Sdružený systém pro ohřev užitkové vody a otopného média pro domovní vytápění a/nebo pro chlazení otopného média pro domovní chlazení

Oblast techniky

Technické řešení se týká sdruženého systému pro ohřev užitkové vody a otopného média pro domovní vytápění a/nebo pro chlazení otopného média pro domovní chlazení, zahrnujícího dva nezávislé zdroje otopného media, jako kotelní jednotku (stacionární kotel) a/nebo tepelné čerpadlo apod. a/nebo zdroj chladu, pomocí primárních okruhů připojených paralelně do sdruženého systému prostřednictvím tepelného výměníku, zejména deskového, a nejméně jedno teplo z otopného média jímající paralelně připojené okruhy, jednak pro otopnou domovní soustavu nebo chladící domovní soustavu a jednak pro ohřev užitkové vody s rozhraním přes vlastní tepelný výměník.

Dosavadní stav techniky

Realizace vytápěcích systémů nebo soustav, které využívají tepelnou energii ze spalovacího kotle jak pro vytápění obytných místností příbytku, tak pro ohřívání (sanitární) užitkové vody pro využití, například pro sprchy, koupele apod., jsou ze známého stavu techniky známé.

Takové vytápěcí soustavy obsahují proti kotli umístěný primární tepelný výměník, kterým prochází teplosměnná tekutina, obvykle voda, která probíhá v důsledku působení tlaku příslušného oběhového čerpadla radiátory ve vytápěných místnostech.

Na výstupní trubce otopného média, vycházející z kotle, je zpravidla uspořádán průtokový přepínací třícestný ventil pro umožnění napájení horkou tekutinou sekundárního tepelného výměníku, jako alternativy k radiátorům. Tento sekundární tepelný výměník umožňuje ohřívání užitkové vody pro její distribuci do sanitárního příslušenství obydlí prostřednictvím odebírání tepla přímo z otopného média vytápěcí soustavy, a tím využívání tepelné energie kotle.

Třícestný průtokový přepínací ventil však u známých soustav není schopen diferencovaně rozdělit průtoky horkého otopného média mezi okruh radiátorů a okruh sekundárního tepelného výměníku. Řečený ventil je ovládán prostřednictvím binární logiky, přičemž může mít pouze dvě krajní polohy, tzn. jednu pro napájení radiátorů, pokud není současně vyžadována ohřátá užitková voda domácími uživateli a jednu pro napájení sekundárního tepelného výměníku, pokud je užitková voda vyžadována. Přepínací povel pro ventil je vydáván vhodnými řídícími prostředky tehdy, pokud snímač minimálního průtoku, připevněný na trubce sanitární vody zjistí určitý požadavek na ohřátou užitkovou, resp. sanitární vodu, například P,5 1/m.

Tento typ vytápěcí soustavy umožňuje na jedné straně využívat tepelnou energii kotle pro dvojí účel, jak pro vytápění domácího prostředí, tak pro ohřev užitkové vody, avšak na druhé straně často způsobuje výrazné ztráty energie. Totiž pokud existuje minimální požadavek na užitkovou vodu, zpravidla je i vyhřívání radiátorů v obydlí zastaveno, takže je celá a nadměrně dostupná tepelná energie využívána pro ohřívání jen malého množství vody.

Nedostatky známých řešení systému ohřevu užitkové vody a otopného média pro domovní vytápění z větší části odstraňuje řešení dle českého užitného vzoru CZ31064 švýcarské firmy ALMEVA AG známé pod obchodním názvem (LIWA Box - GIGA). Tento typ sdruženého systému ohřevu užitkové vody a otopného média pro domovní vytápění odstraňuje shora uvedené nedostatky známého uspořádání zařízení pro ovládání vytápěcích průtoků v kombinovaných vytápěcích jednotkách pro sanitární, resp. primárně užitkovou vodu pro obytné místnosti a nepřímý ohřev čerstvé vody.

- 1 CZ 32676 Ul

Obecným úkolem tohoto technického řešení je zlepšení dosavadní techniky známé pod značkou LI WA Box - GIGA vytvořením nového sdruženého systému, který má nové uspořádání zapojení. Příprava topného media a chladícího media je připravována centrálně a je přesunuta do technické místnosti, například v suterénu budovy. Nový sdružený systém je díky centrální přípravě media možné umístit do jednotlivých bytů nezávisle na počtu potřebných sdružených systémů a zjednodušit instalaci na místě při maximálně možné úspoře energie s nej lepší možnou technikou a ovládáním.

Podstata technického řešení

Odstranění nedostatků stávajících systémů je podle technického řešení dosaženo sdruženým systémem pro ohřev užitkové vody a otopného média pro domovní vytápění a/nebo pro chlazení otopného média pro domovní chlazení, který oproti původnímu sdruženému systému je rozšířen o primární okruh chladícího média pro domovní chlazení.

Technickým řešením je sdružený systém pro ohřev užitkové vody a otopného média pro domovní vytápění a/nebo pro chlazení otopného média pro domovní chlazení, který zahrnuje alespoň dva paralelně připojené nezávislé zdroje otopného media, jako například kotel a/nebo tepelné čerpadlo se společným okruhem pro rozvod a vracení teplonosného média jakož i zdroj chladu s okruhem pro rozvod a vracení chladícího média, topná tělesa a deskový výměník s připojeným otevřeným okruhem pro ohřev a dodávku teplé užitkové vody charakteristický tím, že paralelní okruhy sdruženého systému, osazené třemi ventily a deskový výměník jsou vzájemně propojené a/nebo oddělené přes hydraulický vyrovnávač dynamických tlaků. Hydraulický vyrovnávač dynamických tlaků představuje v podstatě malý zásobník, kterým protéká otopné médium a může vněm docházet k míšení přívodu a vratu teplonosného média. Uvnitř sdruženého systému funguje na základě fyzikálních principů tak, že na základě teploty topného média rozděluje a vyrovnává jeho průtoky systémem. Je schopen oddělit spojené hydraulické okruhy tak, aby byly na sobě nezávislé. Hydraulický vyrovnávač dynamických tlaků tedy odděluje připojené strany, tj. společný (primární) okruh a sdružený systém (sekundární okruh) teplotně i tlakově. V zásadě vzniká mezi přívodním a zpětným potrubím zanedbatelná tlaková ztráta při splnění rychlostí proudění do 0,15 m/s. Současně odstraňuje nečistoty z topného systému. Funkce externího zásobníku je tedy, díky centralizované přípravě media, nahrazena hydraulickým vyrovnávačem dynamických tlaků, do kterého je dopravováno teplonosné medium o požadované teplotě. Rozvody teplonosného média, teplá kotelní větev od kotle a teplá větev od tepelného čerpadla společného okruhu jsou s hydraulickým vyrovnávačem dynamických tlaků propojeny přes třícestný ventil s dálkovým ovládáním, zatímco studená větev od kotle a studená větev od tepelného čerpadla společného okruhu jsou s hydraulickým vyrovnávačem dynamických tlaků propojeny přes dvoucestný ventil s dálkovým ovládáním. Požadovaná teplota otopného média je centrálně připravována před vstupem do sdruženého systému a je řízena prostřednictvím směšovacích třícestných ventilů k diferenciálnímu přepnutí buď na okruh ohřevu užitkové vody nepřesahující teplotu 55 °C, nebo na okruh pro domovní vytápění s teplotou i nad 55 °C. Horký výstup horkého teplonosného média z hydraulického vyrovnávače dynamických tlaků osazený oběhovým čerpadlem a snímačem teploty je rozdělen na výměníková větev zaústěnou do deskového výměníku a na propojovací větev propojenou s třícestným ventilem pro alternativní propojování společného okruhu pro rozvod a vracení teplonosného média a/nebo okruhu pro rozvod a vracení chladícího média s topnými a/nebo chladícími tělesy. Sdružený systém má na okruhu pro otopnou domovní soustavu umístěn podlahový rozdělovač a sběrač pro podlahové vytápění nebo chlazení. Deskový výměník je na výstupní straně připojen na otevřený okruh pro ohřev a dodávku teplé užitkové vody, který zahrnuje spínač proudění s čidlem, cirkulační čerpadlo a snímač teploty, přičemž na vstupní straně je deskový výměník vratnou větví, spolu s vratnou otopnou větví, přes třícestný ventil, propojen s hydraulickým vyrovnávačem dynamických tlaku.

-2CZ 32676 UI

Objasnění výkresů

Další výhody a význaky předloženého technického řešení jsou dále patrny z výkresu, kde znaěí: Obr. 1 schematické blokové uspořádání sdruženého systému ohřevu užitkové vody a otopného media pro domovní vytápění.

Příklad uskutečnění technického řešení

Sdružený systém pro ohřev užitkové vody a otopného média pro domovní vytápění a/nebo pro chlazení otopného média pro domovní chlazení (viz obr. 1), zahrnuje alespoň dva paralelně připojené nezávislé zdroje teplonosného (otopného) media, v tomto případě kotel K a tepelné čerpadlo P se společným okruhem B pro rozvod a vracení teplonosného média jakož i zdroj F chladu s chladící větví IF a se zpětnou větví 2F s chladícím okruhem C pro rozvod a vracení chladícího média, okruh D domácího vytápění a deskový výměník 8 s připojeným otevřeným okruhem W pro ohřev a dodávku teplé užitkové vody. Paralelní okruhy C sdruženého systému A, osazené ventily 4, 5, 7 a deskový výměník 8 jsou vzájemně propojené a/nebo oddělené přes hydraulický vyrovnávač H dynamických tlaků. Teplá kotelní větev 1K od kotle K a teplá větev IP od tepelného čerpadla P společné teplé větve 1 okruhu B jsou s hydraulickým vyrovnávačem H dynamických tlaků propojeny přes třícestný směšovací ventil 5 s dálkovým ovládáním, zatímco studená kotelní větev 3K od kotle K a studená větev 3P od tepelného čerpadla P společného okruhu B jsou s hydraulickým vyrovnávačem H dynamických tlaků propojeny přes dvoucestný ventil 4 s dálkovým ovládáním. Horký výstup 11 horkého teplonosného média z hydraulického vyrovnávače H dynamických tlaků osazený oběhovým čerpadlem 6 a snímačem S1 teploty rozváděné vody je rozdělen na výměníkovou větev 12 zaústěnou do deskového výměníku 8 a na propojovací větev 13 propojenou s třícestným směšovacím ventilem 7 pro alternativní propojování společného okruhu B pro rozvod a vracení teplonosného média a/nebo chladícího okruhu C pro rozvod a vracení chladícího média z okruhu D domácího vytápění. Deskový výměník 8 je na výstupní straně připojen na otevřený okruh W pro ohřev a dodávku teplé užitkové vody, který zahrnuje čidlo 9, cirkulační čerpadlo 10 a snímač S3 teploty, přičemž na vstupní straně je deskový výměník 8 vratnou větví 14, spolu s vratnou otopnou větví 15 od okruhu D domácího vytápění přes třícestný ventil 2 propojen s hydraulickým vyrovnávačem H dynamických tlaků.

Funkce sdruženého systému pro ohřev užitkové vody a otopného média pro domovní vytápění a/nebo pro chlazení otopného média pro domovní chlazení domácího prostředí je následující: Požadovaná teplota otopného média je centrálně připravována před vstupem do sdruženého systému A, a je řízena prostřednictvím směšovacích třícestných ventilů 7, 5 k diferenciálnímu přepnutí buď na otevřený okruh W ohřevu užitkové vody s teplotou vody nepřesahující teplotu 55 °C, nebo na okruh D domácího vytápění pro domovní vytápění s teplotou vody i nad 55 °C.

Otevřený okruh W ohřevu užitkové vody obsahuje čidlo 9 proudění k aktivaci přednostního proudění otopného media ze společného okruhu B teplou kotelní větví 1K a teplou větví IP od tepelného čerpadla, přes směšovací ventil 5, teplou větev 1, přes hydraulický vyrovnávač H dynamických tlaků, do tepelného deskového výměníku 8 při požadavku na odběr užitkové vody.

Okruh D domácího vytápění/chlazení je součástí sdruženého systému A v podobě podlahového rozdělovače a sběrače. Přes třícestný směšovací ventil 7 lze sdružený systém A přepnout do režimu chlazení okruhem C. Nedojde však k omezení fúnkce otevřeného okruhu W pro ohřev užitkové vody.

V různých fázích je fúnkce sdruženého systému A následující, přičemž se předpokládá, že stručný nástin těchto fúnkcí bude pro odborníky z oboru zřejmý.

-3CZ 32676 UI

Režim přípravy užitkové vody (FriWa)

Pomocí směšovacího ventilu 5, s elektronicky ovládaným a superrychle reagujícím nastavovacím pohonem se přivede ve směru k tepelnému výměníku 8, pomocí oběhového čerpadla 6 v otevřeném okruhu W ohřevu užitkové vody předehřáté otopné medium z hydraulického vyrovnávaěe H dynamických tlaků, přičemž teplota otopného média se udržuje pod 50 °C, aby se zamezilo zvápenatění desek z nerezové oceli v tomto tepelném výměníku 8, kdy od 55 °C níže nastává výpadek vápníku.

Teplota užitkové vody se měří rychle reagujícím čidlem 9 a pomocí elektronicky ovládané směšovací regulace, například za použití přenastavení třícestného směšovacího ventilu 7, se za deskovým výměníkem 8 nastavuje na požadovanou výstupní teplotu. Tím se současně zabrání kolísání teploty užitkové vody v okruhu W. Nastíněný ohřev užitkové vody nastane až čidlo 9, resp. jiné čidlo, mající zabudovaný spínač proudění, zaznamená požadavek na odběr užitkové vody.

Externí část otevřeného okruhu W užitkové vody, za deskovým výměníkem 8, je případně vybavena zpětnou smyčkou Z s cirkulačním čerpadlem 10 a měřícím čidlem S3 teploty nepřesahující 55 °C, přičemž v této části otevřeného okruhu W nastane hydraulická vazba s minimálním objemem užitkové vody, čímž se účinně zabrání rozmnožení legionelly v užitkové vodě, přičemž příslušné přívody jsou v systému předem připraveny pro instalaci zpětné smyčky Z.

Cirkulační čerpadlo 10 užitkové vody je možné dodat na vyžádání. Při jeho použití nastane hydraulická vazba, jak je nakresleno na obr. 1. Příslušné přívody jsou připraveny k dodatečnému namontování.

Měřící čidlo S3 měří oběhovou teplotu zpětné vody v této zpětné smyčce a vypíná v ní cirkulační čerpadlo 10 užitkové vody poté, co začne opět proudit ohřátá užitková voda v hlavním okruhu W způsobem, jak je popsáno výše, aby se ušetřila energie.

Režim směšování otopného media pro otopnou domovní soustavu

Aby se mohla vytvořit podle vnější teploty (nebo teploty místnosti) vypočtená požadovaná teplota přítoku otopného media pro radiátory/podlahové topení nebo podobně, používá se tentýž elektronicky regulovaný směšovací obvod, jako při přípravě užitkové vody.

Přepínání směru toku otopného media se provádí pomocí třícestného ventilu 7, přičemž měření teploty přitékajícího otopného media a její regulace se provádí pomocí čidla SL

Odběr otopného media se provádí přes okruh B, přičemž v něm obsažené větve, tj. teplá kotelní větev 1K od kotle K a teplá větev IP od tepelného čerpadla P, jsou propojeny s hydraulickým vyrovnávaěem H dynamických tlaků. Hydraulický vyrovnávaě H dynamických tlaků představuje v podstatě malý zásobník, kterým protéká otopné médium a může v něm docházet k míšení přívodu a vratu teplonosného média. Uvnitř sdruženého systému funguje na základě fyzikálních principů tak, že na základě teploty topného média rozděluje a vyrovnává jeho průtoky systémem.

Objemový proud oběhového čerpadla 6 je možné nastavit pomocí regulace otáček, aby se zabránilo vytváření hluku v systému toho směšovacího obvodu, resp. v okruhu D pro domovní vytápění a současně, aby se ušetřila elektrická energie.

-4CZ 32676 UI

Režim generování tepla

Kontrolovaný požadavek požadovaného tepelného množství cizím zdrojem tepla, jako z kotle K, například spalující olej, plyn, nebo jako tepelné čerpadlo P, se realizuje neznázoměným regulátorem, například prostorovým termostatem.

Jiné automatické zdroje tepla, které mohou generovat nespojitou energii, mohou být připojené k externímu zásobníku, který není součástí sdruženého systému A.

Režim podlahového chlazení

Okruh D domovního vytápění je součástí sdruženého systému A v podobě podlahového rozdělovače a sběrače. Přes třícestný směšovací ventil 7 lze sdružený systém A přepnout do režimu chlazení okruhem C. Nedojde však k omezení otevřeného okruhu W pro ohřev užitkové vody.

Sdružený systém A zahrnuje nezávislý zdroj F chladu a pomocí chladícího okruhu C paralelně připojeného do sdruženého systému A můžeme přes třícestný směšovací ventil 7 přepnout do podlahového rozdělovače a sběrače chladící medium a v převážně letním období využít jako podlahové chlazení.

Kontrolovaný požadavek požadovaného množství chladu se realizuje neznázoměným regulátorem, například prostorovým termostatem.

Průmyslová využitelnost

Sdružený systém pro ohřev užitkové vody a otopného média pro domovní vytápění a/nebo pro chlazení otopného média pro domovní chlazení je určen pro ekonomické a ekologické vytápění a/nebo chlazení interiérů četných, zejména obytných jednotek nalézajících se v jednom objektu.