NL1023012C2

NL1023012C2 - Werkwijze voor het opslaan en onttrekken van warmte en koude in respectievelijk aan een reservoir.

Info

Publication number: NL1023012C2
Application number: NL1023012A
Authority: NL
Inventors: Antonius Bernardus Schaap
Original assignee: Econcern B V
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-09-30
Also published as: EP1462736A1

Description

Werkwijze voor het opslaan en onttrekken van warmte en koude in respectievelijk aan een reservoir

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het opslaan en onttrekken van warmte en koude in respectievelijk aan een reservoir, waarbij ten tijde van beschikbare warmte de warmte wordt opgeslagen in een eerste 5 waterlichaam bij een eerste, hoge temperatuur Th/ in tijden van beschikbare koude de koude wordt opgeslagen in een tweede waterlichaam bij een tweede, lage temperatuur Ti, waarbij voor het onttrekken van warmte warmte wordt onttrokken aan het eerste waterlichaam en voor het onttrekken van koude koude 10 wordt onttrokken aan het tweede waterlichaam, en water met een temperatuur tussen Th en Ti wordt opgeslagen.

Een dergelijke werkwijze is algemeen bekend en wordt gebruikt voor de opslag van warmte en koude tot een moment waarop daar weer vraag naar is. Hierbij kan sprake zijn van 15 dag/nachtopslag, doch ook voor langere duur, zoals voor sei-zoensopslag. Aldus kan een overschot aan warmte in de zomer worden opgeslagen en in de winter worden gebruikt. Winterse I koude kan 's zomers voor koeling worden benut. De bekende werkwijze kan worden toegepast voor, bijvoorbeeld, het ver-20 warmen en koelen van een woning, groepen van woningen, utiliteitsbouw zoals kantoren, kassen en ook bij industriële processen.

Ofschoon de met een dergelijke werkwijze te behalen energiebesparing enorm groot is, zijn de investeringskosten 25 zeer hoog en is bijgevolg de terugverdientijd ongewenst lang.

De onderhavige uitvinding beoogt een werkwijze van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen waarmee de kosten kunnen worden teruggebracht.

Hiertoe wordt de werkwijze volgens de uitvinding ge-30 kenmerkt doordat bij het onttrekken van warmte de temperatuur van het water wordt verlaagd tot een temperatuur Tmi gelegen tussen Th en Ti, en bij het onttrekken van koude de temperatuur van het water wordt verhoogd tot een temperatuur Tm2 gelegen tussen Th en Ti, en water met een temperatuur van Tmi of 35 Tm2 wordt opgeslagen in een derde waterlichaam.

Η Door gebruik te maken van een derde waterlichaam dat H zowel in temperatuur verlaagd water met een temperatuur Tmi als in temperatuur verhoogd water met een temperatuur van Tm2 ontvangt, worden de kosten verlaagd. De bekende werkwijzen 5 werken met twee bronnen voor warmteopslag en twee bronnen voor koudeopslag. Ofschoon het combineren van water met een temperatuur Tmi en water met een temperatuur Tm2 een licht energetisch nadeel op kan leveren, weegt dit nadeel niet op ' tegen de verlaging van de investeringskosten.

10 Bij voorkeur wordt water in het derde waterlichaam opgeslagen waarbij Tml « Tm2 ± 5°C, met meer voorkeur bij Tmi =

Tjn2 £ 3°C.

Aldus wordt het energetische nadeel als gevolg van het combineren van water met een temperatuur Tmi en water met 15 een temperatuur Tm2 beperkt.

I Voor het op een geschikte temperatuur Tmi brengen, H wordt, volgens een voorkeursuitvoering, een warmtepomp ge- H bruikt voor het in grotere mate onttrekken van warmte aan wa- I ter afkomstig uit het eerste waterlichaam alvorens dit aan I 20 het derde waterlichaam toe te voeren.

I Evenzo wordt, volgens een gunstige uitvoeringsvorm, I voor het op een geschikte temperatuur Tm2 brengen, een warmte- pomp gebruikt voor het in grotere mate onttrekken van koude I aan water afkomstig uit het tweede waterlichaam alvorens dit 25 water aan het derde waterlichaam toe te voeren.

Voor optimale benutting van opgeslagen warmte, kan I volgens een gunstige uitvoeringsvorm een warmtepomp worden I gebruikt voor het in grotere mate onttrekken van warmte aan I water afkomstig uit het derde waterlichaam alvorens dit water I 30 aan het tweede waterlichaam toe te voeren.

Met de warmtepomp in temperatuur verhoogd water kan I bijvoorbeeld worden gebruikt voor lage temperatuurverwarming.

I Desgewenst kan het water met een tweede warmtepomp verder in I temperatuur worden verhoogd.

I 35 Voor benutting van seizoenswarmte wordt, volgens een I belangrijke voorkeursuitvoeringsvorm, water van ten minste I een waterlichaam gekozen uit het tweede en derde waterlichaam I met behulp van zonnewarmte verwarmd en aan een waterlichaam I * 3 gekozen uit het eerste en het derde waterlichaam toegevoerd.

Hierbij kan desgewenst de temperatuur van het water alvorens te worden opgeslagen in het eerste waterlichaam met behulp van een warmtepomp in temperatuur worden verhoogd.' 5 Een dergelijke werkwijze is bijvoorbeeld interessant voor het afvoeren van warmte uit kassen.

Voor het regenereren van de reservoirs wordt bij voorkeur water van ten minste 1 van het tweede en derde waterlichaam 's winters gekoeld door warmtewisseling met de om-10 geving en aan het tweede waterlichaam toegevoerd.

Volgens een belangrijke uitvoeringsvorm wordt ten minste één van de waterlichamen gevormd door een aquifer.

In een dergelijk geval zullen, in het algemeen, ten minste twee waterlichamen, in het bijzonder het eerste en het 15 tweede waterlichaam, door een aquifer worden gevormd. Het derde waterlichaam kan een eventueel ondergronds gelegen opslagtank zijn, doch is bij voorkeur ook een waterlaag van de I aquifer.

I Derhalve omvat, volgens een voorkeursuitvoerings- I 20 vorm, de aquifer een put, waarop ten minste twee van het eer- I ste, tweede en derde waterlichaam van de aquifer zijn aange- I sloten, en wordt water via de enkele put toegevoerd naar en I afgevoerd van de betreffende waterlichamen.

I De kosten voor. het slaan van een put zijn zeer hoog 25 en de uitvinding maakt het mogelijk dat slechts twee, en bij I voorkeur drie van elkaar gescheiden watervoerende lagen mid- I dels één put worden bediend. Dit betekent een zeer grote be- I sparing op de kosten.

I De uitvinding zal thans worden toegelicht aan de 30 hand van een uitvoeringsvoorbeeld, en onder verwijzing naar de tekening waarin de enige figuur schematisch een inrichting I weergeeft geschikt voor het toepassen van de werkwijze vol- gens de uitvinding.

I In figuur 1 is een inrichting weergegeven geschikt I 35 voor het toepassen van de werkwijze volgens de uitvinding, I zoals voor het op een gewenste temperatuur houden van een ge- I bouw. Zonnewarmte wordt opgevangen middels een zonnecollector 1 en tijdelijk opgeslagen in een warmwaterreservoir 2. Dat is I 1 η O o n 1 o bij voorkeur, zoals weergegeven, een vat en het water wordt bij voorkeur gelaagd opgeslagen (warmste water bovenin). Het H warmwaterreservoir 2 maakt het mogelijk om in de dagelijkse warmtebehoefte van het gebouw en warm tapwaterbehoefte te 5 voorzien. Een eventueel overschot aan warmte wordt via een warmtewisselaar 3 naar een opslagreservoir 4 gevoerd voor langdurige opslag, bijvoorbeeld bij een temperatuur van 40°C.

Het warmtereservoir 2 kan zijn aangesloten op een warmtepomp I 5, welke een warm water in het warmtereservoir 2 verder in 10 temperatuur verhoogt (en minder warm water in het warmtere- servoir 2 verder in temperatuur verlaagt). Aldus komt het I warme water op een voor benutting meer bruikbare temperatuur, of wordt, indien het water wordt opgeslagen in het opslagre- servoir 4, het debiet - en daarmee de kosten voor het pompen 15 en dergelijke - verlaagd. Na het afstaan van warmte via de warmtewisselaar 3 wordt het afgekoelde water teruggevoerd naar warmtereservoir 2.

I In geval van warmtevraag in het gebouw, kan water I uit het opslagreservoir 4 worden gehaald en via een warmte- 20 wisselaar aan het gebouw worden afgestaan. Het water kan wor- den afgevoerd naar, en opgeslagen in, een opslagreservoir 6.

I Het water heeft bijvoorbeeld een temperatuur van 15°C. Even- tueel kan een warmtepomp worden gebruikt als warmtewisselaar 3 of naast warmtewisselaar 3 (in het laatste geval niet weer- 25 gegeven).

Bij koudevraag, zoals voor koeling tijdens de zomer, kan water uit een opslagreservoir 7, welk water een temperatuur heeft van bijvoorbeeld 8°C, worden aangevoerd. Via een warmtewisselaar 8 wordt de koude afgestaan aan het gebouw.

30 Het opgewarmde water wordt opgeslagen in opslagreservoir 6.

De opslagreservoirs 4, 6, 7 kunnen worden gevormd door waterlagen van een aquifer. In het schematisch weergegeven geval zijn er twee putten 9, 10, maar het is mogelijk een enkele put te gebruiken, welke intern van leidingen naar de 35 verschillende waterlagen is voorzien. Het via een enkele put individueel aanspreken van meer dan een waterlaag is in het vak bekend en behoeft geen verdere toelichting. Om dezelfde reden wordt niet verder ingegaan op de leidingen die de di- 5 verse onderdelen van de inrichting verbinden, de pompen (om-cirkeld driekhoekje) en stuurkleppen (driehoekjes).

Voor het regenereren van opslagreservoir 7 wordt water uit opslagreservoir 6 genomen en op geschikte wijze 5 afgekoeld. Dit kan geschieden middels een warmtepomp (niet weergegeven), welke warmte aan het water met een temperatuur I van 15°C onttrekt. In de weergegeven uitvoeringsvorm is een I luchtkoeler 11 voorzien, welke wordt gebruikt voor het aan de I atmosfeer afstaan van de warmte.

I 10 Verschillen tussen massastromen (water) naar of van I de opslagreservoirs 4 en 7 kunnen worden opgevangen door I opslagreservoir 6 via verdeler 12.

I Vanuit warmwaterreservoir 2 wordt, in geval van I warmtevraag zoals tijdens de winter, warmte aan het gebouw I 15 afgegeven door middel van een verwarmingssysteem 13, in het I bijzonder een verwarmingssyteem 13 dat geschikt is voor I verwarmen met warmte van relatief lage temperatuur.

I Voorbeelden van dergelijke verwarmingssystemen 13 zijn I bijvoorbeeld vloerverwarming, wandverwarming of I 20 luchtverwarming.

I In geval van koudevraag, zoals tijdens de zomer, I wordt koude aan het gebouw afgegeven met behulp van een koelsysteem 14. Hierbij kan worden gedacht aan luchtkoeling.

25 Uitvoeringsvoorbeeld I Voor het uitvoeringsvoorbeeld is een Nederlands I referentiekantoor gekozen; het "NPR 2917 Voorbeeld 4; I kantoorgebouw" uit het rekenprogramma van de Energie 30 Prestatie voor de Utiliteit (EPU). Het gebouw van voorbeeld 4 is een relatief energiezuinig kantoor met een EPC (Energie I Prestatie Coefficient) van 1.12. Het vloeroppervlak is voor I dit uitvoeringsvoorbeeld verhoogd tot 10.000 m2, omdat bij een I hoger vloeroppervlak de verliezen van de warme bron relatief 35 lager zijn.

De kenmerken worden gegeven in onderstaande tabel 1.

I i n 9 9 n 1 9 Η I _TABEL 1 _

Oppervlak vloer_10000_m^ H Oppervlak noord- en zuidgevel_2500_m2 H Oppervlak oost- en westgevel_630 _m2

Glasoppervlak zuidgevel__900_m2

Dakoppervlak_2570_m^_

Aantal verdiepingen_4__ 5 Voor een EPC (Energie Prestatie Coefficient) van 1,12 heeft dit gebouw de volgende thermische kenmerken (zie tabel 2).

_TABEL 2___

Isolatiewaarde van gevels, dak en vloer _3_m2K/W

Warmteverliesfactor van de ramen_1, 8_W/m2K

I Infiltratie (qv=10) 0.180 dm3/s I___

Ventilatie warmteterugwinning (rendement)_0.7__

Referentie verwarming: HR 100 ketel: 85 % I Nopw, verw____ I Aanvoertemperatuur verwarming kleiner dan_55_“C_ I Referentie koeling: Compressie koelmachine 350 % (rendement): ____ 10

Een dergelijk gebouw heeft onderstaande energievraag (tabel 3) : _TABEL 3__

Warmtevraag (inclusief 1,76 TJ/jaar distributieverliezen)_ _

Koudevraag (inclusief 0,77 TJ/jaar distributieverliezen)_ _

Warm tapwatervraag_0,70_TJ/jaar

Voor het uitvoeringsvoorbeeld wordt een dergelijk gebouw voorzien van een installatie volgens onderhavige 15 » » 7 I uitvinding/ bijvoorbeeld die zoals hiervoor besproken (fig.).

I Voor het leveren van het piekvermogen van de verwarming kan I nog een hulpwarmteketel (op aardgas) toegevoegd worden.

I Voor het verzamelen van zonnewarmte in de zomer I 5 kunnen zowel vlakke plaat collectoren als vacuüm I buiscollectoren toegepast worden. Vacuüm buiscollectoren zijn I iets duurder doch geven in deze toepassing een hoger I rendement. Uitgaande van vacuüm buiscollectoren heeft het I uitvoeringsvoorbeeld de volgende dimensies (Tabel 4): I 10 I _TABEL 4 _ I Collectoroppervlak_700__

I Vermogen warmtepomp 70 kW

I (elektrisch)___

I Maximaal vermogen 400 kW

I verwarming___ _

I Maximaal vermogen 550 kW

I koeling_____ I Maximaal volume warme 7000 m3 I bron (water)___ I Maximaal volume koude 22000 m3 I bron (water)___- I Maximaal volume lauwe 22000 m3 bron (water)___ I Maximaal debiet warme 12 m3/uur I bron____ I Maximaal debiet koude 60 m3/uur bron_____ I Maximaal debiet lauwe 60 m3/uur bron___ H Inhoud dagopslagtank 3_m3_

De inhoud van de dagopslag is sterk afhankelijk van de warmtapwatervraag. Het laden van warmte ofwel het laden I 15 van koude direct vanuit de omgevingslucht (via de I luchtkoeler) is afhankelijk van de energiebalans van het H systeem. In dit uitvoeringsvoorbeeld dient er nog extra warmte geladen te worden vanuit de omgevingslucht (circa 0.3 I» ·

TJ/jaar). De bijdrage van de collectoren bedraagt 1,8 TJ/jaar. De bijdrage van de warmtepomp bedraagt 0,4 TJ/jaar (elektriciteit). De warmtepomp haalt vanwege de relatief hoge brontemperatuur een SPF van 5,3. De SPF (Seasonal Performance 5 Factor) is de COP gemiddeld over een heel jaar. De COP

(Coefficient of performance) is de geleverde warmte gedeeld door de benodigde elektriciteit. Als we ook de directe levering van warmte door de collectoren meerekenen, dan bereikt het systeem een SPF van 6,6 en indien we ook de 10 geleverde koude meerekenen dan bereikt het systeem een SPF van 8,6. Dat betekent dat er 8,6 maal meer energie geleverd wordt (in de vorm van warmte en koude) dan er aan elektriciteit geconsumeerd is. Ten opzichte van een referentiesysteem met een HR ketel voor ruimteverwarming en 15 warm tapwater en een compressiekoelmachine voor de koudevraag, bedraagt de besparing van primaire energie door het onderhavige systeem 75 %. Ten opzichte van een aquifersysteem bestaande uit twee bronnen (koud en lauw) voor koeling en verwarming met warmtepomp, maar zonder collectoren 20 bedraagt de besparing van primaire energie door het onderhavige systeem 40 %.

Claims

1. Werkwijze voor het opslaan en onttrekken van warmte en koude in respectievelijk aan een reservoir, waarbij ten tijde van beschikbare warmte de warmte wordt opgeslagen in een eerste waterlichaam bij een eerste, hoge temperatuur I 5 Th, in tijden van beschikbare koude de koude wordt opgeslagen I in een tweede waterlichaam bij een tweede, lage temperatuur I Ti, waarbij voor het onttrekken van warmte warmte wordt ont- I trokken aan het eerste waterlichaam en voor het onttrekken I van koude koude wordt onttrokken aan het tweede waterlichaam, I io en water met een temperatuur tussen Th en Ti wordt opgeslagen, I met het kenmerk, dat bij het onttrekken van warmte de tempe- I ratuur van het water wordt verlaagd tot een temperatuur Tmi I gelegen tussen Th en Ti, en bij het onttrekken van koude de I temperatuur van het water wordt verhoogd tot een temperatuur I 15 Tm2 gelegen tussen Th en Ti, en water met een temperatuur van I Tmi of Tm2 wordt opgeslagen in een derde waterlichaam.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, I dat water in het derde waterlichaam wordt opgeslagen waarbij I Tml = Tm2 ± 5°C. I 20

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, I dat water in het derde waterlichaam wordt opgeslagen waarbij I Tml = T*2 ± 3°C.

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een warmtepomp wordt gebruikt voor het 25 in grotere mate onttrekken van warmte aan water afkomstig uit I het eerste waterlichaam alvorens dit aan het derde waterli- I chaam toe te voeren.

5. Werkwijze volgens conclusie een der voorgaande I conclusies, met het kenmerk, dat een warmtepomp wordt ge- I 30 bruikt voor het in grotere mate onttrekken van koude aan wa- I ter afkomstig uit het tweede waterlichaam alvorens dit water I aan het derde waterlichaam toe te voeren.

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, I met het kenmerk, dat een warmtepomp wordt gebruikt voor het 35 in grotere mate onttrekken van warmte aan water afkomstig uit H het derde waterlichaam alvorens dit water aan het tweede wa- terlichaam toe te voeren.

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat water van ten minste een waterlichaam 5 gekozen uit het tweede en derde waterlichaam met behulp van zonnewarmte wordt verwarmd en aan een waterlichaam gekozen uit het eerste en het derde waterlichaam wordt toegevoerd.

8. Werkwijze volgens een van de conclusies 7, met het kenmerk, dat de temperatuur van het water alvorens te 10 worden opgeslagen in het eerste waterlichaam met behulp van een warmtepomp in temperatuur wordt verhoogd.

9. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, I met het kenmerk, dat water van ten minste 1 van het tweede en derde waterlichaam 's winters wordt gekoeld door warmtewisse- 15 -ling met de omgeving en aan het tweede waterlichaam wordt I toegevoerd.

10. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat ten minste een van de waterlichamen I wordt gevormd door een aquifer. I 20

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de aquifer een put omvat, waarop ten minste twee van het I eerste, tweede en derde waterlichaam van de aquifer zijn aan- I gesloten, en water wordt via de enkele put toegevoerd naar en afgevoerd van de betreffende waterlichamen. 25