Aufsatz "Geothermische Wärmequelle für den Wärmepumpenprozeß"

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Geothermische Wärmequelle für den Wärmepumpenprozeß
Die Wärmepumpe bzw. der Verdampfer der Wärmepumpe kann aus verschiedenen
Niedertemperaturmedien Wärme entziehen. Diese Medien sind z.B. Luft, Wasser
bzw. Wasser mit Frostschutzmittel oder auch Sole genannt.
Die Eigenschaften der Sole soll hier beschrieben und deren Veränderung im Laufe
der zeit dargestellt werden.
Die Flüssigkeit „Sole“ nimmt in Abhängigkeit von
-
Druck
Temperatur
Strömungsgeschwindigkeit
Turbulenzen
elektrostatische Aufladung
Auftrieb
Zeit
Gase auf, gibt aber auch diese wieder ab.
Ein geschlossenes Rohrnetz kann nicht gasdicht sein, denn durch vier
Hanfverbindungen diffundieren ebenso viele Gase, wie durch 100 m KunststoffBodenheizrohr.
Die Quellen der Gase sind somit bedingt, durch die Untersättigung der Sole
Flüssigkeit, das Ausdehnungsgefäß, die Gummimembrane, Hanfverbindungen,
Stopfbuchsen, Kunststoffrohre, defekter Verdampfer, das Erdreich.
Die Gasblasen implodieren unter hohem Druck und das Wasser, abhängig vom
Partialdruckgefälle, nimmt Gas auf. Somit fließt das Gas im Erdreich den
Sondenrohren zu.
Lange horizontale Rohre im Erdreich lassen sich bei größerem Durchmesser
schlecht entlüften.
Das Abkühlen der Sole bewirkt ebenfalls die Absorption der Gase und es erscheint
der Eindruck einer guten Entlüftbarkeit.
Die Wärmeübertragung in den Sondenrohren und im Verdampfer verringert den
Wirkungsgrad welcher bis auf 50 % der Übertragungsleistung sinken kann.
Ablagerungen von Kalk, Gasfilmen, Reaktionsgase, statisch aufgeladene Gase.
Aus dieser Aufzählung geht hervor, wie kompliziert solch ein System sein kann.
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Legende
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5a
5b
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6a
6b
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11
6b
Verdampfer
Rücklauf aus Sole
Sole-Pumpe Vorlauf
Druckhaltung und Expansion
Erdsonde
Füllung Sole
Umlenkung Solerohr
Gasdiffusion aus dem Erdreich, z.B. Co2, Methan
Wärmeabfluß
Wärmezufluß
Wärmetauscher Solar (Wärmezufluß)
Sondenanschluss
Sondenvorschacht
Entlüftungsmöglichkeit
Erdreich
Bild 1: Prinzipschema Erdsonde mit Verdampfer
m. elektrostatischer Aufladung
/ Sole
Bild 2: Darstellung der Isolierschicht im Sonderrohr
Funktionsbeschreibung der Wärmequelle:
Die Tiefenbohrung soll Wärme aus dem Erdreich aufnehmen und dem Verdampfer
(1) zuführen. Die Flüssigkeit (Sole, 5a) führt dem Verdampfer im Vorlauf Wärme zu
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und die kühlere Sole als Rücklauf
Tiefenbohrung wieder zu.
von der Umwälzpumpe (3) angetrieben der
Die Druckhaltung (4) vermeidet die Kavitation im Pumpenbereich saugseitig und soll
bei min. Druck 1 bar Überdruck liegen.
Der statische Druck an der Umlenkung beträgt somit statische Tiefe plus 1 bar
Vordruck.
z.B. statische Tiefe : 100 mWS = 10 bar Ü.
plus 1 bar Vordruck
= 11 bar Ü.
Die Entlüftungsmöglichkeit (10) ermöglicht eine Grobentlüftung im Pumpenstillstand.
Mittels des Wärmetauschers (7) kann von einer weiteren Wärmequelle (Solar) auch
Wärme zugeführt werden und die Wärme im Erdreich abfließen. Diese Wärme fließt
der Sonde wieder bei Bedarf zu. Es geht keine Wärme verloren.
Im Prinzipschema (Bild 3) ist die Einbindung der AIR-SEP Geräte ersichtlich, welche
einen optimalen Wirkungsgrad gewährleisten.
Bild 3: Prinzipschema Wärmepumpen/Heizsystem mit Wärmequelle Erdsonde
Störfaktoren:
Die eingangs erwähnten Parameter verursachen die Übertragungsverluste. Beim
betrachten der Rohrwandung (Bild 2) lässt sich leicht erkennen, dass weitere
Isolierschichten entstehen.
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In Abhängigkeit der Zeitphase entsteht eine Emulsion mit Gaseinschlüssen und der
Ausbildung einer Isolierschicht. Die Übertragungstemperatur sinkt um 13,5 K (Bild 4)
bei dem Laborversuch.
Mit dem Entgasen von AIR-SEP entstand ein homogener Volumenstrom und die
Soletemperatur betrug +4,5°C (Bild 4).
Nach dem einwandfreien Entgasen (im Bild 5 ist die Emulsion dargestellt, Bild 6 zeigt
die Sole ohne Gaseinschlüsse) wurde das AIR-SEP Gerät wieder abgesperrt und die
Druckhaltung (4) wieder geöffnet. Es zeigte sich, dass die Temperatur nach sechs
Wochen um 10,5K sank.
Das Abkühlen der Sole bewirkte ein starkes Partialdruckgefälle zur Umgebung und
somit strömten die Gase der Sole zu.
Das Expansionsgefäß (4) wurde daraufhin entfernt und das AIR-SEP Gerät (Bild 3)
verursacht seit über drei Jahren einen einwandfreien und zuverlässigen Betrieb.
Bild 4: Temperaturverlauf an der Wärmequelle
Wärmetauschflüssigkeit aus dem
Wärmequellenkreis mit
Membranausdehnungsgefäß
(weiße Emulsion mit Gaseinschlüssen)
Wärmetauschflüssigkeit aus dem
Wärmequellenkreis mit AIR-SEP
(ohne Gaseinschlüsse)
Bild 5
Bild 6
1108.05.11 - 30.05.2011 Korex GmbH, Dipl.-Ing. H.-F. Bernstein, Internet: www.korex.de
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