NL1033227C2 - Methode en apparaat voor het meten van de effectieve warmteoverdracht in een systeem met vloeistofcircuit. - Google Patents

Description

- 1 -

METHODE EN APPARAAT VOOR HET METEN VAN DE EFFECTIEVE WARMTEOVERDRACHT IN EEN SYSTEEM MET VLOEISTOFCIRCUIT

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een 5 werkwijze waarbij thermische parameters van een in een vloeistofcircuit opgenomen warmtewisselaar en het de warmtewisselaar omringende medium worden bepaald.

De onderhavige uitvinding heeft tevens betrekking op 10 een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze en op een regelcircuit dat geschikt is om met de inrichting de werkwijze uit te voeren.

Warmtewisselaars worden onder meer toegepast in 15 klimaatregelsystemen, zoals airco's, vloerverwarmingen, of op industrieel gebied in lucht- of waterbehandelkasten, radiatoren, convectoren, brugdekverwarmingen en dergelijke. Warmtewisselaars worden ook toegepast als bodemwarmtewisselaars, waar zij nadat ter plaatse een 20 boorgat is gemaakt, variërend van 1 tot zo'n 400 meter onder de grond worden geplaatst. Bijvoorbeeld wordt in de zomer warm water, hetgeen hierna ook het primaire medium wordt genoemd, via leidingen naar de een of meer bodemwarmtewisselaars gepompt, waar het water warmte 25 afgeeft aan de ondergrondse omgeving, het secundaire medium, en gekoeld via retourleidingen terugkomt om vervolgens te worden gebruikt om een gebouw te koelen. Omgekeerd kan in de winter het gebouw worden verwarmd. Het koelen of verwarmen van het gebouw kan zowel direct als 30 mechanisch met gebruik van een warmtepomp worden gerealiseerd.

Ongeacht de specifieke toepassing van de warmtewisselaar is van belang om de specifieke 35 warmteoverdracht tussen het primaire en het secundaire 1033227 - 2 - medium in de praktijk te weten, omdat dit een van de belangrijkste parameters is voor het juiste ontwerp van een (bodem-) warmtewisselaarsysteem. Binnen de toepassing van een warmtewisselaar die is opgenomen in een 5 vloeistofcircuit zijn de voornoemde thermische parameters, met name temperatuurverdeling, warmtegeleidingscoëfficiënt, en warmtecapaciteit van het secundaire medium, en de thermische weerstand tussen de warmtewisselaar en het secundaire medium onbekend.

10

Die thermische parameters zijn voor een groot deel bepalend zijn voor het vermogen, het rendement, de energie overdrachtssnelheid, de constructie en bijvoorbeeld vorm van de warmtewisselaars. Voor bodemwarmtewisselaars is de 15 snelheid waarmee warmte tussen de vloeistof en de bodem wordt uitgewisseld gerelateerd aan de moeilijk nauwkeurig te schatten bodem warmtegeleidingscoëfficiënt en de boorgatweerstand. Voor een dergelijke warmtewisselaar betekent dat, dat met name de lengte van, de onderlinge 20 afstand tussen, en het aantal warmtewisselaars veelal aan de veilige kant wordt ontworpen, wat de warmtewisselaar onnodig kostbaar maakt, zonder dat het rendement van het aldus over gedimensioneerde systeem verhoogd wordt. Wanneer daarentegen een te kleine warmtewisselaar wordt ontworpen, 25 of een te kleine onderlinge afstand wordt gekozen zal het systeem het beoogde rendement niet halen of zelfs de benodigde capaciteit niet kunnen leveren.

Doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen 30 van een werkwijze, inrichting en regelsysteem waarmee de relevante thermische parameters nauwkeurig zijn te bepalen, zodat onder alle omstandigheden met een optimaal toegesneden systeem, dat een lagere kostprijs bij gegeven rendement heeft, aan de energiebehoefte ter plaatse kan 35 worden voldaan.

- 3 -

Daartoe is de werkwijze volgens de uitvinding gekenmerkt door de in conclusie 1 opgesomde maatregelen.

Dienovereenkomstig zijn de inrichting en het 5 regelcircuit volgens de uitvinding gekenmerkt door de maatregelen van respectievelijk de conclusies 10 en 12.

Voordelen van de werkwijze, inrichting en het regelcircuit volgens de uitvinding zijn dat deze de 10 mogelijkheid bieden om warmte (energie) te injecteren maar ook aan de omgeving -voor bodemwarmtewisselaars de bodem-te onttrekken. Hierdoor kunnen onder verschillende, zelfs tegengestelde, condities de onder omstandigheden mogelijk ook verschillende thermische parameters worden bepaald, 15 zodat het systeem als geheel en de warmtewisselaars in het bijzonder daaraan optimaal kunnen worden toegesneden, teneinde met het hoogst haalbare rendement op kostprijstechnisch gunstige wijze te worden bedreven.

Door warmte injectie kan bij bodemwarmtewisselaars 20 ondergrondse convectie worden geïnduceerd die leidt tot overschatting van de thermische geleiding. Die overschatting kan worden gecorrigeerd door warmte extractie toe te passen, waarbij convectie geen rol van betekenis speelt, waardoor de nauwkeurigheid van de bepaling van de 25 thermische geleiding toeneemt.

Met voordeel kunnen warmte injectie of extractie op basis van bijvoorbeeld de buitentemperatuur worden geselecteerd. Daardoor kunnen eventuele verschillen tussen de buitentemperatuur en de temperatuur van de circulerende 30 vloeistof worden geminimaliseerd, als gevolg waarvan kleinere meetfouten ontstaan en de betrouwbaarheid van de meetresultaten en thermische parameters toeneemt.

Een voorkeur uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens 35 de uitvinding heeft het kenmerk dat de energiepuls - 4 - thermisch wordt gebufferd alvorens aan de warmtewisselaar te worden toegevoerd.

Voordeel hiervan is dat door de buffering een in de tijd zeer constante energiepuls kan worden gehandhaafd, 5 hetgeen voorts de stabiliteit van de werkwijze en de betrouwbaarheid van de resultaten verder verbetert.

Verdere van voordeel zijnde uitvoeringsvormen van de werkwijze, de inrichting en het regelcircuit volgens de 10 onderhavige uitvinding zijn opgenomen in de overige conclusies.

Thans zal de werkwijze, inrichting en het regelcircuit volgens de onderhavige uitvinding nader worden 15 toegelicht aan de hand van de onderstaande figuur, welke een overzicht toont van mogelijke thans de voorkeur hebbende uitvoeringsvormen van de inrichting volgens de uitvinding.

De figuur toont een inrichting l voor het bepalen 20 van te meten grootheden op basis waarvan door middel van een standaard analyseprotocol, de zogeheten lijnbron methode, thermische parameters voor een warmtewisselaar worden bepaald.

25 In dit geval is de warmtewisselaar uitgevoerd als een of meer in de bodem aangebrachte warmtewisselaars 2, schematisch aangeduid met een U-vormige leiding.

Voorbeelden van andere mogelijke vormen zijn enkelvoudige of meervoudige U-vorm, concentrische vorm en dergelijke.

30 Door de warmtewisselaar 2 stroomt vanuit een invoer 3 een vloeistof, hier water, via de warmtewisselaar 2 naar de uitvoer 4. Via een op de in- en uitvoer 3, 4 aangesloten buizenstelsel 5 wordt een aan water afgegeven energiepuls, in de vorm van een warmtepuls of een koudepuls, afkomstig 35 van een reversibele warmtepomp 6 aan de ten minste ene - 5 - warmtewisselaar 2 toegevoerd. Ingeval van een koudepuls fungeert de warmtepomp 6 als koelmachine. De warmtewisselaar 2 die desgewenst kan zijn uitgerust met een, bij voorkeur elektrisch, weerstand verwarmingselement, 5 is opgenomen in een vloeistofcircuit, dat is weergegeven als een gesloten vloeistofcircuit, en kan direct op de warmtepomp 6 zijn aangesloten. De warmtepomp 6 is hier uitgevoerd als een reversibele water naar lucht warmtepomp 6 met een lucht aanvoer 7 en lucht afvoer 8 en bijbehorende 10 luchtverplaatsing- en energie met de lucht uitwisselende middelen. De warmtepomp 6 voert op hierna toe te lichten wijze een in de tijd constante energiepuls met bekende grootte via het circulerende water toe aan de warmtewisselaar 2, die de daarin aanwezige warmte of koude 15 met zijn omgeving uitwisselt. De inrichting 1 omvat een processor gestuurd regelcircuit 9, dat in de figuur schematisch is aangeduid met een half dicht en half open op de punt staand vierkant. Alle nader toe te lichten onderdelen in de figuur die van een dergelijk vierkant zijn 20 voorzien communiceren, al of niet draadloos, met het regelcircuit 9 en geven en/of ontvangen daarvan hun rege1commando's. Tot die communicerende onderdelen behoren ook middelen 10 voor het bepalen van de temperatuurrespons op de energiepuls. Tot de responsmiddelen 10 behoren 25 althans temperatuursensoren 10-1, 10-2 en 10-3, analoge of digitale drukmeters 10-4 en 10-5, en een massa- of volumestroommeter 10-6. Deze responsmiddelen 10 verschaffen de informatie aan het regelcircuit 9 die nodig is om door toepassing van een daarvoor geschikte regelstrategie de toe 30 te voeren positieve of negatieve, of delen van een modulerende, althans gedurende enige tijd constante energiepuls op een gewenste waarde te houden. Voor een dergelijke op zich bekende stabiliserende regeling worden zonodig geëigende PID acties gebruikt, welke regeling als 35 vermogensregeling regelt op een gewenst vermogen bij een - 6 - vast ingesteld debiet, of als debietregeling regelt op een hierna verder toe te lichten variabel debiet, dan wel een combinatie van beide. Bij een dergelijke debietregeling kan het ingestelde debiet worden bewaakt en onafhankelijk 5 geregeld worden.

Andere van de voornoemde onderdelen, zoals bijvoorbeeld frequentiegeregelde of met een regelbare smoorklep uitgevoerde circulatiepompen 10-7 en 10-8, alsmede de geregelde warmtepomp 6 grijpen op commando van 10 het regelcircuit 9 in om de energiepuls gedurende zekere tijd constant te houden door het beïnvloeden van de stroomsnelheid en/of de massa stroom van de vloeistof. De inrichting 1 omvat verder nog afsluiters 11 en ontluchters 12 .

15 In de weergegeven uitvoeringsvorm van de inrichting 1 is ter bevordering van een stabiele werking en ter verkrijging van nog nauwkeuriger resultaten, in het circulatiecircuit naar de warmtewisselaar 2 een horizontaal of verticaal op te stellen buffervat 13 opgenomen, dat op 20 zijn beurt is opgenomen in een vloeistofcircuit naar de warmtepomp 6. Voornoemde opstelling blijkt in de praktijk mede bepalend te zijn voor de precieze plaats waar, afhankelijk van de energiepuls, de verschillende leidingen 5 bij voorkeur dienen te worden aangebracht. Ter verdere 25 verbetering van het beperken van temperatuurschommelingen in het buffervat 13 kan een diffusor aan de uitvoerzijde naar de warmtepomp 2 in het buffervat 13 worden geplaatst.

De werking en regeling van de inrichting 1 voor het uitvoeren van de werkwijze om tot betrouwbare thermische 30 parameters voor de warmtewisselaar 2 te komen is als volgt. Door een, althans gedurende zekere tijd, vast thermisch vermogen met ingestelde grootte aan de warmtewisselaar 2 die zich in dit geval in de bodem bevindt, aan te leggen wordt op basis van de hierboven aangegeven sensor- en 35 meetresultaten de daarvan het gevolg zijnde -7- temperatuurverandering in de tijd bepaald. De temperatuurverandering wordt grafisch uitgezet tegen de natuurlijke logaritme van de tijd en geëvalueerd met behulp van de lijnbron methode. Uit de verkregen hellingshoek en 5 het vermogen, dat door de vermogensregeling binnen een zeer kleine bandbreedte constant wordt gehouden, volgt de warmtegeleidingscoêfficiënt die onder meer bepalend is voor de ontwerplengte van de warmtewisselaar 2. Andere thermische parameters, te weten meer systeem gerelateerde 10 parameters, die met deze methode kunnen worden geëvalueerd zijn bijvoorbeeld het aantal bodemwarmtewisselaars, de diepte, de bijvoorbeeld enkelvoudige of meervoudige U- of concentrische vorm, de vorm van hun opstelling, de constructie van het boorgat en de onderlinge afstand tussen 15 warmtewisselaars. Met de bij de lijnbron methode behorende bekende formule kan grafisch de boorgatweerstand worden bepaald. De boorgatweerstand is representatief voor verliezen in de warmtewisselaar 2 die voortkomen uit de constructie en vorm ervan. De methode verschaft ook 20 hierover betrouwbare gegevens, omdat de betrouwbaarheid ervan niet beïnvloed wordt door een eventueel niet voldoende constant zijn van de energiepuls.

De methode verschaft kan bovendien zowel bij warmte injectie (positieve energiepuls) als bij warmte extractie 25 (negatieve energiepuls) worden gebruikt, maar ook bij wisselende pulsen, eventueel met verschillende groottes.

Het resultaat hiervan is dat daardoor gegevens ter beschikking komen over verschillen in ontwerp van de warmtewisselaar 2 en de bijbehorende systeemregeling bij 30 bijvoorbeeld warmte injectie in de zomer en warmte extractie in de winter. Ook kan de onderhavige methode met methodes worden gecombineerd die andere analytische of numerieke modellen gebruiken om bijvoorbeeld de thermische effecten van grondwaterstroming door lateraal 35 grondwatertransport als gevolg van een drukgradiënt - 8 - (advectie), of temperatuur geïnduceerde convectie van grondwater kwantitatief te bepalen, om deze in het ontwerp te kunnen verdisconteren, dan wel de grondwaterstromingssnelheid te kunnen bepalen.

5 De weergegeven uitvoeringsvorm van de inrichting 1 heeft verder een hier in de leiding 5 naar de invoer 3 van de warmtewisselaar 2 aangesloten eveneens op het regelcircuit 9 aangesloten drieweg regelklep 14. Door middel van de geregelde driewegklep 14 wordt het voornoemde 10 gewenste temperatuurverschil mede gehandhaafd door het regelen van die hoeveelheid van de warmtewisselaar 2 via uitvoer 4 terugkerende vloeistof die door de klep 14 bij de vloeistofstroom naar invoer 3 wordt gevoegd. In principe is opname van de driewegklep 14 in de retourleiding vanuit 15 uitvoer 4 ook mogelijk; in dat geval wordt naar de invoer 3 gaande vloeistof gemengd met hetgeen van uitvoer 4 afkomstig is. De eerdergenoemde, nog toe te lichten, debietregeling die regelt op een variabel debiet kan dat doen bij een vast ingestelde mengverhouding tussen de van 20 de warmtewisselaar 2 afkomstige vloeistof en de vloeistof die afkomstig is van het buffervat 13.

Voor zover de introductie van de driewegklep 14 leidt tot een traag systeem, kan de regeling hieraan worden aangepast door op het product van voornoemd debiet en 25 gewenst temperatuurverschil te regelen.

1033227

Claims (14)

1. Werkwijze waarbij thermische parameters van een in een vloeistofcircuit opgenomen warmtewisselaar worden 5 bepaald, waarbij een althans gedurende zekere tijd constante, mogelijk modulerende, energiepuls met bekende grootte aan de warmtewisselaar wordt toegevoerd, en uit de temperatuur respons op de energiepuls de warmteoverdracht betreffende thermische parameters worden bepaald, waarbij 10 de energiepuls door een reversibele warmtepomp of koelmachine, opgebrachte warmte of koude bevat.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de energiepuls thermisch wordt gebufferd alvorens aan de 15 warmtewisselaar te worden toegevoerd.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat een gewenst temperatuurverschil tussen vloeistof die naar de warmtewisselaar gaat en vloeistof die 20 daarvan terugkeert door een regeling wordt gehandhaafd.

4. Werkwijze volgens een conclusie 3, met het kenmerk dat de regeling een actieve regeling (volgens het PID of ander regelprincipe werkend), al of niet gecombineerd met 25 een debietregeling en/of een vermogensregeling is.

5. Werkwijze volgens een van de conclusie 3 of 4, met het kenmerk dat het voornoemde gewenste temperatuurverschil mede wordt gehandhaafd door het regelen van die hoeveelheid 30 van de warmtewisselaar terugkerende vloeistof die bij de vloeistofstroom naar de warmtewisselaar wordt gevoegd.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk dat het voornoemde regelen wordt uitgevoerd door middel van een 35 drieweg regelklep. 1033227 - 10 -

7. Werkwijze volgens een van de conclusies 1-6, met het kenmerk dat afwisselend warmte- en koudepulsen met eventueel verschillende vermogensstappen aan de 5 warmtewisselaar worden toegevoerd.

8. Werkwijze volgens een van de conclusies 1-7, met het kenmerk dat de thermische parameters voor een bodem warmtewisselaar, systeem gerelateerde parameters zijn, 10 zoals het aantal warmtewisselaars, hun onderlinge afstand, de vorm van de opstelling, de diepte, de boorgatconstructie, en het type warmte wisselaar.

9. Werkwijze volgens een van conclusies 1-8, met het 15 kenmerk dat de reversibele warmtepomp een reversibele water naar lucht warmtepomp is.

10. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een van de conclusies 1-9, waarbij de inrichting 20 omvat: een in een vloeistofcircuit opgenomen warmtewisselaar; een warmtepomp voor het aan de warmtewisselaar toevoeren van een althans gedurende zekere tijd constante, mogelijk modulerende, energiepuls met bekende grootte; en middelen voor het bepalen van de 25 temperatuurrespons op de energiepuls, met het kenmerk dat de warmtepomp een reversibele warmtepomp is die is uitgevoerd om een warmte of koude bevattende energiepuls op te wekken.

11. Inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk dat de inrichting een tussen een toevoer en afvoer van de warmtewisselaar geschakelde drieweg regelklep omvat.

12. Inrichting volgens conclusie 10 of 11, met het 35 kenmerk dat de inrichting een met de warmtepomp gekoppeld, - 11 - bij voorkeur elektrisch, verwarmingselement omvat.

13. Regelcircuit geschikt om de inrichting volgens een van de conclusies 10-12 te regelen voor het daarin 5 toepassen van de werkwijze volgens een van de conclusies 1-9, waarmee een warmte of koude bevattende, door een reversibele warmtepomp opgebrachte, energiepuls althans gedurende zekere tijd constant wordt gehouden.

14. Warmtepomp ontworpen op basis van thermische parameters die zijn verkregen door toepassing van de werkwijze volgens een van de conclusies 1-9. 033227