NL2023977B1 - Thermisch systeem. - Google Patents

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een thermisch systeem voor het verwarmen van een gebouw tenminste omvattende: een PVT-eenheid; een warmteopslag- eenheid; een warmte-afgifte-eenheid; een warmtepomp-eenheid; alsmede regelmiddelen. De warmte-pompeenheid omvat tenminste twee warmtepompen, waarbij elke warmtepomp een primaire en een secundaire warmtewisselaar omvat, waarbij de primaire warmtewisselaren parallel verbonden zijn, via regelmiddelen en de warmteopslag- eenheid, met de PVT-eenheid en waarbij de secundaire warmtewisselaren van de warmtepompen in serie zijn verbonden met de warmte-afgifte-eenheid. Hiermee wordt een thermisch systeem verkregen, waarbij eenvoudig aanvullende warmtepompen kunnen worden ingezet - naast de al bestaande warmtepomp — zonder dat ingrijpende wijzigingen aan de regelmiddelen en de rest van de installatie dienen te worden uitgevoerd. Daarnaast biedt deze oplossing een eenvoudige uitbreiding c.q. verhoging van het totale thermische vermogen van de installatie.

Description

Titel: Thermisch systeem.

De uitvinding heeft betrekking op een thermisch systeem voor het verwarmen van een gebouw tenminste omvattende: een PVT-eenheid; een warmte- opslag-eenheid; een warmte-afgifte-eenheid; een warmtepomp-eenheid; alsmede regelmiddelen.

Dergelijke thermische systemen opgebouwd rondom een zonnepaneel en een warmtepomp, waarbij warmte van het ene medium, bijvoorbeeld vloeistof of gas, over wordt gebracht naar een ander medium worden de laatste tijd steeds meer toegepast voor het verwarmen van gebouwen, zoals woningen en kantoorpanden.

Het toepassen van een dergelijk warmte-terugwin systeem heeft een aantal voordelen en de inzet van dergelijke systemen werd geïnitieerd door het feit dat het adequaat koelen van zonnepanelen direct leidt tot een verhoogde stroomopbrengst. Het is namelijk gebleken dat in de praktijk ongeveer twintig procent meer opbrengst kan worden gerealiseerd, wanneer de zonnepanelen efficiënt worden gekoeld met een fluidum. De daarbij weggevoerde warmte kan dan in een dergelijk thermisch systeem efficiënt worden hergebruikt voor het verwarmen van bijvoorbeeld tapwater- en/of centrale verwarmingssystemen of anderszins. De combinatie van een zonnepaneel met dergelijk actief gekoeld systeem wordt in de volksmond ook wel een photovoltaic thermal hybrid solar collector, PVT-systeem genoemd.

In PVT-systemen van het hierboven genoemde type is een foto-voltaïsche cel, dat wil zeggen een zonnepaneel, welke is ingericht om zonlicht te converteren naar elektriciteit (stroom), gecombineerd met een zonnecollector, dat is ingericht om door het zonlicht in een fluïdum geabsorbeerde warmte te transporteren. Door de winst in efficiëntie van bovengenoemde PVT-systemen, dat wil zeggen, de extra stroomopbrengst van de zonnepanelen en de warmteterugwinning van het thermische systeem, is de interesse in deze PVT-systemen de afgelopen jaren sterk toegenomen.

Een nadeel van de huidige thermische systemen is dat deze specifiek ontworpen en geïnstalleerd worden voor een gebouw. Het aanpassen c.g. uitbreiden van bestaande thermische systemen is niet zonder meer mogelijk zonder volledige vervanging van één of meer van de specifieke onderdelen, met name de warmtepomp. Met name dit laatste is niet aantrekkelijk, aangezien de desinvestering in de vervanging van een dergelijk onderdeel niet rendabel kan worden terugverdiend.

Het is doel van de uitvinding om een thermisch systeem te verschaffen dat op een eenvoudige manier kan worden aangepast of worden uitgebreid.

Hiertoe de warmte-pompeenheid tenminste twee warmtepompen omvat, waarbij elke warmtepomp een primaire en een secundaire warmtewisselaar omvat, waarbij de primaire warmtewisselaren parallel verbonden zijn, via regelmiddelen en de wamte-opslag-eenheid, met de PVT-eenheid en waarbij de secundaire warmtewisselaren van de warmtepompen in serie zijn verbonden met de warmte-afgifte- eenheid.

Hiermee wordt een thermisch systeem verkregen, waarbij eenvoudig aanvullende warmtepompen kunnen worden ingezet - naast de al bestaande warmtepomp — zonder dat ingrijpende wijzigingen aan de regelmiddelen en de rest van de installatie dienen te worden uitgevoerd. Daarnaast biedt deze oplossing een eenvoudige uitbreiding c.q. verhoging van het totale thermische vermogen van de installatie.

In het bijzonder zijn de regelmiddelen ingericht in het afzonderlijk regelen van de primaire warmtewisselaren van de ten minste twee warmtepompen. Hierdoor wordt een flexibel systeem gerealiseerd, dat niet alleen eenvoudig kan worden uitgebreid maar ook eenvoudig kan worden geregeld afhankelijk van de warmtebehoefte.

In het bijzonder zijn de regelmiddelen als een fysiek, separate regelmodule in het thermisch systeem opgenomen. Zodoende zijn minder ingrijpende aanpassing c.q.

wijzigingen aan het thermische systeem noodzakelijk in situaties als onderhoud, vervanging en/of uitbreiding.

In een exemplarisch voorbeeld is elke warmtepomp een fluidum-fluidum- warmtepomp.

Meer specifiek zijn in een voorbeeld de PVT-eenheid en de warmte- opslageenheid opgenomen in een eerste leidingstelsel voor het transporteren van een eerste fluïdum, en is de warmte-afgifte-eenheid opgenomen in een tweede leidingstelsel voor het transporteren van een tweede fluïdum.

Bij een functioneel voorbeeld van de regelmiddelen als één fysiek, separate regelmodule omvat het een eerste pompeenheid voor het rondpompen van het eerste fluïdum in het eerste leidingstelsel en een tweede pompeenheid voor het rondpompen van het tweede fluïdum in het tweede leidingstelsel. Hierdoor kan een verdere vereenvoudiging van de constructie en opbouw van het thermische systeem worden gerealiseerd, waarbij uniforme onderdelen centraal in een module in het systeem worden geplaatst en niet langer in verschillende aparte eenheden, zoals de warmtepompen zijn geïntegreerd. Dit vereenvoudigt de algehele montage van het systeem en maakt onderhoud, uitbreiding en vervanging eenvoudiger en goedkoper.

In een ander functioneel voorbeeld van de regelmiddelen als één fysiek, separate regelmodule omvat deze module voor elke warmtepomp aan de koude zijde van de primaire warmtewisselaar van de warmtepomp in het eerste leidingstelsel een regelbare klep. Hierdoor is het mogelijk om de verschillende warmtepompen separaat door de regelmiddelen aan te sturen afhankelijk van de warmtebehoefte.

De uitvinding zal nu aan de hand van een tekening nader worden toegelicht, welke tekening achtereenvolgens toont in: Figuur 1 schematisch een uitvoeringsvorm van een thermisch systeem volgens de uitvinding; In de Figuur 1 wordt met referentie-cijfer 100 een voorbeeld van een thermisch systeem volgens de uitvinding getoond. Een dergelijk thermisch systeem wordt tegenwoordig meer en meer ingezet voor het verwarmen van een gebouw, zoals een woning of een kantoorpand. In de Figuur 1 is duidelijk getoond dat het thermische systeem 100 modulair is opgebouwd en tenminste de volgende onderdelen omvat: een PVT-eenheid 10, een warmte-opslag-eenheid 20, een warmte-afgifte-eenheid 30, een warmtepomp-eenheid 40 alsmede regelmiddelen 50 voor het regelen van de warmtepomp-eenheid 40.

De PVT-eenheid 10 is opgebouwd uit een fotovoltaïsch paneel 11, dat wil zeggen, een zonnepaneel, ingericht voor het omzetten van zonlicht in elektrische energie. De huidige uitvinding is van toepassing op allerlei typen zonnepanelen 11, zoals een zonnepaneel met monokristallijnen, die bijvoorbeeld als staven getrokken zijn uit een siliciumsmelt. Deze staven bestaan uit één kristal en worden in schijven gesneden en op de zonnepanelen gemonteerd. Dit soort zonnepanelen heeft het hoogste rendement.

Een ander voorbeeld van een fotovoltaïsch paneel 11 is gebaseerd op polykristallijnen. Bij dit soort panelen worden er blokken gegoten van vloeibaar silicium. Bij dit proces ontstaan er breukvlakken tussen de kristallen. Hierdoor hebben deze panelen een lager rendement dan de hierboven genoemde panelen, echter zijn ze wel goedkoper in productie.

Een derde veel voorkomend zonnepaneel 11 is een amorf-type zonnepaneel. Hierbij wordt het silicium als het ware op een plaat gedampt. Dit resulteert in een hele dunne film. De kosten voor het produceren van een dergelijk paneel zijn gering, echter het rendement ligt ook een stuk lager dan bij de bovengenoemde twee andere varianten.

Daarnaast omvat de PVT-eenheid 10 aan een andere zijde van het fotovoltaïsche paneel 11 een van het thermische systeem 100 deel uitmakende zonnecollector 12, waarmee warmte van de zon wordt opgevangen en afgegeven aan een (eerste) transportfluidum, bijvoorbeeld water. De warmte kan tijdelijk in een warmte- opslageenheid 20 worden opgeslagen Verder omvat het thermische systeem in Figuur 1 regelmiddelen, die overeenkomstig de uitvinding als een fysieke, separate regelmodule 50 in het thermisch systeem 100 zijn opgenomen.

Daarnaast omvat het thermische systeem 100 een warmte-afgifte-eenheid 30, dat bijvoorbeeld gevormd kan zijn als het traditionele centrale verwarmingssysteem van een gebouw, waarbij referentie-cijfers 31a-31b diverse (convectie}radiatoren representeren.

Referentie-cijfer 40 vormt een warmtepomp-eenheid voor het overbrengen van warmte, dat door de PVT-eenheid 10 (in feite door de zonnecollector 12) van de zon is opgenomen en afgegeven aan een eerste transportfluidum over te dragen naar een ander (tweede) transportfluidum van de warmte-afgifte-eenheid 30.

Zoals getoond in Figuur 1 zijn de PVT-eenheid 10 en de warmte- opslageenheid 20 als ook de warmtepomp-eenheid 40 opgenomen in een eerste leidingstelsel 60, door welk eerste leidingstelsel 80 een eerste transportfluidum, bij voorkeur water kan worden verplaatst. De in de zonnecollector 12 aan het water afgegeven warmte kan tijdelijk worden opgeslagen in de warmte-opslag-eenheid 20, en verder worden getransporteerd in de richting van de warmtepomp-eenheid 40 voor overdracht van deze warmte aan de warmte-afgifte-eenheid 30.

Hiertoe is de warmtepomp-eenheid 40 als ook de warmte-afgifte-eenheid opgenomen in een tweede leidingstelsel 70 voor het transporteren van een tweede transportfluidum, dat bijvoorbeeld (bij voorkeur) ook water kan zijn.

Door de winst in efficiëntie van PVT-systemen, dat wil zeggen, de extra stroomopbrengst van de zonnepanelen en de warmteterugwinning van het thermische 30 systeem, is de interesse in dergelijke thermische systemen opgebouwd uit een PVT- eenheid, een warmte-opslag-eenheid, een warmte-afgifte-eenheid, een warmtepomp- eenheid en regelmiddelen de afgelopen jaren sterk toegenomen. Een nadeel van de huidige thermische systemen is dat deze specifiek ontworpen en geïnstalleerd worden voor een gebouw. Het aanpassen c.q. uitbreiden van bestaande thermische systemen is niet zonder meer mogelijk zonder volledige vervanging van één of meer van de specifieke onderdelen, met name de warmtepomp-eenheid. Met name dit laatste is niet aantrekkelijk, aangezien de desinvestering in de vervanging van een dergelijk onderdeel niet rendabel kan worden terugverdiend.

5 De onderhavige uitvinding beoogt hiertoe een oplossing te verschaffen, waarbij de warmte-pompeenheid 40 tenminste twee warmtepompen 40a-40b omvat, waarbij elke warmtepomp 40a-40b een primaire 40a-1;40b-1 en een secundaire 40a- 2;40b-2 warmtewisselaar omvat, en waarbij de primaire warmtewisselaren 40a-1;40b-1 parallel verbonden zijn, via de regelmiddelen 50 en de warmte-opslag-eenheid 20, met de PVT-eenheid 10 en waarbij de secundaire warmtewisselaren 40a-2;40b-2 van de warmtepompen 40a-40b in serie zijn verbonden met de warmte-afgifte-eenheid 30.

Zoals duidelijk getoond in de Figuur 1 omvatten de regelmiddelen 50 een eerste pompeenheid 51 omvat voor het rondpompen van het eerste transportfluidum in het eerste leidingstelsel 60. Deze eerste pompeenheid 51 zorgt voor een rondgaand transport van het eerste transportfluidum door ‘koud’ leidingdeel 62, waarbij het eerste transportfluidum met een lage temperatuur naar de PVT-eenheid 10 en in het bijzonder naar de zonnecollector 12 wordt gepompt. Aldaar absorbeert het eerste transportfluidum warmte van de zon en wordt het via het ‘warme’ leidingdeel 61 in de richting van de warmte-opslag-eenheid 20 en de warmtepomp-eenheid 40 getransporteerd.

Ter plaatste van de warmtepomp-eenheid 40 splitst het leidingdeel 61 zich in een leidingdeel 61a en 61b die het eerste transportfluidum door de primaire warmtewisselaars 40a-1;40b-1 van de warmtepompen 40a en 40b wordt geleid. Aldaar zal de warmte van het eerste transportfluidum - volgens het bekende thermodynamische principe van een warmtepomp - worden opgenomen het koudemiddel van de warmtepomp 40a en 40b, dat vervolgens door de compressoren 40a-3;40b-3 onder druk wordt gebracht, waardoor de temperatuur van het koudemiddel toeneemt.

Het eerste transportfluidum (met een lagere temperatuur) verlaat de primaire warmtewisselaars 40a-1;40b-1 via de deelleidingen 62a en 62b in de richting van de fysiek, separate regelmodule 50, waarna de eerste pompeenheid 51 het eerste transportfluidum via het ‘koude’ hoofdleidingdeel 62 weer rondpompt in de richting van de PVT-eenheid. Door het warmere koudemiddel door de secundaire warmtewisselaren 40a- 2:40b-2 van de warmtepompen 40a-40b te leiden, kan op een energie-efficiënte wijze deze warmte overgedragen worden aan het tweede transportfluidum van de warmte- afgifte-eenheid 30 (de C.V.-installatie van het gebouw).

Hiertoe omvat de fysieke, separate regelmodule 50 een tweede pompeenheid 52 voor het rondpompen van het tweede transportfluidum in het tweede leidingstelsel 70. De regelmodule 50 omvat voorts een regelklep 54 voor het regelen van de flow van het tweede transportfluidum door het tweede leidingstelsel 70. Hierbij zijn de secundaire warmtewisselaren 40a-2;40b-2 van de warmtepompen 40a-40b in serie met elkaar verbonden met de warmte-afgifte-eenheid 30. Startend vanaf de tweede pompeenheid 52 zal het tweede transportfluidum via de ‘koude’ deelleiding 72 door de secundaire warmtewisselaar 40a-2 van de eerste warmtepomp 40a worden geleid, aldaar warmte opnemen en vervolgens via de ‘warme’ deelleiding 71a naar de secundaire warmtewisselaar 40b-2 van de tweede warmtepomp 40b worden geleid.

In de tweede warmtepomp 40b zal het tweede transportfluidum wederom warmte opnemen en met een wederom hogere temperatuur de warmtepomp-eenheid 40 verlaten via de ‘warmere’ deelleiding 71b naar de leiding 71 en vervolgens in de richting van de warmte-afgifte-eenheid 30.

Door deze opstelling en koppeling van verschillende warmtepompen kan efficiënt de via de PVT-eenheid 10 ingevangen warmte ‘gestapeld’ worden, doordat de temperatuurverhoging dat door het eerste transportfluidum in elke warmtepomp wordt overgedragen aan het tweede transportfluidum wordt doorgegeven. Indien elke warmtepomp 40a-40b een AT bezit van 5°C, dan verschaft het thermische systeem 100 zoals getoond in Figuur 1 in een temperatuurverschil van 10°C tussen het via het leidingdeel 72 ingaande tweede transportfluidum en het via het leidingdeel 71 uitgaande tweede transportfluidum.

Door eventueel meerdere, bijvoorbeeld een derde 40c of een vierde 40d warmtepomp op een soortgelijke wijze in het thermische systeem 100 op te nemen, waarbij de primaire warmtewisselaren 40a-1;40b-1;40c-1;40d-1 van elke warmtepomp 40a-40d parallel met de regelmodule 50 en de PVT-eenheid 10 (en de warmte-opslag- eenheid 20) zijn geschakeld en de secundaire warmtewisselaren 40a-2;40b-2;40¢-2;40d- 2 van elke warmtepomp in serie met de warmte-afgifte-eenheid 30 en de tweede pompeenheid 52 van de regelmodule 50 zijn geschakeld kan een aanzienlijk temperatuurverschil tussen het ingaande en uitgaande tweede transportfluidum worden bewerkstelligd, waarmee eventueel een gasgestookte cv-installatie kan worden ge- evenaart.

Deze uitvoeringsvorm is in Figuur 1 getoond aan de hand van de niet- aangesloten regelklep aansluitingen 53c en 53d in de regelmodule 50, welke bedoeld zijn voor aansluiting op de (niet getoonde) ‘koude’ deelleidingen 82c-62d van het eerste leidingstelsel 60 aan de ‘koude’ zijde van de primaire warmtewisselaren 40c-1;40d-1 van de aanvullende (ook niet getoonde) derde dan wel vierde warmtepomp 40c-40d. Analoog aan het getoonde ten aanzien van de eerste en tweede warmtepomp 40a-40b zal de ‘warme’ leiding 61 van het eerste leidingstelsel 60 twee aanvullende deelleidingen 61c en 61d bezitten welke zorgen voor parallelle aansluitingen op de warme zijde van de primaire warmtewisselaren 40c-1;40d-1.

Evenzo zal bij de uitvoering van drie of vier warmtepompen de ‘warme’ deelleiding 71b van het eerste leidingstelsel 70 in serie doorgeleid worden naar de secundaire warmtewisselaar 40c-2 van de derde warmtepomp 40c en vervolgens in serie via de deelleiding 71c doorgeleid worden naar de secundaire warmtewisselaar 40d-2 van de vierde warmtepomp 40d en vervolgens de uit vier warmtepompen 40a-40d samengestelde warmtepomp-eenheid 40 verlaten via de deelleiding 71d naar de leiding 71 en vervolgens in de richting van de warmte-afgifte-eenheid 30.

Zodoende wordt een thermisch systeem 100 verkregen, waarbij eenvoudig aanvullende warmtepompen kunnen worden ingezet - naast de al bestaande warmtepomp — zonder dat ingrijpende wijzigingen aan de regelmiddelen en de rest van de installatie dienen te worden uitgevoerd. In het bijzonder maakt deze oplossing een eenvoudige uitbreiding c.q. verhoging van het totale thermische vermogen van de installatie mogelijk.

In het bijzonder zijn de regelmiddelen 50 ingericht in het afzonderlijk regelen van de primaire warmtewisselaren 40a-1;40b-1 van de ten minste twee warmtepompen 40a-40b. Hierdoor wordt een flexibel systeem gerealiseerd, dat niet aleen eenvoudig kan worden uitgebreid, maar ook eenvoudig en centraal door de gebruiker kan worden ingesteld en ingeregeld afhankelijk van de warmtebehoefte. Zoals al gemeld zijn de regelmiddelen 50 als een fysiek, separate regelmodule 50 in het thermisch systeem 100 opgenomen. Zodoende zijn minder ingrijpende aanpassing c.q. wijzigingen aan het thermische systeem 100 noodzakelijk in situaties als onderhoud, vervanging en/of uitbreiding.

Ten behoeve van het afhankelijk van de warmtebehoefte afzonderlijk kunnen regelen van de primaire warmtewisselaren 40a-1;40b-1 omvat de regelmodule 50 voor elke warmtepomp 40a-40b aan de ‘koude’ zijde van de primaire warmtewisselaar 40a-1;40b-1 van de betreffende warmtepomp in de ‘koude’ deelleidingen 62a-62b van het eerste leidingstelsel 60 een regelbare klep 53a-53b, die eventueel als veiligheid ook een terugslagklep omvatten.

Zoals gemeld omvat de fysiek, separate regelmodule 50 een eerste pompeenheid 51 voor het rondpompen van het eerste transportfluidum in het eerste leidingstelsel 60 en een tweede pompeenheid 52 voor het rondpompen van het tweede transportfluidum in het tweede leidingstelsel 70. Dit realiseert een verdere vereenvoudiging van de constructie en opbouw van het thermische systeem 100, waarbij uniforme onderdelen centraal in één regelmodule 50 in het systeem 100 worden geplaatst en niet langer zoals nu gebruikelijk in verschillende aparte eenheden, zoals de warmtepompen 40a-40b zijn geïntegreerd.

Hierdoor wordt de algehele montage van het systeem vereenvoudigd en is onderhoud, uitbreiding en vervanging eenvoudiger en goedkoper. Daarnaast maakt deze configuratie het mogelijk om het thermische systeem centraal door de gebruiker in te stellen en in te regelen afhankelijk van de warmtebehoefte Het mag duidelijk zijn dat door de functionele modulaire opbouw van de warmtepomp-eenheid 40 en de fysiek, separate regelmodule 50 meer dan twee warmtepompen 40a-40b kunnen worden ingezet. Het ontwerp van het thermisch systeem 100 overeenkomstig de uitvinding maakt het mogelijk om meerdere warmtepompen, bijvoorbeeld 40a-40b-40c-40d in te zetten, waarbij de primaire warmtewisselaren 40a- 1;40b-1;40c-1;40d-1 van elke warmtepomp parallel met de regelmodule 50 en de PCT- eenheid 10 (en de warmte-opslag-eenheid 20) zijn geschakeld en de secundaire warmtewisselaren 40a-2;40b-2;40c-2;40d-2 van elke warmtepomp in serie met de warmte-afgifte-eenheid 30 en de tweede pompeenheid 52 van de regelmodule 50 zijn geschakeld.

Claims (7)

CONCLUSIES

1. Een thermisch systeem voor het verwarmen van een gebouw tenminste omvattende: een PVT-eenheid; een warmte-opslag-eenheid; een warmte-afgifte-eenheid; een warmtepomp-eenheid; alsmede regelmiddelen voor het regelen van de warmtepomp-eenheid, waarbij de warmte-pompeenheid tenminste twee warmtepompen omvat, waarbij elke warmtepomp een primaire en een secundaire warmtewisselaar omvat, waarbij de primaire warmtewisselaren parallel verbonden zijn, via regelmiddelen en de warmte-opslag- eenheid, met de PVT-eenheid en waarbij de secundaire warmtewisselaren van de warmtepompen in serie zijn verbonden met de warmte-afgifte-eenheid.

2. Het thermische systeem volgens conclusie 1, waarbij de regelmiddelen zijn ingericht in het afzonderlijk regelen van de primaire warmtewisselaren van de ten minste twee warmtepompen.

3. Het thermische systeem volgens conclusie 1 of 2, waarbij de regelmiddelen als een fysiek, separate regelmodule in het thermisch systeem zijn opgenomen.

4. Het thermische systeem volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarbij elke warmtepomp een fluidum-fluidum-warmtepomp is.

5. Het thermische systeem volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarbij de PVT-eenheid en de warmte-opslageenheid zijn opgenomen in een eerste leidingstelsel voor het transporteren van een eerste fluïdum, en waarbij de warmte- afgifte-eenheid is opgenomen in een tweede leidingstelsel voor het transporteren van een tweede fluïdum.

6. Het thermische systeem volgens conclusie 5, waarbij de regelmiddelen een eerste pompeenheid omvat voor het rondpompen van het eerste fluïdum in het eerste leidingstelsel en een tweede pompeenheid omvat voor het rondpompen van het tweede fluidum in het tweede leidingstelsel.

7. Het thermische systeem volgens conclusie 5 of 6, waarbij de regelmiddelen voor elke warmtepomp aan de koude zijde van de primaire warmtewisselaar van de warmtepomp in het eerste leidingstelsel een regelbare klep omvat.