FI124800B - Rakennuksen aurinkolämmitysjärjestelmä - Google Patents

Description

RAKENNUKSEN AURINKOLÄMMITYSJÄRJESTELMÄ KEKSINNÖN ALA

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritetty rakennuksen aurinkolämmitysjärjes-telmä.

KEKSINNÖN TAUSTA

Tunnettua tekniikkaa keksinnön alalla on esitetty esimerkiksi julkaisuissa CN101650098 ja US2007214815. Pyrittäessä vähemmän energiaa kuluttaviin rakennuksiin ja pois fossiilisten energialähteiden käytöstä on rakennusten lämmityksessä pyritty käyttämään yhä enemmän auringon suoraa lämpöä sekä maaperän lämpöä. Järjestelmät perustuvat suurelta osin maalämpöpumppuihin ja ilmalämpöpumppuihin, joilla sähkön avulla yleensä yli puolet tarvittavasta energiasta saadaan maaperästä, vedestä tai ilmasta, laitteet ovat monimutkaisia, kalliita ja huoltoa vaativia ja lisäksi ne vaativat koko-naisenergiatarpeesta ainakin kolmasosan kallista sähköenergiaa .

Nykyisin käytössä olevat aurinkolämpöjärjestelmät taas ovat vuosihyötysuhteeltaan heikkoja. Niillä pystytään lämmittämään noin puolet kiinteistön käyttämästä lämpimästä käyttövedestä ja kattamaan 10-20% kaikesta kiinteistön käyttämästä lämmitysenergiasta.

KEKSINNÖN TARKOITUS

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä esitetyt tunnetun tekniikan epäkohdat. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudenlainen rakennusten aurinkolämmitysjärjestelmä, jonka avulla suurin osa rakennuksen tarvitsemasta lämpöenergiasta saadaan nk. ilmaisenergioista. Edelleen keksinnön tarkoituksena on mahdollistaa yksinkertainen, varmatoiminen, huoltova-paa ja mahdollisimman vähän rakennuksessa sisällä tilaa vaativa aurinkolämmitysjärjestelmä.

KEKSINNÖN YHTEENVETO

Keksinnön mukainen aurinkolämmitysjärjestelmä on lähtenyt kahdesta perusajatuksesta. Ensiksikin järjestelmän pitää olla toimiva ilman ilmalämpöpumppua tai maa-lämpöpumppua niin, että järjestelmän normaalissa toiminnassa kaikki käytettävä energia niin suuressa määrin kuin mahdollista on saatava suoraa auringon lämpönä tai maalämpönä. Tämä ei kuitenkaan poista sitä mahdollisuutta, että joissain sovelluksissa lämpöpumppuja voidaan käyttää. Toiseksi rakennuksissa ja niiden yhteydessä on suuret määrät lämpötilaltaan erisuuruisia ja muuttuvia energiatiloja, kuten auringon lämpösäteilyn vaihtelut vuorokauden ja vuodenajan mukaan, sisäilman lämpötila, ulkoilman lämpötila, rakennuksen alla olevan maan lämpötila, lähellä olevan vesistön lämpötila jne., joiden välillä lämpöä voidaan lähes aina siirtää haluttuun suuntaan vain sopivan suuntaisilla massavirtauksilla ja yksinkertaisilla lämmön-vaihtimilla.

Keksinnön mukaiseen rakennuksen aurinkolämmitysjärjestelmä kuuluu nestekierrolla varustettu aurinkokerääjä, nestetäytteinen lämmönvaraaja sekä lämmönvaraajassa ainakin yksi lämmönvaihdin varaajaan varastoituneen lämmön käyttämiseksi. Lämmönvaraaja on pystysuunnassa pitkänomainen säiliö eli säiliö, johon sen korkeudesta johtuen saadaan selvä lämpötilaero sen yläosan nesteen ja alaosan nesteen välille. Edelleen aurinkokerääjän nestekierto on järjestetty avautumaan lämmönvaraajan yläosaan, täyttämään koko lämmönvaraaja ja ympäröimään siis käytettävät yksi tai useampi lämmönvaihdin ja lopulta poistumaan lämmönvaraajan alaosasta takaisin aurinkokerää j ään . Näin korkeaan ja suhteellisen kapeaan lämmönvaraajaan saadaan suuri lämpötilaero sen yläpään ja alapään välille ja säiliössä sisällä käytettävä ja kiertävä neste ei sekoitu säiliössä, vaan hitaasti laskeutuu säiliössä alaspäin kiertovirtauksen suuruuden mukaan.

Olennainen osa keksintöä on siis lämmönvaraajan muodostava suhteellisen korkea ja kapea lämpöeristetty säiliö, joka on täynnä aurinkopiirin lämmönsiirtones-tettä. Kun säiliö on riittävän korkea sen vaakasuuntaiseen halkaisijaan verrattuna, ei säiliössä tapahdu merkittävää nesteen sekoittumista. Täten lämmönvaraaja on pysty putki, jonka korkeus on ainakin 10, edullisesti yli 20 ja jopa suuruusluokkaa 100 kertaa sen halkaisija. Voidaan jopa sanoa, että lämmönvaraajan muodostaa aurinkokerääjän nestekierron putkessa oleva pystysuuntainen osuus, jossa neste kulkee ylhäältä alaspäin ja jossa putken halkaisija on selvästi suurempi kuin muualla nestekierrossa. Näin tällä laajennetulla putken alueella virtausnopeus on huomattavasti pienempi kuin muualla, mutta kuitenkaan putken pituussuunnassa nesteen sekoittumista ei olennaisesti tapahdu. Säiliön yläosassa nesteen lämpötila voi olla vaikka noin 90°C samanaikaisesti kun alaosassa nesteen lämpötila on vain noin 4°C. Näin lämpötila nousee säiliössä suhteellisen tasaisesti pohjalta ylöspäin. Tämä mahdollistaa säiliöön sisälle tai säiliöstä ulos siirtyvät eri lämpötilatasoilla tapahtuvat lämpöenergiavir-taukset.

Koska keksinnön mukaisen järjestelmän toimivuudelle on olennaista lämmönvaraajan korkeus ja kapeus, on se edullisesti sijoitettu rakennukseen ulottumaan olennaisesti sen koko korkeudelle tai ainakin rakennuksessa olevaan mahdollisimman korkeaan vapaaseen tilaan. Täten esimerkiksi kerrostaloissa lämmönvaraaja voi olla porraskäytävässä ja täyttää portaan keskikuilun rakennuksen lattiasta kattoon tai se voidaan sijoittaa yleensä käytöstä poistettuun roskakuiluun. Rakennuksen sisällä olevan sopivan paikan puuttuessa se voidaan myös sijoittaa hyvin eristettynä rakennuksen ulkoseinää vasten.

Eräässä keksinnön sovelluksessa ainakin yksi lämmön-vaihdin on rakennuksen lämminvesikierron lämmönvaih-din, joka on järjestetty ulottumaan olennaisesti säiliön koko korkeudelle. Lämmönvaihdin voi olla koko säiliön korkeudelle ulottuva spiraali tai muu putkira-kenne. Edullisessa sovelluksessa lämmönvaihtimeen kuuluu säiliön alaosassa oleva alalämmönvaihdin ja säiliön yläosassa oleva ylälämmönvaihdin sekä niitä yhdistävä yhdysputki. Näin alalämmönvaihtimeen syötetään kylmää raakavettä, jonka tarkoituksena on ennen kaikkea jäähdyttää säiliöstä aurinkokerääjään lähtevä neste mahdollisimman matalaan lämpötilaan. Ylälämmönvaihdin sitten lämmittää lämminvesikierron veden säiliön yläpään lämpöä vastaavaksi. Yleensä näin saatu kuuma vesi on liian kuumaa lämpimäksi käyttövedeksi, joten saatu kuuma vesi on johdettava sekoitusventtiiliin ennen käyttöä.

Ylä- ja alalämmönvaihtimien välinen yhdysputki on tarkoitettu vain nesteen siirtämiseksi lämmönvaihtimien välillä eli yhdysputkessa ei tarvitse tapahtua lämmön siirtymistä säiliöstä veteen. Näin yhdysputki voi olla lämpöeristetty ja sijaita joko sisällä säiliössä tai yhtä hyvin säiliön ulkopuolella.

Eräässä keksinnön sovelluksessa järjestelmään kuuluu aurinkokerääjän nestekiertoon yhdistetty ja aurinkoke-rääjän kanssa rinnakkain toimiva rakennuksen poistoillaan lämmöntalteenottolaite, joka voi olla esimerkiksi ilmasta veteen lämpöenergiaa siirtävä poistoilmalämpö-pumppu. Sitä voidaan ohjata vallitsevien lämpötilojen mukaan siten, että poistoilman lämpöä otetaan talteen silloin, kun aurinkokerääjästä ei saada riittävästi lämpöä Tietenkin järjestelmässä voidaan käyttää myös sinänsä tunnettua tuloilman esilämmitystä poistoilman avulla.

Eräässä keksinnön sovelluksessa järjestelmään kuuluu aurinkokerääjän nestekiertoon yhdistetty maaperään sijoitettu lämmönvaihdin nestekierron lämmittämiseksi tai jäähdyttämiseksi olosuhteiden mukaan. Maaperään sijoitettu lämmönvaihdin on routarajan alapuolelle sijoitettava putkisto, joka voi olla upotettu maahan tai veteen, tai olla esimerkiksi porakaivossa. Maaputkis-ton putkena voidaan käyttää esimerkiksi happidif-fuusiosuojattua lattialämmitysputkea. Putkistolla saadaan kerätyksi geotermistä lämpöä, mutta sitä voidaan käyttää myös rakennuksen huonetilojen ilmakierron jäähdytykseen kuumina kesäpäivinä.

Keksinnön mukaiseen korkeaan varaajaan varataan lämpöä lyhyen ajan tarpeita varten. Pidemmän ajan eli kuukausien ajaksi ja talven varalle lämpöä voidaan varata lämpöakkuun, joka voi olla varsinainen maapiiri, kuten joukko kallioperään porattuja lämpökaivoja. Lämpöakku voi myös olla hyvin eristetty vesisäiliö, kuten puolipallon muotoinen säiliö, joka on sijoitettu talon alle. Säiliön koko optimoidaan lämmöntarpeen ja esimerkiksi sen mukaan, käytetäänkö lämmön purkauksessa akusta lämpöpumppua vai ei. Myös voidaan käyttää läm-pökellaria eli täyskorkean kellarin osaa tai korotetulla sokkelilla muodostettua talon koko pinta-alan kokoista alatilaa. Lämpöakku tai lämpökellari voidaan toteuttaa esimerkiksi PVCrstä valmistetulla uima-allaspussilla. Pussi voidaan valmistaa niin, että ulommaisen pussin sisällä on toinen pussi. Tällöin pussien sisään jää umpinainen tila. Liityntöjä, välitilan täyttöä ja huoltamista varten pusseihin on tehty läpivientilaippa. laipan kautta välitila voidaan täyttää eristeellä, kuten EPS-rakeilla tai kevytsoralla. Lisäksi umpinainen tila voidaan paineistaa huonosti lämpöä johtavalla kaasulla kuten argonilla. Umpinaiseen välitilaan voidaan myös imeä alipaine lämpöeristyksen parantamiseksi. Alipainetta varten välitila pitää täyttää materiaalilla, joka ei painu kasaan niin, että ko. materiaali alkaisi johtaa lämpöä alipaineesta huolimatta.

Kun käytetään lämpöpumppua, voi varaajassa olevan nesteen lämpötila olla matalampi, esimerkiksi 15-25°C. Tällöin lämpöhäviöt pienenevät ja eristettä tarvitaan vähemmän. Jos lämpöpumppua ei käytetä, täytyy nesteen lämpötilan olla noin 25-35°C, jotta sillä voidaan pitää talo lämpimänä. Tämä lisää lämpöhäviöitä ja eristyksen tarvetta.

Eräässä keksinnön sovelluksessa järjestelmään kuuluu aurinkokerääjän nestekiertoon yhdistetty rakennuksen ilmanvaihdon tuloilman esilämmitin. Näin vallitsevien lämpötilojen mukaan sopivasti nestekiertoja ohjaamalla voidaan rakennukseen otettavaa raitista tuloilmaa esi-lämmittää vaihtoehtoisesti suoraan aurinkokerääjästä tulevalla lämpövirtauksella, lämmönvaraajasta otettavalla lämpövirtauksella tai maaperästä saatavalla geotermisellä lämmöllä. Vastaavasti samalla järjestelyllä voidaan kesäaikaan maaperässä tapahtuvalla nestekier-rolla jäähdyttää tuloilmaa.

Eräässä keksinnön sovelluksessa järjestelmään kuuluu sopivalle osalle lämmönvaraajan korkeutta ulottuva rakennuksen lämmönjakolaitteistoon, kuten patteriverkostoon tai lattialämmitykseen, yhteydessä oleva lämmön- vaihdin. Näin lämmönvaraajasta saadaan lämpimän käyttöveden lisäksi optimaalisella tavalla rakennuksen sisätilojen lämmitysenergia. Tämä lämmönvaihdin voidaan sijoittaa lämmönvaraajaan vain tietylle sopivalle korkeudelle niin, että lämmönjakolaitteistossa kiertävä vesi on sopivan lämpöistä. On jopa mahdollista, että tämä lämmönvaihdin on kaksiosainen tai useampiosainen niin, että veden lämmitys tapahtuu kierrättämällä vettä vain osalla lämmönvaihdinta, kuten esimerkiksi yläosassa, keskiosassa tai alaosassa riippuen lämmönva-raajan nesteen lämpötilasta lämmönvaihtimen eri osien kohdalla.

Periaatteessa keksinnön mukaiseen järjestelmään voidaan yhdistää kaikenlaisia aurinkokerääjiä, joilla lämmönvaraajan nesteeseen saadaan siirretyksi auringon lämpöä. Jotta järjestelmästä saataisiin ympäri vuoden mahdollisimman suuri hyöty, on aurinkokerääjän valinnalla suuri merkitys. Optimaaliseen lopputulokseen ei välttämättä päästä vain yhdentyyppisillä kerääjillä tai vain yhdessä kulmassa kiinteästi maanpintaan nähden tai vain yhteen suuntaan kiinteästi asennetuilla kerääjillä. Täten edullisesti aurinkokerääjänä käytetään myös auringon säteilyä keskittävää tyhjöputkike-rääjä, joka on varustettu kääntyvällä paraboloidihei-jastimella, jonka polttopisteeseen tyhjöputki on sijoitettu. Näin talvella jopa kovilla pakkasilla auringon paistaessa saadaan lämpöä talteen järjestelmään ja toisaalta kesäinen ylilämpö voidaan ehkäistä kääntämällä heijastin pois auringosta varjostamaan absor-baattorina toimivaa tyhjöputkea.

Aurinkokerääjinä voidaan esimerkiksi käyttää horisontaalisesti pyöriviä aurinkolämpökerääjiä, joissa CPC-heijastimet on kallistettu niin, että vaikka keräin onkin lumikuormien minimoimiseksi aivan pystyssä, ovat heijastimet kallistettuja 27 asteen kulmaan. Heijasti- mien avautumiskulma voi olla 55 astetta, mikä vastaa suurinta Suomessa esiintyvää auringon korkeuskulmaa. Edelleen heijastimet voivat olla ulkopäistään alempana kuin keskeltä kerääjää, joten lumi ja vesi valuvat pois heijastimen muodostamasta kourusta.

Tilanteissa, joissa lämmönvaraajan yläosan lämpötila ei ole riittävän korkea lämpimän käyttöveden lämmittämiseen riittävän korkeaan lämpötilaan, voidaan käyttää sähköllä toimivaa virtauslämmitintä. Se kytketään sarjaan käyttövesikierukan kanssa virtaussuunnassa sen jälkeen niin, että jos vesi ei ole lämmönvaraajan jälkeen riittävän lämmintä, kytkeytyy virtauslämmitin automaattisesti päälle ja nostaa veden lämpötilan sopivaksi, esim. noin 55°C. Useimmiten kuitenkin vuoden ympäri lämmönvaraajan lämpötila on suurempi kuin lämpimän käyttöveden suurin sallittu lämpötila. Tämän vuoksi lämminvesikierron yhteyteen on syytä kuulua se-koitusventtiili kylmän veden lisäämiseksi kiertoon ennen veden käyttöä.

Kuten edellä olevasta esityksestä huomataan, keksinnön mukaista järjestelmää voidaan käyttää monella eri tavalla ja ohjata energiavirtoja aina sopivasti tarpeen ja saatavuuden mukaan. Olennaista keksinnössä on korkea lämmönvaraaja, johon saadaan korkeuden ansiosta merkittävä lämpötilaero sen yläosan ja alaosan välille ja johon lämpö tuodaan ylhäältä alaspäin tapahtuvilla lämpövirtauksilla ja lämpö otetaan alhaalta ylöspäin tapahtuvilla nestevirtauksilla. Edelleen keksinnölle on olennaista, että järjestelmässä ja siihen liittyvissä kohteissa vallitsevia ja muuttuvia lämpötiloja jatkuvasti seuraamalla voidaan aina optimaalisesti siirtää ja ottaa talteen lämpöenergiaa. Edelleen järjestelmälle on olennaista, että lämpöä pyritään siirtämään aina energiataloudellisesti korkeammasta lämpötilasta matalampaan lämpötilaan eli luonnollisen ener- giansiirtymisen välityksellä. Tämä ei kuitenkaan estä käyttämästä järjestelmässä lisänä sähköllä toimivia lämpöpumppuja silloin kun se energiataloudellisesti on j ärkevää.

Keksinnön mukainen rakenne soveltuu erityisesti monikerroksisiin taloihin kuten varsinaisiin kerrostaloihin ja myös esimerkiksi kellarilla varustettuihin kaksikerroksisiin pientaloihin, joissa rakennuksen koko-naiskorkeudeksi tulee jo lähes 10 metriä. Näin korkea ja kapea lämpöä varaava säiliö saadaan toimimaan optimaalisesti .

Keksinnön mukaisella rakennuksen aurinkolämmitysjär-jestelmällä saavutetaan merkittäviä etuja tunnettuun tekniikkaan verrattuna. Perinteisillä aurinkolämpöjär-jestelmillä saadaan noin puolet lämpimän käyttöveden ja 10-20% koko rakennuksen tarvitsemasta vuotuisesta lämpöenergiasta. Keksinnön mukaisessa järjestelmässä mittaamalla ja vertaamalla eri kohteiden lämpötiloja, optimoimalla oikein saatavat lämpövirtaukset ja käyttämällä mahdollisimman vähän ulkopuolista energiaa vaativia tekniikoita eli käyttämällä pääasiassa vain tarvittavat virtaukset toteuttavia pumppuja, saadaan suoritettujen laskelmien perusteella 40-60% kaikesta rakennuksen tarvitsemasta lämpöenergiasta.

Lisäksi järjestelmän yksinkertaisesta rakenteesta johtuen, jossa on vain pumppuja ja stabiileja putkistoja ja lämmönvaihtimia, sen investointikustannukset samoin kuin käyttö- ja ylläpitokustannukset ovat erittäin pieniä perinteisiin ratkaisuihin verrattuna. Yhden edullisimmista kohderyhmistä keksinnön mukaiselle järjestelmälle muodostavat vanhat painovoimaisella tai poistoilmanvaihdolla varustetut kerrostalot, joissa kustannustehokkain ratkaisu on käyttää lisänä myös poistoilmalämpöpumppua.

KUVALUETTELO

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 on kaaviokuva eräästä keksinnön mukaisesta au-rinkolämmitysjärjestelmästä ja kuva 2 on kaaviokuva toisesta keksinnön mukaisesta au-rinkolämmitysj ärj estelmästä.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS

Kuvan 1 mukaiseen rakennuksen aurinkolämmitysjärjes-telmään kuuluu esimerkiksi kerrostalossa rakennuksen portaikon koko tai ainakin lähes koko korkeudelle ulottuva lämmönvaraaja 2 eli putkimainen säiliö. Järjestelmässä on myös aurinkokerääjä 1, joka sopivimmin on keskittävä tyhjöputkikerääjä, josta kuumentunut nestekierto 11 ohjataan lämmönvaraajan 2 yläosaan 4. Lämmönvaraajan 2 alaosasta 5 lähtee jäähtynyt paluu-kierto 12, joka pumpun 21 välityksellä ohjataan takaisin aurinkokerääjään 1.

Lisäksi lämmönvaraajassa 2 on yleensä kuparikierukasta muodostuva lämmönvaihdin 3, joka voi ulottua olennaisesti sen koko korkeudelle. Yleensä kuitenkin lämmönvaihdin on vain osassa lämmönvaraajaa, esimerkiksi sen yläosassa eli kuumimmassa osassa. Kuvassa 1 lämmönvaihdin on esitetty vain yhtenä suorana putkena. Läm-mönvaihtimessa 3 tapahtuva veden virtaus on vastakkaissuuntainen lämmönvaraajassa tapahtuvaan laskevaan virtaukseen verrattuna. Näin käyttöveden syötöstä 13 vesi virtaa lämmönvaraajan alaosan 5 kautta lämmönvaihtimen 3 läpi lämmönvaraaj an 2 yläosaan 4 ja edelleen sekoitusventtiiliin 14. Sekoitusventtiiliin otetaan tarvittaessa kylmää vettä kylmän veden syötöstä 15 niin, että kuuman veden syötön 16 maksimilämpötila pidetään turvallisissa rajoissa.

Edelleen lämmönvaraajassa 2 on toinen virtaussuunnassa alhaalta ylöspäin ulottuva lämmönvaihdin 9, joka on yhdistetty rakennuksen lämmityksen patterikiertoon tai lattialämmityskiertoon. Lämmönvaihdin 9 eli kierukka on sijoitettu lämmönvaraajaan vain tietylle korkeudelle ulottumaan esimerkiksi 1-2 metrin matkalle korkeus-suunnassa. Korkeus valitaan siten, että patterikiertoon saadaan kaikissa olosuhteissa riittävän lämmintä mutta ei liian kuumaa kiertovettä.

Esitetyssä sovelluksessa kierukassa on lisäksi väliot-to 30. Näin siis patteriverkoston paluuputki 17 on kytketty lämmönvaihtimen 9 alaosaan ja lähtöputki 18 sen yläosaan. Sinänsä tunnetusti sopivilla valinta-venttiileillä (ei esitetty kuvassa) joko paluuputken 17 virtaus tai lähtöputken 18 virtaus voidaan kytkeä väliottoon 30. Näin lämmönvaraajan lämpötiloista eri korkeuksilla riippuen patterikiertoon saadaan suhteellisen tasalämpöistä vettä joko koko kierukan matkalta, vain sen alaosasta tai vain sen yläosasta.

Aurinkokerääjästä 1 tulevaan kuumentuneeseen neste-kiertoon 11 on myös kytketty paisuntasäiliö 19 ja va-roventtiili 20, koska tehokkailla keskittävillä aurin-kokerääjillä lämpötilat ja paineet voivat nousta vaarallisen korkeiksi. Tässä sovelluksessa järjestelmään kuuluu myös rakennuksen poistoilman lämmöntalteenottolaite 6. Se on kytketty rinnan aurinkokerääjän 1 kanssa niin, että pumpun 21 pumppaama paluukierron 12 nestevirta ohjataan kolmitieventtiilistä 22 siihen, mistä lämpöä nes-tevirtaan on enemmän saatavissa. Nestekierto 12-11 kulkee siis lämmöntalteenottolaitteen 6 kautta, jossa vastavirtaan liikkuu rakennuksesta poistettava pois-toilma 23-24. Edullisena sovelluksena lämmöntalteenot- tolaitteena 6 käytetään lämpöpumppua, joka siis käyttää ulkopuolista energiaa, mutta jolla saadaan pois-toilmasta tehokkaasti lämpöenergia talteen.

Kuvan 1 mukaisessa järjestelmässä energian käytön ja järjestelmän toiminnan optimointi tehdään useiden eri mittausten perusteella. Järjestelmässä vertaillaan ja optimoidaan sinänsä tunnetusti tuotettuja ja kulutettuja lämpömääriä ja ohjataan lämpöä kulloisessakin lämmön tuoton ja kulutuksen tilanteessa sinne, missä siitä on eniten hyötyä. Mittauskohtina voivat olla esimerkiksi:

Tl aurinkokerääjästä 1 tuleva neste, T2 lämmöntalteenottolaitteesta 6 tuleva neste, T3 lämmönvaraajasta tuleva neste.

Kuvassa 2 on esitetty keksinnön toinen sovellus, jossa on kuvaa 1 vastaava pystysuuntainen, korkea ja putkimainen lämmönvaraaja 2, joka on täynnä samaa lämmön-siirtonestettä, joka kiertää aurinkokerääjän 1 kautta. Lämmönvaraajassa 2 on lämmönvaihdin 3, joka on yhteydessä käyttöveden syöttöön 13 rakennuksen kylmän 15 ja lämpimän 16 käyttöveden järjestämiseksi sekoitusvent-tiilin 14. Tässä sovelluksessa käyttövesikiertoon on lisäksi liitetty sähkötoiminen lisälämmitin 10, joka on järjestetty automaattisesti lisälämmittämään sähköllä vettä silloin, kun lämmönvaraajan 2 lämpötila ei ole riittävä. Aurinkokerääjä 1 on nestekierrolla 11 yhteydessä lämmönvaraajan yläosaan 4 ja vastaavasti paluukierto 12 lähtee lämmönvaraajan 2 alaosasta 5 pumpun 21 kautta takaisin aurinkokerääjälle 2. Neste-kierrossa 11 on kuvan 1 tapaan paisuntasäiliö 19 ja varoventtiili 20. Lämmönvaihdin 3 on kaksiosainen eli siihen kuuluu lämmönvaraaj an 2 yläosassa ylälämmönvaihdin 31 ja alaosassa alalämmönvaihdin 32 sekä niitä yhdistävä yhdys- putki 33. Molemmat lämmönvaihtimet 31 ja 32 ovat esimerkiksi kuparikierukoita, joiden korkeudet ovat esimerkiksi noin 5-10% lämmönvaraajan korkeudesta, esimerkiksi 0,5 - 1 m. Kun kylmä vesi syötetään alaläm-mönvaihtimeen 32, jäähdyttää se tehokkaasti aurinkoke-rääjään menevän nesteen ja näin aurinkokerääjästä saadaan tehokkaasti lämpöä talteen. Ylälämmönvaihtimessa 31 taas jo vähän lämmennyt vesi lämpiää vähintään kuuman käyttöveden lämpötilaan ennen sekoitusventtiilillä 16 tapahtuvaa lopullista käyttöveden lämpötilan säätöä. Yhdysputkella vain yhdistetään nämä kaksi lämmön-vaihdinta 31 ja 32 toisiinsa, koska säiliön koko korkeudella ei tarvita lämmönvaihdinta. Yhdysputki voi kulkea säiliön sisällä tai yhtä hyvin ulkopuolella. Näin lämmönvaihtimista 31 ja 32 saadaan pienikokoiset ja erilliset ja niiden huolto ja asennukset säiliön yläosassa ja alaosassa tapahtuvat helposti yhteen yhtenäiseen lämmönvaihtimeen verrattuna. Lisäksi käyttämällä vain tarvittavia osia lämmönvaraajan koko korkeudesta saadaan lämmönvaraajan nestevirtaukset pystysuunnassa rauhallisiksi ja pyörteettömiksi. Näin korkeassa lämmönvaraajassa lämmin nestemassa valuu tasaisesti ja hitaasti alaspäin samalla kun sen lämpötila laskee suhteellisen tasaisesti.

Edelleen kuvan 2 sovelluksessa järjestelmään kuuluu maan lämpöä hyväksi käyttävä lämmönvaihdin 8. Se voi olla maahan routarajan alapuolelle upotettu riittävän pitkä putki, vesistöön, kuten järven pohjaan sijoitettu putki tai maahan porattuun reikään asennettu vesi-kierto maan geotermisen energian käyttämiseksi. Lämmönvaihtimen 8 syöttö on kolmitieventtiilin 25 välityksellä paluukierrossa 12 pumpun 21 ja aurinkokerää-j än 1 välissä. Lämmönvaihtimen 8 paluuvirtaus on järjestetty kolmitieventtiiliin 26, joka sijaitsee aurin-kokerääjän 1 ja lämmönvaraajan 2 välissä nestekierros- sa 11. Näin silloin, kun aurinkokerääj ä 1 ei tuota lämpöä, voidaan pumpun 21 pumppaama neste ohjata kol-mitieventtiilillä 25 lämmönvaihtimeen 8 ja siirtää maalämpöä toisen venttiilin 26 kautta lämmönvaraajaan 2 .

Edelleen kuvan 2 järjestelmään kuuluu rakennuksen ulkoilman esilämmitin/jäähdytin 7. Ulkoilma 27 virtaa esilämmittimeen ja sen kautta esilämmitettynä 28 huonetiloihin. Esilämmitys toimii samalla aurinkokerääjää 1, lämmönvaraajaa 2 ja lämmönvahdinta 8 kiertävällä nestekierrolla seuraavasti. Kolmitieventtiilin 26 ja lämmönvaihtimen 8 välissä on väliotto 29, josta neste pääsee kiertämään esilämmittimelle 7. Neste poistuu ja yhdistyy paluukiertoon 12 lämmönvaraajan 2 ja pumpun 21 välissä. Mittaamalla eri kohdissa neste- ja kaasu-virtausten lämpötilat Tl - T5 voidaan kolmitieventtii-leitä 25 ja 26 ohjata optimaalisen energiansaannin saavuttamiseksi. Esimerkiksi aina kun ulkoilma on kylmempää kuin sopiva sisäilma, kannattaa sitä mahdollisuuksien mukaan lämmittää. Samoin pakkasella tuloilma kannattaa lämmittää niin lämpimäksi kuin sen maan lämmöllä lämmönvaihtimen 8 avulla saa, koska tämä energia on ilmaista.

Edelleen järjestelmää voidaan käyttää yhtä edullisesti ilman olennaista ulkopuolista energiaa liian lämpimän tuloilman jäähdyttämiseen kesäaikana. Tällöin sulkemalla kolmitieventtiili 26 kokonaan ja ohjaamalla kol-mitieventtiilistä 25 pumpun 21 nestevirtaus lämmönvaihtimeen 8 saadaan nestevirtaus jäähtymään maassa ja näin jäähdyttämään tuloilmaa lämmönvaihtimessa 7. Näin samalla kun kesällä sisäilmaa jäähdytetään varataan lämpöä maahan myöhemmin käytettäväksi. Samalla tavoin muu ylimääräinen lämpö voidaan kesäaikaan johtaa maahan ja varata maamassoihin myöhempää käyttöä varten.

On huomattava, että keksinnön mukainen järjestelmä ei pyrikään kattamaan rakennuksen koko lämmitysener-giatarvetta ympäri vuoden, vaan sen tarkoituksena on hyödyntää eri vuodenaikoina saatavilla olevia ilmaisia energiavirtoja taloudellisesti parhaalla mahdollisella tavalla. Täten järjestelmä tarvitsee lisäenergiaa joka tapauksessa jossain vaiheessa vuotta. Tämä lisäenergia voidaan saada sinänsä tunnetusti eri tavoin kaukolämmöstä, aluelämmöstä, erilaisista saatavilla olevista hukkalämmöistä, palamisprosesseista kattiloissa ja tulisijoissa, maalämpöpumpulla, ilmalämpöpumpulla jne.

Keksinnön mukaiseen järjestelmään voidaan helposti yhdistää esimerkiksi tulisija, jonka ylimääräinen tai jopa kaikki lämpö otetaan talteen sopivilla savukaasu-kierroilla korkeaan lämmönvaraajaan. Sieltä lämpö voidaan sitten jakaa käyttökohteisiin samoin keinoin ja välinein kuin aurinkokerääjästäkin kerätty lämpö. Korkea ja hyvin lämpöeristetty säiliö, jonka tilavuus voi olla useita kuutiometrejä jo pientaloissakin, toimii kuumaksi lämmitettynä useita vuorokausia rakennuksen päälämmönlähteenä samalla kun maalämpöä ja auringon säteilyä hyödynnetään mahdollisuuksien mukaan.

Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitettyjä esimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (10)

1. Rakennuksen aurinkolämmitysjärjestelmä, johon kuuluu nestekierrolla varustettu aurinkokerääjä (1), nestetäytteinen lämmönvaraaja (2) sekä lämmönvaraajassa ainakin yksi lämmönvaihdin (3) varaajaan varastoituneen lämmön käyttämiseksi, joka lämmönvaraaja (2) on pystysuunnassa pitkänomainen säiliö aurinkokerääjän (1) nestekierron ollessa järjestetty avautumaan lämmönvaraaj an yläosaan (4), täyttämään koko lämmönvaraa-ja ja poistumaan lämmönvaraajan alaosasta (5) takaisin aurinkokerääj ään, tunnettu siitä, että lämmönva-raaja (2) on pysty putki, jonka korkeus on ainakin 10, edullisesti yli 20 ja jopa suuruusluokkaa 100 kertaa sen halkaisija.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että lämmönvaraaja (2) on sijoitettu rakennukseen ulottumaan olennaisesti sen koko korkeudelle, kuten porraskäytävän lattiasta kattoon tai ros-kakuilun koko korkeudelle.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että lämmönvaihdin (3) on rakennuksen lämminvesikierron lämmönvaihdin, joka on järjestetty ulottumaan olennaisesti säiliön koko korkeudelle .

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että lämmönvaihtimeen (3) kuuluu ylä-lämmönvaihdin (31) ja alalämmönvaihdin (32) sekä niitä yhdistävä yhdysputki (33).

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmään kuuluu aurinkokerääjän (1) nestekiertoon yhdistetty ja aurin- kokerääjän kanssa rinnakkainen rakennuksen poistoillaan lämmöntalteenottolaite (6), kuten lämpöpumppu.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmään kuuluu aurinkokerääjän (1) nestekiertoon yhdistetty rakennuksen ilmanvaihdon tuloilman esilämmitin (7).

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmään kuuluu aurinkokerääjän (1) nestekiertoon yhdistetty maaperään sijoitettu lämmönvaihdin (8) nestekierron lämmittämiseksi tai jäähdyttämiseksi olosuhteiden mukaan.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmään kuuluu lämmönvaraajan (1) sisällä osalle sen korkeutta ulottuva rakennuksen patteriverkostoon yhteydessä oleva lämmönvaihdin (9).

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että aurinkokerääjä (1) on tyhjöputkikerääjä, joka edullisesti on varustettu kääntyvällä paraboloidiheijastimella, jonka polttopisteeseen tyhjöputki on sijoitettu.

10. Jonkin patenttivaatimuksista 1-9 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että rakennuksen lämmin-vesikierron yhteyteen kuuluu lisälämmitin (10), kuten sähkölämmitin, lämpimän käyttöveden lisälämmittämisek-si tarvittaessa.