CZ216396A3 - Heat energy distribution method and apparatus for making the same - Google Patents

Description

Způsob rozvádění tepelné energie a zařízení k provádění způsobu

Oblast techniky <

Uvedený vynález se týká způsobu energie, u kterého je tepelná energie tepla a koncentrovaně generovaná

Z. a.

budov a je rozváděna pomocí trubice a do vytápěcích odpovídáj ícím

Koncentrované zařízení umístěných -2 způsobem je pak generována pomocí c absorbčního typu a je následovně rozvá potrubí nebo skupiny trubic do cm umístěných v budovách. Vynález se rov: rozvádění tepelné energie.

rozváděni tepelné absorbována nosičem účelem vyhřívání nebo skupiny trubic v budovách a chladicí enercie neladících agregátů žena oomocí druhého ladicích zařízení, těž týká zařízení k

Dosavadní stav techniky

Dnes nejběžnější způsob chlazení budov využívá chladicí agregáty, které jsou založeny na kompresorových chladicích agregátech a jsou umístěny na místě jejich V nich je generována chladicí energie pomocí enercie. Poměr mezi chlazením budovy ke využívaní. elektrické spotřebě elektrické energie je velmi významný, tj. na jihu

Evropy má spotřeba elektrické energie svou špičku během letního období. Navíc je načasování spotřeby elektřiny nevýhodné s ohledem na je výrobu. 3ez ohledu na výrobu teplé užitkové vody je zde už jen těžké najít nějaký jiný způsob využití tepla, nevyhnutelně vyrobeného při výrobě elektrické energie a tak musí být uvedené teplo kondenzováno ve vodních stezkách například pomocí věžových kondenzátorů nebo na vzduchu pomocí známých chladicích věží.

Chladicí energie ovšem může být ještě vyrobena pomocí odpadního tepla získaného při výrobě elektrické energie v takzvaných absorbčních agregátech, 'jejíchž nej známější zástupci jsou lithiobromido-vodního typu, nebo typu amonikakovo-vodního agregátu. Spotřeba elektrické energie a tak i emisí CO? tak může být snížena a může tak být využito i odpadní teplo, které bývá v současné době naprosto nevyužíváno.

Nej levnější způsob výroby chladicí energie je takzvaný místní chladicí systém, u kterého je chladicí energie koncentrovaně vyráběna v teplárnách a rozváděna k uživatelům pomocí rozvodné potrubní sítě stejným způsobem, jako je rozváděno touto sítí i teplo. Toto má kladný efekt v tom, že tento systém snižuje například provozní náklady - které jsou u současných místních systémů vysoké - a v tom, že je spolehlivý při jeho použití, vyrovnává účinek příležitostných špičkových zatížení, atd..

Nicméně, místní chladicí systémy se dosud nestaly běžně využívanými z důvodů jejich vysokých investičních nákladů. Ačkoliv cena za kWh vyrobeného chladu je sice nízká ve srovnání s cenou elektrické energie, počet hodin, kdy je chladicí energie potřebná je příliš nízký na to, náklady aby pokryl investiční náklady v těch klimatických podnebních pásmech, kde stojí za to vystavět vytápěcí systémy. Například ve Finsku dosud takové systémy ještě nebyly postaveny. Většina z nich dnes existuje v Japonsku, U.S.A. a v Koreji.

V současnosti přihlašovaný finský patent 640342 popisuje rozváděči systém tepelné energie, u kterého náklady na rozvodnou síť mohou být podstatně sníženy pomoci uzpůsobení běžného zpětného potrubí k účelu chladicí a vytápěcí energii. Patentová přihláška také popisuje provedení vynálezu, u kterého mohou být investiční náklady sníženy ještě více. Podmínkou je to, aby vytápění, potrubní rozvod a klimatizační systémy v budově bylo zkonstruovány v souladu s principy, popsanými ve Finské patentové přihlášce 941034 a ve Finské patentové přihlášce 915511.

Dále, v současnosti podávaná Finská patentová přihláška 640343 popisuje systém rozvádění tepelné energie pomocí kterého se oddělené tepelné výměníky mezi chladicí sítí a místním chladicím systémem stávají nepotřebnými. Toto eliminuje jednu z největších částech na investiční náklady u místních chladicích systémů.

Nejvyšší náklady u systému se skládají z absorbčních agregátů a jejich kondenzátorů. Například u „Koncentrovaného chlazení výzkum, prováděný na žádost Finského ministerstva průmyslu a obchodu a na žádost Finské asociace tepelných elektráren prokázal, že jejich podíl na celkových nákladech činí asi 50%.

Podstata vynálezu

Úkolem tohoto vynálezu je poskytnout způsob a zařízení, které by umožňovalo vyhnout se uvedeným nevýhodám předchozích provedení těchto systémů. Toho je dosaženo vynálezu pomoci způsobů a zařízení podle uvedeného Způsob podle uvedeného vynálezu se vyznačuje tím, že využívá zpětné (vratné) kapaliny, náležící k rozvádšcímu systému vytápěcí/chladicí energie, jako kondensační vody v chladicím agregátu, a dodává alespoň část této kondensační vody, opouštějící chladicí agregát přímo nazpět do zpětné (vratné) kapaliny, náležící k rozvádšcímu systému vytápěcí/chladicí energie. Zařízení podle zmíněného vynálezu se pak vyznačuje tím, že chladicí agregát je uzpůsoben k tomu, aby byl kondenzován pomocí zpětné kapaliny, obdržené ze zpětného potrubí náležícího k rozvádšcímu systému vytápěcí/chladicí energie, a dále tím, že alespoň část kapalíny, použité ke kondenzaci, je uzpůsobena k tomu, aby mohla být dodávána přímo nazpět do zpětného potrubí.

Hlavní výhodou tohoto vynálezu je to, celkové náklady na absorbční agregát mohou být podstatně sníženy ve srovnání s předchozími provedeními tohoto systému, což velmi vylepšuje ziskovost celého místního chladicího systému. Vytápěcí energie, přivedená do absorbčního agregátu může být znovu využita pro předehřívání dodávkové vody místního vytápěcího systému. Dále vynález řeší mnoho technických problémů, které se týkají koroze, péče o nezpracovanou (čistou) vodu, hygieny a nebezpečí pro zdraví člověka. Když se dosáhne praktického zkonstruování místního systému chlazení, bude rovněž dosaženo výše uvedených výhod místního chlazení.

Přehled obrázků na výkresech

V následujících odstavcích bude uvedený vynález popsán blíže v detailech, a to s odkazem na níže uvedené nákresy, u kterých:

Obr.l ukazuje celkový pohled na dvoukomorový absorbční agregát.

Obr.2 ukazuje schematicky jak je absorbční agregát z obr.l propojen s místním chladicím a výrobním energetickým systémem.

Obr.3 ukazuje celkový pohled na první provedení způsobu a zařízení podle zmíněného vynálezu, a

Obr.4 ukazuje celkový pohled na druhé provedení způsobu a zařízení podle uvedeného vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Obr.l ukazuje běžný dvoukomorový absorbční agregát ukazuje jak je místním chladicím typu lithiumbromid/voda. Obr.2 pak absorbční agregát z obr.l spojen s systémem a s výrobním systémem energie. Obr.l také ukazuje teploty, převažující v různých místech v různých částech absorbčního agregátu. Z důvodu zřetelnosti obr.2 nezahrnuje obvod pro chladicí médium.

Agregát pracuje na následujícím principu. V bojleru 17 agregátu, kde je vyšší teplota, jsou voda a lithiumbromid přítomny ve formě roztoku. Lithiumbromid je uvařen roztoku pomocí horké vody nebo páry, která je získána kondensačního potrubí 20 turbíny 9 pomocí čerpadla 22, navrácena do kondensačního potrubí pod nižším tlakem skrze řídící ventil 21.

Odpařený lithiumbromid je kondenzován do kapalné formy v kondensačním zařízení 18, kde je ochlazen pomocí kondenzace vody, odvedené z vodního chladiče skrze kondensační potrubí 25 a skrze řídící ventil 24 pomocí čerpadla chladicí vody 23.

Lithiumbromid, zkondenzovaný do formy kapaliny protéká do odpařovacího zařízení 16, , kde je odpařován nízkým tlakem, během odpařování je absorbováno teplo a je tak dosaženo teploty, označené na obr.l. Voda je získána ze zpětného potrubí 2 místní chladicí’ sítě skrze řídící ventil 14 pomocí čerpadla 15 a je ochlazena v odpařovacím zařízení 16 a přečerpána do rozváděcího potrubí 3 místního chladicího systému.

U absorbčního agregátu protéká lithiumbromid z odpařovacího zařízení 16 do absorbčního zařízení 19, kde absorbuje vodu, reprodukuje roztok a je přečerpán nazpět do bojleru 17 pomocí čerpadla 23 . Kapalná frakce v absorbčním zařízení ovlivněna chlazením s kondensační vodou, získanou skrze čerpadlo 23, ventil 24 a uvedené potrubí 25.

Obrázky neukazují zařízení pro chlazení kondensační vody. U absorbčního agregátu je ohřátá voda obvykle ochlazena v tepelných výměnících s mořskou vodou, v chladicích věžích, nebo v jiných, funkčně podobných, zařízeních.

Teploty v různých částech absorbčního agregátu, naznačené na obr.l ukazují, že teplota kondensační vody je téměř stejná, jako je teplota zpětné vody v místním chladicím/vytápěcím systému.

Výše uvedené pozorování vedlo k poznání, na jehož základě je uvedený vynález postaven: namísto vody, vyrobené v oddělených chladicích zařízeních, je použita zpětná voda, získaná z místních vytápěcích/chladicích systémů, a to jako kondensační voda v absorbčním agregátu, a když již tato voda absorbovala nadbytečné teplo absorbčního agregátu, je uvedená zpětná voda navrácena, předehřátá, do zpětného potrubí za účelem využití pro výrobu teplé užitkové vody.

Výše uvedená základní idea významně snižuje investiční náklady na absorbční agregáty. Podle výše zmíněných výzkumů, dělá chlazení kondensační vody asi 30% z celkových nákladů na absorbční agregáty, t j . kolem 15% investičních nákladů na celý místní chladicí systém. Tyto náklady jsou zde zcela eliminovány, nebo alespoň podstatně sníženy.

Navíc k výše uvedenému by mělo být rovněž zmíněno, že kondensační obvod může být implementován jako obvod s uzavřenou smyčkou, čímž jsou problémy s korozí, znečišťováním a ucpáváním chladicího systému a přidružené náklady na údržbu, být buď zcela eliminovány, nebo mohou být podstatně sníženy. Když je uvedený vynález použit, nejsou zde potřebné rovněž žádné investiční náklady či údržbové náklady, týkající se péče o vodu v systému, ani není nutno platit za spotřebovanou vodu. Zvláštním problémem jsou chladicí věže, ve kterých se tvoří bakterie legionella a jiné obdobné, což samozřejmě zvyšuje nebezpečí pro lidské zdraví. U zmíněného vynálezu jsou tyto problémy a nevýhody rovněž eliminovány, nebo alespoň podstatně sníženy.

Výše uvedený text by měl objasnit princip a základy tohoto vynálezu.

Obr.3 ukazuje první provedení zařízení podle uvedeného vynálezu. Na obr.3 je voda odváděna ze zpětného potrubí 2 místního vytápěcího/chladicího zařízení skrze potrubí 34 a řídící ventil 24 pomocí čerpadla 23 a je čerpána do absorbčního zařízení 19 absorbčního agregátu a pak dále do kondensačního zařízení 18. Většina vody je přivedena skrze zpětné potrubí 26 nazpět do zpětného potrubí 2 místního vytápěcího/chladicího zařízení. Pokud není potřebný úplný chladicí výkon, je část vody navrácena skrze cirkulační potrubí 25 do čerpadla 23.

Voda, přečerpaná skrze zpětné potrubí 26 do zpětného potrubí 2 místního vytápěcího systému a předehřátá na teplotu okolo 40°C se smíchá s tou částí zpětné vody, která nebyla oddělena ventilem 14 a čerpadlem 15, a to za účelem ochlazení v odpařovacím zařízení 16 absorbčního agregátu a přivedení jako místní chladicí voda do rozváděcího potrubí 2 místního chladicího systému. Promíchaná voda je čerpána skrze řídící ventil 28 do tepelného výměníku 11 pomocí čerpadla 27, v tepelném výměníku je voda ohřátá na teplotu asi 65°C až 75°C v letním období a přivedena do rozváděcího potrubí 1. místního vytápěcího systému. Ventil 7 uzavírá potrubí mezi místním topnou rozvodnou trubkou _1 a mezi místní chladicí trubkou 3 v letním období. V zimním období je potrubí otevřeno v případě, že místní chladicí trubice 3. má být použita pro ukládaní tepla nebo pro přenos místní tepelné energie.

Část kondenzátu získaného z turbíny _9 je přečerpána čerpadlem 22 do bojleru v absorbčním agregátu, kde odpaří lithiumbromid z vody a dále pak skrze řídící ventil 21 nazpět do kondensačního potrubí. Smíchaný kondenzát protéká skrze tepelný výměník 11 do kondenzátoru 12, který je chlazena například pomocí čisté vody, získané přes řídící ventil 30 a čerpadlem 29. odtud je voda přečerpána pomocí čerpadla vstupní vody 13 do parního bojleru 8. a pára zde vytvořená je vedena trubkou 10 do turbíny 9, kde pára kondenzuje a následovně se navrací do kondensačního potrubí 20.

Místní vytápěcí voda je přivedena potrubím ý do zařízení, spotřebovávající tepelnou energii 6 v budově ý, v letním období to jsou obvykle tepelné výměníky pro výrobu teplé užitkové vody. Odpovídajícím způsobem je pak místní chladicí voda přiváděna potrubím 3. do zařízení 5, které vyžaduje chladicí energii, obvykle to je tepelný výměník, obsluhující klimatizační přístroj. Z obou výše uvedených zařízení se voda vrací do běžné zpětné trubice

2.

Problém s aplikací uvedeného vynálezu je v tom, že spotřeba teplé užitkové vody v budově je různá s časem, a v tom, že odhadované denní množství v budově, kde je chlazení nutné není dostatečné k tomu, aby pokrylo průtok vody potřebný pro chlazení absorbčního agregátu, pokud teplota vody před agregátem je +25°C a po výstupu z agregátu pak +40°C a pokud uvedená teplota vstupní vody je +65°C.

Obvykle v sídlech, umístěných v mírném klimatickém pásmu většina budov nemá chladicí systémy, například v obytných budovách je chladicí systém skutečnou vzácností. Dále pro většinu budov je odpařovací chlazení dostatečné. Například ve Finsku má méně jak 10% všech nových budov mechanický chladicí systém. Rovněž v těchto budovách je nicméně teplá užitková voda potřebná. Celková spotřeba teplé užitkové vody v sídle je obvykle dostatečná k pokrytí požadavku absorbčního agregátu, sloužícího budovám které potřebují chladit, na chladicí vodu. K vykreslení tohoto, jsou místní vytápěcí potrubí 1 a zpětné potrubí na obr. 3 protaženy do budovy 4., která požaduje chlazení. Obr. 3 také ilustruje fakt, že není obvykle ekonomické postavit místní chladicí síť ve středu sídla.

Pokud nicméně spotřeba teplé užitkové vody v některých zvláštních případech není dostatečná, princip vynálezu může být aplikován v souladu s obr.4. Na obr.4 je kondenzátor 32 umístěný v cirkulačním potrubí chladicího obvodu v absorbčním agregátu, cirkulující voda je chlazena v uvedeném kondenzátoru, například s čerpadlem 31 pomocí čisté vody, cirkulované skrze řídící ventil 33. Velikost kondenzátoru 32 je v každém případě jenom zlomkem velikosti kondenzátoru u běžných systémů. Toto řešení stále znamená velké úspory v investičních nákladech, ale ostatní technické výhody jsou zde poněkud potlačeny. Nicméně, mělo by být pamatováno na to, že kondenzátor 32 je používán jen po krátkou dobu během špičkového zatížení, takže ucpávání, koroze a ostatní problémy jsou jasně menší, než tomu je u běžných systémů, a stejně tak jsou menší i například náklady na spotřebu čisté vody.

Rozvodná síť má jistou skladovací kapacitu, jejíž pomocí je schopna vyrovnávat krátkodobé, jedno- či dvouhodinové špičková zatížení ve spotřebě teplé užitkové vody. Naproti tomu vyrovnávání dlouhodobějších špičkových zatížení je mnohem těžší. V kancelářských budovách či ve veřejných budovách spotřeba teplé užitkové vody časově souhlasí s maximálním chladicím výkonem a tak dochází ke vzájemné kompenzaci. Ale v obytných budovách, u nichž by teplá užitková budova měla být využita je to poněkud složitější.

V obytných budovách je spotřeba teplé užitkové vody dosti vyrovnaná o víkendech od 7.00 ráno do 15.00 odpoledne a pak začíná narůstat. Špičkového zatížení je pak dosaženo okolo 21.00 večer. Noční spotřeba je nízká.

V kancelářských budovách dochází ke vzniku požadavku na chlazení již okolo 9.00 ráno, maxima je dosaženo okolo 11.00 dopoledne a takto zůstává spotřeba konstantní až do 18.00 večer, konec je pak okolo 20.00 večer. Spotřeba je vyrovnaná z důvodu špičku vyrovnávající kapacity odpalovacího chladicího systému.

Změna fází mezi špičkovou spotřebou teplé užitkové vody a maximální chladicí účinnosti je tak velká, že místní chladicí rozvodná síť není schopná ji kompenzovat. Výše uvedený problém může být eliminován pomoci akumulátoru chladu, vhodně uzpůsobeného v systému, nebo ve spojení s ním.

Vynález je ve výše uvedeném textu popsán pomocí jistých druhů provedení vynálezu. Nicméně vynález samotný není nijak omezený na jeho výše zmíněná provedení, ale může být zcela volně modifikován v rozsahu pole působnosti uvedených patentových nároků Tak by mělo být jasné, že systém v provedení podle vynálezu nemusí nutně být identický s tím, co je vykresleno na obrázcích, jsou zde možné i jiné druhy jeho provedení. Všechna spojení potrubí, která jsou běžně známa zde mohou být použity. Absorbční agregát může být rovněž nahrazen jiným známým chladicím agregátem, pokud je teplota kondensační vody vhodná, apod..

Claims (6)

1.) Způsob rozvádění tepelňe energíKtereru tato tepelná energie absorbována nosičem tepelné energie a vytvářena za účelem vytápění budov (4), tato repelná energie je pak rozváděna pomocí jednoho, potrubí nebo celé skupiny potrubí (1) do vytápěcích zařízení (6), umístěných v budovách a odpovídajícím způsobem je pak chladicí energie vytvářena pomocí chladicího agregátu absorbčního typu (16, 17, 18, 19) a je pak rozváděna pomocí druhého potrubí, nebo skupiny potrubí (3) do chladicích zařízení (5) v budově, vyznačuj ící účelem eliminace, nebo podstatného kondenzační vody pro chladicí agregát, je vratná kapalina agregátu rozvodného e t i m, z e za snížení množství (2) chladicího systému apeci energie/chladicí energie použita jako kondensační voda v chladicím agregátu (16, alespoň část kondensační vody, opouštětící chladicí agregát (16,

18, 19), je dodávána přímo nazpět do vratné kapaliny (2) rozvodného systému vytápěcí energie/onladicí energie.

2.) Způsob rozvádění tepelné energie podle nároku 1., i m, voda,

16, cirkulující v chladicím obvodu chladicího agregátu 17, 18, 19) je chlazena pomocí kondensátoru (32).

3. ) Způsob rozvádění tepelné energie podle nároku 1. nebo nároku 2., vyznačující se tím, že kondensační voda je použita pro výrobu teplé užitkové vody pro místní vytápěcí systém.

4. ) Zařízení pro rozvádění tepelné energie, u kterého je tato tepelná energie absorbována nosičem tepelné energie a vytvářena za účelem vytápění budov (4), tato

1.

tepelná energie je pak uzpůsobena k jednoho potrubí nebo celé skupiny rozvádění pomocí pczrubí (1) do v budovách a vytápěcích zařízení umistenycn e t i m, z e za snížení množství odpovídajícím způsobem je pak chladicí energie vytvářena pomocí chladicího agregátu absorbčního typu (16, 17, 13,

19) a je pak uzpůsobena k rozvádění pomocí druhého potrubí, nebo skupiny potrubí (3) do chladicích zařízení (5) v budově, v y z n a č u j 1 c í účelem eliminace, nebo podstatného chladicí kondensační vody pro chladicí agregát, je tento chladicí agregát (16, 17, 18, 19) uzpůsoben k tomu, aby v něm docházelo ke kondenzaci pomocí vratné kapaliny získané ze zpětného potrubí (2) rozvodného systému vytápěcí energie/chladicí energie a dále zim, že alespoň část kapaliny, použité pro kondenzaci je uzpůsobena k tomu, ary byla dcdávána přímo nazpět do zpětného potrubí (2) .

rergie podle tepelne

5 . ) Zařízen nároku 4., u y z kondenzát zr (32) chladicího okruh' pro rozvaděni n a č u j í c i se t i -m, ze je umístěn v cirkulačním potrubí (25) v uvedeném chladicím agrecátu (16, 17,

18, 19).

6.) Zařízení pro rozvádění tepelné energie podle nároku 4. nebo nároku 5., vyznačující tím, že kapalina, použitá pro uzpůsobena k tomu, aby byla použita pro výrobu teplé užitkové vody pro- místní vytápění.