CZ309830B6

CZ309830B6 - Zapojení tepelných čerpadel a způsob řízení tepelných čerpadel tohoto zapojení

Info

Publication number: CZ309830B6
Application number: CZ2022-492A
Authority: CZ
Inventors: Vojtěch Kovalík; Electrotechnics s.r.o. Kovalík; Pavel Holub; Pavel Ing. Holub
Original assignee: Electrotechnics s.r.o. Kovalík
Priority date: 2022-11-22
Filing date: 2022-11-22
Publication date: 2023-11-15
Also published as: EP4375589A1; CZ2022492A3

Abstract

Řešení prezentuje nové zapojení tepelných čerpadel (1), která mají primární kapalinové okruhy (2) do společného kapalinového okruhu (3) pro vytvoření efektivního zdroje tepla nebo chladu. Tepelná čerpadla (1) jsou primárními kapalinovými okruhy (2) zapojena do společného kapalinového okruhu (3), přičemž před a za každým připojením primárního kapalinového okruhu (2) do společného kapalinového okruhu (3) je nainstalován teplotní snímač (5). Chod tepelných čerpadel (1) je řízen regulátorem (6) podle nasnímané teploty z teplotních snímačů (5). Řešení prezentuje i způsob řízení tohoto zapojení tepelných čerpadel (1).

Description

Zapojení tepelných čerpadel a způsob řízení tepelných čerpadel tohoto zapojení

Oblast techniky

Vynález se týká společného zapojení alespoň dvou tepelných čerpadel přečerpávajících teplo, buď za účelem vytápění, nebo za účelem chlazení, a současně se vynález týká způsobu řízení jednotlivých tepelných čerpadel ve společném zapojení.

Dosavadní stav techniky

Pod pojmem tepelné čerpadlo si drtivá většina běžných uživatelů představí zařízení pro vytápění a ohřev, avšak z hlediska fyzikálního názvosloví je tepelným čerpadlem takové zařízení, které při výkonu své práce přečerpává teplo z jednoho prostoru do druhého. Tepelné čerpadlo spotřebovává energii k transportu tepla, nikoliv k jeho výrobě.

Nejvíce využívaným technickým řešením tepelných čerpadel jsou tepelná čerpadla mající alespoň jeden kompresorový hydraulický okruh zahrnující kondenzátor, expanzní trysku, výparník a kompresor. Principiálně tato tepelná čerpadla pracují tak, že kompresorovým hydraulickým okruhem cirkuluje chladivo, které v kondenzátoru kondenzuje na kapalinu, přičemž chladivo odevzdá nesené teplo, následně chladivo v podobě kapaliny pokračuje do expanzní trysky za níž se změní do plynné podoby, načež chladivo v plynné podobě putuje do výparníku, přes který se do chladiva naváže teplo z okolí, načež chladivo postupuje do kompresoru, který jej stlačí, čímž dojde ke koncentraci unášeného tepla, načež se cyklus opakuje a chladivo s koncentrovaným teplem vstupuje do kondenzátoru. Je tedy zřejmé, že příkon tepelného čerpadla slouží k provozu kompresoru a k cirkulaci chladiva kompresorovým hydraulickým okruhem, nikoliv k výrobě tepla.

Pokud slouží tepelné čerpadlo k vytápění a ohřevu, tak se výparník nachází v soustavě, ze které se teplo odčerpává, zatímco kondenzátor se nachází v soustavě s primárním kapalinovým okruhem, který přijímá do cirkulující kapaliny teplo k vytápění nebo ohřevu. U tepelných čerpadel k vytápění a ohřevu je sledovaným parametrem topný faktor (v praxi používaná zkratka COP z anglické definice „Coefficient of Performance“). Toto bezrozměrové číslo vypovídá o účinnosti zužitkování elektrické energie na teplo získané prostřednictvím tepelného čerpadla. Jedná se o teoretický poměr mezi získaným teplem a spotřebovanou elektrickou energií. Čím je topný faktor COP vyšší, tím je tepelné čerpadlo efektivnější.

V případě, že tepelné čerpadlo slouží k chlazení, tak se výparník nachází v soustavě s primárním kapalinovým okruhem, ze kterého se teplo cíleně odčerpává, zatímco kondenzátor se nachází v soustavě, ve které se teplo rozptyluje, či se cíleně odvádí k jinému zpracování. U tepelných čerpadel k chlazení je sledovaným parametrem chladicí faktor (v praxi používaná zkratka EER z anglické definice „Energy Efficiency Ratio“). Toto bezrozměrové číslo vypovídá o účinnosti zužitkování elektrické energie na chlad prostřednictvím tepelného čerpadla k chlazení. Jedná se o teoretický poměr mezi vyrobeným chladem a spotřebovanou elektrickou energií. Čím je chladicí faktor vyšší, tím je tepelné čerpadlo k chlazení efektivnější. Tepelné čerpadlo k chlazení se v praxi označuje slovem „chiller“ odvozeným od anglického slova „chill“ - chlad.

V současné době se skupina tepelných čerpadel zapojuje do společné otopné, nebo chladicí, soustavy paralelně, výjimečně i do série. Tyto způsoby nejsou patentově chráněny.

Nevýhodou dosud používaného paralelního zapojení tepelných čerpadel do společné otopné soustavy je to, že soustava pracuje na nízkém teplotním spádu a všechna tepelná čerpadla pracují na stejně vysoké kondenzační teplotě odpovídající požadavku na výši výstupní teploty do otopné soustavy. Díky tomu pracují tepelná čerpadla v paralelním zapojení na stejné hodnotě COP.

- 1 CZ 309830 B6

A současně nevýhodou dosud používaného způsobu paralelního zapojení tepelných čerpadel do společné chladicí soustavy je to, že soustava pracuje na nízkém teplotním spádu a všechna tepelná čerpadla pracují na stejně vysoké výparné teplotě odpovídající požadavku na výši výstupní teploty do chladicí soustavy. Díky tomu pracují na stejné hodnotě EER.

Co se týče nevýhody dosud používaného způsobu sériového zapojení tepelných čerpadel, tak ta spočívá v tom, že je výrazně omezen maximální průtok otopnými, nebo chladicími, soustavami. Zpravidla lze tak zapojovat jen dvě tepelná čerpadla.

Úkolem vynálezu je nalézt zapojení tepelných čerpadel a způsob řízení tepelných čerpadel v takovém zapojení, které by odstranily nedostatky známých řešení a umožnily by dosahovat vysokých průtoků tepelnými čerpadly při dosažení vyššího teplotního spádu a nižšího průtoku v otopné nebo chladicí soustavě, dále by dosahovaly celkově vyššího COP a EER, a dále by umožnily dosažení vyšší akumulační schopnosti otopné, nebo chladicí, soustavy a dosahovaly by menšího sezónního počtu startů kompresorů tepelných čerpadel.

Podstata vynálezu

Vytčený úkol byl vyřešen vytvořením zapojení tepelných čerpadel a způsobu řízení tepelných čerpadel v zapojení podle níže uvedeného vynálezu.

Zapojení je zacíleno na tepelná čerpadla, která mají ve své výbavě primární kapalinové okruhy pro připojení do společného kapalinového okruhu, za účelem vytvoření efektivního zdroje tepla nebo chladu.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že alespoň dvě tepelná čerpadla jsou svými primárními kapalinovými okruhy zapojena do společného kapalinového okruhu. Zapojení překonává nedostatky ze stavu techniky popsaného stejno teplotního paralelního zapojení a sériového zapojení. Současně je společný kapalinový okruh opatřen alespoň jedním hydraulickým čerpadlem, jehož úkolem je provozovat cirkulaci kapaliny ve společném kapalinovém okruhu. Dále je podstatné, že před a za každým připojením příslušného primárního kapalinového okruhu do společného kapalinového okruhu je nainstalován teplotní snímač. Teplotní snímače zjišťují teplotu cirkulující kapaliny po příspěvcích jednotlivých zapojených tepelných čerpadel. Současně jsou tepelná čerpadla a hydraulická čerpadla komunikačně připojena k alespoň jednomu regulátoru pro řízení jejich chodu, protože bez regulátoru by nebylo možné harmonizovat činnost jednotlivých částí zapojení na celkový výsledek, tj. na teplotu kapaliny na výstupu ze společného kapalinového okruhu. Současně je regulátor komunikačně připojen k teplotním snímačům, aby měl k dispozici informace, jakou měrou jednotlivé části ve vynalezeném zapojení ovlivňují teplotu kapaliny cirkulující společným kapalinovým okruhem.

Vynalezené zapojení je vhodné jak pro ohřev, tak pro chlazení, přičemž je použitelné pro vytvoření efektivního zdroje tepla nebo chladu. Vzhledem k paralelnímu charakteru zapojení s nestejnými pracovními teplotami je cesta k požadované teplotě rozdělena na menší úseky, což je z hlediska provozu tepelných čerpadel výhodnější řešení, než je tomu u paralelního zapojení popsaného v dosavadním stavu techniky. Současně vynalezené zapojení překonává známé sériové zapojení tím, že dokáže pracovat s větším průtokem uvnitř společného kapalinového okruhu.

V rozšiřujícím provedení vynálezu je s výhodou společný kapalinový okruh zapojen do nejméně jedné akumulační nádoby. Akumulační nádoba dokáže uchovat větší objem cirkulující kapaliny při vyšším teplotním spádu, čímž je možné uskladnit více tepla, či chladu. Alternativně může být pro některé aplikace vynálezu výhodné, pokud je společný kapalinový okruh zapojen přímo do otopné soustavy, nebo do chladicí soustavy.

- 2 CZ 309830 B6

V dalším možném rozšiřujícím provedení vynálezu je s výhodou nejméně jeden z primárních kapalinových okruhů před připojením ke společnému kapalinovému okruhu osazen akumulační nádrží. Tato varianta vynálezu nalezne uplatnění v situacích, kdy je pro provoz tepelného čerpadla výhodnější naakumulovat teplo nebo chlad v předstihu, načež je v rámci vynalezeného zapojení toto teplo použito k ovlivňování teploty cirkulující kapaliny uvnitř společného kapalinového okruhu.

Pro další přípustné aplikace vynálezu je výhodné provedení zapojení, ve kterém je primární kapalinový okruh hydraulicky nezávislý vůči společnému kapalinovému okruhu. Hydraulická nezávislost je podmínkou spolehlivého a bezpečného provozu tepelných čerpadel.

Pokud má sloužit vynález jako zdroj chladu, tak je pro jeho provozní efektivitu výhodné, aby na prvním místě vynalezeného zapojení byl připojen přes primární kapalinový okruh absorpční chiller. Absorpční chiller vykazuje výhodnou účinnost provozu při ochlazování z vyšších teplot, proto jeho zařazení na první místo ve vynalezeném zapojení přinese největší užitek.

Součástí vynálezu je také způsob řízení tepelných čerpadel v zapojení. Po známém postupovém kroku a) stanoví se požadovaná teplota kapaliny na výstupu ze společného kapalinového okruhu, a známém postupovém kroku b) změří se teplota na posledním teplotním snímači ve smyslu směru cirkulace kapaliny společným kapalinovým okruhem a stanoví se teplotní diference mezi požadovanou teplotou a skutečnou teplotou cirkulující kapaliny, navazují nové postupové kroky tvořící podstatu vynálezu. Jedná se o postupové kroky c) teplotní diference se rozdělí na teplotní intervaly pro jednotlivé paralelně zapojená tepelná čerpadla, a postupový krok d) podle požadovaných teplotních intervalů jsou tepelná čerpadla aktivována pro dosažení požadované teploty kapaliny na výstupu ze společného kapalinového okruhu. Tepelná čerpadla plnící úkol změny teploty v rozsahu teplotního intervalu mají v součtu lepší výsledek hodnoty COP, eventuálně EER.

Kromě ovládání chodu tepelných čerpadel je výhodné provedení vynalezeného způsobu, ve kterém se v rámci postupového kroku d) současně ovládá výkon hydraulických čerpadel společného kapalinového okruhu. Kromě momentálního výkonu tepelných čerpadel může na splnění teplotní intervalu mít vliv rychlost cirkulace kapaliny skrz společný kapalinový okruh.

V neposlední řadě je výhodné provedení vynalezeného způsobu, ve kterém jsou v rámci postupového kroku c) teplotní intervaly stejně veliké. Rozdělení teplotní diference na stejně velké teplotní intervaly usnadní proces regulace tepelných čerpadel.

Z odborného hlediska je výhodné, že ve vynalezeném zapojení je teplosměnná kapalina ze společného kapalinového okruhu zaváděna do přiřazeného tepelného čerpadla a následně je zase vrácena do společného kapalinového okruhu s teplotou pozměněnou dle teplotního intervalu. Na společném kapalinovém okruhu pak následuje primární okruh dalšího tepelného čerpadla, a to se opakuje podle počtu tepelných čerpadel.

Vynalezené zapojení tepelných čerpadel pro zdroj tepla podstatně zvýší účinnost, umožní dosažení deklarované výstupní teploty topného média a umožní dosažení vysokého teplotního spádu topného média (až 50/30 °C). První tepelné čerpadlo v zapojení bude provozováno na nízké teplotě s vysokým COP, poslední tepelné čerpadlo v zapojení bude provozováno na vysoké teplotě s nízkým COP. Při klasickém paralelním zapojení kaskády by pracovala všechna tepelná čerpadla pro ohřev na vysoké vstupní i výstupní teplotě topného média s nízkým COP.

Analogicky vynalezené zapojení pro zdroj chladu podstatně zvýší EER, tedy účinnost výrobníků chladného média (tzv. chillerů). V režimu chlazení vynalezené zapojení také umožní vyšší teplotní spád, přičemž se zase zvýší celkové EER a zvýší se značně akumulace chlazení a sníží se počet startů kompresorů. To platí vyjma období, kdy je maximální spotřeba chladu na hranici výkonových možností systému chlazení (zpravidla velmi krátké časové období v sezóně).

- 3 CZ 309830 B6

Objasnění výkresů

Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 je schematické znázornění dosavadního stavu techniky s paralelně zapojenými tepelnými čerpadly řízenými kaskádovým řadičem podle požadované teploty na výstupu topné vody;

obr. 2 je schematické znázornění dosavadního stavu techniky s paralelně zapojenými chillery řízenými kaskádovým řadičem podle požadované teploty na výstupu chladicí vody;

obr. 3 je schematické znázornění dosavadního stavu techniky sériového hydraulického zapojení tepelných čerpadel řízených kaskádovým řadičem podle požadované teploty na výstupu topné vody;

obr. 4 je schematické znázornění dosavadního stavu techniky sériového hydraulického zapojení chillerů řízených kaskádovým řadičem podle požadované teploty na výstupu chladicí vody;

obr. 5 je schematické znázornění vynalezeného zapojení čtyř tepelných čerpadel pro ohřev, ve kterém je společný kapalinový okruh zapojen do akumulace tepla;

obr. 6 je schematické znázornění vynalezeného zapojení čtyř tepelných čerpadel pro ohřev, ve kterém je společný kapalinový okruh zapojen přímo do otopné soustavy;

obr. 7 je schematické znázornění vynalezeného zapojení čtyř dílčích tepelných čerpadel pro ohřev, ve kterém, společný kapalinový okruh dílčích tepelných čerpadel tvoří primární kapalinový okruh jednoho složeného tepelného čerpadla;

obr. 8 je schematické znázornění vynalezeného zapojení dvou tepelných čerpadel pro ohřev, ve kterém jsou tepelná čerpadla ovládána regulátorem podle teploty z teplotních snímačů a současně je společný kapalinový okruh zapojen do akumulace tepla;

obr. 9 je schematické znázornění vynalezeného zapojení dvou tepelných čerpadel pro ohřev, ve kterém jsou primární kapalinové okruhy čerpadel zavedeny do akumulačních nádob propojených společným kapalinovým okruhem;

obr. 10 je schematické znázornění vynalezeného zapojení čtyř tepelných čerpadel pro ohřev, ve kterém jsou primární kapalinové okruhy čerpadel zavedeny do akumulačních nádob propojených společným kapalinovým okruhem;

obr. 11 je schematické znázornění vynalezeného zapojení čtyř chillerů, ve kterém je společný kapalinový okruh zapojen do akumulace chladu;

obr. 12 je schematické znázornění vynalezeného zapojení čtyř chillerů, ve kterém je společný kapalinový okruh zapojen přímo do chladicí soustavy;

obr. 13 je schematické znázornění vynalezeného zapojení čtyř dílčích chillerů, ve kterém společný kapalinový okruh dílčích chillerů tvoří primární kapalinový okruh jednoho složeného chilleru;

obr. 14 je schematické znázornění vynalezeného zapojení tří chillerů včetně jednoho absorpčního chilleru, ve kterém je společný kapalinový okruh zapojen do akumulace chladu;

- 4 CZ 309830 B6 obr. 15 je schematické znázornění vynalezeného zapojení dvou chillerů, ve kterém jsou chillery ovládány regulátorem podle teploty z teplotních snímačů a současně je společný kapalinový okruh zapojen do akumulace tepla;

obr. 16 je schematické znázornění vynalezeného zapojení dvou chillerů, ve kterém jsou primární kapalinové okruhy čerpadel zavedeny do akumulačních nádob propojených společným kapalinovým okruhem; a obr. 17 je schematické znázornění vynalezeného zapojení čtyř chillerů, ve kterém jsou primární kapalinové okruhy chillerů zavedeny do akumulačních nádob propojených společným kapalinovým okruhem.

Příklad uskutečnění vynálezu

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení vynálezu na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde popsána.

Vynález pracuje s obecným pojmem tepelné čerpadlo, což je stroj, který při výkonu své práce přečerpává teplo a záleží už pouze na aplikaci, zda je použito k ohřevu, či ke chlazení. V rámci kapitoly příklad uskutečnění vynálezu je pro tepelné čerpadlo používané ke chlazení použito slovo chiller.

Na obr. 1 je znázorněno v rámci dosavadního stavu techniky známé řešení paralelního hydraulického zapojení tepelných čerpadel 1 řízených kaskádovým řadičem 11 podle požadované teploty na výstupu topné vody. Vzhledem k tomu, že všechna tepelná čerpadla 1 musejí překonávat stejnou teplotní diferenci, mají stejné COP, které při větších teplotních spádech ve vyšších teplotách je velice nízké.

Na obr. 2 je znázorněno v rámci dosavadního stavu techniky známé řešení paralelního hydraulického zapojení chillerů 1‘ řízených kaskádovým řadičem 11 podle požadované teploty na výstupu chladicí vody. Vzhledem k tomu, že všechny chillery 1‘ musejí překonávat stejnou teplotní diferenci, mají stejné EER, které při větších teplotních spádech je velice nízké.

Na obr. 3 je znázorněno v rámci dosavadního stavu techniky známé řešení sériového hydraulického zapojení tepelných čerpadel 1 řízených kaskádovým řadičem 11 podle požadované teploty na výstupu topné vody. V sériovém zapojení je teplotní diference překonávána postupně jednotlivými příspěvky z tepelných čerpadel 1, avšak za cenu zvyšujícího se hydraulického odporu, neboť v sériovém zapojení každý člen série přidá vlastní vnitřní hydraulický odpor a prodlužuje délku společného kapalinového okruhu 3. Sériové zapojení je tedy limitováno průtokem. Analogicky tomu je i na obr. 4 pro chillery 1‘, které mají za úkol teplo odvádět, nikoliv shromažďovat.

Na obr. 5 je znázorněno vynalezené zapojení v příkladu uskutečnění, ve kterém jsou čtyři tepelná čerpadla 1 svými primárními kapalinovými okruhy 2 připojena ke společnému kapalinovému okruhu 3. Před a za každým připojením primárního kapalinového okruhu 2 je na společném kapalinovém okruhu 3 nainstalován teplotní snímač 5. Teplotní snímače 5 poskytují informaci o teplotě vstupující cirkulující kapaliny do začátku vynalezeného zapojení tepelných čerpadel 1, dále změnu teploty za každým tepelným čerpadlem 1. Součástí zapojení je akumulační nádrž 7, do které je společný kapalinový okruh 3 zaveden. K akumulační nádrži 7 je připojena otopná soustava 8. Cirkulaci kapaliny ve společném kapalinovém okruhu 3 zajišťuje hydraulické čerpadlo 4.

- 5 CZ 309830 B6

Z obr. 5 je seznatelné, že na počátku byla teplota cirkulující kapaliny 30 °C, načež na konci byla teplota cirkulující kapaliny 46 °C. To znamená, že teplotní diference byla 16 °C, a byla rozdělena mezi čtyři tepelná čerpadla 1 po 4 °C. První tepelné čerpadlo 1 v pořadí z hlediska směru cirkulace ohřívá na nízké teplotní úrovni při vysokém COP, následující primární kapalinový okruh 2 s tepelným čerpadlem 1 ohřívá cirkulující kapalinu na mírně vyšší teplotní úrovni při mírně horším COP, a tak dále, až poslední tepelné čerpadlo 1 v zapojení ohřívá cirkulující kapalinu na nejvyšší teplotní úrovni při nejhorším COP. Tepelný výkon tepelných čerpadel 1 je řízen regulátorem 6 vynalezeného zapojení tepelných čerpadel 1 na základě údajů teplotních čidel 5 tak, aby byla dosažena požadovaná výstupní teplota cirkulující kapaliny (topného média). Požadovaný teplotní spád je řízen regulátorem 6 vynalezeného zapojení tepelných čerpadel 1, tak že na základě údajů teplotních čidel 5 řídí hydraulický výkon oběhového čerpadla 4 společného kapalinového okruhu 3.

Regulátor 6 je k tepelným čerpadlům 1 a ke snímačům teploty 5 vynalezeného zapojení komunikačně připojen kabely, nebo bezdrátově. Komunikační datové toky, či kabelové komunikační dráhy, nejsou na obr. 5 s vyobrazenými hydraulickými drahami znázorněny.

Příklad uskutečnění z obr. 6 se od příkladu uskutečnění ilustrovaného obr. 5 liší tím, že je společný kapalinový okruh 3 zapojen přímo do otopné soustavy 8. Úkolem příkladu je ukázat, že vynález je možné aplikovat do palety různých realizací pro ohřev, a to buď napřímo, nebo přes akumulační nádrže 7.

Na obr. 7 je znázorněn případ uskutečnění vynálezu, které prezentuje jedno složené tepelné čerpadlo 1 zhotovené ze čtyř dílčích kompresorových okruhů tepelných čerpadel. Princip vynálezu je tedy použitelný nejenom při zhotovování celých systémů viz předcházející příklady uskutečnění vynálezu, ale i při zhotovení jediného složeného tepelného čerpadla se zvýšenou hodnotou COP.

Na obr. 8 je znázorněn příklad uskutečnění vynálezu se dvěma tepelnými čerpadly 1, které nahřívají cirkulující médium ve společném kapalinovém okruhu 3 vybaveného akumulační nádrží 7 pro uskladnění získaného tepla.

Co se týče příkladu uskutečnění vynálezu vyobrazeného na obr. 9, tak změnou ve vynálezu je to, že jsou akumulační nádrže 7 připojené přímo k primárním okruhům 2 tepelných čerpadel 1, a že společný kapalinový okruh 3 navazuje až za akumulačními nádržemi 7. Uvedený příklad vynálezu zefektivňuje provoz, protože tepelná čerpadla 1 mohou nastřádat teplo do akumulačních nádrží 7 za příhodnějších podmínek (např. v nízkém tarifu distribuce elektrické energie), a za méně výhodných provozních podmínek pracovat s minimálním nasazením, nebo jsou díky akumulaci tepla poníženy počty startů, což prodlužuje životnost tepelných čerpadel 1. Regulace na základě stanovení teplotní diference pomocí nasnímané teploty teplotními snímači 5 a její rozdělení podle počtu zapojených tepelných čerpadel 1 probíhá stále stejně.

Na obr. 10 je varianta vynálezu analogická k příkladu z obr. 9 s rozdílem, že vynález ilustrovaný na obr. 10 zahrnuje čtyři tepelná čerpadla 1.

Tepelná čerpadla 1 uvedená výše v textu příkladu uskutečnění vynálezu sloužila k ohřevu. Uvedená grafika na obrázcích znázorňuje, že tepelná čerpadla 1 jsou kompresorová, tzn., že mají kompresor, kondenzátor, expanzní ventil a výparník.

V navazujících ilustrovaných příkladech uskutečnění vynálezu budou používána tepelná čerpadla 1 sloužící ke chlazení, která se budou nazývat chillery 1ý. Principiálně se chiller 1‘ = tepelné čerpadlo 1 ke chlazení. Dle schematického vyobrazení v ilustracích bude zřejmé, že chillery 1‘ mají rovněž kompresor, výparník, kondenzátor a expanzní ventil.

- 6 CZ 309830 B6

Na obr. 11 je vyobrazen vynález se čtyřmi chillery 1‘, které mají své primární kapalinové okruhy 2 připojené ke společnému kapalinovému okruhu 3. Společný kapalinový okruh 3 je opatřen akumulační nádrží 7 pro uskladnění chladu. Pod pojmem uskladnění chladu je zjednodušeně sděleno, že se uvnitř akumulační nádrže 7 nachází vychlazená kapalina mající díky nízké teplotě potenciál vstřebat teplo, čímž působí chladně. I pro chlazení vynález pracuje s teplotními snímači 5 nainstalovanými na společném kapalinovém okruhu 3 před a za každým připojením primárního kapalinového okruhu 2. Regulátor 6 analogicky k předcházejícím příkladům uskutečnění vynálezu zjistí teplotní diferenci, kterou rozdělí na teplotní intervaly pro jednotlivé chillery U. Cirkulaci ve společném kapalinovém okruhu zajišťuje hydraulické čerpadlo 4.

Na obr. 12 je ilustrován vynález podobný variantě vynálezu z obr. 11, avšak s rozdílem, že společný kapalinový okruh 3 je zapojen přímo do chladicí soustavy 9.

První z primárních kapalinových okruhů 2 s chillerem 1‘ cirkulující kapalinu (chladicí médium) ochlazuje na vysoké teplotní úrovni při vysokém EER, následující chiller 1‘ chladicí médium ochlazuje na mírně nižší teplotní úrovni při mírně horším EER a tak dále, až poslední chiller 1‘ v zapojení ochlazuje chladicí médium na nejnižší teplotní úrovni při nejhorším EER. Chladicí výkon chillerů 1‘ je řízen regulátorem 6 vynalezeného zapojení chillerů 1‘ na základě údajů teplotních čidel 5 tak, aby byla dosažena požadovaná výstupní teplota chladicího média. Požadovaný teplotní spád je řízen regulátorem 6 vynalezeného zapojení chillerů 1‘ tak, že na základě údajů teplotních čidel 5 řídí hydraulický výkon oběhového hydraulického čerpadla 4 společného kapalinového okruhu 3.

Na obr. 13 je ilustrován složený chiller 1‘, který je postaven jako celek z několika kompresorových okruhu dílčích chillerů 1‘, které jsou svými primárními kapalinovými okruhy 2 připojené ke společnému kapalinovému okruhu 3. Je zřejmé, že princip vynálezu je aplikovatelný jak pro jednotky (složené chillery H), tak po celé systémy viz předchozí příklady uskutečnění s chillery H

Na obr. 14 je ilustrované uskutečnění vynálezu, ve kterém je použit absorpční chiller 10. Absorpční chiller 10 je efektivní při odebírání tepla z cirkulující kapaliny s vyšší teplotou, proto je ve vynalezeném zapojení umístěn na prvním místě z pohledu cirkulace kapaliny společným kapalinovým okruhem 3. Poté ve vynalezeném zapojení následují chillery 1‘ s kompresory. Regulátor 6 ovládá chod všech tepelných čerpadel 1 v zapojení, a dále i absorpčního chilleru 10.

Obr. 15 ilustruje příklad uskutečnění zapojení podle vynálezu, ve kterém jsou dva chillery 1‘ a jejich společný kapalinový okruh 3 je opatřen akumulační nádrží 7.

Na obr. 16 je znázorněna varianta, ve které jsou primární kapalinové okruhy 2 dvou chillerů 1‘ opatřeny akumulačními nádržemi 7. Příklad je analogický k příkladu z obr. 9, akorát se jedná o uchovávání chladu. Chillery 1‘ mohou připravit chlad za příhodnějších podmínek, načež při méně výhodných podmínkách nemusí být provozovány na velkém výkonu. Chillery 1‘ díky akumulaci chladu mohou snížit počet startů a prodloužit tak svou životnost.

Obr. 17 ilustruje podobné uskutečnění zapojení k předcházejícímu příkladu, avšak s rozdílem, že jsou v zapojení čtyři chillery H

Způsob činnosti tepelných čerpadel ve vynalezeném zapojení je následující:

a) regulátorem 6 se stanoví požadovaná teplota kapaliny na výstupu ze společného kapalinového okruhu 3,

- 7 CZ 309830 B6

b) regulátorem 6 se změří teplota na posledním teplotním snímači 5 ve smyslu směru cirkulace kapaliny společným kapalinovým okruhem 3 a stanoví se teplotní diference mezi požadovanou teplotou a skutečnou teplotou cirkulující kapaliny,

c) regulátorem 6 se teplotní diference rozdělí na teplotní intervaly pro jednotlivá zapojená tepelná čerpadla 1,

d) podle požadovaného teplotního intervalu jsou regulátorem 6 tepelná čerpadla 1 aktivována pro dosažení požadované teploty kapaliny na výstupu ze společného kapalinového okruhu 3.

Výše uvedené kroky automatizuje regulátor 6, kterým je např. programovatelný automat. Regulátor 6 podle svého programu ovládá provozní parametry tepelných čerpadel 1 pro ohřev (nebo pro chlazení chillerů 12) a/nebo ovládá výkon hydraulického čerpadla 4, kterým mění parametry cirkulace kapaliny společným kapalinovým okruhem 3.

V případě, že jsou všechna tepelná čerpadla 1 stejných parametrů, je teplotní diference rozdělena mezi ně na přibližně stejné teplotní intervaly. Na druhou stranu, pokud jsou tepelná čerpadla 1 ve vynalezeném zapojení z hlediska parametrů různá, je možné naprogramovat regulátor 6 tak, aby jejich provozní parametry při dělení teplotní diference na teplotní intervaly vzal v úvahu.

Požadovaná výstupní teplota topného média, respektive chladného média, se mění podle venkovní teploty, a to podle ekvitermní křivky. Ekvitermní regulace teploty spočívá v nastavení teploty topného, respektive chladicího, média v závislosti na venkovní teplotě. Charakteristika spotřebičů tepla, respektive chladu a celé otopné, respektive chladicí, soustavy 8 a 9 určuje výši teplotní diference. Ta se může v závislosti na venkovní teplotě také měnit.

Vynalezená regulace stanoví výstupní teplotu média a teplotní spád. Toto je již známé řešení, avšak po novu následně rozdělí teplotní spád na jednotlivé entity (tepelná čerpadla 1 nebo chillery 12), které jsou zapojeny paralelně ke společnému kapalinovému okruhu 3, přičemž reguluje jejich výkon a oběh média entitou tak, aby byl teplotní spád na entitě dosažen. Při požadovaném nízkém celkovém výkonu kaskády entit ve vynalezeném zapojení regulace postupně entity odpojuje.

Praktické pokusy předběžně ukazují, že vynález u tepelných čerpadel 1 dosahuje vyšší sezónní COP o hodnotu 0,6 a u chillerů 1‘ dosahuje vyšší sezónní EER o hodnotu 0,5.

Průmyslová využitelnost

Způsob zapojení tepelných čerpadel podle vynálezu je využitelný u všech centrálních zdrojů tepla nebo chladu skládajících se minimálně ze dvou tepelných čerpadel, a to jak v klimatizovaných objektech, tak v systémech průmyslového chlazení. Umožňuje zvýšení výkonu a akumulační schopnosti soustav, kdy jsou tepelná čerpadla zapojena přímo do otopné, respektive chladicí soustavy. Umožňuje snížení hydraulického průtoku otopnou, respektive chladicí soustavou, přičemž dochází k úspoře čerpací práce a lepšímu hydraulickému vyvážení soustavy. Vynalezený způsob zapojení tepelných čerpadel zvyšuje jejich životnost.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zapojení tepelných čerpadel (1) pro vytvoření efektivního zdroje tepla nebo chladu, kde každé tepelné čerpadlo (1) je opatřeno primárním kapalinovým okruhem (2), vyznačující se tím, že alespoň dvě tepelná čerpadla (1) jsou svými primárními kapalinovými okruhy (2) zapojena do společného kapalinového okruhu (3), kde společný kapalinový okruh (3) je opatřen alespoň jedním hydraulickým čerpadlem (4), a že před a za každým připojením příslušného primárního kapalinového okruhu (2) do společného kapalinového okruhu (3) je nainstalován teplotní snímač (5), přičemž jsou tepelná čerpadla (1) a hydraulická čerpadla (4) komunikačně připojena k alespoň jednomu regulátoru (6) pro řízení jejich chodu, a současně je regulátor (6) komunikačně připojen k teplotním snímačům (5).
2. Zapojení podle nároku 1, vyznačující se tím, že společný kapalinový okruh (3) je zapojen do nejméně jedné akumulační nádoby (7).
3. Zapojení podle nároku 1, vyznačující se tím, že společný kapalinový okruh (3) je zapojen přímo do otopné soustavy (8) nebo chladicí soustavy (9).
4. Zapojení podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že nejméně jeden z primárních kapalinových okruhů (2) je ke společnému kapalinovému okruhu (3) připojen přes akumulační nádrž (7).
5. Zapojení podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že každý primární kapalinový okruh (2) je hydraulicky nezávislý vůči společnému kapalinovému okruhu (3).
6. Zapojení podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že pro efektivní zdroj chladu je v zapojení na první pozici společného kapalinového okruhu (3) z hlediska cirkulace kapaliny připojený primární kapalinový okruh (2) absorpčního chilleru (10).
7. Způsob řízení tepelných čerpadel (1) v zapojení podle některého z nároků 1 až 6, obsahující následující postupové kroky:

a) stanoví se požadovaná teplota kapaliny na výstupu ze společného kapalinového okruhu (3);

b) změří se teplota na posledním teplotním snímači (5) ve smyslu směru cirkulace kapaliny společným kapalinovým okruhem (3) a stanoví se teplotní diference mezi požadovanou teplotou a skutečnou teplotou cirkulující kapaliny, vyznačující se tím, že dále obsahuje postupové kroky:

c) teplotní diference se rozdělí na teplotní intervaly pro jednotlivá zapojená tepelná čerpadla (1); a

d) podle požadovaného teplotního intervalu jsou tepelná čerpadla (1) aktivována pro dosažení požadované teploty kapaliny na výstupu ze společného kapalinového okruhu (3).
8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že v postupovém kroku d) se současně ovládá výkon hydraulických čerpadel (4) společného kapalinového okruhu (3).
9. Způsob podle nároku 7 nebo 8, vyznačující se tím, že v postupovém kroku c) jsou teplotní intervaly v podstatě stejně veliké.