NL2005830C2 - Werkwijze voor klimaatregeling, alsmede warmtewisselingssysteem daarvoor. - Google Patents

Description

Werkwijze voor klimaatregeling, alsmede warmtewisselingssvsteem daarvoor

De uitvinding heeft betrekking op het gebied van het verwarmen respectievelijk 5 koelen van gebouwen, zoals huizen, kantoren en dergelijke, onder gebruikmaking van opslag van warmte respectievelijk koude in de ondergrond. In het bijzonder kan het daarbij gaan om opslag van warmte of koude in een watervoerende laag in de ondergrond. Daarbij kan in de zomer relatief warm water dat afkomstig is uit warmtewisselaars van een gebouw, in de ondergrond worden opgeslagen. Tegelijk kan 10 dan relatief koud water uit de ondergrond naar het betreffende gebouw worden gevoerd in verband met het koelen daarvan. Andersom kan in de winter warmte uit de ondergrond worden gebruikt om het gebouw te verwarmen, waarbij dan het in het gebouw afgekoelde warmtewisselingsmedium gebruikt kan worden om de ondergrond af te koelen.

15 In het ideale geval is, op jaarbasis gezien, de in de zomer aan de ondergrond toegevoerde warmte min of meer gelijk aan de in de winter daaraan onttrokken warmte. Aldus blijft de temperatuur van de ondergrond, afgezien van de jaarlijkse wisselingen, van jaar op jaar gemiddeld constant. Onder andere op basis van een dergelijke voorwaarde worden vergunningen verstrekt door de overheid om aldus verwarming en 20 koeling van gebouwen mogelijk te maken.

Tevens moet daarbij gelet worden op de absolute temperatuur van het water in de ondergrond. Zo kan de maximaal toelaatbare temperatuur van het water in een watervoerende laag begrensd zijn tot 25° C. Bij hogere temperaturen kunnen chemische en biologische veranderingen in de ondergrond ontstaan die ecologische schade kunnen 25 opleveren en de toevoer in respectievelijk afvoer uit de watervoerende laag kunnen belemmeren. Verder kan, zoals reeds genoemd, de beperking gelden dat bij aquifers of watervoerende lagen van enige omvang de gemiddelde temperatuur van jaar tot jaar constant moet worden gehouden. Als voorbeeld wordt genoemd het handhaven van de gemiddelde temperatuur binnen een bandbreedte van 10°-12° C. Dit betekent in de 30 praktijk dat tegenover de opslag van warmte in de ondergrond, moet staan een even grote onttrekking van warmte, met andere woorden toevoer van koude, zodat deze grootheden in balans blijven.

2

In de praktijk blijkt echter dat een dergelijke balans niet altijd gemakkelijk te bereiken is. In het geval van gebouwen die bestemd zijn voor bewoning, blijkt de aan de ondergrond onttrokken warmte in de winter groter te zijn dan de in de zomer aan de ondergrond toegevoerde warmte, met andere woorden groter dan de koelbehoefte. Bij 5 bedrijfs- en kantoorgebouwen kan de balans beter worden gehandhaafd omdat daarbij de behoefte aan koeling in de zomer relatief groot is. In sommige gevallen kan de koeling/verwarming van woningen en van dergelijke bedrijfsgebouwen worden gecombineerd. Daarbij kan de grotere koelbehoefte van bedrijfs- of kantoorgebouwen in de zomer voor compensatie zorgen van de relatief grote warmtebehoefte van 10 woningen in de winter. Een dergelijke combinatie is echter lang niet altijd mogelijk of zelfs wenselijk. In dergelijke gevallen moeten dus aanvullende maatregelen worden getroffen om het surplus aan in de ondergrond opgeslagen warmte zomers kwijt te kunnen. Dat geldt ook voor de warmte die vrijkomt bij bedrijf van de installatie van het klimaatsysteem, in het bijzonder de warmte die geleverd wordt door de warmtepomp.

15 Als verder voorbeeld van een systeem waarbij warmte en koude worden opgeslagen in de ondergrond wordt de teelt in kassen genoemd. Daarbij wordt het voordeel van een sterk verminderd gasverbruik en een overeenkomstig lagere C02 uitstoot verkregen. Ook hierbij geldt dat de opslag van warmte en onttrekking van warmte niet in balans blijken te zijn. Dit betekent dat een overschot aan warmte of 20 koude zou ontstaan, hetgeen gecompenseerd moet worden door aanvullende, kostbare maatregelen. In het geval van een te grote onttrekking aan warmte moet de balans door gebruikmaking van fossiele brandstoffen hersteld worden. Bij een te grote toevoer van warmte moet energie gedissipeerd worden, bij voorbeeld door middel van warmtewisselaars op de daken van gebouwen.

25 Reeds is getracht om warmtesuppletie te verschaffen door warmtewisselingsleidingen die zijn ondergebracht in een wegdek. Dat stuit echter op problemen die samenhangen met het onderhoud van de weg.

Het doel van de uitvinding is daarom een oplossing te bieden voor de problemen die samenhangen met het handhaven van de balans bij het ontrekken van warmte en 30 koude uit de ondergrond. Het is wenselijk die problemen op relatief eenvoudige en goedkope wijze te ondervangen. Dat kan in eerste aanleg worden bereikt door middel van een werkwijze voor het regelen van het klimaat in een gebouw, omvattende de stappen van: 3 - het verschaffen van een ondergrondse warmte-opslag, zoals een watervoerende laag, - het uitwisselen van warmte tussen het gebouw en de warmte-opslag, - het verschaffen van een open waterlichaam, zoals een boezem of rivier, 5 - het tevens uitwisselen van warmte tussen het open waterlichaam en de warmte- opslag.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding kan nog steeds op de gebruikelijke wijze warmte worden toegevoerd respectievelijk ontrokken worden aan de ondergrond, in verband met een efficiënte verwarming respectievelijk koeling van allerlei typen 10 gebouwen. De eventuele onbalans in de warmtehuishouding in de ondergrond die daarbij zou optreden van j aar tot j aar, en die tot onaanvaardbare temperatuumiveaus aanleiding zou geven, kan nu ondervangen worden door de warmtecapaciteit van een open waterlichaam te benutten. Voordeel daarvan is dat andere hulpinstallaties, zoals warmtewisselingspanelen die op daken en dergelijke moeten worden geïnstalleerd, 15 achterwege kunnen blijven. Dit is van belang omdat om redenen van concurrentie met andere voorzieningen die veelal op daken worden aangetroffen, zoals waterboilers voor heet tapwater, koelinstallaties zoals condensors en verdampers, fotovoltaïsche panelen en dergelijke. Ook kan het om esthetische redenen onwenselijk zijn om warmtewisselingspanelen op daken te installeren.

20 De warmtewisseling tussen de ondergrond en open waterlichaam kan op verschillende manieren worden bewerkstelligd. Volgens een eerste mogelijkheid wordt gebruik gemaakt van het spoelen van de warmte-opslag met water uit het waterlichaam. In niet alle gevallen is het spoelen echter mogelijk of toegestaan. Volgens een alternatief kan de werkwijze volgens de uitvinding derhalve de stappen omvatten van: 25 - het verschaffen van een warmtewisselaar in het open waterlichaam, welke warmtewisselaar in verbinding is met de warmte-opslag, - het uitwisselen van warmte tussen het open waterlichaam en de warmte-opslag door middel van de warmtewisselaar.

Bij deze variant van de werkwijze blijft het zich in de ondergrond bevindende 30 water gescheiden van het water uit het waterlichaam. De overdracht van warmte of koude geschiedt dan via een warmtewisselaar. Als warmtewisselingsmedium kan, in de meeste gevallen, het water uit de waterhoudende laag worden gebruikt. Eventueel kan ook in de waterhoudende laag een warmtewisselaar zijn aangebracht,zodanig dat een 4 warmtewisselingsmedium kan worden toegepast dat gescheiden blijft van het grondwater in de waterhoudende laag en het water in het open waterlichaam.

In het bijzonder kan de werkwijze volgems de uitvinding de stappen omvatten van: 5 - het verschaffen van een waterlichaam met tenminste een waterloop, zoals een sloot, een hoofdwater zoals een boezem of rivier en een gemaal dat zich bevindt tussen een waterloop en het hoofdwater, omvattende de stappen van: - het verschaffen van een warmtewisselaar ter plaatse van of nabij het gemaal, - het activeren van het gemaal en het daardoor verschaffen van een 10 waterstroming, - het uitwisselen van warmte tussen de waterstroming en de warmtewisselaar, - het uitwisselen van warmte tussen de warmtewisselaar en de warmte-opslag.

Bij een landschap dat doorsneden is met vele waterlopen, zoals sloten, treedt gedurende de dag een sterke verwarming op tijdens de zomer. Het aldus verwarmde 15 water wordt door het gemaal langs of door de warmtewisselaar gezogen of geperst. Daardoor kan een grote hoeveelheid warmte worden onttrokken aan het voorbij stromende water. Omgekeerd kan in de winter, bij relatief lage watertemperaturen, koude toegevoerd worden aan de waterhoudende laag.

De werkwijze volgens de uitvinding kan bij verschillende typen gebouwen en 20 verschillende wijzen van verwarming of koeling worden toegepast. Zo kan het gebouw warmtewisselingsmiddelen bezitten die warmte aan de omgeving afstaan of omgekeerd warmte uit de omgeving opnemen, zoals zonnepanelen. Een voorbeeld van een dergelijk gebouw is bekend uit EP-A-2146150. In dat geval omvat de werkwijze de stappen van: 25 - het verschaffen van een gebouw met externe warmtewisselingsmiddelen, - het uitwisselen van warmte tussen de externe warmtewisselingsmiddelen en de warmte-opslag.

Daarnaast kan de werkwijze de stappen omvatten van: - het verschaffen van een gebouw met interne warmtewisselingsmiddelen, 30 - het uitwisselen van warmte tussen de interne warmtewisselingsmiddelen en de warmte-opslag.

De uitvinding kan toegepast worden onder vele verschillende omstandigheden. Volgens een eerste mogelijkheid kan in de winter een warmtevraag optreden die groter 5 is dan de koeltevraag in de zomer. Zoals reeds genoemd is dit typisch voor woningen. Onder deze omstandigheden treedt uitputting op van de warmtebron in de ondergrond als gevolg van de relatief grote afgifte van warmte in de winter. Dit tekort aan warmte dat gaat optreden kan worden gecompenseerd door uit het open waterlichaam warmte 5 toe te voeren aan de ondergrondse warmtebron in de zomer. Zo kan bijvoorbeeld in de zomer de watertemperatuur 14° C hoger zijn dan de gemiddelde grondtemperatuur van 10° C - 12° C. Dit relatief warme water wordt door de warmtewisselaar geleid en staat de warmte af aan een warmtewisselingsmedium, dat naar de ondergrondse warmtebron wordt geleid. Aldaar kan de warmte afgegeven worden aan de warmtebron, zoals een 10 waterhoudende laag. Het afgekoelde warmtewisselingsmedium wordt dan weer naar de warmtewisselaar in het open waterlichaam gevoerd.

In het geval van het gebouw zoals bekend uit EP-A-2146150 kan sprake zijn van een kleinere warmtevraag in de winter dan koudevraag in de zomer. Dit is typisch voor kantoren; daarbij zou zonder aanvullende maatregelen opwarming van de koudebron 15 optreden. Dit kan echter worden gecompenseerd door aanvoer van koude uit het open waterlichaam. Zo kan in de nacht de temperatuur van het water in het open waterlichaam door uitstraling 6° C-8° C lager zijn dan de gemiddelde grondtemperatuur van 10° C - 12° C.

De uitvinding betreft verder een werkwijze die de stappen omvat van: 20 - het verschaffen van een gebouw met een warmtebron, zoals een haard, centrale verwarming, airconditioning en dergelijke, - het bepalen van een nominaal verwarmingsniveau in het gebouw, - het aanvullen van de door de warmtebron geleverde warmte respectievelijk koude vanuit de warmte-opslag ter verkrijging van het nominale verwarmingsniveau.

25 De uitvinding heeft tevens betrekking op een systeem voor het bedrijven van de werkwijze zoals hiervoor beschreven, omvattende een gebouw, een ondergrondse warmte-opslag, zoals een watervoerende laag, zoals een watervoerende laag tussen twee voor water ondoordringbare lagen, warmtewisselingsmiddelen tussen het gebouw en de ondergrondse warmte-opslag voor het verwarmen en/of koelen van een 30 inwendige ruimte in het gebouw, alsmede regelmiddelen voor het regelen van warmteoverdracht tussen het gebouw en de warmte-opslag in verband met verwarming respectievelijk koeling van het gebouw. Een dergelijk systeem is op zich bekend. Volgens de uitvinding is tenminste een oppervlaktewater, zoals een boezem of rivier, 6 voorzien alsmede warmtewisselingsmiddelen tussen het oppervlaktewater en de ondergrondse warmte-opslag voor het overbrengen van warmte tussen dat oppervlaktewater en die warmte-opslag. In de grondmassa bestaande uit de watervoerende laag en de omgevende, voor water ondoorlaatbare lagen kan 5 warmte/koude worden opgeslagen zonder dat deze in belangrijke mate weg lekt.

In het bijzonder kan het systeem volgens de uitvinding worden toegepast bij een open waterlichaam dat is voorzien van een met waterlopen doorsneden gebied, een gemaal en een hoofdwater, zoals een boezem of een rivier, via welk gemaal de waterlopen zijn aangesloten op het hoofdwater voor het opwekken van een waterstroom 10 tussen de waterlopen en het hoofdwater, alsmede een warmtewisselaar in de ter plaatse van of nabij het gemaal optredende waterstroom, welke warmtewisselaar is opgenomen in de warmtewisselingsmiddelen tussen het open waterlichaam en de warmte-opslag.

Bij voorkeur is het nominale niveau van de waterlopen verschillend van het nominale niveau van het hoofdwater.

15 Volgens een andere mogelijkheid kan het systeem zijn uitgevoerd met een zich tussen het open waterlichaam en de ondergrondse energie-opslag uitstrekkend transportmiddel voor het spoelen van de ondergrondse energie-opslag met water uit het open waterlichaam.

In een ruimte in het gebouw kan zich een warmtewisselaar bevinden die in 20 verbinding is met de warmte-opslag. Verder kan in een deel van het gebouw dat de buitenste begrenzing daarvan vormt, zoals een buitenwand of een dak, een warmtewisselaar zijn opgenomen.

In aanvulling op het volgende kan nog worden gewezen op de gunstige invloed die een systeem volgens de uitvinding kan hebben op de sanering van bodemvervuiling. 25 De verhoogde temperatuur kan gunstig zijn voor de afbraak van bacteriën in de bodem.

Vervolgens zal de uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van een in de figuren weergegeven uitvoeringsvoorbeeld.

Figuur 1 toont een bovenaanzicht van het systeem.

Figuur 2 toont een verticale doorsnede door het systeem.

30 Figuur 3 toont een gebouw van het systeem.

Figuur 4 toont een verticale doorsnede door een alternatieve uitvoering van het systeem.

7

Het in de figuren 1 en 2 weergegeven systeem heeft een ondergrondse warmte-opslag, in het bijzonder de watervoerende laag 1, het gebied 2 waarin zich sloten 2 en dwarskanalen 4 bevinden. Tevens is er een gemaal 6, door middel waarvan het water uit het dwarskanaal 4 gespuid kan worden in de boezem 5. De ondergrondse warmte-5 opslag 1 is via leidingen 7, 7’, 7” enz. verbonden met respectievelijke gebouwen 8, 8’, 8” enz. in verband met het verwarmen of koelen van de gebouwen. De leidingen 7, 7’, 7” monden op verschillende diepten uit in de watervoerende laag 1, zodat de warmtehuishouding van het ene gebouw 8, 8’, 8” onafhankelijk blijft van de warmtehuishouding van het andere gebouw 8, 8’, 8”.

10 Ter plaatse van het gemaal 6 is in de watergang aldaar een warmtewisselaar 9 geplaatst. Deze warmtewisselaar 9 is via leidingen 15, 15’, 15” enz., die zijn afgetakt van de hoofdleiding 10, eveneens verbonden met de ondergrondse warmte-opslag 1. Wanneer de warmte-opslag 1 door te grote onttrekking van warmte in de winter via de leidingen 7, 7’, 7”, zoals ter verwarming van woongebouwen, uitgeput dreigt te raken, 15 kan via de warmtewisselaar 9 warmte onttrokken worden aan het langsstromende water in het gemaal 6 en toegevoerd worden aan de ondergrondse warmte-opslag 1 via de leidingen 10, 15, 15’, 15”. Dit kan bijvoorbeeld in de zomer geschieden, wanneer de temperatuur van het oppervlaktewater relatief hoog is.

Aldus kan de gemiddelde temperatuur op jaarbasis in de ondergrondse warmte-20 opslag constant worden gehouden. Variaties in de temperatuur van de ondergrondse warmte-opslag blijven mogelijk, ten gevolge van ontrekken van warmte daaraan, of ten gevolge van het toevoeren van warmte daaraan. Evenwel kan door de warmte-uitwisseling met het oppervlaktewater vermeden worden dat de temperatuur van de ondergrondse warmte-opslag geleidelijk aan stijgt of daalt.

25 Een voorbeeld van een gebouw dat toegepast kan worden in het systeem volgens de uitvinding is in figuur 3 weergegeven. Dit gebouw bezit warmtewisselaars 11,12 die zijn opgenomen in de schil van het gebouw, in het onderhavige geval de buitenwand en het dak. Deze warmtewisselaars 11,12 kunnen in de zomer verwarmd worden door zonnestraling, waarbij aldus warmte kan worden toegevoerd aan de ondergrondse 30 warmte-opslag 1 via de leidingen 7, 7’, 7”. In de winter kunnen deze warmtewisselaars gebruikt worden voor het verwarmen van het gebouw.Ook de interne warmtewisselaars 13, die zich in een ruimte van het gebouw bevinden, kunnen daarbij een rol spelen. In verband met het regelen van de gewenste stromingen zijn in de leidingen kleppen (niet 8 getoond) opgenomen die geopend en gesloten kunnen worden voor het regelen van de daar doorheen stromende vloeistof. Tevens is een besturingsinrichting (niet getoond) voorzien door middel waarvan de kleppen bestuurd kunnen worden. Deze besturingsinrichting kan gevoed worden met signalen betreffende de temperaturen van 5 de watervoerende laag en van het open waterlichaam. Tevens kunnen daaraan gegevens worden toegevoerd betreffende de warmtevraag of koudevraag van de gebouwen. Door middel van een geschikte programmering kan de besturingsinrichting, op basis van deze gegevens, de kleppen op de vereiste wijze aansturen.

In de variant van het systeem zoals weergegeven in figuur is de hoofdleiding 10 10 direct aangesloten op de leidingen 7, 7’, 7”, en wel via respectievelijk wisselkleppen 14, 14’, 14”. Deze wisselkleppen kunnen elk in een stand worden geplaatst waarin de hoofdleiding 10 is aangesloten op de leidingen 7, 7’, 7” die in verbinding staan met de warmtewisselaar 9 in het open waterlichaam. In die toestand is de verbinding tussen elk gebouw 8, 8’, 8” en de watervoerende laag 1 onderbroken.

15 Daarnaast kunnen de wisselkleppen 14, 14’, 14” in een andere stand worden geplaatst waarin de leiding 10 is afgesloten van de watervoerende laag 1 en de gebouwen 8, 8’, 8” zijn verbonden met de watervoerende laag.

Claims (13)

1. Werkwijze voor het regelen van het klimaat in een gebouw (8), omvattende de 5 stappen van: - het verschaffen van een ondergrondse warmte-opslag (1), zoals een watervoerende laag, - het uitwisselen van warmte tussen het gebouw (8) en de warmte-opslag (1), - het verschaffen van een open waterlichaam (3-5), zoals een boezem of rivier, 10. het tevens uitwisselen van warmte tussen het open waterlichaam (3-5) en de warmte-opslag (1).

2. Werkwijze volgens conclusie 1, omvattende de stap van: - het spoelen van de warmte-opslag met water uit het waterlichaam. 15

3. Werkwijze volgens conclusie 1, omvattende de stappen van: - het verschaffen van een warmtewisselaar (9) in het open waterlichaam (3-5), welke warmtewisselaar in verbinding is met de warmte-opslag (1), - het uitwisselen van warmte tussen het open waterlichaam (3-5) en de warmte-20 opslag (1) door middel van de warmtewisselaar (9).

4. Werkwijze volgens conclusie 3, omvattende het verschaffen van een waterlichaam met tenminste een waterloop, zoals een sloot (3), een hoofdwater zoals een boezem (5) of rivier en een gemaal (6), omvattende de stappen van: 25. het verschaffen van een warmtewisselaar (9) in de waterstroming ter plaatse van of nabij het gemaal (9), - het activeren van het gemaal (9) en het daardoor verschaffen van een waterstroming, - het uitwisselen van warmte tussen de waterstroming en de warmtewisselaar (9), 30. het uitwisselen van warmte tussen de warmtewisselaar (9) en de warmte-opslag (1)·

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, omvattende de stappen van: - het verschaffen van een gebouw (8) met externe warmtewisselingsmiddelen (11, 12), 5. het uitwisselen van warmte tussen de externe warmtewisselingsmiddelen (11, 12. en de warmte-opslag (1).

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, omvattende de stappen van: 10. het verschaffen van een gebouw (8) met interne warmtewisselingsmiddelen (13), - het uitwisselen van warmte tussen de interne warmtewisselingsmiddelen (13) en de warmte-opslag (1).

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, omvattende de stappen van: - het verschaffen van een gebouw met een warmtebron, zoals een haard, centrale verwarming, airconditioning en dergelijke, - het bepalen van een nominaal verwarmingsniveau in het gebouw, 20. het aanvullen van de door de warmtebron geleverde warmte respectievelijk koude vanuit de warmte-opslag ter verkrijging van het nominale verwarmingsniveau.

8. Systeem voor het bedrijven van de werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, omvattende een gebouw (8), een ondergrondse warmte-opslag (1), zoals een 25 watervoerende laag, warmtewisselingsmiddelen (11-13) tussen het gebouw en de ondergrondse warmte-opslag voor het verwarmen en/of koelen van een inwendige ruimte in het gebouw, alsmede regelmiddelen voor het regelen van warmte-overdracht tussen het gebouw en de warmte-opslag in verband met verwarming respectievelijk koeling van het gebouw, gekenmerkt tenminste een oppervlaktewater (3-5), zoals een 30 boezem of rivier, alsmede door warmtewisselingsmiddelen (9) tussen het oppervlaktewater en de ondergrondse warmte-opslag (1) voor het overbrengen van warmte tussen dat oppervlaktewater en die warmte-opslag.

9. Warmtewisselingssysteem volgens conclusie 8, waarbij is voorzien een met waterlopen (3) doorsneden gebied (2), een gemaal (6) en een hoofdwater (5), zoals een boezem of een rivier, via welk gemaal de waterlopen (3) zijn aangesloten op het hoofdwater (5) voor het opwekken van een waterstroom tussen de waterlopen en het 5 hoofdwater, alsmede een warmtewisselaar (9) in de ter plaatse van of nabij het gemaal (6) optredende waterstroom, welke warmtewisselaar (9) is opgenomen en de warmtewisselingsmiddelen tussen het open waterlichaam (3-5) en de warmte-opslag (υ ιό

10. Systeem volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het nominale niveau van de waterlopen (3) verschilt van het nominale niveau van het hoofdwater (5).

11. Systeem volgens conclusie 8, waarbij zich tussen het open waterlichaam en de ondergrondse energie-opslag een transportmiddel uitstrekt voor het spoelen van de 15 ondergrondse energie-opslag met water uit het open waterlichaam.

12. Systeem volgens een der conclusies 8-11, waarbij zich in een ruimte in het gebouw (8) een warmtewisselaar bevindt (13) die in verbinding is met de warmte-opslag (1). 20

13. Systeem volgens een der conclusies 8-12, waarbij in een deel van het gebouw dat de buitenste begrenzing daarvan vormt, zoals een buitenwand of een dak, een warmtewisselaar (11, 12) is opgenomen die in verbinding is met de warmte-opslag (1).