CS251756B2 - Device for storage of heat energy - Google Patents

Description

Vynález se týká zařízení k akumulaci tepelné energie v zemi, přičemž tepelná energie se přenáší do země cirkulací kappliny v okruhu obsahulícím kanály a pohlcovaie tepla, např. sluneční kolektory, a tepelná energie nahromaděná v zemním tělese a k tepmerování objektu, např. budovy se odebírá oběhem ohřáté kapa^ny kolem objektu v dalším okruhu, který obsahuje kanály a vyzařovaie tepla.

V různých oborech zásobování energií je nezbytné uskladňovat teplo. Sppeiálním případem, který je neustále v popředí, je potřeba uskladnění vyzářené a pohlcené sluneční energie. Když se například budovy vytápějí teplem získaným ze sluneční energie, je nezbytné, aby se tato energie získaná ve formě tepla během slunných období mohla uskladnit do doby, kdy slunce íočsííí. Je пэрг-Ю^П žádoucí uskladňovat sluneční tepelnou mnerii z letního období až do zinmího období roku.

Podobně je žádoucí skladovat tepelnou m^rii, když se používá k mstn:^ul vytápění energie větru. Mimoto existují četná průmyslová odvíěví, ve kterých vzniká poměrně velké mnnžství tepla při relativně nízké teplotě, přičCemž tohoto tepla by bylo možno iappíklln íyuuít k účelům ústředního vytápění. To, že se toto teplo nedá ekonomicky akumiuovat do doby, kdy je ho potřebí, znamená, že velká množM energie přicházejí nazmar.

Možnost akumulace tepla je žádoucí nappíklad i v případě elektráren, kde velké kolísání odběru elektřiny znemožňuje racionální vynuští vyráběného tepla.

Spalování odpadových ualtri-lů, spojené s levným způsobem skladování tepla, by otevřelo energetické zdroje, kterých se v současné době vůbec nevyužívá. Levná a jednoduchá metoda akumulace rnirgίe_¾políitrlrá i v malém měěítku, by podporovala snahu obyvíaelttva po racionálním a účinném sběru odpadu, který je jinak nevyu^t a musí se vytvářet z míst.

V současné době je známo někooik způsobů a ualeeiάlύ. k ι^^^ιϊ tepla. Jeden ze způsobů využívá měrného tepla ualtriálu tím, že jej ohřívá. Jiné způsoby íyulSvalí skupenské teplo tání nebo výparné teplo maltriál·u tím, že řřií-nёjí teplo při teplotě tání nebo varu ^Ιθ^-Ι! DdIší moonoot spočívá ve vynutí me^ie, uvolňované během ^Ο^^ιΙϊζι^ určitých ma^^álů k účelům vytápění. Některé z těchto způsobů se vyn^va^ vr vypracovaných a hotových systémech, zatímco jiné způsoby jsou dosud vr stadiu vývoje. PoolStí té které metody závisí na žádaném rozmezí pracovní teploty, na komppktním provedení soustavy, na přijatelné velikostii tepelných ztrát, na výkonu na váhu a objrm, na crně systému atd.

Společnou nevýhodou všrch zmíněných způsobů jr to, že žádný z nich není určrn a vhodný pro ιΟ^^οι tepla z jednoho ročního období do druhého. Ne^delším obdobím,po které lze teplo skladovat nejúčinnějšími ze zmíněných způsobů, je několik týdnů.

Jedním z přík^clů skladování tepla získaného pohlcovači sluneční energie je jeho akumulace ve vodě. Uskladněná tepelná energie se v tomto případě používá k ústřednímu vytápění. Když sluneční teplo získané během jednoho dne má být využíváno po celou dobu 24 hod. a t^lota vo^dy má být ⁶⁰ a^ž 95 je ^k tomuto ^účelu nez^bytn^á te^pelně izo^oovan^á vo^dní nádrž s objemem 2 až 3 m . Když slunce mesití, musí být voda přihřivárn přídavným topným zařízením. Má-li se tato nevýhoda odstranit, mu^í^se ^4^1 větších pohlcovačů slunečního tepla a větších jednotek pro aOumulaci tepla. Р^^^пс! náklady jsou však s přihlédnutím k současné ceně energie naprosto neúnosné.

V пгП-уп1 době byl navržen zajímavý způsob skladování tepla, který využívá zemíího tělesa, jež je v přímém tepelném spojení s okolní zeminou. Podle jednoho návrhu mohou kanály v zemním tělese sestávat z vrtných děr v půdě, přiremS v každé vrtné díře je trubkový had, kterým proudí kappaim. Podle jiného návrhu spetávíaí kanály z šachet vystř^ených v horách nebo kopcích do určitého obrazce a propojených vrtnými děrami. V obou případech se musí ка^Ит protékoiící kanály zahhííat na vysoké teploty, protože teplota radiátoru je nejméně ⁵0 °C a musí být upraven složitý regulační systém к ovládání přívodu a odběru tepelné energie. V důsledku vysokých teplot kappainy jsou ztráty do okolní zeminy a ztráty při průtoky kapaainy okruhem velice vysoké, například i proto, že okoní zem.na má mnohem nižší teplotu. Pouuívá-li se pohlcovačů slunečního tepla, je jejich účinnost při vysokých teplotách velice nízká. Tyto nevýhody jsou v praxi tak velké, že nebylo možné využít tohoto způsobu v reálných a ekonomických podmínkách.

Účelem vynálezu je vytvořit takové zařízení pro akuímuaci tepla, aby mělo při únosných nákladech dostatečnou vysokou skladovací kappaitu, uInořžovalo hospodárné kompenzování tepelných ztrát, například pl^ocham. abssobbjícími sluneční teplo a pracovalo jednoduchými technickými prostředky a mmaeerály.

Podssata vynálezu spořívá v tom, že podle vypočteného množtví tepelné energie, která se přijímá a má odeeírat dlouhodobě, např. během roku, se rozměry a rozmístění kanálů zvooí tak, aby plocha (Y2), která ohraničuje zeimií těleso a leží od vnějších kanálů ve vzdálmoosi s =

kde a =

ω je frekvence změn teploty (řeriřdiiká). ’ o_p je měrné teplo zemního tělesa χ je teplotní vodivost zemního tělesa a p je hustota zemního tělesa, měla teplotu 35 °C a vykazovala během předem stanoveného časového intervalu to^otní změny nejvýše ¹⁰°C, změna to^oty je závisl^á na ^ívodu a odv^ádění ti^la, a kanály jsou rozmístěny v polohách, kde každá část zemního tělesa leží od kanálu nejvýše ve vzdálenoosi s.

Základní rozdíl vynálezu oppooř dosavadním zařízením spočívá v tom, že teploty ome^ící obtooptuící zemní téleso, je níz^ká a rovn^á se př.tl^r^ ³⁵ °C.

PPi ponužtí pohlcovačů slunečního tepla je výhodné, aby tekutina opcoutějící pohlcovač ^měla tepotu nejvýš 45 °C a vý^hodou 35 °C tatoe pohlcoval mohou být velice jednoduc^ konstrukce a přitom mohou mít vysokou účinnost, dokonce vyšší než nejsložžtějtí souuSřeclujíií kolektory které ^pracuúí s te^otami tokutin a^ž do ¹⁰⁰ °C. Dosahuje se vyso^ké ce^l^^k^ov^é účinnoosi, zejména v kombinací s nízkou teplotou vyzařovačů tepla.

Zařízení podle vynálezu má tyto výhody: výkon zařízení lez podle potřeby zvěěššt bez neúměrného zvýšení nákladů, ztráty unikáním tepla jsou tak malé, že je lze hospodárně komppnnovat nappíklad zvětšením pohlcovací plochy pohlcovače sluneční energie, a lze pouužt propracované technologie bez složitých zařízení, s vysokým stupněm účinnooti lze využít .jednoduchých pohlcovačů slunečního tepla, v zemním tělese nevznňkají větší tepelná pnuuí ani únava a nejvyšší vní^ěší teplota zemního tělesa je tak nízká, že nemůže do^t k ekologickému poškození.

Je samc>řPeíié, že soustava pro dodávání tepla musí být dimenzována tak, aby se mohla potřebná mκ>řžSví tepla přenášet z kappainy na vytápěnou lokalitu při teplotě kappainy, kte^^á se пеШ! od t^rp^lře^y vytáp^ěn^ého objetou o vke ne^{ž 10} °C.

Zemní těleso, kde je zařízení instařov-nř, sestává z vnitřní zóny Z^ (obr. 3a obr. 3b), v^níž jsou upraveny kanály pro přívod tepla, a z vněěší zóny Z2. Omirnovaí plocha vnitřní zóny je tedy tvořena plochou, která obklopuje aktivní kanály v půdě.

Když se vypočítává akumulační kapacita zemní plochy, předpokládá se, že vnitřní zóna Zg se plně přizpůsobuje změnám teploty, ke kterým dochází v kanálech, zc předpokladu, že každý element zemního tělesa leží ve vzdálenosSi maximálně Sg od kteréhokoli z kanálů.

V knize Heat TraniSer, autor Jacob, vydání 6, březen 1958, str. 303, je uvedena pro Sg rovnice

kde a =

p.c_p a ω je frekvence teplotnich* změn (peeiodických), přieemž λ je tepelná vodivost zemního tělesa, pje hustota zemního tělesa a c je měrné teplo vydávané zemním těeesem.

Vzdálenost mmei dvěma sosedními kanály má být tedy menší než 2 Sg. Při periodických změnách teploty v ommezuící ploše Yg zóny Zg přechází teplo ven a doovítř z okolní země. Toto teplo, které se cyklicky přivádí a odvádí z okolní zeminy, lze popsat podle str. 239 uvedené publikace rovnicí = ^Y1. · ^2/a · * · kde 20a je teplotní změna (obr. 3c) a ^κ = V⁵-⁰? · λ

Toto m^n^ožst^^í tepla Q se dá uskladnit ve vnější zóně Zy v povrchu půdy, která se plně zúčastní změn teploty 2J?a oblastí Yg, tzn. odpovídá jim. Objem této vněěší zóny Zy lze napsat jako Yg - Sy kde Sy lze oznaait jako ekvivalentní hloubku vniku do půdy vně vnitřní zóny Zg. Objem zemního tělesa lze tedy považovat za součet zón Zg a Z₂, přičemž vněěší ommeovací plochy Yy leží ve vzdálenooti Sy od plochy Yg.

Tedy Q g = Y . 2?a . κ z čehož vyplývá Sy =

Platíg redy, že Sg = Sy = s.

Aby byla půda při skladování tepla optimálně vyuHta, jsou kanály rozmístěny tak, že každý objem_půdy zúč^st^ící se akumulace tepla má od každého kanálu nejdelší vzdálenost rovnou přiblžžrě 1 m v případě, kdy je půda velmi bohatá na vodu, až přiblžžrě 3 m v případě, kdy je půda suchá nebo skalnatá, například žulová.

Aby se co nejvýše vyuužl objem půdy, přispívačící ke skladování tepla a tím se dosáhlo nejvyššího možného účinku, lze celkovou povrchovou plochu kanálů upraavt na vhodnou velikost tím, žčz se přizpůsobí účinná délka kanálů a jejich průměr.

Vynález bude vysvětlen v s^^ss^ti s výkresem, kde značí obr. 1 provedení jednoduchého kanálu vytvořené jako vrtná díra, obr. 2 scheimaicky zem^Jí těleso, umístěné pod domem a tvořící součást zařízení pro uskladnění tepla podle vynálezu, obr. 3a a 3b scheimaicky zem^JÍ těleso ve g dvou různých pohledech a obr. 3c oblast změn teploty v řezu zemním třesem.

. Obr. 1 znázorňuje kanál 2 v zemním tělese J, který začíná grozšířenou dírou délky m, na níž navazuje vrtná díra asi 10 m a průměru například 2,5 cm. Vrtná díra je vyložena povlakem 3, například ve formě hadice, s výhodou z hlňnikové fólie, a tvoří kanál, v němž je soustředně uložena trubka _4. Povlak 2» který je přitisknut na stěny kanálu 2, je těsně při-pojen k trubce 5, jež je stejně jako vnitřní trubka £ připojena k další trubce 6. Tyto trubky společně se zdrojem tepla, nappíklad s pohlcovačem slunečního tepla, a s vyzařovaěem 8 tepla, například s topným těeesem, tvoří uzavřený okruh pro kappainu, nappíklad vodu.

Aby teplota půdy nebbla,n^]^i^:ízni^v^ě ovlivňována soustavou pro uskladnění tepla, je horní část potrubí izolována.

Kanály _2 jsou od sebe vzdáleny nejvýše o 2s, přčeemž vzdálenost s závisí na typu < půdy, v níž jsou díry vyvrtány, jak ukazuje náss<eduujítabulka:

• x typ půdy vzdálenost 2s..

(cyklus 1 rok) 2s2 žula písek moréna jíl bahno voda

6.4 m

4,6 m

5.4 m f 5 m

2,0 m

1,8 m

Obr. 2 znázorňuje dům 10, který má rozměry 10 x 15 m, je vystavěn na skále a má roční energetickou spotřebu 26 000 kWh. Na střeše domu 10 je vestavěno vodorovné pohlcovací zařízení 11 sluneční eneegie, které má plochu 40 m . Ke stoprocentnímu krytí roční spotřeby energie tohoto domu .10 s využitím sluneční energie je třeba zemní těleso 12 podle vynálezu s objemem ^{2 300} m³. ^Ta^kov^{é tě}leso lze vytvo^oit tím^, že se vyvvtaj^í dvě řad^y děr ^do hlou^bk^y m a se vzájemnou vzdáleností 2s. = 6 nu Je samozřemé, že tyto vrtné díry nemuuseí být svislé, nýbrž podle potřeby m^lhou být skloněné. Zemní těleso 12 sahá^přibližně . 3 m za obě řady vrtných děr, a to jak do stran tak dolů a rovněž nahoru, když mál být horní konce vrtných děr izolované, a má objem větší než 2 300 m .

Obr. 3a . znázorňuje svislý řez zemním těeesem .12, vytvořeným s pěti řadami svislých kanálů 2. Omeeoovcí plocha Yj obJklopuje kanály 2. a prochází nejvzdálenějšími kanály a jejich koncovými plochami. Vzdálenost meei kanály je nejvýše s., přčeemž ommeovaaí plocha Y. uzavírá zóna Z. Kolem vnitřní zóny Z. je vněěší zóna Zj, která sahá do vzdálennosi s. k vní^ěš^ .omezovači ploše ?£. Na obr. 3b jsou tyto zóny a plochy znázorněny v půdoryse.

Obr. 3 znázorňuje rozložení teploty uvnitř zemního tělesa 12 ve vodorovné rovině a změnu teploty 2Qa při přivádění a odvádění tepelné energie ze zemního tělesa ' .12. Na obr. 3a, 3b jsou vyznačeny polohy omeez>vvaích ploch Υγ, Y. z obr. 3a, 3b a rozložení teploty vně vněěší ornee-z^id plochy Y.

Ke zvý^še.ní te^ploty zemního t^esa Γ2 n^^j^^řříil.cd na hodnotu 2⁵ a^{ž 30} °C je potřeb počátku poměrně velké m^n^ožtt^:^ energie. Tuto ennerii lze získat nappíklad pohlcovači slunečního tepla, které jsou přechodně instc0ovánl na staveeíiši. Pohlcovače sluneční energie pochhořtelnt nepředstaauUÍ jediné zařízení vhodné k tomuto účelu a že lze pouužt i jiných zdrojů tepla· PPi poouítí jakéhookoiv zařízení se však muue^í náJklady na ně považovat za inveesici. .

Podobným způsobem, jaký byl popsán v soouíilossi s nízkým obytným domem, lze vytápět i nё^ko0iicpodlciní dům nappíklad pohlcovači sluneční energie ve spojení se zemním těeesem, přičemž se celému bloku dodává kapalina s nízkou teplotou. Je pochopitelné, že'z hlediska hospodárnosti je nejvýhodnnjší pokrývat požadavky na teplo i mnohaposcOpápvéOp domu zcela tímto způsobem.

V ⁱet^nýc^{h př}ípa^dec^h, zejména v zemíc^h, ^kde tepote p^ůdy je v^yšší než 20 °C, může být vhodné podle stejného principu nebo přídavně upravit chladnější zemní těleso s teplotou l⁰ a^ž 15 °C к d^lazení ^bu<3ovy, na Herou působí nejdoucí te^o.

Zaaízení ke skladování tepla podle vynálezu lze rovněž využžt k regulaci teploty plaveckých! bazénů.

Vynález je obecně pouužtelný ve spojení s nejnůznějšími z^r^c^j:i tepelné energie jako jsou pphlcpvaie sluneční energie,, větrné generátory přes míehhvické vodní brzdy nebo elektrické radiátory, odpadní teplo a proměnlivé nebo konstantní výrony tepelné energie; vynález je rovněž pouužtelný při konstantním přívodu tepelné energie a promměnivé odběru, který může být oka^mž-tě větší právě dodávaná energie.

Rozrnměy, které musí mít zemní těleso, a rozmístění kanálů v zemním tělese může vyžadovat v určitých případech složité výpočty, které lze tvmopřejmě značně usnad^t použžtím počítačů.

Jak bylo uvedeno, musei mít vyzařovače tepla nebo radiátory velké tepelně vyzva^íci ^ploc^hy a n^ízkou ^vrchovou tepotu, oapⁱí^klv^á 5 °C nad tepotu ííítnosti. Takové zař^ení může pokrývat jednu nebo někcoik stěn nebo strop iístnOsSi. Tepelně vyzařovací plocha může sestávat nappíklad z tenkého stěnového panelu, za nímž pommlu proudí vzduch o teplotě vsí ²⁵ °C. Vzduc^h je otářív^ trubkami, k^ré le^ží napří^{č k}e směru je^ho ^proud^ění za panelem a vedou cirkulu^m ^opl-inu, Irterá má oapⁱí^klv^á tepotu ²⁷ °C. UrČit^{á čá}st ^proudic^íhd vzduchu může být tvořena čerstvým vzduchem, přvááděným malým ventirápoeeí. Pohlipvvie tepla mohou být vytvořeny stejně jenoduchým způsobem, třeba z odolnějších panelů, nappíklad. z hinníkových desek.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Zaaízení k vkumižaci tepelné energie v zemi, přičemž tepelná energie se přenáší do země cirkulací kappainy v okruhu obsahnuícím kanály a ρphlipvvčč tepla, např. sluneční kolektory, a tepelná energie nahromaděná v zemním tělese a pouužtelná k temperování objektu, např. budovy sé odebírá oběhem ohřáté kappainy kolem objektu v dalším okruhu, který obsahuje kanály a vyzařovače tepla, vyznačené tím, že podle vypočteného m^nožst^ií tepelné energie, která se při.ím^á a má odebrat dlouhodobě, např. během roku, se rozměry a rozmístění kanálů (2) (2) kde zvooí tak, aby plocha (Υγ), která ohraničuje zemní těleso (12) a ležící od vnějších kanálů ve vz^c^re^c^pSi

   p.

   ω je frekvence změn teploty (periodická) Cp je měrné teplo zemního tělesa д je teplotní vodivost zemního tělesa a p je hustota zemního tělesa, ^měla ϋίιη^ηί t^lotu 35 °C a vy^zovala b^em ^přede!m stanoveného časovéto ^intervalu te^otní změny nejvýše ¹⁰ °C ^při^eem^ž změna tepoty je závisl^á na ^ívoclu a oďv^ění tepla, a kanály (2) jsou rozmístěny v polohách, kde každá část zemního tělesa (12) leží od kanálu (2) nejvýše ve vzdálenno^ s.