CZ216196A3 - Apparatus for distributing thermal energy - Google Patents

Description

Zařízení k rozvádění tepelné energie 9 6 |ΙΙΛ 0 2

I _k cnsoa

Oblast techniky Π I Ϊ’ 0

I

Uvedený vynález se týká zařízení k rozvádění tepelné(·□ energie, u kterého je tepelná energie vázána na vodič teple a koncentrovaně generována za účelem vyhřívání anebo chlazení budov, zařízení je uzpůsobeno k rozvádění tepla do vyhřívacích jednotek v budovách pomocí jedné trubice, nebo pomocí skupiny trubic a podobně je chladicí energie rozváděna do chladicích zařízení pomocí jiného potrubí, nebo skupiny trubic.

Dosavadní stav techniky

V mnoha zemích jsou budovy běžně vyhřívány teplem, vytvářeným ve velkých, zkoncentrovaných tepelných zdrojích, teplárnách, což je levnější a méně škodlivé k životnímu prostředí, než malé vytápěcí jednotky v každém domě. Ve velkých teplárnách uvedeného typu, mohou být například nečistoty obsažené v kouřových zplodinách vyčištěny efektivněji a s rozumnými náklady. Ve velkých teplárnách je účinnost výroby tepla podstatně vyšší, než tomu je u menších kotelen a údržba a náklady na provoz velké teplárny jsou nižší, než tomu je u zmíněných malých kotelen.

Výroba tepla je obzvláště levná tehdy, když je dohromady zkombinována výroba elektrické energie a výroba tepelné energie, protože tak je tepelná energie získána jako teplo z kondenzátu parní turbíny a tím pádem i bez jakýchkoli nákladů. V elektrárně, kde se vyrábí pouze elektrická energie, kondenzuje použitá pára z parní turbíny ve výstupním kanálu s vodou, která je přivedena z vodovodního řadu, nebo ve speciálních kondensačních věžích. U kombinované výroby elektrické energie a tepelné energie může být pára kondenzována s vracející se vodou z lokálního rozváděcího systému, která byla v ohřátém stavu použita pro vyhřívání budov v místní lokalitě.

Dnešní budovy nepřijímají pouze tepelnou energii, ale také chladicí energii přivedenou potrubní sítí. Voda je ochlazena ve čpavkové kompresorové továrně pomocí absorbčních tepelných čerpadel, chladičů s mořskou vodou, nebo podobným způsobem. Chladná voda je pak čerpaná skrze přiváděči potrubí do budov, kde ochlazuje klimatizační vzduch, nebo radiátorové chladiče, či podobně. A pak se tato voda navrací již ohřátá do centrální chladírny. Jedním z hlavních důvodů u tohoto problému je zbavení se používaných chladiv, neboť to jsou substance působící ztenčení ozónové vrstvy Země.

Vytápění a chlazení a požadavky na ně se různí od budovy k budově, stejně jako požadavky na elektrickou energii mění stav elektrické rozvodné sítě. Přístroje pro výrobu a přenášení energie musí být přirozeně konstruovány s filosofií maximálně vyhovět požadavkům, což je přirozeně neekonomické. Dalším následkem je neekonomická výroba, nižší, než maximální účinnost výroby energie, zhoršení výrobního poměru mezi elektrikou a teplem, atd..

Obzvláště škodlivé jsou rozdílné, krátkodobé špičky v zatížení. S ohledem na požadavky na chlazení jsou to špičky dosažené v několika letních polednách, a s ohledem na požadavky na chlazení jsou to špičky, tzv. pondělní ranní 2 špičky, které nastávají, během vytápěcího období, a kdy je pokojová teplota, která byla přes víkend snížena, je opět zvýšena zpět na normál, obvykle tomu dochází v kancelářích, apod.. Aby bylo možné ukončit tyto špičky ve spotřebě elektrické energie, musí být dodatečné teplo zkondenzováno v chladné vodě, tj. v plynové turbíně během zátěžových špiček.

Výše uvedené nevýhody jsou eliminovány použitím termálních akumulátorů, tzv. tepelných akumulátorů a chladicích nádrží, obvykle uspořádaných ve spojení s elektrárnou. Například, chladicí zatížení může být vyrovnáno pomocí nádrží s ledem nebo akumulátory se studenou vodou, a vytápěcí špičky mohou být srovnány tepelnými akumulátory nebo podobným zařízením, s objemem rovným tisícům krychlových metrů. Špičky v použití elektřiny mohou být vyrovnány taktéž, a to rovněž uložením nadbytečné tepelné energie do akumulátorů během špičky.

Protože akumulátory přirozeně vyžadují vysoké investiční náklady, je jejich efekt vyrovnávání špiček omezený. Ekonomie akumulátorů, umístěných v elektrárnách a teplárnách je dále snížena skutečností, že sítě pro přenos energie musí být konstruovány v souladu s špičkovým zatížením. Tak takové akumulátory, instalované v elektrárnách a teplárnách nejsou příliš rozšířené.

Dalším přiblížením se ideálu je umístěním akumulátorů do budov. Nejlépe známé akumulátory tohoto druhu jsou bojlery na teplou pitnou vodu a tzv. domácí akumulátory, které ukládají noční elektrický proud. Takové akumulátory rovněž nejsou příliš používané, protože, zcela přirozeně, mají stavitelé jenom matné ponětí o tom, jaký je efekt jejich složitého provozního procesu výroby a rozvádění energií a navíc efekt, pro který by bylo vhodné je pořizovat, se vyplatí nikoliv jim, ale výrobcům uvedených energií. Dále z toho plyne, že investiční náklady na pořízení jedné jednotky jsou rovněž vysoké.

To, co bylo omezeno kombinovanou výrobou tepla a chladu, je, že v budovách, napojených na rozvodné sítě, jsou ohřívací a chladicí energie potřeba nepřetržitě a to z důvodu rozdílů v umístění, tepelného zatížení, a využití v jednotlivých budovách, pokud toto budeme porovnávat právě mezi těmito budovami. Systém tak vyžaduje dodávkové a zpětné potrubí pro vyhřívání a pro chlazení, tj. dohromady celkem čtvero potrubí.

již bylo vyvinuto za účelem může být teplo-přenosný systém ve finské patentové přihlášce vracející se vody v topném může být snížena na znatelně pokud je to potřeba. Základní že nosič tepla nejprve emituje pak ještě pro ohřívání vzduchu

Několik různých systémů snížení nákladů. Příkladem pro budovy, který je popsán No.921034, kde je teplota rozváděcím lokálním systému nižší úroveň, asi na 20 C, ideou tohoto systému je to, teplo pro ohřívání budovy a v budově.

Podstata vynálezu

Úkolem tohoto vynálezu je poskytnout zařízení, které by umožnilo eliminovat nevýhody předchozích zařízení tohoto typu. Toho může být dosaženo pomocí zařízení v provedení podle uvedeného vynálezu, který se vyznačuje tím, že teploty nosičů tepelné energie, vracejících se z chladicích a ohřívacích zařízení jsou nastaveny tak, aby byly v podstatě stejné, a pak tím, že nosiče tepelné energie jsou uzpůsobeny k tomu, aby se navracely do zařízení k výrobě energie pomocí obvyklého systému potrubí, nebo pomocí skupin potrubí.

Hlavní výhodou uvedeného vynálezu je to, že jedna ze čtyř trubek, použitých v dřívějších systémech, může být vynechána, čímž dojde k podstatnému snížení investičních nákladů. Vynechání jedné z trubic nesníží významně charakteristiky, nebo výkon zařízení ve srovnání s dřívějšími systémy. Další výhodou vynálezu je to, že u jistých aplikací je obdržen nezanedbatelně veliký akumulátor tepelné energie a to v podstatě bez jakýchkoliv nákladů, obzvláště vhodný pro vyrovnávání špiček spotřeby tepla. Dále vynález umožňuje udělat potrubí podstatně menší a tím i snížit investiční náklady na výstavbu potrubní sítě. Základní idea vynálezu tak může být využita pro konstrukci potrubních systémů, skládajících se z potrubních soustav s různými energetickými úrovněmi. Navracející se kapalina z jednoho systému tak může být využita jako účinná pracovní kapalina pro jiný systém. Aplikace vynálezu podstatně snižuje náklady na dřívější kombinovaná zařízení a mnohem účinněji využívá tepelné energie.

Přehled obrázků na výkresech

V následujícím odstavci bude vynález popsán v detailech s odkazem na provedení vynálezu podle připojených obrázků, u kterých

Obr.l ukazuje křivky teplotní výdrže u tří různých míst ve Finsku.

Obr.2 ukazuje jedno ze zařízení v provedení podle uvedeného vynálezu během chladicí periody.

Obr.3 ukazuje průřez zařízením z obr.2, vedený podél linie III-III na obr.2.

Obr.4 ukazuje zařízení v provedení podle uvedeného vynálezu z obr.2 během ohřívací periody.

Obr.5 ukazuje průřez zařízením, vedený podél linie V-V na obr.4.

Obr.6 ukazuje	druhé	zařízení	v provedení	podle
uvedeného vynálezu.
Obr.7 ukazuje	průřez	zařízením.	vedený podél	linie
VII-VII z obr.6.
Obr.8 ukazuje	třetí	zařízení	v provedení	podle
uvedeného vynálezu.
Obr.9 ukazuje	průřez	zařízením,	vedený podél	linie
IX-IX z obr.8, a
Obr.10 ukazuje	průřez	čtvrtým	zařízením v provedení

podle uvedeného vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Ve skutečnosti je vynález založen na pozorování, že špičky poptávky po vytápění a chlazení nejsou shodné, ve stejný čas. Obr.l ukazuje trvání teplotních křivek vnějšího ovzduší na třech odlišných místech ve Finsku, uvedený diagram je založen na pozorování počasí, uspořádaného od roku 1961 do roku 1980. Křivka 1 je založena na měření, provedeném

Meteorologickým institutem v Helsinkách, na letišti Vantaa.

Křivka 2 je založena na podobném měření, provedeném na letišti Jyváskylá. Křivka 3 je pak založena na měření, provedeném na letišti Rovaniemi.

Teploty použité při konstrukci vyhřívacích zařízení a rozvodné tepelné sítě jsou -26°C v Helsinkách, -32°C v

Jyváskylá a -38°C v Rovaniemi. Pokud budeme z důvodu jednoduchosti předpokládat, že teplotní požadavek na vytápění budovy je přímo úměrný rozdílu venkovní a vnitřní teploty a že vnitřní teplota je +22°C. Pak je jednoduché určit, kdy došlo ke zmenšení požadavku na teplo potřebné k vytápění budovy na poloviční hodnotu, na kterou byl systém konstruován. Na obr.l jsou tyto uvedené hodnoty vnější teploty následující: -2°C Helsinky v bodě la, -5°C v Jyváskylá v bodě 2a a -8°C v Rovaniemi v bodě 3a. Ve skutečnosti není situace tak jednoduchá, protože v budově je vždy potřebná teplá užitková voda a tak se i mění proporce množství horké vody a celkové spotřeby tepelné energie se mění s typem budovy. Špička spotřeby je zarovnána snížením proudění vzduchu v budově, v jejím ventilačním systému. Rovněž na základě výše uvedené představy je možné uvést, že v průměru je spotřeba tepla v budově byla jednoznačně snížena na méně než polovinu, v čase, kdy dojde k přiblížení venkovní teploty na hodnotu +10°C.

Požadavek na chlazení budovy pomocí vnější energie se významně různí. V obytných budovách je chlazení nutné jen zřídka. Ve starých kancelářských budovách je chlazení potřebné při teplotě okolo +18°C až +20°C. V nových budovách s velkým množstvím obyvatel a s velkým množstvím tzv. nového technologického vybavení se může chlazení stát potřebným, když venkovní teplota dosáhne hodnoty okolo +12°C až +16°C.

Některé z budov, jako například školy, vládní úřady a podobné, nejsou obvykle rovněž používány během hlavních období, kdy dochází k nárůstu požadavku na dodávku energií na jeho maximum - například během letních školních prázdnin. V průměru se může chlazení stát potřebným při teplotě okolo +16°C - to je křivka A a body lb, 2b a 3b na obr.l. při odhadu tímto způsobem tak toto chlazení nedosáhne úrovně 50% až do doby, kdy teplota dosáhne asi +22°C.

Rozdíl mezi vnější teplotou, při které požadavek na vytápění nebo na chlazení přesahuje 50% je tak velký, jasně nad 10°C, že vratné potrubí rozváděči sítě nemůže být přetížené z důvodu nepřetržitého použití. Když budeme uvažovat rozváděči síť jako celek, tak jsou rozdíly tak veliké, že i jednotlivá budova, kde je tepelná energie využívána nejen k vytápění či chlazení, může změnit celkovou situaci v napojeném systému.

Výše uvedený odstavec je polemikou nad trváním teplot ve Finsku. Stejnou je možné aplikovat na všechny klimatické zóny, kde musí být budovy jak vytápěny, tak i chlazeny. Přerušovaná čára na obr.l je křivka trvání pro Dánsko. Jak může být vidět, tak obecný smysl křivek se nijak nezměnil. Ve většině evropského kontinentu je rozhodujícím faktorem při určení velikosti vratného potrubí požadavek na vytápění, ale například na severu Itálie je to již požadavek na chlazení.

Základní jednoduchou ideou vynálezu je to, že vratné teploty vytápěcí a chladicí vody jsou navrhované tak, aby byly shodné, a že vytápěcí a chladicí voda je navracena skrze běžné vratné potrubí. Tím můžeme vynechat jednu trubici.

Popis funkce a možná provedení zařízení pro rozvádění tepelné energie podle vynálezu jsou popsána s odkazem na obr.2 až obr.10.

Obr.l až obr. 4 ukazují rozvodnou síť, kde jsou vodní proudy, pro chlazení i vytápění, stejné, v navržené situaci. Obr.2 a obr.3 ukazují situaci během doby chlazení. V potrubí 10 protéká vytápěcí voda, použitá pro výrobu horké užitkové vody a - během jara a během podzimu - pro vyhřívání budovy 14. V potrubí 30 protéká chladicí voda. Potrubí 20 je běžné vratné potrubí, a musí být navrženo tak, aby bylo schopné vydržet vodní proud při maximální poptávce po tepelné energii, nebo naopak by mělo být schopné vést chladicí vodu při maximálním požadavku na chladicí energii. Navíc ještě vodní tok pro výrobu horké užitkové vody. Chladicí zařízení a ohřívací zařízení jsou označeny pozicemi 15 a 16. Vytápěcí voda je dodávána do vytápěcího zařízení 16 skrze pobočné potrubí 10a a chladicí voda je dodávána do chladicího zařízení 15 skrze pobočné potrubí 30a. Vytápěcí voda se pak navrací do zpětného potrubí 20 skrze zpětné potrubí 20a a chladicí voda pak skrze zpětné potrubí 20b.

Pokud je u horkovodního potrubí 10 a u potrubí s chladicí vodou 30 předpokládáno, že jsou stejné velikosti, tj. například 300 mm v průměru, pak je průtok oběma větvemi potrubí asi 305 m³/h, pokud je umožněna rychlost proudění vody 1,2 m.s’¹. Pokud je teplota horké vytápěcí vody asi 105°C a u chladicí vody pak asi 7°C a teplota obou při návratu pak

25°C, je maximální vyhřívací energie 28,4 MW a maximální chladicí energie pak 5,7 MW. Toto vypadá, že je v souladu s finskou urbanistickou strukturou a klimatem, protože ve Finsku většina budov nemá chladicí systém, protože období, kdy by chlazení bylo vhodné, je velice krátké a zimy jsou zde skutečně studené. Na jihu se však chladicí požadavek stává rozhodujícím faktorem.

Když je vratné potrubí 20 navrženo, musí být požadavek na horkou užitkovou vodu také brán v úvahu. A to proto, že se stává situace s chlazením rovněž rozhodujícím faktorem, při platnosti výše uvedených předpokladů. Pokud je u horké vody předpoklad, že spotřebuje asi 20% denní spotřeby tepelné vyhřívací energie, tak je proud vody ve zpětném potrubí 366 m³/h a průměr vratného potrubí je 330 mm. Pokud naopak jsou všechny trubice požadovány o stejné velikosti, tak teplota chladicí vody je asi 3,5°C, nebo je maximální chladicí energie asi 4,8 MW. V každém případě je potřeba pouze jedna přídavná trubice pro chladicí médium.

Na obr.4 a na obr.5 je vidět, jak výše zmíněné provedení vynálezu pracuje v zimním období. Voda s teplotou asi 100°C až 115°C je dodávána skrze horkovodní potrubí 10 za účelem vyhřívání budovy 14 a pro výrobu horké užitkové vody.

Voda se pak navrací skrze zpětné potrubí 20. Protože zde není využíváno chlazení, tak není použita trubice 30 s chladnou vodou.

Pokud je studenovodní trubice 30 použita, a je napojena na přepouštěcí ventil 17 do horkovodní přívodní trubice 10 z teplárny způsobem podle obr.6, a dále rovněž v souladu s obr. 6 pomocí jiného přepouštěcího ventilu 18 do horkovodní přívodní trubice 10 v budově 14, pak může být studenovodní potrubí 30 využito rovněž v zimním období. Studenovodní trubice pak může být naplněna horkou vodou ve chvíli, kdy je spotřeba nízká, například v noci nebo o víkendu. Tato voda pak může být použita pro vyrovnávání špičkového zatížení.

V souladu s výše uvedeným je průměr studenovodní trubice 30 300 mm a délka této trubice je 3000 m, pak může toto potrubí pojmout 212 m³ vody. To je dost k tomu, aby potrubí bylo schopné vyrovnat 20% přetížení po dobu 3,5 h, pokud je konstrukční výkon rozváděči horkovodní sítě 28,5 MW a rozdíl v teplotách je 80°C. Tak zde existuje významně velký tepelný akumulátor, který je v podstatě bez jakýchkoliv nákladů. Jediné náklady jsou na dva dvoupolohové přepouštěcí ventily 17 a 18. Výše uvedené 330 mm vratné potrubí 20 je dostatečné pro celkové množství vody.

Vynález snižuje konstrukční příkon celé teplárny, takže má rovněž významný ekonomický efekt. Dále, dodatečný výkon je přerozdělen po celé ploše použití, tj. Horkovodní potrubí může být navrženo pro 80% vodního toku požadovaného pro maximální výkon, což není v případě, že horkovodní nádrže jsou umístěny do teplárny. Takové teplárny jsou obecně používány pro vyrovnávání špičkového zatížení.

Obr. 8 a obr.9 ukazuje další provedení zařízení pro rozvádění tepelné energie podle vynálezu. U tohoto provedení je horkovodní potrubí 10 navrženo s ohledem na výkon existující pouze, když je potřebné chlazení, stejně jako výkon požadovaný teplou užitkovou vodou. Souhrnem to dělá asi až 35% návrhového výkonu. Studenovodní potrubí 30 je navrženo s ohledem na požadavek na chladicí energii, pokud je vodní tok, požadovaný systémem je alespoň 65 - 70% vodního toku požadovaného v návrhu pro tepelný výkon. Pokud je to méně, než činí uvedená hodnota, pak trubice 30 je navržena na základě tepelného výkonu. V tomto případě nevyžaduje ve skutečnosti chlazení jakoukoliv potrubní kapacitu, protože horkovodní potrubí je jednoduše rozděleno do dvou a jedna z částí je reservována pro chladicí vodu. potřebnou v létě. Dodatečné náklady v potrubní rozváděči síti, vyžádané chlazením jsou velmi malé: rozdíl v ceně mezi jednou trubicí s velkým průměrem a dvěma malými trubicemi o celkovém průřezu stejném, jako u velké trubice, je velmi nizký. Náklady činí 10 až 20% nákladu současných systémů.

U zařízení v provedení podle obr.10 jsou dodávány dva druhy chladicí energie. Toto provedení vynálezu připomíná provedení z obr.8 a z obr.9. V trubici 30 proudí voda, mající teplotu například +7°C a potřebná pro chlazení budovy, zatímco v trubici 19 proudí studená voda (asi +2°C) určená ke chlazeni třeba výkladních skříní v obchodech s potravinami. Potrubí 30 nyní může pracovat jako zpětné potrubí pro trubici 19, protože voda, navracející se výkladních skříní o teplotě +5°C až +7°C je velmi dobře vhodná pro chlazení budov. Tímto způsobem je tak tato voda využita v podstatě dvakrát. Z tohoto důvodu může být trubice 30 navržena tak, že je menšího průměru. Přirozeně není vůbec potřeba zpětná trubice 19. Účinek na investiční náklady je podobný tomu z provedení na obr.8, tj. dva druhy chladicí energie mohou být doručeny s velmi malými dodatečnými náklady. Dále, provedení z obr.10 umožňuje doručit uvedenou chladicí energii rovněž v zimním období.

Výše uvedená provedení vynálezu nejsou nijak omezena, ale vynález může být naopak modifikován zcela volně s ohledem na pole působnosti uvedených patentových nároků. Tak je zřejmé, že zařízení podle vynálezu, nebo detaily tohoto vynálezu nemusí být identické tomu provedení, které je na obrázcích, ale jsou tak možná i jiná řešení. Například absorbční agregát nebo nějaký jiný zdroj chlazení, nemusí být umístěn přímo v teplárně, ale může být umístěn kdekoliv v potrubní síti, jako tzv. podcentrum, nebo může rovněž sloužit větší budově, jako například v nemocnici. Energie je tak doručena do absorbčního agregátu ve formě tepla pomocí normálního dvoupotrubního systému, a přenášena dále pomocí třípotrubního, nebo multipotrubního systému v souladu s výše uvedeným. Nevýhodou uvedeného zařízení je vysoká teplota dodávané vody do oblasti vytápění, stejně jako údržba, servis, apod..

01-1583-96-Če PV 2161-96

Claims (5)

1. Zařízení k rozvádění tepelné energie, u kterého je tepelná energie, vázaná na nosič tepla a koncentrovaně vyráběná za účelem vytápění a/nebo chlazení budov, určena k rozvádění do vytápěcích zařízení (16) budov (14) pomocí jednoho potrubí nebo jedné skupiny potrubí (10), a podobně je chladicí energie určena k rozvádění do chladicích zařízení (15) pomocí jiného potrubí nebo skupiny potrubí (30), vyznačující se tím, že teploty nosičů tepla, vracejících se z chladicích zařízení (15) nebo z vytápěcích zařízení (16) jsou nastaveny tak, aby byly v podstatě stejné, přičemž nosiče tepla jsou navraceny do teplárny prostřednictvím společného zpětného potrubí (20) nebo skupiny zpětných potrubí (20).

2. Zařízení k rozvádění tepelné energie podle nároku 1, vyznačující se tím, že potrubí (30), popřípadě skupina potrubí (30), pro rozvádění chladicí energie je spojeno s potrubím (10), popřípadě skupinou potrubí (10), pro rozvádění vytápěcí energie prostřednictvím prvního ventilu (17) nebo podobného zařízení a odpovídajícím způsobem je pak napojeno v budově nebo v okolí budovy prostřednictvím druhého ventilu (18) nebo podobného zařízení, takže, když ventily (17, 18) jsou v otevřené poloze, může být potrubí (30), popřípadě skupina potrubí (30), pro rozvádění chladicí energie použito pro uložení nosiče tepelné energie.

3. Zařízení k rozvádění tepelné energie podle nároků la 2,vyznačující se tím, že potrubí nebo skupina potrubí (30) pro rozvádění chladicí energie je uzpůsobena pomocí ventilů (17, 18) k tomu, aby byla využita potrubí či skupina potrubí přenášející tepelnou energii.

4. Zařízení k rozvádění tepelné energie podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že potrubí (30) pro rozvádění chladicí energie je rozděleno do dvou či více potrubí (30, 19) tak, aby přenášelo nosič tepla o rozdílných teplotách.

5. Zařízení k rozvádění tepelné energie podle nároku 4, vyznačující se tím, že potrubí (30), obsahující kapalinu o vyšší teplotě, je uzpůsobeno k provozu jako zpětné potrubí pro potrubí (19), obsahující kapalinu s nižší teplotou.