FI66079C - Foerfarande foer utnyttjande av jordvaerme och solvaerme - Google Patents

Description

rm «1Λkuulutusjulkaisu ,,ηη0 jggrj Μ ^utläggningsskaift 660 7 9 c (45) Pc.tentti r.yCJr.ru'My 10 C3 1984 Patent acddelat ” (51) Kv.lV.3/1nt.Ct^ F 24 J 3/02 SUOMI—FINLAND pi) ρκ*βιω«>»-Ν«Μ«ιηΐηι 792556 (22) HskemlspUvt —AwWmlwgrtes 17.08.79 * (23) AlkupUvi—GiltlglMttdac 17.08.79 (41) Tulkit )ulklMksl — Mhrlt ofiuntllg 18.0 2.81 ^tantti- )a rakiaUrlhalUtus /44) Niht*vtkitp«non lt kuiiUultaiMfi pvm._

Faten*· och raglaterstyralMn ' ' AnriHun uttajd och uti.*krtfUn pubikarad 30.04.81« (32)(33)(31) PW4««y utuolkuui—Bugfctl prtorlttt (71)(72) Seppo Mannonen, Tikantie 10, 06100 Porvoo 10,

Heikki Samuli, Vanbamoisio 53» 06100 Porvoo 10,

Suomi-Fi nland(F I) (74) Esko Fr iman (54) Menetelmä maalämmön ja aurinkolämmön hyväksikäyttämiseksi -Förfarande för utnyttjande av jordvärme och solvärme

Keksinnön kohteena on menetelmä maalämmön ja aurinkolämmön hyväksikäyttämiseksi, sopivimmin pientalojen lämmitykseen. Menetelmä käsittää lämmön ottamisen maasta siihen sijoitetun putkiston ja lämpöpumpun avulla. Lämpö-energia varastoidaan lämmönvaraajaan siten, että lämmönvaraajan lämpötilan ollessa tiettyä alaraja-arvoa matalampi siirretään lämpöä lämpöpumpulla joko maasta tai aurinkokennosta riippuen siitä, kumman lämpötila on korkeampi tai molemmista. Mikäli aurinkokennon lämpötila ylittää lämmönvaraajan lämpötilan tietyllä määrällä, siirretään lämpöä myös suoralla nestekierrolla aurinkokennosta lämmönvaraajaan. Jos aurinkokenno tuottaa enemmän energiaa kuin lämmönvaraajaan voidaan ko. aikana siirtää, johdetaan ylimääräinen energia maahan sopivimmin saman putkiston kautta, joka toimii lämpöpumpun energialähteenä.

Ennestään tunnetaan useita menetelmiä ja laitteistoja, joiden avulla on tarkoitus hyödyntää maahan varastoitunutta lämpöenergiaa. Tavallisesti tunnetut menetelmät on tarkoitettu pientalojen lämmittämiseen. Maan lisäksi on tunnettua käyttää lämmönlähteenä järviä tai muita luonnonvesiä, kompostia tai suorastaan ulkoilmaa. Lisälämpöä voidaan ja kannattaa ottaa mm. jätevesistä, ilmanvaihdon poistoilmasta jne.

-- - Γ~ 2 6-5079

Maalämmitystä tai vastaavaa käytettäessä tapahtuu lämmön siirto maasta rakennuksen sisään lämmönvaraajaan lämpöpumpun avulla. Lämpöpumpussa lämmön siirto perustuu sopivan aineen kuten freonin höyrystymis- ja nesteyty-mislämpötilojen hyväksikäyttöön. Edellä mainitut lämpötilat vaikuttavat olennaisesti lämpöpumpun hyÖtykertoimeen. Mahdollisella lämmönvaihtimen käytöllä on olennainen vaikutus laitteiston kokonaishyötysuhteeseen.

Tunnetuilla maalämmitysjärjestelmillä on useita vakavia epäkohtia, jotka ovat estäneet niiden suuremman yleistymisen. Maahan sijoitettavan jäähdytysputkis-ton täytyy olla suhteellisen pitkä. Tästä huolimatta routaantuu maa yleensä hyvin syvältä niin, että routa ei ehdi kesän aikana sulaa. Vaikka tästä ei muuta haittaa olisikaan, laskee laitteiston hyötysuhde olennaisesti. Järjestelmän hyötysuhde on aina sitä korkeampi, mitä pienempi on lämpötilojen välinen ero. siis sen lämpötilan, josta lämpö otetaan verrattuna siihen lämpötilaan, jossa lämpö luovutetaan. Tällöin on luonnollisesti edellytettävä, että kompressoria ei ylikuormiteta.

Jos höyrystin on sijoitettu vapaaseen ilmaan, ei luonnollisesti esiinny edellä mainittuja epäkohtia. Tällöin on kuitenkin epäkohtana höyrystimen jäätyminen, etenkin kun ulkoilman lämpötila on alle +Ψ0 C. Tästä aiheutuu merkittävää energian hukkaa. Höyrystimen sulatukseen käytetty energia nimittäin yleensä valuu hikkaan sulatusveden mukana tai siirtyy ympäröivään ilmaan höyrystimen eristysyrityksistä huolimatta.

Ennestään tunnetaan myös ehdotuksia aurikoenergian käyttämiseksi pientalojen lämmitykseen. Energia otetaan tällöin tavallisesti talteen käyttäen hyväksi aurinkokollektoria, joka on tyypiltään tasokerääjä tai tyhjöputkikerääjä tai käyttäen säteilyä keskittäviä peilipintoja. Aurinkokollektoria jäähdytetään kierrättämällä sen kautta sopivaa nestettä. Aurinkolämmityksen suurimpana epäkohtana esim. Suomen leveysasteilla on aurinkoenergian saannin vaihtelevuus vuodenaikojen mukaan. Yleensä silloin, kun energian tarve on suurin eli keskitalvella, on aurinkoenergian tuotto minimissään. Vastaavasti kesällä, kun energiaa tarvitaan pääasiassa vain lämpimän käyttöveden lämmittämiseen, saadaan aurinkoenergiaa yleensä enemmän, kuin sitä voidaan hyödyntää.

Keksinnön tarkoituksena on mm. edellä selitettyjen epäkohtien välttäminen. Tämän aikaansaamiseksi on keksinnön mukaiselle menetelmälle tunnusomaista 6:5079 se, mitä on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnöllä saavutetaan useita etuja. Aurinkoenergia voidaan nyt käyttää täysimääräisesti hyödyksi. Tästä johtuen voidaan maalämmityksen maaputkisto lyhentää lähes puoleen ja maata voidaan paremmin käyttää hyväksi pystysuunnassa olevilla putkilla. Maapinta-ala, josta lämpö kerätään, voi olla vain kolmannes normaaliin maalämmitykseen verrattuna. Maaputkiston lyheneminen ja lämmön-keräykseen tarvittavan maapinta-alan pieneneminen merkitsevät huomattavaa kustannussäästöä. Lisäksi keksintö mahdollistaa huomattavan säästön laitehankinnoissa lähinnä lämpöpumpun säätölaitteiden osalta.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti oheisten piirustusten avulla, joissa

Kuvio 1 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen lämmitysjärjestelmän yhtä edullista toteutusesimerkkiä ja

Kuvio 2 esittää leikkauksena yhtä keksinnön sovellutusesimerkkiä.

Kuvion l mukaisesti keksinnön mukainen lämmityslaitteisto käsittää maahan sijoitetun putkiston l, lämpöpumpun 2, aurinkokennon 3 ja lämmönvaraajan 4. Laitteistoon liittyy lisäksi tavanomainen radiaattorijärjestely, mutta sitä ei ole piirustuksessa esitetty koska keksintö ei millään tavoin liity niihin.

Maaputkisto ei sinänsä eroa tunnetuista samaan tarkoitukseen käytetyistä putkistoista muuten kuin lyhyytensä vuoksi. Keksinnön mukaisessa järjestelmässä putkisto 1 on näet vain noin puolet vastaavantehoisen tunnetun maalämmitysjär-jestelmän maaputkiston pituudesta. Maaputkistossa 1 ei kierrä varsinainen kylmäaine vaan maaputkisto 1 liittyy lämpöpumppuun 2 lämmönvaihtimen 21 välityksellä. Maaputkistosta l tuleva putki 22 liittyy kiertopumppuun 23, josta edelleen johtaa putki 2^ venttiilin 25 kautta lämmönvaihtimeen 21. Lämmönvaih-timesta 21 johtaa paluuputki 26 takaisin maaputkistoon 1. Lämmönvaihtimen 21 ohi on rakennettu myös ohitusputkisto 27, jossa on termostaattiventtiili 28. Näiden toimintaa ja merkitystä selitetään tarkemmin jäljempänä. Maaputkisto-lämmönvaihdin-kiertoon on lisäksi sijoitettu venttiili 29, jonka avulla nestekierto maaputkistossa 1 voidaan katkaista.

- - TT" 4 6:5079

Keksinnön mukaiseen järjestelmään kuuluu myös aurinkokenno 3. Tämä on sopivimmin sijoitettu talon seinäksi tai katoksi siten, että aurinko pääsee paistamaan siihen mahdollisimman pitkään ja tehokkaasti. Aurinkokenno on muodostettu sopivimmin useista toisiinsa liitetyistä elementeistä 31, 32, 33, 34. Kunkin elementin kautta kiertää jäähdytysputkisto, joka yhdistyy tuloputkeksi 35. Tuloputki 35 on venttiilin 36 kautta liitetty samaan kiertopumppuun 23 kuin maaputkistosta 1 tuleva putki 22. Paluuputki 37 erkanee vastaavasti maakierron paluuputkesta 26. Aurinkokenno-lämmönvaihdinkiertoon on lisäksi sijoitettu venttiili 38, jonka avulla mainittu nestekierto voidaan sulkea.

Edellä selitetyn lisäksi on aurinkokennon 3 tuloputkesta 35 haarautettu putki 41, joka johtaa lämmönvaraajan 4 lämmityskierukkaan 42. Putki 41 voidaan tarvittaessa sulkea venttiilillä 43. Lämmityskierukasta 42 johdetaan paluuputki 44, joka liittyy edelleen kiertopumpuun 23.

Varsinainen lämpöpumppu 2 käsittää höyrystimen 210, joka sijaitsee lämmönvaihtimen 21 sisällä. Tämän kanssa sarjaan on liitetty kompressori 220. Kompressorista 220 johtaa putki 221 edelleen lämmönvaraajan 4 sisällä olevaan lämmitys-kierukkaan 42 Lämmityskierukka 42 käsittää useita putkia, joissa kulkee eri nesteitä toisiinsa sekoittumatta. Lämmityskierukan yhteydessä oleva freonkier-toon kuuluva putkisto 223 muodostaa lämpöpumpun nesteyttimen Tästä johtaa putki 224 edelleen höyrystimeen 210.

Lämmönvaraaja 4 muodostuu suurehkosta vesisäiliöstä 45, jonka tilavuus on esimerkiksi 3000 1. Säiliön mitoitus riippuu järjestelmän kapasiteetista ja se on tapana mitoittaa siten, että se kykenee varastoimaan keskimäärin yhden vuorokauden energiamäärän. Lämmönvaraajan sisään on sijoitettu käyttöveden lämmityskierukka 46. Lämmönvaraajan alaosaan on yhdistetty radiaattorikierron paluu-putki 47. Vastaavasti radiaattorikierron lähtöputki 48 on sijoitettu lämmönvaraajan yläosaan. On huomattava, että lähtöputki ei ole aivan säiliön yläosassa vaan jonkin matkaa yläreunasta alaspäin. Koska vesi säiliössä 45 on asettunut lämpötilaansa vastaaviin "kerroksiin", voidaan säiliön kuuminta yläosaa käyttää tehokkaasti käyttöveden lämmitykseen.

Kuviossa 2 on esitetty poikkileikkaus pientalosta, johon on sijoitettu keksinnön mukainen lämmitysjärjestelmä. Rakennuksen 201 katto 202 on muotoiltu siten, että osa katosta muodostuu aurinkokennosta 203. Aurinkokenno 203 on pyritty 5 63079 sijoittamaan siten, että auringonsäteet kohtaavat kennon 203 likimain kohtisuorasi huomioiden suoran säteilyn ja heijastuneen säteilyn summan. Auringosta saatava säteilyteho on noin 0,8 kW/m2. Näin ollen 12 m pitkälle ja 3,5 m korkealle aurinkokennolle lankeaa säteilytehoa noin 3,5 m x 12 m x 0,8 kW/2 = 33,6 kW. Kun otetaan huomioon, että talteensaantikerroin on noin 0,^5, saadaan esitetyn kokoisella aurinkokennolla noin 15 kW, Rakennuksen sisään on sijoitettu lämmönvaraaja 204 sekä lämpöpumppu 205. Maaputkisto 206 on sijoitettu maahan rakennuksen ulkopuolelle.

Keksinnön mukainen lämmitysjärjestelmä toimii seuraavasti. Oletetaan, että lämmönvaraajassa 4 olevan veden lämpötila on alle 40° C. Aurinkokenno 3 on kylmenpi kuin maa, koska aurinko ei paista. Tällöin venttiili 29 on avoinna ja pumppu 23 kierrättää nestettä maaputkiston 1 ja lämmönvaihtimen 21 kautta. Lämpöpumppu 2 siirtää lämpöä lämmönvaraajaan 4 ja lämpötilan laskiessa termostaattiventtiili 28 sulkee ohituskierron.

Auringon alkaessa lämmittää aurinkokennoa 3 sen lämpötila kohoaa korkeammaksi kuin maan lämpötila. Termostaatti toteaa tämän ja nyt avataan myös venttiilit 36, 38. Tällöin lämpöpumppu siirtää lämpöä sekä maasta että aurinkokennosta lämmönvaraajaan 4. Aurinkokennon lämpötila pyrkii yleensä kuitenkin nopeasti kohoamaan, mikäli aurinko paistaa. Siinä vaiheessa, kun kennon lämpötila ylittää noin 10°C:lla lämmönvaraajan lämpötilan, toteaa impulssitermostaat-ti sen ja tällöin avautuu lisäksi venttiili 43. Tällöin lämmittää aurinkokenno 3 myös suoraan nestekierrolla lämmönvaraajaa. Lämmönvaraajan lämpötilan noustessa +50° C:een suljetaan venttiili 29 ja kierto maaputkistossa 1 lakkaa. Toisin sanoen lämpöpumppu siirtää nyt lämpöä vain aurinkokennosta lämmönvaraajaan. Lämmönvaraajan lämpötilan noustua vielä viisi astetta eli +55° C:een, sulkeutuu myös venttiili 36, jolloin kenno lämmittää varaajaa suoralla nestekierrolla.

Lämmönvaraajan lämpötilan noustua haluttuun arvoon, johdetaan aurinkokennosta saatavaa energiaa myös maahan maaputkiston 1 kautta, tämä tapahtuu siten, että avataan venttiilit 29, 38 ja 43 ja suljetaan venttiili 36. Tällöin aurinkokennon jäähdytysneste kiertää ensin lämmönvaraajan kautta ja sitten maaputkiston 1 kautta palaten takaisin aurinkokennoon.

Lämmönvaraajan lämpötilan laskiessa suljetaan venttiileitä vastaavasti siten, että ensin käytetään aurinkokennosta suoraan saatava energia hyväksi ja vasta, ___ - Γ~ 6 6 6 0 7 9 kun se ei riitä, käynnistetään lämpöpumppu. Tällöinkin otetaan lämpöä ensin aurinkokennosta mikäli sen lämpötila on korkeampi kuin maan koska lämpö-pumppu toimii tällöin paremmalla hyötysuhteella.

Kun lämpöä siirretään lämpöpumpulla aurinkokennosta, täytyy tarkasti valvoa, ettei kompressorin imupaine pääse kohoamaan yli sallitun rajan. Tällöin tietysti presostaatti ja viime kädessä ylivirtasuoja katkaisevat kompressorin toiminnan, mutta saatu teho menee hukkaan. Tämän vuoksi pitää säätää lämmönvaihtajan saaman nesteen lämpötilaa. Tämä toteutetaan kuviossa 1 esitetyllä järjestelyllä siten, että termostaattiventtiili 25 säätää lämmönvaihtimeen menevän nesteen virtausmäärää. Loppu nestekierrosta kulkee ohivirtausputken 27 kautta.

Claims (4)

1. 7 6:5079
2. 1. Menetelmä maalämmön ja aurikolämmön hyväksikäyttämiseksi sopivimmin pientalojen lämmitykseen joka käsittää lämmön ottamisen maasta siihen sijoitetun putkiston (1) ja lämpöpumpun (2) avulla ja aurinkolämmön talteen ottamisen aurinkokennon (3) avulla ja lämpöenergian varastoinnin lämmönvaraajaan (*t) siten, että lämmönvaraajan (k) lämpötilan ollessa tiettyä alaraja-arvoa matalampi, siirretään lämpöä lämpöpumpulla (2) joko maasta tai aurinkokennosta (3) riippuen siitä, kumman lämpötila on korkeampi tai molemmista, ja mikäli aurinkokennon (3) lämpötila ylittää lämmönvaraajan (¢) lämpötilan tietyllä määrällä, siirretään lämpöä myös suoralla nestekierrolia aurinkokennosta (3) lämmönvaraajaan (<*) ja mikäli aurinkokenno (3) tuottaa enemmän energiaa kuin lämmönvaraajaan ,(4) voidaan ko. aikana siirtää, johdetaan ylimääräinen energia maahan sopivimmin saman putkiston (1) kautta, joka toimii lämpöpumpun energialähteenä tunnettu siitä, että lämpöenergia siirretään lämpöpumpun lämmönvaihtimen (21) kautta siten, että lämmönvaihtimeen annostellaan vain niin suuri määrä energiaa, jonka lämpöpumppu (2) pystyy edelleen siirtämään ja lämmönvaihtimeen (21) siirretyn energian määrää valvotaan lämmönvaihtimen sisään- ja/tai ulosvirtausnesteen lämpötilaa valvomalla.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että nesteen lämpötilaa valvotaan jatkuvasti termostaattiventtiilillä (25), joka on sijoitettu ennen lämmönvaihdita (21) ja joka lämpötilan noustessa pienentää virtausmäärää, jopa sulkien virtauksen kokonaan.
4. 1. Förfarande för utnyttjande av jordvärme och solvärme, lämpligen för upvärmning av smähus, omfattande tillvaratagande av värme frän jorden med hjälp av ett i denna anordnat rörsystem (1) och en värmepump (2) och tillvaratagande av solvärme med hjälp av en solfängare (3) och lagring av värmeenergi i en värmeackumulator pä sädant sätt att värme dä temperaturen i värme-ackumulatorn (4) är lägre än ett bestämt undre gränsvärde överförs medelst värmepumpen (2) antingen frän jorden eller frän solfängaren (3), beroende pä vilkenderas temperatur är högre, eller frän vardera, och om solfängarens (3) temperatur överstiger värmeackumulatorns (*0 temperatur med ett bestämt gradtal överförs värme även genom direkt vätskecirkulation frän solfängaren (3)