CZ307561B6 - Topný systém s gravitačním čerpacím zařízením a způsob gravitačního podtlakového čerpání tekutin - Google Patents

Abstract

Topný systém s tepelným čerpadlem napojeným na otopnou soustavu ve vytápěném objektu a s nejméně jedním potrubím zaústěným pod hladinou čerpané vody sestává z nejméně jednoho transportního potrubí (23) ve zdrojovém vrtu (1) nebo studni, které je propojovacím transportním potrubím (26) propojeno s vrtem (2) nebo studní, kde je připojeno do nejméně jedné hlavy (27) sací čerpací komory (28) čerpacího gravitačního zařízení, přičemž konstrukce sací čerpací komory je pevná a/nebo umožňuje změnu jejího tvaru a objemu tíhou čerpané vody. Ve spodní části (29) čerpací komory je nejméně jeden výtokový otvor (30) pro vytékání ochlazené vody z komory (28) do vsakovací části (33) vrtu (2) nebo studně, přičemž je ve vrtu (2, 1) nebo studni umístěn nejméně jeden výměník (32) výparníku tepelného čerpadla. Topný systém dále zahrnuje alespoň jeden kompresor (17) a otopnou soustavu (40) obsahující nejméně jeden kondenzátor, škrticí orgán (45), sběrač (42), zařízení (43) pro zpětnou výměnu tepla, dehydrátor (41) a elektromagnetický ventil (44). Způsob gravitačního podtlakového čerpání tekutin spočívá v tom, že z ústí nejméně jednoho transportního potrubí napojeného na vsakovací vrt nebo studni se do nejméně jedné pružné sací čerpací komory (28) přes sací hlavu (61) přivádí kapalina, přičemž pod tíhou čerpané kapaliny a čerpací komory tato čerpací komora mění svůj objem a po vypuštění kapaliny nejméně jedním výtokovým otvorem umístěným na čerpací komoře nebo na připojeném výtokovém potrubí se v horní části sací čerpací komory (28) vytváří podtlak a tím dochází k sacímu efektu a k nasávání kapaliny.

Description

Topný systém s gravitačním čerpacím zařízením a způsob gravitačního podtlakového čerpání tekutin

Oblast techniky

Předložené řešení se týká topného systému s tepelným čerpadlem a s gravitačním podtlakovým čerpacím zařízením. Jako zdroj energie je zde využita podzemní voda, která je čerpána gravitačním podtlakovým zařízením podle tohoto vynálezu.

Topný systém s tepelným čerpadlem slouží zejména k vytápění obytných prostor.

Gravitační podtlakové čerpací zařízení podle tohoto vynálezu může být využito k přečerpávání podzemní vody ve vrtech, ale i k čerpání jiných tekutin v různých oblastech.

Dosavadní stav techniky

Současné získávání tepla z vody pro účely vytápění objektů je založeno na čerpání vody za pomoci podávacího čerpadla s elektrickým pohonem.

Způsoby čerpání různých kapalin jsou založeny na principu použití čerpacího zařízení neboli čerpadla poháněného dodatečně přivedenou energií získanou její transformací z jiné původní formy.

Nej rozšířenější způsoby čerpání kapalin byly v minulosti založeny na pohonu čerpacího zařízení lidskou silou, zvířecí silou, využitím energie větru nebo využitím energie dopadající vody.

Dnes jek pohonu nejčastěji využívána elektrická energie vyrobená různými způsoby, která slouží k pohonu elektricky poháněných čerpadel. Nevýhodou těchto systémů je spotřeba elektrické energie nutné k jejich pohonu a pohybující se části, které se časem opotřebovávají.

Jsou známá rovněž čerpadla založená na funkci takzvané pulsní pumpy, kdy jsou v čerpací komoře umístěné v čerpané kapalině převážně dva písty neboli plovákové uzávěry, které reagují na tlak okolí. Otevíráním a zavíráním horního pístu dochází vždy k vytlačení určitého množství kapaliny do výstupního potrubí, přičemž do spodní části komory pronikne potřebné množství tlakové kapaliny po nadzdvihnutí spodního pístu. Tlak kapaliny v okolí komory může být v přírodě přirozený nebo vyvolaný. Přirozený tlak u vody je například tlak od účinku dopadajícího vodního sloupce nebo může být dán vlastním tlakem podzemní zvodně.

Vyvolání tlaku čerpané kapaliny může být například přívodem tlakového vzduchu nebo jiného média do pístové čerpací komory. Vzduch nebo jiné tlakové médium odchází společně s čerpanou kapalinou do výstupního transportního potrubí po otevření horního pístu komory. Výhodou je zde minimální počet pohybujících se dílů. Nevýhodou je nutnost přivedení dalšího tlakového média pro zdvih kapaliny, přičemž vyvolání potřebného tlaku tohoto média je založeno na přivedení obvykle placené energie.

U systémů tepelných čerpadel odebírajících energii z čerpané podzemní vody jsou dnes využívána elektrická ponorná čerpadla.

Jsou známé také systémy tepelných čerpadel využívajících k čerpání vody různé pístové systémy potřebující ke svému provozu kontinuální přísun stlačené vody. Efekt tlakové vody je zde dosahován elektrickou energií prostřednictvím pístových nebo rotačních čerpadel.

- 1 CZ 307561 B6

Mezi takové systémy patří dokument US 2005/169776 (McNichol 2005). Tento dokument popisuje čerpací zařízení pístového typu 20, které je tvořeno vertikálně umístěným válcem 26 s hlavou 28 a dnem 30. První výtokový otvor 32 je v hlavě zařízení 28, druhý výtokový otvor 34 je umístěn u dna válce pod pístem 40. Na dně dutého pístu 40 je umístěn první jednocestný ventil 41 s uzavíratelným otvorem 47. Pod válcem 26 je umístěn další válec 46 s jednocestným ventilem 56 a uzavíratelným otvorem 60. Válec 46 má pevný doraz 62 pro kulové těleso 58, které uzavírá otvory 60 a otvor v dorazu 62. Tento ventil umožňuje kapalině natéct z komory 70 do válce 46. Komora 70 obsahuje kapalinu, která má být vyčerpána otvorem 32 v hlavě válce 28. Píst 40 má vnější průměr Dl a vnitřní průměr D2, díky jejímž rozdílům je vyvíjen větší tlak na píst 40 než na čerpanou kapalinu v nádobě 70. Tlaková kapalina 82 k pohonu se nachází ve válci 80 a působí otvorem 34 pod píst 40. Ve válci 80 se pohybuje píst 104, který přenáší energii z pohonu systému na kapalinu 82.

Jako pohon systému dokument uvádí stlačenou kapalinu, pístové čerpadlo nebo rotační čerpadlo s tlakovou nádobou. Čerpací zařízení ke svému provozu tedy potřebuje kontinuální přísun placené, zpravidla elektrické energie prostřednictvím zvoleného pístového nebo rotačního čerpadla.

Dokument WO 9000707 (Hildebrand 1990) pak popisuje topný systém s tepelným čerpadlem využívajícím zejména tepelnou energii půdy z okolí vrtu. Ve vrtu jsou umístěna potrubí 26, 34, 40. Ochranné potrubí 40 má nad vrtem umístěno čerpadlo 54, které zajišťuje obtok vody kolem potrubí 26 v ochranném potrubním plášti 34 a také v porézní výplni vrtu, přičemž voda prostupuje přes štěrbiny 50 v potrubích 40. Na dně vrtu na konci středového potrubí 26 je umístěno podávači čerpadlo 28, které tlačí vodu vzhůru směrem do objektu, do výpamíků 8 generátoru tepelného čerpadla, odkud proudí ochlazená voda díky elektricky poháněným čerpadlům 28 a 54 zpět do vrtu k odběru půdní energie z okolí vrtu. Průměr vrtu je popisován dokumentem v rozmezí 500 až 1000 mm.

Ze známého stavu techniky a z praktických zkušeností s tepelnými čerpadly je zřejmé, že takový systém je energeticky velmi náročný. Elektrický příkon je zde potřebný nejen pro výkonný kompresor generátoru tepelného čerpadla a pro cirkulační čerpadla na straně otopné soustavy objektu, ale jsou zde potřebná také příkonově náročná cirkulační elektrická čerpadla podzemní vody 28 a 54, která degradují topný faktor celého představeného topného systému.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje zařízení podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že sestává z nejméně z jednoho transportního potrubí ve zdrojovém vrtu nebo studni, které je propojovacím transportním potrubím propojeno s vrtem nebo studní, kde je připojeno do nejméně jedné hlavy sací čerpací komory čerpacího gravitačního zařízení.

Transportní potrubí sestává z nejméně jednoho celistvého průběžného úseku potrubí, který je přímý nebo místy tvarový a obsahuje uzavíratelné odbočení nebo otvor nebo T kus umožňující zalití systému čerpanou tekutinou, přičemž na transportní potrubí nebo na tento T kus je přímo nebo prostřednictvím sací hlavy připojeno nejméně jedno objemové pružné těleso neboli pružná sací komora. Pružnost konstrukce této komory umožňuje v žádaném rozsahu a směru změnu jejího tvaru a objemu.

Konstrukce sací čerpací komory je pevná a/nebo umožňuje změnu jejího tvaru a objemu tíhou čerpané vody, kterou je vyplněna a tíhou pevné spodní části, přičemž proudění vody transportním potrubím z vrtu nebo studně je vyvoláno a zajišťováno sacím efektem a tedy podtlakem v hlavě sací čerpací komory, který je vyvolán gravitačním účinkem od objemu vody v komoře a od tíhy spodní části čerpací komory, ve které je nejméně jeden výtokový otvor s přívodním kabelem k

-2CZ 307561 B6 ovládání uzávěru typu ventil, šoupě nebo klapka, pro vytékání ochlazené vody z komory do vsakovací části vrtu nebo studně.

Ve vrtu nebo studni je umístěn nejméně jeden výměník výpamíku tepelného čerpadla obtékaný čerpanou vodou, která je tak ochlazována a z výpamíku tepelného čerpadla je nasáváno vypařené pracovní médium nejméně jedním kompresorem. Pracovní médium je dále vytlačováno potrubím do vytápěného objektu. Otopná soustava jako celek zahrnuje nejméně jeden kondenzátor, škrticí orgán, sběrač, a zařízení pro zpětnou výměnu tepla, dehydrátor a elektromagnetický ventil.

Tento gravitační podtlakový systém čerpání je použit k čerpání vody jako zdroje energie pro topný systém s geotermálním tepelným čerpadlem.

Generátor neboli tepelné čerpadlo topného systému podle tohoto vynálezu je umístěno přednostně ve venkovním zapuštěném otevíratelném skeletu nad vsakovacím neboli utrácecím vrtem, do kterého je sveden nejméně jeden výpamík chladivového okruhu tepelného čerpadla. Nejméně jeden kompresor je spolu s dalšími komponenty připevněn na nosné desce se středovým zapuštěním, která je vytvořena jako vyjímatelná ze skeletu, a je opatřena rovným nebo kulovým víkem.

Venkovní skelet tepelného čerpadla jev provedení nádoba v nádobě nebo deska v nádobě nebo deska na nádobě, kdy vlastní vnější nádoba ohraničující tento skelet je usazena nad pažením vsakovacího vrtu neboli studny a je zakryta víkem. Přes tento skelet je přístup do studny a je přes něj spuštěna pružná sací komora, ve které je umístěn nejméně jeden výpamík chladivového okruhu.

Nejméně jeden kompresor systému je umístěn na nosné desce nebo ve vnitřní nádobě, která je usazena ve venkovním skeletu. Na desce jsou umístěny i další důležité komponenty systému tepelného čerpadla včetně elektrického napájecího a kontrolního rozvodu. Celý skelet je zakryto ván plochým nebo tvarovým víkem s tepelnou a protihlukovou izolací.

Vnitřní nádoba nebo nosná deska s hlavními komponenty je řešena po odkrytí víka jako vyjímatelná ze skeletu pro případný servis v odborné dílně.

Celý skelet s horním víkem a s nosnou deskou je vodotěsně uzavíratelný prostřednictvím těsnění a šroubů a může být řešen i s odvětráním buď nadzemní částí anebo víkem skeletu.

Do pružné sací komory může být zaveden také výměník tepla solárního okruhu a výměník tepla pro chlazení objektu.

Nejméně jeden výměník výpamíku tepelného čerpadla je zhotoven z kovového nebo z plastového potrubí nebo z jejich kombinace, s hladkým nebo se zvlněným povrchem, přičemž je toto potrubí stočené do spirály, nebo má zvlněný povrch, nebo je rovné či navzájem propletené.

Ve dně tělesa sací komory je nejméně otvor, který je zakončen ovladatelným uzávěrem, přes který odtéká voda do utrácecího prostoru studně. Ovladatelný uzávěr může být řešen jako dálkově regulovatelný. Do horní části sací komory je zaústěno přímo nebo prostřednictvím sací sběrací hlavy nejméně jedno transportní potrubí vedoucí od vrtu zdrojového, ve kterém se shromažďuje nasávaná voda. K přesunu vody ze zdrojového do vsakovacího vrtu zde není použito tradiční podávači čerpadlo s elektrickým pohonem, i když by provedení systému podle tohoto vynálezu fungovalo i s takovým čerpadlem umístěným ve zdrojovém vrtu. K přesunu vody zde není použito žádné tradiční elektricky napájené čerpadlo.

Jsou samozřejmě možná i jiná uspořádání, kdy by mohl být výpamík nebo výměník umístěn až pod sací komorou ve spodní části pažení. Tepelné čerpadlo se skeletem by mohlo být také umístěno nad vrtem zdrojovým nebo mezi vrty nebo mimo vrty vně objektu nebo uvnitř v

-3CZ 307561 B6 objektu. Je možné i provedení skeletu bez nosné desky nebo nádoby, kdy je kompresor na vyjímatelné části opřené o dno skeletu. Přímé připevnění kompresoru na dně skeletu zde není přednostní.

Ze skeletu vedou izolovaná potrubí do objektu, kde jsou napojena na zvolenou otopnou soustavu. Podle tohoto vynálezu je tepelné čerpadlo napojeno přednostně na přímé kondenzační typy otopných soustav, ve kterých kondenzuje, neboli zkapalňuje pracovní médium kompresoru.

Otopná soustava uvnitř vytápěného objektu je přednostně řešena jako přímá kondenzační, kdy je napojená na výtlačné potrubí kompresoru a na návratové sací potrubí od nejméně jednoho kondenzátoru.

Je samozřejmě možné využít i teplovodních otopných soustav, kdy je kondenzátor deskový nebo typu trubka v trubce, do kterého je přiváděna vodní náplň otopné soustavy. Tyto kondenzátory mohou být umístěné ve venkovním skeletu tepelného čerpadla nebo uvnitř v objektu.

Otopná soustava uvnitř vytápěného objektu je pak vytvořena jako teplovodní s napojením výtlačného chladivového potrubí od kompresoru na teplovodní výměník tepla.

Topný systém podle tohoto vynálezu má i další funkce jako je ohřev vody, ohřev vody pro bazén nebo chlazení objektu. Ohřev vody je realizován prostřednictvím trubkového výměníku tepla umístěného uvnitř v bojleru nebo na jeho vnějším povrchu nebo prostřednictvím deskového výměníku tepla nebo prostřednictvím ohřevu pláště na povrchu bojleru za přímého využití pracovního média kompresoru anebo topné vody.

Teplá voda pro objekt a/nebo pro bazén je přednostně ohřívána výměníkem tepla uspořádaným uvnitř nebo na plášti nádoby pro ohřev vody uložené ve skeletu, a/nebo je ohřívána prostřednictvím teplovodního výměníku typu deskového a/nebo teplovodního výměníku typu trubka v trubce.

Topný systém podle tohoto vynálezu může mít ve vsakovacím vrtu nebo studni, a/nebo ve zdrojovém vrtu nebo studni umístěný tepelný výměník solárního systému.

Princip gravitačního podtlakového přečerpání kapaliny je patrný z následujícího popisu a dále z výkresové části tohoto vynálezu.

Je-li čerpaná kapalina shromážděna do nádoby vhodného objemu, pak tento objem vytváří díky gravitaci tíhu. Výsledná síla F neboli tíha na dno je dána součinem V.p.g = m.g, kde m je hmotnost kapaliny a g je gravitační zrychlení na zemi. Hmotnost kapaliny m je dána součinem objemu nádoby V a hustoty kapaliny p. Nádoba má ve spodní části otevíratelný uzávěr nebo výstupní potrubí s takovým uzávěrem. Pevně ukotvená nádoba například válcového tvaruje zcela naplněna kapalinou. Na horní část je připevněn balónek nebo pružný vak. Po náhlém otevření spodního uzávěru v čase t = 0 dojde k výtoku kapaliny z nádoby. V horní části nádoby dojde po odtoku určitého množství kapaliny k vytvoření podtlaku a vak je vtažen neboli nasán dovnitř do nádoby. Takto je vytvořena podtlaková sací síla. Vlastní tíha kapaliny slouží po otevření otvoru jako zdroj hnací síly pro vytvoření podtlaku a sacího efektu.

Vertikálně ukotvené potrubí určité délky je na horním konci uzavřené. Uvnitř jev určité poloze píst, na který je pod druhým otevřeným koncem potrubí zavěšeno závaží o hmotnosti m. Na píst působí při zanedbání odporů a tření síla velikosti m.g. Píst se pohybuje v počátečním úseku rovnoměrně zrychleným pohybem. Za pístem se vytváří podtlak. V určitém bodě dojde podle výše hmotnosti závaží m k zastavení pístu se závažím. Zjednodušeně se vytvořená podtlaková síla vyrovnala tíhové síle od závaží m.g. Tímto způsobem došlo k vytvoření prvního předpokladu pro proudění kapaliny a sice došlo k vytvoření hnací síly.

-4CZ 307561 B6

Působení sacího efektu lze zjednodušeně popsat i na straně systému, kde by docházelo ke vstupu kapaliny do zaústění transportního potrubí. Pod hladinu čerpané kapaliny v jejím shromaždišti je zaústěno potrubí, které stoupá vertikálně vzhůru nad hladinu a v určité výšce je ohnuto kolenem. Za ohybem v dalším úseku je potrubí vodorovné. V horní části potrubí je opět píst, z pístu vede lanko přes kladku a na konci lanka je závaží o hmotnosti m. Po zavěšení závaží dojde k působení tíhové síly závaží přes kladku na píst a tento se začne pohybovat rovnoměrně zrychleným pohybem směrem za závažím. Kapalina sleduje do určité vzdálenosti v potrubí pohyb pístu a pohyb závaží. V určité vzdálenosti a po určitém čase dojde k jejímu odtržení, neboli kapalina přestane sledovat pohyb pístu a závaží. K tomu dojde při poklesu tlaku na píst na velikost tlaku nasycených par.

Obecně musí být pro proudění kapaliny systémem splněny dvě podmínky. Musí existovat hnací síla a musí existovat hydraulická spojitost všech částí systému.

Ke splnění hydraulické spojitosti systému dojde zaústěním nejméně jednoho konce spojitého potrubí pod hladinu čerpané kapaliny a druhého konce do horní části pružné čerpací komory a zalitím a odvzdušněním systému. Hnací síla je vytvořena tíhou kapaliny a tíhou spodní části pružné komory. Výsledná tíha nahradí tíhu závaží o hmotnosti m. Systém je před prvním startem zcela zaplněn čerpanou kapalinou. Objemové těleso neboli pružná sací komora je ve stavu a v poloze s vertikálně zmenšeným zaplněným objemem. Poté dojde k uvolnění a k natažení, přičemž za pomoci tíhy kapaliny a těžké spodní části komory dojde k vytvoření sacího efektu neboli podtlaku v horní části a k nasání určitého množství kapaliny do komory. Po natažení pružného tělesa sací komory dojde i ke zvětšení objemu celého tělesa. Otevřením nejméně jednoho uzávěru o vhodné ploše ve spodní části sací komory dojde k vytékání kapaliny a začne docházet k proudění kapaliny ze shromaždiště přes transportní potrubí a přes sací hlavu do sací komory a ven spodním otvorem. Za určitý časový úsek bude možno proudění systémem označit za ustálené při zachovávání potřebného podtlaku. Na jedné straně dochází k sání kapaliny a na druhém konci k výtoku kapaliny. Pod výtokovým otvorem je utrácecí prostor s atmosférickým okolím. Nad hladinou čerpané kapaliny je rovněž atmosférické okolí anebo je tato kapalina pod uzávěrem a má přetlak. U vrtů na spodní vodu může být využit tlak zvodněliny. Kritické je zde nejvyšší místo K1 nebo K2, kde nesmí dojít k trhání vodního proudu.

Hnací silou je zde spád potenciálu. Pro matematicko fyzikální popis je možné použít zákonitostí proudění z mechaniky tekutin. Podtlak ve vrcholech K je možno stanovit z Bemoulliho rovnice.

Rychlost proudění kapaliny v systémech je v = V/S.t, kde t je čas, za který protekl objem kapaliny V a proudění kapaliny bylo přes průřezovou plochu S kolmou na směr proudění. Tato rychlost je označována též jako hustota toku nebo flux density. Čerpací zařízení podle tohoto vynálezu je jednoduché na provoz.

Nejjednodušší konstrukci pro vyvolání sacího efektu lze vytvořit zavěšením pružného vaku na pevné rameno potrubí. Ve spodní části vaku je uzavíratelná výpusť. Je-li vak dostatečně pružný, pak tíhou kapaliny dojde k jeho protažení a k vyvolání sacího efektu v horní části. Tíhu kapaliny ve vaku lze zvýšit materiálem s vyšší měrnou hmotností ve dně vaku. Například kovy mají osm krát vyšší měrnou hmotnost oproti vodě.

Jiná pružná konstrukce sací komory je, když je jedna část objemové nádrže pevná a druhá část je pružná, nebo když je pružná část umístěna mezi dvěma pevnými částmi. Pružná část objemové nádrže může mít také různou tloušťku stěny a tedy proměnlivou tuhost. Je-li pružná část umístěna mezi dvěma pevnými částmi, pak může být s výhodou spodní pevná část řešena jako takzvaně těžká s materiálem o vyšší měrné hmotnosti než má kapalina.

Pružnou konstrukci sací komory je možné vytvořit i vložením pružiny mezi dvě navzájem pohyblivé a přitom tlakotěsně spojené pevné části s horní sací hlavou nebo se zaústěným

-5CZ 307561 B6 transportním potrubím a se spodním uzavíratelným otvorem. Spodní pohyblivý díl může být řešen i jako takzvaně těžký z materiálu o vyšší měrné hmotnosti.

Pro zajištění nasávání a tedy čerpání v tomto provedení sestává sací čerpací komora ze dvou tuhých, dutých a vůči sobě těsněných plášťů s možným osovým pohybem nejméně jednoho z nich pro zajištění změny objemu sacího těla, přičemž pružnost sacího těla může být zajištěna také vnitřním a/nebo vnějším připevněním nejméně jedné pružiny z kovu a/nebo z pružných materiálů obsahujících kaučuk.

Obecně je způsob gravitačního podtlakového přečerpávání kapalin a tekutin použitelný pro topné systémy, které se vyznačují tím, že z ústí nejméně jednoho transportního potrubí napojeného na vsakovací vrt nebo studni a/nebo shromaždiště se do nejméně jedné pružné sací čerpací komory přes sací hlavu přivádí vhodná kapalina či tekutina, přičemž pod tíhou čerpané kapaliny a čerpací komory tato čerpací komora mění svůj objem a po vypuštění kapaliny či tekutiny nejméně jedním výtokovým otvorem umístěným na čerpací komoře nebo na připojeném výtokovém potrubí se v horní části sací čerpací komory vytváří podtlak a tím dochází k sacímu efektu a k nasávání tekutiny z jejího shromaždiště.

Popsaný způsob čerpání kapalin lze využít při různých činnostech a pro různé kapaliny a tekutiny. Jednou ze zajímavých aplikací je zmíněné čerpání podzemní vody z vrtu pro výpamík tepelného čerpadla. Výpamík nebo výměník může být umístěn přímo v pružné sací komoře zde vyřešeného gravitačního podtlakového čerpání.

Do výpamíku je za provozu přímo uvolňováno chladivo pracovního okruhu tepelného čerpadla, které se v něm vypařuje a ochlazuje tak nasávanou spodní vodu v sací komoře. Teplota této vody se v podmínkách střední Evropy pohybuje mezi +8 až +12 °C a výpamíkem zde může být zchlazena až k +1 °C. Voda o teplotě 0 °C obsahuje stále ještě latentní teplo. Zvýšením teplotního rozdílu zdě dojde k určitému snížení nutného průtoku transportním potrubím.

Výpamík je vyroben z nejméně jedné kovové trubky s korugovaným a tedy zvlněným povrchem. Trubka je stočená do nejméně jedné spirály. Výpamík může být také přirozeně vyroben z hladkého potrubí. Materiálem pro jeho zhotovení je přednostně kov a slitiny kovů nebo plast a směsi plastů anebo kombinace kov a plast.

V sací komoře neboli v pružném objemovém tělese může být výpamík vytvořen rovněž rozdělením chladivá v rozdělovači do více potrubí malého průměru, které jsou opět sloučeny do slučovače. Chladivové potrubí vstupuje do tělesa sací komory vodotěsně.

Výhodou těchto konstrukcí je, že takový výpamík umístěný přednostně ve vsakovacím vrtu se vnitřně nezanáší minerály z nasávané vody. I jeho vnější povrch je bezúdržbový.

Ovládání systému s takovým geotermálním tepelným čerpadlem je následující. Na základě vyhodnocení regulace uvnitř objektu dojde ke startu nejméně jednoho topného kompresoru a dojde k otevření nejméně jednoho dálkově ovládaného uzávěru na spodní části sací komory. Ke startu nejméně jednoho kompresoru může rovněž dojít o určitý časový interval později, tedy s časovou prodlevou oproti otevření uzávěru. Po dobu chodu tepelného čerpadla je nejméně jedním čidlem snímána teplota vody v sací komoře. K uzavření výtoku vody dojde s časovým zpožděním po vypnutí kompresoru systému tepelného čerpadla. V sací komoře se tak nemusí nacházet žádné nebo významné množství vychlazené vody.

Celé objemové těleso neboli pružná sací komora je přednostně ve vsakovacím vrtu pod hranicí nezámrzné hloubky okolního terénu. Pro zkrácení délky přívodního potrubí k výpamíku je chladivový systém umístěn přednostně ve skeletu přímo nad tímto vrtem.

-6CZ 307561 B6

Objasnění výkresů

Na obrázku 1 je znázorněna válcová nádoba naplněná kapalinou se spodním uzavřeným výtokovým otvorem a s neprodyšně připojeným pružným vakem na horním konci této nádoby.

Na obrázku 2 je nádoba jako na obrázku 1, u které ale došlo k náhlému otevření spodního výtokového otvoru v čase t=0. Tíha kapaliny vyvolává podtlak neboli sání v horní části.

Na obrázku 3 je válcová nádoba s horním pevným vzduchotěsným víkem, ve kterém je tlakoměr. Uvnitř nádoby je píst a dochází k silovému působení vlivem tíhy závaží m.g, nad pístem vzniká podtlak.

Na obrázku 4 je potrubí zanořené v nasávané kapalině. Zakresleno je silové působení vyvolané hmotností zaváží m.g a zrychlení pístu a. Ve vzdálenosti x dojde k odtržení nasávané kapaliny od pístu.

Na obrázku 5 je znázorněno podtlakové sací zařízení. Na potrubí je zavěšen pružný vak neboli sací komora, která je pevně podložena. Sací účinek je vyvolán odstraněním podpěry vaku.

Na obrázku 6 je znázorněna sací pružná komora se spodním uzávěrem. Horní část se zaústěním transportního potrubí je pevné konstrukce. Na pevné konstrukci je upevněna spodní pružná část s uzávěrem. Sací komora může také obsahovat vnitřní nebo vnější pružinu.

Na obrázku 7 je znázorněna sací komora, u které je pružná část umístěna mezi dvě pevné části. Na spodní pevné části je uzávěr. Sací komora může také obsahovat vnitřní nebo vnější pružinu fixovanou mezi oběma pevnými částmi.

Na obrázku 8 je znázorněn trubkový výpamík tepelného čerpadla ve tvaru jednoduché nebo dvojité spirály.

Na obrázku 9 je znázorněna konstrukce výpamíku, u které je přívodní a návratové potrubí zakončeno rozdělovači chladivá.

Na obrázku 10 je v řezu znázorněna část topného systému pro vytápění objektů zobrazující přednostní provedení venkovního geotermálního tepelného čerpadla s gravitačním podtlakovým přečerpáváním podzemní vody ze zdrojového vrtu nebo studny do vrtu nebo studny vsakovací.

Na obrázku 11 je znázorněn chladivový okruh tepelného čerpadla bez kondenzační strany, která má více variant řešení.

Na obrázku 12 jsou znázorněny možné varianty připojené kondenzační strany k chladivovému okruhu tepelného čerpadla z obrázku 11.

Na obrázku 12a je otopná soustava jako přímá kondenzační tvořená kondenzačními deskami nebo pásy, zobrazeno je horní a spodní nebo boční straně ústící připojení přívodního a návratového potrubí média kompresoru.

Na obrázku 12b je přímá kondenzační otopná soustava tvořená potrubím.

Na obrázku 12c je teplovodní a chladivový deskový kondenzátor pro připojení teplovodní otopné soustavy.

Na obrázku 12d je teplovodní a chladivový potrubní kondenzátor v provedení trubka v trubce pro připojení teplovodní otopné soustavy.

-7 CZ 307561 B6

Na obrázku 12e je potrubní lamelový kondenzátor s ventilátory pro přímý ohřev vzduchu.

Na obrázku 12f je potrubní chladivový kondenzátor pro ohřev vody. Je umístitelný například do bojleru, do akumulační nádoby nebo na jejich povrch.

Na obrázku 12g je znázorněn plášťový kondenzátor na povrchu nádoby.

Na obrázku 13 je znázorněna sací pružná komora pro podtlakové sání kapaliny složená ze dvou pevných potrubních těl, která jsou vzájemně utěsněná těsněním a pružný pohyb se změnou objemu je zajištěn vnitřní nebo vnější pružinou.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Příklad 1 použití vynálezu je zřejmý z obrázku číslo 10. Na pozemku je zhotoven zdrojový vrt 1 a vsakovací vrt 2. Vrty jsou zapaženy plnou pažnicí 3 a 5. U vrtu 1 je ve zvodnělé vrstvě obsyp kamenivem 19 a pažnice jev tomto úseku perforovaná 4. Pod pažnicí je kalník, který již není na obrázku nakreslen. U vrtu vsakovacího 2, který bývá obvykle méně hluboký je pažnice 3 perforovaná v úseku 4. Zde dochází ke vsaku ochlazené vody opět přes kameninový obsyp 19. Vrt 1 je dále nastrojen manipulační šachtou 6 s poklopem 7. V manipulační šachtě může být protizámrzová izolace 8. Šachta může být umístěna na desce 9 s krytem záhlaví 10 zabraňující přenášení zátěže od šachty 6 na pažnici 3. Obdobně u vrtu 2 může být deska 11 s krytem 12. Na desce Η. je zde umístěn vnější skelet tepelného čerpadla 13, ve kterém je přes těsnění 16 vsazena nosná deska 14. zde ve tvaru nádoby nesoucí nejméně jeden kompresor 17. venkovní elektrický a kontrolní rozvod 18 a další důležité komponenty. Kompresor 17 je zde zakreslen v poloze částečně zapuštěné pod okolní terén 22. Na nosné desce 14 je opět přes těsnění 16 umístěno víko 15. Nosná deska 14 je řešena jako vyjímatelná i s komponenty pro servis. Víko 15 i nosná deska 14 jsou zevnitř izolovány izolací 20. Pažnice 3 u vrtu 1 a obdobně pažnice 5 u vrtu 2 jsou odshora utěsněny proti průsaku povrchových vod a nečistot obsypem 21. Kompresor 17 je napájen elektřinou přivedenou přívodem 51 přes elektrický rozvod 18.

Zdrojový vrt 1 je dále nastrojen nejméně jedním transportním potrubím 23, které je zanořeno pod hladinou vody 24. Nad vyústěním pažnice je ohnuto kolenem nebo tvarovou armaturou 25. V úseku od armatury 25 dále pokračuje nejméně jedno transportní propojovací potrubí úsekem 26 až do skeletu tepelného čerpadla 13. kde je zaústěno do sací hlavy 27 nebo do horní části 27 sací komory 28. Sací komora je fixována přírubou 54, která zajišťuje přenesení váhy sací komory 28 na dno skeletu 13 a tedy na nosnou desku 11 a od ní na okolní terén. Váha sací komory 28 zde nemá vliv na pažnici 5 a 3 vsakovací studny. Transportní potrubí 26 může být vybaveno T kusem 29 pro zalití čerpacího systému. Přednostně pružná nebo i pevná sací komora 28 má na své spodní části 29 umístěn nejméně jeden uzavíratelný otvor s armaturou 30 typu ventil, klapka nebo šoupě. V armatuře 30 anebo v sací komoře 28 je nejméně teplotní čidlo. Armatura 30 a teplotní čidlo jsou napojeny kabely ve svazku 31 vedoucím do elektrického rozvodu 18 ve skeletu tepelného čerpadla.

Po zalití systému vodou je natahována 47 sací komora 28. Vlivem tíhy vody a spodní části 29 je v horní části 27 vytvářen sací efekt a do komory je nasávána voda z transportního potrubí 26. Do sací komory vstupuje voda o teplotě v rozmezí asi 8 až 12 °C. V komoře 28 je umístěn nejméně jeden výpamík tepelného čerpadla 32, ve kterém dochází k vypaření pracovního chladivá kompresoru a tedy k odebrání tepelného energetického potenciálu nasávané vodě. Taje v komoře zchlazována až na hodnotu +1 °C a takto ochlazená vytéká spodním ovladatelným otvorem 30 do vsakovacího prostoru 33 utrácecího vrtu 2. Páry chladivá jsou nasávány kompresorem 17 přes potrubí 34. Horké páry na výtlaku vystupují z kompresoru potrubím 35 a mají optimálně teplotu

-8CZ 307561 B6 kolem 80 °C. Páry jsou dále tlačeny potrubím 36 tepelně izolovaným izolací 37 nejkratší cestou do vytápěného objektu 39. kde přímo kondenzují v otopné soustavě 40. Ve zkondenzované formě jsou tlačeny návratovými potrubími a jsou sloučeny, dále vystupují ven z objektu a proudí izolovaným potrubím 38 zpět do venkovního tepelného čerpadla. V chladivovém okruhu na obrázku 11 popisovaného systému prochází zkondenzované chladivo dehydrátorem 41 do sběrací nádoby 42. odtud je vedeno do zařízení pro zpětnou výměnu tepla 43, kde předá zbytkové teplo chladným parám chladivá vystupujícím z výpamíku 32 potrubím 34. Dále proudí již ochlazené zkondenzované chladivo přes elektromagnetický ventil 44 do škrticího orgánu 45, kterým je expanzní ventil. V orgánu 45 dochází k uvolňování chladivá do výpamíku 32 obtékaného vodou nasávanou bez použití elektrického ponorného čerpadla z vrtu 1.

Ochlazená voda je při popsaném chodu tepelného čerpadla utrácena ve vsakovacím vrtu 2. Na obrázku 10 je zachycen směr proudění podzemní vody 46 v podloží. Pro zvýšení úspornosti popsaného topného systému je do sací komory 28 zaveden ještě tepelný výměník 48 od solárního systému 49. Teplota vstupu média do výměníku 48 je snímána teplotním čidlem 50 a při provozu nepodkročí teplotu nasávané vody z vrtu 1.

Příklad 2

Příklad využití čerpací části tohoto vynálezu je patrný z obrázku číslo 5. Na obrázku číslo 5 je nasávací zařízení skládající se z transportního potrubí, sací hlavy a pružného sacího vaku s otevíratelným spodním uzávěrem, který je pojmenován jako sací komora. Potrubí je zanořeno do kapaliny, která má být nasávána. Systém je zalit přes horní uzávěr čerpanou kapalinou a nenachází se vněm vzduch. Po uvolnění vaku dojde k jeho pro věšení a k vyvolání sacího efektu v horní sací hlavě, kde je zaústěno transportní potrubí. Při otevření spodního uzávěru začne ze sací komory vytékat nasávaná kapalina. Sací komora může mít i jinou konstrukci například podle obrázků číslo 6, 7 a 13.

Průmyslová využitelnost

Vytápění pomocí topného systému podle tohoto vynálezu je použitelné k vytápění jakéhokoli objektu a prostoru, který se nachází na pozemku bohatém na spodní vodu umožňující využití gravitačního podtlakového čerpání podle zde popsaného řešení.

Topný systém s tepelným čerpadlem dále potřebuje dodávku elektřiny pro pohon kompresoru z místní rozvodné sítě anebo elektřinu vyrobenou jiným alternativním způsobem.

Systém je vhodný zejména k vytápění rodinných domů, bytů a jiných objektů. Uvedené objekty je možné tímto systémem také ochlazovat.

Gravitační podtlakové sací zařízení podle tohoto vynálezu je možné dále použít k čerpání kapalin v různých oblastech.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Topný systém s tepelným čerpadlem napojeným na otopnou soustavu ve vytápěném objektu a s nejméně jedním potrubím zaústěným pod hladinou čerpané vody, vyznačující se tím, že sestává nejméně z jednoho transportního potrubí (23) ve zdrojovém vrtu (1) nebo studni, které je propojovacím transportním potrubím (26) propojeno s vrtem (2) nebo studní, kde je připojeno do nejméně jedné hlavy (27) sací čerpací komory (28) čerpacího

   -9CZ 307561 B6 gravitačního zařízení, přičemž konstrukce sací čerpací komory je pevná a/nebo umožňuje změnu jejího tvaru a objemu tíhou čerpané vody, kterou je vyplněna a tíhou pevné spodní části (29), přičemž proudění vody transportním potrubím (23, 26) z vrtu (1) nebo studně je vyvoláno a zajišťováno sacím efektem a tedy podtlakem v hlavě (27) sací čerpací komory (28), který je vyvolán gravitačním účinkem od objemu vody v komoře (28) a od tíhy spodní části (29) čerpací komory, ve které je nejméně jeden výtokový otvor (30) s přívodním kabelem (31) k ovládání uzávěru typu ventil, šoupě nebo klapka, pro vytékání ochlazené vody z komory (28) do vsakovací části (33) vrtu (2) nebo studně, přičemž je ve vrtu (2, 1) nebo studni umístěn nejméně jeden výměník (32) výpamíku tepelného čerpadla obtékaný čerpanou vodou, která je tak ochlazována a z výpamíku tepelného čerpadla je nasáváno vypařené pracovní médium nejméně jedním kompresorem (17), ze kterého je dále vytlačováno potrubím (35) a potrubím (36) do vytápěného objektu, přičemž otopná soustava (40) jako celek zahrnuje nejméně jeden kondenzátor, škrticí orgán (45), sběrač (42), zařízení (43) pro zpětnou výměnu tepla, dehydrátor (41) a elektromagnetický ventil (44).
2. 2. Topný systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že nejméně jeden kompresor (17) je spolu s dalšími komponenty připevněn na nosné desce (14) se středovým zapuštěním, která je vytvořena jako vyjímatelná ze skeletu (13), a je opatřena rovným nebo kulovým víkem (53, 52).
3. 3. Topný systém podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že nejméně jeden výměník (32) výpamíku tepelného čerpadla je zhotoven z kovového nebo z plastového potrubí nebo z jejich kombinace, s hladkým nebo se zvlněným povrchem, přičemž je toto potrubí stočené do spirály (59, 58), nebo má zvlněný povrch (58a), neboje rovné či navzájem propletené.
4. 4. Topný systém podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že otopná soustava (40) uvnitř vytápěného objektu (39) je řešena jako přímá kondenzační, kdy je napojená na výtlačné potrubí (35 a 36) kompresoru (17) a na návratové sací potrubí (38) od nejméně jednoho kondenzátoru.
5. 5. Topný systém podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že otopná soustava (40) uvnitř vytápěného objektu (39) je vytvořena jako teplovodní s napojením výtlačného chladivového potrubí (35, 36) od kompresoru (17) na teplovodní deskový výměník tepla nebo na teplovodní výměník typu trubka v trubce.
6. 6. Topný systém podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že teplá voda pro objekt a/nebo pro bazén je ohřívána výměníkem tepla (61a) uspořádaným uvnitř nebo na plášti nádoby pro ohřev vody uložené ve skeletu (13), a/nebo je ohřívána prostřednictvím teplovodního výměníku typu deskového a/nebo teplovodního výměníku typu trubka v trubce.
7. 7. Topný systém podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že ve vsakovacím vrtu (2) nebo studni, a/nebo ve zdrojovém vrtu (1) nebo studni je umístěn tepelný výměník (48) solárního systému (49).
8. 8. Gravitační čerpací zařízení se sací čerpací komorou, použitelné pro topný systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že sací čerpací komora (28) sestává z nejméně jednoho pružného sacího těla (55), z hlavy (27) sací komory a ze spodní části (29) sací komory s nejméně jedním odtokovým otvorem (30), přičemž sací čerpací komora (28) je vyrobená jako pružná pro vytvoření podtlaku změnou jejího objemu a tvaru, a pro zajištění nasávání a tedy čerpání vody, nebo sací čerpací komora sestává ze dvou tuhých, dutých a vůči sobě těsněných plášťů s možným osovým pohybem nejméně jednoho z nich pro zajištění změny objemu sacího těla (55), přičemž pružnost sacího těla může být zajištěna

   - 10CZ 307561 B6 také vnitřním a/nebo vnějším připevněním nejméně jedné pružiny (60) z kovu a/nebo z pružných materiálů obsahujících kaučuk.
9. 9. Způsob gravitačního podtlakového přečerpávání kapalin a tekutin použitelný pro topný 5 systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že z ústí nejméně jednoho transportního potrubí napojeného na vsakovací vrt nebo studni a/nebo shromaždiště se do nejméně jedné pružné sací čerpací komory (28) přes sací hlavu (61) přivádí kapalina, přičemž pod tíhou čerpané kapaliny a čerpací komory tato čerpací komora mění svůj objem a po vypuštění kapaliny nejméně jedním výtokovým otvorem umístěným na čerpací komoře ίο nebo na připojeném výtokovém potrubí se v horní části sací čerpací komory (28) vytváří podtlak a tím dochází k sacímu efektu a k nasávání kapaliny z jejího shromaždiště.