CZ180598A3

CZ180598A3 - Zařízení k regulaci teploty zemním teplem a/nebo solární energií v konstrukčních elementech uzavřených v budově

Info

Publication number: CZ180598A3
Application number: CZ981805A
Authority: CZ
Inventors: Monika Pelzer; Steffi Pelzer; Annette Pelzer
Original assignee: Annette Pelzer; Monika Pelzer; Steffi Pelzer
Priority date: 1995-12-11
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 1998-11-11
Also published as: PL327179A1; WO1997021962A1; DE19681081D2; AU7618096A

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení k regulaci teploty zemním teplem a solární energií v konstrukčních elementech uzavřených v budově, provedené s uzavřeným cirkulačním systémem nosiče tepla, do něhož se v zemním výměníku tepla, uspořádané v dolní části cirkulačního systému, přivádí tepelná energie nebo se z něj odvádí a v solárním článku se do něho přivádí tepelná energie, a který si vyměňuje v cirkulačním systému tepelnou energii s okolím konstrukčních elementů uzavřených v budově.

Dosavadní stav techniky

Je známé využívání jak zemního tepla, tak i solární energie k vytápění budov. Při použití zemního tepla musí být toto zemní teplo nejprve tepelným čerpadlem uvedeno na využitelnou úroveň teploty. Solární energie se sice vyskytuje při přímém slunečním záření s dostatečnou úrovní teploty pro vytápění budov, avšak již při oblačnosti je i při využívání solární energie zapotřebí tepelného čerpadla. V noci se přitom nevyskytuje vůbec žádná zhodnotitelná solární energie.

Úkolem vynálezu proto je vytvořit zařízení k regulaci teploty zemním teplem a/nebo solární energií v konstrukčních elementech uzavřených v budově, které v zásadě vystačí bez použití tepelných čerpadel.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje zařízení k regulaci teploty zemním teplem a solární energií v konstrukčních elementech uzavřených v budově, provedené s uzavřeným cirkulačním systémem nosiče tepla, do něhož se v zemním výměníku tepla, uspořádané v dolní části cirkulačního systému, přivádí tepelná energie nebo se z něj odvádí a v solárním článku se do něho přivádí tepelná energie, a který si vyměňuje v cirkulačním systému tepelnou energii s okolím konstrukčních elementů uzavřených v budově, podle vynálezu, jehož podstatou je, že cirkulační systém je vytvořen jako uzavřený, přičemž solární článek je uspořádán v dolní části cirkulačního systému a zemní výměník tepla je uspořádán v obtoku cirkulačního systému.

Prostřednictvím cirkulačního systému se zemní teplo nebo solární energie vede do konstrukčních elementů uzavřených v budově, jako jsou vnější stěny, střešní konstrukce, stropy a podlahy na co největší ploše do těch míst, v nichž se teplota obvykle odlišuje od úrovně teploty zemního tepla nebo solární energie. Tyto oblasti vždy vzniknou tehdy, když je venkovní teplota na vnější straně konstrukčních elementů uzavřených v budově na podstatně nižší úrovni než zemní teplo nebo solární energie. Potom se teplota zemním teplem nebo solární energií v oblasti cirkulačního systému zvýší nebo sníží. Tím se sníží teplotní gradient mezi cirkulačním systémem a vnitřní stranou konstrukčních elementů uzavřených v budově. To znamená menší přenos tepelné energie z vnitřní strany konstrukčních elementů uzavřených v budově na jejich vnější stranu. Současně se samozřejmě zvýší teplotní gradient od cirkulačního systému až k vnější straně konstrukčních elementů uzavřených v budově, Čímž se dosáhne vyššího přenosu tepla. Tento přenos tepla však jde na účet zemního tepla nebo solární energie, které jsou sice na relativně nízké úrovni teploty, avšak

jsou v širokém rozsahu k dispozici. Výsledkem toho je, že zařízením podle vynálezu je možno ztrátu tepelné energie prostřednictvím konstrukčních elementů uzavřených v budově snížit do té míry, že nepřevýší ztrátu v takzvané přechodové době, to znamená při venkovních teplotách kolem 10 °C. Jak je známo, je možno v této přechodové době při dostatečné tepelné izolaci i v důsledku normálního výskytu odpadního tepla v budově upustit od použití přídavného vytápění budovy.

Zařízení podle vynálezu je možno využít i pro snížení vnikání tepelné energie konstrukčními elementy uzavřenými v budově v létě. Za tím účelem se z nosiče tepla v zemním výměníku tepla odvádí tepelná energie, kterou zemní výměník tepla v cirkulačním systému pojmul. Tím se sníží úroveň teploty v oblasti cirkulačního systému v konstrukčních elementech uzavřených v budově ve srovnání s výchozí situací bez cirkulačního systému. Výsledkem toho je, že se přenos tepla z vnější strany konstrukčních elementů uzavřených v budově až k další vnitřní straně znatelně zmenší.

Oba způsoby činnosti předpokládají, že úroveň teploty zemního tepla nebo solární energie se vždy podstatně liší od teploty na vnější straně konstrukčních elementů. Při úrovni teploty zemního tepla asi 10 °C však k tomu dojde vždy tehdy, když by se obvykle muselo provést vytápění nebo chlazení budovy podle potřeby. Solární energie může být k dispozici i na vyšší úrovni teploty. Solární energie však není k ochlazování budovy vůbec vhodná.

S výhodou je zemní výměník tepla nebo solární článek uspořádán v dolní Části cirkulačního systému. V důsledku toho je možno přívod tepelné energie do nosiče tepla v zemním výměníku tepla nebo v solárním článku využít i k tomu, aby nosič tepla obíhal v cirkulačním

systému tehdy, když jeho hustota s teplotou klesne. Ohřátý nosič tepla stoupá v cirkulačním systému vzhůru a nosič tepla opět ochlazený výměnou tepla s okolím klesá opět dolů do zemního výměníku tepla nebo do solárního článku. Tato činnost je pozorována u kapalných a zejména u plynných nosičů tepla a může být rovněž označena jako komínový efekt. Jako nejjednodušší plynný nosič tepla je vhodný vzduch.

Ke chlazení budovy by bylo zajímavé uspořádat zemní výměník tepla v horní části cirkulačního systému, protože hustota nosiče tepla se se snižující se teplotou zvyšuje. To však je z konstrukčních důvodů obtížné a bránilo by to ostatně při studených venkovních teplotách funkci zemního výměníku tepla. Pro chlazení budovy se s výhodou nosič tepla přečerpává, v případě vzduchu například prostřednictvím ventilátoru. Je však rovněž možné odvádět v horní Části cirkulačního systému z nosiče tepla tepelnou energii tepelným čerpadlem. Toto tepelné čerpadlo by se potom mohlo využít například k přípravě užitkové vody, přičemž tepelné čerpadlo by mohlo mít jen velmi malý výkon pro zajištění požadované cirkulace nosiče tepla i pro chlazení budovy.

Vhodný solární článek pro zařízení podle vynálezu může být vytvořen tak, že nosič tepla se vede solárním článkem mezi průsvitnou tepelnou izolací a černou plochou. Průsvitnou tepelnou izolaci mohou tvořit dvě skleněné tabule uspořádané s odstupem od sebe, přičemž meziprostor mezi nimi je s výhodou jemně rozdělen tak, aby se zde co nejvíce zabránilo cirkulaci vzduchu, a proto i ztrátě tepla konvekcí. Rozdělení prostoru mezi oběma skleněnými tabulemi je provedeno s výhodou vrstvou leštěného voštinového hliníkového profilu. Tento hliníkový profil má hlavní směr prostupu pro světlo, který je kolmý k rovině obou skleněných tabulí. Když jsou tyto skleněné tabule • 44 44 44 44 44

4444 · 4 4 4444

4 4 4 4 444 4 4 44

4 444 44 44 4444 4

444 4444 444

444 44 44 44 44 44 uspořádány svisle, proniká do solárního Článku mnoho solární energie zejména tehdy, když je slunce nízko, tedy přesně tehdy, když je zapotřebí tepelné energie. A naopak, relativně málo sluneční energie vniká do solárního článku tehdy, když je slunce vysoko, tedy, když zpravidla není zapotřebí žádné tepelné energie.

Černá plocha za průsvitnou tepelnou izolací mění dopadající sluneční světlo na tepelnou energii.

Výše popsané provedení voštinového hliníkového profilu je často nedostatečné, aby se zcela zabránilo nežádoucímu ohřevu nosiče tepla při vysokých venkovních teplotách. Z tohoto důvodu je solární článek s výhodou od cirkulačního systému zcela odpojitelný.

Když je naproti tomu zemní výměník tepla uspořádán v obtoku cirkulačního systému, je odpojení solárního článku nadbytečné i po tom, když zemní výměník tepla teplo ohřáté solárním článkem při vyšší intenzitě slunečního záření a nízkých venkovních teplotách s výhodou opět ochlazuje, protože ohřátý vzduch by vzhledem ke své nízké hustotě vůbec nedospěl dolů do zemního výměníku tepla, v němž se potom nachází chladnější, a tudíž těžší, vzduch.

Cirkulační systém je z hlediska tepelné izolace uspořádán v konstrukčních elementech izolujících budovu co nejvíce asymetricky směrem ven. Čím dále je cirkulační systém uspořádán směrem ven, tím větší je jeho vliv při zvlášť nízkých a zvlášť vysokých venkovních teplotách na nežádoucí tepelné ztráty z vnitřní strany na vnější stranu konstrukčních elementů, popřípadě na nežádoucí vnikání tepla vnější stranou do vnitřní strany konstrukčních elementů. Současně se samozřejmě zvýší přenos tepla z okolí do nosiče tepla, takže nemá

			• ♦			··	··		• ·
·« ♦	•	•		•			« ·	•		•
• «	*	«		•	•	• «	• ·		• ·
								♦		•
v ·	•				•	•	•	•		•
• · · · ·						·*	··		♦ ♦

rovněž žádný smysl uspořádat cirkulační systém na vnějším povrchu konstrukčních elementů izolujících budovu.

S výhodou je tepelná izolace cirkulačního systému směrem dovnitř alespoň l,5krát větší než jeho tepelná izolace směrem ven, přičemž by jejich poměr neměl v žádném případě překročit hodnotu 4:1.

Aby byla, pokud možno, zařízením podle vynálezu požadovaným způsobem s ohledem na přenos tepelné energie mezi venkovní stranou a vnitřní stranou ovlivňována celá plocha konstrukčních elementů uzavřených v budově, obsahuje cirkulační systém podle výhodného provedení ploché cirkulační komory v konstrukčních elementech uzavřených v budově, které jsou uspořádány rovnoběžně s hlavním směrem rozložení konstrukčních elementů. V ideálních případě sestávají konstrukční elementy uzavřené v budově celkově ze dvou skořepin, uspořádaných v odstupu od sebe prostřednictvím prostupné cirkulační komory, přičemž v cirkulační komoře se v důsledku různých hustot nosiče tepla automaticky nastaví cirkulace tepelného nosiče, která způsobí požadované ovlivňování přenosu tepelné energie celoplošně.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladech provedení podle přiložených výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje schematicky příčný řez domem se zařízením k regulaci teploty, obr. 2 příčný řez stěnou domu z obr. 1, obr. 3 příčný řez solárním článkem konkrétního provedení zařízení k regulaci teploty a • 99 99 9* 99 99

9999 999 9999

9 9 9999 9 99»

999 99 99 9»<9 9

999 999» 999

99999 9» »9 99 99 obr. 4 příčný řez zemním výměníkem tepla konkrétního provedení zařízení k regulaci teploty.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je schematicky znázorněn dům J_, v jehož konstrukčních elementech uzavřených v budově, to znamená v podlaze 2, stěnách X a střešní konstrukci 4, je upraven uzavřený cirkulační systém 5. nosiče 6 tepla. V dolní části cirkulačního systému 5_ je uspořádán solární článek 7 a zemní výměník X tepla. V solárním článku 7 proniká sluneční záření 9 průsvitnou tepelnou izolací 10 do cirkulačního systému X, kde se mění na tepelnou energii, která je nosičem 6 tepla rozváděna v celém cirkulačním systému 5.. Zemní výměník X tepla je uspořádán v obtoku cirkulačního systému X a nosič X tepla, který jím prochází, temperuje na zemní teplotu. Zemní výměník 8. tepla je aktivní pouze tehdy, když teplota nosiče X tepla v cirkulačním systému X klesne pod teplotu zemního tepla, čímž bude mít nosič X tepla větší hustotu než nosič X tepla, který se nachází v zemním výměníku 8. tepla, a který tím bude vypuzen. Cirkulace nosiče X tepla k rozvádění tepelné energie získané solárním článkem 7. se provádí podle téhož principu. Nosič 6 tepla ohřátý v solárním článku 7 stoupá vzhůru. Při svém návratu klesá ochlazený nosič 6 tepla dolů a dospěje opět do solárního Článku 7. Podle odporu proudění cirkulačního systému X se v části cirkulačního systému X nastaví teplota nosiče X tepla, která podléhá jen mírným výkyvům. Když se tato teplota odlišuje od venkovní teploty domu 1_, má to příznivý vliv na přenos tepla mezi vnitřní stranou konstrukčních elementů uzavřených v budově, to jest podlahy 2, stěn X a střešní konstrukce 4, a jejich vnější stranou.

	··			··	·
·« «		•	4	•	•	«	•	•
• ·		•	•	•	···	•	•	4		♦
• ·		•	♦	4	• ·		•			«
·· 4	• 4			« *	··				•

Tato skutečnost je načrtnuta na obr. 2, na němž je znázorněn příčný řez stěnou 3_. Z vnějšku počínaje obsahuje stěna 3_ vrstvu 11 omítky, izolační vrstvu 12. například z polystyrénu, plochou cirkulační komoru 13 cirkulačního systému 5_, další izolační vrstvu 14, například z minerální vlny, a vnitřní stěnovou část 15. například ze sádry. Tímto provedením stěn 3_ se při venkovní teplotě -10 °C a vnitřní teplotě + 20 °C bez zohlednění cirkulace nosiče 6. tepla v cirkulační komoře 13 nastaví teplotní profil 16, u něhož teplota v cirkulační komoře 13 činí -1 °C. Tato úroveň teploty se cirkulujícím nosičem 6. tepla u zařízení k regulaci teploty podle vynálezu zvýší na +8 °C, což je znázorněno teplotním profilem 17, platným pro řešení podle vynálezu. Tím se teplotní gradient mezi cirkulační komorou 13 a vnitřní stranou stěny 3 sníží, to znamená, že hnací síla, způsobující tepelné ztráty z vnitřní strany stěny 3. k její vnější straně, se zmenší. Současně se zvýší teplotní gradient mezi cirkulační komorou 13 a vnější stranou stěny 3_. Tím vznikne sice zvýšený přenos tepla z cirkulační komory 13 na vnější stranu stěny 3_, avšak tento zvýšený přenos tepla jde na účet nosiče 6_ tepla, který se v solárním článku 7. a/nebo v zemním výměníku 8. tepla opět ohřeje. Při vyšší venkovní teplotě jsou poměry obrácené, takže nosič 6 tepla sníží vnikání tepelné energie z vnější strany stěny 3_ na její vnitřní strany nebo dokonce odvádí veškerou tepelnou energii vniklou do stěny 3_.

Na obr. 3 je ve zvětšeném měřítku znázorněn solární článek 7. pro konkrétní provedení domu L Tento solární článek 7 je uspořádán přímo na základech 18 domu L Solární Článek ]_ obsahuje dvě skleněné tabule 19 a 20, mezi nimiž je uspořádán leštěný voštinový hliníkový profil 21. Tento hliníkový profil 21 brání cirkulaci vzduchu mezi skleněnými tabulemi 19 a 20. a tudíž nežádoucí ztrátě tepla konvekcí neboli vedením. Aby nedocházelo k žádné nežádoucí ztrátě tepla vedením tepla hliníkovým profilem 21, je tento hliníkový profil 21

uspořádán v odstupu 22 od vnější skleněné tabule 19. Za skleněnými tabulemi 19 a 20 je na výklopné desce 24 uspořádána černá plocha 23. Výklopná deska 24 je znázorněna ve dvou různých polohách natočení kolem osy 25.. V pravé poloze uzavírá výklopná deska 24 prostor 26 za skleněnými tabulemi 19 a 20. Tím je solární článek 7 deaktivován. V levé poloze výklopné desky 24 může naopak vzduch, sloužící jako nosič 6 tepla proudit do solárního článku 7 zdola. Když se vzduch v solárním článku 7 zahřeje, a tudíž stoupá vzhůru, dospěje do cirkulační komory 13. nacházející se nad solárním článkem Ί_, kde dále stoupá ve stěně 3_. Stěna X je oproti konstrukci podle obr. 2 opatřena na své vnitřní straně přídavnou izolační vrstvou 27 z polystyrénu. Dále je zde blíže znázorněno umístění izolační vrstvy 12, která sestává ze svislých dřevěných latí 28, na jejich vnějších stranách jsou upevněny dřevěné desky 29. Dřevěné desky 29 nesou izolační vrstvu 12. Dále je z obr. 3 patrná konstrukce podlahy 2 domu L· Podlaha 2 obsahuje podpodlahové desky 30 a nosné trámy 31. mezi nimiž je uspořádána izolační vrstva 14 z minerální vlny. Potom následuje, stejně jako u stěny X podle obr. 2, izolační vrstva 27 z polystyrénu. Potom následuje cirkulační systém X, zde vytvořený s velkým průřezem, následován izolační vrstvou 12. Pod ní se nachází lože 32 z hrubého písku. Nosné trámy 3 1 leží svými konci na nosnících 37..

Na obr. 4 je znázorněn zemní výměník X tepla pro konkrétní provedení zařízení k regulaci teploty podle vynálezu. V základech 18 je upravena betonová vana 33. která slouží rovněž jako sklep 34 domu X. Z betonové vany 33 vedou trubky 35 do okolní půdy. Trubky 3 5 mají volný průřez s průměrem alespoň 100 mm, s výhodou alespoň 120 mm. Trubky 35 jsou naplněny vzduchem a mají mírný sklon směrem od betonové vany 33. Vzduch v trubkách 35. přebírá teplotu okolní půdy 36. Když je tato teplota vyšší než teplota ve sklepě 34. stoupá vzduch z trubek 35 sklepem 34 do cirkulačního systému χ. V

opačném směru proudí studený vzduch z cirkulačního systému 5_ sklepem 34 do trubek 35. Pro podpoření této výměny vzduchu mohou být trubky 35 uspořádány v různých výškách nebo mohou být upraveny i další prostředky pro vedení stoupajícího ohřátého vzduchu nebo pro vedení klesajícího studeného vzduchu. V každém případě je jasné, že zemní výměník £ tepla ohřívá vzduch klesající do sklepa 34 a opět jej přivádí do cirkulačního systému 5.. To však platí pouze tehdy, když vzduch v cirkulačním systému 5. není celkově teplejší než půda 3 6. V tomto případě není zemní výměník 8. tepla v činnosti.

Rovněž konkrétní provedení zemního výměníku 8. tepla podle obr. 4 je uspořádáno v obtoku cirkulačního systému 5_. Ke chlazení vzduchu v cirkulačním systému 5_ může být zemní výměník 8. tepla využit jen tehdy, když nosič 6 tepla, to znamená vzduch, je prostřednictvím ventilátorů vháněn proti svému sklonu k proudění vzhledem ke své hustotě do zemního výměníku 8_ tepla v ohřátém stavu a ochlazený je veden cirkulačním systémem £. Přirozená cirkulace nosiče 6 tepla na základě jeho hustoty může být využita k chlazení domu 1 jen tehdy, když se z nosiče 6. tepla odebírá tepelná energie v horní části cirkulačního systému 5.. Odebírání tepelné energie je možné provádět například tepelným čerpadlem, sloužícím k ohřevu užitkové vody a umístěným pod hřebenem střechy domu L· Za tím účelem je zapotřebí poměrně malé spotřeby energie. Ochlazením vzduchu v horní části cirkulačního systému 5. se navíc vytvoří chladicí jímka, která brání zkondenzování vlhkosti obsažené ve vzduchu v zemním výměníku 8. tepla. Toto nebezpečí existuje v zásadě tehdy, když zemní výměník 8^ tepla představuje nejchladnější místo v cirkulačním systému 5..

Claims

1. Zařízení k regulaci teploty zemním teplem a solární energií v konstrukčních elementech (2 až 4) uzavřených v budově, provedené s uzavřeným cirkulačním systémem (5) nosiče (6) tepla, do něhož se v zemním výměníku (8) tepla, uspořádané v dolní části cirkulačního systému (5), přivádí tepelná energie nebo se z něj odvádí a v solárním článku (7) se do něho přivádí tepelná energie, a který si vyměňuje v cirkulačním systému (5) tepelnou energii s okolím konstrukčních elementů (2 až 4) uzavřených v budově, vyznačující se tím, že cirkulační systém (5) je vytvořen jako uzavřený, přičemž solární článek (7) je uspořádán v dolní části cirkulačního systému (5) a zemní výměník (8) teplaje uspořádán v obtoku cirkulačního systému (5).

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že nosič (6) tepla je kapalný nebo plynný.

3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že nosičem (6) tepla je vzduch.

4. Zařízení podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že nosič (6) tepla je veden v solárním Článku (7) mezi průsvitnou tepelnou izolací (10) a černou plochou (23),

5. Zařízení podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že solární článek (7) je od cirkulačního systému (5) odpojitelný.

6. Zařízení podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že cirkulační systém (5) je vzhledem k tepelné izolaci uspořádán v konstrukčních elementech (2 až 4) uzavřených v budově asymetricky směrem ven.

7. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že tepelná izolace cirkulačního systému (5) směrem dovnitř je alespoň l,5krát větší než jeho tepelná izolace směrem ven.

8. Zařízení podle jednoho z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že cirkulační systém (5) obsahuje ploché cirkulační komory (13) v konstrukčních elementech (2 až 4) uzavřených v budově, které jsou uspořádány rovnoběžně se směry hlavního rozložení konstrukčních elementů.