NL2011061C2

NL2011061C2 - Wanddeel, warmtebuffer en energieuitwisselingssysteem.

Info

Publication number: NL2011061C2
Application number: NL2011061A
Authority: NL
Inventors: Adrianus Wilhelmus Groot
Original assignee: Aris De Groot En
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2015-01-05
Also published as: EP3014189B1; US20160370016A1; WO2014209121A1; US10900666B2; EP3014189A1; US20180299139A1; US10024549B2

Description

Wanddeel, warmtebuffer en energieuitwisselingssysteem

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een wanddeel voor het vervaardigen van een warmtebuffer, een aldus vervaardigde warmtebuffer, en een energieuitwisselingssysteem waarin een dergelijke buffer is opgenomen.

Energieuitwisselingssystemen zijn op zich bekend. Hun algemene principe is warmte en koude op te slaan op het moment dat er een overaanbod is, en deze warmte ten tijde van vraag te benutten, in het bijzonder seizoenopslag van zomer naar winter. Veelal gaat het daarbij om zonnewarmte en thermische warmte opgewekt met in het bijzonder warmtepompen die aangestuurd worden met eigen stroom uit eigen pv-panelen die ondergronds wordt opgeslagen, waarbij een vloeistof, zoals water en/of glycol, gebruikt wordt voor het verschaffen van warmtecapaciteit, koudecapaciteit of een combinatie van beide.

De bekende systemen voorzien zondermeer in een zekere vraag, maar er kleven ook diverse nadelen aan, die met name zijn gelegen in een matig rendement, of een beperkte mate van opslagcapaciteit of op schaalbaarheid of toepasbaarheid in een bestaande bebouwde omgeving.

Het is dan ook een doel van de onderhavige uitvinding om althans een deel van de bovengenoemde nadelen op te heffen, danwel een bruikbaar alternatief voor de stand van de techniek te verschaffen.

De uitvinding verschaft daartoe allereerst een wanddeel voor het vormen van een warmtebuffer, omvattende een in hoofdzaak plaatvormig lichaam, ten minste een in het lichaam opgenomen vloeistofdoorvoercircuit, één of meerdere vanaf de buitenzijde van het wanddeel benaderbare hydraulische koppelingen, voor af- en toevoer van vloeistof aan het vloeistofdoorvoercircuit en ingericht voor koppeling met hydraulische koppelingen van een soortgelijke inrichting en een aan het wanddeel voorziene mechanische koppeling, voor het koppelen van het wanddeel met ten minste een soortgelijk wanddeel.

In een uitvoeringsvorm zal ten minste een deel van de wanddelen worden gekoppeld en aangesloten middels het zogenaamde Tichelmann aansluitprincipe waarmee gelijkmatige drukverliezen en daarmee samenhangend energiezuinige gebruik van de pompen voor het rondpompen van de vloeistoffen kan worden bereikt.

Het wanddeel volgens de onderhavige uitvinding verschaft de mogelijkheid om middels koppeling met soortgelijke of identieke wanddelen een samenstel van al dan niet hydraulisch verbonden of geschakelde delen te vormen, en aldus een warmtebuffer te vormen met een opslagcapaciteit van enig gewenst formaat. Het wanddeel kan daartoe bijvoorbeeld in hoofdzaak plaatvormig, rechthoekig, trapeziumvormig of al dan niet gekromd zijn. Het vloeistofdoorvoercircuit is ingericht om deel uit te maken van een warmtewisselaar, of die te vormen. Daartoe wordt een samenstel van wanddelen volgens de onderhavige uitvinding in contact gebracht met een medium met een geschikte warmtecapaciteit, welk in het bijzonder grondwater kan zijn. Voor dat specifieke doel worden de wanddelen dan onder de grond, bijvoorbeeld in het grondwater, geplaatst.

Het wanddeel volgens de uitvinding kan een rasterwerk voor het houden van een slang of buis zijn, en tevens voorzien zijn van een dergelijke slang of buis, bestemd om geplaatst te worden in een daartoe voorziene uitsparing in de grond, welke vervolgens wordt volgegoten met bijvoorbeeld beton. Evenwel kunnen ook (netten met) leidingregisters ingestort in een (aldus prefab) betonnen element worden toegepast. Dergelijke elementen kunnen direct in de grond, of eveneens in nog vloeibaar beton worden ingebed.

De delen kunnen geïsoleerd zijn uitgevoerd, waarbij het vloeistofdoorvoercircuit gevormd kan zijn of worden door een in het beton ingegoten slang of buis of een op het wanddeel aangebracht leidingregister.

Dergelijke prefab-delen in het bijzonder kunnen voorzien zijn van een afdichting, voor het in een met een soortgelijk wanddeel gekoppelde toestand vloeistofdicht afdichten van een raakvlak van de beide wanddelen.

Bij voorkeur is de mechanische koppeling ingericht voor het met hun wanden onder een onderlinge hoek koppelen met een soortgelijke inrichting. Op die manier kan door het aan elkaar verbinden van wanddelen volgens de onderhavige uitvinding een eindloos samenstel gevormd worden, in het bijzonder een veelhoek, welke het medium omsluit. De wanddelen kunnen daartoe bijvoorbeeld een trapeziumvormige dwarsdoorsnede hebben.

In een praktische uitvoeringsvorm is een eerste wanddeel met een soortgelijk tweede wanddeel koppelbaar door middel van ten minste één nok en één haak, waarbij de nok op eerste wanddeel is voorzien, en de haak op het tweede wanddeel is voorzien. Meerdere nokken en haken zijn uiteraard ook denkbaar, waarbij het ook mogelijk is dat een wanddeel ten behoeve van de verbinding van één aanliggend wanddeel met zowel nokken als haken is uitgerust.

Ten behoeve van het aanleggen van een ondergrondse buffer geniet het de voorkeur wanneer de nok en de haak zodanig geplaatst zijn dat het tweede wanddeel in hoofdzaak in verticale richting met het eerste wanddeel koppelbaar is. Wanddelen kunnen op die manier één voor één in de grond geplaatst worden en op elkaar aangesloten worden.

De wanddelen volgens de onderhavige uitvinding hebben bij voorkeur een breedte tussen de één en vier meter, en een hoogte tussen de tien en vijfentwintig meter, en een dikte tussen de nul en anderhalve meter.

De onderhavige uitvinding heeft tevens betrekking op een warmtebuffer, omvattende ten minste twee ten minste mechanisch gekoppelde wanddelen volgens één van de voorgaande conclusies, en in het bijzonder waarbij de mechanisch gekoppelde inrichtingen zodanig zijn verbonden dat zij een ruimte omsluiten. Bij verdere voorkeur omvatten zij ook een vloer- en/of dekseldeel, voor het aan een boven en/of onderzijde afsluiten van de omsloten ruimte. Een gewenste inhoud van de warmtebuffer ligt tussen de 15 en 25.000 m3. Gestreefd wordt volgens de onderhavige uitvinding naar een zo groot mogelijk vat, zodat er met een relatief klein temperatuurverschil een zo hoog mogelijke energetische opslagcapaciteit kan worden bereikt en derhalve een zo hoog mogelijk rendement.

Voor het verkrijgen van een bijzonder hoog rendement kan de warmtebuffer meerdere om elkaar heen aangebrachte, bij voorkeur verbonden, groepen van gekoppelde wanddelen omvatten. Een voorbeeldconfiguratie omvat bijvoorbeeld concentrische cirkels of veelhoeken, maar een zigzag- of geslingerde vorm is ook denkbaar. De warmtebuffer wordt gevuld met een medium voor het opslaan van energie, waarvoor bijvoorbeeld grondwater of andere vloeistof kan worden gekozen.

De onderhavige uitvinding heeft verder betrekking op een energieuitwisselingssysteem, omvattende een warmtebuffer zoals hierboven beschreven, een met het vloeistofdoorvoercircuit van ten minste één van de wanddelen van de warmtebuffer verbonden hydraulisch warmteuitwisselingssysteem, omvattende ten minste een warmteopnameinrichting, voor het opnemen van warmte of koude, het afgeven hiervan aan een vloeistof en het naar het vloeistofdoorvoercircuit voeren van de vloeistof waaraan de warmte is afgegeven; en ten minste een warmteafgifteinrichting, voor het ontvangen van door het vloeistofdoorvoersysteem gevoerde vloeistof, het afgeven van warmte, zoals een verwarmingssysteem in een gebouw. Een dergelijke inrichting heeft -door het gebruik van de efficiënte buffer volgens de uitvinding een bijzonder hoog rendement. Hierdoor is het in een uitvoeringsvorm zelfs mogelijk dat het energieuitwisselingssysteem meerdere warmteafgifteinrichtingen, geplaatst in meerdere gebouwen, omvat, alsook om meerdere buffers aan elkaar te koppelen zodat een netwerk van buffers ontstaat.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding omvat het energieuitwisselingssysteem een besturingssysteem voor het controleren van de vloeistofstroom tussen het warmteuitwisselingssysteem, de warmteopnameinrichting en de warmteafgifteinrichting. Een dergelijk besturingssysteem controleert de warmte aan-en afvoer naar en van de warmtebuffer.

Het regelsysteem volgens de onderhavige uitvinding kenmerkt zich in een voorkeursuitvoeringsvorm doordat het het besturingssysteem is ingericht voor het ontvangen van een temperatuursvoorspelling voor de betreffende lokatie, waarbij het besturingssysteem is ingericht voor het opslaan van energie in of het afgeven van energie uit het vat op basis van de ontvangen temperatuursvoorspelling.

De temperatuursvoorspelling kan worden verkregen van een meteorologisch instituut, via een RSS feed of op een andere op zich bekende wijze. Nog meer in het bijzonder kenmerkt het energieuitwisselingssysteem volgens de onderhavige uitvinding zich doordat het besturingssysteem is ingericht voor het opslaan in of het afgeven van energie uit de warmtebuffer op basis van de gemeten temperaturen in het verleden en de verwachtte temperaturen in de toekomst, waarbij elk meetpunt in het verleden en elk meetpunt in de toekomst wordt gewogen met een eigen wegingsfactor. Op basis van een dergelijke wegingsfactor wordt de hoeveelheid af te geven of op te nemen energie uit de buffer bepaald, ten behoeve van het op een bepaalde temperatuur brengen en/of houden van een gebouw. In een verdere uitvoeringsvorm wordt de energie uit het gebouw gebruikt om de buffer te laden en uit de buffer koude naar het gebouw te brengen. Doordat het vat is opgedeeld in verschillende temperatuur niveaus die zijn ontstaan door de natuurlijke stratificatie van het water in het vat kan vanuit de regeltechniek het juiste niveau van laden en ontladen worden bepaald.

In een verdere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding worden meetpunten in het verleden met een lagere factor gewogen dan meetpunten in de toekomst. In nog een verdere uitvoeringsvorm is het besturingssysteem ingericht voor het aanpassen van de besturing op basis van het verschil tussen de temperatuursvoorspelling en een daadwerkelijk gemeten temperatuur, zoals die in een aangesloten gebouw en/of het buffervat.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de volgende figuren. Hierin toont: - Figuren la, b een doorsnedeaanzicht van een wanddeel volgens de onderhavige uitvinding; - Figuur lc toont in detail de nok en haak-constructie uit figuren la en lb. - Figuur 2 een bovenaanzicht van een buffer volgens de onderhavige uitvinding; - Figuren 3a-c een schematische weergave van het hydraulisch systeem van een energieopslagsysteem volgens de onderhavige uitvinding; - Figuur 4 toont een voorbeeld van een weging van meetpunten in een systeem volgens de onderhavige uitvinding;

Figuur 5 toont een gebruikersinterface van programmatuur voor het instellen van het regelsysteem volgens de onderhavige uitvinding.

Figuur la een doorsnedeaanzicht 1 van een wanddeel 2 volgens de onderhavige uitvinding, omvattende een in hoofdzaak plaatvormig lichaam 3, met een in het lichaam opgenomen vloeistofdoorvoercircuit 4, en vier vanaf de buitenzijde van het wanddeel 2 benaderbare hydraulische koppelingen 5, 6, 7, 8 voor af- en toevoer van vloeistof aan het vloeistofdoorvoercircuit 4 en ingericht voor koppeling met hydraulische koppelingen van een soortgelijke inrichting. Tevens is zichtbaar een aan het wanddeel voorziene mechanische koppeling 9, 10 omvattende een nok 10 en een haak 9, voor het koppelen van het wanddeel 2met ten minste een soortgelijk wanddeel. Tenslotte is een afdichting 12 zichtbaar, voor het in een met een soortgelijk wanddeel gekoppelde toestand vloeistofdicht afdichten van een raakvlak van de beide wanddelen.

Figuur lb toont een bovenaanzicht van een alternatieve uitvoeringsvorm 2a. In de nok 10a is een injectielint 11 weergegeven, en duidelijk zichtbaar is dat de dwarsdoorsnede van deze uitvoeringsvorm een trapeziumvormige dwarsdoorsnede heeft. Tevens is zichtbaar dat de nokken 10a en de bijbehorende haken zich zowel aan de buitenzijde van een wanddeel, als aan een kopse kant kunnen bevinden.

Figuur lc toont in detail de nok en haak-constructie uit figuren la en lb.

Figuur 2 toont een bovenaanzicht 13 van een buffer volgens de onderhavige uitvinding, bestaand uit meerdere om elkaar heen aangebrachte, bij voorkeur verbonden, groepen 14, 15, 16 van gekoppelde wanddelen 2.

Figuren 3a, b, c tonen schematische weergaven 17, 18, 19 van de onderlinge hydraulische koppeling van wanddelen 20 volgens de onderhavige uitvinding volgens het Tichelman principe.

Figuur 4 toont een voorbeeld van een weging van meetpunten in een systeem volgens de onderhavige uitvinding, waarbij de algemene richtlijnen volgens de ISSO-publicatie 29 t.g.v. Bouwbesluit 2012 worden aangehouden, inclusief aanpassingen d.d. 17 april 2012. De gegeven richtlijnen in de ISSO zijn gebaseerd op de kennis die is vergaard uit literatuuronderzoek en experimenten. Met behulp van computermodellen zijn de statische en dynamische warmtestromen, van installaties, gesimuleerd. De resultaten van de simulatiemodellen zijn geverifieerd door praktij km etingen en die hebben bijgedragen tot de uiteindelijke vorm van deze modellen. Voor praktisch gebruik is een handberekeningsmethode afgeleid, waarmee op basis van de gebouweigenschappen en behaaglijkheidswensen op betrouwbare wijze een installatie kan worden ontworpen. De berekeningsmethode bestaat uit acht stappen. 1. bepaling van het warmteverlies door buitenwanden; 2. bepaling van warmteverliezen naar aangrenzende gebouwen; 3. bepaling van het warmteverlies door het dak; 4. bepaling van het warmteverlies door de vloer; 5. bepaling van infiltratie- c.q. ventilatieverliezen; 6. bepaling van de stationaire warmteverliezen 7. bepaling van de opwarmtoeslag; 8. bepaling van het totaal te installeren vermogen.

Hierbij wordt rekening gehouden met de berekeningen interne warmteproductie en zoninstraling. Het bepalen van het te leveren vermogen uit het vat bestaat uit het hierboven opgesomde achttal stappen; 6 voor het bepalen van de stationaire warmtevraag, 1 voor de opwarmtoeslag en 1 voor het uiteindelijk het bepalen en te leveren vermogen uit het vat op een bepaald tijdstip. Dit vermogen wordt om de 30 minuten bepaald door berekening van stap 1 tot 8 met optelling of vermindering van uit het gebouw ontvangen informatie van de interne warmteproductie en zoninstraling. Op deze manier kan men een adaptieve temperatuurgrenswaarde leveren conform figuur 5.

De bovengenoemde figuren zijn louter illustratief en beperken geenszins de beschermingsomvang van de onderhavige uitvinding zoals vastgelegd in de navolgende conclusies.

Claims

1. Wanddeel voor het vormen van een warmtebuffer, omvattende: o Een in hoofdzaak plaatvormig lichaam; o Een in het lichaam opgenomen vloeistofdoorvoercircuit; o Eén of meerdere vanaf de buitenzijde van het wanddeel benaderbare hydraulische koppelingen, voor af- en toevoer van vloeistof aan het vloeistofdoorvoercircuit en ingericht voor koppeling met hydraulische koppelingen van een soortgelijke inrichting; o Een aan het wanddeel voorziene mechanische koppeling, voor het koppelen van het wanddeel met ten minste een soortgelijk wanddeel.

2. Wanddeel volgens conclusie 1, ingericht voor het met hun wanden onder een onderlinge hoek om een in hoofdzaak verticale as, koppelen met een soortgelijke inrichting, bijvoorbeeld doordat het wanddeel een in hoofdzaak trapeziumvormige dwarsdoorsnede heeft.

3. Wanddeel volgens conclusie 1 of 2, waarbij een eerste wanddeel met een soortgelijk tweede wanddeel koppelbaar is door middel van ten minste één nok en één haak, waarbij de nok op eerste wanddeel is voorzien, en de haak op het tweede wanddeel is voorzien.

4. Wanddeel volgens conclusie 3, waarbij de nok en de haak zodanig geplaatst zijn dat het tweede wanddeel in hoofdzaak in verticale richting met het eerste wanddeel koppelbaar is.

5. Wanddeel volgens één van de voorgaande conclusies, voorzien van een afdichting, voor het in een met een soortgelijk wanddeel gekoppelde toestand vloeistofdicht afdichten van een raakvlak van de beide wanddelen.

6. Wanddeel volgens één van de voorgaande conclusies, met een breedte tussen de één en vier meter, en een hoogte tussen de tien en vijfentwintig meter.

7. Wanddeel volgens één van de voorgaande conclusies, omvattende ten minste één leidingregister ingestort in beton.

8. Warmtebuffer, omvattende ten minste twee ten minste mechanisch gekoppelde wanddelen volgens één van de voorgaande conclusies.

9. Warmtebuffer volgens conclusie 8, waarbij de mechanisch gekoppelde inrichtingen zodanig zijn verbonden dat zij een ruimte omsluiten.

10. Warmtebuffer volgens conclusie 9, tevens omvattende een vloer- en/of dekseldeel, voor het aan een boven en/of onderzijde afsluiten van de omsloten ruimte.

11. Warmtebuffer volgens één van de conclusies 8-10, waarbij de warmtebuffer een inhoud heeft tussen de 15 en 25.000 m3.

12. Warmtebuffer volgens één van de conclusies 8-11, omvattende meerdere om elkaar heen aangebrachte, bij voorkeur verbonden, groepen van gekoppelde wanddelen.

13. Warmtebuffer volgens één van de conclusies 8-12, gevuld met een medium voor het opslaan van energie.

14. Energieuitwisselingssysteem, omvattende: o Een warmtebuffer volgens één van de conclusies 8-13, o Een met het vloeistofdoorvoercircuit van ten minste één van de wanddelen van de warmtebuffer verbonden hydraulisch warmteuitwisselingssysteem, omvattende ten minste: Een warmteopnameinrichting, voor • het opnemen van warmte, zoals zonnewarmte • het afgeven van deze warmte aan een vloeistof; • het naar het vloeistofdoorvoercircuit voeren van de vloeistof waaraan de warmte is afgegeven; en ten minste Een warmteafgifteinrichting, voor • het ontvangen van door het vloeistofdoorvoersysteem gevoerde vloeistof; • het afgeven van warmte, zoals een verwarmingssysteem in een gebouw.

15. Energieuitwisselingssysteem volgens conclusie 14, omvattende meerdere warmteafgifteinrichtingen, geplaatst in meerdere gebouwen.

16. Energieuitwisselingssysteem volgens conclusie 14 of 15, omvattende een besturingssysteem voor het controleren van de vloeistofstroom tussen het warmteuitwisselingssysteem, de warmteopnameinrichting en de warmteafgifteinrichting.

17. Energieuitwisselingssysteem volgens conclusie 16, waarbij: - het besturingssysteem is ingericht voor het ontvangen van een temperatuursvoorspelling; en - waarbij het besturingssysteem is ingericht voor het opslaan van energie in of het afgeven van energie uit het vat op basis van de ontvangen temperatuursvoorspelling.

18. Energieuitwisselingssysteem volgens conclusie 17, waarbij het besturingssysteem is ingericht voor het opslaan in of het afgeven van energie uit de warmtebuffer op basis van de gemeten temperaturen in het verleden en de verwachtte temperaturen in de toekomst, waarbij elk meetpunt in het verleden en elk meetpunt in de toekomst wordt gewogen met een eigen wegingsfactor.

19. Energieuitwisselingssysteem volgens conclusie 18, waarbij meetpunten in het verleden met een lagere factor worden gewogen dan meetpunten in de toekomst.

20. Besturingssysteem volgens conclusie 18 of 19, ingericht voor het aanpassen van de besturing op basis van het verschil tussen de temperatuursvoorspelling en een daadwerkelijk gemeten temperatuur.

21. Werkwijze voor het plaatsen van een wanddeel volgens één van de conclusies 1-7, omvattende: - het in een schacht doen zakken van het wanddeel, en - het mechanisch en/of hydraulisch koppelen van het wanddeel aan een reeds geplaatst soortgelijk wanddeel.

22. Werkwijze volgens conclusie 21, omvattende het met vloeibaar beton vullen van de schacht alvorens het erin doen zakken van het wanddeel.