärmetauscher-Bomben sternförmig von einem gemeinsamen Punkt aus schräg in den Erdboden vorzu- treiben, um auf diese Weise eine größere Wärmegewinnung erzielen zu können. Dies bedeutet jedoch einen außerordentlichen Aufwand sowohl was die Vielzahl der notwendigen Tauscher, als auch ihre komplizierte Verlegung anlangt. Hinzu kommt in all diesen Fällen auch noch, daß durch die Wärmeentziehung die unmittelbare Umgebung der Wärmetauscher im Erdreich immer kälter wird, so daß nur entsprechend der meist geringen Wärmeleitfähigkeit im Erdboden überhaupt eine Wärmegewinnung möglich ist.The most common type of construction of such a ground heat exchanger is in the laying of pipe coils in the ground to generate geothermal energy. The disadvantages These arrangements are extensive digging so that they can be found in densely populated settlements are not applicable. In addition, no sustainable heat generation is possible, because it makes sense that the pipe coils are not laid at sufficient depths can. In addition, so-called heat exchanger bombs have already become known, d. H. tubular, closed on the underside components, which between a central, in the area of the lower end open feed pipe and the outer jacket of the liquid flows through it upwards, but these have too little contact area with the environment, so that only a very small amount of heat can be obtained with them is. In addition, it has already been proposed (German Offenlegungsschrift 3,018,337), such heat exchanger bombs in a star shape from a common point from obliquely into the ground drift to this way one to be able to achieve greater heat recovery. However, this means an extraordinary one Expense both that a large number of necessary exchangers, and their complicated Relocation. In addition, in all these cases there is also the fact that the heat is extracted the immediate vicinity of the heat exchanger in the ground is getting colder, so that only in accordance with the mostly low thermal conductivity in the ground one at all Heat recovery is possible.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist es auch bereits vorgeschlagen worden, als Austauschmedium nicht das Erdreich selbst, sondern das Grundwasser zu nutzen. Zu diesem Zweck wird ein Förderbrunnen und ein davon genügend weit beabstandeter Versickerbrunnen gebohrt, wobei das aus dem Förderbrunnen entnommene Grundwasser nach der Abkühlung in der-Wärmepumpe über den Versickerbrunnen wieder in das Grundwasser eingeleitet wird. Diese Anordnung ist zwar im Hinblick auf die Wärmegewinnung als nahezu optimal anzusehen, hat jedoch dennoch zwei entscheidende Nachteile. Der erste besteht darin, daß es notwendig ist, zwei Brunnen zu bohren und auszubauen, was erhebliche Kosten verursacht. Der Hauptnachteil besteht aber darin, daß diese Art der Nutzung des Grundwassers in den meisten Fällen wegen der notwendigen wasserrechtlichen Genehmigung überhaupt nicht einsetzbar ist.It has also already been proposed to avoid these difficulties not the soil itself, but the groundwater as an exchange medium to use. For this purpose, a production well and a well spaced from it is required Infiltration wells drilled, with the groundwater taken from the well after cooling in the heat pump back into the groundwater via the infiltration well is initiated. This arrangement is considered to be in terms of heat recovery almost optimal to look at, but still has two decisive disadvantages. The first consists in the fact that it is necessary to drill two wells and expand what causes considerable costs. The main disadvantage, however, is that this species the use of the groundwater in most cases because of the necessary water legislation Approval cannot be used at all.

In jüngster Zeit wurde bekannt, daß diese Art der Grundwassernutzung für Wärmepumpen generell von Behördenseite verboten wird.Recently it became known that this type of groundwater harvesting for heat pumps is generally prohibited by the authorities.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zu schaffen, der bei einfachem Aufbau und universeller problemloser Einbringbarkeit in den Boden eine optimale Wärmegewinnung ermöglicht.The invention is therefore based on the object of a heat exchanger to create, with a simple structure and universal problem-free introduction enables optimal heat recovery in the soil.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Rohrleitungen zu einer Wendel mit beabstandeten Windungen und innen geführt er Rücklaufleitung gebogen und ohne Schutzrohre in eine grundwasserführende Schicht eingebaut sind0 Die erfindungsgemäße Anordnung ist also nicht etwa in einem ausgebauten Brunnenrohr versenkt angecrdnet, sondern in einem rundum wieder verfüllten Bohrloch eingebaut.To solve this problem, in the case of a heat exchanger, the initially introduced mentioned type provided according to the invention that the pipelines form a helix with spaced turns and inside he led return line bent and without Protective pipes are built into a groundwater-bearing layer The arrangement is therefore not countersunk in a well pipe that has been removed, but installed in a completely backfilled borehole.

Der erfindungsgemäße liarmetauscher hat zunächst den Vorteil, daß zum Einbau lediglich eine relativ problemlos und billig durchführbare Tiefbohrung erforderlich ist. Eine derartige Tiefbohrung ist auf jeden Fall erheblich billiger als die horizontale Verlegung von einigen hundert Meter Rohrschlangen in einer Erdschicht. Gegenüber den bisherigen Grundwasser-Wärmepuwpen entfällt eine Bohrung vollständig, wobei aber der noch entscheidendere Vorteil der ist, daß eine schädliche Beeinträchtigung des Grundwassers über den wegen dessen enormer Wärmekapazität unproblematischen Wärmeentzug hinaus nicht stattfindet wie es bei den bisherigen Anlagen mit Förder- und Versickerbrunnen der Fall war. Aus diesem Grund entfallen die wasserrechtlichen Bedenken und Verbote bei einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher völlig.The liarmetauscher according to the invention initially has the advantage that only a relatively easy and inexpensive deep borehole for installation is required. Such a deep drilling is in any case considerably cheaper than laying a few hundred meters of pipe coils horizontally in a layer of earth. Compared to the previous groundwater heat pumps, there is no need for a borehole. but the even more decisive advantage is that it is harmful of the groundwater over the unproblematic because of its enormous heat capacity Heat extraction does not take place as it is with the previous systems with conveying and infiltration wells was the case. For this reason, the water law does not apply Concerns and prohibitions with a heat exchanger according to the invention completely.

Mit besonderem Vorteil soll die aus korrosionsbeständigem Materials insbesondere VA-Stahl, bestehende Wendel über isolierende, flexible Leitungen aus Kunststoff oder dergl.The corrosion-resistant material should be particularly advantageous in particular VA steel, existing helix over insulating, flexible lines Plastic or the like.

mit dem oberirdischen Verbraucher verbunden sein. Die flexiblen, isolierenden Leitungen verhindern sowohl einen Wärmeverlust zwischen der einige Meter tief liegenden Grundwasserschicht und dem oberirdischen Verbraucher und ermöglochen auch das erfindungsgemaß vorgesehene vollständige Verfüllen des Bohrlochs zum Einbringen der Wendel durch Kies ohne Gefahr einer Beschädigung dieser Verbindungsleizungen0 Mit besonderem Vorteil soll die erfindungsgemäße Wendel langgestreckt ausgebildet und mit einem inneren Stützskelett versehen sein, wobei dieses Stützskelett in weiterer Ausbildung der Erfindung durch beabstandete Stützringe gebildet sein kann, die über axial durchlaufende Schienen mit der Wendel verbunden sind. Die Schienen können einfache Flacheisen sein, deren Breite der Differenz des Außendurchmessers der StUtzringe und des Innendurchmessers der Wendel entspricht, so daß sie einfach eingeschoben und mit beiden Teilen verschweißt werden können. Diese Anordnung ergibt eine genügende Steifigkeit der Wendel, die bei einem Außendurchmesser von etwa 25 bis 30 cm, Längen der Größenordnung von etwa 2 bis 4 Metern aufweisen soll, so daß sie dennoch ohne Probleme in die grundwasserführende Schicht eingebaut werden kann. Dieser Einbau bedeutet 3 Ja, daß zumindest im Bereich der grundwasserführenden Schicht selbst ein Einbau in eine unstabile Bodenschicht (Kies) erforderlich ist, so daß nicht einfach ein Bohrloch mit stehenden Wänden gebohrt werden kann, in welches die Wendel abgesenkt wird, um anschließend in geeigneter Weise das Bohrloch wieder zu verfüllen. Zumindest im Bereich der grundwasserführenden Schicht wird es erforderlich sein, durch Verwendung eines speziellen Bohrschlamms ein Einfallen der Wände des Bohrlochs zu vermeiden, wobei dann die Wendel durch diesen Bohrschlamm nach unten gedrückt werden muß, was eine entsprechende Stabilität zwangsläufig voraussetzt. Dieses Einbringen in den Bohrschlammbereich läßt sich dabei mit Hilfe eines zum Wiederabsaugen des Bohrschlamms dienenden Saugrohrs bewerkstelligen, welches in die Wendel, d. h. innerhalb der Stützringe ihres Stützskeletts, eingeschoben wird, wobei es sich auf einer Querverstrebung am unteren Ende der Wendel abstützen kann. Danach wird das Rohr wieder nach oben bewegt, wobei dann je nach den vorhandenen Bodenverhältnissen ein besonderer Stützschlamm wieder abgesaugt werden kann oder auch bei stehenden Bohrlochabschnitten diese einfach mit Kies oder Erdreich von oben gefüllt werden. Im Bereich der im Grund- wasser liegenden Wendel wird selbstverständlich immer Kies eingefüllt Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, sowie an Hand der Zeichnung. Dabei zeigen: Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Hauses mit Wärmepumpe, sowie die Einbauverhältnisse eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers im Boden, mit im Bereich einer grundwasserführenden Schicht angeordneten Wendel, Figur 2 eine vergrößerte Ansicht der Wendel des Wärmetauschers und Figur 3 einen Querschnitt längs der Linie III-III in Figur 2.be connected to the aboveground consumer. The flexible, insulating Lines both prevent heat loss between the several meters deep Groundwater layer and the aboveground consumer and also made possible that according to the invention provided complete filling of the borehole for introducing the helix Gravel without risk of damaging these connecting cables0 With The helix according to the invention is to be of particular advantage in being elongated and be provided with an inner supporting skeleton, this supporting skeleton in further Formation of the invention can be formed by spaced support rings that over axially continuous rails are connected to the helix. The rails can be simple flat bars, the width of which is the difference in the outer diameter of the support rings and corresponds to the inside diameter of the helix, so that it is simply inserted and can be welded to both parts. This arrangement gives a sufficient one Stiffness of the helix, with an outer diameter of about 25 to 30 cm, lengths should be of the order of about 2 to 4 meters, so that they are still without Problems can be built into the aquifer. This installation 3 Yes means that at least in the area of the aquifer itself an installation in an unstable soil layer (gravel) is necessary, so that not simply a borehole with standing walls can be drilled into which the helix is lowered in order to then backfill the borehole in a suitable manner. At least in the area of the aquifer, it will be necessary to collapse of the walls of the borehole by using a special drilling mud to avoid, in which case the helix is pressed down by this drilling mud must be, which inevitably requires a corresponding stability. This bringing in in the drilling mud area can be with the help of a to re-suction the Accomplish drilling mud serving suction pipe, which in the helix, d. H. within the support rings of their supporting skeleton, is pushed in, whereby it is on a cross brace can support at the lower end of the coil. After that, the pipe is back up moves, with a special support sludge depending on the existing soil conditions can be sucked off again or simply with standing borehole sections be filled with gravel or soil from above. In the area of the fundamental water of course, gravel is always poured in. Further advantages, Features and details of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment, as well as on the basis of the drawing. They show: FIG. 1 a schematic sectional view of a house with a heat pump, as well as the installation conditions a heat exchanger according to the invention in the ground, with in the area of a groundwater Layer arranged coil, Figure 2 is an enlarged view of the coil of the heat exchanger and FIG. 3 shows a cross section along the line III-III in FIG.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher umfaßt eine aus V2A-Stahl bestehende Wendel 1 mit beabstandeten Windungen 2, so daß das stets fließende Grundwasser problemlos die in eine-grundwasserführende Schicht einzubauende Wendel quer durchsetzen kann. Die Wendel weist einen Außendurchmesser von 25 bis 30 cm auf, so daß mittels Tiefbohrungen, die in herkömmlicher Weise etwa 33 cm-Bohrköpfe verwenden, einfach eingebaut werden kann. Zur Verbindung der in einigen Metern Tiefe angeordneten Wendel 1 mit dem Verbraucher an der Erdoberfläche sind an die Anschlußstutzen 3 bzw. 4 flexible Rohrleitungen 5 bzw. 6 aus wärmeisolierendem Kunststoff angeschlossen. Die Wendel 1 ist durch ein Stützkorsett 8 ausgesteift, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel aus axial beabstandeten Stützringen 9 und bandförmigen Flacheisen 10 besteht, die sowohl an der Innenseite der Wendel 1, als auch den Stützringen 9 verbunden sind. Am unteren Ende des Stützskeletts ist eine Querverstrebung 11 vorgesehen, die zum Abstützen eines in Fig. 2 und 3 strichpunktiert angedeuteten Rohres 13 die@en kann welche einen besonders @@@@@@@@@@@@@@ @@@ @@ findungsgemäßen Anordnung im Erdboden ermöglicht. Dieses Rohr 13 kann nämlich sowohl zum Herunterdrücken der Wendel im Bohrloch verwendet werden, als auch insbesondere zum Absaugen des Bohrschlamms,vorzugsweise eines Stützschlamms, zum Verhindern des Einfallens der Bohrlochwände bei unstabilen Bodenschichten, insbesondere auch im Bereich der meist aus Kies bestehenden Grundwasserschicht 12 in Figur 1. In der Einbauskizze der Figur 1 erkennt man dabei strichpunktiert angedeutet das ursprünglich im Wege einer Tiefbohrung hergestellte Bohrloch, welches nach dem Einbringen der Wendel 1 in die Grundwasserschicht 12 wieder vollständig mit Kies verfüllt worden ist.The heat exchanger according to the invention comprises one made of V2A steel Helix 1 with spaced turns 2, so that the always flowing groundwater problem-free the helix to be built into a groundwater-bearing layer can penetrate transversely. The helix has an outer diameter of 25 to 30 cm, so that by means of deep bores, which use approximately 33 cm drill heads in the conventional manner, can easily be installed can. To connect the helix 1, which is arranged at a depth of a few meters, to the consumer on the surface of the earth there are 3 or 4 flexible pipelines on the connecting pieces 5 or 6 connected from heat-insulating plastic. The coil 1 is through a support corset 8 stiffened, which in the illustrated embodiment from axially spaced support rings 9 and band-shaped flat iron 10 consists of both on the inside of the helix 1, as well as the support rings 9 are connected. At the bottom A cross brace 11 is provided at the end of the supporting skeleton, which is used for supporting a pipe 13 indicated by dash-dotted lines in FIGS. 2 and 3 which can a special one @@@@@@@@@@@@@@ @@@ @@ inventive arrangement in the ground. This tube 13 can namely both for pressing down the Helix are used in the borehole, as well as in particular for suctioning off the drilling mud, preferably a support mud to prevent the walls of the borehole from collapsing in the event of unstable ones Soil layers, especially in the area of the groundwater layer, which is mostly made up of gravel 12 in Figure 1. In the installation sketch of Figure 1 can be seen in dash-dotted lines indicated the borehole originally made by way of a deep borehole, which after the helix 1 has been introduced into the groundwater layer 12 again completely has been filled with gravel.

Das Rohr 13 kann aber auch im Boden verbleiben und dann für einen in Figur 1 bei 14 angedeuteten Gartenbrunnen verwendet werden. Um in diesem Fall das Strömen des Grundwassers durch die Wendel 1 weiter zu ermöglichen, die für einen guten Wärmeübergang nötig ist, kann das Rohr 13 im unteren, in der Wendel 1 steckenden Bereich mit Ausnehmungen versehen sein. LeerseiteThe tube 13 can also remain in the ground and then for one can be used in Figure 1 at 14 indicated garden fountains. To in this case to allow the flow of groundwater through the helix 1 further, for a Good heat transfer is necessary, the tube 13 can be inserted in the lower part of the coil 1 Area to be provided with recesses. Blank page

Claims

Patent claims heat exchangers for absorbing heat from the groundwater, in particular for heat pumps with pipelines through which liquid flows characterized in that the pipelines are spaced apart to form a helix (1) Windings (2) and the return line (4) guided inside are bent and the helix is free are built into a groundwater-bearing layer (12).

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the Made of corrosion-resistant material, in particular VA steel, existing helix (1) Via insulating, flexible lines (3, 4) made of plastic or the like. With the above-ground Consumer is connected.

3. Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the helix (1) is elongated and has an inner supporting skeleton (8) is provided.

4. Heat exchanger according to claim 3, characterized in that spaced apart Support rings (9) are connected to the helix via axially continuous rails (10) are.

So heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized by a cross brace serving to support an inner installation tube (11) at the lower end of the coil (1) o 6 ¢ heat exchanger according to one of claims 1 to 5, characterized in that the helix has an outer diameter of approximately 25 to 30 cm, preferably 28 cm.

7. Heat exchanger according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the helix (1), the turns of which are spaced approximately by the pipe diameter, has a length of 2 to 4 meters.