CZ202399A3

CZ202399A3 - Podzemní kompozitní absorbér tepelné energie

Info

Publication number: CZ202399A3
Application number: CZ2023-99A
Authority: CZ
Inventors: Karel Bernas
Original assignee: Bernas, Jaroslav; Bernas Jaroslav; Karel Bernas
Priority date: 2023-03-13
Filing date: 2023-03-13
Publication date: 2024-09-25

Abstract

Základním prvkem podzemního absorbéru je železobetonový vibrovaný kontejner (7) s vnější izolací (8) proti průsaku vody a následné degradaci betonové konstrukce. Vnitřní tepelná izolace (6) je navržena z lisované čedičové vaty chráněnou protipožární stěnou s odrazovou folií. K fixaci technologických prvků je použita betonářská kari síť (4) osazena v horní a dolní třetině kontejneru (7). Následně jsou osazena měděná pouzdra (5) pro zasunutí vertikálních keramických topných těles (3). Jako základní materiál je použitá cihlářská hlína (1) a pro lepší absorpci jsou do spodní třetiny hliněné směsi přimíchány měděné piliny pro lepší tepelnou stabilitu absorbéru. V dalších dvou třetinách je přimíchán křemičitý písek (2). Po osazení topných těles (3) a teplotních čidel elektrických vodičů a po následném spuštění celého systému, dojde díky akumulaci tepla k samovolnému vypálení hliněného bloku v jeden monolit. Přenos energie probíhá pomocí trubkového měděného hada umístěného v horní části absorbéru do výměníku umístěném přímo ve vytápěném objektu.

Description

Podzemní kompozitní absorbér tepelné energie

Oblast vynálezu

Předložený vynález se týká ukládání, absorpce a dodávky tepelné energie. Předložený vynález přestavuje vysokokapacitní úložiště tepelné energie, které má výhody oproti úložištím tepelné energie podle předchozího stavu techniky, ve způsobu vybudování uvedeného úložiště a způsobu provozu uvedeného úložiště. Podzemní kompozitní absorbér tepelné energie (dále jen PKATE) nese energetické, ekonomické a environmentální výhody.

Dosavadní stav techniky

Oblast techniky vynálezu a předchozí stav techniky

Energeticky, ekonomicky a environmentálně efektivní kompozitní absorbér tepelné energie, který je schopen tepelnou energii efektivně a dlouhodobě ukládat a v případě potřeby kdykoli dodávat. PKATE je komponován primárně k solárním elektrárnám z důvodu podpory udržitelnosti v oblasti energetiky. Cílem PKATE je zkvalitnit možnosti ukládání tepelné energie s minimálními ekonomickými náklady, minimalizovat technologickou a materiálovou náročnost a docílit minimálních dopadů na životní prostředí napříč sektory stavebnictví.

PKATE umožňuje dodávky tepelné energie nepřetržitě, tedy i v době, kdy variabilní zdroje dodávat nemohou. PKATE tak zajišťuje stabilitu a umožňuje využití většího podílu zdrojů energie, které jsou obnovitelné (primárně sluneční energie - zprostředkovanou solárními panely) a šetrné k životnímu prostředí. Lze taktéž zvýšit dodávku teplené energie, protože jak zdroje (solární panely), tak i PKATE mohou dodávat tepelnou energii současně. PKATE lze umístit tam, kde je poptávka, což představuje výhodu oproti centralizovaným zdrojům.

Úřad patentového vlastnictví eviduje například patentový dokument č. 3247963, kde je popsáno Vysokoteplotní tepelné úložiště energie. To je však založeno na odlišném principu a systémů vedení a ukládání tepla, tj. ve formě tzv. kazet. V rámci patentů na mezinárodní úrovni jsou pak uvedeny patenty, které byly koncipovány za podobným účelem, tedy uložení a distribuce energie. Nicméně žádný nenese specifika, výhody a vlastnosti, jako předkládaný projekt PKATE.

Přehled vybraných patentů evidovaných jako úložiště tepelné energie:

EP3090229B1 Element for a thermal energy storage

US10767935B2 Heat exchanger comprising concrete thermal energy storage elements

US10107563B2 Thermal energy storage and plant, method and use thereof

EP3247963B1 High temperature thermal energy storage, a method of building and a method of operating said storage

US20080289793A1 Thermal energy storage systems and methods

CN105656352A Underground heat power generation device

AU2016206225A1 Store to store thermal energy for use with a solar thermal power plant.

OA16681A Thermal energy storage and plant, method and use thereof.

- 1 CZ 2023 - 99 A3

CN108151566A Impregnate sandstone heat-storing method and its device

FI20195158A1 Arrangement for energy storage

WQ2011134043A1 Fluid heating and storage tank and systém

Všechny výše uvedené koncepty přináší řadu benefitů, funkčních možností a alternativ. Nicméně jsou stále možnosti pro zvýšení poměru mezi účinností a cenou, podpořit multifunkčnost, usnadnit implementaci zařízení, zlepšit dostupnost a podpořit taktéž oblast udržitelnosti. To je hlavním cílem PKATE.

Podstata vynálezu

Popis

Základním prvkem podzemního absorbéru PKATE je železobetonový kontejner osazený potřebnou technologií k uchování co největšího množství tepelné energie a následnému využití k vytápění a ohřevu TUV v rodinných domech (RD), popřípadě bytových domech (BD) ve třech základních verzích s pracovním názvem:

• Golem RD I - vzduchová verze • Golem RD II - kapalinová verze • Golem RD III - spojení s tepelným čerpadlem ZV (země/voda)

Verze Golem RD I - předpokládaná pracovní teplota v rozmezí 600-800 °C, kde je k přenosu a distribuci tepla použit vzduch.

Verze Golem RD II - předpokládaná pracovní teplota v rozmezí 250-300 °C, kde je k přenosu tepla použit rostlinný olej s vysokým bodem varu a následným napojením na stávající otopné systémy prostřednictvím výměníků tepla.

Verze Golem III - spojením s tepelným čerpadlem země/voda dojde k vysoké účinnosti tepelného čerpadla i v zimních měsících díky takřka 100% využití uložené energie i při minimálním slunečním svitu.

Základní filozofie

Využití solárních elektráren k získání energie a její následné uložení jako tepelné energie v PKATE sloužící k následnému vytápění a zásobování rodinných domů a bytových jednotek teplou užitkovou vodou a dále jako zdroj energie pro tepelná čerpadla typu ZV.

V Ukládání přebytečné energie z fotovoltaických elektráren v podobě tepelné energie

V Konstrukce navržena z dostupných, relativně levných materiálů a s nízkou environmentální zátěží

V Tepelná soběstačnost - i v zimním období při minimálním slunečním svitu se absorbér (zásobník) dobíjí na požadovanou hodnotu vedoucí k dosažení tepelného komfortu RD/BD.

Specifikace

-2CZ 2023 - 99 A3

Železobetonový vibrovaný kontejner s vnější izolací proti průsaku vody a následné degradaci betonové konstrukce. Vnitřní tepelná izolace je navržena z lisované čedičové vaty chráněnou protipožární stěnou s odrazovou folií.

K fixaci technologických prvků je použita betonářská kari síť osazena v horní a dolní třetině kontejneru. Následně jsou osazena měděná pouzdra pro zasunutí vertikálních keramických topných těles. Jako základní materiál je použitá cihlářská hlína a pro lepší absorpci jsou do spodní třetiny hliněné směsi přimíchány měděné piliny pro lepší tepelnou stabilitu absorbéru. V dalších dvou třetinách je přimíchán křemičitý písek v poměru závislém na kvalitě použité hlíny k rovnoměrnému nabití absorbéru. Vylití touto směsí je totožné jako při běžných betonářských pracech tzn. použití stavebních míchaček nebo automatizovaných mixů. Velikost absorbéru je neomezená, ale vždy by měla být kompatibilní s výkonem fotovoltaické elektrárny. Po osazení topných těles a teplotních čidel elektrických vodičů a po následném spuštění celého systému, dojde díky akumulaci tepla k samovolnému vypálení (vzhledem k předpokládané teplotě uvnitř tělesa) hliněného bloku v jeden monolit. Následný přenos tepla je popsán v podkapitole 3.4.

Umístění absorbéru je ideální v blízkosti vytápěného objektu (RD, byt, BD atd.) v úrovni základu nebo základové desky. Lze taktéž zpřístupnit z podúrovňových prostor RD s použitím horizontálních topných těles. Zastřešení je nutné věnovat náležitou pozornost, aby nedošlo k zatékání vody do elektrických rozvodů. Ideálním řešením je získanou plochu využít ke stavbě zahradního altánu nebo pergoly. Pozn. podlaha musí být odnímatelná kvůli obslužnosti a výměně topných těles.

Přenos tepla z absorbéru (úložiště) do topného systému RD/BD • V případě verze Golem I je vzhledem k předpokládaným vysokým teplotám zvolen jako přenosový nosič vzduch. Přenos energie probíhá pomocí trubkového měděného hada umístěného v horní části absorbéru do výměníku umístěném přímo v RD/BD. Tato verze je taktéž vhodná v průmyslovém provedení jako vyvíječ páry k roztáčení turbíny v době sluneční pasivity (noc).

• V případě verze Golem II je zvolen jako nosné médium rostlinný olej s vysokým bodem varu (např. sezamový olej). Do topného systému RD/BD je přenos totožný jako v případě Golem I tedy s pomocí výměníku.

• Verze Golem III - spojení absorbéru s tepelným čerpadlem země/voda (ZV) dojde k vysoké efektivnosti zařízení i při minimálním slunečním svitu v zimních měsících.

Výroba absorbéru (úložiště)

PKATE může být vyroben dle požadavků zákazníka dle uvedené specifikace a po výkopových pracech osazen přímo do blízkosti RD/BD nebo vyroben přímo in situ v případě složité dostupnosti těžké techniky.

Předpoklad pro uložení tepelné energie

Předpoklad pro uložení tepelné energie vychází z vlastností cihlářské hlíny, která je uvažována jako hlavní komponent úložiště. Základní údaje jsou uvedeny v tabulce 1. Je však nutno experimentálně prověřit naplnění výše popsaných předpokladů.

- 3 CZ 2023 - 99 A3

Tabulka 1 Orientační a předpokládané hodnoty PKATE (objem 1m³)

Parametr	Jednotka	Hodnota
Objemová hmotnost	kg/m³	1900
Nasákavost	%	15
Pevnost v tlaku	Mpa	15-80
Tepelná vodivost	W/m.K	323.2
Akumulační schopnost 1 m³	kWh/m³	169.79
Akumulovaná energie při 45 °C	kWh/m³	20
Teoretická akumulovaná energie při 600 °C	kWh/m³	266.67
Maximální akumulovaná energie při 380 °C	kWh/m³	169.79

* uvedené hodnoty lze považovat za orientační a předpokládané

Objasnění výkresů

K přihlášce jsou připojeny 2 výkresy (připojeny výkresy; obr. 1 a obr. 2). Součástí této kapitoly uvádí je objasnění uvedených výkresů.

[1] Cihlářská hlína - spodní třetina hliněné směsi dotována měděnými pilinami

[2] Ve dvou třetinách hliněné směsi je přimíchán křemičitý písek

[3] Specifické vertikální topné těleso (lze uložit vertikálně i horizontálně dle koncipování PKATE)

[4] Ocelová síť k ukotvení technologických prvků

[5] Měděná pouzdra pro zasunutí vertikálních keramických topných těles

[6] Izolace z lisované čedičové vaty chráněná protipožární stěnou s odrazovou folií

[7] Vodotěsný železobetonový kontejner

[8] Vnější izolace proti průsaku vody a následné degradaci betonové konstrukce

[9] Připojení kabelového systému

[10] Pomocné měděné tyče k efektivnějšímu vedení tepla

[11] Protipožární záklop

[12] Odběrový trubkový had měděný - VSTUP

[13] Odběrový trubkový had měděný - VÝSTUP

[14] Teplotní sondy/jímky

[15] Řídící jednotka PKATE

Průmyslová využitelnost

Vyplývá z předcházejících částí popisu vynálezu

Claims

1. Podzemní kompozitní absorbér tepelné energie (PKATE) sloužící k ukládání, absorpci a dodávce tepelné energie (dle uvedeného popisu v částech 1 - 6), či výstavba alespoň jedné samonosné jednotky využívající princip a charakter uvedený v části Podstata vynálezu, který má výhody oproti úložištím tepelné energie podle předchozího stavu techniky (2.1), vyznačující se principem výstavby, charakterem, účelem a podstatou podzemního kompozitního absorbéru tepelné energie (PKATE) (dle bodů 1 - 6) bez ohledu na objem tělesa.

2. PKATE podle nároku 1., vyznačující se tím, že využívá vlastností cihlářské hlíny, nebo cihlářské hlíny ve specifickém poměru s měděnými pilinami nebo křemičitým pískem jako nosiče a úložiště tepelné energie

3. PKATE podle nároku 1. až 2., vyznačující se tím, že využívá specifickou výstavbu tepelně izolovaných základů pro podzemní kompozitní absorbér tepelné energie, jakožto nedílné součásti celého zařízení

4. PKATE podle nároku 1. až 3., vyznačující se soustavou na sebe navázaných komponentů pro akumulaci tepelné energie a systémem vedení a uložení tepelné energie (dle části Podstata vynálezu).