PL206332B1 - Gruntowy wymiennik ciepła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest gruntowy wymiennik ciepła będący jednocześnie filtrem powietrza, mający zastosowanie w instalacjach wentylacyjnych, klimatyzacyjnych i wszędzie tam gdzie jest potrzeba dostarczenia w dużych ilości czystego i uzdatnionego powietrza, przy czym po uzdatnieniu jest ono czystsze od otaczającego, ma odpowiednią wilgotność, a w zależności od pory roku jest zimą ciepłe, a latem chłodne.

W znanym z szwajcarskiego opisu patentowego nr 210 059 gruntowym ujęciu powietrza przewód ssawny jest wprowadzony bezpośrednio do dolnej warstwy, a szerokość warstw w kierunku do dołu ulega zmniejszeniu aż do średnicy przewodu ssawnego.

W innym rozwiązaniu znanym z niemieckiego opisu patentowego nr 1 295 165 rura ssawna jest umieszczona w komorze studziennej w kształcie cylindra z otworami. Pomiędzy ścianami komory a warstwami gruntu znajduje się warstwa ż wiru.

Oba rozwiązania charakteryzuje pionowy przepływ powietrza przez warstwy gruntu. Wadą tych rozwiązań są znaczne opory przepływu powietrza przez warstwy gruntu.

Z polskiego opisu patentowego nr 119 749 jest znane urzą dzenie chł odząco-grzewcze doprowadzające powietrze do gruntu poprzez wykonane w gruncie pionowe wloty powietrza, najkorzystniej w postaci studzienek. Dolne części tych wlotów są połączone z komorą zbiorczą za pośrednictwem odcinków przewodów lub warstw gruntu o małym oporze przepływu i dobrym współczynniku przewodzenia ciepła. Komora zbiorcza jest połączona z urządzeniem technologicznym takim jak skraplacz chłodzony powietrzem, chłodnia wody, urządzenia klimatyzacyjne lub urządzenia wentylacyjne.

Niedogodnością techniczną takiego rozwiązania jest możliwość szybkiego wychładzania złoża akumulacyjnego w okresie zimowym lub jego nagrzewanie w okresie letnim poprzez górną warstwę gruntu przykrywającą wypełnienie akumulacyjne, możliwość zanieczyszczenia złoża akumulacyjnego przez górne warstwy gruntu, brak możliwości przemywania złoża akumulacyjnego oraz ograniczoną możliwość wymiany ciepła i masy.

Innym rozwiązaniem znanym z polskiego opisu patentowego nr 128 261 jest bezprzeponowy gruntowy wymiennik ciepła i masy składający się z pionowych wlotów powietrza, których dolne części są połączone z drenami powietrznymi, najkorzystniej betonowymi, za pośrednictwem akumulacyjnej warstwy gruntu o małym oporze przepływu i dobrym współczynniku przewodzenia ciepła, najkorzystniej żwiru. Ta warstwa jest z kolei połączona z urządzeniem technologicznym w postaci urządzenia wentylacyjnego, skraplacza chłodzonego powietrzem, chłodnią wody, urządzeniem klimatyzacyjnym bądź innym. Nad akumulacyjną warstwą jest umieszczona zraszająca instalacja wodna połączona z dowolnym źródłem wody, przy czym warstwa akumulacyjna i instalacja wodna są przykryte warstwą termoizolacyjną, nad którą znajduje się warstwa gruntu.

Wadą ujawnionego rozwiązania jest wypiętrzenie wymiennika ponad grunt. Powoduje to zmniejszenie efektywności (straty termiczne) działania wymiennika - chłodzenie latem i grzanie zimą. Dodatkowo takie rozwiązanie ogranicza jego stosowanie ze względów estetyczno-architektonicznych. Izolacja złoża nie posiada izolacji hydrologicznej i ma kształt płaski, czego skutkiem może być przesączanie wody przykładowo deszczowej. Może to być przyczyną rozszczelnienia górnej powierzchni złoża powodując jego skażenie rozcieńczonym humusem. Wadą konstrukcyjną są pionowe czerpnie doprowadzające powietrze do złoża. Powodują one, że tylko wokół nich jest intensywny przepływ powietrza, natomiast brak równomiernego przepływu powietrza całym przekrojem złoża. Usytuowanie powietrznego drenu odbierającego powietrze na dnie złoża powoduje ryzyko jego niedrożności w przypadku podniesienia się poziomu wód gruntowych.

Wynalazek dotyczy gruntowego wymiennika ciepła wykorzystującego prawie stałą, na niewielkiej głębokości, energię cieplną gruntu, dla chłodzenia, ogrzewania, oraz osuszania i filtrowania powietrza. Istota urządzenia polega na wykorzystaniu co najmniej jednej czerpni usytuowanej na powierzchni gruntu, połączonej u dołu z poziomym kanałem rozprowadzającym powietrze usytuowanym w ż wirowym lub kamiennym zł oż u rozprowadzają cym, które to zł o ż e są siaduje jednostronnie z wymiennikiem w postaci żwirowego złoża akumulacyjnego. W dolnej części złoża akumulacyjnego jest usytuowana rura drenażowa połączona ze szczelną studzienką zbiorczą umożliwiającą kontrolę poziomu wód gruntowych i zbieranie nadmiaru wody z instalacji zraszającej umieszczonej ponad złożem akumulacyjnym lub wilgoci wydzielającej się z powietrza. Przenikające przez całą szerokość złoża akumulacyjnego powietrze jest kierowane do kanału usytuowanego nad żwirowym lub kamiennym złożem zbierającym sąsiadującym drugostronnie ze złożem akumulacyjnym, który to kanał stanowi

PL 206 332 B1 ujęcie powietrza dla budynku. Z kanałem tym jest połączony wentylator ssący z tłumikiem. Instalacja zraszająca umieszczona ponad złożem akumulacyjnym wraz z tym złożem są przykryte izolacją termiczną i zarazem hydrologiczną, nad którą znajduje się warstwa gruntu. Złoża rozprowadzające, akumulacyjne i zbierające są wykonane w gruncie rodzimym.

W odmianie wykonania wynalazku gruntowy wymiennik ciepła może być wykonany jako dwukomorowy, czyli bateria pojedynczych wymienników opisanych wyżej.

Gruntowy wymiennik ciepła według wynalazku lub baterie takich wymienników mogą być wykorzystane do chłodzenia urządzeń technologicznych w przemyśle, handlu spożywczym czy w gastronomii, do chłodzenia skraplaczy w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych. Powietrze zewnętrzne przepływając przez złoże posadowione na głębokości 1 - 4 m, na której w ciągu całego roku panuje średnia temperatura +10°C (±2°C) podgrzewa się w szczytach zimowych od -10°C do +5°C, latem zaś ulega ochłodzeniu z około +30°C do +20°C. Powietrze przepływające przez żwir, w zależności od pory roku, jest ochładzane, osuszane, podgrzewane lub nawilżane, a także filtrowane z zanieczyszczeń biologicznych. Powietrze po przejściu przez wymiennik ciepła, który jest jednocześnie filtrem żwirowym, zawiera wielokrotnie mniej komórek drobnoustrojów, pyłków, bakterii, grzybów, niż przy wlocie. Bezpośredni kontakt złoża z otaczającym gruntem ułatwia szybką wymianę energii między tymi ośrodkami. Budowa baterii wymienników i ich cykliczne przełączanie powoduje, że poszczególne złoża mają czas i regenerują swoją temperaturę do otaczającego gruntu. Umieszczenie wentylatora z tłumikiem w gruncie pomiędzy wymiennikiem a klimatyzowanym budynkiem pozwala na całkowite wyciszenie pracy wentylatora. Rury drenażowe i podłączenie ich do szczelnej studzienki zbiorczej umożliwiają okresową kontrolę wymiennika i usuwania nadmiaru wód gruntowych. Rozwiązanie według wynalazku pozwala przedłużyć czas eksploatacji zabudowanych uprzednio urządzeń wentylacyjnych i/lub klimatyzacyjnych, z uwagi na uzyskiwanie wstępnie podgrzanego lub schłodzonego powietrza w gruntowym wymienniku ciepł a. Umo ż liwia również uzyskanie taniej i ekonomicznie uzasadnionej poprawy mikroklimatu w budownictwie mieszkaniowym, szpitalnym i obiektach użyteczności publicznej wówczas, gdy wymienniki gruntowe umieści się w układach nawiewających.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia gruntowy wymiennik ciepła w przekroju pionowym, a fig. 2 - schematyczny widok urządzenia według wynalazku w przekroju wzdłuż linii A-A zaznaczonej na fig. 1, natomiast fig. 3 przedstawia schematyczną budowę wymiennika dwukomorowego złożonego z dwóch wymienników przedstawionych na fig. 1 rysunku.

Jak pokazano na rysunku gruntowy wymiennik ciepła według wynalazku składa się z co najmniej jednej czerpni 1 usytuowanej na powierzchni gruntu 7 połączonej u dołu z poziomym kanałem 2 rozprowadzającym powietrze usytuowanym w żwirowym lub kamiennym złożu rozprowadzającym 3, które to złoże 3 sąsiaduje jednostronnie z wymiennikiem 4 w postaci żwirowego złoża akumulacyjnego. W dolnej części złoża akumulacyjnego 4 jest usytuowana rura drenażowa połączona ze studzienką 11 umożliwiającą kontrolę poziomu wód gruntowych i zbierającą nadmiar wody z instalacji zraszającej 10 umieszczonej ponad złożem akumulacyjnym 4 lub wilgoci wydzielającej się z powietrza. Przenikające przez całą szerokość złoża akumulacyjnego 4 powietrze jest kierowane do kanału 6 usytuowanego nad żwirowym lub kamiennym złożu zbierającym 5 sąsiadującym drugostronnie ze złożem akumulacyjnym 4, który to kanał 6 stanowi ujęcie powietrza dla budynku lub innego miejsca odbioru. Z kanałem 6 jest połączony wentylator ssący z tłumikiem. Instalacja zraszająca 10 umieszczona ponad złożem akumulacyjnym 4 wraz z tym złożem są przykryte termiczną i zarazem hydrologiczną izolacją 8, nad którą znajduje się warstwa gruntu 7. Złoża rozprowadzające 3, akumulacyjne 4 i zbierające 5 są wykonane w gruncie rodzimym 9.

Zgodnie z fig. 3 rysunku wymiennik dwukomorowy według wynalazku składa się z co najmniej dwóch pojedynczych akumulacyjnych złóż 4, pomiędzy którymi jest usytuowany zbierający kanał 6, natomiast na przeciwległych bokach złóż 4 są umieszczone rozprowadzające kanały 2.

Działanie ujawnionego gruntowego wymiennika ciepła jest następujące. Powietrze poprzez czerpnię 1 przechodzi rurociągiem do kanału rozprowadzającego 2. Kanał 2 jest otwarty w dolnej części i powietrze przechodzi do złoża rozprowadzającego 3. W złożu tym, charakteryzującym się większą granulacją powietrze jest rozprowadzane jest na całą jego głębokość, dzięki czemu powietrze całym przekrojem przechodzi poziomo do złoża akumulacyjnego 4. W złożu akumulacyjnym 4 następuj proces uzdatniania powietrza. Powietrze to jest zbierane przez złoże zbierające 5 i pionowo do góry przechodzi do kanału zbierającego 6. Do kanału 6 jest doprowadzony przewód wentylatora ssącego z tłumikiem, który jest osadzony w gruncie lub w pomieszczeniu wentylatorni w klimatyzowanym

PL 206 332 B1 budynku. Umieszczenie wentylatora w gruncie pozwala na całkowite wyciszenie pracy wentylatora.

W celu okresowego czyszczenia złoża 4 i możliwości regulacji wilgotności powietrza przepływającego przez złoże 4, w górnej jego części wykonuje się wodną instalację zraszającą 10. W przypadku występowania okresowego podniesienia wód gruntowych wskazane jest osadzenie w dolnej części wymiennika rur drenażowych i podłączenie ich do szczelnej studzienki zbiorczej 11, dzięki czemu jest możliwa okresowa kontrola gruntowego wymiennika ciepła i usuwanie nadmiaru wód gruntowych.

Jak dowiodły badania eksploatacyjne w powietrzu, które przeszło przez złoże wymiennika według wynalazku następuje prócz jego oczyszczenia spadek liczby bakterii w 1 m³ z 10 615 na wlocie, do znikomej wartości 680 na wylocie, przy normie dopuszczającej 700 bakterii w 1 m³ powietrza na oddziałach noworodków. Opisane rozwiązanie w okresie letnim umożliwia obniżenie wilgotności bezwzględnej powietrza o 3 do 6 g/kg, co eliminuje możliwość odczuwania duszności w wentylowanych pomieszczeniach, natomiast zimą pobór powietrza wentylacyjnego przez wymiennik gruntowy ogranicza zużycie ciepła w nagrzewnicach o ok. 30 do 40%, przy zachowaniu stosunku mocy włożonej (wentylator) do pozyskanej (chłód ciepło) w granicach 1:16 do 1:40. Kolejnym korzystnym skutkiem jest to, że nawet w dniach występowania na zewnątrz temperatur ekstremalnych do +34°C regeneracja termiczna złoża wymiennika następująca w godzinach nocnych pozwala na utrzymanie właściwych temperatur w pomieszczeniach przez cały dzień. Wydajność wymiennika, w zależności od ilości zestawionych w baterię złóż akumulacyjnych zawiera się w przedziale od 500 do 150 000 m³/h.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Gruntowy wymiennik ciepła składający się z co najmniej jednego pionowego wlotu powietrza połączonego za pośrednictwem akumulacyjnej warstwy gruntu o małym oporze przepływu i dobrym współczynniku przewodzenia ciepła, najkorzystniej żwiru, która to warstwa jest połączona z kolei z kanałem stanowiącym ujęcie powietrza dla budynku, przy czym nad warstwą akumulacyjną jest umieszczona wodna instalacja zraszająca połączona z dowolnym źródłem czystej wody, z tym, że zarówno warstwa akumulacyjna jak i instalacja zraszająca są okryte warstwą termoizolacyjną nad którą znajduje się warstwa gruntu, znamienny tym, że w żwirowym lub kamiennym złożu rozprowadzającym (3) otaczającym jednostronnie żwirowe złoże akumulacyjne (4) jest usytuowany poziomy kanał (2) rozprowadzający powietrze, które przenikając przez całą szerokość złoża akumulacyjnego (4) jest kierowane do stanowiącego ujęcie powietrza dla budynku kanału (6) usytuowanego nad żwirowym lub kamiennym złożem zbierającym (5) otaczającym drugostronnie złoże akumulacyjne (4), z tym, że z kanałem (6) jest połączony wentylator ssący z tłumikiem, natomiast w dolnej części złoża akumulacyjnego (4) jest usytuowana drenażowa rura (11) połączona ze studzienką zbiorczą (11) dla kontroli poziomu wód gruntowych i zbierania nadmiaru wody z instalacji zraszającej (10) umieszczonej ponad akumulacyjnym złożem (4) okrytym wraz z instalacją zraszającą (10) termoizolacyjną i zarazem hydrologiczną warstwą (8), przy tym złoża rozprowadzające (3), akumulacyjne (4) i zbierające (5) są otoczone gruntem rodzimym (9).
2. 2. Gruntowy wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że składa się z co najmniej dwóch pojedynczych akumulacyjnych złóż (4), pomiędzy którymi jest usytuowany zbierający kanał (6), natomiast na przeciwległych bokach złóż (4) są umieszczone rozprowadzające kanały (2).